Адаптивная система управления электроприводом вентилят о ров установок охлаждения газа
На правах рукописи
ТАРИСОВ Ришат Шамильевич
Адаптивная система управления электроприводом вентиляторов установок охлаждения газа
Специальность 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Саратов 2012
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.»
| Научный руководитель: | доктор технических наук, профессор Артюхов Иван Иванович |
| Официальные оппоненты: | Львов Алексей Арленович, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.», заведующий кафедрой «Техническая кибернетика и информатика» |
| Кузнецов Павел Константинович, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет», заведующий кафедрой «Электропривод и автоматика» | |
| Ведущая организация: | ФГБОУ ВПО «Российский государственный университет нефти и газа имени И.М. Губкина», г. Москва |
Защита состоится 13 декабря 2012 года в 13:00 на заседании диссертационного совета Д 212.242.10 при ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» по адресу: 410054, Саратов, ул. Политехническая, 77, Саратовский государственный технический университет, корп. 1, ауд. 319.
С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.»
Автореферат разослан « » ноября 2012 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета Ю.Б. Томашевский
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Установки охлаждения газа (УОГ), как один из важных элементов газотранспортной системы, позволяют повысить пропускную способность газопровода, а их эксплуатация на участках магистральных газопроводов (МГ), пролегающих в зоне многолетнемерзлых грунтов, обеспечивает устойчивость линейной части и повышает ее надежность.
Наиболее широкое распространение для охлаждения газа на компрессорных станциях (КС) получили УОГ, состоящие из группы аппаратов воздушного охлаждения (АВО), представляющих собой систему «электропривод – вентилятор – теплообменник». На КС МГ с газотурбинным приводом компрессоров основная доля (60–70%) от общего электропотребления, реализуемая на товаротранспортную работу, приходится на УОГ.
В рамках концепции энергосбережения и повышения эффективности использования УОГ в ОАО «Газпром» происходит планомерный процесс оснащения объектов магистрального транспорта газа системами стабилизации температуры компримированного газа с частотно-регулируемым электроприводом вентиляторов.
Так, в частности, на объектах ООО «Газпром трансгаз Югорск» смонтированы системы в 18 компрессорных цехах (КЦ), в составе которых 450 электродвигателей. В перспективном приоритетном плане определено оснащение еще 40 цехов УОГ с частотно-регулируемым электроприводом 1088 вентиляторов.
Однако опыт внедрения частотно-регулируемых УОГ показал, что для обеспечения требуемого качества стабилизации температуры газа требуется дополнительная адаптация настроек системы, обеспечивающая устойчивость системы к внешним климатическим условиям эксплуатации и режимам транспорта газа, как в период пусконаладочных работ, так и в процессе ее эксплуатации.
В связи с этим, актуальными являются исследования, направленные на повышение качества переходных процессов в частотно-регулируемых УОГ в широком диапазоне изменений возмущающих воздействий.
Работа выполнялась в соответствии с научным направлением 06В «Научные основы создания высокоэффективных, энергосберегающих систем по производству, транспортировке, преобразованию, распределению и потреблению электроэнергии», входящим в перечень основных научных направлений СГТУ имени Гагарина Ю.А.
Объект исследования – система стабилизации температуры газа с частотно-регулируемым электроприводом вентиляторов УОГ.
Предмет исследования – переходные процессы в системе стабилизации температуры газа с частотно-регулируемым электроприводом вентиляторов УОГ.
Цель исследования – обеспечение требуемого качества стабилизации выходной температуры газа УОГ в широком диапазоне изменений климатических условий, режима транспорта газа и условий эксплуатации электроприводов.
Задачи исследования.
1. Анализ существующих систем управления электроприводом вентиляторов УОГ.
2. Разработка математической модели для исследования влияния внешних возмущающих воздействий на качество переходных процессов в существующих системах стабилизации температуры компримированного газа с частотно-регулируемым электроприводом вентиляторов.
3. Проведение исследования динамических характеристик УОГ с частотно-регулируемым электроприводом вентиляторов.
4. Разработка адаптивной системы стабилизации температуры газа с частотно-регулируемым электроприводом вентиляторов.
Методы и средства научных исследований. Поставленные задачи решались путем проведения теоретических и экспериментальных исследований. В работе использованы основные положения электропривода, теплопереноса и тепломассообмена, автоматического регулирования, нечеткой логики и методы современного компьютерного моделирования MATLAB с пакетом расширения Simulink. Экспериментальные данные получены по результатам произведенных измерений в период межведомственных испытаний системы стабилизации температуры газа с частотно-регулируемым электроприводом вентиляторов УОГ.
Достоверность полученных в работе результатов обеспечивается корректным применением соответствующего математического аппарата, обоснованностью принятых допущений, апробированных методов компьютерного моделирования, а также использованием аттестованных средств измерения при проведении экспериментальных исследований УОГ с частотно-регулируемым электроприводом вентиляторов.
На защиту выносятся:
- Результаты теоретических и экспериментальных исследований, позволяющие определить факторы и степени их влияния на характеристики регулирования температуры газа на выходе УОГ.
- Обоснование применения адаптивного регулятора, обеспечивающего устойчивость и требуемое качество стабилизации температуры газа на выходе из УОГ.
- Функциональная схема адаптивной системы управления электроприводом вентиляторов УОГ, построенная с применением нечеткой логики.
Научная новизна.
- Разработаны имитационные математические модели УОГ с частотно-регулируемым электроприводом в программном комплексе MATLAB+Simulink, позволяющие упростить процедуру проведения вычислительных экспериментов по исследованию динамических характеристик.
- Теоретически доказано и экспериментально подтверждено, что статический настроенный регулятор в системе стабилизации температуры газа не может обеспечить требуемое качество регулирования, а в ряде случаев устойчивость системы, во всем диапазоне эксплуатационных условий.
- Предложены адаптивные системы управления электроприводом вентиляторов на основе нечетких регуляторов Мамдани и Такаги-Сугено, отличающиеся от известных тем, что обеспечивают заданное качество стабилизации выходной температуры УОГ при изменении внешних воздействий в широком диапазоне.
Практическая ценность работы.
- Обоснована необходимость применения в УОГ адаптивного регулирования, показана возможность построения и настройки адаптивного регулятора с применением нечеткой логики.
- Применение реализованного в данной работе регулятора позволит существенно сократить эксплуатационные расходы, связанные с пусконаладочными работами и сервисным сопровождением системы.
- Созданы предпосылки по созданию самонастраивающихся систем стабилизации температуры газа на выходе из УОГ с частотно-регулируемым электроприводом вентиляторов с применением нечеткой логики, позволяющие обеспечить их применение на УОГ с различным конструктивным исполнением АВО.
Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы использованы:
- в проектно-конструкторской деятельности ЗАО «Робитэкс» (г.Екатеринбург) при разработке и проектировании систем управления частотно-регулируемым электроприводом вентиляторов УОГ;
- в ООО «МПП «Энерготехника» (г.Саратов) при разработке и проектировании электрооборудования комплектно-трансформаторных подстанций для электроснабжения УОГ с частотно-регулируемым электроприводом вентиляторов;
- в учебном процессе кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» при чтении лекций по дисциплине «Энергосберегающие технологии в электроэнергетике» для студентов направления 140400.68 «Электроэнергетика и электротехника», а также при выполнении выпускной квалификационной работы.
Апробация работы. Основные результаты докладывались и обсуждались на Всероссийских научно-практических конференциях «Инновационные технологии в обучении и производстве» (Камышин, 2008 – 2010), XXIV Международной научно-технической конференции «Математические методы в технике и технологиях» (Саратов, 2011), Всероссийской научно-технической конференции «Системы обеспечения тепловых режимов преобразователей энергии и системы транспортировки теплоты» (Махачкала, 2010), Международной научно-практической интернет-конфе-ренции в рамках Международного интернет-фестиваля молодых ученых (Саратов, 2011).
Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 15 работ, в том числе 5 работ в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из 137 наименований. Общий объем составляет 120 страниц, в том числе 3 таблицы и 66 иллюстраций.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении изложена актуальность темы диссертационной работы, определены ее научная новизна и практическая ценность, представлены основные результаты исследования, показаны реализация и апробация работы, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе дан обзор существующего состояния вопроса в области построения и расчета систем управления электроприводом вентиляторов УОГ.
УОГ представляет собой сложную многомерную систему, реализующую функции передачи тепловой энергии в распределенном теплообменнике. Компримированный газ, имеющий начальную температуру 
и массовый расход 
, распределяясь и проходя по секциям УОГ, передает определенное количество тепловой энергии 
охлаждающему воздуху, который принудительно с массовым расходом 
продувается через теплообменные секции электроприводными вентиляторами. В результате температура воздуха повышается от начального значения 
, равного температуре окружающей среды, до значения 
, а температура газа в объединенном выходном коллекторе понижается до усредненного значения 
.
Температура газа 
на выходе УОГ зависит от ряда факторов, влияющих, в том числе, и на тепловую производительность секций, среди которых основными являются: конструктивные особенности; степень загрязненности поверхности теплообмена, характеризуемая сопротивлением 
; режим транспорта газа, который характеризуется количеством работающих газоперекачивающих агрегатов (ГПА) и степенью компримирования газа, что определяет расход 
и температуру газа 
на выходе компрессорного цеха и соответственно на входе УОГ; температура 
и массовый расход 
охлаждающего воздуха.
Таким образом, общая зависимость температуры газа на выходе из УОГ имеет вид:
 . | (1) |
Температура компримированного газа после УОГ должна иметь значение, определенное технологическим регламентом. Однако изменения входной температуры газа 
, его массового расхода 
, термического сопротивления 
и температуры окружающей среды 
приводят к отклонению 
от заданного значения. При этом указанные возмущающие воздействия имеют различные скорости изменения. Самые медленные возмущения обусловлены изменением загрязненности поверхности теплообменных секций. Наиболее высокую частоту изменений имеют колебания температуры воздуха 
.
Требуемое значение температуры газа 
на выходе УОГ обеспечивается за счет изменения массового расхода охлаждающего воздуха 
, которое определяется суммой массовых расходов охлаждающего воздуха, создаваемых вентиляторами. Производительность последних зависит от частот вращения 
рабочих колес вентиляторов, углов установки лопастей 
, а также температуры воздуха 
.
До недавнего времени, основной способ регулирования температуры газа в УОГ базировался на технологии, основанной на дискретном изменении расхода воздуха за счет включения (отключения) вентиляторов в сочетании с сезонной регулировкой угла установки лопастей. Встречались также способы регулирования с применением электроприводных жалюзей и с применением редуктора с переключаемым передаточным механизмом, но их меньшая надежность в эксплуатации и сложность схем подключения не дали им широкого распространения.
Большой вклад в разработку теоретических основ тепломассообменных процессов в УОГ внесли А.Н. Бессонный, Р.Н. Бикчентай, Н.П. Крюков, В.Б. Кунтыш и многие другие ученые. Улучшением аэродинамических характеристик вентиляторов АВО, разработкой технологий рабочих колес вентиляторов из композитных материалов и оптимизацией геометрии трубного пучка занимается ЗАО «Гидроаэроцентр» под руководством В.А. Маланичева.
Значительный вклад в разработку и совершенствование электротехнических комплексов на предприятиях газовой промышленности внесли И.В. Белоусенко, М.С. Ершов, Б.Г. Меньшов, Г.Р. Шварц, А.Д. Яризов и другие.
Работы таких известных ученых, как Н.Ф. Ильинский, Г.Г. Вахвахов, И.Я. Браславский и Б.С. Лезнов, показали эффективность применения частотно-регулируемого электропривода в технологических установках вентиляторного и насосного типов.
С развитием силовой электроники были начаты работы по совершенствованию электротехнических комплексов УОГ за счет применения преобразователей частоты. Основные аспекты в этом направлении были изложены в работах И.И. Артюхова, И.И. Аршакяна, П.К.Кузнецова, А.И. Данилушкина и других авторов. Раскрытие данной темы с учетом реализации программ энергосбережения и повышения энергоэффективности в ОАО «Газпром» дало толчок и повышенный интерес к УОГ как элементу электротехнического комплекса КС МГ. Дальнейшее развитие вопросы совершенствования систем управления электроприводом вентиляторов УОГ получили в работах А.А. Тримбача, Е.В. Устинова, С.В. Алимова, В.Г. Крайнова. Вместе с тем, на сегодняшний день остается нерешенным ряд вопросов в области динамики процессов регулирования температуры.
Структурная схема системы стабилизации температуры газа с частотно-регулируемым электроприводом вентиляторов показана на рис. 1.
Рис. 1. Структурная схема системы стабилизации температуры газа
Сигнал с датчика температуры газа сравнивается с сигналом задатчика. Полученная разность сигналов 
подается на вход регулятора, который с помощью сигнала 
задает частоту 
и напряжение 
на выходе преобразователей частоты ПЧ1…ПЧN. Если в силу каких-либо причин температура газа на выходе УОГ отличается от заданного значения, то регулятор так изменяет частоту 
и напряжение 
, чтобы за счет изменения частоты вращения 
и соответствующего изменения расхода воздуха, создаваемого вентиляторами, температура 
стремилась к заданному значению.
Опыт эксплуатации системы стабилизации температуры газа с частотно-регулируемым электроприводом вентиляторов УОГ в компрес-сорных цехах ООО «Газпром трансгаз Югорск» показал, что при определенных условиях в ней возникают автоколебания. Поэтому анализ факторов, приводящих к нарушению устойчивости системы стабилизации, является важной научно-технической задачей.
Во второй главе определен объект управления в системе стабилизации температуры газа с частотно-регулируемым электроприводом вентиляторов, проведен анализ факторов, влияющих на температуру газа на выходе из УОГ, разработана математическая модель системы, позволяющая исследовать динамические режимы. Для построения модели системы в целом, как системы автоматического регулирования, рассмотрена передаточная характеристика каждого из ее элементов. Построена математическая модель теплообменника, представленного в виде объекта с сосредоточенными параметрами. Данный подход позволил получить модель объекта с передаточными характеристиками по каждому из возмущающих и управляющих воздействий, удобную для проведения дальнейших численных расчетов.
В общем случае каждый вентилятор может вращаться со своей частотой 
. Однако, как показали результаты экспериментальных исследований, проведенных совместно со специалистами ЗАО «Гидроаэроцентр» (г. Жуковский Московской области), для повышения эффективности процессов теплообмена в секциях УОГ должна быть исключена турбулентность охлаждающего «ветрового поля». Для этого все вентиляторы УОГ необходимо вращать с одинаковой частотой, величина которой определяется создаваемым регулирующим воздействием.
В предположении, что все вентиляторы вращаются с одинаковой частотой 
, которая определяется частотой 
напряжения на статорных обмотках электродвигателей, а степень загрязнения поверхности теплообмена изменяется достаточно медленно, выражение (1) можно записать следующим образом:
 . | (2) |
Преобразованная структурная схема системы стабилизации показана на рис. 2.
Рис. 2. Преобразованная структурная схема системы стабилизации температуры газа
Передаточная функция такой системы в предположении о линеаризации входящих в нее элементов имеет следующий вид:
 . | (3) |
Здесь  . | (4) |
В последнее выражение входят передаточные функции регулятора 
, преобразователя частоты 
, двигателя 
, вентилятора 
и теплообменных секций 
. Получим выражения для них, чтобы воспользоваться одним из критериев устойчивости.
Если в системе стабилизации температуры газа применяется регулятор пропорционально-интегрального типа, то соответствующая передаточная функция будет иметь вид:
 , | (5) |
где 
– соответствующие коэффициенты регулятора, которые могут быть установлены в процессе настройки.
Частота вращения 
лопастей вентилятора определяется частотой 
и величиной 
напряжения на выходе преобразователя частоты, которые зависят от напряжения 
на управляющем входе. В настройках преобразователя вначале задается зависимость частоты 
от напряжения 
, затем задается зависимость напряжения 
от частоты 
. Нормированный диапазон изменения напряжения 
составляет 0 … 10 В. Если, в частности, максимальное значение частоты 
составляет 50 Гц, то коэффициент передачи преобразователя 
составляет 5 Гц/В. Для преобразователя частоты как звена системы автоматического управления достаточно рассматривать передаточную функцию 
, связывающую между собой изображения по Лапласу частоты 
и напряжения на управляющем входе 
. При этом высокое быстродействие системы формирования импульсов управления преобразователем частоты позволяет представить последний пропорциональным звеном с передаточной функцией:
 . | (6) |
Математическое описание системы стабилизации температуры газа может быть упрощено, если двигатель, вентилятор и теплообменные секции, образующие конструктив АВО газа, рассматривать как одно динамическое звено с передаточной функцией 
. Это позволяет не детализировать передаточные функции двигателя 
, вентилятора 
и теплообменных секций 
, а заменить их произведение в выражении (4) передаточной функцией:
 . | (7) |
Идентификация передаточной функции 
может быть осуществлена на основании экспериментальных данных. Установлено, что АВО газа может быть представлен инерционным звеном первого порядка с передаточной функцией:
 , | (8) |
где 
, 
– соответственно коэффициент передачи и постоянная времени АВО.
Коэффициенты передачи 
и 
зависят от ряда факторов. Наиболее сильное влияние на их величину оказывают разность температур газа и охлаждающего воздуха, а также величины их массовых расходов. Большую инерционность в работу системы стабилизации вносит датчик температуры (показатель «тепловой инерции» которого может достигать 30 с). Он может быть также представлен динамическим звеном первого порядка с передаточной функцией:
 . | (9) |
В третьей главе описаны расчеты и исследования динамических режимов на математической модели системы стабилизации газа с частотно-регулируемым электроприводом вентиляторов, полученной в предыдущей главе. Проведены проверка адекватности модели и корректировка по результатам исследования.
Эксперименты на математической модели в целом подтвердили ее адекватность, но с поправкой передаточной функции датчика температуры газа, на основании того, что опрос датчиков температуры идет с задержкой, а также в системе присутствует время расчета и сравнения показаний средней температуры газа с датчиков на секциях АВО с температурой датчика в выходном коллекторе. Передаточная функция датчика температуры:
 . | (10) |
Основные численные исследования динамических характеристик рассматриваемой системы проведены с помощью модели, построенной в среде MATLAB+Simulink (версия R2010b (7.13.0.564), лицензия №618947 ООО «Газпром трансгаз Югорск»). Схема модели представлена на рис. 3.
Рис. 3. Схема модели для исследования переходных процессов
в системе стабилизации температуры газа
На рис. 4 представлены графики переходных функций 
, характеризующие влияние коэффициента передачи 
на ее динамику. Значения коэффициентов регулятора 
и 
составляют 0,6 и 0,003 соответственно.
Рис. 4. Графики переходных функций при значениях коэффициента
КАВО=0,2(1); 0,4(2); 0,8(3); 1,6(4) (
=0,6; 
=0,003)
Отчетливо видно, что при увеличении коэффициента передачи 
, что может быть обусловлено увеличением разности между температурами газа и охлаждающего воздуха, происходит увеличение амплитуды и частоты колебаний температуры на выходе АВО газа. При значении коэффициента 
= 1,6 амплитудное значение переходной функции превышает установившееся значение в 4 раза и система становится неустойчивой, при 
=0,8 система близка к границе колебательной устойчивости и не может обеспечить требуемое время переходного процесса. Естественно, что для обеспечения приемлемого качества переходных процессов требуется коррекция коэффициентов регулятора 
и 
. При этом система весьма чувствительна к изменению коэффициента 
.
Таким образом, жесткий выбор коэффициентов 
и 
ПИ-регулятора не может обеспечить требуемое качество регулирования в реальных условиях эксплуатации системы. Из сказанного следует вывод о неизбежности применения адаптивного регулятора, в котором коэффициенты 
и 
ПИ-регулятора изменяются в функции возмущающих воздействий.
В четвертой главе рассмотрены методы улучшения динамических характеристик системы стабилизации температуры газа с частотно-регулируемым электроприводом вентиляторов за счет адаптации настроек регулятора к изменениям возмущающих воздействий. Показано, что классический ПИ-регулятор, применяемый в системе, не позволяет обеспечить требуемое качество регулирования на всем диапазоне изменения возмущающих воздействий. Рассмотрены варианты адаптации с применением нечеткой логики. Выбран алгоритм и определены правила нечеткого вывода. Разработан адаптивный регулятор с применением нечеткой логики. Проведены эксперименты и дан сравнительный анализ качества регулирования системы с применением адаптации на базе нечеткой логики в сравнении с классическим регулятором.
На КС-20 Комсомольского ЛПУ МГ ООО «Газпром трансгаз Югорск» на существующей системе стабилизации температуры газа УОГ с частотно-регулируемым приводом вентиляторов совместно с представителями ЗАО «Газмашпроект» был проведен ряд экспериментов с регистрацией в сертифицированной SCADA системе TRACE MODE изменений параметров объекта и возмущающих воздействий.
На основании данных, полученных в результате проведенного эксперимента, для диапазонов изменения параметров 
(от 8 до 20С) и 
(от -35 до 25С) при постоянном массовом расходе газа получена зависимость 
от этих параметров.
Полученные результаты положены в основу базы правил нечеткого регулятора с входными лингвистическими переменными «Температура газа 
» и «Температура воздуха 
» и выходной переменной «Коэффициент 
». Поверхность нечеткого вывода показана на рис. 5.
Модель адаптивного ПИ-регулятора приведена на рис. 6. Вывод нечеткой модели служит для субоптимальной настройки коэффициентов классического ПИ-регулятора, с целью получения требуемых качеств переходных процессов в системе стабилизации температуры газа при изменяющихся условиях эксплуатации. Определение субоптимальных настроек ПИ-регулятора произведено в системе MATLAB+Simulink с использованием встроенного инструмента настройки функционального блока «PID Controller».
 |  |
| Рис. 5. Поверхность нечеткого вывода | Рис. 6. Модель адаптивного ПИ-регулятора |
Проведен численный эксперимент, целью которого было получение сравнительных характеристик качества регулирования в системах стабилизации температуры газа с частотно-регулируемым электроприводом вентиляторов с применением классического ПИ-регулятора и адаптивного ПИ-регулятора с нечеткой логикой. Модель в среде MATLAB+ Simulink, используемая в эксперименте, показана на рис. 7.
Настройки классического ПИ-регулятора произведены при средних значениях температуры газа 
на входе УОГ и температуры 
охлаждающего воздуха.
В качестве основных критериев оценки качества переходных процессов были выбраны: время переходного процесса, перерегулирование и улучшенный квадратичный интегральный критерий. Улучшенный интегральный критерий имеет вид:
 , | (11) |
где 
- коэффициент веса, оказывающий существенное влияние на вид оптимального переходного процесса.
Выбор улучшенного квадратичного 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. Чем меньше данный критерий, тем более качественный процесс.
Рис. 7. Виртуальная модель для сравнительного расчета качества
переходных процессов в системах стабилизации температуры УОГ
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. 8 и 9.
Значения интегрального критерия для системы с классическим ПИ-регулятором составили: при 
=14С и 
=30С – 40.35, при 
=20С и 
=35С – 131.8, при 
=8С и 
=25С – 43.28; для системы с адаптивным ПИ-регулятором: 41.65, 40.5, 41.73 соответственно.
- – при
=14С и 
=30С; 2 – при 
=20С и 
=35С; 3 – при 
=8С и 
=25С.
Рис. 8. Реакция системы с классическим ПИ-регулятором
на единичный ступенчатый сигнал
- – при
=14С и 
=30С; 2 – при 
=20С и 
=35С; 3 – при 
=8С и 
=25С.
Рис. 9. Реакция системы с адаптивным ПИ-регулятором
на единичный ступенчатый сигнал
На основании полученных результатов можно сделать следующие выводы.
Классический ПИ-регулятор с фиксированной настройкой на усредненное значение 
дал удовлетворительные результаты только в некоторой области изменения возмущающих воздействий, при которых регулятор был настроен (сплошная линия - 1).
При крайних значениях 
либо время регулирования значительно превышает заданные (пунктирная линия - 2), либо перерегулирование превышает требуемые 10% (штрихпунктирная линия - 3). Менее качественный переходный процесс, в сравнении с системой использующий адаптивный регулятор, подтверждается также значением интегрального критерия.
Адаптивный 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.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ
- Разработана математическая модель, позволяющая исследовать влияние внешних возмущающих воздействий на качество переходных процессов в существующих системах стабилизации температуры компримированного газа с частотно-регулируемым электроприводом вентиляторов. Модель реализована в среде MATLAB с пакетом расширения Simulink. Адекватность модели проверена сравнением результатов расчета с экспериментальными данными, полученными в ходе межведомственных испытаний системы стабилизации температуры газа с частотно-регулируемым электроприводом вентиляторов УОГ
- На основании теоретических и экспериментальных исследований выявлены факторы и степени их влияния на характеристики УОГ с частотно-регулируемым электроприводом вентиляторов. Установлено, что наибольшее влияние на коэффициент передачи конструктива «двигатель – вентилятор – теплообменные секции» оказывают температура окружающей среды и газа на входе УОГ.
- Показано, что существующие системы стабилизации температуры газа в УОГ с частотно-регулируемым электроприводом вентиляторов не позволяют добиться требуемого качества переходных процессов в широком диапазоне климатических условий эксплуатации без проведения дополнительных мероприятий по настройке. Для обеспечения устойчивости системы необходимо осуществлять корректировку коэффициентов регулятора.
- Разработаны адаптивные системы стабилизации температуры газа с частотно-регулируемым электроприводом вентиляторов на основе нечетких регуляторов Мамдани и Такаги-Сугено, обеспечивающие требуемые критерии качества стабилизации температуры при изменении внешних воздействий в широком диапазоне. Применение таких систем позволяет существенно сократить эксплуатационные расходы, связанные с проведение пусконаладочных работ и сервисным сопровождением системы.
Основные положения диссертации отражены в публикациях.
Статьи, опубликованные в научных журналах, рекомендованных ВАК РФ:
- Тарисов Р.Ш. Адаптивная система стабилизации температуры газа с частотным регулированием расхода охлаждающего воздуха / И.И. Артюхов, И.И. Аршакян, Р.Ш. Тарисов // Вестник Саратовского государственного технического университета. – 2010. – № 3 (47). – С. 62 – 64.
- Тарисов Р.Ш. Ресурсосберегающая технология охлаждения газа на компрессорных станциях / И.И. Артюхов, И.И. Аршакян, Р.Ш. Тарисов, А.А. Тримбач, Е.В. Устинов // Вестник Саратовского государственного технического университета. – 2011. – № 1(54). – Вып. 3. – С. 26 – 32.
- Тарисов Р.Ш. Энергоэффективная система стабилизации температуры газа на выходе компрессорной станции магистрального газопровода / И.И. Артюхов, И.И. Аршакян, Р.Ш. Тарисов, А.А. Тримбач // Известия Волгоградского государственного технического университета. Серия «Процессы преобразования энергии и энергетические установки». – 2011. – Вып. 3. – № 8(81). – С. 112 – 115.
- Тарисов Р.Ш. Система стабилизации температуры компримированного газа с частотно-регулируемым электроприводом вентиляторов с применением нечеткой логики / Р.Ш. Тарисов // Вестник Саратовского государственного технического университета. – 2012. – № 2 ( 66). – Вып. 2. – С. 165 – 170.
- Тарисов Р.Ш. Система управления частотно-регулируемым электроприводом вентиляторов установок охлаждения газа с применением нечеткой логики / И.И. Артюхов, Р.Ш. Тарисов // Современные проблемы науки и образования. – 2012. - №5 (Электронный журнал) URL: http://www.science-education.ru/105-7149.
Другие публикации:
- Тарисов Р.Ш. Динамические характеристики системы стабилизации температуры газа с частотно-регулируемым электроприводом вентиляторов / И.И. Артюхов, Р.Ш. Тарисов // Инновационные технологии в обучении и производстве: материалы V Всерос. науч.-практ. конф. (Камышин, 4 – 6 декабря 2008 г.). – Волгоград: ВолгГТУ, 2008. – Т.1. – С.147 – 150.
- Тарисов Р.Ш. 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: Сарат. гос. техн. ун-т, 2009. – С. 141 –148.
- Тарисов Р.Ш. Анализ динамики системы стабилизации температуры газа с частотно-регулируемым электроприводом вентиляторов / И.И. Артюхов, Р.Ш. Тарисов, М.И. Борчук // Инновационные технологии в обучении и производстве: материалы VI Всерос. науч.-практ. конф. (Камышин, 15 – 16 декабря 2009 г.). – Волгоград: ВолгГТУ, 2010. – Т.2. – С. 18 – 21.
- Тарисов Р.Ш. Динамика системы стабилизации температуры газа 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: Сарат. гос. техн.
ун-т, 2010. – С. 145 –150.
- Тарисов Р.Ш. 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. науч.-практ. конф. (Камышин, 22 – 23 декабря 2010 г.). – Волгоград: ИУНЛ ВолгГТУ, 2011. – Т.1. – С. 108 – 111.
- Тарисов Р.Ш. Варианты схем частотного управления электродвигателями АВО газа / И.И. Аршакян, Р.Ш. Тарисов, И.И. Артюхов и др. // Инновационные технологии в обучении и производстве: материалы VII Всерос. науч.-практ. конф. (Камышин, 22 – 23 декабря 2010 г.). – Волгоград: ИУНЛ ВолгГТУ, 2011. – Т.4. – С. 43 – 46.
- Тарисов Р.Ш. Адаптивная система стабилизации температуры компримированного газа / М.И. Петунина, Р.Ш. Тарисов, И.И. Артюхов // Математические методы в технике и технологиях: сб. тр. XXIV Междунар. науч.-техн. конф. / Участники школы молодых ученых и программы У.М.Н.И.К. – Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2011. – С. 141 – 143.
- Tarisov R. Stabilization System of Compressed Gas Temperature / M. Petunina, R. Tarisov, E. Shipunova // Young Scientists for Innovations: Shaping the Future. Proc. International Internet Conference. Saratov: SSTU, 2011. Р. 156 – 159.
- Тарисов Р.Ш. Повышение эффективности установок охлаждения газа за счет частотного управления вентиляторами / И.И. Артюхов, И.И. Аршакян, Р.Ш. Тарисов // Системы обеспечения тепловых режимов преобразователей энергии и системы транспортировки теплоты: тр. Всерос. науч.-техн. конф. (Махачкала, 8 – 10 декабря 2010 г.). – Махачкала:ДГТУ, 2011. – С. 197 – 203.
- Тарисов Р.Ш. Направления снижения энергозатрат при магистральном транспорте газа / И.И. Артюхов, И.И. Аршакян, А.А. Тримбач, Р.Ш. Тарисов // Проблемы электроэнергетики: сб. науч.тр. – Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2011. – С. 11 –15.
Личный вклад автора состоит в обосновании цели и задачи исследования, разработке математических моделей и проведении на их основе исследований динамических характеристик УОГ с частотно-регулируемым электроприводом вентиляторов, обосновании применения адаптивной системы управления, выработке предложений по реализации и разработке адаптивных систем стабилизации температуры газа на выходе из УОГ с применением нечеткой логики.
ТАРИСОВ Ришат Шамильевич
Адаптивная система управления электроприводом вентиляторов УСТАНОВОК охлаждения газа
Автореферат
Подписано в печать 01.11.2012 Формат 6084 1/16
Бум. офсет. Усл. печ. л. 1,0 Уч.-изд. л. 1,0
Тираж 100 экз. Заказ 29
ООО «Издательский Дом «Райт-Экспо»
410031, Саратов, Волжская ул., 28
Отпечатано в ООО «ИД «Райт-Экспо»
410031, Саратов, Волжская ул., 28, тел. (8452) 90-24-90
