CC BY
47
УДК 621. 396. 6
С.Ю. Ганигин, С.В. Шигин
АДАПТИВНАЯ СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ НЕПРЕРЫВНОЙ ПОДГОТОВКИ ВОДОТОПЛИВНОЙ ЭМУЛЬСИИ
Рассматриваются подходы к построению систем управления технологическим процессом непрерывной подготовки водотопливных эмульсий для энергетических установок. Предлагаются алгоритмы определения оптимального компонентного состава эмульсии и приводится упрощенная структура адаптивной системы управления для их реализации.
Известен опыт применения эмульгированных дизельных топлив. При этом заметно увеличивается экономичность двигателей, снижаются дымность, температура и токсичность выпускных газов [1]. Существует две возможности использования водотопливной эмульсии (ВТЭ): использование подготовленной заранее эмульсии с фиксированным компонентным составом и непрерывная подготовка эмульсии непосредственно перед применением в процессе функционирования энергетической установки. Во втором случае возникает задача автоматического управления компонентным составом ВТЭ по показателям сгорания и в зависимости от режима работы двигателя. Решение этой задачи классическими методами теории управления затруднено тем, что параметры объекта управления часто бывают неизвестны заранее и изменяются с течением времени как в процессе функционирования, так и на протяжении всего времени эксплуатации (износ, ремонтные работы и т.д.), т.е. процесс изменения этих параметров является нестационарным. Обойти указанные трудности можно, применяя современные методы теории управления. В частности, решить задачу управления при ограниченной априорной информации позволяют адаптивные системы управления с самонастраивающимися моделями. При этом
Система сбора данных и принятия решения
Р и с. Структурная схема адаптивной системы управления компонентным составом ВТЭ
можно использовать наиболее простые модели вход-выход, параметры которых не отражают сути физических явлений в объекте управления.
Рассмотрим упрощенную структурную схему системы управления компонентным составом ВТЭ, представленную на рисунке. В состав системы входит: регулятор расхода воды, устройство подготовки ВТЭ, датчики концентрации воды в ВТЭ, расхода ВТЭ, скорости вращения вала, крутящего момента на валу, измерители показателей токсичности (КОх, СО), система сбора данных и принятия решения (ССДПР).
К устройству подготовки ВТЭ топливо поступает непосредственно, а вода - через управляемый регулятор расхода. Полученная эмульсия подается в топливную аппаратуру двигателя. Требуемый расход воды определяется в ССДПР на основе информации о показателях сгорания и режима работы, поступающей с датчиков.
Целью управления является обеспечение такой оптимальной концентрации воды в ВТЭ, при которой достигается снижение показателей токсичности (при возможности ниже соответствующих предельно допустимых концентраций (ПДК)) и минимизация удельного расхода топлива при заданном нагрузочном режиме.
В работе рассматриваются подходы к построению адаптивных систем управления для решения поставленной задачи.
Достижение цели управления адаптивными методами связано [2] с минимизацией функционала Q при заданных ограничениях
*к
2 = |д[Г,и(0, ),у^), г(V)]Ж, (1)
го
где и - сигнал управления; w - наблюдаемые возмущающие воздействия; V - вектор выходных сигналов объекта; г - желаемое значение выхода; д[*] - заданная неотрицательная функция; Х0 и Хк - моменты начала и конца функционирования системы соответственно.
В нашем случае и - сигнал, подаваемый на регулятор расхода воды; w - концентрация воды в ВТЭ, расход ВТЭ; V - показатели токсичности, относительные параметры нагрузочного режима, удельный расход топлива; г - наилучшее достижимое значение элементов вектора V.
Алгоритм управления должен обеспечить получение
и * (V) = аг§ шт 2 [и 11 (V)] . (2)
иеО
Здесь О - заданная область допустимых сигналов управления;1(Х) - имеющаяся в текущий момент времени апостериорная информация о функционировании объекта в промежутке времени (Х0, 1): 1(1) = {ц(т), и(т), у(т); те(Х0,Х)}; 2\и 11(V)] - имеющийся в момент X прогноз (оценка) q[•], которая может быть получена при данной 1(1) и при условии, что в будущем (в проме-
жутке те (10,1к)) будет реализован данный сигнал управления и(т).
В общем случае алгоритм управления может быть сконструирован в виде
и *(0 = и[V,а, 1(1)], " Vе (^, 1к). (3)
Здесь и[*| - некоторый детерминированный оператор; а - конечномерный вектор параметров, уточняющийся в процессе функционирования системы.
При выбранной заранее структуре оператора И[^] задача конструирования алгоритма (3)
сводится к отысканию вектора а , обеспечивающего выполнение условия (2).
В рассматриваемой задаче структура функционала (1) строится в соответствии с целями управления (улучшение показателей токсичности и снижения удельного расхода топлива при заданных частоте вращения и крутящем моменте на валу двигателя), причем выбор того или иного показателя токсичности в качестве аргумента осуществляется в зависимости от нагрузочного режима двигателя. В частности, при пониженном нагрузочном режиме используется концентрация СО и дымность ОГ, а при повышенном - концентрация КОх. Критерий снижения показателей токсичности в данной системе является приоритетным. Таким образом, при определении оптимального входного воздействия в первую очередь находится интервал входных воздействий, в котором выбранный показатель токсичности не превышает предельно допустимых концентраций (ПДК) или делается вывод о том, что такая ситуация недостижима. Указанный прогноз осуществляется по уточненной модели по показателям токсичности. Далее в найденном интервале, в соответствии с уточненной моделью, по показателям экономичности определяется единственное значение входного воздействия, при котором достигается минимальное
значение удельного расхода топлива. Такой алгоритм осуществим в случае однозначных характеристик объекта управления по показателям токсичности и разрабатывается на основе анализа исследований по вопросам применения ВТЭ. Действительно, как показано в [1], зависимости показателей токсичности от концентрации воды в ВТЭ монотонны, а зависимости удельного расхода имеют одну точку экстремума в допустимом диапазоне изменения концентраций воды.
В качестве функции q[•] при численном моделировании системы использовался квадрат невязки соответствующих элементов векторов г и V.
Выбор оператора И[^] обусловлен мощностью вычислительных средств и при решении данной задачи в качестве этого оператора использовалась кусочно-линейная аппроксимация
модели вход-выход объекта управления. Параметры вектора а уточняются методами идентификации. В данном случае при проведении численного эксперимента использовался метод наискорейшего спуска с минимизацией вдоль направления движения [4]. В алгоритме адаптации вводится заранее определенная величина запаздывания, обусловленная динамикой объекта управления.
Распространенным подходом к определению элементов вектора г (желаемое значение выхода в области достижимых значений) является использование тестовых сигналов [3], которые подаются в некоторые моменты времени на вход объекта управления. В данной задаче необходимо уменьшить использование тестовых сигналов. Для этого, в качестве элементов вектора г использовались нечеткие множества. При построении реальной системы функции принадлежности этих нечетких множеств могут быть заданы на основе априорной информации о функционировании объекта управления и соответствующими стандартами. Использование нечетких множеств при задании вектора г упрощает оценивание управляемости объекта и качества функционирования системы управления по значению функции принадлежности.
Результаты моделирования рассматриваемой системы управления показывают, что система работоспособна для широкого класса моделей объектов управления. Время сходимости процесса адаптации и достижение цели управления зависят в основном от удачного построения оператора И[^], и в данном случае, при аппроксимации нелинейных характеристик объекта управления кусочно-линейными моделями, от выбора узлов аппроксимации.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Лебедев О.Н., Сомов В.А., Сисин В.Д. Водотопливные эмульсии в судовых дизелях. Л.: Судостроение, 1988.
2. Перельман И.И. Непосредственная адаптация и адаптация путем идентификации. М.: Институт проблем управления, 1980.
3. Хартман К. Планирование эксперимента в исследовании технологических процессов. М.: Мир, 1977.
4. Эйкхофф П. Основы идентификации систем управления. М., Мир, 1975.
