Каскадне керування електроприводами насосної станції на основі астатичного нечіткого регулятора

Abstract

В статті розглянуті основні особливості каскадного керування тиском в системі водопостачання із регульованим і додатковим нерегульованим насосом. Сформульовані недоліки існуючих систем керування і запропоновано здійснювати керування електроприводами насосної станції із корекцією швидкості обертання регульованого насосу в залежності від режиму роботи нерегульованого. Розроблена спрощена математична модель контуру регулювання тиску із представленням вмикання додаткового насосу у вигляді збурюючого впливу аперіодичного характеру. При цьому закон керування додатковим насосом, описується у вигляді однозначних нелінійностей на основі одиничної ступінчастої і сигнатурної функцій, що дозволяє значно спростити його реалізацію у випадку використання мікропроцесорних пристроїв керування. Для зменшення впливу збурень в перехідних режимах роботи, а саме при вмиканні додаткового насосу, запропоновано використовувати в алгоритмі керування складову корекції швидкості для основного насосу. Для уникнення формування статичної похибки в роботі запропоновано використовувати регулятор тиску і інтегральною складовою. Далі розроблена уточнена математична модель в середовищі MATLAB і проведено дослідження роботи системи із пропорціонально-інтегрально-диференціальним регулятором тиску для регулювання швидкості основного насосу. Визначено, що використання складової корекції дозволяє підвищити точність регулювання тиску, однак не дозволяє скомпенсувати наявність транспортного запізнювання і нелінійностей системи. Тому, в якості регулятора тиску на виході гідравлічної системи використовується комбінований астатичний нечіткий регулятор на основі пропорційно-інтегрального алгоритму керування. Головна відмінність такого регулятора полягає у автоматичній зміні коефіцієнта підсилення при зміни помилки, що запобігає виникненню нестійких режимів при великих коефіцієнтах розімкнутої системи. Розроблена нечітка система керування дає низку переваг, таких як підвищення надійності водопровідної мережі, покращення робочих характеристик системи водопостачання для споживачів, зменшення зносу насосного обладнання та зниження споживання електроенергії, що підтверджується результатами цифрового моделювання.

The article discusses the main features of cascade pressure control in a water supply system with a controlled and additional uncontrolled pumps. The disadvantages of the existing control systems are formulated and it is proposed to control the pump station electric drives using correction of speed of the controlled pump depending on the mode of operation of the uncontrolled pump. A simplified mathematical model of the pressure control loop was developed, with the representation of the switching on of the additional pump as a disturbance effect of an aperiodic behavior. At the same time, the control algorithm of the additional pump is described in the form of unequivocal nonlinearities based on single step and signature functions, which allows to significantly simplify its implementation in the case of using microprocessor devices. To reduce the impact of disturbances in transient operating modes, namely when the additional pump is switched on, it is proposed to use the speed correction component for the main pump in the control algorithm. To avoid the formation of a static error, it is suggested to use a pressure regulator with integral component. Next, a refined mathematical model in the MATLAB environment was developed and an investigation of system operation using proportional-integral-derivative controller of pressure main pump speed control was carried out. It was determined that using of correction component allows to increase the accuracy of pressure control, but does not allow to compensate the presence of transport delay and nonlinearities of the system. Therefore, as a pressure regulator of the hydraulic system output, a combined astatic fuzzy regulator based on a proportional-integral control algorithm is used. The main difference of such a regulator is the automatic change of the gain factor when the error changes, which prevents the occurrence of unstable modes with large coefficients of the open system. The developed fuzzy control system provides a lot of benefits, such as increasing the reliability of the water supply network, improving the performance of the water supply system for consumers, reducing the wear and tear of pumping equipment, and reducing electricity consumption, which is confirmed by the results of numerical modeling.