CC BY
17
УДК 004.3:681.418
Рябенький Володимир Михайлович, д-р техн. наук, професор Ушкаренко А. О. , канд. техн. наук
Нацюнальний ушверситет кораблебудування iM. адм. Макарова , м. Микола1в, Укра!на. Проспект Героев Украины, 9, м. Миколав, Укра1на, 54025
ДОСЛ1ДЖЕННЯ ЯКОСТ1 РОБОТИ ЦИФРОВО1 СИСТЕМИ КЕРУВАННЯ ДИЗЕЛЬ-ГЕНЕРАТОРНИМ
АГРЕГАТОМ
Виконано до^дження роботи цифрово'1 розподшеног системи керування дизель-генераторним агрегатом у CKnadi автономног електроенергетичног установки з метою оцтки впливу затримок передачi тформацтно-керуючих пакетiв по мережi на яюсть керування. Розроблено моделi дизельного агрегату та системи збудження синхронного генератора з цифровими регуляторами, що реалiзованi у виглядi цифрових автоматiв. Приведено структуру системи керування Ethernet-мережею у контурi зворотнього зв'язку та дистанцтним регулятором, та описано методику моделювання розподшених систем керування. Запропоновано критерт оптим1зацИ передачi тформацтних пакетiв по мережi з метою зменшення часових затримок та покращення якостi керування. Библ. 8, рис. 5.
Ключовi слова: дизель-генератор, система керування, цифровий регулятор, моделювання.
Рябенький Владимир Михайлович, д-р техн. наук, проффесор Ушкаренко А. О. , канд. техн. наук
Национальный университет кораблестроения им. адм. Макарова , г. Николаев, Украина Проспект Героев Украины, 9, г. Николаев, Украина, 54025
ИССЛЕДОВАНИЯ КАЧЕСТВА РАБОТЫ РАСПРЕДЕЛЕННОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ДИЗЕЛЬ-
ГЕНЕРАТОРНЫМ АГРЕГАТОМ
Выполнено исследование работы цифровой распределенной системы управления дизель-генераторным агрегатом в составе автономной электроэнергетической установки с целью оценки влияния задержек передачи информационно-управляющих пакетов по сети на качество управления. Разработаны модели дизельного агрегата и системы возбуждения синхронного генератора с цифровыми регуляторами, реализованными в виде цифровых автоматов. Приведена структура системы управления с сетью Ethernet в контуре обратной связи и дистанционным регулятором, а также описана методика моделирования распределенных систем управления. Предложен критерий оптимизации передачи информационных пакетов по сети с целью уменьшения временных задержек и улучшения качества управления. Библ. 8, рис. 5.
Ключевые слова: дизель-генератор, система управления, цифровой регулятор, моделирование.
Riabenkyi Vladimir Mikhaylovich, D-r Tech. Sci., Prof. Ushkarenko A. O. , Cand. Tech. Sci.
Admiral Makarov National University of Shipbuilding, Mykolaiv, Ukraine. Ave. Geroev Ukraine, 9, Mykolaiv, Ukraina, 54025
INVESTIGATION OF THE QUALITY OF THE DIGITAL CONTROL SYSTEM OF DIESEL-GENERATOR
The dependency of the quality of autonomous power system control on the delays evantuated from the transmission of information and control data packets is discribed by means of the analysis of the operation of the digital distributed control system of a diesel-generator. The models of the diesel and synchronous generator excitation system with the digital governors, realized as digital automata, are developed. The structure of the control system with Ethernet network in system feedback and a remote governor is developed. The technique of distributed control system simulation is discribed. The criterion of optimization of transmission of information data to increase control quality is proposed. References 8, figures 5.
Key words: diesel-generator, control system, discrete regulator, simulation.
Вступ
Зростаюча складшсть сучасних автономних електроенергетичних систем (АЕЕС) i зростання вимог до якосп електрично! енергп в цих системах висувае задачу ретельного досшдження АЕЕС на рiзних етапах проектування. З впровадженням цифрових розподшених систем керування постало питання про забезпечення заданого рiвня якосп керування [4]. Ефектившсть роботи систем автоматичного управлшня у випадку значного вщдалення об'екта керування деякою мiрою пов'язане з породжуваною вузлами ще'1 системи часовою
затримкою передачi сигналу [6]. Наявнють затримки найчаспше впливае на працездатнiсть системи в цшому. Виключити затримки технiчними засобами не завжди можливо. У цьому випадку на першi ролi висуваеться необхщшсть теоретично! оцiнки й прогнозування затримок, а також визначення !х впливу на стiйкiсть системи. Зростаючi обсяги оброблювано! та передано! шформацп можуть призводити до появи помилкових спотворених даних, що тягне за собою невiрнi керуючi режими роботи вае! системи. Крiм того, затримка передачi iнформацiйно-керуючих пакетiв по мереж може призводити то погiршення якосп керування збудженням генератора та обертами дизельного агрегату, що в свою чергу призведе до попршення якосп електроенергл та порушенню режиму роботи вае! енергосистеми.
У данiй роботi для вивчення процеав в енергосистемах i налагодження керуючих алгоритмiв застосовуеться комп'ютерне моделювання. В роботi [5] запропонована методика та розроблено модель дизель-генераторно! установки, але не розглянут питання керування при наявносп запiзнювання сигналу. Для ршення поставлено! задачi необхщно виконати побудову моделi дизель-генератора та !х регуляторiв, мiж якими ввiмкнена мережа як елемент передачi даних.
Основний матер1ал
Часова затримка сигналу на шляху його проходження вщ ввдправника до одержувача складаеться з декшькох частин: час на обробку в кожному вузл^ час на передачу й час на поширення сигналу. Кожний iз цих етатв може бути рiзним по тривалосп, що визначаеться технiчним станом мереж1, рiзними неконтрольованими випадковими причинами. В даш роботi вважаеться, що часова затримка т е безперервною випадковою величиною, що мае певний закон розподшу. Статистичнi методи аналiзу дозволяють побудувати емпiричним шляхом криву розподшу дано! випадково! величини. Пiсля того, як вона буде побудована, можна знайти наближену часову затримку як площу тд кривою розподiлу в даному дiапазонi. Якщо вдасться анал^ично описати щiльнiсть iмовiрностi даного розподшу, то задачу про вщшукання ймовiрностi влучення затримки в даний дiапазон можна розв'язати за допомогою визначеного штеграла:
Р
Р(а < х <Р) = |/(х)ёх ,
а
де т - часова затримка, Хт)- щiльнiсть iмовiрностi випадково! величини т.
Об'ектом керування е обмотка збудження синхронного генератора та дизельний агрегат з регулятором оберпв. Керування дизель-генератором вщбуваеться через мережний штерфейс контролером автоматизацп, в якому програмно реалiзований алгоритм керування. На рис.1 представлена структурна схема розподшено! системи керування з дистанцшним регулятором.
Лiнiя затримки вносить затзнювання сигналу на величину Т, яка залежить ввд iнтервалу дискретизацп V й iнтенсивностi запитiв А:
Т = /(V, X). В робоп [4] описаш причини, через якi iнтервали вибiрки при цифровому керуваннi не можна вважати однаковими. Також обгрунтовано, що в такому випадку анал^ичний аналiз поведiнки цифрових систем керування досить складно виконати, тому прийнятним е iмiтацiйне моделювання. Моделювання роботи систем керування регулятора на цифровий, який програмно
Рис.1.
виконуеться шляхом замши безперервного
реалiзований у виглядi цифрового автомату в мшроконтролер^ та вар^ванням часових iнтервалiв мiж змiною станiв автомату. Моделi системи збудження синхронного генератора та дизельного агрегату, що розроблет у пакет МайаЬ 81шиНпк [1, 8], представлено на рис.2.
При замЫ безперервних регуляторiв цифровими моделi, представленi на рис.2, будуть пбридними [7], яю характеризуватимуться змiнним значенням запiзнювання в сигналах керування. Тобто в системi керування наявний цифровий регулятор зi змшним перiодом дискретизацп. Передатна функщя системи збудження синхронного генератора мае вигляд:
Wex (s) =
Kp
10
Tds +1 0,01s + Г
де Kp - коефiцieнт пiдсилення, Td - постшна часу iнтегрування.
о-
Damping
сгьнГ)
ureffoul ^тг
„ 0.2S+1
* O.omk^+O.OIS+I
— ^
Regulator
Integrator Engine Td
Pmec(p u)
wref (pu)
Œ>
1.4.1 (p u)
Рис.2
Реалiзацiя цифрово'1 системи керування збудженням генератора у виглядi дiаграми сташв цифрового автомату представлена на рис. 3, а.
Передатна функщя системи керування дизельним агрегатом мае вигляд:
Wdg (s) =
40(0,2s +1)
T1s 2 + T2 s +1 0,0002s 2 + 0,01s +1
де К - коефщент тдсилення; Т1, Т2, Т3 - поспйт часу регулятора.
Пiсля виконання 2-перетворення, передатна функцiя цифрового регулятора при перiодi дискретизацп 0,01 сек. мае вигляд:
WDG ( z) = 40 •
7,437 - 7,06z "
1 -1,229z -1 + 0,606z-2
При зменшеннi перiоду дискретизацп в 10 pa3iB, передатна функщя регулятора обертв дизеля приймае вигляд:
Wdg ( z) = 40 •
0,9771 - 0,9722z-1 1 -1,946z-1 + 0,9512z-2
На рис. 3, б, представлений граф переходiв цифрового автомату, що реалiзуе наведений закон керування та моделюеться часова затримка сигналу керування (затзнювання).
1
* Алэи^ию; и1=и1г>;
ОС/
еп Ь=к'( 1 -вир4-ГГГе1»; а=»ур(-Т/Та>; и1=иоига;
гп1Сгоупй(гэпс1( 1 >*101'>
эАег^ау.с^} ¿иои[=и1П*Ь-и1,
зПеги1е)а/с1к>___
¿ивиНит'Ь-и!:
еп Л=иоиГа;
а б
Рис. 3
Середне значення затзнювання т, обчислюеться по формулi:
- 1 к
т = ~ЪТгпг
пг=1
У якосп характеристик непостiйностi цього параметру приймаеться стандартне вщхилення 5 i коефiцiент варiащi Уя, що обчислюються по формулах:
5 =
1 к - 2 11(т -т)2Щ
пг=1
У я =
•100%.
Якщо коефiцiент варiацii менше 30 %, то це означае, що вибiрка досить компактна, тобто часова затримка змшюеться в невеликому дiапазонi.
Основними показниками якостi роботи регулятора, яю обчислюються по перехщнш характеристицi, е перерегулювання, коливальнiсть, штегральна оцiнка [2, 3]. В робот для оцiнки якостi керування використаний штегральний покажчик критерiю якостi керування А:
<ю
А = { (И(х) - Ист (х ))2 йх.
о
Залежнiсть iнтегрального покажчика критер^ якостi керування вiд затримки передачi iнформацiйно-керуючих пакетiв на вщдалений регулятор системи збудження синхронного генератора представлена на рис. 3, а. Залежшсть штегрального критерiю якостi керування вщ затримки передачi iнформацiйно-керуючих пакепв на вiддалений регулятор обертiв дизельного агрегату представлений на рис. 3, б.
а Б)
Рис. 4
Як видно з графиюв, при збшьшенш величини затзнювання якють керування погiршуeься. Таким чином, для керування об'ектами автоматизацп в режимi реального часу необхщно мiнiмiзувати затримки передачi пакетiв по мережг Цього можна досягти пошуком оптимального маршруту передачi повiдомлень, оптимiзащi алгоритмiв обробки потокiв у вузлах мереж^ розподiл потокiв на класи обслуговування з метою видiлення найбшьш прiоритетних [6]. В роботi ставиться задача мшмзацп часу передачi шформацшно-керуючих пакетiв по мережi.
При аналiзi мережi розподшено'1' системи керування вщома топологiя мережi й пропускна здатнiсть каналiв зв'язку. Задача полягае у мiнiмiзацii часу затримки Т потоку повщомлень Ху при заданих обмеженнях. Сума штенсивностей в /-тому вузлi дорiвнюе:
де /, у = 1, п , / Ф у, п- число вузлiв. Позначимо
ь к = Ёх,;к
/=1 у=1
як iнтенсивнiсть потоку в к-тому каналi.
Час затримки виражаеться формулою [1]:
т Т, (
Т = Ё Т7 •
к=1
и
1
цСк к
(1)
де т - число каналiв;
и - сумарна швидюсть надходження повiдомлень; Ск - пропускна здатнють к-того каналу; 1/р - середня довжина повiдомлень (у б^ах). Пiдставимо в (1) значення Хк:
Т = ё
к=1
,, у=1 и
/]к
1
цск- 1}к /,у=1 у
Введемо обмеження:
ук у = 0
ке8ц
де 8 - будь-який перетин графа, що роздiляе /-у й у-у вершини. Причому Х/]к >0. Використовуючи вiдомий метод невизначених множникiв Лангранжа, маемо функцiю Лангранжа у виглядi
п ( \
т
Т' = Е-
к=1
и
1
/,У=1 у
+
Ё Еуж
', У=1,/Ф У8/,
Ке8н
(2)
де уя/ - множник Лагранжа.
Для пошуку оптимуму диференцiюемо вираз (2) i прирiвнюемо до нуля.
Рiвняння вирiшуеться вiдносно Х,к при застосуванш чисельного методу. 1нший пщхщ у рiшеннi поставленого завдання полягае в наступному. Розглядаеться мережа комутацп пакетiв. Топологiя мережi описуеться матрицею С розмiру п*п, елементи яко'1' мають значення пропускних здатностей каналiв зв'язку мiж /-м i у-м вузлами. Матриця е симетричною з нульовими вузлами й ненегативними недiагональними елементами. Якщо Су - Су, > 0, то юнуе канал зв'язку iз пропускною здатнiстю С, бiт/с, що зв'язуе 1-й i у-й вузли мережг Потоки повщомлень передбачаються пуассоновськими з iнтенсивностями г{
повщомлень у секунду. Середня довжина повщомлень (пакетв) у мережi дорiвнюe 1/н. Для кожного вузла вщома середня штенсившсть потоку повiдомлень У1. При передачi пакетiв по каналу зв'язку мiж двома вузлами середнiй час очшування в черзi на обробку визначаеться виразом:
Ц 1
^оч
цС - и цС
де и-штенсившсть потоку повiдомлень [1/с]; С - ефективна пропускна здатшсть каналу зв'язку [бЫсек]; 1/н - середня довжина повщомлення [бiт];
Якщо 1-й вузол з'еднуеться каналами зв'язку з шшими вузлами, то задача оптимального розподшу потоку формулюеться в такий споаб. Позначимо через иу штенсивносп потоку повiдомлень iз /-го вузла в у'-й в [1/с]. При цьому щ = 0, якщо Сгу (немае зв'язку). Умовою iснування стацiонарного режиму в мереж е виконання рiвностi
гг + Ё (ип - иЦ ) = Уг
У=1
}*г
(3)
i нерiвностi
ЦСч> иц^ 0, (4)
де гг - iнтенсивнiсть повщомлень вщ /-го вузла; уг - штенсившсть повщомлень вщ одного вузла до шшого, змiст якого полягае в тому, що всi повщомлення повинш знаходити сво'1'х адресатiв.
Сумарний час очшування в чергах на передачу в стащонарному режимi мереж визначаеться виразом:
(
т = Ц
г=1 У=1 }*г
1
Л
ЦСг, - иг, ЦСг,
^ Ш1П
(5)
Задача оптимiзащi полягае у визначенш таких игу, яю задовольняють обмеженням (3) i (4), i мiнiмiзують функцiонал (5). Для аналiтичного рiшення задачi використовуеться методом множниюв Лагранжа. Диференцiюючи по тим игу, для яких Суг > 0, одержуемо в якостi необхщно'!' умови екстремума систему алгебршчних рiвнянь:
1
№ц - иг, )
+ ^ г = 0 г = 1, П
Гг + Ё (и,г - иг})
У=1
V '*г
= 0
У = 1, П
у * г
су > 0
(6)
и
Система (6) виршуеться чисельним методом. Атрибути, пов'язаш з каналами передачi даних i ресурсами, а також параметри, асоцiйованi з маршрутизацiею, у сукупносп являють собою набiр керуючих змшних, якi можуть бути модифiкованi для того щоб привести мережу в бажаний стан.
На рис.5 представлен осцилограми сигналiв на виходi цифрового регулятора при рiзних значеннях часово'1' затримки: 1 - часова затримка вщсутня; 2 - затримка 40 мс.; 3 -затримка 80 мс.
п о г Р.г 03 ÍA tfí 0.Í or ПИ ÜS Г. í
Рис.5
Заключення
Моделювання об'екту керування припускае використання асинхронного oGMÍHy шформащею мiж додатками, якi працюють на рiзних комп'ютерах. У розглянутому випадку використовуеться ^ент-серверна архiтектyра. Для керування об'ектами автоматизацп в режимi реального часу необхщно мiнiмiзyвати затримки передачi пакетiв по мережi. Цього можна досягти пошуком оптимального маршруту передачi повiдомлень, оптимiзацп алгоритмiв обробки потоюв у вузлах мережi, розподiл потоюв на класи обслуговування з метою видшення найбiльш прiоритетних. При ршенш задач оптимiзацii iнформацiйних потокiв необхщно видшити критерп оптимiзацii. До критерпв оптимiзацii можна вiднести величину затримки передачi пакета мiж двома вузлами мереж^ швидкiсть передачi, обсяг переданих даних, завантаженiсть iнформацiйного каналу, надшшсть передачi даних. Однак оптимiзацiя одного параметра може призвести до попршення якосп керування технiчними засобами автоматизацп АЕЕС. Оптимiзацiя часу передачi пакепв по мереж вимагае збiльшення швидкосп передачi та застосування каналiв iз широкою смугою пропускання, а також швидкод^чих маршрyтизаторiв. Разом з тим, коефщент завантаженостi каналу передачi при цьому буде невеликим. Зменшення обсягу переданих даних, у свою чергу, може привести до попршення якосп керування. Отже при ршенш задач оптимiзацii необхiдно враховувати всi перераховаш фактори.
Список використаноТ лiтератури:
1. Дьяконов В. Математические пакеты расширения Matlab : специальный справочник / В. Дьяконов, В. Круглов. - СПб. : Питер, 2001. - 480 с.
2. Каганов В. И. Радиоэлектронные системы автоматического управления. Компьютеризированный курс / В. И. Каганов. - М. : Горячая линия-Телеком, 2009. - 432 с.
3. Никульчев Е. В. Практикум по теории управления в среде Matlab: учебное пособие / Е. В. Никульчев. - М. : МГАПИ, 2002.
4. Рябенький В. М. 1нформацшне забезпечення розподшених систем керування автономними електроенергетичними установками. Монограф1я / В. М. Рябенький, О. М. Юрченко, О .О. Ушкаренко, М. Ф. Сопель. - Кшв : 1нститут електродинам1ки, 2012. - 208 с.
5. Рябенький В. М. Моделирование микропроцессорных систем управления газодизель-генераторными установками / В.М. Рябенький, А.О. Ушкаренко, В.И. Воскобоенко // Вюник Нацюнального ушверситету «Льв1вська полггехшка». - Льв1в : НУ «Льв1вська полггехшка», 2009, №637. - С. 78-82.
6. Рябенький В. М. Управление информационными потоками в сетях распределенных систем управления / В.М. Рябенький, А.О. Ушкаренко, А. Сулейман, А.Л. Белоконь. // Вестник ХНТУ. - Херсон : ХНТУ, 2009, №1(34). - С. 265-270.
7. Сениченков Ю. Б. Численное моделирование гибридных систем / Ю. Б. Сениченков. - СПб. : Изд-во Политехн. ун-та, 2004. - 206 с.
8.Черных И. В. Simulink: Среда создания инженерных приложений / И. В. Черных. - М. : Изд-во : Диалог-МИФИ, 2004. - 496 с.
Referenses:
1. Dyakonov V. Matlab mathematical expansion packs: special reference / V. Dyakonov, V. Kruglov. - SPb. : Piter, 2001. - 480 p (Rus.).
2. Kaganov V. I. Radioelectronic systems of automatic control. Computerized course / V. I. Kaganov. - М. : Gorachaya liniya-Telecom, 2009. - 432 p (Rus).
3. Nikulchev E. V. Workshop on management theory in the environment of Matlab: Tutorial I E. V. Nikulchev. - M. : MGAPI, 2002 (Rus.).
4. Riabenkyi V. M. Information support autonomous distributed control systems of electric power plants. Monograph I V. M. Riabenkyi, О. М. Yurchenko, O. О. Ushkarenko, М. F. Sopel. - Kyiv : Institute of Electrodynamics 2012. - 208 p. (Ukr.).
5. Riabenkyi V. М. Simulation of microprocessor control systems of diesel-generator IV. М. Riabenkyi, А. О. Ushkarenko, V. I. Voskoboenko II Visnyk of National University «Lvivska Politehnika». - Lviv: NU «Lvivska Politehnika», 2009, № 637. - P. 78-82 (Rus.).
6. Riabenkyi V. М. Information management in networks of distributed control systems I V. М. Riabenkyi, А . О. Ushkarenko, А. Suleiman, А. L. Belokon. II Visnyk KNTU. - Kherson : KNTU, 2009, №1(34). - P. 2б5 - 270 (Rus.).
7. Senichenkov Y. B. Numerical simulation of hybrid systems I Y. B. Senichenkov. - SPb. : Izd-vo Politechn. univ., 2004. - 20б p (Rus.).
8. Chernyh I. V. Simulink: Environment of creation of engineering applications I I. V. Chernyh. - M. : Izd-vo : Dialog-MIFI, 2004. - 49б p (Rus).
Поступила в редакцию 03.02 2015 г.
