Введение к работе
Актуальность темы.
Системы управления, в которых исполнительные устройства работают параллельно на общую нагрузку, на практике находят широкое распространение. К таким системам можно отнести следящие системы (приводы) с несколькими исполнительными двигателями, передающими свои развиваемые моменты нагрузке через последнюю общую ступень силового редуктора. Другим примером могут служить электростанции, в которых синхронные генераторы работают на общую электрическую сеть. При этом паровые турбины, которые вращают роторы синхронных генераторов, являются совместно с парогенераторами параллельно работающими системами стабилизации частоты вращения. Сюда также можно отнести параллельно работающие системы бесперебойного питания. В трубопроводном транспорте параллельно работающие на общую трубу компрессоры (например, газоперекачивающие агрегаты (ГПА)), также работают на общую нагрузку. Во всех перечисленных примерах одним из важнейших требований, предъявляемым к системам, является их энергетическая эффективность или способность работы на максимуме КПД в разных режимах работы и при разбросе параметров между отдельными параллельно работающими исполнительными элементами или системами.
Характерной особенностью рассматриваемых исполнительных элементов, а так же и систем с подобными элементами является их инерционность. Под инерционным объектом в данной работе будем понимать объект, одна из постоянных времени которого существенно превалирует над остальными. В этом случае динамика такого элемента достаточно хорошо описывается дифференциальным уравнением 1-го порядка для рабочей полосы частот. Подобное свойство может быть естественным, например для исполнительного двигателя постоянного тока при якорном управлении, либо может быть реализовано за счет настройки параметров, например, при управлении частотой вращения синхронного двигателя с помощью частотного регулятора. В дальнейшем будем называть подобные элементы и системы, параллельно работающие на общую нагрузку инерционными исполнительными элементами или объектами.
В системах управления встречаются различные исполнительные устройства. Устройства такого типа включают: электрические двигатели, электрические, пневматические или гидравлические приводы, релейные устройства, электростатические двигатели, хватающие механизмы роботов, приводы их движущихся частей, а также многие другие. Все они воздействуют на процесс в соответствии с получаемым ими управляющим воздействием. Соответственно, их функционирование связано с превращением энергии из одного вида в другой. В реальной жизни такое превращение почти всегда происходит с некоторым коэффициентом полезного действия, значение которого всегда меньше единицы. Это значит, что часть подводимой к исполнительному устройству энергии теряется, т.е. переходит не в нужную форму, а в некоторую побочную, чаще всего – в тепло.
Если количество теряемой энергии относительно невелико, то КПД исполнительного устройства, зачастую, не очень важно учитывать по сравнению с другими его свойствами, например весом, компактностью, быстродействием и т.п. Однако если мощность исполнительных устройств измеряется в десятках мегаватт, то КПД имеет высокое экономическое значение. В таких случаях экономия даже единиц процентов мощности - это хороший результат. К таким объектам можно отнести парогенераторы, газоперекачивающие агрегаты и другие объекты. В таком случае возникает вопрос об их энергетической эффективности. Энергетическая эффективность — это рациональное использование энергетических ресурсов, т.е. достижение экономически оправданной эффективности использования топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) при существующих ограничениях. Энергетическая эффективность главным образом направлена на полезное расходование энергии.
Как правило, работа упомянутых выше высокомощных исполнительных устройств и систем проходит в стационарных условиях. К примеру, для тех же парогенераторов в составе АЭС допускаются только небольшие и достаточно медленные изменения условий работы. Для электроприводных газоперекачивающих агрегатов (ГПА) также невозможен быстрый набор или сброс мощности ввиду того, что на частотных преобразователях в случае изменения частоты вращения привода ГПА выделяется большое количество тепла, которое не успевают отвести.
Повышению энергетической эффективности систем с инерционными объектами, параллельно работающими на общую нагрузку, посвящено много работ. Однако известные работы, как правило, нацелены на повышение энергетической эффективности конкретных систем и не носят обобщающего характера. В данной работе делается попытка получения обобщающих результатов по построению алгоритмов управления параллельно работающими на общую нагрузку инерционными объектами с целью повышения энергетической эффективности их работы. При этом основное внимание, естественно, сосредотачивается на энергоэффективности работы инерционных исполнительных устройств в стационарном режиме их работы в составе систем стабилизации, что позволяет учитывать их текущее техническое состояние с целью повышения их КПД.
Цель работы.
Целью диссертационной работы является изучение возможностей минимизации энергетических затрат при управлении параллельной работой инерционных объектов на общую нагрузку.
В соответствии с указанной целью определены следующие задачи:
-
Анализ свойств систем управления и стабилизации с параллельно работающими однотипными исполнительными устройствами в зависимости от их связи с общей нагрузкой.
-
Исследование устойчивости систем стабилизации с параллельно работающими на общую нагрузку однотипными исполнительными устройствами при различных вариантах управления отдельными исполнительными устройствами в составе системы.
-
Исследование энергетической эффективности систем стабилизации с параллельно работающими на общую нагрузку однотипными исполнительными устройствами при различных вариантах их управления отдельными исполнительными устройствами в составе системы.
-
Исследование энергетической эффективности систем стабилизации с параллельно работающими на общую нагрузку однотипными исполнительными устройствами при наличии разброса их параметров.
-
Исследование возможности использования дополнительного экстремального регулятора в составе регулятора системы стабилизации с параллельно работающими на общую нагрузку однотипными исполнительными устройствами при наличии разброса их параметров с целью автоматического выведения работы системы на максимум КПД для стационарного режима.
-
Разработка имитационной модели электроприводного газоперекачивающего агрегата для использования ее в составе комплексного тренажера с целью проведения полунатурных испытаний различных вариантов цеховых регуляторов.
В ходе работы над диссертацией были использованы следующие методы исследований: гармонической линеаризации; анализа систем управления в частотной области; анализа и синтеза систем управления во временной и частотной областях; методы линеаризации.
Обоснованность научных результатов, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, обеспечивается использованием математического аппарата теории дифференциальных уравнений, методов теории автоматического управления и методов имитационного моделирования динамических систем.
Достоверность теоретических разработок подтверждена вычислительными экспериментами и использованием экспериментальных данных на реальных объектах, результаты которых позволяют сделать вывод о работоспособности предлагаемых методов минимизации энергетических затрат при управлении параллельной работой инерционных объектов на общую нагрузку и адекватности получаемых моделей.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Результаты исследований по нахождению законов управления параллельной работой на общую нагрузку однотипных инерционных исполнительных устройств в составе единой системы стабилизации, при которых достигается максимальный КПД всей системы независимо от величины общей нагрузки.
-
Предлагаемый метод аналитического определения коэффициентов перераспределения нагрузки, обеспечивающих максимальное значение КПД, при параллельной работе исполнительных устройств на общую нагрузку в составе единой системы.
-
Метод достижения максимума КПД систем стабилизации с параллельно работающими на общую нагрузку однотипными инерционными исполнительными устройствами при наличии разброса их параметров за счет использования дополнительного экстремального регулятора.
-
Имитационная модель параллельно работающих ЭГПА, которая позволяет проводить полунатурные исследования работы цеховых регуляторов и строить комплексные тренажеры для отработки и настройки различных режимов работы компрессорного цеха.
Научная новизна
-
Показано, что при параллельной работе на общую нагрузку однотипных инерционных исполнительных устройств в составе единой системы стабилизации максимальный достигаемый КПД получается при одинаковых уставках для исполнительных устройств независимо от величины общей нагрузки.
-
Получены аналитические выражения для определения коэффициентов перераспределения нагрузки, обеспечивающих максимальное значение КПД, при параллельной работе исполнительных устройств на общую нагрузку в составе единой системы стабилизации.
-
Доказана возможность достижения максимума энергетической эффективности систем стабилизации с параллельно работающими на общую нагрузку однотипными инерционными исполнительными устройствами при наличии разброса их параметров за счет использования дополнительного экстремального регулятора.
Практическая значимость:
-
Применение дополнительного экстремального регулятора в составе системы стабилизации с параллельно работающими на общую нагрузку однотипными исполнительными устройствами при наличии разброса параметров между ними обеспечивает автоматическое поддержание максимального значения КПД системы в стационарном режиме работы и при этом нет необходимости в периодической диагностике текущих параметров исполнительных устройств.
-
Разработанная имитационная модель параллельно работающих электроприводных газоперекачивающих агрегатов позволяет проводить полунатурные исследования работы цеховых регуляторов и строить комплексные тренажеры для отработки и настройки различных режимов работы компрессорного цеха.
Внедрение результатов работы: Основные исследования работы выполнялись в рамках договорных НИР с ООО «Внедренческая фирма «ЭЛНА». Результаты диссертационной работы используются на предприятии для отладки систем управления газоперекачивающими агрегатами и компрессорными цехами на полунатурных моделях объектов, а также для создания тренажеров газоперекачивающих агрегатов и компрессорных цехов для обучения диспетчерского персонала.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на международной научно-технической конференции «Информационные средства и технологии», двух международных научно-технических семинарах «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации», международной Четаевской конференции и всероссийской школе-конференции молодых ученых «Управление большими системами».
Публикации. По результатам исследований автором опубликовано 7 работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Диссертация содержит 106 страниц, 31 рисунок и 2 таблицы.
