NO338307B1

NO338307B1 - Foroverkoplet motorkontrollsystem og fremgangsmåte for å kontrollere en industriell forbrenningsmotor

Info

Publication number: NO338307B1
Application number: NO20034570A
Authority: NO
Inventors: James R Zurlo; Michael Ellims
Original assignee: Dresser Inc
Priority date: 2001-04-12
Filing date: 2003-10-10
Publication date: 2016-08-08
Also published as: EP1379766A2; NO20034570L; US6564774B2; BR0208849A; DE60212608T2; AU2002322000B2; EP1379766B1; WO2002088532A2; US20020148438A1; ATE331129T1; JP2004522903A; BR0208849B1; NO20034570D0; WO2002088532A3; DE60212608D1; DK1379766T3; CA2442322A1; ES2268067T3; CA2442322C

Description

Gjeldende oppfinnelse gjelder industrielle forbrenningsmotorer, og spesielt til et kontrollsystem for å holde motoren ved konstant hastighet.

Oppfinnelsen har anvendelse til forskjellige industrielle forbrenningsmotorer, omfattende naturgassmotorer, dieselmotorer, gassturbinmotorer, osv. I en ønsket anvendelse, er oppfinnelsen benyttet med en industriell forbrenningsmotor benyttet til å drive en elektrisk kraftgenerator for en hjelpemaskin, fabrikk, eller tilsvarende, fortrinnsvis tilpasset en ønsket sekvens slik som 60 Hz i USA eller 50 Hz i Europa, til tross for belastningsendringer. Oppfinnelsen har andre anvendelser hvor det er ønskelig å holde motoren på en eller annen konstant hastighet.

Industrielle forbrenningsmotorer bruker turtallsregulatorer til å holde motoren ved konstant hastighet. Et tilbakekoplingssystem svarer til motoren og tilfører et tilbakekoplingssignal til turtallsregulatoren som sammenlikner observert hastighet mot ønsket hastighet for å generere et delta eller feilsignal som er tilført til motorspjeldventilen for korrigerende å øke eller redusere turtallen i et forsøk på å drive delta eller feilsignalet til null. Naturgassmotorer har dårligere lastrespons enn dieselmotorer slik at en stor last plassert på en naturgassmotor kan kvele motoren eller kan resultere i en uakseptabel lav senkning i turtall. Responstid er spesielt viktig når den drevne lasten er en elektrisk generator når isolert fra det elektriske hjelpenettet. I disse anvendelsene, er det viktig å minimere størrelsen og varigheten til vandringen bort fra synkron frekvens. Å stole kun på tilbakekopling krever nødvendigvis forsinkelse fordi turtallsendring må først bli oppdaget før den kan bli korrigert.

Et forover kopling ssystem fremskaffer raskere respons, og kan bli benyttet for å forutse turtallsendringer. Det er kjent i kjent teknikk å føle lastendringer og deretter sende et påventesignal til motorkontrollenheten for å endre spjeldventilposisjonen før tilbakekoplingssystemet føler en hastighetsendring. Dette reduserer frekvensvandringen forårsaket av lastoverganger. Denne typen av foroverkoplingssystemer basert på lastføling for å fremskaffe et påventet signal er vist i "Load Pulse Unit", Woodward Product Specification 82388C, 1998. Et liknende system er kjent fra DE 3400951 for å kontrollere forbrenningsmotorer for kjøretøyer.

I andre foroverkoplingssystem, er lastpåventet trimmesignaler fremskaffet som foroverkoplingssignalet som forutser motorrespons til endringer i kommandert motorlast. Foroverkoplingslastsignalene er lagt sammen med tilbakekoplings-systemfeilsignalet for å kontrollere spjeldventilen, hvor ytterligere referanse kan bli gjort til Thornberg et al, US patent 5 429 089, innkorporert deri som referanse.

I andre foroverkoplingssystem, er motorutgangseffekt tillatt å stige i påvente av øket last. Som respons til en lastkommando, er en liten delta hastighetsendring gitt til motoren over et tidsintervall fra når lastkommandoen først var oppdaget. Denne type av foroverkoplingssystem er ønskelig når mengden av ekstra påkrevd dreiemoment ikke er kjent.

Foreliggende oppfinnelse fremskaffer et kontrollsystem for en industriell forbrenningsmotor og stole på forutsagte forventede lastendringer for å opprettholde konstant turtall til tross for lastendringer. Mengden av påkrevd ekstra dreiemoment er kjent i forkant, i det minste tilnærmelsesvis, og nøyaktig kontroll er initiert før den ekstra lasten er faktisk påført. I en foretrukket utførelse, er oppfinnelsen anvendelig i en PID, proporsjonal integral derivat, kontrollsløyfe for direkte å sette integraltermen med en oppdatering anvendt kun en gang, uten gjenbruk.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere i det følgende i forbindelse med noen utførelseseksempler og under henvisning til tegningene, der

fig. 1 er en skjematisk tegning av et motorkontrollsystem i kjent teknikk;

fig. 2 er som fig. 1 og illustrerer gjeldende oppfinnelse;

fig. 3 illustrerer skjematisk en del av fig. 2;

fig. 4 illustrerer skjematisk driften av fig. 3;

fig. 5 er en graf som viser forbedret prestasjonsevne i henhold til oppfinnelsen; og

fig. 6 er et flytskjema som illustrerer driften av oppfinnelsen.

Fig. 1 viser et motorkontrollsystem 10, fra kjent teknikk, for en industriell forbrenningsmotor 12 som driver en last 14 og ønsket å kjøre ved konstant hastighet som kontrollert av en motorkontrollenhet 16 som omfatter en turtallsregulator som kontrollerer en motorspjeldventil 18 med et spjeldventilkontrollsignal 20. Et kontrollsystem er fremskaffet for å holde motoren ved relativt konstant hastighet, og omfatter et tilbakekoplingssystem som lar seg påvirke av motoren og tilfører et tilbakekoplingshastighet/dreiemomentmålingssignal 22 til motorkontrollenhten 16 for å gjøre turtallsregulatoren i stand til å forsøke å opprettholde konstant turtall via spjeldventilkontrollsignal 20 tilført til spjeldventilen 18. Operatøren tilfører en ønsket hastighet eller omdreining pr. minuttsignal ved inngangssignal 24 til motorkontrollenhet 16 som sammenlikner den faktiske eller observerte hastigheten ved 22 mot den ønskede hastigheten ved 24, og svarer til differansen eller delta mellom disse med et feilsignal for å justere spjeldventilen 18 for å forsøke å drive et slikt delta eller feilsignal til null.

En systemkontrollenhet 26 er fremskaffet for å kontrollere last 14 via lastkontrollsignal 28, og kan være mottakelig til ønsket hastighet eller omdreining pr. minutt satt av operatøren ved innmating 30. For eksempel, når drevet last 14 er en elektrisk generator, er en ønsket frekvens 60 Hz i Amerika, og 50 Hz i Europa. Det er kjent å føle lastendringer ved lastsensor 32, for å fremskaffe et øket lastsignal ved 34 til motorkontrollenhet 16 for å fremskaffe lastforutsigelser, for å muliggjøre korreksjon av spjeldventilen 18 uten å vente på en forskjell eller deltafeilsignal mellom observert turtall ved 22 og ønsket turtall ved 24. Dette reduserer frekvensvariasjoner i det elektriske hjelpenettet forårsaket av lastoverganger. Det er også kjent i kjent teknikk å fremskaffe lastforutsigende signaler i henhold til periodisk kontroll eller samlet kontrollsignaler, for eksempel den ovenfor nevnte innkorporerte US patent 5 429 089.

Foreliggende oppfinnelse er anvendelig hvor størrelsen til den drevne lasten 14 er kjent minst tilnærmelsesvis. Størrelsen til lasten kan enten være beregnet fra energi og dreiemomentskravene og tregheten til den drevne lasten 14 eller målt gjennom eksperimenter. I den foretrukne utførelsen, setter nåværende system direkte en integral term i en PID, proporsjonal integral derivat, kontrollsløyfe, vil bli beskrevet senere, og stole på mengden av ekstra påkrevd dreiemoment til å være vesentlig eller i det minste tilnærmelsesvis kjent før det faktisk er nødvendig. Nøyaktig kontroll er oppnådd ved å modifisere integreringstermen kun en gang, hvoretter kontrollen går tilbake til PID kontrollsløyfen, uten gjenbruk av en oppdatert term som ellers mottakelig til turtallsendring eller lastendring eller lastkommandosignalendring. Dette er i kontrast til tidligere forover koplingskontrollsystemer hvor den ekstra mengden av påkrevd dreiemoment ikke er kjent, slik at det beste som kan bli gjort er å tillate motorutgangseffekten å stige sakte i påvente, ved anvendelse av en liten delta endring for en kalibrert tidsvarighet fra det punktet hvor hastigheten eller lasten eller kommandosignalendringen først er sett. Den sistnevnte gir ikke den presise kontrollen ønsket å utrette av foreliggende system. I foreliggende oppfinnelse, holder kontrollsystemet motoren ved relativ konstant hastighet, til tross for lastendringer, ved å forutse lastendringer med forhåndssatte spjeldventilkontrollsløyfemodifisering.

Fig. 2. viser et motorkontrollsystem 40 i henhold til oppfinnelsen og bruker like referansenumre som ovenfor hvor passende for å forenkle forståelsen. I henhold til foreliggende oppfinnelse, holder kontrollsystemet motoren ved relativ konstant hastighet, til tross for lastendringer, ved forutsagte forventede lastendringer i den ovenfor beskrevne situasjonen. Kontrollsystemet omfatter et tilbakekoplingssystem, som ovenfor, påvirkelig av motor 12 og som tilfører et første inngangssignal ved 22 til motorkontrollenheten 16 for å gjøre det mulig for turtallsregulatoren å forsøke å opprettholde konstant turtall. Systemkontrollenheten 26 kontrollerer last 14 og tilfører et andre inngangssignal ved 42 til motorkontrollenhet 16. Det første inngangssignal 22 er et tilbakekoplings-inngangssignal som lar seg påvirke av turtallsendringer etter slike endringer. Inngangssignal 42 er et foroverkoplingsinngangssignal som forutser turtallsendringer før slike endringer i den ovenfor nevnte kontrollerte situasjonen, hvor lasten og tregheten av systemet er kjent, i det minste tilnærmelsesvis, på forhånd. Det er ikke behov for å vente på en turtallsfeil eller deltasignal eller et lastsensorsignal eller et lastforutsatt trimmesignal for å bli lagt sammen med et tilbakekoplingssignal. Dette er en fordel i den ovenfor nevnte situasjonen hvor mengden av ekstra påkrevd dreiemoment er kjent før det faktisk er nødvendig, og er utnyttet i foreliggende system.

Systemkontrollenheten 26 har kjent inngangssignal ved 30, og henholdsvis et første og et andre utsignal ved 28 og 42. Inngangssignal 30 til systemkontrollenhet 26 er mottakelig til operatørkommandoen. Utsignal 28 til systemkontrollenhet 26 er tilført til last 14 og fremskaffer det kjente lastkontrollsignalet til denne. Utsignalet 42 til systemkontrollenhet 26 er tilført til motorkontrollenhet 16 og fremskaffer et kommende forover koplingslastsignal til denne i påvente av lastendring som kontrollert av systemkontrollenhet 26. Systemkontrollenhet 26 tilfører kommende forover koplingslastsignal 42 til motorkontrollenhet 16 uten å vente på turtallsendring og uten å vente på lastendring. Et slikt kommende foroverkoplingslastsignal er et stegendring-kun-én-gang-signal fortrinnsvis anvendt til en PID-kontrollsløyfe for direkte å sette integraltermen, som vil bli beskrevet. I en foretrukket form, tilfører systemkontrollenhet 26 kommende forover koplingslastsignal 42 fra systemkontrollenhet 26 til motorkontrollenhet 16 ikke senere enn anvendelsen av lastkontrollsignalet 28 fra systemkontrollenhet 26 til last 14. Fortrinnsvis arrangerer systemkontrollenheten 26 utsignalene 28 og 42 som respons til operatørkommando ved 30 slik at kommende forover koplingslastsignal 42 er tilført til motorkontrollenhet 16 en kjent tidsperiode før lastkontrollsignal 28 er benyttet til last 14, som fremskaffet av en kjent forsinkelse 27 ved det kjente første utsignalet til systemkontrollenhet 26.

Motorkontrollenhet 16 omfatter fortrinnsvis en PID, proporsjonal integral derivat, kontrollsløyfe 50, fig. 3, som har et inngangssignal 52 fra forskjellen mellom ønsket turtall 24 og observert turtall 22, og som har et utsignal ved 54 som fremskaffer spjeldventilkontrollsignal 20 til motor 12. PID kontrollsløyfe 50 omfatter en proporsjonal term 56, en integral term 58, og en forskjellig eller derivat term 60, som kjent fra kjent teknikk, for eksempel "the Art Of Control Engineering", av K. Dutton, S. Thompson, B. Barraclough, Addison Wesley Longman, 1997, sidene 280-282. Delen av fig. 3 beskrevet så langt, som vist på venstre halvdel på fig. 3, er kjent teknikk, og er en typisk tilbakekoplings kontrollalgoritme. Den proporsjonale termen 56 sender et signal proporsjonalt til feilsignalet, det vil delta eller forskjellen mellom ønsket hastighet eller omdreining pr. minutt og observert eller faktisk hastighet eller omdreining pr. minutt. Den integrale termen 58 er proporsjonal med tidsintegralet til feilsignalet, som i gjennomsnitt, for å minimere overreaksjon til plutselige topper eller bunner. Differensial eller derivat termen 60 er proporsjonal til tidsderivatet til feilsignalet, for å fremskaffe respons i endringsraten av hastighet over tid. Kombinasjonen av disse aspektene er kjent i kjent teknikk, og er foretrukket i foreliggende oppfinnelse for forenkling og anvendelse i henhold til kjent teknologi. I foreliggende oppfinnelse, er kommende lastsignal 42, fig. 2, anvendt, etter forsinkelsestidslogikk 62, fig. 3, som en direkte oppdatering ved 64 til integral term 58. Oppdatering av 64 påført til integralterm 58 er en forutbestemt satt verdi anvendt kun en gang til integralterm 58, uten gjenbruk.

I fig. 4, muliggjør forsinkelsen som er tilveiebrakt ved 62 sekvenskontroll, slik at det direkte oppdateringssignal ved 64 påføres ved et kjent tidspunkt etter påføring av kommende last-signal 42. Ved slutten 63 av forsinkelsen 62, er oppdateringen tilført ved 64 som en engangs-bare overgang, i motsetning til en rampetid 70 som gradvis øker et delta feilsignal langs rampen 72 som i kjent teknikk. Overgangen ved 64 i stedet for ved 72 aktiveres på grunn av den kjente kontrollsituasjon hvor last og treghet er kjent. Fig. 5 illustrerer utførelse i henhold til oppfinnelsen. Den venstre vertikale aksen viste frekvensen i hertz, og den høyre vertikale aksen viser prosent lastendring. Uten foreliggende oppfinnelse, resulterer et 75 % laststeg påført som vist ved 80 til en "Waukesha Engine 7044GSIE" motor med et frekvensfall ved 82 til 51,5 Hz ved 84 fra 60 Hz ved 86. Til sammenlikning, med foreliggende oppfinnelse, når et 75 % laststeg er påført ved 88, faller frekvensen ved 90 til 54,6 Hz ved 92. Uten foreliggende oppfinnelse er frekvensvandringen fra 60 Hz 14 %. Med oppfinnelsen, er frekvensvandringen fra 60 Hz 9 %. Denne forbedringen i frekvensvandring er vesentlig i elektriske hjelpebruksområder. Gjennomsnittlig frekvens for de 30 sekundene rundt overgangen 80 uten foreliggende oppfinnelse er 59,5 Hz, mens gjennomsnittlig frekvens for de 30 sekundene rundt overgangen 88 med foreliggende oppfinnelse er 59,9 Hz. Denne forskjellen i gjennomsnittlig frekvens rundt en overgang, med eller uten oppfinnelsen, er vesentlig i elektriske bruksområder. Fig. 6 viser flytskjema for program og metode i henhold til oppfinnelsen. Ved initiering, hvis kommende lastmodus ved 42 ikke er satt, da er den integrale termen sin oppdateringsverdi ved 64 satt til null, og PID kontrollsløyfen fortsetter som kjent ovenfor. Hvis kommende lastmodus er satt, da er en forespørsel gjort til hvorvidt kommende lastmodus er aktiv. Hvis kommende lastmodus er allerede aktiv, da er en forespørsel gjort til hvorvidt tidtakeren har utløpt, vil bli beskrevet. Hvis den kommende lastmodus er ikke-aktiv, da er forespørselen gjort til hvorvidt kommende lastsignal 42 er på. Hvis ikke, da er den integrale termen oppdatert satt til null, og PID sløyfen fortsetter som ovenfor. Hvis kommende lastsignal er på, da er det et kommende lastsignal ved 42, og kommende lastmodus er satt til aktiv, som starter en tidtaker. En forespørsel er gjort til hvorvidt tidtakeren har utløpt, og hvis ikke, da er en slik forespørsel oppdatert og den integrale termoppdateringen er satt til null. Når tidtakeren har utløpt, som illustrert ved 63 i fig. 4, da er integraltermoppdatert verdien fremskaffet ved 64, hvoretter den kommende lastmodus er gjort innaktiv, og integraltermen er oppdatert ved 58. Denne prosessen er repetert for hver påkallelse, nemlig ved hver aktivering av systemkontrollenhet 26.

Claims

1. Et motorkontrollsystem for å betjene en industriell forbrenningsmotor (12) ved en relativt konstant hastighet ved kjøring med en last (14), uansett lastendringer, ved å forutse lastendringer, der motorkontrollsystemet omfatter: en motorkontrollenhet (16) inkludert en regulator som kontrollerer en motor motorspjeldventil (18); et tilbakekoplingssystem som reagerer på motoren og levere et første inngangssignal til motorkontrollenheten (16) for å gjøre regulatoren i stand til å forsøke å opprettholde konstant turtall; og en systemkontrollenhet (26) for å kontrollere last (14) og leverer et andre inngangssignal til motorkontrollenheten (16), der det første inngangssignal er et tilbakekoplingsinngangssignal som lar seg påvirke av turtallsendringer etter en slik endring, der det andre inngangssignal er et foroverkoplet inngangssignal som forutser endringer i turtall før en slik endring; der systemkontrollenheten (26) har et inngangssignal, og første og andre utsignal, idet tilførsel av systemkontrollenheten (26) reagerer på en operatørkommando (30), der det første utsignal av systemkontrollenheten (26) blir tilført til lasten og tilveiebringer et lastkontrollsignal (28) dertil, der det andre utsignalet hos systemkontrollenheten leveres til det andre inngangssignal hos motorkontrollenheten og gir et foroverkoplet lastsignal (42) til denne i påvente av lastendring som kontrolleres av motorkontrollenheten (16);karakterisert vedat systemkontrollenheten (26) sekvensierer det første og andre utsignal derav som reaksjon på operatørkommandoen (30) ved inngangssignalet derav, slik at det foroverkoplede lastsignal (42) fra det andre utsignal hos systemkontrollenheten (26) tilføres til det andre inngangssignal hos motorkontrollenheten (16) en kjent tid før lastkontrollsignalet (28) blir tilført fra det første utsignalet hos systemkontroll- (26) enheten til lasten (14).

2. System ifølge krav 1, hvor systemkontrollenhet (26) leverer det foroverkoplede lastsignal (42) fra det andre utsignal hos systemkontrollenheten (26) til det andre inngangssignal hos motorkontrollenheten (16) uten å vente på turtallsendring og uten å vente på lastendring.

3. System ifølge krav 2, hvor systemkontrollenheten (26) tilfører det foroverkoplede lastsignalet (42) fra det andre utsignal hos systemkontrollenheten (26) til det andre inngangssignal hos motorkontrollenheten (16) ikke senere enn anvendelsen av lastkontrollsignalet (28) fra det første utsignalet hos systemkontrollenheten (26) til lasten (14).

4. System ifølge krav 1, hvor motorkontrollenheten (16) omfatter en PID, «Proportional Integral Differential», kontrollsløyfe som har et inngangssignal fra differansen mellom ønsket turtall og observert turtall ved det første inngangssignal hos motorkontrollenheten (16), idet PID- kontrollsløyfen har et utsignal som gir et spjeldventilkontrollsignal (20) til motoren (12), der PID- kontrollsløyfen omfatter en proporsjonal term, en integral term, og en differensial term, hvor det foroverkoplede lastsignal (42) ved det andre inngangssignal hos motorkontrollenheten (16) fra det andre utsignal hos systemkontrollenheten (26) anvendes som en oppdatering av den integrale term.

5. System ifølge krav 4, hvor oppdatering som anvendes på den integrale term er en forhåndsbestemt satt verdi som anvendes bare én gang på den integrale term, uten gjenbruk.

6. En fremgangsmåte for å kontrollere en industriell forbrenningsmotor (12) som kjører en last (14) og ønskes å kjøre med konstant hastighet som er kontrollert av en motorkontrollenhet (16) inkludert en regulator som kontrollerer en motorspjeldventil (18) gjennom en reguleringssløyfe, omfattende: å holde motoren (12) ved relativ konstant hastighet uansett lastendringer ved å forutse lastendringer; å tilveiebringe et tilbakekoplingssystem som reagerer på motoren (12) og leverer et første inngangssignal til motorkontrollenheten (16) for å muliggjøre at regulatoren 30 kan forsøke å opprettholde konstant turtall; å tilveiebringe en systemkontrollenhet (26) for å kontrollere lasten (14) og å tilføre et andre inngangssignal til motorkontrollenheten (16), å tilveiebringe det første inngangssignal som et tilbakekoplingsinngangssignal som reagerer på endringer i turtall etter slik endring, og å tilveiebringe det andre inngangssignal som et foroverkoplet inngangssignal som forutser endring i turtall før en slik endring; å tilveiebringe systemkontrollenheten (26) med et inngangssignal, og første og andre utsignal, som tilfører nevnte inngangssignal til systemkontrollenheten (26) som reagerer på en operatørkommando (30), tilfører det første utsignal hos systemkontrollenheten (26) til lasten (14) som et lastkontrollsignal (28), for å tilføre det andre utsignal hos systemkontrollenheten (26) til det andre inngangssignal hos motorkontrollenheten (16) som et foroverkoplet lastsignal (42) til denne i påvente av lastendring, og å kontrollere det foroverkoplede lastsignal (42) til systemkontrollenheten (26);karakterisert vedå sekvensiere det første og andre utsignal til systemkontrollenheten (26) som reaksjon på operatørkommandoen (30) ved inngang ssignalet til systemkontrollenheten (26), ved å forsyne det foroverkoplede lastsignal (42) fra det andre utsignal hos systemkontrollenheten (26) til det andre inngangssignal hos motorkontrollenheten (16) en kjent tid før anvendelse av lastkontrollsignalet fra det første utsignal hos systemkontrollenheten (26) til lasten (14).

7. Fremgangsmåte ifølge krav 6, omfattende å tilføre det foroverkoplede lastsignal (42) fra det andre utsignal hos systemkontrollenheten (26) til det andre inngangssignal hos motorkontrollenheten (16) uten å vente på turtallsendringer og uten å vente på lastendring.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 7, omfattende å tilføre nevnte foroverkoplet lastsignal (42) fra det andre utsignal hos systemkontrollenheten (26) til det andre inngangssignal hos motorkontrollenheten (16) ikke senere enn anvendelsen av lastkontrollsignalet (28) fra det første utsignal hos systemkontrollenheten (26) på lasten (14).

9. Fremgangsmåte ifølge krav 6, som omfatter å tilveiebringe motorkontrollenheten (16) med en PID, «Proportional Integral Differential», kontrollsløyfe, å tilveiebringe PID-kontrollsløyfen med et inngangssignal av differansen mellom det ønskede turtall og observert turtall ved det første inngangssignal til motorkontrollenheten (16), å tilveiebringe PID- kontrollsløyfen med et utsignal for å tilføre et spjeldkontrollsignal (20) til motoren (12), å tilveiebringe PID- kontrollsløyfen med en proporsjonal term, en integral term, og en differensial term, og å anvende det foroverkoplede lastsignal (42) ved det andre inngangssignal hos motorkontrollenheten (16) fra det andre utsignal hos systemkontrollenheten (26) som en oppdatering for den integrale term.

10. Fremgangsmåte ifølge krav 9, omfattende å anvende oppdatering for den integrale term som en forhåndsbestemt satt verdi.

11. Fremgangsmåte ifølge krav 9, omfattende å anvende nevnte oppdatering bare én gang på nevnte integrale term, uten gjenbruk.