Система автоматического управления парогенератором

0

 

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

(ФГБОУ ВПО «ВГТУ», ВГТУ)

 

Факультет энергетики и систем управления (ФЭСУ)

(факультет)

Кафедра электропривода, автоматики и управления в технических системах (ЭАУТС)

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

 

по дисциплине Теория автоматического управления

 

Тема: Система автоматического управления парогенератором.

 

 

 

Расчетно-пояснительная записка

 

 

 

Разработал студент                                 _________________________А.С.Степанов_

                                                           Подпись, дата             Инициалы, фамилия

Руководитель                                          _________________________Е.М.Васильев_

                                                         Подпись, дата             Инициалы, фамилия

Члены комиссии                                    _______________________________________

                                                          Подпись, дата             Инициалы, фамилия

                                                         _______________________________________

                                                           Подпись, дата             Инициалы, фамилия

Нормоконтролер                                    _______________________________________

                                                            Подпись, дата             Инициалы, фамилия

 

Защищена ____________________       Оценка _______________________________

                                 дата

 

 

 

 

2014

 

 

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

(ФГБОУ ВПО «ВГТУ», ВГТУ)

Кафедра электропривода, автоматики и управления в технических системах (ЭАУТС)

 

 

 

 

ЗАДАНИЕ

на курсовую работу

по дисциплине Теория автоматического управления

 

Тема работы: Система автоматического управления парогенератором.

 

 

 

 

 

Студент группы АТ-111 Степанов А.С.

Перечень вопросов, подлежащих разработке:

 

  1. Математическое описание.
  2. Выбор датчиков и исполнительных механизмов.
  3. Синтез.
  4. Проверка модели на ТЗ.

 

 

 

 

Сроки выполнения этапов _______________________________________________

Срок защиты курсовой работы ___________________________________________

 

Руководитель                                 _______________________        Е.М.Васильев

                                                                 Подпись, дата       Инициалы, фамилия

Задание принял студент                _______________________        А.С.Степанов__

                                                                 Подпись, дата         Инициалы, фамилия

Содержание

  1. Общие сведения об объекте и задачах его регулирования............................ 4
  2. Математическая модель парогенератора как объекта управления............... 7
  3. Постановка задачи синтеза.............................................................................. 9
  4. Датчики и исполнительные устройства системы управления........................ 9
  5. Расчет МСАР парогенератора...................................................................... 10
    • Заданные значения коэффициентов...................................................... 10
    • Математическое описание объекта....................................................... 11
    • Выбор датчиков и исполнительных устройства системы управления............ 12
    • Структура МСАР объекта с исполнительными

устройствами и датчиками.................................................................. 13

  • Синтез МСАР.................................................................................................... 14
  • Расчет регулятора автономности................................................................ 14
  • Расчет регулятора качества......................................................................... 16
  • Введение в МСАР возмущающего воздействия..................................... 18
  • Инвариантность МСАР к возмущению................................................... 19
  1. Проверка результатов синтеза на модели в Mathlab.................................... 21
  2. Заключение...................................................................................................... 22

Список литературы............................................................................................. 22

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  1. Общие сведения об объекте и задачах его регулирования.

 

Широко распространенным рабочим телом различных технологических процессов в энергетике и промышленности является пар.

Аппараты для получения пара из воды за счет теплоты сжигаемого топлива называются паровыми котлами, или парогенераторами. На рисунке представлена общая схема парогенератора барабанного типа. В резервуар (барабан 1) поступает вода, над поверхностью которой накапливается полученный из нее пар. По спускным трубам вода из барабана спускается в низ топочной камеры 2 (топки), где установлены горелки, с помощью которых подаваемое в топку топливо (природный газ, жидкий мазут или раздробленный до пылеобразного состояния уголь) и воздух смешиваются и сжигаются. Горячие продукты сгорания (топочные газы) поднимаются вверх и нагревают поверхность наполненных водой труб 3, в которых и происходит испарение воды. Образовавшийся пар по мере подъема по трубам дополнительно подогревается и поступает в барабан, из которого затем отбирается на технологические нужды.

Рис. 1 Общая схема парогенератора барабанного типа

Процесс выработки пара описывается большим числом распределенных параметров, происходит непрерывно, является весьма энергоемким и характеризуется повышенной взрывоопасностью. Эти обстоятельства предъявляют жесткие требования к обслуживающему персоналу, осуществляющему управление котлом, и объективно определяются необходимость высокого уровня автоматизации этого процесса.

Основными сосредоточенными параметрами, характеризующими работу парогенератора, являются производительность котла (расход пара) , давление пара в котле или на его выходе, уровень воды в барабане и КПД , определяемый отношением теплосодержания (энтальпий) 1 кг отбираемого пара к теплоте полного сгорания (калорийность) 1 кг топлива. В мощных котлах дополнительно учитывают температуру пара и степень разрежения в топке.

Наиболее существенным неуправляемым внешним воздействием на котел является изменение расхода пара, определяемого суточной неравномерностью загрузки энергопотребителей.

Если расход пара, например, увеличится и при этом не принять меры к увеличению его выработки, то установившийся режим котла нарушится и давление пара над зеркалом воды будет непрерывно уменьшаться. Это приведет к снижению температуры кипения, т.е. к ускорению процесса парообразования, и относительное количество пара в воде увеличится. Так как объем пара больше объема воды, из которой он образовался, то общий уровень воды в барабане сначала поднимется. Это явление называется набуханием воды. Однако, поскольку массовый расход пара стал больше массы поступающей воды, то в конечном счете уровень воды в барабане начнет снижаться вплоть до её полного выкипания.

Таким образом, влияние внешнего возмущения (расхода пара ) приводит и к одновременному и неоднозначному изменению как давление пара в котле так и уровень воды в барабане.

Если при увеличении пытаться сохранить равновесный режим котла увеличением количества питательной воды, то материальный баланс , а значит, и уровень воды воды будут сохранены, однако выработка пара при этом существенно не возрастет и давление будет по прежнему падать. Более того, приток свежей воды без достаточного подогрева может привести к уменьшению теплосодержания воды в котле, т.е. к снижению выработки пара и к дополнительному падению давления. Это объясняется тем, что установившийся режим котла характеризуется не только балансом масс, но и тепловым балансом-равновесием между количеством тепла, получаемый водой в топке, и уходящим количеством энергии, содержащейся в отбираемом паре. Поскольку при росте этот баланс тоже нарушается, то для его восстановления необходимо вместе с регулированием подачи воды увеличить и количество тепла в топке, т.е. увеличить количество подаваемого в котел топлива. Это обеспечит рос выработки пара, который с одной стороны восстанавливает давление, а с другой приводит к уменьшению объема воды, а значит и к снижению её уровня в барабане. При этом перед началом снижения уровня также наблюдается процесс набухания.

Проведенный простейший анализ работы парогенератора показывает, что изменение внешних воздействий , или приводит к нарушению как материального, так и теплового баланса котла, и регулирование его параметров и возможно только при совместном и согласованном изменении управляющих величин и .

Высокая энергоемкость процесса выработки пара выдвигает требование к экономичности парогенератора, т.е. к значению его КПД η=80-90%. Помимо конструктивных мер повышения КПД, закладываемых при разработке котлов, важным эксплуатационным фактором экономичности является полнота сгорания топлива, обеспечиваемая поддержанием заданного отношения массы воздуха к массе топлива, подаваемых в топку. Это означает что всякое изменение в подаче топлива, возникающее в процессе регулирования котла, должно сопровождаться автоматическим изменением подачи воздуха так, чтобы отношение оставалось постоянным и заданным для используемого вида и сорта топлива. Всякое отклонение этого отношения от заданного приводит не только к снижению КПД, но и к изменению выделяемого в топке тепла и, как следствие, к нарушению установившегося режима парогенератора.

Таким образом, указанные свойства и особенности эксплуатации парогенератора показывают, что его следует отнести к классу многомерных объектов управления.

 

  1. Математическая модель парогенератора как объекта управления.

 

В соответствии с описанным в пункте 1 задачами управления парогенератором в качестве регулируемых величин будем использовать:

- давление пара на выходе котла, МПа;

- уровень воды в барабане, м;

- коэффициент избытка воздуха, определяемый как ,

где - теоретическое значение расхода воздуха, необходимое для химически полного сгорания данного топлива, - расчетный коэффициент.

 

Регулирующими воздействиями на котел можно считать:

- расход топлива, т/ч;

- расход воды, т/ч;

- расход воздуха, т/ч.

 

Возмущающее воздействие:

- расход пара, т/ч.

                                                      

 

 
 

 

 

         МСАР

 

 

 

                                                                                              

                                                                                              

                                                                                          

 

Рис.2 Многомерный объект регулирования (парогенератор)

 

Линеаризованные дифференциальные уравнения парогенератора, полученные для относительных приращений указанных переменных величин, имеют вид:

где

; ; ;

;; ; ;

-приращения и номинальные значения переменных, причем .

Числовые значения коэффициентов уравнений и параметров котлов приведены в таблице:

, с

, с

           

300

70

30

150

1,3

-0,1

0,2

0,6

1,4

0,2

 

k, кг/кг

 

, кг/с

, Па

, м

, кг/с

, с

7,7

1,3

7,778

1.25

0,2

1,25

60

  1. Постановка задачи синтеза.

 

На основании полученной математической модели парогенератора синтезировать систему автоматического регулирования, выполняющую следующие функции:

-поддержание в установившемся режиме параметров P и H на заданных уровнях с нулевой ошибкой;

-ограничение в переходных режимах максимального отклонения регулируемых величин от заданных значений пределами 10% для уровня жидкости; 5% для давления и 1% для коэффициента избытка воздуха;

-обеспечение независимого управления величин и , изменение которых может потребоваться при переводе котла из рабочего режима в дежурный и обратно или переходе на другой тип или сорт топлива. Характер возникающего при этом переходного процесса должен быть монотонным со временем регулирования ;

-обеспечение заданной длительности переходного процесса и указанных выше доступных отклонений P(t), H(t) и α(t) при линейном изменении расхода пара на значение за 1мин.

 

  1. Датчики и исполнительные устройства системы управления.

 

Датчики:

- В качестве датчика давления пара используется манометр с тензометрическим преобразователем с чувствительностью 10 В/МПа (в СИ В/Па).

- Функцию датчика уровня жидкости в барабане выполняет дифференциальный манометр, реагирующий на перепад давления (уровней) воды в барабане и в бачке постоянного уровня. Чувствительность датчика 0,1 В/мм (в СИ 100 В/м).

- Датчиками расхода жидкого и газообразного топлива, а также воздуха и пара служат расходомеры диафрагменного типа, регистрирующие перепад давления на диафрагме, установленной в трубопроводе. Применяются расходомеры с чувствительностью 100 мВ/(т/ч) ( в СИ 0,36 В/(кг/с).

-Исполнительными устройствами подачи жидкого или газообразного топлива, а также питательной воды является установленные на трубопроводах дроссели, перемещаемые электроприводами. Добротность этих исполнительных узлов 2 и 20 ((т/ч)/мин)/В.

-Исполнительным механизмом подачи воздуха является центробежный вентилятор, производительность которого пропорциональна частоте его вращения и при обеспечивает номинальный расход воздуха . Коэффициенты передачи электроприводов вентилятора и питателя одинаковы.

Постоянная времени исполнительного механизма подачи воздуха равна 10 с. Инерционность остальных исполнительных устройств, а также всех датчиков системы можно пренебречь.

 

  1. Расчет МСАР парогенератора

5.1. Заданные значения коэффициентов.

 

 

 

5.2. Математическое описание объекта.

 

От линеаризованной системы дифференциальных уравнений

 

перейдем к матрицам, при этом произведем пересчет параметров в абсолютные единицы измерения (кроме -относительное):

 

 

Составим передаточные матрицы по задающему и возмущающему воздействию.

по задающему:

 

 

 

по возмущающему:

 

5.3. Выбор датчиков и исполнительных устройства системы управления.

Датчик давления P, уровня жидкости воды H, топлива α, служат обычные коэффициенты передачи. Запишем их в матричном виде:

 

                  

 

Датчики пара:

 

 

Исполнительные устройства:

Исполнительными устройствами подачи топлива и питательной воды являются интеграторы с обратной отрицательной связью. А исполнительным устройством подачи воздуха является обычное инерционное звено 1-го порядка.

 

 

 

Исполнительные устройства также запишем в виде матрицы:

 

5.4. Структура МСАР объекта с исполнительными устройствами и датчиками.

 
   

 

                                                                            

 

Исполнительные

ус-ва

 

Объект

 

Датчики

 

                                                                                                                             

                                                                                                                               

                                                                                                                      

 

В матрицах по задающему воздействию:

 

по возмущающему:

5.5. Синтез МСАР.

5.5.1. Расчет регулятора автономности.

1) Независимость (автономность) выходных величин по задающему и возмущающему воздействию. Формально, требование автономности заключается в обеспечении диагональности матрицы замкнутой САР по задающему воздействию.

2) Требование качества регулирования по каждой координате y. Формально это требование заключается в формировании желаемых диагональных элементов матрицы и .

Объект

 

Для типовой структуры:                                                         f    

 

 

Регулятор автономности

 
 
 
 
 

     g                                           U                                                             y

           
   
     
     
 

 

                   -

 
   

 

Уравнение движения:

;

;

;

;

Обеспечение автономности по задающему воздействию, получаем:

 

 

Для диагональности матриц необходимо и достаточно произведения:

[,     где , i.

 

Получаем матрицу регулятора обеспечивающая требуемую нам автономность:

 

 

Осуществим проверку автономности на модели Mathlab

 

y(t)

 

 

Ut=0

Uv=1

Uvozd=0

 

t,c

 

Ut=0

Uv=0

Uvozd=1

 

Ut=1

Uv=0

Uvozd=0

 

Выход системы y(t) на входящее задающее воздействие.

 

 

 

5.5.2 Расчет регулятора качества.

Т.к. по техническому заданию требуется выполнить следующие функции:

-поддержание в установившемся режиме параметров P и H на заданных уровнях с нулевой ошибкой;

-ограничение в переходных режимах максимального отклонения регулируемых величин от заданных значений пределами 10% для уровня жидкости; 5% для давления и 1% для коэффициента избытка воздуха;

-обеспечение независимого управления величин и , изменение которых может потребоваться при переводе котла из рабочего режима в дежурный и обратно или переходе на другой тип или сорт топлива. Характер возникающего при этом переходного процесса должен быть монотонным со временем регулирования ;

Исходя из ТЗ мы сделаем монотонный процесс с нулевой ошибкой и временем регулирования . Этим параметрам соответствует инерционное звено 1-го порядка, с постоянной времени

Объект рассматривается без возмущения.

 
 
               
   

Регулятор автономности

 

 
   

Регулятор качества R

 
       

Объект

 
   
 
 
 

 

 

   g                                                                                                                   y    

                              -                                                                                                   

 
   

 

 

 

 

 

Найдем R:                    

;

;

;

;

;

;

;

;

;

Получаем:

 

Проверка качества САР на модели в Mathlab:

 

 

 

 

Переходной процесс, проверка качества регулирования:

 
 

y(t)

 

 

t,c

 

Ut=1.25

 

Uvozd=1.3.

 

Uv=0.2

 

Время регулирование по каждому каналу , перерегулирование , ошибка равна нулю, а значит мы выполнили ТЗ.

 

5.6. Введение в МСАР возмущающего воздействия

Введем ступенчатое возмущающее воздействие f

 

 

y(t)

 

   Ступенчатое возмущающее воздействие:

t,c

 

Давление пара

 

Коэф. избытка воздуха;

Уровень воды

 

 

Ввод возмущения показал, что давление P выросло до колоссальных значений (2842МПа) тем самым вызвал сбой САР парогенератора. А значит нужно свести возмущение к нулю (инвариантность САР к возмущению), чтобы оно никак не влияло на систему. Сделаем это, смотреть пункт 4.6.

 

5.7. Инвариантность МСАР к возмущению.

Для подавления возмущающего воздействия требуется ввести дополнительный канал ввода возмущения f. Смотреть структурную схему ввода возмущения.

 

                       
     
           
             
 
 
 

 

                                                                                                                     f

 
   

 

 
 

Объект

 
 
 

g                                                                                                                             y

…               …                               …                               ….                                    …                              -                                                                                                                  

 

 
   

 

 

 

В этой структуре реализован принцип комбинированного регулирования (принцип двух каналов).

  1. Одина канал регулирования по отклонению (ООС)
  2. По возмущению.

Этот принцип был предложен Щипановым Г.В. в 1939году.

Дополнительный канал ввода возмущения позволяет обеспечить инвариантность выходной величины y к f.

- условие полной инвариантности.

Реализуем частичную инвариантность (до 2 астатизма)

Проверка в Matcad

 

Из этой матрицы видно, что возмущение близко к нулю и никак не действует на систему, т.е. мы добились желаемого нам результата.

 

 

 

 

 

 

  1. Проверка результатов синтеза на модели в Mathlab.

 

 
 

Коэффициент избытка воздуха

 

 

y(t)

 

Ступенчатое возмущающее воздействие:

t,c

 

Расход пара (возмущение)

 

Уровень воды в барабане

 

Давление пара

 

y(t)

 

Линейно нарастающее воздействие ( за 1мин):

Коэффициент избытка воздуха

 

Давление пара

 

t,c

 

Уровень воды в барабане

 

Расход пара (возмущение)

 
  1. Заключение.

На основе линеаризованных дифференциальных уравнений парогенератора, которые описывают его процесс, мы смоделировали МСАР в Matcad и Mathlab.

Исследовав МСАР нам потребовалась провести синтез, который в дальнейшем удовлетворил ТЗ. Т.е. модель удовлетворяет нашим требованиям, а именно:

-поддержание в установившемся режиме параметров P и H на заданных уровнях с нулевой ошибкой;

           - перерегулирование σ=0% процесс монотонный (по ТЗ требовалось 10% для уровня жидкости; 5% для давления и 1% для коэффициента избытка воздуха);

         -обеспечение независимого управления величин и ;

         -длительность переходного процесса ;

 

Список литературы.

 

  1. МУ 152-97 Теория управления. Сборник комплексных контрольных заданий по дисциплинам "Теория управления" и Автоматизация технологических процессов и производств" ВГТУ Воронеж 1997
  2. Парогенераторы. Под редакцией А.П. Ковалев и др. Учебник для вузов. Энергоатом издат. 1985г. 376с

 

 Скачать: У вас нет доступа к скачиванию файлов с нашего сервера. КАК ТУТ СКАЧИВАТЬ

Категория: Курсовые / Электроника курсовые

Уважаемый посетитель, Вы зашли на сайт как незарегистрированный пользователь.
Мы рекомендуем Вам зарегистрироваться либо войти на сайт под своим именем.