автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.18, диссертация на тему:Разработка математического и программного обеспечения расчетов динамики систем управления, элементов реакторных и других установок

СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

ВВЕДЕНИЕ

1. АНАЛИЗ ПРОГРАММНЫХ КОМПЛЕКСОВ ДЛЯ АВТОМАТИЗАЦИИ ДИНАМИЧЕСКИХ РАСЧЕТОВ

2. МЕТОДИКА СТРУКТУРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

2.1. Формирование структурной схемы динамической системы

2.2. Анализ структурно заданной модели динамической системы

2.3. Особенности библиотек типовых блоков

2.4. Обеспечение открытости библиотеки математических моделей

2.5. Средства управления и отображения 53 Выводы

3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ СИСТЕМ

3.1. Математическое описание объекта исследования

3.2. Стандартные явные методы интегрирования

3.3. Модифицированные явные методы интегрирования

3.4. Адаптивные явные методы интегрирования

3.4.1. Описание адаптивного явного алгоритма интегрирования

3.4.2. Характеристики адаптивных явных методов интегрирования

3.5. Модифицированный метод Гира

3.6. Адаптивные неявные алгоритмы интегрирования

3.7. Методика вычисления коэффициентов матриц Якоби

3.8. Сравнительный анализ различных алгоритмов интегрирования 81 Выводы

4. ОПТИМИЗАЦИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ СИСТЕМ 90 4.1. Задача параметрической оптимизации

4.2. Алгоритм Поиск

4.3. Алгоритм Поиск

4.4. Алгоритм SIMPLEX

4.5. Пример решения задачи оптимизации 101 Выводы

5. МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ЯЭУ

5.1. Основные физические процессы в ЯЭУ

5.2. Модели нейтронной кинетики

5.3. Модели процессов теплообмена в элементах конструкции

5.4. Модели теплогидравлики 116 Выводы

6. ТЕСТИРОВАНИЕ И АПРОБАЦИЯ ПК "МВТУ"

6.1. Тестирование программного комплекса

6.2. Использование ПК при модернизации системы тепловой автоматики в КМПЦ реакторов РБМК-1000 ЛАЭС

6.3. Апробация ПК при обосновании безопасности АС "Унитерм"

6.3.1. Общие сведения по АС "Унитерм"

6.3.2. Реализация структурной схемы АС "Унитерм" в ПК "МВТУ"

6.3.3. Выбор предельной скорости маневрирования

6.3.4. Маневрирование до уровня собственных нужд и обратно

6.3.5. Аварийное отключение насоса питательной воды

6.3.6. Аварийное отключение турбогенераторной части нагрузки

6.3.7. Аварийное отключение теплофикационной части нагрузки

6.4. Использование ПК для моделирования следящих приводов

6.4.1. Математическая модель следящего привода

6.4.2. Моделирование непрерывного следящего привода

6.4.3. Моделирование цифрового следящего привода

СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ х - переменная состояния; пространственная координата; и - вход в блок; у - выход блока;

И - шаг интегрирования по времени, сек; 8 - локальная относительная погрешность; I - якобиан; I - единичная матрица; р - реактивность; плотность, кг/м;

X - постоянная распада ядер-предшественников запаздывающих нейтронов,

1/с; коэффициент теплопроводности, Вт/м-К; собственное число матрицы; ср - удельная изобарная теплоемкость, Дж/кг-К; а - коэффициент теплоотдачи, Вт/м2К;

§ - напряженность гравитационного поля, м2/с; Р - давление, Па; Т - температура, °С; р - доля запаздывающих нейтронов; 0 - энерговыделение, Вт; д - объемное энерговыделение, Вт/м;

V - объем, м

Сокращения

АДР - автоматизация динамических расчетов; АСУ ТП - автоматизированная система управления технологическим процессом;

ДАУ - дифференциально-алгебраические уравнения; "МВТУ" - "Моделирование в технических устройствах";

ЛАУ - линейные алгебраические уравнения;

НАУ - нелинейные алгебраические уравнения;

ОДУ - обыкновенные дифференциальные уравнения;

ПК - программный комплекс; lllil 1 - пакет прикладных программ;

РУ - реакторная установка;

САР - система автоматического регулирования;

САУ - система автоматического управления;

СУ - система управления;

ТАР - теория автоматического регулирования; твэл - тепловыделяющий элемент;

ЭВМ - электронная вычислительная машина;

ЯЭУ - ядерная энергетическая установка.

DLL - динамическая библиотека (dynamic link library);

SCADA - Supervisary Control And Data Aquisition.

Динамические расчеты занимают важное место в проектном обосновании технических систем. Они включают в себя разнообразные исследования, такие как моделирование различных переходных процессов в установке, анализ возможных сценариев развития аварийных ситуаций и выработка мер их предупреждения, анализ устойчивости и качества выбранной структурной схемы системы управления (СУ), сопоставление показателей качества СУ с заданными, выбор и расчет корректирующих устройств, с помощью которых достигается заданное качество системы управления объектом и т.п. Таким образом, в понятие "динамические расчеты" входят как методы анализа и моделирования рабочих процессов в установке, так и различные методы синтеза СУ, их параметрической оптимизации, идентификации и другие, помогающие создавать системы управления, влиять на их свойства.

Создание программ для динамических расчетов сложных технических систем, к которым, несомненно, относятся тепловые и ядерные энергетические установки, объекты авиационной, космической, химической, газовой и других отраслей, требует значительных временных и трудозатрат (десятки и сотни человеко-лет). Вплоть до 90-х годов в этих отраслях доминировал подход, когда для каждого типа проектируемой технической системы разрабатывалась специализированная динамическая программа. К основным общим недостаткам таких программ можно отнести:

- сложность в эксплуатации - подготовка исходных данных, проверка корректности их задания, анализ полученных результатов представляет собой трудоемкий процесс, требующий больших временных затрат и высокой квалификации Пользователя при эксплуатации этой программы;

- плохая адаптируемость - любое изменение конструктивных решений, математических моделей тех или иных процессов, потребность учесть новые факторы требует изменения расчетной программы на уровне исходных текстов;

- отсутствие гибкости к структуре и составу технической системы -большинство программ жестко привязаны к составу и топологии системы.

В связи с вышеизложенным с конца 80-х годов во всем мире стали уделять большое внимание созданию систем автоматизации динамических расчетов (АДР). Наиболее важным признаком автоматизации является удобство собирания из разнообразных модулей, каждый из которых решает ту или иную небольшую задачу, некоторой единой системы, решающей задачу более высокого уровня. В идеале полная программа расчета динамики

- это многомерная сеть, в узлы которой автоматически подаются нужные программные модули из библиотеки моделирующих программ. В ней предусмотрена возможность расширения, замен и улучшения общей структуры и отдельных модулей.

Инструментальные средства для автоматизации динамических расчетов сложных технических систем позволяют в десятки раз сократить время от разработки математической модели объекта до получения результатов моделирования; повысить надежность результатов расчетов; благодаря многовариантному анализу оптимизировать полученные решения, а также дают возможность проектировщику сосредоточиться на решении основной задачи и гораздо меньше отвлекаться на разработку программ и алгоритмов. Именно в системах АДР появляется реальная возможность ясного вмешательства в те или иные фрагменты процесса счета и его изменения в соответствии с желанием исследователя (в том числе и в режиме "on-line").

Наиболее общим подходом к созданию систем АДР, охватывающих очень широкий спектр областей применения от технических до организационных, следует считать развитие структурных методов моделирования [1.3]. К настоящему времени за рубежом и в РФ разработано немало разнообразных инструментальных средств для анализа на ЭВМ динамических систем, в основе которых лежит метод структурного моделирования. Большинство из них представляет собой универсальные программы с библиотеками типовых модулей общетехнического профиля.

Анализ отечественных программных комплексов (ПК), созданных на рубеже 90-х годов (СИАМ [4], МОДС [5], Экспресс-Радиус [6,7], МАСС [8] и др.), показывает, что хотя в них в той или иной степени и реализуются современные методы структурного моделирования, однако область их применения ограничивается относительно небольшими (до нескольких сотен блоков) системами автоматического управления (САУ). Все эти ПК, функционирующие в среде MS DOS, не отвечают современным требованиям к системам АДР как по техническим возможностям, так и по интерфейсу Пользователя. Ограниченная открытость, одноуровневый подход к созданию структурных схем, отсутствие операций с векторными сигналами, недостаточная эффективность численных алгоритмов, характерные для этих систем, не позволяют формировать и проводить последующий анализ топологически сложных структурных схем большой размерности (сотни и тысячи блоков, сигналов, параметров), к которым сводятся многие задачи исследования динамики сложных технических систем на макроуровне.

Известные зарубежные ПК, например, SIMULINK [9, 10], CTRL-C, MATRIXx [1], VisSim [11] лишены большинства вышеуказанных недостатков. Тем не менее, необходимость обеспечения независимости России на рынке высоких технологий, особенно в стратегически важных отраслях, сложность решения правовых вопросов при использовании зарубежных технологий, относительно высокая стоимость зарубежных ПК оставляют актуальной проблему создания современных отечественных средств автоматизации динамических расчетов. В подтверждение этому можно привести выдержку из Приказа Министра по атомной энергии РФ № 804 от 09.12.98 г. "О

10 создании Отраслевого центра Минатома России по расчетным кодам для АЭС и реакторных установок": Использование западных расчетных кодов ограничено по следующим причинам: во-первых, они не адаптированы к Российским реакторным установкам; во-вторых, в них отсутствует полная база данных по свойствам материалов, фазовым диаграммам, кинетическим коэффициентам; в-третьих, ограничено коммерческое использование этих расчетных кодов для проектов отечественных энергоблоков; в-четвертых, дальнейшее ориентирование на западные коды приведет к потере научной и экономической независимости отрасли."

Учитывая вышеизложенное, целью настоящей работы являлась разработка математического и программного обеспечения для автоматизации исследований динамических процессов в системах автоматического управления (САУ), в элементах ядерных и тепловых энергоустановок, в любых технических системах, описание динамики которых может быть реализовано методами структурного моделирования.

ВЫВОДЫ

1. Разработана методика структурного моделирования динамических систем, элементы которых описаны входо-выходными отношениями. В методике:

- предложен метод формирования и последующего анализа топологически сложных структурных схем большой размерности;

- предложен способ автоматического получения математической модели объекта в виде системы дифференциально-алгебраических уравнений;

- разработан алгоритм, позволяющий диагностировать наличие и определить состав алгебраических контуров, минимизировать размер системы нелинейных алгебраических уравнений, решаемой при развязке контуров;

- разработан алгоритм численного расчета якобиана, учитывающий разреженность матрицы связей в графе структурной схемы.

2. Создана библиотека математических моделей, описывающих: динамику типовых элементов САУ; нестационарные процессы нейтронной кинетики, теплообмена и теплогидравлики в элементах ЯЭУ в рамках сосредоточенного представления.

3. Разработаны численные алгоритмы, обеспечивающие: моделирование динамических процессов в непрерывных, дискретных и гибридных системах; параметрическую оптимизацию и идентификацию данных.

4. Разработанные методики и алгоритмы реализованы в ПК "МВТУ", который использован при расчетных обоснованиях: проекта модернизации системы тепловой автоматики реакторов РБМК; ядерной безопасности АС "Унитерм" в переходных режимах и в проектных аварийных ситуациях; при разработке динамической модели АСУ ТП реального времени энергоблока АЭС "Бушер".

1. Автоматизированное проектирование систем управления / Под ред. М.Джамшиди; Пер. с англ. -М.: Машиностроение, 1989. 344 с.

2. Бусленко Н.П. Моделирование сложных систем. -М.: Наука, 1978. 355 с.

3. Дорри М.Х. Некоторые тенденции развития автоматизированных систем управления технологическими процессами и их влияние на системы управления АЭС // Вопросы атомной науки и техники. -М., 1996.-С. 3-17. (Сер. Физика ядерных реакторов; Вып. 3).

4. Фаронов В.В. Система автоматизированного проектирования СИАМ: Методическое пособие к лабораторным работам по курсу "Основы автоматизированного проектирования САУ". -М.: МГТУ, 1991. -30 с.

5. Максимов А.И., Наконечный A.B., Скворцов JI.M. Исследование нелинейных систем управления с помощью ЭВМ. -М.: МВТУ, 1984. -26с.

6. Дорри М.Х., Рощин A.A. Инструментальные средства "Экспресс-Радиус" для автоматизации динамических расчетов систем управления. //Приборы и системы управления. -1996. -№ 8. -С. 7-10.

7. Дорри М.Х., Рощин A.A. Инструментальные средства "Экспресс-Радиус" в учебном процессе // Приборы и системы управления. -1997. -№3. -С. 28-31.

8. Чхартишвили Г.С., Афоненков С.А., Артюхов О.И. Инструментальное средство автоматизации моделирования и проектирования динамических систем. -М.: МЭИ, 1997. -28 с.

9. Потемкин В.Г. Система MATLAB: Справочное пособие. -М.: ДИАЛОГ-МИФИ, 1997. -350 с.

10. Simulink: The Ultimate Simulation Environment. -NatickjfMassachusetts^ Math Work Inc., 1995.-89 p.

11. Nicholas M. Karayanakis. Computer-Assisted Simulation of Dynamic Systems with Block Diagram Languages /,CRC Press, 1993. 354 p.

12. Иванов М.А., Климачев С.Н. Автоматизированное проектирование систем управления: состояние, проблемы, перспективы // Информатика за рубежом: Обзорный вып. -1990. -№ 5. -С. 17-22.

13. Mitchell Е.Е. Gauthier J.S. Advanced Continuous Simulation Language (ACSL) // Simulation. -1978. -V.26, № 3. -P. 3-5.

14. Густомясов A.H., Трудоношин В.А. Автоматизированный расчет на ЭВМ гидромашин и гидроприводов // Вестник МГТУ. Приборостроение. -1991. -№ 2. -С. 29-37.

15. Системы автоматизированного проектирования: В 5 т. / Под ред. И.П. Норенкова. -М.: Высшая школа, -^1цформационное и прикладное программноеобеспечение. -1988. -Т. 3^-160 с.

16. Курдюк С.А., Шмелев E.H. Особенности формирования математических моделей технических объектов средствами программного комплекса PRADIS // Информационные технологии. -1996. -№ 3. -С. 14-19.

17. The Software is the Instrument: Instrumentation Catalogue. -Austin: National Instruments,-U.S. Corporate Headqwarters, 1998. -476 p.

18. Анзимиров JI.B. Трейд Моуд 4.10: инструмент разработки АСУ ТП верхнего уровня // Приборы и системы управления. -1994. -№ 12. -С. 2-5.

19. Инструментально-программные средства для разработки систем управления АЭУ / В.Н.Зимаков, А.И.Колесников, В.П.Черных и др. // Вопросы атомной науки и техники. -М., 1996.-С. 26-33. (Сер. Физика ядерных реакторов; Вып. 3).

20. Крутько П.Д., Максимов А.И., Скворцов JIM. Алгоритмы и программы проектирования автоматических систем / Под ред. П.Д.Крутько. -М.: Радио и связь, 1988. -306 с.

21. Бессекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. -М.: Наука, 1975. -768 с.

22. Шляндин В.М. Элементы автоматики и телемеханики. -М.: Оборонгиз, 1954.-273 с.

23. Flannery В.Р., Teukolsky S.A., Vetterling W.T. Numerical Recipes. Cambridge: Cambridge University Press, 1986. -302 p.

24. Колдербэнк F.P. Программирование на Фортране: Фортран-66 и Фортран-77. -М.: Радио и связь, 1986. -256 с.

25. Форсайт G.V. Машинные методы математических вычислений. -М.: Мир, 1980.-194 с.

26. Gear C.W. Numerical solution of ordinary differential equations: is there anything left to do ? // SIAM Reviev. -1981. -V. 23, No. 1. -P. 123-137.

27. Ракитский Ю.В., Устинов C.M., Черноруцкий И.Г. Численные методы решения жестких систем. -М.: Наука, 1979. -193 с.

28. Штеттер X. Анализ методов дискретизации для обыкновенных дифференциальных уравнений. -М.: Мир, 1978. -265 с.

29. Fowler М.Е., Warten R.M. A numerical integration technique for ordinary differential equations with widely separated eigenvalues // IBM J. Res. and Development. -1967. -V. 11, No. 5. -P. 37-45.

30. Бобков В.В. Об одном способе построения методов численного решения дифференциальных уравнений // Дифференциальные уравнения. -1983. -Т. 19, №7.-С. 12-15.

31. Кудрявцев К.Я., Чалый В.Д. Операционные методы цифрового моделирования динамических систем // Электронное моделирование. -1987-№ 1.-С. 43-49.

32. Скворцов Л.М. Расчет на ЭВМ линейных САУ. -М.: МВТУ. 1987. -37с.

33. Liniger W., Willoughby R.A. Efficient integration methods for stiff systems of ordinary differential equations // SIAM J. Analys. -1970. -V.7, No. 1. -P. 7-11.

34. Brandom D.M. A new single-step integration algorithm with A-stability and improved accuracy // Simulation. -1974. -V. 32, No. 1. -P.46-54.

35. Дуракова B.K., Новиков B.A., Новиков E.A. Явные методы типа Рунге-Кутта первого порядка точности с заданным размером интервала устойчивости // Ж. вычисл. мат. и мат. физ. -1988. -Т. 28, № 4. -С. 1-7.

36. Заворин А.Н. Применение нелинейных методов для расчета переходных процессов в электрических цепях // Изв. вузов. Радиоэлектроника. -1983. -Т.26, № 3. -С.37-39.

37. Крылов В.И., Бобков В.В., Монастырный П.И. Вычислительные методы. -М.: Наука, 1976.-198 с.

38. Деккер К., Вервер Я. Устойчивость методов Рунге-Кутты для жестких нелинейных дифференциальных уравнений. -М.: Мир, 1988. -293 с.

39. Чуа JI.O., Лин Пен-Мин Машинный анализ электронных схем: Алгоритмы и вычислительные методы. -М.: Энергия, 1980. -640 с.

40. Тьюарсон Р. Разреженные матрицы. -М.: Мир, 1977. -189 с.

41. Брамеллер А., Аллан Р., Хэмэм Я. Слабозаполненные матрицы: Анализ электроэнергетических систем: Пер. с англ. -М.: Энергия, 1979. -192 с.

42. Эстербю О., Златев 3. Прямые методы для разреженных матриц: Пер. с англ. -М.: Мир, 1987. -120с.

43. Следящие приводы, В 3 т., 2-е изд., доп. и перераб. / Под ред. Б.К.Чемоданова. -М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1999. -Т.1. -904 с.

44. Батищев Д.И. Методы оптимального проектирования. -М.: Радио и связь, 1984. -248 с.

45. Химмельблау Д. Прикладное нелинейное программирование. -М.: Мир, 1975. -534 с.

46. Хетрик Д. Динамика ядерных реакторов. -М.: Атомиздат, 1975. -413 с.

47. Саркисов A.A. Пучков В.Н. Физические основы эксплуатации ядерных паропроизводящих установок. -М.: Энергоатомиздат, 1989. 504 с.

48. Лыков A.B. Тепломассообмен -М.: Энергия, 1978. 480 с.

49. Карслоу Г., Егер Д. Теплопроводность твердых тел. -М.: Наука, 1964. -487 с.

50. Андерсон Д., Таннехилл Дж., Плетчер Р. Вычислительная гидромеханика и теплообмен: Пер. с англ. М.: Мир, 1990. -Т.1. -267 с.

51. Трусов Б.Г. Термодинамический метод анализа высокотемпературных состояний и процессов и его практическая реализация. Дисс. . докт. техн. наук -М., 1984. -292 с.

52. Кириллов ПЛ., Юрьев Ю.С., Бобков В.П. Справочник по теплогидравлическим расчетам: Ядерные реакторы, теплообменники, парогенераторы / Под общ. ред. ПЛ. Кириллова. -М.: Энергоатомиздат, 1984.-296 с.

53. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. -М. -Л.: Госэнергоиздат, 1960. 395 с.

54. Huseyin Kosak. Differential and difference equations through computer experiments. -New York, 1986. -174 p.

55. Алексаков A.H., Николаев E.B., Подлазов Л.Н. Анализ причин возникновения режима автоколебаний в автоматическом регуляторе мощности реактора / / Атомная энергия. -1991. -Т. 71, вып. 2. -С. 8-11.

56. Кутузов С.А., Осипков Л.П. Двухкомпонентная модель гравитационного поля Галактики // Астрономический журнал. -1989. -Т. 66, № 5. -С. 965-974.

57. Расчет режимов работы реакторной установки АС "Унитерм": Отчет № 090-ОТ-4818 / НИКИЭТ. Руководитель темы: Адамович Л.А., инв. № Д9-381.-М., 1995.-57 с.

58. Разработка программного комплекса для моделирования динамики ядерных энергетических установок: Отчет по теме № ФЭ-701 / МГТУ. Руководитель темы: Козлов О.С., инв. № 12/96. -М., 1996. -87 с. -д.с.п.1. БИБЛИОТЕКА ИСТОЧНИКИ

59. Пиктограмма Название блока Назначение

60. Ф Модельное время Сигнал модельного времени

61. Константа Постоянный сигналг Ступенчатое воздействие Ступенчатое воздействиел Многоступенчатое воздействие Сигнал таблично заданная многоступенчатая функция от времени

62. Синусоидальное воздействие Синусоидальное воздействие

63. ЕХР Экспоненциальное воздействие Экспоненциальное воздействие

64. Ж Нормальный шум Нормальный шум

65. Равномерный шум Равномерный шум1. Пила Пила

66. Ч Обратная пила Обратная пила

67. V' Треугольное воздействие Треугольное воздействие1ПГ Меандр Меандр1. БИБЛИОТЕКА ДАННЫЕ

68. Пиктограмма Название блока Назначение

69. Временной график Построение графиков зависимостей входных сигналов как функций времени

70. Фазовый портрет Построение графиков зависимостей входных сигналов на фазовой плоскости

71. Пространственный график Построение пространственных графиков

72. Запись в файл Сохранение входных сигналов в текстовом файле

73. Считывание из файла Считывание одномерной временной таблицы из текстового файла

74. Считывание из таблицы Считывание одномерной таблицы из текстового файла