Виды управления рулевыми электроприводами

Структурная схема следящего управления рулевым электроприводом

Структурная схема простого управления рулевым электроприводом

Основные сведения

Нического и электрогидравлического рулевых приводов

Структурные схемы управления судов с использованием электромеха

Изменение направления подачи масла от насоса на рулевую машину, необходимое для перекладки руля, производится специальным управляющим устройством – сервомеханизмом.

В РЭГ-приводах с насосами постоянной подачи оконеч­ный каскад сервомеханизма представляет собой дросселирующий золот­ник, посредством которого насос связывается с рулевой машиной. Уп­равление золотником осуществляется магнитным (соленоид) или ма­шинным серводвигателем, который воздействует на золотник непосред­ственно или через промежуточный гидроусилитель.

В приводах с насосами переменной подачи сервомеханизм включает в себя электрический двигатель - серводвигатель, связанный через кинематическую передачу с манипулятором насоса.

Весьма часто в со­став управляющей кинематики включают гидроусилитель, что сущест­венно снижает мощность электрического серводвигателя.

 

Напомним, что при простом управления в качестве органов управления используют кнопки «Лево руля», «право руля» или рычаг управления ( «джостик» ).

Руль перекладывается все то время, пока нажата одна из кнопок или рычаг вы

веден из нейтрального положения. Перекладка пре­кращается, если отпустить кнопку или вернуть рукоятку поста в исходное - нулевое по­ложение.

Об угловом состоянии руля в каждый момент времени судят по рулевому указателю - аксиометру.

Обобщенная разомкнутая схема ручного управления рулем по времени показана на рис. 10.17.

Здесь представлены: РМ - рулевая ма­шина; Н - насос переменной подачи (ГЗ - гидрозолотник в системе управления с насосом нерегулируемой подачи); ГУ – гидроусили

тель; СР - серводвигатель; У - электрический усилитель.

 

 

Рис. 10.17. Обобщенная разомкнутая система ручного управления РЭГ-приводом

 

 

При простом управлении рулем контур регулирования разомкнут. При подаче управляющего напряжения Uпоследовательно отрабатывают все звенья и начинается перекладка руля.

Шток поршня гидроусилителя ГУ жест­ко связан с манипулятором насоса Н. Перемещение манипулятора ог­раничено. Поэтому пропорциональность между движением золотника гидроусилителя и ходом его поршня характерна только при сравнитель­но малых перемещениях.

При снятии управляющего напряжения Uсерводвигатель СР останавливается, но подача насоса Н не прекра­щается.

Для остановки руля необходимо, чтобы серводвигатель включением в обратную сторону сместил манипулятор насоса в исходное положе­ние. Таким образом, разовая перекладка руля содержит четыре опера­ции:

1. включение серводвигателя;

2. его остановку;

3. включение серводвигателя в обратном направлении;

4. его остановку.

Поворот руля на заданный угол описанным способом даже опытному оператору ( например, рулевому матросу ) выполнить практически невоз­можно.

Для нормальной работы требуется, чтобы при снятии входного уп­равляющего сигнала U= 0 серводвигатель занимал исходное по­ложение, что соответствует прекращению подачи масла на рулевую ма­шину.

В некоторых современных отечественных схемах управления (АТР, АИСТ) это делается специальным пружинным нуль-установите­лем, задача которого вернуть серводвигатель или, точнее, золотник гид­роусилителя ГУ в нулевое положение ( е= 0) после отключения.

Ино­странные фирмы часто используют сервопривод с электромагнитным управлением. Золотник такого привода всегда имеет пружинный само­возврат.

Таким образом, простое управление рулем по структурной схеме рис.10.17 принципиально возможно.

Для этого требуется только, чтобы элементы сервопривода автоматически возвращались в исходное поло­жение после отключения серводвигателя.

 

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 4TKKK< 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 αна 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 Ки Кявляются преобразователями углового поворота в экви­валентные электрические сигналы.

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

ся (ε ).

Движение же задающего органа αможет 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 αзадающий 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 αи фактическим α углами поворота пера руля. Отключе­ние серводвигателя производится по достижении αтребуемого 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 4TKKK<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 αпоста управления;

U- напряжение, пропорциональное перемещению γзолотника 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= Uнарушается (например, U> U).

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

При малых углах перекладки ( до 5° ) Uуравновешивает 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 γне 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 Uсохраняет постоянное значение, со­ответствующее принятому пре-

дельному повороту золотника γ.

Суммарное напряжение U+ Uне уравновешивает задающее Uи 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.

По характеру формирования управляющего сигнала различают 4 вида управления рулевыми приводами:

1. простое;

2. следящее;

3. автоматическое;

4. аварийное.

При простом управлении используют кнопки «Лево руля», «Право руля» или вер-

тикально расположенный рычаг ( «джостик» ), который можно наклонять влево или впра-

во.

При нажатии какой-либо кнопки или наклоне рычага начинается перекладка руля. Для остановки руля надо отпустить нажатую кнопку или вернуть рычаг в вертикальное положение.

Таким образом, кладка пера руля продолжается все то время, пока нажата кнопка или наклонен рычаг. Поэтому этот вид управления называют управлением по времени.

Для возврата руля в прежнее положение ЭД реверсируют нажатием другой кнопки или наклоном рычага в противоположную сторону.

Положение руля определяется визуально по шкале рулевого указателя ( аксио-

метра ).

В этой системе при перекладке руля в сторону от диаметральной плоскости и об-

ратно следует осуществить 4 опера­ции ( на примере рычага ): перекладку рычага в сторо-

ну ( например, вправо ), возврат его в среднее положение, перекладку в обратную сторону ( влево ) и возврат опять в среднее положение.

При следящем управлении используют штурвал. При повороте штурвала, напри-

мер, вправо на определенный угол, начинается перекладка пера руля. При повороте пера руля на угол, заданный штурвалом, перо руля остановится автоматически. Таким обра-

зом, перо руля как бы следит за поворотом штурвала, отсюда название – «следящее управ

ление».

Поскольку угол поворота пера руля равен ( или пропорционален ) углу поворота штурвала, этот вид управления называют управлением по пути ( пройденному штурвалом при его повороте ).

Штурвал механи­чески связан со стрелкой, указывающей заданное положение руля. После отработки руль автоматически перекладывается на требуе­мый угол, что может быть проверено по аксиометру. В некоторых случаях указательные стрелки задан

ного и действительного положе­ний руля работают на общую шкалу совмещенного ( сдвоенного ) аксиометра.

Для перекладки руля к борту и обратно рулевому нужно совершить только 2 опе

рации: переложить штурвал на нужный угол и вернуть его в нулевое положение. У Следящее управление значи­тельно проще и удобнее, требует меньшей затраты физических сил и внимания.

При автоматическом управлении удержание судна на курсе осуществляется авто-

матически, без участия человека. Предварительно рулевой матрос, по команде вахтенного помощника ( старшего помощника, капитана ) выводит судно на необходимый курс, используя простое или следящее управление.

После этого, в момент, когда судно на заданном курсе, а перо руля - в диаметраль-

ной плоскости, переключатель видов управления на тумбе рулевого устройства переводят в положение «Автоматическое управление» ( «Автомат» ).

На судах с центральной ЭВМ автоматическое управление предполагает задание угла пере­кладки руля по определенной программе, разрабатываемой автома­тически судовым счетно-вычислительным комплексом ( составной частью центральной ЭВМ ) в зависи­мости от решаемых навигационных или иных задач.

В настоящее время на транспортных судах применяют наиболее простые руле­вые автоматы, обеспечивающие автоматическую стабилизацию суд­на на заданном кур-

се.

Применение авторулевых позволяет:

1. сократить численность экипажа;

2. за счет уменьшения углов кладки руля увеличить среднюю скорость судна и

уменьшить путь, проходимый судном ( в среднем на 2,5-3% по сравнению с ручным уп-

равлением ).

Внимание!

Современные авторулевые при работе на «Автомате» позволяют изменить курс судна в нужную сторону простым поворотом штурвала, без перехода на следя-