Способ автоматической настройки ПИД-регулятора для управления дизельным двигателем в составе электроагрегатов и электростанций
METHOD OF AUTOMATIC PID CONTROLLER TUNING FOR CONTROLLING A DIESEL ENGINE IN ELECTRIC SETS AND POWER PLANTS

Изобретение относится к дизельным электрическим агрегатам, работающим на внешнюю переменную нагрузку в составе дизеля и электрического генератора, и предназначено для регулирования дизеля, входящего в состав электрического агрегата.
Для того, чтобы добиться первого класса точности регулирования частоты вращения коленчатого вала современного дизельного двигателя в составе электроагрегатов и электростанций (по ГОСТ 10511-72), применяют электронные системы управления (Поликер Б.Б., Михальский Л.Л., Марков В.А. и др. Дизельные двигатели в составе электроагрегатов и электростанций / Под ред. Б.Е. Поликера. - М.: Легион-Автодата, 2006. - С. 293-302). Способы регулирования их частоты вращения могут быть основаны на применении ПИ-регулятора, что обеспечивает более высокую точность, чем регулирование с помощью механического центробежного прецизионного регулятора (Пат. №2253030 РФ). Кроме того, работа современных дизельных и газовых электростанций должна соответствовать третьей-четвертой степени автоматизации по ГОСТ 14228-80, которым устанавливается время необслуживаемой работы двигателя 250, 375 ч. Практически, соблюдение этих двух стандартов предписывает наличие электронного управления. Однако возможности электронного управления могут быть использованы не полностью. Например, известен способ регулирования дизель-электрического силового агрегата (Пат. №2468230 РФ), включающего в себя дизель, электрический генератор, электронный регулятор с микропроцессорным блоком управления, исполнительные механизмы с дискретным регулированием мощности путем пропусков отдельных подач топлива и дополнительным корректированием пропусков и цикловых подач топлива. В большинстве электронных систем управления дизельными и газовыми двигателями, работающими в составе электроагрегатов и электростанций, в качестве основного закона регулирования частоты вращения коленчатого вала, жестко связанного с ротором электрического генератора, применяется ПИД-регулятор. Само по себе применение ПИД-регулятора не обеспечивает необходимых быстродействия и точности, и для обеспечения необходимого качества регулирования применяют адаптивные ПИД-регуляторы. Одной из первых серийно выпускающихся отечественных систем управления дизелем, где был применен ПИД-регулятор, является система ЭСУ-1 с последующей ее модификацией для управления дизельными двигателями, работающими в составе электроагрегатов и электростанций, ЭСУ-1Г. (Хрящев Ю.Е., Антошин Р.О., Тихомиров М.Ю. Уровень Euro-3 с системами ЭСУ-1 // Электроника и электрооборудование транспорта, 2006. - №3-4. - С. 10-11. Все модификации системы выпускались как адаптивные с простым подбором заранее назначенных (рассчитанных и опробованных) коэффициентов ПИД-регулятора при пропорциональной, интегральной и дифференциальной его составляющих в зависимости от нагрузочно-скоростного режима. В дальнейшем для управления частотой вращения дизельного двигателя на экстремальных режимах, в том числе и на холостом ходу, был предложен способ их оптимизации (пат. №2441169 РФ), причем повышению точности регулирования частоты вращения способствует применение fuzzy-логики и искусственных нейронных сетей (ИНС) (Хрящев Ю.Е., Третьяков А.А., Кирик В.В. Использование аппарата fazzy-логики в управлении дизелем // Электроника и электрооборудование транспорта, 2007, №2. - С. 2-4; Епанешников Д.А., Хрящёв Ю.Е. Дискретная реализация ПИД-регулятора частоты вращения дизельного двигателя // Электроника и электрооборудование транспорта, 2014, №1. - С. 2-5).
В большинстве случаев адаптивное управление в системах, оснащенных ПИД-регуляторами, достигается путем оптимизации коэффициентов при пропорциональной, интегральной и дифференциальной составляющих. Способы определения их величины и соотношения между собой довольно разнообразны так же, как разнообразны объекты, цели управления и условия функционирования. (Денисенко В. ПИД-регуляторы: принципы построения и модификации. Ч. 1.//Современные технологии автоматизации. - 2006. - №4. - с. 66-74; Денисенко В. ПИД-регуляторы: принципы построения и модификации. Ч. 2.//Современные технологии автоматизации. - 2007. - №1. - С. 78-88).
Структурная схема логических блоков ПИД-регулятора может выглядеть, например, следующим образом (пат. №2157558). ПИД-регулятор содержит параллельно соединенные усилитель, интегратор и дифференциатор, выходы которых подключены к входам сумматора, выход которого является выходным каналом регулятора, вход усилителя подключен к выходу первого элемента сравнения, минусовой вход которого подключен к каналу регулируемого параметра непосредственно, плюсовой вход элемента сравнения через первое динамическое звено соединен с каналом задания, установлены дополнительные динамические звенья, а также элементы сравнения, минусовые входы которых подключены к каналу регулируемого параметра непосредственно, а их плюсовые входы подключены к каналу задания соответственно через динамические звенья, выходы элементов сравнения соединены с входами интегратора и дифференциатора.
К настоящему времени известны разработки мощных универсальных ПИД-регуляторов, пригодных для управления многими технологическими процессами (например, пат. 2064193 РФ; Александров А.Г., Паленов М.В. Самонастраивающийся ПИД/И регулятор // Автоматика и телемеханика. 2011. №10. С. 4-18). Однако такие регуляторы (и алгоритмы, и схемное решение) не могут применяться, например, в системах управления дизельгенераторными установками, не только по причинам аппаратной несовместимости, но и по сложной структуре подходов, поскольку для серийного производства дизельных двигателей в составе электростанций они являются переразмеренными, громоздкими и дорогими.
При работе дизеля его свойства и параметры изменяются вследствие смены нагрузочно-скоростных режимов, и поэтому необходимы адаптивные способы управления, с помощью которых осуществляется адаптация законов регулирования (в данном случае ПИД-регулятора) к изменяющимся неизвестным параметрам объекта. Однако при изменении режима работы дизельного двигателя существует вероятность ухудшения качества регулирования частоты вращения коленчатого вала вплоть до ее раскачивания так, что система теряет устойчивость. Обычно при управлении технологическими объектами в таких случаях, чтобы исключить аварийную ситуацию, регулятор отключают и осуществляют процесс его самонастройки на текущий режим работы объекта. Такой способ является неприемлемым при регулировании дизелей, т.к. это не только приводит к большим ошибкам регулирования во время процесса адаптации ПИД-регулятора, но и невозможно по временному фактору: дизель может уйти в разнос в течение всего лишь 50 мс.
Процесс адаптации содержит две основные операции: идентификация (определение коэффициентов) объекта и синтез регулятора. Идентификация объекта затруднена колебаниями нагрузки объекта (резкие изменения температуры окружающей теплосеть среды, изменение числа потребителей электроэнергии), которые называются внешними возмущениями. В этих условиях необходимы специальные методы, учитывающие произвольные неизвестные внешние возмущения. Например, известен метод, в котором используется гармонический испытательный сигнал для уменьшения влияния внешних возмущений на результат идентификации (Александров А.Г. Адаптивное управление на основе идентификации частотных характеристик // Известия РАН: Теория и системы управления. 1995. №2. - С. 63-71). Такой метод применяется для инерционных систем управления технологическими производственными объектами.
Операция идентификации может быть построена на использовании переходных процессов при нормированном воздействии на вход регулятора (Полищук А.В. Настройка ПИД-регулятора систем автоматического регулирования объектов теплоэнергетического оборудования [электронный ресурс]. - Новосибирск: Новосибирский государственный технический университет.- С. 19. www.sworld.com.ua /konfer26/836.pdf.).
Аналогичный способ настройки рассматривается при исследовании системы с помощью переходного процесса (Шубладзе A.M., Кузнецов С.И. «Автоматически настраивающиеся промышленные ПИ и ПИД-регуляторы» // Автоматизация в промышленности. 2007. №2. - С. 15-17). Работа посвящена настройке ПИД-регуляторов в объекте управления при воздействии идентифицирующего сигнала, не превышающего 10% от диапазона изменения выходного сигнала управления. Смысл предлагаемого способа настройки состоит в том, что при реакции системы на ступенчатое управляющее воздействие осуществляется оценивание параметров ПИД-регулятора с последующим пересчетом этих параметров в оптимальные по степени устойчивости. Интересующие параметры оцениваются с помощью реакции системы на ступенчатое управляющее воздействие, т.е. с помощью переходного процесса. Определяется время начала и окончания переходного процесса, т.е. его продолжительность, и заранее назначенные пять характерных точек. Таким образом определяется качество переходного процесса и степень устойчивости системы управления. Оптимальные параметры ПИД-регулятора определяются и настраиваются автоматически (Описанный здесь способ принят за прототип).
Таким образом, способ автоматической настройки ПИД-регулятора для управления дизельным двигателем в составе электроагрегатов и электростанций состоит в том, что в логических блоках системы автоматического управления (САУ) осуществляется следующая последовательность действий: на вход САУ подают управляющее ступенчатое воздействие и по ее реакции на это воздействие осуществляют оценивание параметров ПИД-регулятора, определяют время начала и окончания переходного процесса, затем производят пересчет значений параметров ПИД-регулятора в оптимальные по степени устойчивости.
Однако реальные системы управления частотой вращения дизеля являются нелинейными, а рассматриваемый способ основан на линейной модели, что позволяет производить лишь приближенную оценку, и только одно это обстоятельство не позволяет согласиться с реально обеспечиваемой точностью и продолжительностью регулирования.
Таким образом, технической задачей предлагаемого изобретения является повышение качества (точности и быстродействия) регулирования частоты вращения дизеля.
Решение задачи может быть предложено в том, что анализ качества переходных процессов, происходящих в САУ, производят с помощью блока анализа, основу которого составляет искусственная нейронная сеть (структура которой реализует ассоциативную память, настроенную на распознавание типовых переходных процессов), осуществляющая анализ образа переходного процесса, по результатам которого определяют необходимость изменения коэффициентов регулятора, затем исходя из присвоенной переходному процессу оценки, производят одно из следующих действий: либо изменяют соответствующие коэффициенты регулятора; либо продолжают работу без изменения коэффициентов; либо изменяют значение коэффициентов на величину "по умолчанию", при этом предусматривается ограничение максимального и минимального значения интегральной составляющей, а также сброс накапливающейся интегральной суммы в зависимости от условий работы, а дифференциальную составляющую используют совместно с фильтром низких частот.
Изобретательский уровень этого предложения состоит в том, что анализ качества переходных процессов, происходящих в САУ, производят с помощью блока анализа, основу которого составляет ИНС (структура которой реализует ассоциативную память, настроенную на распознавание типовых переходных процессов), осуществляющая анализ образа переходного процесса, по результатам которого определяют необходимость изменения коэффициентов регулятора.
Функционирование предлагаемого способа осуществляется согласно логической структурной схеме, представленной на фиг. 1. Изображение исходного переходного процесса представлено на фиг. 2, изображение переходного процесса, подготовленного для передачи в ИНС - на фиг. 3.
На структурной схеме (фиг. 1) представлены: орган настройки 1 и датчик частоты вращения 2, соединенные с сумматором 3, выход которого соединен со входом ПИД-регулятора 4, а его выход связан с исполнительным механизмом (на схеме не показано) дизельного двигателя 5. Кроме того, датчик 2 соединен с функциональным блоком записи переходного процесса 6, а он, в свою очередь, - с блоком анализа 7, основу которого составляет ИНС, и который связан с блоком оптимизации 8 коэффициентов ПИД-регулятора. Блок оптимизации 8 коэффициентов логически связан с каждым из трех коэффициентов в ПИД-регуляторе 4.
Способ автоматической настройки ПИД-регулятора функционирует следующим образом.
P
i
d
В качестве исходных данных используются следующие величины (заданное значение частоты вращения дизеля r(t), текущее значение частоты вращения дизеля y(t), а также коэффициенты при пропорциональной составляющей К, интегральной K и дифференциальной K ПИД-регулятора. Заданное органом настройки 1 значение частоты вращения дизеля r(t) и текущее значение частоты вращения дизеля y(t), полученное с датчика частоты вращения 2, передаются в сумматор 3, где вычисляется отклонение e(t) текущего значения частоты вращения дизеля y(t) от величины ее заданного значения r(t). Величина отклонения e(t) передается в ПИД-регулятор 4, который вычисляет управляющее воздействие u(t) и передает его на исполнительный механизм дизеля 5, который, в свою очередь, реагирует на это изменением текущего значения y(t). Значения частоты вращения дизеля фиксируются в функциональном блоке записи переходного процесса 6 с частотой, достаточной для эффективного функционирования алгоритма, и через равные промежутки времени передаются для анализа в блок анализа 7, основу которого составляет ИНС, реализованная с целью оценки переходных процессов, происходящих в САУ. Исходя из оценки, данной переходному процессу, в блоке оптимизации 8 коэффициентов ПИД-регулятора 4 вычисляются новые значения его коэффициентов. Далее процесс повторяется.
ПИД-регулятор 4 функционирует следующим образом.
Аналоговая реализация ПИД-регулятора может быть представлена следующим выражением:
где u(t) - управляющее воздействие;
e(t) - рассогласование, вычисляемое по формуле:
r(t) - заданное значение управляемого параметра;
y(t) - измеренное значение управляемого параметра;
K - пропорциональный коэффициент;
i
T - постоянная времени интегрирования;
d
T - постоянная времени дифференцирования.
Обработка сигналов и вычисление управляющего воздействия производятся в дискретные моменты времени. Измерение сигнала и его обработка производится с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП) (на схеме фиг. 1 не показано) через равный период времени h. Дискретная работа алгоритма приводит к появлению задержки в вычислении управляющего воздействия.
Дискретная реализация ПИД-регулятора при помощи z-преобразования приводит к следующему выражению:
Для цифровой реализации наиболее удобным является представление данного закона управления при помощи разностей величин рассогласования в дискретные моменты времени.
Вычисление рассогласования для пропорционального и дифференциального компонентов регулятора заменяется разностью взвешенного значения заданного параметра и действительного значения, что дает большую гибкость при настройке:
где b, с - соответствующие весовые коэффициенты, k - дискретный момент времени, для которого вычисляется управляющее воздействие. Выражение для вычисления управляющего воздействия:
где k - номер дискретного значения.
Пропорциональная составляющая Р:
Интегральная составляющая I:
i1
i2
Значения коэффициентов b и b. зависят от способа интегрирования и приведены в таблице 1.
Когда система управления работает на различных режимах, велика вероятность того, что величина управляющего воздействия (или нагрузки) достигнет пределов рабочего диапазона исполнительного механизма. В этом случае исполнительный механизм остается в неизменном положении («в упоре»), несмотря на изменение управляющего воздействия, обратную связь в данном режиме работы можно считать разорванной. Ошибка регулирования при этом продолжает накапливаться, и интегральная составляющая существенно возрастает, что негативно сказывается на работе системы управления после выхода исполнительного механизма из ограничения. Для предотвращения подобного поведения САУ в управлении предусматривается ограничение максимального и минимального значения интегральной составляющей I, а также сброс интегральной суммы в зависимости от условий работы.
На практике коэффициент с принимается с=0. Дифференциальная составляющая используется совместно с фильтром низких частот согласно следующему выражению в изображении по Лапласу:
F
где T - постоянная времени фильтра, параметр N выбирается в пределах 8…10. Данные модификации позволяют обеспечить низкую восприимчивость дифференциальной составляющей к высокочастотным измерительным шумам.
Для вычисления дифференциальной составляющей используется следующее выражение:
d
Значения коэффициентов α и b зависят от способа дифференцирования и приведены ниже (табл. 2). Для расчетов может быть взят результат по любому подходящему способу.
В функциональном блоке 6 записи переходного процесса (фиг. 2) производится подготовка данных для передачи в блок анализа 7 следующим образом.
По оси времени происходит дискретизация данных (фиг. 3), разбить на d отрезков, число k соответствует размеру вектора входных данных для ИНС.
где Δt - период опроса,
1
t - время окончания регистрации переходного процесса,
0
t - время начала регистрации переходного процесса,
d - количество дискретных отрезков.
Из каждого отрезка выбирается максимальная относительная амплитуда ошибки регулирования. Результат для каждого отрезка передается в соответствующий нейрон входного слоя.
А - относительная амплитуда,
е - величина ошибки,
Δх - изменение заданного значения, вызвавшее переходный процесс.
Блок анализа 7 переходного процесса состоит из ИНС, структура которой реализует ассоциативную память, настроенную на распознавание типовых переходных процессов. В качестве исходных данных для анализа искусственной нейронной сетью используются данные, сохраненные в блоке 6. Основная задача работы данного функционального блока состоит в распознавании различных типов переходных процессов, статической ошибки регулирования и работу без ошибки.
0
1
Во время работы системы на холостом ходу на вход подается импульс. Данное воздействие приводит к кратковременному выводу системы из равновесного состояния. В момент подачи импульса регулятор отключен, обратная связь разорвана. После окончания импульсного воздействия вновь активируется регулятор и происходит стабилизация управляемого параметра в соответствии с текущим значением настройки r(t). Переходный процесс фиксируется в оперативной памяти как массив дискретных значений, полученных согласно выражениям (11) и (12). Время фиксации переходного процесса t и t является настраиваемым параметром и подбирается под конкретный объект управления, т.е. конкретный дизель в совокупности с электрическим генератором.
На следующем этапе при помощи ИНС производится анализ образа переходного процесса, по результатам которого определяется необходимость изменения коэффициентов регулятора. Исходя из присвоенной переходному процессу оценки, производится одно из следующих действий:
1. Изменение соответствующих коэффициентов регулятора;
2. Продолжение работы без изменения коэффициентов;
3. Значение коэффициентов меняется на величину "по умолчанию".
В случае действия по варианту 1 происходит повторение процесса настройки до тех пор, пока не будет получен результат, не требующий продолжения настройки. В случае действия по варианту 2 процесс настройки завершается без последующего изменения коэффициентов. В случае действия по варианту 3 происходит применение исходных настроек структуры параметров регулятора, после чего процесс подачи тестового управляющего сигнала повторяется.
Таким образом, с помощью данного способа автоматической настройки ПИД-регулятора для управления дизельным двигателем в составе электроагрегатов и электростанций можно добиться прецизионной точности частоты вращения, и осуществлять ее подстройку в течение всего его жизненного цикла.
Современный уровень развития электронной промышленности позволяет выпускать электронные блоки управления, обеспечивающие применение предлагаемого способа управления.