автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Исследование динамических режимов и разработка САР электроприводов турбомеханизмов, работающих на длинные трубопроводы

Министерство образования Российской Федерации

Чувашский государственный университет им. И.Н. Ульянова

На правах .рукописи

РГб од 1 5 ДЕН 2003 •

Шепелип Александр Витальевич

Исследование динамических режимов и разработка САР электроприводов турбомеханизмов, работающих на длинные

трубопроводы

Специальность 05.09.03 - электротехнические комплексы и системы, включая их управление и регулирование

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Чебоксары - 2000

Работа выполнена во Всероссийском научно - исследовательском проектно - конструкторском и технологическом институте релестроения (ОАО ВНИИРелестроения, г. Чебоксары)

Научный руководитель -

Официальные оппоненты -

доктор технических наук, профессор А.К. Аракелян

доктор технических наук, с.н.с. Б.С. Лезнов

кандидат технических наук, с.н.с. Поздеев Д.А

Ведущее предприятие •

ОАО «Электропривод» г. Москва

Защита диссертации состоится 30 июня 2000 г. в часов в аудитории 310 корпуса «В» на заседании диссертационного совета Д-064.15.03 Чувашского государственного университета им. И.Н. Ульянова (428015, г. Чебоксары, Московский пр-т, 15).

Отзывы на диссертацию в двух экземплярах, заверенные печатью учереждения, просим выслать по указанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Чувашского государственного университета им. И.Н. Ульянова.

Автореферат разослан « 26 » мая 2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

к.т.н., доцент -- Г.П. Охоткин

А м I Г\ОЙ лй (Г Г\сг г\

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Необходимость теоретических исследований и внедрения новых разработок в области систем автоматического управления (САУ) регулируемых электроприводов (РЭП) турбомеханизмов (ТМ), работающих на длинные трубопроводы (ДТ), вызвана ростом числа таких РЭП в результате использования энергосберегающих технологий, а также необходимостью автоматизации работы насосных станций и распределительных систем трубопроводов. Между тем, применение РЭП турбомеханизмов на ряде объектов требует специального подхода по причине возникновения гидравлических ударов и колебаний давления в трубопроводе при регулировании скорости вращения турбомеханизма или изменении их эксплуатационных параметров.

Возникновение колебаний в системе РЭП-ТМ-ДТ обусловлено тем, что длинные трубопроводы являются объектами с распределенными параметрами. Изменение давления в любой точке последних вызывает волну давления, распространяющуюся по трубопроводу со скоростью, определяемой скоростью звука в среде трубопровода, жесткостью материала трубы, ее толщиной и др. Колебания возникают при наличии в системе трубопроводов замкнутых контуров или объектов, отражающих эту волну. Таковым может оказаться прикрытая задвижка или закрытый обратный клапан, регулятор давления или открытый конец трубы. При такой схеме трубопровода САУ РЭП, стабилизируя давление в конкретной точке трубопровода, способствует возникновению и протеканию колебательного процесса по всей длине трубопровода.

Самым простым способом достижения плавности и снижения колебательности переходных процессов в системе РЭП-ТМ-ДТ является корректировка параметров путем самонастройки регуляторов САУ РЭП турбомеханизмов, работающих в трубопроводной сети. Оптимизация параметров регуляторов САУ позволяет обеспечить исключение колебаний в трубопроводе при относительно высоком быстродействии системы управления. Наиболее перспективным направлением решения проблемы устранения гидравлических ударов и колебаний давления в САУ РЭП-ТМ-ДТ является создание новых, отличных от традиционных по своей структуре, самонастраивающихся регуляторов, имеющих высокое быстродействие и не зависящих в работе от пространственных параметров трубопровода, его схемы и возможного ее изменения.

Цель работы. Целью диссертационной работы являются теоретические исследования динамических режимов работы системы управления РЭП-ТМ-ДТ, теоретическое решение задач оптимизации систем управления координатами электропривода турбомеханизма с учетом динамических особенностей трубопровода, а также практическая реализация полученных результатов.

з

Задачи исследования.

1. Разработка математической модели системы РЭП-ТМ-ДТ с учетом динамических особенностей длинного трубопровода.

2. Определение формы и временных параметров функций задания напора в начале трубопровода для пуска, останова и регулирования производительности турбомеханизмов, работающих на длинные трубопроводы, которые позволили бы уменьшить и, по возможности, исключить возникновение колебательных процессов в трубопроводе.

3. Теоретическое обоснование предлагаемых методов расчета параметров регуляторов электроприводов турбомеханизмов, которые обеспечат работу систем без возбуждения колебательных процессов в трубопроводах.

4. Разработка и реализация системы управления электроприводами насосов и вентиляторов, работающих на длинные трубопроводы, которая позволила бы обеспечить работу этих систем без возникновения колебательных процессов независимо от параметров и конфигурации трубопроводов и случайных воздействий по управлению и по нагрузке.

Методы исследования. Исследование динамических режимов работы системы РЭП-ТМ-ДТ произведено на основе математического и физического моделирования. Настройка систем управления РЭП турбомеханизма с учетом параметров трубопровода произведена на основе частотных методов. Для определения принципов оптимального управления напором и подачей в длинном трубопроводе и способов построения систем оптимального управления электроприводом турбомеханизма применен метод финитного управления. Оптимизация регуляторов системы РЭП-ТМ-ДТ при наличии возмущающих воздействий со стороны трубопровода выполнена на основе теории оптимальной фильтрации Винера.

Научная новизна.

1. Разработана математическая модель исследуемой системы: регулируемый электропривод — турбомеханизм - длинный трубопровод с учетом характеристик турбомеханизма, параметров длинного трубопровода и коэффициента отражения волны давления от конца трубопровода.

2. Построены номограммы для расчета времени линейного изменения задания давления на входе САУ, а также для расчета частотными методами параметров регуляторов автоматической системы управления электроприводом с учетом особенностей нагрузки в виде турбомеханизма и длинного трубопровода. Для САУ РЭП-ТМ-ДТ, имеющих возмущающие воздействия со стороны трубопровода, разработана методика синтеза на основе теории оптимальной фильтрации.

3. Разработана и теоретически обоснована система оптимального (финитного) управления напором в начале длинного трубопровода.

Практическая ценность и реализация работы. Разработанная математическая модель САУ РЭП-ТМ-ДТ позволяет проводить исследование динамических режимов работы системы с учетом волновых процессов в

трубопроводе, синтезировать САУ частотными и другими методами, а также совершенствовать ее структуру.

Разработаны номограммы для расчета параметров настройки регулятора давления САУ РЭП-ТМ-ДТ в зависимости от параметров трубопровода. Синтезированная на основе теории оптимальной фильтрации САУ РЭП-ТМ-ДТ позволяет минимизировать "ошибку" давления при гашении колебаний, вызванных возмущениями в трубопроводе, при заданном быстродействии системы.

Разработанная и рекомендованная к применению система оптимального (финитного) управления давлением в трубопроводе обеспечивает высокое качество переходных процессов в системе РЭП-ТМ-ДТ независимо от параметров и схемы трубопровода.

Теоретические исследования, проведенные в работе, нашли применение при разработке соответствующих регуляторов давления, производимых во Всероссийском научно-исследовательском, проекгно-конструкторском и технологическом институте релестроения (ОАО ВНИИР) г. Чебоксары. Блок цифрового регулятора давления, разработанный автором, построенный по принципу финитного управления, испытан и сдан в эксплуатацию' на насосной станции теплоснабжения №1 г. Новочебоксарска.

К защите представляются следующие основные положения:

1. Теоретические основы математических и физических моделей САУ РЭП-ТМ-ДТ.

2. Номограммы настройки САУ РЭП-ТМ-ДГ, рассчитанные частотными методами. Теоретические положения по принципам настройки САУ РЭП-ТМ-ДТ на основе оптимального фильтра Винера.

3. Теоретические выводы по вопросам устройства и принципа работы оптимального (финитного) регулятора давления турбомеханизма, работающего на длинный трубопровод. Результаты теоретических расчетов, разработок САР электроприводов насосных станций и данные экспериментальных исследований этих систем на объектах водоснабжения.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы были доложены и получили одобрение на II Международной (XII Всероссийской) научно-технической конференции «Проблемы автоматизированного электропривода», г. Ульяновск, 1998; на научных семинарах кафедры САУЭП Чув.ГУ в 1996 -1999 гг.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 научных работ, рукопись монографии депонирована во ВИНИТИ.

Объем и структура работы. Диссертационная работа изложена на 151 с. текста компьютерной верстки, проиллюстрированного рисунками, объем приложений - 29 с. Работа состоит из введения, 7 глав, заключения, списка литературы из 61 наименований и приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

/ В первой главе описывается состояние проблемы управления электроприводами турбомеханизмов, работающих на длинные трубопроводы, а также другими системами с распределенными параметрами. В главе анализируются современные методы исследований, связанные с колебаниями жидкости или газа в трубопроводах, их результаты и основанные на них способы уменьшения или устранения колебаний [1, 5, 8].

Современная теория и практика гашения колебаний давления в трубопроводе предусматривает два подхода. Первый основан на совершенствовании ранее применяемых методов установки специальных механических устройств гашения колебаний и ведет к созданию адаптивных самонастраивающихся систем подстройки их параметров (управляемые фильтры). Второй подход основан на том, что трубопроводная линия снабжается управляемым генератором колебаний давления (на базе РЭП-ТМ), который компенсирует исходные колебания.

Построение систем управления объектов с распределенными параметрами, каковым является система ТМ-ДТ, производится в настоящее время на основе частотных (резонансных) методов. Необходимость оптимизации по быстродействию и снижения колебательности переходных процессов в САУ РЭП, работающих на систему с распределенными параметрами, привела к введению метода прогнозирования в управление такой системой.

Математически задача оптимизации САУ объектов с распределенными параметрами решается методами вариационного- исчисления на основе принципа максимума. Следующим этапом в решении такого класса задач стало появление в начале 50-ых годов прошлого столетия метода моментов и финитного управления, использующего математический аппарат теории целых функций экстремального типа и теорию интерполяции.

Во второй главе представлена математическая модель САУ РЭП-ТМ-ДТ с учетом динамических особенностей длинного трубопровода. На основании модели рассмотрен механизм возникновения колебаний в системе, их величина и временные характеристики в зависимости от параметров трубопровода [2].

Модель длинного трубопровода получена в результате решения дифференциальных уравнений движения реальной жидкости по трубам (уравнения Навье-Стокса). Пользуясь операторным методом, были получены передаточные функции напора в конце трубопровода и подачи - в

начале трубопровода 0)от напора в начале трубопровода (Нх=й):

W ,n)- Qx^(P) _ -y i-i-0-g"2Tp

где ir0 - коэффициент отражения волны от конца трубопровода; -с = £¡c - время распространения звуковой волны напора в один конец трубопровода, £ - длина трубопровода, i1- площадь поперечного сечения трубопровода; р- плотность среды, с - скорость распространения волны давления в трубопроводе.

Установлено, что передаточные функции трубопровода сохраняют свою структуру, если трубопровод имеет перепад высот. Для его учета в модели вводится статический напор, воздействующий в начале трубопровода и равный напору столба жидкости. Турбомеханизм реализован в модели при помощи его напорной и мощностной характеристик. САУ РЭП представлена трехконтурной системой регулирования с пропорционально - интегральными регуляторами (ПИ-регуляторами) тока, скорости и давления.

Анализ модели САУ РЭП-ТМ-ДТ и последующее моделирование системы на ЦЭВМ показали, что при пуске и останове насоса броски напора по длине трубопровода могут достигать больших величин (двухкратного рабочего напора и более). Показано, что изменение подачи жидкости в трубопроводе значительно влияет на величину бросков напора. Существенное отражение волны напора от прикрытой задвижки и следующие за этим колебания имеют место, если задвижка прикрыта на величину более 80%. Отмечено, что толщина, жесткость стенок трубопровода и его диаметр оказывают большое влияние на скорость распространения волны давления в трубопроводе, которая в совокупности с длиной трубопровода определяет временные параметры колебаний.

Третья глава посвящена настройке системы управления электропривода турбомеханизма с учетом параметров трубопровода на основе частотных методов.

На основании моделирования САУ РЭП-ТМ-ДТ построены расчетные номограммы, определяющие величину максимума бросков напора во время переходных процессов в САУ в зависимости от скорости линейного изменения сигнала задатчика интенсивности на входе САУ. Установлено, что сигнал задания давления на входе САУ РЭП-ТМ-ДТ необходимо изменять за время кратное 4т. В случае останова или снижения скорости насоса, работающего на столб жидкости, САУ целесообразно замкнуть по подаче насоса, а в системе регулирования давления - максимально увеличить время изменения сигнала задания давления.

На оснований линеаризованной напорной характеристики турбомеханизма с учетом передаточных функций трубопровода получены линеаризованные передаточные функции системы ТМ-ДТ (напора Н и подачи Q в начале трубопровода) от скорости вращения турбомеханизма <ода:

где irH - коэффициент линеаризации кривой напора насоса от скорости, X = 1 - 2 • ir^ • s/pc - коэффициент колебательности системы, зависящий от жесткости характеристики насоса (Я и 0,6); кш- коэффициент жесткости характеристики насоса в окрестностях рабочей точки.

В соответствии с полученными передаточными функциями построены логарифмические амплитудная и фазовая частотные характеристики (ЛАФЧХ) системы ТМ-ДТ. Настройка САУ РЭП, замкнутой по давлению, без учета ДГ произведена методом стандартных коэффициентов по Вышнеградскому. Настройка САУ РЭП-ТМ-ДТ частотным методом произведена по ЛАФЧХ разомкнутой системы. Параметры регулятора давления подбираются графически, при сохранении запаса по модулю и фазе исходной настройки САУ РЭП, обеспечивая тем самым качество переходных процессов в САУ. Для упрощения расчетов ЛАФЧХ системы ТМ-ДТ линеаризованы и получены аналитические формулы расчета постоянной времени регулятора давления в системе с интегральным регулятором (И-регулятором).

2т

1 +

тс/2 ■ kkanbB(% - arccos(£0))

♦ ♦ \к< arctg '=■ - arctg - - -

1 +|Me

'^-Скк0)г fi^jj где кк и 0,4 - 0,5 - коэффициент линеаризации ЛФЧХ системы без трубопровода; ап = T2/T¿ bB — Т2/Тг; сп = ТА)ТЪ- параметры настройки САУ РЭП-ТМ без учета ДТ; - постоянные времени РЭП; ТА -

постоянная времени регулятора давления; сн - параметр настройки САУ РЭП-ТМ, полученный взамен сп при учете ДТ; т = т/7\ - относительное время распространения волны по длине трубопровода.

Для сравнения результатов настроек синтез САУ проведен также на основе критерия Найквиста. В ходе расчетов установлено, что при малых значениях коэффициента отражения волны от конца трубопровода для обеспечения требуемого качества переходных процессов в САУ при синтезе системы необходимо иметь больший запас по фазе. Представлены применимые в инженерных расчетах номограммы для определения величины запаса по фазе системы в зависимости от коэффициента отражения волны в конце трубопровода при различных значениях запаса по модулю.

V

Результатом проведенных исследований стали рекомендуемые для инженерных расчетов номограммы (рис. 1), показывающие зависимость параметра настройки постоянной времени регулятора давления (сн) от

относительного времени распространения волны по длине трубопровода (т) при различных значениях коэффициента отражения волны от конца трубопровода (ка).

Рис.2

Настройки системы с ПИ-регулятором давления, полученные в результате моделирования, показаны в виде номограмм (рис. 2). Настройки соответствуют минимальным постоянным времени ПИ-регулятора давления (сплошная линия рис. 2) при различных значениях коэффициента пропорциональной части регулятора кд (пунктирная линия рис. 2) в пределах

допустимого качества переходных процессов. В работе представлены также графики изменения долевого значения сн, показывающие на какую долю возможно снижение параметра си в системе с ПИ-рехулятором давления по отношению к системе с И-регулятором. Пользуясь этим графиком, настройку САУ с И-регулятором, полученную ранее, можно привести к более быстродействующей настройке с ПИ-регулятором.

В четвертой главе теоретически обосновываются методы финитного управления напором и подачей в длинном трубопроводе, определяются принципы построения системы управления электроприводом турбомеханизма, основанные на методе финитного управления [3, 4,5, 8].

Задача финитного (конечного) управления формулируется следующим образом: требуется найти такое управляющее воздействие в начале трубопровода, чтобы перевести трубопровод из одного стационарного состояния в другое за конечное время Т, и чтобы при этом напор в любой точке трубопровода не превысил заданного (номинального) уровня.

На основе дифференциальных уравнений, описывающих движение реальной жидкости по трубам, используя теорию финитного управления, получим финитное управление давлением для идеального трубопровода с закрытой задвижкой на конце при переводе его из состояния покоя в состояние установившегося давления На:

Н0{1/ 4т-1), (0<£< 4х);

Н0, (I > 4*А

а также для трубопровода со свободным концом при переводе его из состояния покоя в в состояние установившейся подачи Q0:

рф-(?0(1-Г/4т), (О <Г< 4т);

а. о>4х).

Аналогичные формулы получены также для управления подачей жидкости в начале длинного трубопровода.

Физическая интерпретация финитного управления следующая: любое возмущение в трубопроводе порождает равновеликие волны, распространяющиеся в разные стороны трубопровода. Для устранения прямой волны возмущения необходимо приложить в начале трубопровода воздействие, равное половине исходного возмущения и противоположное ему по знаку, а затем таким же образом погасить обратную волну возмущения, которая отразилась от противоположного конца трубопровода.

В общем случае коэффициент отражения волны от конца трубопровода к0 находится в пределах -\< ка < 1, т.е. часть волны отражается с положительным знаком, а часть - с отрицательным. Поэтому финитное управление таким трубопроводом может быть представлено суммой финитных управлений для трубопровода с открытым и закрытым концами. С учетом потерь в трубопроводе получены кривые финитного управления давлением в

ща(0 =

начале трубопровода при пуске насоса (рис.3), а также при останове насоса, работающего на столб жидкости (рис. 4).

В результате анализа кривых финитного управления установлены общие принципы финитного управления гидравлической системой с распределенными параметрами:

1) перевод системы из одного стационарного состояния в другое происходит за время 4т. Следовательно, скорость изменения задания давления должна быть такой, чтобы полное изменение давления произошло за время, кратное 4т;

2) изменение прямой волны напора (волны, создаваемой турбомеханизмом) должно производиться только при неизменной обратной волне (волне, пришедшей со стороны трубопровода).

и

С точки зрения физики принцип финитного управления можно ^формулировать так:

1) для перевода трубопровода из одного стационарного состояния в другое необходимо изменять прямую волну напора на его входе в течении 2 т до такой величины, чтобы пришедшая через следующие 2т обратная волна в сумме с прямой дали бы требуемое значение напора в трубопроводе;

2) изменение обратной волны свидетельствует о том, что трубопровод выведен из заданного режима. Поэтому необходимо поддерживать постоянной прямую волну до тех пор, пока переходные процессы не установятся, а затем сформировать управляющее воздействие, кратное по времени 4 т.

Работающая в соответствии с принципами финитного управления САУ РЭП-ТМ-ДТ обеспечивает отсутствие колебаний давления по длине трубопровода при любых (в том числе изменяющихся во времени) его схемах и параметрах. Функциональная схема такой САУ представлена на рис. 5.

Система управления напором трубопровода (СУНТ) (рис. 5) выдает сигнал задания скорости для РЭП и обеспечивает регулирование давления в трубопроводе в соответствии с заданием АСУТП. Сигнал ошибки на входе ПИ-регулятора давления (РД) формирует специальный задатчик интенсивности (СЗИ), который работает в соответствии с принципами финитного управления. Сигналы прямой и обратной волн напора в трубопроводе и1!л, [/#„ формируются узлом формирования обратных связей (УФОС) в соответствии с выражениями, полученными при линеаризации напорной характеристики ТМ:

н.Л

f-н

Ны - н.,

Н0 = Н - Нп,

'н

У

где сода, Одзи - текущая и номинальная скорости двигателя, Ни, Нъ -максимальный и номинальный напоры характеристики насоса. Сигнал с датчика давления фильтруется от "шумов" трубопровода оптимальным фильтром Винера (ОФ). Узел идентификации и настройки (УИиН) в процессе работы системы корректирует постоянные времени СЗИ и настройки РД.

Структурная схема СЗИ представлена на рис. б.

СЗИ работает в трех режимах, подключая один из трех каналов формирования сигнала на выходе РД. При изменении сигнала обратной волны (работает первый канал) на вход РД поступает разность заданного и действительного значений прямой волны (САУ поддерживает прямую волну постоянной). При неизменном значении обратной волны (работает второй канал) СЗИ формирует линейно изменяющийся сигнал задания, скорость изменения которого определяется разностью заданного и действительного значений давления (САУ формирует управление давлением за время 4т). Третий канал ограничивает давление в трубопроводе на уровне максимально допустимого значения. Обозначения на рисунке: Ф — фиксатор величины

сигнала, ОВ - одновибрагор, выдающий импульсы для фиксирования, 3 -задержка на включение ключей К на время фиксации.

и„о

ЗтЕКЭгЗ-

Ш

т Ч71 1^1

пая

<р

Птй

кч

тт

с&

■53

Ш

9

<р/

Г*

Уйп

и„

ЛлЛ-

т

9

кг

\2rf-т

.1

Рис. 6

Рис. 8

Пятая глава посвящается применению оптимальных фильтров в системах электроприводов турбомеханизмов. Разработана методика синтеза САУ РЭП-ТМ-ДТ на основе метода оптимальной фильтрации Винера [8].

Во многих случаях САУ напором в трубопроводе служит для поддержания задаваемого напора в трубопроводе и отработки возмущающих воздействий, приходящих со стороны трубопровода в различных режимах его работы. Для синтеза таких САУ вместо частотных методов, обеспечивающих требуемое качество переходных процессов при единичном ступенчатом воздействии, целесообразно применять метод оптимизации регуляторов САУ по критерию максимального гашения колебаний в системе от возмущающих воздействий при максимальном быстродействии системы. Приводя возмущения в трубопроводе со стороны потребителя на вход системы (рис.7), САУ РЭП можно представить в виде оптимального фильтра, который не пропускает на выход системы эти возмущения HF, имеющие спектральную плотность после приведения на вход САУ SF„ (рис. 8), и пропускает сигнал задания давления изд с задатчика интенсивности, имеющий спектральную плотность Sg.

Кривая спектральной плотности возмущений, приходящих со стороны трубопровода, после приведения на вход САУ SFn имеет резонансный всплеск на частоте колебаний (рис. 8), которые необходимо погасить. Аппроксимировав резонансный всплеск кривой S„, приходим к задаче построения оптимального

фильтра Винера для гашения этих колебаний на фоне сигнала задания давления. (Если в системе сигнал задания не изменяется, кривая строится из условия необходимого быстродействия системы.) Оптимизация параметров регуляторов САУ в данном случае производится по критерию минимума среднеквадратичной ошибки давления САУ (разности задаваемого и действительного давлений).

В результате расчетов было получено математическое выражение оптимального фильтра при апроксимации резонансного всплеска спектральной плотности возмущений кривой второго порядка и проведен расчет параметров регуляторов САУ РЭП, обеспечивающих представление системы в виде этого оптимального фильтра.

Метод оптимальной фильтрации Винера применен также для построения фильтра сигнала датчика давления. Такой фильтр использован, например, в системе финитного управления напором (СУНТ). Спектральная плотность сигнала помехи ("шумов" трубопровода), необходимая для расчетов параметров фильтра, определена по барограмме, снятой с реального трубопровода [8]. В результате получена расчетная формула физически реализуемого оптимального фильтра.

В шестой главе отражены результаты испытаний блока цифрового регулятора давления (БЦРД), разработанного автором на основе микроконтроллера Р1С16С73А и построенного в соответствии с принципами финитного управления [б].

БЦРД предназначен для регулирования давления турбомеханизмов, работающих на длинный трубопровод, путем изменения задания скорости РЭП этих ТМ и представляет собой упрощенный вариант системы управления напором трубопровода (СУНТ), описанной ранее (см. рис. 5, рис. 6). БЦРД обеспечивает три режима работы: с финитным регулятором давления, с адаптивным ПИ-регулятором давления (с изменяющейся при больших отклонениях ошибки постоянной времени) и без регулятора давления (отладочный режим).

БЦРД установлен на насосной станции №1 1-ой тепломагистрали ТЭЦ-3 г. Новочебоксарска и обеспечивает автоматическое поддержание давления на напорном коллекторе насосной станции с помощью двух частотно-регулируемых электроприводов ЭТА 1-03 с электродвигателями А112-4М (320 кВт, 1500 об/мин) насосов СЭ 1250-70-11. Замена обычного ПИ-регулятора давления на БЦРД была произведена с целью исключения колебаний давления в тепломагистралях г. Новочебоксарска в часы водоразбора. Результаты испытаний БЦРД показали работоспособность регулятора как при изменении задания давления, так и при отработке возмущений со стороны трубопровода.

б) Рис. 9

Приведены структурная схема, блок-схема алгоритма и осциллограммы работы БЦРД, а также суточные барограммы работы трубопровода до (рис. 9, а) и после (рис. 9, б) установки БЦРД, на которых видно устранение колебательных процессов в трубопроводе в часы водоразбора. Осциллограммы работы БЦРД при пуске и останове насоса приведены на рис. 10. На осциллограмме показаны сигналы: изд - напряжение задания давления, Н -давление на напорном коллекторе насосной станции; пдв - скорость вращения электродвигателя; — ток обмотки электродвигателя.

132В

- ■= '■ . мюшжшвтв

..15,5 Вг:

13,2 В-

13,2В ■ г.,

т.-* ^ -

kl v 12 5 ктс/см1 '^ISii"1 IMb*-1

- 300 об/мин

0 /0 20

л>

ю t,c

Рис.10

В седьмой главе проведен технико-экономический анализ установки регулируемых электроприводов с финитным регулятором давления на насосной \ станции №1 1-ой тепломагистрали г. Новочебоксарска, а также на~тасосной станции Камского водозабора (г. Набережные Челны). Срок окупаемости РЭП с финитным регулятором давления составляет 1-1,5 года [7].

В приложении приведены параметры моделируемой в работе САУ РЭП-ТМ-ДТ; программы моделирования на языке ALTRAN Х3.02; программы работы БЦРД на языке Phyton PASM-PIC assembler V.2 для микроконтроллера PIC16C73A, а также акты и отзыв, подтверждающие' работоспособность и технико - экономическую целесообразность разработанных и внедренных систем.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ Результаты проведенных теоретических и экспериментальных исследований в области теории и расчета динамических режимов работы, регулируемых электроприводов турбомеханизмов, работающих на длинные трубопроводы:

1. Получены передаточные функции длинного трубопровода, системы турбомеханизм - длинный трубопровод с учетом степени отражения волны от конца трубопровода. Исходя из передаточных функций, была получена модель системы РЭП - турбомеханизм - длинный трубопровод.

2. Показана и теоретически обоснована возможность возникновения колебаний напора с указанием их параметров в системе РЭП - турбомеханизм -длинный трубопровод для различных систем трубопроводов.

3. Научно обоснованы рекомендации относительно темпа и времени изменения задания давления, а также по расчету частотными методами

параметров регуляторов автоматической системы управления электропривода с учетом особенностей нагрузки в виде турбомеханизма и длинного трубопровода. Разработаны и теоретически обоснованы номограммы, рекомендуемые для расчетной практики при определении параметров настройки регулятора давления в зависимости от параметров трубопровода.

4. Разработаны и теоретически обоснованы методы оптимального (финитного) управления напором в начале длинного трубопровода.

5. Теоретически обоснована целесообразность применения оптимальной по быстродействию системы автоматического управления напором для ряда магистральных схем трубопроводов и их систем. Разработан, испытан и передан в эксплуатацию РЭП с оптимальным (финитным) регулятором давления

6. Разработана методика синтеза системы автоматического управления РЭП турбомеханизмов, работающих на длинные трубопроводы, на основе теории оптимальной фильтрации, где сама система автоматического управления РЭП представлена в качестве оптимального фильтра. Даны рекомендации по расчету фильтров «шумов» трубопровода.

По результатам работы сделаны следующие выводы:

1. В быстродействующих системах регулируемого электропривода насосов и компрессоров, работающих на длинные трубопроводы, с целью избежания больших бросков напора по длине трубопровода следует по возможности снизить скорость нарастания задания напора. Для электроприводов насосов, работающих на длинные трубопроводы с большим перепадом высот, целесообразно замыкание системы регулирования по подаче насоса.

2. В системах ре1улирования электроприводов насосов и вентиляторов, работающих на длинные трубопроводы, для обеспечения благоприятного качества переходных процессов целесообразно использование пропорционально-интегральных регуляторов технологического параметра (напора или подачи), в которых постоянная времени регулятора практически линейно зависит от длины трубопровода.

3. Для управления напором в начале длинного трубопровода целесообразно применять финитное управление, которое обеспечивает практическое отсутствие колебаний напора по всей длине трубопровода. Такое управление осуществляется за время, кратное четырем периодам распространения волны напора из одного конца трубопровода в другой.

4. Для управления напором в трубопроводе с изменяющимися и неопределенными параметрами рекомендуется применять систему автоматического регулирования напора, построенную в соответствии с принципами финитного управления. Такая система препятствует возникновению колебаний напора при любых его изменениях, в том числе и при возмущениях, приходящих со стороны трубопровода.

t «

5. В системах регулируемых электроприводов турбомеханизмов, работающих на длинные трубопроводы и имеющих возмущающие воздействия со стороны трубопровода, синтез системы автоматического управления целесообразно проводить по принципу посроения оптимальных фильтров Винера.

Результаты настоящей работы могут быть использованы при расчетах, проектировании и исследовании режимов работы регулируемых электроприводов турбомеханизмов, работающих на длинные трубопроводы. Они могут быть основой для разработки программ испытания реализованных САР электроприводов турбомеханизмов, работающих на длинные трубопроводы, при вводе в их в эксплуатацию.

РАБОТЫ, ОПУБЛИКОВАННЫЕ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Аракелян А.К., Мартыничев А.К., Порфирьев В.П., Шаварин Н.И., Шепелин А.В Некоторые проблемы регулируемого электропривода мощных быстроходных турбомеханизмов с вентильными . двигателями систем водоснабжения котлоагрегатов ТЭС и АЭС // Тезисы докладов II Международной (XII Всероссийской) научно-технической конференции Проблемы автоматизированного электропривода. - Ульяновск, 1998. - С.12-13.

2. Аракелян А.К., Шепелин A.B. К динамике режимов пуска и останова электропривода турбомеханизмов // Электричество, 1998, №8. - С.35-42.

3. Аракелян А.К., Шепелин A.B. О принципах построения систем автоматического управления электроприводами насосов, работающих на длинные трубопроводы // Труды академии электротехнических наук Чувашской республики. - Чебоксары: Изд-во Чувашского гос. ун-та, 1999, №1-2. - С .58-' 65.

4. Шепелин A.B. Управление насосами, работающими на длинные трубопроводы с учетом их параметров И Вестник Чувашского университета. -Чебоксары: Изд-во Чувашского гос. ун-та, 1998, №1-2. - С.151-168

5. Аракелян А.К., Шепелин A.B. Системы автоматического управления электроприводов насосов, работающих на длинные трубопроводы // Электричество, 2000, №4. - С.37-45.

6. Чаронов В.Я., Шепелин A.B., Алатырев Е.М. Регулируемый электропривод насосных агрегатов систем водо и теплоснабжения городов. -Альметьевск: Изд-во ОАО «Татнефть», 1998.- 80 с.

7. Чаронов В .Я., Шепелин A.B. Об экономической эффективности применения регулируемых электроприводов насосных агрегатов линии Камского каскада. // Нефть Татарстана. - Казань, 1998, №2. - С.59-61.

8. Аракелян А.К., Шепелин A.B. Исследование динамических режимов электроприводов турбомеханизмов, работающих на длинные! трубопроводы: Монография. Чувашский гос. ун-т. - Чебоксары, 2000. - Деп. а ВИНИТИ 28-03-00, Ks 819-В00.-98 с. I

Введение.

1. Проблемы управления электроприводами турбомехаиизмов, работающих на длинные трубопроводы, и другими динамическими системами с распределенными параметрами.

1.1. Состояние проблемы.

1.1.1. Регулирование напора в трубопроводах. Способы снижения гидравлических ударов и колебаний напора.

1.1.2. Методы управления системами с распределенными параметрами. Математический аппарат для решения поставленных задач.

1.1.2. Управление электроприводами объектов с распределенными параметрами.

1.1.4. Проблемы управления системами автоматического регулирования электроприводов насосов и вентиляторов, работающих на длинные трубопроводы.

1.2. Задачи построения систем автоматического регулирования электроприводов насосов и вентиляторов, работающих на длинные трубопроводы.

2. Динамические особенности электромеханической системы электропривод - турбомеханизм - длинный трубопровод.

2.1. Модель длинного трубопровода.

2.2. Механизм возникновения колебаний напора и подачи в различных схемах трубопроводов и их параметры.

2.3. Влияние конструктивных и динамических параметров трубопровода на переходные процессы в САР электропривода.

2.4. Подходы к решению задач управления динамическими системами САР электроприводов турбомехаиизмов, работающих на длинные трубопроводы.

2.5. Выводы.

3. Синтез САР электропривод - турбомеханизм - длинный трубопровод.

3.1. Определение оптимального времени пуска-останова турбомеханизмов.

3.2. Методы настройки САР ЭП - турбомеханизм с учетом динамических параметров длинного трубопровода.

3.2.1. Передаточная функция системы турбомеханизм -трубопровод.

3.2.2. Графический и графоаналитический методы синтеза САР системы РЭП-НА-Т на основе ЛАФЧХ.

3.2.3. Метод синтеза САР системы РЭП-НА-Т на основе критерия Найквиста.

3.3. Выводы.

4. Финитное управление САР электропривод -турбомеханизм - трубопровод.

4.1. Финитное управление напором и подачей в начале длинного трубопровода.

4.2. Финитное управление САР электропривод - турбомеханизм -трубопровод при пуске и останове турбомеханизма.

4.3. Принципы построения САР с финитным управлением.

4.4. Структура САР с финитным управлением и ее элементы.

4.5. Методы настройки САР систем с финитным управлением.

4.6. Выводы.

5. Применение оптимальных фильтров в САР системы электропривод - турбомеханизм - трубопровод.

5.1. Синтез оптимальных фильтров для гашения шумов при использовании сигнала с датчика давления.

5.2. Синтез САР электропривод - турбомеханизм - трубопровод на основе метода оптимальной фильтрации Винера.

5.3. Выводы.

6. Разработка и внедрение финитного регулятора напора.

6.1. Условия применения финитного регулятора напора.

6.2. Принцип и особенности работы финитного регулятора напора.

6.3. Экспериментальные данные по внедрению финитного регулятора давления.

7. Технико-экономический анализ применения регулируемых электроприводов турбомеханизмов с финитным 108 управлением.

7.1. Технико-экономический анализ применения и выбор оптимальных систем регулируемых электроприводов с элементами финитного управления на насосной станции Камского водозабора.

7.2. Экономические предпосылки установки регулируемых электроприводов с финитным управлением на насосной станции №1 г.

Новочебоксарска.

Около 25% всей электроэнергии, вырабатываемой в Российской Федерации, расходуется электроприводами насосов и вентиляторов [40]. Поэтому их экономичность и техническое совершенство в значительной степени определяет рациональность использования электроэнергии. Экономичность электропривода определяется не только непосредственно его высокими энергетическими показателями, но и его регулировочными возможностями, что позволяет насосам и вентиляторам производить работу, необходимую по технологическим условиям с наименьшими энергетическими затратами.

К основным особенностям электроприводов насосов и вентиляторов с точки зрения условий работы относятся: квадратичная зависимость момента на валу двигателя от скорости вращения; длительный режим работы и отсутствие реверсов, торможений и перегрузок; ограниченный диапазон регулирования скорости вращения электродвигателя; стохастический характер возмущающего воздействия. Основными причинами, обуславливающими необходимость использования регулируемых электроприводов насосов и вентиляторов, являются:

1) стремление повысить эксплуатационный к.п.д. установок и реализовать энергосберегающие технологии;

2) необходимость повышения надежности оборудования, уменьшения затрат на его эксплуатационные расходы и ремонт;

3) переход от частичной к полной или комплексной автоматизации насосных станций по перекачиванию жидкостей и газов.;

4) исключение или снижение вероятности возникновения гидравлических ударов и волновых процессов в трубопроводах.

Наиболее важной предпосылкой применения регулируемых электроприводов (РЭП) насосов и вентиляторов является то, что их режимы работы в большинстве случаев остаются принципиально неопределенными, зависящими от многих факторов производственного или временного характера. Так, например, для насосов водоснабжения режимы работы определяются суточными и сезонными изменениями потребления воды как промышленными предприятиями, так и населением. В этих условиях оптимизация работы насосов и вентиляторов возможна только при регулировании скорости рабочего колеса турбомеханизма в автоматическом режиме.

Традиционные способы регулирования подачи насосов и вентиляторов следующие: регулирование подачи агрегата путем дросселирования напорных линий, ступенчатое изменение общего числа работающих агрегатов в зависимости от одного из технологических параметров - например напора на коллекторе или в другой точке сети, регулирование уровня в приемном или регулирующем резервуаре и др. При таких, а также некоторых других способах регулировании от 5 до 15%, а в отдельных случаях до 20 - 30% электроэнергии затрачивается нерационально [36] из-за потерь энергии в дросселирующем органе; создания избыточных напоров в трубопроводной сети; утечек и непроизводительных расходов в сети и у потребителя; увеличения геодезического подъема при откачке воды из резервуаров насосных станций и др. Кроме того, при ступенчатом регулировании изменением общего числа работающих агрегатов, частое включение-отключение электродвигателей приводит к преждевременному износу и выходу из строя практически всего оборудования насосных станций и трубопроводов. В электрической части возникают нежелательные броски токов и перегрев силового оборудования, в механической - пиковые крутящие моменты, в трубопроводах - превышения напора сверх потребного.

Рост числа регулируемых электроприводов насосов и вентиляторов в последние годы вызвано с одной стороны требованиями научно-технического прогресса в области энергосберегающих технологий и, поэтому, необходимостью автоматизации работы насосных станций и трубопроводов, а с другой стороны появлением частотнорегулируемых электроприводов большой мощности на базе относительно надежных элементов силовой электроники. В связи с этим возникает необходимость теоретических исследований в области систем управления РЭП насосных агрегатов и вентиляторов с учетом статических и динамических особенностей объекта управления - системы трубопроводов, а также разработка непосредственно регулятора напора с применением современных микро - ЭВМ. Одним из узких мест в практике эксплуатации длинных трубопроводов по транспортировке жидкостей и газов является проблема возникновения избыточных напоров и волновых процессов при пуске, останове насосов или компрессоров, изменении положения задвижек и расхода жидкости и газа в нагрузке. Подобные проблемы связаны с особенностью длинного трубопровода, представляющего собой динамическую систему с распределенными параметрами.

Системы, параметры которых зависят от пространственных координат, как известно, принято называть системами с распределенными параметрами. К ним относятся задачи, рассматриваемые в аэрогазодинамике, магнитоаэродинамике, теории упругих и пластических тел, строительной механике, энергетике, в частности, процессы в паровых котлах и атомных реакторах, в гидродинамических генераторах, длинных линиях электропередач, в газопроводах и нефтепроводах, в системах водоснабжения, и т.д.

Основная особенность этих объектов состоит в том, что они имеют пространственную протяженность и их состояние невозможно характеризовать заданием изменения координат объекта лишь только во времени. Современные системы управления обеспечивают регулирование переменной координаты, как правило, в одной точке пространственной протяженности объекта. При изменении состояния объекта в этой точке пространства возмущение начинает распространяться на оставшуюся часть объекта - начинается волновой процесс. Сам объект имеет ограниченные пространственные размеры и волна потока, достигающая границ объекта, отражается, вызывая колебания на всем протяжении объекта.

В работе представлены исследования динамичеких свойств системы регулируемого электропривода (РЭП) турбомеханизма, работающего на длинный трубопровод с учетом особенностей нагрузки, а также разработанная схема регулятора давления для управления этой системой и результаты его промышленной эксплуатации. При этом объект управления - длинный трубопровод при математическом анализе динамических свойств САР представлен в виде системы с распределенными параметрами.

Целью диссертационной работы являются теоретические исследования динамических режимов работы системы управления РЭП-ТМ-ДТ; теоретическое решение задач оптимизации систем управления координатами электропривода турбомеханизма с учетом динамических особенностей трубопровода, а также практическая реализация полученных результатов.

Задачи исследования:

1. Разработка математической модели системы РЭП-ТМ-ДТ с учетом динамических особенностей длинного трубопровода.

2. Определение формы и временных параметров функций задания напора в начале трубопровода для пуска, останова и регулирования производительности турбомеханизмов, работающих на длинные трубопроводы, которые позволили бы уменьшить и, по возможности, исключить возникновение колебательных процессов в трубопроводе.

3. Теоретическое обоснование предлагаемых методов расчета параметров регуляторов электроприводов турбомеханизмов, которые обеспечат работу систем без возбуждения колебательных процессов в трубопроводах.

4. Разработка и реализация системы управления электроприводами насосов и вентиляторов, работающих на длинные трубопроводы, которая позволила бы обеспечить работу этих систем без возникновения колебательных процессов независимо от параметров и конфигурации трубопроводов и случайных воздействий по управлению и по нагрузке.

Методы исследования. Исследование динамических режимов работы системы РЭП-ТМ-ДТ произведено на основе математического и физического моделирования. Настройка систем управления РЭП турбомеханизма с учетом параметров трубопровода произведена на основе частотных методов. Для определения принципов оптимального управления напором и подачей длинного трубопровода и способов построения систем оптимального управления электроприводом турбомеханизма применен метод финитного управления. Оптимизация регуляторов системы РЭП-ТМ-ДТ при наличии возмущающих воздействий со стороны трубопровода выполнена на основе теории оптимальной фильтрации Винера.

Научная новизна:

1. Разработана математическая модель исследуемой системы: регулируемый электропривод - турбомеханизм - длинный трубопровод с учетом характеристик турбомеханизма, параметров длинного трубопровода и коэффициента отражения волны давления от конца трубопровода.

2. Построены номограммы для расчета времени линейного изменения задания давления на входе САУ, а также для расчета частотными методами параметров регуляторов автоматической системы управления электропривода с учетом особенностей нагрузки в виде турбомеханизма и длинного трубопровода. Для САУ РЭП-ТМ-ДТ, имеющих возмущающие воздействия со стороны трубопровода, разработана методика синтеза на основе теории оптимальной фильтрации.

3. Разработана и теоретически обоснована система оптимального (финитного) управления напором в начале длинного трубопровода.

5.3. Выводы.

1. В системах автоматического регулирования электроприводами турбомеханизмов, работающих на длинные трубопроводы, где возможны возмущающие воздействия со стороны трубопровода, синтез САР целесообразно проводить по принципу построения оптимальных фильтров. Система управления, построенная таким образом, имеет оптимальные параметры регуляторов, исходя из критерия минимальной среднеквадратичной ошибки напора при гашении колебаний, вызванных возмущающими воздействиями, и отработке управляющего сигнала (тербуемом быстродействии системы).

2. В системах автоматического управления электроприводами насосов применение оптимальных фильтров также целесообразно для фильтрации полезного сигнала с датчика давления на фоне "шумов" трубопровода.

6. Разработка и внедрение финитного регулятора давления.

6.1. Условия применения финитного регулятора давления.

Финитный регулятор давления (ФРД) установлен на насосной станции №1 1-ой тепломагистрали ТЭЦ-3 г. Новочебоксарска. ФРД обеспечивает автоматическое поддержание давления на напорном коллекторе насосной станции с помощью управления двух частотно-регулируемых электроприводов (ЧРП) ЭТА 1-03.

Насосная станция №1 обеспечивает повышение давления в трубопроводах 1 -ой тепломагистрали и по назначению является подкачивающей. Упрощенная технологическая схема насосной станции приведена на рис. 6.1. Насосная станция имеет три насоса СЭ 1250.70-11, установленные параллельно. Насосы приводятся асинхронными электродвигателями А112-4М (320 кВт, 1500 об/мин). Постоянно в работе находятся не более двух насосов, один из которых не регулируемый. ФРД управляет одновременно двумя ЧРП, однако в работе, как правило, находится только один регулируемый насос.

Пьезометрический график первой тепломагистрали представлен на рис. 6.2. Давление в начале тепломагистрали поддерживается насосами ТЭЦ-3. По мере отбора горячей воды потребителями, а также вследствии потерь в трубопроводе давление в тепломагистрале падает. Насосная станция №1 вновь поднимает давление в трубопроводе тепломагистрали до нужного уровня, после чего вода идет далее к потребителям.

Горячая вода расходуется потребителями для отопления жилых и производственных помещений (в зимний период) и в качестве горячего водоснабжения. При этом вода, используемая в качестве отопительной, возвращается на ТЭЦ-3.

Упрощенная технологическая схема насосной станции У/ к Тэц-з от ТЭЦ-З он/600

ИжнжН

Пф50 n3/iS0 ефоо

Рис.6.1. Упрощенная технологическая схема насосной станции №1 первой тепломагистрали ТЭЦ-З г. Новочебоксарска.

Пьезометрический график прямой бетки тепломогисггрсми У/

Н, кгс/см2

Длина участка, м

Расчетный расход на участке

Рис.6.2. Пьезометрический график первой тепломагистрали ТЭЦ-З г. Новочебоксарска.

Схема начального участка теплосетей ТЭЦ-3 г. Новочебоксарска показана на рис. 6.3. От ТЭЦ-3 отходят три магистральных трубопровода тепловых сетей. Трубопровод 3-ей магистрали проложен над трубопроводом 2-ой магистрали. На каждой магистрале имеется насосная станция. Давление в первой магистрале поддерживается с помощью ЧРП, установленных на насосах 1-ой насосной станции. Давление в третьей магистрале поддерживается механическим регулятором давления, имеющим большую постоянную времени поддержания давления.

Особенностью схем систем теплоснабжения с точки зрения динамики их работы является то, что часть воды возвращается назад в начало магистралей (в данной схеме рис. 6.3 - на ТЭЦ-3). Таким образом, система трубопроводов образует замкнутый контур. Другой особенностью данной схемы рис. 6.3. является наличие трубопровода (вдоль ул. Восточная), который объединяет все три магистрали. В результате поддержания давления в начале магистралей на ТЭЦ-3 возникали колебания давления, вызванные изменением потребления горячей воды. При работе системы управления ЧРП, замкнутой по давлению, колебания усиливались и принимали затяжной характер. В результате быстрой реакции ЧРП на изменение давления происходило несогласование временных характеристик его работы и работы механического регулятора давления 3-ей тепломагистрили. Поэтому механический регулятор был неспособен регулировать давление. Для обеспечения стабильности давления в системе тепломагистралей и снижения уровня его колебаний на 1-ой насосной станции был установлен ФРД, который может работать как в режиме финитного управления напором, так и в режиме пропорционально-интегрального регулятора с большой постоянной времени.

Режим работы насосной станции зависит от расхода воды. Расход воды, используемой в системе горячего водоснабжения, зависит от времени суток, а расход воды на нужды отопления зависит от температуры атмосферного воздуха и самой горячей воды. Можно выделить три периода работы магистральных теплосетей в соответствии с временами года: зимний - когда кроме горячего водоснабжения подключено отопление; переходный (осенне-весенний) - когда происходит постепенное подключение (отключение) потребителей отопления, и летний - когда вода расходуется только для горячего водоснабжения. Кроме того можно выделить дневной и ночной режимы работы, обусловленные изменением потребления горячей воды в течении суток. Средние величины расхода воды и давления на всасывающем и напорном коллекторах насосной станции №1 в соответствии с режимом работы приведены в табл. 6.1.

Заключение.

В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований в области теории и расчета динамических режимов работы регулируемых электроприводов турбомеханизмов, работающих на длинные трубопроводы, были получены следующие результаты:

1. Получены передаточные функции длинного трубопровода, системы турбомеханизм - длинный трубопровод с учетом степени отражения волны от конца трубопровода. Исходя из передаточных функций, была получена модель системы РЭП - турбомеханизм - длинный трубопровод.

2. Показана и теоретически обоснована возможность возникновения колебаний напора с указанием их параметров в системе РЭП - турбомеханизм - длинный трубопровод для различных систем трубопроводов.

3. Даны рекомендации по времени изменения задания давления, а также по расчету частотными методами параметров регуляторов автоматической системы управления электропривода с учетом особенностей нагрузки в виде турбомеханизма и длинного трубопровода. Разработаны и теоретически обоснованы номограммы, рекомендованные для расчетной практики при определении параметров настройки регулятора давления в зависимости от параметров трубопровода.

4. Получены и теоретически обоснованы методы оптимального (финитного) управления напором в начале длинного трубопровода.

5. Теоретически обоснована целесообразность применения оптимальной системы автоматического управления напором для ряда трубопроводов и их систем. Создан, испытан и передан в эксплуатацию оптимальный (финитный) регулятор давления.

6. Разработана методика синтеза системы автоматического управления РЭП турбомеханизмов, работающих на длинные трубопроводы, на основе теории оптимальной фильтрации, где сама система автоматического управления РЭП представлена в качестве оптимального фильтра. Даны рекомендации по расчету фильтров «шумов» трубопровода.

По результатам работы можно сделать следующие выводы:

1. В быстродействующих системах регулируемого электропривода насосов и компрессоров, работающих на длинные трубопроводы, с целью избежания больших бросков напора по длине трубопровода следует по возможности снизить темп нарастания задания напора. Для электроприводов насосов, работающих на длинные трубопроводы с большим перепадом высот, целесообразно замыкание системы регулирования по подаче насоса.

2. В системах регулирования электроприводов насосов, работающих на длинные трубопроводы, для обеспечения благоприятного качества переходных процессов целесообразно использование пропорционально-интегральных регуляторов технологического параметра (напора или подачи), в которых постоянная времени регулятора практически линейно зависит от длины трубопровода.

3. Для управления напором в начале длинного трубопровода целесообразно применять финитное управление, которое обеспечивает практическое отсутствие колебаний напора по всей длине трубопровода. Такое управление осуществляется за время, кратное четырем периодам распространения волны напора из одного конца трубопровода в другой.

4. Для управления напором в трубопроводе с изменяющимися и неопределенными параметрами рекомендуется применять систему автоматического регулирования напора, построенную в соответствии с принципами финитного управления. Такая система препятствует возникновению колебаний напора при любых его изменениях, в том числе и при возмущениях, приходящих со стороны трубопровода.

5. В системах регулируемых электроприводов турбомеханизмов, работающих на длинные трубопроводы и имеющих возмущающие воздействия со стороны трубопровода, синтез системы автоматического управления целесообразно проводить по принципу посроения оптимальных фильтров Винера.

Результаты настоящей работы могут быть использованы при расчетах, проектировании и исследовании САР регулируемых электроприводов турбомехаиизмов, работающих на длинные трубопроводы. Они могут быть основой для разработки программ испытания реализованных САР электроприводов турбомехаиизмов, работающих на длинные трубопроводы, при вводе их в эксплуатацию.

1. Акуленко Л.Д., Михайлов С.А., Черноусько Ф.Л. Моделирование динамики манипулятора с упругими звеньями // Известия АН СССР. Механика твердого тела Москва, 1981. - С. 118-124.

2. Алферов В.Г., Ишханов П.Э., Хусаинов P.M. Введение прогнозирования в системы управления электроприводов позиционных механизмов // Вестник МЭИ 1996. - №2. - С.23-28.

3. Аракелян А.К., Шепелин А.В. К динамике режимов пуска и останова электропривода турбомеханизмов // Электричество. 1998. - №8. - С.35-42.

4. Аракелян А.К., Шепелин А.В. Системы автоматического управления электроприводов насосов, работающих на длинные трубопроводы. // Электричество. 2000. - №4. - С. 37-45.

5. Аракелян А.К., Шепелин А.В. О применении оптимальных фильтров в системах автоматического регулирования электроприводов насосов, работающих на длинные трубопроводы. // Электричество. 2000. Принята в печать.

6. Аракелян А.К., Шепелин А.В. О принципах построения систем автоматического управления электроприводами насосов, работающих на длинные трубопроводы. // Труды академии электротехнических наук Чувашской республики. 1999. - №1-2. - С .58-65.

7. Аракелян А.К., Тытюк В.К. Коммуникационная сеть как динамический объект в системах регулируемого электропривода турбомеханизма // Межвузовский сборник. Чебоксары, изд-во Чувашского государственного университета, 1991. - С.64-75.

8. Бодэ Г. Шеннон К. Упрощенное изложение линейной минимально-квадратичной теории сглаживания и предсказания. Сб. Теория информации и ее приложения. М.: Физматгиз, 1959.

9. Бутковский А.Г. Задачи финитного управления линейными системами с сосредоточенными параметрами. ДАН СССР. 1968. - т. 180. - №5.

10. Бутковский А.Г. Финитное управление линейными распределенными системами. ДАН СССР. 1969. - т. 188. - №3.

11. Бутковский А.Г. Финитное управление и управляемость в распределенных системах. ДАН СССР. 1969. - т. 188. - №4.

12. Бутковский А.Г., Красичков-Терновский И.Ф., Полтавский JI.H., Хургин Я.И. Задачи финитного управления // Тезисы докладов IV Всесоюзного совещания по автоматическому управлению. Кн.1. Москва. - 1968.

13. Бутковский А.Г., Полтавский JI.H. Финитное управление системами с распределенными параметрами // Автоматика и телемеханика. 1969. - №4.

14. Бутковский А.Г. Теория оптимального управления системами с распределенными параметрами. М.: Наука, 1965.

15. Бутковский А. Г. Методы управления системами с распределенными параметрами. М.: Наука, 1975. - 568 с.

16. Бычкова Е.В., Прудникова Ю.И. Обзор современных зарубежных преобразователей частоты и опыт их применения // Электротехника. 1995. -№ 7. - С.36-38.

17. Владиславлев А.С., Козобков А.А., Писаревский В.М. Пульсирующий поток газа в трубопроводах поршневых компрессорных машин. М.: изд-во ЦНИИТЭНефтехим, 1967.

18. Гинсбург И.П. Прикладная гидрогазодинамика. Л.: изд-во Ленингр. унта, 1958. - 337с.

19. Гладких П.А., Хачатурян С.А. Предупреждение и устранение колебаний нагнетательных установок. М.: Машиностооение, 1964. - 275 с.

20. Гусейнзаде М.А. Юфин В.А. Неустановившееся движение нефти и газа в магистральных трубопроводах. М.: Недра, 1981. - 232 с.

21. Донской А.Н., Лазарев С.А. Система имитационного моделирования ALMIK: Методические указания по моделированию САУ. Чебоксары: изд-во. ЧТУ, 1991.-36 с.

22. Жуковский Н.Е. О гидравлическом ударе в водопроводных трубопроводах. Избранные сочинения. Т.П. -М.: Гостехиздат, 1948. 422 с.

23. Иващенко Н.И. Автоматическое регулирование, теория и элементы систем. М. Машиностроение, 1978. - 736 с.

24. Инструкция по расчету экономической эффективности применения частотно-регулируемых электроприводов. Москва: Министерство топлива и энергетики РФ, 1997. - 12 с.

25. Ишханов П.Э. Совершенствование характеристик электропривода буровых установок. // Труды МЭИ, 1996. №647 - С.12-18.

26. Ишханов П.Э. Разработка систем управления с прогнозированием для электроприводов механизмов с распределенными параметрами: Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. тех. наук. -М.: МЭИ, 1996. - 20с.

27. Каганов З.И. Электрические цепи с распределенными параметрами и цепные схемы. М.: Энергоатомихздат, 1990. - 248 с.

28. Карелин В.Я., Минаев А.В. Насосы и насосные станции. М.: Стройиздат, 1986. - 320 с.

29. Картвелишвилли Н.А. Динамика напорных трубопроводов. М.: Энергия, 1979. - 224 с.

30. Красовский А.А., Поспелов Г.С. Основа автоматики и технической кобернетики. М.: Госэнергоиздат, 1962.

31. Красовский Н.Н., Моисеев Н.Н. Теория оптимальных управляемых систем // Техническая кибернетика. 1967. - №5.

32. Крейн М.Г., Нудельман А.А. Проблема моментов Маркова и экстремальные задачи. М.: Наука, 1973. - 551 с.

33. Ланда П.С. Автоколебания в распределенных системах. М.: Наука, 1983. - 320 с.

34. Лурье К.А. Оптимальное управление в задачах математической физики. -М.: Наука, 1975.

35. Лезнов Б.С. Экономия электроэнергии в насосных установках. М.: Энергоатомиздат, 1991. - 141 с.

36. Лезнов Б.С., Чебанов В.Б. Применение регулируемого электропривода в насосных установках систем водоснабжения и водоотведения // Электротехника. 1995. - № 7. - С.9-11.

37. Макаров И.М., Менский Б.М. Линейные автоматические системы (элементы теории, методы расчета и справочный материал). М.: Машиностроение, 1977. - 464 с.

38. Методические рекомендации по приближенному расчету эффективности применения регулируемого электропривода в насосных установках систем водоснабжения. М.: изд-во ВИЭСК, 1980.

39. Онищенко Г.Б., Юньков М.Г. Электропривод турбомехаиизмов. М.: Энергия, - 1972. 240 с.

40. Понтрягин Л.С., Болтянский В.Г., Гамкрелидзе Р.В., Мищенко Е.Ф. Математическая теория оптимальных процессов. М.: Физматгиз, 1961.

41. Рэлей Д.В. Теория звука. Т.Т. I и II. М.: Гостехиздат, 1955.

42. Рассудов Л.Н., Мядзель В.Н. Электроприводы с распределенными параметрами механических элементов. Л.: Энергоатомиздат, 1987. -144 с.

43. Рассудов JI.H., Мядзель В.Н. О динамике САР скорости следящего электропривода при наличии упругого звена с распределенными параметрами // Электричество. 1981.- №9. - С.34-37.

44. Рассудов JI.H., Мядзель В.Н., Мамаев С .Г. Аппроксимация математических моделей объектов управления с распределенными параметрами в системах, содержащих автоматизированные электроприводы // Электронное моделирование. 1983. - №1. - С. 16-20.

45. Регулируемый электропривод насоса котлоагрегата ТЭЦ / Александров М.А., Аракелян А.К., Виндберг О.А. и др. // Электрические станции. 1996. -№3.-С. 38-46.

46. Сиразетдинов Т.К. Оптимизация систем с распределенными параметрами.- М.: Наука, 1977. 480 с.

47. Теория автоматического управления. Ч. II. Теория нелинейных и специальнаы систем автоматического управления. Под ред. А,А, Воронова.- М.: Высшая школа, 1977. 288 с.

48. Теория автоматического управления. Под ред. А,С, Шаталова. М.: Высшая школа, 1977. - 448 с.

49. Тимошенко С.П. Колебания в инженерном деле. М.: Наука, 1967. -444 с.

50. Фельдбаум А.А. Основы теории оптимальных автоматических систем. -М.: Наука, 1966. 623 с.

51. Фельдбаум А.А., Бутковский А.Г. Методы теории автоматического управления. М.: Наука, 1971. - 743 с.

52. Хачатурян С.А. Волновые процессы в компрессорных установках. М.: Машиностроение, 1983. - 223 с.

53. Цыпкин ЯЗ. Основы теории обучающих систем. М.: Наука, 1970.

54. Чарный И.А. Неустановившееся движение реальной жидкости в трубах. -М.: Недра, 1951.-223 с.

55. Чаронов В.Я., Шепелин А.В., Алатырев Е.М. Регулируемый электропривод насосных агрегатов систем водо и теплоснабжения городов. Альметьевск, - изд-во ОАО «Татнефть», 1998.- 80 с.

56. Чаронов В.Я., Шепелин А.В. Об экономической эффективности применения регулируемых электроприводов насосных агрегатов линии Камского каскада // Нефть Татарстана. 1998. - №2. - С.59-61.

57. Чугаев P.P. Гидравлика. Техническая механика жидкости. Л.: Энергия, 1975.- 600с.

58. Шепелин А.В. Управление насосами, работающими на длинные трубопроводы с учетом их параметров // Вестник чувашского университета. -1998.-№1-2.- С.151-168

59. Юдин В.И. Анализ колебаний стрелы манипулятора // Прикладная механика. 1980. - №10. - С. 108-115.

60. Яворский В.Н., Макшанов В.И., Ермолин В.П. Проектирование нелинейных следящих систем с тиристорным управлением исполнительным двигателем. Л.: Энергия, 1978. - 208 с.