CC BY
1
УДК 681.516.77: 621.313.12-883 https://doi.org/10.35546/kntu2078-4481.2021.2.3
Ю.О.ЛЕБЕДЕНКО
Херсонський нацiональний технiчний ушверситет
ORCID: 0000-0002-1352-9240 ОК. КОЛЕБАНОВ
Херсонська державна морська академiя
ORCID: 0000-0002-9618-9105 ВВ. ДАНИК
Херсонська державна морська академiя
ORCID: 0000-0002-4439-0309
АДАПТИВНА СИСТЕМА КЕРУВАННЯ КОМБ1НОВАНИМ ПРОПУЛЬСИВНИМ КОМПЛЕКСОМ З НЕЧ1ТКИМ РЕГУЛЯТОРОМ
Стаття присвячена виршенню проблеми пгдвищення ефективностг процеав керування судновими комбтованими пропульсивними комплексами зарахунок впровадження диференцшного привод-генераторного агрегату та методгв адаптивного керування за допомогою нечтког логгки.
Метою даного досл1дження е розробка модель нечткого виводу, що може бути основою для побудови адаптивноi системи керування судновим комбтованим пропульсивним комплексом при дИ збурюючих фактор1в навколишнього середовища.
В роботi виконано аналгз структури суднового пропульсивного комплекса. На основi аналгзу юнематично'1' схеми визначено способи стабтзацИ частоти обертання валу основного синхронного генератора i частоти напруги змтного трифазного струму на виходi диференщального синхронного привiд-генераторного агрегату при змiнi частоти обертання валу головного двигуна.
Враховуючи нестацюнарний характер навантажень та обмежетсть тформацп про збурюючi впливи та стан об'екту, обтрунтовано доцшьтсть застосування нечткого регулятора для побудови адаптивно'1' системи керування судновим комбтованим пропульсивним комплексом. Розроблено структуру нечiткого регулятора, визначено терми вхiдних та вихiдних лiгнвiстичних змтних, обрано функци належностей, сформовано базу правил, яка враховуе зазначенi вище обмеження щодо визначення керуючого впливу - завдання бажано'1' потужностi на гвинтi.
Впровадження запропонованих адаптивних системи керування на основi моделi нечткого виводу дозволяе зменшити вплив збурюючих факторiв на роботу гребно '1'установки та стабшзувати параметри напруги бортово'1' мережi
Ключовi слова: адаптивна система, нечтка модель, судновий пропульсивний комплекс, диференщальний привод, валогенератор, оптимальне керування, регулятор.
Ю.О.ЛЕБЕДЕНКО
Херсонский национальный технический университет
ORCID: 0000-0002-1352-9240 А.К. КОЛЕБАНОВ
Херсонская государственная морская академия
ORCID: 0000-0002-9618-9105 В.В. ДАНИК
Херсонская государственная морская академия
ORCID: 0000-0002-4439-0309
АДАПТИВНАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ КОМБИНИРОВАННЫМ ПРОПУЛЬСИВНЫМ КОМПЛЕКСОМ С НЕЧЕТКИМ РЕГУЛЯТОРОМ
Статья посвящена решению проблемы повышения эффективности процессов управления судовыми комбинированными пропульсивными комплексами за счет внедрения дифференцированного привод-генераторного агрегата и методов адаптивного управления с помощью нечеткой логики.
Целью данного исследования является разработка модели нечеткого вывода, что может быть основой для построения адаптивной системы управления судовым комбинированным пропульсивным комплексом при воздействии возмущающих факторов окружающей среды.
В работе выполнен анализ структуры судового пропульсивного комплекса. На основе анализа кинематической схемы определены способы стабилизации частоты вращения вала основного синхронного генератора и частоты напряжения переменного трехфазного тока на выходе дифференциального синхронного повод-генераторного агрегата при изменении частоты вращения вала главного двигателя.
Учитывая нестационарный характер нагрузок и ограниченность информации о возмущающие воздействия и состояние объекта, обоснована целесообразность применения нечеткого регулятора для построения адаптивной системы управления судовым комбинированным пропульсивным комплексом. Разработана структура нечеткого регулятора, определены термы входных и выходных лигнвистических переменных, выбраны функции принадлежностей, сформирована база правил, которая учитывает указанные выше ограничения по определению управляющего воздействия - задача обеспечения желаемой мощности на винте.
Внедрение предложенных адаптивных системы управления на основе модели нечеткого вывода позволяет уменьшить влияние возмущающих факторов на работу гребной установки и стабилизировать параметры напряжения бортовой сети
Ключевые слова: адаптивная система, нечеткая модель, судовой пропульсивный комплекс, дифференциальный привод, валогенератор, оптимальное управление, регулятор.
Yu.O. LEBEDENKO
Kherson National Technical University
ORCID: 0000-0002-1352-9240
V.K. KOLEBANOV
ORCID: 0000-0002-9618-9105 Kherson State Maritime Academy
V.V. DANYK
Kherson State Maritime Academy
ORCID: 0000-0002-4439-0309
ADAPTIVE CONTROL SYSTEM OF THE COMBINED PROPULSIVE COMPLEX
WITH A FUZZY REGULATOR
The article is devoted to solving the problem of increasing the efficiency of control processes for ship combined propulsion complexes through the introduction of a differentiated drive-generator unit and adaptive control methods using fuzzy logic.
The purpose of this study is to develop a fuzzy inference model, which can be the basis for building an adaptive control system for a ship's combined propulsion complex under the influence of disturbing environmental factors.
The paper analyzes the structure of the ship propulsion system. On the basis of the analysis of the kinematic scheme, methods of stabilizing the rotational speed of the main synchronous generator shaft and the voltage frequency of the alternating three-phase current at the output of the differential synchronous drivegenerator unit when changing the rotational speed of the main engine shaft are determined.
Taking into account the non-stationary nature of the loads and the limited information about the disturbing effects and the state of the object, the expediency of using a fuzzy controller for building an adaptive control system for the ship's combined propulsion complex has been substantiated. The structure of a fuzzy controller has been developed, the terms of input and output linguistic variables have been determined, the functions of accessories have been selected, a rule base has been formed, which takes into account the above restrictions on determining the control action - the task ofproviding the desired power on the propeller.
The introduction of the proposed adaptive control systems based on the fuzzy inference model allows to reduce the influence of disturbing factors on the operation of the propulsion system and stabilize the voltage parameters of the on-board network
Key words: adaptive system, fuzzy model, ship propulsion complex, differential drive, shaft generator, optimal control, regulator.
Постановка проблеми
Одним з напрямшв тдвищення економ1чносп i надшносп суднових електроенергетичних систем (СЕЕС) е використання потужносп головно! енергетично! установки (ГЕУ) для виробництва електроенергп. В даний час на судах широко використовуються СЕЕС з прямим i непрямим ввдбором потужносп в1д ГЕУ. У системах з непрямим ввдбором потужносп прив1д генератор1в забезпечуеться утил1зацшними турбогенераторами або турбшами, яш працюють безпосередньо на вихлопних газах ГЕУ. До складу систем з прямим вщбором потужносп входять валогенераторш установки (ВГУ), в яких привад генератор1в здшснюеться безпосередньо або через редуктор ввд ГЕУ [1].
Доцшьнють застосування систем з ВГУ доведена багатор1чним досвщом експлуатацп. Застосування ВГУ дозволяе ввдмовитися ввд експлуатацп вах або частини дизель-генератор1в (ДГ) в ходових режимах судна. Зниження експлуатацшних витрат при використанш ВГУ обумовлено бшьш
низьким значениям питомого розходу палива головних двигушв порiвняно з питомим розходом палива ДГ та скороченням експлуатацiйних витрат СЕЕС в цшому [2].
Крiм того, у цей час намгшлися напрями в розвитку, удосконалюваннi й застосуваннi суднових енергетичних систем, що мiстять напiвпровiдниковi перетворювачi частоти, зокрема стосовно дослвдження й впровадження комбiнованих електромеханiчних пропульсивних комплексiв та 1х систем керування. При цьому особлива увага придшяеться питанням шдвищення надiйностi енергопостачання судна, створенню перспективного суднового електроенергетичного обладнання за рахунок штеграци його в £ЕЕС. Крiм того, при виршент вiдзначених проблем особлива увага придшяеться питанням вибору електричних машин пропульсивних комплекав, валогенераторних установок, а також розробки 1х систем керування з урахуванням особливостей роботи й режимiв СЕУ та динамiки судна [3].
Найважлившою проблемою в КПК е узгодження м1ж частотою судново! мереж! та швидшстю обертання головного двигуна, що може бути забезпечено нашвпроввдниковими перетворювачами частоти з керованими випрямлячами i iнверторами з вiдповiдними автоматизованими системами керування, при цьому особливий штерес представляють валогенераторнi установки з диференщальними редукторами.
Анатз останнiх дослщжень i публiкацiй
Принципiальна електрична схема електромехашчного пропульсивного комплекса з синхронно-асинхронним диференцiальним агрегатом представлений на рис. 1 [4]. Вш складаеться з наступних основних елементiв i пристро!в: диференцiального механiзму (ДМ); - безконтактного трифазного основного синхронного генератора (СГ); генератора опори (АД); випрямляча (В) i iнвертора (I); регулятора напруги (РН) i регулятора частоти (РЧ), апаратури захисту i управлшня.
В якостi генератора опори може бути використано асинхронна машина (АМ), що може працювати як в генераторному режим^ так i в двигуновому. Це дае змогу як вщбирати потужнiсть з валопроводу для живлення споживачiв у ходовому режим^ так i використовувати синхронний генератор (СГ) як привад гвинта заметь головного двигуна. АД в такому режимi забезпечуе пуск СГ, розгоняючи його до шдсинхронно! частоти.
Рис. 1. Принцишальна електрична схема синхронно-асинхронного диференщального агрегату
Кiнематична схема КПК з ДМ наведена на рис. 2.
О^м зазначених вище компоненпв, вона мiстить також роз'еднувальнi муфти М1, М2, М3, що забезпечують необхiдну конфiгурацiю КПК та вщповщш обраному режиму функцiонування (РТ1/РТО/РТН) напрямки передачi мехашчно! енерги [5].
Таким чином, стабшзаци частоти обертання валу основного синхронного генератора, а отже, i частоти напруги змшного трифазного струму на виходi диференцiального синхронного привщ-генераторного агрегату при змш частоти обертання валу ГД забезпечуеться вiдповiдною змiною частоти обертання генератора опори за допомогою регулювання його мехашчного моменту змiною величини активно! потужносп, що передаеться вiд генератора опори через випрямляч i швертор в мережу змiнного струму. При цьому в сталому режимi роботи активш потужностi генераторiв повиннi бути перерозподшеш мiж собою таким чином, щоб на всьому дiапазонi частот обертання ГД при рiзних величинах навантаження на виходi диференцiального синхронного привщ-генераторного агрегату наведенi мехаиiчнi моменти основного синхронного генератора i генератора опори були рiвнi мiж собою.
Рис. 2. Шнематична схема синхронно-асинхронного диференщального агрегату
Це може бути досягнуто наступними шляхами [6]:
- змшою величини напруги постшного струму на входi швертора при постiйному значенн1 кута випередження;
- змiною кута випередження швертора при постшному значеннi напруги на його входц
- змiною напруги на виходi генератора опори при використанш некерованого випрямляча;
- змшою напруги на виходi керованого випрямляча допомогою змши кута управлiння;
- при змшаному управлiннi.
Враховуючи випадковий характер навантажень як з боку електрично! енергосистеми, так i безпосередньо рухово! установки, що ускладнюе процедуру пошуку оптимального керування в реальному чаи, доцшьно тдвищити ефективнiсть керування КПК за рахунок впровадження нечетких алгоритмш.
Формулювання мети досл1дження
Метою даного дослiдження е розробка модель нечеткого виводу, що може бути основою для побудови адаптивно! системи керування судновим комбшованим пропульсивним комплексом при ди збурюючих факторiв навколишнього середовища.
Викладення основного матерiалу дослвдження
Виходячи з рис. 1, блок оптимiзацil системи керування КПК мае визначати параметри налаштувань регулятора оберпв ВГ, що здiйснюе керування ПЧ генератора опори. Проведенi дослiдження на комп'ютернш моделi показали, що достатню ефективнiсть та прийнятнi показники якосп перехвдних процесiв забезпечуе П1-алгоритм керування, при чому в залежностi ввд ступеня навантаження ГД для забезпечення необидно! тривалостi перехiдних процесiв необхвдно модифiкувати саме пропорцiйну складову регулятора завдання швидкостi обертання ГО [7].
Таким чином, можна запропонувати наступну структуру нечiткого регулятора КПК з блоком оптишзацд, наведену на рис. 3.
Д1
0>п
№их
р*
Рис. 3. Структура нечггкого регулятора КПК з ДМ
Основою регулятора е П1-регулятор, пропорцшний коефщент якого визначаеться за допомогою модел1 нечiткого виводу, в залежносп вiд потужностей КПК та СЕЕС зпдно функцiонала мети:
J -
} вих * к)- nвих к )]2 • &,
о
де NВИХ ) та NВИХ ) - задана та дшча механiчнi потужностi на гвинтi судна; та обмежень:
(1)
рел + ркпк - рв.сп.
(2)
де РЕЛ - електрична потужшсть, що виробляеться допом1жною енергетичною установкою судна, РКПК -електрична потужшсть, що вщбираеться вiд КПК, РВ СП - необхiдна потужнiсть споживачiв.
Згiдно запропонованого функцiонала мети (1) та обмежень (2), контролер нечггко! лопки аналiзуе двi вхiднi змшш: нормоване середньоквадратичне вiдхилення вихвдно! потужносп А N та нормоване вщхилення м1ж вироблюваною та споживаною потужшстю СЕЕС А Р. Тодi як вихвд нечiткого контролера - бажаний рiвень нормовано! частоти генератора опори /вих.
Вiдповiднi терми нечетких змiнних адаптивного регулятора КПК з ДМ наведено в таблищ 1.
Таблиця 1
Терм Назва Меж1 Опис
Т1 Нормоване середньоквадратичне в1дхилення вих1дно! потужностi А N ={«менша», «середня», «бiльша»}, А NE [- 1 ;1]. Вхвдна нечiтка змiнна. Рiзниця мiж заданою потужнiстю на гвинп та дiйсним значенням. Обмеження означае максимально можливу рiзницю м1ж потужшстю, що забезпечуеться КПК, та потужшстю завдання.
Т2 Нормоване вщхилення м1ж вироблюваним та споживаним струмом, А Р={«низький», «середнiй», «високий»}, АР Е [0; 6]. Вх1дна нечiтка змiнна. Обмеження означае максимально допустиме значення збурюючо! величини - споживаного струму, нормованого до номiнального.
Т3 Бажаний рiвень нормовано! частоти генератора опори /вих = {«низька», «середня», «висока»}, /вих Е [0; 2]. Вих1дна нечiтка змшна. Обмеження означае, що в залежносл в1д значення вх1дних терм-множин, вiдбуваеться коригування бажаного рiвня напруги.
Нечеткий набiр для кожного входу розробляеться шляхом визначення в1дпов1дних функцш належностi. Функцil належностi вх1дних змшних та вихiдноl наведено на рис. 4.
в)
Рис. 4. Функцп належносп вх1дних (а, б), вихiдноl (в) змшних
Нечеткий Ha6ip застосовуеться для подання нечитсих входiв i виходiв керування, щоб к1льк1сно визначити значення лшгвютично! змiннi, лiнгвiстичнi значения та лшгшстичт правила [8]. KpiM того, нечита набори використовуються для евристично! кшькюно! оцiнки шформацп при робоп КПК за допомогою бази правил.
Як для покриття дiапазону потужносп ГД, так i з точки зору запасу потужносп СЕЕС, достатньо трьох функцiй належностi. 1ншими словами, початковi чотири вхiднi змiннi замiиюються на LOW, MID, HIGH (див. рис. 3,a, б).
База правил у цьому дослiдженнi будуеться, виходячи з необхвдносп порiвияния миттевих значень двох входiв, тобто потреби в електричнш потужиостi, рiзниця м1ж поточною потужшстю ГД та необхiдною.
База правил нечеткого регулятора зазвичай мютить нечiткi висловлення у формi "ЯКЩО-ТО" База правил запропонованого регулятора КПК наведена в табл. 2.
Таблиця 2
База правил нечггкого регулятора КПК_
№ Т1 Т2 Т3
1. LOW LOW HIGH
2. LOW MID HIGH
3. LOW MID HIGH
4. MID LOW MID
5. MID MID MID
6. MID HIGH HIGH
7. HIGH LOW LOW
8. HIGH MID LOW
9. HIGH HIGH MID
База правил сформована таким чином, щоб, з одного боку, забезпечувати форсування керуючого впливу при низькш потужносп споживання та ввдхиленш мехашчно! потужносп. З шшого, велика розб1жшсть м1ж необхвдною та поточною потужностями може викликати перевантаження мехашзму, тому в правилах, що ввдповщають так1й ситуацп, значення вихвдно! нечггко! змшно! буде меншим за максимально можливе.
Для моделювання нечггкого регулятора використаемо б1блютеку íuzzy програмного пакету МаНаЬ Simulink. Нечита множини в модулях фазифжаци задаються функц1ями приналежностей сигмо1дного типу(див. рис. 3) по чотирьох точках за допомогою граф1чного штерфейсу.
Правила нечггкого виводу для розроблювано! системи представляються за допомогою редактора правил. Зв'язок шлькох вхвдних змшних у нечггких правилах виконуеться за допомогою лопчних конструкцш «ЯКЩО-ТО». Кожному введеному правилу привласнюеться ваговий коефщент, р1вний 1.
Поверхш ршення для вихвдно! змшно! Т3, що формуються за розробленою базою правил, наведено на рис. 5, приклад розрахунку - на рис. 6.
T1 Т2
Рис. 5. Поверхня |)jllieill> неЧГГКО! 3МШН01 Т3
О 2
Рис. 6. Приклад розрахунку нечггкоТ змшноТ Т3
Фазифшашя i дефазифiкацiя здiйснюeться програмно за алгоритмом Мамданi. Знаходження чгткого значення параметра регулятора частоти обертання ГО з отримано! нечигсо! змшно! Т3 здiйснюeться за методом центра ваги [8].
Лопчний вивiд здшснюеться шляхом агрегування за допомогою згортки масиву та обчислення значення ступеня iстинностi правила. Далi виконуеться акумуля^ Bcix правил шляхом формування результуючо! функцп для кожно! змшно! окремо. У результата акумуляцп отримуеться загальна функцiя приналежностi для вихвдно! змшно! Т3 за всiма термами.
Висновки
1. При робоп в експлуатацшних режимах КПК необхiдно враховувати вимоги до забезпечення балансу потужностей, зокрема мехашчною на гвинтi судна та електрично! потужностi в судновiй електромереж1.
2. Через випадковий характер навантажень як з боку електрично! енергосистеми, так i безпосередньо рухово! установки, реалiзацiя алгоритмiв оптимального управлiння в реальному чаа е ускладненою.
3. Шдвищення ефективностi керування та компенсащя дп зовнiшнiх збурень можливе завдяки впровадженню адаптивних систем керування КПК на основi нечiтких алгоритмiв.
4. Розроблено структуру нечеткого регулятора, що визначае оптимальш параметри налаштувань контуру регулювання генератора опори КПК, визначено терми-множини вхiдних нечiтких змiнних, !х функцп належностi, сформульовано база правил, яка враховуе обмеження щодо визначення керуючого впливу - завдання бажано! потужностi на гвинтi.
5. Результата комп'ютерного моделювання роботи комбiнованого пропульсивного комплекса iз застосуванням розробленого адаптивного регулятора з нечгткою моделлю нечетким шдтверджують ефективнiсть запропонованих рiшень.
6. Впровадження запропонованих адаптивних системи керування на основi моделi нечiткого виводу дозволяе зменшити вплив збурюючих факторiв на роботу гребно! установки та стабшзувати параметри напруги бортово! мережi
Список використаноТ лiтератури
1. Седаков, Л.П., Баракан Г.Х., Калинина Л.И. Резервы повышения экономичности современных судовых дизельных энергетических установок. Судостроение. 1987. № 11. С. 20-25.
2. Шпринцин В.Н. Судовые валогенераторы. Л.: Судостроение, 1965. 237 с.
3. Луковцев В.С., Щербинин В.А. Особенности работы комбинированного двигателя в составе судовой пропульсивной установки. Научно-технический сборник «Судовые энергетические установки». Вып.№21. С. 87-90.
4. Ищенко И.М., Данык В.В. Дифференциальный синхронноасинхронный привод гребных винтов судов с электродвижением. Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применение
высоких технологий в промышленности и экономике: материалы XX междунар. научно-практ. конф., г. Санкт-Петербург, Россия, 24-26 ноября 2015 г. С.64-65.
5. Geertsma R.D., Negenborn R.R., Visser K., Hopman J.J. Design and control of hybrid power and propulsion systems for smart ships: A review of developments. Appl. Energy. 2017. 194. 30-54 pp.
6. Ищенко И.М., Данык В.В. Дифференциальный синхронноасинхронный привод гребных винтов судов с электродвижением. Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности и экономике: материалы XX междунар. научно-практ. конф., г. Санкт-Петербург, Россия, 24-26 ноября 2015 г. С.64-65.
7. 1щенко 1.М., Даник В.В., Лебеденко Ю.О. Оптимiзацiя процеав керування судновими комбшованими пропульсивними комплексами. FS-2019: матерiали мiжнар. наук.-практ. конф., присвячено! пам'яп професорiв Фомiна Ю.Я. i Семенова В.С., м. Одеса - м. Стамбул - м. Одеса, 24-28 квгг. 2019. Одеса. 2019. C.: 225-227.
8. Гостев В.И. Нечеткие регуляторы в системах автоматического управления. К.: Радюаматор. 2008.972 с.
References
1. Sedakov, L.P., Barakan G.Kh., Kalinina L.I. Rezervy povysheniya ekonomichnosti sovremennykh sudovykh dizel'nykh energeticheskikh ustanovok. Sudostroyeniye. 1987. № 11. 20-25 pp.
2. Shprintsin V.N. Sudovyye valogeneratory. L.: Sudostroyeniye, 1965. 237 p.
3. Lukovtsev V.S., Shcherbinin V.A. Osobennosti raboty kombinirovannogo dvigatelya v sostave sudovoy propul'sivnoy ustanovki. Nauchno-tekhnicheskiy sbornik «Sudovyye energeticheskiye ustanovki». Vyp.№21. 8790 pp.
4. Ishchenko I.M., Danyk V.V. Differentsial'nyy sinkhronnoasinkhronnyy privod grebnykh vintov sudov s elektrodvizheniyem. Fundamental'nyye i prikladnyye issledovaniya, razrabotka i primeneniye vysokikh tekhnologiy v promyshlennosti i ekonomike: materialy XX mezhdunar. nauchno-prakt. konf., g. Sankt-Peterburg, Rossiya, 24-26 noyabrya 2015 g. 64-65 pp.
5. Geertsma R.D., Negenborn R.R., Visser K., Hopman J.J. Design and control of hybrid power and propulsion systems for smart ships: A review of developments. Appl. Energy. 2017. 194. 30-54 pp.
6. Ishchenko I.M., Danyk V.V. Differentsial'nyy sinkhronnoasinkhronnyy privod grebnykh vintov sudov s elektrodvizheniyem. Fundamental'nyye i prikladnyye issledovaniya, razrabotka i primeneniye vysokikh tekhnologiy v promyshlennosti i ekonomike: materialy XX mezhdunar. nauchno-prakt. konf., g. Sankt-Peterburg, Rossiya, 24-26 noyabrya 2015 g. 64-65 pp.
7. ishchenko Î.M., Danik V.V., Lebedenko YU.O. Optimizatsiya protsesiv keruvannya sudnovimi kombinovanimi propul'sivnimi kompleksami. FS-2019: materiali mizhnar. nauk.-prakt. konf., prisvyachenoi pam'yati profesoriv Fomina YU.YA. i Semenova V.S., m. Odesa - m. Stambul - m. Odesa, 24-28 kvit. 2019. Odesa. 2019. 225-227 pp.
8. Gostev V.I. Nechetkiye regulyatory v sistemakh avtomaticheskogo upravleniya. Kyiv: Radioamator. 2008.972 p.
