книги из ГПНТБ / Толшин В.И. Основы автоматики и автоматизации энергетических установок учебник

ЛЕНИНГРАДСКОЕ ВЫСШЕЕ ВОЕННОЕ ИНЖЕНЕРНОЕ СТРОИТЕЛЬНОЕ КРАСНОЗНАМЕННОЕ УЧИЛИЩЕ имени генерала армии А. Н. КОМАРОВСКОГО

В. И. толшин

ОСНОВЫ АВТОМАТИКИ

И АВТОМАТИЗАЦИИ

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

Утверждено в качестве учебника для слушателей Ленинградского высшего военного инженерного строительного Краснознаменного училища имени генерала армии А. Н. Комаровского

ЛЕНИНГРАД

1974

у .

*iV

Излагаются устройства и характеристики элементов и объектов автоматических систем, а также вопросы общей теории автоматики, на которой основано взаимодействие регу­ ляторов и объектов; дается описание конструкций автомати­ ческих систем энергетических установок, принципов их дей­ ствия и особенностей их настройки., Большое внимание уде­ ляется наиболее важным для практической деятельности во­ просам послемонтажной наладки, обеспечению требуемого ка­ чества регулирования, диагностике и устранению неисправ­ ностей автоматических устройств. В учебнике их изложение базируется на основе теории автоматики.

Главное уесто в описании конструкций автоматических устройств отводится системам управления дизель-генератор- ных установок и отопительно-производственных котельных.

Таблиц 23, иллюстраций 279, приложений 3, библиогра­ фий; 48.

Редакторы: Л. В. Баскаков, Н. Л. Коробейников

© ЛВВИСКУ, 1974 г.

ВВЕДЕНИЕ

. Системы автоматического управления служат для того, чтобы автоматически, без вмешательства человека обеспечить выполне1 ние агрегатами, устройствами и установками возложенных на них функций.

В ряде случаев ручное управление не в состоянии заменить автоматическое. Так, например, нельзя представить себе работу современного высоконапорного котла без автоматического регули­ рования давления пара. При внезапном подключении или отклю­ чении нагрузки медлительность в действии оператора при измене­ нии подачи топлива может привести к недопустимому увеличению или снижению давления пара. Высокая точность стрельбы раке­ тами на далекие расстояния невозможна без специальных уст­ ройств, корректирующих полет ракеты с учетом движения цели и скорости ветра.

Автоматическое управление позволило сократить число обслу­ живающего персонала на энергетических установках и электро­ станциях. Работа поточных линий, например по производству поршней, основана на использовании систем автоматического управления. Автоматизация широко внедряется в технологию про­ цессов выплавки металла и получения продуктов химических реакций.

Большое распространение получила кибернетика — наука об управлении. Автоматическое управление оказывается незамени­ мым в специфических условиях производства и эксплуатации (про­ изводство и использование атомной энергии, управление объектами и процессами на расстоянии).

Реактивное оружие, радиолокация и другие виды военной тех­ ники немыслимы без применения систем автоматики. В ВМФ и авиации широко используются телеуправляемые корабли и само-

.леты, самонаводящиеся ракеты и торпеды, стабилизаторы качки, авторулевые и т( п.

В военной энергетике имеют большое распространение пол­ ностью автоматизированные дизель- и турбогенераторные уста­ новки, котельные агрегаты. Регуляторы напряжения электри-

ческих генераторов должны поддерживать неизменными напряже­ ние, а регуляторы скорости — частоту вращения, кроме того, они обеспечивают пропорциональное распределение нагрузки между параллельно работающими агрегатами. Регуляторы соотношения «воздух-—топливо» автоматически поддерживают оптимальный коэффициент избытка воздуха в котлах. Широко внедрены в воен­ ной энергетике автоматизированные системы сигнализации и кон­ троля за работой механизмов и агрегатов, а также системы, обес­ печивающие их автоматический пуск и остановку.

В настоящее время, когда советский народ приступил к вы­ полнению 9-го пятилетнего плана развития народного хозяйства, в соответствии с директивами, принятыми на XXIV съезде Ком­ мунистической партии Советского Союза, когда поставлена задача дальнейшей разработки проблем автоматизации процессов произ­ водства, наука об автоматическом управлении и регулировании по важности становится в число первых, самых необходимых для развития народного хозяйства и военной техники.

Одним из первых крупных изобретений в области автоматики является автоматический регулятор уровня воды в котле, изго­ товленный в 1764 г. русским теплотехником И. И. Ползуновым.

Особенно интенсивно начали создаваться автоматические при­

ложен электромагнитный регулятор частоты вращения. В 1866 г. известный русский изобретатель А. И. Шпаковский разработал регулятор подачи топлива для парового котла, реагирующий на изменение давления в котле. А. П. Давыдов в 1867 г. испытал пер­ вую автоматическую артиллерийскую систему, обеспечивающую весьма высокую точность стрельбы. Ряд изобретений в области автоматики в конце XIX в. был' сделан В. Н. Чиколевым.

Первый этап в развитии автоматики составили системы автома­ тического управления, у которых регулирующее воздействие не за­ висит ни от изменения внешних условий, ни от регулируемой вели­ чины, т. е. разомкнутые системы.

Более сложными явились замкнутые системы автоматического регулирования, у которых регулирующее воздействие является функцией регулируемой величины.

За последние годы получили развитие так называемые само­ настраивающиеся системы автоматического регулирования, кото­ рые в общем случае могут в зависимости от внешних или других условий изменять свою настройку.

Значительный процесс в развитии автоматийи наблюдается в связи с внедрением в науку и технику средств вычислительной техники, которые в ряде случаев используются в качестве состав­ ных элементов системы автоматики.

Теория автоматического регулирования как наука появилась в конце XIX века. Одним из ее основоположников следует считать

4

Раздел I

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ, ЭЛЕМЕНТЫ И ОБЪЕКТЫ АВТОМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Глава 1

ОСНОВНЫЕ понятия.

КЛАССИФИКАЦИЯ АВТОМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМ. ЗАКОНЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ

§1.1. Понятие о системах автоматического регулирования

иуправления

Система автоматического управления (САУ) представляет со­ бой сложный комплекс систем автоматического регулирова­ ния (САР), обеспечивающих непрерывное поддержание регулируе­ мых величин в заданных пределах или изменение их по заданной программе, а также систем, автоматически выполняющих опера­ ции одноразового или многоразового действия — пуска, остановки, изменения режима работы установки.

Принцип действия различных систем автоматического регули­ рования схож. Поэтому при анализе работы и способов настрой­ ки САР, как правило, выделяют из САУ. Поясним принцип дей­ ствия САР-дизель-генераторной установки.

Известно, что частота и напряжение тока, вырабатываемого дизель-генератором (ДГ), должны изменяться лишь в узких пре­ делах. Так как изменение нагрузки в цепи потребителя может про­ исходить внезапно, то подача топлива в цилиндры двигателя долж­ на следовать сразу же за нагрузкой. Иначе эффективная мощность дизеля не будет соответствовать мощности потребителя, а число оборотов и частота тока будет выходить за допустимые пределы.

Соответствие подачи топлива нагрузке обеспечивается с по­ мощью регулятора скорости автоматически. Регулятор реагирует на отклонение частоты вращения от заданного значения и подает

6

топливо таким образом, чтобы уменьшить отклонение частоты вра­ щения от заданной величины.

Регулятор напряжения действует по импульсу, создаваемому отклонением напряжения от заданной величины, и изменяет поток возбуждения, уменьшая это отклонение.

Система управления ДГ обеспечивает его автоматический пуск, ввод в синхронизм, остановку и другие операции. Элементы САУ, осуществляющие перечисленные операции одноразового действия, управляют дизель-генератором и его вспомогательными агрега­ тами в строго определенной последовательности. Система управле­ ния воздействует на регулятор скорости в тех случаях, когда необ­ ходимо изменить частоту вращения ДГ.

Программа, выполняемая системой управления, различна в за­ висимости от того, какая конечная задача выполняется: пуск, ава­ рийная остановка, нормальная остановка и т. д.

Рассмотрим объекты, элементы и структурные схемы систем автоматического регулирования.

Объект, в котором регулируется какая-либо величина, назы: вается объектом регулирования. Объект вместе с регулятором со­ ставляет систему автоматического регулирования.

На установившихся режимах количество отводимой от объекта энергии, определяемое величиной нагрузки, равно количеству энер­ гии, вырабатываемой внутри объекта и определяемой положением регулирующего органа. Регулируемая величина при этом посто­ янна.

Возмущение или изменение нагрузки (возмущающее воздей­ ствие) приводит к изменению регулируемой величины, на которое реагирует регулятор. Действие регулятора (регулирующее воздей­ ствие) приводит к изменению положения регулирующего органа. Последний осуществляет непосредственную дозировку энергии (или питающей среды), подводимой к объекту. Действие нагрузки на объект компенсируется изменением количества энергии, в резуль­ тате чего первоначальное отклонение регулируемой величины уменьшается.

Среднее значение регулируемой величины на установившемся режиме может быть изменено с помощью управляющего воздей­ ствия. Применительно к системе регулирования скорости ДГ регу­ лируемой величиной является частота вращения, регулирующим воздействием — ход рейки топливного насоса, характеристики ко­ торого определяют характеристики объекта регулирования ДГ.

С помощью управляющего воздействия — настройки — изме­ няется затяг пружины измерителя скорости и частоту вращения ДГ на установившемся режиме.

Рассмотрим структурную схему САР (рис. 1.1), на которой прямоугольниками изображены звенья системы, т. е. ее составные части — элементы регулятора, которые на рисунке даны пункти­ ром, и объект О, а также связи между ними, показывающие, как одни элементы воздействуют на другие. В регулятор входят изме­

7

рительный Из, преобразовательный Пр и усилительный У элемен­ ты, исполнительный механизм ИМ, задатчик 3. Кроме того, на схеме X— возмущающее воздействие (нагрузка), g — управляю­ щее воздействие, у — регулируемая величина, ут[) — заданное зна­ чение у, z — регулирующее воздействие.

Измерительным называется элемент, измеряющий контролируе­ мую величину. В преобразовательном элементе один вид сигнала преобразуется в другой; например, механическое перемещение пре­ образуется в изменение электрического сопротивления. Усилитель­ ные элементы служат для усиления сигнала, выдаваемого измери­ тельным или преобразовательным элементом, до величины, доста­ точной, чтобы исполнительный элемент переместил регулирующий орган. С помощью задатчика изменяется заданное значение регу­ лируемой величины.

ОсноВная обратная сВязь

Рис. 1.1. Структурная схема САР

Направляющие стрелки показывают направление воздействия одного элемента на другой, при этом подразумевается, что в на­ правлении, обратном направлению стрелки, воздействие отсут-' ствует. Так, например, если сигнал от преобразовательного эле­ мента поступает на вход электронного усилителя, то это означает, что изменение выходной величины усилителя — напряжения — не­ посредственного влияния.на измерительный элемент не оказывает или это влияние настолько мало, что им можно пренебречь.

Основной сигнал проходит в направлении от измерительного, элемента регулятора к объекту. Связи, по которым проходит этот сигнал, назовем основными прямыми, что указывает на направле­ ние их действия. Выход объекта связан со входом регулятора основной обратной связью. Возможно, что изменение выходной ве­ личины какого-либо элемента воздействует на другие элементы по дополнительным каналам, которые называются дополнительными прямыми или обратными связями (дополнительная обратная связь показана на рис. 1.1).

Если воздействие с выхода одного из элементов поступает на входы нескольких элементов, то на схеме это показывается раз­ ветвлением линий с точкой в месте разветвления.

8

Если воздействия от различных элементов, поступающие на вход одного и того же элемента, имеют одинаковый характер и математически описываются одинаковыми по масштабу перемен­ ными, то в этом случае в месте суммирования входных воздействий ставится значок суммирования (рис. 1.2). В этом значке или рядом с ним ставится знак «плюс»

Если же характер воздействия различен, то места входов свя­ зей в один и тот же элемент будут различными.

На схемах рис. 1.1—1.2 показаны основные прямые, дополни­ тельная и основная обратные связи системы регулирования. Основ­ ная обратная связь характеризует воздействие, оказываемое объек­ том на измерительный элемент регулятора. Задача регуляторов — обеспечить уменьшение отклонения регулируемой величины у от установившегося значения утр. Поэтому чем больше величина отклонения утр — У, тем эффективнее должно быть действие регу­ лятора и больше величина регулирующего воздействия г, приводя­ щая к уменьшению у. Поэтому основная связь между регулятором и объектом выполняет функцию отрицательной обратной связи.

Применительно к схеме регулирования энергетической уста­ новки, например системы регулирования давления пара в котле, на рис. 1.1 и 1.2 под величиной g следует понимать управляющее воздействие, при помощи которого изменяется установившееся зна­ чение давления пара на определенном режиме утр. Величина у — это давление пара; X— нагрузка котла; Р — регулятор, включаю­ щий датчик, преобразовательный, усилительный и исполнительный элементы; z — регулирующее воздействие, которое изменяет коли­ чество подводимого топлива.

Объектом регулирования является сам котел, точнее те его элементы, в которых происходит преобразование тепловой энергии

вэнергию давления пара.

§1.2. Принципы регулирования

Взависимости от выполняемых функций системы регулирова­ ния строят по следующим принципам:

— регулирование по отклонению регулируемой величины от заданного значения;

— регулирование по возмущению.

9-