авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:     | 1 || 3 |

Автоматическое управление технологическим процессом индукционного нагрева нефти в установках трубопроводного транспорта

-- [ Страница 2 ] --

Температурные распределения стенки и потока могут быть найдены по формуле (5) при подстановке выражений (6)-(10).

Попытка получить передаточные функции, описывающие зависимость температурных распределений потока и стенки от входной температуры потока и мощности нагрева привела к необходимости решения интегрального уравнения Фредгольма 2-го рода, аналитическое решение которого отсутствует. Для поиска приближённой передаточной функции замкнутой распределённой системы в диссертации использован подход, основывающийся на пространственной аппроксимации распределённых сигналов в ряд по собственным функциям температурного распределения стенки трубы.

При этом функция аппроксимации распределённого сигнала, описывающего температурное распределение, будет иметь вид:

, (13)

где N – количество учитываемых членов ряда.

Температурное распределение стенки нагревателя, с учётом аппроксимации температурного влияния потока нефти (13) примет вид:

. (14)

Аналогично, выражение для вычисления температурного распределения потока нефти , с учётом аппроксимации распределённого сигнала для стенки примет вид:

. (15)

В выражениях (14), (15) верхние индексы st и fl коэффициентов разложения распределённых сигналов an используются для обозначения коэффициентов функций аппроксимации температурных распределений стенки и потока соответственно.

На основе выражений (14), (15) модель индукционного нагревателя можно представить в виде структурной схемы (рис. 2). В соответствии с выражением (14) блок, описывающий вычисление температурного поля стенки, будет иметь два векторных входа. Один из них – вектор величин управляющих воздействий, . Второй вектор определяет влияние температурного поля потока на температурное поле стенки. Аналогично, блок, описывающий вычисление температурного поля потока будет иметь один скалярный вход , задающий температуру потока на входе нагревателя и один векторный вход , описывающий влияние температурного поля стенки на поле потока.

Рисунок 2 – Структурная схема процесса теплообмена
между стенкой ИН и потоком нефти

Оценка температурных полей стенки и потока осуществляется в нескольких фиксированных точках области определения распределённых сигналов , . Поэтому с помощью выражений для распределённых сигналов , (14), (15) получены передаточные функции, описывающие поведение температуры в конкретных точках стенки и потока: , . , M – количество точек измерения температуры потока и стенки.



Расчёт коэффициентов аппроксимации распределённого сигнала по измерениям в фиксированных точках xm области определения осуществляется блоком вычисления коэффициентов аппроксимации (рис. 2, БВКА) по методу наименьших квадратов :

.

Здесь , , – матрица, составленная из собственных функций температурного поля стенки, ,  –вектор измеренных значений аппроксимируемого распределённого сигнала, .

На рис. 2 символами , обозначены векторы настраиваемых параметров ИН (скорость потока, длина теплообменника, коэффициент теплопередачи и т.д.).

В третьей главе рассмотрены вопросы реализации математических моделей ОРП в пакете научных расчётов Matlab® и подсистемы численного моделирования динамических систем Simulink®.

Общая методика моделирования в Simulink систем с распределёнными параметрами на базе численно-аналитического представления, состоит из следующих последовательных действий:

  1. Реализация общей структуры модели в Simulink. Структура модели «набирается» из специальных блоков в окне визуального программирования; задаются имена конфигурационных переменных, которые описывают динамику каждого блока; определяются связи блоков.
  2. Расчёт параметров передаточных функций. На языке Matlab реализуется процедура расчета в зависимости от физических и геометрических характеристик объекта. В качестве входного параметра процедуры расчёта выступает координата точки, для которой рассчитывается передаточная функция.
  3. Формирование списка конфигурационных переменных. На языке Matlab разрабатывается специальный исполняемый файл (script), в котором последовательно вызывается процедура расчета передаточных функций с различными значениями входных параметров. В результате запуска файла, в рабочем пространстве Matlab (Workspace) создаются конфигурационные переменные, определяющие поведение соответствующих блоков Simulink-модели.

Из выражения для расчёта температурного распределения стенки нагревателя (14) можно выделить отдельные передаточные функции по двум векторным каналам воздействия «вход-выход», учитывающие влияние вектора управляющих воздействий и влияние температурного поля потока на стенку:  – ; :

;

.

Тогда выражение для примет вид:

. (16)

Расчёт значения температуры стенки в точке xm можно представить в виде Simulink-блока со структурной схемой, показанной на рис. 3. Настраиваемыми параметрами блока являются: длина трубы – L; приведённый коэффициент конвективного теплообмена – st; коэффициент температуропроводности – aст; координата точки, в которой измеряется температура – xm.

Отдельные передаточные функции для блока «поток» по каналам  – ; ; соответственно имеют вид:

;

;

.

Тогда выражение для примет вид:

. (17)

Настраиваемыми параметрами этого блока (рис. 4) являются: длина трубы – L; скорость потока – v; приведённый коэффициент конвективного теплообмена – fl; координата точки, в которой меряется температура xm.

Численно-аналитическая модель, представленная на рис.

2, была реализована в пакете Matlab Simulink. Длина нагревателя 1 метр. Характеристики материала стенки нагревателя (сталь): Вт/(м·°С);  Дж/(кг·°С);  кг/м3. Приведённые коэффициенты конвективного теплообмена между средами приняты  1/с. Скорость потока –  м/с, температура на входе °С. Удельная мощность тепловыдедения – Вт/м3. Векторы измерений соответствующих температурных распределений , , , , формируются в точках

, , при .

Точность разработанной модели оценивалась в сравнении с численной моделью системы (1)–(2) в компьютерном пакете конечно-элементного моделирования с теми же параметрами. Графики изменения температуры стенки в трёх точках (, , ) представлены на рис. 5. Маркерами показаны значения температур, рассчитанные в пакете конечно-элементного моделирования.

1 – температура в точке ; 2 – температура в точке ;

3 – температура в точке .

Рисунок 5 – Температура стенки ИН в трех точках

Максимальное значение относительного отклонения численно-аналити­чес­кой модели от конечно-элементной модели составляет 2,11%. Максимальное отклонение наблюдается в начале теплообменника, в точке , в двух других точках отклонение не превышает 0,65%. Такая точность вполне приемлема при разработке моделей, проблемно ориентированных на задачи построения систем автоматического управления.

В четвертой главе определяется оптимальная конструкция многосекционного индукционного нагревателя.

По конечно-элементной двумерной модели процесса нагрева потока жидкости с переменной по сечению скоростью (рис.6) получено температурное распределение по сечению потока на выходе нагревателя (рис. 7), которое использовалось для расчёта средней температуры потока с учётом эпюры скоростей. Исходя из уравнения теплового баланса процесса нагрева потока, рассчитаны коэффициенты конвективного теплообмена st, fl.

Согласно технологическим требованиям нефть должна быть нагрета с 30 °С до 80 °С. Тогда необходимая длина ИН определяется из уравнения теплового баланса для температурного распределения потока при постоянной температуре стенки и составляет 5,47 м. С учётом конструкционных ограничений общая длина нагревателя составит 6,36 м (рис. 8). Такое увеличение длины позволит создать необходимый запас по диапазону регулирования мощности нагрева. В свою очередь, это необходимо для эффективной отработки возмущений изменением температуры нефти на входе или изменением скорости потока.

  Схема рабочей части-114

Рисунок 6 – Схема рабочей части нагревателя с эпюрой скоростей

  Кривая распределения-115

Рисунок 7 – Кривая распределения температуры на выходе по сечению

теплообменника при Tнагр = 120 °С

Предельная длина секции индуктора составляет Lc=1 м (рис. 8), что связано с особенностями технологии изготовления индукторов подобного типа. Минимальный технологический зазор между секциями составляет 6 см. В середину каждого интервала устанавливается датчик температуры, так же датчики температуры устанавливаются перед первой и за последней секциями на расстоянии 3 см.

1 – Нефтепродукт; 2 – Труба; 3 – Индуктор; 4 – Вытеснитель

Рисунок 8 – Эскиз многосекционного индукционного нагревателя

При такой конфигурации средняя температура потока нефти на выходе из нагревателя не превышает 90 °С, что обеспечивает выполнение технологии перекачки нефти в трубопроводном транспорте.

Пятая глава посвящена синтезу системы модального управления температурным распределением стенки многосекционного индукционного нагревателя потока нефти.





При отсутствии ограничений на формирование распределённого управляющего воздействия модальный регулятор обеспечивает независимое управление каждой модой температурного распределения стенки, которое может быть представлено разложением по собственным функциям в бесконечный сходящийся ряд:

. (18)

Имеющиеся ограничения (11) на формирование распределённого управления потребовали проведения дополнительного анализа связности каналов управления. Проведённый анализ показал, что для нагревателя, состоящего из шести одинаковых секций нагрева (рис. 8), ограничения на формирование распределённого управляющего сигнала позволяют осуществлять независимое управление первыми шестью модами. Седьмая мода является неуправляемой. Попытка учесть при синтезе системы модального управления моды с номерами восемь и более приводит к появлению взаимных связей между контурами управления. Поэтому для реализации управления в системе были учтены первые шесть мод разложения в ряд (18).

На рис. 9 приведена структура системы модального управления температурным полем стенки совместно с численно-аналитической моделью нагревателя нефти (рис. 2). Температурное распределение с выхода объекта управления (стенка нагревателя) поступает на вход передаточной функции, формирующей температурное распределение потока, которое, в свою очередь, выступает в качестве возмущающего воздействия, поступающего на вход передаточной функции стенки.

  Структурная схема системы-118

Рисунок 9 – Структурная схема системы модального управления с учётом распределённого возмущения

При синтезе модального регулятора учтён способ формирования управляющих воздействий – вектора сосредоточенных сигналов . Значения управляющих сигналов для каждой секции рассчитываются как среднеинтегральное значение распределённого управления на участке воздействия jтой секции (блок «Расчёт Q», рис. 9):

, . (19)

Для выделения временных мод распределённого сигнала ошибки, сигнал рассогласования между желаемым температурным распределением и фактическим поступает на вход модального анализатора (МА):

, . (20)

Моды сигнала ошибки подаются на входы (R+1) – одномерных ПИ-регуляторов, настроенных на технический оптимум. На выходах регуляторов формируются управляющие воздействия , для выбранного числа (R+1) управляющих мод объекта.

При построении системы модального управления (рис. 9) на практике обратная связь по распределённому сигналу является нереализуемой, поскольку невозможно полное измерение состояния распределённого объекта управления. Сигнал ошибки вычисляется с использованием обратных связей по температуре в различных точках по длине стенки. С учётом конструкционных особенностей установки нагрева нефти, датчики температуры стенки нагревателя размещены между секциями нагревателя, а так же перед первой и за последней секциями. Тогда временные моды сигнала ошибки могут быть получены из решения системы:

, , (21)

где – координата точки, в которой производится контроль температурного поля стенки.

Система (21) может быть решена методом наименьших квадратов.

Исследование разработанной системы модального управления температурным распределением стенки по длине индукционного нагревателя (рис. 9) проводилось в программном пакете научных расчётов Matlab с использованием подсистемы моделирования динамических систем Simulink.

При исследовании системы модального управления желаемая температура стенки трубы была установлена на уровне 120 °С, так чтобы температура потока нефти не превышала 90 °С, что обусловлено технологией перекачки высоковязких нефтей. В численно-аналитических моделях для стенки и потока использовались теплофизические параметры для стали и нефти.

В процессе исследования системы модального управления входная температура потока была скачкообразно изменена с 20 до 30 °С.

Графики изменения компонентов вектора управляющих воздействий представлены на рис. 10. Возмущение нанесено в момент времени 100 секунд. Порядковые номера кривых (рис. 10) соответствуют номерам секций ИН (рис. 8). Резкие изменения поведения графиков функций на рис. 10 обусловлены моментами достижения потоком очередного датчика температуры.

На рисунке 11 представлены температурные кривые потока, после скачкообразного изменения входной температуры потока в момент времени 100 секунд. Порядковые номера графиков соответствуют точкам, в которых происходил замер температуры. Анализ этих графиков показал, что отклонения температуры от установленного значения (120 °С) обусловлено учётом конечного числа мод при синтезе модального регулятора и остаётся в пределах ±1 градус, что отвечает техническим требованиям.

Рисунок 10 – Графики управляющих воздействий по шести секциям ИН

Рисунок 11 – Температурное распределение стенки в семи точках

по длине стенки

В диссертационной работе даны рекомендации по технической реализации системы модального управления температурным полем стенки многосекционного индукционного нагревателя.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработана проблемно-ориентированная на задачи управления математическая модель процесса теплообмена в установках косвенного индукционного нагрева потока нефти при трубопроводном транспорте, учитывающие пространственное распределение температурных полей стенки и потока по длине нагревателя.

2. Предложен подход к построению численно-аналитических моделей нагревательных установок, базирующийся на пространственной аппроксимации распределённых сигналов. С помощью подхода разработана и реализована модель исследуемой системы с распределёнными параметрами в компьютерном пакете моделирования динамических сосредоточенных систем.

3. На базе конечно-элементной модели установки нагрева потока, предложена инженерная методика идентификации параметров процесса теплообмена. Предложена методика расчёта конструктивных параметров установки нагрева.

4. Выполнен синтез системы модального управления температурным полем стенки нагревателя потока нефти с учётом ограничений на пространственную конфигурацию распределённого управляющего воздействия.



Pages:     | 1 || 3 |
 

Похожие работы:










 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.