Дипломная работа - Синтез алгоритмов управления тепловым режимом
Подождите немного. Документ загружается.
АННОТАЦИЯ..........................................................................................................6
ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................7
1. ОПИСАНИЕ ВЕНТИЛЯЦИОННОЙ СЕТИ МЕТРОПОЛИТЕНА КАК
ОБЪЕКТА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ.....................................9
1.1. Требования к состоянию воздушной среды в тоннеле метрополитена......9
1.2. Описание системы вентиляции Новосибирского метрополитена............11
1.3. Описание технологического процесса проветривания и элементов
системы вентиляции на станции «Речной вокзал»....................................13
1.4. Требования к управлению температурой и проветриванием на станции
«Речной вокзал» Новосибирского метрополитена.....................................15
1.5. Постановка задачи дипломного проектирования.......................................16
1.6. Выводы...........................................................................................................17
2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА ВЕНТИЛЯЦИИ В
ТОННЕЛЕ МЕТРОПОЛИТЕНА.....................................................................18
2.1. Функциональная схема системы вентиляции на станции.........................18
2.2. Описание элементов САУ ВТЗ, взаимодействие элементов в системе...20
2.2.1. Воздушно-тепловая завеса.................................................................21
2.2.2. Центробежный вентилятор.................................................................23
2.2.3. Преобразователь частоты (ПЧ)..........................................................29
2.2.4. Калориферная установка....................................................................30
2.2.5. Датчик расхода воздуха......................................................................33
2.2.6. Математическая модель САУ ВТЗ....................................................35
2.3. Описание элементов САУ УШ, взаимодействие элементов в системе...37
2.3.1. Исполнительный механизм управляемых шиберов.........................37
2.3.2. Управляемые шиберы.........................................................................40
2.3.3. Аэродинамический объект.................................................................43
2.3.4. Датчик расхода воздуха......................................................................45
2.3.5. Математическая модель САУ УШ....................................................46
2.4. Математическая модель системы управления тепловым режимом на
станции...........................................................................................................47
3
2.5. Выводы...........................................................................................................48
3. СИНТЕЗ АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ ТЕПЛОВЫМ РЕЖИМОМ НА
СТАНЦИИ........................................................................................................49
3.1. Расчет регулятора САУ ВТЗ.........................................................................49
3.1.1. Постановка задачи синтеза регулятора САУ ВТЗ............................49
3.1.2. Построение ЛАЧХ объекта для статической системы....................49
3.1.3. Построение желаемой ЛАЧХ.............................................................50
3.1.4. Расчет корректирующего звена.........................................................51
3.1.5. Построение ЛАЧХ объекта для астатической системы..................56
3.1.6. Построение желаемой ЛАЧХ.............................................................57
3.1.7. Расчет корректирующего звена.........................................................58
3.2. Расчет регулятора САУ УШ.........................................................................61
3.2.1. Постановка задачи синтеза регулятора САУ УШ............................61
3.2.2. Формирование поверхности переключения.....................................62
3.2.3. Проверка устойчивости движения к поверхности переключения..63
3.2.4. Реализация закона управления. Расчет дифференцирующего
фильтра.................................................................................................65
3.2.5. Численное моделирование переходных процессов в системе по
управляющему и возмущающему воздействиям.............................72
3.3. Выводы...........................................................................................................76
4. ОРГАНИЗАЦИОННО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ................................77
4.1. SWOT-анализ разработки.............................................................................77
4.1.1. Сильные стороны разработки............................................................77
4.1.2. Слабые стороны разработки...............................................................78
4.1.3. Возможности разработки....................................................................78
4.1.4. Угрозы..................................................................................................78
4.1.5. Формирование и анализ SWOT-матрицы.........................................78
4.1.6. Заключение о перспективе разработки.............................................81
4.2. Калькуляция себестоимости научно-технической продукции.................81
5. ОХРАНА ТРУДА.............................................................................................85
4
5.1. Оздоровление воздушной среды в метрополитене....................................85
ЗАКЛЮЧЕНИЕ...................................................................................................100
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...................................................................................101
5
АННОТАЦИЯ
Дипломный проект выполнен студенткой Норбоевой Б.М.
Пояснительная записка содержит: 101 страниц, 56 иллюстраций, 6
таблиц и 20 литературных источников.
Целью дипломного проекта является синтез алгоритмов управления
тепловым режимом на платформе станции «Речной вокзал» Новосибирского
метрополитена.
Поставленные задачи: изучение системы вентиляции метрополитена, в
частности на станции «Речной вокзал» Новосибирского метрополитена,
изучение теплового режима и процесса воздухообмена в тоннеле
метрополитена, исследование математической модели процесса
воздухообмена, синтез системы управления производительностью воздушно-
тепловой завесы, разработка системы управления расходом воздуха.
Ключевые слова: температура на платформе станции, расход воздуха,
воздушно – тепловая завеса, калориферная установка, теплоноситель,
управляемые шиберы, математическая модель, система регулирования.
В результате проведенной работы была рассмотрена математическая
модель системы вентиляции на станции «Речной вокзал» Новосибирского
метрополитена, проведён синтез системы управления тепловым режимом на
этой станции.
Численное моделирование переходных процессов системы управления
проведено в пакете MatLab 6.5 (в среде Simulink).
В дипломном проекте произведена оценка слабых и сильных сторон
проекта, возможностей, стоящих перед ним, и угроз для него, а также
заключение о развитии и перспективах разработанной системы. Приведена
калькуляция себестоимости разработки. Рассмотрены вопросы охраны труда
работников метрополитена, приведены меры безопасности.
6
ВВЕДЕНИЕ
Метрополитен является наиболее совершенным и важнейшим видом
городского транспорта, который способен справляться с высокой
интенсивностью пассажиропотока, как никакой другой вид городского
транспорта. Эксплуатационные показатели метрополитена в значительной
степени зависят от эффективности и конструктивного совершенства его
системы вентиляции и теплоснабжения, на которые существенное влияние
оказывают как частота движения поездов на линии, так и метеорологические
и гидрологические условия города.
Состояние воздушной среды влияет на самочувствие пассажиров,
здоровье и работоспособность обслуживающего персонала, а также на
сохранность технического оборудования. Это обуславливает повышение
требования к теплоснабжению и в особенности к вентиляции. Она делится на
местную, обслуживающую бытовые и технологические помещения,
аккумуляторную, силовую тяговую подстанцию, и тоннельную,
проветривающую тоннели и станции.
Задачами вентиляционной системы являются:
1. Подача требуемого количества воздуха для обеспечения
нормативного температурного режима на станциях в зимнее и летнее время,
а также удаление вредных выделений в атмосферу (пыль, газ, бактериальная
флора и т. д.).
2. Обеспечение комфортных аэродинамических условий для
пассажиров и работников метрополитена, которые определяются притоком
свежего воздуха, его температурой и скоростью движения в местах
скопления людей.
3. Локализация развития аварийных вентиляционных режимов (пожар)
и оперативное удаление продуктов горения по безопасным для людей
маршрутам.
7
Использование управляемой вентиляции открывает новые
возможности для решения поставленных выше задач.
Дипломный проект содержит 5 глав.
В первой главе рассмотрены особенности вентиляционной сети
Новосибирского метрополитена, в частности станции «Речной Вокзал»;
определены требования к микроклимату.
Во второй главе исследована математическая модель процесса
воздухообмена в тоннеле метрополитена. Представлено поэлементное
описание системы управления производительностью вентилятора воздушно-
тепловой завесы и системы управления шиберами, установленными в
тоннеле метромоста.
В третьей главе осуществлён синтез алгоритмов управления расходом
воздуха в тоннеле метрополитена. Представлены результаты численного
моделирования.
Четвёртая глава содержит организационно-экономическую часть, в
которой показана целесообразность разработки с экономической точки
зрения, проведен «SWOT-анализ».
В пятой главе рассмотрены вопросы охраны труда в метрополитене.
8
1. ОПИСАНИЕ ВЕНТИЛЯЦИОННОЙ СЕТИ
МЕТРОПОЛИТЕНА КАК ОБЪЕКТА АВТОМАТИЧЕСКОГО
УПРАВЛЕНИЯ
1.1. Требования к состоянию воздушной среды в тоннеле
метрополитена
Метрополитены находятся в крупных городах, состояние воздушной
среды в которых может быть различным в зависимости от особенностей
климата, наличия промышленных зон, озеленения и т. д. Поэтому вентиляция
тоннелей и станций метрополитенов должна не только отвечать санитарным
нормам, но и проектироваться с учетом местных условий.
В составе чистого атмосферного воздуха содержится кислород, азот,
аргон, углекислый газ и в очень небольших количествах неон, гелий,
криптон, ксенон и водород. Как правило, только значительные изменения
этого состава могут оказаться опасными для человека. Например,
самочувствие человека может ухудшиться при содержании кислорода в
воздухе менее 17% и более 23% или при увеличении содержания углекислого
газа до 1%. При этом значение имеет не только количество в воздухе того
или иного составляющего, но и время пребывания человека в
образовавшейся газовой среде, т. е. чем меньше человек находится в среде
воздуха, имеющего, например, завышенный процент углекислого газа, тем
меньше он ощущает эти изменения. Человек постоянно пополняет
количество углекислого газа в вагоне, вдыхая с воздухом 0,03—0,05% его, а
выдыхая в 100 раз больше.
В соответствии с санитарными нормами концентрация углекислого
газа не должна превышать 20 мг/м
3
. При большей, чем указано в нормативах,
концентрации углекислого газа у людей может наступить потеря сознания,
поэтому в главную задачу вентиляции входит не допустить опасных для
человека концентраций вредных газов.
9
Также определяющее влияние на самочувствие человека имеют
метеорологические факторы: температура, относительная влажность,
барометрическое давление и подвижность воздуха.
Для станций и вестибюлей метрополитена характерно наличие
значительных площадей холодных поверхностей, ограждающих конструкции
(стен), и высоких скоростей воздушных потоков, возникающих из-за
поршневого воздействия поездов. В этой связи обслуживающий персонал и
пассажиры ощущают практически не ту температуру, которую показывает
термометр, а несколько меньшую, называемую эффективно-эквивалентной,
т. е. когда усиливается отдача тепла от человека к холодным стенам
(экранам) и отдача конвекцией путем интенсивного «смывания» воздухом, а
также когда скорость воздуха превышает 4 м/с, человек испытывает более
низкую температуру, чем показывает термометр, и неприятные ощущения.
Защитой от таких явлений для обслуживающего персонала может служить
специальная одежда, укрытия в виде кабин, а также помещения,
оборудованные промышленными телевизионными установками,
позволяющими персоналу находиться в местах, удобных для работы, и
видеть все происходящее на станции на экране.
Так как пассажиры находятся на станциях, в наклонных ходах
эскалаторов и других сооружениях метрополитена незначительное время, на
них указанные выше факторы особого влияния не оказывают.
Более серьезные задачи перед вентиляцией возникают в теплый,
особенно в жаркий период года. При температуре окружающего воздуха,
примерно равной температуре человеческого тела, и относительной влажно-
сти около 100% нарушается нормальная отдача тепла организмом,
вследствие чего температура человеческого тела повышается. В этом случае
у человека может наступить состояние теплового удара.
Задачей вентиляции станций и тоннелей является не только
поддержание в местах пребывания пассажиров и обслуживающего персонала
заданных метеорологических условий и химического состава воздуха,
10
удовлетворяющих гигиеническим требованиям, но и создание необходимых
режимов проветривания при нарушении нормальной работы устройств
метрополитена и задымлении.
В метрополитенах, как правило, предусматривается удаление с
воздухом из сооружений на поверхность скапливающихся теплоты, влаги,
газов и подача свежего воздуха в сооружения. Организация различных схем
движения воздушных потоков с учетом технологии работы метрополитена
(движение поездов, пассажиропотоки по времени суток и направлениям,
состояние воздушной среды на поверхности, исправная работа
вентиляционных агрегатов, квалифицированное обслуживание
вентиляционных устройств, четкая система управления и диспетчерского
контроля) является основой осуществления вентиляции станций и тоннелей.
1.2. Описание системы вентиляции Новосибирского
метрополитена
Для обеспечения основного принципа вентиляции сооружений
метрополитена, заключающегося в поддержании в допустимых пределах
параметров и состава воздуха, необходимо подавать чистый воздух к местам
наибольшего скопления пассажиров и длительного пребывания
обслуживающего персонала с последующим распределением воздуха по всем
тоннелям.
Вентиляция Новосибирского метро осуществляется путем нагнетания
воздуха в тоннели и его последующим распределением. При вентиляции с
искусственным побуждением воздух принудительно подается в тоннели или
только из него извлекается (вентиляторами). Для продольного способа сам
тоннель служит воздуховодом, по которому проходит необходимый для
вентиляции воздух.
Такой способ вентиляции в метро Новосибирска применен вследствие
его мелкого заложения (глубина менее 20 м), и малого расстояния между
станциями (в пределах 0,7 – 1,5 км).
11
Системы тоннельной вентиляции метрополитенов проектируются с
учетом в первую очередь теплового баланса, обеспечивающего в тоннелях и
на станциях допустимые параметры температуры и относительной
влажности воздуха. При этом, для обеспечения нормальных условий
эксплуатации (сохранение отделочных материалов, исключение возможного
замораживания систем водоотлива, водопровода и канализации) температура
воздуха на станциях по существующим нормам должна быть не менее +
10ºС. По СНиП 3208-99 регламентируемая подача воздуха на станцию
метрополитена должна обеспечиваться в объеме 30 м
3
/час на одного
пассажира и 50 м
3
/час в часы «пик».
Согласно пункту 7.3 норм проектирования, схемы тоннельной
вентиляции могут быть однонаправленными или двунаправленными, при
этом в практике проектирования преобладает применение двунаправленных
схем вентиляции включающих:
летний режим, когда воздух подается через станционные вентиляционные
камеры, а удаляется через перегонные;
зимний режим, когда воздух подается через перегонные венткамеры, а
удаляется через станции.
Тоннельная вентиляция метрополитена мелкого заложения имеет свои
особенности при эксплуатации в регионах с резко-континентальным
климатом. Например, более чем 15-летний опыт эксплуатации
Новосибирского метрополитена показал, что для сохранения требуемых
температур воздуха на станциях и в тоннелях в зимний период, тоннельные
вентиляторы должны отключаться при наступлении отрицательных
среднесуточных температур атмосферного воздуха. Такой сезонный характер
работы вентиляции обусловлен главным образом недостаточными
теплоаккумулирующими возможностями грунтов, окружающих
вентиляционные шахты и тоннели, из-за их мелкого заложения (как
следствие – малой длины). Вентиляция метрополитена в зимний период
осуществляется за счет поршневого действия поездов в тоннелях и за счет
12