АННОТАЦИЯ 2
ВВЕДЕНИЕ 5
1 ГАЗОТУРБИННЫЕ УСТАНОВКИ: УСТРОЙСТВО, ВИДЫ, ПРИНЦИП
РАБОТЫ, ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ 7
2 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ОБЪЕКТА УПРАВЛЕНИЯ 13
3 ИМИТАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ 21
4 ОБЗОР АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ 23
4.1 Патент Elliott Energy Systems Inc. Шифр: F01D15/10; F02C9/28;
F01D15/00 23
4.2 Патент Elliott Energy Systems Inc. Шифр: F02C9/28; F02C9/32;
F02C9/00 26
4.3 Патент Elliott Energy Systems Inc. Шифр: F01D17/20; 01D19/00;
F02C7/224 29
4.4 Патент Capstone Turbine Corp (US). Шифр: H02P 9/00 32
5 СИНТЕЗ ЗАКОНОВ УПРАВЛЕНИЯ 39
5.1 Синтез ПИД-регулятора 39
5.2 Синтез нелинейного регулятора 43
5.3 Синтез нечеткого регулятора 49
5.4 Синтез нечеткого ПИД-регулятора 54
6 ОЦЕНКА КАЧЕСТВА ЗАКОНОВ УПРАВЛЕНИЯ 62
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 78
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 80
В настоящее время жизненно важную роль в развитии техники и технологий играет электрическая энергия. Он является основой любой экономики и играет ключевую роль в социально-экономическом развитии страны. В результате технического прогресса и растущего населения мира потребность в энергии значительно возросла [1].
Поскольку спрос на энергию растет во всем мире, производственные единицы обязаны удовлетворять спрос, производя энергию из различных источников. Использование новых и существующих средств производства энергии вызывает постоянный интерес к анализу эффективности оборудования как нового, так и существующего.
Газотурбинные утсановки (ГТУ) используются в основном в самолетах, кораблях, поездах и генераторах электрической энергии. В последующие 20 лет они будет играть одну из ведущих ролей в производстве электроэнергии, поскольку он является более выгодным с точки зрения как производительности, так и экологичности, по сравнению с остальными типами двигателей внутреннего сгорания.
В настоящее время в рамках договора № 02.G25.31.0078 от 23.05.2013 г. «Создание производства модельного ряда микротурбинных энергоустановок нового поколения» по договору между Министерством образования и науки Российской Федерации и ОАО «СКБ «Турбина» в кооперации с головным исполнителем НИОКТР - ФГАОУ ВО «ЮУрГУ (НИУ)» ведутся работы по созданию МГТУ нового поколения [2]. Одной из поставленных задач в рамках этих работ является создание алгоритмического обеспечения управления управления газотурбинными установками (ГТУ).
Для осуществления поставленной задачи целесообразно применение модели реального времени с использованием имитационного стенда МГТУ, структурная схема которого представлена в документе 15.04.04.2019.227.01 С1. Для имитации сигналов датчиков и исполнительных устройств и организации взаимодействия имитационной модели и оборудования при проектировании СУ МГТУ применяется технология OPC (OLE for Process Control). Макет включает в себя на аппаратном уровне персональный компьютер (ПК), программируемый логический контроллер (ПЛК). Для визуализации термодинамических и электрических процессов в МГТУ использована конфигурация программного обеспечения, указанная на схеме. Блок Real-Time Windows Target обеспечивает симуляцию работы модели в реальном времени, а также взаимодействие модели с внешними устройствами непосредственно на ПК под управлением операционной системы Windows. Для проведения испытаний разработан человеко-машинный интерфейс на базе программный пакет для проектирования систем диспетчерского управления и сбора данных MasterSCADA. Связь между компонентами стенда (SCADA-системой, ПЛК и имитационной моделью) осуществляется через соответствующий OPC-сервер [2].
Газотурбинные установки характеризуются высокой температурой газовоздушной смеси, более высокими скоростями вращения вала и высоким давлением, а также нестационарными процессами в различных рабочих точках. Как объект управления (ОУ) ГТУ характеризуется несколькими режимами работы: пуск, останов, разгон, торможение, синхронизация генератора, генерация электроэнергии с переменной нагрузкой, управление скоростью вращения вала, управление активной и реактивной электрической мощностью, управление температурой газа на выходе турбины. Разработка системы управления скоростью вращения вала была предметом исследований на протяжении многих лет. Регулирование скорости достигается путем управления подачей топлива в камеру сгорания.
В ходе выпускной квалификационной работы был осуществлен обзор существующих видов газотурбинных установок, были освещены их принципы работы и области применения.
В список задач ВКР входит синтез различных законов управления. В качестве объекта управления выступает ГТУ Garrett, математическая модель которой описана в работе «Model Predictive Control of a Gas Turbine Installation» Б. Вроемена.
Для управления таким сложным нелинейным объектом были синтезированы регуляторы: ПИД, нелинейный (на базе двухпозиционного реле), нечеткий, линейный нечеткий ПИД и нелинейный нечеткий ПИД. Для адекватной оценки качества полученных регуляторов проведена серия экспериментов на модели с различными изменениями уставки: с 1150 до 1250 об/с; с 1250 до 1500 об/с; с 1500 до 1000 об/с; с 1000 до 900 об/с. Данные ступенчатые изменения уставки имитируют разгон и торможение двигателя вблизи рабочей точки в 1150 об/с и не только. Качество регулирования оценивается по двум параметрам: перерегулированию и времени переходного процесса. Результаты моделирования представлены в таблицах 8, 9.
ПИД-регулятор обеспечивает малое быстродействие по сравнению с остальными регуляторами. Наилучшие значения перерегулирования показывает нелинейный регулятор, однако его временные характеристики при малых изменениях уставки существенно отличаются от семейства нечетких регуляторов. Нечеткие регуляторы, в свою очередь, показывают неудовлетворительные значения перерегулирования при малых изменениях уставки. Из семейства нечетких регуляторов нелинейный нечеткий ПИД-регулятор обеспечивает лучшее качество переходного процесса.
Из предложенных регуляторов наиболее подходящим для системы является нелинейный регулятор. Однако, учитывая хорошие показатели переходных процессов системы с нелинейным нечетким ПИД-регулятором при больших изменениях уставки, стоит предположить возможность улучшения показателей и для малых изменений уставки посредством адаптации коэффициентов GU, GE, GIE, GCE под соответствующий режим. Такой регулятор будет относиться к классу самоорганизующихся регуляторов.
Таким образом, в ходе выпускной квалификационной работы был проведен анализ качества регулирования системы с различными регуляторами, поставленные задачи решены, цель работы достигнута.
