Синтез алгоритма упраления тоннельным вентилятором с поворотными на ходу лопатками рабочего колеса Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

© Л.В. Зелгенизов, 2003

YAK 621.3.078:622.44

Л.В. Зелгенизов

СИНТЕЗ АЛГОРИТМА YПРАВЛЕНИЯ ТОННЕЛЬНЫМ ВЕНТИЛЯТОРОМ С ПОВОРОТНЫМИ НА ХОЛY ЛОПАТКАМИ РАБОЧЕГО КОЛЕСА

Количество воздуха, требуемое для проветривания, изменяется в зависимости от числа пассажиров метрополитена, а также количества автомобилей в транспортных тоннелях. Типовой график изменения требуемого расхода воздуха в течение суток для метрополитена г. Новосибирска представлен на рис.

1. Требуемое количество воздуха, подаваемого тоннельным вентилятором, может изменяться за сутки в 10 раз.

Основное количество работающих тоннельных вентиляторов (ТВ) Новосибирского метрополитена составляют осевые двухступенчатые вентиляторы типа ВОМД-24А. Эти вентиляторы не регулируются в течение суток, поэтому являются одними из самых крупных потребителей электроэнергии в метрополитене. Исследованиями фактических режимов проветривания Новосибирского метрополитена установлено, что коэффициент полезного действия большей части вентиляторов ВОМД-24А лежит в пределах 0,07 - 0,28 [1]. Стоимость 1 кВт-ч электроэнергии для промышленных потребителей г. Новосибирска в III квартале 2002 года составляла 0,724 руб. При годовом энергопотреблении на тоннельную вентиляцию 13 млн. кВт-ч регулирование расхода воздуха тоннельных вентиляторов в течение суток позволит получить годовую экономию до 42% энергопотребления, что составит 4 млн руб.

Еще одним недостатком вентиляторов ВОМД-24А является значительное время реверса воздушного потока и низкая надежность реверсирования. Указанные вентиляторы не могут оперативно форсировать подачу воздуха в аварийных ситуациях.

Упомянутые недостатки вентиляторов ВОМД-24А требуют их модернизации и оснащения строящихся станции метрополитенов более экономичными и надежными машинами. В качестве таких машин могут использоваться осевые одноступенчатые вентиляторы, которые имеют возможность регулирования, реверсирования и форсирования производительности на ходу изменением угла установки лопаток рабочего колеса. Однако, в системах автоматического управления (САУ) такими вентиляторами используются неэффективные алгоритмы управления. Дальнейшее совершенствование конструкции вентиляторов при переходе от инерционного исполнительного механизма поворота лопаток рабочего колеса (ПЛРК) к электромеханическому потребовало раз-

Рис. 1. Типовое суточное изменение требуемого расхода воздуха: А - площадь, пропорциональная избыточной подаче воздуха нерегулируемого вентилятора

работки новых математических моделей и более эффективных алгоритмов управления, способных обеспечивать требуемые показатели качества регулирования. Указанные причины, по нашему мнению, определяют актуальность проводимых исследований.

Цель исследования: разра-

ботка математического описания объекта «тоннельный вентилятор с ПЛРК - вентиляционная сеть» и алгоритмов автоматического управления для повышения эффективности тоннельного проветривания. Внедрение результатов исследований позволит снизить энергопотребление на проветривание, а также повысить безопасность подземных пассажирских и грузовых транспортных перевозок. Исследования представляются особенно важными в связи с резким ростом тарифов на электроэнергию, а также по причине увеличения в последнее время числа аварий, возросшей вероятности террористических актов и техногенных катастроф.

Для достижения поставленной цели необходимо разработать математическое описание и методику синтеза САУ ТВ с электромеханическим исполнительным механизмом ПЛРК, обеспечивающие требуемое качество переходных процессов при нелинейности и нестационарности параметров вентиляционных сетей метрополитенов как объектов автоматического управления. На основе полученного закона автоматического управления исполнительным механизмом поворота ЛРК необходимо создать алгоритм регулирования производительности тоннельного вентилятора.

Функциональная схема САУ ТВ показана на рисунке 2. Сигнал задания требуемой производительности вентилятора С30 формируется в контроллере (ЭВМ) верхнего уровня по временному графику, либо на основе команд диспетчера. Исходными данными для формирования сигнала С30 могут быть число автомобилей или пар поездов, находящихся в автомобильном тоннеле или в метрополитене за заданный промежуток времени и т.п. Устройство управ-

ления производительностью вентилятора по изо и сигналу обратной связи с датчика производительности вентилятора иО формирует сигнал управления Су электромеханическим исполнительным механизмом (ИМ), который изменяет угол установки ЛРК осевого вентилятора 0.

Сигнал задания требуемой производительности отрабатывается исполнительным механизмом поворота лопаток рабочего колеса. Изменение угла установки ЛРК необходимо также для компенсации возмущений, действующих на систему управления вентилятором.

Изменение угла 0 приводит к изменению статического давления вентилятора (Рбу), работающего на вентиляционную сеть. При этом в сети регулируется расход воздуха О, который контролируется датчиком производительности ТВ.

Система электропривода ТВ испытывает возмущения со стороны вентиляционной сети. Наиболее значительное по амплитуде и динамическим характеристикам возмущающее воздействие на ТВ оказывают поезда метрополитена, проходящие по тоннелю, в который вентилятор нагнетает воздух. Поэтому дальнейшие изложение сосредоточим на САУ ТВ метрополитена, хотя полученные результаты могут быть распространены и на ТВ автодорожных и транспортных тоннелей.

«Поршневой» эффект характеризуется периодическими импульсами давления АРзР^) и изменением аэродинамического сопротивления тоннеля А^^), которые возникают при прохождении поезда мимо вентиляционного ствола с тоннельным вентилятором. Натурными экспериментами установлено, что форма импульсов АРзР^) и А^^) при действии «поршневого» эффекта близка к синусоидальной.

Исследованиями [2] установлено, что составляющая колебаний аэродинамического возмущения ±А^ при действии «поршневого» эффекта мала по отношению к составляющей ±АРзр. Это позволяет при дальнейших исследованиях не учитывать изменение аэродинамического сопротивления участка вентиляционной сети при прохождении поезда как возмущение на САУ ТВ.

Значительная мощность процесса (до 66 %) приходится на периодическую составляющую, поэтому действие «поршневого» эффекта может быть описано уравнением

РбрШ = Азр-Бш ^зр-2л^). (1)

Экспериментами в метрополитене г. Новосибирска было установлено, что максимальное значение амплитуды импульса статического давления Дзр < 250 Па. Частота возмущающего воздействия определяется интенсивностью движения поездов на исследуемом участке. Диапазон изменения частоты возмущающего воздействия для исследуемого участка Новосибирского метрополитена составляет fsP = 0,01 - 0,104 Гц.

Исследования позволили составить следующую структурную схему САУ ТВ с ПЛРК (рис. 3).

При составлении математического описания элементов САУ ТВ проведем линеаризацию несущественно нелинейных характеристик объекта управления, воспользовавшись формулой Тейлора. Используя прямое преобразование Лапласа, перейдем от математического описания в виде дифференциальных уравнений линейных и линеаризованных элементов к их операторной форме записи. Такой переход позволяет использовать для описания и анализа свойств объекта управления более наглядный и удобный аппарат передаточных функций.

Проведенные исследования позволили составить математическое описание объекта «тоннельный вентилятор с электромеханическим исполнительным механизмом ПЛРК - участок вентиляционной сети метрополитена», которое может быть записано в следующем виде:

ГО’ (р) =

®(Р)

К

и У (р)

ш

р

0(Р)

к

(Р) + РО (р)

Т Р +1

ТС- (р) =

V

Р8У(Р) + РО (Р) 0(Р)

= к

0(р) Кд

Рис. 3. Структурная схема САУ ТВ: Р8Р - статическое давление, вызванное «поршневым» эффектом; Шт (р), (р) -

передаточные функции исполнительного механизма и вентилятора; Шп (р) - передаточная функция вентиляционной сети; (р)- передаточная функция датчика производительности вентилятора; УУО - устройство управления производительностью тоннельного вентилятора с ПЛРК

Значительная нелинейность аэродинамических характеристик вентилятора и характеристик сети [3], изменение характеристик возмущающего воздействия приводят к переменности параметров передаточных функций, описывающих объект управления. Диапазон изменения параметров передаточных функций достаточно широк. Исследованиями установлено, что коэффициенты передаточных функций изменяются в 3 - 5 раз.

Поэтому в качестве метода синтеза нелинейных нестационарных систем, какой является САУ ТВ, был выбран метод скользящих режимов [4, 5].

Анализ технологических требований к САУ ТВ позволил сформулировать следующие требования к качеству управления: статическая ошибка регулирования не должна превышать ± 5%; максимальное перерегулирование выходной координаты <г < 10 %; максимальное время переходного процесса по управляющему воздействию t П = 30 с.

На основе метода скользящих режимов получен закон изменения управляющего воздействия, который может быть записан в виде:

и у = иу Sign(C1V - С,у - у) (2)

где иу - размах реле, С1 - коэффициент желаемого дифференциального уравнения, V - входное воздей-

Рис. 4. Переходные процессы системы по управляющему воздействию

Рис. 5. Переходные процессы, возникающие в системе при действии возмущения в виде импульса статического давления при прохождении поезда

Рис. 6. Переходные процессы стабилизации требуемого расхода воздуха при действии тепловой депрессии, совпадающей с направлением подачи воздуха вентилятором

ствие на систему (ОЗо), у = Оо - выходная величина исследуемой системы.

На рис. 4 представлены результаты численного моделирования переходных процессов, возникающих в системе управления при отработке сигнала задания по расходу 0З = 60 м /с. Время регулирования составляет 8 с, перерегулирование - 6,2 %, ошибка регулирования не превышает 5 %, что удовлетворяет требованиям, предъявляемым к качеству управления.

Результаты численного моделирования переходных процессов по возмущающему воздействию приведены на рис. 5. Анализ этих переходных процессов показывает, что перерегулирование в системе не превышает 10%, точность поддержания требуемого расхода воздуха определяется шириной зоны нечувствительности релейного элемента и не превышает 3%.

Таким образом, синтезированная система управления обеспечивает требуемые показатели качества регулирования. Предложенная математическая модель адекватно отражает физические процессы, возникающие в системе при изменении расхода воздуха и действии импульсов давления, вызванных «поршневым» эффектом.

В случае пожара или задымления тоннелей и станций метрополитена, а также в ряде других аварийных ситуаций Правилами безопасности предусмотрена необходимость обеспечения максимальной производительности вентилятора в прямом или реверсивном режиме подачи воздуха. Моделирование показало, что время аварийного форсирования производительности вентилятора от минимальной (при угле установки ЁРК 15 градусов) до максимальной не превышает 10 с. Расчетами показано, что время разгона электродвигателем маховых масс вентилятора при пуске от полного напряжения сети не превышает 10 с. Учитывая инерционные свойства участка вентиляционной сети, на который работает вентилятор, можно сделать вывод о том, что общее время форсирования расхода воздуха не будет превышать 20 с.

Следовательно, время достижения максимальной производительности вентилятора не превышает 30 с с момента подачи команды на пуск электродвигателя вентилятора. Малое время пуска вентилятора особенно важно при необходимости аварийного форсирования расхода воздуха, например, в случае пожара или задымления.

Существенным фактором, влияющим на стабильность проветривания при пожаре, является величина и направление тепловой депрессии, действующей на вентилятор. По экспертным оценкам максимальное значение тепловой депрессии при пожаре (низкая температура наружного воздуха в зимний период и

Конец

Рис. 7. Блок-схема алгоритма автоматического регулирования производительности тоннельного вентилятора

максимальный перепад высот в начале и в конце вентиляционного участка, на который работает вентилятор) не превышает 150 Па.

Исследованиями [6] установлено, что среднее время горения вагона метропоезда на станции составляет 1 час. При этом максимальная температура в точке пожара, а, следовательно, и тепловая депрессия достигается к тридцатой минуте от начала возгорания. Следовательно, в случае горения метро-поезда на систему управления вентилятором будет действовать возмущающее воздействие, которое можно описать положительной полуволной гармонического сигнала синусоидальной формы с полу-периодом 3600 с и амплитудой 150 Па.

Результаты моделирования процессов, возникающих в САУ ТВ при развитии тепловой депрессии, показаны на рис. 6. Фрагмент десятисекундной реализации процесса, приведенного на рис. 6, показал, что для обеспечения требуемого качества переходных процессов число включений ИМ должно составлять 3-6-60=1080 включений в час. Такое число включений на 40% превышает допустимое для выбранного типа ИМ, что вызовет его недопустимый нагрев и отказ.

Таким образом, для избежания отказов оборудования вентагрегата во время ликвидации аварийной ситуации при пожаре необходимо отключать подпрограмму стабилизации заданного значения производительности вентилятора и подавать команду

включения вентагрегата на максимальную производительность.

Блок-схема алгоритма автоматического регулирования производительности тоннельного вентилятора приведена на рис. 7. Блок 1: выдача управляющей ЭВМ верхнего уровня команды на контроллер САУ ТВ на разрешение автоматического регулирования производительности. Блок 2: загрузка программы автоматического регулирования производительности ТВ. Блок 3: проверка исправности каналов связи контроллера с датчиками производительности вентилятора и датчиками исполнительных механизмов. Блок 4: выработка кода прерывания по причине неисправности каналов связи. Выдача на сигнализацию информации о неисправности. Блок 5: выработка кода готовности системы к автоматическому регулированию. Блок 6: увеличение содержимого счетчика циклов. Блок 7: проверка наличия сигналов ППР45 (аварийное форсирование) или ППР135 (аварийное реверсирование), переход в подпрограмму автоматизированного управления ТВ при пожаре. Блок 8: ввод сигнала задания требуемой производительности вентилятора. Блок 9: опрос датчика расхода воздуха ТВ. Блок 10: проверка равенства заданного (О З) и фактического (О ТВ) значений производительности. Блок 11: расчет управляющего воздействия на ИМ поворота ЛРК. Блок 12: проверка наличия сигнала на запрет регулирования.

Блок 13: выдача управляющего воздействия на ИМ поворота ЛРК. Блок 14: регистрация текущего

состояния вентиляционного режима. Блок 15: вывод на сигнализацию информации о состоянии вентиляционного режима. Блок 16: выдача сигнала об окончании автоматического регулирования. Блок 17: опрос датчика положения ЁРК ТВ. Блок 18: проверка наличия команды «Вытяжка». Блок 19: проверка наличия команды «Приток». Блок 20: переход в подпрограмму останова ТВ. Блок 21: выдача команды на снятие сигнала «Запрет регулирования». Блок 22: выдача команды на снятие сигнала «Запрет регулирования». Блок 23: проверка условия равенства угла установки ЛРК 45 градусам. Блок 24: проверка условия равенства угла установки ЛРК 135 градусам. Блок 25: выдача сигнала «ППР45». Блок 26: выдача сигнала «ППР135». Блок 27: проверка наличия сигнала «ППР135». Блок 28: формирование команды на уменьшение угла установки ЛРК. Блок 29: формирование команды на увеличение угла установки ЛРК. Блок 30: выдача сигнала «Запрет регулирования».

Расчет управляющего воздействия на ИМ поворота ЛРК ТВ осуществляется в блоке 11 на основе синтезированного закона управления.

При возникновении пожара или иной аварийной ситуации, требующей подачи тоннельным вентилятором максимального количества воздуха в прямом или реверсивном направлении, диспетчер электромеханической службы метрополитена выдает на САУ ТВ одну из команд: «ППР45» - максимальная производительность в прямом режиме; «ППР135» - максимальная производительность в реверсивном режиме. Поступление команд «ППР45» и «ППР135» проверяется в блоке 7 алгоритма и при наличии одной из них САУ ТВ переходит в автоматизированный режим работы. В блоках 18 и 19 определяется требуемый для дальнейшей ликвидации пожара режим работы тон-

Рис. 8. Состояния тоннельного вентиляторного агрегата

нельной вентиляции в соответствии со схемой состояний ТВ (рис. 8). После выполнения команд диспетчера «ВЫТЯЖКА», «ПРИТОК», (т.е. перехода вентагрегата в новое состояние (режим)) в системе управления вырабатывается один из следующих признаков состояния: в блоке 25 - «ППР45» (признак форсирования вентилятора, угол установки ЛРК составляет 450); в блоке 26 - «ППР135» (признак реверсирования вентилятора, угол установки ЛРК составляет 1350).

Для ликвидации аварийной ситуации при возгораниях и задымлениях в тоннелях и на станциях метрополитена необходимо в алгоритмах управления вентиляторами предусмотреть возможность смены направления подачи воздуха. Для обеспечения указанного требования в алгоритмы введен блок 27. С его помощью определяется признак предыдущего режима проветривания и выдается команда на увеличение или уменьшение угла установки ЛРК.

Выводы:

1. Получено математическое описание объекта «тоннельный вентилятор с электромеханическим исполнительным механизмом ПЛРК - участок вентиляционной сети метрополитена».

2. По методу скользящих режимов синтезирован закон управления электромеханическим исполнительным механизмом поворота лопаток рабочего колеса тоннельного вентилятора, учитывающий нелинейность и нестационарность вентиляционных сетей метрополитена как объектов автоматического управления.

3. Разработан алгоритм автоматического регулирования производительности тоннельного вентилятора с поворотными на ходу ЛРК. Указанный алгоритм обеспечивает экономичный и устойчивый режим работы вентилятора и позволяет реализовать автоматическое управление при изменении параметров вентиляционной сети метрополитена. Алгоритм позволяет форсировать и реверсировать режим проветривания для эффективной ликвидации аварийной ситуации (пожар, задымление, загазова-ние и т.п.).

1. Петров Н.Н, Красюк АМ, Чигишев А.Н. Пути модернизации устаревшего парка тоннельных вентиляторов метрополитена // Метро. -2000. - № 5 - 6. - С. 18-22.

2. Исследование на АЦВК и в натурных условиях переходных процессов и частотных свойств вентиляционных систем перегонов // Отчет ИГД СО АН СССР. - Новосибирск. -1990. - 104 с.

3. Петров Н.Н, Зима ММ, Федоров В.А., Шишкин М.Ю. Исследование динамических свойств вентиляционной сети перегона метрополитена на аналоговой модели // Управление вентиляцией и газодинамическими процессами в шахтах. - Новосибирск. - ИГД СО АН СССР. - 1989. - С. 135 - 138.

4. Уткин В.И. Скользящие режимы в задачах оптимизации и управления. - М.: Наука, 1981. - 368 с.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

5. Востриков А.С. Синтез нелинейных систем методом локализации. -Новосибирск: НГУ, 1990. - 120 с.

6. Голиков А.Д., Негодаев ГД, Чижиков В.П. Требуемый предел огнестойкости обделок тоннелей метрополитена // Борьба с пожарами в метрополитенах. Сборник научных трудов.- М.: ВНИИПО МВД РФ, 1992. - С 71-81.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Зедгенизов Д.В. - кандидат технических наук, мл. научный сотрудник, ИГД СО РАН, г. Новосибирск.

Файл: ЗЕДГЕН~1

Каталог: G:\По работе в универе\2003г\Папки 2003\GIAB5_03

Шаблон:

C:\Иsers\Таня\AppData\Roaшing\Microsoft\Шаблоны\

Norшal.dotш Заголовок: УДК:

Содержание:

Автор: тест

Ключевые слова:

Заметки:

Дата создания: 28.04.2003 17:07:00

Число сохранений: 7

Дата сохранения: 08.11.2008 0:35:00

Сохранил: Таня

Полное время правки: 14 мин.

Дата печати: 08.11.2008 0:58:00

При последней печати страниц: 5

слов: 2 966 (прибл.)

знаков: 16 908 (прибл.)