Разработка методики построения моделей и синтез управления многосвязными динамическими объектами в задачах теплоснабжения

Рост энергопотребления и постоянное удорожание энергоресурсов ставит в числе первостепенных по важности задач разработку и реализацию государственной политики в области энергосбережения. Одной из отраслей народного хозяйства, в которой вопросы энергосбережения стоят особенно остро, является коммунальная сфера, и прежде всего это проблема характерна для систем теплоснабжения объектов жилого и промышленного назначения. На теплоснабжение зданий в настоящее время в России затрачивается около 430 млн. тонн условного топлива, или примерно 45% всех энергетических ресурсов, расходуемых в стране.

Одним из способов повышения энергоэффективности систем теплоснабжения является совершенствование систем автоматизации основными структурными единицами систем теплоснабжения, объектами производства и распределения тепловой энергии, с использованием современных методов теории управления, которая с начала 80-х годов получила существенное развитие в области робастного управления многосвязными динамическими системами, функционирующими в условиях неопределенности различного характера. Системы автоматизации подобных объектов включают в себя [18] информационные (технологический контроль и телеизмерения, технологическая и телесигнализация), защитные (технологическая и аварийная защита, технологическая и аварийная блокировка) и управляющие (автоматическое управление и регулирование, диспетчеризация) подсистемы. Наибольшее влияние на качество функционирования объекта теплоснабженш! оказывает управляющая подсистема автоматизации [1, 2, 18], основной задачей которой можно считать поддержание заданных тепловых и гидравлических режимов в определенных точках технологического процесса объекта.

При традиционных способах автоматизации для объектов теплораспредеявляется динамический. При этом желательным становится учет динамических свойств объекта теплогенерации системой управления. Решение задачи распределения тепловой нагрузки в динамическом режиме также усложняется из-за наличия в объекте как непрерывных, так и дискретных по уровню процессов и их сложного взаимодействия. Существующие подходы к решению данной проблемы имеют узконаправленный эмпирический характер [46]. Необходимо создание методов решения задачи распределения тепловой нагрузки на основе системного подхода, позволяющего учитывать как различные динамические характеристики объекта, так и требования к качеству его функционирования в виде различных критериев оптимальности.

При решении поставленных задач управления объектами теплоснабжения следует учитывать многообразие различных технологических схем объектов рассматриваемого класса. Методы решения данных задач должны быть достаточно общими.

Абстрагируясь от характера технологических процессов объектов производства и распределения тепловой энергии, можно утверждать, что на уровне классификации их как объектов управления исследователь сталкивается с особым классом объектов, который имеет следующие особенности: распределенный характер динамических процессов, многосвязность каналов управления, нелинейность математической модели, наличие неопределенности и постоянно действующих возмущений. Рассматриваемые объекты по форме описания протекающих в них процессов относятся к объектам с распределёнными параметрами, и, в то же время, вектор выходных переменных, характеризующих качество управления распределённым процессом, а также вектор управляющих воздействий представляют собой сосредоточенные динамические переменные. Задачи анализа и синтеза управления подобными системами, как правило, на этапе формализации усложняются наличием структурной и параметрической неопределённости в модели описания объектов. Характерной особенностью постановок задач управления выделенным’классом объектов можно считать также необходимость учёта возмущающих воздействий в различной форме их представления. Достаточно общим подходом к решению задач управления классом систем с распределёнными параметрами является реализация численной модели объекта на основе формализации краевой задачи с последующим использованием методов нелинейного программирования для нахождения экстремума функционала, характеризующего качество управления, в многомерной области управляющих параметров. Существенным недостатком такого подхода к синтезу управления можно считать необходимость разработки численной модели, учитывающей специфику процессов для каждого исследуемого объекта и возможность параметризации управляющего воздействия, если оно также имеет распределённый характер. Таким образом, требуется разработка методики, основанная на представлении моделей описания исследуемых объектов не в форме краевой задачи, а в стандартной форме описания нелинейных динамических объектов — в виде системы обыкновенных дифференциальных или дифференциально—алгебраических уравнений. В этом случае становится возможным применение известных методов синтеза управления многосвязными динамическими объектами, с дополнительным требованием его робастности.

Объект исследования данной работы — класс многосвязиых распределенных динамических объектов производства и распределения тепловой энергии.

Предмет исследования — формализованные математические модели процессов рассматриваемого класса объектов и задачи управления этими объектами.

Целью работы является разработка методики формализации и построения моделей и синтез управления для класса многосвязных динамических объектов теплоснабжения (объекты теплогенерации/тегшораспределения).

Задачи, решаемые в работе:

• Разработка методики формализации динамических моделей для класса объектов теплоснабжения с взаимосвязанными тепловыми и гидравлическими процессами с распределёнными параметрами;

• Создание библиотеки моделей элементов в среде MATLAB/Simulink, предназначенной для построения имитационных динамических моделей рассматриваемого класса объектов;

• Решение задач анализа и синтеза законов управления многосвязными динамическими объектами теплораспределения на основе полученных математических моделей;

• Решение задач синтеза управления объектами теплогенерации;

Методы исследования. В работе использовались методы теории анализа многосвязных систем и синтеза законов управления на основе робастных методов, методы теории гибридных систем, методы численного решения интегральных уравнений, имитационного моделирования.

Научная новизна исследования состоит в следующем:

• Предложена методика формализации динамической модели распределённых теплогидравлических процессов в объектах производства и распределения тепловой энергии, в основу которой принят метод декомпозиции объекта на элементарные балансовые объёмы;

• Предложен метод реализации моделей теплогидравлических процессов на основе физически—ориентированного моделирования и разработанной проблемно-ориентированной библиотеки моделей элементов;

• Произведен синтез законов управления объектом распределения тепловой энергии с учетом многосвязности процессов, а также в условиях неопределенности в описании динамической модели и действующих на ' объект возмущений;

• Произведен синтез законов управления объектом производства тепловой энергии с учетом сложного взаимодействия непрерывной и дискретной динамики объекта;

Практическая значимость исследования. Создана инструментальная база в среде MATLAB/Simulink для моделирования и синтеза алгоритмов управления подсистемами объекта производства и распределения тепла, позволяющая решать комплекс задач анализа режимов управления этими объектами и применительно к конкретной конфигурации технологической схемы проводить синтез управления, отвечающего свойствам робастности и энергоэффективности. Эффективность полученных в работе законов управления подтверждена путём их практической реализации в системах автоматики индивидуальных тепловых пунктов на объектах жилищного строительства.

Положения выносимые на защиту:

• Методика формализации динамической модели класса объектов с распределёнными параметрами на примере объектов производства и распределения тепловой энергии.

• Инструментальная база, созданная в среде MATLAB/Simulink, вкшо-, чающая полный набор элементов для блочно-структурного конструирования имитационной модели объекта производства и распределения тепловой энергии, заданного в форме технологической схемы.

• Формализованная модель гибридной подсистемы генерации тепловой энергии с дискретно-непрерывным управлением каскадом параллельно включаемых теплогенераторов, полученная на основе аппарата дискретных гибридных автоматов.

• Методика синтеза робастного управления объектами распределения тепловой энергии на базе полученной линеаризованной динамической модели объекта с применением стандартных процедур синтеза, реализованных в средствах пакета MATLAB.

• Решение задачи управления каскадом теплогенераторов на основе прогнозирующей модели.

Публикации Материалы диссертации опубликованы в 6 печатных работах, из них 2 статьи в журналах [23, 25] ([25] в журнале из списка, рекомендованного ВАК РФ) и 4 статьи в сборниках трудов конференций [20−22, 24].

Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Предложена методика получения математического описания теплогид-¦ равлических процессов класса рассматриваемых объектов теплогенерации/теплораспределения, в основе которой лежит представление технологического процесса объекта в виде соединения абстрактных базовых объемов.

2. Разработана инструментальная библиотека типовых элементов технологических процессов рассматриваемых объектов, позволяющая строить модели объектов теплогенерации/теплораспрсделения путем б л очно—структурного конструирования.

3. Реализована нелинейная динамическая модель объекта теплораспределения типовой структуры на основе разработанной библиотеки. Получено линейное приближение исходной модели на основе предложенного подхода к линеаризации моделей объектов, построенных при помощи библиотеки типовых элементов объектов теплогенерации/теплораспре-деления.

4. На основании результатов анализа свойств многосвязности объекта теплораспределения показана значительная степень взаимного влияния каналов управления объектом. Данное свойство также подтверждается результатами анализа качества управления объектом при помощи разработанной системы управления на основе одноканальных ПИД регуляторов.

5. Представлен подход к решению задач управления объектами теплораспределения на основе методов синтеза робастных многосвязных регуляторов. Предложена постановка задачи синтеза робастных регуляторов по методу Ноо формирования контура, при помощи которой удается осуществить переход от односвязных систем управления к многосвязным робастным с улучшенными характеристиками управления.

6. Представлен подход к решению задач управления объектами теплораспределения, позволяющий учитывать характерные для данного класса объектов неопределенности в математическом описании.

7. Представлен подход к решению задач управления объектами теплогене-рации на основе рассмотрения их как динамических систем со смешанно непрерывно—дискретной динамикой (гибридные системы). Разработана математическое описание объекта теплогенерации в виде соединения дискретного гибридного автомата, набора линейных динамических систем и связующих элементов. Разработана система управления объектом теплогенерации на основе модификации метода управления с прогнозирующей моделью для гибридных динамических систем.

8. Эффективность полученных в работе законов управления подтверждена путём их практической реализации в системах автоматики индивидуальных тепловых пунктов на объектах жилищного строительства, о чем имеется соответсвующий акт внедрения, приведенный в приложении В.

Заключение

.