على الأرجح ، كان لدى كل من درس نظرية التحكم التلقائي شكوكًا متكررة حول كيفية تمثيل هذين المربعين أو الثلاثة أو حتى العشرة مربعات من وظائف النقل في النموذج ديناميكيات وحدة معقدة ، مثل مفاعل نووي أو محرك طائرة. هل يوجد غش هنا؟ من الممكن أن يتوقف العمل مع النماذج البسيطة عن العمل مع النماذج المعقدة في الحياة "الواقعية".
في هذه المقالة ، سنختبر نموذج محرك الطائرة "الحقيقي". وقد أحاطت به نماذج "حقيقية" للمعدات وخوارزميات التحكم من محطة للطاقة النووية.
في البداية ، تم كتابة النموذج في فورتران وهو مخصص لبعض الأغراض العلمية ذات الصلة بأنظمة إدارة المحرك. تم إعطاء هذا النموذج لنا كمثال ومهمتنا كانت تكرار النموذج في شكل هيكلي وإثبات أنه يتزامن مع النموذج الأصلي. الذي تم القيام به.
بمجرد أن تحول النموذج من قائمة فورتران إلى مخطط كتلة ، أصبح من السهل والعمل معه ، وإجراء أي ، أكثر التجارب "تعقيدًا". ليس من قبيل المصادفة أنني تحولت إلى خوارزميات تحكم NPP حقيقية. هذا جعل من الممكن تجميع نموذج للتجارب بسرعة دون استخدام أي صيغ ، نعم نعم ، فقط الصور.
نموذج المحرك
النموذج عبارة عن مجموعة من الكتل النموذجية التي تم تكوينها لمحاكاة المكونات المختلفة لمحرك معين. في مقال سابق ، قمنا بتفكيك محرك توربين غازي يتم فيه إزالة الطاقة الصافية باستخدام عمود. في المحرك النفاث ، تكون القدرة الصافية هي الدفع النفاث ، لكننا سنتحكم في السرعة.
يظهر المخطط العام للنموذج في الشكل 1.
الشكل 1. الشكل التوضيحي لنموذج هيكلي لمحرك نفاث.على الرغم من حقيقة أن الرسم التخطيطي للنموذج يشبه تناثر الأجزاء ثلاثية الأبعاد ، إلا أنه في الواقع عبارة عن مجموعة من العناصر الهيكلية المترابطة.
كتجربة ، سنحاول ، كما في المقالة السابقة ، التحكم في إمدادات الوقود للحصول على السرعة المطلوبة.
للقيام بذلك ، نحتاج إلى غرفة احتراق ، في خصائصها نجد استهلاك الوقود - الذي سنقوم بتغييره. وفي المعلمات ، تحتوي الغرفة على ضغط مدخل ، والذي يتم حسابه في هذه الكتلة. (انظر الشكل 2 و 3)
الشكل 2. الشكل 2. خصائص غرفة الاحتراق.الشكل 3. معلمات غرفة الاحتراق.كسرعة قابلة للتعديل ، نأخذ دورات عمود الضغط المنخفض. يبدو لي أن ثوراتها تعتمد بشكل أكثر تعقيدًا على ضغط الإمداد بالوقود من ثورات عمود الضغط العالي ، الذي يتأثر بالغازات بعد غرفة الاحتراق.
نموذج تسليم الوقود
في النموذج الأصلي ، يتم تحديد إمدادات الوقود بالكيلوغرام / ثانية ، كشروط الحدود للنمذجة ، في شكل وظيفة مجدولة للوقت. نريد إنشاء نموذج قريب من النموذج "الحقيقي" ، لذلك سنستخدم الاقتراح من المقالة السابقة وننشئ نموذجًا هيدروليكيًا لإمداد الوقود من أنبوب وصمام كهربائي.
كنموذج ، سنضع أنبوبًا بقطر 10 مم ، نضع عليه صمامًا كهربائيًا. يتم ضبط الضغط على جانب واحد من الأنبوب ثابتًا ، بافتراض أن مضخة الوقود تعمل هناك. سيتم أخذ الضغط على الجانب الآخر من نموذج المحرك. في نهاية الأنبوب ، نضيف تضييقًا مرتين لمحاكاة الفوهة. (الشكل 4)
الشكل 4. نموذج تزويد الوقود للمحرك.يتضمن النموذج اعتماد التغيير في المقاومة الهيدروليكية للصمام على موضع الصمام.
سيسمح لنا هذا النموذج بمراعاة تأثير الضغط في غرفة الاحتراق على استهلاك الوقود ، وتوفير التغذية المرتدة. وعندما نزيد استهلاك الوقود ، فإننا نزيد الضغط في غرفة الاحتراق ، وبالتالي ، ينخفض الفرق بين مضخة الوقود وغرفة الاحتراق ، مما يؤدي إلى انخفاض استهلاك الوقود .
يتم تحديد تكاليف الأنبوب عن طريق حل معادلة تدفق السوائل غير الثابتة ، مع مراعاة الاحتكاك واللزوجة والكثافة والتأثيرات الفيزيائية الأخرى ، والتي سيستغرق وصفها - ثلاث صفحات من الصيغ.
نموذج الإدارة
لمحاكاة نظام تحكم حقيقي ، سنأخذ نموذج المنظم لتزويد البخار بالتوربين من مشروع التحكم NPP. ليس فقط PID الذي يعطينا موضع الصمام ، ولكن نموذج صادق يحتوي على:
- نمذجة تشغيل محرك الدفع مع مراعاة منطقة عدم الحساسية والتأخير وسرعات الفتح والإغلاق.
- FIR (مرحل التحويل النبضي) عبارة عن كتلة غير خطية توفر تحويل إجراء التحكم في الأمر "open" و "close".
- تحكم PID.
- الجمود في مستشعر السرعة.
لوصف جميع الكتل والنماذج المدرجة ، ستحتاج إلى مائة وخمسين صفحة أخرى من النص ، لذا قدم الصور بأقل قدر من التفسير.
نموذج الصمام
إنه نموذج من المحرك ونظام التحكم المحلي.
المحرك عبارة عن أداة دمج صعبة تقوم بمعالجة الأوامر "المفتوحة" و "المغلقة" ، مع مراعاة سرعة حركة معينة للتأثيرات المحتملة ، وانقطاع التيار الكهربائي ، وما إلى ذلك. (انظر الشكل 5) عند الخروج من هذه الكتلة ، يتم حساب موضع الصمام في كل نقطة زمنية في محاكاة العملية
الشكل 5. نموذج محرك كهربائيللتحكم في المحرك الكهربائي للصمام ، يتم استخدام وحدة التحكم في الصمام (BUK) ، والتي توفر معالجة منطقية للأوامر الواردة والفشل المحتمل المحتمل ، وتولد أيضًا جميع الإشارات اللازمة لأنظمة الإشارة والتحكم. (انظر الشكل 6)
الشكل 6. نموذج وحدة التحكم في الصمام (BEECH)الرسوم البيانية في الأشكال 5-6 هي مخططات مكتبية نموذجية لنمذجة محطات الطاقة النووية. لا يتم تغيير هذه الكتل من قبل المستخدم ، ولكن يتم تجهيزها واستخدامها لإنشاء خوارزميات تحكم. يتم إنشاء خوارزميات التحكم في شكل أوراق. في حالتنا ، يتم عرض ورقة خوارزمية التحكم في الصمام في الشكل 7.
التكوين المباشر للأمر "فتح" أو "إغلاق" (المزيد ، أقل) يتم في كتلة تحويل التتابع من البقول (FIR). يمكن تنفيذ هذه الوحدة على "منطق الحديد" (الترانزستورات والمرحلات ومكبرات الصوت) وفي شكل برنامج.
عند إدخال كتلة EPI ، يتم حساب عدم التطابق ، ويتم حسابه بواسطة كتلة PID في شكل نسبة الانحراف. بناءً على هذه البيانات ، تولد الوحدة نفسها نبضات "مفتوحة" أو "قريبة" (المزيد ، أقل) لوحدة التحكم في الصمام. يظهر الرسم التخطيطي للكتلة EPI في الشكل 8.
يظهر خوارزمية التحكم في السرعة في الشكل 9.
كبيانات أولية لحساب منظم الضغط ، يتم استخدام السرعة المضبوطة وقراءات المستشعر.
يتم عرض خوارزمية PID نفسها في الشكل 10.
يأخذ مستشعر السرعة في الاعتبار التأخير والقصور الذاتي وخطأ المستشعر الحقيقي. يظهر الرسم التخطيطي لطراز المستشعر في الشكل 11.
الشكل 7. خوارزمية التحكم في الصمامالشكل 8 الشكل 8. مخطط كتلة منطقة معلومات الطيرانالرقم 9 الشكل 9. خوارزمية مقبض التحكمالرقم 10 الرقم. PID تحكمالشكل 11. نموذج الاستشعاركما نرى ، النموذج مفصل تمامًا (أكثر من ألف قالب) وليس خطيًا على الإطلاق.
نظرًا لأننا في هذه التجربة نستكشف إمكانية تحسين وإدارة الأنظمة المعقدة ، فإن تفاصيل النموذج الرياضي مهمة بالنسبة لنا من وجهة نظره غير الخطية وتعقيدها. لذلك ، فإن هذا المزيج "البري" من برنامج تحكم حقيقي من منظمي NPP ونموذج محرك "حقيقي" يشكل مهمة اختبار المنظمين بالنماذج المعقدة.
- يستخدم نظام التحكم الإعدادات التالية:
- وقت فتح الصمام وإغلاقه - 10 ثوانٍ
- نطاق تنظيم سرعة المحرك - 1500 - 4000 دورة في الدقيقة
- نطاق ميت للمنظم - 1٪
ضبط النموذج والتجربة العددية
يصف النموذج الذي نستكشفه المحرك فقط. ويتم تعيين جميع إجراءات التحكم ، مثل استهلاك الوقود ، وزوايا دوران ريشة التوجيه ، ومعدلات التدفق ، وما إلى ذلك ، في شكل وظائف تتغير بمرور الوقت. لقد أنشأنا نموذج إمداد وقود "أكثر صدقاً" ونحاول توصيله بنموذج المحرك. تصميم التجربة العددية كما يلي:
- جلب نموذج المحرك إلى السرعة الاسمية ؛
- تبديل إمدادات الوقود إلى نظام التحكم الذي تم إنشاؤه ؛
- ضبط السرعة.
يوضح الشكل 12 دائرة التحكم لإجراء تجربة عددية.
الشكل 12. نموذج التحكم العددي التجربةيمكن أن يعمل النموذج في وضع التحسين أو في وضع التحكم.
عند تشغيل وضع التحسين ، تعمل وحدة التحسين ؛ في وضع إيقاف التشغيل ، لا تشارك في الحساب.
تعتبر جميع النماذج المتصلة في حزمة واحدة لتبادل البيانات بشكل متزامن من خلال قاعدة بيانات إشارة. في مشروع إدارة الفواتير ، يتم نقل البيانات من نموذج إلى آخر. على وجه الخصوص ، يتم نقل الضغط من غرفة الاحتراق للمحرك إلى الضغط عند مخرج نظام الوقود ، ويتم نقل الثورات المحسوبة لعمود الضغط المنخفض إلى نموذج المستشعر للمحاسبة في نظام التحكم.
لمحاكاة عدم دقة قياس السرعة ، تتم إضافة الضوضاء البيضاء إلى القيمة المحسوبة لسرعة العمود.
يتم نقل السرعة المضبوطة إلى وحدة التحسين. لرصد جودة عابر ، يتم استخدام معدلات التدفق ومواقف الصمام.
يتكون نظام التحكم على شكل آلة حالة ذات ثلاث حالات (انظر الشكل 13):
- تسريع المحرك. في هذه الحالة ، يعمل نموذج المحرك بشكل مستقل عن نظام الوقود ، ويتم تعيين استهلاك الوقود كوظيفة خطية جزئية. يتم إيقاف تشغيل المنظم ، ويتم نقل دورات عمود الضغط المنخفض المحسوبة إلى الثورات المحددة. اعتمادًا على إشارة المستوى العلوي ، يمكن أن يحدث الانتقال إما في حالة التحسين أو في حالة التحكم.
- التحسين. في هذه الحالة ، يتم أخذ استهلاك الوقود من النموذج الهيدروليكي ونقله إلى طراز المحرك. جهاز التحكم PID قيد التشغيل ويضبط موضع الصمام. يتم أخذ معاملات PID لوحدة التحكم من كتلة التحسين وتطبيقها على وحدة التحكم في وضع التحسين. كإجراء اختبار ، يتم تعيين تغيير في سرعة المحرك.
- الإدارة. تمامًا مثل التحسين ، باستثناء نقل المعاملات إلى وحدة تحكم PID.
الشكل 13. آلات الدولة لنظام إدارة المحركالشكل 14. الحالات "تسريع المحرك" و "التحسين"يتم ضبط وحدة التحكم عن طريق طريقة التحسين. يظهر الرسم التخطيطي لكتلة التحسين في الشكل 15. اعتمادًا على وحدة التحكم المستخدمة في النظام للتحكم ، تختار كتلة التحسين القيم إما لكتلة PID أو كتلة التحكم الغامضة.
عند الإعداد ، لا يتم أخذ الضوضاء البيضاء في الاعتبار (في الكتلة يتم تعيينها على 0).
الشكل 15. كتلة تحسين المنظميننتائج المحاكاة
لتحديد معاملات وحدة تحكم PID ، يتم استخدام العملية التالية:
في غضون 10 ثوانٍ ، يتم تنفيذ التسارع باستخدام منحنى استهلاك الوقود المحسوب مسبقًا. تبلغ سرعة دوران عمود الضغط المنخفض في نهاية التسارع 3564 دورة في الدقيقة.
في 10 ثوان من الحساب ، يتم تبديل جهاز الحالة. من هذه اللحظة ، يتم أخذ استهلاك الوقود من النموذج الهيدروليكي ، ويبلغ التردد المحدد للمنظم 3600 دورة في الدقيقة.
في 20 ثانية من الحساب ، يتغير التردد المضبوط - 3900 دورة في الدقيقة.
وبالتالي ، يجب أن يعمل المنظم خطوة 36 دورة في الدقيقة في 10 ثانية من الحساب وخطوة 300 دورة في الدقيقة في 30 ثانية من الحساب.
تتكيف وحدة التحكم PID المضبوطة بنجاح مع هذه المهمة ، مع الأخذ في الاعتبار حقيقة أنه في 10 ثوانٍ ، بالإضافة إلى القفزة في الثورات ، تحدث قفزة في استهلاك الوقود في لحظة التحول إلى النموذج الهيدروليكي (انظر الشكل 16)
الشكل 16. دوران وعمليات التحكم لجهاز التحكم PIDلإنشاء وحدة تحكم تستند إلى منطق غامض ونقاء التجربة ، نستخدم نفس وحدة تحكم PID التي تم تكوينها بالفعل (انظر الشكل 10) ، والتي نضيف إليها نموذج وحدة تحكم بناءً على منطق غامض ونستبدل خرج وحدة التحكم - بدلاً من PID ، نرسل إشارة تم الحصول عليها في منطق غامض .
وهكذا ، فإن جميع المعلمات الأخرى المتعلقة بالتطبيع ، ومنطقة عدم الحساسية ، وعمل مؤشر التحصين الموسع تبقى كما هي بالنسبة لـ PID.
ناتج وحدة التحكم ، مثل إخراج PID ، هو عدم تطابق النسبة المئوية.
وتركنا وحدة تحكم PID نفسها حتى نتمكن من مقارنة التأثيرات التي تعطيها الهيئات التنظيمية. (انظر الشكل 17)
الشكل 17. تحويل PID إلى منطق غامضيبدو المنظم نفسه كما هو الحال في المقالة الأولى . (انظر الشكل 18). عدم التوافق هو المدخل ، يتم تحديد المشتقات الأولى والثانية من عدم التطابق عدديًا ويتم استخدام قاعدة بسيطة من ثلاث قواعد:
- إذا كان أقل ويقل ويبطئ => ينقص.
- إذا كانت القاعدة ثابتة ولا تتغير => لا تتغير .
- إذا كان يزيد ويزيد ويسرع => يزيد .
الشكل 18. رسم تخطيطي لوحدة تحكم غامض.للتخصيص ، نستخدم نفس المتغيرات التي استخدمناها في المقالة الأولى - هذه هي نطاقات الانحراف للانحرافات المشتقة الأولى والثانية.
بعد التحسين ، نبدأ عملية الانتقال نفسها.
الشكل 19. دوران وعناصر التحكم للمنطق الضبابيلقد كان التحكم المنطقي الغامض على ما يرام. يرجى ملاحظة أنه وفقًا لموضع صمام البوابة ، تشكلت الخطوات "التي شكلناها بأنفسنا" عندما توقف الصمام ، وتوقف مؤقتًا ثم تحرك مرة أخرى.
انطلاقا من الجدول 19 ، تعامل المنطق الضبابي مع زيادة سرعة محركات الطائرات بشكل أفضل!
الآن سنقوم بتغيير ظروف المشكلة المضبوطة إلى الخطوة الإيجابية البالغة 300 دورة في الدقيقة ونختبر الخطوة السلبية -1500 دورة في الدقيقة. (إذا كنت تأخذ أكثر ، فقد يغلق الصمام ، لكنني لا أعرف كيف سيتصرف النموذج عند استهلاك الوقود صفر ، على الرغم من أن المحرك الحقيقي يسمح بإغلاق الوقود على المدى القصير.)
في 20 ثانية من الحساب ، نقوم بضبط التردد على 2100 دورة في الدقيقة. ودعنا نرى كيف يعمل المنظمون لدينا. الأول في الحلبة هو المنطق الضبابي.
الشكل 20. ممارسة تخفيض السرعة. منطق غامضالتجربة الثانية مع وحدة تحكم PID. وماذا نرى؟ هذا فشل كامل ، وحدة تحكم PID ، التي تم ضبطها لزيادة السرعة ، لم تستطع التعامل مع انخفاض التردد. (انظر 21) هناك شيء مثير للقلق الآن لمحطات الطاقة النووية لدينا.
تبين أن طراز المحرك عند عدد الدورات المنخفضة غير قابل للتحكم تمامًا بمساعدة وحدة تحكم PID التي تم ضبطها للتحكم في الدورات العالية.
بالمناسبة ، يمكن ملاحظة أن الإغلاق القصير لإمدادات الوقود (يغلق الصمام تمامًا) لا يؤدي إلى انهيار نموذج محرك التربو.
الرقم 21. ممارسة تخفيض السرعة. تحكم PID.هذا يطرح الشيك مع منظم SDA ، حيث يتم استخدام المشتق الثاني. نظرًا لأن مثل هذا النموذج قد تم إجراؤه بالفعل على المقالة السابقة (انظر الشكل 22) ، فإن تحويل المنطق الضبابي إلى قواعد حركة المرور يستغرق ثانيتين. (انظر الشكل 23).
الشكل 22. رسم تخطيطي لقواعد المرور المنظم.الشكل 23. استبدال PID بقواعد المرور في خوارزمية التحكمنعدل وحدة التحكم بطريقة التحسين ونكرر تخفيض السرعة.
الرقم 24 اختبار انخفاض سرعة تحكم قواعد المرورعملت SDA مع التجاوز ، ولكن من الواضح أنها أفضل من PID ، وجيدة تقريبًا مثل المنطق الضبابي. ولكن هناك تجاوز!
دعونا نعقد المهمة - أضف الضوضاء إلى المستشعر
الآن دعنا نحاول إضافة ضوضاء بيضاء إلى مستشعر قياس الإشارة ونرى كيف تتصرف الهيئات التنظيمية مع المستشعر الحقيقي. المنطقة الميتة هي 1٪ من السرعة القصوى - 40 دورة في الدقيقة. اضبط الضوضاء البيضاء على 50 دورة في الدقيقة.
نظرًا لأن PID لا يعمل بسرعة أقل ، فسوف نقوم باختباره بزيادة.
من الواضح أن منظم التحكم في حركة المرور لا يتعامل مع هذه الضوضاء ، على الرغم من أنه يحافظ على السرعة المطلوبة ، ولكن صمام التحكم يهتز ، كما هو الحال في رقص سانت فيتوس ، عندما تكون السرعة المحددة قيد التشغيل. في الشكل 25 ، يتم تكبير القسم 25 - 26 ثانية من العملية بشكل خاص.
الشكل 25 زيادة عدد الدورات في الدقيقة مع وجود ضوضاء في المستشعر. أنظمة المرورالشكل 26 زيادة عدد الدورات في الدقيقة مع الضوضاء في المستشعر. تحكم PIDلم يتغير عابر وحدة التحكم PID على الرغم من الضوضاء في مستشعر RPM. تأتي الإدارة بخطوات واضحة وطويلة.
انحسر إنذار محطة الطاقة النووية.
الشكل 27. تحكم غامض مع ضوضاء في المستشعر.تتحكم أيضًا وحدة التحكم ذات المنطق الضبابي والضوضاء ، ولكن في لحظات التطبيق على حالة ثابتة ، تحدث تقلبات في وضع الهيئة التنظيمية.
الاستنتاجات
انتهت السلسلة الثالثة من اختبارات المنطق الضبابي ضد PID و SDA بانتصار المنطق الضبابي. على عكس النموذج البسيط للمقال السابق .
اتضح أنه من المستحيل التحكم في وحدة تحكم PID بسرعات منخفضة.
الميزة التجريبية المحددة لـ PID هي عدم وجود تذبذبات مع جهاز استشعار صاخب.
بالمناسبة ، تبين أن ديناميكيات المحرك (الرسم البياني للتسارع) تشبه إلى حد كبير ديناميكيات النموذج المبسط.