книги из ГПНТБ / Печененко, В. И. Автоматика регулирования и управления судовых силовых установок учеб. пособие

в. И. ПЕЧЕНЕНКО, Г. В. КОЗЬМИНЫХ

АВТОМАТИНА

РЕГУЛИРОВАНИЯ И УПРАВЛЕНИЯ

СУДОВЫХ СИЛОВЫХ УСТАНОВОН

і

«

переработанное и дополненное . .: *

Утверждено Управлением учебных заведений

Министерства морского флота СССР

в качестве учебного пособия для учащихся судомеханической специальности

мореходных и арктического училищ

МОСКВА. «ТРАНСПОРТ». 1973

УДК 62—52 : 629.12—8(075.3)

и контрольно-измерительных приборов, применяющихся в су­ довых энергетических установках морских судов. Приводят­ ся принципиальные схемы автоматизации элементов судовых энергетических установок, излагаются основные направления

механической специальности мореходных и арктического училищ. Она может быть полезна судовым механикам, зани­

•о'ѴѴіПЯЯР

ЧИТАЛЬНОІО ЭАЯА

(^) Издательство «Транспорт», 1973 г., с изменениями и дополнениями.

Ч-' ’

П Р Е Д И С Л О В И Е

V

Советский морской флот из года в год пополняется первоклассными судами, отвечающими современным требованиям эксплуатации. Как следствие научно-технического прогресса по­ вышается' уровень автоматизации энергетического и навигацион­ ного оборудования судов и судовых|систем. На морском транспор­ те в последние годы разработаны й внедрены средствами схемы автоматического управления отдельными процессами и целыми агрегатами, достигнуты положительные результаты в области ком­ плексной автоматизации судовых энергетических установок.

Все возрастающая степень автоматизации выдвигает задачу подготовки высококвалифицированных кадров моряков, способных освоить технику автоматического регулирования и управления, обеспечить эффективную работу автоматизированных энергетиче­ ских установок.

В учебной литературе по автоматическому регулированию и управлению, как правило, основные теоретические положения излагаются либо на базе сложного математического аппарата, либо настолько упрощенно, что учащийся не получает ясного представления о физическом смысле и сущности процессов регу­ лирования. В первом издании этой книги авторами сде­ лана попытка изложить вопросы автоматического регулирования на базе математического аппарата, доступного учащимся средних учебных заведений.

Настоящая книга является вторым, переработанным и допол­ ненным, изданием учебного пособия, вышедшего в 1967 г. под названием «Автоматизация регулирования и управления в судо­ вых силовых установках», и предназначена для учащихся средних

3

Глава /

ОСНОВЫ Т Е О Р И И А В Т О М А Т И Ч Е С К О Г О Р Е Г У Л И Р О В А Н И Я

§ 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Правильность технической эксплуатации любого эле­ мента судовой силовой установки (ЭССУ) или, что теперь более принято, судовой энергетической установки (ЭСЭУ) определяется совокупностью физических величин, которые характеризуют про­ текающие в нем технологические процессы и называются парамет­ рами, или показателями, процесса. Надежная и экономичная ее работа возможна лишь при определенных значениях показателей процессов отдельных ее элементов-. Например, в топливоподогре­ вателе котельной установки протекает технологический процесс подогрева до заданной температуры топлива за счет скрытой теп­ лоты парообразования греющего пара, высвобождающейся при его конденсации. Поддержание в заданных пределах температуры топ­ лива при изменяющемся его расходе обеспечивается воздействием на теплообмен между греющим паром и топливом путем изме­ нения открытия парового клапана, определяющего подвод пара. Показателями процесса, протекающего в подогревателе, являются температура подогретого топлива и положение уровня конденсата греющего пара в корпусе подогревателя. Недостаточная темпера­ тура подогрева топлива ухудшает качество его распыливания и снижает экономичность котельной установки за счет роста потерь тепла от химического недожога топлива. Чрезмерно высокий по­ догрев приводит к закоксовыванию отверстий форсуночных распы­ лителей, вызывает пульсацию факела горящего топлива, может явиться причиной пожара. Снижение уровня конденсата в подогре­ вателе топлива может привести к неполной конденсации греюще­ го пара из-за протечки его в цистерну грязных конденсатов, что вы­ зывает потерю тепла, а повышение уровня конденсата уменьшит активную поверхность нагрева подогревателя, и для поддержания необходимой температуры топлива потребуется увеличение давле­ ния греющего пара, что не только снизит экономичность, но и не всегда допустимо.

Если технологические процессы, происходящие в ЭСЭУ, напри­ мер в дизель-компрессоре или турбовоздуходувке, заканчиваются

5

обеспечением необходимого значения потенциальной энергии воз­ духа, то показателем процесса будет его давление. Технологический процесс выработки в котле пара за счет теплоты, выделяющейся при сжигании топлива, характеризуется следующими показателя­ ми процесса: давлением и температурой пара. Выработка пара

в котле, а также заданного соотношения расходов топлива и воз­ духа, пропорционального корню квадратному из отношения их давлений, которые также являются показателями процесса. Под­ держание этих и других величин, например температуры топлива, в заданных пределах гарантирует надежную и экономичную рабо­ ту котла.

Работа любого ЭСЭУ связана с подводом и отводом в общем случае вещества и энергии. При соблюдении материального и энер­ гетического баланса, т. е. равенстве подвода и отвода вещества и энергии, процесс называется установившимся или равновесным. Признаком установившегося процесса является неизменность его показателей. Например, равновесное состояние подогревателя ха­ рактеризуется неизменностью температуры подогретого топлива и уровня конденсата.

Нарушение материального и энергетического баланса приве­ дет к изменению величин показателей процесса в результате на­ копления или уменьшения запаса вещества и энергии в элементе. Процесс, при котором материальный и энергетический балансы нарушены, называется неустановивишмся или неравновесным.

В процессе эксплуатации некоторые показатели при исправном состоянии элемента установки могут выйти за допустимые пре­ делы, установленные по соображениям надежности или экономич­ ности. Поддержание таких показателей процесса постоянными или изменение их по определенному закону составляет задачу регули­ рования, а сами показатели называются регулируемыми вели­ чинами.

Управление ЭСЭУ — это воздействие на него с целью обеспе­ чения требуемого протекания процессов или необходимого изме­ нения состояния элемента. Например, управление главным судо­ вым двигателем внутреннего сгорания может предусматривать: пуск, изменение режимов работы, реверсирование, регулирование и остановку. Таким образом, регулирование составляет часть бо-. лее общей задачи управления. ЭСЭУ, в котором осуществляется процесс, подлежащий управлению или только регулированию, со­ ответственно называются объектом управления (ОУ) и объектом регулирования (ОР).

Контролируемыми величинами называются показатели процес­ сов, которые используются для оценки состояния объектов и про­ текающих в них процессов. Примером контролируемой величины может служить температура уходящих из котла газов, по которой можно судить о чистоте поверхности нагрева и правильности ве­ дения процесса топливосжигания.

6

Если восстановление показателя процесса ОР осуществляется вахтенным персоналом путем устранения материального и энер­ гетического небаланса непосредственным воздействием на регули­ рующий орган (РО) — устройство объекта регулирования, опреде­ ляющее подвод (отвод) вещества или энергии, регулирование называется ручным. Включение РО в состав объекта регулирова­ ния является условным, хотя обычно он составляет его неотъемле­ мую часть, как, например, маневровый клапан турбины. При уве­ личении расхода топлива через подогреватель температура подо­ гретого топлива снизится]. Для восстановления регулируемой величины вахтенный, руководствуясь показаниями термометра подо­ гретого топлива, приоткроет регулирующий орган-клапан на тру­ бопроводе подвода греющего пара к подогревателю.

Задача регулирования работы установки может быть решена без участия обслуживающего пер­ сонала с помощью устройств, называемых автоматическими ре­ гуляторами, или регуляторами.

Такое регулирование называется

автоматическим регулированием.

Если управление объектом осу­ ществляется автоматически, то оно называется автоматическим

управлением, а выполняющее его устройство — автоматическим управляющим устройством.

Если произойдет отклонение регулируемой величины от задан­ ного значения, то регулятор, воздействуя на регулирующий орган, изменит подвод или отвод вещества или энергии, т. е. окажет ре­ гулирующее воздействие, обеспечивая восстановление нарушенно­ го равновесного состояния.

На рис. 1 показана схема автоматического регулирования тем­ пературы топлива. Регулятор температуры топлива состоит из па­ рожидкостного термобаллона 6, сильфона 4 и соединяющего их капилляра 5, пружины 2, упирающейся нижним концом в корпус клапана, а верхним—>в гайку 3 штока парового регулирующего клапана 1 подогревателя 7. Термобаллон, корпус сильфона и ка­ пилляр составляют герметическую систему, частично заполненную жидкостью — наполнителем, например ацетоном, температура ки­ пения которого при атмосферном давлении меньше минимального значения регулируемой температуры. Давление паров ацетона, за­ полняющих верхнюю часть термобаллона, передается через жид­ кий ацетон донышку сильфона, на котором создается усилие. По­ следнее уравновешивается силой пружины, деформация которой определяет величину открытия регулирующего клапана. Таким образом, измерение регулируемой величины основано на строгой зависимости между температурой жидкости и давлением упругих паров наполнителя, частично заполняющих термобаллон.

7.

Измерение регулируемой величины в регуляторах осуществля­ ется измерительным устройством (ИУ), состоящим обычно из сле­ дующих элементов: чувствительного, задающего и сравнения. Чув­ ствительный элемент (ЧЭ) воспринимает и преобразует регулируе­ мую величину в величину, удобную для сравнения с заданием. За­ дающий элемент (ЗЭ) определяет задание регулятору — значение регулируемой величины, которое он должен поддерживать, называе­ мое уставкой регулятора (УР). Если по условиям эксплуатации нужно изменять уставку,,то это достигается с помощью регулиро­ вочного устройства (РУ) задающего элемента. Элемент сравнения

(ЭС) получает и сравнивает информацию от ЧЭ и ЗЭ и при от­ клонении регулируемой величины от ее задания оказывает воздей­ ствие на один из элементов регулятора, или регулирующий орган. В регуляторе температуры топлива (см. рис. 1) ЧЭ являются термо­ баллон, капилляр и сильфон, образующие манометрический чувстви­ тельный элемент температуры, ЗЭ и его РУ — соответственно пру­ жина 2 и гайка 3, ЭС — шток клапана. ЧЭ преобразует текущее значение температуры топлива в усилие, которое сравнивается на штоке клапана с усилием, создаваемым ЗЭ и пропорциональ­ ным заданной температуре. В зависимости от величины и знака отклонения температуры топлива от задания шток перемещается вверх или вниз на определенную величину, изменяя соответствен­ но открытие парового клапана.

При уменьшении расхода топлива через подогреватель регули­ руемая величина увеличится. Это вызовет дополнительное испаре­ ние наполнителя и увеличение давления в термобаллоне до вели­ чины, соответствующей температуре топлива. Увеличивающееся на донышке сильфона усилие приведет к сжатию пружины и при­ крытию регулирующего клапана, что обеспечит уменьшение поступающего в подогреватель греющего пара и установление ново­ го равновесного состояния объекта регулирования. При увеличе­ нии расхода топлива открытие регулирующего клапана увеличит­ ся. Увеличение температуры подогреваемого топлива, например при переходе на сжигание более вязкого мазута, осуществляется задающим воздействием, для чего необходимо гайку 3 переме­ стить на штоке клапана 1 вниз. Дополнительное сжатие задаю­ щей пружины вызовет открытие регулирующего клапана. Нару­ шенное равновесное состояние со временем восстановится, но при большем значении регулируемой величины, соответствующей но­ вому заданию.

Рассмотрение схемы и принципа действия автоматического ре­ гулирования температуры топлива показывает, что регулируемый объект и регулятор образуют замкнутую цепь или контур регули­ рования, оказывая воздействия друг на друга. Взаимодействую­ щие между собой регулируемый объект и регулятор называются

системой автоматического регулирования (САР), а взаимодейст­ вующие объект управления и автоматическое управляющее устрой­ ство— системой автоматического управления (САУ). Воздействия элементов САР друг на друга называются внутренними воздейст­

8

виями. Связи САР с внешней средой определяют внешние воздей­ ствия, которые служат причиной нарушения установившегося про­ цесса в объекте регулирования и поэтому называются также

возмущениями, или возмущающими воздействиями. К числу по­ следних относятся следующие: изменение нагрузки — возмущение, приложенное к регулируемому объекту и определяющее изменение отвода (подвода) вещества или энергии; изменение настройки или задающего воздействия — возмущение, приложенное к регулятору с целью изменения задания регулируемой величины. Кроме этих возмущений, могут возникнуть и другие, не связанные с нормаль­ ной работой САР, которые могут существовать потому, что конст­ рукцией их элементов эти воздействия не удается предотвратить или устранить. В САР подогрева топлива (см. рис. 1) изменение нагрузки обусловливается изменением количества подогреваемого

Рис. 2. Функциональная схема САР темпе­ ратуры топлива

топлива, которое определяет количество воспринятого им в объек­ те регулирования и отведенного тепла, настройки — воздействием человека на гайку 3 для изменения поддерживаемой регулятором температуры топлива. Могут также возникнуть и другие возму­ щения элементов САР, например объекта регулирования,— в ре­ зультате изменения температуры топлива перед подогревателем, давления греющего пара и т. п.

Принцип действия САР и САУ удобно изучать по функцио­ нальным схемам, в которых системы разбиты на основные состав­ ные части — элементы, исходя из их назначения, т. е. выполняе­ мых функций с указанием взаимных связей между элементами. На рис. 2 изображена функциональная схема САР температуры топлива, приведенной на рис. 1.

Важным свойством САР является передача взаимодействий между элементами только в одном направлении, указанном на функциональной схеме стрелками. Каждый элемент САР имеет вход и выход — места, в которых проявляются воздействия на не­ го предыдущих, а иногда и последующих элементов и его — на последующие или предыдущие элементы. Соответственно различа­ ют входную и выходную величины на входе и выходе элемента. Например, в функциональной схеме CÂP, показанной на рис. 2, входной величиной ЧЭ является температура топлива, а выход­ ной— усилие на донышке сильфона. Вследствие направленности передачи воздействий увеличение входной величины ЧЭ приведет к увеличению его выходной величины. Однако увеличение послед­ ней не скажется на температуре топлива. Регулятор имеет две

9