CC BY
104
УДК 62.13.13
С. Н. Иванов
СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИМИ УСТРОЙСТВАМИ ДЛЯ ГЕНЕРАЦИИ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ И ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ
Рассмотрены вопросы обоснованного выбора вида системы управления электротехническими устройствами для генерации тепловой энергии и транспортирования теплоносителя. С помощью анализа объекта управления установлена целесообразность использования систем управления на основе нечетких технологий.
система управления, тепловой процесс, преобразователь частоты, математическая модель, нечеткая логика.
Введение
Анализ используемых в настоящее время источников тепловой мощности на железнодорожном транспорте показывает, что большинство из них недостаточно эффективны и не удовлетворяют возрастающим требованиям по безопасности, экологии и охране окружающей среды. Классический пример систем отопления - водогрейный котел, снабженный топочной камерой для угля и двадцатью четырьмя высоковольтными электронагревательными элементами общей мощностью 48 кВт. Следует отметить, что при работе на угле КПД котла не превышает 47 %. Циркуляция теплоносителя осуществляется путем естественной конвекции или принудительно, с помощью специальных насосов. В системах непосредственного нагрева используются электропечи и электрокалориферы, при этом общая мощность нагревательных приборов систем непосредственного нагрева для вагонов различных изготовителей находится в диапазоне примерно 30...50 кВт. Недостатком этих устройств является высокая удельная тепловая нагрузка, связанная с невысокими коэффициентами теплоотдачи с активной поверхности и, как следствие, низкий ресурс отопительного оборудования.
Одним из возможных вариантов устранения отмеченных недостатков является использование установок, в которых совмещены функции нагрева и перемещения теплоносителя. Созданные на базе традиционных электромеханических преобразователей переменного тока электротехнические устройства для генерации тепловой энергии и транспортирования теплоносителя (ЭУГТТ) позволяют реализовать частотные принципы управления, существенно повышающие эффективность преобразования первичной энергии в тепловую и
механическую и практически являющиеся стандартом для систем автоматического управления асинхронными электроприводами.
Теоретические основы синтеза систем управления (СУ) для устройств класса ЭУГТТ базируются на анализе процессов, характерных для классических электромеханических преобразователей, но с учетом рассмотрения объекта управления как результата взаимодействия электрических, магнитных, тепловых и гидравлических факторов2. Совместное рассмотрение этих процессов позволяет получить при заданной температуре теплоносителя выражение для выходной характеристики ЭУГТТ, представляющей собой зависимость его производительности (количества перемещаемой среды в единицу времени при постоянном давлении) от скольжения при различных значениях первичного напряжения и частоты, которая может быть принята в качестве «траектории» управления, обеспечиваемого синтезируемой системой.
1 Общая схема управления тепловым процессом
Основной целью разработки системы управления ЭУГТТ является решение следующих задач:
стабилизация - поддержание некоторых выходных управляемых характеристик ЭУГТТ на заданных уровнях, несмотря на постоянно действующие возмущения;
выполнение программ, обеспечивающих заданные «траектории» g (t), т. е. заставляющих объект управления (ОУ) изменять свои характеристики во времени по заданному закону, по определенной программе g *(t); задача стабилизации - частный случай задачи программного управления;
слежение за неизвестной «траекторией»;
экстремальное управление, или задача настройки, - достижение некоторой экстремальной цели, которая может изменяться во времени; часто называется системой автоматической оптимизации или самонастраивающейся системой;
оптимизация - реализация некоторой задачи по заданному критерию выходных «траекторий» объекта управления (ОУ); в частности, могут ставиться задачи фазового перехода из одной точки управления в другую.
Задача управления процессом генерации и транспортирования тепловой энергии (ТП) может быть сформулирована следующим образом: необходимо статистически синтезировать СУ, формирующую входные сигналы управления и, минимизирующие заданный критерий качества поведения всей системы J. Общая схема управления тепловым процессом, реализующая заданную «траекторию», представлена на рис. 1, на котором приняты следующие обозначения: x(t) - вектор состояния системы; g(t) - цель управления, которая задает желаемую программу изменения * К.
2 Теплогенерирующие электромеханические устройства и комплексы / С. Н. Иванов,
К. К. Ким, В. М. Кузьмин. - СПб. : ОМ-пресс, 2009. - 347 с.
состояния объекта во времени («траектория» управления); u(t) - вектор управления; y(t) - вектор измеряемых переменных; w(t) - вектор неуправляемых и ненаблюдаемых возмущений как внутри, так и вне системы; v(t) - вектор ошибок измерения; J(t) = min -
критерий оптимизации ТП.
Рис. 1. Общая схема управления тепловым процессом
Разработка СУ ТП, которая считается заданной и ее свойства по техническим причинам изменять нельзя, сводится к синтезу двух блоков, образующих замкнутую СУ: первый - оптимальный нелинейный фильтр (ОНФ) для оценки вектора состояния выходных управляющих (детерминированных) и возмущающих (случайных) параметров, функционально связанных с вектором входных параметров; второй -детерминированный оптимальный регулятор (ДОР). Такая система обеспечивает возможность контроля и управления не только определяющими, но и необходимым количеством различных второстепенных факторов, существенно влияющих на эффективность работы устройства (первой и более высоких производных выходных параметров).
2 Классификация способов и схем управления тепловым процессом
2.1 Общие положения
Рассматривая способы управления тепловым процессом, надо отметить, что электропривод переменного тока получил в последнее время новое развитие с появлением преобразователей частоты (ПЧ) на низкочастотных и высокочастотных диодах и тиристорах, мощных биполярных или полевых транзисторах с изолированным затвором, а также их объединением с соответствующей аппаратурой (микроконтроллерами, цифровыми сигнальными процессорами для цифровой обработки сигналов, драйверами, выпрямителями, конденсаторами фильтра и т. д.) в единые интеллектуальные блоки с высоким уровнем интеграции, с большим объемом памяти и быстродействием, что позволяет обрабатывать
сигналы сложной формы в реальном масштабе времени и практически безынерционно и с достаточной точностью формировать токи и напряжения статора, а также реализовать требуемые алгоритмы управления. Использование частотных методов управления позволяет регулировать скорость вращения электромеханических преобразователей без превышения необходимого значения для данного момента, что, в свою очередь, приводит к снижению потребления электроэнергии в различных случаях до 50 % и обеспечению окупаемости ПЧ в течение небольшого срока.
2.2 Требования к синтезируемой системе управления
Система управления ТП применительно к объектам транспортного назначения должна удовлетворять следующим основным требованиям:
1) автоматическое обеспечение заданного давления теплоносителя при любых режимах работы сети;
2) автоматическое поддержание температуры теплоносителя;
3) наличие контрольно-измерительных приборов для измерения температуры, расходов и давления в трубопроводах;
4) автоматическое смещение теплоносителя с температурами, характерными для подводящих и отводящих трубопроводов, с целью обеспечения постоянства заданной температуры и защиты сети от повышения температуры свыше заданной при остановке СУГП;
5) средства автоматизации и контроля должны обеспечивать работу системы без постоянного обслуживающего персонала (с пребыванием персонала в течение 50 % рабочего времени);
6) автоматизированная система должна обеспечивать регулирование расхода теплоты в системе отопления и ограничение максимального расхода; поддержание статического давления в системе при независимом присоединении; заданное давление в обратном трубопроводе или требуемый перепад давления воды в подающем и обратном трубопроводах тепловых сетей; защиту потребителей теплоты от повышенного давления или температуры в случае опасности превышения допустимых предельных параметров.
2.3 Способы частотного управления
Современные ПЧ позволяют реализовать два основных способа управления: скалярное и векторное управление, причем при векторном способе управления используется обобщенное математическое описание электромеханической системы, но при разложении входящих в нее векторов на проекции некоторой вращающейся системы координат, связанной с соответствующим вектором потокосцепления. В работах А. Е. Козярука, В. В. Рудакова, В. А. Дартау, А. А. Усольцева, А. Аббонданти, Ф. Блашке, В. Флетера, Х. Риппергера, В. Леонарда, А. Наба и ряда других ученых сформулирован принцип организации системы автоматического
управления, при котором управление моментом и потоком осуществляется независимо, с помощью двух составляющих тока или напряжения статора. Применительно к рассматриваемому ОУ системы управления ПЧ, имея информацию о математической модели объекта управления, аналитически определяют и регулируют скорость и момент на основе значений фазных токов ЭУГТТ.
Алгоритмы управления, структурные схемы и характеристики частотного управления по векторам потокосцеплений достаточно хорошо разработаны и теоретически могут быть взяты за основу системы управления с учетом целесообразности использования бездатчиковых систем с нахождением значений потокосцеплений по модели ЭУГТТ в реальном масштабе времени, что соответствует постоянству вектора потокосцепления вращающегося элемента ^ВЭ. Основной трудностью организации векторного управления с системой координат по вектору ^ВЭ является настройка регулятора скорости. При точном поддержании постоянства потокосцепления вращающегося элемента (ВЭ) структура ПЧ ЭУГТТ содержит последовательно соединенные безынерционное и интегрирующее звенья, поэтому контур регулирования скорости не может быть сведен к простейшим контурам второго или третьего порядка, оптимизация которых осуществляется путем стандартной настройки параметров регуляторов на модульный или симметричный оптимум. Кроме того, неточности компенсации в системе векторного управления приводят к малой некомпенсируемой электромагнитной постоянной, особенно сильное влияние оказывает температурное изменение активного сопротивления ВЭ.
Поскольку прямое измерение потокосцепления сложнореализуемо и при промышленном производстве экономически невыгодно, то оценивать магнитный поток наиболее целесообразно на основе математической модели ЭУГТТ. При этом с целью компенсации влияния изменений параметров ОУ могут быть использованы известные методы идентификации параметров и способы адаптивной настройки регуляторов, одним из которых является определение сопротивлений обмоток с помощью встроенных или заложенных датчиков температуры.
К основным преимуществам векторного управления следует отнести высокую точность регулирования скорости (даже при отсутствии энкодера), возможность поддержания устойчивой скорости вращения в области малых частот и обеспечения номинального момента при «ползучей» скорости (при наличии датчика скорости), нечувствительность к изменению нагрузки и, самое главное, обеспечение энергосберегающего режима работы оборудования. Так, системы векторного управления, реализованные в виде ПЧ с алгоритмом «прямого управления моментом» (DTC - direct torque control), позволяют отрабатывать ступенчатое задание на номинальный момент за 1.. .2 мс; реализуют астатическое регулирование момента на низких частотах вращения, включая нулевую
скорость; идентифицируют индуктивность и сопротивления ВЭ с погрешностью, не превышающей 5 %; ошибка поддержания скорости вращения не превышает 10 % без использования датчика скорости и 0,01 % с датчиком. Недостатком векторного управления является то, что при постоянной нагрузке колебания скорости подвижного элемента больше, чем при скалярном управлении, также для метода характерна сложность вычислений и необходимость предварительного определения параметров ЭУГТТ.
Анализ сравнительных характеристик электроприводов с различными типами систем автоматического управления, в том числе и с разрывным управлением, показывает, что принцип прямого управления моментом обеспечивает высокое качество управления и может быть рекомендован для реализации системы управления ЭУГТТ.
Система управления ЭУГТТ, построенная на базе ПЧ с алгоритмом DTC, обеспечивает синтез двухмерных скользящих режимов работы с глубокой обратной связью по регулируемым координатам; понижает порядок уравнения движения в скользящем режиме; невосприимчива к неточности информации о постоянных времени и коэффициентах усиления, а также к возмущениям; использование методов разрывного управления со скользящим режимом для построения идентификаторов состояния предопределяет такие их свойства, как высокая точность, быстродействие и инвариантность к изменениям параметров объекта и возмущениям. Кроме этого, СУ, синтезированная с применением методов, учитывающих нелинейный характер ЭУГТТ и разрывный характер процессов в силовом преобразователе, обеспечивает упрощение алгоритма синтеза благодаря отсутствию необходимости организации сигналов, компенсирующих внутренние перекрестные обратные связи ОУ; допускает инвариантность к внешним и параметрическим возмущениям, что упрощает идентификацию постоянной времени и точность углового положения опорного вектора потокосцепления ВЭ; обеспечивает одновременность управления частотно-управляемым ЭУГТТ и ШИМ автономного инвертора.
3 Обоснование выбора типа системы управления
Практически все современные принципы управления сложными техническими системами, в том числе и ЭУГТТ, основываются на математических моделях объектов управления, заложенных в программно-реализо-ванные вычислительные алгоритмы. Формально для синтеза СУ устройством для генерации тепловой энергии и перемещения теплоносителя ее можно проанализировать на основе теории обобщенного электромеханического преобразователя энергии (ЭМП). Однако реализация такой модели возможна только при условии существенных допущений, снижающих эффективность работы ЭУГТТ. Кроме того, модель характеризуется трудностью определения основных
коэффициентов, нелинейностью, вычислительной сложностью и в целом отражает качество ОУ. Исследования таких моделей осуществляются аналитическим, численным (с применением ЭВМ) и графоаналитическим методами. Моделирование процессов в многообмоточных машинах, в особых режимах их работы, связано с необходимостью решения нелинейных дифференциальных уравнений высоких порядков, что может быть реализовано лишь численными методами при заданных напряжениях и сопротивлениях. Следует отметить, что численное моделирование дает приближенные результаты, так как математическая модель ЭУГТТ, полученная на основе ЭМП, сама является приближенной, поскольку при ее выводе принимается ряд допущений:
магнитное поле, связанное с вторичными короткозамкнутыми обмотками, ограничено расчетной длиной воздушного зазора, равномерно по длине зазора и имеет только нормальную составляющую, неизменную по всей толщине обмоток и изменяющуюся (гармонически) по окружности воздушного зазора;
индукция магнитного поля в лобовых частях обмоток равна нулю;
магнитная проницаемость вторичных обмоток равна магнитной проницаемости зазора;
индуктивное сопротивление вторичных обмоток ничтожно мало;
неподвижный элемент (НЭ) не образует токоведущих контуров с массивными деталями;
взаимная индуктивность между вторичными короткозамкнутыми обмотками отсутствует;
учитывается только основная гармоническая всех известных и определяемых величин.
Последнее обстоятельство связано с тем, что в воздушном зазоре, наряду с основной гармонической вращающегося магнитного поля, всегда присутствуют гармонические других порядков. Это обусловлено насыщением магнитопровода, зубчатостью статора, дискретным распределением проводников вдоль длины окружности зазора и другими причинами. В реальных преобразователях форма поля в зазоре обусловлена конструктивными, эксплуатационными и технологическими причинами и является эллиптической. Однако в большинстве практических случаев задача исследования упрощается за счет учета только основной гармонической. Таким образом, рассматривается модель некоторого идеализированного преобразователя, характеризуемого абсолютной симметрией (электрической, магнитной, пространственной), бесконечно большой магнитной проницаемостью стальных участков и гармоническим распределением намагничивающей силы в зазоре.
Конструктивные признаки ЭУГТТ: несимметричный магнитопровод статора, который характеризуется разными магнитными проводимостями в различных радиальных направлениях; однофазный преобразователь, а также двухфазные (rn-фазные) с неравноценными в электромагнитном
отношении фазами или двухфазные, пространственный угол сдвига между фазами которых не равен л/2 (л/т).
В процессе эксплуатации ЭУГТТ может работать в несимметричных режимах (например, однофазный режим трехфазного преобразователя), которые обычно моделируются с применением метода симметричных составляющих, согласно которому токи и напряжения раскладываются на прямую, обратную и нулевую последовательности.
Таким образом, при моделировании ЭУГТТ необходимо учитывать, что в воздушном зазоре реального преобразователя присутствует бесконечный спектр гармонических составляющих магнитного поля.
Дополнительные трудности реализации теории обобщенного преобразователя для рассматриваемого ОУ связаны не только с тем, что коэффициенты уравнений в математической модели в данной системе являются нелинейными функциями определяемых величин, но и с самим определением активных сопротивлений и сопротивления взаимоиндукции статора и вторичных элементов, имеющих форму полого немагнитного цилиндра.
Аналитическое исследование электромагнитных полей в полых роторах с учетом их формы, закономерностей распределения токов, возбуждающих поле, и физических свойств отдельных сред также требует ряда допущений для получения приемлемой инженерной методики. Известны исследования, которые опираются, например, на предположение, что по длине статора токи текут параллельно оси ротора и весь ток замыкается в выступающих за длину статора краях ротора. По другим данным, цилиндр необходимо разбивать на ряд частей и определять его сопротивление по эквивалентной схеме замещения из условия минимального сопротивления пути для вихревого тока. На практике эти подходы не обеспечивают достаточной точности, особенно при малой длине краев цилиндра.
Математическая модель ЭУГТТ на основе обобщенного преобразователя энергии может использоваться только для приближенных расчетов или получения предварительной информации об объекте управления. В то же время перечисленные ограничения однозначно указывают на необходимость новых подходов, обеспечивающих учет неопределенности как параметров самого ЭУГТТ, так и условий его эксплуатации, что приводит к математической модели ОУ и СУ.
Возможность синтеза СУ на основе нечеткой модели подтверждают следующие характеристики ЭУГТТ:
для него может быть составлено некоторое лингвистическое описание, которое отражает качественное понимание (представление) процесса преобразования энергии и позволяет непосредственно построить множество нечетких логических правил;
имеются известные уравнения, которые приближенно описывают поведение управляемого теплового процесса, но параметры этих уравнений не могут быть точно идентифицированы;
известные уравнения, описывающие процесс, являются слишком сложными, но они могут быть интерпретированы нечетким образом для построения лингвистической модели и использованы для формирования базы данных;
с помощью входных/выходных данных оцениваются нечеткие логические правила поведения ЭУГТТ;
большое число входных параметров, подлежащих анализу (оценке); большое число управляющих воздействий (многомерность и многосвязность);
сильные возмущения среды функционирования системы управления; нелинейность, нестационарность и априорная неопределенность динамики ТЭМП (существование так называемой «немоделируемой динамики»);
неточность математических моделей программы регулирования; возможность использования технических знаний «know - how», в которых использование нечетких регуляторов оказывается более эффективным по сравнению с традиционными алгоритмами управления.
Такая задача может быть эффективно решена синтезом системы управления электротехническими устройствами для генерации тепловой энергии и транспортирования теплоносителя на основе нечеткой логики.
Заключение
Анализ современных математических моделей и систем управления электротехническими устройствами для генерации тепловой энергии и транспортирования теплоносителя показал, что для устройств класса ЭУГТТ отсутствуют адаптированные СУ; существующие математические модели характеризуются рядом недостатков, заключающихся в сложности и неопределенности параметров ОУ, поэтому они могут быть использованы только для предварительного анализа процессов и формирования базы знаний об ОУ; синтез СУ ЭУГТТ целесообразно производить на основе нечетких технологий с учетом информации о результатах аналитического, численного и экспериментального моделирования.
Статья поступила в редакцию 07.07.2010;
представлена к публикации членом редколлегии А. Н. Марикиным
