Тверской Ю.С. Локальные системы управления

Подождите немного. Документ загружается.

открытием/закрытием запорных органов, автоматическим вклю-

чением резерва, остановом основного или вспомогательного

оборудования [9,14].

2.2.5. В подсистеме «Автоматическое регулирование и логи-

ческое управление» показывают структуры систем автоматическо-

го и логического управления нормальных и нестационарных режи-

мов работы объекта, как правило, в виде информационных струк-

тур АСР и программ логических шаговых алгоритмов управления.

Управляющий сигнал от системы автоматического регулиро-

вания подают на вход исполнительного устройства (ИУ), вклю-

чающего в себя блок силового коммутационного устройства и

электропривод соответствующего регулирующего органа.

Командный сигнал шагового логического управления также

подается на блоки соответствующих исполнительных устройств

(запорная задвижка, регулирующий клапан, механизм, насос,

двигатель).

При этом ИУ снабжено также блоком «Алгоритм управления

клапаном» (задвижкой, механизмом) с алгоритмической частью

схемы, которая обеспечивает распознавание приоритетов по-

ступающего командного сигнала.

Команды управления, подаваемые на ИУ: «за-

крыть»/«открыть», «включить»/«отключить», либо аналоговый

сигнал от регулятора об уровне открытия РО.

Внутри блока пишется код ИУ (KKS) и краткие необходимые

пояснения.

2.2.6. В области «Автоматические блокировки, АВР и

управление исполнительными устройствами» размещают

блок промежуточного реле, от которого осуществляется авто-

матическое управление технологическим оборудованием при

срабатывании технологических защит.

Например, при срабатывании той или иной защиты, действу-

ющей на останов парового котла, необходимо показать, что по-

сле срабатывания «промежуточного реле» происходит отклю-

чение (останов) дутьевого вентилятора и системы подачи топ-

лива в топку. При этих отключениях автоматически происходит

закрытие запорной арматуры в канале подачи питательной во-

ды, главной паровой задвижки (ГПЗ) для предотвращения по-

ступления пара в котел из общей паровой магистрали, открытие

клапана продувки пароперегревателя и закрытие запорного кла-

пана на линии впрыска собственного конденсата для предот-

вращения доступа воды в пароохладитель [9,14].

2.2.7. Блоки, формирующие «квитанции-подтверждения» о

состояния ИУ (открыто/закрыто, включено/отключено), соедине-

ны с соответствующими блоками ИУ (концевые и путевые вы-

ключатели и др.) и отображают возможные состояния ИУ. На

выходе блока формируется сигнал логического типа в зависимо-

сти от состояния агрегата.

2.2.8. Блокировки и АВР выделены отдельно, т.к. являются

необратимым автоматическим управлением логически связан-

ного тепломеханического оборудования и соответствующих ис-

полнительных механизмов.

2.3. Патентно-информационные исследования

2.3.1. Обзор и анализ публикаций по теме в научных журналах.

Можно ориентироваться на следующий перечень периодиче-

ских изданий:

 «Автоматизация в промышленности»;

 «Автоматика и телемеханика»;

 «Вестник Ивановского государственного энергетического

университета»;

 «Датчики и системы»;

 «Измерительная техника»;

 «Информатика и системы управления»;

 «Мехатроника, автоматизация, управление»;

 «Новое в электроэнергетике»;

 «Программные продукты»;

 «Промышленные АСУ и контроллеры»;

 «Современные технологии автоматизации»;

 «Теория и системы управления»;

 «Теплоэнергетика»;

 «Электрические станции»;

 «Энергетик»;

 «Энергобезопасность и энергосбережение»;

 «Энергосбережение и водоподготовка».

2.3.2. Приводятся результаты патентных исследований.

Копии просмотренных патентно-информационных материа-

лов рекомендуется привести в приложении в целях возможности

дальнейшего использования их в качестве аналогов и/или про-

тотипа.

Перечень отобранных материалов (по существу исследова-

ния) включается в общий список литературы.

2.4. Обоснование расчетных структур

систем управления

2.4.1. На основе полученных материалов выполняется обос-

нование структуры локальной системы управления и выбор аль-

тернативного (более совершенного) варианта технического ре-

шения (схемы АСР, алгоритма логического управления и др.),

обеспечивающего выполнение заданной технологической зада-

чи.

Приводятся результаты структурного синтеза вариантов АСР

(САУ), информационные и расчетные структуры систем и основ-

ные особенности каждой из них.

2.4.2. Формулируются требования к математической модели

ТОУ (линейная, нелинейная, статическая, динамическая) для

выполнения поставленной задачи.

2.4.3. Формулируется постановка задачи сравнительного ис-

следования вариантов систем автоматического управления (ре-

гулирования).

2.4.4. Пример

Тема курсового проекта: «Разработка и исследование си-

стемы автоматического регулирования подачи общего

воздуха в топку парового котла».

Базовое (типовое, ранее апробированное) техническое ре-

шение: «АСР расхода воздуха с сигналом коррекции по содер-

жанию кислорода в уходящих газах» (рис. 2.3).

зд

ов

зд

Рис. 2.3. Информационная структура регулятора общего воздуха по

схеме «пар–воздух» с коррекцией по избыточному кислороду

в уходящих дымовых газах котла

Базовое техническое решение выполнено по схеме «пар–

воздух» с коррекцией по избыточному кислороду в уходящих

дымовых газах котла (каскадная АСР).

Внутренний контур расчетной структуры представляет собой

быстродействующий стабилизатор расхода общего воздуха с

каналом компенсации внешнего контролируемого (непосред-

ственно или косвенно) возмущения по расходу топлива (соот-

ветственно – регулятор соотношения: «топливо–воздух» или

«пар–воздух»).

Внешний контур расчетной структуры формируется корректи-

рующим регулятором с сигналом по содержанию избыточного

кислорода в уходящих дымовых газах как косвенного показателя

коэффициента избытка воздуха (α

). При этом канал внешнего

возмущения может быть реализован по вариантам «а» или «б»

(рис. 2.4).

УК

Кор

РОВ

РО

НА ДВ

Wкор

Wук

зд

ов

( )

О f





( )

D f





а)б)

Рис. 2.4. Расчетная структура базового технического решения

В качестве альтернативного варианта предлагается исполь-

зовать техническое решение «Способ регулирования расхода

воздуха». Авт. свидетельство СССР № 1035343. Авторы

Ю.С. Тверской, А.А. Ивантотов. Опубл. 15.08.83 г. Бюл. №. 30.

Формула изобретения.

«Способ регулирования расхода воздуха в топку котла путем

измерения сигналов по расходу воздуха, содержанию кислорода

и химического недожога и формирования регулирующего воз-

действия, отличающийся тем, что, с целью повышения точно-

сти регулирования, сигнал по расходу воздуха дифференциру-

ют, сигнал химического недожога инвертируют и суммируют с

сигналом содержания кислорода, суммарный сигнал преобразу-

ют в линейный и совместно с дифференцированным сигналом

по расходу воздуха используют для формирования регулирую-

щего воздействия» (рис. 2.5).

Рис. 2.5. Информационная структура альтернативного технического

решения (а), способ формирование экстремального сигнала (б)

Способ регулирования расхода воздуха по а.с. № 1035343

может служить основой для синтеза нового устройства – беспо-

исковой экстремальной системы автоматической оптимизации

расхода воздуха путем использования экстремальных свойств

комплексированного показателя opt



(рис. 2.5,б).

На основе приведенной формулы способа регулирования

требуется синтезировать беспоисковую экстремальную систему

автоматической оптимизации подачи воздуха в топку котла

(рис. 2.6) и провести сравнительный анализ типовой и новой си-

стем автоматического регулирования.

Требования к математической модели

ТОУ (см. рис. 2.4)

определить по заданной структуре расчетной системы (W

, W

КОР

, W

УК

Исследование вариантов АСР выполнить путем моделирова-

ния в универсальной системе имитационного моделирования

или средствами ПТК.

Уровень сложности математической модели согласовывает руководитель

(линейная, нелинейная).

СО О



2 2

( )

О q

opt



opt



( )

СО q

-2

РОВ

НА ДВ

ов

зд

СО

opt



opt



б) а)

РОВ КОР

НА ДВ

ов

зд

ов

СО

opt



зд

а)

УК

Кор

РОВ

РО

НА ДВ

Wкор

Wук

ов

( )

D f





opt



зд

opt

=f(O2,СО)

б)

Рис. 2.6. Информационная (а) и расчетная (б) структуры беспоисковой

экстремальной АСР расхода общего воздуха

3. Разработка аналитических математических

моделей объектов управления

В этой части курсового проекта (работы) приводятся

теоретические основы и пример построения нелинейной динамической

модели сложного объекта управления.

3.1. Теоретические основы построения нелинейных

динамических моделей технологических объектов

управления

3.1.1. Рекомендуется создание всережимной (нелинейной)

динамической модели ТОУ, которая позволила бы провести

сравнительные исследования САУ в широком диапазоне нагру-

зок объекта [7,8,13].

3.1.2. Сложная система структурируется и представляется

состоящей из отдельных участков (конструктивных или техноло-

гических компонентов), которые разбиваются на элементарные

объемы (желательно представить в виде схемы, картинки).

3.1.3. Обосновывается уровень сложности математической

модели исходя из задачи моделирования. Определяются допу-

щения, принимаемые при описании процессов в каждом из вы-

деленных компонентов.

3.1.4. В общем случае для каждого элементарного объема

составляются уравнения баланса на основе законов сохранения

массы, количества движения, энергии, а также уравнения ба-

ланса энтропии и феноменологических уравнений состояния

рассматриваемых процессов.

3.1.5. Уравнения законов сохранения:

 массы,

кг с

div v





 



; (3.1)

Феноменологический подход построения математических аналитических

моделей опирается в своей основе на методы теории неравновесной термоди-

намики. Современная неравновесная термодинамика рассматривает практиче-

ски все интересующие нас энергетические процессы, в том числе сложные про-

цессы тепломеханического движения сред. Из этого следует, что уравнения

математических моделей динамики объектов (процессов) управления должны

быть согласованы с фундаментальными законами неравновесной термодинами-

ки.

Раздел 3.1 подготовил канд. техн. наук Д.Ю.Тверской.

 количества движения, Н/м

 

div P





  



; (3.2)

 энергии, Вт/м

divJe





 



, (3.3)

где ρ – суммарная плотность потока переносимой массы в эле-

ментарном объеме, кг/м

;

– средняя скорость центра-масс

элементарного объема потока переносимой массы, м/с; Р – тен-

зор давлений, Па; F – внешняя сила, прикладываемая к единице

массы, Н/кг; e – общая удельно-массовая энергия единицы объ-

ема, Дж/кг; Je – удельно-массовый поток энергии, Вт/м

3.1.6. Уравнение баланса энтропии s, которое определяется

вторым законом термодинамики и характеризует возрастание

энтропии в системе, Вт/м

К, имеет следующий вид:

divJs s







  



(3.4)

где Js – плотность потока энтропии, Вт/(м

К); σs – локальное

производство энтропии на единицу объема в единицу времени,

иными словами, скорость генерирования энтропии внутренними

источниками, Вт/(м



К).

3.1.7. Уравнение состояния является необходимым дополне-

нием к термодинамическим законам. Уравнения состояния свя-

зывают независимые переменные физически однородной си-

стемы в состояние термодинамического равновесия, что делает

возможным применение их к реальным объектам. Уравнение

состояния определяется, как правило, из опыта, например, ис-

пользуются нормативные методы

расчета статических характе-

ристик, режимных карт и др.

3.1.8. Общая постановка задачи построения динамической

модели.

На основе уравнений сохранения совместно с уравнениями

состояния и граничными условиями необходимо определить

изменение во времени всех физических переменных ТОУ, кото-

рые предполагаются непрерывными по координатам и времени.

3.1.9. Общее требование к системе уравнений математиче-

ской модели.

«Тепловой расчет котельных агрегатов. Нормативный метод», «Норма-

тивные материалы по расчету и проектированию пылеприготовительных устано-

вок котельных агрегатов».

Система уравнений должна иметь открытую структуру, т.е.

быть представлена в нормальной форме Коши, при которой

каждое уравнение имеет ясную физическую интерпретацию.

Это, в частности, предопределяет возможность переходов от

простых (упрощенных – с большим числом допущений) моделей

к высокоточным математическим моделям (более полным).

3.1.10. Результаты определения числовых характеристик

уравнений приводятся в виде таблиц параметров и коэффици-

ентов модели (расчет недостающих параметров).

3.1.11. Реализацию динамической модели рекомендуется

производить в системе имитационного моделирования (напри-

мер, Simulink, VisSim и др.).

3.1.12. Точность модели (в виде влияния на погрешности мо-

дели принятых допущений при ее построении) оценить весьма

затруднительно, и для решения задачи адекватности (верифи-

кации) математической модели необходимо использовать экс-

периментальные, желательно с интервальными оценками точ-

ности, динамические характеристики каналов регулирования,

имеющиеся в «Фонде…» (БД характеристик оборудования энер-

гоблоков).

3.1.13. Пример

Объект моделирования – экономайзер прямоточного котла

как элементарный теплообменник (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Схема тепловых и массовых потоков в теплообменнике:

1 – рабочее тело (вода); 2 – оболочка канала рабочего тела (металл);

3,4 – вход и выход рабочего тела; 5 – внешний теплоподвод (от греющих газов)

ШАГ 1. Для удобства расчетов представим всю совокупность

труб экономайзера в виде одной горизонтальной трубы. Будем

полагать, что греющие газы относятся к окружающей среде, то-

Подготовил ст. преподаватель А.Н. Никоноров.

гда в объекте выделяются два компонента: рабочая среда (во-

да) и оболочка канала (металл труб).

Граница системы с окружающей средой, кроме открытых

торцов канала, проходит по наружной поверхности оболочки ка-

нала. В данном случае теплоподвод не зависит от температуры

стенки или параметров рабочего тела, а его изменение является

внешним возмущением, пропорциональным расходу топлива.

ШАГ 2. Движение рабочего тела полностью описывается си-

стемой уравнений (3.1)–(3.4). Для упрощения исходной системы

уравнений перейдем от трехмерной модели к одномерной, в ко-

торой параметры изменяются лишь вдоль одной пространствен-

ной координаты (z), направленной по оси потока.

Закон сохранения массы (уравнение материального баланса)

для одномерной модели с распределенными параметрами за-

пишется как

t z

 

 

 

 

. (3.5)

Далее осуществим переход от модели с распределенными па-

раметрами к модели с сосредоточенными параметрами. Для этой

цели производные по пространственной координате z заменяются

отношением разности значений функций между выходом и вхо-

дом к полной длине канала. Таким образом, принимается, что па-

раметры в системе постоянны по длине канала на конечном

участке. Таких участков может быть несколько

Переходя к модели с сосредоточенными параметрами, урав-

нение (3.5) для каждого выделенного участка можно записать как

( ) ( )

dt L

    

 

  

  . (3.6)

Преобразуем (3.6), умножая обе части уравнения на длину L

и сечение f канала. В результате получаем окончательное урав-

нение закона сохранения массы для рабочего тела:

V D D



 

  

 

D D

dt V



 

  , (3.7)

где

D f

V f L

 

  

 

По результатам исследований А.С. Рубашкина число разбиений распре-

деленного теплообменника может составлять от 10–15 до 30–50 выделяемых

элементарных участков для одного потока.