Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Системный анализ процессов разработки судовых систем управления
1.1 Анализ целей, задач и методов разработки систем управления судовым электродвижением 14
1.2 Особенности судовых систем управления и контроля с учетом реализации новых информационных технологий 21
1.3 Формирование модели системы управления судовыми техническими средствами 31
1.4 Моделирование системы управления электродвижением суднана базе судовой электростанции 35
1.5 Выводы по главе 1 45
Глава 2. Объектно-ориентированный метод проектирования систем автоматизированного управления
2.1 Блок-схема реализации объектно-ориентированного проектирования систем управления судовым технологическим процессом 46
2.2 Информационная модель системы управления судном 48
2.3 Модульное проектирование информационных моделей систем управления и их структурных элементов 56
2.4 Унифицированная объектно-ориентированная инструментальная программа Our-CAD 63
2.5 Выводы по главе 2 67
Глава 3. Разработка аналитических моделей типовых нелинейностей системы управления электродвижением судна
3.1 Типовые нелинейности в электромеханических системах 68
3.2 Аналитические модели существенных нелинейностей 70
3.3 Преобразование существенных нелинейностей в библиотечные элементы компьютерного инструментария 76
3.4 База данных и база знаний для разработки структурных модулей нелинейностей 79
3.5 Выводы по главе 3 85
Глава 4. Функционально-цифровое моделирование процессов управления в судовой электроэнергетической системе
4.1 Математическое моделирование объекта исследований 86
4.2 Объектно-ориентированный подход к разработке, моделированию и комплексной отладке алгоритмической части в среде "OUR-CAD" 95
4.3 Алгоритмы управления объектно-ориентированной моделью... 105
4.4 Построение нелинейной компьютерной модели системы управления судовым электродвижением 108
1 4.5 Выводы по главе 4 117
Заключение. Выводы по работе 118
Список использованных источников 122
Приложение
- Анализ целей, задач и методов разработки систем управления судовым электродвижением
- Блок-схема реализации объектно-ориентированного проектирования систем управления судовым технологическим процессом
- Типовые нелинейности в электромеханических системах
- Математическое моделирование объекта исследований
Анализ целей, задач и методов разработки систем управления судовым электродвижением
Проблематика моделирования и проектирования автоматизированных систем управления электродвижением судна достаточно широка и связана с результатами анализа целей, задач и методов разработки судовых электротехнических систем.
В качестве объекта управления в диссертационной работе рассматривается гребная электрическая установка (ГЭУ). Гребная электрическая установка - это комплекс, состоящий из первичных двигателей, генераторов, гребных электродвигателей (ГЭД), распределительного устройства и движителей. Составные части этого комплекса следующие: - первичный двигатель, может быть одним из четырех типов -.паровая или газовая турбина, дизель, газовый двигатель; - гребной электродвигатель (четыре типа) - постоянного тока, синхронный, асинхронный и синхронно-асинхронный; - движитель (три типа) - гребной винт, гребное колесо, гребной ротор и т.д.
Отличаются ГЭУ числом гребных валов, главных генераторов, гребных электродвигателей и их взаимной связью между собой.
Таким образом, число факторов, определяющих характеристику ГЭУ, настолько значительно, что количество возможных сочетаний оценивается несколькими тысячами. Это множество возможных сочетаний позволяет вести проектирование ГЭУ весьма гибко, учитывая самые разнообразные требования.
По сравнению с гребными установками других типов ГЭУ имеют две следующие характерные особенности: отсутствие жесткой механической связи между валами первичных двигателей и движителей и большое количество факторов, влияющих на выбор параметров установки.
Эти особенности дают возможность при проектировании учитывать существенные нелинейности характеристик элементов ГЭУ, которые имеют место в процессе эксплуатации.
Достоинства ГЭУ проектировочного и конструкционного характера обуславливаются возможностью применять более быстроходные первичные двигатели и главные генераторы; выбирать целесообразные, допустимые параметры у первичных двигателей и движителей; более широко стандартизировать и унифицировать отдельные части установки; упрощать конструкции первичных двигателей, используя нереверсивные их типы; уменьшать длину гребных валов; широко применять системы контроля и автоматики.
Широкая унификация и стандартизация отдельных частей ГЭУ имеет большое практическое значение, так как производство новых электродвигателей и электрической аппаратуры растет быстрее, чем производство новых типов первичных двигателей. Применение электродвижения позволяет обеспечить большой диапазон мощностей ГЭУ при весьма ограниченном числе типоразмеров первичных двигателей. Расчеты показывают, что при электродвижении можно оборудовать суда морского флота высокооборотными дизелями всего двух стандартных типов - Д50 и Д-100, варьируя количество дизель-генераторных агрегатов.
Так как одним из основных недостатков судов-теплоходов является многообразие типов их машинных установок, то возможность перевода флота на два стандартных двигателя представляет фактор чрезвычайной важности в экономическом и техническом отношениях. При крупносерийных выпусках стоимость первичных двигателей уменьшается в несколько раз. Стандартизация сокращает продолжительность постройки судна и ремонта установки. Реверсирование винтов в ГЭУ осуществляется при помощи гребных электродвигателей. Вследствие этого первичные двигатели выбраны нереверсивными.
Длина гребных валов у электроходов обычно не превышает 15-25% длины судна (в неэлектрифицированных установках она доходит до 30-40%).
Достоинства эксплуатационного характера: повышенная надежность и живучесть ГЭУ; более широкая возможность дистанционного управления установкой; повышенные маневренные качества ГЭУ; относительная экономичность установки при работе ее на промежуточных ходах; возможность улучшить использование навигационного времени, удобство управления, обслуживания и контроля; питание общесудовых электромеханизмов от главных генераторов и возможность подачи электроэнергии на берег и другие суда.
Повышение надежности действия ГЭУ обеспечивается более спокойными условиями работы первичных двигателей при маневренных режимах, в особенности при реверсах гребных винтов, так как вся напряженность падает при этом на гребные электродвигатели, более выносливые и надежные в работе.
Может показаться, что при электрификации гребной установки, вследствие появления в ней дополнительных электрических звеньев, степень надежности установки должна понизиться. Это было бы неизбежно, если бы первичные двигатели оставались жестко связанными с гребными винтами, т.е. работали при тех же условиях, что и неэлектрифицированной гребной установке. С устранением жесткой связи появляется возможность избирательной передачи мощности к каждому гребному валу от различных генераторных агрегатов. Это значительно повышает эффективность ГЭУ и ее надежность, в особенности при ДЭГУ.
Выход из строя одного и даже двух первичных двигателей (как менее выносливых звеньев) снизит скорость движения судна с ГЭУ всего на 7-13%. А при неэлектрифицированной гребной двухвальной установке выход из строя двух первичных двигателей приведет к полной остановке судна.
Внедрение дистанционного управления и автоматизации осуществить в ГЭУ проще, чем в неэлектрифицированной установке,- обеспечивается удобство и быстрота управления установкой и повышается надежность эксплуатации судна.
Известно, что дистанционное управление скоростью электрохода достигается в ГЭУ постоянного тока, но и в установках переменного тока его не сложно осуществить. Имеется целый ряд электроходов переменного тока, где осуществляется автоматическое переключение питания электромеханизмов собственных нужд от шин электродвижения или вспомогательных генераторов, полуавтоматический набор главных цепей при переходе к режимам, требующим включения или выключения некоторого числа главных генераторов и др. На электроходах применяется автоматическое регулирование или поддержание постоянных значений тока, момента или мощности.
Блок-схема реализации объектно-ориентированного проектирования систем управления судовым технологическим процессом
Архитектура сложных систем учитывает иерархические отношения их компонентов, каждый из которых является составной частью более крупных компонентов. При этом на пониженных или детальных уровнях рассматриваемый компонент содержит более мелкие составные компоненты. Многие из них подобны по своему содержанию и по происходящим в них процессам. Выявление таких подобий возникает при абстрагировании от предмета рассмотрения, при этом общие представления или понятия о содержании компонент и происходящих в них процессах принято называть некими абстракциями [20, 21].
Формирование сложных систем отличается иерархичностью взаимоподчиненных уровней абстракций. Существует два канонических типа иерархических абстракций - в виде структуры классов и структуры объектов.
Каждый класс выбранных абстракций, условно рассматриваемый в вертикальном направлении иерархии структуры классов, содержит то или иное количество объектов (экземпляров класса), различающихся по тем или иным свойствам и признакам (атрибутам), характеризующим их внутреннее содержание и происходящие в них процессы. При этом отличительные признаки экземпляров класса имеют собственную иерархию, условно рассматриваемую в горизонтальном направлении, которая определяет структуру объектов с их содержанием и процессами внутри данного класса. На рисунке 2.1.1 представлена объектно-ориентированная, иерархия структур классов и объектов систем управления судовым транспортно-технологическим процессом.
Наличие информации о сочетании структуры классов и структуры объектов предоставляет возможность выделить область информационного пространства для выбранного предмета рассмотрения и, с учетом атрибутов, оп ределить содержание тех абстракций, которые для решения поставленной задачи являются существенными. После этого суть абстракций воплощается в конкретной предметной области, определяемой выбранной системы рассмотрения [43].
По мнению специалистов, при ограниченных возможностях мышления, детализация позволяет одновременно отслеживать поведение пяти-девяти элементов, каждый из которых характеризуется пятью-девятью свойствами. Поэтому каждый элемент выбранной абстракции требует дополнительного расчленения для более детального рассмотрения его составных частей. Такое расчленение или детализация рассматриваемого элемента часто называется декомпозицией, которая может быть применима как к детализации объектов рассмотрения, так и к детализации происходящих в них процессов. Соответствующим образом, наследуя признаки и свойства элементов верхних уровней, должны группироваться элементы, входящие в структуры классов и структуры объектов пониженных уровней.
В представленной структуре классов (рисунок 2.1.1) судно является структурным элементом суперкласса водного транспорта, который выбран в качестве объекта верхнего уровня рассмотрения. На нижнем уровне представлений рассматриваются элементы системы управления подачей топлива (регулятор частоты вращения дизеля [15] и устройство управления опережением впрыска топлива), обеспечивающие управление преобразованием энергии топлива в выполняемую судном работу.
Каждый класс содержит группы объектов, которые имеют значение при выборе тех или иных вариантов построения судна. Для каждого уровня рассмотрения выбираются те характерные объекты (экземпляры) соответствующего класса, при которых процесс преобразования энергии топлива в работу обеспечивается именно для данного конкретного проекта судна требуемого назначения с соответствующей структурой его построения. Структура классов и структура объектов, количество структурных уровней, количество объектов в каждом классе, их свойства и атрибуты определяются проектантом судна в зависимости от объектных связей, обеспечивающих существенность их взаимодействия со структурными элементами подчиненных уровней.
Информация является средством отражения реальных процессов и представлений в сознании человека. Сознание рассматривается как совокупность информационных потоков, отражающих зачастую физически несовместимые, но тесно связанные между собой события и явления. Причинно-следственные связи между процессами взаимодействия физически несовмес тимых систем могут быть объединены и проанализированы сознанием лишь в процессе мышления, по результатам которого человек предпринимает определенные целевые, детерминированные действия [29].
Сознание строится на базе накопленного человечеством опыта и познания процессов и явлений в его текущей деятельности. Потоки информации и накопленный опыт отражаются в сознании в виде его представлений человека об окружающих предметах, процессах и явлениях. Внешняя и внутренняя информация неразрывно связана с сознанием, и, являясь плодом коллективного и собственного разума человека, существует в диалектическом развитии.
В качестве внешних источников информации для человека рассматриваются природные процессы и явления. Также, к внешними источниками информации можно отнести все, что создано, разрушено или осознано человеком в масштабах пространства и времени. Внутренними для человека источниками информации являются его ощущения, чувства и результаты мышления.
Информация передается (переносится, транспортируется, транслируется) от источника к приемнику. Носители информации, воспринимаемые человеком, могут иметь самую различную природу. В их числе электрические, магнитные, световые, звуковые, температурные, гравитационные и другие виды энергетических сигналов.
Отражаемая в сознании информация образует группы блоков упорядоченной информационной структуры, которые представляют собой определенного вида модели систем, ограниченных выбранными рамками предметов рассмотрения. Однако модельные описательные категории представлений о структурах построения систем, как и самих методах, требуют их формализации в виде информационных моделей.
Типовые нелинейности в электромеханических системах
Все технические системы, как правило, нелинейные. Учет наличия тех нелинеиностеи, которые присущи определенным звеньям реальной системы и определение их влияния на работу системы является первой задачей нелинейной теории управления [57].
При построении нелинейных моделей автоматических систем обычно выделяют несколько звеньев системы с нелинейными уравнениями, считая при этом уравнения остальных звеньев линейными. Таким образом, учитываются наиболее сильно выраженные нелинейности (существенные). Если движение остальных элементов системы действительно достаточно точно описывается решениями линейных уравнений, то при таком способе исследования можно получить результаты, хорошо согласующиеся с опытными данными. Такая нелинейная модель более полно отражает свойства реальной системы, нежели линейная модель, и поэтому позволяет получить существенную дополнительную информацию о поведении системы.
Изучение реальных характеристик автоматических устройств позволяет выделить типовые нелинейности, которые встречаются наиболее часто.
В первой главе была сформирована структура модели системы электродвижения, основными элементами которой являются: дизель-генератор, частотный преобразователь, гребной электродвигатель, винто-рулевая колонка. Все эти элементы, в свою очередь, являются сложными системами, для каждой из которых характерны собственные нелинейности. Так, из-за магнитных свойств материалов в электроприводе и электрогенераторе проявляется насыщение, в преобразователе частоты на основе широтно-импульсной модуляции выявляется релейная характеристика, зона нечувствительности в ВРК возникает вследствие износа механических частей.
Описанные выше нелинейности оказывают большое влияние на качество переходных процессов в системе, при этом характер процесса в значительной степени зависит от начальных условий. Одно и то же нелинейное звено в зависимости от его расположения в системе оказывает различное влияние на качество ее работы. В данной работе ставиться задача развития и учета нелинейностей в программных оболочках при компьютерном моделировании. Решение такой задачи может быть достигнуто путем информационных преобразований передаточными функциями в блок-схемах объектно-ориентированных алгоритмов.
Сложность и громоздкость точных методов расчета нелинейных систем автоматического регулирования электроэнергетических процессов ограничивает возможность их применения. Поэтому большое практическое значение имеют приближенные методы, позволяющие рассчитывать нелинейные системы любого порядка [7].
Наибольшее обоснование и распространение получили приближенные методы определения периодических режимов в нелинейных системах.
Определение периодических режимов представляет существенный интерес. Если система автоматического управления имеет устойчивые стационарные колебания, а состояния равновесия ее неустойчивы, то такая система обычно является неудовлетворительной с точки зрения практики. При ее расчете важно найти условия отсутствия периодических движений. С другой стороны, в некоторых системах (например, в системах с вибрационным регулятором) периодические движения являются нормальным рабочими режимами.
Из числа различных приближенных методов расчета нелинейных систем автоматического управления наибольшее распространение получил метод гармонической линеаризации нелинейностей.
При исследовании автоматических систем, имеющих электрические цепи с железом, необходимо учитывать гистерезисную нелинейность в виде симметричной гистерезисной петли (рис. 3). По такому нелинейному закону изменяется магнитная индукция магнитопровода в зависимости от тока, протекающего по его обмотке. Например, для электромашинного усилителя такая характеристика будет соответствовать изменению электродвижущей силы в зависимости от тока управления.
Параметры гистерезисной нелинейности (ее форма) определяется материалом магнитопровода и может корректироваться с помощью специальных средств, как, например, применением в электрической машине дополнительной обмотки, питаемой током повышенной частоты и др.
Помимо искажения формы входного сигнала на выходе гистерезисной нелинейности будет также наблюдаться отставание (по времени) выходного сигнала по отношению к входному.
При изменении амплитуды подаваемого на вход гистерезисной нелинейности периодического (например, гармонического) сигнала гистерезисная нелинейность в общем случае претерпевает довольно сложные деформации (изменения) внешней формы.
В данной работе принимается допущение, что все деформации характеристики не зависят от частоты (скорости) входного сигнала и обладают свойством подобия по отношению к амплитуде входного сигнала.
Математическое моделирование объекта исследований
Составлена блок-схема системы управления для электроэнергетической установки судна на основе дизель-генераторов, работающих в составе судовой электростанции. Определен объем оперируемых математических и логических данных, используемых при проектировании обобщенной информационной модели [35 - 45].
Математическая модель САР ЧВ дизель-генераторной установки разработана в объеме, достаточном для оценки устойчивости и качества САР ЧВ дизеля, оценки показателей качества регулирования при воздействии нагрузки судовых потребителей, темпа разгона дизеля при его пуске, периода готовности дизель-генератора к приему нагрузки, периода синхронизации дизель-генератора при его вводе в параллельную работу с другими дизель-генераторами судовой электростанции. Математическая модель САР ЧВ дизель-генератора содержит математические модели своих составных элементов, в число которых входят: - топливный насос высокого давления (ТНВД) - устройство нагнетания топлива в камеру сгорания дизеля; - турбокомпрессор наддува воздуха в камеру сгорания дизеля; - силовая часть дизель-генератора — кривошипно-шатунный механизм преобразующий энергию топлива в механическую работу; - электрогенератор, обеспечивающий на выходе ток и частоту; - САР ЧВ дизеля с электроприводом настройки частоты его вращения (рис. 4.1.1).
Коэффициент самовыравнивания имеет как положительные значения при номинальных режимах, обеспечивающие устойчивую работу дизеля, так и отрицательные значения, при которых устойчивость двигателя требует коррекции. В зависимости от того или иного скоростного и нагрузочного режима дизеля коэффициент самовыравнивания может принимать или положительные, или отрицательные значения. Поэтому в данном рассматриваемом случае дизель представлен в виде чисто интегрирующего звена. Такое описание представляет частный случай описания апериодического звена, вырождающегося в интегрирующее звено при нулевом самовыравнивания. Как было отмечено ранее, в судовых энергетических установках электроходов используются дизели средней мощности, которые обычно оснащаются современными электронными регуляторами частоты вращения с гидравлическими сервоусилителями привода дозирующего органа ТНВД. При сложности конструкций таких регуляторов и их математического описания, в конечном итоге они воспроизводят функции обычных и, достаточно просто описываемых, реле регуляторов прямого действия для дизелей малой мощности. Это касается как статических, так и динамических показателей качества регулирования частоты вращения дизеля. Электропривод предназначен для перемещения органа управления регулятором частоты вращения дизеля в положение, обеспечивающее ликвидацию ошибки рассогласования между заданной частотой вращения дизеля и действительным ее значением. Направление вращения вала электродвигателя, период его включения и темп разгона дизеля обусловлены конструктивными характеристиками электропривода и регулятора частоты вращения дизеля.
В процессе проектирования выполнены расчеты информационной модели САР ЧВ дизель-генератора с конкретно выбранными коэффициентами. Расчеты выполняются в масштабе реального времени. Любой из используемых коэффициентов системы уравнений моделируемой может назначаться постоянным или варьироваться, исходя из статических и динамических характеристик конкретно выбираемых дизель-генераторов и специфики работы судовых потребителей.
В большинстве случаев анализируют графики статических характеристик тех или иных параметров. Привычные представления дают также графики переходных (динамических) процессов характеризующие соответствующие изменения параметров во времени. Но статические характеристики не эквивалентны динамическим, так как динамика существенно искажает текущие значения взаимозависимых параметров. Совмещение динамических характеристик при оценке взаимозависимости переменных параметров обеспечивает хорошую наглядность, в том числе, при оценке качества переходных процессов. Рассмотрим более подробно систему ДАУ СПЭК.
Система дистанционного автоматизированного управления судовой пропульсивно-энергетической установкой.
Рассмотрена система ДАУ гребным двигателем (ГД) в качестве системного модуля ее информационной модели. Основой разработки системного модуля являются требования проектанта судна к функциям автоматизированного управления соответствующим судовым оборудованием.
Судно является большим инерционным объектом, выступающим в роли фильтра гасящего на выходе нелинейные отклонения электроэнергетической системы. Поэтому при моделировании ограничиваемся судовым элек троэнергетическим комплексом, имеющим на выходе момент и частоту вращения ГЭД.
Классические принципы объектно-ориентированного построения структур классов и структур объектов сложных систем взаимодействия могут быть перенесены на принципы объектно-ориентированного проектирования судовых систем автоматизированного управления судовыми энергетическими процессами. При этом задача сводиться к построению структуры классов и структуры объектов систем управления судовыми техническими средствами, обеспечивающими транспортно-технологический процесс движения судна.
Информационная модель системы управления рассматривается на том или ином абстрактно выбранном уровне сложности. С одной стороны она может рассматриваться как составная часть более крупной системы. С другой стороны, на выбранном уровне рассмотрения, принятом за верхний, в ее состав могут входить подсистемы пониженных уровней иерархии. Поэтому, на соответствующем уровне компетентности и в выбранных рамках рассмотрения, информационная модель системы управления должна быть соответствующим образом структурирована.
Разбиение задачи на структурные элементы зависит от выбранной концепции постановки задачи разработчиком ее информационной модели и от принципов взаимосвязи параметров данной задачи с параметрами смежных задач.
В работе на рисунке 4.2.1 показаны представления базового элемента "дизель" в энергетических аспектах иерархической структуры судовой энергетической системы. Находясь на нижнем уровне абстракции, "дизель" своими свойствами, всецело определяет эффективность дизельных объектов повышенных уровней, не зависимо от их назначения (главный дизель или дизель-генератор судового пропуьсивно-энергетического комплекса, дизель энергосиловой установки наземной машины и т.д.).
