Введение к работе
Актуальность темы
Объекты и системы автоматического управления, работающие на общую нагрузку и не имеющие жесткой механической связи с ней, находят широкое распространение на практике. Сюда можно отнести работу силовых приводов синхронных генераторов, включенных на общую нагрузку; работу газоперекачивающих агрегатов (ГПА) на общий трубопровод и т.д. Важной особенностью рассматриваемых объектов и систем является их относительно невысокая инерционность. Как в электроэнергетике, так и в газотранспортных системах (на фоне относительно медленного изменения температуры транспортируемого газа) переходные процессы в двигателях, связанные с изменением общей нагрузки, с достаточной степенью точности могут быть представлены в виде решений дифференциальных уравнений первого порядка с постоянными коэффициентами. Такое описание объектов, когда они в динамике ведут себя как апериодические звенья первого порядка, обычно получается путем целенаправленного синтеза управляющей части приводов, которые сами собой представляют замкнутые структуры. При этом динамика приводных двигателей в них описывается гораздо более сложными зависимостями, чем дифференциальное уравнение первого порядка. Настройка приводов под апериодический характер переходных процессов является общепринятой и представляется естественной.
Как правило, организация управления параллельной работой подобных однотипных устройств не вызывает затруднений. Однако в настоящее время начинают выдвигаться новые, дополнительные требования к качеству управления параллельной работой динамических объектов и систем на общую нагрузку. Так, например, быстродействие ГПА компрессорных цехов на газопроводах оказывается недостаточным при резких скачках давления газа в трубопроводе, что приводит к необходимости байпассирования, что, в свою очередь, приводит к большим энергетическим потерям при перекачке газа. Начинают разрабатываться системы, в которых в параллель должны работать разнотипные агрегаты. Например, проектируются малые тепловые электростанции для удаленных поселков в районах месторождений газа и нефти, работающие на транспортируемом сырье с разнотипными генераторами, работающими параллельно. Разрабатываются системы гарантированного питания, для которых включение и отключения одного из генераторов в зависимости от потребляемой нагрузки является штатным режимом.
Для этих, завязанных на общую нагрузку систем, важным фактором является качество процессов управления и устойчивость. Для решения подобных задач требуется разработка математической модели, описывающей параллельную работу динамических объектов и систем на общую нагрузку, как объекта управления системы более высокого уровня. Знание особенностей динамики подобного сложного объекта обеспечивает возможность исследования динамики всей системы как аналитически, так и путем цифрового моделирования.
В основном это системы стабилизации скорости вращения двигателей, при которой обеспечиваются заданные параметры нагрузки. Здесь часто возникают проблемы, связанные с синхронным и синфазным вращением валов двигателей, распределением нагрузки между двигателями, устойчивостью и качеством работы всей системы. В литературе встречаются отдельные частные проработки по анализу динамики подобных систем, однако единый подход отсутствует.
Требует также специального рассмотрения анализ и синтез параллельно работающих на общую нагрузку систем гарантированного питания и электроприводных газоперекачивающих агрегатов (ЭГПА). Частично эти вопросы отражены в базовых работах по электроэнергетике (работы Веникова В.А и др.), где в основном рассматриваются «быстрые» процессы в электрических системах, объединенных в единую сеть. Существующие методики не рассматривают параллельную работу однотипных или разнотипных объектов и систем в составе общей системы стабилизации на общую нагрузку.
Для этой цели необходимо разработать математическое описание и модель параллельно работающих объектов и систем и провести анализ различных режимов их работы.
Цель работы
Целью диссертационной работы является исследование динамики параллельной работы инерционных объектов и систем, не связанных жестко с общей нагрузкой и на основе полученных результатов - разработка и исследование динамических свойств модели параллельно работающих электроприводных газоперекачивающих агрегатов (ЭГПА) в составе компрессорного цеха (КЦ) во всех режимах (стабилизация выходных параметров, подключение к нагрузке, выравнивание нагрузки между ГПА) для повышения эффективности надежности и качества систем, а также построение имитатора КЦ.
В соответствии с указанной целью определены следующие задачи:
1. Обзор особенностей параллельной работы двигателей на общую нагрузку, включающий структурное построение систем с параллельно работающими на общую нагрузку двигателями, принципы параллельной работы двигателей в следящих системах; анализ работы двигателей в составе параллельно работающих систем стабилизации, не связанных жестко с нагрузкой в системах стабилизации; рассмотрена параллельная работа двигателей, не связанных жестко с нагрузкой, в составе одной системы стабилизации; анализ динамики систем стабилизации с учетом нелинейных статических характеристик двигателей;
2. Исследование параллельной работы динамических объектов и систем, не связанных жестко с общей нагрузкой: моделирование, анализ динамики и устойчивости двух и n инерционных объектов с неидентичными параметрами;
3.Анализ динамики и устойчивости систем стабилизации с параллельно работающими двигателями, не связанными жестко с нагрузкой, при разбросе их параметров и нелинейного вида статических характеристик;
Разработка динамической модели ЭГПА, анализ переходных процессов, моделирование параллельной работы неуправляемых ЭГПА.
4. Разработка модели параллельно работающих ЭГПА в составе КЦ и синтез цехового регулятора для стабилизации следующих выходных параметров:
- выходное давление,
- степень сжатия,
- приведенный объемный расход газа
В ходе работы над диссертацией были использованы следующие методы исследований: анализа линейных систем управления в частотной области; метод корневого годографа; методы линеаризации систем управления; синтеза систем управления во временной и частотной областях; имитационного моделирования.
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 результатами имитационного моделирования; вычислительными экспериментами, c использованием экспериментальных данных реальных объектов, результаты которых позволяют сделать вывод о работоспособности предлагаемых методов анализа и синтеза нелинейной системы стабилизации объектов, работающих на общую нагрузку, и адекватности получаемых моделей.
Научная новизна
1. Предложено и обосновано математическое описание параллельной работы на общую нагрузку, как линейных, так и нелинейных динамических объектов, которое позволяет проводить анализ устойчивости и качества управления параллельной работой электродвигателей на общую нагрузку.
2. Предложена и обоснована структурная схема динамической модели ЭГПА как инерционного объекта управления для стационарного режима перекачки газа.
3. Разработана общая модель системы стабилизации для n параллельно работающих ЭГПА, предложена структура общего регулятора, обеспечивающего требуемое качество процессов в системе.
Практическая значимость:
Разработанная динамическая модель параллельно работающих на общую нагрузку электродвигателей может быть использована при синтезе различных систем стабилизации. Так для построения общего регулятора КЦ модель позволяет имитировать работу КЦ, как в неуправляемом, так и в управляемом режимах, а также строить эффективные тренажеры.
Внедрение результатов работы: Основные исследования работы выполнялись в рамках договорных НИР с ООО внедренческая фирма «ЭЛНА». Результаты диссертационной работы используются на предприятии в составе алгоритмического и программного обеспечения, в составе аппаратуры предварительного комплексного контроля и тестирования, аппаратуры автоматики управляемых ЭГПА, а так же для отладки алгоритмов цеховых регуляторов.
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 8 работ. В том числе две в журналах, входящих в перечень ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 100 наименований и приложений. Диссертация содержит 121 страницу, 61 рисунок и 2 таблицы.
