Συστήματα Ελέγχου Μηχανής Ειδικά Συστήματα Ελέγχου Πλοίου Δρ. Γ. Παπαλάμπρου ΣΝΜΜ-ΕΜΠ 4/2013

Transcript

1 Συστήματα Ελέγχου Μηχανής Ειδικά Συστήματα Ελέγχου Πλοίου 2013 Δρ. Γ. Παπαλάμπρου ΣΝΜΜ-ΕΜΠ 4/2013

2 Περιεχόμενα Εισαγωγή Συστήματα ελέγχου μηχανής Καύσιμο: σύστημα ελέγχου, governors, common rail Ελεγκτές μηχανής: SISO, MIMO ECU

3 Θεωρία Συστημάτων Ελέγχου Μοντέλα μειωμένης πολυπλοκότητας για συστήματα ελέγχου Κλασσικός έλεγχος: ελεγκτές PID Βέλτιστος έλεγχος (Linear Quadratic Regulator) Προσαρμοστικός έλεγχος (Self-tuning control) Κύρια χαρακτηριστικά των παραπάνω ελεγκτών

4 Αντικείμενο Παρουσίασης Η εξέλιξη των συστημάτων ελέγχου σε μηχανές Diesel Βασικές αρχές συστημάτων ελέγχου Εφαρμογές Απαιτήσεις σχεδιασμού: υψηλές επιδόσεις χαμηλή κατανάλωση μείωση ρύπων

5 Συστήματα Ελέγχου Μηχανής Παρουσιάζει προηγμένες τεχνικές ελέγχου με μελλοντική εφαρμογή σε εγκαταστάσεις πρόωσης Προηγμένες τεχνικές: απαραίτητες λόγω αυξανομένων απαιτήσεων από την επιβολή χαμηλότερων ορίων ρύπων Λειτουργούν ήδη πιλοτικά ή εργαστηριακά αλλά είναι δαπανηρές και πολύπλοκες για να τεθούν σε παραγωγή

6 Συστήματα Ελέγχου Μηχανής Δυνατότητες εγκαταστάσεων πρόωσης πλοίων: κινητήρες Diesel, αεριοστρόβιλοι, προωθητήρες, ηλεκτρικοί κινητήρες Επιλογή για το μάθημα: τεχνολογίες ελέγχου ναυτικών κινητήρων Diesel Εφαρμογές: έλεγχος στροφών/ροπής (τυπική περίπτωση) έλεγχος λόγου αέρα καυσίμου, με έμφαση στη μείωση ρύπων, air injection έλεγχος πίεσης στην εξαγωγή, μεταβλητή γεωμετρία στροβίλου (VGT)

7 Συστήματα Ελέγχου Μηχανής: Governors Governor Μηχανικό σύστημα ελέγχου στροφών Η ρύθμιση γίνεται με τον φυγοκεντρικό μηχανισμό

8 Συστήματα Ελέγχου Μηχανής: Governors Governor Σύστημα ελέγχου καυσίμου σε κανονική ταχύτητα και σε υπερτάχυνση

9 Συστήματα Ελέγχου Μηχανής: Governors Σύστημα υδραυλικού ελέγχου καυσίμου

10 Συστήματα Ελέγχου Μηχανής: Governors Σύστημα ηλεκτρονικού ελέγχου καυσίμου

11 Συστήματα Ελέγχου Μηχανής: Governors Ρυθμιστές UG-8 Α) με κομβία Β) ε μοχλό

12 Συστήματα Ελέγχου Μηχανής: Governors Εσωτερικό ρυθμιστή

13 Συστήματα Ελέγχου Μηχανής: Governors Governor UG-8 Μηχανικό-υδραυλικό σύστημα ελέγχου στροφών Οι ρυθμίσεις γίνονται μέσω περιστρεφ. διακοπτών Governor UG Μηχανικό-ηλεκτρονικό σύστημα ελέγχου στροφών Οι ρυθμίσεις γίνονται μέσω συστήματος ψηφιακού ελεγκτή/ηυ Επενεργητής (Actuator) ProAct Σερβοκινητήρας συστήματος ελέγχου στροφών Οι ρυθμίσεις γίνονται μέσω συστήματος ψηφιακού ελεγκτή/ηυ Περιέχει ελεγκτή θέσης περιστροφής

14 Συστήματα Ελέγχου Μηχανής: Governors Χαρακτηριστικά λειτουργίας και ρυθμίσεις

15 Συστήματα Ελέγχου Μηχανής: Common Rail

16 Συστήματα Ελέγχου Μηχανής: Common Rail Χρησιμοποιεί ηλεκτρονικά ελεγχόμενο σύστημα καυσίμου (common-rail) Αντικαθιστά μηχανικό σύστημα εκκεντροφόρου-συστήματος οδήγησης-αντλίας ψεκασμού καυσίμου και μηχανικού συστήματος ελέγχου Το ηλεκτρονικό σύστημα ελέγχει: - την ποσότητα καυσίμου - το χρονισμό

17 Συστήματα Ελέγχου Μηχανής: Common Rail

18 Συστήματα Ελέγχου Μηχανής: Common Rail

19 Συστήματα Ελέγχου Μηχανής: Common Rail

20 Συστήματα Ελέγχου Μηχανής: ECU

21 Συστήματα Ελέγχου Μηχανής: ECU

22 Συστήματα Ελέγχου Μηχανής: ECU

23 Συστήματα Ελέγχου Μηχανής: ECU

24 Συστήματα Ελέγχου Μηχανής Σύστημα ελέγχου: σύνολο λειτουργιών που επιτυγχάνουν την επιθυμητή απόκριση σε μια διεργασία Τα συστήματα ελέγχου κλειστού βρόχου ανατροφοδοτούν την έξοδο (πχ ταχύτητα) και τη συγκρίνουν με την τιμή αναφοράς Τυπικές εφαρμογές σε εγκαταστάσεις πρόωσης: έλεγχος στροφών κινητήρα έλεγχος άλλων παραμέτρων κινητήρα (πίεσης, παροχής, ρύπων)

25 Συστήματα Ελέγχου Μηχανής Σύστημα ελέγχου Μοντέλο εγκατάστασης πρόωσης Μοντέλα μειωμένης πολυπλοκότητας για συστήματα ελέγχου Χρήση: - Αναλυτικός σχεδιασμός ελεγκτή - Προσομοίωση λειτουργίας - Ρύθμιση παραμέτρων - Σύγκριση διατάξεων ελέγχου

26 Συστήματα Ελέγχου Μηχανής Μεταβλητή γεωμετρία στροβίλου (VGT) Ne: Ταχύτητα περιστροφής κινητήρα Ntc: Ταχύτητα περιστροφής υπερπληρωτή Xvgt: Εντολή κλίσης πτερυγίων Xfuel: Εντολή καυσίμου Αντικείμενο συστήματος ελέγχου: έλεγχος στροφών κινητήρα έλεγχος παραμέτρων κινητήρα: πίεση εξαγωγής, λόγος αέρα καυσίμου (φ) Stefanopoulou, A. Smith, R., Maneuverability and smoke emission constraints in marine diesel propulsion, Control Engineering Practice, 8 (2000).

27 Συστήματα Ελέγχου Μηχανής u*: επιθυμητή ταχύτητα πλοίου Αναλογικός-Ολοκληρωτικός (PI) έλεγχος Χάρτης επιθυμητών τιμών Προκύπτει από βελτιστοποίηση παραμέτρων στη μόνιμη κατάσταση λειτουργίας Stefanopoulou, A. Smith, R., Maneuverability and smoke emission constraints in marine diesel propulsion, Control Engineering Practice, 8 (2000). Τυπική περίπτωση Governor Ρύθμιση για γρήγορη απόκριση ταχύτητας

28 Συστήματα Ελέγχου Μηχανής u*: επιθυμητή ταχύτητα πλοίου Αναλογικός-Ολοκληρωτικός (PI) έλεγχος με περιοριστή (limiter) Χάρτης επιθυμητών τιμών Προκύπτει από βελτιστοποίηση παραμέτρων στη μόνιμη κατάσταση λειτουργίας Χρήση περιοριστή, όταν ο φ βρίσκεται κάτω από όριο εμφάνισης καπνού Προϋποθέτει μέτρηση του φ Stefanopoulou, A. Smith, R., Maneuverability and smoke emission constraints in marine diesel propulsion, Control Engineering Practice, 8 (2000).

29 Συστήματα Ελέγχου Μηχανής Βέλτιστος Έλεγχος πολλών εισόδων/εξόδων u*: επιθυμητή ταχύτητα πλοίου Χάρτης επιθυμητών τιμών Προκύπτει από βελτιστοποίηση παραμέτρων στη μόνιμη κατάσταση λειτουργίας Βέλτιστος ελεγκτής (LQ) Επιτρέπει τον έλεγχο Ν, φ Προϋποθέτει μέτρηση του φ Stefanopoulou, A. Smith, R., Maneuverability and smoke emission constraints in marine diesel propulsion, Control Engineering Practice, 8 (2000).

30 Συστήματα Ελέγχου Μηχανής Αποτελέσματα: αξιολόγηση συστημάτων ελέγχου Απόκριση εξόδων Εντολές ελέγχου ΡΙ & περιοριστής: Πετυχαίνει την τήρηση του ορίου του φ Αργή απόκριση ταχύτητας ΡΙ & περιοριστής: Πετυχαίνει την τήρηση του ορίου του φ Αργή απόκριση ταχύτητας Stefanopoulou, A. Smith, R., Maneuverability and smoke emission constraints in marine diesel propulsion, Control Engineering Practice, 8 (2000). ΜΙΜΟ: Δίνει ικανοποιητική απόκριση ταχύτητας, με γρήγορη μεταβολή εντολής ελέγχου Πετυχαίνει την τήρηση του ορίου του φ

31 Συστήματα Ελέγχου Μηχανής Πρόβλημα: ΜΗ ΓΡΑΜΜΙΚΟΣ ΕΛΕΓΧΟΣ ΝΑΥΤΙΚΟΥ ΚΙΝΗΤΗΡΑ DIESEL Σύστημα: 4-ΧΝαυτικός κινητήρας Diesel εξοπλισμένος με σύστημα ανακυκλοφορίας καυσαερίου (EGR) και μεταβλητή γεωμετρία στροβίλου (VGT). Μοντελοποίηση με meanvalue model, με στόχο τον έλεγχο. Στόχος συστήματος ελέγχου: ρύθμιση ποσότητας αέρα (μέσω του λόγου αέρα καυσίμου-afr) και λόγου EGR, σε τιμές αναφοράς που έχουν επιλεγεί ως συμβιβασμός χαμηλών εκπομπών ρύπων και χαμηλής κατανάλωσης καυσίμου. Θεωρία ελέγχου: Λόγω του πολυμεταβλητού συστήματος προς έλεγχο, γίνεται χρήση της μη-γραμμικής μεθόδου Control Lyapunov Function (CLF).

32 Συστήματα Ελέγχου Μηχανής Προσαρμοστικός Έλεγχος (Self-tuning Control) Χαρακτηριστικά: Λαμβάνονται υπόψη οι αλλαγές στις παραμέτρους του μοντέλου (συστήματος) Προσαρμόζεται κατάλληλα ο ελεγκτής Estimator: υπολογισμός παραμέτρων μοντέλου Synthesis: υπολογισμός παραμέτρων ελεγκτή u: εντολή ελεγκτή, y: έξοδος συστήματος Χαρακτηριστικά εφαρμογής ελέγχου: Είσοδος ελέγχου: παροχή καυσίμου Ελεγχόμενη μεταβλητή: ταχύτητα κινητήρα Προσαρμοστικός Έλεγχος (Self-tuning Control) [Wellstead P., Zarrop M., Self tuning systems, Willey, 1991]

33 Συστήματα Ελέγχου Μηχανής Προσαρμοστικός Έλεγχος (Self-tuning Control) Απόκριση εξόδων, Εντολές ελέγχου Αναγνώριση παραμέτρων μοντέλου Βηματική μεταβολή στην ταχύτητα Ικανοποιητική απόκριση Αποφυγή κορεσμού στην εντολή ελέγχου Στην πρώτη περίοδο (tuning transient), γίνεται η πρώτη εκτίμηση παραμέτρων Στη δεύτερη περίοδο, γίνεται επανεκτίμηση των παραμέτρων Προσαρμοστικός Έλεγχος (Self-tuning Control) [Wellstead P., Zarrop M., Self tuning systems, Willey, 1991]

34 Συστήματα Ελέγχου Μηχανής Προσαρμοστικός Έλεγχος (Self-tuning Control) Προσαρμοστικός Έλεγχος (Self-tuning Control) [Wellstead P., Zarrop M., Self tuning systems, Willey, 1991]

35 Συστήματα Ελέγχου Μηχανής Προσαρμοστικός Έλεγχος (Self-tuning Control) Προσαρμοστικός Έλεγχος (Self-tuning Control) [Wellstead P., Zarrop M., Self tuning systems, Willey, 1991]

36 Συστήματα Ελέγχου Μηχανής: MAN L16/24

37 Συστήματα Ελέγχου Μηχανής: MAN L16/24 Ο ηλεκτρικός πίνακας με την ECU και τις καλωδιώσεις

38 Συστήματα Ελέγχου Μηχανής: CAT 3176B in: speed; out frequency in: speed, emissions; out: fuel in: torque, out: valve opening 3D rendering

39 Συστήματα Ελέγχου Μηχανής: CAT 3176B CAT engine, 425 kw Πέδη νερού Ηλεκτρ. κινητήρας

40 Συστήματα Ελέγχου Μηχανής: Πέδη νερού Torque Controller Torque ref

41 Συστήματα Ελέγχου Μηχανής: Hybrid