Содержание к диссертации
Введение
1 Разработка линейной модели газовоздушного тракта (гвт) и синтез пд - регуляторов по методу локализации 12
1.1 Линейная модель ГВТ 12
1.2 Синтез ПД-регуляторов для модели 24
1.3 Постановка задач для исследования 36
2 Усовершенствование модели ГВТ 37
2.1 Нелинейная модель ГВТ и синтез ПД-регуляторов 37
2.2 Модель ГВТ с электроприводом и синтез двухконтурных ПИД-регуляторов 50
2.3 Выводы по главе 69
3 Исследование методов настройки регуляторов ГВТ .70
3.1 Методика настройки регулятора ГВТ на основе принципа локализации 70
3.2 Автоматическая система настройки регулятора (АСНР) 80
3.3 Автоматизированный способ настройки регулятора с использованием ЭВМ 92
3.4 Выводы по главе 106
Заключение 107
Список использованной литературы 109
Приложение Свидетельство о государственной регистрации программы для эвм и акт о внедрении 120
- Синтез ПД-регуляторов для модели
- Нелинейная модель ГВТ и синтез ПД-регуляторов
- Методика настройки регулятора ГВТ на основе принципа локализации
- Автоматизированный способ настройки регулятора с использованием ЭВМ
Введение к работе
Актуальность проблемы. Для качественного ведения технологического процесса выработки пара необходимо автоматическое регулирование параметров. Улучшение поддержания заданных параметров осуществляется благодаря синтезу систем регулирования с усовершенствованными законами регулирования. Модернизированные законы регулирования позволяют устанавливать высокие требования к показателям качества.
Свойства газовоздушного тракта как объекта регулирования создают предпосылки для синтеза регуляторов по методу локализации. Во-первых, физически сложный процесс перемещения воздушных масс описывается нелинейными дифференциальными уравнениями. Во-вторых, эксплуатация теплоэнергетического оборудования проводится в различных режимах, связанных с изменением нагрузки котельного агрегата (расхода производимого пара), что обуславливает нестационарность объекта.
Метод локализации предлагает теоретически обоснованную, регулярную методику синтеза систем управления для нелинейных и нестационарных объектов. Исследование является перспективным для развития метода локализации. Область применения метода локализации распространяется на теплоэнергетические объекты. Совершенствуется его практическое применение и увеличивается прикладное значение.
Объект исследований. Теплоэнергетическое оборудование, входящее в состав современных тепловых электрических станций необходимо оснащать системами автоматического регулирования высокого качества и надежности. Отдельно можно выделить газоводушный тракт, являющийся неотъемлемой частью любого котла. Согласно исследованиям, проведенным в США, при увеличении эффективности работы газовоздушного тракта может происходить энергосбережение на уровне 2-20%. С точки зрения теории регулирования объект представляет особый интерес ввиду его многоканальности и нелинейных и нестационарных свойств.
Целью работы является модернизация существующих способов регулирования параметров теплоэнергетического котла. Модернизация законов регулирования позволяет повысить быстродействие и точность систем автоматического регулирования.
Задачи исследования:
разработать математическую модель на основе физических законов протекающих процессов в топке котла,
провести синтез регуляторов параметров объекта на основе метода локализации,
усовершенствовать математическую модель путем добавления дополнительных инерционностей, рассмотрения нелинейных и нестационарных свойств объекта,
применить регулятор для усовершенствованной модели, проверить его работоспособность,
провести исследования в области регуляторов, не требующих перенастройки коэффициентов в ходе работы.
Методы исследований. Математические модели строятся аналитическим методом с использованием уравнений, описывающих физические свойства объекта. Синтез системы регулирования проводится на основе метода локализации с использованием различных схем включения регуляторов. Эксперименты над системой и ее последующая корректировка проводится в пакете прикладных программ Simulink Matlab. Разработка метода настройки регулятора, не требующего перенастройки в ходе работы, включает применение Simulink Matlab для идентификации объекта на основе экспериментальных данных. Синтез адаптивного регулятора и проверка его работы для экспериментальных моделей проводится с помощью SCADA- системы.
Достоверность полученных результатов и выводов диссертационной работы основывается на использовании апробированных методов расчёта, фундаментальных законов термодинамики и электротехники в уравнениях, согласованием результатов с экспериментальными данными.
Научная новизна. Разработаны новые математические модели газовоздушного тракта аналитическим методом. К ним относятся линейная, нелинейная и нелинейная с электроприводом. Каждая из моделей может применятся для синтеза систем регулирования в зависимости от необходимой точности описания объекта. Рассмотрено применение метода локализации к теплоэнергетическим объектам, разработаны системы автоматического регулирования на его основе, вследствие чего расширена область прикладного применения метода. Новые модели, регуляторы и результаты экспериментов позволили создать метод настройки регуляторов газовоздушного тракта на основе принципа локализации. В диссертационной работе описано создание нового способа автоматической настройки регулятора (АСНР) на основе принципа локализации, представляющего собой компьютерную программу. АСНР используется для быстрой настройки регуляторов. В рамках исследований предложен новый алгоритм настройки регуляторов для различных объектов с использованием электронно-вычислительной техники.
Основные положения, выносимые на защиту:
разработана новая линейная модель газовоздушного тракта (ГВТ), для которой проведен синтез ПД-регуляторов по методу локализации,
разработаны новые нелинейные модели ГВТ и ГВТ с электроприводом, для которых проведен синтез ПД-регуляторов по методу локализации,
разработан метод настройки регулятора газовоздушного тракта на основе принципа локализации,
разработана программа автоматической настройки регулятора,
разработан метод автоматизированной настройки регулятора с использованием ЭВМ.
Практическая ценность. Результаты исследований данной работы могут быть применены для реальных технологических объектов. Математическими моделями могут описываться множества типовых газовоздушных трактов с различными техническими характеристиками. Для этого в модели должны быть перерасчитаны числовые коэффициенты. Применение регулятора, синтез которого проведен по методу локализации, также возможно для множества газовоздушных трактов с проверкой работоспособности и корректировкой коэффициентов в случае необходимости. Метод настройки регулятора газовоздушного тракта опробован для теплоэнергетического котла ТПЕ-214, установленного на Новосибирской ТЭЦ-5. Автоматизированный метод настройки с использованием ЭВМ применим для технологических объектов, которые требуют регулирования параметров. Метод используется в работе фирмы ЗАО «СИНТЭП».
Внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы использованы в производственной деятельности ЗАО «СИНТЭП»: при разработке программного обеспечения, наладке оборудования. Использование указанных результатов позволяет повысить эффективность работы технологического оборудования.
Личный вклад автора. Все оригинальные разработки и результаты исследований, изложенные в основном тексте диссертации получены автором.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и отдельные ее результаты докладывались на: VI Международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения» (г. Казань, КГТУ, 2011 г.), 2-nd Indo-Russian Joint Workshop on Computing Intelligence and Modern Heuristics in Automation and Robotics (Novosibirsk, NSTU, 2011), Конференции «Системный анализ и информационные технологии» (г. Новосибирск, НГТУ, 2011 г.), IX-ой Международной научно-практической конференции «Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации» (г. Курск, Юго-Зап. гос. ун-т, 2012 г.), Международной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Прогрессивные направления развития машино-приборостроительных отраслей и транспорта" (г. Севастополь, СевНТУ, 2012 г.).
Публикации. Основные положения и результаты диссертационной работы опубликованы в 9 работах, 3 из которых входят в перечень рецензируемых научных журналов и изданий для опубликования основных научных результатов диссертаций, 2 статьи в сборниках научных трудов и 4 статьи в сборниках материалов международных конференций.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованной литературы из 114 наименований и приложения. Общий объем работы составляет 122 страницы, из которых основное содержание работы - 119 страниц, включая 11 таблиц и 53 рисунка.
Синтез ПД-регуляторов для модели
Разработка модели и исследование ее свойств создает достаточные условия для синтеза системы автоматического регулирования. Синтез регулятора производится для каждого канала модели объекта в отдельности в соответствии с выбранным методом локализации.
Полученный регулятор должен удовлетворять предъявляемым требованиям по качеству к статическим и динамическим характеристикам. Настройка регулятора влияет на точность поддержания регулируемых параметров [46]. Для ГВТ точность поддержания расхода воздуха и разрежения в топке напрямую влияет на расход топлива в котле при определенной мощности [51]. Для синтеза регулятора метод локализации выбирается, поскольку неучтенные в модели нелинейности объекта также могут отрабатываться регулятором. Другие методы, такие как метод логарифмических частотных характеристик [45], модальный метод [32], метод типовых регуляторов, не могут гарантировать стабильной работы при неучтенных нелинейностях.
Дифференциальные уравнения ГВТ учитывают взаимовлияние процессов дутья и тяги, а также различные режимы работы. Это свойства объекта регулирования важно учитывать при синтезе систем автоматического регулирования Модель объекта отражает еще одно важное качество -пульсации разрежения, которые с точки зрения автоматизации являются паразитными быстрыми движениями [22]. Исходя из этого, регулятор помимо стандартных требований по качеству, должен обеспечивать подавление нестационарностей и паразитных быстрых движений.
С точки зрения технологии теплоэнергетики выделяются следующие аспекты регулирования объекта.
Одним из основных возмущающих воздействий для поддерживаемых параметров является нарушение целостности воздуховодов, газоходов или топки, которое в САР будет искажать выходную переменную. На практике работа котла продолжается лишь при небольших повреждениях (свищах), которые не представляют трудностей для регулятора. Все остальные возмущения, а именно: изменение режимов горения, нагрузки котла, непосредственно задания расхода общего воздуха, не что иное, как изменение коэффициентов при переменных в дифференциальных уравнениях.
Броски давления в топке создают указанные ниже проблемы.
Скачки значений измерительных приборов затрудняют визуальный контроль со стороны обслуживающего персонала. При неправильном регулировании пульсации разрежения приводят к увеличению частоты срабатывания исполнительных устройств и преждевременному износу механических элементов САР, снижению их надежности. В худшем случае может произойти необоснованное срабатывание системы технологической защиты и сигнализации [50], аварийному останову котла и необходимости его повторного запуска. Распространенным методом борьбы с пульсациями является демпфирование датчиков и загрубление регулирующих приборов. Это, в свою очередь, снижает точность поддержания заданных параметров и отрицательно сказывается на качестве САР.
Колебания давления в топке могут стать причиной повышенного содержания окиси углерода в цеховом помещении, что противоречит правилам эксплуатации котлов [101].
Нелинейная модель ГВТ и синтез ПД-регуляторов
Нелинейная модель ГВТ и синтез ПД-регуляторов Рассматривается процедура синтеза и исследование двухконтурного ПИД-регулятора газовоздушного тракта теплоэнергетического котла. На основе уже имеющейся линейной модели газовоздушного тракта [103] создается нелинейная модель, в которой учитываются характерные особенности объекта. Выполняется синтез ПД-регуляторов по методу локализации для обоих каналов объекта, проводятся необходимые эксперименты. Для улучшения качества регулирования в ПД-регуляторы по двухконтурной схеме включается интегральная составляющая, проводится их преобразование в ПИД-регуляторы. Дополнительное исследование свойств системы автоматического регулирования проводится путем выделения отдельных составляющих движения из системы дифференциальных уравнений объекта.
Среди особенных свойств линейной математической модели газовоздушного тракта теплоэнергетического котла выделяются пульсации разрежения, возникающие в силу колебательности объекта. Для линейной модели ГВТ выполняются условия для синтеза регуляторов по методу локализации. В состав системы автоматического регулирования на основе линейной модели включаются два ПД-регулятора, рассчитанных для каждого канала в отдельности. САР [39] удовлетворяет всем необходимым требованиям по качеству, которые определяются при постановке задаче синтеза.
Линейная модель совершенствуется путем введения нелинейностей, характерных для ГВТ. вентилятора (ДВ); ДС ,с - скорость вращения ЭД дымососа (ДС); Qвх , расход общего воздуха; Qeblx, расход уходящих газов; рт,Па - разрежение в топке. Точками отмечены места измерения параметров.
Регулируемый объект является двухканальным. К входным (управляющим) величинам относятся code,codc, к выходным (управляемым) Qвх,pт, промежуточная величина - Qвых [88]. Нумерация каналов проводится в порядке размещения точек измерения параметров по ходу движения рабочей среды.
Линейная математическая модель ГВТ в виде дифференциальных уравнений выглядит следующим образом:
Числовые значения используются для реального оборудования ГВТ (барабанный котел ТПЕ - 214, дутьевой вентилятор ВДН-32Б, дымосос ДОД-28,5).
Допущением данной модели является то, что потоки воздуха и газов ламинарные. Однако более точно поток газовоздушной среды [36] характеризуется уравнением Дарси-Вейсбаха (соотношением между скоростью движения газа и потерями давления на трение для газопровода конечной длины):
С использованием уравнения Дарси-Вейсбаха записываются нелинейные соотношения между расходами общего воздуха, уходящих газов и аэродинамическими сопротивлениями участков: где dв = 2,76м - диаметр газопровода воздушного участка, йг - 3,57 м - диаметр газопровода газового участка.
Методика настройки регулятора ГВТ на основе принципа локализации
Рассмотрена настройка регулятора для газовоздушного тракта теплоэнергетического котла. Все этапы: «модель объекта», «синтез регуляторов», «исследование свойств системы автоматического регулирования», «автоматический расчет коэффициентов модели» описаны последовательно в соответствии с методом. В разделе «модель объекта» рассматриваются уравнения газовоздушного тракта, условия их вывода и переход к уравнениям состояния. Этап «синтеза регуляторов» включает в себя постановку задачи и расчет регуляторов по принципу локализации отдельно для каждого канала системы. В разделе «исследование свойств системы автоматического регулирования» описываются структурная схема системы, переходные процессы и их анализ. Последний этап содержит программу, позволяющую автоматизировать вычисления коэффициентов дифференциальных уравнений газовоздушного тракта и упростить применение метода для множества однотипных технологических объектов.
Газовоздушный тракт (ГВТ) может представлять собой различные сочетания тягодутьевых машин, газовоздухопроводов и аккумулирующих емкостей [58]. Применительно к теплоэнергетике выделяются два регулируемых параметра: расход воздуха и разрежение в топке. Регулирование целесообразно осуществлять в виде двухканальной системы, поскольку величины взаимосвязаны. Управляющими воздействиями служат производительности дутьевого вентилятора и дымососа [47], [102].
Математическая модель создается на основе анализа физических уравнений процессов. Такой подход более предпочтителен в сравнении с практической идентификацией объектов, применяемой в теплоэнергетике [96] и с общепринятой идентификацией систем управления в автоматике [73]. Критерием выбора считается максимальная реалистичность для выявления нелинейностей объекта.
Для синтеза регулятора из всех возможных методов (метод логарифмических частотных характеристик, модальный метод, метод типовых регуляторов и т.д.) применяется метод локализации. Этот метод позволяет рассчитывать регуляторы для нелинейных объектов, которые могут работать с неизменными настройками.
Система базируется на уравнениях аэродинамических процессов в ГВТ [33]. Закон сохранения массы допускает, что аккумулирующая емкость топки расположена в одном объеме. Уравнение Менделеева-Клапейрона применяется в составе закона сохранения массы вследствие переменной массы газа. Балансы давлений в дифференциальной форме устанавливают соотношения между производительностями тягодутьевых машин, их напорами и потерями на трение. Такой системе присущи колебательные свойства, которые порождают комплексно-сопряженные корни при решении уравнений. Физически это выражается в пульсациях разрежения, являющихся известной проблемой в практике.
В баланс давлений входит уравнение Дарси-Вейсбаха, определяющее соотношение между скоростью движения газа и потерями давления на трение для газопроводов конечной длины. Эти зависимости формируют квадратичные нелинейности в системе. В уравнениях принимается допущение, что все газопроводы круглого сечения, скорости потоков используются усредненные по диаграмме векторов.
Из опыта практики следует, что электродинамические инерционности оказывают существенное влияние на ГВТ. Поэтому зависимость между напором тягодутьевых машин и входной частотой электродвигателя необходимо описывать уравнениями электропривода, в нашем случае асинхронного. Модель может выглядеть существенно проще, если в качестве управляющей величины выбрать скорость вращения на выходе из электропривода, а не частоту на входе, то есть считать эти величины линейно зависимыми. Однако в таком случае будет снижена реалистичность модели. Уравнения электропривода, как и аэродинамические уравнения, содержат квадратичные нелинейности.
Используя обозначения и коэффициенты, указанные в таблице 3.1, система приводится к уравнениям состояния.
Перед началом синтеза регулятора необходимо определить требования к системе автоматического регулирования (САР). Во-первых, система должна поддерживать на заданном уровне регулируемые параметры, то есть отрабатывать вход и парировать возмущения при стационарном режиме работы. Во-вторых, регулятор должен работать в режиме ступенчатых входов (для ГВТ является характерным скачкообразное изменение задания). Как можно заметить, здесь и проявляется уже упомянутая нестационарность объекта, вследствие которой изменяются коэффициенты дифференциальных уравнений. Согласно исследованиям регуляторов, синтезированных по методу локализации [25], для таких объектов целесообразно применять двухконтурный ПИД-регулятор. Важным его свойством является возможность раздельно корректировать требования к статике и динамике системы. Так, интегральный регулятор обеспечивает ошибку не более допустимой, в пределе нулевую, а ПД-регулятор используется в качестве регулятора динамики [23].
Автоматизированный способ настройки регулятора с использованием ЭВМ
Ручной процесс настройки ПИД-регулятора [75] имеет следующий порядок действий:
Установка всех коэффициентов регулятора в нулевое значение.
Плавное увеличение пропорционального коэффициента kпр , и фиксация значения при статической ошибке около 10%.
Плавное увеличение времени интегрирования Tи в случае необходимости уменьшения статической ошибки.
Плавное увеличение времени дифференцирования Tд в случае склонности системы к излишним колебаниям.
Ручная настройка регулятора не может абсолютно точно удовлетворять заданным требованиям к качеству переходных процессов. Система регулирования с неточно настроенным регулятором имеет ухудшенные показатели качества регулирования: статическая ошибка, перерегулирование, время переходного процесса. В результате технологический процесс проходит неоптимально, что влияет, например, на перерасход электроэнергии, увеличение брака и т. д. К недостаткам ручной настройки можно отнести также длительные временные затраты и сложность планирования результата.
Использование современных технологий регулирования позволяет избежать вышеперечисленных проблем [1], [4]. Виртуальные модели с адаптивными регуляторами в SCADA-системе используются для расчета коэффициентов реальных регуляторов на объекте [64].
Алгоритм настройки регулятора имеет следующую последовательность действий.
На основе экспериментальных данных, полученных с объекта управления, составляется математическая функция в виде табличной зависимости. Данные могут быть получены различными способами, как ручной фиксацией изменений параметра с прибора, так и машинной записью значений в цифровом виде.
В таблице 3.8 приведена зависимость расхода общего воздуха от угла раскрытия направляющего аппарата дутьевого вентилятора.
Рассмотрена методика настройки регулятора ГВТ, объединяющая разработку модели и синтез регулятора. Объект широко распространен в теплоэнергетике и требует высокого качества регулирования. Существует возможность применения методики для сходных технологических объектов в других отраслях, например, горнодобывающей промышленности. Применяемый для синтеза метод локализации включает также выбор оптимальной схемы включения регулятора, подходящей для конкретной модели. Полученный регулятор учитывает особенности ГВТ, такие как нестационарность и нелинейность. Отсутствие необходимости перенастройки регулятора в связи с изменением режима работы или износом объекта является важным моментом для эксплуатации. Использование современных программных средств Matlab дает возможность эффективно строить переходные процессы, изучать свойства САР и автоматизировать процесс настройки регулятора.
В качестве аналогии разработанной АСНР можно рассматривать самонастраивающийся адаптивный ПИД-регулятор для управления нестационарными технологическими процессами в различных отраслях промышленности. АСНР предлагает различные типы регуляторов, синтез которых проводится по методу локализации. Такие регуляторы могут работать с нелинейными объектами, не прибегая к линеаризации объекта. Адаптивный регулятор может быть только ПИД, что снижает возможности регулирования нелинейных объектов. Адаптивный регулятор имеет автоподстройку коэффициентов в ходе работы. Это необходимо для нестационарных объектов. Регуляторы АСНР имеют возможность отрабатывать «нестационарности» объекта без изменения настройки регулятора.
Предложенная автоматизированная методика настройки регулятора с использованием ЭВМ позволяет сокращать временные и трудовые затраты по сравнению с ручной настройкой.
В данной диссертационной работе следующие результаты, полученные при разработке и исследовании модернизированного многоканального пд - регулятора теплоэнергетического котла, являются оригинальными.
1) Разработана линейная математическая модель ГВТ на основе физических законов протекающих процессов. В результате исследования линейной модели ГВТ получен вывод о взаимном влиянии регулируемых величин, что позволяет отнести ГВТ к многоканальным и многосвязным объектам. Математическая модель отражает такое физическое свойство объекта, как пульсации разрежения, являющиеся известной проблемой в практике.
2) Проведен синтез ПД-регуляторов по методу локализации для линейной модели. Полученный двухканальный ПД-регулятор для линейной модели отрабатывает возмущения и входные воздействия, удовлетворяет требованиям статики и динамики. ПД-регулятор может использоваться как для линейной, так и для усовершенствованных моделей объекта, поскольку синтез проведен по методу локализации. Регулятор с неизменными настройками обеспечивает заданное качество регулирования даже при сильном изменении параметров объекта. Важным для технологии качеством полученной САР является подавление пульсаций разрежения.
3) В результате анализа нелинейных и нестационарных свойств объекта получена нелинейная математическая модель; путем добавления дополнительных инерционностей получена нелинейная математическая модель с электроприводом.
4) Применен ПД-регулятор для усовершенствованных моделей, проведен синтез ПД-регуляторов более высокого порядка для усовершенствованных моделей. В структурной схеме регулирования учтена аппаратная нелинейность - ограничитель управляющих сигналов в части регуляторов. Проведен синтез двух ПД-регуляторов первого и второго порядков по методу локализации для нелинейной модели. Эксперименты на модели показывают, что с добавлением в ПД-регуляторы интегральной составляющей улучшаются показатели статики системы. Возмущающие ступенчатые воздействия, поданные на сумматоры выходных значений, отрабатываются регулятором. Время переходного процесса соответствует реальным значениям, взятым с кривой разгона реального технологического объекта.
5) Рассмотрена методика настройки регулятора ГВТ, объединяющая разработку модели и синтез регулятора. Объект широко распространен в теплоэнергетике и требует высокого качества регулирования. Существует возможность применения методики для сходных технологических объектов в других отраслях, например, горнодобывающей промышленности. Применяемый для синтеза метод локализации включает также выбор оптимальной схемы включения регулятора, подходящей для конкретной модели. Полученный регулятор учитывает особенности ГВТ, такие как нестационарность и нелинейность. Отсутствие необходимости перенастройки регулятора в связи с изменением режима работы или износом объекта является важным моментом для эксплуатации.
Похожие диссертации на Разработка и исследование модернизированного многоканального пд регулятора для стабилизации режимов работы теплоэнергетического котла
