RU2653938C2 - Method of automatic pid controller tuning for controlling a diesel engine in electric sets and power plants - Google Patents

Method of automatic pid controller tuning for controlling a diesel engine in electric sets and power plants Download PDF

Info

Publication number
RU2653938C2
RU2653938C2 RU2016109585A RU2016109585A RU2653938C2 RU 2653938 C2 RU2653938 C2 RU 2653938C2 RU 2016109585 A RU2016109585 A RU 2016109585A RU 2016109585 A RU2016109585 A RU 2016109585A RU 2653938 C2 RU2653938 C2 RU 2653938C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
pid controller
coefficients
diesel engine
parameters
power plants
Prior art date
Application number
RU2016109585A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2016109585A (en
Inventor
Юрий Евгеньевич Хрящев
Дмитрий Андреевич Епанешников
Сергей Владимирович Овчинников
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "Электротехнический завод ЭЛЗА"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью "Электротехнический завод ЭЛЗА" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "Электротехнический завод ЭЛЗА"
Priority to RU2016109585A priority Critical patent/RU2653938C2/en
Publication of RU2016109585A publication Critical patent/RU2016109585A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2653938C2 publication Critical patent/RU2653938C2/en

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D19/00—Controlling engines characterised by their use of non-liquid fuels, pluralities of fuels, or non-fuel substances added to the combustible mixtures
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B13/00—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: invention relates to a method for automatic PID controller tuning for controlling a diesel engine in electric sets and power plants. For automatic tuning, a step control action is applied to the input of the automatic control system, the parameters of the PID controller by the reaction to this effect are evaluated, the start and end time of the transient process are determined, the analysis of the transient process image on the basis of an artificial neural network is made, the need to recalculate the coefficients of the regulator is determined, recalculation of the values of the PID regulator parameters in the optimal degree of stability in a certain way is made.
EFFECT: increase in the accuracy and speed of the diesel engine speed control are ensured.
1 cl, 3 dwg, 2 tbl

Description

Изобретение относится к дизельным электрическим агрегатам, работающим на внешнюю переменную нагрузку в составе дизеля и электрического генератора, и предназначено для регулирования дизеля, входящего в состав электрического агрегата.The invention relates to diesel electric units operating on an external variable load as part of a diesel engine and an electric generator, and is intended to control a diesel engine included in an electric unit.

Для того, чтобы добиться первого класса точности регулирования частоты вращения коленчатого вала современного дизельного двигателя в составе электроагрегатов и электростанций (по ГОСТ 10511-72), применяют электронные системы управления (Поликер Б.Б., Михальский Л.Л., Марков В.А. и др. Дизельные двигатели в составе электроагрегатов и электростанций / Под ред. Б.Е. Поликера. - М.: Легион-Автодата, 2006. - С. 293-302). Способы регулирования их частоты вращения могут быть основаны на применении ПИ-регулятора, что обеспечивает более высокую точность, чем регулирование с помощью механического центробежного прецизионного регулятора (Пат. №2253030 РФ). Кроме того, работа современных дизельных и газовых электростанций должна соответствовать третьей-четвертой степени автоматизации по ГОСТ 14228-80, которым устанавливается время необслуживаемой работы двигателя 250, 375 ч. Практически, соблюдение этих двух стандартов предписывает наличие электронного управления. Однако возможности электронного управления могут быть использованы не полностью. Например, известен способ регулирования дизель-электрического силового агрегата (Пат. №2468230 РФ), включающего в себя дизель, электрический генератор, электронный регулятор с микропроцессорным блоком управления, исполнительные механизмы с дискретным регулированием мощности путем пропусков отдельных подач топлива и дополнительным корректированием пропусков и цикловых подач топлива. В большинстве электронных систем управления дизельными и газовыми двигателями, работающими в составе электроагрегатов и электростанций, в качестве основного закона регулирования частоты вращения коленчатого вала, жестко связанного с ротором электрического генератора, применяется ПИД-регулятор. Само по себе применение ПИД-регулятора не обеспечивает необходимых быстродействия и точности, и для обеспечения необходимого качества регулирования применяют адаптивные ПИД-регуляторы. Одной из первых серийно выпускающихся отечественных систем управления дизелем, где был применен ПИД-регулятор, является система ЭСУ-1 с последующей ее модификацией для управления дизельными двигателями, работающими в составе электроагрегатов и электростанций, ЭСУ-1Г. (Хрящев Ю.Е., Антошин Р.О., Тихомиров М.Ю. Уровень Euro-3 с системами ЭСУ-1 // Электроника и электрооборудование транспорта, 2006. - №3-4. - С. 10-11. Все модификации системы выпускались как адаптивные с простым подбором заранее назначенных (рассчитанных и опробованных) коэффициентов ПИД-регулятора при пропорциональной, интегральной и дифференциальной его составляющих в зависимости от нагрузочно-скоростного режима. В дальнейшем для управления частотой вращения дизельного двигателя на экстремальных режимах, в том числе и на холостом ходу, был предложен способ их оптимизации (пат. №2441169 РФ), причем повышению точности регулирования частоты вращения способствует применение fuzzy-логики и искусственных нейронных сетей (ИНС) (Хрящев Ю.Е., Третьяков А.А., Кирик В.В. Использование аппарата fazzy-логики в управлении дизелем // Электроника и электрооборудование транспорта, 2007, №2. - С. 2-4; Епанешников Д.А., Хрящёв Ю.Е. Дискретная реализация ПИД-регулятора частоты вращения дизельного двигателя // Электроника и электрооборудование транспорта, 2014, №1. - С. 2-5).In order to achieve the first class of accuracy of regulation of the rotational speed of the crankshaft of a modern diesel engine as part of electric units and power plants (in accordance with GOST 10511-72), electronic control systems are used (Poliker BB, Mikhalsky L.L., Markov V.A. . and others. Diesel engines as a part of electric units and power plants / Under the editorship of B.E. Poliker. - M.: Legion-Avtodata, 2006. - S. 293-302). Methods of controlling their speed can be based on the use of a PI controller, which provides higher accuracy than regulation using a mechanical centrifugal precision controller (Pat. No. 2253030 RF). In addition, the operation of modern diesel and gas power plants must comply with the third or fourth degree of automation according to GOST 14228-80, which sets the maintenance-free time of the engine 250, 375 hours. In practice, compliance with these two standards requires electronic control. However, electronic control capabilities may not be fully utilized. For example, there is a known method for regulating a diesel-electric power unit (Pat. No. 2468230 RF), which includes a diesel engine, an electric generator, an electronic controller with a microprocessor control unit, actuators with discrete power control by omitting individual fuel supplies and additionally adjusting the omissions and cycle fuel supply. In most electronic control systems for diesel and gas engines operating as part of electric units and power plants, the PID controller is used as the main law for regulating the speed of the crankshaft, rigidly connected with the rotor of the electric generator. By itself, the use of a PID controller does not provide the necessary speed and accuracy, and adaptive PID controllers are used to ensure the necessary quality of regulation. One of the first commercially available domestic diesel control systems, where the PID controller was used, is the ESU-1 system with its subsequent modification for controlling diesel engines operating as part of electric units and power plants, ESU-1G. (Khryashchev Yu.E., Antoshin R.O., Tikhomirov M.Yu. Euro-3 Level with ESU-1 Systems // Electronics and Electrical Equipment of Transport, 2006. - No. 3-4. - P. 10-11. All system modifications were produced as adaptive with a simple selection of pre-assigned (calculated and tested) PID controller coefficients with proportional, integral and differential components depending on the load-speed mode.In the future, to control the speed of a diesel engine in extreme modes, including and at idle, was offered the method of their optimization (US Pat. No. 2441169 of the Russian Federation), moreover, the use of fuzzy logic and artificial neural networks (ANNs) (Khryashchev Yu.E., Tretyakov A.A., Kirik V.V. -logics in diesel control // Electronics and electrical equipment of transport, 2007, No. 2. - P. 2-4; Epaneshnikov DA, Khryashchev Yu.E. Discrete implementation of the PID-regulator of frequency of rotation of a diesel engine // Electronics and electrical equipment of transport , 2014, No. 1. - S. 2-5).

В большинстве случаев адаптивное управление в системах, оснащенных ПИД-регуляторами, достигается путем оптимизации коэффициентов при пропорциональной, интегральной и дифференциальной составляющих. Способы определения их величины и соотношения между собой довольно разнообразны так же, как разнообразны объекты, цели управления и условия функционирования. (Денисенко В. ПИД-регуляторы: принципы построения и модификации. Ч. 1.//Современные технологии автоматизации. - 2006. - №4. - с. 66-74; Денисенко В. ПИД-регуляторы: принципы построения и модификации. Ч. 2.//Современные технологии автоматизации. - 2007. - №1. - С. 78-88).In most cases, adaptive control in systems equipped with PID controllers is achieved by optimizing the coefficients for the proportional, integral, and differential components. The methods for determining their magnitude and correlation with each other are quite diverse in the same way as objects, control objectives, and operating conditions are diverse. (Denisenko V. PID controllers: principles of construction and modification. Part 1. // Modern automation technologies. - 2006. - No. 4. - p. 66-74; Denisenko V. PID controllers: principles of construction and modification. H 2.// Modern Automation Technologies. - 2007. - No. 1. - S. 78-88).

Структурная схема логических блоков ПИД-регулятора может выглядеть, например, следующим образом (пат. №2157558). ПИД-регулятор содержит параллельно соединенные усилитель, интегратор и дифференциатор, выходы которых подключены к входам сумматора, выход которого является выходным каналом регулятора, вход усилителя подключен к выходу первого элемента сравнения, минусовой вход которого подключен к каналу регулируемого параметра непосредственно, плюсовой вход элемента сравнения через первое динамическое звено соединен с каналом задания, установлены дополнительные динамические звенья, а также элементы сравнения, минусовые входы которых подключены к каналу регулируемого параметра непосредственно, а их плюсовые входы подключены к каналу задания соответственно через динамические звенья, выходы элементов сравнения соединены с входами интегратора и дифференциатора.The block diagram of the logical blocks of the PID controller may look, for example, as follows (US Pat. No. 2157558). The PID controller contains parallel-connected amplifier, integrator and differentiator, the outputs of which are connected to the inputs of the adder, the output of which is the output channel of the controller, the input of the amplifier is connected to the output of the first comparison element, the negative input of which is connected directly to the channel of the adjustable parameter, the positive input of the comparison element through the first dynamic link is connected to the job channel, additional dynamic links are installed, as well as comparison elements, the negative inputs of which are connected to the channel of the adjustable parameter directly, and their positive inputs are connected to the reference channel, respectively, through dynamic links, the outputs of the comparison elements are connected to the inputs of the integrator and differentiator.

К настоящему времени известны разработки мощных универсальных ПИД-регуляторов, пригодных для управления многими технологическими процессами (например, пат. 2064193 РФ; Александров А.Г., Паленов М.В. Самонастраивающийся ПИД/И регулятор // Автоматика и телемеханика. 2011. №10. С. 4-18). Однако такие регуляторы (и алгоритмы, и схемное решение) не могут применяться, например, в системах управления дизельгенераторными установками, не только по причинам аппаратной несовместимости, но и по сложной структуре подходов, поскольку для серийного производства дизельных двигателей в составе электростанций они являются переразмеренными, громоздкими и дорогими.To date, the development of powerful universal PID controllers suitable for controlling many technological processes is known (for example, Pat. 2064193 of the Russian Federation; Aleksandrov A.G., Palenov M.V. Self-tuning PID / I controller // Automation and Telemechanics. 2011. No. 10, p. 4-18). However, such regulators (both algorithms and circuit solutions) cannot be used, for example, in control systems for diesel generator sets, not only for reasons of hardware incompatibility, but also due to the complex structure of approaches, since they are oversized for serial production of diesel engines in power plants, bulky and expensive.

При работе дизеля его свойства и параметры изменяются вследствие смены нагрузочно-скоростных режимов, и поэтому необходимы адаптивные способы управления, с помощью которых осуществляется адаптация законов регулирования (в данном случае ПИД-регулятора) к изменяющимся неизвестным параметрам объекта. Однако при изменении режима работы дизельного двигателя существует вероятность ухудшения качества регулирования частоты вращения коленчатого вала вплоть до ее раскачивания так, что система теряет устойчивость. Обычно при управлении технологическими объектами в таких случаях, чтобы исключить аварийную ситуацию, регулятор отключают и осуществляют процесс его самонастройки на текущий режим работы объекта. Такой способ является неприемлемым при регулировании дизелей, т.к. это не только приводит к большим ошибкам регулирования во время процесса адаптации ПИД-регулятора, но и невозможно по временному фактору: дизель может уйти в разнос в течение всего лишь 50 мс.During the operation of a diesel engine, its properties and parameters change due to a change in the load-speed regimes, and therefore, adaptive control methods are needed, with the help of which the adaptation of the laws of regulation (in this case, the PID controller) to changing unknown parameters of the object is carried out. However, when changing the operating mode of the diesel engine, there is a likelihood of deterioration in the quality of regulation of the crankshaft speed up to its swinging so that the system loses stability. Usually, when managing technological facilities in such cases, in order to exclude an emergency situation, the regulator is turned off and the process of its self-adjustment to the current operating mode of the facility is carried out. This method is unacceptable when regulating diesel engines, because this not only leads to large control errors during the adaptation process of the PID controller, but it is also impossible due to the time factor: the diesel engine can go into spacing within only 50 ms.

Процесс адаптации содержит две основные операции: идентификация (определение коэффициентов) объекта и синтез регулятора. Идентификация объекта затруднена колебаниями нагрузки объекта (резкие изменения температуры окружающей теплосеть среды, изменение числа потребителей электроэнергии), которые называются внешними возмущениями. В этих условиях необходимы специальные методы, учитывающие произвольные неизвестные внешние возмущения. Например, известен метод, в котором используется гармонический испытательный сигнал для уменьшения влияния внешних возмущений на результат идентификации (Александров А.Г. Адаптивное управление на основе идентификации частотных характеристик // Известия РАН: Теория и системы управления. 1995. №2. - С. 63-71). Такой метод применяется для инерционных систем управления технологическими производственными объектами.The adaptation process contains two main operations: identification (determination of coefficients) of the object and synthesis of the controller. Identification of the object is complicated by fluctuations in the load of the object (sudden changes in the temperature of the environment surrounding the heating system, a change in the number of electricity consumers), which are called external disturbances. Under these conditions, special methods are necessary that take into account arbitrary unknown external perturbations. For example, a method is known in which a harmonic test signal is used to reduce the influence of external disturbances on the identification result (Aleksandrov A.G. Adaptive control based on identification of frequency characteristics // Izvestiya RAS: Theory and control systems. 1995. No. 2. - S. 63-71). This method is used for inertial control systems for technological production facilities.

Операция идентификации может быть построена на использовании переходных процессов при нормированном воздействии на вход регулятора (Полищук А.В. Настройка ПИД-регулятора систем автоматического регулирования объектов теплоэнергетического оборудования [электронный ресурс]. - Новосибирск: Новосибирский государственный технический университет.- С. 19. www.sworld.com.ua /konfer26/836.pdf.).The identification operation can be based on the use of transients with a normalized impact on the input of the regulator (A. Polishchuk. Setting up the PID controller for automatic control systems of heat power equipment [electronic resource]. - Novosibirsk: Novosibirsk State Technical University. - P. 19. www .sworld.com.ua /konfer26/836.pdf.).

Аналогичный способ настройки рассматривается при исследовании системы с помощью переходного процесса (Шубладзе A.M., Кузнецов С.И. «Автоматически настраивающиеся промышленные ПИ и ПИД-регуляторы» // Автоматизация в промышленности. 2007. №2. - С. 15-17). Работа посвящена настройке ПИД-регуляторов в объекте управления при воздействии идентифицирующего сигнала, не превышающего 10% от диапазона изменения выходного сигнала управления. Смысл предлагаемого способа настройки состоит в том, что при реакции системы на ступенчатое управляющее воздействие осуществляется оценивание параметров ПИД-регулятора с последующим пересчетом этих параметров в оптимальные по степени устойчивости. Интересующие параметры оцениваются с помощью реакции системы на ступенчатое управляющее воздействие, т.е. с помощью переходного процесса. Определяется время начала и окончания переходного процесса, т.е. его продолжительность, и заранее назначенные пять характерных точек. Таким образом определяется качество переходного процесса и степень устойчивости системы управления. Оптимальные параметры ПИД-регулятора определяются и настраиваются автоматически (Описанный здесь способ принят за прототип).A similar tuning method is considered when studying the system using a transient process (Shubladze A.M., Kuznetsov SI “Automatically tuned industrial PI and PID controllers” // Automation in Industry. 2007. No. 2. - P. 15-17). The work is devoted to tuning PID controllers in the control object when exposed to an identifying signal that does not exceed 10% of the range of the output control signal. The meaning of the proposed tuning method is that when the system reacts to a stepwise control action, the parameters of the PID controller are evaluated, followed by the conversion of these parameters to the optimal ones according to the degree of stability. The parameters of interest are evaluated using the response of the system to a stepwise control action, i.e. using the transition process. The time of the beginning and end of the transition process, i.e. its duration, and pre-assigned five characteristic points. Thus, the quality of the transition process and the degree of stability of the control system are determined. The optimal parameters of the PID controller are determined and tuned automatically (the method described here is adopted as a prototype).

Таким образом, способ автоматической настройки ПИД-регулятора для управления дизельным двигателем в составе электроагрегатов и электростанций состоит в том, что в логических блоках системы автоматического управления (САУ) осуществляется следующая последовательность действий: на вход САУ подают управляющее ступенчатое воздействие и по ее реакции на это воздействие осуществляют оценивание параметров ПИД-регулятора, определяют время начала и окончания переходного процесса, затем производят пересчет значений параметров ПИД-регулятора в оптимальные по степени устойчивости.Thus, the method for automatically tuning the PID controller for controlling a diesel engine as a part of electric units and power plants consists in the following sequence of actions carried out in the logical blocks of the automatic control system (ACS): a stepwise control action is applied to the input of the ACS and according to its response to it the impact of the evaluation of the parameters of the PID controller, determine the start and end of the transition process, then recalculate the values of the parameters of the PID controller optimal in degree of stability.

Однако реальные системы управления частотой вращения дизеля являются нелинейными, а рассматриваемый способ основан на линейной модели, что позволяет производить лишь приближенную оценку, и только одно это обстоятельство не позволяет согласиться с реально обеспечиваемой точностью и продолжительностью регулирования.However, real diesel engine speed control systems are nonlinear, and the method under consideration is based on a linear model, which allows only an approximate estimate, and only this circumstance does not allow one to agree with the accuracy and duration of regulation actually provided.

Таким образом, технической задачей предлагаемого изобретения является повышение качества (точности и быстродействия) регулирования частоты вращения дизеля.Thus, the technical task of the invention is to improve the quality (accuracy and speed) of regulating the speed of a diesel engine.

Решение задачи может быть предложено в том, что анализ качества переходных процессов, происходящих в САУ, производят с помощью блока анализа, основу которого составляет искусственная нейронная сеть (структура которой реализует ассоциативную память, настроенную на распознавание типовых переходных процессов), осуществляющая анализ образа переходного процесса, по результатам которого определяют необходимость изменения коэффициентов регулятора, затем исходя из присвоенной переходному процессу оценки, производят одно из следующих действий: либо изменяют соответствующие коэффициенты регулятора; либо продолжают работу без изменения коэффициентов; либо изменяют значение коэффициентов на величину "по умолчанию", при этом предусматривается ограничение максимального и минимального значения интегральной составляющей, а также сброс накапливающейся интегральной суммы в зависимости от условий работы, а дифференциальную составляющую используют совместно с фильтром низких частот.A solution to the problem can be proposed in that the analysis of the quality of transients occurring in an ACS is performed using an analysis unit, the basis of which is an artificial neural network (the structure of which implements associative memory configured to recognize typical transients), which analyzes the image of the transient , the results of which determine the need to change the coefficients of the regulator, then based on the assessment assigned to the transition process, perform one of the following actions Wii: either change the corresponding coefficients of the regulator; or continue to work without changing the coefficients; or change the value of the coefficients by the default value, while limiting the maximum and minimum values of the integral component, as well as resetting the cumulative integral sum depending on the operating conditions, and the differential component is used in conjunction with a low-pass filter.

Изобретательский уровень этого предложения состоит в том, что анализ качества переходных процессов, происходящих в САУ, производят с помощью блока анализа, основу которого составляет ИНС (структура которой реализует ассоциативную память, настроенную на распознавание типовых переходных процессов), осуществляющая анализ образа переходного процесса, по результатам которого определяют необходимость изменения коэффициентов регулятора.The inventive step of this proposal is that the analysis of the quality of transients occurring in self-propelled guns is performed using an analysis unit, the basis of which is an ANN (the structure of which implements associative memory configured to recognize typical transients), which analyzes the image of the transient the results of which determine the need to change the coefficients of the regulator.

Функционирование предлагаемого способа осуществляется согласно логической структурной схеме, представленной на фиг. 1. Изображение исходного переходного процесса представлено на фиг. 2, изображение переходного процесса, подготовленного для передачи в ИНС - на фиг. 3.The operation of the proposed method is carried out according to the logical structural diagram shown in FIG. 1. An image of the initial transient is shown in FIG. 2, an image of a transient prepared for transmission to the ANN — in FIG. 3.

На структурной схеме (фиг. 1) представлены: орган настройки 1 и датчик частоты вращения 2, соединенные с сумматором 3, выход которого соединен со входом ПИД-регулятора 4, а его выход связан с исполнительным механизмом (на схеме не показано) дизельного двигателя 5. Кроме того, датчик 2 соединен с функциональным блоком записи переходного процесса 6, а он, в свою очередь, - с блоком анализа 7, основу которого составляет ИНС, и который связан с блоком оптимизации 8 коэффициентов ПИД-регулятора. Блок оптимизации 8 коэффициентов логически связан с каждым из трех коэффициентов в ПИД-регуляторе 4.The structural diagram (Fig. 1) presents: tuning body 1 and speed sensor 2 connected to the adder 3, the output of which is connected to the input of the PID controller 4, and its output is connected to the actuator (not shown in the diagram) of the diesel engine 5 In addition, the sensor 2 is connected to the transient recording function block 6, and it, in turn, is connected to the analysis block 7, which is based on the ANN, and which is connected to the optimization block of 8 coefficients of the PID controller. The optimization block of 8 coefficients is logically connected to each of the three coefficients in the PID controller 4.

Способ автоматической настройки ПИД-регулятора функционирует следующим образом.The automatic tuning method of the PID controller operates as follows.

В качестве исходных данных используются следующие величины (заданное значение частоты вращения дизеля r(t), текущее значение частоты вращения дизеля y(t), а также коэффициенты при пропорциональной составляющей КP, интегральной Ki и дифференциальной Kd ПИД-регулятора. Заданное органом настройки 1 значение частоты вращения дизеля r(t) и текущее значение частоты вращения дизеля y(t), полученное с датчика частоты вращения 2, передаются в сумматор 3, где вычисляется отклонение e(t) текущего значения частоты вращения дизеля y(t) от величины ее заданного значения r(t). Величина отклонения e(t) передается в ПИД-регулятор 4, который вычисляет управляющее воздействие u(t) и передает его на исполнительный механизм дизеля 5, который, в свою очередь, реагирует на это изменением текущего значения y(t). Значения частоты вращения дизеля фиксируются в функциональном блоке записи переходного процесса 6 с частотой, достаточной для эффективного функционирования алгоритма, и через равные промежутки времени передаются для анализа в блок анализа 7, основу которого составляет ИНС, реализованная с целью оценки переходных процессов, происходящих в САУ. Исходя из оценки, данной переходному процессу, в блоке оптимизации 8 коэффициентов ПИД-регулятора 4 вычисляются новые значения его коэффициентов. Далее процесс повторяется.The following quantities are used as initial data (a given value of the diesel speed r (t), the current value of the diesel speed y (t), as well as coefficients for the proportional component K P , integral K i and differential K d PID controller. settings 1, the value of the diesel engine speed r (t) and the current value of the diesel engine speed y (t), obtained from the engine speed sensor 2, are transferred to the adder 3, where the deviation e (t) of the current value of the diesel engine speed y (t) from values of its predetermined r (t). The deviation e (t) is transmitted to the PID controller 4, which calculates the control action u (t) and transfers it to the diesel actuator 5, which, in turn, responds to this by changing the current value of y ( t) .The values of the diesel engine speed are recorded in the transient recording function block 6 with a frequency sufficient for the algorithm to function efficiently, and transmitted at regular intervals for analysis to analysis block 7, which is based on the ANN implemented to evaluate process processes occurring in self-propelled guns. Based on the assessment given to the transient process, in the optimization block 8 coefficients of the PID controller 4, new values of its coefficients are calculated. The process is then repeated.

ПИД-регулятор 4 функционирует следующим образом.PID controller 4 operates as follows.

Аналоговая реализация ПИД-регулятора может быть представлена следующим выражением:The analog implementation of the PID controller can be represented by the following expression:

Figure 00000001
Figure 00000001

где u(t) - управляющее воздействие;where u (t) is the control action;

e(t) - рассогласование, вычисляемое по формуле:e (t) is the mismatch calculated by the formula:

Figure 00000002
Figure 00000002

r(t) - заданное значение управляемого параметра;r (t) is the set value of the controlled parameter;

y(t) - измеренное значение управляемого параметра;y (t) is the measured value of the controlled parameter;

K - пропорциональный коэффициент;K is a proportional coefficient;

Ti - постоянная времени интегрирования;T i is the integration time constant;

Td - постоянная времени дифференцирования.T d is the differentiation time constant.

Обработка сигналов и вычисление управляющего воздействия производятся в дискретные моменты времени. Измерение сигнала и его обработка производится с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП) (на схеме фиг. 1 не показано) через равный период времени h. Дискретная работа алгоритма приводит к появлению задержки в вычислении управляющего воздействия.Signal processing and control action calculation are performed at discrete time instants. The signal is measured and processed using an analog-to-digital converter (ADC) (not shown in the diagram of Fig. 1) after an equal period of time h. Discrete operation of the algorithm leads to a delay in the calculation of the control action.

Дискретная реализация ПИД-регулятора при помощи z-преобразования приводит к следующему выражению:The discrete implementation of the PID controller using the z-transformation leads to the following expression:

Figure 00000003
Figure 00000003

Для цифровой реализации наиболее удобным является представление данного закона управления при помощи разностей величин рассогласования в дискретные моменты времени.For digital implementation, the most convenient is the presentation of this control law with the help of differences in the values of the mismatch at discrete points in time.

Вычисление рассогласования для пропорционального и дифференциального компонентов регулятора заменяется разностью взвешенного значения заданного параметра и действительного значения, что дает большую гибкость при настройке:The calculation of the mismatch for the proportional and differential components of the controller is replaced by the difference between the weighted value of the given parameter and the actual value, which gives great flexibility when setting:

Figure 00000004
Figure 00000004

где b, с - соответствующие весовые коэффициенты, k - дискретный момент времени, для которого вычисляется управляющее воздействие. Выражение для вычисления управляющего воздействия:where b, c are the corresponding weights, k is the discrete time instant for which the control action is calculated. The expression for calculating the control action:

Figure 00000005
Figure 00000005

где k - номер дискретного значения.where k is the number of the discrete value.

Пропорциональная составляющая Р:Proportional component P:

Figure 00000006
Figure 00000006

Интегральная составляющая I:Integral component I:

Figure 00000007
Figure 00000007

Значения коэффициентов bi1 и bi2. зависят от способа интегрирования и приведены в таблице 1.The values of the coefficients b i1 and b i2 . depend on the method of integration and are shown in table 1.

Figure 00000008
Figure 00000008

Когда система управления работает на различных режимах, велика вероятность того, что величина управляющего воздействия (или нагрузки) достигнет пределов рабочего диапазона исполнительного механизма. В этом случае исполнительный механизм остается в неизменном положении («в упоре»), несмотря на изменение управляющего воздействия, обратную связь в данном режиме работы можно считать разорванной. Ошибка регулирования при этом продолжает накапливаться, и интегральная составляющая существенно возрастает, что негативно сказывается на работе системы управления после выхода исполнительного механизма из ограничения. Для предотвращения подобного поведения САУ в управлении предусматривается ограничение максимального и минимального значения интегральной составляющей I, а также сброс интегральной суммы в зависимости от условий работы.When the control system operates in different modes, it is likely that the magnitude of the control action (or load) will reach the limits of the operating range of the actuator. In this case, the actuator remains in the same position (“in focus”), despite the change in the control action, the feedback in this mode of operation can be considered broken. At the same time, the regulatory error continues to accumulate, and the integral component increases significantly, which negatively affects the operation of the control system after the actuator leaves the limit. To prevent this behavior of self-propelled guns, the control provides for limiting the maximum and minimum values of the integral component I, as well as resetting the integral sum depending on the operating conditions.

На практике коэффициент с принимается с=0. Дифференциальная составляющая используется совместно с фильтром низких частот согласно следующему выражению в изображении по Лапласу:In practice, the coefficient c is taken to be c = 0. The differential component is used in conjunction with a low-pass filter according to the following expression in the Laplace image:

Figure 00000009
Figure 00000009

Figure 00000010
Figure 00000010

где TF - постоянная времени фильтра, параметр N выбирается в пределах 8…10. Данные модификации позволяют обеспечить низкую восприимчивость дифференциальной составляющей к высокочастотным измерительным шумам.where T F is the filter time constant, the parameter N is selected within 8 ... 10. These modifications make it possible to provide a low susceptibility of the differential component to high-frequency measuring noise.

Для вычисления дифференциальной составляющей используется следующее выражение:To calculate the differential component, the following expression is used:

Figure 00000011
Figure 00000011

Значения коэффициентов α и bd зависят от способа дифференцирования и приведены ниже (табл. 2). Для расчетов может быть взят результат по любому подходящему способу.The values of the coefficients α and b d depend on the method of differentiation and are given below (table. 2). For calculations, the result can be taken by any suitable method.

Figure 00000012
Figure 00000012

В функциональном блоке 6 записи переходного процесса (фиг. 2) производится подготовка данных для передачи в блок анализа 7 следующим образом.In the functional block 6 of the transient recording (Fig. 2), data is prepared for transmission to the analysis unit 7 as follows.

По оси времени происходит дискретизация данных (фиг. 3), разбить на d отрезков, число k соответствует размеру вектора входных данных для ИНС.The data is discretized along the time axis (Fig. 3), divided into d segments, the number k corresponds to the size of the input data vector for the ANN.

Figure 00000013
Figure 00000013

где Δt - период опроса,where Δt is the polling period,

t1 - время окончания регистрации переходного процесса,t 1 is the end time of the registration of the transition process,

t0 - время начала регистрации переходного процесса,t 0 is the start time of the transient registration,

d - количество дискретных отрезков.d is the number of discrete segments.

Из каждого отрезка выбирается максимальная относительная амплитуда ошибки регулирования. Результат для каждого отрезка передается в соответствующий нейрон входного слоя.From each segment, the maximum relative amplitude of the control error is selected. The result for each segment is transmitted to the corresponding neuron of the input layer.

Figure 00000014
Figure 00000014

А - относительная амплитуда,A is the relative amplitude

е - величина ошибки,e is the magnitude of the error

Δх - изменение заданного значения, вызвавшее переходный процесс.Δx is the change in the set value that caused the transient.

Блок анализа 7 переходного процесса состоит из ИНС, структура которой реализует ассоциативную память, настроенную на распознавание типовых переходных процессов. В качестве исходных данных для анализа искусственной нейронной сетью используются данные, сохраненные в блоке 6. Основная задача работы данного функционального блока состоит в распознавании различных типов переходных процессов, статической ошибки регулирования и работу без ошибки.Transient analysis block 7 consists of an ANN whose structure implements associative memory configured to recognize typical transients. As the initial data for analysis by an artificial neural network, the data stored in block 6 are used. The main task of this functional block is to recognize various types of transients, static regulation error, and work without error.

Во время работы системы на холостом ходу на вход подается импульс. Данное воздействие приводит к кратковременному выводу системы из равновесного состояния. В момент подачи импульса регулятор отключен, обратная связь разорвана. После окончания импульсного воздействия вновь активируется регулятор и происходит стабилизация управляемого параметра в соответствии с текущим значением настройки r(t). Переходный процесс фиксируется в оперативной памяти как массив дискретных значений, полученных согласно выражениям (11) и (12). Время фиксации переходного процесса t0 и t1 является настраиваемым параметром и подбирается под конкретный объект управления, т.е. конкретный дизель в совокупности с электрическим генератором.When the system is idling, an impulse is applied to the input. This effect leads to a short-term withdrawal of the system from the equilibrium state. At the time of the pulse, the regulator is off, feedback is broken. After the end of the pulse action, the controller is activated again and the controlled parameter is stabilized in accordance with the current setting value r (t). The transient is recorded in RAM as an array of discrete values obtained according to expressions (11) and (12). The transient fixation time t 0 and t 1 is a configurable parameter and is selected for a specific control object, i.e. specific diesel engine in conjunction with an electric generator.

На следующем этапе при помощи ИНС производится анализ образа переходного процесса, по результатам которого определяется необходимость изменения коэффициентов регулятора. Исходя из присвоенной переходному процессу оценки, производится одно из следующих действий:At the next stage, using the ANN, the image of the transition process is analyzed, the results of which determine the need to change the coefficients of the regulator. Based on the assessment assigned to the transition process, one of the following actions is performed:

1. Изменение соответствующих коэффициентов регулятора;1. Change in the relevant coefficients of the regulator;

2. Продолжение работы без изменения коэффициентов;2. Continuation of work without changing the coefficients;

3. Значение коэффициентов меняется на величину "по умолчанию".3. The value of the coefficients is changed to the value "by default".

В случае действия по варианту 1 происходит повторение процесса настройки до тех пор, пока не будет получен результат, не требующий продолжения настройки. В случае действия по варианту 2 процесс настройки завершается без последующего изменения коэффициентов. В случае действия по варианту 3 происходит применение исходных настроек структуры параметров регулятора, после чего процесс подачи тестового управляющего сигнала повторяется.In the case of the action according to option 1, the setup process is repeated until a result is obtained that does not require continuation of the setup. In the case of the action according to option 2, the setup process ends without a subsequent change in the coefficients. In the case of the action according to option 3, the initial settings of the structure of the controller parameters are applied, after which the process of applying the test control signal is repeated.

Таким образом, с помощью данного способа автоматической настройки ПИД-регулятора для управления дизельным двигателем в составе электроагрегатов и электростанций можно добиться прецизионной точности частоты вращения, и осуществлять ее подстройку в течение всего его жизненного цикла.Thus, using this method of automatic tuning of the PID controller for controlling a diesel engine as a part of power generating units and power plants, it is possible to achieve precision rotational speed accuracy and to fine-tune it throughout its entire life cycle.

Современный уровень развития электронной промышленности позволяет выпускать электронные блоки управления, обеспечивающие применение предлагаемого способа управления.The current level of development of the electronic industry allows the production of electronic control units that ensure the application of the proposed control method.

Claims (1)

Способ автоматической настройки ПИД-регулятора для управления дизельным двигателем в составе электроагрегатов и электростанций, состоящий в том, что в логических блоках системы автоматического управления (САУ) осуществляется следующая последовательность действий: на вход САУ подают управляющее ступенчатое воздействие и по ее реакции на это воздействие осуществляют оценивание параметров ПИД-регулятора, определяют время начала и окончания переходного процесса, затем производят пересчет значений параметров ПИД-регулятора в оптимальные по степени устойчивости, отличающийся тем, что анализ качества переходных процессов, происходящих в САУ, производят с помощью блока анализа, основу которого составляет искусственная нейронная сеть (структура которой реализует ассоциативную память, настроенную на распознавание типовых переходных процессов), осуществляющая анализ образа переходного процесса, по результатам которого определяют необходимость изменения коэффициентов регулятора, затем исходя из присвоенной переходному процессу оценки производят одно из следующих действий: либо изменяют соответствующие коэффициентов регулятора; либо продолжают работу без изменения коэффициентов; либо изменяют значение коэффициентов на величину "по умолчанию", при этом предусматривается ограничение максимального и минимального значения интегральной составляющей, а также сброс накапливающейся интегральной суммы в зависимости от условий работы, а дифференциальную составляющую используют совместно с фильтром низких частот.A method for automatically tuning a PID controller for controlling a diesel engine as a part of electric units and power plants, which consists in the following sequence of actions carried out in the logical blocks of an automatic control system (ACS): a stepwise control action is applied to the ACS input and, by its reaction to this effect, estimation of the parameters of the PID controller, determine the time of the beginning and end of the transient process, then recalculate the values of the parameters of the PID controller in optimal which are characterized by the degree of stability, characterized in that the analysis of the quality of transients occurring in the ACS is performed using an analysis unit based on an artificial neural network (the structure of which implements associative memory configured to recognize typical transients), which analyzes the transient image , the results of which determine the need to change the coefficients of the regulator, then, based on the assessment assigned to the transition process, perform one of the following actions tvy either change the appropriate regulator coefficients; or continue to work without changing the coefficients; or change the value of the coefficients by the default value, while limiting the maximum and minimum values of the integral component, as well as resetting the cumulative integral sum depending on the operating conditions, and the differential component is used in conjunction with a low-pass filter.
RU2016109585A 2016-03-17 2016-03-17 Method of automatic pid controller tuning for controlling a diesel engine in electric sets and power plants RU2653938C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016109585A RU2653938C2 (en) 2016-03-17 2016-03-17 Method of automatic pid controller tuning for controlling a diesel engine in electric sets and power plants

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016109585A RU2653938C2 (en) 2016-03-17 2016-03-17 Method of automatic pid controller tuning for controlling a diesel engine in electric sets and power plants

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2016109585A RU2016109585A (en) 2017-09-21
RU2653938C2 true RU2653938C2 (en) 2018-05-15

Family

ID=59930880

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016109585A RU2653938C2 (en) 2016-03-17 2016-03-17 Method of automatic pid controller tuning for controlling a diesel engine in electric sets and power plants

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2653938C2 (en)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1995014277A1 (en) * 1993-11-17 1995-05-26 Grumman Aerospace Corporation Stabilized adaptive neural network based control system
RU2161326C1 (en) * 2000-03-27 2000-12-27 Тульский государственный университет Variable-structure regulator
RU2304298C2 (en) * 2005-10-05 2007-08-10 Закрытое акционерное общество "ЭлеСи" Mode of self-adjustment of the system for control over an object and an arrangement for its realization
RU83728U1 (en) * 2008-12-25 2009-06-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт) ГОУ ВПО ЮРГТУ (НПИ) INTELLIGENT MANAGEMENT SYSTEM FOR ROBOT-MANIPULATOR MOVEMENT
US20140306451A1 (en) * 2013-04-12 2014-10-16 King Fahd University Of Petroleum And Minerals Adaptive pitch control system for wind generators

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1995014277A1 (en) * 1993-11-17 1995-05-26 Grumman Aerospace Corporation Stabilized adaptive neural network based control system
RU2161326C1 (en) * 2000-03-27 2000-12-27 Тульский государственный университет Variable-structure regulator
RU2304298C2 (en) * 2005-10-05 2007-08-10 Закрытое акционерное общество "ЭлеСи" Mode of self-adjustment of the system for control over an object and an arrangement for its realization
RU83728U1 (en) * 2008-12-25 2009-06-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт) ГОУ ВПО ЮРГТУ (НПИ) INTELLIGENT MANAGEMENT SYSTEM FOR ROBOT-MANIPULATOR MOVEMENT
US20140306451A1 (en) * 2013-04-12 2014-10-16 King Fahd University Of Petroleum And Minerals Adaptive pitch control system for wind generators

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
WO 1995014277 A1, (GRUMMAN AEROSPACE CORPORATION), 26.05.1995. *

Also Published As

Publication number Publication date
RU2016109585A (en) 2017-09-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8682454B2 (en) Method and system for controlling a multivariable system with limits
Maciejowski et al. Predictive control
KR900005546B1 (en) Adaptive process control system
KR100371728B1 (en) Feedback method for controlling non-linear processes
US4922412A (en) Apparatus and method using adaptive gain scheduling
EP0845118A2 (en) Field based process control system with auto-tuning
RU2304298C2 (en) Mode of self-adjustment of the system for control over an object and an arrangement for its realization
Minchala-Avila et al. Comparison of the performance and energy consumption index of model-based controllers
RU2653938C2 (en) Method of automatic pid controller tuning for controlling a diesel engine in electric sets and power plants
JP6848710B2 (en) Plant control and adjustment equipment and methods
Engin et al. Auto-tuning of PID parameters with programmable logic controller
JP4982905B2 (en) Control method and control apparatus
Simrock Control theory
Kurien et al. Overview of different approaches of pid controller tuning
Sumer et al. Broadband disturbance rejection using retrospective cost adaptive control
Huba Analyzing limits of one type of disturbance observer based PI control by the performance portrait method
Al Janaideh et al. Adaptive control of uncertain Hammerstein systems with hysteretic nonlinearities
CN111752149A (en) Design method of digital repetitive controller for designated time attraction of servo motor
Al-Duwaish et al. A robust controller for non-linear MIMO systems using radial basis function neural network
Docekal et al. Advanced PID tuning based on the modulus optimum method for real systems
RU2566339C2 (en) Closed-loop control system
CN111801629A (en) Method for determining oscillations occurring in a measurement signal
CN114510680A (en) Method and device for continuously determining a quality measure
Mishra A study on PID controller design for systems with time delay
Hung et al. Embedded controller building for ball and beam system using optimal control synthesis

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20190318