MATLAB.Exponenta
–Û·Ë͇ Matlab&Toolboxes

Simulink

Работы-участники конкурса Simulink-моделей.

Анализ связанной системы автоматического регулирования уровня воды в баке системы химводо подготовки.

архив работы zip-файл

Мандра Андрей Геннадьевич, Самарский Государственный Технический университет, AMandra@mail.ru

Объектом анализа является блок №8 подпитки теплосетей цеха ХВО ТЭЦ ВАЗа. Он реализует технологический процесс химической очистки воды. В процессе химводоочистки осуществляется подготовка воды для системы водоснабжения.

Схема объекта приведена на рисунке 1.

Рисунок 1- Схема объекта.

Система состоит из блока фильтров, бака химочищенной воды (БХОВ), регулирующих заслонок с постоянной скоростью перемещения.

Вода для очистки поступает на блоки фильтров. После фильтра качество воды заведомо выше требуемого, поэтому необходимо к полученной воде подмешивать питьевую воду. Результатом подмеса является не только достижение заданного качества воды, но так же экономия и продление срока службы фильтрующего материала. Затем химически очищенная вода собирается в БХОВ, в котором поддерживается постоянный уровень.

В процессе работы блока подпитки теплосети нагрузка блока изменяется случайным образом. Поэтому в задачи системы автоматического управления входит поддержание постоянного уровня в баке ХОВ (4±1 м). Кроме этого, система должна обеспечивать заданное качество ХОВ путём поддержания постоянного соотношения между расходами фильтрата и подмеса с помощью регулируемой заслонки на подмесе.

Рассмотрим систему автоматического управления данного объекта. Модель объекта представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 - Модель объекта.

Исполнительный механизм.

ПИ-регулятор.

Рассмотрим исполнительный механизм (ИМ).

В роли исполнительного механизма выступает регулируемый клапан с электроприводом с постоянной скоростью перемещения и обратной связью по положению. В результате идентификации была получена передаточная функция линейной части ИМ, она имеет вид: .

На рисунке 3 представлена структурная схема ИМ.

Рисунок 3 - Блок стабилизации положения регулирующей заслонки.

Для моделирования работы электропривода использована нелинейность типа гистерезисное реле с зоной нечувствительности. Ширина зоны гистерезиса определяется длительностью цикла контроллера, реализующего регулятор, поскольку изменение состояний выходов контроллера возможно не чаще чем один раз за цикл. Введение зоны нечувствительности позволяет исключить возникновения автоколебаний, которые могут возникнуть из-за прохождения зоны нечувствительности за одно включение.

Для реализации данной нелинейности использовалась комбинация трёх элементов: зона нечувствительности, сигнум, экстраполятор нулевого порядка. По техническим соображениям зона нечувствительности принята равной ±3%, время квантования соответствующее длительности цикла контроллера - 0,2 с. Так как задвижка не может открыться более чем на 100%, поэтому при моделировании ИМ был использован интегратор с ограничением от 0 до 100%.

В модели объекта можно выделить САУ уровня воды в БХОВ и САУ подмеса.

САУ уровня представляет собой двухконтурную систему подчиненного регулирования. Внутренний (быстродействующий) контур стабилизирует расход воды на блок фильтров. Внешний (медленный) контур поддерживает заданный уровень в БХОВ.

Для стабилизации расхода во внутреннем контуре используется ПИ-регулятор с зоной нечувствительности на входе. Зона нечувствительности на входе позволяет не допустить возникновения автоколебаний в системе. Внутренний контур охвачен жесткой единичной обратной связью. Выбран ПИ-регулятор, т.к. передаточная функция регулируемого объекта в контуре представляет собой апериодическое звено второго порядка. Ширина зоны нечувствительности принята по технологическим соображениям равной: ±15т/ч. Для расчета ПИ-регулятора, ИМ в модели САУ был заменен на апериодическое звено первого порядка, постоянная времени которого была найдена по АЧХ ИМ, и она имеет вид: .

Коэффициенты ПИ-регулятора рассчитывались исходя из условия технического оптимума. ПИ-регулятор имеет вид: .

Для моделирования системы стабилизации уровня в БХОВ ко внутреннему контуру были добавлены: внешний объект - бак, П‑регулятор и зона нечувствительности (± 0,3 м). Вся система была охвачена жесткой единичной обратной связью по сигналу уровня в БХОВ. Во внешнем контуре используется П-регулятор, т.к. передаточная функция регулируемого объекта представляет собой интегрирующее звено. Настройка П‑регулятора производилась исходя из условий технического оптимума. Значение П‑регулятора равно:. Но при моделировании совместной работы САУ подмеса и САУ уровня в БХОВ данного значения не достаточно, следовательно принято .

Идентификация была проведена по временным переходным характеристикам объектов управления снятых на работающем оборудовании. В её результате были получены передаточные функции для объектов управления: для участка трубопровода: , для БХОВ: , для блока фильтров . Для реализации передаточной функции БХОВ используется интегратор с ограничением от 0 до 6 м, т.к. бак имеет высоту 6 м, и соответственно уровень воды в нём не может превышать 6 м.

Качество фильтрата на выходе с блока должно регулироваться путем добавления в фильтрат питьевой воды. При этом необходимо поддерживать определенное соотношение между расходом питьевой воды и отфильтрованной, которое обеспечивает заданное качество химочищенной воды.

САУ подмеса представляет собой одноконтурную систему подчиненного регулирования расхода воды на подмес. Для стабилизации расхода воды на подмес используется ПИ-регулятор с зоной нечувствительности на входе, т.к. передаточная функция регулируемого объекта представляет собой апериодическое звено.

В результате идентификации определена передаточная функция для участка трубопровода: . Коэффициенты ПИ-регулятора рассчитывались исходя из условий технического оптимума. ПИ-регулятор имеет вид: . П- и ПИ-регуляторы реализован на контроллере.

При моделировании объекта были получены переходные процессы в системе при задании уровня в БХОВ: изменение уровня в БХОВ (рисунок 4); изменение расхода воды на подмес (рисунок 5); изменение расхода воды на блок фильтров (рисунок 6). На всех рисунках по оси абсцисс отложено время в секундах, на рисунках 5 и 6 по оси ординат - расход воды (т/час), на рисунке 4 по оси ординат - уровень воды в БХОВ (м).

В рассмотренном случае предполагается, что система находилась в покое (уровень в БХОВ на нуле), затем задавался уровень в БХОВ, т.е. производилось включение системы. Так как расход воды из БХОВ есть величина случайная, то больший интерес представляют переходные процессы в системе при наведении возмущений расходом воды из БХОВ. Так же интересны переходные процессы при изменении качества химочищенной воды (изменение коэффициента на входе САУ подмеса). Для этого в рассмотренной модели передаточным функциям объектов управления и регуляторам были заданы начальные условия. Для этого передаточные функции были записаны в виде уравнений пространства состояний.

Были получены переходные процессы в системе при нанесении возмущения расходом воды из БХОВ (расход меняется с 900 т/час на 1200т/час). Переходный процесс представлены на рисунке 7,8,9 соответственно изменение уровня в БХОВ, изменение расхода воды на фильтры, изменение расхода воды на подмес.

Так же были получены переходные процессы при изменении качества химочищенной воды (изменение соотношения между расходами фильтрата и подмеса с 20% и 80% на 25% и 75% соответственно). Изменение расхода воды на подмес - рисунок 10, изменение расхода воды на блок фильтров - рисунок 11.

Из графиков видно, что модель системы адекватно реагирует на наводимые возмущения и результаты, полученные в данной работе, будут применены на блоке №8 подпитки теплосетей цеха ХВО ТЭЦ ВАЗа.



Поиск по сайту:

Система Orphus

Яндекс.Метрика