3 Синтез сау индивидуального теплового пункта
3.1 Разработка структурной схемы индивидуального теплового пункта
Для предложенных в предыдущем разделе решений необходимо определить алгоритмы управления по рассмотренным контуру управления. На рис.3.1 приведена структурная схема индивидуального теплового пункта.
Рисунок 3.1 – Структурная схема САУ индивидуального теплового пункта
На схеме (рис. 3.1) видно, что на вход подают заданную температуру tзад, затем вычисляется рассогласование между tзад и tтек. Это достигается за счёт использования обратной связи. Данная система является одноконтурной. Этот контур обеспечивает регулирование температуры воды.
Управляющая величина Wрег воздействует на исполнительный механизм Wим, представленный одношаговым двигателем. Двигатель приводит в движение регулирующий орган Wро (задвижку), которая регулирует расход горячей воды из теплосети, поступающей на теплообменник для поддержания заданной температуры.
3.2 Математическая модель САУ индивидуального теплового пункта
Из технической литературы известно, что если рассматривать ИТП как черный ящик со входом в виде расхода воды и выходом в виде температуры, то поведение ИТП можно описать следующей передаточной функцией:
где k – коэффициент усиления, равный отношению температуры к расходу воды, необходимому для поддержания этой температуры;
– постоянная времени объекта управления.
Исполнительный механизм и рабочий орган можно также описать передаточными функциями апериодического звена первого порядка.
Подставив в структурную схему (рис.3.1) передаточные функции получим модель САУ ИТП (рис.3.2).
Рисунок 3.2 – Модель САУ индивидуального теплового пункта с обратной связью
3.3 Анализ качества управления САУ ИТП без регулятора
Моделирование переходных процессов в САУ ИТП осуществлялось в пакете simulink программного комплекса Matlab. На рис.3.3 приведена переходная характеристика силы тока, подающаяся на исполнительный механизм, на рис.3.4 – переходная характеристика степени открытия задвижки, на рис.3.5 – переходная характеристика расхода воды. На рис.3.6 – переходная характеристика температуры на выходе
Рисунок 3.3 – Переходная характеристика силы тока, подающейся на исполнительный механизм
Рисунок 3.4 – Переходная характеристика степени открытия задвижки
Рисунок 3.5 – Переходная характеристика расхода воды
Рисунок 3.6 – Переходная характеристика температуры на выходе
Проанализировав полученные результаты, можно убедиться в том, что для данной системы необходимо провести регулирование. Это видно по многим причинам, таким как большое перерегулирование на всех графиках, колебательный процесс расхода воды и то, что в итоге нужная температура не была достигнута. Было принято решения использовать ПИД-регулятор для улучшения работоспособности САУ.
3.4 Анализ качества управления САУ ИТП с регулятором
В процессе настройки и анализа регулятора стало ясно, что основное влияние производит только интегральная составляющая, поэтому для простоты реализации принимаем И-регулятор. Его настройки можно увидеть на рис 3.7.
Рисунок 3.7 – Настройки блока регулятора.
Схема с И-регулятором приведена на рисунке 3.8.
Рисунок 3.8 – Модель САУ индивидуального теплового пункта с обратной связью и И-регулятором
На рис.3.9 приведена переходная характеристика силы тока, подающаяся на исполнительный механизм с использованием И-регулятора, на рис.3.10 – переходная характеристика степени открытия задвижки, на рис.3.11 – переходная характеристика расхода воды. На рис.3.12 – переходная характеристика температуры на выходе
Рисунок 3.9 – Переходная характеристика силы тока, подающейся на исполнительный механизм
Рисунок 3.10 – Переходная характеристика степени открытия задвижки
Рисунок 3.11 – Переходная характеристика расхода воды
Рисунок 3.12 – Переходная характеристика температуры на выходе
Проанализировав полученные результаты, можно убедиться в том, что необходимая температура была достигнута. Процесс ведёт себя стабильно на всех графиках, колебательный процесс больше не наблюдается. Так как мы убедились в том, что И-регулятор нам подходит, было подано возмущающее воздействие, чтобы проверить работоспособность САУ при наличии возмущений. В качестве возмущения подаётся температура воды из обратного трубопровода.
На рис.3.13 приведена переходная характеристика силы тока, подающаяся на исполнительный механизм с использованием И-регулятора и подачей возмущения, на рис.3.14 – переходная характеристика степени открытия задвижки, на рис.3.15 – переходная характеристика расхода воды. На рис.3.16 – переходная характеристика температуры на выходе
Рисунок 3.13 – Переходная характеристика силы тока, подающаяся на исполнительный механизм
Рисунок 3.14 – Переходная характеристика степени открытия задвижки после регулирования, учитывая возмущающие воздействия
Рисунок 3.15 – Переходная характеристика расхода воды после регулирования, учитывая возмущающие воздействия
Рисунок 3.16 – Переходная характеристика температуры на выходе после регулирования, учитывая возмущающие воздействия
Анализ графиков на рис. 3.13 – 3.16 показывает, что поставленные задачи были выполнены. Система не работает на пределе своих возможностей после подачи на неё возмущающего воздействия, температура возвращается к нужному значению за приемлемое время.
3.5 Выводы
В данном разделе выполнен синтез САУ ИТП. Разработанная модель индивидуального теплового пункта позволила исследовать характеристики данного объекта управления. Предложена реализация одноконтурной САУ. Выполненное моделирование подтвердило эффективность полученных настроек: статическая ошибка и перерегулирование отсутствуют, следовательно, данная система пригодна для эксплуатации в установившемся режиме.
Разработанная САУ теплового пункта с предложенным И-регулятором и рассчитанными настройками позволяет полностью выполнить требования, что подтверждено результатами моделирования.