柴油机转速控制系统

1、第四章第四章 柴油机转速控制系统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。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：对定距桨船舶而言： 航行速度航行速度螺旋桨的转速螺旋桨的转速柴油机的转速柴油机的转速(ne)调速器调速器(g) 转速设定值转速设定值(ns)车令发送器的指令车令发送器的指令(ng) 一般转速控制系统的控制流程可简化如下一般转速控制系统的控制流程可简化如下: ng ns g ne 调速器调速器(governor)是实现恒值控制的关键部件。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：由上示流程图可以总结出一般转速控

2、制系统的主要组成： 转速设定值发送器转速设定值发送器 转速检测装置转速检测装置 调速器调速器 柴油机柴油机 全制式液压调速器全制式液压调速器 电子调速器电子调速器 4-1 柴油机转速控制系统的组成柴油机转速控制系统的组成 一、气动调速系统框图一、气动调速系统框图 二、电气调速系统框图二、电气调速系统框图 ega 车令车令 发送器发送器 加速度加速度 限制器限制器 气动气动 执行器执行器 调速器调速器主机主机 车令车令 发送发送 器器 eg 调速器调速器主机主机 a u i i p 设定设定 值限值限 制器制器 加速加速 度限度限 制器制器 u/i 变换变换 器器 i/p 变换变换 器器 气动气

3、动 放大放大 器器 气动气动 执行执行 器器 三、电子调速系统框图三、电子调速系统框图 e 主机主机 设定设定 值限值限 制器制器 加速加速 度限度限 制器制器 车令车令 发送发送 器器 s 电电/液液 执行器执行器 u/i 变换器变换器 pi调节器调节器 测速装置测速装置 4-2 转速设定值发送器转速设定值发送器 转速设定值信号转速设定值信号 气压信号气压信号(气动调速系统气动调速系统) 电压信号电压信号(电气及电子调速系统电气及电子调速系统) 气动式发送器气动式发送器 转速设定转速设定 继电器式继电器式 值发送器值发送器 有触点式有触点式 电动式发送器电动式发送器 电位器式电位器式 无触点

4、式无触点式 自整角机变压器式自整角机变压器式 一、气动式发送器一、气动式发送器 手柄位置手柄位置 p0 ah ast stop p0pi 二、电动式发送器（有触点式）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。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。发送器。 主车令发送器主车令发送器电位器式电位器式 应急车令发送器应急车令发送器继电器式继电器

5、式 +24v r1r2 r3 rm 手柄位置手柄位置 u0 ah ast stopu0 ast ah r1最大倒车转速调节电位器最大倒车转速调节电位器 r2最大正车转速调节电位器最大正车转速调节电位器 r3最小转速调节电位器最小转速调节电位器 应急车钟属于继电器式车令发送。应急车钟属于继电器式车令发送。 rd(微速档微速档)是固定接入的。是固定接入的。 rd的作用：的作用： 主车令发送器的断线保护。主车令发送器的断线保护。(防止自动停车防止自动停车) 相当于最小转速限制的作用相当于最小转速限制的作用. 三、自整角机变压器式发送器三、自整角机变压器式发送器 自整角机发送器自整角机发送器由车钟手柄

6、带动由车钟手柄带动 自整角机变压器自整角机变压器转速设定值发送器转速设定值发送器 u0 车钟手柄的可活动范围：前后车钟手柄的可活动范围：前后7080（磁路饱和）（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。整流之后，可以反映出指令的转向信息。 手柄位置手柄位置 u0 ah ast stop 4-3 转速检测装置转速检测装置 显示显示 (转速表及打印记录转速表及打印记录) 转速检测信号的用途

7、转速检测信号的用途 闭环系统闭环系统(转速反馈转速反馈) 控制控制 发火转速发火转速 起动结束转速起动结束转速 换向转速换向转速 加速转换点加速转换点 测速发电机测速发电机 直流直流 转速检测的方法转速检测的方法 交流交流 磁脉冲测速装置磁脉冲测速装置 开环系统开环系统 一、磁脉冲探头测速的原理一、磁脉冲探头测速的原理 转轴转轴 齿轮齿轮 软磁铁软磁铁 永久磁铁永久磁铁 线圈线圈 f线圈电压的频率线圈电压的频率 z飞轮的齿数飞轮的齿数 n主机转速主机转速 磁脉冲测速装置实际上是一个转速磁脉冲测速装置实际上是一个转速/频率转换器。频率转换器。 二、磁脉冲探头测向的原理二、磁脉冲探头测向的原理 6

8、0 nz f 探头a 探头b 正转 反转 a a b b 正正 转转 反反 转转 三、测速电路的工作原理三、测速电路的工作原理 四、测向电路的工作原理四、测向电路的工作原理 齿轮齿轮 探头电探头电 压波形压波形 整形后整形后 的电压的电压 波形波形 a b 正正 转转 a b 反反 转转 q q 4-4 pg调速器调速器 调速器必须具备的功能：调速器必须具备的功能： 调速功能调速功能(比例积分调节比例积分调节) 执行功能执行功能(直接驱动调油机构直接驱动调油机构) woodward公司的调速器分为两个系列：公司的调速器分为两个系列：pg系列和系列和ug 系列。两系列之间原理近似。系列。两系列之

9、间原理近似。 一、一、pg调速器的主要组成与功能调速器的主要组成与功能 1、气控转速设定、气控转速设定 转速设定信号分两种：转速设定信号分两种： 19.698kpa (0.21.0kgf/cm2) 68.6548.8kpa (0.75.6kgf/cm2) 转速设定气压信号转速设定气压信号=调速弹簧调速弹簧28的预紧力的预紧力 波纹管波纹管48所产生的推力与回复弹簧所产生的推力与回复弹簧37的张力相平衡。的张力相平衡。 移动滚动轴承轴枢移动滚动轴承轴枢35的位置可以改变反馈系数。的位置可以改变反馈系数。 图图4-1 负荷弹簧负荷弹簧39的作用是保证回复杆的作用是保证回复杆38与滚动轴承轴枢与滚动

10、轴承轴枢35之间之间 始终接触。始终接触。 转速设定增加过程转速设定增加过程 设定：设定气压升高设定：设定气压升高波纹管波纹管48压缩压缩推杆下移推杆下移导阀导阀52 下移下移打开油孔打开油孔f压力油进入伺服油缸压力油进入伺服油缸伺服活塞下移伺服活塞下移调速调速 弹簧弹簧28的预紧力增加。的预紧力增加。 反馈：反馈杆反馈：反馈杆32下移下移回复杆回复杆38左端上翘左端上翘回复弹簧回复弹簧37拉拉 长长弯形杆上移弯形杆上移导阀导阀52上移上移关闭油孔关闭油孔f。 转速设定减少过程转速设定减少过程 设定：设定气压下降设定：设定气压下降波纹管波纹管48伸张伸张推杆上移推杆上移导阀导阀52 上移上移打

11、开油孔打开油孔f伺服油缸压力油泄放伺服油缸压力油泄放伺服活塞上移伺服活塞上移调速调速 弹簧弹簧28的预紧力减少。的预紧力减少。 反馈：反馈杆反馈：反馈杆32上移上移回复杆回复杆38左端下垂左端下垂回复弹簧回复弹簧37收收 缩缩弯形杆下移弯形杆下移导阀导阀52下移下移关闭油孔关闭油孔f。 2、手动转速设定、手动转速设定 手动转速设定是通过手动设定旋钮手动转速设定是通过手动设定旋钮42来实现的。来实现的。 图图4-1 转速设定增加过程转速设定增加过程 设定：顺时针旋转设定：顺时针旋转42螺母螺母43左移左移转速设定螺母转速设定螺母40下移下移 横杆横杆47下移下移滚动轴承滚动轴承35下移下移回复杆

12、回复杆38左端下垂左端下垂弯形杆弯形杆 下移下移导阀导阀52下移下移打开油孔打开油孔f压力油进入伺服油缸压力油进入伺服油缸伺服活伺服活 塞下移塞下移调速弹簧调速弹簧28的预紧力增加。的预紧力增加。 反馈：反馈杆反馈：反馈杆32下移下移回复杆回复杆38左端上翘左端上翘回复弹簧回复弹簧37拉拉 长长弯形杆上移弯形杆上移导阀导阀52上移上移关闭油孔关闭油孔f。 转速设定的减少过程与上述情况类似。转速设定的减少过程与上述情况类似。 3、转速的限定、转速的限定 pg调速器有三个转速限定装置：调速器有三个转速限定装置： 气动低速限定气动低速限定36 伺服活塞的低速限定伺服活塞的低速限定31 伺服活塞的高速

13、限定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）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。伺服活塞低速限定的作用：应急停车时的油门最低限。 图图4-1 伺服活塞高速限定的作用：防止主机超速。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、负荷限制与安全保护 pg调速器的负荷限制环节包括：调速器的负荷限制环节包括： 增压空气压力限制增压空气压力限制 最大转距限制最大转距限制 增压空气压力限制增压空气压力限制 对应于某

14、一个增压空气压力值，就有一个最大允许供油量。对应于某一个增压空气压力值，就有一个最大允许供油量。 最大转距限制最大转距限制 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 的的qm点就是最大转距限制时所对应的最大供油量。点就是最大转距限制时所对应的最大供油量。 pm q pk qm图图4-1 安全保护安全保护 当柴油机运行参数异常时，电磁阀当柴油机运行参数异常时，电磁阀49动作，迅速将油门拉动作，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。到最低值，并配合停车电磁阀一起，使主机迅速停车。 升压器与放大器升压器与放大器 升压

15、器的作用是在起动时，加快油门的动作过程。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。升压器每次吸入的油量决定了起动时油门的开度。 二、二、pg调速器的工作原理调速器的工作原理 飞块飞块27是转速检测及比较装置。是转速检测及比较装置。 在稳定运行时，调速弹簧在稳定运行时，调速弹簧28的预紧力与飞块的预紧力与飞块27的离心力相的离心力相 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

16、差值具体体现在滑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 阀阀25的位移上。的位移上。 比例功能依靠缓冲活塞比例功能依靠缓冲活塞21实现。实现。 积分功能依靠补偿环积分功能依靠补偿环26与针阀与针阀22来实现。来实现。 旁通孔旁通孔d的作用是在风浪较大时，切除积分功能。的作用是在风浪较大时，切除积分功能。 图图4-1 1、加速情况下的工作原理。、加速情况下的工作原理。 2、负荷波动时的工作原理。、负荷波动时的工作原理。 图图4-1 4-5 电子调速器电子调速器 电子调速器的组成：电子调速器的组成： 比例积分环节比例积分环节 电液执行器电液执行器 执行环节执行环节 气动执行器气动执

17、行器 电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一、带电液执行器的电子调速器组成框图 电电/液液 执行器执行器 u/i 变换器变换器 pi调节器调节器 转速差值转速差值油门位置油门位置 二、带气动执行器的电子调速器组成框图二、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四、电液执行器的工作原理 1、主阀的跟踪过程。、主阀的跟踪过程。 2、调节过程。、调节过程。 气动气动 气动气动 执行器执行器 pi调节器调节器 转速差值转速差值 油门位置油门位置 u i i p 步进电机步进电机 脉冲信号脉

18、冲信号 产生单元产生单元 pi调节器调节器 转速差值转速差值油门位置油门位置 m 图图4-2 4-5 带电液执行器的电子调速系统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：电子调速系统的工作原理： 当负荷发生变化时当负荷发生变化时 负荷负荷nufieiu1iu2ii油门油门x 柴油机柴油机 pi 调节器调节器反相器反相器 u/i 变换器变换器 电电/液液 执行器执行器 测速机测速机 mc n ur uf eu1u2 ix 直流发电机直流发电机 ne0。系统稳定，转速恢复原来值。系统稳定，转速恢复原来值。 当指令发

19、生变化时当指令发生变化时 ureu1iu2ii油门油门xnufur= uf。系统在新的转速值上稳定运行。系统在新的转速值上稳定运行。 二、各环节传递函数二、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。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，假设假设：为了便于分析，假设ur为为“+”，uf为为“-”。 pi调节器的传递函数调节器的传递函数 u1 e r1 r2c )( )( 1 )( 21 1 2 1 1 1 11 超前时间常数 比例系数其中： crt r

20、r k st st ksw 反相器的传递函数反相器的传递函数 u/i变换器的传递函数变换器的传递函数 12 2 1)( uu sw 23 22 3 2 1 2 31 22 1 2 2 1 2 1 3 1 1 2 31 )( )1 ( ksw uki r r r u rr ru r u i u r r e r e r u iii k2 u1 r1 r1 u2 u2 r1 r2 i1 i i3 r3zl e0e1 电电/液执行器液执行器 的线圈阻抗的线圈阻抗 所以，所以，u/i变换器是一个比例环节。变换器是一个比例环节。 由于在电路中，由于在电路中，zl是放大器输出阻抗的一部分，并且位处是放大器输

21、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。仍能保持恒值。 电电/液执行器的传递函数液执行器的传递函数 由于伺服器活塞的位移量由于伺服器活塞的位移量x与动圈中的电流与动圈中的电流i成正比，因此，成正比，因此， 它的传递函数应为常数。它的传递函数应为常数。 柴油机的传递函数柴油机的传递函数 柴油机：化学能柴油机：化学能 热能热能 机械能机械能 非线性非线性 在假定的理想条件下，可得柴油机的近似一阶微分方程。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。机械时间常数。 kx、km

22、 常系数。常系数。 x油门杆的位移量。油门杆的位移量。 mc负载力矩。负载力矩。 对上式求出以对上式求出以x为输入量的传递函数：为输入量的传递函数： 对上式求出以对上式求出以mc为输入量的传递函数：为输入量的传递函数： cmxm mkxkn dt dn t 1)( )( )( 5 st k sx sn sw m x 1)( )( )( 6 st k sm sn sw m m c 按线性系统的叠加原理：按线性系统的叠加原理： 柴油机的动态结构图为：柴油机的动态结构图为： )( 1 )( 1 )()()()()( 65 sm st k sx st k smswsxswsn c m m m x c

23、1 st k m m 1st k m x )(sm c )(sx)(sn 测速发电机的传递函数测速发电机的传递函数 测速发电机存在两种干扰电压：测速发电机存在两种干扰电压： 测速机转子齿槽磁通变化测速机转子齿槽磁通变化 换向器振动换向器振动 磁路不对称磁路不对称 电机偏心电机偏心 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。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反馈电压只有一个极性，所以必须利用极性整流器去

24、掉转向对 极性的影响。）极性的影响。） 高频脉动电压高频脉动电压 低频脉动电压低频脉动电压 g ufuf c r 上面电路的微分方程为：上面电路的微分方程为： 式中：式中： ku电位器分压比电位器分压比 ce额定磁通下的电动势转速比额定磁通下的电动势转速比 =kuce te=rc滤波时间常数滤波时间常数 于是，上式就变为：于是，上式就变为： 测速发电机的传递函数则为：测速发电机的传递函数则为： ff f e uu dt du t nncku euf nu dt du t f f e 1 )( 7 st sw e 三、转速控制系统的结构图和误差传递函数三、转速控制系统的结构图和误差传递函数 按上

25、图可求出系统误差传递函数：按上图可求出系统误差传递函数： 式中式中wk(s)为系统开环传递函数。为系统开环传递函数。 1 st k m m 1st k m x st st k 1 1 1 1 1st e ur uf 12 k 3 k e u1u2 ix mc n )(1 1 )()(1 1 )( )( )( swshswsu se sw kr e 假定假定mc=0。 式中式中k=k1k2k3kx 四、转速控制系统输入信号形式的确定四、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控制系统的稳态误差 考虑柴油机所能承受的热负荷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：系统的稳态误差可根据终值定理