Слайд 1 (титульный): Здравствуйте. Меня зовут Сторожев Сергей Александрович. Я являюсь аспирантом кафедры АТ. Представляю диссертацию на соискание ученой степени кандидата технических наук "РЕГУЛЯТОР ГРУППОВОГО УПРАВЛЕНИЯ МНОГОКОНТУРНОЙ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ НА ОСНОВЕ НЕЧЕТКОЙ ЛОГИКИ". Специальность 2.3.2 - Вычислительные системы и их элементы. Моим научным руководителем является доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой АТ Южаков Александр Анатольевич. Слайд 2: Зачастую, газотурбинные двигатели (в дальнейшем, ГТД) являются объектами управления, число управляющих воздействий которых меньше числа контуров управления. К таким системам относятся системы автоматического управления (в дальнейшем, САУ) подачей топлива в камеру сгорания ГТД. Селективный выбор реализуется с помощью элементов минимума и максимума на базе экстремальной логики. Устройства селективного выбора называются селекторами. Они применяются в САУ ГТД для устранения зоны совместной работы контуров управления. Слайд 3: В работах А.Н. Добрынина, И.Л. Письменного, О.С. Гуревича, Ф.Д. Гольберга доказано, что селекторы эффективны только для статических режимов работы САУ ГТД. При переходных режимах и при воздействии помех появляются противоречия выбора того или иного контура, из-за этого возникают скачки и перерегулирование параметров ГТД. Следовательно, ухудшаются динамические характеристики САУ и снижается ресурс ГТД. Алгоритмы адаптации САУ ГТД с селектором рассмотрены в работах Е.И. Юревича, Дж. Саридиса, А.А. Красовского, И.Б. Рубашкина, А.Г. Ивахненко, Ю.П. Зайченко, В.Д. Димитрова, В.И. Петунина. Адаптация позволяет подготовить разомкнутые контуры к моменту их включения за счет согласования контуров управления. Применение нечёткой логики в селекторе вышеперечисленными авторами не рассматривалось. Замена экстремальной логики на нечеткую позволяет улучшить динамические характеристики и повысить помехоустойчивость САУ ГТД, следовательно, увеличить ресурс ГТД. Слайд 4: В настоящее время, к многоконтурным САУ ГТД предъявляются жесткие требования по точности и по надежности в процессе эксплуатации (требования представлены на слайде). Результаты, изложенные в диссертации, способствуют выполнению этих требований. Слайд 5: Объектом исследования является САУ подачей топлива в камеру сгорания ГТД. Предметом исследования являются устройства выбора контуров САУ подачей топлива в камеру сгорания ГТД. Цель диссертационной работы заключается в разработке групповых регуляторов контуров САУ подачей топлива в камеру сгорания ГТД на базе нечеткой логики, обеспечивающих высокое качество управления и гарантированную устойчивость САУ. Слайд 6: Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие основные задачи: 1. Проведён анализ принципов построения САУ подачей топлива в камеру сгорания ГТД с селективным выбором контуров. 2. Разработан групповой регулятор на базе нечёткой логики. 3. Создан адаптивный групповой регулятор. 4. Выполнено внедрение разработанных регуляторов в состав САУ ГТД повышенной тяги. Слайд 7: Далее, приведены положения выносимые на защиту. Положение 1. Анализ принципов построения САУ подачей топлива в камеру сгорания ГТД с селективным выбором контуров. Анализ существующих многоконтурных САУ ГТД показывает, что существует множество вариантов совершенствования САУ ГТД за счет структурных изменений САУ, при этом во всех случаях для селекции контуров используется селектор (представлен на рисунке), который построен на базе экстремальной логики (формулы минимума и максимума). Слайд 8: При переключении контуров происходит изменение структуры САУ. Исходя из этого при построении САУ ГТД активно применяются принципы адаптивных систем. На рисунке представлен пример адаптивной САУ. Литературный обзор показал, что применение нечеткой логики при выборе контуров САУ не рассматривалось. В связи с этим, одним из перспективных направлений является создание адаптивного группового регулятора на базе нечеткой логики. Слайд 9: Для определения оптимального варианта управления построена целевая функция, где t1 - нормированное значение времени переходного процесса при первом изменении программного значения оборотов вентилятора. t2 – при втором изменении программного значения. сигма1 и 2 - нормированные значения перерегулирования. A, B - весовые коэффициенты (их сумма равняется единице). Рекомендуется отдавать приоритет времени переходного процесса т.к. данный показатель качества наименее зависим от настроек регуляторов контуров САУ подачей топлива в камеру сгорания ГТД. На рисунках приведены различные изменения программного значения оборотов вентилятора, которые учитывались при проведении эксперимента. Эксперимент включает в себя запуск ГТД, первое изменение программного значения и второе изменение программного значения. Показатели качества при запуске ГТД не учитываются в целевой функции. Слайд 10: Положение 2. Новый метод построения аналитической и имитационной моделей нечеткого группового регулятора контуров САУ подачей топлива в камеру сгорания ГТД, позволяющий провести теоретический анализ и экспериментальные исследования (п. 2 паспорта специальности). Рассмотрена существующая САУ подачей топлива в камеру сгорания ГТД с селектором. Она представлена на рисунке. Предусмотрены 3 режима работы "форсаж", "крейсерский" и "малый газ". В данной САУ пять контуров управления: №1 - контур частоты вращения вентилятора; номера 2 и 3 - контуры ограничений; №4 - контур разгона; №5 - контур сброса. Далее, рассматривается селектор Слайд 11: Назначение селектора связано с контролем параметров ГТД на приемистости и сбросе, а также контролем параметров в заданных пределах. Селектор работает на экстремальной логике, где каждый элемент имеет два входа. При выборе того или иного контура управления, выбранный контур поступает на общий регулятор, а связи остальных контуров разрываются, что является недостатком использования экстремальной логики. Метка селектора служит индикацией работы контуров. Учитывая недостатки селектора, предлагается заменить селектор на нечеткий групповой регулятор. Слайд 12: Идея применения нечетких регуляторов по минимуму и по максимуму взамен экстремальной логики заключается в том, что выход нечеткого регулятора формируется, учитывая оба входных значения в том случае, когда разница между входными значениями небольшая. Это позволяет осуществлять плавное переключение контуров управления. Рассмотрим модели нечетких регуляторов по минимуму и по максимуму. Слайд 13: На слайде представлена имитационная модель нечетких регуляторов в составе НГР. Нечеткий регулятор содержит фаззификатор, блок правил и дефаззификатор. На интервале от «-a» до «a» (где a - настройка НГР) управляющее воздействие формируется, учитывая оба входа нечеткого регулятора по методу среднего взвешенного значения. Вне этого интервала нечеткий регулятор работает точно также как элемент минимума или максимума. Слайд 14: Далее, приведена аналитическая модель Слайд 15: Часть результатов представлено на слайде. На рисунке под буквой «а» - в идеальных условиях; под буквой «б» - в условиях флуктуационных помех; под буквой «в» - в условиях импульсных помех. Эксперимент включал в себя 3 вида изменения программных значений на трех режимах работы ГТД в идеальных условиях, в условиях влияния флуктуационных помех, в условиях влияния импульсных помех (всего 27 различных вариантов). Слайд 16: На слайде приведены рисунки поясняющие работу САУ подачей топлива в камеру сгорания ГТД с селектором и НГР в идеальных условиях. управляющие воздействия на дозатор в случае использования селектора и НГР (а1), метки селектора и нечеткого группового регулятора (а2 и а3), сигналы контуров (а4), степени принадлежности нечеткого группового регулятора (а5). Метка нечеткого группового регулятора (а3) показывает, что в формировании управляющего воздействия участвует несколько контуров. Степени принадлежности нечеткого группового регулятора (а5) отображает плавное переключение контуров. Слайд 17: На слайде приведены сигналы контуров (б1), метки селектора и нечеткого группового регулятора (б2 и б3) в условиях влияния флуктуационных помех. Сравнение графиков б2 и б3 показывает, что НГР позволяет устранить противоречие выбора контуров. Слайд 18: На данном слайде приведены графики в условиях влияния импульсных помех. Результаты, представленные на трех последних слайдах показывают, что применение НГР взамен селектора сохраняет устойчивость САУ. После проведения экспериментов получаем таблицы. Слайд 19: Слева представлены результаты экспериментов САУ ГТД с селектором и НГР в идеальных условиях. Нормализация показателей качества выполняется путем деления значений на максимальное значение в столбце. Слайд 20: Далее, приведены результаты экспериментов САУ ГТД с селектором и НГР в условиях влияния флуктуационных помех. Слайд 21: в условиях влияния импульсных помех. Слайд 22: По показателям целевой функции с коэффициентами A=0.7 B=0.3: НГР улучшает качество управления на 1.14% по сравнению с селектором в идеальных условиях, на 0.44% в условиях флуктуационных помех и на 0.09% в условиях импульсных помех. Анализ результатов показал уменьшение времени переходного процесса, при увеличении перерегулирования после замены селектора на НГР. Устранение недостатка НГР, обеспечивается адаптивным нечетким групповым регулятором, который рассмотрен далее. Слайд 23: Положение 3. Новый способ и алгоритм реализации аналитической и имитационной моделей адаптивного нечеткого группового регулятора контуров САУ подачей топлива в камеру сгорания ГТД, позволяющие провести теоретический анализ и экспериментальные исследования (п. 2 паспорта специальности). Разработан адаптивный нечеткий групповой регулятор, который адаптируется к изменяющимся условиям эксплуатации ГТД, а именно к состояниям приемистости и сброса. Введение адаптации позволяет улучшить показатели качества управления за счет смещения терммножеств фаззификатора. Имитационная модель нечетких регуляторов в составе АНГР представлена на нижнем рисунке. Слайд 24: Далее, представлена аналитическая модель адаптивных нечетких регуляторов. Слайд 25: На данном слайде приводится пояснение принципа адаптации, который заключается в смещении терм множеств, представленных на рисунке б, во время приемистости – вправо, во время сброса – влево. Слайд 26: На модели САУ ГТД с АНГР был проведен эксперимент, описанный в положении 2. Часть результатов представлена на данном слайде. Под буквой «а» - в идеальных условиях; под буквой «б» - в условиях флуктуационных помех; под буквой «в» - в условиях импульсных помех. Слайд 27: В случае применения АНГР, к графикам, которые отображали работу НГР добавляется рисунок а. 4 смещение терм-множеств фаззификатора. На слайде приведены результаты работы АНГР в идеальных условиях. Слайд 28: Далее, приведены графики в условиях влияния флуктуационных помех. Слайд 29: В условиях влияния импульсных помех. Слайд 30: Результаты экспериментов САУ ГТД с селектором и АНГР в идеальных условиях Слайд 31: Результаты экспериментов в условиях влияния флуктуационных помех Слайд 32: В условиях влияния импульсных помех Слайд 33: По показателям целевой функции с коэффициентами A=0.7 B=0.3: АНГР улучшает качество управления на 3.21% по сравнению с селектором в идеальных условиях, на 2.13% в условиях флуктуационных помех и на 1.47% в условиях импульсных помех. Слайд 34: По показателям целевой функции с коэффициентами A=0.4 B=0.6, которые использовались при оценке перспективной САУ ГТД повышенной тяги: АНГР улучшает качество управления на 0.78% в идеальных условиях, на 0.06% в условиях флуктуационных помех и на 0.99% в условиях импульсных помех. Анализ результатов показал уменьшение времени переходного процесса на всех режимах при незначительном увеличении перерегулирования на режимах «форсаж» и «крейсерский». Слайд 35: Положение 4. Результаты экспериментальных исследований и внедрения адаптивных нечетких групповых регуляторов в составе САУ подачей топлива в камеру сгорания ГТД повышенной тяги в нормальных и экстремальных условиях (п. 4 паспорта специальности). На данный момент, САУ для российского перспективного ГТД повышенной тяги создается на АО «ОДК-СТАР». Входящий в ее состав электронный регулятор двигателя (РЭД) обеспечивает комплексное всережимное управление двигателем. Стенд, представлен на рисунке. Регулирование осуществляется по одному параметру – расходу топлива. Управление стендом осуществляется полностью в автоматическом режиме с помощью РЭД. Слайд 36: На слайде представлены селектор (на рис. а) и АНГР (на рис. Б) в составе САУ ГТД повышенной тяги, которая содержит 7 контуров управления. №1 –(контур частоты вращения вентилятора); №2 – (контур частоты вращения ротора высокого давления); №17 – (контур максимальной частоты вращения вентилятора); №18 – (контур максимальной частоты вращения ротора высокого давления); №8 – (контур приемистости ускорения частоты вращения ротора высокого давления); №9 – (контур сброса ускорения частоты вращения ротора высокого давления); №6 – (контур минимальной частоты вращения ротора высокого давления); Слайд 37-40: Далее приведены графики результатов работы САУ ГТД повышенной тяги на земле и высоте с селектором и АНГР. Под буквой «а» - в идеальных условиях; под буквой «б» - в условиях флуктуационных помех; под буквой «в» - в условиях импульсных помех. Слайд 41-43: Результаты эксперимента САУ ГТД повышенной тяги с селектором и АНГР в идеальных условиях в условиях флуктуационных помех в условиях импульсных помех Слайд 44: По показателям целевой функции с коэффициентами A=0.4 B=0.6, которые использовались при оценке перспективной САУ ГТД повышенной тяги: АНГР улучшает качество управления на 2.8% по сравнению с селектором в идеальных условиях, на 29.2% в условиях влияния слабых флуктуационных помех и на 4.2% в условиях влияния импульсных помех. Слайд 45: Основные результаты и выводы В ходе выполнения диссертационной работы осуществлена разработка НГР который позволяет учитывать значения нескольких контуров при формировании управляющего воздействия и АНГР который адаптируется к изменяющимся условиям эксплуатации ГТД. Получены следующие основные результаты: 1. Проведен анализ принципов построения САУ подачей топлива в камеру сгорания ГТД с селективным выбором контуров. 2. Разработан метод построения новых аналитической и имитационной моделей НГР контуров САУ подачей топлива в камеру сгорания ГТД, позволяющие провести теоретический анализ и экспериментальные исследования. Использование НГР вместо селектора приводит к уменьшению времени переходного процесса на всех режимах, но увеличивает перерегулирование на режимах «форсаж» и «крейсерский». 3. Создан способ и алгоритм реализации аналитической и имитационной моделей АНГР контуров САУ подачей топлива в камеру сгорания ГТД, позволяющие учитывать условия эксплуатации ГТД при формировании управляющего воздействия. Использование АНГР вместо селектора позволяет уменьшить время переходного процесса на всех режимах при незначительном увеличении перерегулирования на режимах «форсаж» и «крейсерский». Слайд 46: 4. Представлены результаты экспериментальных исследований и внедрения АНГР в состав САУ подачей топлива в камеру сгорания ГТД повышенной тяги в идеальных условиях, в условиях влияния слабых флуктуационных помех и в условиях влияния импульсных помех. 5. Намечены направления дальнейших исследований по развитию проблем многоконтурных САУ, в том числе представляется целесообразным расширить исследование в области группового управления контурами САУ ГТД. Рассмотреть проблему адаптивного нечеткого управления ГТД с малоэмиссионными камерами сгорания. Слайд 47: Личный вклад: 1. Разработка моделей нечеткого группового регулятора контуров для САУ подачей топлива в камеру сгорания ГТД; 2. Разработка моделей адаптивного нечеткого группового регулятора; 3. Создание имитационной модели САУ подачей топлива в камеру сгорания ГТД в MATLAB Simulink; 4. Проведение имитационного моделирования, обработка и сопоставление полученных результатов; 5. Участие во внедрении разработанного адаптивного нечёткого группового регулятора в составе САУ подачей топлива в камеру сгорания ГТД повышенной тяги. Слайд 48: Апробация результатов: Основные результаты работы обсуждались на «Восьмом всероссийском совещании по проблемам управления»; на международных научно-технических конференциях таких как «Искусственный интеллект в решении актуальных социальных и экономических проблем ХХI века»; «Математическое моделирование»; и на «конференциях российских молодых исследователей в области электротехники и электроники» ; а также на семинарах ПНИПУ. Слайд 49-52: Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 работ, из них 4 статьи, индексированных в международной базе цитирования Scopus. 3 статьи, индексированных в журналах из списка ВАК. 4 статьи – в материалах других изданий. 1 свидетельство о гос. регистрации программы для ЭВМ. Слайд 53-56: Акты внедрения Слайд 57: Спасибо за внимание
