строительство и архитектура/теплоснабжение и вентиляция

УДК 697.32

ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕПЛОГЕНЕРИРУЮЩИХ ОБЪЕКТОВ

д.т.н., доц. Гусенцова Я.А.,

ассистенты Кулешова Э.И., Пастушкова И.Д., Чередниченко Г.Е.

Луганский национальный аграрный университет, Украина

к.т.н., проф. Коваленко А.А.

Восточноукраинский национальный университет им. В. Даля, Украина

Приведены динамические характеристики теплогенерирующих установок, получена передаточная функция оптимального регулятора процесса регулирования исследуемых объектов

Ключевые слова: теплогенерирующие установки, теплообмен, автоматизация, динамические характеристики, регулятор

Системы теплоснабжения являются составляющей частью топливно-энергетического комплекса Украины, которые потребляют более 20% энергетических ресурсов. Поэтому рациональное пользование первичных энергетических ресурсов: внедрение новых технических процессов; реконструкция и модернизация энерго - и топливопотребляющего оборудования; снижение потребления топлива; оптимизация выбора режимов эксплуатации; энергосбережение имеют особо важное государственное значение.

Автоматизация объектов теплоснабжения на всех стадиях от производства теплоты в теплогенераторах до его потребления является действенным средством повышения экономичности этого процесса. Одним из нерешенных вопросов при этом является вопрос о законе регулирования температуры теплоносителя, который в значительной мере определяет экономичность теплогенератора в целом [1].

Процесс теплообмена в теплогенерирующих объектах описывается достаточно сложной системой дифференциальных уравнений, содержащую уравнения в частных производных, что затрудняет анализ динамики процесса. В связи с этим, экспериментальные методы исследования являются одним из действенных методов определения динамических характеристик, на основе которых может быть определен оптимальный закон регулирования [3].

Экспериментальный метод заключается в определении реакции объекта регулирования на испытательный сигнал. При этом могут быть использован случайный сигнал (так называемый «пассивный эксперимент»), или один из детерминированных сигналов: ступенчатый, импульсный или гармонический сигнал. С точки зрения организации и проведения эксперимента предпочтение следует отдать ступенчатому. Одной из причин, кроме простоты организации, является то, что, если полученная модель процесса теплообмена будет адекватна при испытаниях на ступенчатое воздействие, она заведомо будет адекватно описывать этот процесс и при любых других монотонных воздействиях, имеющих место на практике [3].

При проведении эксперимента на объекте устанавливался стационарный режим. Затем скачком изменялся сигнал возмущения. Динамика изучалась по двум каналам – расходу топлива и расход теплоносителя. Запись входных и выходных сигналов осуществлялась стандартной аппаратурой, установленной на котельной установке. Экспериментальная установка и контрольно-измерительная аппаратура позволяла создавать переменные входные сигнала и регистрировать изменение температуры теплоносителя на выходе.

В процессе опытов измерялись:

· температура теплоносителя на входе и выходе котла;

· расход теплоносителя;

· расход топлива.

Поскольку процесс теплообмена в котельной установке достаточно инерционный, не было необходимости использовать специальную аппаратуру для динамических испытаний.

Один из характерных переходных процессов при нанесении и снятии сигнала возмущения приведен на рис. 1.

Рис. 1. Динамические характеристики котла ТВГ – 8М

Эксперименты выполнялись также на котельных установках КВ-ГМ-10, ТВГ-8М, КСВ, мощность которых от 4,0 до 12 МВт. Анализ результатов показал, что с достаточной степенью точности динамика может быть описана уравнением

_,

которому соответствует передаточная функция апериодического звена n-го порядка с запаздыванием

_{Оптимальные значения постоянных времени Ті и время транспортного запаздывания τ сточки зрения минимальной среднеквадратичной ошибки аппроксимации искались методом Хука-Дживса [2]. В таблице 1 приведены экспериментальные данные для различных котлов.}

Таблица 1

Динамические характеристики теплогенерирующих установок

Марка котла, параметры	КВ-ГМ-10	ТВГ-8М	КСВ
	3	3	3
,с	37	35	30
постоянная времени при нагрузке, с	70	72	82
постоянная времени при разгрузке, с	85	80	96
теплопроизводительность котла, МВт (Гкал/ч)	11,6 (10)	9,7 (8,3)	4,2 (3,6)

Выбор закона регулирования для конкретного объекта зависит от предъявляемых к нему требований: минимальная ошибка регулирования, постоянство параметра регулирования и т.д.

В основу критерия приближения при аппроксимации динамических характеристик объекта должна быть положена конечная цель аппроксимации, а именно получение системы регулирования, в минимальной степени отличающейся от оптимальной системы. При этом критерий приближения должен быть подчинен показателю точности оптимальной системы. В частности, для принятого выше показателя оптимальности системы регулирования – минимума среднеквадратичной ошибки регулирования задача оптимального приближения при аппроксимации динамической характеристики объекта должна формулироваться следующим образом.

По заданной динамической характеристике объекта выбрать структуру и параметры аппроксимирующей характеристики так, чтобы среднеквадратичная ошибка системы регулирования с регулятором, частотная характеристика которого определяется полученной формулой при замене в ней на

отличалась от среднеквадратичной ошибки оптимальной системы на минимально возможную величину. В этом отражается необходимость использования системного подхода при построении математической модели объекта [4].

Соответственно решение задачи синтеза реального регулятора, в наименьшей степени отличающегося от регулятора, обеспечивающего предельную динамическую точность регулирования, может осуществляться в такой последовательности.

Исходя из общего вида характеристики , подбирается достаточно простая структура аппроксимирующей динамической характеристики и определяется соответствующая ей структура оператора регулятора .

Подстановка указанных аппроксимирующих характеристик в общее выражение показало, что для рассматриваемых объектов регулирования оптимальным с рассматриваемой точки зрения является ПИД - алгоритм, передаточная функция которого:

,

где коэффициент передачи; постоянная интегрирования; постоянная дифференцирования регулятора, являющиеся параметрами его настройки.

Регулятор с таким алгоритмом работы осуществляет перемещение регулирующего органа в каждый момент времени пропорционально отклонению регулируемой величины, интегралу и производной отклонения:

.

Следующим шагом синтеза системы управления является определение коэффициентов настроек регулятора, которое обычно не вызывает затруднений. Напомним еще раз, что при сохранении структуры передаточной функции объекта регулирования, ее параметры при нагрузке и разгрузке различны. Для обеспечения оптимального процесса регулирования это требует нелинейных регуляторов с переменными коэффициентами настроек в зависимости от производной входного сигнала или регуляторов с элементами нечеткой логики [4, 5].

Выводы.

На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

1. Экспериментально определенные передаточные функции ряда котельных установок показали идентичность их структур.

2. Эксперименты показали также, что параметры передаточных функций зависят от производной входного сигнала, т.е. они различны при нагрузке и разгрузке объекта.

3. Получена передаточная функция оптимального регулятора, обеспечивающего минимальную среднеквадратичную ошибку процесса регулирования рассматриваемых объектов.

Литература

1. Айзерман М. А. Теория автоматического регулирования / М. А. Айзерман. – М. : Наука, 1966. – 340 с.

2. Банди Б. Методы оптимизации / Б. Банди. – М. : Радио, 1988. – 128 с.

3. Андрийчук Н.Д. Теплогенерирующие установки: моделирование, автоматизация, экология / Н.Д. Андрийчук – Луганск : изд-во ВНУ им. В. Даля, 2004. – 240 с.

4. Гусенцова Я. А. Эффективность регуляторов теплогенерирующих объектов / Я. А. Гусенцова, Л. И. Рисухин, А. А. Коваленко, Э. И.Кулешова - Луганск : изд-во ВНУ им. В. Даля, 2014. – 52 с.

5. Handbook of Heat Transfer / New York: VcGrow-Hill Company. 1973. - 210 c.