К.т.н. Ковриго Ю.М., Фоменко Б.В.

Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут»

Система автоматичного регулювання процесом спалювання органічних видів палива

В умовах енергозбереження актуальною проблемою є оптимізація процесу згоряння палива в енергетичних установках. Підвищенні вимоги щодо зменшення шкідливих викидів з одного боку, та гостра економічна ситуація з енергоносіями з другого боку, спонукають до підвищення ефективності та якості спалювання органічного вида палива. Для розробки високоякісної системи автоматичного управління необхідне комплексне вивчення факторів впливу на процес горіння, існуючих методів зменшення шкідливих викидів, структурних та технічних рішень з автоматизації.

У статті [1] описана модернізація схеми теплового навантаження котла ТПП-210А при роботі на вугільному пилу. За структуру була обрана каскадна система автоматичного керування, де коригувальним регулятором є загальний регулятор палива, а стабілізуючим - індивідуальний регулятор подачі палива. На індивідуальний регулятор подачі палива надходять наступні сигнали: температура аеросуміші перед пальником, що характеризує пилопродуктивність АЖП; зворотний зв'язок по положенню регулювального клапана АЖП; завдання від загального регулятора палива. У регуляторі теплового навантаження, що працює в цей час за триконтурною схемою, як основний сигнал використовується сумарна температура пари за стельовим екраном і швидкісні сигнали - температура за НРЧ, ВРЧ, сумарна витрата води по нитках.

Впровадження триконтурної схеми теплового навантаження дозволило зменшити час перехідного процесу на 25-30% у порівнянні із традиційною двоконтурною схемою. За рахунок можливості точної підтримки заданої температури за стельовим екраном можна підвищити економічність котла - динамічне відхилення по основному регульованому параметру не перевищує 5ºС.

Але навіть добре спроектована автоматична система може бути непрацездатною або мати низькі показники якості у зв’язку зі зміною динамічних властивостей об’єкта, неповнотою апріорної інформації про умови роботи системи. З цієї точки зору вважається досить ефективним шлях побудови управляючих систем, що не вимагають повної апріорної інформації про об'єкт й умови його функціонування. У зв'язку з цим також виникає необхідність застосування систем управління, що володіють здатністю самостійно або, принаймні, при обмеженій участі обслуговуючого персоналу, оптимізувати свою роботу.

Основні цілі створення таких систем:

1. Забезпечення необхідних показників якості регулювання об'єктів при зміні динамічних параметрів у широких межах у процесі нормальної експлуатації.

2. Прискорення й забезпечення необхідної точності настроювання систем регулювання при введенні об'єкта в дію.

3. Забезпечення можливості виконання багатоваріантного аналізу різних структур систем автоматичного регулювання проектованих технічних об'єктів у прийнятний термін з метою вибору найбільш перспективних для розроблюваного проекту автоматизації.

Зменшення витрат енергоносіїв можна досягти тільки регулюванням без подорожчання технологічного обладнання й ускладнення конструкції пальникових пристроїв. Це досягається шляхом проектування високоякісних систем автоматичного регулювання. Вибір структури системи автоматичного регулювання процесом горіння повинен ґрунтуватися на порівнянні перехідних процесів і результатах випробувань при включеній АСР подачі повітря. Використовуючі існуючі методики розрахунку багатозв’язних систем регулювання та використовуючі методи оптимізації отримуємо близькі до оптимальних настройки регулятора. Впровадження високоякісної системи регулювання повинно вести до підвищення ефективності систем контролю та управляння окремими технологічними агрегатами та підсистемами.

При побудові САУ теплового навантаження слід зауважити, що на процес згоряння палива впливають наступні фактори:

- вид палива(агрегатним станом палива, вологістю, зольністю, спікливістю, виходом летких);

- спосіб спалювання;

- аеродинамічні особливості процесу;

- характер підведення кисню до палива;

- вид топки;

- концентрація кисню в повітрі;

- тиск при якому відбувається горіння і т.п.

Таким чином, можна зробити висновки, що статичні й динамічні властивості об'єкту і процесу можуть змінюватися неконтрольованим чином, а апріорні відомості про ці зміни й про самі фізичні, математичні й розрахункові моделі "об'єкт - зовнішнє середовище" лише деякою мірою відповідають дійсності. У цих випадках практичний результат управління не відповідає розрахунковому або ж є зовсім непридатним, і виникає потреба в методах управління, що враховують наявність апріорної й поточної невизначеності. При цьому адаптивні методи й відповідні технічні засоби повинні гарантувати бажану якість процесу управління й інваріантість регульованих змінних, критеріїв якості або інших характеристик системи керування до об'єктивно існуючих неконтрольованих змін статичних і динамічних властивостей об'єкта й впливів зовнішнього середовища при апріорній невизначеності розрахункової моделі "об'єкт - зовнішнє середовище".

В середовищі Simulink пакету MatLab 6.5 була змодельована САУ теплового навантаження, що описана в статті [1]. В процесі дослідження змінювалися параметри об’єкта управління у діапазоні ±90%. Було виявлено, що при варіюванні параметрів об'єкта регулятор з отриманими оптимальними настройками стає напрацездатний або дає незадовільні показники якості (рисунок 3, 4, 5).

При нанесенні збурення витратою палива була отримана динамічна характеристика аеросуміші експериментальним шляхом. Перехідна характеристика об'єкту приведена на рис. 1.

Рис. 1 Перехідна характеристика об'єкту

Спираючись на результати досліджень, до розробленої САУ був доданий контур адаптації. В якості алгоритму адаптації було обрано безпошукову СНС. Відсутність безпосереднього пошуку дозволяє одержати темп процесів адаптації, порівняний з темпом перехідних процесів у системі по регульованій величині й забезпечити більшу швидкодію процесів адаптації в безпошукових СНС у порівнянні з пошуковими.

У регуляторах з еталонною моделлю (рис. 2) ставиться завдання одержання такої реакції замкнутого контуру управління на певний вхідний сигнал, що була б максимально близька до реакції на цей же сигнал заданої еталонної моделі.

Рис. 2 Адаптивна САУ з явною еталонною моделлю

У безпошукових системах управління на основі апріорної або поточної інформації обчислюється критерій оптимальності, зрівнюється із заданим значенням і по неузгодженості формується управління. На підставі апріорної й поточної інформації про вхідні впливи й стан системи обчислюється деяке необхідне значення міри якості , зрівнюється з поточним значенням і підраховується неузгодженість .

По величині вектори або змінюються так, щоб звести до нуля або мінімально можливої величини.

При такій постановці вирішуються два завдання.

I) Вибір досить близького к.

2) Синтез алгоритмів перебудови управління або вектора параметрів регулятора .

Процес визначення можна розглядати як процес відшукання деякої моделі-еталона, по якій здійснюється настроювання характеристик реальної системи.

Модель-еталон може являти собою [2]:

1) Реальну динамічну ланку з постійними коефіцієнтами або такими, що перестроюються.

2) Еталонне значення параметра.

Були проведені досліждення для САУ без контура адаптації і з адаптацією.

Рис. 3 Перехідні процеси зі зміненими параметрами об’єкту управління Коб=3, tau=3,5

1 - без контуру адаптації; 2 - з контуром адаптації

У безпошуковій системі використовують інформацію про характеристики САУ й збурюючих впливів, що отримують у процесі роботи САУ.

Таким чином, можна сказати, що модель-еталон як засіб організації є характерною рисою будь-якої безпошукової СНС.

Очевидно, що даний принцип адаптації припускає наявність деякого вимірюваного зовнішнього сигналу (наприклад, що задає вплив у системі, що стежить), причому адаптація виконується лише в ті періоди, коли цей сигнал починає змінюватися.

Якщо в системі використовується еталонна модель із фіксованими параметрами, то згодом реакція системи наближається до реакції цієї моделі, що не обов'язково повинна бути «оптимальною». У той же час варто мати на увазі, що системи даного типу не можуть адаптуватися до зовнішніх умов, якщо вимірюваний вхідний сигнал залишається незмінним.

Слід також зазначити, що при істотній зміні параметрів об'єкта управління еталонна модель із незмінними параметрами задає перехідний процес, що не може бути досягнутим. Внаслідок цього для підвищення якості функціонування самонастроювальної системи з еталонною моделлю використовують модель-еталон, яка настроюється.

Література:

1. Свириденко В.П., Попутников А.Б. Опыт модернизации схемы регулятора тепловой нагрузки котла ТПП-210А при работе на угольной пыли – «Энергетика и Электрификация», 2001.

2. Солодовников В.В., Мрамко Л.С. Расчет и проектирование аналитических самонастраивающихся систем с эталонными моделями. М.: «Машиностроение» , 1972.-270с.