Синергетический синтез нелинейных систем взаимосвязанного управления теплоэнергетическими объектами тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.01, кандидат технических наук Погорелов, Михаил Евгеньевич

• Погорелов, Михаил Евгеньевич
• кандидат технических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат технических наук Погорелов, Михаил Евгеньевич

Введение у 1. Обзор математических моделей и методов управления теплоэнергетическими объектами.

1.1. Типовые задачи автоматического управления теплоэнергетическими объектами

1.2. Математические модели теплоэнергетических объектов.

1.2.1. Общие принципы моделирования теплообменных аппаратов

1.2.2. Линейные модели ТЭО.

1.2.3. Нелинейные модели ТЭО. 1.3.Современные методы-синтеза систем управления теплоэнергетическими объектами.

1.3.1. Основные принципы построения промышленных систем управления теплоэнергетическими объектами.

I 1.3.2. Методы аналитического конструирования оптимальных регуляторов (АКОР). 1.3.3. Методы синергетической теории управления.

1.4. Выводы по главе.

I* 2. Регулирование давления и уровня в барабанных котлах, работаj ющих в составе энергоблока. 2.1. Синтез базового закона управления.

2.1.1. Постановка задачи.

2.1.2. Синтез системы управления.

I 2.1.3. Анализ устойчивости системы на многообразиях. jj 2.1.4. Результаты моделирования.

2.2.Синтез законов управления с использованием особенностей

1 структуры модели циркуляционого контура котла.

2.2.1. Синтез системы управления.

2.2.2.Анализ устойчивости замкнутой системы управления на многообразиях

2.2.3.Результаты моделирования.

2.3.Исследование грубости замкнутой системы управления.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Синергетический синтез нелинейных систем взаимосвязанного управления теплоэнергетическими объектами»

Актуальность темы. Одной из главных проблем современной теплоэнергетики является проблема повышения маневренности агрегатов тепловых и атомных электростанций [1-2]. Для парогенерирующих установок ее решение предполагает расширение диапазона нагрузок и тепловых режимов, в рамках которого система управления котлом способна обеспечить его устойчивую работу. Традиционные регуляторы, синтезированные по линейным моделям, адекватно описывающим процессы генерации пара вблизи выделенного (номинального) режима, неспособны обеспечить требуемое качество регулирования во всем диапазоне нагрузок и тепловых режимов [3]. Вместе с тем большинство работ, отечественных и зарубежных ученых - В.Я. Рота-ча, А.С. Клюева, А.Т. Лебедева, Е.П. Стефани, K.J. Astrom, В.А. Иванова, Г.П. Плетнева и др., посвященных проблеме автоматизации теплоэнергетических объектов (ТЭО), базируются на применении методов именно линейной теории управления [4-12]. Сложившаяся ситуация, оправданная сложностью, а подчас и невозможностью реализации алгоритмов нелинейного управления на базе тех технических средств, которые имелись в распоряжении инженера-проектировщика, отсутствием самих алгоритмов управления, постепенно меняется. В этой связи представляется необходимым изучить возможности по применению современных перспективных методов нелинейной теории управления, получивших свое развитие в работах А.А. Колесникова, А.А. Кра-совского, P. Kokotovic, A. Isidori и ряда других авторов [13-23], к задачам управления теплоэнергетическими объектами.

В данной работе в качестве такой задачи рассматривается проблема взаимосвязанного регулирования давления на выходе парогенератора и уровня воды в барабане котла в исходной нелинейной постановке. Из-за тесной взаимосвязи процессов изменения давления и уровня эти две задачи должны решаться совместно. Заметим, что в классе линейных регуляторов, несмотря на обилие публикаций, посвященных данной проблеме [23-27], ее удовлетворительное решение до сих пор не найдено. Об этом говорит хотя бы тот факт

28], что около 30% остановов парогенераторов на атомных электростанциях связано с плохим регулированием уровня. Таким образом, актуальность темы исследования обусловлена необходимостью построения нелинейных векторных регуляторов, при синтезе которых учитывались бы такие свойства ТЭО как нелинейность и взаимосвязанность, протекающих в нем процессов, способных максимально расширить регулировочный диапазон ТЭО, обеспечить активное его участие в нормальном и послеаварийном регулировании частоты и мощности.

Цель работы и основные задачи исследования заключаются в разработке методики аналитического синтеза нелинейных векторных законов управления теплоэнергетическими объектами применительно к задачам управления парогенераторами на основании их нелинейных моделей, а также разработке динамических регуляторов для парогенераторов, обеспечивающих подавление возмущений, учитывающих ограничения на управляющие воздействия и т.п. Достижение поставленных целей предполагает решение следующего круга задач:

• исследование нелинейных моделей парогенерирующих установок, адекватно описывающих процессы генерации пара в широком диапазоне варьирования режимов его работы;

• разработку методики аналитического синтеза базовых нелинейных законов взаимосвязанного управления парогенераторами, работающими в составе энергоблока;

• аналитический синтез базовых законов управления парогенераторами, компенсирующих влияние на систему внезапного скачкообразного изменения нагрузки (построение систем управления инвариантных к кусочно-постоянным возмущениям);

• разработка алгоритмов управления, учитывающих реально действующие в системе ограничения на управляющие воздействия.

Методы исследования. При решении поставленных задач использовались теория дифференциальных уравнений, теория автоматического управления, синергетическая теория управления, методы математического моделирования динамических систем, теория устойчивости. При проведении этапов синтеза регуляторов и моделировании замкнутых систем использовались прикладные математические пакеты Maple и Matlab.

Структура работы. В первой главе рассмотрены типовые задачи регулирования ТЭО. Сформулированы основные принципы построения моделей парогенерирующих установок. Приведена нелинейная модель, описывающая изменение давления и уровня воды в барабанном котле. Проведена сравнительная оценка различных методов синтеза систем управления. Изложены основные положения синергетической теории управления.

Во второй главе на основе методов синергетической теории управления с последовательным и параллельным введением совокупности инвариантных притягивающих многообразий построена процедура получения законов управления, обеспечивающих стабилизацию давления пара на выходе котла и уровня воды в его барабане. Предложено два способа выбора совокупности притягивающих многообразий, обеспечивающих достижение цели управления. Показано, что для парогенератора, работающего в составе энергоблока, обеспечение стабилизации давления и уровня является достаточным условием для устойчивости замкнутой системы. Приведены результаты имитационного моделирования замкнутой системы управления, иллюстрирующие тот факт, что замкнутая система управления обладает свойством устойчивости в «большом».

В третьей главе рассмотрена процедура построения селективно инвариантных систем управления, компенсирующих влияние изменения нагрузки. Предложены два способа парирования возмущения. Первый из них основан на построении нелинейного наблюдателя возмущения. Второй - на обеспечении структурных условий астатизма первого порядка. Рассмотрена процедура построения регулятора, учитывающего ограничения на управляющие воздействия.

Общее заключение по диссертационной работе содержит перечень основных результатов и следующих из них выводов. Вспомогательные программы, алгоритмы их функционирования и акт внедрения приведены в приложении.

Научная новизна. В работе получены и выносятся на защиту основные результаты, характеризующиеся научной новизной:

1. Методика синергетического синтеза базовых законов взаимосвязанного управления регулирования давления и уровня воды в барабанных паровых котлах, работающих в составе энергоблока.

2. Методика синергетического синтеза векторных регуляторов, компенсирующих влияние внешнего кусочно-постоянного возмущения, обусловленного изменением нагрузки.

3. Методика синергетического синтеза законов взаимосвязанного управления регулирования давления и уровня воды в барабанных паровых котлах при наличии ограничений на управляющие воздействия.

Практическая ценность работы. Предложенные в работе процедуры синтеза систем взаимосвязанного управления давлением и уровнем воды в барабанных котлах базируются на адекватной нелинейной модели парогенератора, описывающей процессы генерации пара в широком диапазоне варьирования тепловых режимов. Их использование гарантирует асимптотическую устойчивость замкнутой системы при значительных изменениях нагрузки. Учет ограничений на управляющие воздействия, синтез законов управления, позволяющих оценить и скомпенсировать влияние нагрузки, позволяет строить высокоэффективные системы управления парогенераторами нового класса.

Реализация результатов работы. Тема диссертационной работы непосредственно связана с тематикой фундаментальных и прикладных научно-исследовательских работ кафедры синергетики и процессов управления Таганрогского государственного радиотехнического университета, выполняемых в рамках международных грантов «Виртуальная моделирующая установка для основанных на РЕВВ энергосистем корабля» (840/02069131/96001), «Виртуальная моделирующая установка для современных электрических систем» (840/02069131/00001) и «Программа исследований и разработок систем электрического корабля» (840/02069131/03001), а также в работах для НПО «Монтажавтоматика».

Публикация и апробация работы. Материалы диссертации опубликованы в 9 научных работах и докладывались на III Всероссийской научно-практической конференции «Повышение эффективности теплоэнергетического оборудования», 21-22 ноября, 2002 г., Иваново; Всероссийской научной конференции «Управление и информационные технологии», 3-4 апреля, 2003 г., Санкт-Петербург; XVI Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях «ММТТ-Дон», Ростов-на-Дону, 26-29 мая, 2003 г.; а также на ежегодных конференциях профессорско-преподавательского состава ТРТУ.

Результаты, изложенные в работе, получены автором лично.

1. Обзор математических моделей и методов управления теплоэнергетическими объектами

Заключение диссертации по теме «Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)», Погорелов, Михаил Евгеньевич

Основные результаты работы заключаются в следующем:

1. Проведено исследование нелинейных моделей парогенерирующих установок и осуществлен выбор модели, наиболее адекватно описывающей процессы, протекающие в парогенераторе.

2. На основании методов синергетической теории управления разработана процедура синтеза базовых векторных законов управления парогенери-рующими установками, работающими в составе энергоблока. Предложенная процедура синтеза обеспечивает стабилизацию давления пара на выходе парогенератора и уровня воды в барабане котла. Полученные законы управления гарантируют асимптотическую устойчивость замкнутой системе управления в широком диапазоне варьирования тепловых режимов.

3. Исследована устойчивость движения замкнутой системы управления на пересечении многообразий fa. С этой целью для системы уравнений, описывающих поведение теплоэнергетического объекта на пересечении, была построена функция Ляпунова. Было показано, что условия стабилизации давления и уровня являются достаточными для обеспечения устойчивости замкнутой системы.

4. Предложена процедура выбора макропеременных fa, учитывающая особенности модели циркуляционного контура котла и позволяющая упростить анализ устойчивости поведения замкнутой системы управления на многообразиях.

5. На основании метода синергетического синтеза нелинейного наблюдателя для парогенератора получены уравнения динамического регулятора, позволяющего осуществить компенсацию кусочно-постоянного возмущения Gnr, действующего на выходе системы.

6. Предложена процедура построения динамического регулятора, обеспечивающего выполнение структурных условий астатизма первого порядка и гарантирующего на ряду с выполнением технологической задачи: стабилизации давления пара на выходе парогенератора и уровня воды в барабане котла, компенсацию возмущения со стороны нагрузки, действующего на парогенератор.

7. Исследованы вопросы чувствительности замкнутой системы управления (2.1), (2.12), (2.13) к изменению параметров ТЭО. Показано, что предложенный базовый закон управления (2.12), (2.13) обладает свойством робастности.

8. Рассмотрен вариант построения астатического регулятора, обеспечивающего нулевую статическую ошибку по основным технологическим переменным: давлению пара на выходе парогенератора и уровню воды в барабане котла при значительных ошибках в определении параметров объекта.

9. Разработаны алгоритмы управления, учитывающие реально действующие в системе ограничения на управляющие воздействия.

Заключение

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Погорелов, Михаил Евгеньевич, 2003 год

1. Рубин В.Б. Проблема маневренности атомных электростанций. -Электрические станции, 1978, №11, с. 5-7.

2. Иванов В.А. Регулирование энергоблоков. Л.: Машиностроение, Ле-нингр. отд-ние, 1982.

3. Клюев А.С., Колесников А.А. Проблемы синтеза оптимальных систем автоматизации котлоагрегатов//Сборник докладов III Всероссийской научно-технической конференции «Повышение эффективности теплоэнергетического оборудования», 21-22 ноября, 2002.

4. Ротач В.Я. Расчет динамики промышленных автоматических систем регулирования. М.: Энергия, 1973.

5. Клюев А.С., Лебедев А.Т., Новиков С.И. Наладка систем автоматического регулирования барабанных паровых котлов. М.: Энергоатомиздат, 1994.

6. Клюев А.С., Лебедев А.Т., Таланов В.Д. Автоматическое управление барабанными паровыми котлами. М.: Издательство «Шаг», 1996.

7. Стефани Е.П. Расчет динамики промышленных автоматических систем регулирования. М. Энергия, 1975.

8. Субботин В.И. Режимы работы и управление теплоэнергетическими установками. М.: «Испо-Сервис», 2001.

9. Плетнев Г.П. Автоматизированное управление объектами тепловых электростанций: Учебное пособие для вузов. М.: Энергоатомиздат, 1981.

10. Klefenz G. Automatic control of steam power plants (3rd ed.), Bibliogrophisches Institut, 1986.

11. Ротач В.Я. Расчет настройки промышленных систем регулирования. М.: Госэнергоатомиздат, 1961.

12. Клюев А.С. Оптимальная структура технологии и автоматического управления производства пара и горячей воды. М.: «Испо-Сервис», 2000.

13. Колесников А.А. Синергетическая теория управления. М.: Энергоатом-издат, 1994.

14. Современная прикладная теория управления: Оптимизационный подход в теории управления/Под ред. А.А. Колесникова. Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2000. 4.1.

15. Современная прикладная теория управления: Синергетический подход в теории управления/Под ред. А.А. Колесникова. Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2000. Ч.И.

16. Современная прикладная теория управления: Новые классы регуляторов технических систем / Под ред. А.А. Колесникова. Москва-Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2000. Ч. III.

17. Kokotovic P.V., Arcak М. Constructive Nonlinear Control: progress in the 90'S // Prepr. 14 th IFAC World Congress. Beijing, China, 1999.

18. Isidori A. Nonlinear control systems. N.V. Springer, 1995.

19. Терехов В.А., Ефимов Д.В., Тюкин И.Ю., Антонов В.Н. Нейросетевые системы управления. СПб.: изд-во СПбГУ, 1999.

20. Sepulchre R., Jankovic V., Kokotovic P.V. Constructive Nonlinear Control, Springer, 1997.

21. Krstic M., Kanellakopoulos I., Kokotovic P.V. Nonlinear and Adaptive Control Design. N.-Y.: Jonh Willey and Sons, 1995.

22. Красовский A.A. Алгоритмические основы оптимальных адаптивных регуляторов нового класса//Автоматика и телемеханика, 1995, №9, с. 104— 116.

23. Красовский А.А. Адаптивный оптимальный регулятор с переменным порядком наблюдателя и времени экстраполяции//Автоматика и телемеханика, 1994, №11, с. 97-112.

24. Ambos P., Due G., Falinower С.-М. Loop shaping Н°° design applied to the steam generator level control in edf nuclear plants. In Proceedings of the fifth IEEE conference on control applications, Deaborn, Michigan:IEEE, 1996, p.p. 751-756.

25. Kwatny H.G., Berg J. Drum level regulations at all loads. In Preprints IFAC 12th world congress, vol. 3, Sydney, Australia, p.p. 405-408.

26. Miller N. Bentsman J., Drake D., Fakhfakh J., Jolly Т., Pelegrinetty G., Tse J. Control of steam generation processes. In Proceedings of ISA 90, New Orleans, Louisiana, 1990, p.p. 1265-1279.

27. Na M.G. Design of a steam generator water level controller via the estimation of the flow errors. Annals of Nuclear Science and Engineering, 22 (6), 1995, p.p. 367-376.

28. Parry A., Petetrot J.F. Vivier M.J. Recent progress in sg level control in french PWR plant. In Proceedings of International Conference on boiler dynamics and control in nuclear powerstations//British Nuclear Energy Society, 1995, p.p. 81-88.

29. Плетников С.Б., Силуянов Д.Б. Автоматизация технологических процессов тепловых электростанций. М., «Испо-Сервис», 2001.

30. Пашков Л.Т. Математические модели процессов в паровых котлах. -Москва-Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2002.

31. Borsi L. Extended linear mathematical model of power station unit with a once through boiler. Siemens Forscungs und Entwicklinggsberichte, 3 (5), 1974, p.p. 274-280.

32. Седов Л.С. Механика сплошной среды. T.I. М.: Наука, 1973.

33. Ландау JI.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика: Учебное пособие. В 10 т. Т. VI. Гидродинамика 3-е изд. перераб. - М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1986.

34. Хорьков Н.С., Тюпина Т.Н. Расчет динамических характеристик парогенераторов. -М.: Машиностроение, 1979.

35. Серов Е.П., Корольков Б.П. Динамика парогенераторов. М.: Энергия, 1972.

36. Пивень В.Д., Богданов В.К., Заманский A.M. Методика расчета динамических характеристик энергоблока с прямоточным котлом. Тр. ЦКТИ, 1971, вып. 104, с. 12-26.

37. Станиславски В. Моделирование энергетических генераторов как объектов управления//Автоматика и вычислительная техника, №3, 1997, с. 20-21.

38. Tysso A., Brembo J.C., Lind К. The Design of multivariable control systems for a ship boiler. Automatica, 12 (1976), p.p. 211-224.

39. Стопакевич A.A., Ложечников В.Ф. Многомерная математическая модель динамики барабанного котла средней мощности. Сб. научн. трудов Укр. академии эконеомической кибернетики и Южного научного центра АН Украины. Киев-Одесса, 1999.

40. Александрова Н.Д., Давыдов Н.И. Динамическая модель циркуляционного контура барабанного котла//Теплоэнергетика. 1993. №3, с. 14-18.

41. Рущинский В.М. Пространственные линейные и нелинейные модели кот-лоагрегатов. Вопросы промышленной кибернетики, 1969, вып. 22, с. 8-15.

42. Математическая модель блока прямоточный котел-турбина/В.А. Иванов, М.Н. Сидоров, Е.А. Головач, И.Н. Черниховский.- Изв. вузов. Энергетика, 1968, №8.

43. K.J. Astrom, R.D. Bell. Drum-boiler dynamics. Automatica, 36 (2000), p.p. 363-378.

44. Release on Saturation Properties of Ordinary Water Substance//The International Association for the Properties of Water and Steam (IAPWS), St. Peterburg, Russia, 6-12 September, 1992.

45. Лукашов Э.С., Калюжный A.X., Лизалек H.H., Соколов Ю.В. Моделирование и расчет длительных переходных процессов в сложных энергосистемах при больших небалансах мощности // Электричество, 1981. №2, с. 7-10.

46. Ротач В.Я. Расчет систем несвязанного и автономного управления многомерными объектами // Теплоэнергетика, №10, 1996.

47. Вознесенский И.Н. О регулировании машин с большим числом регулируемых параметров // Автоматика и телемеханика, 1938, №4-5, с. 65-78.

48. Гайдук А.Р. Об управлении многомерными объектами//Автоматика и телемеханика, 1998, №12.

49. Колесников А.А. Синергетическая концепция энергосберегающего управления природно-техническими системами//Научная мысль Кавказа, №3, 1993.

50. Unbehauen Н., Kosaarslan I. Experimental modelling and adaptive power control of 750 MV once-through boiler. In Preprints IFAC 11 World congress on automatic control, vol. 11, Tallinn, Estonia, p.p. 32-37.

51. Na M.G., No H.C. Design of an adaptive observer-based controller for the water level of steam generators. Nuclear Engineering and Design, 135 (1992), p.p. 379-394.

52. Летов A.M. Динамика полета и управление. М.: Наука, 1969.

53. Kalman R. Contributions to the theory of optimal control. Bui. Soc. Мех., 1960. p.p. 102-112.

54. Красовский А.А. Системы автоматического управления полетом и их аналитическое конструирование. М.: Наука, 1973.

55. Атанс М.М., Фалб П. Оптимальное управление. М.: Машиностроение, 1968.

56. Справочник по теории автоматического управления/Под ред. А.А. Кра-совского. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1987.

57. Гантмахер Ф.Р. Лекции по аналитической механике. Изд-во наука. Гл. ред. физ.-мат. лит-ры. Москва. 1966.

58. Колесников А.А. Проблемы теории аналитического конструирования агрегированных регуляторов и синергетический подход // Синергетика и проблемы теории управления: сборник научных трудов / Под редакцией А.А. Колесникова. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003.

59. Полушин И.Г., Фрадков А.Л. Пассивность и пассификация нелинейных систем // Автоматика и телемеханика, №3, 2000.

60. Топчиев Б.В. Синтез динамических регуляторов для многоколесных мобильных роботов // Синергетика и проблемы теории управления: сборник научных трудов / Под редакцией А.А. Колесникова. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003.

61. Колесников А.А., Веселов Г.Е., Попов А.Н., Колесников Ал.А. Синер-гетическая теория управления взаимосвязанными элетромеханическими системами. Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2000.

62. Синергетический синтез векторных регуляторов нелинейных асинхронных электроприводов//Сборник РАЕН «Синтез алгоритмов сложных систем». Москва-Таганрог, 1997, №9, с. 108-122.

63. Колесников А.А., Гельфгат А.Г. Проектирование многокритериальных систем управления промышленными объектами. М.: Энергоатомиздат, 1993.

64. Андронов А.А., Витт А.А., Хайкин С.Э. Теория колебаний. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. литературы. 1981.

65. Ковалев А.П. и др. Парогенераторы: Учебник для вузов. М.: Энергоатомиздат, 1985.

66. Мирошник И.В., Никифоров В.О., Фрадков A.JI. Нелинейное и адаптивное управление сложными динамическими системами. СПб.: Наука, 2000.

67. Колесников А.А., Балалаев Н.В. Синергетический синтез нелинейных систем с наблюдателями состояния//Новые концепции общей теории управления/Под ред. А.А. Красовского. Москва-Таганрог: ТРТУ, 1995, с. 101— 11S

68. Колесников А.А., Сотников Ю.Г. Аналитическое конструирование нелинейных агрегированных регуляторов по заданной совокупности инвариантных многообразий. Селективно-инвариантное управление // Известия вузов. Электромеханика, 1990, №2.

69. Popov A., Medvedev M., Dougal R., Kondratiev I., Synergetic Control for Group of DC/DC Buck Converters // Proceedings of the Power system 2002 conference: Impact of distributed generation, March 13-15, 2002. Ramada Inn, Clemson, SC.

70. Колесников А.А. Аналитическое конструирование нелинейных агрегированных регуляторов по заданной совокупности инвариантных многообразий. Учет ограничений // Известия вузов. Электромеханика, 1989, №12.