船舶主机遥控第4章

第四章柴油机转速控制系统本章介绍转速控制系统的几个主要组成环节。对定距桨船舶而言：航行速度←螺旋桨的转速←柴油机的转速(ne)←调速器(G)←转速设定值(ns)←车令发送器的指令(ng)一般转速控制系统的控制流程可简化如下:ngnsGne调速器(Governor)是实现恒值控制的关键部件。由上示流程图可以总结出一般转速控制系统的主要组成：转速设定值发送器转速检测装置调速器柴油机全制式液压调速器电子调速器§4-1柴油机转速控制系统的组成一、气动调速系统框图二、电气调速系统框图EGA车令发送器加速度限制器气动执行器调速器主机车令发送器EG调速器主机AUIIP设定值限制器加速度限制器U/I变换器I/P变换器气动放大器气动执行器三、电子调速系统框图E主机设定值限制器加速度限制器车令发送器S电/液执行器U/I变换器PI调节器测速装置§4-2转速设定值发送器转速设定值信号气压信号(气动调速系统)电压信号(电气及电子调速系统)气动式发送器转速设定继电器式值发送器有触点式电动式发送器电位器式无触点式自整角机变压器式一、气动式发送器手柄位置P0AHASTSTOPP0Pi二、电动式发送器（有触点式）该电路包含两种发送方式：继电器式和电位器式。该电路所描述的船舶具有两个车钟：主车钟和应急车钟。因此，相应的车令发送器也有两套：主车令发送器和应急车令发送器。主车令发送器——电位器式应急车令发送器——继电器式+24VR1R2R3RM手柄位置U0AHASTSTOPU0ASTAH图4-1R1——最大倒车转速调节电位器R2——最大正车转速调节电位器R3——最小转速调节电位器应急车钟属于继电器式车令发送。RD(微速档)是固定接入的。RD的作用：①主车令发送器的断线保护。(防止自动停车)②相当于最小转速限制的作用.三、自整角机变压器式发送器自整角机发送器——由车钟手柄带动自整角机变压器——转速设定值发送器～U0车钟手柄的可活动范围：前后70~80°（磁路饱和）自整角机变压器的输出电压与手柄位置呈近似线性关系。自整角机变压器的输出电压是交流电压，该电压经过相敏整流之后，可以反映出指令的转向信息。手柄位置U0AHASTSTOP§4-3转速检测装置显示(转速表及打印记录)转速检测信号的用途闭环系统(转速反馈)控制发火转速起动结束转速换向转速加速转换点测速发电机直流转速检测的方法交流磁脉冲测速装置开环系统图4-2一、磁脉冲探头测速的原理转轴齿轮软磁铁永久磁铁线圈f——线圈电压的频率z——飞轮的齿数n——主机转速磁脉冲测速装置实际上是一个转速/频率转换器。二、磁脉冲探头测向的原理60nzf探头A探头BAABB正转反转图4-2三、测速电路的工作原理四、测向电路的工作原理齿轮探头电压波形整形后的电压波形AB正转AB反转QQ图4-2§4-4PG调速器调速器必须具备的功能：调速功能(比例积分调节)执行功能(直接驱动调油机构)WOODWARD公司的调速器分为两个系列：PG系列和UG系列。两系列之间原理近似。一、PG调速器的主要组成与功能1、气控转速设定转速设定信号分两种：19.6~98KPa(0.2~1.0kgf/cm2)68.6~548.8KPa(0.7~5.6kgf/cm2)转速设定气压信号===调速弹簧28的预紧力波纹管48所产生的推力与回复弹簧37的张力相平衡。移动滚动轴承轴枢35的位置可以改变反馈系数。图4-3负荷弹簧39的作用是保证回复杆38与滚动轴承轴枢35之间始终接触。①转速设定增加过程设定：设定气压升高→波纹管48压缩→推杆下移→导阀52下移→打开油孔f→压力油进入伺服油缸→伺服活塞下移→调速弹簧28的预紧力增加。反馈：反馈杆32下移→回复杆38左端上翘→回复弹簧37拉长→弯形杆上移→导阀52上移→关闭油孔f。②转速设定减少过程设定：设定气压下降→波纹管48伸张→推杆上移→导阀52上移→打开油孔f→伺服油缸压力油泄放→伺服活塞上移→调速弹簧28的预紧力减少。反馈：反馈杆32上移→回复杆38左端下垂→回复弹簧37收缩→弯形杆下移→导阀52下移→关闭油孔f。2、手动转速设定手动转速设定是通过手动设定旋钮42来实现的。图4-3①转速设定增加过程设定：顺时针旋转42→螺母43左移→转速设定螺母40下移→横杆47下移→滚动轴承35下移→回复杆38左端下垂→弯形杆下移→导阀52下移→打开油孔f→压力油进入伺服油缸→伺服活塞下移→调速弹簧28的预紧力增加。反馈：反馈杆32下移→回复杆38左端上翘→回复弹簧37拉长→弯形杆上移→导阀52上移→关闭油孔f。转速设定的减少过程与上述情况类似。3、转速的限定PG调速器有三个转速限定装置：气动低速限定36伺服活塞的低速限定31伺服活塞的高速限定50气动低速限定的作用：保证柴油机在无气控信号时，能维持最低转速运行。（相当于最低转速限制）伺服活塞低速限定的作用：应急停车时的油门最低限。图4-3伺服活塞高速限定的作用：防止主机超速。4、负荷限制与安全保护PG调速器的负荷限制环节包括：增压空气压力限制最大转距限制①增压空气压力限制对应于某一个增压空气压力值，就有一个最大允许供油量。②最大转距限制最大转距限制是通过增压空气压力限制来实现的，上图中的QM点就是最大转距限制时所对应的最大供油量。PMQPKQM图4-3③安全保护当柴油机运行参数异常时，电磁阀49动作，迅速将油门拉到最低值，并配合停车电磁阀一起，使主机迅速停车。④升压器与放大器升压器的作用是在起动时，加快油门的动作过程。升压器的位置应该位于调速器的底部。升压器每次吸入的油量决定了起动时油门的开度。二、PG调速器的工作原理飞块27是转速检测及比较装置。在稳定运行时，调速弹簧28的预紧力与飞块27的离心力相平衡。在加减速期间以及负荷波动期间，二者的不平衡状态反映出转速给定与转速反馈之间的差值，这个差值具体体现在滑阀25的位移上。比例功能依靠缓冲活塞21实现。积分功能依靠补偿环26与针阀22来实现。旁通孔d的作用是在风浪较大时，切除积分功能。图4-31、加速情况下的工作原理。2、负荷波动时的工作原理。图4-3§4-5电子调速器电子调速器的组成：比例积分环节电液执行器执行环节气动执行器电动执行器一、带电液执行器的电子调速器组成框图电/液执行器U/I变换器PI调节器转速差值油门位置二、带气动执行器的电子调速器组成框图三、带电动执行器的电子调速器组成框图四、电液执行器的工作原理1、主阀的跟踪过程。2、调节过程。气动气动执行器PI调节器转速差值油门位置UIIP步进电机脉冲信号产生单元PI调节器转速差值油门位置M图4-4§4-5带电液执行器的电子调速系统一、电子调速系统的组成与系统工作原理电子调速系统的工作原理：①当负荷发生变化时负荷↑→n↓→uf↓→IeI↑→u1↑→Iu2I↑→I↑→油门X↑柴油机PI调节器反相器U/I变换器电/液执行器测速机MCnUrUfeu1u2IX＋－－＋＋－直流发电机→n↑→e→0。系统稳定，转速恢复原来值。②当指令发生变化时ur↑→e↑→u1↑→Iu2I↑→I↑→油门X↑→n↑→uf↑→ur=uf。系统在新的转速值上稳定运行。二、各环节传递函数前提：前面所谈到的符号问题正好相互抵消，所以本小节中对于单个环节的传递函数不再考虑正负符号。假设：为了便于分析，假设ur为“+”，uf为“-”。①PI调节器的传递函数u1eR1R2C)()(1)(211211111超前时间常数比例系数其中：CRTRRKSTSTKsW②反相器的传递函数③U/I变换器的传递函数1221)(UUSW232232123122122121311231)()1(KSWuKIRRRuRRRuRuIuRReReRuiiIK2u1R1R1u2u2R1R2i1Ii3R3ZLe0e1电/液执行器的线圈阻抗所以，U/I变换器是一个比例环节。由于在电路中，ZL是放大器输出阻抗的一部分，并且位处闭环之内，因而当环境温度发生变化时，电流I仍能保持恒值。④电/液执行器的传递函数由于伺服器活塞的位移量X与动圈中的电流I成正比，因此，它的传递函数应为常数。⑤柴油机的传递函数柴油机：化学能热能机械能非线性在假定的理想条件下，可得柴油机的近似一阶微分方程。34)(KSWTm——机械时间常数。Kx、Km——常系数。X——油门杆的位移量。Mc——负载力矩。对上式求出以X为输入量的传递函数：对上式求出以Mc为输入量的传递函数：cmxmMKxKndtdnT1)()()(5STKSxSnSWmx1)()()(6STKSMSnSWmmc按线性系统的叠加原理：柴油机的动态结构图为：)(1)(1)()()()()(65SMSTKSxSTKSMSWSxSWSncmmmxc1STKmm1STKmx)(SMC)(Sx)(Sn⑥测速发电机的传递函数测速发电机存在两种干扰电压：测速机转子齿槽磁通变化换向器振动磁路不对称电机偏心为了消除干扰电压的影响，所以测速机的输出端需增设滤波器。图中没有画出极性整流器。（因为电子调速系统要求转速反馈电压只有一个极性，所以必须利用极性整流器去掉转向对极性的影响。）高频脉动电压低频脉动电压GUf’UfCR上面电路的微分方程为：式中：Ku——电位器分压比Ce——额定磁通下的电动势转速比α=KuCeTe=RC——滤波时间常数于是，上式就变为：测速发电机的传递函数则为：'fffeuudtduTnnCKueuf'nudtduTffe1)(7STSWe三、转速控制系统的结构图和误差传递函数按上图可求出系统误差传递函数：式中Wk(S)为系统开环传递函数。1STKmm1STKmxSTSTK11111STeUrUf12K3K＋－eu1u2IXMCn)(11)()(11)()()(SWSHSWSUSeSWKre假定Mc=0。式中K=K1K2K3Kxα四、转速控制系统输入信号形式的确定考虑控制系统的稳态误差考虑柴油机所能承受的热负荷系统的稳态误差可根据终值定理求出：)1)(1()1(111)(1132111STSTSTSTKSTSTKKKSTSTKSWememxk确定原则)()(11)()()(limlimlim00SUSWSSuSWSteerKSreStss转速控制系统属于1型系统。1）单位阶跃信号2）单位斜坡信号（速度信号）0)1)(1()1(11)(111100limlimSTSTSTSTKSSWSeemSKSssKTSTSTTSTKSSWSeemSKSss111020)1)(1()1(11)(11limlim3）单位抛物线信号（加速度信号）由以上的分析可见，只有单位斜坡信号（速度信号）才能够满足两个方面的要求。)1)(1()1(11)(1111030limlimSTSTTSTSKSSWSeemSKSss本章作业1）在电动式车令发送器中，微速电位器长期接入的作用是什么？2）说明磁脉冲测速装置测速和测向的原理。3）PG调速器有哪几个转速限定环节？各起什么作用？4）简述三种电子调速器各自的组成情况。5）请画出带电/液执行器的电子调速系统框图，并叙述系统工作原理。6）转速控制系统的输入信号形式是如何确定的？