НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ“

ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА”

Нгуен Ню Хунг

УДК 681.51:621.31

УДОСКОНАЛЕННЯ КЕРУВАННЯ СУДНОВОЮ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЄЮ

МАЛОМІРНОГО СУДНА НА ОСНОВІ НЕЙРОНЕЧІТКИХ РЕГУЛЯТОРІВ

05.13.03 – Системи і процеси керування

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Львів – 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному університеті кораблебудування імені адмірала Макарова Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник – доктор технічних наук, професор Блінцов Володимир Степанович, директор інституту автоматики і електротехніки Національного університету кораблебудування імені адмірала Макарова, м. Миколаїв.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Тимченко Олександр Володимирович, професор кафедри телекомунікацій Національного університету "Львівська політехніка", м. Львів.

доктор технічних наук, професор Казак Василь Миколайович, завідувач кафедри електроенергетичних систем Національного авіаційного університету, м. Київ.

Провідна установа:

Севастопольський національний технічний університет, кафедра промислових та автономних електроенергетичних систем, Міністерство освіти і науки України, м. Севастополь.

Захист відбудеться 24 травня 2007 р. о 16.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.052.14 Національного університету "Львівська політехніка" за адресою: 79013, м. Львів, вул. Бандери, 12.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного університету "Львівська політехніка" за адресою: 79013, м. Львів, вул. Професорська, 1.

Автореферат розісланий 19 квітня 2007 р.

Учений секретар

спеціалізованої вченої ради Д 35.052.14,

канд. техн. наук, доцент А.Є. Батюк

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Забезпечення регулювання напруги та частоти синхронних генераторів є визначальним завданням автоматизації суднових електростанцій (СЕС) маломірних суден – інспекційних, пошукових, аварійно-рятувальних, прикордонних, антитерористичних тощо. Ефективне розв’язання цього завдання здійснюється як за рахунок керування параметрами самих синхронних генераторів (СГ), так і за рахунок керування параметрами первинних двигунів – суднових газотурбінних двигунів (ГТД). Агрегат “первинний двигун - синхронний генератор” являє собою єдиний об'єкт керування з декількома взаємозалежними регульованими координатами. У СЭС такими керованими координатами є: напруга, частота, потоки активних і реактивних потужностей.

Завдання забезпечення стабільної роботи СГ в перехідних режимах для СЕС маломірних суден (МС) залишається актуальним, незважаючи на створення й використання “сильних” регуляторів збудження і частоти. Це обумовлено тим, що діапазон зміни величини електричного навантаження в СЕС МС може сягати 70...80 % від номінального значення, а лінійні регулятори функціонують незадовільно (без переналагоджування параметрів) при значних змінах режимів роботи СЕС, особливо при виникненні аварійних ситуацій.

Актуальність цього завдання обумовлена тим, що суднобудівна промисловість України поставляє на внутрішній і зовнішній ринки швидкісні МС, конкурентоспроможність яких суттєво залежить від рівня автоматизації їх СЕС. Придбання таких МС є актуальним також для В’єтнаму.

Підвищення ефективності автоматичного керування СЭС МС в граничних та аварійних режимах може бути досягнуте з використанням інтелектуальних методів керування, зокрема, методів нечіткої логіки (НЛ) і штучних нейронних мереж (ШНМ). Теоретичні питання автоматизації керування технічними об’єктами, у тому числі на основі НЛ та ШНМ, достатньо глибоко і всебічно розроблені вітчизняними і закордонними вченими. Ці результати наведені в роботах академіка НАН України В.М. Кунцевича, професорів Архангельського В.І., Гостєва В.І., Збруцького О.В., Казака В.М., Клепікова В.Б., Кондратенка Ю.П., Кулика А.С., Михайлова В.С., Ткаченка О.М., Штовби С.Д. (Україна), закордонних вчених Заде Л., Лукомського Ю.О., Поспелова Д.А., Ястребова В.С. Але застосування НЛ і ШНМ для автоматизації керування СЭС МС у науково-технічній літературі висвітлено недостатньо, а опис практичних результатів відсутній. Тому удосконалення систем керування СЭС в граничних та аварійних режимах на основі застосування теорії НЛ та ШНМ є перспективним для підвищення ефективності керування СЭС МС.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Напрямок дослідження дисертації відноситься до основних наукових напрямків Національного університету кораблебудування імені адмірала Макарова (НУК) і є складовою частиною досліджень інституту автоматики і електротехніки НУК в рамках комплексної НДР №1553 ”Теоретичні основи створення та ефективного використання підводних роботизованих комплексів для дослідження і освоєння Азово-Чорноморського басейну”, де автором виконано окремий розділ “Розробка та дослідження нейронечітких регуляторів суднових газотурбогенераторів”.

Мета й завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є удосконалення керування судновою електростанцією маломірного судна в перехідних режимах в умовах невизначеності навантаження шляхом застосування нечітких регуляторів та регуляторів на основі штучних нейронних мереж.

Для досягнення поставленої мети в дисертації розв’язані наступні задачі:

на основі аналізу режимів роботи суднової електростанції маломірного судна та сучасних підходів до створення високоефективних регуляторів технічними об’єктами показана перспективність розробки і застосування нейронечітких регуляторів для керування судновими газотурбогенераторами у перехідних режимах, обумовлених невизначеністю величини електричного навантаження СЕС;

виконано розробку й перевірку адекватності функціонування математичної та комп’ютерної моделей суднової електростанції маломірного судна як інструментальної бази для синтезу та дослідження ефективності створюваних регуляторів, що працюють в умовах невизначеності збурень – широкому діапазоні зміни електричного навантаження СЕС;

розроблено лабораторну установку, за допомогою якої перевірено ефективність нейронечіткого регулятора синхронного генератора;

виконано синтез та дослідження ефективності функціонування систем автоматичної стабілізації напруги суднової електростанції маломірного судна на основі нечіткого регулятора збудження СГ та на основі нейронечіткого стабілізатора напруги і потужності СГ;

виконано синтез та дослідження ефективності функціонування системи автоматичної стабілізації частоти суднової електростанції маломірного судна на основі нейронечіткого регулятора;

виконано синтез та дослідження ефективності функціонування системи автоматичного регулювання напруги і частоти суднової електростанції маломірного судна на основі застосування прямих та інверсних нейромережних моделей об’єкта керування.

Об'єктом дослідження є перехідні режими суднової електростанції маломірного судна, яка містить синхронні генератори і їхні первинні двигуни – суднові газові турбіни і працює в умовах невизначеності збурень – широкому діапазоні зміни електричного навантаження СЕС.

Предметом дослідження є синтез високоефективних нейронечітких регуляторів систем автоматичного керування судновою електростанцією маломірного судна в перехідних режимах, обумовлених невизначеністю зовнішніх збурень – зміною електричного навантаження СЕС у широкому діапазоні.

Методи дослідження: математичне моделювання перехідних режимів суднового генератора і суднового газотурбінного двигуна для створення інструментальних засобів комп’ютерного дослідження керованих процесів у СЕС; метод комп’ютерного моделювання для дослідження ефективності створюваних систем автоматичного керування; метод експериментальних досліджень для перевірки ефективності функціонування синтезованого нейронечіткого регулятора збудження синхронного генератора; теорія нечітких множин та методи синтезу регуляторів на їх основі для систем автоматичної стабілізації напруги СЕС МС; теоретичні основи застосування прямих та інверсних нейромережних моделей об’єкту керування для синтезу систем автоматичного керування напругою і частотою СЕС.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:–

синтезовано структуру системи керування напругою суднового синхронного генератора на основі коригування коефіцієнтів автоматичного регулятора збудження шляхом застосування нечітких регуляторів на основі алгоритму Мамдані, що забезпечує стабілізацію напруги суднової електростанції у граничних режимах з розрахунковою усталеною похибкою не більше 2%;–

синтезовано закони стабілізації напруги і потужності синхронного генератора з використанням нечіткого регулятора на основі алгоритмів Мамдані і Сугено (у вигляді ANFIS – Adaptive Network Based Fuzzy Inference System – адаптивної мережі нечіткого виводу), що забезпечує розрахункове скорочення тривалості перехідних процесів, відповідно, на 25% та 16%;–

синтезовано закони регулювання кутової частоти обертання приводу синхронного генератора – газотурбінного двигуна – на основі використання нейронечітких регуляторів (ANFIS-регуляторів), що забезпечують стабільну роботу суднової електростанції в широкому діапазоні зміни навантаження (до 80%); при цьому розрахункова усталена похибка в залежності від форми зовнішнього збурення зменшується на 5-90% у порівнянні з традиційним регулятором;–

гібридним методом навчання нейромережі синтезовано пряму й інверсну нейромережні моделі суднового газотурбогенератора як теоретичну основу для синтезу високоефективних систем автоматичної стабілізації частоти і напруги суднових електростанцій маломірних суден; на їх основі синтезовано і досліджено системи автоматичного керування частотою та напругою суднової електростанції маломірного судна, які забезпечують зниження розрахункової усталеної похибки керування, відповідно, до 19% і 27% у порівнянні з традиційними регуляторами.

Практичне значення отриманих результатів. У результаті проведених наукових досліджень розроблено адаптивні нечіткі регулятори, синтезовано штучні нейронні мережі, ANFIS-регулятори й регулятори на основі прямих та інверсних нейромережних моделей об’єктів керування для широкого діапазону робочих та граничних режимів СЭС. У сукупності, отримані в дисертації результати є розвитком теорії синтезу систем автоматичного керування СЭС і створюють наукову базу для вдосконалювання системи керування ними на базі застосування нейронечітких регуляторів.

Створені комп’ютерні та апаратні засоби дослідження можуть слугувати основою для розробки програмного й апаратного забезпечення для синтезу і дослідження нейронечітких регуляторів СЕС маломірних суден.

Теоретичні результати дисертації впроваджені при проектуванні систем автоматики СЕС маломірних швидкісних суден в Академії наук суднобудування України, використані в НУК ім. адмірала Макарова МОН України при підготовці спеціалістів і магістрів по спеціальності 8.092201 „Електричні системи і комплекси транспортних засобів”.

Особистий внесок здобувача. Всі наукові результати отримані особисто автором. Особистий внесок підтверджують 4 самостійні наукові публікації у фахових виданнях. У роботі [1] автором обґрунтовано можливість застосування, розроблено та досліджено нейронечіткий регулятор для підвищення ефективності функціонування систем автоматичного керування судновими електроенергетичними системами в перехідних режимах. В роботі [2] автором запропоновано і досліджено спосіб підвищення якості функціонування системи автоматичного керування частотою газотурбінного двигуна у перехідних режимах за допомогою нейронечіткого регулятора. У роботі [6] автором синтезовано і досліджено систему автоматичного керування корабельною електростанцією на основі застосування нечітких і нейромережних регуляторів.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційної роботи доповідались на науково-технічних і науково-практичних конференціях: міжнародних науково-технічних конференціях студентів, аспірантів, молодих вчених “Інформаційно-керуючі системи і комплекси” (Миколаїв, НУК, 2004 р., 2005 р.); всеукраїнських науково-технічних конференціях з міжнародною участю “Проблеми автоматики і електрообладнання транспортних засобів” (Миколаїв, НУК, 2005 р., 2006 р.).

Публікації. По темі дисертації опубліковано 11 друкованих праць. Основні результати роботи викладені в 7 статтях у виданнях, включених до переліку фахових видань ВАК України. З них 4 статті без співавторів.

Структура дисертації. Дисертація містить вступ, 5 розділів, висновки, 3 додатка. Обсяг дисертації – 155 сторінок основного тексту. Робота містить 64 рисунки й 6 таблиць, 3 додатки на 26 сторінках. Список використаних літературних джерел містить 104 найменування і викладений на 10 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У першому розділі проведено аналіз сучасного стану й тенденцій розвитку систем керування СЭС у перехідних режимах. На підставі аналізу режимів роботи суднової електростанції маломірного судна проекту 1322 (рис.1) показано, що такий вид об'єкта керування має наступні особливості: різноманіття режимів роботи й перехідних процесів, нестаціонарність і нелінійність об'єкта керування, випадковий характер збурень і складність структурної схеми системи.

Рис. 1. Склад СЕС МС проекту 12322: ГРЩ - головний розподільчий щит; РЩ - розподільчий щит; АД - асинхронний двигун; zн1, zн2 - електричне навантаження; А - автоматичні вимикачі.

Наявність на борту МС відповідальних споживачів (систем навігації, зв’язку, керування рухом судна тощо) обумовлює високі вимоги до точності й швидкодії систем автоматичного керування (САК) напруги СГ й частоти обертання ГТД. Існуючі системи керування СЭС МС не в повній мірі відповідають вимогам сьогодення щодо рівня автоматизації, оскільки реалізують "пасивний" принцип керування, мають малу швидкодію, не виконують якісне керування для всього діапазону режимів СЕС МС.

На основі аналізу сучасних підходів до побудови високоефективних регуляторів з властивостями адаптації до зміни режимів роботи об’єкту керування та дії зовнішніх збурень показана перспективність застосування нечітких регуляторів (НР) та нейронечітких регуляторів (ННР), регуляторів на основі прямих та інверсних нейромережних моделей об’єкту керування для удосконалення систем автоматичного керування СЕС МС.

У другому розділі розроблено програмні й апаратні засоби для дослідження ефективності систем керування СЭС з синтезованими регуляторами. Створено математичну модель СЕС МС, яка містить математичні моделі СГ, ГТД та їх традиційних регуляторів. Для моделювання СГ застосовано рівняння Горєва-Парка у відносних одиницях (в.о.):

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8) |

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

(15) |

де p=d/dt; s - ковзання ротора; r - активний опір статора; xs, xfs - реактивний опір розсіювання та збудження; xd,q - синхронний реактивний опір по поздовжній і поперечній осі; x'q, x"q - перехідний та надпереходний реактивний опір по поперечній осі; x'd, x"d - перехідний та надперехідний реактивний опір по поздовжній осі; ?d,q - потокозчеплення по поздовжній і поперечній осях; ?rd,rq - потокозчеплення заспокійливих контурів по поздовжній і поперечній осі; ?f, uf, if - потокозчеплення, напруга і струм контуру збудження СГ; id,q, ud,q - струм і напруга СГ по осях; Td0 - постійна часу обмотки збудження СГ при розімкнутій котушці статора; T’d, T’q - перехідні постійні часу по поздовжній і поперечній осі; T”d, T”q - надперехідні постійні часу по поздовжній і поперечній осі; Trd, Trq - постійні часу поздовжнього й поперечного заспокійливих контурів; xad = xd - xs ; xaq = xq - xs; MM, TJ – механічний момент та момент інерції ротора СГ.

Рівняння газотурбінного двигуна в операторній формі:

, (16)

де Т1, ?(p) – постійна часу та кутова частота ротора ГТД; h(p) – відносне переміщення заслінки палива; v(p) – навантаження; k1, k2 – коефіцієнти.

Передатна функція традиційного ПІД-регулятора частоти має вигляд:

, (17)

де Td ,T? ,Tf ,T1? – постійні часу; bp , bt – постійні коефіцієнти.

На основі рівнянь (1)-(17) та рівнянь, що описують функціонування традиційних регуляторів збудження СГ, було створено комп’ютерну модель СЕС МС та перевірено її достовірність шляхом порівняння результатів комп’ютерного моделювання з відомими результатами експериментальних досліджень суднового газотурбогенератора ГТГ-100. Порівняння проводилось для режиму накидання-скидання навантаження СГ величиною до 100% від номінального. Похибка комп’ютерного моделювання склала 2%, що дає змогу використовувати отриману комп’ютерну модель для дослідження ефективності синтезованих у дисертації регуляторів.

Розроблено і побудовано лабораторну установку для експериментального дослідження роботи ННР збудження СГ типу ЄС 52-4М 101, та виконано порівняння його з традиційним ПІД-регулятором СГ (рис. 2).

Рис. 2. Склад установки для дослідження ННР збудження СГ.

У програмному середовищі МАТЛАБ синтезовано комп’ютерну модель ННР збудження, призначену для експериментальних досліджень процесів керування СГ в лабораторних умовах. Дослідження показали, що при роботі ННР у режимі накидання навантаження на 80% тривалість перехідного процесу скорочується на 26,5%, перерегулювання зменшується на 18%, коливальність відсутня. Це дає змогу прийняти розроблену модель ННР збудження СГ як основу для подальших досліджень.

У третьому розділі виконано синтез системи автоматичної стабілізації напруги СГ на основі НЛ. Показано, що застосування традиційних ПІ- й ПІД-регуляторів не забезпечує ефективного керування при зміні навантаження f СЕС МК у широкому діапазоні. Розроблено структуру САК на основі коригування коефіцієнтів автоматичного регулятора збудження (АРЗ) СГ з застосуванням НР, отриманих за допомогою алгоритму Мамдані. Структура САК на базі НЛ наведена на рис. 3. Як вхідні змінні НР прийнято похибку керування e і дві її похідні за часом e’, e’’.

Рис. 3. Структура САК на базі нечіткої логіки.

Сигнали від НР використовуємо як доданки до КП та КД ПІД-регулятора:

КП? = КП + KПНР(e,e’,e’’,t); КД?= КД +КДНР (e,e’,e’’,t),

де KПНР(e,e’,e’’,t), КДНР (e,e’,e’’,t) – нелінійні складові, обчислені в НР.

Вхід НР має три сигнали: е=?UCГ , e’=de/dt, e”=d2е/dt2, де ?UCГ - похибка керування. Діапазон зміни вхідних сигналів: е=[emin,emax]=[0;0.1]; e’=[e’min,e’max]=[-0.2;0.2]; e”=[e”min,e”max]=[-0.6;0.6]

Для кожної змінної задано лінгвістичні терми виду: N – негативне, Z –нуль, P – позитивне. Вид функцій приналежності – трикутний.

База правил m1 для терму KПНР(e,e’,e’’,t) і m2 для терму KДНР(e,e’,e’’,t):

якщо е=N і e’=N і e”=N то m1=N , m2=N;

якщо е=Z і e’=N і e”=N то m1=Z , m2=Z;

якщо е=P і e’=N і e”=N то m1=P, m2=P; ...

Діапазон зміни виходів:

m1=[ m1min m1max]=[-20 20]; m2=[ m2min m2max]=[-5 5].

Нелінійні залежності двох виходів від входів НР показані на рис. 4. |

а | б

Рис. 4. Нелінійні залежності НР: а - для виходу m1; б - для виходу m2. | Порівняння результатів моделювання АРЗ на базі НР з роботою традиційного ПІД-регулятора при накиданні навантаження 80% від номінального свідчить, що система має нову якість і працює стабільно (рис. 5).

а | б | Рис. 5. Результати роботи АРЗ СГ при накиданні навантаження 80% від

номінального: а - традиційний ПІД-регулятор; б - синтезований НР. |

Далі у розділі розглянуто синтез та дослідження нейронечіткого стабілізатора напруги й потужності СЕС – ANFIS-регулятора, що реалізує алгоритм нечіткого виводу Сугено у вигляді шестишарової штучної нейронної мережі з прямим поширенням сигналу. Для навчання ANFIS-мережі використано типові процедури навчання, оскільки вона використовує тільки диференційовані функції. Структура стабілізатора показана на рис. 6.

Рис. 6. Структурна схема стабілізатора напруги і потужності СГ з НР.

Нечіткий стабілізатор використовує як вхідні сигнали відхилення від синхронної швидкості СГ (?вх) і його похідні ?? і ??’=d??/dt; K1, K2, Ku – коефіцієнти підсилення. Вихідний сигнал US є сигналом стабілізації.

Дослідження показали, що застосування НР збудження СГ як елемента автоматики СЭС дає змогу зменшити кількість зворотних зв'язків у структурі стабілізатора і підвищити його стійкість у перехідних режимах.

Досліджено застосування ANFIS-регулятора для стабілізації напруги і потужності СЕС. Розроблено базу правил, яка враховує електромеханічні перехідні процеси при зміні ?? и d??/dt (??’), обрано структуру ANFIS-мережі та виконано її навчання.

Функція приналежності вхідних змінних ANFIS-регулятора має вид:

,

де Ai вхідні сигнали (??i і ??i); a, b, c – числові параметри.

Діапазон зміни параметрів наведено нижче:

??i = [-4.88?e-005, 0.002924]; ??i’=[-0.006966, 0.02676].

Для дослідження було обрано ANFIS-стабілізатор з двома входами (рис.7) і трьома термами для кожної змінної.

Рис. 7. Структурна схема регулювання с ANFIS-регулятором.

База правил має вид:

Якщо ?? = N і ??’= N Tо Z1= a1??? + b1???’+c1;

…

Якщо ?? = Z і ??’= N Tо Z4= a4??? + b4???’+c4;

…

Якщо ?? = P і ??’= P Tо Z9= a9??? + b9???’+c9,

де N, Z, P означають від’ємне, нуль та позитивне значення входів регулятора; Zі – вихідне значення регулятора.

У результаті навчання гібридним методом визначено параметри ANFIS-регулятора. Для настроювання параметрів регулятора використано аналітичний метод розрахунку параметрів режиму.

Перевірку ефективності ANFIS-регулятора виконано методом комп’ютерного моделювання режиму синхронної роботи двох СГ шляхом дослідження накидання навантаження (пуск асинхронного двигуна сумірної потужності). Деякі результати моделювання наведено на рис. 8.

Рис. 8. Зміна кутової частоти обертання роторів СГ та напруги

на шинах СЕС при накиданні навантаження.

Аналіз результатів моделювання показує, що перехідний процес регулювання збудження завершується приблизно через 0.1 с, а в регулюванні частоти - за 0.6 с. Перерегулювання по частоті становить 4%. Розрахунковіа похибки в усталеному режимі менше 1 %, що свідчить про підвищення якості керування у порівнянні з традиційними регуляторами.

У четвертому розділі виконано синтез системи автоматичної стабілізації частоти СЭС на основі застосування нейронечіткого регулятора.

Розглядаючи послідовне з'єднання підсилювача, асинхронного двигуна, дросельного крана, газотурбінного двигуна й датчика частоти з електронним перетворювачем сигналу як загальний об'єкт керування й застосовуючи нейронечіткий ANFІS-регулятор, отримуємо структурну схему, надану на рис. 9.

Рис. 9. Структурна схема системи стабілізації частоти ГТД

із застосуванням ANFIS-регулятора.

Приймаємо, що число термів, за допомогою яких оцінюються лінгвістичні змінні (вхідні параметри НР: похибка системи e, її похідна e'), дорівнює п'яти: НВ - негативне велике; НМ - негативне мале; Н - нуль; ПМ - позитивне мале; ПВ - позитивне велике. Обираємо функцію приналежності вхідних змінних ANFIS-регулятора наступного виду (gauss2mf):

,

де ?, c – деякі числові параметри.

У результаті проведених досліджень визначено діапазон зміни сигналів входу ANFIS-регулятора:

e = [-0.05997 0.2]; e’= [-1.733 1];

діапазон зміни сигналів виходу:

h(t)=[ -1.3 1.3].

Сформуємо лінгвістичне правило керування для ANFIS-регулятора наступним чином:

Якщо e = НВ і e’= НВ Tо m1= a1?e + b1?e’ + c1;

Якщо e = НВ і e’= НМ Tо m2= a2?e + b2?e’ + c2;

Якщо e = НВ і e’= Н Tо m3= a3?e + b3?e’ + c3;

Якщо e = НВ і e’= ПМ Tо m4= a4?e + b4?e’ + c4;

Якщо e = НВ і e’= ПВ Tо m5= a5?e + b5?e’ + c5;

Якщо e = НМ і e’= НВ Tо m6= a6?e + b6?e’ + c6;

Якщо e = НМ і e’= НМ Tо m7= a7?e + b7?e’ + c7;

Якщо e = НМ і e’= Н Tо m8= a8?e + b8?e’ + c8;

Якщо e = НМ і e’= ПМ Tо m9= a9?e + b9?e’ + c9;

Якщо e = НМ і e’= ПВ Tо m10= a10?e +b10?e’+c10;

…

Якщо e Nei і e’ Nej’ Tо mh= ah?e + bh?e’ + ch,

i, j=1...5; h=1...25.

Ne, Ne’ – універсальна множина термів кожної змінної (тут для кожної змінної використано 5 термів); ah ,bh ,ch – коефіцієнти.

Після навчання ANFIS-регулятора гібридним методом отримано параметри функцій приналежності для е, е', числові значення ?, с, ah ,bh , ch.

Дослідження роботи автоматичного регулятора частоти (АРЧ) на основі ННР для чотирьох видів вхідного сигналу u(t) показало, що у порівнянні з традиційним АРЧ ANFIS-регулятор має значно меншу похибку (див. табл. 1).

Таблиця 1

Порівняння результатів роботи автоматичних регуляторів частоти

Вхід u(t) = | Усталені похибки

Традиційний АРЧ | ANFIS-

регулятор

0.0167 | 0.016

sin(?t) | 0.51 | 0.0251

1, при t0 | 0.0114 | 0.01

kt | 0.4824 | 0.0217

У п'ятому розділі викладено результати синтезу й дослідження ефективності роботи регуляторів на основі нейронечітких прямої й інверсної моделей (ННПІМ) об'єкта керування. Структурна схема системи керування ГТД із застосуванням ННПІМ представлена на рис. 10.

Рис. 10. Структурна схема САК ГТД з застосуванням ННПІМ.

Пряма й інверсна моделі повністю синтезуються за допомогою відомого алгоритму навчання нейронних мереж – алгоритму зворотного поширення похибки. У роботі використовується метод ідентифікації залежностей за допомогою нечіткої бази знань Сугено (ANFІS). Результат моделювання показує, що САК на базі використання ННПІМ об'єкта керування забезпечує стабільну роботу ГТД у всіх його режимах. При цьому якість перехідних процесів підвищується.

Структурна схема САК збудженням СГ на основі ННПІМ об'єкта керування показана на рис. 11,а. Типові перехідні процеси при регулювання збудження СГ за традиційною схемою та на базі ННПІМ наведені на рис. 11, б,в.

а

б | в | Рис. 11. Структурна схема САК на основі ННПІМ об’єкта керування (а) та перехідні процеси регулювання збудження СГ з ПІД-регулятором (б) і з застосуванням ННПІМ об'єкта керування (в). |

Результати досліджень показують, що використання ННПІМ у системі регулювання напруги СГ підвищує якість регулювання в перехідних режимах.

У табл. 2 наведено порівняння показників якості керування СЕС МС для досліджених у дисертації регуляторів.

Аналіз результатів комп’ютерного моделювання синтезованих у дисертації регуляторів, досліджених у режимах широкої зміни величини та виду електричного навантаження СЕС МС, дає можливість зробити наступні висновки:

Таблиця 2

Порівняння показників якості керування СЕС МС

у перехідних режимах (вхід u(t)=1(t))

№ п/п | Тип

регулятора | Тривалість перехідного процесу, с | Перерегу-

лювання, % | Усталена

похибка, % | 1 | ПІД-регулятор АРЗ | 1.21 | 16 | 2.0 | 2 | Нечіткий регулятор

стабілізації напруги | 1.1 | 14 | 1.95 | 3 | ANFIS-регулятор

стабілізації напруги | 0.86 | 14 | 1.6 | 4 | Регулятор збудження на базі ННПІМ | 0.8 | - | 1.45 | 5 | ПІД-регулятор

частоти ГТД | 3.2 | 13 | 1.14 | 6 | ANFIS-регулятор

частоти ГТД | 2.3 | 11 | 1.0 | 7 | Регулятор частоти

ГТД на базі ННПІМ | 2.1 | 10 | 0.92 |

при роботі ПІД-регуляторів збудження СГ та частоти ГТД у режимах значної зміни електричного навантаження система не стабільна, а нечіткий та нейронечіткі регулятори забезпечують стабільну роботу;

при застосуванні нейронечітких регуляторів та регуляторів на основі ННПІМ об’єкту керування показники перехідних процесів у системі збудження СГ та частоти ГТД кращі, ніж для ПІД-регуляторів;

регулятори на основі ННПІМ об’єкту керування мають властивість адаптації в усіх режимах; при їх застосуванні всі показники перехідних процесів кращі, ніж для нейронечітких регуляторів, оскільки такі регулятори забезпечують оптимальний закон керування для кожної робочої точки у заданому діапазоні режимів СЕС МС;

до труднощів практичної реалізації нечітких та нейронечітких регуляторів можна віднести слабку формалізацію методів вибору функцій приналежності, їх синтез залежить від досвіду розробника;

особливістю синтезу найбільш ефективних регуляторів на основі ННПІМ об’єкту керування є необхідність створення точних нейромережних прямих та інверсних моделей функціонування СГ і ГТД, що вимагає створювати повний перелік даних для їх навчання.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі розв’язано актуальне наукове завдання удосконалення керування судновою електростанцією маломірного судна в перехідних режимах при невизначеності величини й широкому діапазоні зміни електричного навантаження шляхом синтезу адаптивних нечітких, нейронечітких регуляторів і регуляторів на основі нейронечітких прямої й інверсної моделей об'єкта керування. При цьому отримано наступні результати.

1. На підставі аналізу режимів роботи суднової електростанції маломірного судна показано, що такий вид об'єкта керування має наступні особливості: різноманіття режимів роботи й перехідних процесів, нестаціонарність і нелінійність об'єкта керування, випадковий характер збурень і складність структурної схеми системи. Тому до електростанцій таких суден пред'являються високі вимоги до точності й швидкодії систем автоматичного керування напругою синхронного генератора й частотою обертання первинного двигуна.

2. Перспективним напрямком удосконалювання систем керування суднової електростанції маломірного судна в перехідних режимах є повна автоматизація режимів їхньої роботи на основі синтезу високоефективних нечітких, нейронечітких регуляторів і регуляторів на основі нейронечітких прямої та інверсної моделей об'єкта керування.

3. Побудовано комп'ютерну імітаційну модель функціонування суднової електростанції маломірного судна, що відображує динамічні процеси в системі й дає можливість досліджувати ефективність створюваних регуляторів. На її основі побудовані нечіткі, нейронечіткі регулятори й регулятори на основі нейронечітких прямої й інверсної моделей об'єкта керування, які являють собою новий науковий результат.

4. Синтезовано закон регулювання напруги на основі коригування коефіцієнтів автоматичного регулятора збудженням із застосуванням нечітких регуляторів, реалізований на основі алгоритму Мамдані, який надає системі стабільність у всіх режимах, у тому числу при великій зміні навантаження (до 80% від номінального значення) і забезпечує стабілізацію напруги суднової електростанції у граничних режимах з розрахунковою усталеною похибкою не більше 2%

5. Синтезовано закони стабілізації напруги й потужності синхронного генератора із застосуванням нечіткого регулятора, реалізовані на основі алгоритмів Мамдані й Сугено (у вигляді ANFІS – Adaptіve Network Based Fuzzy Іnference System – адаптивної мережі нечіткого висновку). Із застосуванням нейронечіткого стабілізатора напруги й потужності СГ розрахункова тривалість перехідного процесу при стабілізації потужності знижується від 0.6 до 0.5 с (16%), тривалість перехідного процесу при регулюванні збудженням знижується від 0.2 до 0.15 с (25%).

6. Синтезовано закони регулювання частоти суднового газотурбінного двигуна на основі використання нейронечітких регуляторів (ANFIS-регуляторів). Виконано оцінку ефективності застосування нейронечітких регуляторів: система стабілізована в широкому діапазоні зміни навантаження (до 80%); при цьому розрахункова усталена похибка в залежності від форми зовнішнього збурення зменшується на 5-90% у порівнянні з традиційним регулятором.

7. Синтезовано закон автоматичного регулювання частоти газотурбогенератора на базі нейронечітких прямої й інверсної моделей об'єкта керування. Виконано оцінку отриманого результату: система стабілізована у всіх перехідних процесах, розрахунковий час перехідного процесу у порівнянні з традиційним ПІД-регулятором зменшується на 34%, розрахункове значення усталеної похибки знижується на 19%.

8. Синтезовано закон автоматичного регулювання напруги синхронного генератора на базі нейронечітких прямої й інверсної моделей об’єкта керування. Виконано оцінку отриманого результату: система стабілізована в усіх перехідних процесах, розрахунковий час перехідного процесу у порівнянні з традиційним ПІД-регулятором зменшується на 46%, розрахункове усталене значення похибки знижується на 27%.

9. Теоретичні результати дисертаційного дослідження використано в лабораторному експериментальному дослідженні системи збудження синхронного генератора. Дослідження показують, що за допомогою нечіткого регулятора збудження синхронного генератора показники поліпшуються: час перехідного процесу зменшується на 26.5 % у режимі накидання навантаження на 80%; перерегулювання зменшується на 18%; коливальність відсутня.

10. Виконано порівняльний аналіз ефективності розглянутих у дисертації типів регуляторів із традиційними регуляторами для регулювання збудження й частоти СЭС. Регулятори на основі нечіткого й нейронечіткого принципів забезпечують ефективність регулювання практично у всіх режимах. Основна їх властивість – адаптивність. ПІД-регулятори в деяких випадках не забезпечують стабільність системи через нелінійність і зміну параметрів елементів системи. Нечіткі регулятори задовольняють всім вимогам системи, але якість регуляторів істотно залежить від досвіду конструктора регуляторів. Регулятори напруги синхронного генератора й частоти газотурбогенератора на основі використання нейронечітких прямої й інверсної моделей об'єкта керування мають більше перспектив у керуванні СЭС. Складність створення таких регуляторів обумовлена складністю синтезу (навчання) штучних нейромереж при створенні нейронечітких прямої й інверсної моделей об'єкта керування зі складною структурою.

11. Теоретичні результати дисертаційного дослідження передано для впровадження до Академії наук суднобудування України при проектуванні систем автоматики електростанцій швидкісних маломірних суден, використовуються в Національному університеті кораблебудування імені адмірала Макарова МОН України при підготовці спеціалістів і магістрів за спеціальністю 8.092201 "Електричні системи й комплекси транспортних засобів".

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Блінцов В.С., Нгуен Ню Хунг. Автоматизация судовых электроэнергетических систем на основе нейро-нечетких регуляторов // Збірник наукових праць НУК. – Миколаїв: НУК, 2006. – №1 – С. 135–143.

2. Блинцов В.С., Нгуен Ню Хунг. Нейронечеткое управление частотой судового газотурбинного двигателя в переходных режимах // Восточно-европейский журнал передовых технологий – 2006. – №1/2 (19). – С. 48–50.

3. Нгуен Ню Хунг. Использование нечетких регуляторов для настройки коэффициентов усиления ПИД-регулятора напряжения синхронного генератора // Технічна електродинаміка – Інститут електродинаміки НАН, 2006. Частина 8. – С. 117–120.

4. Нгуен Ню Хунг. Особенности управления турбогенератором на основе прямой и инверсной нейронічітких моделей объекта управления // Восточно-европейский журнал передовых технологий – 2006. – №3/2 (21). – C. 100–103.

5. Нгуен Ню Хунг. Компьютерное моделирование работы судовых электроэнергетических систем // Збірник наукових праць НУК. – Миколаїв: НУК, 2006. – №3 – С. 147–154.

6. Блинцов В.С., Нгуен Ню Хунг. Совершенствование управления корабельной электростанцией на основе применения нечетких и нейросетевых регуляторов // Технічна електродинаміка – Інститут електродинаміки НАН, 2006. Частина 2. – С. 118–121.

7. Нгуен Ню Хунг. Особенности регулирования возбуждения на основе нейронічітких моделей объекта управления // Збірник наукових праць НУК. – Миколаїв: НУК, 2006. – №6(411). – С. 145–149.

8. Нгуен Ню Хунг. Совершенствование управления судовой электроэнергетической системой на основе применение нейросетевых технологий // Інформаційно-керуючі системи і комплекси: Матеріали 1-ї Міжнародної науково-технічної конференції студентів, аспірантів, молодих вчених. – Миколаїв: НУК, 2004. – С. 197–201.

9. Нгуен Ню Хунг. Нечеткий стабилизатор мощности синхронного генератора // Інформаційно-керуючі системи і комплекси: Матеріали Міжнародної науково-технічної конференції студентів, аспірантів, молодих вчених. – Миколаїв: НУК, 2005. – С. 236–240.

10. Нгуен Ню Хунг. Использование гибридных нейронных сетей (ANFIS) для стабилизации напряжения и мощности. Основной способ создания ANFIS в среде MATLAB // Проблеми автоматики та електрообладнання транспортних засобів: Матеріали Всеукраїнської науково-технічної конференції з міжнародною участю. – Миколаїв: НУК, 2005. – Ч.2. – С. 83–89.

11. Нгуен Ню Хунг. Компьютерное моделирование работы судовых электроэнергетических систем // Проблеми автоматики та електрообладнання транспортних засобів: Матеріали Всеукраїнської науково-технічної конференції з міжнародною участю. – Миколаїв: НУК, 2006. – С. 45–51.

АНОТАЦІЯ

Нгуен Ню Хунг. Удосконалення керування судновою електростанцією маломірного судна на основі нейронечітких регуляторів. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.03 – Системи і процеси керування. Національний університет “Львівська політехніка”, Львів, 2007.

У дисертації розв’язана актуальна наукова задача удосконалення керування судновими електростанціями (СЕС) маломірних суден (МС) в перехідних режимах в умовах невизначеності навантаження шляхом застосування нейронечітких регуляторів. Синтезовано структуру системи керування напругою синхронного генератора (СГ) з коригування коефіцієнтів регулятора збудження за допомогою нечітких регуляторів на основі алгоритму Мамдані. Синтезовано закони стабілізації напруги і потужності СГ, регулювання кутової частоти обертання газотурбінного двигуна на базі ANFIS-регуляторів. Синтезовано пряму й інверсну нейромережні моделі газотурбогенератора як теоретичну основу для синтезу стабілізаторів частоти і напруги СЕС МС. Синтезовано і досліджено системи автоматичної стабілізації частоти та напруги СЕС МС на їх основі.

Ключові слова: система автоматичного керування, суднова електростанція, маломірне судно, нечіткий регулятор збудження, автоматичний регулятор частоти обертання, нейронечіткий регулятор, інверсна нейромережна модель об’єкту керування.

АННОТАЦИЯ

Нгуен Ню Хунг. Совершенствование управления электростанцией маломерного судна на основе нейронечетких регуляторов. Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.03 – Системы и процессы управления. Национальный университет “Львовская политехника”, Львов, 2007.

Диссертация посвящена решению актуальной научной задачи синтеза систем автоматического управления судовыми электростанциями (СЭС) маломерных судов (МС) в переходных режимах путем применения нечетких и нейронечетких регуляторов и регуляторов на базе прямых и инверсных нейронечетких моделей объекта управления.

На основе анализа режимов работы СЭС МС показано, что такой вид объекта управления имеет следующие особенности: многообразие и нестационарность режимов работы, нелинейность объекта управления, случайный характер возмущений и сложность структурной схемы системы. К СЭС МС предъявляются повышенные требования к уровню автоматизации, к точности и быстродействию системы автоматического регулирования напряжения синхронных генераторов (СГ) и частоты вращения первичных двигателей.

В диссертации на основе известных методов математического описания СЭС построена компьютерная модель функционирования СЭС МС, которая отражает динамические процессы в системе и дает возможность исследовать эффективность создаваемых регуляторов. Адекватность модели подтверждена сравнением результатом моделирования режимов наброса и сброса нагрузки судового газотурбогенератора ГТГ-100К с опубликованными результатами его натурных испытаний. Расчетная погрешность установившегося режима составляет 2%, что позволяет сделать вывод о возможности использования модели ГТГ для дальнейших исследований.

В работе синтезирована система автоматического регулирования напряжения на основе корректирования коэффициентов АРВ с применением нечетких регуляторов, реализованных на основе алгоритма Мамдани. АРВ с применением нечетких регуляторов придает системе стабильность во всех режимах, особенно при большом изменении нагрузки. Расчетная установившаяся ошибка при этом не превышает 2%.

Синтезированы законы стабилизации напряжения и мощности синхронного генератора с применением нейронечетких регуляторов, реализованных на основе алгоритмов Мамдани и Сугено (в виде ANFIS – Adaptive Network Based Fuzzy Inference System – адаптивной сети нечеткого вывода). С их применением длительность переходных процессов снижается, соответственно, на 25% и 16%. Результаты моделирования показывают, что нейронечеткие регуляторы могут обучаться на различные режимы работы СЭС и вследствие этого повышают степень ее адаптивности к изменяющимся внешним воздействиям.

В диссертации синтезированы законы регулирования частоты газотурбинных двигателей (ГТД) на основе использования ANFIS-регуляторов. Оценка эффективности применения нейронечетких регуляторов показывает, что система стабильна во всех переходных процессах и установившиеся ошибки снижаются. Применение в составе системы автоматического регулирования частоты ГТД таких регуляторов дает возможность построить высокоэффективную систему автоматики. Нейронечеткий регулятор может “обучаться” на широкий спектр режимов работы ГТД, что повышает степень адаптивности. Использование ошибки и ее производной в качестве входных параметров обеспечивает снижение ошибки во всех режимах работы ГТД. Расчетная установившаяся ошибка уменьшается от 5% до 90% в зависимости от входного сигнала.

В работе предложены и синтезированы законы автоматического регулирования частоты турбогенератора и напряжения синхронного генератора на базе нейронечетких прямой и инверсной моделей объекта управления. Они имеют высокую точность и быстродействие в переходных режимах. Расчетное значение установившихся ошибок по сравнению с традиционными регуляторами уменьшается, соответственно, до 19% и 27%.

Экспериментальные исследования нечеткого регулятора возбуждения на созданной автором лабораторной установке подтверждает работоспособность и эффективность синтезированных регуляторов СГ.

Ключевые слова: система автоматического управления, судовая электростанция, маломерное судно, нечеткий регулятор возбуждения, автоматический регулятор частоты вращения, нейронечеткий регулятор, инверсная нейросетевая модель объекта управления.

ANNOTATION

Nguyen Nhu Hung. Perfection of management by power station of small size vessels on the basis of ANFIS-regulators. The manuscript.

The dissertation on competition of a scientific degree of Cand.Tech.Sci. on a speciality 05.13.03 - Systems and processes control. National university “ L’vov polytechnics”, L’vov, 2007.

In the dissertation the actual scientific problem of perfection of management by ship power stations of small size vessels in transitive modes in conditions of uncertainty of loading by application ANFIS-regulators is solved. The structure of a control system by a voltage of the synchronous generator by a correcting of factors of a