Передаточная функция регулятора системы стабилизации судна на курсе

План лекции:

1. Назначение следящей системы управления рулем (СУР) и ее особенности.

2. Преобразование передаточной функции СУР и назначение основных элементов.

3. Приведенная передаточная функция регулятора.

4. Способы повышения качества регулировки.

5. Принципиальная схема системы автоматического регулирования курсом судна.

Литература: [3, 4, 5, 8].

В функциональном отношении регулятор САР курса судна можно разделить на два субблока: БФЗУ и следящую систему управления рулем, включающую УПУ, ИМ и ОС (рис.21). Блок формирования закона управления вместе с электронными усилительно-преобразующими блоками располагается на ходовом мостике. Эта часть регулятора называется авторулевым. Обозначим передаточную функцию БФЗУ через Y(p). Более подробно законы управления судном будут рассмотрены в п.2, 4. Здесь же рассмотрим следящую систему управления рулем.

Следящая система управления рулем (СУР) преобразовывает электрический сигнал управления в угол перекладки руля и бывает двух типов – электромеханическая или электрогидравлическая.

В электромеханических системах в качестве исполнительного механизма применяются секторные рулевые машины типа РЭР, которые управляются электроприводом по схеме: электромашинный усилитель – двигатель (ЭМУ-Д). Такой вариант используется в САР курсом с авторулевыми АБР и АР. В системах с новыми типами унифицированных авторулевых «Печора», «Аист» используется схема генератор-двигатель (Г-Д) как более надежная.

В электрогидравлических системах управления рулем применяются гидравлические рулевые машины типизированного ряда Р 01 + Р 19 с насосами постоянной или регулируемой производительности. Для таких рулевых машин предназначены авторулевые АТР, «Печора», «Аист».

Функциональная схема СУР для этих систем представлена на рис.22, где ЖОС – жесткая отрицательная обратная связь, Y₁ – первый усилительный элемент, Y₂ – усилительно-преобразующий элемент.

Определим передаточные функции этих элементов.

Усилительное устройство Y₁ представляет собой электронный усилитель. Он используется в обеих системах. Принято считать, что электронный усилитель является безинерционым элементом, поэтому передаточная функция Y₁ равна

, (35)

где - коэффициент усиления.

Усилительно-преобразующий элемент электромеханической рулевой машины (ЭРМ). В данном случае характеризует электромашинный усилитель или генератор, которые имеют сравнительно большие постоянные времени. Передаточную функцию ЭМУ можно представить в виде:

. (36)

Передаточная функция участка Y₁ – Y₂ ЭРМ, охваченного обратной связью , может быть преобразована таким образом:

(37)

Поскольку , то и, следовательно:

. (38)

Обратная связь в подобных системах реализована в демпфирующем блоке пульта управления авторулевых.

Усилительно-преобразующий элемент электрогидравлической рулевой машины (ЭГРМ). В такой системе управления рулем передаточная функция характеризует интегрирующее звено – электродвигатель, перемещающий золотниковое устройство гидроагрегата:

. (39)

Передаточная функция усилительно преобразующего устройства для ЭГРМ будет равна

. (40)

В данной схеме выполняется условие , поэтому имеет тот же вид (38). Конструктивно обратная связь в таких приводах реализована в блоке исполнительного механизма с помощью сельсина-трансформатора насоса.

Как видно из выражений (37), (40) назначение жесткой отрицательной обратной связи с коэффициентом передачи заключается в уменьшении постоянных времени УПУ, что способствует устойчивой работе всей системы управления рулем.

Исполнительный двигатель представляет собой интегрирующий элемент (электродвитель иди гидроагрегат), постоянная времени которого мала по сравнению с постоянной времени объекта регулирования, поэтому примем

. (41)

Таким образом, структурная схема системы управления рулем любого типа может быть представлена в виде, показанном на рис. 23.

Передаточная функция СУР запишется так:

, (42)

где - коэффициент обратной связи.

Обозначив , получим уравнение в виде:

, (43)

где - постоянная времени регулятора, обычно составляющая 1 – 5 с.

- коэффициент передачи регулятора изменяющийся в пределах от 0,2 до 2.

Присоединяя теперь передаточную функцию СУР к блоку формирования закона управления, получим окончательную структуру регулятора:

Как видно из рис.24 передаточная функция всей системы равна:

. (44)