Применение методов адаптивного управления в газовых электроагрегатах

Применение методов адаптивного управления в газовых электроагрегатах

Н.В. Бурцев,

аспирант Рыбинской Государственной Авиационной

Технологической Академии (РГАТА) имени П.А. Соловьева

В статье рассматриваются особенности газового двигателя внутреннего сгорания, как объекта управления, проводится анализ существующих регуляторов частоты вращения коленчатого вала (КВ) двигателя и требований к ним. На основе рассмотренных требований, а также экспериментальных данных о ходе переходных процессов определяются основные задачи управления газовым двигателем. Приводятся результаты исследований разработанных адаптивных алгоритмов управления частотой вращения коленчатого вала двигателя применительно к электроагрегатам на базе газового двигателя ЯМЗ-831.10. Газопоршневой электроагрегат АП-100 с газовым двигателем ЯМЗ-831.10 и доработанным (адаптивным) ПИД-регу-лятором частоты вращения КВ двигателя на испытаниях и в эксплуатации обеспечил требования 2-го класса точности по ГОСТ 10511-83.

Ключевые слова: теория управления, двигатель внутреннего сгорания, математические модели, микропроцессорные системы.

Application of adaptive control in gas-RUNNING electric power UNits

N.V. Burtsev

On the basis of requirements set on gas internal combustion engine frequency regulators and experimental data obtained through inspecting the gas engine transients the main tasks of control of gas engines are determined. The results of applying of adaptive control algorithms in gas-running electric power units are also present.

Keywords: control systems theory, internal combustion engine, mathematical models, microprocessor control.

Развитие малой энергетики в России обуславливается различными факторами: отсутствием свободных мощностей для новых потребителей, высокой стоимостью подключения и потребления электроэнергии от централизованных сетей, временным отсутствием сетей при строительстве или вводе новых объектов. Как правило, малая энергетика базируется на двигателях внутреннего сгорания мощностью от 30 до 300 кВт, в качестве

топлива используется солярка или природный газ. Опыт проектирования и эксплуатации газопоршневых электростанций специалистами ООО «Газомотор-Р» совместно с ОАО «Автодизель», ФГУП ГНЦ НАМИ, ООО «Дизель-Парк» выявил некоторые недостатки классических ПИД-регу-ляторов частоты вращения КВ двигателя, а именно:

низкое качество переходных процессов при сбросах-набросах нагрузки;

невозможность обеспечить соответствие современным требованиям к качеству вырабатываемой электроэнергии;

высокую инерционность газового двигателя при эжекционном способе подачи газового топлива в двигатель.

Все это привело к тому, что на испытаниях газопоршневой электроагрегат по точности поддержания частоты вращения КВ двигателя и качеству переходных процессов при сбросе-набросе нагрузки не обеспечивал требования даже 3-го класса по ГОСТ 10511-83.

В то же время современные потребители требуют для своих нужд электроагрегаты автономного электропитания с классом точности не ниже 2-го (наличие сложной электронной аппаратуры, компьютерные сети и другое оборудование, чувствительное к качеству вырабатываемой электроэнергии).

Газовый двигатель, как объект управления

Проанализируем газовый двигатель, как объект управления, выделив входные и выходные (регулируемые) переменные и сформулировав основные задачи управления [1-4].

В теории автоматического управления принято характеризовать объект управления, в данном случае - двигатель, набором из двух типов внешних входных воздействий: управляющих и возмущающих, а также выходных управляемых параметров и зависимостей управляемых параметров от входных (рис. 1).

Выходные параметры двигателя разнородны, в их число входят параметры, характеризующие режим его работы и состояние: частота вращения КВ двигателя, мощность, крутящий момент, температура охлаждающей жидкости и масла, содержание вредных выбросов и кислорода в отработавших газах и др.

Входные управляющие воздействия поступают от внешних по отношению к двигателю систем, главная из которых - управляющая, в микропроцессорной системе управления

(МПСУ) двигателем - это микроконтроллер.

В систему управления двигателем, как правило, вводят большое число обратных связей (рис. 2).

Для контура с обратной связью по частоте вращения (главная обратная

связь) целью управления является стабилизация желаемой величины частоты вращения КВ двигателя, определяемая заданием с блока управления.

Для контура с обратной связью по соотношению воздух/топливо (контур

Рис. 2. Двигатель и обратные связи системы управления

Таблица 1

Основные технические требования к САРЧ стационарных установок

Наименование показателя Классы точности САРЧ

1 2 3 4

Степень непрямолинейности РХ ек при ее статизме 8СТ = 2% не должна превышать ек = К1 • 8СТ, где К1 0,15 0,20

Нестабильность ЧВ V, %, не более:

- при относительной нагрузке до 25% 0,8 1,0 1,5 3,0

- при относительной нагрузке 25-100% 0,6 0,8 1,0 2,0

Заброс ЧВ после мгновенного сброса или наброса номинальной нагрузки 8d, %, не более 5,0 7,5 10,0 15,0

Длительность переходного процесса регулирования т, с, не более 2 3 5 10

лямбда-регулирования) целью управления является стабилизация желаемой величины соотношения воздух/ топливо для обеспечения нормальной работы трехкомпонентного каталитического нейтрализатора отработавших газов. Для количественной оценки отклонения режима работы двигателя от оптимального вводится коэффициент X, показывающий отношение массовых (или объемных) долей воздуха и топлива, поступивших в цилиндр в ходе рабочего цикла, к оптимальным. Для метана оптимальным является соотношение топлива к воздуху, равное 1:17 (по объему). Желаемое значение данного коэффициента при наличии катализатора X = 1. Сигнал управления для данного контура - количество подаваемого в ДВС топлива. Сигналом возмущения будет текущее значение соотношения воздух/топливо X, полученное с лямбда-зонда, установленного в выпускном тракте двигателя.

Для контура с обратной связью по углу опережения зажигания (оптимизирующая обратная связь) целью управления является оптимизация некоторых характеристик работы двигателя. Сигналом управления является заданный угол опережения зажигания.

Технические требования к системам управления

газовым ДВС для автономных энергоустановок

В литературе и технических стандартах достаточно полно описаны технические требования к различным характеристикам двигателей внутреннего сгорания и их систем автоматического регулирования частоты (САРЧ).

Основными динамическими показателями качества регулирования частоты вращения (ЧВ) коленчатого вала двигателя стационарных установок являются нестабильность ЧВ, заброс ЧВ после мгновенного сброса или наброса номинальной нагрузки, длительность переходного процесса.

В табл. 1 приведены основные технические требования к системам

автоматического регулирования частоты вращения КВ двигателя стационарных установок на базе дизельных и газовых двигателей [5].

Постановка задачи поддержания качества переходных процессов и работы в установившемся режиме

Как отмечалось ранее, к качеству переходного процесса системы автоматического регулирования частоты вращения КВ двигателя предъявляются достаточно жесткие требования. На рис. 3 показан график переходного процесса классической САРЧ газового двигателя ЯМЗ 831.10, работающего в составе стационарной установки АП-100, при ступенчатом набросе нагрузки. Горизонтальными линиями с цифрами 1, 2, 3, 4 обозначены зоны соответствия забросов частоты вращения соответствующим классам точности. Номинальная частота вращения КВ двигателя для сети переменного тока с частотой 50 Гц должна быть 1500 мин-1. Длительность переходного процесса при набросе 100% нагрузки, изображенного на графике, составляет 5,5 с, заброс частоты вращения равен 15%. Согласно требованиям [5], данная САРЧ соответствует самому низкому, 4-му классу точности, что не удовлетворяет современным условиям и требованиям, предъявляемым к стационарным установкам, поставляемым на российский и международный рынки.

При проведении исследования с целью улучшения показателей переходного процесса был увеличен коэффициент усиления КП пропорционального звена ПИД-регулятора частоты вращения. График переходного процесса САРЧ газового двигателя ЯМЗ-831.10 с увеличенным коэффициентом усиления показан на рис. 4.

Как следует из рис. 4, длительность переходного процесса уменьшилась до 3 с, заброс частоты вращения уменьшился до 4%, что позволяет достичь 2-го класса точности. Однако в дальнейшем наблюдается нестабильность частоты вращения - автоколебания в диапазоне до 3%, что не соответствует

1600 —

1500

1300 — 1275

1, с

Рис. 3. Изменение частоты вращения КВ газового двигателя ЯМЗ-831.10 в результате мгновенного наброса нагрузки

требованиям даже 4-го класса точности. На определенных режимах работы запас устойчивости по амплитуде и фазе САРЧ при увеличении коэффициентов ПИД-регулятора уменьшался до возникновения возбуждения. Амплитуда колебаний при этом достигала аварийных величин.

Таким образом, можно сделать вывод, что для улучшения показателей переходного процесса необходимо динамически изменять коэффициент усиления пропорционального звена ПИД РЧВ, увеличивая его при начале переходного процесса -наброселибо сбросе нагрузки - и уменьшая при

00, МИН" 1600 —

1

1, с

Рис. 4. Изменение частоты вращения КВ газового двигателя ЯМЗ-831.10 в результате мгновенного наброса нагрузки при увеличенном коэффициенте пропорционального звена

завершении переходного процесса. На рис. 5 показан приблизительный вид графика переходного процесса, показатели которого позволяют достичь 1-го либо 2-го класса точности (длительность переходного процесса не более 2 с, заброс ЧВ после наброса или сброса нагрузки не более 5%).

Подобную задачу можно решить, применив методы адаптивного управления [8]. В систему встраивается адаптер, который отслеживает скорость изменения относительного момента нагрузки и изменяет значение коэффициента усиления пропорционального звена при достижении заданных условий. Необходимо отметить, что непосредственно измерить фактическое значение момента нагрузки на двигатель возможно только в условиях стендовых испытаний. При работе двигателя в эксплуатации, как правило, используется относительная величина момента нагрузки.

В ходе экспериментальных исследований газового двигателя ЯМЗ-831.10, работающего в составе энергетической установки АП-100, было установлено, что с увеличением момента нагрузки растет нестабильность ЧВ в установившемся режиме при неизменных параметрах ПИД-регу-лятора ЧВ, подобранных для режима холостого хода (нагрузка равна нулю). Для уменьшения амплитуды колеба-

Рис. 6. Структурная схема адаптивного регулятора частоты вращения КВД

ний необходимо ввести в систему зависимость коэффициентов всех трех составляющих ПИД РЧВ от момента нагрузки МН.

Таким образом, задача адаптивного поддержания качества переходных процессов и работы в установившемся режиме может быть сформулирована следующим образом: усовершенствовать ПИД РЧВ, внедрив возможность адаптивного изменения коэффициентов всех составляющих ПИД-регулято-ра, как функции изменения величины и скорости изменения относительной нагрузки с целью улучшения качества переходного процесса и обеспечения стабильности ЧВ в установившемся режиме. Для реализации адаптивных алгоритмов была разработана новая

и с

Рис. 5. График переходного процесса для достижения 1-го класса точности

структурная схема САРЧ, изображенная на рис. 6.

Результаты применения адаптивных алгоритмов управления регулятором частоты вращения КВ ДВС

Разработанные автором адаптивные алгоритмы управления частотой вращения КВ ДВС были применены в микропроцессорной системе управления электроагрегатом АП-100 на базе двигателя ЯМЗ-831.10. На рис. 7 и 8 показаны электроагрегат и компоненты системы управления соответственно.

На рис. 9 изображены графики переходного процесса при скачкообразном изменении нагрузки, полученные на электроагрегате АП-100 с

О 10 20 30 40

Время, с

Рис. 9. Переходный процесс (ПП) при скачкообразном изменении нагрузки с адаптивным регулятором

применением разработанных адаптивных алгоритмов РЧВ. Горизонтальными линиями отмечены зоны допуска на частоту вращения по требованиям 2-го класса точности.

На рис. 10 изображен график поддержания частоты вращения в установившемся режиме с помощью разработанного адаптивного алгоритма (коэффициент регулятора уменьшается по завершению переходного

процесса). Нестабильность частоты вращения при этом не превышает 1%, что является показателем 2-го класса точности.

Как следует из графика, при использовании разработанных алгоритмов удается достичь показателей 2-го класса точности по ГОСТ [5], а именно: заброс ЧВ при ступенчатом изменении нагрузки составляет 94 мин-1 (6,3%) при набросе нагрузки и 108 мин-1

(7,2%) при сбросе нагрузки, длительность ПП составляет 2,1 с. Кроме того, при работе с адаптивными алгоритмами нестабильность частоты вращения составляет 3-10 мин-1, что также удовлетворяет требованиям ГОСТ [5] по 2-му классу точности.

Для сопоставления характеристик, полученных в ходе экспериментального исследования, составим табл. 2, в которой сравним рассмотренные в первой части статьи показатели базовой системы с классическим ПИД РЧВ, разработанной в ООО «Газомотор-Р», и усовершенствованной системы с адаптивными алгоритмами, разработанной автором.

Заключение

Разработанные алгоритмы, реализованные в САРЧ газопоршневой электростанции АП-100 на базе двигателя ЯМЗ-831.10, позволили обеспечить выполнение требований ГОСТ [5] по 2-му классу точности, что является хорошим показателем в настоящее время.

При этом стоимость и состав газо-регулирующей аппаратуры электроагрегата не изменялись, изменению подверглось только программное

Время, с

Рис. 10. Поддержание частоты вращения в установившемся режиме с использованием разработанных алгоритмов

при различных значениях момента нагрузки

Таблица 2

Сравнение показателей систем управления

Характеристика Базовая система при стандартных кпид Базовая система при увеличенных кпид Усовершенствованная система с адаптивным алгоритмом

Нестабильность ЧВ в установившемся режиме, % 0,8-1 2-3 0,8-1

Заброс ЧВ при ступенчатом изменении нагрузки, % 15 10 6-7

Длительность ПП, с 5-6 4-5 2-3

Класс точности 4 3 2

обеспечение электронного блока управления.

Кроме газопоршневых электроагрегатов, адаптивные алгоритмы управления САРЧ были опробованы в ОАО «Автодизель» на дизельных и газодизельных электроагрегатах. Положительные результаты были получены и в этом случае, что позволяет говорить об универсальности разработанных автором алгоритмов адаптивного управления САРЧ электроагрегатов, работающих на различных видах топлив.

Литература

1. Бурцев Н.В., Бризицкий О.Ф., Кириллов В.А., Комаров В.М., Собянин В.

А. Применение элементов адаптивного управления в системе управления ме-тано-водородным двигателем внутреннего сгорания. Вестник Новосибирского государственного университета. Серия Информационные технологии. - Том 7, № 2, 2009.

2. Пинский Ф.И., Давтян Р.И., Черняк Б.Я. Микропроцессорные системы управления автомобильными двигателя-

ми внутреннего сгорания. М.: «Легион-Автодата», 2004. - 134 с.

3. Герасимов Д.Н., Мигуш С.А. Задачи управления инжекторными двигателями внутреннего сгорания. Сборник трудов VII конференции молодых ученых «Навигация и управление движением», Санкт-Петербург, 2003.

4. Крутов В.И. Автоматическое регулирование двигателей внутреннего сгорания. М.: Машиностроение, 1979. - 615 с.

5. ГОСТ 10511-83. Системы автоматического регулирования частоты вращения (САРЧ) судовых, тепловозных и промышленных дизелей. Общие технические требования. М.: Изд-во стандартов, 1984. - 15 с.

6. Блаженнов Е.И. Основы теории автоматического регулирования автомобильных дизелей: учебное пособие. Ярославль: Яросл. политехн. ин-т. - 1989. - 95 с.

7. Блаженнов Е.И. Новые элементы в автоматических регуляторах частоты вращения автомобильных дизелей: учебное пособие. Ярославль: Яросл. политехн. ин-т. - 1988. - 85 с.

8. Ким Д.П. Теория автоматического управления. Т. 2. Многомерные, нелинейные, оптимальные и адаптивные системы: учебное пособие. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2004. - 464 с.

Требования по подготовке статей к опубликованию в журнале

В связи с тем, что редакция Международного научно-технического журнала Национальной газомоторной ассоциации «Транспорт на альтернативном топливе» готовится к включению издания в Перечень ВАКа, просьба ко всем авторам строго выполнять следующие требования при подготовке статей к публикации:

1. Все научно-технические статьи должны иметь на русском и английском языках следующие составляющие:

заголовок, ФИО авторов полностью, их должности, ученая степень (при наличии), контакты (e-mail, телефоны), аннотации, ключевые слова.

2. Все английские тексты следует набирать только строчными буквами, сохраняя начальные прописные буквы в именах собственных.

3. Авторы остальных публикаций (информационных, рекламных и т.д.) представляют на русском и английском языках: заголовок, ФИО авторов полностью, их должности, адрес и контакты (e-mail, телефоны).

Материалы статей должны быть представлены по электронной почте в программе WinWord. Объем статьи - не более 14 400 знаков с пробелами.

Представленный текстовый материал с иллюстрациями и таблицами должен иметь сквозную нумерацию. Графический материал должен быть выполнен в формате, обеспечивающем ясность всех деталей рисунков. Формулы и символы должны быть четкими и понятными. Все обозначения в формулах необходимо расшифровать. Нумеруются только те формулы, на которые сделаны ссылки в тексте. Обозначения физических величин и единиц измерений необходимо давать в Международной системе единиц (СИ). Обязательно соблюдение действующих

ГОСТов. Текст, таблицы и графические рисунки должны быть выполнены в программе Word в формате doc, rtf. Фотографии (не менее 300 dpi, CMYK) - в формате jpg, jpeg, tiff, pdf. Отдельно необходимо представить список подрисуночных подписей. Не следует форматировать текст самостоятельно.

При пересылке материалов по е-mail следует сопровождать их пояснительной запиской (от кого, перечень файлов и т.д.). Объемные файлы должны быть заархивированы. При подготовке статей к печати необходимо руководствоваться документами, определяющими правила передачи информации через СМИ. Авторский коллектив должен указать ответственное лицо, с которым редакция будет вести переговоры в процессе подготовки статьи к изданию. В список литературы включаются источники, на которые есть ссылки в статье. Ссылаться можно только на опубликованные работы. Список литературы составляется в порядке употребления. В нем приводятся следующие сведения: фамилия и инициалы авторов, название работы; для журнала - название, год издания, номер, страницы, на которых размещена статья; для книг - место и год издания, издательство, общее число страниц. Редакция оставляет за собой право редакторской правки и не несет ответственности за достоверность публикации. Все внесенные изменения и дополнения в представленную к изданию статью согласовываются с автором или представителем авторского коллектива.

Редакция оставляет за собой право размещать опубликованные статьи на сайтах журнала и Национальной газомоторной ассоциации. Редакция не передает и не продает материалы для публикации в других печатных и электронных изданиях без согласования с автором (представителем авторского коллектива).