Імпульсні регулятори нелінійних систем керування в тепловій енергетиці

Abstract

Дисертаційна робота присвячена вирішенню науково-технічної проблеми – керування нелінійними об’єктами за допомогою імпульсних регуляторів з метою підвищення ефективності та надійності роботи як технологічного обладнання, так і пристроїв систем автоматизації в тепловій енергетиці, зокрема для теплових об’єктів, для теплогенеруючого обладнання, а також для процесу розмелювання вугілля за допомогою кульових барабанних млинів на теплових електростанціях. У роботі виконано огляд існуючих схем імпульсних ПІД-регуляторів, проаналізовано конфігурації цих схем з їх параметрами налаштування та досліджено точність імпульсних ПІД-регуляторів на базі таких схем: імпульсний ПІД-регулятор з подвійним диференціюванням, ПІД-регулятор з диференціатором та широтно-імпульсним модулятором, ПІД-регулятор з імпульсним перетворювачем, а також ПІ-регулятор з генератором імпульсів. Запропоновано нову класифікацію схем автоматичних регуляторів. Представлено удосконалений алгоритм широтно-імпульсної модуляції в імпульсному ПІД-регуляторі для керування тепловим об’єктом та розроблено методику розрахунку оптимального фільтра аналогового сигналу на вході автоматичного регулятора. Виконано дослідження нелінійних об’єктів регулювання, зокрема тепловий об’єкт (електрична піч) та кульовий барабанний млин для розмелювання вугілля на тепловій електростанції. На основі отриманих експериментальних даних побудовано математичні моделі вказаних об’єктів регулювання та виконано розрахунок автоматичних регуляторів для них. Розроблено алгоритм управління кульовим барабанним млином для оптимізації його завантаженості. Проаналізовано ефективність роботи теплогенеруючих об’єктів із врахуванням похибок обліку енергоносіїв. Розроблено математичні моделі похибок вимірювання температури природного газу, зумовлених інерційністю термоперетворювача в імпульсних режимах протікання газу та теплообміном між потоком газу і корпусом лічильника газу. Запропоновано заходи для підвищення точності автоматизованих систем обліку природного газу на теплогенеруючих об’єктах. Диссертация посвящена решению научно-технической проблемы – управления нелинейными объектами с помощью импульсных регуляторов с целью повышения эффективности и надежности работы как технологического оборудования, так и устройств систем автоматизации в тепловой энергетике, в частности для тепловых объектов, для теплогенерирующего оборудования, а также для процесса размола угля с помощью шаровых барабанных мельниц на тепловых электростанциях. В работе выполнен обзор существующих схем импульсных ПИД-регуляторов, проанализированы конфигурации этих схем с их параметрами настройки и исследована точность импульсных ПИД-регуляторов на базе таких схем: импульсный ПИД-регулятор с двойным дифференцированием, ПИД-регулятор с дифференциатором и широтно-импульсным модулятором, ПИД-регулятор с импульсным преобразователем, а также ПИ-регулятор с генератором импульсов. Предложена новая классификация схем автоматических регуляторов. Представлен усовершенствованный алгоритм широтно-импульсной модуляции в импульсном ПИД-регулятора для управления тепловым объектом и разработана методика расчета оптимального фильтра аналогового сигнала на входе автоматического регулятора. Выполнены исследования нелинейных объектов регулирования таких как тепловой объект (электрическая печь) и шаровая барабанная мельница для размола угля на тепловой электростанции. На основе полученных экспериментальных данных построены математические модели указанных объектов регулирования и выполнен расчет автоматических регуляторов для них. Разработан алгоритм управления шаровой барабанной мельницей для оптимизации ее загруженности. Проанализирована эффективность работы теплогенерирующих объектов с учетом погрешностей учета энергоносителей. Разработаны математические модели погрешностей измерения температуры природного газа, обусловленных инерционностью термопреобразователя в импульсных режимах протекания газа и теплообменом между потоком газа и корпусом счетчика газа. Предложены мероприятия для повышения точности автоматизированых систем учета природного газа на теплогенерирующих объектах. The dissertation is devoted to the solution of the scientific and technical problem of control of nonlinear objects by means of step controllers for the purpose of increasing efficiency and reliability of work of both technological equipment and devices of automation systems for thermal objects, for heat generating equipment, as well as for the process of grinding of coal by means of ball drum mills at thermal power stations. The diagrams of step controllers working in conjunction with the actuators of the integrating action have been analyzed in the work. The following diagrams have been analyzed: step PID controller with double differentiation, PID controller with a differentiator and a pulse-width modulator, PID controller with a pulse converter, as well as PI-controller with a pulse generator. The accuracy of the step controllers has been analyzed. A new classification of diagrams of automatic controllers is proposed. Analysis of pulse-width modulation (PWM) algorithms has been performed. An improved PWM algorithm based on a sawtooth waveform generator is proposed. A methodology is developed to design the optimal filter of analog signal at the input of an automatic controller. Experimental studies were carried out for a thermal object (electric furnace) and a ball drum mill for coal grinding. Mathematical models of the controlled objects were built on the basis of the obtained experimental data. Automatic controllers were designed for these objects. An improved algorithm for automatic control of the ball drum mill operation is proposed. The accuracy of automated systems for measurement of flow rate and volume of fluid energy carriers (natural gas) has been analyzed. The influence of the inertia of a temperature transducer on the accuracy of gas metering in pulsed modes of the measurement system has been investigated. Heat exchange between the gas flow and a gas meter body has been studied. Measures have been developed to improve the accuracy of automated natural gas metering systems at heat-generating facilities.