Разработка и исследование алгоритмов параметрического синтеза двухконтурных систем регулирования, функционирующих в составе АСУТП тепловых электростанций

Отличительной чертой современного этапа развития систем управления технологическим оборудованием тепловых электростанций (ТЭС) является развертывание работ по созданию полномасштабных АСУТП [16,24,27,73,80 и др.]. В отличии от традиционных систем контроля и управления (СКУ) полномасштабные АСУТП реализуют средствами единого программно-технического комплекса (ПТК) не только информационно-вычислительные, но и управляющие функции (дисплейное дистанционное управление исполнительными устройствами, блокировки, технологические защиты, автоматическое регулирование, функционально-групповое логическое управление и др.).

Внедрение полномасштабных АСУТП на практике обосновывается в основном необходимостью замены устаревших традиционных технических средств автоматизации и соответственно снижением текущих эксплуатационных затрат, повышением надежности элементов системы и др. Однако основная составляющая технического эффекта от внедрения полномасштабной АСУТП должна быть связана в первую очередь с повышением качества автоматического управления технологическим оборудованием.

Одним из путей решения этой задачи является совершенствование методик, алгоритмов и инструментальных средств параметрического синтеза (расчета) автоматических систем регулирования (АСР), являющихся основными управляющими подсистемами полномасштабных АСУТП.

Расчет АСР может проводиться на разных стадиях создания АСУТП, включающих в себя:

• этап функционального проектирования (алгоритмического синтеза), на котором определяются структуры АСР (способы регулирования, сигналы регулируемых технологических параметров, схемные решения). Как правило, параический синтез выполняется в ходе имитационного моделирования различных структур АСР, а динамические свойства объектов оцениваются приближенно на основе аналитических моделей с применением ряда упрощающих допущений и применением соответствующих программных средств [85,86 и др-];

• этапы ввода в действие и штатной эксплуатации, на которых расчет параметров настройки АСР проводится с учетом реальных динамических характеристик объектов регулирования.

При этом необходимо отметить, что в целом проблема методов и алгоритмов оптимизации АСР является предметом многочисленных исследований начиная с 1950;х гг. [1, 2, 6, 8−15, 17, 19, 22, 23, 25, 26, 28, 34−36, 38−49, 51, 52, 5962,64,67,68,70,71,74,87,88 и др.]. Однако абсолютное большинство из известных методов и алгоритмов предполагают задание исходных данных в виде параметрических моделей объектов регулирования (как правило, передаточных функций «вход-выход»), что характерно для этапа функционального проектирования, и не предусматривают «прямую» обработку трендов сигналов АСР как реализаций случайных процессов.

Вместе с тем, характерной особенностью АСУТП на базе современных ПТК является именно регистрация в файлах базы данных трендов сигналов АСР как основных исходных данных для их расчета на этапе ввода в действие. Более того, ПТК АСУТП обладают практически неограниченными вычислительными возможностями, что снимает многие ограничения по сложности используемых при расчетах АСР методов и алгоритмов. Поэтому задача разработки и исследования алгоритмов параметрического синтеза АСР, ориентированных на прямую обработку трендов сигналов и последующую оптимизацию синтезируемых систем представляется в настоящее время актуальной. При этом наиболее важными типовыми структурами АСР в составе АСУТП энергоблоков.

ТЭС служат двухконтурные системы, для которых решение задачи параметрического синтеза осложняется влиянием многих факторов.

Целью настоящей работы является разработка и исследование алгоритмов параметрического синтеза двухконтурных АСР, адаптированных к условиям их реализации в составе полномасштабных АСУТП и гарантирующих заданное качество автоматического регулирования.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

— провести анализ технической и функциональной структуры полномасштабных АСУТП и определить место алгоритмов и программных средств расчета параметров настройки АСР в составе данных систем;

— провести анализ методов и алгоритмов идентификации и параметрической оптимизации АСР, оценить возможность их применения в решении задачи расчета систем гарантированного качества автоматического регулирования при вводе в действие и эксплуатации АСУТП;

— сформировать методику идентификации объектов регулирования, ориентированную на прямую обработку трендов входных и выходных сигналов и предусматривающую оценку меры адекватности получаемых математических моделей;

— разработать алгоритмы расчета параметров настройки двухконтурных АСР, гарантирующих заданное качество автоматического регулирования;

— провести испытания разработанных алгоритмов расчета АСР для проверки правильности их работы и определения условий корректного применения.

Для решения поставленных задач в первой главе дается характеристика полномасштабных АСУТП, сравниваются различные подходы к автоматизации настройки АСР, определяется место программных средств расчета параметров настройки АСР в составе АСУТП, формулируется задача исследования.

Во второй главе проводится анализ методов и алгоритмов идентификации и параметрической оптимизации АСР, предлагаются усовершенствованные алгоритмы обработки трендов регулируемых технологических параметров с целью получения математических моделей объектов регулирования с учетом меры их неопределенности в виде доверительных эллипсов рассеивания оценок комплексных частотных характеристик (КЧХ).

В третьей главе определяются типовые структуры замкнутых АСР, рассматриваются методы, критерии и базовый алгоритм расчета параметров настройки систем регулирования по КЧХ объектов с учетом возможности их немонотонного поведения, проводится разработка итерационных алгоритмов расчета двухконтурных АСР.

В четвертой главе проводится разработка алгоритмов параметрического синтеза робастных АСР частотным методом на основе оценок КЧХ объектов регулирования, полученных совместно с доверительными эллипсами рассеивания.

В пятой главе приводится методика и результаты испытаний итерационных алгоритмов расчета параметров настройки двухконтурных АСР. Испытания проводились для ряда теплоэнергетических объектов регулирования, математические модели которых обоснованы результатами экспериментальных исследований динамических свойств котлов ТЭС. По результатам испытаний выполнена доработка итерационных алгоритмов расчета двухконтурных АСР.

В заключении содержатся выводы по результатам исследований, которые в целом характеризуются как решение задачи разработки и испытаний комплекса алгоритмов расчета типовых двухконтурных АСР, функционирующих в составе АСУТП тепловых электростанций.

Пользуясь случаем автор выражает глубокую благодарность научному руководителю к.т.н., с.н.с. В. А. Биленко и д.т.н., профессору Н. И. Давыдову за проявленное внимание и доброжелательный критический анализ результатов выполненных исследований. Автор также выражает искреннюю признательность сотрудникам кафедры систем управления ИГЭУ и прежде всего к.т.н., доценту С. А. Таламанову за консультации и организационно-методическую помощь на заключительной стадии выполнения исследований.

5.7. Выводы.

1. С целью проверю! работоспособности итерационных алгоритмов расчета двухконтурных АСР и выявление возможных ограничений на корректное их применение разработана соответствующая методика испытаний. В основу методики положена идея получения расчетных показателей качества автоматического регулирования альтернативным способом, независимым от испытываемого алгоритма расчета и предполагающим имитационное моделирование двухконтурных АСР. Заключительный этап методики предполагает сравнение показателей качества, полученных путем расчета АСР с использованием КЧХ (в частотной области) и путем моделирования систем регулирования (во временной области).

2. Выполнен комплекс работ по определению параметрических моделей (передаточных функций) ряда теплоэнергетических объектов регулирования (котлов ТЭС), необходимых в качестве исходных данных для проведения испытаний итерационных алгоритмов расчета двухконтурных АСР.

Модели определены в результате решения задачи идентификации с использованием переходных характеристик, полученных экспериментально на ряде котлов ТЭС и обобщенных в аналитическом отчете ВТИ.

Принятая выборка экспериментальных переходных характеристик отражает основные свойства теплоэнергетических объектов двухконтурного регулирования как динамических систем.

3. Проведены испытания итерационных алгоритмов расчета для следующих структур АСР: двухконтурной АСР с дифференциаторомкаскадной АСР с корректирующим и стабилизирующим регуляторами. В рамках испытаний для рассматриваемых объектов выполнены расчеты двухконтурных АСР, разработаны соответствующие имитационные модели, поставлены серии вычислительных экспериментов с целью получения переходных процессов в синтезированных системах и оценены прямые показатели качества автоматического регулирования.

4. Выполнен анализ сходимости рассматриваемых двух вариантов итерационных алгоритмов: варианта процедуры, предполагающего выполнение расчетов в последовательности «внешний контур — внутренний контур» — альтернативного варианта, предполагающего расчеты в последовательности «внутренний контур — внешний контур». Показано, что оба варианта итерационных процедур для рассматриваемых структур двухконтурных АСР сходятся. Однако на первой итерации расчета АСР для варианта «внешний контур — внутренний контур» в случае сопоставимой «инерционности» опережающего и инерционного каналов объекта может быть получена неустойчивая система.

5. Проведено сравнение эффективности рассматриваемых итерационных процедур (алгоритмов). Результатами испытаний показана предпочтительность процедуры, реализующей вариант «внутренний контур — внешний контур», над альтернативной процедурой (вариант «внешний контур — внутренний контур»). Это согласуется с практикой экспериментальной настройки двухконтурных АСР на стадии их наладки и ввода в действие.

6. Выполнен анализ влияния исходных моделей объектов регулирования на результаты параметрического синтеза двухконтурных АСР, проведенного с помощью итерационных алгоритмов. Показано, что появление комплексно-сопряженных корней в характеристических уравнениях передаточных функций объектов регулирования приводит к дополнительной колебательности переходных процессов в синтезированных системах.

7. Подтверждена работоспособность итерационных алгоритмов расчета двухконтурных АСР. В результате испытаний показано отсутствие существенных ограничений, препятствующих широкому применению итерационных алгоритмов для расчета двухконтурных АСР в составе АСУТП ТЭС.

Заключение

.

1. В настоящее время на отечественных тепловых электростанциях все шире развертываются работы по модернизации существующих СКУ и созданию полномасштабных многофункциональных АСУТП на базе ПТК сетевой организации. Эффективность полномасштабных АСУТП существенно зависит от качества реализации важнейшей из управляющих функцийавтоматического регулирования. Одним из путей повышения качества автоматического регулирования служит совершенствование процедур параметрического синтеза АСР. Для типовых двухконтурных систем регулирования, к которым относится большинство важнейших АСР в составе.

АСУТП энергоблоков ТЭС задача параметрического синтеза осложняется немонотонным поведением частотных характеристик эквивалентных объектов, нарушением условий «частотной развязки» процессов во внутреннем и внешнем контурах и др.

2. Для решения задачи параметрического синтеза АСР в качестве базового принят частотный метод, предполагающий двухэтапную процедуру поиска оптимальных параметров системы регулирования (на первом этапе строится поверхность заданного запаса устойчивости в пространстве параметров АСР, а на втором этапе на этой поверхности определяется точка оптимума согласно заданного минимаксного или статистического критерия). Принятый метод.

I параметрического синтеза АСР требует задания математической модели объекта в виде передаточных функций или частотных характеристик. Для получения моделей объектов сформирована методика идентификации, которая ориентирована на обработку трендов экспериментальных переходных характеристик. Сформированная методика предусматривает возможность получения непараметрических математических моделей объектов регулирования в виде оптимальных оценок КЧХ.

3. Типовой алгоритм расчета в пространстве параметров одноконтурной АСР поверхности заданного частотного показателя колебательности по КЧХ объекта предполагает монотонное поведение годографа частотной характеристики. Показано, что нарушение этого предположения, в наибольшей степени характерное для КЧХ эквивалентных объектов при расчете двухконтурных АСР, ведет к существенному сокращению области заданного частотного показателя колебательности. Для устранения этого недостатка впервые разработан модифицированный алгоритм расчета в пространстве параметров настройки АСР поверхности заданного частотного показателя колебательности, учитывающий возможное немонотонное поведение годографа КЧХ разомкнутой системы и позволяющий существенно расширить область поиска точки оптимума, т. е. улучшить качество автоматического регулирования.

4. Для параметрического синтеза типовых двухконтурных АСР (двухконтурной АСР с дифференциатором, каскадной АСР с корректирующим и стабилизирующим регуляторами) предложены итерационные процедуры, базирующиеся на модифицированном алгоритме расчета поверхности заданного частотного показателя колебательности по КЧХ объекта. Итерационные алгоритмы основаны на единой расчетной схеме двухконтурной системы и реализованы в виде двух вариантов, предусматривающих различные начальные приближения (первую итерацию) и последовательность параметрического синтеза отдельных контуров (вариант 1 процедуры предполагает синтез в последовательности «внешний контур — внутренний контур», а вариант 2 в последовательности «внутренний контур — внешний контур»). Итерационные алгоритмы отличаются также применением независимых критериев оптимальности по каждому из контуров АСР и условий, гарантирующих сходимость предложенных процедур.

5. Проверка работоспособности и эффективности итерационных алгоритмов параметрического синтеза двухконтурных АСР выполнена путем организации испытаний, для проведения которых разработана соответствующая методика и сформирована выборка моделей теплоэнергетических объектов регулирования (котлов энергоблоков ТЭС). При выполнении испытаний оценка качества автоматического регулирования проводилась двумя независимыми способами: в частотной области по ходу параметрического синтеза двухконтурных АСРво временной области при имитационном моделировании синтезированных систем. Выполненные испытания и исследование разработанных алгоритмов выявили предпочтительность варианта 2 итерационной процедуры (последовательность синтеза «внутренний контурвнешний контур») и подтвердили эффективность предложенных алгоритмов.

6. По идентификации и параметрическому синтезу АСР в составе АСУТП определена последовательность решения этих задач. В структуре АСУТП на базе ПТК выделена отдельная рабочая станция на «верхнем» уровне системы управления для инструментальных программных средств идентификации и параметрического синтеза АСР. Выполнена адаптация разработанных и программно реализованных алгоритмов в составе математического обеспечения современных АСУТП на базе ПТК «Квинт» .

В целом в результате выполненных исследований решена задача разработки и исследования комплекса алгоритмов параметрического синтеза типовых двухконтурных АСР, функционирующих в составе АСУТП тепловых электростанций.