Основы теории управления и автоматики судовых энергетических установок

МИНИСТЕРСТВО  ТРАНСПОРТА  РОССИЙСКОЙ  ФЕДЕРАЦИИ

МОСКОВСКАЯ  ГОСУДАРСТВЕННАЯ  АКАДЕМИЯ

ВОДНОГО  ТРАНСПОРТА

Толшин В.И.

Филиппова В.В.

Основы теории управления и автоматики судовых энергетиче
ских установок

Альтаир-МГАВТ

Москва 

2010

МИНИСТЕРСТВО  ТРАНСПОРТА  РОССИЙСКОЙ  ФЕДЕРАЦИИ

МОСКОВСКАЯ  ГОСУДАРСТВЕННАЯ  АКАДЕМИЯ

ВОДНОГО  ТРАНСПОРТА

Толшин В.И.

Филиппова В.В.

Основы теории управления и автоматики судовых энергетиче
ских установок

Методическое пособие

Альтаир-МГАВТ

Москва 

2010

Толшин Валерий Иннокеньевич

Филиппова

Основы теории управления и автоматики судовых энергетиче
ских установок

Методическое пособие

Подписано к печати                  2010 г.

Формат: 60 х 90/16.  Объем 1 п. л.

Заказ №
Тираж ______ экз.

Альтаир – МГАВТ

Московской государственной академии водного транспорта

117105 г. Москва, Новоданиловская наб., д.2, корп. 1

Толшин В.И. Филиппова В.В. Основы теории управления и автомати
ки судовых энергетических установок. Методическое пособие. Альтаир
МГАВТ, 2010 г.  — 60 с.

В методическом пособии даны основные сведения по курсу федерального 

компонента ГОС «Основы автоматики и теории управления техническими сис
темами». Разделы методического пособия в соответствии с дидактическими 

единицами учебного плана раскрывают наиболее сложные стороны предмета.

Существующие проблемы речного транспорта требуют понимания основ 

теории автоматического регулирования и управления судовыми энергоустанов
ками, поэтому сведения, приведенные в конспекте лекций, полезны также сту
дентам заочной формы обучения специальности 180403 – эксплуатация СЭУ.

Рассмотрены и рекомендованы к изданию на заседании кафедры Судовых и 

Энергетических установок и автоматики   (протокол №9 от 26 мая  2010 г.)

Рекомендовано к изданию Учебно-методическим советом МГАВТ.

Ответственность за оформление и содержание передаваемых в печать 

материалов несут авторы и кафедры академии, выпускающие учебно
методические материалы.

Толшин В.И., 2010
МГАВТ, 2010

Филипова В.В., 2010

Содержание

Стр.

Основные понятия и классификация систем автоматики . . . . . . . . .
5

Дизель как объект автоматического регулирования
. . . . . . . . . . . 10

Элементы автоматических систем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
Методы исследования линейных систем автоматического регулирования
. 19

Критерий устойчивости Гурвица
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

Критерий устойчивости Михайлова
. . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

Передаточные и переходные функции CAP . . . . . . . . . . . . . . . 23
Критерий устойчивости Найквиста
. . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

Методы исследования качества систем автоматического регулирования
. 27

ПРИБЛИЖЕННЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ 
И АВТОКОЛЕБАНИЙ НЕЛИНЕЙНЫХ СИСТЕМ
. . . . . . . . . . . 34

Общие понятия. Метод гармонической линеаризации
. . . . . . . . . . 38

Особенности регулирования дизель-генираторов при параллельной работе
. . 40

ОПТИМАЛЬНЫЕ И АДАПТИВНЫЕ СИСТЕМЫ
. . . . . . . . . . . 45

Оптимальные системы
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

Адаптивные системы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
ПОНЯТИЕ ОБ ЭЛЕМЕНТАХ И МЕТОДАХ АНАЛИЗА ДИСКРЕТНЫХ 
СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ
. . . . . . . . . . . 51

Основные понятия алгебры логики
. . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

Логические элементы и схемы на логических элементах . . . . . . . . . 54
Синтез логических систем. Пример операций синтеза логической системы . . . 55
Понятие о надежности элементов автоматики
. . . . . . . . . . . . . 58

Введение

Настоящее методическое пособие предназначено для того, чтобы студен
ты-судомеханики получили общие сведения об изучаемой дисциплине «Теория 
управления и автоматики СЭУ». Для получения более глубоких знаний рекомендуется использовать учебники по автоматическому управлению судовыми 
энергетическими установками.

Основные понятия и классификация систем автоматики

Понятия систем автоматического управления и регулирования (САР)

САР – система, предназначенная для поддержания параметра энергоуста
новки в заданных пределах. Этот параметр называется «регулируемая величина».

Установка, в которой регулируется какая-либо величина, называется 

«объектом регулирования».

Структурная схема САР.

λ

g
y

отрицательная обратная связь

О – объект;
Р – регулятор;
g – управляющее воздействие;
y – регулируемая величина;
λ – возмущающее воздействие.

Статическая характеристика САР.

y – регулируемая величина;
λ – возмущающее воздействие.

Р
О

Система автоматического управления (САУ) включает несколько САР на 

один объект регулирования (САР масла, САР воды и т.д.)

Принципы регулирования

1. Регулирование по отклонению регулируемой величины от заданного зна
чения.
В этом случае регулятор реагирует на отклонение регулируемой величины от заданного значения ∆y = yтр – y независимо от причин, вызвавших 
это отклонение. Наличие отклонения ∆y хотя бы в течение периода регулирования необходимо. В противном случае регулятор не окажет воздействия на регулирующий орган. 

2. Регулирование по возмущению.

В этом случае изменение нагрузки непосредственно воздействует не 
только на объект, но и на регулятор, который изменяет положение регулирующего органа. 

САР делятся на:
1.замкнутые
2.разомкнутые

Классификация САР

1.Системы стабилизации – системы, которые поддерживают регулируемую 

величину в заданных требованиях (частота вращения, уровень воды в котле, 
температура охлаждающей воды и др.):

а)статические – системы, в которых регулируемая величина изменяется с 

изменением входной величины. В качестве входной принимается, как правило, 
нагрузка. График изменения регулируемой величины у от нагрузки λ называется статической характеристикой системы регулирования y=f(λ).

Для статических систем характеристика имеет вид наклонной прямой с 

углом наклона, определяемым производной (dy/dλ) 0. Как правило (dy/dλ) 0, 
т.е. статическая характеристика имеет отрицательный статизм. Исходя з требований потребителя или обеспечения оптимальных условий работы объекта регулирования  пределы угла наклона статической характеристики ограничивают 
небольшими значениями.

б)астатические

Если (dy/dλ)=0, то система регулирования называется астатической. Такие 

системы идеальны с точки зрения обеспечения точности регулируемой величины на установившихся режимах. Однако, осуществить устойчивое астатическое 
регулирование сложнее, поэтому большинство систем регулирования энергетических установок являются статическими.

2.Следящие САР – системы, которые с допустимой ошибкой воспроизводят 

на выходе входную величину:

а)несвязанного регулирования
б)связанного регулирования
По закону регулирования САР делятся на:

1.П – регулятор (пропорциональный регулятор)
2.Д – регулятор (дифференциальный регулятор)

       

  

Процессы регулирования и требования к процессам регулирования

1.Регулирование в установившихся режимах.

При регулировании на установившихся режимах осуществляется баланс 

между подводом и отводом энергии в объекте, а регулируемая величина посто

янна. Установившийся режим характерен тем, что нагрузка, регулируемая величина и все другие величины, характеризующие воздействие одних элементов 
на другие практически неизменны.

При регулировании всякому изменению нагрузки соответствует измене
ние регулируемой величины, причем величина этого изменения обусловлена 
статической характеристикой САР.

Степень непрямолинейности должна быть минимальной.
2.Регулирование в переходных режимах.

При регулировании в переходном режиме баланс между подводом и отво
дом энергии в объекте нарушается, а регулируемая величина отклоняется от 
значения, соответствующего статической характеристике. Характер переходного процесса зависит от характера изменения нагрузки, который может быть самым различным, и от свойств САР. Для удобства оценки свойств САР при испытаниях и расчетах принимается, что нагрузка изменяется ступенчато на значение, равное номинальному (λ=1). Изменение регулируемой величины при 
этом называется переходной характеристикой.

В переходном режиме регулируемая величина первоначально отклоняется 

от того значения, которое должно соответствовать новой величине нагрузки.

Степени автоматизации

В соответствии с ГОСТ 14288 устанавливаются 4 степени автоматизации.

1. Автоматическое регулирование основных параметров (частоты вращения, 

температуры воды, масла, наддувочного воздуха (при необходимости)), 
регулирование напряжения электрогенераторов, аварийно – предупредительная сигнализация и защита. Время необслуживаемой работы не менее 
4-х часов.

2. То же, что при 1-й степени автоматизации, и дополнительно: автоматизи
рованный пуск о остановка, дистанционное автоматизированное управление, автоматизация совместной работы группы двигателей. Время необслуживаемой работы для дизелей до 150кВт – 16 часов, свыше 150 – 24 часа.

3. То же, что при 2-й степени автоматизации, и, кроме того, автоматическое 

обслуживание двигателя и его вспомогательных устройств. Например, 
двухпозиционное регулирование уровней в расходных баках, давления в 
пусковых баллонах, подзарадки аккумуляторных батарей. Время необслуживаемой работы для дизелей мощностью 150кВт и свыше соответст-
венно 150 и 240ч.

4. Управление производится из единого вычислительного центра объекта.

В соответствии с Правилами Регистра судам, энергетические установки 
которых обслуживаются (вахтенно) на ходу и безвахтенно на стоянке 
присваивается знак А2  в символах класса Регистра.
Судам, объем автоматизации энергетической установки которых допуска
ет безвахтенное обслуживание на ходу и стоянке присваивается знак А1.

Основные свойства объектов автоматического регулирования

1. Самовыравнивание – β
2. Постоянная времени - Ta

     

         

μ – соответствует количеству подводимой энергии от электрического регулятора;
λ – нагрузка.

Классификация регуляторов:

1. Однорежимные – ДГ;
2. Двухрежимные;
3. Всережимные