Сетевое издание
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ ВЕНТИЛЯТОРОВ УСТАНОВОК ОХЛАЖДЕНИЯ ГАЗА С ПРИМЕНЕНИЕМ НЕЧЕТКОЙ ЛОГИКИ

Артюхов И.И. 1 Тарисов Р.Ш. 2
1 Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.
2 ООО «Газпром трансгаз Югорск»
В настоящее время на объектах магистрального транспорта газа происходит интенсивное внедрение частотно-регулируемого электропривода в системах воздушного охлаждения, в частности, для стабилизации температуры газа после компримирования. Опыт создания и эксплуатации таких систем показал необходимость применения современных подходов к построению регуляторов для получения требуемого качества переходных процессов. Жесткий выбор коэффициентов ПИ-регулятора не может обеспечить требуемое качество регулирования в реальных условиях эксплуатации системы, в широком диапазоне изменений климатических условий и режима транспорта газа. В настоящей статье рассмотрена система управления частотно-регулируемым электроприводом вентиляторов установки охлаждения газа с применением нечеткой логики, представлены результаты численных экспериментов, дающие сравнительный анализ качества переходных процессов в системах управления с применением классического ПИ-регулятора и с использованием нечеткой логики.
Установка охлаждения газа
система управления
ПИ-регулятор
нечеткая логика
1. Аршакян И. И., Тримбач А. А., Артюхов И. И. Опыт создания и эксплуатации системы стабилизации температуры газа с частотно-регулируемым электроприводом вентиляторов аппаратов воздушного охлаждения // Проблемы электроэнергетики: сб. науч.тр. - Саратов: СГТУ, 2008. - С.45 - 54.
2. Динамика системы стабилизации температуры с частотно-регулируемым электроприводом вентиляторов аппаратов воздушного охлаждения / И. И. Артюхов, И. И. Аршакян, Р. Ш. Тарисов и др. // Проблемы электроэнергетики: сб. науч.тр. - Саратов: СГТУ, 2010. - С. 145 - 150.
3. Иващенко Н. Н. Автоматическое регулирование. Теория и элементы систем. - М.: Машиностроение, 1978. - 736 с.
4. Нечеткий регулятор в системе стабилизации температуры газа / И. И. Артюхов, Н. П. Митяшин, Р. Ш. Тарисов и др. // Инновационные технологии в обучении и производстве: материалы VII Всерос. научно-практ. конф. (Камышин, 22 - 23 декабря 2010 г.). - Волгоград: ИУНЛ ВолгГТУ, 2011. - Т.1. - С. 108 - 111.
5. Устойчивость системы стабилизации температуры газа с частотно-регулируемым электроприводом вентиляторов / И. И. Артюхов, И. И. Аршакян, Р. Ш. Тарисов и др. // Проблемы электроэнергетики: сб. науч. тр. - Саратов: СГТУ, 2009. - С. 141 - 148.
В настоящее время на объектах магистрального транспорта газа происходит интенсивное внедрение частотно-регулируемого электропривода в системах воздушного охлаждения, в частности, для стабилизации температуры газа после компримирования [1]. Опыт создания и эксплуатации таких систем показал необходимость применения современных подходов к построению регуляторов для получения требуемого качества переходных процессов. Так, в [2, 5] показано, что жесткий выбор коэффициентов ПИ-регулятора не может обеспечить требуемое качество регулирования в реальных условиях эксплуатации системы, в широком диапазоне изменений климатических условий и режима транспорта газа.  

Функциональная схема системы стабилизации температуры газа с частотно-регулируемым электроприводом вентиляторов аппаратов воздушного охлаждения (АВО) газа представлена на рис.1.

Рис. 1. Функциональная схема системы стабилизации температуры газа с частотно-регулируемым электроприводом вентиляторов

Сигнал с датчика температуры газа сравнивается с сигналом задатчика. Полученная разность сигналов  подается на вход регулятора, который с помощью сигнала  задает частоту f и напряжение U на выходе преобразователей частоты. Если в силу каких-либо причин температура газа на выходе АВО газа отличается от заданного значения, то регулятор так изменяет частоту f и напряжение U, чтобы за счет изменения частоты вращения ω и соответствующего изменения расхода воздуха GB, создаваемого вентиляторами, температура газа  стремилась к заданному значению. Возмущающими воздействиями в системе стабилизации температуры газа являются массовый расход газа , его температура  на входе АВО, температура  охлаждающего воздуха.

В [2] предложено двигатели, вентиляторы и теплообменные секции, образующие конструктив АВО газа, рассматривать как одно динамическое звено с передаточной функцией . На основании  экспериментальных данных эта передаточная функция может быть идентифицирована инерционным звеном первого порядка

,

где  ,  - соответственно коэффициент передачи и постоянная времени АВО.

В [5] показано, что значение   зависит от значений параметров: массовый расход газа , его температура  на входе АВО, температура  охлаждающего воздуха.

В [4] рассмотрена одна из методик синтеза адаптивного регулятора на основе метода нечеткого управления Мамдани. В настоящей работе показаны результаты моделирования системы управления частотно-регулируемым электроприводом вентиляторов установки охлаждения газа с применением нечеткой логики. Структурная схема системы приведена на рис. 2.

 

Рис. 2. Структурная схема системы управления частотно-регулируемым электроприводом вентиляторов установки охлаждения газа

 

Сигналы θв, Tгвх, Gг, с блока датчиков измерения возмущающих воздействий поступают на вход блока фаззификации. Для полученных значений  параметров находятся степени предпосылок каждого правила

  ; ,

где , ,  - степени истинности предпосылок; , ,  - функции принадлежности соответствующих переменных.

Полученные степени предпосылок передаются в блок нечеткого вывода с базой правил, в котором по каждому из правил находятся «усеченные» функции принадлежности переменных выхода (с применением операции логического минимума):

 

Далее в этом же блоке осуществляется этап композиция: с использованием операции МАКСИМУМ производится объединение усеченных функций, что приводит к получению итогового нечеткого подмножества для переменных вывода с функцией принадлежности

;

.

Полученные функции принадлежностей передаются в блок дефаззификации, в котором производится приведение к четкости выходных переменных. Приведение производится центроидным методом: четкое значение выходной переменной определяется как центр тяжести полученных ранее функций принадлежностей, т.е

,  ,

где ,  - области определений  и  соответственно.

Полученные выходные данные ,  далее поступают на вход ПИ-регулятора.

С целью определения нечеткой модели объекта проведены исследования для диапазонов изменения параметров  (от 8ºС до 20ºС) и (от 25 ºС до 35 ºС) при постоянном массовом расходе газа, в результате чего получена зависимость  от возмущающих воздействий.

Полученные результаты положены в основу настройки (базы правил) нечеткого вывода с входными лингвистическими переменными «Температура газа » и «Температура воздуха » и выходной переменной «коэффициент ». Поверхность нечеткого вывода, полученная в среде MATLAB+ Simulink, показана на рис.3.

Рис. 3. Поверхность нечеткого вывода

Проведен численный эксперимент, целью которого было получение сравнительных характеристик качества регулирования в системе стабилизации температуры газа с частотно-регулируемым электроприводом вентиляторов с применение классического ПИ-регулятора и гибридного ПИ-регулятора с нечеткой логикой. Модель в среде MATLAB+Simulink,  используемая в эксперименте, показана на рис. 4.

Рис. 4. Виртуальная модель для сравнительного расчета качества переходных процессов в системе стабилизации температуры газа

Настройки классического ПИ-регулятора произведены при средних значениях температуры газа  на входе АВО и температуры  охлаждающего воздуха.

В качестве основных критериев оценки качества переходных процессов были выбраны: время переходного процесса, перерегулирование и улучшенный интегральный критерий. Выбор улучшенного интегрального критерия обоснован тем, что при помощи него можно оценить качество переходного процесса не только по быстродействию системы, но и по отсутствию колебательности и перерегулирования в системе [3]. Качество переходного процесса будет выше в той системе, в которой значение интегрального критерия меньше.

Требования,  выставляемые к качеству переходных процессов: перерегулирование не должно превышать 10 % от задания; максимальное время переходного процесса 200 с.

Графические результаты проведенного эксперимента приведены на рис.5.

(1) - при =14ºС и =30ºС. (2) - при =20ºС и =35ºС. (3) - при =8ºС и =25ºС.

Рис.5. Реакция системы на единичный ступенчатый сигнал

Значения интегрального критерия для системы с классическим ПИ-регулятором составили: при =14ºС и =30ºС - 40.35, при =20ºС и =35ºС - 131.8, при =8ºС и =25ºС - 43.28; для системы с гибридным ПИ-регулятором: 41.65, 40.5, 41.73 соответственно.

Проанализировав полученные результаты, можно сделать следующие выводы:

  1. Классический ПИ-регулятор с фиксированной настройкой на усредненные значение дал удовлетворительные результаты только в некоторой области изменения возмущающих воздействий, при которых регулятор был настроен (сплошная красная линия - 1).
  2. При крайних значениях либо время регулирования значительно превышает заданные (пунктирная синяя линия - 2), либо перерегулирование превышает требуемые 10 % (штрихпунктирная линия - 3). Менее качественный переходный процесс, в сравнении с системой использующий гибридный регулятор, подтверждается также значением интегрального критерия.
  3. Гибридный ПИ-регулятор с нечеткой логикой дает удовлетворительное качество регулирования на всем диапазоне изменений возмущающих факторов. Уменьшение интегрального критерия, с целью получения более качественных переходных процессов в системе, может быть достигнуто за счет дополнительной подстройки функций принадлежностей нечеткой модели.

Рецензенты:

  • Митяшин Никита Петрович, д.т.н., профессор кафедры «Системотехника» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю. А., г. Саратов.
  • Архангельский Юрий Сергеевич, д.т.н., профессор кафедры «Автоматизированные электротехнологические установки и системы» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю. А., г. Саратов.

Библиографическая ссылка

Артюхов И.И., Тарисов Р.Ш. СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ ВЕНТИЛЯТОРОВ УСТАНОВОК ОХЛАЖДЕНИЯ ГАЗА С ПРИМЕНЕНИЕМ НЕЧЕТКОЙ ЛОГИКИ // Современные проблемы науки и образования. – 2012. – № 5. ;
URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=7149 (дата обращения: 24.09.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074