Регулятори частоти обертання зі змінною структурою

Головними чинниками, що визначають ефективність МПСК дизеля, є алгоритми регулювання частоти обертання і реалізуючі їх структури регуляторів в мікроконтролері.

Синтез МПСК частотою обертання полягає в знаходженні оптимального або достатньо близького до нього, алгоритму регулювання, а також структури регулятора, що реалізовує такий алгоритм.

Найвищі вимоги до якості керування пред'являються саме до МПСК частотою обертання.

При застосуванні сучасних комп'ютерних технологій в мікроконтролері двигуна можлива реалізація якнайкращих, гранично досяжних, значень показників якості двигуна, а висока якість регулювання частоти обертання розширює можливості підвищення якості регулювання також і решти параметрів двигуна і комплексного адаптивного керування.

Це відноситься, перш за все, до точності підтримки частоти обертання на усталених режимах, величині максимального відхилення і тривалості перехідних процесів відпрацювань змін навантаження, розгону і гальмування двигуна. Практично ця задача зводиться до забезпечення інваріантності частоти обертання від збурень - накидів і скидань навантаження, в максимально можливому діапазоні зміни навантаження.

Встановлено, що оптимізація МПСК частотою обертання по швидкодії мінімізує і максимальні відхилення частоти обертання в перехідних процесах.

Оскільки через запізнювання в каналі керування частотою обертання в двигуні абсолютна інваріантність частоти обертання при зміні навантаження недосяжна, то можна ставити тільки задачу досягнення інваріантності до половини технічно допустимої нестабільності частоти обертання на усталених режимах. Далі, під інваріантністю приймається саме ця її величина.

У МПСК частотою обертання для забезпечення інваріантності, безумовно, доцільне комбіноване (двоканальне) керування – по відхиленню частоти обертання і зміні навантаження двигуна. Інформацію і про навантаження, і про відхилення слід використовувати у будь-якому випадку якнайповнішим чином, оскільки це може забезпечити оптимізацію і нетипових режимів (наприклад, накид навантаження при незавершеному відпрацюванні скидання), підвищити надійність системи, зберегти достатню якість керування при відмовах деяких її елементів.

Динамічні характеристики двигунів істотно змінюються із змінами частоти обертання і навантаження. Тому забезпечення якості керування вимагає, як мінімум, програмної зміни налаштувань регуляторів у функції частоти обертання. Встановлено, що із зміною настройок, використовування в електронних МПСК частотою обертання двигунів лінійних жорстких структур дозволяє забезпечити показники якості, досягнуті в кращих зразках гідромеханічних систем керування частотою обертання, навіть декілька їх перевершити, проте інваріантність забезпечується ними хоча і в ширшому, але обмеженому діапазоні навантажень, що накидаються.

Доведено також, що для усталених і перехідних процесів відпрацювань різних дій оптимальні по швидкодії і точності алгоритми регулювання істотно різні.

Для двигунів бажані регулятори частоти обертання, здатні швидко пристосовуватися до режимів, що змінюються, умов роботи і збурень. З цієї точки зору найефективніші регулятори з нелінійними алгоритмами, здійснюваними системами із змінною структурою (СЗС), які володіють широкими можливостями поліпшення якості.

Для двигунів придатний тільки режим перемикань при використовуванні на фінальній стадії асимптотично стійких структур. У СЗС двигунів, оптимальних по швидкодії (коли критерій оптимальності – тривалість перехідного процесу), необхідне чергування форсуючої, демпфуючої і асимптотичної стійких структур. Тобто в перехідному процесі двигуна повинні по черзі діяти три різних за структурою регулятори частоти. У звичних механічних і навіть гідромеханічних регуляторах це дуже важко досягається.

На рис. 4.6 представлена спрощена схема регулятора частоти обертання із змінною структурою, а на рис. 4.7 показано можливість оптимізації перехідного процесу відробки таким регулятором стрибкоподібного накиду навантаження на двигун.

Рис. 4.6. Спрощена схема регулятора частоти обертання зі змінною структурою:

частоти обертання: n _з, – задана, n – дійсна; с труктури: 1 – форсуюча, 2 – демпфуюча; 3 – завершальна; П – перемикач структур; ППС – пристрій перемикання структур; u _н – навантаження двигуна; u_1-3 – вихідні сигнали перемикаючих структyр; u _S – результуючий сигнал

4.7. Оптимізація перехідного процесу відпрацювання стрибкоподібного накиду навантаженння на двигун змінної структури в регуляторі частоти:

структури: 1 – форсуюча; 2 – демпфуюча; 3 – завершальна; u _1–3 – вихідні сигнали перемикаючих структур; u _S – результуючий сигнал; j – відносне відхилення частоти обертання; j_ст.доп – допустиме в статичному режимі відносне відхилення частоти обертання; t ₁, t ₂– моменти першого і другого перемикання структур; t _п.opt – тривалість оптимального перехідного процесу

 

На вхід в регулятора поступають задана і дійсна частоти обертання, а також сигнал u _н про навантаження двигуна, наприклад, з вимірювача потужності. У регуляторі обчислюється відхилення частоти . ППС діє за інформацією про відхилення частоти і навантаження двигуна.

На рис. 4.7 показано відносне відхилення частоти обертання .

Форсуюча структура релейна. Залежно від знаку відхилення вона формує на двигун гранично можливі дії: максимально допустиму, або нульову подачу палива. Демпфуюча структура також релейна, але має протилежний знак, тим самим за принципом дії вона не зменшує, а збільшує відхилення частоти. Завершальна структура реалізує звичний для двигунів лінійний пропорційно–інтегральний алгоритм регулювання частоти, забезпечуючи задану стійкість при аперіодичному перехідному процесі.

Форсуюча структура для двигуна, безумовно, нестійка. При постійній дії вона викличе незгасаючий коливний процес з частотою, максимально досяжною для двигуна. На рис. 4.7 такий процес представлений кривою 1. Очевидно, що розвиток такого процесу неприпустимий.

За нульових початкових умов мінімальна тривалість перехідного процесу в СЗС не може бути менше половини періоду гранично досяжного по швидкості коливального процесу. Змінна структура може виключити розвиток другого і подальших напівперіодів і зробити результуючий перехідною процес аперіодичним. Тому початок перехідного процесу доцільно відпрацьовувати з форсуючою нестійкою структурою системи керування частотою обертання.

У момент часу t ₁ коли значна частина відхилення буде усунена з максимально можливою швидкістю, форсуюча структура замінюється перемикачем ППС на демпфуючу. Швидкість усунення відхилення знижується, але, якщо залишити цю структуру включеною, процес піде по кривій 2. Двигун буде зупинений (при відпрацюванні скидання навантаження – піде в рознос). Тому у момент часу t ₂ необхідно перемкнутися з демпфуючої структури на третю, плавно завершуючу перехідний процес (крива 3).

Таким чином, СЗС може забезпечити аперіодичний перехідний процес, оптимальний по тривалості ( – від моменту накиду навантаження до моменту, коли відхилення знизиться до – значення, допустимого в сталому, спрощено – статичному режимі).

Для цього демпфування повинне виключити або хоча б зменшити перерегулювання, подавивши похідну помилки так, щоб і помилка, і її похідна одночасно досягли значень, близьких до допустимих для сталого режиму. Чим швидше здійснюється демпфування, тим довше відповідно може діяти попередня форсуюча структура, тобто тим більша частина помилки усувається з гранично досяжною швидкістю.

Синтез оптимальних по швидкодії систем керування частотою обертання зводиться до вибору вигляду і параметрів структур, що перемикаються, і визначенню моментів їх перемикання.

Реалізація тимчасових алгоритмів перемикання структури в мікроконтролері не представляє принципових утруднень за наявності достатньо точної інформації про збурення і можливі керуючі дії. За нульових початкових умов і стрибкоподібних типових збурень такі алгоритми повинні забезпечити оптимальний перехідний процес.

У реальних же умовах експлуатації можуть зустрічатися і не нульові початкові умови необхідна оптимізація перехідних процесів, викликаних неконтрольованими збуреннями або змінами завдання, а також сумісною дією декількох зовнішніх дій. У цих випадках тимчасові алгоритми перемикання не тільки не оптимальні, але можуть навіть погіршити якість регулювання в порівнянні з жорсткими структурами.

Тому для загального випадку необхідна комбінована МПСК частотою обертання із замкнутою схемою СЗС, що здійснює перемикання структури системи керування частотою обертання безпосередньо по керованих параметрах двигуна: частоті обертання, навантаженню їх похідним. Тільки такі параметричні алгоритми перемикання і розглядаються далі.

Спрощена еквівалентна структурна схема регулятора частоти обертання із змінною структурою, формуючого сигнал помилки порівнянням періодів представлена на рис. 4.8.

Рис. 4.8. Еквівалентна схема робастно–адаптивного мікропроцесорного регулятора частоти обертання зі змінною структурою: 1, 2, 3, 4. 5 – нелінійні елементи на входах каналів формування дій по навантаженню, пропорційного, інтегруючого і диференціюючого відповідно; u _н – сигнал вимірювача навантаження; Т _зч – період повторення імпульсів задавача; Т _дч – період повторення імпульсів давача; – сигнал помилки; u _п – вихідний сигнал пропорційного каналу; u _і – вихідний сигнал інтегруючого каналу; u _д – вихідний сигнал диференціюючого каналу; – сумарний сигнал трьох паралельно діючих каналів; u _ч – вихідний сигнал регулятора частоти обертання; u _об – обмеження, діючі на вихідний сигнал регулятора частоти

Схема еквівалентна багатьом варіантам програмної або апаратурної реалізації, але також формально повністю відповідає деяким реальним виконанням.

У загальному випадку керуюча дія регулятора отримується сумуванням вихідних сигналів трьох паралельно діючих каналів. u _п – вихідного сигналу каналу, умовно, без урахування нелінійності, названого пропорційним. Він формує дію по і реальній похідній сигналу, якщо він є в системі, вимірювача навантаження (потужності або моменту опору) u _н. u _н може відображати зміну активної потужності генератора електричної передачі або стану інших видів передач. Дію інтегруючого каналу позначено u _і, а диференціюючого – u _д. Їх передавальні функції відповідно 1/ s і s /(Т _д s + 1).

На входах пропорційного, інтегруючого і диференціюючого каналів включені нелінійні елементи. У простому варіанті вони мають шматково–постійні характеристики з мінімумом точок зламу. У функції відхилення частоти обертання і навантаження нелінійні елементи забезпечують зміну коефіцієнтів передачі від 0 (повного виключення відповідних каналів) до безмежності, створюючи тим самим в поєднанні з обмеженнями релейну характеристику.

Вихідний сигнал регулятора u _ч, безпосередньо керуючий подачею палива, отримується з в нелінійному елементі типу обмеження, рівень якого визначається сигналом u _об, залежним від стану двигуна і інших, окрім подачі палива, керуючих дій. Пропорційно u _ч змінюється подача палива (у системах імпульсного керування тривалістю імпульсу) так, щоб дійсна частота обертання наблизилася до заданої.

На сталому режимі діють пропорційний і інтегруючий канали. Вони забезпечують оптимальний за умов стійкості в малому пропорційно–інтегральний алгоритм регулювання частоти обертання.

При появі відхилення частоти обертання або істотній стрибкоподібній зміні навантаження (якщо вона контролюється) вхідні сигнали нелінійних елементів виходять за точки зламу характеристик. Коефіцієнт передачі пропорційного каналу поетапно збільшується порівняно з початковим значенням практично до безмежності, створюючи тим самим релейну характеристику. Коефіцієнт передачі інтегруючого каналу зменшується, відключаючи цей канал. Включається диференціюючий канал до переходу на релейну характеристику. Цей стан регулятора і є форсуючою структурою, початковою для керування перехідним процесом.

Умови для першого в перехідному процесі перемикання структури виникають після зміни знаку похідної , тобто після того, як відхилення почало зменшуватися. Забезпечення оптимальних моментів першого перемикання досягається зміною коефіцієнтів передачі і точок зламу характеристик нелінійних елементів пропорційного і диференціюючого каналів у функції і u _н. Демпфуюча структура створюється переважаючою дією u _д на другому інтервалі перехідного процесу.

Друге перемикання відбувається при подальшому зниженні відхилення частоти обертання до рівня, що відповідає точкам зламу нелінійних характеристик найближчих до початку координат. При цьому відключається диференціюючий канал і включається інтегруючий. Це повинне відповідати моменту висновку МПСК частотою обертання близько до усталеного режиму.

Врешті, перемикання структур визначаються настройками точок зламів нелінійних характеристик і співвідношеннями коефіцієнтів передачі каналів. Ці настройки можуть бути постійними, оптимальними для визначального режиму, або варійованими адаптивним пристроєм у функції стану двигуна і зовнішніх дій. У такому варіанті реалізується програмна адаптація точок зламів нелінійних характеристик. У всьому іншому регулятор залишається робастним. На рис. 4.8 можливості зміни настройок показані паралельними лініями в середніх ділянках нелінійних характеристик.