Параметричний синтез регулятора дизель-генераторної енергетичної установки

Размещено на http://www.allbest.ru/

ХАРКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Автореферат дисертації

на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

05.13.07 - автоматизація технологічних процесів

ПАРАМЕТРИЧНИЙ СИНТЕЗ РЕГУЛЯТОРА ДИЗЕЛЬ-ГЕНЕРАТОРНОЇ ЕНЕРГЕТИЧНОЇ УСТАНОВКИ

Абду Отман

Харків - 1998

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Дизель-генераторні енергетичні установки (ДГУ) знаходять широке розповсюдження як в Україні, так і за її межами. Віяльні вимикання електроенергії приводять до численних аварій в системах електропостачання міст, внаслідок чого лишаються електроенергії об'єкти з безперервним циклом виробництва, лікувальні заклади, тваринницькі ферми. В цих умовах народному господарству необхідні автономні джерела електроенергії, незалежні від центральної енергетичної системи. Особливо актуальним є використання автономних джерел електричної енергії у важкодоступних регіонах, де розташовані військові об'єкти, ведуться геологорозвідувальні роботи, а також сезонні сільськогосподарчі роботи.

Державне підприємство “Завод імені Малишева” на базі танкового двигуна 5ТДФ розробило автономну енергетичну установку, що містить синхронний генератор з регулятором напруги, і випускається як у стаціонарному, так і у мобільному виконанні. Але ця установка містить ряд недоліків. По-перше, високий ступінь нерівномірності механічного всережимного регулятору дизеля 5ТДФ не дозволяє в умовах змінного навантаження підтримувати з високою точністю кутову швидкість обертання колінчатого валу дизеля, а, в наслідок цього, і частоти напруги, що виробляється. По-друге, установка не містить контуру управління, що забезпечує роботу дизеля в режимі максимального ефективного коефіцієнту корисної дії. Проблема створіння регулятору, що забезпечує стабільність частоти виробляємої напруги і мінімум витрат палива, рішенню якої присвячена ця робота визначає актуальність її теми.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами. Робота виконувалась згідно з Постановою Кабінету Міністрів України №191/2 "Про спеціалізацію підприємств оборонної промисловості по випуску народно-господарської продукції" від 14 квітня 1992 р. у рамках державної науково-технічної програми “Конверсія”, для Державного підприємства “Завод імені Малишева”.

Мета дисертаційної роботи полягає в розробці регулятору дизель-генераторної енергетичної установки, що забезпечує високу стабільність частоти виробляємої напруги і високу паливну економічність дизеля.

Наукова новизна роботи полягає в розробці нової, невідомої раніше математичної моделі збуреного руху дизель-генераторної енергетичної установки, формалізації вимог до якості виробляємої електроенергії і в рішенні задачі параметричного синтезу регулятора дизель-генераторної установки, що дозволяє отримати чисельні значення коефіцієнтів посилення регулятору, який забезпечує високу якість і економічність виробляємої електроенергії.

Практична цінність дисертаційної роботи полягає у використанні її результатів на Державному підприємстві “Завод імені Малишева”, що виробляє дизель-генераторні установки.

Особистий внесок здобувача у виконану роботу і публікації полягає в розробці математичних моделей, проведенні та аналізі розрахунків і експериментальних досліджень, формуванні висновків і рекомендацій. Основні напрямки і задачі досліджень формувались науковим керівником професором Александровим Є.Є., у співавторстві з яким опубліковані наукові роботи автора.

Методика досліджень містить математичне моделювання динамічних процесів в об'єкті, що досліджується, основи теорії автоматичного управління, теорію оптимального управління, теорію випадкових функцій, експериментальних досліджень і статистичної обробки експериментальних даних.

Основні положення, що виносяться на захист:

функціональна схема регулятору дизель-генераторної енергетичної установки;

математична модель ДГУ при дії випадкових зовнішніх збурень;

математична модель збуреного руху ДГУ відносно стану сталої рівноваги;

формалізація вимог до якості виробляємої електроенергії і паливної економічності ДГУ;

рішення задачі параметричного синтезу регулятора ДГУ;

результати експериментальних досліджень ДГУ з розробленим регулятором.

Публікації. Результати роботи відображені в 9 публікаціях (3 науково-технічних статті та 6 тез доповідей).

Апробація роботи. Окремі фрагменти роботи доповідались на Міжнародній конференції молодих вчених “Проблемы техники, технологии и экономики машиностроительного производства” (Краматорськ, 1996), на Всеукраїнській науково-технічній конференції “Автоматика-96” (Севастополь, 1996), на Міжнародних науково-технічних конференціях "Информационные технологии: наука, техника, технология, образование, здоровье" (Харків, 1996, 1997, 1998) та на V Міжнародній науково-технічній конференції “Машиностроение и техносфера на рубеже ХХІ века” (Севастополь, 1998). Робота в цілому доповідалася і була схвалена на наукових семінарах кафедри колісних та гусеничних машин і кафедри системного аналізу і управління.

Структура та обсяг роботи. Дисертація містить вступ, три розділи та додаток. Загальний обсяг дисертації складає 85 сторінок машинописного тексту, а також 20 сторінок, що займають 10 рисунків, додаток та список використаних джерел з 64 найменувань.

В цілому робота являє собою рішення важливої науково-технічної задачі автоматизації автономної ДГУ, яка має важливе значення в електроенергетиці.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

дизель генераторний енергетичний регулятор

В першому розділі розглядається математична модель збуреного руху ДГУ і постановка задачі параметричного синтезу регулятора ДГУ.

Автоматизовані ДГУ є складними замкненими динамічними системами, в яких здійснюється одночасне управління дизелем і електричним генератором. ДГУ, що серійно випускається Державним підприємством “Завод імені Малишева”, використовується для різних об'єктів народногосподарчого призначення як автономне або резервне джерело трьохфазного перемінного струму промислової частоти 50 Гц, напругою 400 В. Недоліки цієї ДГУ такі:

високий ступінь нерівномірності механічного всережимного регулятору двигуна внутрішнього згоряння (ДВЗ), що призводить до нестабільності частоти вихідної напруги в умовах змінного навантаження;

висока коливальність системи паливоподачі ДВЗ, обумовлена використанням відцентрового чутливого елементу як вимірювача кутової швидкості колінчатого валу ДВЗ, що призводить до підвищених витрат палива.

В ДГУ виробництва ДП “Завод імені Малишева” використовуються дефорсовані по частоті обертання танкові ДВЗ 5ТДФ. Колінчатий вал ДВЗ механічно пов'язаний з ротором синхронного генератору ГСФ-200. Постійність амплітуди виробляємої напруги при змінному навантаженні досягається системою стабілізації вихідної напруги (ССВН), яка містить датчик струму (ДТ) і регулятор обмотки збудження (РОВ), а постійність частоти вихідної напруги досягається за рахунок постійності кутової швидкості обертання колінчатого валу ДВЗ при постійній настройці всережимного регулятору паливоподачі (ВР).

З метою зменшення витрат палива і підвищення стабільності частоти виробляємої напруги, в ДГУ введено тиристорний перетворювач (ТПЧ), а також електронний перетворювач (ЭР), що керує системою паливоподачі і ТПЧ. Чутливими елементами регулятору являються датчик кутової швидкості колінчатого валу (ДУС) і датчик стану рейки паливного насосу (ДРТН). ДУС являє собою тахогенератор перемінного струму з діодним випрямувачем, а ДРТН - потенціометр, движок якого механічно пов'язаний з рейкою паливного насосу дизеля. Виходи ДУС та ДРТН електрично пов'язані з входами ЭР, що формує сигнали управління електромеханічним посилювачем (ЭМУ), вихідний шток якого пов'язано з органом настройки ВР дизеля (Д).

При роботі ДГУ мінімізація витрат палива досягається утриманням робочої точки ДВЗ на характеристиці мінімальної витрати палива.

Допустимо, що сталий режим роботи ДГУ характеризується постійною кутовою швидкістю колінчатого валу ДВЗ , а робоча точка ДВЗ при цьому знаходиться в стані 6 на характеристиці мінімальної витрати 5. Зміна навантаження в електричній мережі приводить до зміни навантаження на колінчатому валі дизеля і до переміщення робочої точки по регуляторній характеристиці 3 з характеристики мінімальної витрати палива 5 в стан 7. При цьому змінюється кутова швидкість колінчатого валу і, як наслідок, частота виробляємої напруги, а також підвищується витрата палива. Для повернення робочої точки на характеристику мінімальної витрати палива слід змінити момент навантаження на колінчатому валі до колишнього значення. Це може бути досягнуто зміною настройки ТПЧ, але така зміна приведе до значної зміни частоти виробляємої напруги. Для збереження стабільної частоти виробляємої напруги слід змінити кутову швидкість колінчатого валу, що досягається зміною настройки всережимного регулятору дизеля. При цьому робоча точка переходить у стан 8, тобто повертається на характеристику мінімальної витрати палива 5, але при новій настройці ВР.

Сигнал управління, що формується ЭР і подається на вхід ТПЧ, дорівнює

(1)

При цьому коефіцієнт перетворіння ТПЧ змінюється на величину . Таким чином, сигнал управління, що формується ЭР і подається до входу ЭМУ, записується у вигляді

(2)

В роботі отримані диференційні рівняння, які описують збурений рух замкненої системи управління ДГУ відносно стану сталої рівноваги:

; (3)

; (4)

; (5)

; (6)

; (7)

; (8)

, (9)

де рівняння (3) являє собою умову динамічної рівноваги колінчатого валу; рівняння (4) описує зміну активного моменту ДВЗ при зміні паливоподачі; рівняння (5), (6) і (7) описують динаміку відцентрового чутливого елементу, сервомотору вимірювача і паливного сервомотору відповідно; рівняння (8) описує динаміку роботи ТПЧ, а рівняння (9) - динаміку роботи електромеханічного посилювача.

Лінійну систему диференційних рівнянь (3)-(9) запишемо у нормальній формі. Для цього введемо у розгляд вектор стану системи 10-го порядку:

і запишемо систему (3)-(9) у вигляді

(10)

де вектор зовнішніх збурень і матриця дорівнюють:

Зовнішнє збурення являє собою випадковий процес з нульовим математичним очікуванням і матрицею інтенсивності .

Система (3)-(9) або (10) має два параметри і , які потрібно вибрати так, щоб на рішеннях цієї системи досягав мінімуму інтегральний квадратичний функціонал

, (11)

де та - значення відповідних перемінних у стані сталої рівноваги; - символ математичного очікування.

Функціонал (11) запишемо у вигляді

, (12)

Причому

.

В розділі 2 розглядається рішення задачі параметричного синтезу регулятора ДГУ. Основною вимогою до регулятора ДГУ є забезпечення стійкості замкненої системи управління. Тому область стійкості замкненої системи в площині параметрів є областю допустимих значень параметрів в процесі рішення задачі параметричного синтезу.

Характеристичне рівняння замкненої системи (10) записується у вигляді

 (13)

В характеристичному рівнянні (13) зробимо заміну , прирівняємо нулю дійсну і уявну частини і побудуємо границі стійкості.

Доведено, що областю стійкості замкненої системи є підобласть14.

Крива спектральної гущини має два максимуми, отже передатню функцію формуючої динамічної ланки, яка перетворює білий шум на випадкову функцію , можна подати у вигляді

,

а формуючу динамічну ланку - у вигляді двох коливальних динамічних ланок з передатними функціями

; ,

рівняння яких подамо у вигляді

; (14)

. (15)

Введемо розширений вектор стану замкненої системи

,

збурений рух якої описується диференційним рівнянням

(16)

- векторний білий шум

.

Таким чином система 10-го порядку (10) з випадковою вектор-функцією на вході еквівалентна системі 14-го порядку (16) з векторним білим шумом на вході.

У відповідності з методом параметричної оптимізації функціонал (11), обчислений на рішеннях системи (16), дорівнює

 (17)

де квадратна симетрична матриця задовольняє матричному рівнянню

(18)

а матриця дорівнює

Матриця інтенсивності білого шуму - квадратна, симетрична, розміром 14х14 з єдиним ненульовим елементом , розташованим на головній діагоналі, а саме на перетинанні 12 строки і12 стовпця. Тоді у відповідності з формулою (17) маємо

(19)

де - елемент квадратної симетричної матриці, розміщений на перетинанні 12 строки і 12 стовпця. Для відшукання цього елементу необхідно відшукати всю матрицю , що задовольняє рівнянню (18).

Таким чином, задача параметричного синтезу звелася до задачі нелінійного програмування пошуку мінімуму функції (19) по параметрам в області 14 рис.3. Пошук здійснювався за допомогою метода Хука-Джівса, причому рішення матричного рівняння (18) знаходилося на кожній ітерації. Оптимальні значення коефіцієнтів і становлять .

Імітатори електричного навантаження в експериментальній установці являється асинхронний електродвигун, ротор якого механічно пов'язаний з валом електричного навантажувального гальмівного пристрою типа С-350SS фірми “ЦЕЛЬНЕР” (Німеччина).

Експериментальні дослідження полягали в осцилографуванні перехідних процесів в ДГУ при ступінчастому зростанні та зменшенні навантажень за допомогою електричного навантажувального гальмівного пристрою. Режими навантаження приведені в таблиці.

Таблиця

Аналіз перехідних процесів дозволяє зробити висновки про те, що пропонуєма система автоматичного управління ДГУ з високим ступенем точності підтримує значення параметрів генеруємої електроенергії. Час перехідних процесів при зміні режимів навантаження не перевищує 0,65 с. Перехід з одного сталого режиму до другого носить аперіодичний характер, що свідчить про зменшення витрати палива у порівнянні з серійним регулятором.

ВИСНОВКИ І РЕКОМЕНДАЦІЇ

1. Недоліками відомих автоматизованих ДГУ є, по-перше, недостатньо висока точність утримання заданої частоти виробляємої напруги перемінного струму і, по-друге, недостатньо висока паливна економічність. Перший недолік зумовлений високим ступенем нерівномірності механічного всережимного регулятора паливоподачі дизеля, а другий - роботою дизеля в неоптимальних, з точки зору паливної економічності, режимах.

2. Запропонована функціональна схема регулятора ДГУ, в якому, порівняно із штатним варіантом, введено регулюємий тиристорний перетворювач частоти, блок зміни настройки всережимного регулятора дизеля і електронний регулятор, що формує сигнали управління на тиристорний перетворювач частоти і на блок зміни настройки всережимного регулятора. Запропоновані алгоритми управління, що реалізуються електронним блоком.

3. Розроблена математична модель збуреного руху замкненої системи автоматичного управління ДГУ, що містить рівняння об'єкта управління, чутливих елементів, посилювально-перетворюючих пристроїв та виконавчих органів системи. Рівняння приведені до нормальної форми, що містить 10 лінійних диференційних рівнянь першого порядку.

4. Формалізовані вимоги до замкненої системи автоматичного управління ДГУ, що забезпечують високу якість виробляємої електроенергії і високу паливну економічність ДГУ. Ці вимоги подані у вигляді вимоги мінімуму інтегрального квадратичного функціоналу.

5. Сформульована задача параметричного синтезу регулятора замкненої системи автоматичного управління ДГУ і побудована область допустимих значень параметрів замкненої системи.

6. Проведено статистичний аналіз зовнішніх збурень, що діють на ДГУ, і побудована розширена математична модель збуреного руху замкненої системи автоматичного управління ДГУ. Доведено, що математична модель збуреного руху ДГУ, що містить 10 лінійних диференційних рівнянь першого порядку, при збуренні у вигляді кольорового шуму з заданими статистичними характеристиками еквівалентна математичній моделі, що містить 14 лінійних диференційних рівнянь першого порядку при збуренні білим шумом тієї ж інтенсивності.

7. Розв'язана задача параметричного синтезу регулятора ДГУ, в результаті чого отримані чисельні значення коефіцієнтів посилення каналу управління ТПЧ і каналу управління настройкою ВР дизеля .

8. Проведені експериментальні дослідження ДГУ з розробленою системою автоматичного управління у складі розробленого дослідницького стенду, що містить імітатор електричного навантаження у вигляді асинхронного електродвигуна, механічно пов'язаним з електричним навантажувальним гальмівним пристроєм. За допомогою навантажувального гальмівного пристрою задавались режими ступінчастого збільшення і зменшення навантаження. Аналіз перехідних процесів дозволив зробити висновок про те, що запропонована система автоматичного управління ДГУ з високим ступенем точності підтримує значення параметрів генеруємої електроенергії. Час перехідних процесів при зміні режимів навантаження не перевищує 0,65 с. Перехідні процеси носять аперіодичний характер, що свідчить про зменшення витрати палива у порівнянні з серійним регулятором.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ ПРАЦЬ

1. Александров Е.Е., Отман А. Оптимизация динамических процессов в дизель-генераторной силовой установке // Информационные технологии: наука, техника, технология, образование, здоровье: Сборник научных трудов ХГПУ. Вып.6. В четырех частях. -Харьков: Харьковский гос. политехн. ун-т, 1998. -Ч.2. -С.4-8.

Пошукувач вирішив задачу оптимізації динамічних процесів в дизель-генераторній силовій установці.

2. Александров Е.Е., Отман А. Автономная дизель-генераторная энергетическая установка на базе танкового дизеля 5ТДФ // Механіка та машинобудування. -1998. №1. -С.77-80.

Пошукувач зробив опис структурної схеми запропонованого авторами регулятора ДГУ.

3. Александров Е.Е., Отман А. Экспериментальные исследования автономной дизель-генераторной энергетической установки в составе нагрузочного стенда // Механіка та машинобудування. -1998. -№1. -С.81-83.

Пошукувачем наведені результати здійснених експериментальних досліджень автономної ДГУ.

4. Александров Е.Е., Сила Т.А., Отман А. Оптимизация параметров регулятора топливоподачи в дизель-электрической установке // Тр. Междунар. конф. "Информационные технологии: наука, техника, технология, образование, здоровье". -Харьков: ХГПУ. -1996. -С.11.

Пошукувач вирішив задачу параметричного синтезу регулятору ДГУ.

5. Александров Е.Е., Сила Т.А., Отман А., Воронцов С.Н. Математическое моделирование динамических процессов в дизель-генераторной установке // Тр. Междунар. конф. "Информационные технологии: наука, техника, технология, образование, здоровье". -Харьков: ХГПУ. -1997. -С.217-219.

Пошукувач розробив математичну модель збуреного руху ДГУ.

6. Александров Е.Е., Отман А. Дизель-генераторная энергетическая установка // Тр. Междунар. конф. "Информационные технологии: наука, техника, технология, образование, здоровье". -Харьков: ХГПУ. -1997. -С.220-222.

Пошукувачем зроблено опис автономної ДГУ, що містить танковий дизель 5ТДФ та синхронний генератор СГ-200.

7. Александров Е.Е., Отман А., Сила Т.А. Разработка регулятора для дизель-генераторных установок // Тр. Междун. конф. "Проблемы техники, технологии и экономики машиностроительного производства". -Краматорск. -1996. -С.7.

Пошукувачем запропонована структурна схема регулятора ДГУ.

8. Александров Е.Е., Отман А., Грита Я.В. Параметрический синтез регулятора топливоподачи дизель-электрической установки // Тр. конф. "Автоматика-96". -Севастополь. -1996. -С.9-10.

Пошукувач поставив проблему параметричного синтезу регулятора ДГУ.

9. Александров Е.Е., Отман А., Сила Т.А. Экспериментальные исследования автоматизированной дизель-генераторной энергетической установки // Тр. Междунар. конф. "Машиностроение и техносфера на рубеже XXI века". -Донецк: ДонГТУ. -1998. -С.20-23.

Размещено на Allbest.ru