CC BY
84
[Chinnivid 2007.04.01] / Minbud Ukrayiny. - K. : Ukrarkhbudinform, 2006. - 65 s. - (Derzhavni budivelni normy Ukrayiny).
5. Sharkov V. V. Fizicheskiye, teplo- i massoobmennyyesvoystvastroitelnykhmaterialov / V. V. Sharkov, V. A. Martynenko, Vl. V. Sharkov, S. V. Bureyko // Spravochnik. - D. : PGASA, 2009. - 192 s.
6. Commentça marche, lespontsthermiques // LeMoniteur. - 2013. - 29.01.
7. Constatdetraditionalité n°20/10-170 «Thermedia». - 2009. - 12 novembre.
8. FicheProduitThermedia // consultéle 27 décembre 2013 [Elektronnyiy resurs]. - Rezhym dostupu do resursu: http://www.clubprescrire.com/fiches_produits.
9. RT 2000 - Réglementation thermique (France).
10. RT 2012 - Réglementation thermique (France).
УДК 681. 513: 620. 925
ЕКСТРЕМАЛЬНЕ КЕРУВАННЯ ТЕМПЕРАТУРНИМ РЕЖИМОМ В УМОВАХ АВТОМАТИЗАЦП ТЕХНОЛОГ1ЧНОГО ПРОЦЕСУ ВИРОБНИЦТВА Б1ОГАЗУ
В. О. Ужеловський, к. т. н., доц., С. О. Ткаченко, спец.
Ключовi слова: ¡мтацтне моделювання, метантенк, температурний режим, б1огаз, екстремальне регулювання
Постановка проблеми. Науково-техшчний прогрес у галузi розвитку техшчних систем передбачае можливосп шдвищення енергоефективносп цих систем за допомогою вироблення енерги з нетрадицшних джерел. У цьому зв'язку значне мюце у виробнищга енерги посщають технологiчнi процеси, заснованi на бюконверси, що являють собою анаеробний мшробюлопчний процес, в ходi якого здшснюеться перетворення рiзних органiчних речовин на енергоносш, яким е бюгаз, у першу чергу метан. Це особливо важливо для формування енергетичних потоюв, що забезпечують функцюнування невеликих тдприемств i в першу чергу тдприемств, вщдалених вiд техногенних регюшв.
Ефективнiсть цих процесiв великою мiрою визначаеться рiвнем автоматизаци та управлшня технологiчним процесом виробництва бiогазу, яка дозволяе оптимiзувати процес, пiдвищити його ефектившсть i можливiсть адаптаци до реальних виробничих умов [7].
Аналiз лiтератури. У працях сучасних фахiвцiв у галузi управлiння процесами виробництва енерги з нетрадицiйних джерел уже склалося стшке та яюсне уявлення про керування виробництвом бюгазу з бiомаси. Зокрема, Ю. Орлова у свош дисертаци стверджуе, що в автоматизаци технологiчного процесу виробництва бюгазу виршальну роль вiдiграють шформацшш потоки про якiсть технологiчних переходiв, що формують системи зворотних зв'язюв замкнутих автоматизованих пристро!в управлiння. Саме зворотш зв'язки в сукупностi з елементами системи автоматики великою мiрою визначають якiсть технологiчних переходiв процесу бюконверси [7].
Особливосп та характеристики бюгазових технологiй широко розглянутi в публшащях Б. Баадера [1], В. Сербша [12], Г. Ратушняка [9; 10; 11]. Проте серед них недостатньо шформаци про реатзащю автоматичних систем, яю б пiдтримували необхщт умови. Такi вiдомостi можна знайти в дослщженнях сумiжних тем А. Егорова [2], Ж. Лiоне [5].
Зпдно з ними, для реатзаци технологiчного процесу бiоконверсil, забезпечення його якосп на етапi безпосереднього зброджування субстрату, необхiдно сформувати, принаймнi, шють iнформацiйних потокiв: час зброджування сировини, температурний режим, стабiльнiсть температурного режиму, концентращя газу, завантаження реактора (метантенка), яюсть перемiшування. Кожен iз потоюв мае частку впливу на результати зброджування, проте найважливше для оптимального процесу бюконверси — тдтримання температури. Використовуючи вiдомi експериментальнi залежностi кшьюсного виходу бiогазу вiд пiдтримуваних температур та застосовуючи екстремальне керування, можна виконати ошташзащю системи автоматичного керування технолопчним процесом виробництва бiогазу в контурi регулювання температури.
1снуе два тдходи до реалiзацil завдання управлшня. Перший - це побудова алгоритму управлшня на базi емтричного алгоритму, наприклад, на базi широковiдомих П1Д
(пропорцшно^тегро-диференцшних)-регуляторах.
Простота таких регуляторiв, з одного боку, дозволяе досить швидко розробляти системи управлшня, а, з iншого, обмежуе дiапазон об'ектiв, якими вони можуть задовiльно управляти. Проте дивовижна багатостороншсть П1Д-керування забезпечуе протягом тривалого часу значимють i популярнiсть даного виду регулювання [8]. До того ж, сучасна обчислювальна технiка та прикладш програми дозволяють уже на стадн дослiдження i проектування створювати моделi систем екстремального автоматичного керування (ЕСАК), яю завдяки сво1м характеристикам дозволяють проводити виробництво з оптимальними параметрами.
Мета дослщження. Полiпшення показникiв кiлькiсного виходу бюгазу в умовах зброджування субстрату у реакторi (метантенку) шляхом пiдтримання оптимального температурного режиму.
Виклад матерiалу. В данiй робой створено i дослiджено iмiтацiйну модель системи екстремального керування температурним режимом тд час виробництва бiогазу за допомогою системи бiореакторiв (метантенкiв) у пакет МаАаЬ. Для створення i дослiдження системи екстремального керування з метою досягнення i пiдтримання оптимального температурного режиму, що забезпечить максимально можливий кiлькiсний вихiд бiогазу, розроблено функщональну схему моделi системи керування, яка враховуе взаемозв'язки елеменпв та вщображае процеси, що вiдбуваються в контурi регулювання температури (рис. 1).
На основi функщонально! схеми моделi ЕСАК створена И структурна схема в пакет 81шиПпк програми МаАаЬ (рис. 2), яка також вщображае контур керування температурним режимом.
МИЧИ. 'г"* ^ ^
вм
и,Bs
PO
OP Геплооб-
t/c
t.H*
lepemto рюОоч ДТ
Ч
t,'C
Нгшон' текк
1 иЗ/година ->
Рис. 1. Функщональна схема модел1 САР в контур! температурного режиму роботи метантенка тд час зброджування субстрату
На рисунку 1: П1Д - П1Д-регулятор; 1111 - пусковий пристрш (пускач безконтактний); ВМ - виконавчий мехашзм; РО - регулювальний орган (клапан, заслшка); ОР - об'ект регулювання (теплообмшна конструкщя); ДТ - датчик температури.
k3
Т1.3+1
Transfer Fcn1 Inlegiatar
Рис. 2. Структурна схема модел1 САР у пакет! Simulink програми Matlab
Контур регулювання температурного режиму включае: блок завдання температури (Constant), ПЩ-контролер (PID Controller), пускач безконтактний (Gain2), виконавчий мехашзм (Transfer fcnl, Integratorl), регулювальний орган (Gain3), об'ект регулювання (теплообмшник, Gain3, Transfer fcn2, Transfer fcn3, Transport Delay 1), метантенк (Transfer fcn4, Transfer fcn5, Integrator2), датчик температури (термометр опору, Transfer fcn6, Transport Delay 2),
нормувальнi пiдсилювачi (Оат1, Оат5).
Для визначення передатних функцiй елеменпв дано! ЕСАК та динамiчних параметрiв використано рекомендаций наведенi в лiтературi [1; 6; 13] та техшчш характеристики елементiв, наведенi в довщниках.
Для досягнення поставлено! мети дослщження розроблено iмiтацiйну модель, що в своему складi мае екстремальний регулятор. Досягнення i пiдтримка оптимального кшькюного виходу бiогазу залежно вiд температурного режиму можливе за допомогою застосування екстремального керування, тобто знаходження екстремуму статично! характеристики об'екта керування (побудовано! за експериментальними або статистичними даними), на який ддать збурення, що змшюють положення екстремуму в просторi керуючих дiй.
Рис. 3. ЛШя тренду кривоï залежност1 виходу бюгазу eid температури, побудована за експериментальними даними та добудована для використання
Статична характеристика об'екта керування в загальному виглядi може бути вщображена [8; 4]:
де Q - показник екстремуму, тобто кшькюного виходу бюгазу, - темапература у метантенку.
Указану залежнють можна отримати або шляхом аналггичних дослщжень поведiнки об'екта, або використовуючи експериментально отриманi характеристики, виразивши ïx емпiричною залежнiстю у виглядi багаточлена.
Наведена залежнiсть отримана на основi експериментальних дослiджень залежностi кшькюного виходу бюгазу вщ температури тд час зброджуваннi субстрату, наведених у [14] та добудована починаючи з оптимального значення кiлькiсного виходу бюгазу за температури 38°С з метою можливосп застосування екстремального регулятора.
1з застосуванням засобiв програми Microsoft Excel побудовано лiнiю тренду залежностi та знайдено коефiцiенти апроксимувальноï функцiï, тобто y = f(x) (рис. 3). Апроксимувальна функщя побудована з кореляцшним коефiцiентом R2 = 0,988, тому лшя тренду залежностi вiдповiдае початковш майже повнiстю з незначною похибкою, якою можна знехтувати.
Рис. 4. Модель вузла екстремального регулятора, виконана в пакетi Simulink програми
Matlab
Температура в 6iopeaKTopi (метантенку) регулюеться за сигналом датчика температури з наступним впливом на виконавчий мехашзм подачi теплоношя до конструкци нагрiвального елемента. При цьому в екстремальному регуляторi застосовуеться метод вимiру похщно!. Екстремальний регулятор за похщною — змiнюе свш знак за час проходження через екстремум, визначае напрямок руху до нього [8]. При рiвностi похщно! нулю досягаеться екстремум.
Знаходження похщно! — здшснюеться за допомогою дiлення блоком Product похщно! — на похщну — (блоки Derivative, Derivative!).
Рис. 5. Структурна схема ЕСАК температурою i3 включенням вузла екстремального
керування у Matlab
Результат розрахунку сумуеться iз завданням похибки (блок Constantl) i подаеться в контур регулювання температури. Таким чином, виконавчий мехашзм коректуе подачу теплоношя, при цьому пщтримуючи оптимальним кшькюний вихщ бюгазу.
Налаштування П1Д-регулятора в даному дослщженш вiдбувалося за допомогою функцii PID Tuner, доступною у версп Matlab R2010b. Налаштування вiдбуваеться в автоматичному режимi вiдповiдно до заданих параметрiв елементiв контуру регулювання (рис. 6, 7).
У тдсумку був отриманий аперiодичний перехiдний процес з невеликим перерегулюванням та часом регулювання , наведений на рисунку 9.
Respond Reference tracking
VI Show bleck r«poni
1 ............................\............................. ............................
System Tun« response Ю »tqy Тане (Мс >99 в
я
1 Й
Block response Tuned response
100 150 _Time (sec)_
Controller paramrterc
Tuned Block
0.067515 0-20353
2.S8S7<-005 0.0M95647
042315 глдаз
044464 0.35»
Performance and lobuitness
Tuned Block
Rise time (ис) ¿61 7£6
Settling time {КС) 884 80.4
she« (%) 9.21 9 52
Peak 1.09 11
margin (db 3 <ad/sec] 3*6 С0.553 24.1 3 0525
Ph«t margin (deg © rid/sec) 60 © 0 0506 60 © 016
¡d-loop stability «able Stable
Inteiacitve tuning
и
ЕШ
Рис. 6. Налаштування часу регулювання та тших параметрiв у eimi PID Tuner
1з графiка перехiдно! характеристики видно, що модель екстремального регулятора дозволяе тдтримувати кшькюний вихiд бюгазу оптимальним вщповщно до завдання, яке можна змшювати вiдповiдно до обраного режиму бюконверсп (термофiльного 53 - 55 С або мезофшьного 35 - 38°С).
Для розглянутого випадку знайденi автоматично програмою коефiцiенти налагодження П1Д-регулятора становлять
Рис. 7. Осцилограма змти температури у бiореакторi (метантенку) у разi керування за допомогою екстремального регулятора у мезофтьному режимi
Рис. 8. Перехiдна характеристика САК у разi завдання мезофшьного температурного
режиму 38°С (15,2 мА)
у МаЛаЪ
Для дослщження й ощнки поведшки ЕСАК у контур температурного режиму були додаш
елементи (суматор Sum та блоку стушнчастого сигналу Stepl), що моделюють вплив зовшшшх збурень на об'ект керування (рис. 10)
У результат екстремального П1Д-регулювання за впливу стушнчастих збурень у контурi регулювання температури за показниками перехщного процесу можна визначити, що система керуеться вщповщно до заданих параметрiв та залежностей (рис. 11).
Рис. 10. Осцилограма змiни температури у бiореакторi (метантенку) у разi керування за допомогою екстремального регулятора у мезофтьному режимi та за впливу зовншмх збурень
Рис. 11. Перехiдна характеристика ЕСАКу разi завдання мезофшьного температурного режиму 38°С (15,2 мА) та за впливу зовншмх збурень
Висновки. 1. Розроблена iмiтацiйна модель системи екстремального керування температурного режиму зброджування субстрату у метантенку працездатна i забезпечуе тдвищення надшност дотримання технолопчного процесу.
2. Отримана iмiтацiйна модель може бути рекомендована на стади проектування для попереднього знаходження параметрiв налагодження екстремального регулятора з метою отримання бажаного перехщного процесу iз заданою точнютю.
3. Застосування системи екстремального регулювання виходу бюгазу, незалежно вiд обраного способу його отримання, може тдвищити продуктивнють метантенка на 10 %.
ВИКОРИСТАНА Л1ТЕРАТУРА
1. Баадер Б. Биогаз: теория и практика / Б. Баадер, Е. Доне, М. Бренндерфер; [пер. с нем. М. И. Серебряного]. — М. : Колос, 1982. — 148 с.
2. Егоров А. И. Оптимальное управление тепловыми и диффузионными процессами. — М. : Наука, 1978. — 463 с.
3. Калмаков А. А. Автоматика и автоматизация систем теплогазоснабжения и вентиляци: учеб. для вузов / А. А. Калмаков, Ю. Я. Кувшинов, С. С. Романова, С. А. Щелкунов // Под ред. В. Н. Богословского. — М. : Стройиздат, 1986. — 479 с.
4. Клюев А. С. Проектирование систем автоматизации технологических процессов. — М. : Эергоатомиздат, 1997. — 464 с.
5. Лионе Ж.-Л. Оптимальное управление системами, описываемыми уравнениями с частными производными. - М. : Мир, 1972. — 488 с.
6. Мясковский И. Г. Тепловой контроль и автоматизация тепловых процессов [Текст] : учеб. для техникумов / ред. Е. А. Ларина; рец. И.П. Баумштейн.; 2-е изд., перераб. и доп. — М. : Стройиздат, 1990. — 255 с.
7. Орлова Ю. А. Автоматизация и управление биоконверсией с целью повышения качества технологического процесса когенерации: автореф. дис. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук. — М., 2012. — 21 с.
8. Попович М. Г., Ковальчук О. В. Теорiя автоматичного керування : тдруч. — К. : Либщь, 1997. — 544 с.
9. Ратушняк Г. С. Енергозбереження в системах бюконверси / Г. С. Ратушняк, В. В. Джеджула. — Вшниця : Ушверсум-Вшниця, 2006. - 83 с.
10. Ратушняк Г. С. Тепловтрати в бюгазових установках при рiзних температурних режимах анаеробного бродшня / Г. С. Ратушняк, К. В. Анохша // Вюник ВП1. — Вшниця : ВП1, 2008. — № 4.
11. Ратушняк Г. С. Моделювання теплообмшних процешв в бюгазових установках / Г. С. Ратушняк, К. В. Анохша // Вентилящя, осв^лення та теплогазопостачання : наук.-техн. зб. - Вип. 12. — К. : КНУБА, 2008. — 128 с.
12. Сербш В. А. Нетрадицшш та поновлюваш джерела енерги в системах ТГП / В. А. Сербш — Макивка : ДонДАБА, 2003. — 153 с.
13. Танатар А. И. Элементы промышленной автоматики и их динамические свойства. — К. : Техника, 1975. — 232 с.
14. Электронный научный журнал «Вестник Дона» : (ст. «Применение электротехнологий при метановом сбраживании отходов») [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://ivdon.ru/magazine/archive/n3y2012/896
SUMMARY
Problem statement. The efficiency of bioconversion processes is largely determined by the level of automation and process control biogas, which allows to optimize the process, enhance its efficiency and the ability to adapt to the real operating conditions.
Analyzing of the resent research. In studies of contemporary experts in the field of process management energy production from unconventional sources has had a steady and good understanding of the management of biogas production from biomass. In particular, are interesting publications of Yulia Orlova, B.Baader, V. Serbin, H.Ratushnyak, J. Lione. According to them, for the implementation of the bioconversion process, ensuring its quality at the stage of direct fermentation substrate, it is necessary to form at least six data flows: raw fermentation time, temperature, stability, temperature, gas concentration, load reactor (digesters), the quality of mixing. Using known experimental dependence quantitative yield of biogas supported temperatures, and using extreme control, you can optimize the system for automatic process control biogas in the loop temperature control.There are two approaches to the task of governance
Research objective. Improving quantitative yield of biogas by fermentation substrate in the reactor (digesters) by maintaining the optimum temperature.
Conclusions. 1. Developed a simulation model of control extreme temperature conditions in the fermentation substrate digesters buildable and provides increased reliability compliance implementation process.
2. Resulting simulation model can be recommended, at the design stage, prior to setting up the parameters of the extreme regulator for the desired transition process with a given accuracy.
3. Application of extreme regulation , can improve the performance of digesters by 10 %.
REFERENDS
1. Baader B. Byogaz: teoryya y praktyka / B. Baader, E. Done, M. Brennderfer; [per. s nem. M. Y. Serebryanogo]. - M. : Kolos, 1982. - 148 s.
2. Egorov A. Y. Optymalnoe upravlenye teplovymy y dyffuzyonnymy proczessamy. - M. : Nauka, 1978. - 463 s.
3. Kalmakov A. A. Avtomatyka y avtomatyzaczyya system teplogazosnabzhenyya y ventylyaczy: ucheb. dlya vuzov / A. A. Kalmakov, Yu. Ya. Kuvshynov, S. S. Romanova, S. A. Shhelkunov // Pod red. V. N. Bogoslovskogo. - M. : Strojyzdat, 1986. - 479 s.
4. Klyuev A. S. Proektyrovanye system avtomatyzaczyy tehnologycheskyh proczessov. - M. : Energoatomyzdat, 1997. - 464 s.
5. Lyone Zh.-L. Optymalnoe upravlenye systemamy, opysyvaemymy uravnenyyamy s chastnymy proyzvodnymy. - M. : Myr, 1972. - 488 s.
6. Myaskovskyj Y. G. Teplovoj kontrol y avtomatyzaczyya teplovyx proczessov [Tekst] : ucheb. dlya tehnykumov / red. E. A. Laryna; recz. Y. P. Baumshtejn.; 2-e yzd., pererab. y dop. - M. : Strojyzdat, 1990. - 255 s.
7. Orlova Yu. A. Avtomatyzaczyya y upravlenye byokonversyej s czelyu povyshenyya kachestva tehnologycheskogo proczessa kogeneraczyy: avtoref. dys. na soysk. uchen. step. kand. texn. nauk. -M., 2012. - 21s.
8. Popovych M. G., Kovalchuk O. V. Teoriya avtomatychnogo keruvannya: pidruch. - K. : Lybid, 1997. - 544 s.
9. Ratushnyak G. S. Energozberezhennya v systemax biokonversii' / G. S. Ratushnyak, V. V. Dzhedzhula. - Vinnyczya : Universum-Vinnyczya, 2006. - 83 s.
10. Ratushnyak G. S. Teplovtraty v biogazovyx ustanovkax pry riznyx temperaturnyx rezhymax anaerobnogo brodinnya / G. S.Ratushnyak, K. V. Anoxina // Visnyk VPI. - V. : VPI, 2008. - № 4.
11. Ratushnyak G. S. Modelyuvannya teploobminnyx proczesiv v biogazovyx ustanovkax / G. S. Ratushnyak, K. V. Anoxina // Ventylyacziya, osvitlennya ta teplogazopostachannya : nauk.-texn. zb. - Vyp. 12. - K. : KNUBA, 2008. - 128 s.
12. Serbin V. A. Netradyczijni ta ponovlyuvani dzherela energii' v systemah TGP / V. A. Serbin-Makii'vka : DonDABA, 2003. - 153 s.
13. Tanatar A. Y. Elementy promyshlennoj avtomatyky y yx dynamycheskye svojstva. - K. : Tehnyka, 1975. - 232 s.
14. Elektronnyj nauchnyj zhurnal «Vestnyk Dona» : (st. «Prymenenye elektrotexnologyj pry metanovom sbrazhyvanyy othodov») [Elektronnyj resurs]. Rezhym dostupa: http://yvdon.ru/magazyne /archyve/n3y2012/896
