Введение к работе
Диссертация посвящена структурному моделированию и разработке систем автоматического управления противоточным теплообменным аппаратом установки комплексной подготовки газа с использованием структурной теории распределенных систем.
Актуальность работы. Современные технологии предъявляют высокие требования к надёжности и экономичности режимов работы скважин и установок подготовки газа, обусловленные непрерывным характером его добычи и потребления, территориальной разобщённостью объектов и необходимостью сокращения обслуживающего персонала. Среди различных методов подготовки газа к транспорту наиболее широкое распространение в России получил метод абсорбционной осушки, при котором абсорбент циркулирует по замкнутому контуру “абсорбер – теплообменный аппарат – регенерирующая установка – теплообменный аппарат – абсорбер”.
Повышение эффективности технологического процесса осуществляется за счёт ужесточения требований к концентрации абсорбента и снижения энергетических потерь в процессе его регенерации. Одним из основных способов повышения качества процесса регенерации является поддержание постоянной температуры на входе регенерирующей установки путём построения специализированных систем автоматического управления теплообменным аппаратом. В связи с этим значительный интерес представляют вопросы построения проблемно-ориентированных на задачи управления математических моделей поведения температуры на выходе теплообменного аппарата с учётом возмущений, обусловленных температурными колебаниями нагреваемого и греющего потоков и изменениями их скоростей на входах теплообменника.
Адекватные реальным объектам модели объекта управления могут быть построены только с учётом пространственной распределённости греющего и нагреваемого потоков при математическом описании тепловых процессов, протекающих в теплообменном аппарате. В свою очередь, задачи синтеза и оптимизации соответствующих систем автоматического управления приводят к необходимости решения вопросов идентификации параметров модели теплообменного аппарата, что, с учётом практической невозможности измерения температурного распределения потоков внутри теплообменного аппарата, является нетривиальной задачей.
Недостаточная степень разработки проблемы математического моделирования тепловых процессов, протекающих в теплообменных аппаратах, отсутствие приемлемых по точности аналитических моделей зависимостей температуры на выходе аппарата от разного рода возмущений, открытые вопросы моделирования динамического поведения теплообменных аппаратов как объектов управления и структурно-параметрического синтеза систем автоматизации обусловливают актуальность темы диссертационной работы.
Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка, теоретическое обоснование и исследование методов построения системы автоматического управления температурой абсорбента в противоточном теплообменном аппарате на примере теплообменного аппарата установки комплексной подготовки газа.
В соответствии с поставленной целью в работе решаются следующие основные задачи:
-
Разработка аналитических моделей и структурного представления температурного поля в противоточном теплообменном аппарате как объекта автоматического управления методами структурной теории распределенных систем.
-
Параметрическая идентификация модели противоточного теплообменного аппарата по результатам пассивного эксперимента.
-
Компьютерное моделирование и исследование динамики системы управления температурным полем противоточного теплообменного аппарата в пакете компьютерного моделирования сосредоточенных динамических систем.
-
Структурно-параметрический синтез и промышленное внедрение системы автоматического управления температурой абсорбента в теплообменном аппарате установки комплексной подготовки газа.
Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались методы теории теплопроводности, аппарата преобразований Лапласа, методы теории автоматического управления, структурной теории распределенных систем, методы идентификации, методы численного моделирования объектов автоматического управления.
Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие основные новые научные результаты:
-
Методами структурной теории распределенных систем разработаны математическая модель и структурное представление противоточного теплообменника как объекта автоматического управления в условиях постоянства скоростей потоков внутри теплообменного аппарата, отличающиеся использованием передаточных функций типовых распределенных блоков, с требуемой точностью характеризующих пространственную распределенность управляемых величин.
-
Предложен способ перехода от взаимосвязанной системы уравнений, моделирующих процессы теплообмена в противоточном теплообменном аппарате, к двум независимым дифференциальным уравнениям отдельно для греющего и нагреваемого потоков путем линеаризации распределения теплоисточников, рассчитываемого по наблюдаемым переменным на входах и выходах аппарата.
-
Разработана совокупность новых линеаризованных моделей процессов теплообмена в противоточном теплообменном аппарате установки комплексной подготовки газа, ориентированных, в отличие от известных, на решение задач управления температурным полем движущихся с переменной скоростью теплоносителей.
-
Предложены методики параметрической идентификации модели объекта и параметрического синтеза системы управления теплообменным аппаратом в пакетах компьютерного моделирования.
Практическая полезность работы. Прикладная значимость проведенных исследований определяется следующими результатами:
-
Разработано математическое, алгоритмическое, программное обеспечение и инженерная методика структурно-параметрического синтеза систем автоматического управления противоточным теплообменным аппаратом установки комплексной подготовки газа.
-
Разработана методика применения пакета компьютерного моделирования динамических систем для решения задач параметрической идентификации модели объекта управления и синтеза системы автоматического управления, оптимального по выбранному критерию эффективности.
-
Методом компьютерного моделирования обоснована эффективность предложенной структуры системы автоматического управления.
Реализация результатов работы. Результаты работы использованы в проектных разработках и при промышленном внедрении перспективных систем управления технологическими процессами в ООО Научно-Внедренческая Фирма «СМС» (г. Новокуйбышевск).
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на международных и всероссийских конференциях: Тринадцатой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2007); Всероссийской научной конференции с международным участием «Математическое моделирование и краевые задачи» (Самара 2007, 2008); XIII Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (Томск, 2007).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ, в том числе 2 публикации в журналах из перечня, рекомендованного ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения, изложенных на 110 страницах машинописного текста, содержит 45 рисунков, 3 таблицы, список литературы из 81 наименования и 2 приложения.
На защиту выносятся следующие положения:
-
Математическая модель противоточного теплообменного аппарата установки комплексной подготовки газа с постоянными скоростями теплоносителей как объекта автоматического управления.
-
Структурно-параметрический синтез моделей объекта управления с линейной аппроксимацией пространственных распределений сигналов перекрестных обратных связей по управляемым выходам теплообменника.
-
Линеаризованные модели объекта управления, учитывающие изменение скоростей протекания теплоносителей.
-
Методики параметрической идентификации модели объекта управления и параметрического синтеза системы управления в пакете компьютерного моделирования.
Похожие диссертации на Структурное моделирование и автоматическое управление температурой абсорбента в теплообменном аппарате установки комплексной подготовки газа
