Наименование организации
Міністерство промислової політики України
Науково-виробнича корпорація
"Київський інститут автоматики"
ХмельовА Ангеліна Володимирівна
УДК 681.52.136
СИСТЕМИ УПРАВЛІННЯ ТЕХНОЛОГІЧНИМИ
ПАРАМЕТРАМИ КОТЛОАГРЕГАТІВ З ФУНКЦІЄЮ
АВТОМАТИЗОВАНОГО НАСТРОЮВАННЯ
05. 13. 07 – автоматизація технологічних процесів
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Київ – 2004
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Донбаському гірничо-металургійному інституті Міністерства освіти та науки України (м. Алчевськ).
Науковий керівник— |
доктор технічних наук, професор
Ульшин Віталій Олександрович,
завідувач кафедри "Комп'ютеризовані системи"
Східно-українського національного університету
ім. В. Даля, м. Луганськ.
Офіційні опоненти— |
доктор технічних наук, професор
Ладанюк Анатолій Петрович,
завідувач кафедри автоматизації та комп’ютерно-інтегрованих технологій
Національного університету харчових
технологій Міністерства освіти і науки України;—
кандидат технічних наук, доцент,
лауреат Державної премії України
Рюмшин Микола Олександрович,
генеральний директор Науково-виробничої
корпорації "Київський інститут автоматики"
Мінпромполітики України.
Провідна установа— | Національний технічний університет України
"Київський політехнічний інститут"
Міністерства освіти та науки України.
Захист дисертації відбудеться 10 березня 2004 р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 26.818.01 НВК "Київський інститут автоматики" за адресою: 04107, Київ – 107, вул. Нагірна, 22, корп. 1, к. 219.
Відзиви на автореферат у двох примірниках, засвідчені печаткою установи, просимо надсилати за адресою: 04107, Київ – 107, вул. Нагірна, , НВК "КІА", вченому секретарю.
З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці НВК "Київський інститут автоматики".
Автореферат розісланий 06 лютого 2004 р.
Учений секретар
спеціалізованої вченої ради
кандидат технічних наук |
Л. П. Тронько
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Однією з найважливіших задач інтенсифікації виробництва є прискорення розробки і впровадження автоматичних систем управління як складової частини технологічних процесів. У наш час в галузі виробництва вирішальне значення мають підвищення його економічності та використання енергозберігаючих технологій. Для України одним із пріоритетних напрямків є теплоенергетика.
Для більшості ТЕС актуальним є питання про модернізацію систем контролю і управління, в яких апаратні засоби вичерпали технічний ресурс, морально застаріли і вимагають якнайшвидшої заміни. Крім того, внаслідок зменшення масштабів енергосистеми України досить часто на електростанціях виникають пікові режими, які не були враховані при проектуванні систем управління електростанціями. Таким чином, наявні регулятори не задовольняють сучасним вимогам і їх подальша експлуатація без заміни або удосконалення буде економічно недоцільна в результаті підвищення імовірності виникнення аварій і збільшення зносу устаткування. Найбільш ефективним варіантом розв'язання цієї задачі є повний демонтаж існуючих систем управління з наступною заміною повномасштабними цифровими системами. Однак це вимагає великих одноразових витрат, серйозної попередньої підготовки персоналу, а також зв'язано з тривалим простоєм устаткування.
Застосування автоматизованого процесу настроювання систем управління під час постійної експлуатації об'єктів теплоенергетики дозволяє зберегти оптимальне настроювання протягом усього часу роботи об'єктів, незважаючи на існуючі непередбачені зміни їх властивостей. Ця обставина викликає необхідність пошуку шляхів удосконалення закладених у проект рішень, модернізації систем управління. Зазначений напрямок розвитку систем управління об'єктів теплоенергетики є предметом дисертації.
Актуальність теми. Велика і все зростаюча роль теплосилових установок в енергетиці різко підвищує вимоги до якості процесу регулювання. Більшість теплоелектростанцій являють собою паротурбінні установки, що постачаються парою від могутніх котельних агрегатів. У випадку неефективного використання їх енергогенеруюче підприємство несе істотні економічні втрати. Таким чином, існує задача оптимізації і контролю роботи нових і, що особливо актуально, теплоагрегатів, що існують. Вищезгадана задача не може бути вирішена без упровадження систем управління з функцією автоматичного чи автоматизованого настроювання регуляторів, що дозволяють зберегти оптимальне настроювання протягом усього часу роботи системи.
Істотне зниження гостроти проблеми може бути досягнуте при впровадженні недорогих модульних нарощуваних інформаційно-керуючих систем. Такий шлях дозволить синтезувати сучасні системи управління на найбільш критичних ділянках технологічного процесу, а існуючі системи при цьому повинні бути збережені, але в них необхідно провести удосконалення алгоритмів адаптації, які б враховували виникнення пікових режимів в енергосистемі. По-перше, синтез сучасних регуляторів, що задовольняють сучасним вимогам, і, по-друге, розробка алгоритмів, що дозволяють швидше і точніше адаптувати існуючі системи управління, є актуальними науковими задачами.
Таким чином, незважаючи на значні досягнення в галузі автоматизації систем управління котлоагрегатами, побудова систем управління на базі сучасних методів синтезу, а також впровадження компьютерно-інтегрованих систем управління технологічними параметрами котлоагрегату залишаються актуальними.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження проводилися відповідно до НДР Г20/90 "Розробка автоматизованих систем переробки інформації і управління" і держбюджетної теми № "Розробка теоретичних основ побудови і створення адаптивних могутніх статичних перетворювачів частоти й електроприводів для індукційних технологічних комплексів" Донбаського гірничо-металургійного інституту.
Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є розробка системи автоматичного регулювання температури перегрітої пари котлоагрегату, що забезпечує більш високу точність підтримки режимів його роботи, і удосконалення методів автоматизованого настроювання існуючих перспективних систем управління технологічними параметрами котла, що дозволить збільшити його продуктивність і економічність за рахунок підвищення швидкості і точності адаптації.
Для досягнення мети поставдені і вирішені такі задачі:
-
удосконалення математичної моделі пароперегрівника, яка б враховувала розподілений характер протікання процесів та мала підвищену точність;
-
розробка методики синтезу регулятора з можливістю формування бажаних динамічних характеристик з функцією автоматизованого настроювання за допомогою аналітичної залежності параметрів настроювання регулятора від параметрів об'єкта управління;
-
синтез системи автоматичного регулювання температури перегрітої пари, що забезпечує задану якість регулювання при нестаціонарних параметрах і режимах роботи об'єкта управління;
-
удосконалення алгоритмів ідентифікації окремих технологічних ділянок котлоагрегату і методів автоматизованого розрахунку оптимальних настроювань систем регулювання технологічних параметрів теплоенергетичних об'єктів, що враховують структуру оператора моделі об'єкта;
-
розробка методики, що дозволяє виконувати ідентифікацію теплоенергетичних об'єктів у двоконтурних системах регулювання без зміни структури даної системи;
-
експериментальна перевірка розроблених і удосконалених методик АНР на реальному об'єкті.
Наукова новизна одержаних результатів.
1.
Отримано апроксимуючу модель пароперегрівника, що на відміну від існуючих має підвищену точність, враховує розподілений характер процесів і може бути використана для формування необхідних динамічних характеристик САР.
2.
Запропоновано методику формування системи регулювання температури перегрітої пари на базі інтегруючих фільтрів, що дозволяє формувати необхідні динамічні характеристики і компенсувати збурення витратою перегрітої пари.
3.
Розроблено і досліджено двоступінчастий алгоритм розрахунку оптимальних настроювань систем з ПІ-регуляторами, який є вільним від обмежень на вид оператора моделі і має упевнену збіжність.
4.
Запропоновано методику ідентифікації об'єктів управління в двоконтурних системах, яка не потребує зміни структури системи управління на час ідентифікації та дозволяє здійснювати ідентифікацію і настроювання двоконтурних систем управління в штатних умовах їх експлуатації.
Практичне значення отриманих результатів.
1.
Запропоновано методику ідентифікації параметрів пароперегрівника з використанням цифрових фільтрів на базі швидкого перетворення Фур'є з застосуванням зовнішньої ПЕОМ, що дозволяє використовувати менші амплітуди тестових впливів за рахунок більш високої вибірковості.
2.
Розроблено методику розрахунку оптимальних настроювань систем регулювання параметрів котлоагрегату, що дозволяє автоматизувати в умовах експлуатації етапи процедури ідентифікації-оптимізації.
3.
Показано доцільність застосування спеціалізованих промислових пакетів прикладних програм при математичному моделюванні, що дозволяє використовувати створені на етапі досліджень моделі вузлів системи управління без змін в існуючих контролерах із програмною логікою.
4.
Розроблено програмне забезпечення, яке реалізує алгоритми адаптації систем регулювання котлоагрегату ТП-230, що дозволяє досліджувати й оптимізувати моделі систем: одноконтурної, двоконтурної з двома регуляторами і двоконтурної з регулятором і диференціатором. Розроблене програмне забезпечення адаптоване для роботи на реальному об'єкті із системою управління на базі комплекту "Реміконт Р-130". Воно дозволяє проводити фізичні експерименти, оптимізацію, контроль і управління засобами ПЕОМ через стандартну для Р-130 мережу "Транзит".
Реалізація результатів роботи в народному господарстві здійснювалася шляхом використання їх при виконанні держбюджетних і хоздоговірних робіт з різними організаціями. Програмно-апаратне забезпечення і методика настроювання САР котлоагрегату були апробовані і впроваджені в експлуатацію, що підтверджено відповідними актами про впровадження. Крім того, результати роботи використовуються в навчальному процесі Донбаського гірничо-металургійного інституту в навчальних курсах: "Теорія автоматичного управління", "Розрахунки на ЕОМ", "Моделювання технологічних процесів".
Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідалися й обговорювалися на: III Міжнародній науково-технічній конференції "Вимірювальна й обчислювальна техніка в технологічних процесах і конверсії виробництва" (Хмельницький, 1995р.), на IV Українській конференції по автоматичному управлінню "Автоматика – 97" (Черкаси, 1997р.), на IV Міжнародній науково-технічній конференції "Контроль і управління в технічних системах" КУТС – (Вінниця, 1997р.), на IX Міжнародній конференції по автоматичному управлінню "Автоматика – 2002" (Донецьк, 2002р.).
Публікації. Основні результати роботи відбиті в 13 друкованих працях, в тому числі: в 6-ти статтях у фахових виданнях, що відповідають переліку ВАК; в 3 статтях в іноземних наукових журналах (Росія) та 4 тезах доповідей.
Особистий внесок здобувача. Всі основні результати дисертаційного дослідження, які представлено до захисту, одержані автором особисто. У друкованих працях, опублікованих у співавторстві, внесок здобувача полягає в наступному: виконано дослідження різних апроксимуючих моделей пароперегрівника [7]; запропоновано методику синтезу, параметричну ідентифікацію об'єкта управління, а також виконано математичне моделювання синтезованих систем управління на базі інтегруючих фільтрів [3, 6]; запропоновано методику оцінки структури об'єкта управління за апріорною інформацією про об'єкт і інформацію про значення двох векторів частотної характеристики замкнутої системи регулювання [9]; запропоновано універсальні алгоритми визначення параметрів моделі об'єкта управління в рамках замкнутої системи регулювання [8, 11, 12, 13]; запропоновано і досліджено двоступінчастий алгоритм розрахунку оптимальних настроювань систем з ПІ-регуляторами, вільний від обмежень на вид оператора моделі [5]; запропоновано і досліджено методику настроювання двоконтурних систем управління теплоенергетичними процесами, що дозволяє здійснювати ідентифікацію і настроювання в штатних умовах [4].
Структура дисертації. Дисертація складається з вступу, 5 глав, висновків, списку використаних джерел і додатків. Загальний обсяг складає 203 сторінки; на 96 сторінках розташовано 48 малюнків, 6 таблиць, список використаних джерел з 166 найменувань, 8 додатків.
ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ
У вступі обґрунтовано актуальність роботи, сформульовано мету і задачі досліджень. Приведено основні наукові і практичні результати, які отримані в роботі, а також основні положення, що виносяться на захист.
У першому розділі розглядаються принципи побудови і функціонування систем управління енергоблоками сучасних ТЕС, а також методи і засоби автоматичного й автоматизованого настроювання, наводяться різні способи організації процесу автоматизованого настроювання систем регулювання.
Проаналізовано котельний агрегат як об'єкт автоматизованого управління. Визначено задачі автоматичного управління барабанними котлоагрегатами, а також розглянуто системи регулювання основних технологічних параметрів котлоагрегату, а саме: систему стабілізації температури перегрітої пари, систему регулювання рівня води в барабані котла, систему управління тепловим навантаженням котлоагрегату. Визначено різні збурення, які діють на об'єкт, і вимоги до якості регулювання.
Розглянуто вплив режимних і експлуатаційних факторів на динамічні характеристики котлоагрегату. Показано, що для управління теплоенергетичними об'єктами в принципі необхідно використовувати адаптивні системи, тобто системи, що здатні самостійно уточнювати параметри настроювання регулятора, які спочатку є невідомими, а також непередбачувано мінливі за часом властивості об'єкта управління. Структура САР теплоенергетичних процесів повинна містити в собі модулі автоматичного настроювання.
Показано, що застосування активних методів ідентифікації котлоагрегатів як об'єктів управління зв'язано з погіршенням функціонування системи управління, що налагоджується. У зв'язку з цим виникає задача оптимізації процедури адаптації з метою зменшення амплітуди і часу тестових впливів. При розгляді активних методів ідентифікації показано, що для об'єктів теплоенергетики кращими є частотні методи як більш перешкодозахищені та інформативні.
Широке поширення одноконтурних систем з ПІ- і ПІД-регуляторами в САР теплоенергетичних процесів, таких, наприклад, як стабілізація тиску пари, рівня в барабані котла, економічності спалювання палива, пояснюється тим, що математичний опис цих систем виконується в рамках систем із зосередженими параметрами. Відзначено, що коректно складена модель із зосередженими параметрами дає якісно вірний опис динамічних процесів у реальному котлоагрегаті. Однак для підвищення якості функціонування САР перегрітої пари такий підхід виявляється неефективним і в цьому випадку синтез регулятора доцільно виконувати, використовуючи математичний опис пароперегрівника як об'єкта з розподіленими параметрами.
На підставі проведеного аналізу зроблено висновок про те, що для системи регулювання температури перегрітої пари як найбільш "критичного" вузла котлоагрегату необхідно синтезувати нову систему регулювання, а для інших систем управління параметрами котла досить вирішити задачу автоматизованого настроювання існуючих регуляторів.
Другий розділ присвячено аналізу пароперегрівника як об'єкта управління.
Аналіз рівнянь термодинаміки процесів пароперегрівника показав, що для побудови точної моделі пароперегрівника треба враховувати просторову координату, тобто модель необхідно будувати у вигляді рівнянь у частинних похідних. З використовуваних у даний час моделей пароперегрівника перевага віддана рішенню, яке існує у вигляді передавальної функції, коли вхідною величиною є зміна температури на вході пароперегрівника t1, а вихідною – зміна температури на виході пароперегрівника t:
, (1)
де Тм , Тв – постійні часу, – безрозмірний коефіцієнт, що характеризує вплив величини далекості перетину каналу на інерційність процесів, що протікають у ньому.
У даному розділі проведено порівняльний аналіз різних способів апроксимації, який дозволив установити, що використовувані в даний час моделі пароперегрівника не мають достатнього ступеня точності.
У результаті чисельного експерименту показано, що існуюча практика апроксимації моделі пароперегрівника розкладанням у ряд Тейлора з розбивкою каналу по довжині на рівні ділянки не забезпечує необхідної точності. Вид моделі об'єкта дозволив припустити, що для цих цілей доцільно використовувати розкладання в ряд Пада. Було виконано математичне моделювання і оптимальною апроксимуючою моделлю можна вважати модель з розкладанням у ряд Пада при , , тому що подальше збільшення порядку моделі не приводить до істотного підвищення точності.
Запропоновано методику ідентифікації параметрів пароперегрівника з використанням цифрових фільтрів на базі швидкого перетворення Фур'є (ШПФ) з застосуванням зовнішньої ПЕОМ. Застосування ШПФ еквівалентно застосуванню голчастого загороджувального цифрового фільтра, причому кількість і частоти контрольованих точок задаються програмно. Загороджувальний голчастий фільтр близький до ідеального, тобто вплив шуму на сторонніх частотах при даному рішенні буде близький до нуля. Формування тестового сигналу, запис відгуку системи протягом заданого часу, операцію ШПФ, обчислення наборів , виконує ПЕОМ із використанням спеціалізованого програмного забезпечення. Ця методика дозволяє використовувати менші амплітуди тестових сигналів за рахунок більш високої вибірковості, що дає можливість використовувати її для автоматизованого настроювання.
Отримано прямі аналітичні залежності параметрів пароперегрівника від параметрів тестового сигналу і показано, що в ідеальному випадку для визначення параметрів моделі об'єкта досить знати положення двох точок комплексної частотної характеристики (КЧХ).
Третій розділ присвячений синтезу системи регулювання температури перегрітої пари з функцією автоматизованого настроювання.
У роботі сформульовано вимоги до синтезованої САР і на основі цих вимог зроблено висновок, що безупинний характер процесів в об'єкті управління дозволяє використовувати методику синтезу системи управління на базі інтегруючих фільтрів, яка освітлена в роботі [3]. Крім цього, відзначено, що САР температури перегрітої пари є системою стабілізації вихідного параметра, тому програмна зміна завдання відбувається тільки в технологічних цілях. Бажано заздалегідь знати які конкретно динамічні характеристики буде мати система. На підставі викладеного для параметричного синтезу в якості базової була обрана теорія модального управління.
У рамках даного розділу використано один із прийомів цієї теорії – метод "стандартних коефіцієнтів". Його зміст полягає у відшукуванні таких параметрів замкнутої САР, щоб передавальна функція останньої була еквівалентна деякій "оптимальній" чи стандартній.
Порядок моделі істотно вище, ніж порядок типових розподілів, що задовольняють вимогам низької коливальності. Тому запропоновано використовувати компенсаційне зниження порядку об'єкта управління. Якщо регулятор являє собою тільки компенсаційну ланку, то сумарна передавальна функція регулятора й об'єкта дорівнює одиниці, з точністю до ступеня апроксимації.
Примітним є факт, якщо ланка обмеження відповідає бажаному розподілу Dб(р), то загальні динамічні характеристики системи будуть збігатися з характеристиками цього розподілу з точністю до ступеня апроксимації об'єкта управління. Що ж стосується статичних характеристик, то зроблено висновок, що мінімально припустимий ступінь бажаного розподілу дорівнює трьом. У цьому випадку підсумкова САР буде мати астатизм першого порядку.
Однак безпосереднє завдання будь-якого відомого розподілу приведе до неможливості фізично реалізувати регулятор через відсутність у бажаному поліномі ланки чистого запізнювання. Аналіз моделі (1) показує, що об'єкт має чисте запізнювання з залежним від навантаження часом . Структурна схема синтезованої САР представлена на рис. 1. Регулятор реалізується на базі інтегруючих фільтрів.
Рис. 1. Структурна схема синтезованої САР
Остаточний вибір бажаної передавальної функції системи зроблено з умови мінімального середньоквадратичного відхилення (СКВ) температури перегрітої пари, викликаного дією факторів, що збурюють, при обмеженні на припустиму коливальність перехідного процесу. Використання бажаної передавальної функції з розподілом Грехема – Летропа знижує середньоквадратичне відхилення регульованої величини стосовно СКВ збурення в 2,295 рази при збуренні регулювальним органом і в 21,89 разів при збуренні витратою пари. В інших розподілах це співвідношення менше, тому розподіл Грехема – Летропа було обрано в якості базового.
У розділі проведено порівняльний аналіз САР температури перегрітої пари з регулятором, синтезованим за моделлю об'єкта з розподіленими параметрами (МРП), і САР з ПІ- і ПІД-регуляторами при різних навантаженнях. Збурення наносилися упорскуванням води і витратою пари через пароперегрівник. Дослідження показали, що в САР з ПІД-регулятором при роботі на зниженому навантаженні, рівному 0,66 від номінального, зросла коливальність і час перехідного процесу не менш чим у 4 рази. У САР з ПІ-регулятором процес став практично автоколивальним. У САР з регулятором, синтезованим за МРП, час перехідного процесу збільшився не більше ніж на 30% як при збуренні упорскуванням, так і при збуренні витратою пари.
Крім того, дослідження синтезованої САР як системи стабілізації довело, що СКВ температури перегрітої пари при зменшенні навантаження менше в середньому в 2 рази, ніж у систем з ПІ- і ПІД-регуляторами.
В четвертому розділі запропоновано методику ідентифікації об'єктів управління й автоматизованого розрахунку оптимальних настроювань ПІ- і ПІД–регуляторів систем управління параметрами теплоенергетичних об'єктів.
Як відомо, при розрахунку оптимальних настроювань системи управління як додаткове обмеження часто використовується обмеження на припустимий показник коливальності. Прийнято вважати, що модель з необхідною точністю відбиває властивості об'єкта, якщо КЧХ моделі при частоті резонансу оптимально налагодженої по цій моделі системи збігається з КЧХ самого об'єкта і, крім того, збігаються в цій точці і їх перші похідні по частоті. Тоді умову апроксимації можна навести у виді:
, (2)
де , а – резонансна частота системи.
При практичних розрахунках інформацію про вектори КЧХ доцільно представити у вигляді системи з чотирьох рівнянь: двох – для модулів і двох – для фазових кутів векторів.
Для цього випадку був проведений математичний і чисельний аналіз. На основі інформації про відношення модулів векторів і різниці їх фаз були отримані розрахункові співвідношення і графічні залежності, які зв'язують область припустимих значень відносин модулів і фаз векторів КЧХ об'єкта, що отримані для двох частот з порядком оператора моделі. Крім того запропоновано методику, що дозволяє визначити наявне чи відсутнє в об'єкті запізнювання, порядок оператора моделі, доцільність введення в модель коливальної ланки та чи характеризується об'єкт самовирівнюванням. Для цих випадків запропоновано ряд типових моделей об'єктів управління.
Для визначення чисельних параметрів операторів моделей був розроблений універсальний алгоритм параметричної ідентифікації для об'єктів запропонованої структури, а також пакет програм, які цей алгоритм реалізують.
З огляду на той факт, що в алгоритмах ідентифікації іноді виникають труднощі із завданням першого наближення, або якщо ідентифікація об'єктів проводиться без застосування обчислювальної техніки, для типових операторів моделей було розроблено номограми, що дозволяють за значеннями модулів і фаз векторів КЧХ об'єкта для двох частот при співвідношенні частот визначити параметри операторів.
Відзначено, що для систем високої точності регулювання настроювання, які мінімізують середню квадратичну помилку, одночасно мінімізують максимальні викиди регульованої величини, викликані східчастими збуреннями, що йдуть по будь-яких каналах (як контрольованим, так і неконтрольованим). Як відомо, оптимальне настроювання досягається при максимізації відносини для ПІ- і ПІД–регуляторів:
, (3)
де – коефіцієнт передачі регулятора; – постійна часу інтегрування.
З огляду на вищесказане, запропоновано двоетапну методику розрахунку. На першому етапі в просторі параметрів настроювання регулятора, які змінюються, визначалася область, у якій замкнута САР буде мати запас стійкості не нижче заданого. Обмеження на запас стійкості було задано у виді обмеження на показник коливальності системи . Для астатичних систем , отже, границя, що характеризується необхідним запасом стійкості, описується рівняннями:
; . (4)
На другому етапі в межах області, що має заданий запас стійкості, визначається точка, що відповідає мінімуму помилки регулювання, тобто максимуму критерію . Знайти її можна, вирішивши рівняння
. (5)
У ході рішення визначаються значення частоти , а також параметри настроювання регулятора і , при яких САР має необхідний запас стійкості М та виконується вимога . Рішення системи (4) наведено на рис. 2.
Рис. 2. Графічне рішення системи (4)
Запропоновано представити систему рівнянь (4) трансцендентним рівнянням:
, (6)
де ;
; ; ; – модуль і фаза моделі об'єкта; – модуль і фаза регулятора.
При його рішенні виникли труднощі із завданням першого наближення для упевненої збіжності рішення. У зв'язку з цим було запропоновано двоступінчастий алгоритм розрахунку оптимальних настроювань регулятора, коли на першому етапі за досить простими аналітичними формулами визначаються наближені значення настроювань, а потім на другому етапі виконується точний розрахунок оптимальних настроювань регулятора.
Було встановлено, що розходження в настроюваннях регулятора, отриманих за наближеним і точним методами, складає величину не більш 20% для об'єктів із самовирівнюванням, і не більш 50% для об'єктів без самовирівнювання, що цілком достатньо для одержання упевненої збіжності алгоритму другого рівня. В результаті проведених досліджень алгоритму був уточнений діапазон істотних частот при ідентифікації об'єктів.
На основі цієї удосконаленої методики був також розроблений алгоритм розрахунку оптимальних настроювань системи з ПІД–регулятором з обмеженням на показник коливальности при додатковій вимозі на мінімальне значення коефіцієнта передачі регулятора при резонансній частоті оптимально налагодженої системи.
Відповідно до розроблених алгоритмів було запропоновано уніфіковане програмне забезпечення (ПЗ) для автоматичного чи автоматизованого настроювання систем управління технологічними об'єктами різної структури з ПІ– чи ПІД–регуляторами. ПЗ дозволяє контролювати результати настроювання в режимі діалогу з користувачем.
В п'ятому розділі описані результати чисельного моделювання і впровадження запропонованих рішень.
Запропоновано методику формування тестового впливу для ідентифікації теплоенергетичних об'єктів у частотній області, що дозволяє визначати кілька точок КЧХ за один експеримент і має підвищену точність, яка досягається за рахунок застосування цифрового фільтра на основі швидкого перетворення Фур'є. Графіки тестових сигналів наведені на рис. 3.
Рис. 3. Графіки тестових сигналів
Відзначено, що при моделюванні САР пароперегрівника доцільним є використання сучасних SCADA-систем. У даному випадку було використано російську SCADA-систему Trace Mode. Такий підхід дозволяє використовувати як для моделювання, так і для реальної роботи на об'єкті ту саму програмно реалізовану САР.
Фактично структура являє собою програму, яка реалізована мовою Техно-FBD (Function Block Diagram), що може бути реалізована як на стороні автоматизованого робочого місця (АРМ) при моделюванні, так і в будь-якому контролері з програмною реалізацією алгоритму роботи (Softlogic).
Ґрунтуючись на дослідженнях, які наведені в четвертому розділі, було проведено моделювання ідентифікації-оптимізації одноконтурної системи. Показано, що погрішність ідентифікації визначається близькістю структури моделі й об'єкта, а також залежить від того наскільки далеко область частот, у якій ідентифікується об'єкт, відстоїть від резонансної частоти системи. Доведено, що при правильно обраному частотному діапазоні ідентифікації оптимальні настроювання встановлюються за один цикл.
З урахуванням того, що процедуру ідентифікації переважніше проводити без зміни структури системи управління (подачі додаткового сигналу), було запропоновано методику автоматизованого настроювання двоконтурних систем без зміни структури. Проведені в двоконтурних системах дослідження показали, якщо вихідні настроювання регуляторів вдвічі відрізняються від оптимальних, то оптимальні настроювання досягаються не більш ніж за два цикли процедури ідентифікації-оптимізації.
На підставі проведених досліджень було розроблено і впроваджено програмне забезпечення (ПЗ) автоматизованого настроювання системи регулювання. На рис. 4 наведено вікно модуля автоматизованого настроювання роботи котла ТП-230 у режимі подачі спробного сигналу.
Рис. 4. Вікно модуля автоматизованого настроювання
САР котлоагрегату ТП-230
Обґрунтовано необхідність реалізації САР на базі комплекту "Реміконт Р-130", тому що цей комплект має досить високі технічні характеристики і головне – можливість дистанційного контролю і управління за допомогою ПЕОМ. ПЗ здійснює обмін даними між ПЕОМ і системою управління по кільцевій мережі "Транзит". ПЗ дозволяє проводити експерименти, ідентифікацію, оптимізацію, моделювання, вилучене управління котлоагрегатом у режимі діалогу. Реалізація алгоритмів роботи і інтерфейс виконані в середовищі Delphi, а математичні модулі інтегровані в ПЗ за допомогою OLE-технології у вигляді об'єктів MathCAD.
У додатках наведено акти про впровадження, тексти і результати роботи розробленого програмного забезпечення для проведення процесів ідентифікації, настроювання систем управління і моделювання досліджуваних у роботі технологічних об'єктів.
ВИСНОВКИ
У дисертації вирішена наукова задача, яка складається з розробки системи автоматичного регулювання температури перегрітої пари котлоагрегату, що забезпечує більш високу точність підтримки режимів роботи, та удосконалення методів автоматизованого настроювання існуючих перспективних систем управління технологічними параметрами котла, що дозволило збільшити його продуктивність і економічність.
Основні наукові і практичні результати полягають у наступному:
1.
У зв'язку з дефіцитом маневрених потужностей в Україні пікові режими роботи для котлоагрегатів стають часто розповсюдженими, а тому необхідним є створення більш досконалих систем регулювання в діючих котлоагрегатах, що забезпечують і в пікових режимах підтримку регульованих величин у припустимих межах.
2.
Для надійної й економічної роботи таких котлоагрегатів доцільно використовувати дворівневу підсистему адаптації, коли відносно швидкі зміни властивостей об'єкта управління, зокрема глибокі зміни навантаження, враховуються першим детермінованим (безпошуковим) рівнем системи, а урахування повільних і значною мірою непередбачених змін здійснюється підсистемою пошукової адаптації з поточною експериментальною оцінкою математичної моделі об'єкта управління.
3.
Показано, що найбільш критичними вихідними параметрами котлоагрегату є характеристики перегрітої пари, тому розробка сучасної системи регулювання температури перегрітої пари, яка забезпечує стабільну роботу при знижених навантаженнях, є необхідною.
4.
Отримано апроксимуючу модель пароперегрівника, що на відміну від існуючих має підвищену точність, враховує розподілений характер процесів і може бути використана для формування необхідних динамічних характеристик системи.
5.
Запропоновано методику ідентифікації параметрів пароперегрівника з використанням цифрових фільтрів на базі швидкого перетворення Фур'є з застосуванням зовнішньої ПЕОМ. Методика на відміну від існуючих дозволяє використовувати менші амплітуди тестових сигналів за рахунок більш високої вибірковості, що дає можливість використовувати її для автоматизованого настроювання.
6.
Отримано прямі аналітичні залежності параметрів пароперегрівника від параметрів тестового сигналу і показано, що в ідеальному випадку для визначення параметрів моделі об'єкта досить знати положення двох точок КЧХ.
7.
Розроблено узагальнену методику синтезу систем управління, що дозволяє забезпечити бажані якісні показники регулювання як при наявності інформації тільки про вихідну координату об'єкта, так і при наявності інформації про вихідну координату і її реальні похідні. При цьому синтезовані регулятори характеризуються однотипністю у побудові і реалізації, яку доцільно здійснювати на базі інтегруючих фільтрів.
8.
Запропоновано методику формування системи управління пароперегрівником на базі інтегруючих фільтрів, що на відміну від існуючих дозволяє формувати явно необхідні динамічні характеристики САР і компенсувати збурення витратою пари.
9.
За запропонованою методикою синтезована система регулювання температури перегрітої пари з формованими динамічними характеристиками та компенсацією збурень витратою перегрітої пари.
10.
Проведений порівняльний аналіз синтезованої САР і САР з ПІ- і ПІД-регуляторами підтвердив високу надійність синтезованої системи при роботі котлоагрегату на зниженому навантаженні. У синтезованої САР як системі стабілізації СКВ температури перегрітої пари при зменшенні навантаження нижче в середньому в 2 рази, ніж у систем з ПІ- і ПІД-регуляторами.
11.
Розроблено двоступінчастий алгоритм настроювання САР з ПІ- і ПІД-регуляторами, що враховує вид оператора моделі, гарантує упевнену збіжність і високу точність настроювання. У зв'язку з цим запропоновано методику наближеного визначення настроювання систем управління з ПІ- і ПІД-регуляторами на першому рівні, щоб результати цього розрахунку потім використовувати як перше наближення в точному алгоритмі другого рівня.
12.
Запропоновано методику ідентифікації об'єктів управління в двоконтурних системах, яка не потребує зміни на час ідентифікації структури системи управління. Це дозволяє проводити ідентифікацію і настроювання двоконтурних систем управління в штатних умовах експлуатації.
13.
Запропоновано методику формування тестового сигналу для ідентифікації теплоенергетичних об'єктів у частотній області, яка дозволяє визначати декілька точок КЧХ за один експеримент і має підвищену точність, що досягається завдяки застосуванню цифрового фільтра на основі швидкого перетворення Фур'є.
14.
Розроблено пакет програм для визначення параметрів моделей об'єктів різної структури при проведенні процедури ідентифікації. Алгоритми і програми доведені до інженерного застосування і можуть використовуватися як окремі засоби ідентифікації, так і в складі програмного забезпечення системи управління парогенераторами.
15.
Модернізовано систему автоматизованого регулювання котлоагрегату ТП-230 Миронівської ТЕС. САР реалізована на базі мікропроцесорного регулюючого контролера "Реміконт Р-130" з верхнім рівнем управління на базі розробленого програмного забезпечення, що дозволяє виконувати вилучене управління, тестування, оптимізацію і моделювання САР у режимі діалогу.
Список опублікованих праць за темою дисертації
1.
Хмелёва А. В. Автоматизированный расчёт систем управления с ПИД-регуляторами // Сборник научных трудов. – Алчевск: ДГМИ. – 2000. – Вып. 12. – С. 187-191.
2.
Хмелёва А. В. Синтез системы управления с компенсацией запаздывания и формируемыми динамическими характеристиками // Вісник СНУ ім. В. Даля. – 2002. – №8(54). – С. 103-107.
3.
Дрючин В. Г., Хмелёва А. В. Синтез регуляторов с компенсационной линеаризацией объекта управления и заданным качеством переходного процесса // Вісник СНУ ім. В. Даля. – 2003. – №4. – С. 188-194.
4.
Хмелёва А. В., Коцемир И. А. Автоматизированная настройка двухконтурных систем регулирования теплоэнергетических процессов // Вестник СУДУ. – 2000. – №9. – Ч. 1. – С. 120-124.
5.
Коцемир И. А., Хмелёва А. В., Тростянко В. И. Алгоритм автоматизированной настройки ПИ–регуляторов в системах управления // Сборник научных трудов УГМТУ. – Николаев: УГМТУ. – 2001. – №1(373). – С. 125–130.
6.
Хмелева А. В., Хмелёв А. Г. Параметрическая идентификация объектов управления на базе цифрового фильтра // Сборник научных трудов. – Алчевск: ДГМИ. – 2002. – Вып. 15. – С. 135–139.
7.
Потапов В. Д., Хмелёва А. В. Построение аппроксимирующих моделей пароперегревателя повышенной точности // Вестник МАНЭБ. – 2002. – Т. 7. – №3(51). – С. 77–80.
8.
Коцемир И. А., Хмелёва А. В. Алгоритм автоматизированной идентификации технологических объектов управления // Вестник МАНЭБ. – 2001. – №1(37). – C. 73–75.
9.
Коцемир И. А., Потапова А. В. Идентификация структуры технологических объектов управления // Вестник МАНЭБ. – 1999. – №10. – C. 128–132.
10.
Хмелёва А. В. Система регулирования температуры перегретого пара на базе интегрирующих фильтров // Матеріали ІХ Міжнародної конференції з управління "Автоматика – 2002", Т. 1. – 16 – 20 вересня 2002 р. – Донецьк, 2002. – С. 262–263.
11.
Потапова А. В., Коцемир И. А., Дрючин В. Г. Алгоритмы автоматизированной идентификации технологических объектов управления // Материалы IV Международной научно-технической конференции "Контроль и управление в технических системах". – Винница, 21–23 октября, 1997. В 3-х томах. Том 1. – Винница: "УНIВЕРСУМ-Вiнниця", 1997. – С. 123–128.
12.
Коцемир И. А., Потапова А. В. Идентификация объектов управления, работающих в широком диапазоне нагрузок. – Черкассы, 23–28 июня, 1997 // Тезисы докл. IV Украинской конференции по автоматическому управлению "Автоматика – 97". –C. 39.
13.
Дрючин В. Г., Жиляков В. И., Коцемир И. А., Потапова А. В. Идентификация объектов управления в частотной области // Тези доп. III науково-техн. конф. "Вимірювальна й обчислювальна техніка в технологічних процесах і конверсії виробництва". – Хмельницький, 1995. – С. 124.
Примітка. Прізвище здобувача Потапова було змінено на Хмельова.
Анотації
Хмельова А. В. Системи управління технологічними параметрами котлоагрегатів з функцією автоматизованого настроювання. – Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.07 – автоматизація технологічних процесів. – Науково-виробнича корпорація "Київський інститут автоматики", Київ, 2004.
Дисертація присвячена розвитку теорії і практики синтезу й автоматизованого настроювання систем управління технологічними процесами. У роботі представлені теоретичні дослідження і результати чисельних і фізичних експериментів в галузі автоматичного управління. Отримано апроксимуючу модель пароперегрівника, що має підвищену точність, враховує розподілений характер процесів і може бути використана для формування необхідних динамічних характеристик.Запропоновано методику формування системи управління пароперегрівником і по ній синтезована система регулювання температури перегрітої пари з формованими динамічними характеристиками та компенсацією збурень витратою перегрітої пари.Розроблено двоступінчастий алгоритм настроювання системи управління з ПІ(Д)–регулятором, що враховує вид оператора моделі і гарантує упевнену збіжність та високу точність настроювання.Запропоновано методику ідентифікації об'єктів управління в двоконтурних системах, яка не потребує зміни на час ідентифікації структури системи управління і дозволяє здійснювати ідентифікацію і настроювання в штатних умовах експлуатації.
Ключові слова: теплоенергетика, об'єкт регулювання, ідентифікація, оптимальні настроювання, алгоритм.
Хмелёва А. В. Системы управления технологическими параметрами котлоагрегатов с функцией автоматизированной настройки. – Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.07 – автоматизация технологических процессов. – Научно-производственная корпорация "Киевский институт автоматики", Киев, 2004.
Диссертация посвящена развитию теории и практики синтеза и автоматизированной настройки систем управления технологическими процессами. В работе представлены теоретические исследования и результаты численных и физических экспериментов в области автоматического управления.
Отмечено, что в связи с дефицитом маневренных мощностей на Украине пиковые режимы работы становятся все более распространенными, а значит, необходимо создание более совершенных систем регулирования в действующих котлах, обеспечивающих в этих режимах поддержание регулируемых величин в допустимых пределах.
Показано, что наиболее критичными выходными параметрами котлоагрегата являются характеристики перегретого пара и поэтому разработка современной САР температуры перегретого пара, обеспечивающей отработку скачков температуры не более 20 С, является необходимой.
Обосновано, что САР теплоэнергетических процессов парогенераторов должны включать в себя модули автоматической настройки, позволяющие осуществлять периодическую диагностику соответствия настройки системы оптимуму в процессе эксплуатации с выполнением необходимой коррекции.
Получена аппроксимирующая модель пароперегревателя, которая обладает повышенной точностью, учитывает распределённый характер процессов и может быть использована для формирования требуемых динамических характеристик.
Предложена методика идентификации параметров пароперегревателя с использованием цифровых фильтров на базе быстрого преобразования Фурье с применением внешней ПЭВМ, позволяющая использовать её для автоматизированной настройки. Получены прямые аналитические зависимости параметров пароперегревателя от параметров тестового воздействия и показано, что в идеальном случае определения параметров модели объекта достаточно знать положение одной точки КЧХ.
Разработана обобщенная методика синтеза систем управления, которая позволяет обеспечить желаемые качественные показатели регулирования как при наличии информации только о выходной координате объекта, так и при наличии информации о выходной координате и ее реальных производных.
Предложена методика формирования системы управления пароперегревателем на базе интегрирующих фильтров, которая позволяет формировать явным образом требуемые динамические характеристики и компенсировать возмущения расходом перегретого пара. По этой методике синтезирована САР температуры перегретого пара.
Разработан двухступенчатый алгоритм настройки системы управления с ПИ- и ПИД-регуляторами, учитывающий вид оператора модели, гарантирующий уверенную сходимость и высокую точность. В связи с этим предложена методика приближённого определения настройки систем управления с ПИ- и ПИД-регуляторами на первом этапе, чтобы результаты этого расчёта затем использовать в качестве первого приближения в точном алгоритме.
Предложена методика идентификации объектов управления в двухконтурных системах, не требующая изменения структуры системы управления и позволяющая проводить идентификацию и настройку этих систем управления в штатных условиях их эксплуатации.
Предложена методика формирования тестового воздействия для идентификации теплоэнергетических объектов в частотной области, позволяющая определять несколько точек КЧХ за один эксперимент и обладающая повышенной точностью, которая достигается за счёт применения цифрового фильтра на основе быстрого преобразования Фурье.
Показана целесообразность применения специализированных промышленных пакетов прикладных программ управления при математическом моделировании, так как использованные при этом модели узлов системы управления возможно без изменений применять в действующих контроллерах с программной логикой.
Модернизирована система автоматизированного регулирования котлоагрегата ТП-230 Мироновской ТЭС. САР реализована на базе микропроцессорного регулирующего контроллера Ремиконт Р-130 с верхним уровнем управления на базе разработанного ПО.
Ключевые слова: теплоэнергетика, объект регулирования, идентификация, оптимальные настройки, система управления, алгоритм.
A. V. Khmeleva. Control systems of technological parameters boilers with function of the automated adjustment. - Manuscript.
The dissertation on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science on a speciality 05.13.07 - automation of technological processes. - Research-and-production corporation " Kiev institute of automatics ", Kiev, 2004.
The dissertation is devoted of development of the theory both practice of synthesis and automated adjustment of control systems of technological processes. In work the theoretical researches and results of numerical and physical experiments are submitted in the field of automatic control. Is received approximated model , which has the raised accuracy, takes into account the distributed character
