Содержание к диссертации
Введение
РАЗДЕЛ 1 Анализ состояния вопроса исследования 9
1.1 Особенности параллельной работы генераторов 9
1.2 Задачи повышения точности регулирования частоты вращения ДГ
1.2.1 Методы и устройства стабилизация частоты вращения ДГ 13
1.2.2 Двигатель внутреннего сгорания как объект регулирования 16
1.2.3 Общая характеристика ГДГА
1.3 Методы и устройства распределения нагрузок параллельно работающих ГА 27
1.4 Анализ и выбор методов исследования качественных показателей ГДГА при их параллельной работе 1.4.1 Обоснование методов исследования 31
1.4.2 Выбор и обоснование программных средства для моделирования систем ГДГА 35
1.5 Выводы по разделу 1 36
РАЗДЕЛ 2 Разработка математической модели ГДГА 38
2.1 Методы изучения динамических свойств ГДГА 38
2.2 Идентификация статических характеристик ГДГА
2.2.1 Планирование эксперимента 41
2.2.2 Использование Matlab-Simulink для аппроксимации 44
экспериментальных данных 44
2.2.3 Автоматизация обработки результатов измерений напряжения для
идентификации статических характеристик ГДГА 45
2.3 Оценка неравномерности распределения нагрузки между генераторами при параллельной работе 48
2.4 Исследование автоколебательных процессов частоты напряжения ГДГА 53
2.5 Математическая модель ГДГА для исследования обменных колебаний мощности 61
2.5.1 Оценка порядка уравнений, описывающих динамику двигателя 62
2.5.2 Математическая модель ГДГА 66
2.5.3 Идентификация параметров ГДГА 71
2.6 Выводы по разделу 2 76
РАЗДЕЛ 3 Разработка системы стабилизации частоты вращения ГДГА 78
3.1 Обоснование и выбор типа регулятора и оптимизация его параметров 78
3.2 Автоматизация настройки параметров регулятора ГДГА
3.2.1 Нелинейная коррекция коэффициентов ПИД-регулятора 85
3.2.2 Адаптивная нелинейная система управления ГДГА 90
3.3 Выводы по разделу 3 97
РАЗДЕЛ 4 Реализации регулятора частоты вращения ГДГА на базе нечеткого регулятора 98
4.1 Управление ГДГА с использованием нечеткого регулятора 98
4.2 Оценка эффективности стабилизации частоты вращения ГД 105
4.3 Параллельная работа ГДГА 109
4.4 Выводы по разделу 4 112
Заключение 114
Список условных обозначений 116
Список литературы 117
- Двигатель внутреннего сгорания как объект регулирования
- Оценка неравномерности распределения нагрузки между генераторами при параллельной работе
- Математическая модель ГДГА для исследования обменных колебаний мощности
- Параллельная работа ГДГА
Введение к работе
Актуальность темы. Для добычи нефти создается и модернизируется большое количество плавучих буровых установок. Данные установки имеют автономную электроэнергетическую систему, в которой, в качестве первичных двигателей генераторных агрегатов, как правило, используются дизельные двигатели. Перспективной альтернативой дизелям являются газодизели, (ГД) использующие газовое топливо с различным химическим составом. Вопросам внедрения газового топлива на водном транспорте посвящены работы О.К. Безюкова, В.Л. Ерофеева, В.А. Жукова, Н.Н. Фомина.
К настоящему времени газодизель-генераторные агрегаты (ГДГА) активно внедряются в состав электростанций, где достаточна их одиночная работа, то есть они нашли применение в качестве одиночных систем автономного электроснабжения. Однако ввиду значительных колебаний частоты вращения ГД при изменении нагрузки на ГДГА и параллельной работе, в системе возникают колебательные процессы, существенно влияющие на рабочие характеристики агрегатов. Использование для стабилизации частоты вращения ГДГА микропроцессорных систем и ПИД-регуляторов не позволяет полностью решить проблему повышения качества стабилизации частоты вращения в широком диапазоне изменения динамических нагрузок. Автоматическое регулирование СЭУ и совершенствование переходных процессов рассматривались в работах д.т.н., профессоров Крутова В.И., Овсянникова М.К., Петухова В.А., Сахарова В.В., Шадрина А.Б. Для устранения этого недостатка требуется изучение рабочих режимов ГДГА на основе натурных экспериментов, выполненных с использованием различных сортов газового топлива и их смесей. С этой целью необходимо разработать аппаратно-программные средства для стабилизации скоростных режимов ГД, а также создать системы управления, обеспечивающие требуемые динамические качества параллельной работы ГДГА. Это позволит повысить экономичность применения ГДГА на конкретных объектах и комплексах ГДГА с питанием попутных газов, получаемых в период выполнения буровых работ. Моделированию процессов и диагностике СЭУ посвящены исследования д.т.н., профессора Мясникова Ю.Н.
Целью настоящего исследования является разработка способов и средств автоматического управления группы работающих ГДГА при работе на единый потребитель, для повышения стабильности оборотов и обеспечения пропорционального распределения отдаваемой ими мощности.
Для достижения поставленной цели в диссертации решены следующие
основные научные задачи:
1. Анализ и уточнение методов распределения активной мощности параллельно работающих ГД, детальные исследования системы распределения активной мощности между генераторными агрегатами в направлении разработки систем, обеспечивающих качественное пропорциональное распределение активной мощности между ГДГА.
-
Исследования динамики ГДГА на различных нагрузках с учетом влияния турбокомпрессора на показатель рабочего процесса и разработать его динамическую модель.
-
Методика оценки настройки параметров ПИД-регулятора ГДГА при различных нагрузках.
-
Разработка регулятора частоты вращения ГДГА на базе элементов нечеткой логики, его моделирование и методика настройки.
-
Машинная экспериментальная оценка параметров ГДГА с регуляторами нечеткой логики.
Объектом исследования является ГДГА, работающий на различных сортах газового топлива с системой управления нового типа.
Предметом исследования является судовая вспомогательная установка и входящие в нее элементы, обеспечивающие функционирование комплекса на различных сортах газового топлива.
Методы исследования. Теоретические исследования базируются на основе современной теории ДВС, математического аппарата нечеткой логики инструментария вычислительной среды Matlab и ее приложений, теории экспериментальных исследований и методов проведения машинного эксперимента с учетом требований отечественных и международных стандартов на проведение испытаний двигателей внутреннего сгорания.
Научную новизну полученных результатов исследования представляют следующие результаты:
-
Методы повышения качества управления рабочих режимов газодизеля.
-
Способы оценки и идентификации параметров настройки регуляторов частоты вращения ГДГА в статике и динамике.
-
Средства реализации регуляторов частоты вращения ГДГА на различных сортах топлива, обеспечивающие оптимальное регулирование при изменении нагрузки посредством коррекции настроек регулятора.
Основные положения и выводы диссертационных исследований могут использоваться для обеспечения экономического управления частотой вращения ГДГА, а также групповой работе элементов судовой энергетической сети.
Практическая значимость:
-
Разработанные способы повышения качества и средств реализации получили практическое применение на объектах черноморского пароходства: ГУП «Черноморнефтегаз», паром «Олимпиада», ООО «Институт «Шельф», ЦКБ «Коралл».
-
Применение нечеткого регулятора на объектах черноморского пароходства позволило подтвердить корректность предложенных в диссертации технических решений. С помощью нечеткого регулятора обеспечиваются динамические режимы ГДГА практически во всем диапазоне изменения нагрузок.
-
Практическая значимость предложенных средств реализации регулятора с использованием микропроцессорных систем управления состоит в упрощении оценки оптимальных параметров регулятора.
-
Значимость решенных задач, составляющих научную новизну диссертации определяется использованием ГДГА на плавучих буровых установках с различными сортами топлива, в том числе с использованием попутного газа.
Научные положения и результаты исследования, выносимые на защиту:
обеспечение динамического режима ГДГА с помощью нечеткого регулятора;
методика упрощения оценки оптимальных параметров регулятора;
методика автоматической настройки параметров регулятора оборотов газодизель-генераторного агрегата с нелинейной коррекцией коэффициентов ПИД-регулятора;
нечёткий регулятор частоты вращения газодизель-генераторного агрегата;
результаты проверки качества регулирования частоты вращения газодизель-генераторных агрегатов с использованием разработанного регулятора, полученные с помощью компьютерного моделирования.
Реализация результатов исследований. Результаты исследований внедрены в следующие организации: в ГУП «Черноморнефтегаз»; ООО «Институт «Шельф»; паром «Олимпиада», ЦКБ «Коралл». Результаты внедрения подтверждены актами, утвержденными руководителями вышеперечисленных организаций.
Основные выводы и положения работы используются в учебном процессе и научной работе на кафедре электрооборудования судов и автоматизации производства и судовых энергетических установках в ФГБОУ ВО «Керченский государственный морской технологический университет».
Апробация результатов исследований. Основные теоретические положения и результаты диссертации докладывались и получили положительную оценку на следующих конференциях:
-
4–я Всеукраинская научно–практическая конференция «Современные энергетические установки на транспорте, технологии и оборудование для их обслуживания», г. Херсон, 9–11 октября 2013 г.
-
7–я Российская мультиконференция по проблемам управления «Информационные технологии в управлении», г. Санкт–Петербург, 07–09 октября 2014 г.
-
Научно–техническая конференция «Совершенствование проектирования и эксплуатации морских судов и сооружений», г. Севастополь, 18–20 марта 2015 г.
4. Научно–практическая конференция «НЕФТЬ И ГАЗ – 2015» – г.
Москва – 14–16 апреля 2015.
5. XIV Международная научно–техническая конференция, «Современ-
ные методы и средства океанологических исследований», г. Москва, 2015.
-
Научно–практическая конференция «», г. Санкт–Петербург, апрель, 2015.
-
10th IEEE International Conference On Application Of Information And Communication Technologies, Baku, 2016.
-
Научно–практическая конференция «Морские технологии: проблемы и решения», г. Керчь, 2014, 2015, 2016 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 работ, в том числе в 10 публикациях, вошедших в перечень, рекомендованный ВАК РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, выводов, списка литературы, приложений. Материал изложен на 133 страницах, содержит 42 рисунка, 2 таблицы. Список литературы состоит из 157 источников, в том числе 17 – на иностранных языках.
Двигатель внутреннего сгорания как объект регулирования
Методы и устройства стабилизация частоты вращения ДГ Автоматическое регулирование частоты вращения ДГ зарекомендовало себя эффективным средством повышения уровня статической и динамической устойчивости ЭЭС. Основу современной теории устойчивости в своих трудах разработали такие выдающиеся ученые, как С.А. Антонович [9], П.А. Мещанинов [94], В.А. Михайлов [96, 97] и позднее развиты такими учеными: И.Г. Беляев [16], В.С. Архангельский [10], Ю.В. Баков [12], А.П. Баранов [14, 15], В.С. Богомолов [20], Д.А. Бут [27], М.В. Васильев [29], Л.П. Веретенников [32, 33], Е.С. Ковалевский [68], М.Л. Левинштейн, О.В. Щербачев [89], А.Н. Ткаченко [132, 133], В.П. Топорков, Д.Ю. Копытов [136] и др.
Системы автоматического регулирования (САР) частоты вращения относятся к системам стабилизации. Системы автоматической стабилизации регулируемой могут быть статическими и (или) астатическими по отношению к внешнему воздействию. Первая из них обеспечивает установившееся значение регулируемой величины, зависимое от внешнего воздействия, вторая – не зависимое. В САР частоты вращения дизелей внешним воздействием является мощность, приложенная к выходному валу, которая равна активной мощности, отдаваемой генератором, деленной на КПД генератора.
Для ГА применяют два основных принципа регулирования частоты тока: по мгновенному отклонению регулируемой величины (частоты); по мгновенному отклонению частоты и возмущающему воздействию (нагрузке).
ДГ, оборудованные обычными механическими регуляторами с гибкой обратной связью, не обеспечивают пропорционального распределения нагрузки между параллельно работающими генераторами, вследствие их астатических скоростных характеристик [1-4, 19, 31, 54, 55, 85, 87, 106, 137-140].
Развитие компьютерной техники и электронных технологий позволили создать современные системы электронного управления двигателей, с помощью которых оказалось возможным удовлетворять повышенные требования к тепловым двигателям.
По мере создания новой электронной элементной базы средств автоматики, в том числе микропроцессорных устройств, появляется возможность реализации на их основе комплексных систем автоматического регулирования ГА, выполняющих наряду с другими функции регулирования частоты вращения. В этом случае единый электронный блок повышенной эксплуатационной надежности может осуществлять все операции по управлению и регулированию ГА [6-9, 44-47, 81, 91, 92].
Для идеальной системы регулирования дизеля, в которой нет инерционных и постоянных (чистых) запаздываний и регулирование происходит только по отклонению скорости, механический момент является чисто демпферным, пропорциональным производной угла. При появлении в системе запаздываний по времени и, следовательно, сдвига по фазе, в механическом моменте появляется синхронизирующая составляющая. При гармонических колебаниях роторов обе составляющие момента изменяют свой знак, т. е. проходят нулевое положение через половину периода колебаний. При этом демпферный момент становится раскачивающим, система выходит на границу устойчивости. Повышение устойчивости ДГ за счет увеличения маховых масс (инерционной постоянной) ротора нерационально по конструктивным соображениям. Дополнительное воздействие на электромагнитный момент генератора путем изменения его параметров и параметров его регулятора возбуждения способно ухудшить качество электроэнергия по напряжению. Дизелестроительные заводы ограничены конструктивными возможностями оптимизации постоянных времени звеньев РЧВ. Поэтому представляется целесообразным исследовать возможность и эффективность повышения запаса и других показателей устойчивости параллельной работы ГА за счет специального дополнительного регулирования первичных двигателей.
Одним из основных направлений повышения эффективности САР частоты вращения дизелей является разработка и использование научно-обоснованных решений по совершенствованию технического обслуживания регулятора частоты вращения (РЧВ) непрямого действия в составе САР частоты вращения дизеля. В связи с этим разработка новых способов повышений надежности РЧВ, совершенствования их технического обслуживания является актуальной задачей в современных условиях.
Совершенствование показателей РЧВ сдерживает недостаточная изученность: большого многообразия взаимодействующих процессов внутри САР частоты вращения и возмущений со стороны окружающей среды в различных условиях эксплуатации; причин и факторов изменения технического состояния РЧВ, статических и динамических характеристик РЧВ с изменением его техническим состоянием [11, 12, 65-74, 98]. Практика исследования и проектирования указывает на недостаточное использование для совершенствования конструкции РЧВ непрямого действия методов математического программирования и оптимизации. Следующим направлением является развитие адаптивных принципов выбора настроечных параметров регуляторов, применение активных методов идентификации динамических объектов в реальном времени, базирующихся на построении моделей энергосистемы по экспериментальным данным. Идентификация параметров ДГ для целей адаптации настроек АРВ осуществляется с помощью режимных частотных характеристик, обусловленных реакцией системы на воздействие в виде ступенчатой функции. При построении самонастраивающихся регуляторов используются методы параметрической идентификации, которые способны отслеживать изменения параметров и не требуют подачи возмущений на объект - наличие естественных флуктуации режима оказывается достаточным [5, 10, 13, 18, 59, 108, 111].
Оценка неравномерности распределения нагрузки между генераторами при параллельной работе
Для детального изучения динамических свойств среди международных нормативных документов на испытание ДВС наиболее широко применяются Правила ЕЭК ООН (ЭССЕ) Директивы ЕС, стандарты Международной организации по стандартизации (ISO) и некоторые другие [44, 59, 129].
Согласно указанным стандартам должны выполняться ряд общих условий, которые заложены в алгоритм программы испытаний.
Пусковой режим, в соответствии с отмеченными условиями, для определения параметров ГД не подходит, так как в этом режиме не установились тепловые процессы и не вступают в действие регуляторы дизеля. Но в то же время, пусковой режим может использоваться для уточнения инерционных масс (момента инерции). Для этой цели используют как метод одиночной, так и метод двойной разгонки [88, 107, 139, 149].
Метод одиночной разгонки. Выполняется разгон двигателя вместе с потребителем (генератором) при отключении генератора от нагрузки в заданном диапазоне изменения частоты вала n, или его угловой скорости . По известному вращательному момент, в качестве которого выбирается средний Меср или номинальный Меном , и экспериментально определенным временем пуска (время разгонки) Тпр , определяется момент инерции ДГ исходя из соотношений [33, 75, 85]: TnP меср тпр Ме1 AQ AQ Номинальный вращательный момент дизеля равняется: еном nном (2.1) Средний эффективный вращательный момент двигателя за время разгонка: Mеср = 0.95 Mе Чтобы выровнять значение Меном и Меср в исследуемом интервале, начальные обороты выбираются из величины, которая составляет как минимум (15-20) % от номинальных. Величина AQ находится из выражения: АП = nном nнач) 30 Приведенные формулы используются для уточнения расчетного значения момента инерции двигателя Jд и генератора Jг .
Момент инерции двигателя связан с моментом инерции маховика приблизительным соотношением: mD2 mD2 Iд (1.2-1.3)I м ; Jм= ; J г г 2 г 4 Исходя из приведенных формул, разработан алгоритм проведения пусковых испытаний газодизельного генераторного агрегата.
В большинстве случаев, момент инерции генератора дается заводом производителем. В этом случае имеется дополнительная, известная присоединенная к дизелю масса, которая и разрешает использовать метод двойной разгонки. Основные формулы, которые используются в этом случае, приведенные ниже:
Пусковой режим дает возможность идентифицировать динамическую модель газодизельного генераторного агрегата по управляющему воздействию, используя эталонные кривые переходных процессов. Время Тпр определяется к моменту, когда AQ 0.02 Q .
При проведении экспериментов сброса/наброса нагрузки, определяется динамическая модель ГДГА по возмущающему воздействию.
Для создания модели ГД необходимо определить его постоянные времени. ГД может быть представлять колебательным звеном. Параметры этого звена определяют характер переходного процесса (апериодический или колебательный), количество периодов колебаний, величину перерегулирования.
Алгоритм проведения испытаний состоит в последовательном набросе нагрузки на 20 % от номинальной, начиная с 20 % нагрузки генератора. Программой предусмотрено, что динамические режимы сброса - наброса нагрузки допускаются лишь после установления режимных параметров ГД. После установления процесса, когда обороты ГД отличаются от установившегося значения не более чем на 2 %, подготавливается следующий процесс наброса нагрузки. Поскольку обычно переходной процесс полностью заканчивается по истечению интервала времени, равного Ю.ТМАХ (ТМАХ - максимальная постоянная времени динамической системы), то для рассматриваемой группы дизелей временной интервал за 41 дан жестко и равен 1 мин. После последовательности набросов нагрузки программой предусмотрен автоматический переход на испытания по сбросу нагрузки в аналогичных пределах. Таких последовательностей испытаний проводится не менее шести. Программа испытаний решает задачу автоматического формирования файла испытаний. Для этого осциллограф включается за 2 секунды до подачи сигнала наброса – сброса нагрузки, и запись длится 60 секунд [44, 109, 121,126].
Поскольку в ГДГА газодизель размещен на одном валу с генератором и доступ к импульсному датчику оборотов ограничен, то частота оборотов определялась косвенно, по частоте напряжения синхронного генератора.
Согласно основным положениям методологии испытаний, была разработана тестирующая программа, алгоритм которой представлен в приложении А.
Поскольку изучению дизелей, используемых для самых разнообразных целей, уделяется очень большое внимание как в нашей стране, так и за рубежом, то их экспериментальные исследования достаточно серьезно регламентированы широкой гаммой нормативных документов [31, 107, 146-151]. В то же время, практически все они ориентированы на исследование собственно дизеля, где факторами, отбираемыми для проведения эксперимента выбираются расход топлива, коэффициент избытка воздуха, давление в компрессоре и т.п. Поэтому естественно, что план эксперимента в таких работах кардинально отличается от тех, которые необходимы для исследования ГДГА.
Для определения необходимых параметров и характеристик ГДГА следует проводить пассивные и активные эксперименты [31, 107-119].
Статистический анализ характеристик экспериментальных моделей показывает, что точность их существенным образом зависит от выбора условий проведе 42 ния эксперимента, то есть является функцией плана эксперимента. Это значит, что с помощью планирования эксперимента требуемая точность может быть достигнута при минимальном числе опытов, меньших затратах времени и средств на их проведение.
Учитывая, что ГД, с точки зрения теории автоматического регулирования является нелинейным объектом, то при проведении эксперимента необходимо задавать величины возмущений, которые бы обеспечивали представление модели в данной точке, как линейной. Поведение ГДГА определяется по значениям интересующих нас данных, то есть выходных параметров, которыми являются напряжение и частота генератора. В теории планирования эксперимента эти параметры назовем целевыми функциями, или функциями отклика. Их измерения осуществляются при целенаправленном изменении входных параметров – нагрузки или момента на валу и тока возбуждения, которые называются факторами.
Математические модели, получаемые методами планируемого эксперимента, позволяют аппроксимировать зависимость между входными и выходными параметрами объекта некоторой математической функцией (уравнение регрессии), содержащей определенное количество коэффициентов. Коэффициенты этой функции выбираются по экспериментальным данным таким образом, чтобы отклонение аппроксимирующей функции от экспериментальных значений не превышало допустимых величин. Вид аппроксимирующей функции определяется исходя из ранее накопленного опыта. Для решения большинства прикладных технических задач рекомендуются полиномиальные модели. Их удобство состоит в том, что описание поведения объекта легко уточнить путем повышения порядка полинома. Исследования, проведенные рядом авторов [17, 34, 68, 107, 110, 117, 118] показывают, что характер кривых, отражающих связи двигателей внутреннего сгорания с режимными и регулировочными параметрами приближаются к параболическим законам, поэтому для их описания рекомендуются полиномы второго порядка вида: Y = b0 +6JXJ +b2x2 +... + bkxk +bnxf +b22xl +... + bkkxl +bnxxx2 +Ьихххъ +... + 6.x.x., (2.2) где хъ JCJ - факторы проводимого эксперимента (нагрузка генератора и ток возбуждения); Y - исследуемые функциональные зависимости (обороты ГДГА, величина напряжения генератора).
Математическая модель ГДГА для исследования обменных колебаний мощности
Для построения высокоэффективных систем распределения активной мощности при наличии постоянных возмущающих воздействий (случайные подключения - отключения нагрузки), а также из-за собственных колебаний частоты вращения валов приводных двигателей необходимо с достаточной для практики точностью определить вид и параметры динамической модели ГДГА. Общая динамическая модель ГДГА содержит в себе как механические, так и электрические параметры. Но поскольку электрические процессы в генераторе при отсутствии управления по возбуждению протекают во много раз быстрее, чем механические, то общее их влияние на динамику системы можно не учитывать. Обусловлено это также тем, что активная мощность, отдаваемая генератором в питающую сеть: Р = TJ3.U.I.cos(P = M.Q.; где U, I - действующие значения тока и напряжения генератора, р - угол сдвига фаз; М- момент на валу ГД; - обороты ГД, пропорциональна частоте, то есть -оборотам ГД. Даже в тех случаях, когда имеет место регулирование по возбуждению через системы АРВ (автоматического регулирования возбуждения), быстродействие последних как минимум на порядок превышают быстродействие механических систем [19, 26, 32, 33]. Поэтому учет влияния генератора на динамику ГДГА осуществляется лишь учетом инерционных масс ротора генератора.
Оценка порядка уравнений, описывающих динамику двигателя Динамические свойства дизеля в литературе описываются на разных уровнях сложности - от систем 9-го порядка - до первого [12, 67-74, 99]. В большинстве случаев авторами построены адекватные модели. Подсистема дифференциальных уравнений, описывающих переходной процесс в механических элементах, имеет вид: Л = Лч уа-мМП (о) -мдоп{о) -м Q /Су МП ДОП J Q =( NT(PT,P0,TT&TK) -NK(PT,P0,TT&TK\ Тк Тк (2.12) где JQ ; JTK - моменты инерции масс, приведенных к коленчатому валу и ротора турбокомпрессора; Q, С1Гк - угловые скорости коленчатого вала и ротора турбокомпрессора; Nt- индикаторная мощность дизеля; ммП- момент механических потерь; Мдоп - момент нагрузки вспомогательных агрегатов; Ме- момент нагрузки; NT; Nk - механическая мощность турбины и компрессора; g4 - цикло 63 вая подача топлива; f]i — индикаторный к.п.д. дизеля; Рт,Рк,Ро давление перед турбиной, после компрессора и окружающей среды соответственно; ТТ,Т0- температура газов перед турбиной и окружающей среды; Nj,MMn,MДОn,NT,Nk известные функции своих аргументов.
Подсистема дифференциальных уравнений, описывающих переходной процесс в ресивере, получается на основании уравнений энергетического и материального баланса и с помощью уравнения газового состояния может быть сведена к системе двух дифференциальных уравнений вида: Р = Л ВХ, GВЫХ , то ТкJ; Т = (P(GВХ , GВЫХ, ТВХ ,Т,р), (2.13) где р,Т - давление и температура газа в ресивере; ТВХ - температура на входе в ресивер; GВХ, ОВЫХ - расходы вещества на входе и выходе ресивера. Массовые расходы через элементы двигателя определяются на основании известных расходных характеристик в виде функциональных зависимостей: Gк =Gк(pQ,pк,TQ,QТк); GПк =GПк(pк,ps,Tк,Q); G ДВ = СДВ[р5,рТ,Т5,0.)-:: GT =GT{PT,P0,TT,QТк); (2.14) где Gk,Gm,Gm,GT - расходы компрессора, приводного компрессора, дизеля и турбины соответственно; ps, т- давление и температура воздуха во впускном коллекторе. Последняя группа уравнений описывает преобразование энергии газового потока в компрессоре, приводном компрессоре, воздухоохладителе, дизеле и имеет вид: ТД = ТД\TS,GДВ,rjt,Q,g j,rjt = rjt(a,(o\a = a[pi,pT,Q,g j, ВО = К + K\yPs Рк) _VГ/кП"2- Рк- Р- Ю A-lВО = 1ВО\PS Pк 1к 4 здесь ТД - температура на выходе из дизеля, определяется из расчета теплового баланса, соотношения для rji и а взяты из работы [12]; ТТк -температура воздуха после компрессора, определяется по адиабатическому к.п.д.; ТВО - температура воздуха после воздухоохладителя, определяется на основании адиабатического к. п. д. приводного компрессора и также характеристик воздухоохладителя и системы термостатирования.
Система дифференциальных (2.12), (2.13) и статических (2.14) (2.15) уравнений при совместном решении описывает поведение двигателя в переходном процессе и таким образом является его математической моделью. Для ее численной реализации необходимо задать начальные условия на переменные состояния Q, С1Тк , и Т, р для каждого из ресиверов, а также управляющие воздействия gц и Ме как функции времени. В результате интегрирования (2.12), (2.13) и вычисления статических соотношений (2.14), (2.15) на каждом шаге интегрирования получим переходной процесс в виде временных функций параметров дизеля.
Упрощение базовой математической модели двигателя может быть достигнуто за счет следующих обстоятельств: во-первых, как показали численные и экспериментальные исследования [45, 99, 119, 124], инерционность механических элементов существенно превышает инерционность ресиверов рабочего вещества. Это позволяет с некоторой погрешностью аппроксимировать систему дифференциальных уравнений (2.12), (2.13) восьмого порядка системой (2.12) второго порядка, а дифференциальные уравнения (2.13) заменить соответствующими статическими связями. Во-вторых, из системы статических уравнений можно исключить все промежуточные параметры, выразив их через параметры состояния; механических элементов Q, Qтк и управляющий фактору.
Параллельная работа ГДГА
Нечеткие регуляторы реализуются на практике, как правило, в форме программного обеспечения высокого уровня (например, С++), что обеспечивает большую гибкость при их настройке. При этом по результатам моделирования и испытаний системы управления, содержащей нечеткий регулятор в замкнутом контуре, можно изменять количественные диапазоны лингвистических переменных, функции принадлежности и модифицировать базу правил с целью получения требуемого качества управления.
Метод корректирования коэффициентов автоматического регулятора оборотов ГДГА с помощью нечеткого регулятора является эффективным, так как позволяет расширить диапазон устойчивой работы ГД вплоть до аварийных режимов. По существу, введение нечеткого регулятора для подстройки коэффициентов традиционного ПИД-регулятора в функции параметров текущего режима работы ГДГА придает системе управления оборотами ГД свойство адаптивности. Поиск улучшения качества управления следует искать на пути усложнения информационных структур систем управления (переходом к многоконтурным, каскадным схемам и схемам с компенсацией возмущений).
Как установлено в разделе 2, реально функционирующий ГДГА может рассматриваться как идеальная машина, на которую воздействует аддитивная помеха, физическая природа и параметры которой определены во втором разделе. Поскольку в реальной системе ПИД-регулятор настраивался лишь на одну точку рабочего диапазона, то есть все основания полагать, что предложенный алгоритм управления позволит существенно поднять стабильность оборотов ГД во всем диапазоне мощностей нагрузки.
На структурной схеме ГД, в соответствии с принятой методикой измерения, аддитивная помеха в виде дестабилизирующей функции fa прикладывается к выводу (рисунок 4.8). Спектральная плотность помехи на выходе замкнутой системы Smз\CD) = $ю\ з {jO/l =Sm. 1 + WK \joo) Из приведенной формулы, учитывая характер ЛАЧХ устойчивой системы для области эффективного подавления помехи, где WK»1: Sm [со) Sm. М WKKJH Рассмотрим теперь более детально ЛАЧХ замкнутой системы. С учетом (3.19) формула (3.20) может быть представлена в виде:
Из результатов расчета коэффициентов полиномов А\аі, р) и B(bi, р) вытекает, что они фактически компенсируют друг друга. При этом погрешность не превышает в узком частотном диапазоне 10 ДБ. По этой причине для оценки эффективности подавления помехи fa в оборотах дизеля можно Wk приближения в виде:
Дисперсия выходного сигнала определяется из известного выражения, используемого для определения корреляционной функции: І?вых (г) = [S (cu).e J(0T dco которое для г = 0 преобразуется к виду RВых ( 0 ) = ств ы х = I SaЗ усорсо. Поскольку т при значениях CDi , при которых \КЭУ СО »1, WЗ {jco) = то на спектр выходного параметра влияет лишь низкочастотный диапазон, для которого: И7З (jcu) = \КЭу со В силу изложенного дисперсия выходного параметра с учетом значения S(co) может быть определение по формуле: +оо 2 гг RВых (0) = с Вых В результате находим, что при оптимальной настройки ПИД-регулятора для всего диапазона мощностей удается теоретически снижать диапазон колебаний оборотов газодизеля в 25-30 раз.
Практические исследования проводились на автопароме «Олимпиада», имеющем на своём борту газодизель-генераторные агрегаты ГДГА-630 (двигатель 6ГЧН25/34), питающие гребной электродвигатель постоянного тока (через тири-сторный управляемый выпрямитель) и общесудовые потребители. В экспиремен-тальный комплекс также входило вспомогательное оборудование ГДГА и микроконтроллерная система управления, сопрягающая ГДГА с программным комплексом, реализованным в среде Matlab/Simulink.
На рисунке 4.9 приведены элементы ГДГА автопарома. На рисунке 4.10 – функциональная схема экспериментального комплекса с учетом взаимосвязи элементов. Воздушный поток через воздушный фильтр 1 (рисунок 4.10) подается в смеситель 2, к которому подводятся газ по газовым трубам 2а и 2б. По трубе 2а подается основной поток газа, а по трубе 2б газ, необходимый для поддержания режима холостого хода. После смесителя газовоздушная смесь отбирается трубо-нагнетателем 3, с выхода которого, через охладитель 4 и регулируемую заслонку 5, подается в блок цилиндров 7 двигателя. Турбонагнетатель работает от выхлопных газов, которые поступают в него, через выходную трубу 7а. Заслонка управляется двигателем постоянного тока 6, управляющим сигналом которого является выходной сигнал ПИД-регулятора 8, реализованного в виде микроконтроллерной системы (на базе микроконтроллера STM32F407). В качестве датчиков оборотов используются датчики Холла 9.
Выбор данного типа микроконтроллера был обоснован соответствием его характеристик предъявляемым задачам: производительности, возможности выполнения операций с плавающей запятой, наличию необходимых периферийных устройств и т.д.; наличием у него сертифицированности для критических условий эксплуатации и программных оболочек реального времени, а также сертифицированных для критических условий эксплуатации.
Модель автономной электростанции, на которой проводились исследования, представлена на рисунке 4.11 состоит из двух ГДГА, работающих на активно-индуктивную нагрузку различной мощности (200 кВт, 300 кВт, 300 кВт). ГДГА имеет в своем составе следующие блоки: модель газодизеля, системы возбуждения генератора, коммутаторы, блоки измерения сигналов, блоки для работы с СОМ – портом.
Нагрузка на ГДГА регулировалась посредством изменения оборотов гребного электродвигателя. Резкое изменение нагрузки реализовывалось посредством включения подруливающего устройства, использующего в качестве электропривода асинхронный двигатель.