Способ управления сервомотором рабочего колеса поворотно-лопастной турбины



Способ управления сервомотором рабочего колеса поворотно-лопастной турбины
Способ управления сервомотором рабочего колеса поворотно-лопастной турбины
Способ управления сервомотором рабочего колеса поворотно-лопастной турбины
Способ управления сервомотором рабочего колеса поворотно-лопастной турбины
Способ управления сервомотором рабочего колеса поворотно-лопастной турбины
Способ управления сервомотором рабочего колеса поворотно-лопастной турбины
Способ управления сервомотором рабочего колеса поворотно-лопастной турбины
Способ управления сервомотором рабочего колеса поворотно-лопастной турбины
Способ управления сервомотором рабочего колеса поворотно-лопастной турбины

 


Владельцы патента RU 2614232:

Общество с ограниченной ответственностью "Ракурс-инжиниринг" (RU)

Изобретение относится к области гидроэнергетики и может быть использовано в системах управления гидроагрегатов на низконапорных ГЭС. Способ управления сервомотором рабочего колеса поворотно-лопастной турбины посредством смещения главного золотника от среднего положения включает определение текущего положения главного сервомотора, определение величины отклонения его текущего положения от заданного положения, использующий для формирования задания смещения золотника от среднего положения выходной сигнал импульсного трехпозиционного регулятора, входным сигналом для которого является величина отклонения, и сигнал, пропорциональный этой величине. Формируют дополнительный сигнал, пропорциональный превышению уровня указанной величины отклонения текущего положения сервомотора от заданного, величина которого выбирается в соответствии со скоростью, определенной расчетом точности позиционирования его при отклонениях, выбранных для управления его движением только регулятором. Используют в качестве сигнала задания смещения золотника сумму дополнительного сигнала и выходного сигнала регулятора. Изобретение направлено на улучшение надежности работы привода лопастей рабочего колеса. 12 ил.

 

Область техники

Изобретение относится к области гидроэнергетики и может быть использовано в системах управления гидроагрегатов, установленных на равнинных реках при малых перепадах уровней, а именно поворотно-лопастных гидроагрегатов на низконапорных ГЭС.

На низконапорных ГЭС в европейской части России широкое распространение получили поворотно-лопастные гидравлические турбины. Эти турбины имеют встроенный в рабочее колесо гидравлический главный сервомотор, изменяющий угол разворота лопастей рабочего колеса в зависимости от открытия направляющего аппарата и напора. Согласованное управление открытием направляющего аппарата и углом установки лопастей рабочего колеса обеспечивает достижение высокого КПД агрегата в широком диапазоне нагрузок.

В ПромАвтоматика. Готовые решения. ЭГР-ГМЧ. http://www.pa.ru [1] описаны электро(нно)-гидравлические системы управления, в которых вспомогательный сервомотор, жестко соединенный с главным золотником, и главный сервомотор оснащаются датчиками положения. Формирование управляющего воздействия осуществляется электронным управляющим устройством, в состав которого входят два элемента рассогласования, выявляющие величину и знак отклонения между сигналами задатчиков положений главного и вспомогательного сервомоторов и датчиков их положений. Усилители с настраиваемыми коэффициентами усиления, позволяют получить необходимую точность установки главного сервомотора в соответствии с сигналом задатчика положения, а также обеспечить необходимые динамические характеристики системы управления углом разворота лопастей. Величина смещения главного золотника от среднего положения задается непрерывно изменяющимся выходным сигналом усилителя рассогласования. Пропорциональное величине смещения открытие окон главного золотника определяет скорость движения сервомотора рабочего колеса. Знак величины смещения задает направление движения на увеличение или уменьшение угла разворота лопастей. Усилитель может формировать как пропорциональный, так и более сложные, например пропорционально-интегрирующий и пропорционально-интегрально-дифференцирующий, законы управления положением главного золотника.

Описанный выше и широко применяемый для управления углом разворота лопастей электрогидравлический привод с линейными законами управления для малых величин отклонения главного сервомотора от установившегося состояния обладает одной специфической особенностью.

Эта особенность обусловлена двумя факторами:

- передачей рабочей жидкости через специальные маслопроводы, имеющие подвижные уплотнения (необходимость подачи масла к сервомотору, находящемуся внутри вращающегося рабочего колеса турбины) и сопряженные с этим относительно большие утечки рабочего масла;

- необходимость преодоления гидродинамических сил, действующих на лопасти, и обусловленных ими значительных сил трения в цапфах лопастей, что требует больших перестановочных усилий.

Если приведенные к поршню главного сервомотора силы сопротивления движению велики, то при его движении перепад давления на поршне уравновешивает эти силы. Избыточный перепад давления, обеспечиваемый маслонапорной установкой, тратится на преодоление гидравлических сопротивлений подводящих масло трубопроводов и компенсацию потерь давления в окнах главного золотника. Часть масла, протекающая через его окна, минуя полости сервомотора, проходит в утечки через упомянутые подвижные уплотнения. Как только окна золотника прикроются настолько, что расход через них уменьшится до величины, при которой он будет вызывать на гидравлическом сопротивлении утечки недостаточный для движения сервомотора перепад давления, сервомотор остановится, и окна золотника останутся открытыми. Это остаточное открытие не зависит от коэффициента усиления сигнала рассогласования между заданием положения сервомотора лопастей и сигналом датчика его истинного положения. Отработка задания может быть выполнена с высокой точностью, однако остановка сервомотора будет происходить при одной и той же степени открытия окон золотника. Наличие утечки масла приводит к увеличению продолжительности включения насосов для подкачки масла в аккумулятор. Из-за повышенной частоты циркуляции масла в системе оно перегревается, что уменьшает его вязкость, увеличивает утечки и в свою очередь приводит к еще большему увеличению продолжительности включения насосов. При превышении температурой масла выше установленных поставщиком пределов, работа агрегата невозможна и его останавливают. Утечки масла в системе гидропривода сервомотора рабочего колеса понижают надежность энергоснабжения из-за возможности аварийной остановки агрегата при перегреве масла и вызывают повышенные затраты энергии в маслонапорной установке МНУ из-за необходимости постоянной подкачки масла в аккумулятор, а также приводят к повышенному износу оборудования МНУ. Для поддержания температуры в системах рабочего масла гидравлических турбин приходиться предусматривать маслоохладители, что также связано с ухудшением экономичности машины и усложнением ее вспомогательных систем.

Таким образом, проблема совершенствования способа управления сервомотором лопастей рабочего колеса для уменьшения утечек масла путем принудительного закрытия окон главного золотника при достижении сервомотором требуемого положения является актуальной.

Особенностью электрогидравлического привода является различная степень остаточного открытия главного золотника при остановке сервомотора рабочего колеса в зависимости от направления предшествовавшего ей движения: на уменьшение и увеличение угла разворота лопастей. Это объясняется тем, что сила трения всегда направлена против движения, и при движении сервомотора в направлении, противоположном действию гидродинамической силы, последняя складывается с силой трения, вследствие чего остановка сервомотора происходит при большей величине перепада давления на поршне, чем при движении попутно направлению действия гидродинамической силы, помогающей преодолевать действие силы трения. Следует заметить, что при принудительной установке золотника в среднее положение сила трения покоя всегда действует в направлении противоположном действию гидродинамической силы, и перепад давления, требуемый для удержания сервомотора в неподвижном положении - очень мал, мала будет и создающая этот перепад утечка масла через уплотнения. Опыт показывает, что сила трения покоя в цапфах достаточна для уравновешивания гидродинамических сил без создания перепада давления на поршне сервомотора. Поэтому полное закрытие окон золотника путем принудительной установки его в среднее положение при достижении сервомотором заданного положения приведет автоматически к исчезновению утечек.

Применение пропорционально-интегрирующих законов управления вместо пропорционального в контуре главной обратной связи, содержащем интегратор (сервомотор) и характеристики типа «зона нечувствительности» (перекрытия окон золотника) и «люфта» (большое трение в цапфах лопастей), приводят к возникновению низкочастотных колебаний.

В силу сказанного, можно утверждать, что линейные методы коррекции в рассматриваемом случае не позволяют решить задачу устранения утечек через окна золотника сервомотора лопастей рабочего колеса.

Уровень техники

Известны способы, направленные на уменьшение утечек масла через уплотнения поршня сервомотора рабочего колеса и зазоры в маслопроводах, заключающиеся в применении дополнительных устройств, позволяющих уменьшить открытие окон главного золотника сервомотора рабочего колеса, снизив тем самым утечки масла в установившемся режиме. Эти способы используют либо изменение параметров контура управления, за счет введения дополнительных средств коррекции характеристик гидравлических элементов, либо введение дополнительных управляющих воздействий, улучшающих точность позиционирования сервомотора и тем самым уменьшающих сигнал рассогласования и открытие окон его золотника в статике.

В SU 1545005 А, 23.02.1990 [2] описано устройство управления поворотно-лопастной гидротурбиной и способ его работы.

Устройство управления содержит золотник сервомотора рабочего колеса с приводом, соединенным маслопроводом, с побудительным золотником, штоки которых связаны при помощи рычага, сопряженного с индикатором рассогласования. Устройство снабжено дополнительными золотником и маслопроводом с дросселем, а шток привода золотника сервомотора рабочего колеса - жестко установленной тягой, шарнирно сочлененной со штоком дополнительного золотника, связанного через дополнительный маслопровод с дросселем с приводом золотника сервомотора рабочего колеса

Устройство работает следующим образом. При смещении побудительного золотника, например, вниз под действием управляющего сигнала от индикатора рассогласования масло под давлением через побудительный золотник поступает в привод, в результате чего главный золотник смещается. Вместе с ним через тягу смещается вниз дополнительный золотник. При этом масло через дополнительный золотник также поступает в привод и дополняет действие побудительного золотника, что создает положительную обратную связь. Через рычаг создается отрицательная обратная связь от перемещения главного золотника к побудительному золотнику. При смещении побудительного золотника вверх под действием управляющего сигнала от индикатора рассогласования происходит слив масла из привода, что приводит к смещению главного золотника сервомотора вверх. Такое смещение золотника сервомотора рабочего колеса приводит к смещению дополнительного золотника. При этом масло через дополнительный золотник также сливается из привода и дополняет действие побудительного золотника, что создает положительную обратную связь. Расход масла через дополнительный золотник ограничен дросселем, поэтому его действие по созданию положительной обратной связи преобладает над отрицательной обратной связью побудительного золотника.

Устройство разработано применительно к распространенным в то время гидромеханическим системам управления положением сервомотора рабочего колеса. Предложенное техническое решение не позволяет достичь цели изобретения, т.к. сводится к перераспределению усиления между индикатором*) (*) Примечание: автор изобретения употребляет термин «индикатор рассогласования», но индикатор - это показывающее устройство, в системах автоматического управления употребляется термины «усилитель рассогласования» или «выявитель рассогласования», несущие в выходном сигнале признак знака рассогласования) рассогласования и замкнутым контуром управления главным золотником, за счет ослабления коэффициента передачи в цепи обратной связи последнего, что не только не позволит решить проблему, но и приведет к необходимости существенного уменьшения коэффициента усиления по величине рассогласования, из-за увеличения постоянной времени контура управления главным золотником. Остаточное открытие его окон, в силу причин его вызывающих, останется таким же, как и до введения предлагаемого усовершенствования.

В качестве прототипа выбрано устройство, описанное в SU 985401 A1, 30.12.1982 [3].

Устройство для управления лопастями рабочего колеса поворотно-лопастной гидротурбины содержит золотник сервомотора рабочего колеса, снабженный приводом и связанный с индикатором рассогласования, и дополнительный золотник, связанный с индикатором рассогласования и подключенный к золотнику сервомотора. Дополнительный золотник подключен к золотнику сервомотора через его привод, а сам дополнительный золотник выполнен трехпозиционным.

Устройство работает следующим образом.

При возникновении на выходе индикатора рассогласования сигнала, превышающего предусмотренную зону нечувствительности, подается воздействие на привод, и дополнительный трехпозиционный золотник перемещается в одно из своих крайних положений. В результате привод главного золотника получает воздействие на смещение из среднего положения не только от побудительного золотника, но и от дополнительного золотника, что обеспечивает более надежное движение сервомотора в сторону перемещения лопастей рабочего колеса в предусмотренное положение. Тем самым, благодаря действию обратной связи по положению сервомотора рабочего колеса, устраняется рассогласование на выходе индикатора, и главный золотник возвращается в среднее положение, устраняя чрезмерные протечки масла.

Одновременно с возвратом в среднее положение главного золотника обратная связь возвращает в среднее положение и дополнительный трехпозиционный золотник. При достаточно малой инерционности этого золотника, малой скорости перемещения лопастей рабочего колеса и наличии некоторой зоны нечувствительности обеспечивается устойчивость процессе регулирования. Предлагаемое устройство позволяет получить более точное возвращение золотника сервомотора рабочего колеса в среднее положение и, следовательно, сокращение протечек масла в установившихся режимах.

Однако способ, реализованный в устройстве [3], обладает рядом недостатков:

1. при открытых окнах дополнительного золотника изменяются динамические характеристики контура управления положением главного золотника (изменяется постоянная времени сервомотора, обеспечивающая его перемещение), что может привести к потере устойчивости всей системы управления гидроприводом изменения угла установки лопастей рабочего колеса.

2. несовпадение нулей каналов управления побудительным золотником и приводом трехпозиционного золотника может привести к неточной установке главного золотника в среднее положение и, как следствие, к появлению неконтролируемой утечке через его приоткрытые окна, а в неблагоприятных случаях, например, при больших смещениях в канале управления, даже к появлению ложных точек равновесия, когда действие импульсного канала управления уравновешивается смещением в цепи главной обратной связи, а не смещением главного золотника.

Если недостаток по п. 1 приводит к ухудшению динамики параллельно работающих непрерывного и импульсного контуров управления, то недостаток по п. 2 может привести не только к появлению утечек, но и к значительному ухудшению точности отработки задания главным сервомотором.

Таким образом, предлагаемый в прототипе способ улучшения характеристик системы позиционирования сервомотора лопастей рабочего колеса, заключающийся в параллельном одновременном импульсном и линейном формировании сигнала задания смещения главного золотника, связывает настройки каналов управления, может привести к появлению большой статической ошибки, не дает возможности реализовать преимущества каждого из этих способов и не гарантирует отсутствие утечек через приоткрытые окна главного золотника в статическом состоянии привода.

Задача изобретения

Задачей предполагаемого изобретения является улучшение надежности работы привода лопастей рабочего колеса путем полного исключения возможности утечки через открытые окна главного золотника в статических режимах.

Поставленная задача решается тем, что в способе управления сервомотором рабочего колеса поворотно-лопастной турбины посредством смещения главного золотника от среднего положения, включающем определение величины отклонения его текущего положения от заданного, использующим для формирования задания смещения главного золотника от среднего положения выходной сигнал импульсного трехпозиционного регулятора, входным сигналом для которого является величина упомянутого отклонения, и сигнал, пропорциональный его величине, в соответствии с изобретением формируют дополнительный сигнал, пропорциональный превышению отклонением текущего положения сервомотора от заданного некоторой величины, определяемой расчетным или экспериментальным путем в соответствии с требуемой точностью позиционирования сервомотора рабочего колеса при управлении его движением только импульсным регулятором, и используют в качестве сигнала задания смещения главного золотника от среднего положения сумму дополнительного сигнала и выходного сигнала трехпозиционного импульсного регулятора.

Таким образом, смещение главного золотника от среднего положения определяется сигналом, который является суммой двух, сформированных на основе усиленного сигнала рассогласования (разности сигнала задания положения сервомотора и датчика его положения), сигналов: дополнительного сигнала, пропорционального превышению усиленным сигналом рассогласования некоторого диапазона, содержащего нуль, и сформированного импульсным регулятором выходного сигнала фиксированной амплитуды.

Для эффективной работы импульсного регулятора необходимо, чтобы формируемый им сигнал обеспечивал движение главного сервомотора с некоторой постоянной скоростью, чем меньше эта скорость, тем, очевидно, точнее можно выполнить позиционирование. Чтобы непрерывный канал, формирующий управляющий положением золотника сигнал пропорциональный величине рассогласования «не мешал» работе импульсного регулятора позиционирования, выделяется диапазон рассогласования, в котором непрерывный сигнал должен быть равен нулю, в этом же диапазоне назначаются величины, при которых происходит установка и сброс выходных сигналов импульсного регулятора. Таким образом, канал непрерывного управления не может изменить величину смещения золотника, если рассогласование попало в диапазон формирования импульсных сигналов управления. Не возможна ситуация: управляющий сигнал импульсного регулятора равен нулю, а золотник смещен от среднего положения и его окна приоткрыты. Диапазон величины рассогласования, в котором блокируется выход непрерывного канала управления, может быть определен на основе зависимости изменения скорости сервомотора от величины смещения главного золотника от среднего положения. Этот диапазон зависит от требований к точности установки угла разворота лопастей рабочего колеса, а также - от температуры масла, определяющей скорость движения сервомотора. Выходные сигналы трехпозиционного регулятора рассогласования выбираются таким образом, чтобы главный сервомотор приближался к точке равенства нулю рассогласования с минимально возможной скоростью для того, чтобы обеспечить четкое отключение сигнала управления при нулевом значении рассогласования. Таким образом, дополнительный сигнал управления, являющийся одним из слагаемых задания положения главного золотника, пропорциональный превышению рассогласованием диапазона включения трехпозиционного регулятора, не может уменьшить абсолютную величину задания смещения главного золотника, так как знак его и знак выходного сигнала трехпозиционного регулятора всегда совпадают. Последнее гарантирует решение задачи изобретения.

Изобретение иллюстрируется чертежами, на которых:

Фиг. 1 изображает функциональную структуру, реализующую предлагаемый способ.

Фиг. 2 изображает структурную схему, выполненную на элементах стандартной аналоговой обработки сигналов и реализующую предлагаемый способ управления сервомотором лопастей рабочего колеса.

Фиг. 3 изображает функциональную схему реализации способа устройством, минимизирующим материальные затраты.

Фиг. 4 изображает осциллограмму, иллюстрирующую задание положения главного сервомотора, на которой по оси абсцисс показано время в секундах, по оси абсцисс изменение положения, %.

Фиг. 5 изображает осциллограмму, иллюстрирующую положение главного сервомотора, на которой по оси абсцисс показано время в секундах, по оси абсцисс относительный ход, %.

Фиг. 6 изображает осциллограмму, иллюстрирующую расход, идущий на перемещение главного сервомотора, на которой по оси абсцисс показано время в секундах, по оси абсцисс относительное отклонение, %.

Фиг. 7 изображает осциллограмму, иллюстрирующую положение главного золотника, на которой по оси абсцисс показано время в секундах, по оси абсцисс относительное отклонение, %.

Фиг. 8 изображает осциллограмму, иллюстрирующую задание положение главного сервомотора, на которой по оси абсцисс показано время в секундах, по оси абсцисс относительная величина, %.

Фиг. 9 изображает осциллограмму, иллюстрирующую положение главного сервомотора, на которой по оси абсцисс показано время в секундах, по оси абсцисс относительный ход, %.

Фиг. 10 изображает осциллограмму, иллюстрирующую положение главного золотника, на которой по оси абсцисс показано время в секундах, по оси абсцисс относительное отклонение, %.

Фиг. 11 изображает осциллограмму, иллюстрирующую расход, идущий на перемещение главного сервомотора, на которой по оси абсцисс показано время в секундах, по оси абсцисс относительное отклонение, %.

Фиг. 12 показывает графически конец переходного процесса при отработке задания при различных законах управления главным золотником, на которой по оси абсцисс показано время в секундах, по оси ординат показана ошибка отработки задания, %.

Все изображенные на фиг. 1, фиг. 2 и фиг. 3 структуры имеют необходимый для реализации электрогидравлического привода изменения угла разворота лопастей турбины набор элементов:

1 - задатчик угла разворота лопастей рабочего колеса или положения его сервомотора,

2 - гидрораспределитель управления скоростью вспомогательного сервомотора,

3 - вспомогательный сервомотор смещения главного золотника,

4 - главный золотник,

5 - сервомотор рабочего колеса,

6 - механизм изменения угла разворота лопастей рабочего колеса,

Σ1 - выявитель рассогласования между заданным и фактическим положением сервомотора рабочего колеса,

Σ2 - выявитель рассогласования между заданным и фактическим смещением главного золотника от среднего положения,

ДП3 - датчик положения главного золотника (вспомогательного сервомотора),

ДП5 - датчик положения сервомотора рабочего колеса,

УР1 - усилитель сигнала рассогласования между заданием положения и положением сервомотора рабочего колеса,

УР2 - усилитель рассогласования между заданием смещения главного золотника и его текущим положением,

ЭУУ - электронный блок управления.

Наиболее полно работу способа иллюстрирует представленная на фиг. 2 структурная схема, выполненная на стандартных элементах формирования сигналов управления и реализующая предлагаемый способ. Для определенности все сигналы считаем напряжениями постоянного тока, а в качестве элементов используются аналоговые и дискретные микросхемы. Сигналы от задатчика 1 положения и датчика положения ДП3 сервомотора рабочего колеса поступают на входы элемента рассогласования Σ1 (операционный усилитель), сигнал на выходе которого равен разности сигналов задатчика и упомянутого датчика положения. Полученный сигнал рассогласования усиливается УР1 (операционный усилитель) и поступает на вход сустрактора Σ3, второй вход которого подключен к выходу повторителя-ограничителя ПО. Если сигнал на выходе повторителя равен сигналу на выходе УР1, то на выходе сустрактора Σ3 сигнал равен нулю и канал непрерывного управления заблокирован. Если сигнал на выходе УР1 по модулю превосходит соответствующие уровни ограничения ПО сверху или снизу, то на выходе сустрактора сигнал будет равен разности выхода за вычетом соответствующего ему по знаку ограничения выхода повторителя. Таким образом, уровни ограничения ПО определяют диапазон рассогласования, на котором непрерывное управление заблокировано. Сигнал с выхода УР1 подается на вход сустрактора Σ4 выходной сигнал которого связан с входами двух электронных реле Р1 и Р2. Выходной сигнал реле Р1 устанавливается в единицу, если на его входе положительный сигнал, выходной сигнал Р2 устанавливается в минус единицу, если на его входе отрицательный сигнал. Уровни срабатывания обоих реле настраиваются независимо от значений ограничений устанавливаемых в ПО, но несколько меньшими по модулю. Сброс выходных сигналов каждого из реле происходит при изменении входным сигналом знака на противоположный, вызвавшего его установку. Элементы ОС1 и ОС2 (обратной связи) служат для возможности подстройки уровней отпускания реле с целью создания его опережения. Элементы РА1 и РА2 позволяют настроить амплитуды выходных сигналов реле в соответствии с требуемыми величинами смещений главного золотника при движении главного сервомотора на увеличение и уменьшение угла разворота лопастей с постоянной скоростью под управлением только импульсным регулятором. Выходные сигналы РА1 и РА2 суммируются и через фильтр низкой частоты ФНЧ (применяется если включение/выключение РА1, РА2 вызывает недопустимый гидравлический удар в трубопроводах, соединяющих гидравлические элементы системы) подаются в качестве одного из слагаемых задания на вход элемента рассогласования Σ2 контура установки смещения главного золотника.

Наиболее рациональное, минимизирующее материальные затраты, и гибкое техническое решение заключается в применении контроллера для реализации способа. Функциональная схема такого устройства представлена на фиг. 3. ЭУУ - электронное управляющее устройство этой реализации выполнено на имеющем встроенные АЦП (4-канальный аналого-цифровой преобразователь) и ЦАП (цифро-аналоговый преобразователь) контроллере одного из семейств Microchip PIC, Atmel AVR. На входы 1, 2 и 3 АЦП подаются, соответственно, сигналы: датчика ДП5, пропорциональный смещению главного золотника от среднего положения, датчика ДПЗ, пропорциональный текущему положению сервомотора рабочего колеса, блока 1, задающего положение сервомотора. Напряжение выхода ЦАП управляет гидрораспределителем 2, определяющим скорость движения вспомогательного сервомотора, перемещающего главный золотник.

Параметры настройки устройств, реализующий способ могут быть определены расчетным путем или математическим моделированием. Ниже приведен пример расчета величин параметров настройки»

Пороги срабатывания на включение управления от релейных элементов Р1 и Р2 импульсного трехпозиционного регулятора ИР, должны быть меньше установленных ограничений ПО. Настройка коэффициентов усиления усилителей ОС1 и ОС2 сигналов обратных связей выключения реле импульсного управления, должна учитывать постоянные времени контура позиционирования главного золотника а также фильтра низкой частоты ФНЧ, ограничивающего интенсивность изменения скорости перемещения вспомогательного сервомотора главного золотника, чтобы обеспечить своевременное снятие управления и тем самым добиться точной остановки сервомотора в задаваемом положении «yzad».

Предположим, что движение сервомотора рабочего колеса происходит под управление трехпозиционного регулятора. Чем меньше скорость этого движения, тем меньше будет сказываться влияние постоянных времени ФНЧ и фильтра датчика положения сервомотора на величину «выбега» его, после установки реле трехпозиционного регулятора в нулевое положение (задание среднего положения главного золотника).

На первом этапе расчета должны быть определены нижняя «δ1» и верхняя «δ2» границы диапазона рассогласования между заданием положения «yzad» и фактическим положением «y» сервомотора рабочего колеса, внутри которого δ1<yzad-y<δ2 блокируется формирование дополнительного сигнала, являющегося непрерывной функцией рассогласования. Оценка величин «δ1» и «δ2» может быть выполнена, если использовать технические характеристики элементов практически реализованных устройств.

Примем:

скорость «v» приближения сервомотора 5 (выбирается обычно меньше 0,25-0,3 от максимальной скорости, развиваемой сервомотором при максимальных смещениях главного золотника 4 в крайние положения) к точке равновесия - (процентов полного хода «y» сервомотора в сек., принято из расчета максимальной скорости ;

время сканирования (получения одного замера) сигнала датчика положения сервомотора - T0=0,005 с (значение при котором обеспечивается устойчивость процессов управления электрогидравлическим приводом лопастей рабочего колеса).

число измерений положений сервомотора рабочего колеса, берущихся для усреднения - 32.

Положение yD сервомотора (движется в направлении увеличения «y») в системе управления определяется как среднее из 32 последних измерений:

здесь: фактическое положение сервомотора - y(t), а показания датчика (системы измерения положения сервомотора) - yD.

При линейном движении сервомотора со скоростью v=2%/с ошибка измерения положения сервомотора будет равна 0,155≈0,16%.

Иными словами, при установившейся скорости движения сервомотора рабочего колеса со скоростью 2% от полного конструктивного хода в секунду и оговоренных выше параметрах усреднения установившаяся ошибка определения его положения будет меньше 0,2% через 0,16 с (32 замера при постоянной скорости). Оценим выбег сервомотора, после снятия управляющего воздействия: обнуления выходного сигнала импульсного регулятора. Опыт показывает, что величина смещения главного золотника от средней точки при принятой скорости приближения к точке равновесия равна примерно 35% от максимальной величины смещения его от среднего положения на упор. Постоянная времени контура позиционирования главного золотника равна 0,1 с, а постоянная времени фильтр ФНЧ принята равной 0,4 с. Эти данные позволяют оценить выбег сервомотора после обнулений сигнала управления, считая суммарную постоянную времени уменьшения расхода, вызывающего перемещения главного сервомотора равной 0,5 с следующим образом:

Таким образом, при выбранной скорости приближения сервомотора рабочего колеса к точке равновесия, параметрах системы измерения его текущего положения и постоянной времени фильтра низкой частоты, можно определить величины «δ1» и «δ2», используя полученные выше оценки погрешности измерения положения сервомотора (1) и выбега его (2), после обнуления задания смещения золотника. В силу предположения о полной симметрии картины приближения сервомотора рабочего колеса к точке равновесия как при положительном, так и при отрицательном рассогласованиях будет выполняться равенство |δ1|=|δ2|.

Согласно (2), в случае приближения сервомотора к точке равновесия при положительном рассогласовании, сигнал трехпозиционного регулятора должен быть установлен в нуль, когда разность между заданием и положением сервомотора будет равна:

от величины полного хода сервомотора.

Так как из (1) следует: y(t)=yD+0,16%, то соответствующее (3) рассогласование может быть оценено величиной:

Из (4) следует, что при величине рассогласования большей 0,5% должна быть выполнена блокировка непрерывного управления, и смещение главного золотника должно определяться только выходным сигналом трехпозиционного импульсного регулятора. Так как (1) верно только при постоянной скорости движения сервомотора рабочего колеса, и к моменту выполнения равенства (4) величина «yD» должна быть определена достаточно точно, что произойдет только через 0,16 с, после начала движения сервомотора с постоянной скоростью. За промежуток времени 0,16 с сервомотор рабочего колеса пройдет 0,32% своего полного хода. Таким образом, блокировка непрерывного управления по рассогласованию должна быть выполнена в диапазоне:

Дополнительный сигнал «σp» управляющего воздействия пропорционального превышению рассогласованием выбранного диапазона [4] будет определяться выражением:

где

KУР1 - коэффициент усиления усилителя рассогласования УР1;

δ1 - уровень сигнала рассогласования в сторону уменьшения угла разворота лопастей, при превышении которого сигналом рассогласования между заданием положения сервомотора рабочего колеса и его фактическим положением начинает формироваться сигнал смещения золотника пропорциональный величине превышения в сторону сворачивания лопастей;

δ2 - уровень сигнала рассогласования в сторону увеличения угла разворота лопастей, при превышении которого сигналом рассогласования между заданием положения сервомотора рабочего колеса и его фактическим положением начинает формироваться сигнал смещения золотника пропорциональный величине превышения в сторону разворота лопастей.

Действительно:

если δ1<yzad-yD2, то (yzad-yD1)>0 и (yzad-yD2)<0, то соответствии с (7): σp=KУР1⋅{0+0}=0;

если (yzad-yD1)>0, то (yzad-yD1-(δ21))<0, то в соответствии с (7): σp=KУР1⋅{0+(yzad-yD1)}=KУР1⋅[(yzad-yD)-д1]=KУР1⋅[ε-д1]<0;

если (yzad-yD2)>0, то (yzad-yD2-(δ12))>0, то в соответствии с (7): σp=KУР1⋅{{yzad-yD2)+0}=KУР1⋅[(yzad-yD)-д2]=KУР1⋅[ε-д2]>0;

Для получения величины дополнительного сигнала в соответствии с приведенными выражениями выход повторителя-ограничителя ПО, должны иметь ограничения: сверху - (KУР1⋅д2) и снизу, соответственно, - (-KУР1⋅д1).

Работа устройства управления, реализующего предлагаемый способ, иллюстрируется осциллограммами фиг. 4-11, полученными на стенде. На фиг. 4-7 представлены переходные процессы при отработке скачкообразного изменения задания положения сервомотора рабочего колеса с 0,2 (20%) на 0,6 (60%) от полного конструктивного хода в начальный момент времени и обратного изменения задания на 25 секунде в системе управления без блоков ФБД и ИР. На фиг. 8-11 представлены процессы отработки точно такого же тестового сигнала системой с предлагаемым управлением с блоками ФБД и ИР. На графиках изображены траектории изменения во времени (ось абсцисс) значений координат состояния системы. Сравнение графиков осциллограмм фиг. 4-7 и фиг. 8-11 переходных процессов по координате «положение главного золотника» показывает, что в конечной стадии процесса управления предлагаемый способ (фиг. 8-11) на некоторое время фиксирует смещение главного золотника, блокируя непрерывное управление и обеспечивая тем самым расход рабочего масла несколько больший, чем тот, при котором происходит остановка сервомотора в линейной системе. Этот избыточный расход создает на сопротивлении утечки перепад давления, достаточный для компенсации действующих на поршень сервомотора рабочего колеса гидродинамических сил и сил трения и гарантирующее его приближение к требуемому положению с постоянной и достаточно малой скоростью. Это хорошо прослеживается на графиках фиг. 6 и фиг. 11, показывающих, что при линейном управлении и открытых окнах главного золотника расход, идущий на движение сервомотора равен нулю, а при предлагаемом способе управления при открытых окнах золотника всегда есть расход, затрачиваемый на перемещение сервомотора. При окончании процесса управления в линейной системе главный золотник остается смещенным от среднего положения, а в системе, управляемой по предлагаемому способу, он устанавливается в конце процесса в среднее положение. На осциллограмме (фиг. 12) показаны процессы изменения во времени ошибки отработки задания как в линейной системе управления, так и в предлагаемой. На отметке времени 33,3 с положение сервомотора, как при линейном, так и при предлагаемом способе одинаково, и погрешность отработки задания равна приблизительно 0,75% от максимально возможной величины задания. При линейном управлении процесс практически закончен: в дальнейшем точность отработки задания остается на уровне 0,5%. При использовании предлагаемого способа движение сервомотора продолжается, и фиксация его положения происходит на отметке времени 36,6 с, при этом ошибка в отработке задания равна 0,13%. Скорость движения сервомотора под управлением трехпозиционного регулятора составляет 0,2% от полного хода сервомотора в секунду. При такой медленной скорости нет необходимости в регулировке уровня (устанавливается равным нулю) обнуления сигнала трехпозиционного реле, так как погрешность позиционирования в соответствии с (1), (2) укладывается в величину, меньшую 0,2%.

Таким образом, скорость отработки задания, как в линейной системе, так и в системе, работающей по предлагаемому способу одинакова, однако последний позволяет не только полностью исключить утечки при приходе системы в установившееся состояние, но и уменьшает ошибку в отработке заданного положения. Цель изобретения достигнута: высокая точность отработки задания сочетается с закрытием окон главного золотника в конце процесса, что гарантирует отсутствие утечек. Предлагаемый способ, позволяет выполнить золотник с большим перекрытием окон и без острых кромок отсекающих полей, что повышает надежность его работы.

Способ управления сервомотором рабочего колеса поворотно-лопастной турбины посредством смещения главного золотника от среднего положения, включающий определение текущего положения главного сервомотора, определение величины отклонения его текущего положения от заданного положения, использующий для формирования задания смещения главного золотника от среднего положения выходной сигнал импульсного трехпозиционного регулятора, входным сигналом для которого является величина отклонения, и сигнал, пропорциональный величине отклонения, отличающийся тем, что формируют дополнительный сигнал, пропорциональный превышению уровня указанной величины отклонения текущего положения главного сервомотора от заданного положения, величина которого выбирается в соответствии со скоростью, определенной расчетом точности позиционирования его при отклонениях, выбранных для управления его движением только импульсным регулятором, и используют в качестве сигнала задания смещения главного золотника сумму дополнительного сигнала и выходного сигнала трехпозиционного импульсного регулятора.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области гидроэнергетики и может быть использовано в системах управления гидроагрегатов для коррекции угла установки лопастей рабочего колеса путем корректировки сигнала измеренного напора.

Изобретение относится к радиальным турбинам и предназначено для преобразования энергии рабочего тела, в качестве которого могут быть использованы вода или газ, например воздух, в энергию вращения вала агрегата.

Изобретение относится к регулированию выработки электроэнергии от вращающихся турбомашин, приводимых в движение потоком текучей среды. .

Изобретение относится к сельскому хозяйству. .

Изобретение относится к области электротехники и гидромашиностроения и может быть использовано в микро- и малых гидроэлектростанциях. .

Изобретение относится к гидромашиностроению. .
Наверх