W₂(p) - передаточная функция объекта регулирования по опережающему каналу;

- передаточная функция дифференциатора;

T_зад - задание по температуре третьей ступенью пароперегревателя, ^оС;

T''_кпп.- температура пара за третьей ступенью пароперегревателя, ^оС;

T''_по - температура пара за впрыскивающим пароохладителем, ^оС;

е(t) - ошибка регулирования, ^оС;

м(t) - управляющее воздействие;

г(t) - внутреннее возмущение.

Для сравнения рассмотрим каскадную схему регулирования (рис.3.9.).

Рис.3.9. Каскадная схема регулирования температуры перегретого пара

- передаточная функция корректирующего регулятора;

- передаточная функция стабилизирующего регулятора;

W₁(p) - передаточная функция объекта регулирования по основному каналу;

W₂(p) - передаточная функция объекта регулирования по опережающему каналу;

T_зад - задание по температуре третьей ступенью пароперегревателя, ^оС;

T''_кпп.- температура пара за третьей ступенью пароперегревателя, ^оС;

T''_по - температура пара за впрыскивающим пароохладителем, ^оС;

е(t) - ошибка регулирования, ^оС;

г(t) - внутреннее возмущение.

3.3 Параметрический синтез и анализ показателей качества регулирования идеальной двухконтурной АСР с дифференциатором

Расчет оптимальных параметров настройки для двухконтурной АСР с дифференциатором проведен с помощью программного средства «TEMP System» по методу МАЧХ при значении показателя частотной колебательности М=1.55.

Рис. 3.10. Линия заданного запаса устойчивости регулятора.

Рис. 3.11. Линия заданного запаса устойчивости дифференциатора

Получили следующие параметры настройки:

Для регулятора:

k_p=12.15;

T_и=15.39 с.

Для дифференциатора:

k_диф=0.025;

T_диф=20.56 с.

Передаточная функция регулятора: .

Передаточная функция дифференциатора: .

С помощью VisSim собрали модель системы регулирования температуры перегретого пара:



Рис. 3.12. Модель двухконтурной АСР температуры перегретого пара с дифференциатором.

Оценили реакцию системы на ступенчатое возмущение заданием (15?С):

Рис. 3.13. Переходный процесс при ступенчатом воздействии заданием (15^оС)

По графику переходной характеристики (рис.3.13) определили показатели качества регулирования при возмущении заданием (15^оС) [11]:

Статическая ошибка регулирования: величина отклонения установившегося значения переходного процесса от значения сигнала задания.

Динамическая ошибка регулирования: максимальное по модулю отклонение регулируемой координаты от установившегося значения за период наблюдения процесса.

Степень затухания переходного процесса: ,

где и - модули значений первого и третьего отклонений регулируемой координаты от установившегося значения.

Время регулирования:

Время полувыбега:

Линейный интегральный критерий:

38.44;

Квадратичный интегральный критерий:

732.15.

Оценили реакцию системы на внутреннее возмущение (20%ХРО):

Рис. 3.14. Переходная характеристика при ступенчатом внутреннем возмущении (20%ХРО)

По графику переходной характеристики (рис.3.14.) определили показатели качества регулирования при единичном ступенчатом воздействии по каналу внутреннего возмущения (20%ХРО) [11]:

Статическая ошибка регулирования: величина отклонения установившегося значения переходного процесса от значения сигнала задания.

Динамическая ошибка регулирования: максимальное по модулю отклонение регулируемой координаты от установившегося значения за период наблюдения процесса.

Степень затухания переходного процесса:,

где и - модули значений первого и третьего отклонений регулируемой координаты от установившегося значения.

Время регулирования:

Время полувыбега:

Линейный интегральный критерий:

Квадратичный интегральный критерий:

3.4 Параметрический синтез и анализ показателей качества регулирования реальной двухконтурной АСР с дифференциатором

В среде имитационного моделирования VisSim собрали двухконтурную АСР температуры перегретого пара с дифференциатором с реальным регулятором (рис. 3.15.)

Рис. 3.15. Двухконтурная АСР температуры перегретого пара с дифференциатором

Подстроили параметры настройки регулятора:

k_p=12.5;

T_и=14.8 с;

ZON=2.24 ?С;

T_ф=0.15 c.

Сняли переходный процесс при возмущении заданием (15?С) и сравнили с переходным процессом снятым с АСР с идеальным регулятором (рис.3.16.):



Рис.3.16. Переходный процесс снятый с двухконтурной АСР с дифференциатором при возмущении заданием (15?С) 1- с идеальным регулятором, 2 - с реальным регулятором

По графику переходной характеристики (рис.3.16) определили показатели качества регулирования при возмущении заданием (15?С) [11]:

Статическая ошибка регулирования: величина отклонения установившегося значения переходного процесса от значения сигнала задания.

Динамическая ошибка регулирования: максимальное по модулю отклонение регулируемой координаты от установившегося значения за период наблюдения процесса.

Степень затухания переходного процесса: ,

где и - модули значений первого и третьего отклонений регулируемой координаты от установившегося значения.

Время регулирования:

Время полувыбега:

Линейный интегральный критерий:

51.14;

Квадратичный интегральный критерий:

1932.78.

Сняли переходный процесс при внутреннем возмущении (20%) и сравнили с переходным процессом снятым с АСР с идеальным регулятором (рис.3.17.):

Рис.3.17. Переходный процесс снятый с двухконтурной АСР с дифференциатором при внутреннем возмущении (20%ХРО) 1- с идеальным регулятором, 2 - с реальным регулятором

По графику переходной характеристики (рис.3.17) определили показатели качества регулирования при возмущении заданием (15?С) [11]:

Статическая ошибка регулирования: величина отклонения установившегося значения переходного процесса от значения сигнала задания.

Динамическая ошибка регулирования: максимальное по модулю отклонение регулируемой координаты от установившегося значения за период наблюдения процесса.

Степень затухания переходного процесса: ,

где и - модули значений первого и третьего отклонений регулируемой координаты от установившегося значения.

Времярегулирования:

Времяполувыбега:

Линейный интегральный критерий:

42.37;

Квадратичный интегральный критерий:

212.08.

3.5 Параметрический синтез и анализ показателей качества регулирования идеальной каскадной АСР

Расчет каскадной АСР проведен с помощью программного средства «TEMP System», по методу МАЧХ при значении показателя частотной колебательности М=1.55.

Рис. 3.18. Линия заданного запаса устойчивости регулятора корректирующего

Рис. 3.19.Линия заданного запаса устойчивости регулятора стабилизирующего

Получили следующие параметры настройки регуляторов:

Для регулятора корректирующего:

k_p=3.94;

T_и=6.45 с.

Для регулятора стабилизирующего:

k_р=3.03;

T_и=8.08 с.

Передаточная функция регулятора корректирующего:

Передаточная функция регулятора стабилизирующего:

С помощью VisSim собрали модель каскадной АСР температуры перегретого пара:

Рис. 3.20. Модель идеальной каскадной АСР температуры перегретого пара

Оценили реакцию системы на ступенчатое возмущение заданием (15?С):

Рис. 3.21. Переходный процесс при возмущении заданием

По графику переходного процесса (рис.3.21.) определили показатели качества регулирования при возмущении заданием (15?С) [11]:

Статическая ошибка регулирования: величина отклонения установившегося значения переходного процесса от значения сигнала задания.

Динамическая ошибка регулирования: максимальное по модулю отклонение регулируемой координаты от установившегося значения за период наблюдения процесса.

Степень затухания переходного процесса: ,

где и - модули значений первого и третьего отклонений регулируемой координаты от установившегося значения.

Время регулирования:

Время полувыбега:

Линейный интегральный критерий:

20.62;

Квадратичный интегральный критерий:

Оценили реакцию системы на ступенчатое внутреннее возмущение (20%ХРО):

Рис. 3.22. Переходный процесс при ступенчатом внутреннем возмущении(20%ХРО)

По графику переходной характеристики (рис.3.22.) определили показатели качества регулирования при внутреннем возмущения (20%ХРО) [11]:

Статическая ошибка регулирования: величина отклонения установившегося значения переходного процесса от значения сигнала задания.

Динамическая ошибка регулирования: максимальное по модулю отклонение регулируемой координаты от установившегося значения за период наблюдения процесса.

Степень затухания переходного процесса:,

где и - модули значений первого и третьего отклонений регулируемой координаты от установившегося значения.

Время регулирования:

Время полувыбега:

Линейный интегральный критерий:

Квадратичный интегральный критерий:

3.6 Параметрический синтез и анализ показателей качества регулирования реальной каскадной АСР

В среде имитационного моделирования VisSim собрали каскадную АСР температуры перегретого пара с реальным регулятором (рис. 3.23.)

Рис. 3.23. Каскадная АСР температуры перегретого пара

Подобрали оптимальные параметры настройки реального регулятора:

k_p=2.7;

T_и=9.2 с.;

ZON=2.24 ?С;

T_ф=0.15 c.

Сняли переходный процесс при возмущении заданием (15?С) и сравнили с переходным процессом снятым с АСР с идеальным регулятором (рис.3.24.):

Рис.3.24. Переходный процесс снятый с каскадной АСР при возмущении заданием (15 ^оС) (1- с идеальным регулятором, 2 - с реальным регулятором)

Оценили показатели качества регулирования при возмущении заданием[11]:

Статическая ошибка регулирования: величина отклонения установившегося значения переходного процесса от значения сигнала задания.

Динамическая ошибка регулирования: максимальное по модулю отклонение регулируемой координаты от установившегося значения за период наблюдения процесса.

Степень затухания переходного процесса: ,

где и - модули значений первого и третьего отклонений регулируемой координаты от установившегося значения.

Время регулирования:

Время полувыбега:

Линейный интегральный критерий:

Квадратичный интегральный критерий:

2032.5.

Сняли переходный процесс при внутреннем возмущении (20%ХРО) и сравнили с переходным процессом снятым с АСР с идеальным регулятором (рис.3.25.):

Рис.3.25. Переходный процесс снятый с каскадной АСР при внутреннем возмущении (20%ХРО) 1- с идеальным регулятором, 2 - с реальным регулятором

Оценили показатели качества регулирования при внутреннем возмущении (20%ХРО) [11]:

Статическая ошибка регулирования: величина отклонения установившегося значения переходного процесса от значения сигнала задания.

Динамическая ошибка регулирования: максимальное по модулю отклонение регулируемой координаты от установившегося значения за период наблюдения процесса.

Степень затухания переходного процесса: ,

где и - модули значений первого и третьего отклонений регулируемой координаты от установившегося значения.

Время регулирования:

Время полувыбега:

Линейный интегральный критерий:

22.07;

Квадратичный интегральный критерий:

107.27.

3.7 Сравнение показателей качества регулирования двухконтурной АСР с дифференциатором и каскадной АСР

Таблица 3.1 . Сравнение показателей качества регулирования двухконтурной АСР с дифференциатором и каскадной АСР

Показатель качества регулирования	Двухконтурная АСР с дифференциатором	Каскадная АСР
	возмущение заданием	внутреннее возмущение	возмущение заданием	внутреннее возмущение
Статическая ошибка, oС	0.28	0.12	0.09	0.05
Динамическая ошибка, oС	2.46	4.55	3.47	3.88
Степень затухания	1	1	0.95	1
Время регулирования, c.	27.3	19.58	36.56	18.63
Время полувыбега, c.	20.83	9.17	20.98	8.35
Линейный интегральный критерий	51.14	42.37	67.53	22.07
Квадратичный интегральный критерий	1932.78	212.08	2032.5	107.27

Результаты и выводы

В ходе выполнения данного раздела бакалаврской работы был выполнен синтез идеальных и реальных двухконтурной АСР с дифференциатором и каскадной АСР.

Было проведено сравнение переходных процессов синтезированных АСР и их показателей качества регулирования. В результате сравнения выяснили, что в нашем случае каскадная АСР несколько лучше отрабатывает внутреннее возмущение, но двухконтурная АСР с дифференциатором намного лучше отрабатывает возмущение заданием почти по всем показателям качества, но имеет немного большую статическую ошибку регулирования. Следовательно, двухконтурная АСР с дифференциатором, реализованная на Ярославской ТЭЦ-2 лучше подходит для регулирования температуры перегретого пара.

4. Синтез нечеткой системы регулирования температуры перегретого пара

4.1 Настройка нечеткого регулятора

В результате выполнения учебной исследовательской работы был разработан нечеткий регулятор и построена основанная на нем АСР температуры перегретого пара.

Для разработки нечеткого регулятора была проведена формализация входных и выходных переменных, разработана база нечетких правил.

В ходе формализации были выведены входные и выходные лингвистические переменные, определены их термы [16].

Входные переменные:

1. Ошибка регулирования (отклонение температуры на выходе КПП3 от заданной), е ? [-40, 40] °C.

2. Скорость изменения ошибки регулирования v ? [-2.3, 2.3] °C/с.

На рис.4.1. приведены термы лингвистической переменной «Ошибка регулирования».

Рис. 4.1. Термы лингвистической переменной «е»

На рис. 4.2. приведены термы лингвистической переменной «Скорость изменения ошибки регулирования».



Рис. 4.2. Термы лингвистической переменной «v»

Выходные переменные:

1. Управляющее воздействие, m.

На рис.4.3. приведены термы лингвистической переменной «m».

Рис. 4.3. Термы лингвистической переменной «m»

Работа регулятора осуществляется на основании разработанной базы нечетких правил [16]:

1. Если «ОР» - аварийно высокая отрицательная, и «скорость изменения ОР» - аварийно высокая отрицательная, то «УВ» - аварийно высокое положительное.

2. Если «ОР» - аварийно высокая отрицательная, и «скорость изменения ОР» - высокая отрицательная, то «УВ» - аварийно высокое положительное.

3. Если «ОР» - аварийно высокая отрицательная, и «скорость изменения ОР» - минимальная, то «УВ» - аварийно высокое положительное.

4. Если «ОР» - аварийно высокая отрицательная, и «скорость изменения ОР» - высокая положительная, то «УВ» - аварийно высокое положительное.

5. Если «ОР» - аварийно высокая отрицательная, и «скорость изменения ОР» - аварийно высокая положительная, то «УВ» - минимальное.

6. Если «ОР» - высокая отрицательная, и «скорость изменения ОР» - аварийно высокая отрицательная, то «УВ» - аварийно высокое положительное.

7. Если «ОР» - высокая отрицательная, и «скорость изменения ОР» - высокая отрицательная, то «УВ» - аварийно высокое положительное.

8. Если «ОР» - высокая отрицательная, и «скорость изменения ОР» - минимальная, то «УВ» - высокое положительное.

9. Если «ОР» - высокая отрицательная, и «скорость изменения ОР» - высокая положительная, то «УВ» - минимальное.

10. Если «ОР» - высокая отрицательная, и «скорость изменения ОР» - аварийно высокая положительная, то «УВ» - высокое отрицательное.

11. Если «ОР» - минимальная, и «скорость изменения ОР» - аварийно высокая отрицательная, то «УВ» - высокое положительное.

12. Если «ОР» - минимальная, и «скорость изменения ОР» - высокая отрицательная, то «УВ» - высокое положительное.

13. Если «ОР» - минимальная, и «скорость изменения ОР» - минимальная, то «УВ» - минимальное.

14. Если «ОР» - минимальная, и «скорость изменения ОР» - высокая положительная, то «УВ» - высокое отрицательное.

15. Если «ОР» - минимальная, и «скорость изменения ОР» - аварийно высокая положительная, то «УВ» - высокое отрицательное.

16. Если «ОР» - высокая положительная, и «скорость изменения ОР» - аварийно высокая отрицательная, то «УВ» - высокое положительное.

17. Если «ОР» - высокая положительная, и «скорость изменения ОР» - высокая отрицательная, то «УВ» - минимальное.

18. Если «ОР» - высокая положительная, и «скорость изменения ОР» - минимальная, то «УВ» - высокое отрицательное.

19. Если «ОР» - высокая положительная, и «скорость изменения ОР» - высокая положительная, то «УВ» - аварийно высокое отрицательное.

20. Если «ОР» - высокая положительная, и «скорость изменения ОР» - аварийно высокая положительная, то «УВ» - аварийно высокое отрицательное.

21. Если «ОР» - аварийно высокая положительная, и «скорость изменения ОР» - аварийно высокая отрицательная, то «УВ» - высокое отрицательное.

22. Если «ОР» - аварийно высокая положительная, и «скорость изменения ОР» - высокая отрицательная, то «УВ» - аварийно высокое отрицательное.

23. Если «ОР» - аварийно высокая положительная, и «скорость изменения ОР» - минимальная, то «УВ» - аварийно высокое отрицательное.

24. Если «ОР» - аварийно высокая положительная, и «скорость изменения ОР» - высокая положительная, то «УВ» - аварийно высокое отрицательное.

25. Если «ОР» - аварийно высокая положительная, и «скорость изменения ОР» - аварийно высокая положительная, то «УВ» - аварийно высокое отрицательное.

4.2 Разработка широтно-импульсного модулятора

Для АСР температуры перегретого пара с нечетким регулятором был разработан широтно-импульсный модулятор (рис.4.4).

Рис.4.4. Широтно-импульсный модулятор.

Собрана схема регулирования с нечетким регулятором (Рис.4.5.):

Рис.4.5. Схема регулирования температуры перегретого пара с нечетким регулятором.

4.3 Анализ показателей качества регулирования нечеткой АСР

Проведено исследование реакции системы на возмущение заданием и внутреннее возмущение:

Оценена реакция системы на единичное ступенчатое воздействие по каналу задания (рис.4.6.):

Рис.4.6. Переходный процесс ступенчатом возмущении заданием(15^оС).

По графику переходной характеристики (рис.4.6.) были определены показатели качества регулирования ступенчатом возмущении заданием (15^оС) [11]:

Статическая ошибка регулирования: величина отклонения установившегося значения переходного процесса от значения сигнала задания.

Динамическая ошибка регулирования: максимальное по модулю отклонение регулируемой координаты от установившегося значения за период наблюдения процесса.

Степень затухания переходного процесса:

где и - модули значений первого и третьего отклонений регулируемой координаты от установившегося значения.

Время регулирования:

Время полувыбега:

Оценена реакция системы на ступенчатое внутреннее возмущение (20%ХРО) (рис.4.7.):

Рис. 4.7..Переходный процесс при ступенчатом внутреннем возмущении (20%ХРО)

По графику переходной характеристики (рис.4.7.) определены показатели качества регулирования при ступенчатом внутреннем возмущении (20%ХРО) [11]:

Статическая ошибка регулирования: величина отклонения установившегося значения переходного процесса от значения сигнала задания.

Динамическая ошибка регулирования: максимальное по модулю отклонение регулируемой координаты от установившегося значения за период наблюдения процесса.

Степень затухания переходного процесса:,

где и - модули значений первого и третьего отклонений регулируемой координаты от установившегося значения.

Время регулирования:

Время плувыбега:

Для оценки влияния количества функций принадлежности по каждой из переменных был разработан нечеткий регулятор с меньшим количеством функций принадлежности.

Входные переменные:

1. Ошибка регулирования (отклонение температуры на выходе КПП3 от заданной), е ? [-40, 40] °C.

2. Скорость изменения ошибки регулирования v ? [-2.3, 2.3] °C/с.

На рис.4.8. приведены термы лингвистической переменной «Ошибка регулирования».

Рис. 4.8. Термы лингвистической переменной «е»

На рис. 4.9. приведены термы лингвистической переменной «Скорость изменения ошибки регулирования».

Рис. 4.9. Термы лингвистической переменной «v»

Выходные переменные:

1. Управляющее воздействие, m.

На рис.4.10. приведены термы лингвистической переменной «m».



Рис. 4.10. Термы лингвистической переменной «m»

Рис.4.11. Переходный процесс при ступенчатом возмущении заданием (15^оС) снятый с 1 -исходной нечеткой АСР, 2 - нечеткой АСР с меньшим количеством функций принадлежности

Рис.4.12. Переходный процесс при ступенчатом внутреннем возмущении (20%ХРО) снятый с 1 -исходной нечеткой АСР, 2 - нечеткой АСР с меньшим количеством функций принадлежности

В ходе сравнения полученных переходных характеристик (рис. 11.,рис. 12.) было выявлено, что количество функций принадлежности оказывает влияние на качество регулирования.

4.4 Сравнение переходных процессов всех рассмотренных АСР при номинальном режиме

В связи с нелинейностью нечеткого регулятора, были рассмотрены переходные процессы синтезированных АСР при различных возмущениях заданием (5 ^оС, 15^оС и 25^оС) и внутренних возмущениях (10 %ХРО, 20%ХРО и 30%ХРО)

Были сняты переходные процессы с двухконтурной АСР с дифференциатором, каскадной АСР и нечеткой АСР при ступенчатом возмущении заданием (5^оС) (рис. 4.13.).

Рис.4.13. Переходный процесс при ступенчатом возмущении заданием (5^оС) при номинальном режиме снятый с 1 -двухконтурной АСР с дифференциатором, 2 - каскадной АСР, 3 - нечеткой АСР

Были сняты переходные процессы с двухконтурной АСР с дифференциатором, каскадной АСР и нечеткой АСР при ступенчатом возмущении заданием (15^оС) (рис. 4.14.).

Рис.4.14. Переходный процесс при ступенчатом возмущении заданием (15^оС) при номинальном режиме снятый с 1 -двухконтурной АСР с дифференциатором, 2 - каскадной АСР, 3 - нечеткой АСР

Были сняты переходные процессы с двухконтурной АСР с дифференциатором, каскадной АСР и нечеткой АСР при ступенчатом возмущении заданием (25^оС) (рис. 4.15.).

Рис.4.15. Переходный процесс при ступенчатом возмущении заданием (25^оС) при номинальном режиме снятый с 1 -двухконтурной АСР с дифференциатором, 2 - каскадной АСР, 3 - нечеткой АСР

Рассчитанные показатели качества регулирования и сведены в таблицу и сравнены (таблица 4.1.)

Таблица 4.1. Сравнение показателей качества регулирования при возмущениях заданием.

Показатель качества регулирования	Двухконтурная АСР с дифференциатором	Каскадная АСР	АСР с нечетким регулятором
Величина возмущения, оС	5	15	25	5	15	25	5	15	25
Статическая ошибка	0	0.28	0.44	0.02	0.09	0.3	0.05	0.04	0.69
Динамическая ошибка	0.57	2.46	2.75	0.45	3.47	4.43	0.19	0.45	0.32
Степень затухания	1	1	1	0.93	0.95	0.91	0.63	0.82	0.66
Время регулирования, с.	8.94	26.39	34.08	9.59	36.56	47.88	12.77	34.77	50.59
Время полувыбега, с.	15.32	20.83	26.55	27.66	20.98	28.01	19.79	43.6	56.66

Были сняты переходный процесс с двухконтурной АСР с дифференциатором, каскадной АСР и нечеткой АСР при ступенчатом внутреннем возмущении (10%ХРО) (рис.4.16.).

Рис.4.16. Переходный процесс при ступенчатом внутреннем возмущении (10%ХРО) при номинальном режиме снятый с 1 -двухконтурной АСР с дифференциатором, 2 - каскадной АСР, 3 - нечеткой АСР

Были сняты переходные процессы с двухконтурной АСР с дифференциатором, каскадной АСР и нечеткой АСР при ступенчатом внутреннем возмущении (20%ХРО) (рис.4.17.).

Рис.4.17. Переходный процесс при ступенчатом внутреннем возмущении (20%ХРО) при номинальном режиме снятый с 1 -двухконтурной АСР с дифференциатором, 2 - каскадной АСР, 3 - нечеткой АСР

Были сняты переходные процессы с двухконтурной АСР с дифференциатором, каскадной АСР и нечеткой АСР при ступенчатом внутреннем возмущении (30%ХРО) (рис.4.18.).



Рис.4.18. Переходный процесс при ступенчатом внутреннем возмущении (30%ХРО) при номинальном режиме снятый с 1 -двухконтурной АСР с дифференциатором, 2 - каскадной АСР, 3 - нечеткой АСР

Все полученные показатели качества регулирования сведены в таблицу и сравнены (таблица 4.2.)

Таблица 4.2. Сравнение показателей качества регулирования при внутренних возмущениях.

Показатель качества регулирования	Двухконтурная АСР с дифференциатором	Каскадная АСР	АСР с нечетким регулятором
Величина возмущения, %ХРО	10	20	30	10	20	30	10	20	30
Статическая ошибка, оС	0.78	0.12	0.41	0.02	0.05	0.1	0.82	0.09	0.37
Динамическая ошибка, оС	1.83	4.55	7.95	1.72	3.88	5.86	1.98	5.31	8.99
Степень затухания	1	1	1	1	1	1	0.88	0.98	0.98
Время регулирования, с.	21.03	19.58	24.48	14.34	18.63	18.67	21.03	23.77	35.26
Время полувыбега, с.	9.1	9.17	10.58	8.53	8.35	9.33	12.51	12.75	14.94

4.5 Реализация нечеткого регулятора

Основным минусом нечетких регуляторов является сложность их физической реализации. На практике для реализации алгоритмов нечеткого регулирования используются следующие возможности [18]:

· реализация нечетких алгоритмов с помощью специализированного программного обеспечения;

· разработка специальных «нечетких» компьютеров, предназначенных для обработки данных информации и знаний с помощью команд естественного языка и правил вывода, похожих на те, которые использует человек;

· аналоговая или аналого-цифровая реализация на базе больших (БИС) и сверхбольших (СБИС) интегральных схем.

Значительное повышение быстродействия нечетких регуляторов достигается путем аппаратной реализации их алгоритмов. Различают 3 поколения специального аппаратного обеспечения нечеткой логики. Первое поколение «нечетких» БИС (Fuzzy Chips), основанное на аналоговой микроэлектронике, поступило на рынок в 1987 г.

Здесь каждая из входных величин х₁ и х₂ фазифицируется с помощью трех функций принадлежности. Условия лингвистических правил, выраженные с помощью союза «И», реализуются с помощью операций пересечения (min). Предусмотрена специальная матрица, устанавливающая конкретный вид данных правил. Нечеткие значения выходной величины здесь рассматриваются как одноточечные подмножества (singletons), функции принадлежности которых определяются с помощью 5 операций объединения (max) и подаются затем на схему дефаззификации.

Второе поколение нечетких регуляторов - это СБИС, сочетающие аналоговый и цифровой принцип действия и программируемые пользователем как чистые цифровые схемы с мажорированием. Примерами этих СБИС являются выпускаемые с 1990 г. интегральные схемы OMRON FP-3000, TOGAI-Infra Logic F 110, легко подключаемые к датчикам и исполнительным механизмам. В то же время, они являются недостаточно гибкими, поскольку они имеют или жестко заданный характер связей (OMRON), или малый набор стандартных команд (TOGAI).

Третье поколение нечетких регуляторов (начиная с 1992 г.) представляет собой «нечеткие» компьютеры (Fuzzy-Computers), или «нечеткие» процессоры (Fuzzy-Processors), обеспечивающие не только удобное взаимодействие оператора и ЭВМ (а значит, и ускорение сроков проектирования, оптимизации и доводки системы управления), но и повышение скорости обработки информации за счет организации параллельных вычислений, использования векторных процессоров, транспьютеров и т.п.

Фирмами «Сименс» и «Информ» совместно разработан «нечеткий» процессор FUZZY-166, построенный на основе 16-разрядного микропроцессора и предназначенный для работы с 10 аналоговыми входами, а также 60 цифровыми входами и выходами. При разработке процессора использовались язык Ассемблер (Риск) с сокращенным набором команд и стандартный компилятор для языка СИ, а также система программирования нечетких данных «Fuzzy-Werkbank» фирмы «Информ».

Сложность реализации нечеткого регулятора в ПТК «Квинт» является следствием отсутствия в данном ПТК специализированных программных средств, позволяющих с помощью интуитивно понятного интерфейса программировать алгоритмы нечеткой логики, и аппаратных средств, позволяющих снизит, затраты времени на вычислительные процессы нечеткой логики.

Результаты и выводы

В ходе анализа переходных процессов и показателей качества регулирования двухконтурной АСР с дифференциатором, каскадной АСР и нечеткой АСР было выявлено, было выявлено, что небольшие возмущения заданием нечеткая АСР отрабатывает немного хуже чем классические, средние возмущения заданием он отрабатывает лучше чем каскадная АСР и хуже чем двухконтурная АСР с дифференциатором, большие возмущения она отрабатывает немного хуже каскадной, которая в свою очередь уступает двухконтурной АСР с дифференциатором. Небольшие внутренние возмущения нечеткая АСР отрабатывает так же как и двухконтурная АСР с дифференциатором, средние и большие внутренние возмущения она отрабатывает хуже чем классические АСР.

В целом можно сказать, что синтезированный в данной работе нечеткий регулятор показал достаточно качественное регулирование, хотя он и уступает классическим регуляторам. Но стоит учесть, что путем расширения базы правил, увеличения количества функций принадлежности по каждой из лингвистических переменных и изменения их форм можно добиться существенного изменения качества регулирования.

5. Анализ влияния нестационарности на качество регулирования

Для исследования влияния нестационарности на качество регулирования сравнили переходные процессы снятые со всех рассмотренных схем регулирования, затем модель конвективного пароперегревателя 3 ступени перевели в режим пониженной нагрузки (80%) и в режим повышенной нагрузки (120%) и так же сравнили переходные процессы снятые со всех схем регулирования.

5.1 Идентификация динамических характеристик по каналам объекта регулирования в режиме пониженной нагрузки

Для определения передаточной функции опережающего участка объекта регулирования и передаточной функции инерционного участка объекта регулирования с модели пароперегревателя были сняты кривые разгона (рис. 5.1.).

Для снятия кривых разгона подали на 1 ступенчатое воздействие на закрытие регулирующего органа (15%ХРО) и 2 ступенчатых воздействия на открытие (10%ХРО и 5%ХРО).

Рис.5.1. График положения регулирующего органа.



Рис.5.2.График экспериментальной кривой разгона Ткпп.

Рис.5.3. График экспериментальной кривой разгона Тпо.

Затем с помощью программного комплекса «Тренд» получили соответствующие им переходные характеристики, которые с помощью ПМК «ТЕМП» были аппроксимированы (рис.5.4., рис.5.5.):

Рис.5.4. 1- Исходная переходная характеристика по основному каналу; 2- Аппроксимирующая переходная характеристика по основному каналу

Рис.5.5. 1- Исходная переходная характеристика по опережающему каналу; 2- Аппроксимирующая переходная характеристика по опережающему каналу

Затем были получены передаточные функции объекта по опережающему каналу W₁, по основному каналу W₂:

[^oC/%XPO];

[^oC/%XPO].

5.2 Идентификация динамических характеристик по каналам объекта регулирования в режиме повышеной нагрузки

Для определения передаточной функции опережающего участка объекта регулирования и передаточной функции инерционного участка объекта регулирования с модели пароперегревателя были сняты кривые разгона (рис. 5.6., рис. 5.7., рис. 5.8.).

Для снятия кривых разгона было подано 1 ступенчатое воздействие на закрытие регулирующего органа (15%ХРО) и 2 ступенчатых воздействия на открытие (10%ХРО и 5%ХРО).

Рис.5.6. График положения регулирующего органа

Рис.5.7.График экспериментальной кривой разгона Ткпп



Рис.5.8. График экспериментальной кривой разгона Тпо

Затем с помощью программного комплекса «Тренд» были получены соответствующие им переходные характеристики, которые с помощью ПМК «ТЕМП» были аппроксимированы (рис.5.9., рис.5.10.):

Рис.5.9. 1- Исходная переходная характеристика по основному каналу; 2- Аппроксимирующая переходная характеристика по основному каналу

Рис.5.10. 1- Исходная переходная характеристика по опережающему каналу; 2- Аппроксимирующая переходная характеристика по опережающему каналу

Затем были получены передаточные функции объекта по опережающему каналу W₁, по основному каналу W₂:

[^oC/%XPO];

[^oC/%XPO].

5.3 Исследование влияния режима нагрузки на качество регулирования двухконтурной АСР с дифференциатором

Были сняты переходные процессы с двухконтурной АСР с дифференциатором при ступенчатом возмущении заданием (15^оС) (рис.5.11.).

Рис.5.11. Переходный процесс двухконтурной АСР с дифференциатором при ступенчатом возмущении заданием (15^оС) 1- в режиме пониженной нагрузки, 2- при номинальном режиме, 3 - в режиме повышенной нагрузки

Были сняты переходные процессы с двухконтурной АСР с дифференциатором при ступенчатом внутреннем возмущении (20%ХРО) (рис.5.12.).

Рис.5.12. Переходный процесс двухконтурной АСР с дифференциатором при ступенчатом внутреннем возмущении (20%ХРО) 1- в режиме пониженной нагрузки, 2- при номинальном режиме, 3 - в режиме повышенной нагрузки

Полученные показатели качества регулирования были сведены в таблицу и сравнены (таблица 5.2.).

Таблица 5.2. Сравнение показателей качества регулирования при изменении режима нагрузки для двухконтурной АСР с дифференциатором.

Показатель качества регулирования	Возмущение заданием	Внутреннее возмущение
	нагрузка 80%	нагрузка 100%	нагрузка 120%	нагрузка 80%	нагрузка 100%	нагрузка 120%
Статическая ошибка, оС	0.09	0.28	0.17	0.64	0.12	-0.64
Динамическая ошибка, оС	3.48	2.46	2.71	4.88	4.55	4.45
Степень затухания	1	1	1	1	1	1
Время регулирования, с.	48.6	26.58	27.5	20.12	19.58	20.65
Время полувыбега, с.	20.83	20.76	21.28	9.62	9.17	9.45

5.4 Исследование влияния режима нагрузки на качество регулирования каскадной АСР

Были сняты переходные процессы с каскадной АСР при ступенчатом возмущении заданием (15^оС) (рис.5.13.).

Рис.5.13. Переходный процесс каскадной АСР при ступенчатом возмущении заданием (15^оС) 1- в режиме пониженной нагрузки, 2- при номинальном режиме, 3 - в режиме повышенной нагрузки

Были сняты переходные процессы каскадной АСР при ступенчатом внутреннем возмущении (20%ХРО) (рис.5.14.).

Рис.5.14. Переходный процесс каскадной АСР при ступенчатом внутреннем возмущении (20%ХРО) 1- в режиме пониженной нагрузки, 2- при номинальном режиме, 3 - в режиме повышенной нагрузки1

Определили показатели качества регулирования и свели в таблицу и сравнили (таблица 5.3.)

Таблица 5.3. Сравнение показателей качества регулирования при изменении режима нагрузки для каскадной АСР

Показатель качества регулирования	Возмущение заданием	Внутреннее возмущение
	нагрузка 80%	нагрузка 100%	нагрузка 120%	нагрузка 80%	нагрузка 100%	нагрузка 120%
Статическая ошибка, оС	0.13	0.12	0.11	0.07	0.06	0.05
Динамическая ошибка, оС	4.06	3.44	3.76	3.48	3.39	3.28
Степень затухания	0.7	1	0.98	1	1	1
Время регулирования, с.	38.14	36.56	33.22	18.76	18.44	18.58
Время полувыбега, с.	21.11	21.11	21.8	8.4	8.22	9.45

5.5 Исследование влияния режима нагрузки на качество регулирования нечеткой АСР

Были сняты переходные процессы с нечеткой АСР при ступенчатом возмущении заданием (15^оС) (рис.5.15.).

Рис.5.15. Переходный процесс нечеткой АСР при ступенчатом возмущении заданием (15^оС) 1- в режиме пониженной нагрузки, 2- при номинальном режиме, 3 - в режиме повышенной нагрузки

Были сняты переходные процессы нечеткой АСР при ступенчатом внутреннем возмущении (20%ХРО) (рис.5.16.).

Рис.5.16. Переходный процесс нечеткой АСР при ступенчатом внутреннем возмущении (20%ХРО) 1- в режиме пониженной нагрузки, 2- при номинальном режиме, 3 - в режиме повышенной нагрузки

Полученные показатели качества регулирования были сведены в таблицу и сравнены (Таблица 5.4.)

Таблица 5.4. Сравнение показателей качества регулирования при изменении режима нагрузки для нечеткой АСР

Показатель качества регулирования	Возмущение заданием	Внутреннее возмущение
	нагрузка 80%	нагрузка 100%	нагрузка 120%	нагрузка 80%	нагрузка 100%	нагрузка 120%
Статическая ошибка, оС	0.05	0.04	0	0.11	0.07	0.1
Динамическая ошибка, оС	1.01	0.45	0.93	5.67	5.23	5.09
Степень затухания	0.8	0.91	0.93	0.98	0.97	0.99
Время регулирования, с.	38.14	36.56	33.22	24.55	23.81	23.74
Время полувыбега, с.	43.25	43.43	44.29	13.09	12.75	12.92

Результаты и выводы

В ходе выполнения данной главы было проведено сравнение переходных процессов и показателей качества регулирования всех синтезированных АСР при номинальном режиме, режиме пониженной и повышенной нагрузки. В результате сравнения было выявлено, в режиме пониженной нагрузки при возмущении заданием двухконтурная АСР с дифференциатором существенно теряет в качестве регулирования, также при внутреннем возмущении появляется статическая ошибка. В каскадной АСР при возмущении задании в режиме пониженной нагрузки возникает большая динамическая ошибка по сравнению с нечеткой АСР. На регулирование всеми АСР при внутреннем возмущении изменение режима нагрузки не оказывает особого влияния.

Заключение

Целью данной бакалаврской работы является разработка АСУТП парового котла ТЭЦ. Для достижения данной цели были выполнены следующие задачи:

1. Была сформирована концепция на разрабатываемую АСУТП, сформулирована технологическая задача регулирования температуры перегретого пара, основные требования к разрабатываемой АСУТП, составлено техническое задание на систему теплового контроля, автоматическое регулирование и сигнализацию. Была разработана P&ID-диаграмма регулирования температуры перегретого пара, сквозная информационно-функциональная структура и заказная спецификация на приборы контроля и измерения.

2. На основе исходных данных по паровому котлу БКЗ 210-140 была разработана математическая модель конвективного пароперегревателя. Затем на основе полученных систем математических уравнений была построена имитационная модель конвективного пароперегревателя.

3. Был выполнен синтез идеальных и реальных двухконтурной АСР с дифференциатором и каскадной АСР. Было проведено сравнение переходных процессов синтезированных АСР и их показателей качества регулирования. В результате сравнения выяснили, что в нашем случае каскадная АСР несколько лучше отрабатывает внутреннее возмущение, но двухконтурная АСР с дифференциатором намного лучше отрабатывает возмущение заданием почти по всем показателям качества, но имеет немного большую статическую ошибку регулирования. Следовательно, двухконтурная АСР с дифференциатором, реализованная на Ярославской ТЭЦ 2 лучше подходит для регулирования температуры перегретого пара.

4. В ходе анализа переходных процессов и показателей качества регулирования двухконтурной АСР с дифференциатором, каскадной АСР и нечеткой АСР было выявлено, было выявлено, что небольшие возмущения заданием нечеткая АСР отрабатывает немного хуже чем классические, средние возмущения заданием он отрабатывает лучше чем каскадная АСР и хуже чем двухконтурная АСР с дифференциатором, большие возмущения она отрабатывает немного хуже каскадной, которая в свою очередь уступает двухконтурной АСР с дифференциатором. Небольшие внутренние возмущения нечеткая АСР отрабатывает так же как и двухконтурная АСР с дифференциатором, средние и большие внутренние возмущения она отрабатывает хуже чем классические АСР. В целом можно сказать, что синтезированный в данной работе нечеткий регулятор показал достаточно качественное регулирование, хотя он и уступает классическим регуляторам. Но стоит учесть, что путем расширения базы правил, увеличения количества функций принадлежности по каждой из лингвистических переменных и изменения можно добиться изменения качества регулирования. Так же существует возможность изменения качества регулирования путем изменения форм функции принадлежности, но в этом случае необходимо руководствоваться мнением эксперта в данной области

5. Было проведено сравнение переходных процессов и показателей качества регулирования всех синтезированных АСР при номинальном режиме, режиме пониженной и повышенной нагрузки. В результате сравнения было выявлено, в режиме пониженной нагрузки при возмущении заданием двухконтурная АСР с дифференциатором существенно теряет в качестве регулирования, также при внутреннем возмущении появляется статическая ошибка. В каскадной АСР при возмущении задании в режиме пониженной нагрузки возникает большая динамическая ошибка по сравнению с нечеткой АСР. На регулирование всеми АСР при внутреннем возмущении изменение режима нагрузки не оказывает особого влияния.

Список литературы

1. Теория и технология систем управления. Многофункциональные АСУТП тепловых электростанций. В 3-х кн. Кн. 1. Проблемы и задачи/ Под общей ред. д-ра техн. наук, проф. Ю.С.Тверского; ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И.Ленина». - Иваново, 2013. - 260 с.

2. Теория и технология систем управления. Многофункциональные АСУТП тепловых электростанций. В 3-х кн. Кн. 2. Проектирование/ Под общей ред. д-ра техн. наук, проф. Ю.С.Тверского; ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И.Ленина». - Иваново, 2013. - 436 с.

3. Теория и технология систем управления. Многофункциональные АСУТП тепловых электростанций. В 3-х кн. Кн. 3. Моделирование/ Под общей ред. д-ра техн. наук, проф. Ю.С.Тверского; ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И.Ленина». - Иваново, 2013. - 176 с.

6. Тверской Ю.С. Локальные системы управления: Учеб.-метод. пособие ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина». - Иваново, 2011. - 128 с.

4. Плетнев Г.П. Автоматизация технологических процессов и производств в теплоэнергетике: учебник для вузов / Г.П.Плетнев. 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Издательство МЭИ, 2005. - 352 с., ил.

5. Плетнев Г.П. Автоматизированное управление объектами тепловых электростанций. М.: Энергоиздат, 1981. - 368с.

6. Практикум по идентификации, параметрической автоматизации и имитационному моделированию систем автоматического управления: Учеб. Пособие / С.А. Таламанов, Ю.С. Тверской; Иван.гос.энерг.ун-т.-Иваново, 2000г. - 96 с.

7. РД 153-34.1-35.144-2002 «Рекомендации по применению современной универсальной системы кодирования оборудования и АСУТП ТЭС». СО 34.35.144-2002. - ЦСИ, 2005.

8. Ротач В.Я. Теория автоматического управления теплоэнергетическими процессами: Учебник для вузов. - М.: Энергоатомиздат, 2004. - 296 с.

9. Стефани Е. П. Основы расчета настройки регуляторов теплоэнергетических процессов. - М.: Энергия, 1972. - 376 с.

10. Таламанов С. А., Никоноров А. Н. Практикум по теории автоматического управления. Часть 1. Анализ динамических систем: учебно-метод. пособие, ГОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В. И. Ленина».-Иваново, 2007-60 с.

11. Таламанов С. А., Тверской Ю. С. Практикум по идентификации, параметрической оптимизации и имитационному моделированию систем автоматического управления: Учеб. пособие / Иван. гос. энерг. ун-т. - Иваново, 2000. - 96 с.

12. Таламанов С.А. Теория автоматического управления: Учебно-методическое пособие по выполнению курсовой работы / ГОУ ВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И.Ленина». - Иваново, 2009. - 44 с.

7. Управление и информатика в технических системах. Квалификационная работа дипломированного специалиста: Учебное пособие / Под ред. Ю.С.Тверского; ГОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет им. В. И. Ленина», каф. систем управления. - Иваново, 2008. - 148с.

8. Целищев Е.С. Автоматизированное проектирование обеспечения систем контроля и управления в среде AutomatiCS: учебное пособие / Е. С. Целищев, А. В. Глязнецова, И. С. Кудряшов; ФГБОУВПО "Ивановский государственный энергетический университет им. В. И. Ленина"; под ред. Ю. С. Тверского.- Изд. 2-е, доп.- Иваново, 2009. - 188с.

13. Леоненков А. В. Нечеткое моделирование в среде MATLAB и fuzzy TECH., , Санкт-Петербург, «БХВ-Петербург», 2005г. - 736с.

9. Бураков М. В. Нечеткие регуляторы: Учебное пособие ГОУВПО «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения».- Санкт-Петербург, 2010. - 56с.

10. Гостев В. И. Нечткие регуляторы в системах автоматического управления. - Киев., «Радiоматор», 2008. - 972с.

11. Панько М.А., Аракелян Э.К. Особенности нечетких алгоритмов регулирования в сравнении с классическими. - 2001. - № 10. - 42 с.

12. Деменков Н.П. Нечеткое управление в технических системах: учеб. пособие. - М.: изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005. - 20с.

13. Заде Л.А. Понятие лингвистической переменной и его применение к принятию приближенных решений -М. :Мир, 1976. - 165с.

14. Кудинов Ю.И. Нечеткие системы управления. Изв. АН СССР. Техническая кибернетика. 1990. С. 196-206.

15. Агафонова Н.А. Математические основы частотных методов теории и практики автоматического управления: учебное пособие / Агафонова Н. А., Тверской Ю. С.; ФГБОУВПО "Ивановский государственный энергетический университет им. В. И. Ленина"; под ред. Ю. С. Тверского. - Иваново, 2006. - 284 с.

16. Новиков С.И. «Оптимизация автоматических систем регулирования теплоэнергетического оборудования. Часть 1. Методы определения оптимальных параметров настройки регулирующих устройств». Учебное пособие. Новосибирск: НГТУ, 2006. - 108 с.

17. Перечень уставок технологических защит, сигнализации, АВР и уставок на манометрах котельного цеха, паровой котел ст.№4, 5, 6 ТЭЦ-2 ГУ ОАО «ТГК-2», Ярославль - 8с.

18. Инструкция для парового котла БКЗ-210-140 (Е-210-13,8-560) ст. № 4,5,6 ТЭЦ-2 ГУ ОАО «ТГК-2». - 58 с.

Размещено на Allbest.ru

...