Структурная схема следящего управления рулевым электроприводом

Напомним, что при следящем управления в качестве органа управления используют штурвал поста управления в рулевой рубке.

При повороте штурвала на определенный угол в необходимую сторону (влево или вправо относительно нулевого положения) перо руля повернется на такой же (или пропорциональный) угол и автоматически остановится.

Иначе говоря, перо руля повторяет поворот штурвала, как бы следит за движением штурвала, отсюда название – следящее управление.

При этом угол поворота пера руля тем больше, чем больше угловое расстояние (угловой путь), описанное штурвалом, отсюда второе название – управление по пути.

Из сказанного следует, что у каждому положению штурвала после отработки соответствует определен­ное положение руля.

Таким образом, следящее управление является полуавтоматическим – на первом этапе управления участвует человек (поворачивает вручную штурвал), на втором этапе используются элементы автоматики (сельсин-датчик руля в румпельном отделении), обеспечивающие автоматическую (без участия человека) остановку руля.

Аксиометр является средством дополнительного контроля положения руля.

Система следящего управления может быть создана путем замыкания входа и выхода разомкнутой системы (рис. 10.16) через соответству­ющие преобразующие устройства.

Внутри следящего контура оказываются последовательно включенными два интегрирующих звена СР и РМ. Такие системы являются структурно неустойчивыми. Для прида­ния устойчивости одно из интегрирующих звеньев должно быть охва­чено жесткой обратной связью.

Широко распространены схемы (рис. 10.18), где обратной связью ох­вачены два звена: рулевая машина РМ и насос регулируемой подачи.

Рис. 10.18. Структурная схема следящего управления РЭГ-приводом с механической обратной связью

Образование внутреннего следящего контура превращает интегрирующее и апериодическое звенья, характерные для гидравлического привода, в обобщенное колебательное звено, передаточная функция которого имеет следующий вид:

где К — коэффициент усиления обратной связно масштабно увязывающий воз­действие на подачу насоса со стороны руля и со стороны усилителя.

Решение характеристического уравнения, соответствующего данной пере­даточной функции, показывает, что при соблюдении условия 4T K K K < 1 оба корня уравнения будут отрицательными и ве­щественными, поэтому движение руля при управления со стороны сер­вопривода будет носить апериодический характер.

При обратном соотношении в рулевом электроприводе возникают автоколебания, т.е. перо руля даже в отсутствие управляющего сигнала совершает самопроизвольные колебания влево-вправо по отношению к диаметральной плоскости судна.

Для подавления автоколебаний в схему управления рулевым электроприводом вводят отрицательную обратную связь по выходному напряжениию, при помощи которой часть сигнала (напряжения) с выхода оконечного каскада усилителя подают в противофазе на вход усилителя.

В результате коэффициент усиления усилителя по напряжению (а значит, и по мощности) уменьшается, но достигается главное – исчезают автоколебания пера руля.

При подаче сигнала α на вход суммирующего устройства А баллер руля повернется на соответствующий угол α.

Таким образом, задача следящего управления рулем превращается в задачу синфазного пово­рота поста управления ПУ и выходного органа сервомеханизма (СР, ГУ) α .

Общая схема следящего управления рулем распадается на два независимых замкнутых контура I и II.

Поворот поста управления ПУ на некоторый угол вызывает перемещение выхода сервомеханизма на тот же угол, что в свою очередь определит угол перекладки руля. Эле­менты К и К являются преобразователями углового поворота в экви­валентные электрические сигналы.

При углах перекладки α = α -а > 5°, поворот манипулятора насоса ограничивает-

ся (ε ).

Движение же задающего органа α может продолжаться из-за наличия специаль-

ной аккумулирующей пружины. Следовательно, при больших углах пере­кладки насос работает с максимальной подачей и начинает снижать ее за 5° до подхода к заданному положению.

При разомкнутом контуре II возможно простое управление рулем.

Постом управления непосредственно на вход усилителя подается уп­равляющий сигнал. Серводвигатель СР через ГУ или, в случае его от­сутствия, через кинематический механизм перемещает на некоторый угол α задающий элемент, угол поворота которого после отработки определит положение руля.

Контроль перекладки производится по двухстрелочному аксиометру заданного и действительного положения руля. Датчики аксиометра связаны соответственно с заданным α и фактическим α углами поворота пера руля. Отключе­ние серводвигателя производится по достижении α требуемого значения.

Рассмотренные решения по обеспечению устойчивости работы сис­темы управления рулевого электропривода (см. рис. 10.18) не являются единственно возможными. За последнее время появились новые струк­турные схемы управления рулем (АТР, АИСТ), где для обеспечения структурной устойчивости в следящем и автоматическом режимах об­ратной связью охватывается не рулевая машина, а серводвигатель (рис. 10.19).

Рис. 10.19. Структурная схема управления РЭГ-приводом с электрической обратной связью

Эти схемы комплектуются аксиально-поршневыми насоса­ми типа IIД. Поворот люльки насоса осуществляется встроенным гид­роусилителем, управление которым производится поворотным золот­ником. Поэтому выход от серводвигателя СР имеет не линейное, а уг­ловое перемещение γ .

Передаточная функция эквивалентного звена внутреннего контура найдется так:

Этой передаточной функции соответствует характеристическое урав­нение второго порядка. Вещественные и отрицательные корни этого уравнения определяют условия устойчивости контура и отсутствие ко­лебательных процессов в динамическом режиме.

Численно эти условия выразятся неравенством 4T K K K < 1.

Повышению устойчивости способствует снижение постоянной времени сервопривода. Поэтому в схемах такого рода наиболее широко применяются двухфазные асин­хронные электродвигатели с полым ротором, имеющие малый маховой момент.

Увеличение коэффициента усиления усилителя повышает точ­ность обработки, но отрицательно сказывается на устойчивости.

При работе в следящем режиме общий сигнал, подаваемый на вход усилителя, состоит из трех составляющих:

U = U - U - U ,

где U - напряжение, пропорциональное повороту α поста управления;

U - напряжение, пропорциональное перемещению γ золотника гидроусили­теля;

U - напряжение, пропорциональное углу α поворота пера руля.

В согласованном положении, когда α = 0, U = 0 (γ = 0, на­сос не имеет подачи) U = U . При задании перекладки перемещени­ем поста управления равновесие U = U нарушается (например, U > U ).

Люлька насоса поворачивается, появляется напряжение U , которое стремится компенсировать утраченное равновесное состояние.

При малых углах перекладки (до 5°) U уравновешивает U , и серводвигатель в этом случае останавливается.

По мере поворота руля происходит увеличение U , так что сумма (U + U ) становится больше U . Серводвигатель изменяет направление вращения. Насос уменьша-

ет подачу. В новом согласованном положении U = 0, равно­весие восстанавливается U = = U .

Поворот золотника гидроусилителя γ не превышает 15 - 30°. При учете масштаб-

ных соотношений, принятых в схеме формирования уп­равляющего сигнала U , это соответствует углу поворота руля 5 - 10°.

Поэтому при перекладке на большие углы после выхода насоса на мак­симальную подачу параметр U сохраняет постоянное значение, со­ответствующее принятому пре-

дельному повороту золотника γ .

Суммарное напряжение U + U не уравновешивает задающее U и на серводвига-

теле СР образуется положительный управляющий сигнал. Серводвигатель развивает вращающий момент.

В то же время золот­ник гидроусилителя достиг конечного положения и его дальней

ший по­ворот невозможен.

Для облегчения теплового режима работы серводви­гателя в кинематической связи между ним и золотником предусматри­вается пружинная муфта проскальзывания.

При подходе к заданному положению (α = 4 - 5°) серводвигатель останавливается, и в дальнейшем обратным вращением уменьшает по­дачу насоса от максимальной до нуля, так же как и при перекладке на малые углы.