BC/NW 2007, №1, (10) :14.8

СИНТЕЗ ЗАКОНОВ УПРАВЛЕНИЯ АВТОНОМНЫМИ ОБЪЕКТАМИ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ НА ОСНОВЕ МОДЕЛИРОВАНИЯ

М.В. Пихлецкий, В.Е. Митрофанов

(Москва, Московский энергетический институт (технический университет), Россия)

Целью работы является синтез законов энергоэффективного управления автономными объектами теплоснабжения (АОТ), к числу которых относятся автномные котельные (пристроенные и крышные) и индивидуальные тепловые пункты.

Решение задач управления объектом приводит к необходимости построения динамических моделей технологического процесса АОТ. В литературе накоплен достаточный материал, касающийся математических моделей стационарных теплогидравлических процессов в объектах теплоснабжения, динамическим же моделям не уделено достаточно внимания. Разработка подобных моделей необходима для анализа работы АОТ, разработки и проверки алгоритмов управления и проектирования объектов.

В работе предложен метод систематизированного построения формализованных динамических моделей узлов объекта. В основе данного метода лежит разделение узлов объекта на балансовые объемы (области пространства, содержащие лишь одну фазу вещества при идеальном перемешивании [2]) с сосредоточенными параметрами. Для полученных объемов записываются уравнения баланса экстенсивных величин (энергия, масса), которые дополняются определяющими уравнениями (уравнения интенсивности тепло- и массообмена, соотношения экстенсивных и интенсивных величин). Результатом применения метода является система ОДУ первого порядка в явной форме. На базе данного метода получены математические модели основных элементов АОТ – пластинчатого теплообменника, котла, регулирующих двухходового и трехходового клапанов, центробежного насоса. Математические модели элементов АОТ были реализованы и представлены в виде инструментальной библиотеки в средах Simulink (непрерывные процессы) и Stateflow (дискретные процессы, представленные конечными автоматами) пакета MATLAB, что позволяет производить имитационное моделирование технологических процессов АОТ различных конфигураций. Адекватность библиотеки была проверена путем сравнения результатов моделирования пробного АОТ и экспериментальных данных.

На базе полученных моделей были решены две важнейшие из задач управления АОТ – (1) регулирования температуры теплоносителя, поступающего потребителям (управление теплообменником), и (2) поддержания заданной температуры в подающей магистрали котлового контура.

Для решения первой из них ввиду показанной в результате анализа нелинейности модели теплообменника был предложен нелинейный метод точной линеаризации обратной связью ([1], [3]), позволяющий получить линейный эквивалент нелинейной аффинной по управлению системы. На базе данного метода предложена процедура синтеза закона управления потоком греющего теплоносителя теплообменника, при помощи которой становится возможным создание регуляторов, высокоэффективных во всем рабочем диапазоне температур и расходов, а не только вблизи расчетной рабочей точки. Последнее является достаточно важным преимуществом разработанных нелинейных регуляторов по сравнению с традиционными линейными, т.к. режим работы АОТ может значительно отличаться от номинального, для которого были подстроены коэффициенты линейного регулятора.

Для задачи управления температурой котлового контура была показана эффективность применения закона ПИД регулирования. С учетом этого был предложен и реализован алгоритм каскадного регулятора на основе контроля текущей суммарной мощности котлов. Каскадные регуляторы, использующие данный алгоритм, позволяют поддерживать режим работы котлов в области с высоким КПД, сохраняя при этом точность регулирования температуры котлового контура.

Литература

1. Мирошник, И.В. Теория автоматического управления. Нелинейные и оптимальные системы / И.В. Мирошник. – СПб: Питер, 2006. – 272 с.

2. Cameron, I. Process Modeling and Model Analysis / I. Cameron, K. Hangos. – Academic Press, 2001. – 544 pp.

3. Slotine, J.-J. Applied Nonlinear Control / J.-J. Slotine, W. Li. – Pearson Education, 1990. – 352 pp.