Система автоматического регулирования давления пара в магистрали барабанного котла
SYSTEM FOR AUTOMATIC REGULATION OF STEAM PRESSURE IN THE MAIN LINE OF A DRUM BOILER

Изобретение относится к системам автоматического управления барабанными паровыми котлами и может быть использовано для задач регулирования давления, в частности давления пара в магистрали барабанного парового котла.
Прототипом предлагаемого решения является система автоматического регулирования давления пара в магистрали барабанного котла [Патент RU 138582 МПК F22B 35/00, 2006.01], содержащая паровой котел с топочным устройством, последовательно соединенную с ним паровую магистраль с установленным в ней датчиком давления, задатчик давления, исполнительный блок (система пылеприготовления), присоединенный выходом к топочному устройству барабанного котла и изменяющий подачу топлива, поступающего в топочное устройство, адаптивный регулятор, состоящий из первого сумматора, первого умножителя, нелинейного элемента (зона нечувствительности), первого интегратора, второго умножителя, и, стабилизирующего устройства, состоящего из второго сумматора, первого блока задания коэффициентов, второго интегратора.
При этом выход задатчика давления связан с первым входом адаптивного регулятора, второй вход адаптивного регулятора связан с выходом датчика давления. Вход датчика давления связан с паровой магистралью. Паровая магистраль связана с котлом и топочным устройством. Топочное устройство связано с исполнительным блоком (система пылеприготовления). Третий вход адаптивного регулятора связан с выходом стабилизирующего устройства. Выход адаптивного регулятора связан с входом стабилизирующего устройства и входом исполнительного блока (система пылеприготовления). Первый вход адаптивного регулятора связан с первым входом первого сумматора, второй вход адаптивного регулятора связан со вторым входом первого сумматора, третий вход адаптивного регулятора связан с третьим входом первого сумматора. Выход первого сумматора связан с первым входом первого умножителя, второй вход первого умножителя связан с первым входом адаптивного регулятора. Выход первого умножителя связан с входом нелинейного элемента типа зона нечувствительности. Выход нелинейного элемента связан с входом первого интегратора. Выход первого интегратора связан с первым входом второго умножителя, второй вход первого умножителя связан с первым входом адаптивного регулятора. Выход второго умножителя является выходом адаптивного регулятора. Вход стабилизирующего устройства связан с выходом адаптивного регулятора и входом первого сумматора. Второй вход второго сумматора связан с выходом второго интегратора. Выход второго сумматора связан с входом первого блока задания коэффициентов, выход первого блока задания коэффициентов связан с входом второго интегратора и с выходом стабилизирующего устройства.
Недостатком этой системы является плохое качество работы при существенном изменении параметров объекта.
Технической проблемой, на решение которой направлено заявленное изобретение, является расширение функциональных возможностей системы, т.е. улучшении качества работы для объектов, у которых измерению доступен только выходной сигнал, но не его производные, в случае существенного изменения параметров и наличии возмущений.
Система автоматического регулирования давления пара в магистрали барабанного котла, включающая барабанный паровой котел с топочным устройством, последовательно соединенную с ним паровую магистраль с установленным в ней датчиком давления, задатчик давления, исполнительный блок - система пылеприготовления, присоединенный выходом ко входу топочного устройства барабанного парового котла и изменяющий подачу топлива, поступающего в топочное устройство, адаптивный регулятор, включающий первый сумматор, первый умножитель, нелинейный элемент типа зона нечувствительности, первый интегратор, второй умножитель. При этом, система дополнительно содержит фильтр-корректор, состоящий из n последовательно соединенных звеньев  и шестого сумматора, каждое звено состоит из седьмого сумматора, четвертого интегратора, восьмого сумматора и четвертого блока задания коэффициентов, эталонный упредитель, состоящий из четвертого и пятого сумматоров, третьего интегратора и третьего блока задания коэффициентов, второй сумматор, а так же модифицированный адаптивный регулятор, который дополнительно содержит первый блок задания коэффициентов, расположенный последовательно между первым умножителем и первым интегратором, выход последнего соединен со вторым входом третьего умножителя, выход которого соединен с первым входом третьего сумматора, выход третьего сумматора является выходом адаптивного регулятора, второй вход третьего сумматора соединен с выходом четвертого умножителя, первый вход четвертого умножителя соединен с выходом второго интегратора, а второй вход с третьим входом адаптивного регулятора, вход второго интегратора соединен с выходом второго блока задания коэффициентов, вход последнего соединен с выходом второго умножителя, первый вход последнего соединен с выходом нелинейного элемента типа зона нечувствительности, а второй вход соединен с третьим входом адаптивного регулятора, первый вход первого умножителя соединен с первым входом адаптивного регулятора, второй вход первого умножителя соединен с выходом нелинейного элемента типа зона нечувствительности, вход которого соединен с выходом первого сумматора, второй блок задания коэффициентов, второй интегратор, третий умножитель, четвертый умножитель, третий сумматор, при этом выход задатчика давления связан с первым входом второго сумматора, выход второго сумматора связан с исполнительным блоком, первым входом эталонного упредителя и первым входом адаптивного регулятора, выход датчика давления связан с входом фильтр-корректора, выход фильтр-корректора связан с третьим входом адаптивного регулятора, выход адаптивного регулятора связан со вторым входом второго сумматора и вторым входом эталонного упредителя, выход которого связан с вторым входом адаптивного регулятора; первый вход эталонного упредителя связан с первым входом четвертого сумматора, второй вход эталонного упредителя связан с вторым входом четвертого сумматора, выход четвертого сумматора связан с первым входом пятого сумматора, выход пятого сумматора связан с входом третьего интегратора, выход которого связан с входом третьего блока задания коэффициентов и вторым входом пятого сумматора, выход третьего блока задания коэффициентов связан с вторым входом адаптивного регулятора; вход фильтр-корректора связан с входом первого звена  выход которого связан с входом второго звена  и первым входом шестого сумматора и т.д., выход звена  связан с i-м входом шестого сумматора, выход шестого сумматора связан с третьим входом адаптивного регулятора; вход i-го звена  связан с первым входом четвертого блока задания коэффициентов и первым входом седьмого сумматора, выход которого связан с входом четвертого интегратора, выход четвертого интегратора связан с вторым входом седьмого сумматора и первым входом восьмого сумматора, выход четвертого блока задания коэффициентов связан с вторым входом восьмого сумматора, выход которого является i-м входом шестого сумматора.
Решение поставленной задачи достигается за счет того, что в систему, содержащую барабанный паровой котел с топочным устройством, последовательно соединенную с ним паровую магистраль с установленным в ней датчиком давления, задатчик давления, исполнительный блок - система пылеприготовления, присоединенный выходом к топочному устройству барабанного парового котла и изменяющий подачу топлива, поступающего в топочное устройство, адаптивный регулятор, состоящий из первого сумматора, первого умножителя, нелинейного элемента типа зона нечувствительности, дополнительно вводится фильтр-корректор, эталонный упредитель, второй сумматор, а так же модифицируется адаптивный регулятор.
При этом выход задатчика давления связан с первым входом второго сумматора, выход второго сумматора связан с исполнительным блоком - система пылеприготовления, первым входом эталонного упредителя и первым входом адаптивного регулятора. Выход исполнительного блока связан с барабанным паровым котлом и топочным устройством. Барабанный котел и топочное устройство связаны с паровой магистралью. Паровая магистраль связанна с датчиком давления. Выход датчика давления связан с входом фильтр-корректора. Выход фильтр-корректора связан с третьим входом адаптивного регулятора. Выход адаптивного регулятора связан со вторым входом второго сумматора и вторым входом эталонного упредителя. Выход эталонного упредителя связан со вторым входом адаптивного регулятора.
Вводя в систему фильтр-корректор, эталонный упредитель и модифицируя адаптивный регулятор, получают новую функцию, которая заключается в том, что обеспечивается высокое качество работы для объектов с существенно изменяемыми параметрами.
Блок схема системы автоматического регулирования, представленная на фиг. 1 состоит из: барабанного парового котла с топочным устройством 1, паровой магистрали 2, датчика давления 3, задатчика давления 4, второго сумматора 5, исполнительного блока (система пылеприготовления) 6, адаптивного регулятора 7, эталонного упредителя 8, фильтр-корректора 9.
Блок-схема адаптивного регулятора 7, представленная на фиг. 2 состоит из: первого сумматора 10, нелинейного элемента типа зона нечувствительности 11, первого умножителя 12, второго умножителя 13, первого блока задания коэффициентов 14, второго блока задания коэффициентов 15, первого интегратора 16, второго интегратора 17, третьего умножителя 18, четвертого умножителя 19, третьего сумматора 20.
Блок-схема эталонного упредителя 8, представленная на фиг. 3 состоит из: четвертого сумматора 21, пятого сумматора 22, третьего интегратора 23, третьего блока задания коэффициентов 24.
Блок-схема фильтр-корректора 9, представленная на фиг. 4 состоит из n последовательно соединенных звеньев  шестого сумматора 25.
Блок-схема звена  фильтр-корректора 9, представленная на фиг. 5 состоит из седьмого сумматора 26, четвертого интегратора 27, восьмого сумматора 28 и четвертого блока задания коэффициентов 29.
Обобщенным объектом регулирования является последовательно связанные барабанный паровой котел с топочным устройством, паровая магистраль и датчик давления, который может быть описан в виде передаточной функции:
o
а
а
где W(p)- передаточная функция обобщенного объекта регулирования, y(p) - скалярный выход объекта, u(p) - скалярное управление, p=d/dt - оператор дифференцирования, τ=const>0 - неизвестное постоянное запаздывание, (р) и b(p) - гурвицевы полиномы, degb(p)=n - порядок полинома знаменателя передаточной функции объекта управления, deg(р)=m - порядок полинома числителя передаточной функции объекта управления.
Отфильтрованные выходные координаты объекта получаются с помощью фильтр-корректора, который состоит из одинаковых, последовательно соединенных звеньев, имеющих следующее описание:
i-1
1
где  - передаточная функция i-го звена фильтр корректора, i=2⋅n-m-1 - число используемых звеньев, y(p) - выход предыдущего звена, y(p)=φ(t) - первое значение вектора отфильтрованных выходных координат объекта, p=d/dt - оператор дифференцирования.
В качестве звена 2 используется динамические звенья, имеющие передаточную функцию вида
i
i
0
0
где σ(p)- выход i звена фильтр-корректора, ϕ(p)- вход i звена фильтр-корректора, p=d/dt - оператор дифференцирования, Τ>0, Т>0 - постоянные времени, T>>T.
Эталонный упредитель описывается передаточной функцией вида:
1
где W,(p) - передаточная функция эталонного упредителя, q(p) - выход эталонного упредителя, ψ(p)- вход эталонного упредителя, p=d/dt - оператор дифференцирования, K>0, T>0 - соответственно коэффициент усиления и постоянная времени.
Адаптивный регулятор описывается уравнением:
φ
где u(t) - управляющее воздействие, x(t) переменные состояния фильтр-корректора, τ=const>0 - неизвестное постоянное запаздывание, C(t) и k(t) - параметры, алгоритмы настройки которых определяются следующим образом:
k
c
,где h=const>0, h=const>0- некоторые постоянные числа, определяющие настройку процесса адаптации; r(t) - сигнал с выхода задатчика давления, v(t) - выход нелинейного элемента типа зона нечувствительности, Δ - величина зоны нечувствительности нелинейного элемента.
Система функционирует следующим образом.
4
7
8
9
5
2
7
5
5
6
Выходной сигнал U=r задатчика давления 4 поступает на первый вход второго сумматора 5. На второй вход второго сумматора 5 поступает сигнал U=θ с выхода адаптивного регулятора 7, на второй вход которого подается сигнал U=q с выхода эталонного упредителя 8, на третий вход адаптивного регулятора 7 подается сигнал U=σ с выхода фильтр-корректора 9, на первый вход адаптивного регулятора поступает сигнал U=u с выхода второго сумматора. На вход фильтр-корректора 9 подается сигнал U=ϕ с выхода датчика давления 3, связанного с паровой магистралью 2. На первый вход эталонного упредителя 8 поступает сигнал U=θ с выхода адаптивного регулятора 7, на второй вход эталонного упредителя 8 поступает сигнал U=u с выхода второго сумматора 5. Выход второго сумматора 5 в виде сигнала U=u подается на вход исполнительного блока 6. С выхода исполнительного блока 6 сигнал U поступает на вход барабанного парового котла с топочным устройством 1, соединенного с паровой магистралью 2, на которые может действовать аддитивное, ограниченное по модулю, но незатухающее возмущение^), удовлетворяющее условиям
0
где ƒ(t) - ограниченное по модулю незатухающее возмущение, Е - некоторая константа.
10
11
5
12
16
5
18
9
13
17
9
l9
20
7
На фиг. 2 первый сумматор 10 осуществляет алгебраическое сложение с соответствующими знаками двух входов адаптивного регулятора и формирует сигнал U=е=σ-q, который подается на вход нелинейного элемента 11. Сигнал U=δ с выхода нелинейного элемента 11 подается на первый вход первого умножителя 12 и первый вход второго умножителя 13. На второй вход первого умножителя 12 подается сигнал U=u. Сигнал U=δ⋅u с выхода первого умножителя 12 подается на вход первого блока задания коэффициентов 14, с выхода которого подается на первый интегратор 16, где сигнал интегрируется в виде U=k и поступает на первый вход третьего умножителя 18, на второй вход которого подается сигнал U=u.. Сигнал U=g с выхода третьего умножителя подается на первый вход третьего сумматора 20. На второй вход второго умножителя 13 подается сигнал U=σ. Сигнал U=δ⋅σ с выхода второго умножителя 13 подается на вход второго блока задания коэффициентов 15, с выхода которого подается на второй интегратор 17, где интегрируется в виде U=C и поступает на первый вход четвертого умножителя 19, на второй вход которого подается сигнал U=σ. Сигнал U=j с выхода четвертого умножителя подается на второй вход третьего сумматора 20. Сигнал U=χ с выхода третьего сумматора 20 является выходом адаптивного регулятора U=θ.
21
22
24
23
8
На фиг. 3 четвертый сумматор 21 осуществляет алгебраическое сложение с соответствующими знаками двух входов эталонного упредителя и формирует сигнал U=ψ, который подается на первый вход пятого сумматора 22, на второй вход пятого сумматора 22 подается сигнал с выхода третьего интегратора 23, который в свою очередь формируется путем интегрирования сигнала U с постоянным коэффициентом  Сигнал с выхода третьего интегратора U подается на вход первого блока задания коэффициентов 24, в котором он умножается на коэффициент К, выход первого блока задания коэффициентов является выходом эталонного упредителя U=U=q, так что блоки 22, 23 и 24 реализуют эталонный упредитель - формула (4).
2
25
9
На фиг. 4 на вход блока  поступает сигнал U с выхода датчика давления 3. Выход блока  подается на вход блока  и на первый вход шестого сумматора 25. Выход блока  подается на вход блока  и на i-1 вход шестого сумматора 25. Выход блока  подается на i вход шестого сумматора 25. Выход шестого сумматора 25 U=ϑ является выходом фильтр-корректора 9 U=σ.
i-1
2
i-1
2
i
На фиг. 5 первый суммирующий вход седьмого сумматора 26 (для i-го звена) связан с выходом предыдущего звена U(или в случае первого звена U=ϕ), выход седьмого сумматора 26 связан с входом четвертого интегратора 27, в котором сигнал интегрируется с постоянным коэффициентом  выход четвертого интегратора связан с вторым входом седьмого сумматора 26 и первым входом восьмого сумматора 28, вход четвертого блока задания коэффициентов 29 связан с выходом предыдущего звена y (или в случае первого звена U=ϕ), в четвертом блоке задания коэффициентов сигнал умножается на коэффициент  выход четвертого блока задания коэффициентов связан с вторым входом восьмого сумматора 28, на выходе восьмого сумматора 28 формируется сигнал U, который является i-м входом шестого сумматора 25 и входом следующего звена  таким образом блоки 26, 27, 28, 29 реализуют i звено фильтр-корректора - формула (3).
Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей системы, т.е. улучшении качества работы для объектов, у которых измерению доступен только выходной сигнал, но не его производные, в случае существенного изменения параметров и наличии возмущений, при относительно простой реализации контура управления.
Данное устройство может быть реализовано промышленным способом, на основе стандартной элементарной базы.