Исследование двухканальной системы автоматического управления расходом воздуха в тоннеле метрополитена Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

------------------------------------------------- © Д.В. Зедгенизов, 2011

УДК 62—543.2: 624.191.94 Д.В. Зедгенизов

ИССЛЕДОВАНИЕ ДВУХКАНАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ АВТОМА ТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ РА СХОДОМ ВОЗДУХА В ТОННЕЛЕ МЕТРОПОЛИТЕНА

Представлено математическое описание системы управления расходом воздуха, поступающим на платформу станции метрополитена. Система состоит из двух каналов управления: канала регулирования производительности станционного вентилятора и канала управления расходом воздуха в тоннеле, непосредственно примыкающем к платформе. Приводятся результаты численного эксперимента по проверке адекватности предложенной модели.

Ключевые слова: метрополитен, проветривание, тоннель, платформа, станционный вентилятор.

Экономичное управление проветриванием станций метрополитенов мелкого заложения (ММЗ) при соблюдении требований к микроклимату подземных сооружений может быть достигнуто взаимосвязанным изменением режима работы станционного вентилятора (СВ) и регулятора воздухорас-пределения (РВ), установленного в тоннеле непосредственно перед выходом платформы на станцию [1].

При таком управлении проветриванием станции суммарный воздушный поток, создаваемый вентилятором и поступающий из тоннеля, может быть ограничен регулятором створчатого типа [2]. Такой подход предполагает создание локальных систем автоматического управления (САУ) станционным вентилятором (САУ СВ) и регулятором воз-духораспределения (САУ РВ). Контроллер верхнего уровня, установленный у дежурного по станции выполняет функцию устройства управления, куда поступает информация с датчиков локальных систем и сигналы задания требуемых параметров микроклимата. Контроллер на основе заложенных алгорит-

мов оптимального управления вычисляет и выдает в каждый момент времени сигналы задания на САУ СВ и САУ РВ, поддерживая расход воздуха на платформе в соответствии с требуемым в данный момент времени расходом.

Такое построение предполагает наличие двухканальной системы управления проветриванием, функциональная схема которой представлена на рис. 1.

Ранее было проведено исследование каждой из входящих в эту САУ подсистем. Целью данных исследований являлось создание и апробация обобщенной математической модели двухканальной САУ расходом воздуха, непосредственно выходящим из тоннеля на платформу станции ММЗ.

Определённой трудностью было создание математического описания физического процесса изменения расхода воздуха створчатым регулятором, стоящим по технологической схеме проветривания после вентилятора и тоннеля с соседней станции. Решением данной проблемы стало введение в систему блока «согласо-ватель режимов», состоящего из

Рис. 1. Функциональная схема двухканальной САУрасходом воздуха в тоннеле метрополитена: САУ СВ — система автоматического управления станционным вентилятором; САУ РВ — система автоматического управления регулятором воздухораспределения; УУ — устройство управления (контроллер верхнего уровня); ПЧ — преобразователь частоты питающего напряжения; АО — аэродинамический объект (участок вентиляционной сети); ИМ — исполнительный механизм перемещения створок регулятора; иух — сигнал управления производительностью вентилятора; иу2

— сигнал управления расходом воздуха в тоннеле; пВ — частота вращения вала вентилятора; Р^

— статическое давление вентилятора; QT — расход воздуха в тоннеле перед РВ; AQT — изменение расхода воздуха в тоннеле; ^в — сигнал обратной связи с датчика производительности вентилятора; QП — расход воздуха, поступающий из тоннеля на платформу станции; ^в — сигнал обратной связи с датчика расхода воздуха на платформе; а — угол поворота створок регулятора; КРВ — коэффициент эффективности регулятора

сумматора и умножителя с соответствующими коэффициентами.

На схеме рис. 1 статическое давление на выходе вентилятора Р^ регулируется изменением частоты вращения пВ приводного электродвигателя. Параметр AQТ в математической модели является возмущающим воздействием и учитывает сразу несколько составляющих потока: во-первых — расход воздуха, создаваемый поршневым эффектом движущихся поездов, во-вторых — перемещение масс воздуха, вызванные естественной тягой и, наконец, расход

воздуха, возникающий в тоннеле при изменении вентиляционного режима на соседних станциях (так называемое «взаимовлияние вентиляционных режимов»).

Составленная в результате исследований математическая модель двухканальной САУ расходом воздуха, непосредственно выходящим из тоннеля на платформу станции, имеет следующий вид

пв (Р)

иу1(р)

= К

т, • Р + 1’

(Р) =

Psv (Р)

Пв (Р) Отв (Р)

= КА;

К

Psv (Р) ТА • Р + 1

От (р) = Отв (р ) + АОт (р );

МЫА (Р) = = К,

От (Р) а(р)

К

Меі (р) = —— =—;

Е1^ иу2(р) р

™вк (Р) =

Крв (Р)

= ка

а(р)

Крс (Р) = Крв (р) + 1;

О, (Р) = От (Р) • Крс (Р);

(р) =

и О, (Р) О , (Р)

=К

где КПЧ — коэффициент усиления преобразователя частоты; Щ — коэффициент передачи, который характеризует степень изменения скорости вращения вала вентилятора при изменении частоты тока статора двигателя; Т — постоянная времени, характеризующая инерционность разгона вентилятора; КВ — коэффициент усиления вентилятора; ТА — постоянная времени участка вентиляционной сети; КА — коэффициент усиления аэродинамического объекта; КдПВ — коэффициент усиления датчика производительности вентилятора; КМ — коэффициент усиления исполнительного механизма поворота створок; £рС — коэффициент усиления створчатого регулятора; КдРП — коэффициент усиления датчика расхода воздуха на платформе.

В соответствии с требованиями к качеству управления в обеих подсистемах, а также с учетом динамических

характеристик возмущающих воздействий синтез регулятора для САУ СВ был проведен модальным методом. Синтез САУ РВ проводился на основе методики расчета алгоритма управления со старшей производной в законе с обратной связью с нели-нейным элементом. При этом для анализа быстрых процессов в системе управления использовался метод гармонического баланса [3].

Основной задачей на этапе экспериментальной проверки полученного математического описания являлось получение переходных процессов, отвечаю-щих требованиям статики и динамики системы, которые бы соот-ветствовали реальным физическим процессам, воз-никающим в вентиля-ционной сети при изменении основ-ных управляющих и возмущающих воздействий. Численный эксперимент проводился с использо-ванием пакета программ MathLab ^ітиііпк). Результаты эксперимента представлены на рис. 2 и рис. 3.

Из графиков переходных процес-сов видно, что производительность вентилятора возрастает от 0 до 100 % за 36 секунд. Это соответствует реальной динамике разгона вентиля-торов той же мощности, установлен-ных в

метрополитене. Перерегулиро-вания выходной координаты не воз-никает, статическая ошибка не превы-шает требуемой, поэтому переходные процессы САУ СВ соответствуют предъявляемым требованиям.

При изменении сигнала задания иЗ2 в момент времени і = 10 сек. в сторону уменьшения расхода воздуха через регулятор (см. рис. 3) происхо-дит перевод створок из полностью открытого положения (а = 0 ) в

полностью закрытое (а = 900) за время і = 85 сек., что соответствует дина-мике исполнительного механизма РВ.

40

ЗО

20

10

Qt?

'■ . У г

і Jsn I

^ 31 Г

і ; ; І 50

ft с

Рис. 2. Переходные процес-сы изменения производительности станционного вен-тилятора при изменении сигнала задания иЗ1 САУ СВ

Рис. 3. Переходные процес-сы изменения расхода воздуха, поступающего на платформу из тоннеля и угла поворота створок РВ при изменении сигнала задания иЗ2 САУ РВ

Одновременно с закрытием створок начинает уменьшаться расход воздуха

через регулятор. При этом глубина регулирования расхода воздуха соответс-

твует расчетной для выбранного типа регулятора [2]. Переходные

процессы САУ РВ соответствуют предъяв-ляемым требованиям.

Проведенное моделирование показало адекват-ность предложенной мате-

матической модели. Основной задачей дальнейшего исследования системы являет-ся разработка и моделиро-вание логических алгорит-мов

управления контрол-лера верхнего уровня. Дан-ное устройство управления должно на основе заложен-ного оптимизирующего функционала определять стра-тегию регулирования расхо-да воздуха на платформе и выдавать сигналы на тот или иной канал управления.

-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Зедгенизов Д.В. Опыт решения проблем управления проветриванием транспортных тоннелей // Безопасность жизнедеятельности. — № 7. — 2006. — С. 12 — 19.

2. Зедгенизов Д.В., Лугин И.В. Математическое описание регулятора воздухораспределе-ния в тоннеле метрополитена // Труды конференции с участием иностранных ученых «Фундаментальные проблемы формирования техно-

генной геосреды», Т II. — Новосибирск: Ин-т горного дела СО РАН, 2007. — С. 231 — 237.

3. Зедгенизов Д.В. Формирование алгоритмов управления воздухораспределением в вентиляционной сети метрополитена // Материалы VIII школы-семинара молодых ученых «Математическое моделирование и информационные технологии», Иркутск. — 2006. — С.64—68.

— Коротко об авторе ----------------------------------------------

Зедгенизов Д.В. — Институт горного дела СО РАН, г. Новосибирск, Россия. e-mail: yge@ngs.ru