Разработка и исследование модернизированного многоканального ПД-регулятора для стабилизации режимов работы теплоэнергетического котла

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.

Степень изученности. В настоящее время проблема синтеза регуляторов газовоздушных трактов является многогранной и рассматривается с различных сторон. Предпринимаются попытки адекватно идентифицировать технологический объект математической моделью с целью построения точных структурных схем систем регулирования и оптимального управления [62]. Имеет место практическая идентификация объекта с помощью прикладного программного обеспечения. Другим направлением исследований является изучение применения современных технических средств, таких как контроллеры и частотные преобразователи [8]. Изобретательские и нестандартные подходы включают в себя комбинирование различных методов регулирования параметров. Например, изучается одновременное применение регулирующих заслонок и частотных преобразователей для регулирования параметров газовоздушного тракта [63].

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 81гпиНпк МаНаЬ. Разработка метода настройки регулятора, не требующего перенастройки в ходе работы, включает применение БшидИпк МайаЬ для идентификации объекта на основе экспериментальных данных. Синтез адаптивного регулятора и проверка его работы для экспериментальных моделей проводится с помощью 8САОА-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.), 1Х-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.

3.4 Выводы по главе.

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 Ма^аЬ 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.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

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 модельпутем 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.

6) Разработана программа для автоматического расчета коэффициентов дифференциальных уравнений. ГВТ как технологический объект может представлять собой различные компоновки тягодутьевых машин и котельных агрегатов и соответственно иметь разные технические характеристики. Предложенная программа для автоматического расчета коэффициентов позволяет работать со всем множеством моделей ГВТ. Полезным свойством программы является автоматический перенос рассчитанных коэффициентов на заранее построенную структурную схему САР в 81тиПпк. Таким образом, воедино собираются этапы настройки регулятора: расчет дифференциальных уравнений и моделирование.

7) Предложенная автоматизированная методика настройки регулятора с использованием ЭВМ позволяет сокращать временные и трудовые затраты по сравнению с ручной настройкой.