Содержание к диссертации
Введение
1 Обзор информации и задачи исследования 7
1.1 Критерии качества регулирования напряжения и задача синтеза закона регулирования 7
1.2 Задачи синтеза законов противоаварийного управления и формального описания законов управления 16
2 Синтез законов регулирования напряжения на основе упрощения модели двух эволюционных законов для системы генератор-нагрузка 20
2.1 Исследование математической модели объекта регулирования высокого порядка 20
2.2 Описание законов регулирования напряжения 44
2.3 Общие методы экспериментального исследования устойчивого объекта 54
2.4 Определение параметров законов пропорционально-интегрально-дифференциального регулирования для устойчивого объекта 71
2.5 Определение параметров трехситуационного закона регулирования для устойчивого объекта 78
2.6 Особенности определения параметров законов регулирования для неустойчивого объекта 84
3 Формальное описание управляющих процедур. процедуры противоаварийного управления 89
3.1 Формальные текстовые описания управляющих процедур 89
3.2 Процедуры защиты генератора от перегрузки 101
3.3 Построение процедур упрощенного диагностирования генератора методом контроля характеристик 107
4 Практические результаты исследования 117
4.1 Результаты моделирования процессов определения параметров законов регулирования 117
4.2 Разработка регулятора напряжения на базе аналоговых микросхем 138
4.3 Разработка устройств противоаварийного управления 158
Заключение 165
Библиографический список 167
Приложение А Список ссылочных документов, не прошедших государственную регистрацию 176
Приложение Б Математические построения 177
Приложение В Элементы языка описания законов управления 215
Приложение Г Документы о практическом использовании результатов диссертации 222
- Критерии качества регулирования напряжения и задача синтеза закона регулирования
- Исследование математической модели объекта регулирования высокого порядка
- Формальные текстовые описания управляющих процедур
- Результаты моделирования процессов определения параметров законов регулирования
Введение к работе
Актуальность темы. Самостоятельное построение законов управления синхронным генератором (СГ) в составе автономной энергоустановки (электроагрегата) важно потому, что СГ с собственным блоком управления производится самостоятельно, а кратковременность электромагнитных переходных процессов (протекающих при практически неизменной частоте вращения) допускает создание в определенной степени независимых законов управления СГ и двигателем. Законы управления автономным СГ включают закон регулирования напряжения и группу законов противоава-рийного управления. Увеличение степени интеграции и производительности управляющих устройств обуславливают актуальность усложнения (с целью улучшения качества электроснабжения) законов управления и их совместной технической реализации. Характерным свойством описаний законов становится многоситуационность. Строгое решение задач синтеза законов управления в рамках достаточно подробных моделей объекта управления (системы "СГ-нагрузка") сопряжено с серьезными трудностями. Поэтому при развитии элементной базы устройств актуальны задачи развития упрощенных методов синтеза, совершенствующих рассматриваемые модели объекта и включающих итоговое экспериментальное определение параметров закона, которое приемлемо компенсирует неточность модели и способа определения ее параметров. Представляемая работа выполнена в процессе разработки средств автоматизации со смешанной элементной базой для СГ, выпускаемых ОАО "Электроагрегат" в г. Курске. В главном она посвящена совершенствованию методов построения законов регулирования напряжения. Свойства характеристик установившихся электромагнитных процессов используются в ней также для совершенствования композиции законов противоаварийного управления СГ с использованием несложных статистических методов для определения параметров законов.
Цель исследования: разработать методы аналитико-эксперименталь-ного построения многоситуационных законов управления автономным синхронным генератором, улучшающих качество процессов электроснабжения.
Задачи диссертационной работы: 1) разработать математическую модель системы "СГ-нагрузка" как объекта регулирования; 2) с учетом исследования этой модели дать математические описания вариантов закона регулирования напряжения СГ; 3) разработать методы автоматизированных испытаний системы "СГ-нагрузка" с целью определения параметров указанных законов регулирования при неизменном температурном состоянии СГ; 4) разработать имитационную компьютерную модель системы испытаний СГ; 5) сравнить результаты определения параметров законов регулирования в имитационной модели системы испытаний и результаты практического определения параметров регулятора на базе аналоговых
микросхем; 6) разработать многоситуационные законы противоаварийного управления СГ и методики определения их параметров.
Методы исследования. В работе используются методы математического и имитационного моделирования электромеханических систем на базе синхронных машин, элементы теории оптимального управления и теории устойчивости, численные методы оптимизации, элементы теории вероятностей и теории формальных языков.
Научная новизна результатов диссертационного исследования состоит в следующем. 1) Предложена общая схема упрощенного синтеза законов регулирования напряжения СГ, включающая задачу приближенной оптимизации качества типового переходного процесса и учитывающая явление амплитудной модуляции напряжения. 2) Построена и качественно исследована математическая модель высокого порядка двух законов эволюции состояния для системы "СГ-нагрузка". 3) Разработаны методы определения параметров законов регулирования напряжения СГ: а) широтно-импульсного аналога пропорционально-интегрально-дифференциального закона с входным ограничителем интегратора (ПИД-закон) и его упрощенных вариантов без дифференциального звена (ПИ-закон), и без интегратора (ПД-закон); б) трехситуациоиного закона, выделяющего сверхпереходные фрагменты переходных процессов (Т-закон); в) программного закона квазиоптимального восстановления напряжения. Методы включают процедуры упрощенной идентификации системы "СГ-нагрузка", ориентированные на определение параметров законов, а для ряда параметров - оценку области их допустимых значений (ОДЗ) и двухэтапные процедуры приближенной оптимизации. 4) Для функционального узла корректора напряжения на базе аналоговых микросхем построены приближенная модель нелинейного ПИ-закона и методика экспериментальной настройки параметров. 5) Предложены способы управления схемотехническими элементами защиты генератора на базе принципа интегрального накопления меры перегрузки и способы упрощенного диагностирования генератора посредством контроля характеристик. Даны методики определения параметров соответствующих законов управления.
Практическая полезность результатов работы заключается в следующем: 1) предложенная методика определения параметров ПИ-закона использована при разработке корректора напряжения КНМ-3 в ходе работ по совершенствованию устройств автоматики изделий ОАО "Электроагрегат" (исполнитель - ФГУП "ГНИИЭлектроагрегат"); 2) принцип интегрального накопления меры перегрузки реализован блоком токовой защиты БТЗ-1 в ходе указанных работ, а также прибором контроля параметров дизель-генераторов ПКП-1 в ходе ОКР "Толуол-8М с САПАУ" (исполнитель - ОАО "ИнформСистемПрибор"); 3) предложенные процедуры диагностирования реализованы в изделии ЭД2х8-Т400-ЗВКС, разработанном в ходе ОКР "Толуол-8М с САПАУ" (исполнители ФГУП
ГНИИЭлектроагрегат" и ОАО "ИнформСистемПрибор "); 4) предложенные в работе элементы языка для описания законов управления использованы при постановке задач программирования в ходе ОКР "Толуол-8М с САПАУ".
К защите представляются: 1) схема упрощенного синтеза законов регулирования напряжения СГ; 2) методы построения и исследования модели двух эволюционных законов для системы "СГ-нагрузка"; 3) экспериментальные методы определения параметров ПИД-, ПД-, ПИ-, Т-законов и квазиоптимального программного закона регулирования; 4) принцип интегрального накопления меры перегрузки и схема упрощенного диагностирования генератора посредством контроля характеристик, методики определения параметров соответствующих законов управления.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на
научно-технических совещаниях кафедры "Электроэнергетические, элек
тромеханические и биотехнические системы" Московского авиационного
института, НТС ГНИИЭлектроагрегат, на конференциях
"Распознавание-95", "Вибрационные машины и технологии - 95", "Распознавание-97" (г. Курск), "Датчик-98" (г. Гурзуф), на научно-технических совещаниях лаборатории испытаний источников электропитания 16-го ЦНИИИ МО РФ.
Реализация результатов работы. Следующие изделия, разработанные с использованием результатов диссертации, производятся серийно: 1) корректор напряжения КНМ-3 - в ОАО "Электроагрегат"; 2) блок токовой защиты БТЗ-1 - в ОАО "Электроагрегат"; 3) прибор ПКП-1 - в ЗАО "ИнформСистемПрибор"; 4) изделие ЭД2х8-Т400-ЗВКС совместно производится ОАО "Электроагрегат" и ЗАО " ИнформСистемПрибор".
Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из основного текста (введение, четыре главы, включающие 4 таблицы и 60 рисунков, заключение), списка литературы (144 наименования) и четырех приложений. Объем основного текста -164 страницы, общий объем работы - 225 страниц.
Критерии качества регулирования напряжения и задача синтеза закона регулирования
С точки зрения регулирования процесс работы автономного генератора под нагрузкой состоит из последовательности фрагментов восстановления-стабилизации напряжения, каждый из которых начинается кратковременным возмущением и продолжается до следующего возмущения. Можно выделить возмущения двух типов; скачок уставки2 и скачок нагрузки. Далее будут рассматриваться только скачки нагрузки, потому что задача оптимизации процесса восстановления в этом случае более сложна. Процесс после скачка нагрузки характеризуется следующими факторами. 1) Исходная (предыдущая) нагрузка 1о. 2) Новая нагрузка 1, подключаемая к генератору после срабатывания коммутационной аппаратуры. 3)Исходное значение напряжения Us, соответствующее уставке напряжения. 4) Температурное состояние агрегата (0), практически сохраняющееся в переходном процессе. Далее упрощенно будем считать, что G - конечный набор температур. 5) Процесс срабатывания коммутационной аппаратуры, подключающей (отключающей) нагрузку. В процессе смены нагрузки контакты аппаратов (контакторов), подключающих (отключающих) нагрузку, практически всегда замыкаются не одновременно. При этом присутствует последовательное размыкание и замыкание ("дребезг") контактов в каждой фазе.
Варьирование частоты вращения вала агрегата необходимо только на холостом ходу для обеспечения технологических процессов прогрева дизеля и подключения агрегата к энергосистеме для параллельной работы. В автономном режиме работы под нагрузкой частота постоянна и соответствует номинальной частоте напряжения fH=l/TH=50nj (Тн - номинальный период), поэтому частота не включена в перечень факторов 1)-5). Варьирование напряжения необходимо также под нагрузкой для обеспечения стандартного напряжения сети Uc (линейное значение равно 380В) на нагрузках различной степени удаленности. Напряжение при этом по ГОСТ [44] меняется в небольшом отрезке [UHmm,U(lmaK]=[0.95UH,1.05UH] вокруг номинального значения UH (линейное значение равно 400В).
При фиксированной частоте вращения вала (DH fH установившееся температурное состояние генератора определяется средним по фазам напряжением U, нагрузкой I, а также набором с, воздействий внешней среды -температурой, влажностью и атмосферным давлением: 0=0(U,l,c;). Температурное состояние является важнейшим фактором старения изоляции обмоток [22], поэтому общее ограничение варьирования (U,l, ;) задается системой неравенств: e(U,l, ;) eN, (1.1-1) где 0N - набор допустимых температур различных компонентов. Область допустимых нагрузок генератора. определяется как множество решений (1.1-1) при фиксированных максимальном напряжении UHmax=l,05UH, максимальной температуре окружающего воздуха, минимальном в равнинной местности атмосферном давлении и нормальной влажности. Л включает "пустую" нагрузку холостого хода (1х) и номинальную симметричную линейную активно-индуктивную нагрузку с коэффициентом мощности 0.8 (1Н): 1х, lHe f. Множество допустимых нагрузок сужается при снижении атмосферного давления [П. 4].
Для формального определения показателей качества регулирования проводится точное определение наблюдаемой величины, именуемой напряжением. При любом таком определении для реального генератора выполняются следующие закономерности. Промежутки времени между двумя последовательными скачками нагрузки существенно больше времени переходного процесса, поэтому процесс после каждого скачка нагрузки можно считать условно бесконечным. В установившемся после скачка нагрузки процессе происходят малые колебания напряжения (из-за помех и явления амплитудной модуляции [88]), так что значения напряжения распределены, причем распределение можно моделировать как сосредоточенное в конечном промежутке. Качество регулирования в каждом промежутке восстановления-стабилизации можно оценивать следующими числовыми характеристиками: напряжение в новом установившемся режиме .
С общих позиций оценка качества регулирования осуществляется статистическими методами [59] путем длительного наблюдения процессов восстановления-стабилизации в общем процессе эксплуатации агрегата. При построении законов регулирования на этапе цеховых испытаний генераторов рационально использовать для построения закона детерминированную модель объекта управления, считая случайными процессы срабатывания коммутационной аппаратуры и модуляцию наблюдаемой величины в устойчивом установившемся процессе. Такая модель зависит от нагрузки и температурного состояния объекта, как от параметров, и включает ряд параметров объекта, определяемых на этапе испытаний.
Типовая электрическая схема генератора рассматриваемой серии ГС [П.4] показана на рисунке 1. Это бесконтактный генератор с вращающимся выпрямителем [26], включающий двухкаскадную электрическую машину и блок компаундирования для ее самовозбуждения. Далее будем называть основной (выходной) электромеханический преобразователь преобразователем (или основным генератором), вспомогательный (входной) - возбудителем, двухкаскадную машину - электрической машиной, а генератором называть весь генератор как изделие.
Блок компаундирования состоит из трех трансформаторов компаундирования и управляемого выпрямителя. Последний включает мостовую схему выпрямления [53] и шунтирующий ее управляемый силовой ключ (мощный транзистор VT). Регулирование возбуждения осуществляется путем периодического открывания и закрывания транзистора. При заданной нагрузке уровень среднего по фазам выходного напряжения генератора в установившемся процессе определяется средним по времени коэффициентом заполнения импульса (КЗИ) управления переключениями. Далее фрагмент регулирования, в котором ключ постоянно разомкнут, будем называть фрагментом форсировки возбуждения, а фрагмент, в котором ключ замкнут, -фрагментом гашения возбуждения. В рассматриваемых далее моделях выходной сигнал регулятора принимает значения 0 и 1, причем единице соответствует форсировка возбуждения, а нулю - гашение возбуждения.
Процесс работы идеализированного регулятора при постоянной уставке напряжения распадается на циклы восстановления-стабилизации, каждый из которых состоит из двух последовательных фрагментов (ситуаций).
1) Фрагмент стабилизации (установившегося процесса). В нем состояние объекта удерживается на траектории установившегося процесса (зависящей от U5,l,6) и параллельно осуществляется распознавание скачка нагрузки.
2) Фрагмент восстановления (переходного процесса). В начале фрагмента на основе анализа токов и напряжений быстро определяется новая нагрузка и состояние объекта s после завершения процесса коммутации. Далее состояние объекта переводится на траекторию установившегося процесса за минимальное (в зависимости от s,Us,l,9) время.
Исследование математической модели объекта регулирования высокого порядка
Реально каждый луч нагрузки-звезды, подключаемой к генератору, - это набор из нескольких параллельно соединенных активных и индуктивных компонентов, а скачки нагрузки выражаются в подключении или отключении компонентов. Строгое моделирование требует отдельно описывать процесс в каждом индуктивном компоненте нагрузки. В предлагаемой модели процессы перераспределения токов в параллельных индуктивных компонентах нагрузки условно не рассматриваются. Такой подход допустим, потому что в процедурах исследования объекта практически регистрируются лишь переходные процессы после полного наброса или полного сброса индуктивной части нагрузки. В экспериментах используются только симметричные нагрузки, характеризуемые активной проводимостью g=l/R и реактивной проводимостью h=l/toL=l/X (to -частота).
Анализ самовозбуждающихся генераторов требует учета эффекта насыщения стали магнитопроводов, который при каждом выбранном законе регулирования влияет на существование и устойчивость установившегося процесса. Для моделирования преобразователя выберем наиболее простой вариант видоизменения уравнений Горева-Парка [39] с учетом насыщения. Для записи уравнений используем относительные величины, предполагая также, что обмотки ротора приведены к обмоткам статора.
Основной продольный поток будем считать функцией основного продольного тока Tm=Id+lf+lD. Статическая зависимость выходного напряжения от тока возбуждения (регулировочная характеристика) на холостом ходе, построенная на этапе расчета генератора по методике, близкой [55], имеет ярко выраженную нелинейность. Для качественного анализа переходного процесса допустимо приближенно считать зависимость Ч от Im линейной неоднородной: xi/m=MdIm+4;c [75].
Эквивалентные значения констант ai, bi, аг, Ьг, Сг, Н о выбраны так, чтобы оптимизировать точность аппроксимации таблицы регулировочной характеристики формулой (2.1-18) при изменении напряжения в промежутке [0,1.2UH], где UH — номинальное напряжение. Рассматриваемая задача нелинейная, поэтому параметры зависимости J(U) вычисляются следующим методом. Для каждого из п=200 равноотстоящих значений L GD O на промежутке [0,1.2UH] методом наименьших квадратов определяются остальные параметры представления (2.1-17). Далее выбирается значение U0j которому соответствует наименьшая остаточная сумма квадратов. Такой подход не определяет правильную аппроксимацию характеристики в окрестности нуля, но он допустим, так как не ставится задача исследования самовозбуждения генератора.
Система (2.1-3)-(2.1-17) описывает переходный процесс после скачка нагрузки, если напряжение Uf рассматривать как управляющую переменную. Качественный анализ процесса в предположении линейной зависимости (im) проведен в п.З приложения Б. При любом управлении для процесса характерны достаточно длительные колебания модуля изображающего вектора напряжений с частотой, близкой к номинальной со=1. Если рассматривать изменения скользящих средних переменных за период [7], то процесс можно разделить на сверхпереходный и переходный фрагменты, так же как для нагрузки, не обуславливающей возникновение колебаний [13].
Подробное описание переходного процесса в системе предполагает разделение процесса на фрагменты, в которых состояния вентильных элементов не меняются, а процесс описывается в фазных координатах [93,115]. С другой стороны, разработчик генератора не ставил задачу устранения скачков напряжения в типовых переходных процессах путем "сильного" регулирования в смысле [34,90], так как это требует существенного увеличения габаритов устройств самовозбуждения. Поэтому можно предположить, что в короткой начальной стадии процесса воздействие возбудителя на преобразователь пренебрежимо и воспользоваться dq-переменными в комбинации с упрощенным моделированием выпрямителей [26,93], которое предполагает усреднение рассматриваемых переменных за период измерения напряжения.
Система уравнений Горева-Парка для возбудителя отличается от уравнений преобразователя отсутствием уравнений демпферных обмоток (их нет). Величины, обозначенные для преобразователя большой буквой, для возбудителя обозначим соответствующей малой.
Для описания квазиустановившегося режима работы мостовой схемы вращающегося выпрямителя можно воспользоваться традиционной методикой [53]. Промежутки между переключениями вентилей (цикл работы выпрямителя) одинаковы (Тн/6). Они существенно меньше длины основной части типового переходного процесса и можно считать, что ток нагрузки практически постоянен, а при переключении вентилей лишь меняются фазы источника энергии, подключаемые к нагрузке. Ток каждой фазы при этом имеет практически прямоугольную форму и его фаза совпадает с фазой напряжения. Для описания работы источника ток представляется эквивалентной синусоидой и, при таком допущении, нагрузка каждой фазы считается чисто активной. В переходном процессе эту нагрузку можно считать медленно изменяющейся, причем ее изменение обусловлено изменением тока нагрузки (обмотки возбуждения преобразователя). Амплитуды фазных напряжений и токов возбудителя (ur,ir) связаны с напряжением и током возбуждения преобразователя (Ufr,Ifr) соотношениями [53].
Здесь пары: (Ur,ir) - напряжение и ток соответствующей фазы генератора, (UK, Ік) - комплексы эквивалентных напряжения и тока выходной обмотки, UT -комплекс малого по амплитуде напряжения на токовой обмотке, Іс - комплекс тока через обмотку напряжения и внешний конденсатор, ZKT=j Хкт - взаимное индуктивное сопротивление между выходной и токовой обмотками, ZKH J XKH -взаимное индуктивное сопротивление между выходной обмоткой и обмоткой напряжения, Z[CK=J"XKK - собственное индуктивное сопротивление выходной обмотки, Zc=-j Xc - внешнее емкостное сопротивление обмотки. Уравнения записаны в физических величинах.
Формальные текстовые описания управляющих процедур
Уточним определение оператора. В качестве его входных и выходных пространств будем рассматривать метрические пространства [134]. Обозначим через 51 множество промежутков в R, замкнутых слева и открытых справа. Процессом в пространстве X назовем кусочно-непрерывную функцию u:I X, где ІєЗЇ, Множество процессов в X обозначим Pu(X) (Process universum). Промежуток наблюдения процесса I Dm(u) однозначно определяется процессом и и будет обозначаться tm(u). Начало и конец промежутка наблюдения в данном пункте будут обозначаться ot(u) и 3(и). Сдвиг процесса и на время т - это процесс sh(u,T)={(t,x):t[a(u)+T,p(u)+T)Ax=u(t-i)}. Если и и v -два процесса в одном и том же множестве, то их склейкой (припасовыванием v к и, последовательной композицией) назовем процесс UAv=uush(v5p\u)-a(v)).
Управляющей (Х,У)-процедурой назовем кортеж (Х,У,е,і), в котором X -входное пространство, Y - выходное пространство, е - событие над X, зависящее от параметра, a f - (Х,У)-оператор, зависящий от параметра. При этом области параметров е и f - подмножества Y и Dm(e)cDm(f)cYxPu(X). Процедура нормальная, если Dm(f)=YxPu(X).
Процедура определяет оператор, действующий в ограниченном промежутке времени. Этот промежуток зависит от входного процесса: момент завершения процедуры определяется событием е. Параметр у, от которого зависят f и е, - это параметр инициализации. Его значение может не совпадать с выходным значением f в начальный момент времени, которое обозначим Bj(ysu)=f(y ujO:(u)). Если событие е - мгновенное, то процедуру назовем мгновенной. Значение Bf(y,u) в частном случае может зависеть только от у и u(a(u)). В этом случае мгновенную процедуру можно назвать вычислительной или процедурой-функцией. В этом смысле понятие управляющей процедуры обобщает понятие вычислительной процедуры. Если событие е - пустое множество (никогда не происходит), то процедуру назовем бесконечной. Определим типовые композиции процедур.
Для произвольной процедуры pr=(X,Y,e}f) процедура (X,Y,e0,i), где е0 -мгновенное событие, - это процедура мгновенного преобразования, соответствующая процедуре рг. Для мгновенной процедуры рг бесконечная процедура (Х,У,0&), где f0={((y,u),v): (y,u)eDm(f) л v={(t,z):tetm(u) л z=Bf(y,up,p(U))) }}, - это процедура непрерывного преобразования, соответствующая рг.
Менее формально, пусть у - параметр инициализации процедуры рг, и - входной процесс. До момента события е x=ei(y,u) выходной процесс процедуры рг совпадает с выходным процессом процедуры pr : v(t)=f[(y,u,t). После этого момента выходной процесс совпадает с выходным процессом процедуры рг2 с параметром инициализаци z=fi(y,u,T), равным завершающему выходному значению процедуры pr5; v(t)=f2(z,U[Tjp(U)),t). Завершение процедуры происходит в момент, когда уже произошло событие Є] и затем (с параметром инициализации z) - событие е2. Определение обобщается на конечное число процедур с одинаковыми входным и выходным пространствами.
Менее формально: для каждого параметра инициализации у процедура завершается, когда происходит хотя бы одно из событий Єі(Л](у), ), е2(л2(у),). Определение параллельной композиции обобщается на конечные последовательности процедур с соответствующим устройством входных и выходных пространств. Частным случаем параллельной композиции является суперпозиция процедур.
Элементы языка для описания законов управления (приложение В) разрабатывались вместе с описанием процедур управления, рассматриваемых в данной работе. Процедуры, описываемые на этом языке, идеализированы. Выходное значение процедуры в общем случае зависит от изменения входных значений, предшествующих текущему моменту времени t, и их изменения в как угодно малой окрестности справа от t. Возможна процедура, формирующая "мгновенный" импульс (Puis в приложении В). Вычисления осуществляются мгновенно. Идеализированное описание задает цель проектирования. Для ее наилучшей приближенной реализации выбирается архитектура микропроцессорного устройства и организация его управляющих программ. Приводимые в данной работе процедуры построены прежде всего с целью ясно описать законы управления (для того, чтобы показать форму их рациональной реализации, абстрактное описание необходимо изменить).
Данная глава демонстрирует процесс проектирования процедуры управления электроагрегатом. При этом строятся фрагменты, связанные с описанием процедуры регулирования напряжения и процедур противоаварийного управления. Описания процедур по необходимости сопровождаются пояснением их контекста в проекте. Смысл некоторых конструкций поясняется комментарием непосредственно в тексте описания (отделяются символом %).
Результаты моделирования процессов определения параметров законов регулирования
Компьютерная модель системы автоматизированных испытаний генератора имитирует выполнение ряда технологических процессов испытаний, включая процессы, описанные в п.2.4, 2.5. В диалоге с испытателем элементарные процедуры (пункты технологического процесса) располагаются в концевых узлах дерева испытаний. Неконцевые узлы задают классификацию пунктов по признакам принадлежности к одному технологическому процессу и по признакам общности режима работы объекта. Технологический процесс задается маршрутом движения по дереву испытаний. Компьютерная программа предоставляет испытателю средства такого движения и возможность выполнить программу испытаний по шагам. При этом программа контролирует для каждого шага готовность данных, которые должны быть получены на предыдущих шагах. После выполнения пункта процесса программа предлагает испытателю набор графических изображений, отражающих его результаты. Каждое изображение включает описание маршрута к выполненному пункту согласно дереву испытаний. Далее приводятся наиболее значимые изображения, полученные в процессах определения параметров законов регулирования (на некоторых из них сохранено описание маршрута). Параллельно описываются методы моделирования, дополняющие основную используемую модель системы (п.2.1.3).
Статические характеристики (рисунок 15) строятся согласно методу, описанному в п.2.1.4, без имитации описанной в п.2.3.1 процедуры медленного изменения КЗИ. В семействах, соответствующих различным нагрузкам, фазовые траектории объекта (рисунки 17,19) не пересекаются в достаточно большой окрестности точки (UH,0). Используемые для исследования динамики функции (рисунок 18) приблизительно обладают свойствами, описанными в п.2.3.2. Таким образом, модели второго порядка для грубого описания динамики приемлемы.
Процедуры идентификации, описанные в п.2.3., неэффективны для глобального описания модели объекта и прогнозирования процессов. В частности, это связано с тем, что функция (2,3-17) содержит мало параметров для точного описания статической характеристики в диапазоне напряжений [Umin,Umax] (рисунок 16). Точную аппроксимацию характеристики удается построить для ее небольшого фрагмента (приблизительно [UHmm,U„max]) в окрестности UH. Тем не менее задачу приближенной оценки области устойчивости предлагаемый подход позволяет решить (рисунок 21). Процедура, реализующая метод п.2.3.4, определяет параметры модели и остаточную сумму квадратов для ряда значений степени сглаживающих полиномов т=3-15. Среди этих значений выбираются те, которым соответствует набор параметров устойчивой модели, а среди них выбирается значение т, которому соответствует минимум остаточной суммы квадратов ms5,6 (рисунок 20).
Для экономии времени проведения вычислительных экспериментов имитационная программа не реализует модель собственной амплитудной модуляции напряжения генератора. Величина модуляции предполагается равной 5т=О.0Шн. При вычислении показателей качества завершения переходного процесса время завершения определяется как время, в течение которого напряжение оказывается в промежутке [UH-5m,UH+5m]. На каждом шаге определения ОДЗ по п.2.3.5 вместо проверки допустимости амплитудной модуляции программа анализирует несколько колебаний процесса под управлением регулятора с выбранными параметрами и делает заключение о том, является ли процесс затухающим. Рисунки 22, 23 представляют ОДЗ, построенные для ПИ- и ПД-законов, согласно которым регулируемой переменной является циклическое среднее по п.2.1.5 (в этом случае ОДЗ практически шире, чем в случае регулирования скользящего среднего). Рисунки показывают, что аналоги Ппи, Дтд по размерам соизмеримы с их оценками ЛПи, Дпд согласно модели и сохраняют форму Дни, Дпд то есть предлагаемые способы оценки ОДЗ приемлемы.
Далее результаты двумерной оптимизации изображаются наборами эллипсов на плоскости. Центры эллипсов обозначают пары значений параметров, для которых проведены эксперименты, размеры эллипсов линейно связаны с соответствующим показателем качества, цифры обозначают номера экспериментов. Рисунки 24, 25 показывают, что уже на этапе одномерного поиска квазиоптимального процесса (п.2.3.6) удается найти процесс, близкий к итоговому результату. При определении параметров ПИ-закона по п.2.4 наилучший результат практически получен в процессе одномерной оптимизации (рисунок 26). Рисунок 27 показывает результаты одномерного поиска параметров ПД-закона на границе Ппд- Такой поиск качественно аналогичен поиску параметров ПИД-закона. Для ПИД-закона проведено вычисление показателя качества для конечного числа точек, лежащих на сетке внутри П пд (рисунок 28). В соответствии с предположением п.2.4.5 наилучший процесс соответствует точке, лежащей вблизи границы Ппд.
Как следствие, в процессе под управлением регулятора, использующего полученные аппроксимации, возникают забросы напряжения, приводящие к отклонению прогноза КЗИ. Этот фактор оказался существеннее, чем погрешность формулы прогноза КЗИ для промежуточной нагрузки. Процесс одномерного поиска для ПИ-фрагмента Т-закона проводился по п.2.5.3, а процесс двумерного поиска - после опеределения параметров ВЭВ-процедуры, по схеме п.2.4.3 (рисунок 32).
Пороговое значение процедуры (4.1-1) определяется как U(TJ(X,U))-UH для типового переходного процесса. Пороговое значение Д0 процедуры (4.1-2) определяется на основе регистрации типового процесса наброса нагрузки под управлением трехситуационного закона. Для этого фиксируется значение напряжения UQ в момент окончания процедуры сильного регулирования: A HU rUH(. Место определения параметров в технологическом процессе п.2.5.6 не меняется.
Качество типового процесса под управлением ПИД-закона оказалось лучше, чем процесса под управлением Т-закона. Это связано как с грубой аппроксимацией функции переключений (рисунки 30, 33 показывают, что гашение возбуждения желательно начать раньше), так и с возможностью существенного увеличения коэффициента усиления при использовании дифференцирующего звена [78]. С другой стороны, процесс под управлением ПИД-закона сопровождается малыми, но медленно затухающими колебаниями. Для исключения колебаний можно применить Т-закон, в котором для восстановления напряжения используются квадратичные аппроксимации функции переключений, а для стабилизации - ПИД-закон, причем его параметры (а,у) малы по сравнению с параметрами полученного ПИД-закона (лежат вне Г2 пд). Возможно, такой закон будет существенно эффективней ПИД-закона для объекта, у которого номинальному напряжению на холостом ходе и под нагрузкой соответствуют существенно различающиеся значения КЗИ.
1) Приемлемость предлагаемых в главе 2 методов определения параметров законов регулирования подтверждена исследованием имитационной модели системы автоматизированных испытаний.
2) Использование в качестве регулируемой переменной циклического среднего напряжения в смысле п.2.1.5 в ПИ- и ПИД-законах (при сохранении скользящего среднего для определения производной напряжения) практически расширяет область устойчивости и, таким образом, улучшает качество типового переходного процесса.
3) Для типовой реализации высокопроизводительным устройством управления рекомендуются ПИД-закон и построенный метод определения его параметров.
4) При технической реализации законов регулирования целесообразно исследовать практическую возможность заменить в процессе определения их параметров эксперименты с регистрацией процесса после скачка нагрузки экспериментами при фиксированной нагрузке с регистрацией процесса после возмущения, созданного макетом регулятора.
