Badania eksperymentalne regulacji prędkości obrotowej zespołu napędowego dla zmiennej wartości obciążenia i stałej wartości prędkości programowej zmiennej wartości obciążenia i stałej wartości prędkości programowej

Badania regulacji prędkości obrotowej zespołu napędowego prezentowane w niniejszym podrozdziale przeprowadzono dla warunków, w których wartość obciążenia ulega zmianie w trakcie trwania procesu regulacji. Układ regulacji opiera się o program przedstawiony w Załączniku 1. W poprzednim podrozdziale skoncentrowano się na najprostszej wersji badań, w której nie było wahań ani momentu obciążenia ani prędkości zadanej. W tym podrozdziale zostanie zaprezentowana seria badań obrazujących możliwości regulacji prędkości obrotowej wału wyjściowego przekładni MR w warunkach występowania zmiennego obciążenia przy zachowaniu stałej wartości prędkości zadanej.

Pierwsza część badań została przeprowadzona w celu stwierdzenia wpływu zmian obciążenia na proces regulacji prędkości obrotowej i na przebieg prędkości wyjściowej.

Zadaniem układu regulacji było utrzymanie niezmiennej wartości prędkości n_wy zgodnie z wartością zadaną n_pr, która pozostawała niezmienna w czasie badań.

Na rysunku 6.17 przedstawiono wynik badania, w którym po czasie 1 s na wejście podano sygnał zadany n_pr różny od 0. Zadaniem układu regulacji było utrzymanie stałej wartości prędkości obrotowej n_wy dla początkowo stałej wartości obciążenia (stała wartość u_hamulca) oraz n_pr = 500 obr./min. Prędkość na wejściu przekładni MR (prędkość wału silnika) wynosiła w czasie badania ok. 700 obr./min. Po czasie ok. 6,2 s rozpoczęto zwiększanie obciążenia (napięcia u_hamulca) co w konsekwencji doprowadziło do rozbieżności pomiędzy wartością n_pr a n_wy (rys. 6.17). Dla napięcia hamulca równego 1,8 V prędkość n_wy oscylowała wokół n_pr. Różnica pomiędzy średnią wartością n_wy a n_pr była mniejsza niż 0,5%. Po zwiększeniu u_hamulca do wartości 3,2 V, średnia wartość wszystkich odczytów wartości n_wy spadła do ok. 350 obr./min wobec n_pr pozostającym na stałym, wcześniej ustalonym poziomie 500 obr./min. Dopiero powrót obciążenia do wartości początkowych spowodował ponowne sprowadzenie wartości n_pr do n_wy. Te wyniki badań pokazują zdecydowany wpływ wartości obciążenia na dokładność regulacji. Dla danych nastaw regulatora, układ regulacji poprawnie zachowywał się dla niewielkich obciążeń i zmian tego obciążenia rzędu 10%. Przy wzroście obciążenia powyżej tych wartości, układ

91 przestał spełniać swoje zadanie. Wynika stąd konieczność poprawy układu regulacji, poprzez wprowadzenie różnych modyfikacji.

W celu zbadania możliwości regulacji prędkości obrotowej zespołu napędowego w warunkach występowania zmiennego obciążenia w szerszym zakresie niż wspomniane wyżej 10% wykonano modyfikację programu regulacji poprzez implementację dynamicznej zmiany nastaw regulatora. Na wstępie, metodą prób i błędów, dobrano poprawne wartości nastaw dla skrajnych wartości obciążenia. W badanym przypadku były to wartości napięcia hamulca równe 1,5 V i 3 V (100% wyższa wartość). Następnie wprowadzono do układu regulacji program dynamicznej zmiany wartości nastaw regulatora. Zmiana tych wartości następowała w sposób liniowy w zależności do bieżącej wartości napięcia na zaciskach cewki hamulca w przedziale 1,5 – 3 V. Wykonano badania dla dwóch różnych wartości prędkości zadanych n_pr. W czasie każdego z badań wykonywano zmiany obciążenia w badanym przedziale. Wartość prędkości wejściowej n_we wynosiła ok. 700 obr./min.

Pierwsze badanie z programem dynamicznej zmiany nastaw regulatora wykonano dla n_pr = 400 obr./min. (rys. 6.18). Początkowa wartość napięcia na zaciskach cewki hamulca (obciążenia) pozostawała stała i wynosiła 2,7 V. Działanie układu regulacji uległo znaczącej poprawie. Czas uzyskania wartości n_pr przez wał wyjściowy 0,16 s. Podczas badania, jak można zaobserwować na rys. 6.18, zmieniano wielokrotnie wartość napięcia hamulca

Rys. 6.17. Regulacja prędkości obrotowej przy zmiennym obciążeniu dla n_pr = 500 obr./min.

0 100 200 300 400 500 600 700 800

0 5 10 15 20 25 30

t [s]

n_pr [obr./min.]

n_we [obr./min.]

n_wy [obr./min.]

u_hamulca*100 [V]

92 w badanym przedziale (1,5 – 3 V). Nie miało to jednak widocznego wpływu na wynik regulacji prędkości obrotowej zespołu napędowego. Różnica pomiędzy n_pr a n_wy nie przekraczała 0,5% w czasie całego badania. Rozbieżności pomiędzy n_pr a średnią wartością n_wy sięgające kilkudziesięciu procent w poprzednim badaniu (rys. 6.17) zostały wyeliminowane. Wartość n_wy oscylowała wokół wartości n_pr z amplitudami oscylacji nie przekraczającymi 10% wartości n_pr.

Drugie badanie z programem dynamicznej zmiany nastaw regulatora wykonano dla n_pr = 500 obr./min. (rys. 6.19). Pozostałe parametry badania nie uległy zmianie.

Po rozpoczęciu procesu regulacji układ utrzymywał średnią wartość prędkości obrotowej wału wyjściowego przekładni MR wokół prędkości n_pr (podobnie jak w poprzednim przypadku, rozbieżność nie przekraczała 0,5%). Zmieniające się w dość szerokim zakresie napięcie hamulca (obciążenie) nie wpływało znacząco na regulację prędkości obrotowej wału wyjściowego. Wartość n_wy oscylowała wokół prędkości programowej z amplitudą oscylacji nie przekraczającą 8% wartości n_pr.

Rys. 6.18. Regulacja prędkości obrotowej przy zmiennym obciążeniu oraz dynamicznej zmianie nastaw regulatora dla n_pr = 400 obr./min.

0 100 200 300 400 500 600 700 800

0 5 10 15 20 25 30

t [s]

n_pr [obr./min.]

n_we [obr./min.]

n_wy [obr./min.]

u_hamulca*100 [V]

93 6.4.4. Badania eksperymentalne regulacji prędkości obrotowej zespołu napędowego dla

stałej wartości obciążenia i zmiennej wartości prędkości programowej

Kolejnym etapem badań było eksperymentalna ewaluacja możliwości regulacji prędkości obrotowej zespołu napędowego przy stałym obciążeniu dla zmiennej wartości prędkości programowej n_pr. Maksymalny przedział zmian wartości n_pr w czasie badań wynosił 150 – 600 obr./min. wobec wartości prędkości obrotowej wału wejściowego przekładni MR na poziomie 700 obr./min.: 𝑛_𝑝𝑟 = (22 ÷ 85%)𝑛_𝑤𝑒. W celu zbadania wpływu zmian prędkości zadanej na proces regulacji, badania wykonano dla zmian n_pr w przedziale 150 – 600 obr./min. po tzw. „trójkącie”. Polegało to na jednostajnym zmniejszaniu wartości n_pr od 600 obr./min. do wartości 150 obr./min w czasie 4,5 s.

Następnie prędkość zadana rosła liniowo z powrotem do wartości 600 obr./min. (również w czasie 4,5 s). W każdym badaniu powtórzono ten schemat postępowania dwa razy.

W pierwszym badaniu jakie wykonano (rys. 6.20a) zastosowano ustawienia regulatora PID nr 1 takie same jak stosowane w badaniach opisanych w poprzednim podrozdziale. Jak można zaobserwować na przebiegu na rys. 6.20a, dla n_pr z przedziału 500 – 600 obr./min. prędkość obrotowa wału wyjściowego przekładni MR nadążała za sygnałem zadanym, przy czym występowały jej wyraźne oscylacje wokół n_pr.

Rys. 6.19. Regulacja prędkości obrotowej przy zmiennym obciążeniu oraz dynamicznej zmianie nastaw regulatora dla n_pr = 500 obr./min.

0 100 200 300 400 500 600 700 800

0 5 10 15 20 25 30

t [s]

n_pr [obr./min.]

n_we [obr./min.]

n_wy [obr./min.]

u_hamulca*100 [V]

94 Rozbieżność pomiędzy średnią wartością n_wy a n_pr pozostawała w przedziale 0 – 0,5%.

Jednakże, im stosunek wartości n_we i n_pr był większy (zmniejszanie się wartości n_pr), tym proces regulacji przebiegał z coraz większymi oscylacjami, których wartość przekroczyła 60% n_pr dla n_pr = 150 – 200 obr./min. W celu zmniejszenia oscylacji n_wy dla dolnych

a) Ustawienia regulatora nr 1

b) Ustawienia regulatora nr 2

Rys. 6.20. Regulacja prędkości obrotowej przy stałym obciążeniu i zmiennej wartości n_pr dla dwóch różnych ustawień regulatora

0 100 200 300 400 500 600 700 800

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

t [s]

n_pr [obr./min.]

n_we [obr./min.]

n_wy [obr./min.]

0 100 200 300 400 500 600 700 800

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

t [s]

n_pr [obr./min.]

n_we [obr./min.]

n_wy [obr./min.]

95 wartości n_pr, zmieniono wartości nastaw regulatora tak, aby ograniczyć amplitudę oscylacji n_wy dla n_pr = 150 – 200 obr./min. i ponownie wykonano badania, których wyniki pokazano na rys. 6.20b. Jak widać to na zarejestrowanych przebiegach, nastąpił znaczący spadek oscylacji wartości n_wy dla n_pr =150 – 200 obr./min. Ich amplituda spadła poniżej 20% wartości n_pr. Nowe ustawienia spowodowały niestety pogorszenie dokładności regulacji dla górnego przedziału wartości n_pr (500 – 600 obr./min). Rozbieżność pomiędzy średnią wartością n_wy a wartością n_pr przekroczyła wtedy nieznacznie 10%. Ten sam parametr dla n_pr = 150 – 200 obr./min. nie przekraczał 0,5%. Biorąc pod uwagę powyższe dwa badania widać, iż wartość n_pr wyraźnie wpływa na proces regulacji wartości prędkości wyjściowej przekładni MR dla stałych nastaw regulatora PID.

W celu zbadania możliwości regulacji prędkości obrotowej zespołu napędowego w warunkach występowania zmian wartości prędkości zadanej w szerokim zakresie (𝑛_𝑝𝑟 = (22 ÷ 85)% ∙ 𝑛_𝑤𝑒), wykonano modyfikację programu regulacji poprzez implementację dynamicznej zmiany nastaw regulatora. Tok postępowania był podobny do tego opisanego w poprzednim podrozdziale. Nastawy regulatora PID zmieniane były proporcjonalnie pomiędzy nastawami nr 1 (rys. 6.20a) a nastawami nr 2 (rys. 6.20b).

Wykonano badanie, podczas którego przebieg zmian n_pr był taki sam jak w badaniach pokazanych na rys. 6.20. Wynik badania zobrazowano na rysunku 6.21. Zmiany w programie

Rys. 6.21. Regulacja prędkości obrotowej przy zmiennej wartości n_pr oraz dynamicznej zmianie nastaw regulatora

0 100 200 300 400 500 600 700 800

0 5 10 15 20 25

t [s]

n_pr [obr./min.]

n_we [obr./min.]

n_wy [obr./min.]

96 regulacji umożliwiły regulację wartości prędkości obrotowej wału wyjściowego przekładni MR w szerokim zakresie. W całym badanym zakresie układ regulacji utrzymał różnicę pomiędzy średnią wartością n_wy a n_pr poniżej 0,5% wartości zadanej. Ponadto, amplituda oscylacji wartości n_wy wokół n_pr mieściła się w przedziale (7 – 20)%∙n_pr. Pozwala to stwierdzić, że zastosowanie zmodyfikowanych nastaw regulatora pozwoliło na poprawę jakości regulacji.

6.4.5. Badania eksperymentalne wpływu zmian prędkości na wale wejściowym