Россия
Россия
Россия
Россия
Рассматривается моделирование системы управления насосом охлаждения главного дизеля в среде MATLAB Simulink. Моделирование выполняется с целью демонстрации работы модернизированной системы охлаждения главного дизеля. Необходимость модернизации системы управления насосом обусловлена тем, что в исходной системе отсутствует возможность регулировки скорости вращения электродвигателя, регулировка температуры охлаждающей жидкости осуществляется только по данным с датчика температуры на выходе из главного дизеля, а также не предусмотрена регулировка скорости вращения электродвигателя, учитывающая режим работы главного дизеля. Модернизированная система управления состоит из четырех датчиков (датчик температуры охлаждающей жидкости, расположенный на выходе из главного дизеля, датчик температуры охлаждающей жидкости, расположенный на входе в главный дизель, датчик темпера-туры забортной воды и тахогенератор), контроллера нечеткой логики и преобразователя частоты. Преобразователь частоты изменяет величину и частоту напряжения, подаваемого на электродвигатель, в зависимости от величины сигнала с контроллера нечеткой логики. Величина сигнала с контроллера нечеткой логики зависит от величины сигналов с датчиков температуры и тахогенератора и определяется в соответствии с алгоритмом, прописанным в Simulink. Новая система позволит более эффективно охлаждать двигатель, т. к. будет учитывать режим работы главного дизеля (скорость вращения) и сохранять рекомендованную разницу температур охлаждающей жидкости на входе и выходе из главного дизеля.
преобразователь частоты, контроллер, охлаждающая жидкость, датчик температуры, тахогенератор, дизель
Введение
Система электропривода насоса охлаждения главного дизеля судна (рис. 1) состоит:
а) из четырех датчиков:
– датчика температуры охлаждающей жидкости, расположенного на трубопроводе, выходящем из главного дизеля;
– датчика температуры охлаждающей жидкости, расположенного на трубопроводе, входящем в главный дизель;
– датчика температуры забортной воды;
– тахогенератора, измеряющего скорость вращения вала главного дизеля;
б) нечеткого контроллера (НК), задача которого – выдавать аналоговый токовый сигнал величиной
4–20 мА в преобразователь частоты (ПЧ), в соответствии с программой, описанной в среде MATLAB;
в) преобразователя частоты, задача которого – регулировать скорость вращения электродвигателя насоса в зависимости от сигнала с НК;
г) электродвигателя насоса – асинхронного двигателя (АДКЗ) с двойной беличьей клеткой.
Рис. 1. Система «Датчики-ПЛК-ПЧ-АДКЗ» [1]
Fig. 1. Sensors-PLC-FC-ADSCR system [1]
Моделируется разомкнутая система охлаждения, т. к. на данный момент этот тип системы охлаждения наиболее распространен [2].
Модель АДКЗ
В среде Simulink модель АДКЗ представлена единым блоком Asynchronous Machine [3] (рис. 2–4).
Рис. 2. АДКЗ с двойной беличьей клеткой в среде Simulink
Fig. 2. ADSCR with double squirrel cage in Simulink environment
Рис. 3. Параметры АДКЗ, стр. 1
Fig. 3. ADSCR parameters, page 1
Рис. 4. Параметры АДКЗ, стр. 2
Fig. 4. ADSCR parameters, page 2
Параметры электродвигателя вводятся с помощью команды Open parameter estimator. На вход Tm подается момент нагрузки в виде константы.
С выхода m через Bus Selector подаются сигналы на блоки Scope, с помощью которых измеряемые величины отображаются в графическом виде.
Момент нагрузки, Н∙м, рассчитывается по формуле [4]
М = Р / w = 15 000 / 156 = 96,
где Р – активная мощность электродвигателя, Вт; w – номинальная скорость вращения электродвигателя, рад/с.
Модель ПЧ
Модель ПЧ [5] (рис. 5) представляет собой 2 блока – силовой блок (рис. 6) и блок управления (рис. 7).
Рис. 5. Модель ПЧ
Fig. 5. FC model
Рис. 6. Силовой блок ПЧ
Fig. 6. Power block of FC
Рис. 7. Блок управления ПЧ
Fig. 7. FC control block
Силовой блок представляет собой 6 блоков IGBT/Diode, с которых переменное напряжение поступает на АДКЗ, а также блок Controlled Voltage Source. Блок управления представляет собой 4 блока Tree-Phase Sine Generator, а также набор блоков Goto и From, предназначенных для передачи сигналов для управления диодами.
Блок Controlled Voltage Source предназначен для подачи постоянного напряжения на блоки IGBT/Diode. На вход S подается сигнал, величина которого и является величиной выходного напряжения.
Частота открытия диодов зависит от частоты сигнала, подаваемого с блока From на вход g. Само напряжение на диоды подается в зависимости от полярности либо на вход С (+), либо на вход Е (–).
В блоке управления ключевую роль играют блоки Tree-Phase Sine Generator, т. к. именно с них выдается синусоидальный сигнал, который после преобразования и задает частоту открытия диодов. Чтобы блок Tree-Phase Sine Generator осуществлял выдачу сигнала по одной фазе, необходимо удалить в настройках два сигнала (рис. 8, 9) [6].
Рис. 8. Tree-Phase Sine Generator до изменения
Fig. 8. Tree-Phase Sine Generator before changing
Рис. 9. Tree-Phase Sine Generator после изменения
Fig. 9. Tree-Phase Sine Generator after changing
На вход │u│ подается сигнал, задающий величину выходного сигнала с блока Tree-Phase Sine Generator. На вход < u подается сигнал, задающий начальный угол синусоиды. На вход Freq подается сигнал, задающий частоту синусоиды.
Модель НК
Модель НК [7] (рис. 10) представлена блоком Fuzzy Logic Controller with Ruleviewer, программа для которого прописана в программе MATLAB (рис. 11).
Рис. 10. Блок Fuzzy Logic Controller with Ruleviewer
Fig. 10. Block Fuzzy Logic Controller with Ruleviewer
Рис. 11. Программа в Matlab для блока Fuzzy Logic Controller with Ruleviewer
Fig. 11. Software in Matlab for a block Fuzzy Logic Controller with Ruleviewer
Программа основана на изменении выходного сигнала в зависимости от комбинации и величины входных сигналов. Сигналы в блок Fuzzy Logic Controller with Ruleviewer поступают с четырех датчиков:
– DT1 – датчик температуры охлаждающей жидкости на выходе из главного дизеля;
– DT2 – датчик температуры охлаждающей жидкости на входе в главный дизель;
– speed – тахогенератор;
– DT3 – датчик температуры забортной воды.
Сигналы с датчиков температуры изменяются по току (4–20 мА), а с тахогенератора – по напряжению (0–10 В). Величины сигналов, поступающие в контроллер, рассчитаны исходя из опытов, проведенных в лаборатории.
Для каждого датчика было установлено соответствие между численными значениями входной переменной системы нечеткого вывода и значением функции принадлежности (рис. 12–15).
Рис. 12. Фаззификация блока DT1
Fig. 12. Fuzzification of the DT1 block
Рис. 13. Фаззификация блока DT2
Fig. 13. Fuzzification of the DT2 block
Рис. 14. Фаззификация блока Nagr
Fig. 14. Fuzzification of the block Nagr
Рис. 15. Фаззификация блока DT3
Fig. 15. Fuzzification of the DT3 block
Принцип построения участков функции для каждого датчика одинаковый.
Исключение составляет DT3 (см. рис. 15).
Для него принято условие оказания воздействия только при низкой (от 0 до 5 °С) и при высокой (от 32 до 37 °С) температуре забортной воды.
Фаззификация выходного сигнала представлена на рис. 16.
Рис. 16. Фаззификация выходного сигнала
Fig. 16. Fuzzification of the output signal
Принцип выбора конкретного участка определяется прописанными правилами (рис. 17).
Рис. 17. Правила определения выходного сигнала
Fig. 17. Rules for determining the output signal
Для преобразования сигнала с контроллера используются 3 блока:
– блок Gain с коэффициентом 2.5 – для преобразования сигнала в величину частоты, подаваемую на вход Freq блока Tree-Phase Sine Generator (рис. 18);
– блоки Gain и Sqrt для преобразования сигнала с блока Gain с коэффициентом 2.5 в величину напряжения, в соответствии с законом скалярного управления ПЧ U ^ 2 / f = const (рис. 19).
Рис. 18. Блок для преобразования сигнала
в величину частоты
Fig. 18. Block for converting a signal
into a frequency value
Рис. 19. Блоки Gain и Sqrt для преобразования сигнала в величину напряжения
Fig. 19. Gain and Sqrt Blocks for converting a signal to a voltage value
Модели датчиков
В данной системе датчики представлены в виде 4-х блоков [2] (рис. 20).
Рис. 20. Датчики в системе «Датчики-ПЛК-ПЧ-АДКЗ»
Fig. 20. Sensors in the system of sensors-PLC-FC-ADSCR
DT1–2 и Nagr представлены в виде блоков Repeating Sequence Interpolated – для того чтобы отобразить изменение параметров во времени.
DT3 представлен в виде блока Constant (т. к. температура забортной воды в реальных условиях не изменяется резко).
Блок Mux необходим для передачи сигналов с датчиков в блок Fuzzy Logic Controller with Ruleviewer.
Работа системы
На рис. 21 приведен график изменения скорости вращения асинхронного двигателя при повышении температуры охлаждающей жидкости на выходе из главного дизеля и на входе в главный дизель, вызванном увеличением скорости вращения главного дизеля, на рис. 22 приведен график изменения напряжения, подаваемого на электродвигатель.
Рис. 21. Изменение скорости вращения электродвигателя
Fig. 21. Changing the speed of rotation of the electric motor
Рис. 22. График изменения напряжения
Fig. 22. Graph of voltage change
На графике есть 8 участков увеличения скорости вращения и снижения скорости вращения. Изменение скорости вызвано изменением величины сигналов, поступающих с датчиков, и происходит в соответствии с прописанной программой управления.
В результате выполненного исследования удалось смоделировать работу системы управления насосом охлаждения главного двигателя судна на базе контроллера нечеткой логики в соответствии с прописанной программой управления, основанной на величине сигналов с датчиков температуры и скорости вращения.
Заключение
Разработана модель модернизированной системы управления насосом охлаждения главного дизеля на базе программного комплекса MATLAB Simulink, которая точно отображает переходные процессы при регулировании скорости вращения электродвигателя, позволяет создать программу управления для контроллера нечеткой логики
и обеспечить регулировку вращения электродвигателя в соответствии с заданной программой.
1. Matlab & Simulink. Проектирование мехатронных систем на ПК. СПб.: КОРОНА-Век, 2008. 368 с.
2. Безюков О. К., Жуков В. А., Пуляев А. А. Установка для исследования кавитационных процессов в системах охлаждения судовых дизелей // Научные проблемы водного транспорта. 2020. № 64. С. 235-247.
3. Модель АДКЗ. URL: http://course.omgtu.ru/kompmodelelectro (дата обращения: 25.01.2023).
4. Романенко Н. Г. Методические указания к практическим занятиям по дисциплинам «Электрический привод». Астрахань, 2018. 40 с.
5. Модель ПЧ. URL: https://topuch.ru/racionalenoe-ispolezovanie-vodnih-i-toplivno-energeticheskih-r/index4.html (дата обращения: 27.01.2023).
6. Головко С. В. Моделирование автоматической системы управления судовой электростанции с учетом состояния оборудования // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Морская техника и технология. 2014. № 3. С. 58-63.
7. Тарасян В. С. Пакет Fuzzy logic toolbox for MATLAB: учеб. пособие. Екатеринбург: Изд-во Ур-ГУПС, 2013. 112 с.
