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:
- Математическое описание.
- Выбор датчиков и исполнительных механизмов.
- Синтез.
- 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
- Общие сведения об объекте и задачах его регулирования............................ 4
- Математическая модель парогенератора как объекта управления............... 7
- Постановка задачи синтеза.............................................................................. 9
- Датчики и исполнительные устройства системы управления........................ 9
- 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
- Проверка результатов синтеза на модели в Mathlab.................................... 21
- Заключение...................................................................................................... 22
Список литературы............................................................................................. 22
- 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.
- 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.
|
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 |
, 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 |
- 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.
- 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.
- 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.
|
|
|
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 .
|
Для типовой структуры: f
|
|
|
|
|
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
|
|
|
|
|
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.
|
|
|
|||||||
|
|||||||
|
|||||||
g y
-
Найдем R:
;
;
;
;
;
;
;
;
;
Получаем:
Проверка качества САР на модели в Mathlab:
Переходной процесс, проверка качества регулирования:
|
|
|
|
|
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
|
Ступенчатое возмущающее воздействие:
|
|
|
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
|
|
|
|
|
g y
… … … …. … -
В этой структуре реализован принцип комбинированного регулирования (принцип двух каналов).
- Одина канал регулирования по отклонению (ООС)
- 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.
- Проверка результатов синтеза на модели в Mathlab.
|
|
Ступенчатое возмущающее воздействие:
|
|
|
|
|
Линейно нарастающее воздействие ( за 1мин):
|
|
|
|
|
- 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.
- МУ 152-97 Теория управления. Сборник комплексных контрольных заданий по дисциплинам "Теория управления" и Автоматизация технологических процессов и производств" ВГТУ Воронеж 1997
- Парогенераторы. Под редакцией А.П. Ковалев и др. Учебник для вузов. Энергоатом издат. 1985г. 376с
Скачать: