2. Система регулирования частоты и напряжения (срчн)

Структура системы регулирования приведена на рис. 2.2.

Рис. 2.2. Структура СРЧН

На рис. 2.2 обозначены: и  – задающие воздействия (по частоте и напряжению соответственно); N – нагрузка, выступающая в рассматриваемой задаче в качестве возмущающего воздействия; U1 и U2 – результирующие сигналы управления (отклонение рейки топливного насоса и напряжение возбудителя соответственно); y1, у2 ‑ частота, напряжение; H₁₁ ‑ передаточная функция дизеля; H₂₂ ‑ передаточная функция генератора; H₁₂ и H₂₁ ‑ передаточные функции перекрестных связей объекта управления; HN1 и HN2 – передаточные функция звеньев, учитывающих изменение частоты ДГ и напряжения на выходе генератора при изменении нагрузки; R₁₁ ‑ регулятор по отклонению в СРЧ; R₂₂ ‑ регулятор по отклонению в системе регулирования напряжения; R₁₂ и R₂₁ ‑ передаточные функции перекрестных связей в СРЧН; RN1 и RN2 – передаточные функции регуляторов по возмущению в каналах регулирования частоты и напряжения соответственно.

Применительно к данной структуре (см. рис. 2.2) могут стоять следующие основные задачи:

2а. Построение математической модели СРЧН. В данном случае это означает, что определению подлежат все передаточные функции структуры, изображенной на рис. 2.2.

2б. Синтез регулирующей части СРЧН. Эта задача может быть решена только в случае, когда известны все 6 передаточных функций объекта управления. Необходимость подобной постановки может возникнуть в случае, когда принимается решение о замене штатных регуляторов.

2в. Синтез корректоров (надстроек для штатных регуляторов без исключения и замены последних). Эта задача возникает в случае, когда качество штатной СРЧН не соответствует требуемому, или в варианте, когда для последующего внедрения разрабатывается новая система регулирования. Решение подобной задачи предполагает, что объектом управления (коррекции) служит структура, изображенная на рис. 2.2. Для решения подобной задачи требуется определить 6 передаточных функций, связывающих реакции выходных переменных y1 и у2 на воздействия по управляющим сигналам (и ) и по нагрузке.

Отмеченное выше позволяет сформировать программы экспериментов для решения каждой из трех указанных задач для СРЧН.

Кратко охарактеризуем эти программы.

Задача 2а. Целью экспериментов служит получение 12 передаточных функций блоков, входящих в структуру рис. 2.2. Каждый из блоков структуры (см. рис. 2.2) должен быть подвергнут активному или пассивному эксперименту. Результаты экспериментов в виде массивов позволят определить передаточные функции анализируемых блоков и, тем самым, сформировать полную математическую модель системы регулирования частоты. При проведении активных экспериментов должна быть обеспечена возможность автономной работы звеньев.

Задача 2б. Целью экспериментов служит получение 6 передаточных функций объекта управления. На время проведения экспериментов регуляторы, входящие в штатную СРЧН, должны быть отключены. В этих условиях возможно проведение лишь трех активных экспериментов, в процессе которых:

‑ для первого эксперимента смещается рейка топливного насоса (ступенчато, на величину 0,1-0,2 от полного перемещения). Фиксируются изменения частоты и напряжения.

‑ для второго эксперимента изменяется напряжение возбудителя (ступенчато, на величину 0,1-0,2 от номинального). Фиксируются изменения частоты и напряжения.

‑ для третьего — изменяется нагрузка (ступенчатый наброс или сброс на величину 0,1-0,2 от максимальной). Фиксируются изменения частоты и напряжения.

Эти возмущения осуществляются независимо. При проведении экспериментов начальные значения входных переменных (перемещение рейки, изменение напряжения возбудителя и величина нагрузки) могут быть произвольными. Каждый эксперимент начинается после достижения установившегося режима работы объекта. Продолжительность времени экспериментов определяется в процессе проведения каждого из них по реакции объекта на соответствующее возмущение (максимальное время может составлять несколько минут).

Задача 2в. Целью экспериментов служит получение шести передаточных функций замкнутой системы (см. рис. 2.2), связывающих

‑ выходные переменные (частоту и напряжение) с задающим воздействием по частоте ;

‑ выходные переменные (частоту и напряжение) с задающим воздействием по напряжению ;

‑ выходные переменные (частоту и напряжение) с величиной нагрузки N.

Так же, как и в предыдущем случае, осуществляются три независимых эксперимента, для проведения каждого из которых не требуется демонтаж или переключения в системе. Исходно система регулирования работает в штатном установившемся режиме, параметры которого фиксируются.

Первый эксперимент заключается в ступенчатом изменении задающего воздействия () на величину 0,1-0,2 от номинального значения и фиксации данных по изменению частоты и напряжения до нового установившегося уровня (максимальное время эксперимента может составить 10 с). При этом задающее воздействие по напряжению () и величина нагрузки не меняются и соответствуют значениям, принятым в исходном установившемся режиме.

Второй эксперимент заключается в ступенчатом изменении задающего воздействия () на величину 0,1-0,2 от номинального значения и фиксации данных по изменению частоты и напряжения до нового установившегося уровня (максимальное время эксперимента может составить 10 с). При этом задающее воздействие по частоте () и величина нагрузки не меняются и соответствуют значениям, принятым в исходном установившемся режиме.

Третий эксперимент: ступенчатый наброс или сброс нагрузки на величину 0,1-0,2 от максимальной; фиксация изменений частоты и напряжения. При этом значения задающих воздействий (1 и 2) соответствуют номинальным, принятым в исходном установившемся режиме, и не меняются. Максимальное время эксперимента может составить 10 с.

Оценивая возможность практической реализации описанных экспериментов, отметим, что наибольшие проблемы могут быть связаны с экспериментами, направленными на решение задачи 2а.

Подробное описание конкретных экспериментов было специально проведено для иллюстрации сложности сбора необходимой информации об исследуемых системах и зависимости сущности экспериментов от особенностей, поставленных перед системой задач. Даже на таком примере достаточно автономной системы можно было заметить, что ряд экспериментов можно провести с весьма большими трудностями, объем которых может поставить под сомнение возможность проведения натурных экспериментов. Понятно, что в общем случае область применения натурных экспериментов при построении имитационных моделей — весьма узкая. Существует большое число сложных систем, анализ свойств которых путем натурных экспериментов либо невозможен, либо весьма ограничен. К таким системам относятся, например, энергетическая система, экономика, системы управления ядерных объектов и др. Для таких систем возможен лишь путь сбора данных в результате пассивных экспериментов в ограниченном спектре режимов работы, не включающем критические и близкие к ним режимы.

Создание ИМ сложных систем, таким образом, позволяет:

1. описать факторы, воздействующие на исследуемые процессы, с требуемой степенью детализации;

2. учесть влияние окружающих условий (окружающей среды);

3. учесть воздействия со стороны контрольных, административных и управляющих органов (ниже названные административными воздействиями), введение которых способно нормализовать обстановку, уменьшить или устранить угрозы возникновения критических ситуаций;

4. представить параметры влияющих факторов в детерминированном или случайном виде в зависимости от варианта модели и/или полноты априорных данных;

5. получать информацию о степени влияния различных факторов и их параметров на результирующую картину (определять функции чувствительности) и, на этой основе, осуществлять их ранжирование по степени влияния;

6. составлять общую картину изменений процессов в зависимости от влияющих факторов в рассматриваемый период;

7. получать подробное представление о значениях и/или характере рассеивания (особенностях распределения) числовых характеристик, определяющих развитие исследуемых процессов, в каждый локальный момент времени;

8. путем проведения серии компьютерных экспериментов с моделью определить особенности динамики изменений основных переменных, входящих в исследуемые процессы, с течением времени;

9. выбрать из списка возможных те административные воздействия, которые наиболее эффективны в конкретной обстановке;

10. анализировать риски в рассматриваемых процессах;

11. использовать результаты моделирования для разработки интегральных (обобщенных) математических моделей;

12. осуществлять прогнозный анализ развития исследуемых процессов и определять превентивные меры управления ими путем введения административных и других воздействий;

13. осуществлять периодическую коррекцию (адаптацию к реально сложившимся условиям) имитационной модели путем сопоставления прогноза на момент времени t*, составленного за предыдущий период с реально полученными в текущий момент t* данными;

14. по результатам перечисленных выше позиций вести управление исследуемыми ситуациями с гарантированным успехом.

Для обеспечения перечисленных возможностей в имитационных моделях реализуются детерминированный и/или стохастический режимы работы. Если позиции 1-3, 5, 6 приведенного перечня возможностей могут реализовываться на основе детерминированных режимов, то большинство остальных позиций перечня возможностей предполагают использование стохастического режима, реализация которого требует учета случайных факторов в модели.

Прежде, чем останавливаться на особенностях процесса моделирования, рассмотрим основные положения, необходимые для обработки экспериментальных данных. Под экспериментами далее будем предполагать натурные и компьютерные эксперименты.