Міністерство промислової політики України

Науково-виробнича корпорація

“Київський інститут автоматики”

УДК 62-55:681.515

Скуртов Сергій Миколайович

Синтез цифрових регуляторів одномірних і двомірних систем керування основними параметрами парогенераторів

05.13.07 -автоматизація технологічних процесів

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Науково-виробничій корпорації “Київський інститут автоматики” Міністерства промислової політики України.

Науковий керівник - заслужений діяч науки України,

доктор технічних наук, професор

Гостєв Володимир Іванович,

завідувач кафедри комутаційних систем

Державного університету інформаційно-

комунікаційних технологій Держкомзв’язку України.

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 і науки України, кафедра автоматики та

управління в технічних системах.

Захист відбудеться “26” січня 2005 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, 22, НВК “КІА”, вченому секретарю.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці НВК “Київський інститут автоматики”.

Автореферат розісланий 24.12.2004 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

кандидат технічних наук Л. П. Тронько

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Однією із важливійших задач інтенсифікації виробництва є застосування систем автоматичного керування як складової частини технологічних процесів. В теперішній час в області виробництва вирішальне значення мають підвищення його економічності і застосування енергозберігаючих технологій. Для України одним з пріоритетних напрямків є теплоенергетика. Велика і все зростаюча роль теплосилових установок в енергетиці різко підвищує вимоги до якості процесу регулювання і керування. Більшість теплоелектростанцій представляють собою паротурбінні установки, до яких надходить пара від потужних котельних агрегатів. Ці агрегати або парогенератори є основою теплосилових установок. Неефективність їх використання приводить до суттєвих економічних збитків. Оптимальні (економічно наибільш вигідні) режими роботи парогенераторів можуть підтримуватися довгий час тільки за умови автоматичного керування їх основними параметрами. Упровадження автоматики є необхідною умовою забезпечення високої ефективності та безаварійної експлуатації парогенераторів.

Таким чином, задача оптимізації роботи парогенераторів особливо актуальна і вона не може бути вирішена без застосування систем автоматичного керування, якість роботи яких визначається, в основному, використовуваними регуляторами.

Розробці систем автоматичного керування параметрами парогенераторів присвячена велика кількість робіт вітчизняних та зарубіжних вчених, серед них роботи Александровського М.М., Єгорова С.В., Кузіна Р.Е., Вульмана Ф.А., Хорькова М.С., Іванова В.А., Профоса П., Рущинського В.М., Сєрова Е.П., Стиріковича М.О., Шевякова О.О., Ротача В.Я. і багатьох інших.

Існуючі способи регулювання парогенераторів засновані, в основному, на вживанні аналогових ПІД-регуляторів. Для регулювання парогенератора використовуються, як правило, одномірні системи автоматичного керування за його основними вихідними параметрами.

Теперішній етап розвитку теорії та техніки систем автоматичного керування характеризується істотним прогресом в області цифрових систем керування, що зумовлене розвитком засобів обчислювальної техніки, особливо мікропроцесорів і мікроЕОМ. Математичний опис регуляторів і моделей об’єктів керування в дискретному часі дозволяє значно спростити синтез регуляторів і їх технічну реалізацію. В теперішній час розроблені і знаходять використання нові класи регуляторів, а саме, оптимальні за швидкодією та нечіткі (працюючі на базі нечіткої логіки) цифрові регулятори. На основі цифрових регуляторів можуть бути побудовані системи автоматичного керування будь-яких типів, а програмне забезпечення систем можливо коректувати як при проектуванні, так і в процесі їх експлуатації. Актуальною задачею є упровадження нових типів цифрових регуляторів в одномірних системах автоматичного керування параметрами парогенератора.

Парогенератор як об’єкт керування є многомірним, має декілька вихідних і вхідних параметрів. Оскільки вихідні параметри (вихідні координати) парогенератора взаємозв’язані, то керування будь-яким параметром буде впливати на всі процеси в парогенераторі. Вплив керування одним параметром на інші вихідні параметри парогенератора, що має місце в одномірних системах автоматичного керування, є серйозним недоліком одномірних систем. Враховуючи, що головна задача парогенератора – одержання водяної пари заданого тиску і температури, головну увагу слід приділяти синтезу систем автоматичного керування тиском пари в випарнику і температурою пари на виході нагрівача парового котла. Тиск пари в випарнику регулюється витратою палива як керуючою змінною, а температура пари на виході нагрівача парового котла - витратою води як керуючою змінною. Оскільки кожна керуюча змінна впливає на вихідні параметри (тиск і температуру пари), доцільно синтезувати двомірну систему керування з розподілом каналів керування кожним вихідним параметром.

Синтез двомірних систем автоматичного керування є більш складним, ніж синтез одномірних систем, і включає синтез прямих і перехресних регуляторів, причому перехресні регулятори зазвичай забезпечують розв’язку каналів керування, а прямі регулятори - потрібну якість двомірних систем керування. Розробка цифрових двомірних систем автоматичного керування параметрами парогенератора є актуальною проблемою, а однією із основних задач при проектуванні таких систем є задача синтеза прямих і перехресних цифрових регуляторів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Вибраний напрям наукових досліджень безпосередньо пов'язаний з тематикою науково-дослідних робіт, що проводяться в Науково-виробничій корпорації “Київський інститут автоматики” і ДК “УКРТРАНСГАЗ” в рамках державної програми України по енергозбереженню.

Мета і задачі дослідження. Мета дисертаційної роботи полягає в підвищенні якості (зменшенні дінамічних похибок і підвищенні швидкодії) цифроаналогових одно- та двомірних систем автоматичного керування основними параметрами парогенераторів шляхом застосування прямих (головних) цифрових оптимальних за швидкодією та нечітких (працюючих на базі нечіткої логіки) регуляторів та перехресних (розв’язуючих канали керування в двомірних системах) аналогових регуляторів.

Объектом дослідження є системи автоматичного керування параметрами парогенераторів, а предметом дослідження - підвищення динамічної точності і швидкодії одно- та двомірних систем автоматичного керування параметрами парогенераторів. Предмет дослідження визначає тему дисертаційної роботи, яка полягає в розробці синтезу цифрових регуляторів одно- та двомірних систем автоматичного керування параметрами парогенераторів та дослідженні методом математичного моделювання цих систем із синтезованими регуляторами, які забезпечують потрібну якість їх за умови автономного регулюванням двох каналів у двомірних системах автоматичного керування .

Для досягнення поставленої мети в дисертаційній роботі розв’язувалися наступні задачі:

розробка математичних моделей одномірних систем автоматичного керування параметрами (тиском пари у випарнику і температурою пари на виході нагрівача) парогенераторів з цифровими регуляторами і двомірних систем автоматичного керування параметрами парогенераторів із прямими цифровими та перехресними аналоговими регуляторами;

удосконалення методик параметричного синтезу цифрових оптимальних за швидкодією та нечітких (працюючих на базі нечіткої логіки) регуляторів для одномірних систем та синтезу прямих (головних) цифрових та аналогових перехресних регуляторів за умови розв’язання каналів для двомірних систем автоматичного керування параметрами парогенераторів;

проведення досліджень цифроаналогових одномірних систем автоматичного керування параметрами (тиском пари у випарнику і температурою пари на виході нагрівача) парогенераторів із синтезованими цифровими оптимальними за швидкодієюї та нечіткими регуляторами та двомірних систем із синтезованими прямими цифровими оптимальними за швидкодієюї та нечіткими регуляторами і аналоговими перехресними регуляторами при ступінчастих та довільних вхідних діяннях за кожним каналом керування за умови автономного регулювання каналів керування у двомірних системах;

проведення синтезу цифрових регуляторів для системи регулювання температури перегрітї пари на виході парового котла за основними режимами його роботи;

проведення досліджень цифроаналогової системи регулювання температури перегрітої пари на виході парового котла із синтезованими регуляторами за умови зміни режимів роботи котла із використанням інтерактивної системи МАТLAB.

Методи дослідження. Дисертаційні задачі розв’язувалися із використанням загальних методів теорії аналогових та цифрових систем автоматичного керування, зокрема методів перетворення Лапласа и z-перетворення, методів рішення диференціальних і різнецевих рівнянь, методів ідентифікації, а також математичного апарата інтерактивної системи МАТLAB.

Наукова новизна одержаних результатів. У дисcертації отримані наступні наукові результати:

Одержані математичні моделі одномірних систем автоматичного керування параметрами (тиском пари у випарнику і температурою пари на виході нагрівача) парогенераторів з цифровими регуляторами і двомірних систем автоматичного керування параметрами парогенераторів із прямими (головними) цифровими оптимальними за швидкодією та нечіткими (працюючими на базі нечіткої логики) регуляторами і перехресними (розв’язуючими канали керування) аналоговими регуляторами;

удосконалені методики параметричного синтезу оптимальних за швидкодією та нечітких (працюючих на базі нечіткої логіки) цифрових регуляторів для одномірних систем і синтезу прямих (головних) оптимальних за швидкодією та нечітких цифрових регуляторів та аналогових перехресних регуляторів за умови розв’язки каналів керування для двомірних систем автоматичного керування параметрами парогенераторів;

на основі методик синтезу оптимальних за швидкодією і нечітких цифрових регуляторів в інтерактивній сиcтемі MATLAB для одно- і двомірних систем автоматического керування параметрами парогенераторів вперше розроблені структурні схеми оптимальних за швидкодією регуляторів, які на відміну від відомих “аперіодичних” регуляторів “апроксимують” вхідне діяння на систему не ступінчастими, а лінійно змінюваними функціями часу, що дозволяє значно підвищити точність стеження за корисним сигналом, і представлені алгоритми функціонування нечітких регуляторів, які дозволяють одержувати дуже високу якість систем керування, яка характеризується поточною похибкою розузгодження;

вперше представлені результати досліджень методом математичного моделювання одно- і двомірних систем автоматичного керування параметрами (тиском пари у випарнику і температурою пари на виході нагрівача) парогенераторів із синтезованими оптимальними за швидкодією і нечіткими (працюючими на базі нечіткої логіки) прямими (головними) цифровими регуляторами і перехресними (розв’язуючими канали керування) аналоговими регуляторами при детермінованих та довільних діяннях на вході систем керування;

вперше синтезовані оптимальні за швидкодією і нечіткі цифрові регулятори для цифроаналогової системи регулювання температури перегрітої пари на виході парового котла і проведено дослідження системи із синтезованими регуляторами за умови зміни режимів роботи казана.

Практичне значення одержаних результатів. На підставі наукових результатів, одержаних в дисертаційній роботі, можна проектувати микропроцесорні одно- та двомірні системи керування параметрами парогенераторів, які забезпечують оптимальне за швидкодією керування при ступінчастих вхідних діяннях та достатньо високу точність відробітку довільних вхідних діянь за рахунок використання синтезованих оптимальних за швидкодією та нечітких (працюючих на базі нечіткої логіки) регуляторів для одномірних систем і прямих (головних) цифрових регуляторів та перехресних (розв’язуючих канали керування) аналогових регуляторів для двомірних систем. Практичну цінність представляють удосконалені методики параметричного синтезу оптимальних за швидкодією та нечітких прямих (головних) цифрових регуляторів.

Результати дисертаційної роботи використані при проектуванні систем автоматичного керування технологічними процесами енергоблока №6 потужністю 200 МВт Курахівської ГРЕС, а також при проектуванні системи керування технологічним режимом термичної печі ПРН-25 для Інституту газу НАН України на державному науково-виробничому підприємстві “АСТЭС” Науково-виробничої корпорації “Київський інститут автоматики” (протокол №12 від 31.03.2004р.)

Особистий внесок здобувача полягає у самостійному виконанні теоретичної і експериментальної частин роботи та інтерпретації одержаних результатів. Усі основні положення, викладені в дисертації, отримано автором особисто. В опублікованих роботах в співавторстві здобувачеві зокрема належать: [1,2] - вибір вхідних параметрів та функцій належності при настроюванні нечітких регуляторів; [3] - основні структурні схеми використання нечітких регуляторів; [4] - вибір критерію якості при настроюванні нечітких регуляторів; [5] - синтез цифрового регулятора однопотокової трубчатої печі; [6,7] - методики синтезу цифрових оптимальних за швидкодією та нечітких регуляторів системи регулювання температури перегрітої пари на виході парового котла та дослідження системи з даними регуляторами; [8,9] - математичний апарат і результати дослідження одномірних систем керування параметрами парового котла із цифровими оптимальними за швидкодією та нечіткими регуляторами; [10] - синтез нечітких регуляторів і результати дослідження методом математичного моделювання системи регулювання двомірного об”єкта “випарник + нагрівач парового казана”; [11] - синтез нечітких регуляторів фаззі-систем керування температурою електричної та газової печей; [12] - три типи цифрових оптимальних за швидкодією регуляторів для об’єктів керування, які мають ланки чистого запізнювання.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи доповідались і обговорювались на міжнародній науково-практичній конференції “Автоматизація виробничих процесів” (м. Хмельницький, 16-19 травня 2002 р.), на міжнародній конференції з автоматичного керування “Автоматика-2002" (м. Донецьк, 16-20 сентября 2002 р.), на міжнародній науково-практичній конференції “Мікропроцесорні пристрої та системи в автоматизації виробничих процесів” (м. Хмельницький, 15-17 травня 2003 р.), на 10-й міжнародній конференції з автоматичного керування “Автоматика-2003” ( Севастополь, 15-19 вересня 2003 р.), на міжнародній науково-практичній конференції “Системы и средства передачи и обработки информации" (м. Одеса, 3-8 вересня 2002р.).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 9 наукових праць в журналах, затверджених ВАК України як фахові видання з технічних наук, та 3 тези доповідей на міжнародних науково-технічних конференціях.

Структура дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел. Загальний об’єм роботи 139 сторінок, у тому числі 46 рисунків і 1 таблиця, 6 сторінок використаних джерел, що містять 50 найменувань.

На захист виносяться:

математичні моделі одно- та двомірних систем автоматичного керування основними параметрами (тиском пари у випарнику і температурою пари на виході нагрівача, а також температурою перегрітої пари на виході парового котла) парогенераторів разом із керуючими механізмами, оптимальними за швидкодією та нечіткими прямими (головними) цифровими регуляторами і розв’язуючими канали керування аналоговими перехресними регуляторами;

методики параметричного синтезу оптимальних за швидкодією та нечітких (працюючих на базі нечіткої логіки) прямих (головних) цифрових регуляторів і розв’язуючих канали керування аналогових перехресних регуляторів;

результати досліджень одно- та двомірних систем автоматичного керування тиском пари у випарнику і температурою пари на виході нагрівача парогенераторів та одномірної системи автоматичного керування температурою перегрітої пари на виході парового котла із синтезованими цифровими оптимальними за швидкодією та нечіткими прямими (головними) регуляторами та аналоговими перехресними (розв’язуючими канали керування) регуляторами шляхом математичного моделювання з використанням інтерактивної системи МАТLAB.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність дисертаційної роботи, показано її місце серед інших робіт у даній галузі науки, сформульовано мету і задачі дослідження, наукову новизну і практичне значення отриманих результатів. Наведен дані про впровадження результатів роботи, особистий внесок здобувача та відомості про публікації за темою дисертації.

У першому розділі розглянута схема технологічного процесу в паровому котлі. Показано, що паровий котел як об’єкт керування є складною динамічною системою з декількома взаємозв’язаними вхідними і вихідними параметрами і потребує застосування багатьох систем автоматичного керування: системи регулювання палива, систем регулювання тиску і температури пари, системи регулювання кількості кисню в газоходній камері, систем регулювання співвідношення витрата палива - витрата повітря або витрата пари - витрата повітря, системи регулювання постачання котла водою. Враховуючи, що головною задачею парового котла є отримання водяної пари заданого тиску та температури, основну увагу слід приділяти синтезу систем автоматичного регулювання тиску пари у випарнику і температури пари на виході нагрівача котла, а також синтезу системи регулювання температури перегрітої пари на виході парового котла .

У другому розділі виконаний синтез цифрових оптимальних за швидкодією та нечітких регуляторів одномірних систем автоматичного керування тиском пари у випарнику і температурою пари на виході нагрівача парового котла (рис.1).

Рис.1

Тиск пари у випарнику котла регулюють розходом палива , а температуру пари на виході нагрівача котла - розходом води .

Представлена удосконалена методика синтезу оптимальних за швидкодією цифрових регуляторів для математичних моделей об’єктів керування, що описують парогенератор, яка базується на знанні оптимальних керуючих діянь на вході об'єкта керування при діяннях, які лінійно змінюються і якими апроксимуються довільні діяння, що поступають на вхід системи керування. В методиці використані наближені формули для визначення швидкості зміни сигналу на вході системи керування і приросту швидкості на інтервалах регулювання. Методика включає структурне моделювання оптимальних за швидкодією цифрових регуляторів на основі інтерактивної системи MATLAB, що вельми важливе при їх практичному використовуванні, оскільки дозволяє реалізувати такі регулятори як програмно, так і на інтегральних мікросхемах.

Наприклад, для передавальної функції об'єкта керування - “виконавчий пристрій+випарник” - амплітуди імпульсів тривалістю оптимального керуючого діяння на такий об'єкт керування при сигналі, що лінійно змінюється, на вході системи керування на -му інтервалі регулювання визначаються:

(1)

де

У формулах (1) , де - похибка на вході регулятора у момент початку n-го

інтервалу регулювання тривалістю , тобто похибка в момент ; - шаг квантування; =3 - порядок об'єкта керування; - приріст швидкості на інтервалі регулювання; - перша різниця (середня швидкість) вхідного діяння на інтервалі регулювання; - перша різниця (середня швидкість) вхідного діяння на інтервалі регулювання . Структурна схема оптимального за швидкодією цифрового регулятора, яка побудована безпосередньо за формулами (1), показана на рис.2.

Рис.2

Важлива відмінність синтезованих за запропонованою методикою оптимальних за швидкодією регуляторів від відомих “аперіодичних” регуляторів полягає в тому, що вони відпрацьовують не східчасті (ступінчасті), а діяння, які лінійно змінюються і якими апроксимують довільні діяння, що поступають на вхід системи керування. Тому ці регулятори здатні забезпечити більш високу якість систем автоматичного керування, що характеризується поточними похибками розузгодження в замкнутій системі.

Методика параметричного синтезу нечітких прямих цифрових регуляторів відрізняється від відомих наступним. Синтез виконується шляхом оптимізації діапазонів зміни вхідних параметрів регулятора і параметрів функцій належності нечітких термов. В якості вхідних параметрів нечіткого регулятора використовується похибка, перша та друга похідна похибки, а вихідним параметром регулятора є керуюче діяння на об’єкт керування. Для спрощення розрахунків використовуються тільки дві лінгвістичні оцінки параметрів регулятора: “від’ємна” і “додатня”.

Системи із синтезованими цифровими регуляторами, які показані на рис.1, досліджені методом еквівалентного гармонійного діяння. На рис.3 показані процеси в системах із синтезованими нечіткими регуляторами.

Дана порівняльна оцінка роботи цифрових регуляторів в системах керування параметрами парового котла. Матеріали даного розділу опубліковані в роботах [1-4,8,9].

Процеси в системі рис.1,а Процеси в системі на рис.1,б

Рис.3

У третьому розділі представлені математичний апарат та результати дослідження двомірних САК параметрами парового котла великої потужності (структурна схема його приведена на рис.4) і прямоточного котла дубль-блока потужністю 300 МВт (структурна схема приведена на рис.5) із оптимальними за швидкодією та нечіткими прямими (головними) цифровими регуляторами і аналоговими перехресними (розв’язуючими канали керування) регуляторами. На рис.4 і 5: Out1 - тиск пари ; In1 - витрати палива ; Out2 - температура пари ; In2 - витрати води .

Рис.4

Рис.5

Матеріали даного розділу опубліковані в роботі [10].

У четвертому розділі представлені результати дослідження методом математичного моделювання системи регулювання температури перегрітої пари на виході парового котла типу ТГМП-204 енергоблока потужністю 800 МВт із синтезованими оптимальними за швидкодією та нечіткими цифровими регуляторами при ступінчастих та довільних вхідних діяннях на стаціонарних та нестаціонарних режимах роботи енергоблока. Структурна схема системи із синтезованим нечітким регулятором і процеси в системі при вхідному еквівалентному гармонійному діянні та стрибкоподібних змінах навантаження енергоблока на 200 МВт приведені на рис.6 і 7.

Рис.6

Рис.7

Матеріали даного розділу опубліковані в роботах [6,7].

ВИСНОВКИ

1. Розробка цифрових САК параметрами парогенератора як багатомірного об’єкта керування є складною і актуальною проблемою, а однією з основних задач при проектуванні цифроаналогових САК є задача синтезу цифрових регуляторів. В дисертації вирішена задача параметричного синтезу оптимальних за швидкодією та нечітких (працюючих на базі нечіткої логіки) регуляторів для одномірних та прямих (головних) цифрових і перехресних (розв’язуючих канали керування) аналогових регуляторів для двомірних САК параметрами парогенераторів і проведено дослідження методом математичного моделювання одно- та двомірних САК із синтезованими регуляторами.

2. Розроблені лінійні математичні моделі одномірних САК параметрами (тиском пари у випарнику і температурою пари на виході нагрівача) парогенераторів з цифровими регуляторами і двомірних САК з прямими цифровими та аналоговими перехрестними регуляторами. При побудові двомірних САК параметрами парогенераторів аналогічно головним і перехресним елементам передачі двомірного об’єкта керування вводяться головні (прямі) і перехресні регулятори. Головні регулятори призначені для безпосереднього керування головними елементами об’єкта керування і забезпечують потрібну якість перехідних процесів відносно змінних, які задаються. Перехресні регулятори синтезують так, щоб розв’язати контури керування. Одержані формули для передавальних функцій перехресних регуляторів за умови розв’язки контурів керування.

3. Удосконалені методики синтезу оптимальних за швидкодією і нечітких цифрових регуляторів одномірних САК та синтеза головних (прямих) і аналогових перехресних регуляторів двомірних САК параметрами ГТД. Важливою відзнакою синтезованих по запронованій методиці оптимальних за швидкодією регуляторів від відомих “аперіодичних” регуляторів є те, що вони відпрацьовують не східчасті (ступінчасті), а діяння, які лінійно змінюються і якими апроксимують довільні діяння, що поступають на вхід контурів керування. Тому ці регулятори здатні забезпечити більш високу якість САК, яка характеризується поточними похибками розузгодження в замкнутих контурах керування. Методика параметричного синтезу нечітких прямих цифрових регуляторів відрізняється від відомих наступним. Синтез виконується шляхом оптимізації діапазонів зміни вхідних параметрів регулятора і параметрів функцій належності нечітких термів. В якості вхідних параметрів нечіткого регулятора використовується похибка, перша та друга похідна похибки, а вихідним параметром регулятора є керуючє діяння на об’єкт керування. Для спрощення розрахунків використовуються тільки дві лінгвістичні оцінки параметрів регулятора: “від’ємна” і “додатня”.

4. Проведено дослідження цифроаналогових одномірних САК параметрами парогенераторів із синтезованими цифровими регуляторами та двомірних САК із синтезованими головними цифровими регуляторами і перехресними (розв’язуючими канали керування) аналоговими регуляторами при ступінчастих і довільних вхідних діяннях шляхом математичного моделювання із використанням інтерактивної системи МАТLAB. В одно- і двомірних САК (при розв’язці контурів керування за допомогою перехресних регуляторів) при використанні оптимальних за швидкодією регуляторів перехідні процеси керування закінчуються за кроків квантування (- порядок кожного каналу керування). Тому тривалість перехідних процесів залежить від величини кроку квантування . Із зменьшенням зростає амплітуда імпульсів керування. Таким чином, швидкодія контурів керування обмежується допустимим підсиленням, необхідним для формування амплітуд імпульсів керування.

5. Показано, що для системи з об’єктом керування - “виконавчий пристрій + випарник” - цифровий оптимальний за швидкодією регулятор дозволяє одержати мінімальний час регулювання (максимальну швидкодію) системи, рівний 2,3с. В системі з нечітким регулятором час регулювання в 5 разів більше, а в системі с ПІД-регулятором приблизно в 46 разів більше, ніж в системі з оптимальним за швидкодією регулятором. Нечіткий (працюючий на базі нечіткої логіки) регулятор дозволяє одержати найменшу максимальну поточну похибку розузгодження, яка складає 0,05% від амплітуди еквівалентного гармонійного діяння. Максимальна поточна похибка розузгодження в системі з оптимальним за швидкодією регулятором в 2,2 раза більше, а в системі с ПІД-регулятором в 102 раза більше. Таким чином, система з об’єктом керування - “виконавчий пристрій + випарник” - і оптимальним за швидкодією регулятором або нечітким регулятором має дуже значні переваги як по швидкодії, так і по точності відробітку задавального діяння в порівнянні з системою із традиційним ПІД-регулятором.

6. Показано, що для системи з об’єктом керування - “виконавчий пристрій + нагрівач” - і цифровим нечітким регулятором час регулювання складає 12,4с, максимальна поточна похибка дорівнює 0,0004% від амплитуди еквівалентного гармонійного діяння. Як показують дослідження, ця система з цифровим оптимальним за швидкодією регулятором чи з цифровим ПІД-регулятором виявляється неробочою (має недопустимо великі похибки на перехідних і сталих режимах).

7. Дослідженням методом математичного моделювання за допомогою інтерактивної системи MATLAB двомірних систем керування параметрами парового котла великої потужності і прямоточного парового котла дубль-блока потужністю 300 МВт із синтезованими цифровими регуляторами при ступінчастому вхідному діянні і еквівалентному гармонійному діянні встановлено, що як для прямоточного парового котла дубль-блока 300 МВт, так і для парового котла великої потужності поточні похибки при відробітку вхідних діянь практично дорівнюють нулю. Так, для прямоточного парового котла дубль-блока 300 МВт максимальна поточна похибка (за винятком початкового викиду) в контурі керування тиском пари в випарнику не перевищує 0,24 % від амплитуди вхідного гармонійного діяння, а в контурі керування температурою пари на виході нагрівача поточна похибка не перевищує 0,06 %; час регулювання в першому контурі не перевищує 5 хв, у другому – 2 хв.

8. Дослідження методом математичного моделювання системи регулювання температури перегрітої пари на виході парового котла типу ТГМП-204 енергоблока потужністю 800 МВт з оптимальними за швидкодією цифровими регуляторами показують, що при надходженні на вхід системи еквівалентного гармонійного діяння регулятори забезпечують наступну якість системи (яка характеризується поточною похибкою розузгодження): при роботі енергоблока в першому режимі (потужність 400 МВт) максимальна поточна похибка не перевищує 0,8% від амплитуди вхідного сигнала; при роботі енергоблока у другому режимі (потужність 600 МВт) максимальна поточна похибка не перевищує 0,14% від амплитуди вхідного сигналу. Оптимальні за швидкодією цифрові регулятори забезпечують в системі аперіодичні перехідні процеси (без перерегулювання) з часом регулювання, який не перевищує 60с для першого режиму, 30с для другого режиму і 10с для третього (потужність 800 МВт) режиму роботи енергоблока.

9. Дослідження методом математичного моделювання системи регулювання температури перегрітої пари на виході парового котла типу ТГМП-204 енергоблока потужністю 800 МВт з нечіткими цифровими регуляторами показує, що при надходженні на вхід системи еквівалентного гармонійного діяння регулятори забезпечують наступну якість системи (яка характеризується поточною похибкою розузгодження): при роботі енергоблока в першому режимі (потужність 400 МВт) максимальна поточна похибка не перевищує 3% від амплитуди вхідного сигнала; при роботі енергоблока у другому режимі (потужність 600 МВт) максимальна поточна похибка не перевищує 0,5% від амплитуди вхідного сигнала; при роботі енергоблока у третьому режимі (потужність 800 МВт) максимальна поточна похибка не перевищує 0,026% від амплитуди вхідного сигналу. Нечіткі цифрові регулятори забезпечують в системі перехідні процеси з перерегулюванням, яке не перевищує 3%, і часом регулювання, який не перевищує 280 с для першого, 260 с для другого і 160 с для третього режимів роботи енергоблока.

10. Для нестаціонарного режиму роботи парового котла типу ТГМП-204, коли навантаження енергоблока змінюється від 400 до 800 МВт, можна використовувати традиційний ПІД-регулятор чи нечіткий регулятор. Дослідженням методом математичного моделювання показано, що максимальна поточна похибка (викид вихідного сигналу) при стрібкоподібних змінах навантаження енергоблока в 200 Мвт в системі керування з настроєним нечітким регулятором у два раза менше похибки в системі керування з настроєним ПІД-регулятором.

11. Для стаціонарних режимів роботи парового котла доцільно використовувати оптимальні за швидкодією цифрові регулятори, а для нестаціонарних режимів - нечіткі регулятори.

12. Достовірність наукових результатів, висновків і рекомендацій підтверджена результатами теоретичних розрахунків та математичного моделювання.

На підставі наукових результатів, одержаних в дисертації, можливо проектувати мікропроцесорні одномірні САК основними параметрами парогенератора та двомірні САК, які забезпечують роздільне керування тиском пари у випарнику і температурою пари на виході нагрівача, із високою якістю (точністю відпрацьовування довільних вхідних діянь і оптимальною швидкодією), що забезпечується шляхом включення в замкнуті контури керування синтезованих оптимальних за швидкодією та нечітких цифрових регуляторів і розв’язкою (в двомірних САК) контурів керування синтезованими аналоговими перехресними регуляторами. Отримані в дисертації результати можуть буть використані для створення перспективних цифрових одно- та двомірных САК параметрами парогенераторів.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Гостев В.И., Крайнев В.В., Скуртов С.Н. Выбор входных параметров при настройке нечетких регуляторов систем автоматического управления // Вісник технологічного університету Поділля (м. Хмельницький). – 2002. - №3. - Т.2(41). - С.15-18.

2. Гостев В.И., Крайнев В.В., Скуртов С.Н. Выбор функций принадлежности и настройка нечетких регуляторов систем автоматического управления // Автоматизація виробничих процесів. _2002. _№1 (14). - C.162-167.

3. Крайнев В.В., Лесовой И.П., Скуртов С.Н. Основные схемы использования фаззи-контроллеров // Тезизы докладов VI международной научно-практической конференции “Системы и средства передачи и обработки информации”: Одесса, 3-8 сентября 2002 г., Академия связи Украины, ОНАС им. А.С. Попова.- 2002. - С.20-21.

4. Гостев В.И., Крайнев В.В., Скуртов С.Н. Настройка нечетких регуляторов систем автоматического управления // Матеріали міжнародної конференції з управління “Автоматика-2002”: Донецьк, 16-20 вересня 2002р.- Т.1. - Донецьк: Донецький національний технічний університет, 2002.-С.112-113.

5. Гостев В.И., Крайнев В.В., Скуртов С.Н. Синтез цифрового регулятора однопоточной трубчатой печи // Вісник технологічного університету Поділля (м. Хмельницький). – 2003. - №3. - Т.1(51). – С.18-22.

6. Гостев В.И., Крайнев В.В., Скуртов С.Н. Синтез цифровых регуляторов системы регулирования температуры перегретого пара на выходе парового котла // Электротехника и электроэнергетика. - 2003. - №1. - С.11-16.

7. Гостев В.И., Крайнев В.В., Скуртов С.Н. Фаззи-система регулирования температуры перегретого пара на выходе парового котла // Механіка та машинобудування. - 2003. - №1. – Т. 2. - С.124-127.

8. Гостев В.И., Скуртов С.Н., Крайнев В.В., Иванченко В.А. Синтез цифровых нечетких регуляторов одномерных систем управления параметрами парового котла // Вісник Черкаського державного технологічного університету.- 2002.- №3. - С.5-8.

9. Гостев В.И., Скуртов С.Н., Крайнев В.В., Иванченко В.А. Синтез цифровых регуляторов одномерных систем автоматического управления параметрами парового котла // Автоматизація виробничих процесів._2003._№1 (16).- C.101-106.

10. Гостєв В.І., Скуртов С.Н., Крайнєв В.В., Іванченко В.А. Синтез цифрових нечітких регуляторів двомірного об”єкта “випарник + нагрівач парового казана” // Вісник Київського національного університету імені Тараса Шевченка. Військово-спеціальні науки. - 2003. – Вип. 7. - С.135-139.

11. Гостев В.И., Иванченко В.А., Крайнев В.В., Скуртов С.Н. Фаззи-системы управления температурой электрической и газовой печей // Материалы 10-й международной конференции по автоматическому управлению “Автоматика-2003”: Севастополь, 15-19 сентября 2003 года. - Севастополь: СевНТУ, 2003.- Т.2. - С.19-20.

12. Гостев В.И., Крайнев В.В., Скуртов С.Н. Синтез оптимальных по быстродействию цифровых регуляторов для объектов с чистым запаздыванием // Радиоэлектроника Информатика Управление. - 2003.- №1. - С.126-130.

АНОТАЦІЇ

Скуртов С.М. Синтез цифрових регуляторів одномірних та двомірних систем керування основними параметрами парогенераторів.- Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.07 “Автоматизація технологічних процесів” - Науково-виробнича корпорація “Киівський інститут автоматики”, 2004.

Дисертація присвячена підвищенню якості (зменшенню динамічних похибок і підвищенню швидкодії) цифроаналогових одно- і двомірних систем автоматичного керування параметрами парогенераторів шляхом застосування цифрових оптимальних за швидкодією та нечітких (працюючих на базі нечіткої логіки) регуляторів для одномірних систем і прямих (головних) цифрових та перехресних (розв’язуючих канали керування) аналогових регуляторів для двомірних систем. Розроблені математичні моделі одно- та двомірних систем автоматичного регулювання тиску пари у випарнику і температури пари на виході нагрівача парогенераторів (парових котлів), а також одномірної системи регулювання температури перегрітої пари на виході парового котла. Удосконалені методики і представлений математичний апарат синтезу оптимальних за швидкодією і нечітких цифрових регуляторів для одномірних систем та синтеза головних (прямих) цифрових та аналогових перехресних регуляторів для двомірних систем автоматичного керування параметрами парогенераторів.Проведено дослідження цифроаналогових систем автоматичного керування параметрами парогенераторів із синтезованими головними (прямими) оптимальними за швидкодією та нечіткими цифровими регуляторами і синтезованими аналоговими перехресними регуляторами при ступінчастих і довільних вхідних діяннях шляхом математичного моделювання з використанням інтерактивної системи МАТLAB.

Ключові слова: парогенератор, одномірна та двомірна системи автоматичного керування, оптимальний за швидкодією цифровий регулятор, нечіткий регулятор, перехресний регулятор, синтез, базовий режим роботи, математична модель, математичне моделювання.

Скуртов С.Н. Синтез цифрових регуляторов одномерных и двухмерних систем управления основными параметрами парогенераторов.- Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.07 “Автоматизация технологических процессов” - Научно-производственная корпорация “Киевский институт автоматики”, 2004.

Диссертация посвящена повышению качества (уменьшению динамических ошибок и повышению быстродействия) цифроаналоговых одно- и двухмерных систем автоматического управления параметрами парогенераторов путем применения цифровых оптимальных по быстродействию и нечетких (работающих на базе нечеткой логики) регуляторов для одномерных систем и прямых (главных) и перекрестных (развязывающих каналы управления) аналоговых регуляторов для двухмерных систем. Разработаны математические модели одно- и двухмерних систем автоматического регулирования давления пара в испарителе и темпратуры пара на выходе нагревателя парогенераторов (паровых котлов), а также одномерной системы регулирования температуры перегретого пара на выходе парового котла. Усовершенствованы методики и представлен математический аппарат синтеза оптимальных по быстродействию и нечетких цифровых регуляторов для одномерных систем и синтеза главных (прямых) цифровых и аналоговых перекрестных регуляторов для двухмерных систем автоматического управления параметрами парогенераторов. Отличием синтезированных по предложенной методике прямых оптимальных по быстродействию цифровых регуляторов от известних “апериодических” является то, что они отрабатывают не ступенчатые, а линейные воздействия на систему, которыми аппроксимируются произвольные входные воздействия, что позволяет обеспечить более высокое качество систем управления. Методика параметрического синтеза прямых цифровых нечетких регуляторов отличается тем, что синтез осуществляется путем оптимизации диапазонов изменения входных параметров и параметров функций принадлежности. В качестве входных параметров приняты, кроме ошибки системы, также первая и вторая производные ошибки, а для функций принадлежности используются только две лингвистические оценки. Проведено исследование методом математического моделирования одномерных систем с синтезированными оптимальными по быстродействию и нечеткими цифровыми регуляторами и двухмерных систем с синтезированными оптимальными по быстродействию и нечеткими главными (прямыми) цифровыми регуляторами и аналоговыми перекрестными (развязывающими каналы управления) регуляторами при детерминированных и произвольных воздействиях на входе систем управления. На основании научных результатов, полученных в диссертационной работе, можно проектировать микропроцессорные одно- и двухмерные системы управления параметрами парогенераторов, которые обеспечивают оптимальное по быстродействию управление при ступенчатых входных воздействиях и достаточно высокую точность отработки произвольных входных воздействий за счет использования синтезированных оптимальных по быстродействию и нечетких цифровых регуляторов для одномерных систем и главных (прямых) цифровых регуляторов и аналоговых перекрестных (развязывающих каналы управления) регуляторов для двухмерных систем. Практическую ценность представляют усовершенствованные методики параметрического синтеза оптимальных по быстродействию и нечетких главных (прямых) цифровых регуляторов.

Ключевые слова: парогенератор, одномерная и двухмерная система автоматического управления, оптимальный по быстродействию регулятор, нечеткий регулятор, перекрестный регулятор, синтез, базовый режим работы, математическая модель, математическое моделирование.

Skurtov S. N. Synthesis digital controllers of one-dimensional and two-dimensional control systems of main parameters of steam generators.- the Manuscript.

Thesis 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 “ the Kiev institute of an automation ”, 2003.

The thesis is devoted to rise of quality (decrease of dynamic errors and rise of speed) of digital-analog one-dimensional and two-dimensional systems of automatic control of main parameters of steam generators by application digital optimum on speed and fuzzy (working on the basis of fuzzy logic) controllers for one-dimensional systems and main digital controllers and cross (unloosening channels of control) analogue controllers for two-dimensional systems. The mathematical models of one-dimensional and two-dimensional systems of autocontrol by pressure a pair in an evaporator and temperature a pair on an output of a heater of steam boilers, and also one-dimensional control system of temperature a superheated pair on an output of the steam boiler designed. The techniques are advanced and the mathematical means of synthesis optimum on speed and fuzzy digital controllers for one-dimensional systems and synthesis of main digital and cross analogue controllers for two-dimensional systems of automatic control of parameters of steam boilers represented. The research by a method of mathematical simulation of one-dimensional systems with synthesized optimum on speed and fuzzy digital controllers and two-dimensional systems with synthesized optimum on speed and fuzzy main digital controllers and analogue cross (unloosening channels of control) controllers is carried out at the determined and arbitrary effects on an input of control systems.

Keywords: steam boilers, one-dimensional and two-dimensional systems of automatic control, optimum on speed controller, fuzzy controller, synthesis, base mode of operations, mathematical model, mathematical simulation