CC BY
1
The article analyzes the advantages and disadvantages of various types of linear displacement devices for positioning and stabilization of an optical-mechanical platform for aviation applications. It is shown that the use of linear electric drives of direct action is the most effective for this purpose. For the indicated task, a linear DC motor with a hollow phase-free armature and excitation from high-energy permanent magnets was chosen as the optimal motor design.
Key words: electrical engineering complexes, linear motors, electromagnetic excitation, phase-free armature.
Yuri Aleksandrovich Makarichev, doctor of technical sciences, professor, head of the department, makarichev2801@mail. ru, Russia, Samara, Samara State Technical University,
Rattsev Yaroslav Alekseevich, postgraduate, vpirate1@yandex. ru, Russia, Samara, Samara State Technical
University,
Pantyukhin Oleg Viktorovich, doctor of technical sciences, docent, olegpan-tyukhin@mail. ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.3.079
DOI: 10.24412/2071-6168-2024-4-372-373
МЕТОДИКА ВЫБОРА ПАРАМЕТРОВ РЕГУЛЯТОРА И ЭЛЕМЕНТА АДАПТАЦИИ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ АППАРАТОМ ВОЗДУШНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ МАСЛА
В.В. Звонарев, А.В. Стариков, В.Н. Козловский
В статье рассмотрена система управления аппаратом воздушного охлаждения масла, применяемая в маслосистемах нагнетателей газоперекачивающих агрегатов и мощных электродвигателях и способная адаптироваться к температурным условиям окружающей среды. Приведены функциональная и структурная схема рассматриваемой системы управления, а также передаточные функции ее элементов. Разработана методика параметрического синтеза регулятора и устройства адаптации к изменению температуры окружающего воздуха. Приведены результаты компьютерного моделирования, подтверждающие эффективность предложенной методики параметрического синтеза и высокую точность стабилизации температуры масла на выходе аппарата воздушного охлаждения.
Ключевые слова: аппарат воздушного охлаждения масла, система управления, структурная схема, регулятор, элемент адаптации.
Гидростатические подшипники скольжения находят применение в нагнетателях газоперекачивающих агрегатов и мощных электродвигателях. Для работы таких подшипников необходима маслосистема, поддерживающая температуру масла на входе на определенном уровне. Поскольку масло в процессе работы газоперекачивающего агрегата или двигателя нагревается, то его необходимо охлаждать. Для этого используют аппараты воздушного охлаждения (АВО) масла.
Система управления аппаратом АВО масла представляет собой сложный электротехнический комплекс, включающий в себя частотно-регулируемый электропривод комплекта вентиляторов, электромагнитные клапаны, позволяющие поток масла направлять в обход аппарата, и обогреватель. Основной режим работы АВО заключается в охлаждении масла с помощью вентиляторов посредством окружающего воздуха, температура которого в течение суток и в течение года изменяется в широких пределах.
Для адаптации к условиям окружающей среды систему управления вентиляторами АВО делают следующим образом (рис. 1) [1, 2]. Система замкнута по датчику температуры масла Tu на выходе теплообменника рассматриваемого аппарата. Кроме того, она снабжена датчиком температуры окружающего воздуха. Поскольку датчики температуры являются инерционными объектами с достаточно большой постоянной времени, величина которой сравнима с постоянными времени теплообменника, то на выходе датчика температуры применено форсирующее звено, предназначенное для компенсации этой инерционности. Для обеспечения требуемых статических и динамических свойств системы управления температурой масла на выходе АВО используется пропорционально-интегральный (ПИ) регулятор. Этот регулятор через блок умножения воздействует на преобразователь частоты, который регулирует скорость асинхронных двигателей привода вентиляторов, обеспечивающих обдув и охлаждение теплообменника аппарата.
Блок умножения введен в систему управления АВО масла для автоматического изменения постоянной времени ПИ-регулятора в функции температуры окружающего воздуха, измеряемой соответствующим датчиком, причем количественный показатель изменения определяется коэффициентом передачи пропорционального звена.
Целью настоящего исследования является разработка методики параметрического синтез регулятора и дополнительных элементов системы управления АВО масла, обеспечивающей работоспособность во всем возможном диапазоне изменения температур окружающего воздуха.
Решение задачи. Для достижения поставленной цели рассмотрим структурную схему рассматриваемой системы управления АВО масла (рис. 2). На ней апериодическими звеньями
WдТв (p)-
^Тв
ТдТб p +1
WдТM (p) = ^^ ТдТм p +1
с коэффициентами передачи кдтв , кдТм и постоянными времени Тдтв , ТдТм представлены передаточные функции датчиков температуры воздуха и масла, соответственно.
Рис. 1. Функциональная схема системы управления ABO масла
Рис 2. Структурная схема системы управления ABO масла
На структурной схеме также изображена передаточная функция процесса теплообмена по отношению к управляющему воздействию - объемному расходу воздуха Ge (p) [3]
Тм (p)
WmG (p) =
где
Ge (p) ag p + a\p +1
ам FeHae FHappeCe
(1)
kG =-
Ge0PeCe +ae Ff
-(Te0 _Te.ex0)
нар
(gмрмСм +ам FeH )
ам FeH + ae FHap
2f 2
ae FHap
Ge0PeCe +ae Fh
нар
_ 2 F 2
ам FeH
a0 =-
тмС мттрСтр
(GмрмСм + ам FeH )
ам FeH + ae Fнар
2 F 2
ae Fнар
Ge0PeCe + ae Fh
нар
_ 2 F 2
ам ^вн
ам ^вн + ae Fнар
2F 2
ae Fнар
Ge0PeCe +ae Ff
нар
+ ттрСтр (gмрмС м +ам Feн )
ai = -
(gмрмСм +ам^вн )
ам ^вн + ae ^нар
2 т^2
a F
"e1 нар
_ 2 F 2
ам ^вн
Gв0рвCв + ав ^Нар
Gм и Gв - объемные расходы масла и воздуха; рв и рм - плотности воздуха и масла; тм и ттр - массы масла и трубопровода теплообменника; Св , См и Стр - удельные теплоемкости воздуха, масла и материла трубки теплообменника, соответственно; ав и ам - коэффициенты конвективного теплообмена от стенки трубки к воздуху и от масла к стенки трубки, соответственно; Евн и ЕоШ - внутренняя и наружная площади теплообмена; Тм и Тв -средние значения температур масла и воздуха на выходе аппарата воздушного охлаждения; Тввх - среднее значение температуры воздуха на входе аппарата воздушного охлаждения; GвQ , Тв0 и Тв вх0 - начальные условия.
Кроме того, на структурной схеме представлена передаточная функция процесса теплообмена по отношению к изменению температуры масла Тм вх на входе в теплообменник, которая выглядит следующим образом [3]
тмС м
WT (р ) = Тм (р\ = b0 р2 + blp + кв е~Ч>
"Тм.вххг) т i \ 2 ;
Тм.вх\р) üq p + ai p +1
(2)
где b0 = a°ATo(Т) ; b1 = ü1AT°(Т) dT°.(т)
^To.ín ^To.in ^To.in
GMpMCм
кв =
d2F2 ^ a F +a F__авFuap_
"м вн т "в нар g с + F
Gв0рвсв + a в Fнар
._ _J
в~ ( a 2f2 j
(G о с +a F ) a F +a F__в наР
VwmFm^m вн}\ "м1 вн^^-в1 нар
L.
Gв0pвCв + ав Fнaр
- 2 f 2
ам Fвн
т = -тр— транспортное запаздывание; - длина трубопровода теплообменника; Ум - средняя скорость движения масла по трубопроводу.
Поскольку инерционность динамических процессов в преобразователе частоты, асинхронных двигателях и вентиляторах во много раз меньше инерционности процессов, протекающих в теплообменнике АВО, то эти элементы представлены безынерционными звеньями с коэффициентами передачи ксп , кду и ке , соответственно. ПИ-регулятор температуры имеет передаточную функцию
WnH (р) = "^кп + -1 Р j:
где кп и Ти с - коэффициент передачи и постоянная времени, а знак минус учитывает тот факт, что увеличению рассогласования на входе регулятора соответствует уменьшению его выходного сигнала.
Пропорциональное звено в цепи адаптации к температуре окружающего воздуха на структурной схеме обозначено коэффициентом ка .
Предлагается следующая методика выбора параметров ПИ-регулятора, форсирующего звена и коэффициента адаптации, обеспечивающая работоспособность АВО масла во всем возможном диапазоне изменения температур окружающего воздуха. Она содержит четыре последовательных шага:
1.Выбор постоянной времени форсирующего звена равной
Тф = ТдТм . (3)
2.Расчет постоянной времени пропорционально-интегрального регулятора по формуле
Т = 1,5аРкспкдуквкОкдТм (4)
Ти = I—- , (4)
üi a2 - 4ÜQ
(5)
причем параметры объекта управления берутся для минимальной температуры Te m¡n окружающего воздуха.
3.Расчет коэффициента передачи ПИ-регулятора по формуле
к. =_2a0 _.
a1 Уи
4.Выбор коэффициента адаптации в соответствии с выражением
T - T ■
ка = ( Tmax -T"T ), (6)
(Te.min Tmin) \2 1)
где n - разрядность аналого-цифрового преобразователя; Tmax и Tmin - верхний и нижний предел измеряемых датчиком температур.
Результаты компьютерного моделирования. Для оценки эффективности предлагаемой методики синтеза регулятора и устройства адаптации произведем моделирование рассматриваемой системы управления для конкретного АВО масла типа 06-10 для двух режимов работы. Первый режим определяется минимальной температурой окружающего воздуха Te min = Teexo =-30 °С. При этом передаточные функции (1) и (2) принимают следующие численные значения:
ш ( ) 2,608 ¡ ч 156р2 + 27,75р + 0,897 -31 р
WmG (Р) =--2-; WTm.Jx (Р) =- 2--6 31Р ,
348р2 + 55,4 р +1 348р2 + 55,4 р +1
то есть при расчетах параметров настройки регулятора необходимо использовать üq = 348 с2, ü1 = 55,4 с.
Второй режим соответствует максимальной температуре окружающего воздуха Te вхо = 30 °С, на которую
рассчитан рассматриваемый АВО. Передаточные функции теплообменника в этом случае равны:
ш ( ) 0,085 ( ) 107р2 + 28,1р + 0,726 -31 р
WmG (р) =--2-; WTm.Jx (р) =-2---е 31 ■
227р2 + 40,5 р +1 227р 2 + 40,5 р +1
Коэффициент передачи частотного преобразователя принимается равным ксп = 1, Коэффициенты передачи асинхронных двигателей и вентиляторов для АВО масла типа 06-10 имеют следующие значения к^у = 1,57 рад., кв = 0,4042 м3/рад. Датчики температуры характеризуются постоянными времени T¿>Tm = TdTe = 40 с. По-
скольку задающий сигнал в системе управления формируется в тех же величинах, что и выходная величина, то коэффициент передачи датчика температуры масла принципиально равен кдТм = 1 .
Для датчика температуры КОРУНД-ТМ-01-2, используемый в аппарате, Tmax = 180 °С, Tm;n =-50 °С, поэтому параметры регуляторов, рассчитанные по формулам (3) - (6), должны быть равны: Тф = 40 с, Ти = 8,95 с; кп = 2,689 ; Тф = 40 с.
В соответствии с полученными передаточными функциями в программной среде «Matlab Simulink» была разработана расчетная модель рассматриваемой системы управления АВО масла (рис. 3).
Щ та "*Bi>i
ТВ 1 I—- Ка 1
—
-48.2s - 1
ПИ регулятор 1
МЗ 1 Ken 1
1.57
Кду1
А 042 Кв 1
-2.608
34SJ2 + 55.4J + 1
У у Л/
Transport
156.Г +27.75.1+ 0.897 348Г +55.4s + 1
4.448 40s + 1
-48.2s -1
M3 2 Ken 2
227j2 + 40.5J+ 1
107 j2 + 28.1s + 0.726 227s2 + 40.5i + 1
Transport Delay 2
Au 1
ií 40s + 1
Рис. 3. Расчетная модель системы управления ABO масла для двух режимов работы
Расчетная модель позволяет провести исследование системы комбинированного управления АВО масла как по отношению к управляющему воздействию Тм з , так и по отношению к возмущению Тмвх , с учетом вариации параметров объекта управления. Однако наибольший интерес представляет исследование процессов, протекающих при изменении температуры масла на входе в аппарат. При настройках регуляторов, выбранных для режима Ts.min = Тв,вхо = -30 °С, одновременно моделирование проводилось и для температуры окружающего воздуха равна Тв вхо = 30 °С. При этом предполагалось, что температура масла на входе в теплообменник увеличивается на 5 °С за 20 минут. Результаты моделирования (рис. 4) показывают, что система управления обеспечивает работоспособность АВО масла во всем возможном диапазоне изменения параметров объекта управления.
55.15
г„,°с
55.1 55.05 55
/wS-—
ч / 2
г- \ 1 1
Рис 4. Графики переходных процессов по возмущению для двух режимов работы
Кривая 1 соответствует температуре окружающего воздуха Тввхо = -30 °С, а кривая 2 - Тввхо = 30 °С. При этом максимальная погрешность стабилизации температуры относительно заданной величины Тмз = 55 °С со-
375
ставляет всего лишь ATU max = 0,13 °С. К тому же время восстановления температуры после окончания нарастания возмущающего воздействия варьируется в пределах tr = 169 + 247 с (±19% от среднего значения), несмотря на то, что коэффициент передачи теплообменника изменяется почти в 30 раз.
Выводы. Проведенное исследование позволяет сделать следующие выводы:
1. Предложенная методика параметрического синтез регулятора и дополнительных элементов действительно обеспечивает работоспособность системы управления АВО масла во всем возможном диапазоне изменения температур окружающего воздуха выбора
2. Полученные формулы для расчета параметров регулятора и элемента адаптации к температуре окружающего воздуха могут применены для аппаратов АВО масла любых типов.
3. Результаты моделирования показывают высокую точность поддержания температуры масла на выходе теплообменника АВО при довольно больших диапазонах скоростей изменения возмущающих воздействий.
Список литературы
1.Патент России № 2532090, МПК F16N39/02. Адаптивная система управления аппаратом воздушного охлаждения масла / А. В. Стариков (Россия) // Опубл. 27.10.2014, Бюл. № 24.
2.Стариков А.В., Овсянников В.Н., Колесников И.П. Комбинированное управление аппаратом воздушного охлаждения масла // Проблемы управления и моделирования в сложных системах: Труды XXI Международной конференции: в 2-х т. Т.1. Самара: ООО «Офорт», 2019. С. 490 - 495.
3.Алимов С.В., Мигачева Л.А., Титов Р.А. Передаточные функции теплообмена в аппарате воздушного охлаждения масла // Вестник Самарского государственного технического университета. Серия «Технические науки», № 4 (36), 2012. С. 198 - 205.
Звонарев Владислав Вячеславович, аспирант, zvon63rus@mail. ru, Россия, Самара, Самарский государственный технический университет,
Козловский Владимир Николаевич, д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой, [email protected], Россия, Самара, Самарский государственный технический университет,
Стариков Александр Владимирович, д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой, [email protected], Россия, Самара, Самарский государственный технический университет
METHOD FOR SELECTION OF REGULATOR PARAMETERS AND ADAPTATION ELEMENT OF THE AIR OIL
COOLING UNIT CONTROL SYSTEM
V. V. Zvonarev, V.N. Kozlovsky, A.V. Starikov
The article discusses the control system for an oil air cooling apparatus, used in oil systems of superchargers of gas pumping units and powerful electric motors and capable of adapting to environmental temperature conditions. The functional and structural diagram of the control system under consideration, as well as the transfer functions of its elements, are presented. A technique has been developed for the parametric synthesis of a regulator and a device for adapting to changes in ambient temperature. The results of computer modeling are presented, confirming the effectiveness of the proposed parametric synthesis technique and the high accuracy of stabilizing the oil temperature at the outlet of the air cooling apparatus.
Key words: oil air cooling device, control system, block diagram, regulator, adaptation element.
Zvonarev Vladislav Vyacheslavovich, postgraduate, zvon63rus@mail. ru, Russia, Samara, Samara State Technical University,
Starikov Alexander Vladimirovich, doctor of technical sciences, professor, head of department, star58@mail. ru, Russia, Samara, Samara State Technical University,
Kozlovsky Vladimir Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, head of department, [email protected], Russia, Samara, Samara State Technical University
