Система стабилизации температуры компримированного газа с частотно-регулируемым электроприводом вентиляторов с применением нечеткой логики

УДК 621.382

Р.Ш. Тарисов СИСТЕМА СТАБИЛИЗАЦИИ ТЕМПЕРАТУРЫ КОМПРИМИРОВАННОГО ГАЗА С ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ ВЕНТИЛЯТОРОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ НЕЧЕТКОЙ ЛОГИКИ

Описывается способ применения нечеткой логики для улучшения качества регулирования классического ПИ-регулятора в системе стабилизации температуры газа на выходе из АВО при эксплуатации в широком диапазоне изменений климатических условий. Дан сравнительный анализ качества регулирования при использовании в системе классического ПИ регулятора и гибридного регулятора.

Установка охлаждения газа, ПИ регулятор, качество регулирования, нечеткая логика

R.Sh. Tarisov SYSTEM OF TEMPERATURE STABILIZATION OF COMPRESSED GAS WITH VARIABLE FREQUENCY DRIVES FAN USING FUZZY LOGIC

Describes the method of using fuzzy logic to improve the regulation of the classical PI controller in the stabilization system of the gas temperature at the outlet of the air cooler during operation in a wide range of climatic conditions. A comparative analysis of the quality control system for use in a classical PI controller and a hybrid controller.

Gas cooler, PI control, quality control, fuzzy logic

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 [3] 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.

В [5] была рассмотрена одна из методик синтеза адаптивного регулятора на основе метода нечеткого управления Мамдани. В настоящей работе показаны результаты моделирования гибридного ПИ-регулятора, включающего классический ПИ-регулятор, вспомогательный нечеткий регулятор, обеспечивающий адаптацию настроек регулятора к изменениям условий эксплуатации системы.

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

Сигнал с датчика температуры газа сравнивается с сигналом задатчика. Полученная разность сигналов АХ = Х0 — Х подается на вход регулятора, который с помощью сигнала

UУПР задает частоту f и напряжение U на выходе преобразователей частоты.

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

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 ú и соответствующего изменения расхода воздуха GB, создаваемого вентиляторами, температура газа ТВЫХ стремилась к заданному значению. Возмущающими воздействиями в системе стабилизации температуры газа являются массовый расход газа Gn, его температура ТВХ на входе АВО, температура 0В охлаждающего воздуха.

В [2] предложено двигатели, вентиляторы и теплообменные секции, образующие конструктив АВО газа, рассматривать как одно динамическое звено с передаточной функцией WAB0 (p). На основании экспериментальных данных эта передаточная функция может быть идентифицирована инерционным звеном первого порядка

к

Wabo

Т.АВ0Р + 1

где кАВ0, ТАВ0 - соответственно коэффициент передачи и постоянная времени АВО.

В [6] было показано, что значение кАВ0 зависит от значений параметров: массовый расход газа Gn, его температура ТВХ на входе АВО, температура 0В охлаждающего воздуха.

В результате проведенного эксперимента для диапазонов изменения параметров 6В1 (от 8 °С до 20 °С) и ТВХ (25 °С - 35 °С) при постоянном массовом расходе газа получена зависимость кАВО от этих параметров, которая приведена в таблице.

Полученные результаты положены в основу настройки (базы правил) нечеткого регулятора с входными лингвистическими переменными «Температура газа ТВХ » и «Температура воздуха 6В1», и выходной переменной «коэффициент кАВО ». Поверхность нечеткого вывода вспомогательного регулятора, полученная в среде MATLAB+ Simulink, показана на рис. 2.

Зависимость кАВО от 0ВХ и ТВХ

Температура газа на выходе из АВО

25 27 29 31 33 35

Температура воздуха 8 5,30181 4,40815 3,51449 2,62083 1,72717 0,83351

10 5,16995 4,27629 3,38263 2,48897 1,59531 0,70165

12 5,03809 4,14443 3,25077 2,35711 1,46345 0,56979

14 4,90623 4,01257 3,11891 2,22525 1,33159 0,43793

16 4,77437 3,88071 2,98705 2,09339 1,19973 0,30607

18 4,64251 3,74885 2,85519 1,96153 1,06787 0,17421

20 4,51065 3,61699 2,72333 1,82967 0,93601 0,04235

f

ж

FcnDn2

Fuzzy Logic Controller f

with Ruleviewer

CI>

Integrator

Kp

-о

Уупр

Рис. 2. Поверхность нечеткого вывода

Рис. 3. Модель гибридного ПИ-регулятора с применением вспомогательного нечеткого регулятора

Вывод вспомогательного нечеткого регулятора используется для субоптимальной настройки коэффициентов классического ПИ-регулятора, это дает возможность получения требуемых качеств переходных процессов в системе стабилизации температуры газа при изменяющихся условиях эксплуатации. Модель гибридного ПИ-регулятора, построенная в среде МЛТЬЛБ, приведена на рис. 3.

I n

In2 Out1

In3

АВО

20s+1

Датчик температуры

I n

In2 Out1

In3

АВО1

20s+1

ь

Датчик температуры1

V

Scope

Блок расчета улучшенного интегрального критерия1

Рис. 4. Виртуальная модель для сравнительного расчета качества переходных процессов системы

стабилизации температуры АВО газа

C

e

C

Проведен эксперимент, целью которого было получение сравнительных характеристик качества регулирования в системе стабилизации температуры газа с частотнорегулируемым электроприводом вентиляторов с применение классического ПИ-регулятора и гибридного ПИ-регулятора с вспомогательным нечетким регулятором. Модель в среде МЛТЬЛБ+ БтиИпк, используемая в эксперименте, показана на рис. 4.

Настройки классического ПИ-регулятора произведены при средних значениях температуры газа ТВХ на входе АВО и температуры 6В охлаждающего воздуха, приведенных в таблице.

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 [4].

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. 5-7.

Реакция системы на единичный ступенчатый сигнал Интегральный критерий

время, с время, с

Рис. 5. Реакция системы ступенчатый сигнал и изменение интегрального критерия

вВ1 =14°С и ТВХ =30аС

Реакция системы на единичный ступенчатый сигнал Интегральный критерий

время, с время, с

Рис. 6. Реакция системы ступенчатый сигнал и изменение интегрального критерия

вв1 =20аС и ТВХ =35аС

Реакция системы на единичный ступенчатый сигнал Интегральный критерий

время, с время, с

Рис. 7. Реакция системы ступенчатый сигнал и изменение интегрального критерия

при вВ1 =8°С и ТВХ =25°С

Штрихпунктирные линии характеризуют систему с классическим ПИ-регулятором, а сплошные - систему с гибридным регулятором.

Проанализировав полученные результаты, можно сделать следующие выводы:

1. Классический ПИ-регулятор с фиксированной настройкой на усредненные значения кАВО дал удовлетворительные результаты только в некоторой области изменения возмущающих воздействий, при которых регулятор был настроен (рис. 5).

2. При крайних значениях кАВО либо время регулирования значительно превышает заданные (рис. 6) либо перерегулирование превышает требуемые 10% (рис. 7). Менее качественный переходный процесс, в сравнении с системой использующий гибридный регулятор, подтверждается также значением интегрального критерия.

3. Гибридный ПИ-регулятор с нечеткой адаптацией дает удовлетворительное качество регулирования на всем диапазоне изменений возмущающих факторов. Уменьшение интегрального критерия с целью получения более оптимального качества переходных процессов в системе может быть достигнуто за счет дополнительной подстройкой нечеткой модели вспомогательного регулятора.

ЛИТЕРАТУРА

1. Аршакян И.И. Опыт создания и эксплуатации системы стабилизации температуры газа с частотно-регулируемым электроприводом вентиляторов аппаратов воздушного охлаждения / И.И.Аршакян, А.А.Тримбач, И.И.Артюхов // Проблемы электроэнергетики: сб. науч. тр. - Саратов: СГТУ, 2008. - С.45-54.

2. Артюхов И.И. Устойчивость системы стабилизации температуры газа с частотнорегулируемым электроприводом вентиляторов / И.И. Артюхов, И.И. Аршакян, Р.Ш. Тарисов и др. // Проблемы электроэнергетики: сб. науч. тр. - Саратов: СГТУ, 2009. - С. 141-148.

3. Динамика системы стабилизации температуры с частотно-регулируемым электроприводом вентиляторов аппаратов воздушного охлаждения / И.И.Артюхов, И.И.Аршакян, Р.Ш.Тарисов, А.А.Тримбач // Проблемы электроэнергетики: сб. науч. тр. -Саратов: СГТУ, 2010. - С. 145-150.

4. Иващенко Н.Н. Автоматическое регулирование. Теория и элементы систем / Н.Н. Иващенко. - М.: Машиностроение, 1978. - 736 с.

5. Нечеткий регулятор в системе стабилизации температуры газа / И.И.Артюхов, Н.П.Митяшин, Р.Ш.Тарисов, П.П. Говорухин // 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.

6.. Determination of Dynamic Model of Natural Gas Coller in CPS Molve III Using Computer / Petar Crnosija, Toni Bjazic, Fetah Kolonie // Proceedings of the 29th International Conven-

tion MIPRO 2006. CTS&CIS - Computers in Technical Systems, Intelligent Systems / Budin, Leo; Ribaric, Slobodan (ed). - Rijeka: MIPRO , 2006. - P. 21-26.

Тарисов Ришат Шамильевич -

Инженер отдела главного энергетика,

ООО «Г азпром трансгаз Югорск», аспирант кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Rishat Sh. Tarisov -

Engineer of Department of chief power LLC «Gazprom transgaz Yugorsk», Postgraduate Department of Power Supply for Industrial Enterprises Gagarin Saratov State Technical University

Статья поступила в редакцию 18.05.12, принята к опубликованию 17.06.12