Система автоматического регулирования тепловой электрической станции

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Министерство образования Республики Беларусь

Белорусский Национальный Технический Университет

Курсовой проект

по курсу «Тепловые электрические станции»

“Система автоматического регулирования тепловой электрической станции”

Выполнил: студент гр.106418

Захаркин М.А.

Руководитель:

д.т.н., проф. Кулаков Г.Т.

Минск, 2012

Введение

Человек в механизированном производстве призван непрерывно управлять машинами, механизмами, установками и наблюдать за их действиями.

Под управлением в технических системах понимается функция, обеспечивающая поддержание заданных режимов эксплуатации технологического оборудования и достижения поставленных целей.

Под автоматизацией подразумевают применение технических средств (от простейших измерительных приборов и регуляторов до современных ЭВМ) и систем управления, освобождающих человека частично или полностью от непосредственного участия в процессах выработки, преобразования и передачи энергии (материалов, информации).

Совокупность технических средств (машин, орудий труда и т. д.), выполняющих соответствующие рабочие операции, представляет собой объект регулирования. Систему, в которой все рабочие операции и операции управления выполняются без участия человека, называют автоматической.

Автоматическое управление-это совокупность действий, направленных на поддержание или улучшения функционирования управляемого объекта без непосредственного участия человека в соответствии с заданной целью управления. Характерные операции управления, осуществляемые автоматическими устройствами: включение и выключение механизмов и агрегатов машин, поддержание управляемой величины на заданном уровне, изменение управляемой величины по определенному закону, обеспечение экстремального значения некоторых функций и др.

Комплекс взаимодействующих между собой технических устройств, содержащий объект управления и автоматическое управляющее устройство, называют системой автоматического управления.

Применение автоматизированных систем управления позволяет повысить надежность и экономичность энергетических установок при малом числе обслуживающего персонала, способствует повышению его квалификации. При этом электронной цифровой вычислительной машине может быть передана значительная часть функций по контролю и управлению.

Автоматическая система в общем случае состоит из множества взаимодействующих элементов. Простейшая модель автоматической системы может быть представлена совокупностью двух основных элементов: объекта регулирования (ОР) и регулятора (Р).

Для улучшения качества регулирования применяются двухконтурные системы регулирования. Широкое распространение в промышленности получили каскадные двухконтурные системы регулирования. Традиционная методика определения параметров динамической настройки регуляторов такой системы базируется на предположении о возможности расчета одного контура независимо от другого. После приближенного определения настройки стабилизирующего регулятора переходят к определению настройки корректирующего регулятора, в контур которого входит регулятор с уже известными параметрами настройки. Внутренний контур каскадной системы автоматического регулирования настраивается для оптимальной отработки скачка внутреннего возмущения. Внешний контур настраивается для оптимальной отработки скачка задания и внешнего возмущения. В данном случае объект регулирования разбивается на два участка: опережающий и инерционный.

Для расчета динамической настройки применяем экспресс-методы, которые существенно упрощают расчет настройки и определения прямых показателей качества систем регулирования без громоздких вычислений при сохранении или даже улучшении показателей качества переходных процессов, полученных в системе при ее настройке традиционными методами.

Постановка задачи. Рассчитать параметры оптимальной динамической настройки каскадной системы автоматического регулирования и провести анализ оптимальных переходных процессов при основных возмущающих воздействиях:

1) Скачок задания(функция Хевисайда);

2) Скачок внутреннего возмущения(F1);

3) Скачок внешнего возмущения (F2);

Объект регулирования представлен в виде двух участков:

1) Опережающего

;

2)Инерционного

;

Для регулирования используется два регулятора:

1) Стабилизирующий(ПИ-регулятор)

;

2) Корректирующий (ПИ- или ПИД-регулятор)

или ;

Исходные данные для расчета представлены в таблице

Таблица 1

Объект регулирования
Опережающий участок	Инерционный участок
Kоп=3,4; T1=13 c;	Kин=1,12; Tk=92 c; =46 c;

1. Методика расчета КСАР.

1.1 Методика расчета типовой КСАР

Исходные данные:

1. Структурная схема каскадной САР(рис.1)

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Рис. 1

2. Передаточная функция опережающего участка объекта регулирования представлена в виде звена 2-го порядка, Т_оп>>_оп.

(1.1.1)

Передаточная функция инерционного участка объекта регулирования представлена в виде инерционного звена первого порядка с запаздыванием.

(1.1.2)

3. Динамика стабилизирующий регулятора представлена в виде передаточной функции ПИ- регулятора:

 (1.1.3)

Динамика корректирующего регулятора представлена в виде передаточной функции ПИ- регулятора:

(1.1.4)

где Т_и1, Т_и2, К_р1, К_р2 - соответственно время интегрирования и коэффициенты усиления стабилизирующего и корректирующего регуляторов.

4. Критерий оптимальности:

Стабилизирующий регулятор настраиваем на отработку Скачка внутреннего возмущения (f1) по методу частичной компенсации с критерием оптимальности:

I= (1.1.5)

ш<0,95 (1.1.6)

Корректирующий регулятор настраивается для отработки внешнего возмущения(f2) по методу полной компенсации в частном виде с критерием оптимальности: регулятор как колебательное звено с е=;

Алгоритм расчета:

1. Разложение двухконтурной САР на две одноконтурные.

Если блок управления БУ2 корректирующего регулятора поставить в положение дистанционного управления, то замкнутым остается только внутренний контур, то есть обычная одноконтурная САР с отрицательной ГОС, поэтому расчет настройки стабилизирующего регулятора будем производить по МЧК без ограничения по формулам 3.93, 3.94 [1]:

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Рис.2

Рассчитываем относительный коэффициент усиления стабилизирующего регулятора:

К=К_р1К_оп=0,7395Т(1+1/Т)²-1 (1.1.7)

Относительная постоянная времени:

Т=Т_оп/_оп (1.1.8)

Затем определяем абсолютное значение коэффициента усиления стабилизирующего регулятора:

К_р1=К/К_оп (1.1.9)

Далее находим относительное время интегрирования стабилизирующего регулятора:

I=T_и1/_оп=6,36К/(Т(1+1/Т)³) (1.1.10)

Абсолютное время интегрирования:

Т_и1=I_оп (1.1.11)

Так как переходные процессы во внутреннем контуре происходят с высокими частотами, которые инерционный участок объекта регулирования благодаря частоте среза АЧХ не пропускает, поэтому расчет настройки осуществляется по схеме рис.3:

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Рис. 3

Корректирующий регулятор настраивается по МПК в частном виде с критерием оптимальности е=.

Оптимальной отработкой задания по МПК в частном виде исходя из требований теплоэнергетики -min термического напряжения в металле. Оптимальной переходной функцией процесса является экспоненциальная зависимость со временем разгона, которое зависит от допустимых термических напряжений.

Расчет ведется по формулам МПК в частном виде (стр. 81-86 [1]):

Определим абсолютное время интегрирования:

Т_и2=Т_к (1.1.12)

Абсолютное значение коэффициента усиления:

 (1.1.13)

1.2 Методика расчета модернизированной комбинированной КСАР

Исходные данные:

1. Структурная схема каскадной САР(рис.4)

Рис. 4

Запишем передаточные функции элементов схемы:

· Передаточная функция стабилизирующего регулятора:

(1.2.1)

· Передаточная функция опережающего участка:

(1.2.2)

· Передаточная функция инерционного участка:

 (1.2.3)

· Передаточная функция регулирующего устройства:

(1.2.4)

(1.2.5)

· Передаточная функция воздействия:

(1.2.6)

Численное значение и выбираются из ряда чисел феномена золотого сечения, где за целое принимается и соответственно:

;

.

2. Расчет настройки каскадной САР

2.1 Расчет настройки каскадной САР с алгоритмом ПИ

автоматическое регулирование электрическая станция

1. Расчет настройки стабилизирующего регулятора будем производить по МЧК без ограничения по формулам 1.1.7-1.1.11:

Рассчитываем относительный коэффициент усиления стабилизирующего регулятора по формуле 1.1.7:

К=К_р1К_оп=0,7395Т(1+1/Т)²-1=0,739510(1+1/10)²-1=7,948;

Относительная постоянная времени по формуле 1.1.8:

Т=Т_оп/_оп=13/1,3=10;

Затем определяем абсолютное значение коэффициента усиления стабилизирующего регулятора по формуле 1.1.9:

К_р1=К/К_оп=7,948/3,4=2,34 (т?ч)/;

Далее находим относительное время интегрирования стабилизирующего регулятора по формуле 1.1.10:

I=T_и1/_оп=6,36К/Т(1+1/Т)³=6,36 7,948/10(1+1/10)³ =3,8;

Абсолютное время интегрирования по формуле 1.1.11:

Т_и1=I_оп= 3,81,3=4,937c.

В результате получаем передаточную функцию стабилизирующего регулятора, имеющую вид:

2. Корректирующий регулятор настраивается по МПК в частном виде с критерием оптимальности е=.

Расчет ведется по формулам 1.1.12 и 1.1.13:

Определим абсолютное время интегрирования по формуле 1.1.12:

Т_и2=Т_к=92с;

Абсолютное значение коэффициента усиления по формуле 1.1.13:

В результате получаем передаточную функцию корректирующего регулятора, имеющую вид:

2.2 Расчет настройки модернизированной комбинированной каскадной САР

Выполним моделирование процессов для следующих пар значений и определим оптимальные значения и .

Типовая КСАР (для визуального сравнения)

1. Т_зд1=0,146T ^*_оп= 2,09; Т_зд1=0,146= 6,72

2. Т_зд1=0,146T ^*_оп= 2,09; Т_зд1=0,382= 17,57

3. Т_зд1=0,236T ^*_оп= 3,37; Т_зд1=0,146= 6,72

4. Т_зд1=0,382T ^*_оп= 5,46; Т_зд1=0,146= 6,72

5. Т_зд1=0,236T ^*_оп= 3,37; Т_зд1=0,236= 10,856

6. Т_зд1=0,44 T ^*_оп= 6,292; Т_зд1=0,236= 10,856

7. Т_зд1=0,618T ^*_оп= 8,84; Т_зд1=0,146= 6,72

3. Алгоритм моделирования переходных процессов каскадной САР

Для моделирования переходных процессов каскадной САР используем VisSimCD60.

Пакет программного обеспечения VisSimCD60 предназначен для моделирования нелинейных непрерывных, дискретных и смешанных систем автоматического управления. Он позволяет использовать различные методы для анализа и синтеза систем управления: методы частотных характеристик, корневого годографа, идентификации и оптимизации.

Модели реальных систем описываются в терминах специального входного языка. Входной язык пакета является блок-ориентированным, но имеется возможность записи уравнений. Пакет включает широкий набор стандартных функциональных блоков систем управления. Пользователь имеет возможность программировать свои собственные нестандартные функциональные блоки.

Размер структуры моделируемой системы управления ограничивается только объемом доступной памяти ЭВМ.

Результат моделирования отображается на экране мощной графикой.

Алгоритм

1. Проектируем в рабочей области VisSimCD60 структурную схему каскадной системы автоматического регулирования:

рис.5

Для моделирования блоков в схеме используем передаточные функции объектов регулирования и регуляторов представленные в таблицах 1 и 2 для каждого из вариантов соответственно:

1. Алгоритм КСАР;

2. Алгоритм МККСАР;

3. Подставив соответствующие передаточные функции в каждый из блоков системы получаем:

1. Типовую каскадную САР

Рис.8

2. Модернизированную комбинированную каскадную САР

Рис.9

4. Спроектировав системы, поочередно подаем возмущающие воздействия:

1. Скачок задания ;

2. Скачок внутреннего возмущения

3. Внешнее возмущение

5. При отработке возмущающих воздействий выводим графики переходных процессов на экран.

6. По графикам оптимальных переходных процессов определяем прямые показатели качества регулирования.

4. Анализ графиков оптимальных переходных процессов

4.1 Типовая КСАР

Отработка скачка задания

Отработка скачка внутреннего возмущения

Отработка внешнего возмущения

Регулирующие воздействия при отработке внешнего возмущения

4.2 Модернизированная комбинированная КСАР

Отработка скачка задания

Отработка скачка внутреннего возмущения

Отработка внешнего возмущения

Регулирующие воздействия при отработке внешнего возмущения

5. Прямые показатели качества при отработке основных воздействий

Таблица 2

	0,146T *оп	0,146T *оп	0,236T *оп	0,382T *оп	0,236T *оп	0,44T *оп	0,618T *оп	База №1
	0,146	0,382	0,146	0,146	0,236	0,236	0,146
Обозначение
	Вывод на печать
A1	1	1	1	1	1	1	1	1,18
A2	-	-	-	-	-	-	-	-
	1	1	1	1	1	1	1	1
	94	173	94	94	125	125	94	440
	-	-	-	-	-	-		-
	Вывод на печать F1
A1	0,051	0,051	0,08	0,22	0,14	0,16	0,225	0,02
A2	-	-	-	-	-	-	-	-
	1	1	1	1	1	1	1	1
	440	445	443	450	445	460	490	360
	Вывод на печать F2
A1	4,12	4,35	4,12	4,12	4,25	4,25	4,12	4,35
A2	-	-	-	-	-	-	-	0,25
	1	1	1	1	1	1	1	0,94
	225	275	225	225	250	250	225	625
	Вывод на печать регулирующего воздействия
A1	-6,8	-2,15	-6,8	-6,8	-3,2	-3,2	-6,8	-2,2

Примечание 1:

Для более тщательного исследования переходных процессов проведем моделирование с учетом ограничения максимальной величины регулирующего воздействия для оптимальной пары значений Т_зд1=0,146T ^*_оп= 2,09;Т_зд1=0,146= 6,72 и сравним с базовым вариантом настройки КСАР:

Таблица 3 Составление таблицы прямых показателей качества

	База №1	Тзд1=0,146T *оп= 2,09	Тзд1=0,146T *оп= 2,09
		Тзд1=0,146= 6,72	Тзд1=0,146= 6,72
Обозначение			С огранич.
Вывод на печать
A1	1,18	1	1,015
A2	-	-	-
	1	1	1
	440	94	260
	18	-	1,5
Вывод на печать F1
A1	0,02	0,051	0,051
A2	-	-	-
	1	1	1
	360	440	440
Вывод на печать F2
A1	4,35	4,12	4,2
A2	0,25	-	0,5
	0,94	1	0,88
	625	225	640
Вывод на печать регулирующего воздействия
A1	-2,2	-7,8	-2,2

6. Инвариантная САР по отношению к f₂

Принцип инвариантность основан на 2-х каналах воздействия какого-либо возмущения на основную или промежуточную регулируемую величину. При этом первый канал, образовавшийся сам собой, например, при появлении воздействия f_2, который вызывает отклонения y(t), например, как положительная импульсная характеристика, поэтому чтобы её полностью компенсировать, необходимо создать 2-ой канал воздействия как y, подобрать соответствующую структуру устройства компенсации возмущения (например, дифференциатор инвариантности), затем так подобрать параметры динамической настройки K_э и T_э дифференциатора, чтобы образовалась площадь с отрицательным знаком, но равная по площади с положительным знаком, в результате чего y(t) не будет зависеть от возмущаемого воздействия.

Вместе с тем, основным воздействием на ТЭС является переход с одной нагрузки котлоагрегата/энергоблока на другую в соответствии с суточным графиком изменения нагрузок, который называется плановым изменением нагрузки.

Для получения почти полной инвариантности y(t) по отношению к f₂ при плановом изменении нагрузки необходимо реализовать схему рис.6, используя автоматический задатчик мощности блока(АЗМБ).

Сущность реализации схемы рис.6 состоит в том, что машинист котлоагрегата/ энергоблока прежде, чем переходить с одной нагрузки на другую с помощью АЗМБ корректирует задание основной САР в противоположную сторону, а затем в момент t= переходит на другую нагрузку, что при моделировании соответствует появлению скачка на входе W_в(p) только через время t=:

Инвариантная типовая САР

Инвариантная модернизированная САР

Отработка внешнего возмущения ИМСАР

Отработка внешнего возмущения ИТСАР

Выводы

В результате проведенной работы по моделированию переходных процессов типовой КСАР (настроенной по МЧК - для оптимальной отработки внутреннего контура (f1), а также по МПК - для оптимальной отработки внешнего контура (f2)), мы получили значения прямых показателей качества, которые в дальнейшем модернизировали и улучшили, основываясь на ряде чисел, взятых согласно правилу золотого сечения. Это связано с необходимостью уменьшить амплитуду первого колебания, и, следовательно, величину перерегулирования, при отработке скачка задания со значения 1,18 до 1. Также следует обратить внимание на достаточно большое значение времени регулирования (при отработке задающего воздействия и величину внешнего возмущения f2), а также величину перерегулирования при отработке регулирующего воздействия которое также подлежит уменьшению.

При моделировании переходных процессов применяя структурную схему модернизированной КСАР, настроенной по правилу золотого сечения (численное значение и выбираются из ряда чисел феномена золотого сечения, где за целое принимается и соответственно) мы получили несколько оптимальных вариантов, один из которых (с парой чисел значений: Т_зд1=0,146T ^*_оп= 2,09;Т_зд1=0,146= 6,72) мы сравнили с базовыми переходными процессами. В результате сравнения мы видим, что при отработке скачка задания величина первой амплитуды уменьшилась до 1, и, следовательно, величина перерегулирования снизилась до значения равного нулю, т.е. улучшилась на 18%. Также следует отметить, что время регулирования в базовой настройке равнялось t_р1 =440с, а в модернизированной с учетом правила золотого сечения уменьшилось в 4,68 раза до t_р2 =94с. Также, при отработке внешнего возмущения F2 величина первой амплитуды снизилась с 4,35 до 4,12 и время регулирования снизилось в 2,78 раза с 625 до 225 секунд. Из-за таких существенных улучшений увеличилась величина регулирующего воздействия почти в 3 раза (с -2,2 до -6,8), но за счет ее кратковременности (45с) мы ее не учитываем.

При моделировании переходных процессов с вводом ограничения по величине регулирующего воздействия получили прямые показатели качества, по которым можно судить о несущественном снижении качеств регулирования. Возникла незначительная величина перерегулирования при отработке равная 1,5%, время регулирования практически не изменилось, но существенным плюсом схемы является введение ограничения по величине регулирующего воздействия, что снижает ее на 68%, поэтому в дальнейшем будем использовать именно схему с ограничением.

Литература

1. Кулаков Г.Т. Инженерные экспресс-методы расчета промышленных систем регулирования: Справочное пособие - Мн.: Вышэйшая школа, 1984.

2. Кулаков Г.Т. Анализ и синтез систем автоматического регулирования: -Мн.: УП Технопринт, 135 стр,

3. Кузницкий И.Ф., Кулаков Г.Т. Теория автоматического управления-Мн.: БГТУ,

4. Кулаков Г.Т. Конспект лекций

Размещено на Allbest.ru