автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Развитие методов автоматизированной настройки систем регулирования теплоэнергетических объектов

На правах рукописи

ГРЯЗНОВ ИГОРЬ ЕВГЕНЬЕВИЧ

РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ НАСТРОЙКИ СИСТЕМ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ

Специальность 05.13.07 - Автоматизация технологических процессов

и производств (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации иа соискание ученой степени кандидата Технических наук.

Москва. 1998 г

Работа выполнена на кафедре автоматизированных систем управления тепловыми процессами Московского энергетическою института (технического университета).

Научный руководитель: кандидат технических наук

Кузищин В.Ф. Официальные оппоненты, доктор технических наук

Ицкович Э. Л. кандидат технических наук Биленко В. А.

Ведущая организация: ИД АО «Иркутскэнерго».

Чащита состоится " ^/У " ич^р 1998 г. в /Учас мин, в

аудитории на заседании диссертационного совета К.053.16.01

при Московском энергетическом институте (техническом университете).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского энергетического институте.

Ваш отзыв в двух экземплярах, заверенный печатью организации, просим направлять по адресу: 111250 Москва, Красноказарменная ул., д. 14, Ученому секретарю института.

Автореферат разослан " " 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

К.053.16.01 А.

к.т.н, с.Н С.

Андрюшин А.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность работы. Одной из важнейших задач интенсификации производства является ускорение разработки и внедрения автоматических систем управления как составной части технологических процессов. Известно, что ввод в эксплуатацию систем управления современными сложными технологическими процессами, как правило, занимает относительно много времени, требуя для своего выполнения больших контингентов пусконаладочного персонала.

Процесс настройки не должен сопровождаться сильными нарушениями нормального режима работы объекта. Он должен допускать полную или частичную автоматизацию, поскольку число подлежащих настройке систем достигает порядка десятков и пусконаладочный персонал не в состоянии квалифицированно выполнить необходимый объем работ традиционными методами.

Требования, предъявляемые к качеству настройки систем на стадии ввода их в действие, значительно более жесткие, чем на стадии проем нрования, что требует использования оптимизационных или адашиинмх методов настройки. Кроме того, динамические свойства как обьекта управления, так и управляющих -элементов меняются во времени, что может потребовать соответствующей подстройки системы в процессе ее эксплуатации.

Для широкого внедрения методов автоматизированной настройки II нрамнку авюмашзацпи 10x1101101 нчеекпх процессом в 1е1шо>нер1стике требуется решить ряд вопросов как практического, 1лк и методического характера.

И первую очередь, необходимо оцепить применимость и эффективность алгоритмов автоматизированной настройки регуляторов (АНР) для всех разновидностей систем регулирования, используемых в АСУ ТП теплоэнергетических объектов с учетом их динамических характеристик.

В связи с тем. что алгоритмы АНР предусматривают выполнение активного эксперимента, связанного с некоторыми нарушениями режима эксплуатации объекта, необходимо свести к минимуму эти нарушения. Это можно сделать путем наиболее рациональной организации экспериментальных работ за счет предварительной настройки самого алгоритма АНР с учетом особенностей динамики конкретных участков регулирования и структуры системы.

Кроме того, необходимо дать методические рекомендации, каким образом следует настроить сам алгоритм АНР для наиболее эффективной работы на конкретной системе регулирования с учетом принадлежности ее к определенному типу.

Применение микропроцессорных контроллеров с их возможностью гибкого изменения алгоритма функционирования позволяет в ряде случаев видоизменить ставшие традиционными структуры систем регулирования с целью повышения эффективности их настройки и эксплуатации.

Следует заметить, что разработанные к настоящему времени алгоритмы автоматизированной настройки систем регулирования обоснованы лишь для линейных систем, в связи с чем остается неясным влияние нслинейностей. присущих реальным системам регулирования, на роультат насгройки и качество работы АСР после настройки.

Цель работы. Целью настоящей работы является анализ и дальнейшее развитие методов автоматизированной настройки регулирования действующих систем с учетом их конкретных особенностей.

Для достижения данной цели поставлены и решаются следующие задачи:

1) Рассмотрение общих вопросов алашишшго управления, обзор и oiibii применения промышленных нзделнн Анализ методов апюмапннрошншон и ашомашчсскон настройки и их сравнительный анаши.

2) Оценка и анализ динамических харакк'рпстнк основных участков теплоэнергетических установок и определение их влияния на ошпмальные параметры, получаемые с использованием косвенных пока кислен опшмалыюсти.

>) Анализ раГкны систем ршулпронаннн по усредненным и уточненным показателям ошималыюсти.

-I) Особенности ашомлштированной настройки систем peí ушрошншя с учетом нелинейное!ей регулирующей аннара1уры.

5)Oiii.ii применения микропроцессорных контроллеров Протар в промышленных схемах.

11аучиая новизна:

1. Разработана методика уточнения косвенных показателей оптимальности по динамическим характеристикам объектов, и методика расчета параметров настройки, получаемых при заданных косвенных показателях.

2. Разработаны рекомендации по уточнению показателей оптимальности для ряда теплотехнических объектов, в частности, для парового котлоагрегата БКЗ-75/39. водогрейного котлоагрегата КВ-ТК-100-150. водогрейного котлоагрегата KB-TC-20-I50 по следующим кон i урам регулирования:

■ регулирование давления пара в паросборнике котла (изменение подачи топлива в котел - изменение давления пара в паросборной камере); и регулирование температуры аэросмеси (изменение положения шибера на линии расхода первичного воздуха - изменение температуры аэросмеси); и регулирование содержания кислорода в уходящих газах (изменение положения направляющего аппарата вентилятора -изменение содержания кислорода в уходящих газах); в регулирование тепловой нагрузки (изменение подачи топлива -

изменение тепловой нагрузки котла); о регулирование - температуры воздуха перед

воздухоподогревателем (изменение положения шибера на линии рециркуляции - изменение температуры воздуха перед воздухоподогревателем).

3. Получены экспериментальные динамические и статические характеристики основных участков рассмотренных теплоэнергетических установок. Представлены их апроксимирующие передаточные функции. Произведен анализ динамических харакзеристик с целью учета их в АНР. Показано, что показатель класса обьектов тЛ" в общем достаточно широк, диапазон его изменения от 0.04 до 0.44.

4. Проведена серия экспериментов на водогрейном котле КВТК-100-150 по настройке контура тепловой нагрузки с использованием усредненных и уточненных показателей оптимальности. Результаты сравнения переходных процессов показывают, что уточнение косвенных показателей дает заметное улучшение качества регулирования.

Даны методики и проведены эксперименты на котлоагрегате БЮ-75/39 по настройке с использованием уточненных косвенных показателей оптимальности типовой трехимпульсной схемы регулирования уровня и барабане. дпухкотурной схемы peí улпровапия температуры nepei peioi о пара с поверхностным плроохладп 1СИСМ.

Даны рекомендации но настройке данных ЛС'Р.

5. Проведен анализ эффективности компенсации люфга при рлГнме ЛИР. как на модели. 1ак и па реальных объектах.

6. Проведены эксперименты по влиянию косвенною показателя оптимальности 1/Г„ на качество работ системы peíуниропанпя с люфтм. Даны рекомендации по коррекции косвенных показателей при наличии люфт.

С гепень достоверное ги:

Обоснованной ь научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертационной рабо1е, подтверждается корректным использованием аппарата теории автоматического управления. Практическая применимость разработанных методов подтверждается отсутствием противоречий между результатами расчетов и результатами экспериментов.

Апробация работы и публикации.

Основные результаты диссертационной работы докладывались на технических советах и совещаниях АО "Иркутскэнерго". Иркутск, 1993-1996гг. По материалам диссертации опубликована печатная работа: Кузищнн В. Ф.. Зверьков В. П.. Грязнов И. Е. Применение про1 раммируемых приборов Протар в системах автоматического регулирования барабанных котлов //Теплоэнергетика. 1995 г. N10. С.30-37.

Практическая ценность работы.

Выполненные теоретические и экспериментальные исследования привели к дальнейшему развитию методов автоматизированной настройки. Представленные в работе технические решения и рекомендации Пыли использованы предприятием "Северные тепловые сети". Иркутской ТЭЦ-5 при создании систем авюма 1Ическо1 о регулирования котлов ЬК'3-75/39 и К ВТК-100-150. Разработанные схемы и алгоритмы позволили улучшить технико-экономические показатели котлоагрегатов, снизили аварийность.

Личный вклад автора.

Заключается в проведении расчетно-аналитических и экспериментальных исследований статических и динамических характеристик, как на иммитационных моделях, так и на промышленных объектах, разработке схем и алгоритмов регулирования, разработке различных вариантов этих алгоритмов и сравнение их между собой, участии в промышленном внедрении разработок, обработке и анализе результатов испытаний.

С'зрукч.ура и оГм.ем .работ-

Диссертация сосгош из введения, няш икш. заключения, списка мм юра туры из 7-4 наименований и приложения. < >ощпй обьем диссертации соскишнст 174 страницы, и том числе 98 езраннц ОСНОИН01 о машинописно! о юксы. 92 рисунка и 10 1аблпп.

соды'жлш п: гльо гы.

Вовведспии обоснована акчуадыюсп. рассмаI ривасмой проблемы и пракщ'кч'кая значимосп. лиссеркщпонион рабом.г Чдссь уаапаилпваася основное паиранлспис исследования и сю прак!пчсская важпоси.. Даося общая характерно мка работ.

В первой главе сделан обзор некоторых принципов и методов адаптивного управления и обзор существующего рынка коммерческих микропроцессорных систем управления. Исходя из этого обзора можно сказать следующее:

1. Во всех рассмотренных системах в основном контуре управления продолжает использоваться традиционный П ИД-алгоритм регулирования; адаптация сводится к определению его оптимальных параметров насгройки.

2. Ни в одном из контроллеров не удалось реализовать адаптацию в гом смысле, как это примято в теории, т.е. осуществлять слежение за и (меняющимися свойствами обьекга.

3 В микропроцессорном контроллере ПРОГАР производства МЧТА использован алгоритм настройки регулятора АИР на основе разработок кафедры АСУ ТП МЭИ. который показан на рис. 1. Процедура настройки предусматривает возбуждение незатухающих автоколебаний в системе включением релейного элемента РЭ и фазосдвигающего фильтра ФФ в контур регулирования с помощью переключателя режима ПР.

Несомненным преимуществом этого япляется то, что оптимуму настройки в нем соответствует четко сформулированный критерий (минимум линейного интегрального критерия при заданном требовании к степени затухания переходных процессов); кроме того

настройкой.

По итогам проведенного анализа сформулированы пели и задачи

исследований:

I. Оценить применимость и эффективность алгоритмов АИР для систем регулирования, используемых в АСУ I'll теплоэнергетических

объемов е учетом их динамических харамеристик, в часшосш. оценить эффективность алгоритмов, реализованных в рашичных модификациях I (ротаров.

2. Оценить динамические характеристики отдельных участков регулирования теплоэнергетических объектов и целесообразность их использования для оценки эффективности АИР и его "преднастройки".

3. Оценить эффективность настройки, основываясь на уточненных показателях оптимальности, полученных с учетом динамических характеристик для типовых тепловых объектов, в частности, для водогрейного котлоагреппа КВ-ТС-20-150. водогрейного коиюагрегата KB-TK-I00-I50. парового котла БКЧ-75/39 по следующим контурам регулирования:

- регулирование тепловой нагрузки;

регулирование icMiicpaiypbi воздуха перед в о i д у■ х о 11 од о г рева i cj i е м:

- регулирование содержания кислорода в уходящих газах:

- регулирование температуры а)росмсси:

- регулирование давления в паросборной камере,

и дан» методику работы АИР с использованием уточненных косвенных показателей оптимальности и провести

экспериментальную проверку на реальных объектах по следующим ACT:

а) АСР с регулятором и дифференциатором (АСР температуры перег ретого пара):

б) АСР с П-pei улятором (АСР уровня в барабане котла).

4 Оценить эффективность настройки на основе алгоритма АНР для систем с люфтом и дать рекомендации по коррекции косвенных покупателей оптимальности для этого случая. Оценить эффективность компенсации люфта прог раммным методом.

Во второй главе работы произведен анализ динамических характеристик основных участков теплоэнергетических установок, выявлено их влияние на оптимальные параметры, получаемые с использованием косвенных показателей оптимальности.

Пмнолпсно краткое онпсанмс обьектоп регулирования, принелеп перечень их основных систем и дана их кра!кая характеристика.

Произведена экспериментальная оценка динамических характеристик основных участков теплошсргетнчсских установок на примере ко i лов KB I'1С-100-150. КЬТС'-20-150. ШП-75/39.'

Полученные переходные характеристики апроксимнрованы переда ючными функциями и представлены в таблицах. Произведен анализ этих характеристик с целью учета их в АНР.

Как было сказано ранее, процедура настройки регулятора прсдусма ipimaci во Суждение незатухающих авюколсбаний в

системе включением релейного элемент РЭ и фа зосдви тающего филыра ФФ в контуре регулирования. Оптимуму настройки соответствует выполнение следующих отношений для амплитуды А и периода Т автоколебаний.

T,|,=b I *Т ; A/d=b2; Т/Т„=ЬЗ.

Коэффициенты Ы. Ь2. ЬЗ в некоторой степени зависят от динамики объекта и требуемого затухания свободных колебаний системы. Опыт настройки позволяет рекомендовать следующие усредненные значения ко »ффициентов Ы=0.38, Ь2=0.92, Ь3=3.7, коюрые lapaninpyioi ciciieiii. пиухання переходною процесса Ч» 0.8:0.9. )|и усредненные значения получены для передаючпой функции следующею вида

К*схр(-р*Т|*р)

W(p) =

(Т1*р+1)"

uw\\ - т/Т -0.2-1: п - 2.

Исш имеемся информация о динамике конкретною обьекш, ю се мо,uno iiiTioiii. urnaIь лл'.1 поиышеппп шчносш и сходимости шерационного процесса настройки АС'Р.

Разработаны рекомендации уточнения косвенных показателей оптимальности для различных значений частотного показателя колебательности и параметров модели объектов. Данная методика в общем виде состоит в следующем.

Расчеты производились но условиям оптимальности

М=Мд„п - ограничение частотною показателя

колебательности, Кр/Тн=шах. - условие минимума линейного интегрального критерия

в следующем порядке.

1. I lo безра »мерным характеристикам объекта

Rp(Q)= l/(Q-'+1 )"5n

ФМ(£2)=- (Ю-naretgQ:

[де Q=o)Tp,

определяется относительная частота Q,„. при которой вспомогательная функция, вычисленная по формуле

1 "(Í2)=(M7<М;+1)) Q/Rp(í3)[-sincpn(Q)- 1/М] достигает максимума.

2. Оптимальные значения параметров настройки ПИ-регулятора вычисляются (в безразмерном виде) по формулам:

K°pc=(KiiKn)°=(MV(M:-l))cos(pp(Qm)/Rn(Qm)

В°= lH0/Tp=K0pc/F(Qm)

3. Вычисляются оптимальные значения косвенных показателей:

/"= l/(B°Um): (ТЛ'и)°=2п/." R°pc= KV^O+^VO+i^")"s" <P°pc=-|ii2m-narclg£}m-arctg(Z°)

И приведенном виде косвенные показатели определяют оптимальное положение контрольной точки в плоскости КЧХ разомкнутой системы на реюпаисной частоте. т.е. R°pc=Rpe(<ope3)=R*pc: <р°рс=<ррс(сорсз)= <р*рс. Но ним данным можно ш.гпнпи 11. сооикчствующме ошпмамьпые KOuiCUliMC liOluliaichii дня KMX замкиутп системы: R*ys--K*|>cM I ' l'-pc)+g:pc ;

Ф >S=(P pc-arclgQ pc/( 1+P pc)+D, =R*pccos<p*pc: (J 0. если l+Ppiv<>

iде l>*pc=R*pccos<p*pc: Q*pc=R*pcsni<p*pc

-Л, №111 I I Ppi1- 0

По данной мстодике проечнlani.i пока laieun опшмаш.носш и ионучеиы опшмащ.ш.и' настройки Л(Т. oiiiicainii.ie выше. Дим них же дана меюдика расчет параметров настройки, получаемых при заданных косвенных пока кнелях.

Дня и их обьскюв построены гра(|)нкп зависимостей косвенных покупателей оптимальности от параметра т/Т и дана оценка необходимости их уточнения. Данные графики представлены на рис. 2.

Третья глава посвящена анализу работы систем регулирования по усредненным и уточненным показателям оптимальности.

lia примере ЛСР температуры перегретого пара с поверхностным пароохладшелем для парового котла [ЖЧ-75/39 дана методика автоматизированной настройки двухконтурной ЛСР с регулятором и дифференциатором с использованием уточненных показателей он гимальност и.

Динамическая настройка внутреннего малоинерционного контура проникши гея с помощью автоматизированной настройки с возбуждением авюколсбапий воздействием па параметры Кп.1. Ти.1 регуляюра Pl. реализованного на базе функции П РОТА Ра при фиксн|>ованных параметрах Кд и Тд дифференциатора Д.

Для внешнего инерционного контура рассматриваемой системы регулирования функцию эквивалентного регулятора выполняет у ¡ел масштабирования с коэффициентом "с5" и внутренний контур системы с ПП-регулятором в прямом канале и дифференциатором в канале обратной связи.

В рассечку внешнего контура системы после формирования рассогласования для основной регулируемой величины (U=Tn-Тп.эд) введена цепь перевода внешнего контура системы в режим

Рис. 2 Графики, показывающие зависимость рассчитанных уточненных косвенных показателей от параметра 17Т.

автоматизированной динамической настройки. содержащая двухпозиционный релейный элемент с выходным сигналом z = П05 * sign U и фазосдвигающее апериодическое звено Ф ; это позволяет использовать для настройки в условиях эксплуатации итерационный алгоритм с контролем косвенных показателей оптимальности, определяемых через амплитуду и период возбуждаемых автоколебаний.

11а примере АСР уровня в барабане котла БК'3-75/39 дана модификация итерационного метола автоматизированной динамической настройки, предназначенная для систем с II-регуляюром и обьектом без самовыравнивания. Структурная схема регулятора уровня котла при работе модуля автоматизированной настройки показана на рис. 3.

После узла формирования рассогласования по уровню в барабане во внешний кош у}: системы на период настройки включается (набирается программно) двухпозиционный релейный элемент с выходным сигналом:

+ d

7 =

-d

)ю приводит к возникновению незатухающих автоколебаний в действующей системе на критической частоте о(кр) (при <р(рс)= -л), чю позволяет, используя метод гармонического баланса, оценить запас устойчивости системы по модулю:

А к Rpc (то.кр ) = — * — , d 4

i;ic Rpc h <ррс - cooiiseiciBCHHo модуль и фата комплексной ■lacioiпой \аракюристки разомкнутой сисюмы;

Опшмалыюе значение R"pcнаходим из условия M = М(доп).

Полученное значение R°pc позволяет определить оптимальное значение косвенного показателя: (A/d) 1Грс*(4/я).

ГЧлп амнлшула колебаний не удоинешоряс! указанному условию с приемлемой ючпосп.к) (11()"п). ю следуе! скоррск i крова п. шалаше козффицисша иропорционаиыюеш "с5" (Кн.2). и соотсюизии с алю|)П1мом носледонаюльпых приближений ( нюрацмй ): (сЖ+1 = (с5)к * 1)2 / (А / d)k,

i де к - помер шага последовательных приближений.

Таким образом, даны рекомендации по автоматизировано» нааройкс АСР с использованием уточненных косвенных показателей оптимальное! и:

- для ЛСР температуры перегретого пара (на примере котла БКЗ-75/39 с учетом структуры АСР);

- для АСР уровня в барабане котла БКЭ-75/39;

Проведены эксперименты на имитационной модели по настройке контура тепловой нагрузхи водогрейного котла КВТК-100-150 с помощью АНР

Рис. 3 Структурная схема регулятора питания котла при работе модуля автоматизированной настройки.

по усредненным и уточненным косвенным показателям оптимальности.

Подтверждено экспериментально. что работа АНР по уточненным показателям оптимальности, более эффективна , чем по усредненным.

В четвертой_главе сформулированы особенности

автоматизированной настройки систем регулирования с учетом нелинейностей регулирующей аппаратуры.

Одним из самых распостраненных нелинейностей теплоэнергетического оборудования является люфт регулирующего органа и исполнительного механизма.

Исследование влияния люфта на работу алгоритма АНР проведено с помощью имитационной установки. Получено, что при поиске настроек с помощью АНР, происходит в определенной мере автоматический учет люфта, т.е. люфт воспринимается как составляющая объекта.

Проведены эксперименты по влиянию косвенного показателя оптимальности Т/Ти на качество работы системы регулирования с люфтом. Показано, что при уменьшении Т/Т„, качество регулирования системы улучшается: в частности, степень затухания возрастает от начального шачения (0.61) почти до еденины.

В пятой_главе приведены результаты применения

микропроцессорных регуляторов Протар в промышленных схемах.

В работе показано, как реализовываются АСР с автоматизированной настройкой для различных объектов. Даются рекомендации по построению структуры АСР, удобной для реализации А H Р.

На предприятиях Иркутская ТЭЦ-5, "Северные тепловые сети" АО Иркутскэнерго были разработаны системы автоматического регулирования водогрейными котлами КВТК-100-150 и паровыми FÍK4-75/39 на базе приборов Протар.

В данном реферате описываются не все разработанные схемы, а только тс, которые представляют интерес с точки зрения более широкого использования возможностей контроллеров и работы АИР. а) Регулятор питания (уровня воды в барабане).

Функциональная схема регулятора питания на базе прибора ПРОТАР показанная на рис. 4.

Переменная II представляет собой dL - отклонение уровня от задания, а коэффициент "с5" - коэффициент передачи П-регулятора внешнего контура Кп,2.

Регулятор внутреннего контура построен на базе функции FOI (ПИД-регулирование с импульсным выходом). Для того, чтобы переменная Y0 представляла собой задание только для внешнего контура (по уровню в барабане), необходимо исключить ее участие в формировании рассогласования внутреннего кош ура. Для эюго на схеме, перед записью эквивалентного параметра в ячейку "Р" на входе функции ИМ. добавляется значение Y0. которое далее вычитается при формировании сигнала рассогласования В.

библиотечная функция FOI дополнена в ПРОТА Ре программой компенсации люфта, суть ко юрой состоит в том, что при изменении направления действия регулятора производится увеличение длительности импульса на заданную величину с целью преодоления мертвой зоны (люфта) исполнительного механизма и регулирующего органа.

Внутренний контур системы содержит малоинерционный канал объекта. регулирующий блок с импульсным выходом, исполнительный механизм постоянной скорости и регулирующий клапан. Настройку внутреннего кот ура рекомендуется подбирать экспериментально, на основе анализа процессов регулирования при ступенчатом возмущении регулирующим клапаном.

Настройка козффпцпента "с5" (Кн,2) для П-регулятора внешнего контура может производиться при работе системы в автоматическом режиме, так как на hoi коэффициеш умножается не полный сигнал

К исполнительному механизму подачи питательной воды

Рис. 4 Регулятор питания (уровня) котлоагрегата БКЗ - 75/39.

по уровню в барабане, а его отклонение от задания

Для нахождения оптимального с5 выполнена настройка с использованием модифицированного метода автоматизированной настройки для АСР с П-регулятором, который подробно описан в главе 3. Схема включения релейного элемента видна из функциональной схемы регулятора питания.

Эксперимент проводили на паровом котле БКЭ-75/39 на показатель колебательности М=1.6. В качестве контроллера использовали Протар-112. Работа АНР показана ниже на рис. 5.

Для проверки полученной настройки проведены испытания регулятора уровня в барабане котла снижением нагрузки. Переходной процесс системы регулирования показан зам же.

h.

Настройка контура регулирования уровня в барабане котпз

t (m»!

Перми *т«р*ция

t(UMU)

Итсрал итерация

»L

t(M№)

Третья пцйщя

PlIC.5

l(uiiii)

б) Регулятор температуры перегретого пара.

На функциональной схеме, представленной на ряс. 6, показан узел перевода внешнего контура системы в режим азтохолсбаний.

Изменение режима работы внешнего контура системы (нормальная работа - "Р", режим автоматизированной настроим -"Н") осуществляется логическим переключателем путем перевода переменной Ы через нуль.

Оптимуму настройки внешнего контура соответствуют условия: Тф/Тд = Ы: Ш = Ь2; Т/Ти = ЬЗ.

В схеме регулирования температуры перегретого пара по сравнению с традиционной схемой добавлен узел формирования рассогласования внешнего контура и узел масштабирования с коэффициентом Кп,2 как и в рассмотренной выше схеме регулирования уровня в барабане котла. Это сделано для обеспечения независимости органов настройки внутреннего я внешнего контуров.

В системе автоматического регулирования также предусмотрен узел компенсации люфта исполнительного механизма и регулирующего органа.

Настройка с использованием АНР для внутреннего н внешнего контуров проведена с помощью уточненных косвенных показателей оптимальности.

Для каждого контура потребовалось выполнить всего два цикла определения оптимальных параметров настройки. Переходная характеристика системы регулирования температуры перегретого пара при возмущении расходом поды на поверхностный пароохладитель при полученных настройках показана на рис. 7.

в) Регулятор тепловой нагрузки водогрейного котла КВ-ТК-100-150.

Регулятор тепловой нагрузки предназначен для автоматического управления тепловой нагрузкой котла.

Для определения эффективности настроек полученных с помощью уточненных косвенных показателей оптимальности проведен эксперимент по включению АНР регулятора тепловой нагрузки на усредненные и уточненные показатели оптимальности.

На представленных графиках, рис. 8, 9. показаны реализации выходной величины при работе алгоритма в обоих случаях.

На рис. 10 даны переходные процессы при полученных настройках.

Настройки для первого графика получеты по уточненным показателям оптимальности.

Настройки для второго графика получены при функционировании алгоритма автоматической настройки по усредненным показателям оптимальности.

Рис.6 Регулятор температуры перегретого пара котлоагре! ara БКЗ -75/39

При сравнении косвенных показателей оптимальности видно следующее: усредненные косвенные показатели оптимальности A/d = 0.92, TF/TI = 0.38, ТТЛ = 3.7, а уточненные A/d = 0.85, TF/TI = 0.49, T/TI =

6.44

Па представленных (рафиках, рис. 8, 9. показаны реализации выходной величины при работе алгоритма в обоих случаях.

контура температуры перегретого пара при возмущении расходом питательной воды на пароохладитель.

Результаты сравнения переходных процессов показывают, что уточнение косвенных показателей дает заметное улучшение качества регулирования.

Цыволы но диссертации.

1. С помощью экспериментов, проведенных на теплоэнергетических объектах (кошоагрегатах КВ ГС'-20-150. КВТ1С-100-150, БКЧ-75/39), получено большое количество динамических характеристик, на основании которых выделены 3 груш ы объектов по характерному иарамору переходной харак1српсгпки т/Т.

2. Предложена методика уточнения косвенных показателей с учетом динамических характеристик объекта. Разработаны рекомендации по настройке различных вариантов ЛС'Р теплоэнергетических объектов с различной структурой с использованием уточненных косвенных показателей.

Произведена оценка эффективности настроек основных АСР теплоэнергетических объектов. Показано, что для большинства систем целесообразно использовать уточненные косвенные показатели вместо усредненных.

3. Проанализированы особенности автоматизированной настройки систем регулирования с учетом люфта в сочленении исполнительного механизма и регулирующего органа. Показано, что при работе алгоритма автоматизированной настройки люфт воспринимается как составляющая объекта, и расчет оптимальных настроек идет в определенной степени с учетом люфта.

Проведены эксперименты по влиянию косвенного показателя оптимальности ЬЗ (Т/Ти) на качество системы регулирования с люфтом. Показано, что для улучшения качества рекомендуется несколько снизить ЬЗ.

4. fio результатам стендовых испытаний регулятора тепловой

РисЗ» Участок работы АНР с использованием уточненных показателей оптимальности.

■4-

Использование уточненных Использование усрсдйсниых показателей оптимальности показателей оптимальности

Рис.10 Переходные процессы замкнутых систем регулирования по контуру тепловой нагрузки.

нагрузки и результатов экспериментов на водогрейном котле КВТК-100-150 по определению оптимальных настроек сделан вывод о предпочтительности настроек с уточнением показателей оптимальности.

5. Дана методика и проведен эксперимент по настройке АСР уровня в барабане котла БКЗ-75/39 с помощью ЛНР.

6. Дана методика и проведен эксперимент по настройке двухконтурной схемы регулятора температуры перегретого парас использованием уточненных показателей оптимальности.

Оснрвное содержание диссертации изложено в следующей работе: Кузищин В. Ф., Зверьков В. П., Грязное И. Е. Применение программируемых приборов Протар в системах автоматического регулирования барабанных котлов//Теплоэнергетика 1995 г. N10. С.30-37.

Печ. л. {^д Тираж ЮС Заказ £

Типография МЭИ, Красноказарменная, 13.

МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

ИРКУТСКАЯ ТЭЦ-5

Грязнов Игорь Евгеньевич

РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ НАСТРОЙКИ

СИСТЕМ

РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ

ОБЪЕКТОВ

Специальность 05.13.07 - Автоматизация технологических процессов и производств (промышленность)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технически. , наук, доцент В. Ф. Кузищин

Москва, 1998 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА ПЕРВАЯ

АДАПТИВНОЕ УПРАВЛЕНИЕ, СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА.

АВТОМАТИЧЕСКАЯ И АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ НАСТРОЙКА. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ.

1.1 Адаптивное управление и адаптивные схемы.

1.2 Обзор применений методов адаптивного управления. Промышленные изделия.

1.3 Опыт применения и выводы по промышленному применению адаптивного управления.

1.4 Методы автоматической и автоматизированной настройки.

1.5 Сравнительная оценка предложенных методов настройки и практические рекомендации по выбору метода.

1.6 Постановка задачи.

ГЛАВА ВТОРАЯ

АНАЛИЗ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ОСНОВНЫХ УЧАСТКОВ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК И ИХ ВЛИЯНИЕ НА ОПТИМАЛЬНЫЕ ПАРАМЕТРЫ, ПОЛУЧАЕМЫЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КОСВЕННЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ОПТИМАЛЬНОСТИ.

2.1 Краткое описание объектов регулирования, перечень их основных систем и их краткая характеристика.

2.2 Экспериментальная оценка динамических характеристик основных участков теплоэнергетических установок и представление их апроксимирующими передаточными функциями.

2.3 Разработка рекомендаций для расчета усредненных и уточненных значений косвенных показателей оптимальности и оценка применимости полученных настроек.

2.4 Выводы по второй главе.

ГЛАВА ТРЕТЬЯ

АНАЛИЗ РАБОТЫ СИСТЕМ РЕГУЛИРОВАНИЯ ПО УСРЕДНЕННЫМ И УТОЧНЕННЫМ ПОКАЗАТЕЛЯМ ОПТИМАЛЬНОСТИ.

3.1 Порядок включения алгоритмов автоматической и автоматизированной настроек и необходимые условия для их работы на контроллерах Протар.

3.2 Анализ работы алгоритма автоматизированной настройки, реализованного в контроллере Протар-123(130) (с усредненными показателями оптимальности) на объектах различного класса.

3.3 Методика настройки двухконтурной схемы регулятора температуры перегретого пара котлоагрегата БКЗ-75/39 по уточненным косвенным показателям при работе на реальном объекте.

3.4 Методика настройки регулятора уровня котлоагрегата БКЗ-75/39 с помощью уточненных косвенных показателей оптимальности.

3.5 Настройка регулятора тепловой нагрузки котлоагрегата КВТК-100-150 по усредненным и уточненным косвенным показателям на различный показатель колебательности при работе на имитационной установке.

3.6 Выводы по третьей главе.

ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ

ОСОБЕННОСТИ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ НАСТРОЙКИ СИСТЕМ РЕГУЛИРОВАНИЯ С УЧЕТОМ ЛЮФТА РЕГУЛИРУЮЩЕГО ОРГАНА.

4.1 Влияние люфта на качество функционирования системы регулирования.

4.2 Влияние косвенного показателя оптимальности ЬЗ на качество работы системы регулирования с люфтом.

4.3 Повышение качества работы АСР в системе автоматического регулирования с люфтом с помощью подпрограммы компенсации люфта.

4.4 Выводы по четвертой главе.

ГЛАВА ПЯТАЯ

ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ КОНТРОЛЛЕРОВ ПРОТАР В ПРОМЫШЛЕННЫХ СХЕМАХ.

5.1 Практические рекомендации по использованию Протаров для работы в системах автоматического регулирования реальных объектов.

5.2 Реализация систем автоматического регулирования парового котла БКЗ-75/39.

5.3 Реализация систем автоматического регулирования водогрейного котла КВТК-100-150.

5.4 Выводы по пятой главе.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

ЛИТЕРАТУРА.

ПРИЛОЖЕНИЯ.

П1.Переходные характеристики основных участков теплоэнергетических установок.

П.2 Функциональные схемы регуляторов котлоагрегатов.

П.З Акт о внедрении и использовании результатов диссертационной работы.

ВВЕДЕНИЕ

Одной из важнейших задач интенсификации производства является ускорение разработки и внедрения автоматических систем уг: явления как составной части технологических процессов. Известно, что ввод в эксплуатацию систем управления современными сложными технологическими процессами, как правило, занимает относительно много времени, требуя для своего выполнения больших контингентов пусконаладочного персонала. И, несмотря на это, как свидетельствует опыт, в большинстве случаев принятые в эксплуатацию системы управления оказываются настроенными далеко не оптимальным образом, что приводит к существенным экономическим потерям.

В подавляющем числе р-- от рассматриваются аналитические, графоаналитические и приближенные методы расчета по частотным характеристикам объекта управления. Разработанные к настоящему времени методы расчета параметров настройки систем регулирования по предварительно полученной модели [4, 20, 22, 37, 46, 47, 48, 49, 60, 61, 64], в том числе машинные методы расчета [17], могут быть использованы не только на стадии проектирования системы регулирования, но и на стадии ввода в действие, когда имеется возможность получения модели экспериментально. Однако, несмотря на известные достоинства аналитических методов определение параметров динамической настройки АСР по известной модели объекта, они не могут быть применены непосредственно для действующих систем регулирования.

Это вызвано прежде всего как организационными, так и принципиальными ограничениями, накладываемыми на возможность получения достоверной математической модели объекта [53], а также особенностями работ на стадии ввода АСР в действие.

Если при проектировании допускается получение численных значений параметров настройки с большей или меньшей погрешностью, то получаемый на стадии ввода АСР в действие результат должен быть окончательным, т.е. применяемые методы должны обеспечивать требуемую точность.

Процесс настройки не должен сопровождаться сильными нарушениями нормального режима работы объекта. Он должен допускать полную или частичную автоматизацию, поскольку число подлежащих настройке систем достигает порядка десятков и пусконаладочный персонал ке в состоянии квалифицировано выполнить необходимый объем работ традиционными методами [53].

Как видно из вышесказанного, требования, предъявляемые к качеству настройки систем на стадии ввода их в действие значительно более жесткие, чем на стадии проектирования, что требует использования оптимизационных или адаптивных методов настройки. Разработке адаптивных систем управления посвящено ряд работ зарубежных и советских авторов [2, 3, 5, 15, 31, 43, 45, 50, 52, 53, 56, 63, 65, 70, 71,73]. Кроме того, динамические свойства как объекта управления, так и управляющих элементов меняются во времени, что может потребовать соответствующей подстройки системы в процессе ее эксплуатации.

Развитие микроэлектроники и микропроцессорной техники в последнее время позволяет создавать локальные функциональные блоки, позволяющие

внедрить усовершенствованные алгоритмы адаптивной настройки систем, а также автоматизировать все стадии итерационной процедуры "идентификация-оптимизация".

Основное внимание в данной работе уделяется повышению эффективности алгоритмов автоматизированной настройки АНР, разработанных в МЭИ и использованных, в частности, в промышленных регулирующих контроллерах серии ПРОТАР, МИНИТЕРМ и Р-130 [23, 24, 26, 27, 28, 32, 33, 41, 42, 54, 55, 57, 59,66,67,69].

Эти алгоритмы используют косвенные показатели оптимальности, определяемые в реальной системе методом активной идентификации в сочетании с итерационной процедурой движения к оптимуму.

Для широкого внедрения методов автоматизированной настройки в практику автоматизации технологических процессов в теплоэнергетике требуется решить ряд вопросов как практического, так и методического характера.

В первую очередь, необходимо оценить применимость и эффективность алгоритмов АНР для всех разновидностей систем регулирования, используемых в АСУ ТП теплоэнергетических объектов с учетом их динамических характеристик.

В связи с тем, что алгоритмы АНР предусматривают выполнение активного эксперимента, связанного с некоторыми нарушениями режима эксплуатации объекта, необходимо свести к минимуму эти нарушения. Это можно сделать путем наиболее рациональной организации экспериментальных работ за счет предварительной настройки самого алгоритма АНР с учетом особенностей динамики конкретных участков регулирования и структуры системы.

Для достижения указанной цели требуется располагать информацией о динамических характеристиках основных участков теплоэнергетических установок. Получение такой информации для ряда промышленных объектов также входило в круг задач диссертационной работы.

Кроме того, необходимо дать методические рекомендации, каким образом следует настроить сам алгоритм АНР для наиболее эффективной работы на конкретной системе регулирования с учетом принадлежности ее к определенному типу.

Применение микропроцессорных контроллеров с их возможностью гибкого изменения алгоритма функционирования позволяет в ряде случаев видоизменить ставшие традиционными структуры систем регулирования с целью повышения эффективности их настройки и эксплуатации. Эти вопросы также рассматриваются в настоящей работе.

Следует заметить, что разработанные к настоящему времени алгоритмы автоматизированной настройки .систем регулирования обоснованы лишь для линейных систем, и остается неясным влияние нелинейностей, присущих реальным системам регулирования, на результат настройки и качество работы АСР после настройки.

Таким образом, данная работа посвящена анализу и дальнейшему развитию методов автоматизированной настройки систем регулирования технологических процессов для теплоэнергетических объектов.

ГЛАВА ПЕРВАЯ

АДАПТИВНОЕ УПРАВЛЕНИЕ, СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. АВТОМА ТИЧЕСКАЯ И АВТОМА ТИЗИРОВАННАЯ

НАСТРОЙКА. ПОСТАНОВКА ЗАДА ЧИ.

1.1. Адаптивное управление и адаптивные схемы.

В обыденной речи под "адаптацией" понимают изменение поведения с целью приспособления к новым внешним условиям. Интуитивно ясно, что адаптивный регулятор - это регулятор, который может изменять свое поведение в ответ на изменения динамики процесса и возмущений. Рационального определения адаптивного управления, которое позволило бы судить о том, адаптивен или нет тот или иной конкретный регулятор, пока нет. И все же существует единодушное мнение, согласно которому система с постоянным коэффициентом усиления в петле обратной связи не является адаптивной. Поэтому мы будем придерживаться прагматического подхода, заключающегося в том, что адаптивное управление рассматривается просто как частный случай управления с нелинейной обратной связью, когда состояние процесса можно разбить на две категории, меняющиеся с разными скоростями.

В 1960-х годах было разработано много положений теории управления, необходимых для развития методов адаптивного управления. Были созданы метод пространства состояний и теория устойчивости, важные результаты были получены в области стохастической теории управления. Более глубокому пониманию адаптивных процессов способствовало разработанное Беллманом динамическое программирование, которое было использовано Фельдбаумом для формулирования понятия дуального управления. Фундаментальные положения были также разработаны Цыпкиным, который показал, что многие схемы обучающегося и адаптивного управления могут единообразно описываться с помощью рекуррентных уравнений типа стохастической апроксимации. Крупные успехи были достигнуты и в области теории идентификации и оценивания параметров, что способствовало углублению понимания проблемы адаптивности.

В конце 1970-х и начале 1980-х годов были даны точные доказательства для условий устойчивости адаптивных систем, хотя и при весьма ограничивающих допущениях. Исследование необходимости этих допущений положило начало новым интересным работам по изучению устойчивости адаптивного управления, а также исследованию универсально стабилизирующих регуляторов.

Быстрый революционный прогресс в области микроэлектроники сделал возможной практическую реализацию адаптивных регуляторов на базе простых и дешевых средств. На рынке появляются большое число серийных адаптивных регуляторов, основанных на различных принципах, и отмечается медленный, но уверенный рост промышленного применения методов адаптивного управления.

В данном разделе дан общий обзор некоторых принципов адаптивного управления [3, 15, 31, 70, 71, 72, 73].

Измерение параметров переходной характеристики.

Существует ряд адаптивных схем, в которых регулируемые параметры определяются по некоторым параметрам переходной характеристики системы. Типичными параметрами такого рода являются пересечения нулевого уровня, выбросы, скорость затухания и т. д. Например, системы управления процессами обычно регулируются таким образом, чтобы амплитуды последовательных пиков импульсной характеристики относились как 1:4; это называется условием четвертьамплитудного затухания.

Достоинство этих схем заключается в простоте их реализации, однако им присущи и некоторые недостатки, так как их работа сильно зависит от возмущений, типа отдельных "ступенек", представляющих собой изолированные перепады, или импульсов. В основе подобных алгоритмов, как правило, лежит обнаружение пиков и пересечений нулевого уровня, на котором могут сказываться шумы. Существуют улучшенные методы, основанные на вычислении площадей. С помощью таких методов осуществлялась автоматическая настройка пропорционально-интегро-дифференциальных регуляторов.

В 1959 году фирма Ford Company разработала адаптивную систему, в основе которой лежал принцип подстройки коэффициента усиления регулятора, обеспечивающий постоянство отношения А+/А-, где А+ - площадь положительной части импульсной характеристики, а А- площадь отрицательной части импульсной характеристики. Фирма Foxboro долго экспериментировала с системой, определяющей характерные особенности реакции на возмущение, и в результате объявила о создании адаптивного регулятора для управления процессами, действующего на основе такого принципа. Данный тип регулятора описан ниже.

Программное управление коэффициентом усиления.

В некоторых системах имеются вспомогательные переменные, хорошо коррелирующие с характеристиками процесса. Если бы эти переменные можно было измерить, то их можно было бы использовать для изменения параметров регулятора. Этот способ называется программным управлением коэффициентом усиления (gain scheduling), так как вначале он использовался для приспособления к изменениям коэффициента усиления процесса. Структурная схема системы с программным управлением коэффициентом усиления показана на рис. 1.

Программное усиление коэффициентом усиления соответствует компенсации при разомкнутом контуре, поскольку в схеме отсутствует обратная связь, компенсирующая неправильно выбранный план регулирования коэффициента усиления. Данную систему можно рассматривать как систему с управлением по обратной связи, в которой коэффициент петлевого усиления регулируется посредством компенсации в прямой цепи.

с

Идея программного управления коэффициентом усиления возникла в связи разработкой систем управления летательными аппаратами. Выбор

Рис. 1 Структурная схема системы с программным управлением коэффициентом усиления.

подходящи- '.'-'-ременных управления представляет собой важнейш/; о проблему при проекта ^вании систем с программным управлением коэффициентом усиления. Обь но он решается исходя из знания физических процессов в системе. При управлении технологическими процессами часто в качестве переменной программного управления . выбирается показатель производительности, поскольку постоянные времени и временные задержки, как правило, обратно пропорциональны производительности.

Метод программного управления коэффициентом усиления имеет явный недостаток, поскольку расчет режимов занимает много времени, иными словами, параметры регулятора приходится определять для многих рабочих условий. К тому же проверка рабочих характеристик требует проведения многих циклов моделирования. Иногда процесс расчета режимов можно упростить, вводя нормированные безразмерные параметры таким образом, чтобы нормированная модель не зависела от рабочих условий. Для расчета нормированных переменных измерений наряду с данными измерений процесса используются ¿зультаты вспомогательных измерений. Производится расчет нормированпч л управляющей переменной, которая после соот._' гствующего преобраз О-Ь&НИ'Ч ИСПОЛЬЗуСТСЯ ДЛЯ ВОЗДСИСТВИЯ Нс1 процесс.

Адаптивные системы с эталонной моделью (АСЭМ).

Оптимизация была одной из первых попыток выработки механизма настройки параметров. Она привела к по