Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Теория автоматического управления / УПРАВЛЕНИЕ_КУРСОМ_СУДНА.docx
Скачиваний:
50
Добавлен:
10.06.2015
Размер:
126.14 Кб
Скачать

Система автоматического управления курсом судна Устройство и принцип работы системы

Основным режимом работы системы автоматического управления курсом судна (авторулевого) является управление движением судна в заданном направлении – стабилизация заданного курса. Упрощенная схема авторулевого типа «Печора» показана на рис. 6.

Курс судна φ определяется гирокомпасом (ГК) и передается на пульт управления сельсинной парой: сельсин-датчик (СД) и сельсин-приемник (СП), работающей в индикаторном режиме. СП, через червячную передачу (ЧП), поворачивает ось механического дифференциала (МД). Другую ось МД поворачивает штурвал (Ш), задающий курс судна φ0. Выходная ось МД поворачивает вращающийся трансформатор (ВТ) на угол Δφ = φ0 – φ, равный отклонению курса судна от заданного значения. Это отклонение, представленное напряжением U1, поступает в блок коррекции (БК), который формирует сигнал U2 , задающий положение руля.

Рулевой привод является следящей системой, отрабатывающей заданное значение угла поворота руля. Если угол поворота баллера руля α, измеряемый датчиком угла (ДУ), отличается от заданного значения, появляется сигнал рассогласования U4 = U2 U3 . Этот сигнал, усиленный усилителем (УТ), поступает на электрогидравлический исполнительный элемент ГД. В его состав входят электрический двигатель, насосный агрегат и гидравлический двигатель. Электрический двигатель перемещает золотник, управляющий подачей масла в силовой цилиндр гидравлического двигателя под давлением, созданным насосным агрегатом. Гидравлический двигатель поворачивает баллер руля.

Структурная схема системы

Рассмотрим математическую модель авторулевого, показанную на рис. 7. Эта модель составлена на основе следующих соображений. Курсовой угол φ и угловая скорость изменения курса ω

связаны соотношениями ω=dφ/dt, или ω=pφ, φ= ω/p: курсовой угол является интегралом угловой скорости ω. Передаточная функция интегрирующего звена 1/p. Угловая скорость ω зависит от управляющего воздействия – угла перекладки руля (α) и возмущающего воздействия со стороны волн, течения, ветра. Влияние возмущений на угловую скорость ω можно оценить эквивалентным углом перекладки руля М, оказывающим такое же воздействие. Воздействия α и М суммируются. Зависимость ω от α при малых значениях ω и α, типичных для режима стабилизации курса, определим по начальному участку переходной характеристики ω(t), полученной при ступенчатой перекладке руля на угол α0. Хотя вид этой характеристики зависит от типа судна, его загрузки и условий движения

ω

t

Рис. 8 Варианты

характеристики

(рис.8), начальный участок можно считать, в первом приближении, линейным, с наклоном, пропорциональным углу перекладки α0. Такую реакцию на входное воздействие дает интегрирующее звено с передаточной функцией 1/(Tp), где параметр Т имеет физический смысл времени, за которое угловая скорость ω достигнет значения 1/c при перекладке руля на 1.

Гидравлический двигатель рулевого привода поворачивает баллер руля со скоростью, пропорциональной подаче масла в силовой гидроцилиндр. Динамика такого процесса описывается интегрирующим звеном с передаточной функцией k2/p. Характеристика усилителя (УТ) рулевого привода авторулевого «Печора» достаточно точно аппроксимируется релейной трехпозиционной характеристикой. Усилитель подает на последующие устройства рулевого привода либо нулевой, либо максимальный сигнал. Соответственно подача масла в силовой гидроцилиндр либо нулевая, либо максимальная. Благодаря такой характеристике руль перекладывается с постоянной скоростью (3…5/с у речных судов). Зона нечувствительности, введенная для того, чтобы не было реакции на небольшие случайные помехи на входе усилителя, является причиной появления статической ошибки рулевого привода. Руль может перекладывается в диапазоне ±35…40, поэтому в модель рулевого привода введена нелинейность «ограничение».

В авторулевых обычно применяют пропорционально-интегрально-дифференциальный (ПИД) закон регулирования, для чего в блоке коррекции устанавливается звено с передаточной функцией . Дифференцирующее звено корректирует управляющее воздействие U2 с учетом скорости изменения отклонения от заданного курса, благодаря этому улучшается качество переходного процесса, расширяется область устойчивости системы. Реальное дифференцирующее звено обладает некоторой инерционностью, но ей можно пренебречь и считать, что τ = 0. Интегрирующее звено изменяет управляющее воздействие до тех пор, пока сигнал на входе звена, т.е. отклонение от курса, не станет равным нулю. Поэтому в системе с интегрирующим звеном в блоке коррекции отсутствует статическая ошибка, вызванная возмущающим воздействием М.

Для того, чтобы авторулевой не реагировал на случайные отклонения от курса, вызванные кратковременными воздействиями волн и порывов ветра, в блок коррекции вводится фильтр низких частот с передаточной функцией Wф(р). Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) фильтра должна иметь крутой спад на границе полосы пропускания. Вид АЧХ зависит от типа и порядка фильтра.

Чем выше порядок, тем круче спад АЧХ. Чтобы учесть влияние фильтра на динамику системы при минимальном числе параметров фильтра, будем рассматривать фильтр второго порядка с передаточной функцией С увеличением параметра Тф полоса пропускания фильтра уменьшается и изменения управляющего воздействия становятся все более медленными, что может привести к заметному ухудшению качества регулирования при спокойных условиях движения. Поэтому ограничение полосы пропускания фильтра, без явной необходимости, нежелательно. Фильтр настраивают с учетом погодных условий. При изменении настройки фильтра может потребоваться и изменение настройки параметров ПИД-регулятора.

Гирокомпас, сельсинная передача (СД-СП) и сельсины ВТ, ДУ – элементы практически безынерционные. Их динамику будем описывать усилительными звеньями с коэффициентами передачи k1, k3, k4 (рис.7).

При исследовании динамики авторулевого в режиме стабилизации курса математическую модель рулевого привода можно упростить. Руль перекладывается на небольшой угол (2–5) за 1–2 с. Это время на 2–3 порядка меньше постоянной времени судна. Если пренебречь такой незначительной инерционностью и не учитывать зону нечувствительности рулевого привода, его динамику можно описать усилительным звеном с коэффициентом передачи 1/k3. Динамика системы зависит от произведения коэффициентов передачи элементов контура управления, а не от их отдельных значений. Для уменьшения числа параметров, которые надо учитывать при анализе динамики системы, введем обозначение kм = k1/k3 и примем k4=1.

В результате таких упрощений получаем структурную схему, показанную на рис. 9.