Согласно указу Президента России №309 [1], одной из национальных целей развития Российской Федерации является «экологическое благополучие», в рамках чего планируется снижение выбросов загрязняющих веществ, оказывающих наибольшее негативное воздействие на окружающую среду и здоровье человека.
В этой статье уделено внимание повышению эффективности работы индивидуального теплового пункта, а именно повышению точности настройки регулятора расхода системы отопления с учётом тепловых характеристик здания, что, в свою очередь, приводит к снижению перерасхода теплоносителя и, как следствие, к сокращению количества сжигаемого топлива и уменьшению числа вредных выбросов с котельных и тепловых станций.
Процесс автоматизации теплового пункта неотъемлемо связан с метрологическим оборудованием в виде датчиков, преобразователей. Выбор контрольно-измерительных приборов связан с параметрами измеряемой среды. Поэтому выбираются приборы, которые удовлетворяют всем необходимым требованиям по диапазону измерения, допустимым погрешностям, условиям работы в зависимости от их установки и прочее. Информация, получаемая от датчиков, используется для регулирования параметров. В частности, в этой статье рассматривается процесс регулирования расхода сетевой воды на отопление, необходимого для снижения перерасхода теплоносителя, исключения «перетопов» в зданиях и обеспечения комфортной жизнедеятельности граждан.
Обзор типовых настроек ПИД-регуляторов в ИТП
В настоящее время наиболее распространённым типом регулирования, применяемого для управления непрерывными технологическими процессами, является пропорционально-интегрально-дифференциальное (ПИД). Основная сложность использования ПИД-регулятора заключается в расчёте наиболее оптимальных параметров настройки коэффициентов.
Величина пропорциональной (П) составляющей позволяет изменять сигнал на выходе контроллера пропорционально ошибке. Основным недостатком использования лишь одного пропорционального управления является отклонение от установленного значения.
Во избежание ошибки добавляется управление контроллером с помощью интегральной составляющей, реализующей изменение выходного сигнала с течением времени для снижения имеющейся ошибки. Причём более длинное время интегрирования приводит к более медленному интегральному реагированию — и наоборот.
Для повышения качества работы системы в результате уменьшения времени реагирования интегральной (И) составляющей на возмущения используют дифференциальное управление, обеспечивающее сигнал, основанный на скорости изменения ошибки. Такой режим производит большее управляющее действие в случае изменения ошибки с большей скоростью, но при этом повышается чувствительность системы. При установлении слишком высокого значения постоянной времени в системе могут возникнуть колебания и неустойчивость.
Следовательно, настройка параметров ПИД-регулятора включает в себя определение коэффициента пропорциональности Kр, постоянной времени интегрирования Tи, а также дифференциального времени Tд.
Принципиальная блок-схема ПИД-регулятора в управляющем контуре с обратной связью. ПИД-регулятор даёт возможность использования трёх контрольных членов пропорционального, интегрального и производного влияния на выход регулятора для применения точного и оптимального управления машинами и процессами, требующими автоматической регулировки
Различают следующие способы настройки ПИД-регуляторов [2]:
1. Ручная настройка заключается в последовательном подборе параметров с поочерёдным занулением каждой из составляющих, отсюда, исходя из графиков переходного процесса, получают требуемые значения. Данный метод является эвристическим и требует больших знаний в области практического применения регуляторов для реальных автоматических систем регулирования. Подобный подход подразумевает настройку на действующем технологическом объекте, что может негативно сказываться на качестве его эксплуатации и провоцировать ситуации нарушения безопасности.
2. Метод Циглера — Никольса основан на вычислении коэффициентов регулятора при помощи эмпирических формул, которые требуют построения переходной характеристики объекта и определения графическим способом из них необходимых параметров. В качестве критерия настройки используется декремент затухания. На данный момент разработано множество формул, применяемых в зависимости от конкретной системы автоматического управления, но в этом и заключается проблема использования метода, поскольку он обладает низкой универсальностью. Рассматриваемый метод учитывает только два параметра для описания объекта, поэтому полученные результаты настройки могут сильно отличаться от оптимальных, а также в него не закладываются требования к запасу устойчивости, что может неблагоприятно сказываться на безопасности работы системы. Существенным преимуществом является простота применения и доступность даже для персонала средней квалификации.
3. Метод Чина — Хронеса — Ресвика схож с предыдущим способом настройки, заключающемся в определении коэффициентов по эмпирическим зависимостям, но в этом способе критерием качества настройки служит максимальная скорость нарастания при отсутствии перерегулирования, что позволяет достичь большего запаса устойчивости.
4. Численные методы оптимизации [3] предполагают выбор критерия минимизации с последующим автоматическим вычислением коэффициентов. Обладая оптимальными значениями параметров, не требующих дальнейшей подстройки, подобный способ осложняется низкой надёжностью, длительностью процесса поиска минимума, в связи с чем имеет ограниченное применение.
Для индивидуального теплового пункта, имеющего небольшую скорость изменения рабочих параметров, для использования выбираем ПИД-регулятор с занулённой Д-составляющей.
Главное учебное здание НИУ «МЭИ» (корпуса А, Б, В, Г, Д) в городе Москве
Описание объекта
Объектом исследования стал индивидуальный тепловой пункт, обеспечивающий передачу тепловой энергии из центральной сети к корпусу Е НИУ «МЭИ». Объект расположен в климатических условиях города Москвы, что подразумевает следующие параметры согласно [4]: абсолютная минимальная температура за весь период наблюдения tmin = −43°C, температура наиболее холодной пятилетки tБнх = −26°C, средняя температура за отопительный период tнср.о = −2,2°C, средняя относительная влажность воздуха наиболее холодного месяца ϕнх = 84%, продолжительность отопительного периода — 205 суток, преобладающим направлением ветра за декабрь-февраль является западное. Здание введено в эксплуатацию в 1930-х годах, стены и перекрытия выполнены из кирпича.
«Лабораторный» корпус Е НИУ «МЭИ» в городе Москве
Основные характеристики здания представлены в табл. 1.
В качестве исходных данных был взят температурный график работы тепловой сети от ТЭЦ-11. В индивидуальном тепловом пункте водоподогреватели горячего водоснабжения подключены по двухступенчатой последовательной схеме, система отопления присоединена независимо.
Расчёт настроек регулятора
Для наиболее часто встречающихся на практике переходных характеристик объектов по регулирующим каналам, особенностью которых является отсутствие в их составе колебательных составляющих, исследуемый объект управления может быть представлен в виде последовательного соединения апериодического звена и звена запаздывания.
Расчёт параметров ПИД-регулятора будем вести по вспомогательной функции при ограничении на частотный показатель колебательности при М = 1,55. Выбираем показатель, исходя из обеспечения допустимого запаса устойчивости 1,5 ≤ М ≤ 1,7 [5]. В качестве критерия оптимальности принимаем линейный интегральный показатель.
По графику вспомогательной функции определяем резонансную частоту, достигаемую при первом положительном максимуме функции, оптимальное значение интегральной составляющей, в результате чего определяем оптимальные настройки ПИД-регулятора.
Построение переходного процесса в объекте управления осуществляется с помощью среды моделирования Simulink. На вход в систему подаётся воздействие единичной величины, задаваемое в блоке step. На вход в ПИД-регулятор по каналу обратной связи через сумматор sum передаётся сигнал рассогласования. Настройки блока PID controller задаются исходя из их расчёта по вспомогательной функции. Передаточная функция инерционного звена первого порядка отображается в Transfer fcn. Для этого в его настройки вносятся значения коэффициента передачи и постоянной времени звена. Запаздывание системы задаётся в Transport delay. На выходе системы в блоке scope получаем искомый переходный процесс.
Согласно полученному переходному процессу, система имеет следующие показатели качества при возмущении на входе регулятора: динамическое отклонение yдин = 0,35; максимальное отклонение ymax = 1,35; время регулирования tрег = 5000 с; степень затухания ψ = 0,929.
Заключение
Для повышения эффективности автоматизированной системы управления теплового пункта, расположенного в корпусе Е Национального исследовательского университета «МЭИ» в городе Москве (улица Красноказарменная, д. 13, стр. 1), были проанализированы основные характеристики объекта, влияющие на тепловую инерционность здания и его основные тепловые потери. По составленному техническому плану были определены основные характеристики здания, в котором расположен тепловой пункт, основные параметры настройки ПИД-регулятора. Расчёт оптимальных настроек проводился на регуляторе расхода, установленном перед системой отопления, по основным законам теории автоматического управления с исходными данными, полученными с прибора учёта за один отопительный сезон.
