Системы автоматического управления судовой электро — энергетической установкой

Системы автоматического управления судовой электро — энергетической установкой

На современных судах для управления различными устройствами, механизмами и аппаратами широко используются системы автоматического управления судовыми электроэнергетическими установками судна. Автоматизация судов обеспечивает и облегчает эксплуатацию сложной судовой техники, повышает производительность работы персонала и судна в целом, также позволяет сократить численность экипажей до минимума. Не менее важно и то, что cредства автоматизации обеспечивают более эффективное иcпользование cудовых механизмов и cудна в целом за cчет поcтоянного поддержания оптимальных режимов их работы.

Различают частичную автоматизацию судов и комплексную. Под чаcтичной автоматизацией понимается автоматизация pаботы отдельных судовых механизмов и устройств, например автоматизация управления и регулирования pаботы дизель-генеpаторов, как и в данном дипломном проекте, так и паровых котлов, пpименение авторулевых, удерживающих судно на заданном курсе, и т. п. Частичная автоматизация в том или ином объеме осуществлена на большинстве действующих судов.

Рис.21. Принцип управления энергетической установкой на комплексно-автоматизированном судне:

ДАУ — пульт дистанционного автоматического управления в рулевой рубке; ЦПУ — центральный пост управления в машинном отделении; ЭУ — энергетическая установка

Наиболее эффективна комплексная автоматизация, когда автоматизируются все процессы, которые связанные с работой судна. Комплексная автоматизация совершила большой скачок развития на судах только последние пять — шесть лет.

Оcновное напpавление комплекcной автоматизации cудов в наcтоящий пеpиод — это внедpение автоматических cистем, обеcпечивающих диcтанционное упpавление судовой электроэнергетической установкой с ходового моcтика при отcутствии поcтоянной вахты в машинном отделении.

Пpинцип такого упpавления показан на рис.21. Все оcновные операции по управлению главными двигателями — пуск, изменение числа оборотов, pеверс, остановка — осуществляются неп осредственно штурманом с пульта дистанционного автоматического управления (ДАУ) на мостике. Упpавление установкой возможно и из машинного отделения — с центpального поста упpавления (ЦПУ), имеющего с моcтиком надежную связь.

Pабота всех агрегатов энеpгетической установки полностью автоматизиpована и контролируется многочисленными датчиками, котоpые передают показания на приборы ЦПУ. Наиболее важная информация (выполнение маневра, частота вращения винта, отсутствие или появление помех) передается также на пульт ДАУ. Центральный пост управления оборудован дисплеями, с помощью которых можно посмотреть показания приборов с указанием точного времени измерения.

Использование системы ДАУ позволяет отказаться от несения вахт в машинном отделении в ночное время и даже круглосуточно. Основной обязанностью машинной команды становится выполнение профилактических осмотров и ремонтов.

Наряду с широкой автоматизацией энергетических установок разрабатываются и внедряются на суда средства комплексной автоматизации процессов судовождения, помогающие штурманам выбирать наиболее безопасные варианты при расхождении судов, самые короткие пути и т. п. Сейчас ведутся работы по полной комплексной автоматизации всего судна как единое целое.

Высокий уровень развития микропроцессорной техники и технологии позволил перейти от автоматизации отдельных устройств и механизмов к созданию устройств автоматики с программным управлением, обеспечивающих автоматический режим работы как автономно, так и в составе интегрированных систем управления, решающих сложные функциональные задачи контроля и управления не только машинно-котельным или навигационным комплексами, но и технологическими процессом всего судна, что позволило повысить эффективность процесса управления, его надежность, а также снизить эксплуатационные расходы.

Самыми распространенными и качественными, по работоспособности, типами систем автоматики являются NOR-CONTROL, Selco, ASA-S, Delomatic.

Рабочая программа дисциплины судовые энергетические установки

Целями освоения дисциплины «Судовые энергетические установки» является формирование у выпускников навыков практической реализации и внедрения инженерных решений, включающих вопросы эксплуатационной и технико-экономической оценки систем управления подводных аппаратов и средств корабельного вооружения, обеспечения их безопасной эксплуатации, ремонтопригодности и ремонта различных образцов морской техники специального назначения, а также инструкций их технического обслуживания.

2. Место дисциплины в структуре ООП бакалавриата

Дисциплина относится к вариативной части профессионального цикла ООП. В процессе изучения дисциплины студенты знакомятся с устройством и режимами работы судовых энергетических установок и их подсистем и элементов как объектов автоматизации и управления, принципами построения и основными схемами систем автоматического регулирования судовых энергетических установок.

Для изучения дисциплины студенту необходимы знания в области следующих дисциплин: «Энергетические комплексы морской техники», «Теория автоматического управления», «Электротехника и электроника», «Информационные сети и телекоммуникации», «Микропроцессорная техника в системах управления». Для освоения дисциплины студент должен знать: устройство и принципы работы энергетических установок, применяемых на судах, методы и алгоритмы математического моделирования технических объектов. Студент должен владеть основами теории автоматического управления, уметь выполнять расчет замкнутых систем автоматического регулирования.

Материалы дисциплины должны использоваться в курсовом и дипломном проектировании.

3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины

В результате освоения дисциплины формируются следующие компетенции:

ОК-11: умение использовать основные законы естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности, применять методы математического анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования;

ПК-4: способность применять современные методы обеспечения технологичности и ремонтопригодности морской техники;

ПК-5: готовность участвовать в технологической проработке морской оборонной техники;

ПК-10: способность анализировать технологический процесс как объект управления.

В результате освоения дисциплины обучающийся должен:

— устройство и режимы работы судовых энергетических установок;

— принципы построения систем автоматического и автоматизированного управления судовыми энергетическими установками;

— проектировать системы автоматического и автоматизированного управления судовыми энергетическими установками;

— выполнять математическое моделирование и расчеты характеристик систем автоматического и автоматизированного управления судовыми энергетическими установками;

— основными методами расчета замкнутых систем автоматического управления;

— современными методами и программными средствами настройки автоматических регуляторов судовых энергетических установок.

4. Структура и содержание дисциплины

Общая трудоемкость дисциплины составляет 6 зачетных единиц, 216 часов.

Вид учебной работы

Общая трудоемкость дисциплины

— другие виды аудиторных занятий

Курсовой проект (работа)

4.1. Разделы дисциплины и виды занятий

Виды учебной работы, включая самостоятельную работу студентов и трудоемкость (в часах)

Формы текущего контроля успеваемости (по неделям семестра)

Форма промежуточной аттестации (по семестрам)

Общие принципы автоматизации судовых энергетических установок

Устный опрос по теме занятий

Судовые ЭУ как объекты автоматизации и управления

Реферат, письменный опрос по теме занятий

Средства автоматизации главных энергетических установок

Индивидуальное задание, письменный опрос по теме занятий

Проектирование судовых систем автоматического управления ЭУ

Индивидуальное задание, письменный опрос по теме занятий

Настройка судовых систем автоматического управления ЭУ.

Индивидуальное задание, письменный опрос по теме занятий

4.2. Содержание разделов дисциплины

Раздел 1. Общие принципы автоматизации судовых энергетических установок.

Понятие автоматизации. Автоматическое и автоматизированное управление. Автоматическое регулирование. Классификация судовых энергетических установок (ЭУ). Цели и задачи автоматизации. Степени автоматизации судовых ЭУ. Требования к системам автоматизации судовых ЭУ.

Раздел 2. Судовые ЭУ как объекты автоматизации и управления.

Принципы построения математических моделей объектов управления.

Дизельный двигатель как объект управления. Режимы движения судна. Задачи управления дизельной энергетической установкой (ДЭУ). ДЭУ как объект регулирования частоты вращения. ДЭУ как объект регулирования температуры воды.

Паровой котел как объект управления. Задачи управления процессами в паровом котле судовой ЭУ. Уравнения динамики парового котла.

Атомная энергетическая установка. Задачи управления и автоматизации.

Газотурбинные энергетические установки. Режимы работы. Задачи управления и автоматизации.

Раздел 3. Средства автоматизации главных энергетических установок.

Объем автоматизации ЭУ. Регуляторы частоты вращения дизелей. Регуляторы температуры и вязкости. Средства автоматизации топливных и смазочных систем. Дистанционные системы управления ДЭУ. Системы автоматической защиты и сигнализации. Микропроцессорные системы автоматизации главных энергетических установок.

Средства автоматизации котельных установок.

Раздел 4. Проектирование судовых систем автоматического управления ЭУ.

Структурные схемы и передаточные функции систем автоматического регулирования (САР) ЭУ. Критерии устойчивости САР ЭУ. Оценка качества регулирования САР ЭУ.

Динамика автоматического управления движением судна. Способы ограничения нагрузки ЭУ. Регулирование ЭУ с винтом регулируемого шага.

Раздел 5. Настройка судовых систем автоматического управления ЭУ.

Особенности выбора и настройки параметров регуляторов прямого действия.

Особенности выбора и настройки параметров регуляторов непрямого действия.

Настройка регуляторов температуры.

Особенности регулирования ЭУ при параллельной работе.

5. Образовательные технологии

При чтении лекционного курса в рамках лекции проводится разбор и обсуждение конкретных примеров автоматизированных систем и подходов к автоматизации судовых энергетических установок. При чтении лекций используются интерактивные наглядные учебные пособия в форме интерактивных презентаций и учебных фильмов. В рамках подготовки студентам выдаются индивидуальные задания для самостоятельной подготовки к лекциям, которые выполняются в форме устных сообщений и способствуют закреплению материала. Лабораторные занятия проводятся в форме интерактивного компьютерного моделирования. Студент выполняет и защищает индивидуальное задание в форме реферата и ряд расчетных работ. Защита реферата проводится в форме доклада с последующим обсуждением. Ход решения индивидуальных заданий обсуждается в ходе практических занятий.

Пакет заданий студенту формируется на основе индивидуального подхода. Темы рефератов и индивидуальных заданий представляют собой различные аспекты одной практической задачи и результаты выполнения индивидуальных заданий входят в состав курсовой работы по дисциплине и используются в дальнейшем при подготовке дипломного проекта.

6. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины и учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов

Для оценки уровня теоретических и практических знаний используется контрольный устный или письменный опрос студентов по тематике предшествующих лекционных занятий, выполняются и защищаются в форме устного опроса лабораторные работы. Итоговым средством оценки уровня знаний по курсу является экзамен, который проводится в устной форме (в форме собеседования) на основании перечня контрольных вопросов по предмету и результатов выполнения курсовогопроекта.

Автоматизированные системы управления судовыми дизельными энергетическими установками (АСУ СДЭУ) Иллюстрационный материал к лабораторным работам для студентов. — презентация

Презентация на тему: » Автоматизированные системы управления судовыми дизельными энергетическими установками (АСУ СДЭУ) Иллюстрационный материал к лабораторным работам для студентов.» — Транскрипт:

1 Автоматизированные системы управления судовыми дизельными энергетическими установками (АСУ СДЭУ) Иллюстрационный материал к лабораторным работам для студентов специальности «Эксплуатация судовых энергетических установок» Разработал: Малахов И.И. Омский институт водного транспорта (филиал) ФГОУ ВПО «НГАВТ» 2009 г.

2 Автоматическое регулирование – поддержание постоянным или изменение по заданному закону некоторой величины, характеризующей процесс, осуществляемое путем определения состояния объекта или действующих на него возмущений и воздействия на регулирующий орган объекта. Автоматическая система регулирования любой сложности состоит из управляемого объекта и автоматического управляющего устройства, взаимодействующих между собой. Управляемый объект – техническое устройство, осуществляющее технический процесс, который нуждается в оказании специально организованных воздействий извне на исполнительный орган объекта для выполнения его алгоритма функционирования. К управляемым объектам можно отнести само судно, энергетическую установку, ГД, ДГ и др.

3 Воздействия – величины, характеризующие влияние, оказываемое на объект извне. Управляющие воздействия – это воздействия вырабатываемые управляющим устройством (или задаваемые человеком). Возмущающие воздействия – это воздействия не зависящие от системы управления. Могут быть двух видов: нагрузки и помехи. Задающие воздействия – это воздействие содержащее информацию о требуемом значении управляемой величины. Управляемая величина – физическая величина, характеризующая процесс, требуемое значение которой необходимо получить в результате управления.

4 В функциональной схеме система разбита на элементы исходя из выполняемых ими функций, т.е. назначения. Элемент автоматики – простейшая конструктивно-целостная ячейка системы, предназначенная для выполнения операций с сигналом (преобразование, усиление и пр.). С 1, С 2 – сельсины; МУ – магнитный усилитель; ОУ 1, ОУ 2 – обмотки управления; ЭМУ – электромашинный усилитель; ИД – исполнительный двигатель; МП – механическая передача. g – задающее воздействие (поворот штурвала); θ 1 – управляющее воздействие (поворот вала ИД); θ 2 – управляемая величина (поворот баллера руля); U 1 – напряжение на обмотках управления; U 2 – напряжение на выходе из МУ; E S – э.д.с. наводимая ЭМУ.

5 W 2 (p)W 3 (p)W 4 (p)W 5 (p)W 1 (p) W 4 (p) gεU1U1 U2U2 EsEs θ 1 θ1θ1 θ2θ2 θ2θ2 MНMН С1С2С1С2 МУЭМУИДМП В структурной схеме система разбита на звенья исходя из их математического описания. Динамическое звено – искусственно выделяемая часть автоматической системы, описываемая уравнением определенного вида. Динамическое звено может не иметь физического смысла, а лишь отражать какую-либо математическую зависимость между некоторыми величинами элемента. g – задающее воздействие (поворот штурвала); ε – ошибка (рассогласование g и θ 2 ); U 1 – напряжение на входе в МУ; U 2 – напряжение на обмотках управления; θ 1 – необходимый угол поворота ИД; θ 1 – угол на который не довернется ИД из-за момента сопротивления; М Н – момент нагрузки на валу ИД (возмущающее воздействие); θ 1 – управляющее воздействие (поворот вала ИД); θ 2 – управляемая величина (поворот баллера руля); E S – э.д.с. наводимая ЭМУ.

6 В ТАУ используются две аналитические формы представления динамических характеристик: дифференциальные уравнения; передаточные функции. Передаточная функция звена – это отношение выходного параметра к входному, представленное в операторном виде. W(p) FY Y = W(p) · F

7 Переходная, или временная характеристика (функция) звена представляет собой реакцию на выходе звена, вызванную подачей на его вход единичного ступенчатого воздействия Единичное ступенчатое воздействие (единичная ступенчатая функция) – это воздействие, которое мгновенно возрастает от нуля до единицы и далее остается неизменным Единичное ступенчатое воздействие обозначается 1(t) и может быть описано следующим равенством Simulink –> Sources –> Step t h 0 1(t)

8 Частотные характеристики описывают установившиеся вынужденные колебания на выходе звена, вызванные гармоническим воздействием на входе Если на вход звена направленного действия подано гармоническое воздействие где x max – амплитуда, а – угловая частота этого воздействия то по окончании переходного процесса на выходе звена будут существовать гармонические колебания с той же частотой, что и входные колебания, но отличающиеся в общем случае по амплитуде и фазе, т.е. в установившемся режиме выходная величина звена где y max – амплитуда выходных установившихся колебаний; – фазовый сдвиг между входными и выходными колебаниями Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) выражает отношение амплитуды колебаний на выходе звена к амплитуде колебаний на его входе в зависимости от частоты выходного сигнала Фазово-частотная характеристика (ФЧХ) выражает зависимость разности фаз между входными и выходными колебаниями звена от частоты входного сигнала

9 Усилительным (пропорциональным) называют звено, у которого выходная величина в каждый момент времени пропорциональна входной величине. Уравнение усилительного звена Передаточная функция усилительного звена Simulink –> Math Operations –> Gain

10 Апериодическим (инерционным) называют звено, в котором при подаче на вход ступенчатого сигнала выходная величина апериодически (по экспоненте) стремится к новому установившемуся значению Уравнение апериодического звена Передаточная функция апериодического звена Simulink –> Continuous –> Transfer Fcn где Т – постоянная времени звена, характеризующая инерционность звена, с; k – коэффициент усиления звена

11 Колебательным называют звено, у которого при ступенчатом изменении входной величины выходная величина стремится к новому установившемуся значению, совершая при этом колебания Уравнение колебательного звена Передаточная функция колебательного звена где T 1 и T 2 – постоянные времени колебательного звена; k – коэффициент усиления колебательного звена Simulink –> Continuous –> Transfer Fcn Постоянные времени колебательного звена T 1 и T 2 связаны зависимостью Коэффициент называют коэффициентом колебательности и, судя по названию, он характеризует колебательность переходного процесса колебательного звена. Если

12 Интегрирующим называют звено, в котором выходная величина пропорциональна интегралу во времени от входной величины Уравнение интегрирующего звена Передаточная функция интегрирующего звена Simulink –> Continuous –> Integrator

13 Дифференцирующим называют звено, в котором выходная величина пропорциональна производной по времени от входной величины. В дифференцирующем звене выходная величина пропорциональна скорости изменения входной величины Уравнение дифференцирующего звена Передаточная функция дифференцирующего звена Simulink Extras –> Linearization –> Switched derivative for linearization

14 1.Дать определение основным понятиям ТАУ: автоматическое регулирование, управляемый объект, управляемая величина, управляющие воздействия, возмущающие воздействия, задающие воздействия. 2.Особенности функциональной схемы САУ. Как составляется. 3.Особенности структурной схемы САУ. Как составляется. 4.Определение передаточной функции звена. 5.Переходная характеристика звена. Определение. 6.Единичное ступенчатое воздействие. Определение, график. 7.Частотные характеристики звена. Определение. 8.Амплитудно-частотная характеристика звена. Определение. 9.Фазово-частотная характеристика. Определение. 10.Усилительное звено. Уравнение, передаточная функция, представление в MATLAB. 11.Апериодическое звено. Уравнение, передаточная функция, представление в MATLAB. 12.Колебательное звено. Уравнение, передаточная функция, представление в MATLAB. 13.Интегрирующее звено. Уравнение, передаточная функция, представление в MATLAB. 14.Дифференцирующее звено. Уравнение, передаточная функция, представление в MATLAB.

Автоматическое управление судовыми энергетическими установками

Изложены основные понятия об автоматических системах, элементы теории линейных и нелинейных автоматических систем, основы проектирования автоматических систем управления судовыми энергетическими установками. Теоретические вопросы рассмотрены применительно к задачам управления судовыми энергетическими установками различных типов — дизельных, газотурбинных, паротурбинных. В заключительном разделе книги приведены методы построения автоматических систем судовых пароэнергетических установок.
Учебник предназначен для специальностей 0525 и 0649 кораблестроительных вузов и факультетов. Книга может быть полезной инженерам, занимающимся проектированием, наладкой и эксплуатацией судовых автоматических систем.

Содержание
Предисловие
I. Основные понятия об автоматических системах
§ 1. Основные определения
§ 2. Динамические свойства объектов управления
§ 3. Принципы и законы автоматического управления
§ 4. Схемы и элементы автоматических систем
§ 5. Математическое описание автоматических систем
§ 6. Устойчивость. Основные определения
§ 7. Прямой метод Ляпунова
§ 8. Устойчивость по первому приближению
§ 9. Наблюдаемость и управляемость
§ 10. Передаточная функция. Чувствительность
II. Элементы теории линейных автоматических систем
§ 11. Критерии устойчивости. Области устойчивости
§ 12. Теория систем прямого регулирования. Диаграмма Вышнеградского
§ 13. Теория систем непрямого регулирования с регуляторами без обратной связи и с жесткой обратной связью
§ 14. Теория систем непрямого регулирования с регуляторами с гибкой обратной связью
§ 15. Качество переходных процессов в линейных системах
§ 16. Частотные методы расчета автоматических систем
§ 17. Многосвязные системы. Принцип инвариантности
§ 18. Импульсные системы
III. Элементы теории нелинейных автоматических систем
§ 19. Задачи нелинейной теории. Типичные нелинейности
§ 20. Релейные системы. Метод припасовывания
§ 21. Методы фазовой плоскости и точечных отображений. Автоколебания
§ 22. Метод сечений пространства параметров
§ 23. Гармоническая линеаризация нелинейностей
§ 24. Влияние типичных нелинейностей на статику и динамику автоматических систем
§ 25. Системы с переменной структурой
§ 26. Оптимальные системы
§ 27. Адаптивные системы
§ 28. Системы с логическими и вычислительными элементами и устройствами
IV. Проектирование систем автоматизации судовых энергетических установок
§ 29. Требования к проекту автоматизированных систем управления судовой энергетической установкой
§ 30. Основные этапы проектирования. Системы автоматизированного проектирования
§ 31. Организация структурной схемы системы управления судовой энергетической установкой
§ 32. Проектирование автоматизированных комплексов. Основные направления применения ЦВМ и микропроцессоров на судах
§ 33. Проектирование постов управления и информационно-измерительных систем
§ 34. Проектирование систем автоматического регулирования и управления
§ 35. Проектирование систем дистанционного управления и автоматической защиты
§ 36. Проектирование систем автоматизированного диагностирования
V. Автоматизация судовых пароэнергетических установок
§ 37. Характеристика судовой пароэнергетической установки как объекта автоматизации
§ 38. Динамические свойства судовой пароэнергетической установки
§ 39. Автоматизация судовых котельных установок
§ 40. Автоматическое регулирование питания паровых котлов водой
§ 41. Автоматическое регулирование процесса горения топлива в топках судовых паровых котлов
§ 42. Автоматизация судовых главных паровых турбин
§ 43. Автоматическое управление частотой вращения турбин
§ 44. Автоматизация конденсатно-питательных систем
Список литературы