АДАПТИВНАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ АППАРАТОМ ВОЗДУШНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ МАСЛА Российский патент 2014 года по МПК F16N39/02 

Изобретение относится к аппаратам воздушного охлаждения (АВО) и в частности может использоваться для охлаждения масла газоперекачивающих агрегатов.

Наиболее близкой по технической сущности является система управления аппаратом воздушного охлаждения масла (см. Россеев Н.Н. Создание энергоэффективной системы автоматического управления аппаратами воздушного охлаждения масла на основе частотно-регулируемого электропривода // Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. - Самара: Самарский государственный технический университет, 2006, с.60-72), содержащая блок задания температуры, пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор, частотный преобразователь, асинхронный двигатель, вентилятор, теплообменник и датчик температуры.

Недостаток наиболее близкой по технической сущности системы управления аппаратом воздушного охлаждения масла заключается в том, что при изменении температуры охлаждающего воздуха в широких пределах она требует перенастройки регуляторов.

Сущность изобретения состоит в том, что адаптивная система управления аппаратом воздушного охлаждения масла, содержащая блок задания температуры, пропорционально-интегральный регулятор, частотный преобразователь, асинхронный двигатель, вентилятор, теплообменник и датчик температуры масла, причем выход блока задания температуры соединен с первым входом пропорционально-интегрального регулятора, выход частотного преобразователя соединен с асинхронным двигателем, кинематически связанным с вентилятором, вентилятор воздействует потоком воздуха на теплообменник, оснащенный датчиком температуры масла, дополнительно снабжена блоком форсирования, датчиком температуры воздуха, пропорциональным звеном и блоком умножения, причем выход датчика температуры масла соединен с входом блока форсирования, выход которого соединен с вторым входом пропорционально-интегрального регулятора, выход датчика температуры воздуха соединен с входом пропорционального звена, выход которого соединен с первым входом блока умножения, выход пропорционально-интегрального регулятора соединен с вторым входом блока умножения, выход которого соединен с входом частотного преобразователя.

Существенные отличия находят свое выражение в новой совокупности связей между элементами устройства. Указанная совокупность связей позволяет обеспечить работу системы управления аппаратом воздушного охлаждения масла без перенастройки регуляторов.

На фиг.1 приведена функциональная схема адаптивной системы управления аппаратом воздушного охлаждения масла; на фиг.2 - структурная схема адаптивной системы управления аппаратом воздушного охлаждения масла, на фиг.3 - расчетная модель адаптивной системы управления аппаратом воздушного охлаждения масла; на фиг.4 - переходные процессы по управляющему воздействию.

Адаптивная система управления аппаратом воздушного охлаждения масла (фиг.1) содержит блок 1 задания температуры, пропорционально-интегральный регулятор 2, блок 3 умножения, частотный преобразователь 4, асинхронный двигатель 5, вентилятор 6, теплообменник 7, датчик 8 температуры масла, блок 9 форсирования, датчик 10 температуры воздуха, пропорциональное звено 11.

Выход блока 1 задания температуры соединен с первым входом пропорционально-интегрального регулятора 2. Выход частотного преобразователя 4 соединен с асинхронным двигателем 5, кинематически связанным с вентилятором 6. Вентилятор 6 воздействует потоком воздуха на теплообменник 7, оснащенный датчиком 8 температуры масла. Выход датчика 8 температуры масла соединен с входом блока 9 форсирования, выход которого соединен с вторым входом пропорционально-интегрального регулятора 2. Выход датчика 10 температуры воздуха соединен с входом пропорционального звена 11, выход которого соединен с первым входом блока 3 умножения. Выход пропорционально-интегрального регулятора 2 соединен с вторым входом блока 3 умножения, выход которого соединен с входом частотного преобразователя 4.

Блок 1 задания параметров, пропорционально-интегральный регулятор 2, блок 3 умножения, частотный преобразователь 4, блок 9 форсирования и пропорциональное звено 11 могут быть реализованы, например, на частотном преобразователе MICROMASTER 430 фирмы Siemens с помощью его внутренних функциональных возможностей и BICO-технологии программирования. В частности, параметром P2200 может быть разрешено использование, например, технологического регулятора. Параметрами P2201 и P2253 формируется фиксированное задание регулятору, параметром P2264 - источник обратной связи для технологического регулятора, например, первый аналоговый вход. Параметром P2280 задается коэффициент усиления, а параметром P2285 - постоянная времени пропорционально-интегрального регулятора 2. Параметром P2263 выбирается тип технологического регулятора, позволяющий применение блока 9 форсирования в цепи обратной связи, параметром P2271 - тип обратной связи. Параметр P2274 определяет величину постоянной времени блока 9 форсирования. Параметрами P2800 и Р2802 разрешается применение блока 3 умножения. Пропорциональное звено 11 может быть реализовано, например, масштабированием второго аналогового входа, через который заводится, например, сигнал с датчика 10 температуры воздуха. Масштабирование производится посредством параметров P0757-P0760. Следует отметить, что блок 1 задания параметров, пропорционально-интегральный регулятор 2, блок 3 умножения, блок 8 форсирования и пропорциональное звено 11, могут быть реализованы также программно на микропроцессорном контроллере. В качестве асинхронного двигателя 4 может быть взят, например, двигатель 4А132М8У3, применяемый в аппаратах воздушного охлаждения масла. Вентилятор 5 представляет собой, например, рабочее колесо ГАЦ-12,4-6, закрепленное на валу асинхронного двигателя 4. Теплообменник 6, может быть реализован, например, аналогично теплообменнику венгерского производства типа 06-10. В качестве датчиков 8 и 10 температуры масла и воздуха, например, могут быть использованы датчики КОРУНД-ТМ-01-2. Датчик 8 температуры масла устанавливается на выходе теплообменника, а датчик 10 температуры воздуха - на входе воздухозаборника АВО.

Адаптивная система управления аппаратом воздушного охлаждения масла работает следующим образом. В соответствии с величиной задающего сигнала, поступающего с выхода блока 1 задания температуры, и сигнала с датчика 8 температуры масла блок 9 форсирования в совокупности с пропорционально-интегральным регулятором 2 формируют сигнал на втором входе блока 3 умножения. Одновременно сигнал с датчика 10 температуры воздуха, пройдя через пропорциональное звено 11, поступает на первый вход блока 3 умножения. Результирующий сигнал, полученный на выходе блока 3 умножения, поступает на вход частотного преобразователя 4. Частотный преобразователь 4 преобразует этот сигнал в напряжение определенной амплитуды и частоты на статорных обмотках асинхронного двигателя 5. При этом вал асинхронного двигателя 5 начинает вращаться и приводит в движение вентилятор 6, который воздействует на теплообменник 7 потоком охлаждающего воздуха. Изменение скорости вращения асинхронного двигателя 5 и, следовательно, вентилятора 6 продолжается до тех пор, пока величина сигнала с блока 9 форсирования не сравняется с величиной сигнала на выходе блока 1 задания. В результате температура масла на выходе теплообменника 7 стабилизируется на заданном уровне и наблюдается тепловой баланс между потоком воздуха и потоком масла в теплообменнике при требуемой величине температуры.

Пропорционально-интегральный регулятор 2 предназначен для компенсации наибольшей инерционности теплообменника 7 и всех помех, охваченных датчиком 8 температуры масла. Блок 9 форсирования выполняет функцию компенсации инерционности датчика 8 температуры масла. Датчик 10 температуры воздуха, пропорциональное звено 11 и блок 3 умножения предназначены для адаптации выходного сигнала пропорционально-интегрального регулятора 2 при изменении температуры охлаждающего воздуха. Корректный выбор параметров настройки пропорционально-интегрального регулятора 2 и коэффициента передачи пропорционального звена 11 обеспечивает устойчивый режим работы системы управления и требуемую точность поддержания температуры масла на выходе аппарата воздушного охлаждения при любой температуре окружающего воздуха.

Для подтверждения последнего утверждения рассмотрим структурную схему предлагаемой адаптивной системы управления аппарата воздушного охлаждения масла (фиг.2). Она содержит пропорционально-интегральный регулятор с передаточной функцией

$$W_{ПИ}\left(p\right)=-\left(k_{п}+\frac{1}{T_{и}p}\right)=-\frac{k_{п}{T}_{и}p+1}{T_{и}p},\left(1\right)$$

где k_п и T_и - коэффициент передачи и постоянная времени пропорционально-интегрального регулятора соответственно.

Знак минус в передаточной функции регулятора учитывает, что увеличение его сигнала приводит к уменьшению выходной величины. Датчики температуры масла и воздуха представлены передаточными функциями

$$W_{дТм}\left(p\right)=\frac{k_{дТм}}{T_{дТм}p+1};\left(2\right)$$

$$W_{дТв}\left(p\right)=\frac{k_{дТв}}{T_{дТв}p+1},\left(3\right)$$

где k_дТм и T_дТм - коэффициент передачи и постоянная времени датчика температуры масла; k_дТв и T_дТв - коэффициент передачи и постоянная времени датчика температуры воздуха.

Передаточная функция блока форсирования имеет вид:

$$W_{ф}\left(p\right)=T_{ф}p+\mathrm{1,}\left(4\right)$$

где постоянная времени выбирается равной

$$T_{ф}=T_{дТм}.\left(5\right)$$

На структурной схеме также изображена передаточная функция процесса теплообмена по отношению к управляющему воздействию - объемному расходу воздуха G_в(p)

$$W_{у}\left(p\right)=\frac{T_{м}\left(p\right)}{G_{в}\left(p\right)}=-\frac{k_G}{a_0{p}^2+a_{1}p+1},\left(6\right)$$

где

$$a_0=\frac{m_{м}{C}_{м}{m}_{тр}{C}_{тр}}{\left(G_{м}{\rho }_{м}{C}_{м}+{\alpha }_{м}{F}_{вн}\right)\left({\alpha }_{м}{F}_{вн}+{\alpha }_{в}{F}_{нар}-\frac{{\alpha }_{{}_{в}}^2{F}_{{}_{нар}}^2}{G_{в0}{\rho }_{в}{C}_{в}+{\alpha }_{в}{F}_{нар}}\right)-{\alpha }_{{}_{в}}^2{F}_{{}_{вн}}^2}$$ ;

$$a_0=\frac{m_{м}{C}_{м}\left({\alpha }_{м}{F}_{вн}+{\alpha }_{в}{F}_{нар}-\frac{{\alpha }_{{}_{в}}^2{F}_{{}_{нар}}^2}{G_{в0}{\rho }_{в}{C}_{в}+{\alpha }_{в}{F}_{нар}}\right)+m_{тр}{C}_{тр}\left(G_{м}{\rho }_{м}{C}_{м}+{\alpha }_{м}{F}_{вн}\right)}{\left(G_{м}{\rho }_{м}{C}_{м}+{\alpha }_{м}{F}_{вн}\right)\left({\alpha }_{м}{F}_{вн}+{\alpha }_{в}{F}_{нар}-\frac{{\alpha }_{{}_{в}}^2{F}_{{}_{нар}}^2}{G_{в0}{\rho }_{в}{C}_{в}+{\alpha }_{в}{F}_{нар}}\right)-{\alpha }_{{}_{в}}^2{F}_{{}_{вн}}^2}$$ ;

$$k_G=\frac{{\alpha }_{м}{F}_{вн}{\alpha }_{в}{F}_{нар}{\rho }_{в}{C}_{в}\left(T_{в0}-T_{в.вх0}\right)}{\left(G_{в0}{\rho }_{в}{C}_{в}+{\alpha }_{в}{F}_{нар}\right)\left[\begin{array}{l}\left(G_{м}{\rho }_{м}{C}_{м}+{\alpha }_{м}{F}_{вн}\right)\left({\alpha }_{м}{F}_{вн}+{\alpha }_{в}{F}_{нар}-\frac{{\alpha }_{{}_{в}}^2{F}_{{}_{нар}}^2}{G_{в0}{\rho }_{в}{C}_{в}+{\alpha }_{в}{F}_{нар}}\right)-\\ -{\alpha }_{{}_{в}}^2{F}_{{}_{вн}}^2\end{array}\right]}$$

G_м и G_в - объемные расходы масла и воздуха; ρ_в и ρ_м - плотности воздуха и масла; m_м и m_в - массы масла и трубки теплообменника; C_м, C_в и C_тр - удельные теплоемкости воздуха, масла и материла трубки теплообменника соответственно; α_м и α_в - коэффициенты конвективного теплообмена от стенки трубки к воздуху и от масла к стенке трубки соответственно; F_вн и F_нар - внутренняя и наружная площади теплообмена; T_м и T_в - средние значения температур масла и воздуха на выходе аппарата воздушного охлаждения; T_в.вх - среднее значение температуры воздуха на входе аппарата воздушного охлаждения;

G_в0, T_в0 и T_в.вх0 - начальные условия.

Анализ корней знаменателя (6) показывает, что эту передаточную функцию можно записать в виде двойного апериодического звена

$$W_{у}\left(p\right)=\frac{T_{м}\left(p\right)}{G_{в}\left(p\right)}=-\frac{k_G}{\left(T_{11}p+1\right)\left(T_{22}p+1\right)},\left(7\right)$$

где $$T_{11}=\frac{2a_0}{a_1+\sqrt{a_1^2-4a_0}}$$ , $$T_{22}=\frac{2a_0}{a_1-\sqrt{a_1^2-4a_0}}$$ , причем будем считать, что T₂₂≥T₁₁.

Передаточная функция вентилятора совместно с воздуховодом представлена апериодическим звеном

$$W_V\left(p\right)=\frac{k}{\left(T_{V}p+1\right)}\left(8\right)$$

с переменными коэффициентом передачи $$k_V=-\frac{\left(2c{\omega }_{00}+b{G}_{в0}\right)}{2a{G}_{в0}+b{\omega }_{00}}$$ и постоянной времени $$T_V=-\frac{{\rho }_{в}{l}_{в}}{\left(2a{G}_{в0}+b{\omega }_{00}\right)S_{в}}$$ , где a, b и c - коэффициенты аэродинамической характеристики вентилятора; l_в и S_в - длина и площадь поперечного сечения воздуховода; ω₀₀ - начальное значение скорости вращения вентилятора.

Передаточная функция асинхронного двигателя представлена динамическим звеном второго порядка

$$W_{ду}\left(p\right)=\frac{k_{ду}}{a_{00}{p}^2+a_{10}p+1},\left(9\right)$$

где величины коэффициентов a ₀₀ и a ₁₀ зависят от параметров схемы замещения двигателя, частоты питающего напряжения и закона регулирования амплитуды напряжения в функции частоты.

Частотный преобразователь на структурной схеме представлен безынерционным звеном с коэффициентом передачи k_сп, поскольку его инерционностью по сравнению с инерционностью теплообменника можно пренебречь.

Параметры настройки пропорционально-интегрального регулятора выбираются таким образом, чтобы выполнялось равенство

$$k_{п}{T}_{и}=T_{22}.\left(10\right)$$

Формула (10) имеет две степени свободы. Поэтому, задаваясь величиной постоянной времени T_и, например, из соотношения:

$$T_{и}=\mathrm{1,5}{T}_{11}{k}_{сп}{k}_{ду}{k}_V{k}_G{k}_{дТ},\left(11\right)$$

можно найти требуемое значение k_п:

$$k_{п}=\frac{T_{22}}{T_{и}}.\left(12\right)$$

Коэффициент передачи пропорционального звена k_a выбирается исходя из величины коэффициента передачи датчика температуры воздуха и диапазона изменения температур охлаждающего воздуха.

В соответствии с выражениями (1)-(12) посчитаны передаточные функции всех элементов адаптивной системы управления АВО масла с асинхронным двигателем 4А132М8У3, рабочим колесом вентилятора ГАЦ-12,4-6, при параметрах теплообменника: G_м=0,0166 м³/с; ρ_м=843 кг/м³; C_м=1670 Дж/кгК; C_тр=460 Дж/кгК; C_в=1005 Дж/кгК; m_м=434 кг; m_тр=1544 кг; α_м=286 Вт/м²К; F_вн=144 м²; F_нар=1135 м². Передаточные функции найдены для двух режимов.

В первом режиме приняты начальные условия G_в0=0,54 м₃/с; T_в.вх0=-30°C; T_в0=9,089°C; α_в=0,504 Вт/м²К; ρ_в=1,452 кг/м³. При этом передаточные функции элементов системы управления принимают следующие численные значения:

$$W_{у1}\left(p\right)=-\frac{\mathrm{1,0043}}{\mathrm{412,1345}{p}^2+\mathrm{67,2848}p+1}$$ ;

$$W_{ду1}\left(p\right)=\frac{\mathrm{1,57}}{\mathrm{0,1101}{p}^2+\mathrm{0,5939}p+1}$$ ; $$W_{V1}\left(p\right)=\frac{\mathrm{0,4042}}{\left(\mathrm{1,202}p+1\right)}$$ .

Во втором режиме приняты начальные условия: G_в0=27,2 м²/с; T_в.вх0=40°C; T_в0=45,923°C; α_в=23 Вт/м²К; ρ_в=1,118 кг/м³. При этом передаточные функции элементов системы управления принимают следующие численные значения:

$$W_{у2}\left(p\right)=-\frac{\mathrm{0,0675}}{\mathrm{216,682}{p}^2+\mathrm{40,7052}p+1}$$ ;

$$W_{ду2}\left(p\right)=\frac{\mathrm{1,557}}{\mathrm{0,0024}{p}^2+\mathrm{0,0755}p+1}$$ ; $$W_{V2}\left(p\right)=\frac{\mathrm{0,4042}}{\left(\mathrm{0,024}p+1\right)}$$ .

Коэффициент передачи частотного преобразователя принципиально равен k_сп=1. Датчики температуры характеризуется постоянными времени T_дТм=T_дТв=40 с. Поскольку задающий сигнал в системе управления формируется в тех же величинах, что и выходная величина, то коэффициент передачи датчика температуры масла k_дТв=1.

Параметры регуляторов рассчитываются для второго режима: T_и=6,52 с; k_п=9,28; T_ф=40 с. Коэффициент передачи пропорционального звена (фактически коэффициент адаптации) принят равным k_a=0,1.

В соответствии с полученными передаточными функциями в программной среде «Matlab Simulink» разработана расчетная модель адаптивной системы управления АВО масла (фиг.3). Расчетная модель позволяет провести исследование адаптивной системы управления АВО масла по отношению к управляющему воздействию T_з с учетом вариации параметров объекта управления. При настройках регуляторов, выбранных для режима T_в.вх=-30°С, G_в0=0,54 м²/с, одновременно моделирование ведется для противоположного случая с начальными условиями T_в.вх=40°C, G_в0=27,2 м²/с. Отсутствие на расчетной схеме инерционности датчика температуры воздуха объясняется тем, что к моменту изменения задающего воздействия выходной сигнал датчика имеет уже установившееся значение.

Анализ графиков, приведенных на фиг.4, показывает, что разработанная адаптивная система управления обеспечивает работоспособность АВО масла во всем возможном диапазоне изменения параметров объекта управления. Кривая 1 соответствует начальным условиям T_в.вх=-30°C, G_в0=0,54 м²/с, а кривая 2 - T_в.вх=40°C, G_в0=27,2 м³/с. При этом время переходного процесса варьируется в пределах t_пп=86,5÷127 с, несмотря на то, что коэффициент передачи объекта управления изменяется почти в 15 раз.

Таким образом, предлагаемая адаптивная система управления аппаратом воздушного охлаждения масла позволяет обеспечить работу без перенастройки регуляторов.

Изобретение относится к аппаратам воздушного охлаждения и может использоваться для охлаждения масла газоперекачивающих агрегатов. Адаптивная система управления аппаратом воздушного охлаждения масла содержит блок 1 задания температуры, пропорционально-интегральный регулятор 2, блок 3 умножения, частотный преобразователь 4, асинхронный двигатель 5, вентилятор 6, теплообменник 7, датчик 8 температуры масла, блок 9 форсирования, датчик 10 температуры воздуха, пропорциональное звено 11. Предлагаемая адаптивная система управления аппаратом воздушного охлаждения масла позволяет обеспечить работу без перенастройки регуляторов. 4 ил.

Адаптивная система управления аппаратом воздушного охлаждения масла, содержащая блок задания температуры, пропорционально-интегральный регулятор, частотный преобразователь, асинхронный двигатель, вентилятор, теплообменник и датчик температуры масла, причем выход блока задания температуры соединен с первым входом пропорционально-интегрального регулятора, выход частотного преобразователя соединен с асинхронным двигателем, кинематически связанным с вентилятором, вентилятор воздействует потоком воздуха на теплообменник, оснащенный датчиком температуры масла, отличающаяся тем, что она дополнительно снабжена блоком форсирования, датчиком температуры воздуха, пропорциональным звеном и блоком умножения, причем выход датчика температуры масла соединен с входом блока форсирования, выход которого соединен с вторым входом пропорционально-интегрального регулятора, выход датчика температуры воздуха соединен с входом пропорционального звена, выход которого соединен с первым входом блока умножения, выход пропорционально-интегрального регулятора соединен с вторым входом блока умножения, выход которого соединен с входом частотного преобразователя.