загрузка...
загрузка...
На головну

СУДОВА КОТЕЛЬНАЯ ВСТАНОВЛЕННЯ як об'єкт АВТОМАТИЗАЦІЇ

Дивіться також:
  1. II. ЛАБОРАТОРНА ДІАГНОСТИКА РІВНЯ ЗАБРУДНЕННЯ ОБ'ЄКТІВ ЗОВНІШНЬОГО СЕРЕДОВИЩА
  2. PR-текст як об'єкт наукового вивчення.
  3. Status praesens (Дані об'єктивного обстеження).
  4. V етап. Синтез комп'ютерної моделі об'єкта.
  5. XI. ОРГАНІЗАЦІЯ УПРАВЛІННЯ ТА ПІДВИЩЕННЯ СТІЙКОСТІ ФУНКЦІОНУВАННЯ ОБ'ЄКТІВ
  6. А. Основні поняття і визначення аварії на хімічно небезпечному об'єкті.
  7. А. Основні поняття про пожежо- і вибухонебезпечних об'єктах.
  8. Аварії на радіаційно небезпечних об'єктах
  9. Аварії на радіаційно-небезпечних об'єктах
  10. Аварії на хімічно небезпечних об'єктах
  11. АНАЛІЗ НАЙКРАЩОГО І НАЙБІЛЬШ ЕФЕКТИВНОГО ВИКОРИСТАННЯ оцінюваних об'єктів

Примітка. Поняття «повна ММ» та «макромодель» відносні і зазвичай використовуються для розрізнення двох моделей, що відображають різну ступінь детальності опису властивостей об'єкта.

За способом подання властивостей об'єкта функціональні ММ діляться на аналітичні та алгоритмічні.

Аналітичні ММ являють собою явні вирази вихідних параметрів як функцій вхідних і внутрішніх параметрів, т. Е. Мають вигляд (1.1). Такі ММ характеризуються високою економічністю, однак отримання форми (1.1) вдається лише в окремих приватних випадках, як правило, при прийнятті суттєвих припущень і обмежень, що знижують точність і звужують область адекватності моделі.

Алгоритмічні ММ висловлюють зв'язку вихідних параметрів з параметрами внутрішніми і зовнішніми

чисельного методу розв'язання та алгоритмом обчислення вектора вихідних параметрів як функціоналів рішення системи рівнянь V (z).

Їм і т а ц і о н н а я ММ - алгоритмічна модель, що відображає поведінку досліджуваного об'єкта в часі при завданні зовнішніх впливів на об'єкт. Прикладами імітаційних ММ можуть служити моделі динамічних об'єктів у вигляді систем ОДУ і моделі систем масового обслуговування, задані в алгоритмічній формі.

Для отримання ММ використовують методи неформальні і формальні.

Неформальні методи застосовують на різних ієрархічних рівнях для отримання ММ елементів. Ці методи включають вивчення закономірностей процесів і явищ, пов'язаних з модельований об'єктом, виділення істотних факторів, прийняття різного роду припущень і їх обгрунтування, математичну інтерпретацію наявних відомостей і т. П. Для виконання цих операцій в загальному випадку відсутні формальні методи, в той же час від результату цих операцій істотно залежать показники ефективності ММ - ступінь універсальності, точність, економічність. Тому побудова ММ елементів, як правило, здійснюється кваліфікованими фахівцями, які отримали підготовку як у відповідній предметній області, так і в питаннях математичного моделювання на ЕОМ.

Застосування неформальних методів можливо для синтезу ММ теоретичних і емпіричних. Теоретичні ММ створюються в результаті дослідження процесів і їх закономірностей, властивих розглядався класу об'єктів і явищ; емпіричні ММ - в результаті вивчення зовнішніх проявів властивостей об'єкта за допомогою вимірювань фазових змінних на зовнішніх входах і виходах і обробки результатів вимірювань.

Рішення задач моделювання елементів полегшується завдяки тому, що для побудови більшості технічних об'єктів використовуються типові елементи (кількість типів порівняно невелика). Тому розробка ММ елементів проводиться порівняно рідко. Одного разу створені ММ елементів надалі багаторазово застосовують при розробці різноманітних систем з цих елементів. Прикладами таких ММ на мікрорівні служать опису кінцевих елементів для аналізу напружено-деформованого стану деталей, безліч типів кінцевих елементів включає стрижні, плоскі елементи в формі трикутників і чотирикутників, тривимірні елементи типу паралелепіпеда, тетраедра і т. П .; прикладами ММ геометричних елементів можуть служити рівняння ліній прямих, дуг кіл, площин і поверхонь другого порядку; прикладами ММ елементів на макрорівні є ММ елементів інтегральних схем - транзисторів, діодів, резисторів, конденсаторів.

Формальні методи застосовують для отримання ММ систем при відомих математичних моделях елементів.

Таким чином, в програмах автоматизованого аналізу, що використовуються в САПР, отримання ММ проектованих об'єктів забезпечується реалізацією ММ елементів і методів формування ММ систем.

Методика отримання математичних моделей елементів. У загальному випадку процедура отримання математичних моделей елементів включає в себе наступні операції:

1. Вибір властивостей об'єкта, які підлягають відображенню в моделі. Цей вибір заснований на аналізі можливих застосувань моделі і визначає ступінь універсальності ММ.

2. Збір вихідної інформації про обрані властивості об'єкта. Джерелами відомостей можуть бути досвід і знання інженера, який розробляє модель, науково-технічна література, насамперед довідкова, опису прототипів - наявних ММ для елементів, близьких за своїми властивостями до досліджуваного, результати експериментального вимірювання параметрів і т. П.

3. Синтез структури ММ. структура ММ- Загальний вид математичних співвідношень моделі без конкретизації числових значень фігурують в них параметрів. Структура моделі може бути представлена також в графічній формі, наприклад у вигляді еквівалентної схеми або графа. синтез структури - Найбільш відповідальна і з найбільшою працею піддається формалізації операція.

4. Розрахунок числових значень параметрів ММ. Це завдання ставиться як задача мінімізації похибки моделі заданої структури, т. Е.

Min ?m (X),

x € xд

де Х - вектор параметрів моделі; ХД - область варіювання параметрів, ?m визначається відповідно до (2.1) і (2.2), де

yjM - Функція від X, а уj іст визначаються за результатами експериментів або фізичних, або чисельних з використанням точніших ММ, якщо такі є в ієрархічному ряду ММ.

5. Оцінка точності і адекватності ММ. Для оцінки точності повинні використовуватися значення уj іст, Які не фігурували при вирішенні задачі (2.3).

Велику цінність для користувача представляють не оцінки похибки ?m, Виконані в одній-двох випадкових точках простору зовнішніх змінних, а відомості про область адекватності (OA). Однак опрелеленія OA вимагає великих витрат машинного часу. Тому розрахунок OA виконується тільки при ретельній відпрацювання ММ уніфікованих елементів, призначених для багаторазового застосування.

Так як розрахунок і подання відомостей про OA в багатовимірному просторі скрутні, то використовують апроксимації області адекватності, що позначаються ОАА. Для людини найбільш зручні ОАА у вигляді вписаного в область адекватності гіперпаралелепіпеда зі сторонами, паралельними координатним осях. Графічна ілюстрація OA і ОАА для двовимірного простору зовнішніх змінних Q = (q1 q2)представлена на рис.2.1., де ОА обмежена лініями J = 1, J = 2, J = 3 задаються рівняннями / ?j(Q) / = ?, J = 1,2,3 ОАА виділена на малюнку штрихуванням. Відомості про ОАА представляються у вигляді діапазонів зміни зовнішніх змінних, в яких модель адекватна (з точністю ?):

q ''1 q1  q ''1 ; q ''2 q2  q ''2

 Мал. 2.1.

Іншою можливою формою ОАА є область, що отримується з області адекватності за допомогою лінеаризації її кордонів.

Така форма незручна для сприйняття людиною, але краща при автоматичному контролі адекватності моделі в процесі обчислень на ЕОМ.

При отриманні ММ операції 2-5 методики можуть виконуватися багаторазово в процесі послідовних наближень до бажаного результату.

Перетворення математичних моделей в процесі отримання робочих програм аналізу.Вище були определеникласси функціональних ММ на різних ієрархічних рівнях як системи рівнянь певного типу. Реалізація таких моделей на ЕОМ має на увазі вибір чисельного методу розв'язання рівнянь і перетворення рівнянь відповідно до особливостей обраного методу. Кінцева мета преобразованій- отримання робочої програми аналізу у вигляді послідовності елементарних дій (арифметичних і логічних операцій), що реалізуються командами ЕОМ. Всі зазначені перетворення вихідної ММ в послідовність елементарних дій ЕОМ виконує автоматично за спеціальними програмами, створюваним інженером-розробником САПР. Інженер-користувач САПР повинен лише вказати, які програми з наявних він хоче використовувати. Процес перетворень ММ, що відносяться до різних ієрархічних рівнях, ілюструє рис. 2.2.

Інженер-користувач задає вихідну інформацію про аналізованому об'єкті і про проектних процедурах, що підлягають виконанню, на зручному для нього проблемно-орієнтованому вхідному мові програмного комплексу. Гілки 1 на рис. 2.2 відповідає постановка задачі, що відноситься

До мікрорівня, як крайової, найчастіше у вигляді ДУЧП.

 мікрорівень
 макрорівень
 метауровень
 ДУЧП
 АУ
 ОДУ
 ЛАУ
 специфічні моделі
 Послідовність елементарних операцій


1 3 8 11

2 4 9

6 12

5 7

Мал. 2.2

Чисельні методи розв'язання ДУЧП засновані на дискретизації змінних і алгебраизации завдання. Дискретизація полягає в заміні неперервних змінних кінцевим безліччю їх значень в заданих для дослідження просторовому і тимчасовому інтервалах; алгебраізація - в заміні похідних алгебраїчними співвідношеннями.

Застосовують різні способи дискретизації і алгебраизации змінних при вирішенні ДУЧП. Ці способи становлять сутність методів числового рішення; більшість використовуваних методів відноситься або до методів кінцевих різниць, або до методів кінцевих елементів. Якщо ДУЧП стаціонарне (т. Е. Описує статичні стану), то дискретизація і алгебраізація перетворює ДУЧП в систему алгебраїчних рівнянь, в загальному випадку нелінійних (гілка 2 на рис. 2.2). Якщо ДУЧП нестаціонарне (т. Е. Описує змінюються в часі і просторі поля змінних), то дискретизацию і алгебраізація можна що з двох етапів: 1) усунення похідних по просторових координатах (гілка 3), результат - система ОДУ; 2) усунення похідних за часом (гілка 4).

Для числового рішення ОДУ за заданими початковими умовами (завдання Коші) розроблено велику кількість чисельних методів, причому багато хто з ефективних методів отримали розвиток під впливом потреб автоматизованого проектування. Специфіка алгебраизации похідних за часом і обумовлює доцільність виділення для гілки 4 спеціальних засобів математичного і програмного забезпечення, відмінних від таких же коштів для гілок 2 і 3.

Зведення задачі рішення алгебраїчних рівнянь до послідовності елементарних операцій може бути або безпосереднім (гілка 5), наприклад на основі методів простих ітерацій або релаксації, або за посередництвом попередньої лінеаризації рівнянь (гілка 6), що становить сутність методу Ньютона. Рішення системи лінійних алгебраїчних рівнянь в цьому випадку (гілка 7) виконується за допомогою прямих методів, наприклад методу Гаусса.

Гілки 8 на рис. 2.2 відповідає перетворення вихідного опису завдання, що відноситься до макрорівня, в систему ОДУ з відомими початковими умовами. Якщо це система нелінійних ОДУ, то подальші перетворення відбуваються по охарактеризованих вище гілкам 4, 6, 7 або 4, 5; якщо ж система лінійних. ОДУ, то доцільний безпосередній перехід до системи лінійних алгебраїчних рівнянь (гілка 9).

Для аналізу об'єктів на метауровне застосовують або перехід до системи ОДУ (гілка 10), або перехід до систем логічних рівнянь, моделям масового обслуговування або аналітичним моделям, що відображає спрощено техніко-економічні показники об'єкта (гілка 11). Зведення цих форм моделей в послідовність елементарних обчислювальних операцій (гілка 12) не викликає ускладнень.

Сказане показує важливе значення, що відводиться в математичному забезпеченні САПР чисельним методам вирішення систем ОДУ, нелінійних і лінійних алгебраїчних рівнянь. З рис. 2.2 також видно, що такі системи рівнянь доводиться вирішувати при проектуванні об'єктів на мікро- і макрорівнях, а часто і на метауровне. Від ефективності цих методів істотно залежить загальна ефективність виконання проектних процедур функціонального проектування.

П р и м і т а н і е. Детальний розгляд чисельних методів розв'язання систем рівнянь, які використовуються в САПР, виконано в книзі 5 цієї серії.

Формалізація отримання математичних моделей систем (MМС). Вище вказувалося, що процедури отримання математичних моделей систем (ММС) в САПР, як правило, формалізовані.

Розглянемо підходи до формалізованого отримання ММС на прикладі перетворень, відповідних гілкам 8 і 4 на рис. 2.2.

Опис об'єкта на вхідній мові програмного комплексу аналізу, обслуговуючого макрорівень, являє собою послідовність рядків, кожен з яких характеризує черговий елемент об'єкта. У рядку зазвичай записується наступна інформація:

1. Позначення виду елемента. Прикладами видів елементів і їх позначень можуть служити в гідравлічних системах: гідроциліндр GC, гідроклапан GK, джерело тиску ЕР, джерело витрати IQ, сильфон SF, гідросопротівленіе турбулентний TGPR і ламинарное LGPR, гідроємностей GPC; в інтегральних схемах: біполярний транзистор TN, діод D, резистор R, ємність С ,. джерело струму I, джерело напруги Е.

2. Ідентифікатор математичної моделі елемента ,, який вказує, яку з наявних моделей потрібно застосувати. Іноді ідентифікатор ММ ототожнюють з позначенням виду елемента, тоді для одного і того ж виду елемента можуть використовуватися кілька різних позначень.

3. Номер елемента, що дозволяє відрізнити даний елемент від інших елементів того ж виду в складі об'єкта.

4. Спосіб з'єднання даного елементу з іншими елементами об'єкта, зазвичай виражається номерами вузлів, до яких підключаються зовнішні зв'язки елемента. Вузли та зв'язку з'являються тому, що на макрорівні об'єкт представляється у вигляді кінцевого числа елементів, пов'язаних з іншими елементами кінцевим числом зв'язків. Перед описом об'єкта на вхідній мові зручно скласти опис у вигляді еквівалентної схеми або графа, де гілки (ребра) відповідають елементам, а вузли
 (Вершини) -зв'язків елемента. Вузли нумеруються. При описі елемента на вхідній мові вказуються номера вузлів, відповідні з'єднанням елемента.

5. Числові значення параметрів елемента. Якщо елемент є уніфікованим і характеризується великою кількістю параметрів, то числові значення параметрів вводяться в пам'ять ЕОМ заздалегідь і зберігаються там у вигляді деякого масиву. Тоді допускається при описі елемента замість перерахування значень параметрів вказувати ідентифікатор масиву параметрів. Цей ідентифікатор зазвичай збігається з найменуванням типу елемента. Наприклад, на вхідній мові комплексу ПА-6 рядок, що описує пружний стрижень в механічній системі, має вигляд

UPK У1 У2 Х; Х2; ХЗ,

де UP - ідентифікатор стержня, що співпадає з ідентифікатором математичної моделі; К його номер: У1 і У2 - номери вузлів, з якими пов'язаний стрижень; XI, Х2 і ХЗ - значення параметрів, ними є довжина, площа поперечного перерізу і модуль поздовжньої пружності.

Вказівка ідентифікатора ММ для кожного елемента відповідає завданням рівнянь ММ елементів - компонентних рівнянь. компонентні рівняння можна записати у вигляді

F1 (dU / dt, V, t) = 0, (2.4)

де V = (U, W) вектор фазових змінних; U - підвектора фазових змінних, що безпосередньо характеризують запаси енергії в елементах об'єкта; t- час.

Кожне з композитних рівнянь пов'язує різнотипні фазові змінні, які стосуються чергового елементу. Відзначимо, що фазові змінні можуть бути або змінними типу потенціалу (електричні напруги, температури, тиску, швидкості), або змінними типу потоку (це електричні струми, теплові потоки, витрати, сили).

Вказівка способу зв'язку елементів один з одним відповідає завданням топологічних рівнянь, що представляють собою співвідношення між однотипними фазовими змінними, що відносяться до різних елементів:

F2(V) = 0. (2.5)

Топологічні рівняння виражають умови рівноваги сил, закони збереження, умови нерозривності і т. П. Їх прикладом можуть служити рівняння законів Кірхгофа.

Дискретизація і алгебраізація моделі при числовому розв'язанні (2.4) і (2.5) засновані на заміні змінних tі V кінцевим безліччю значень tk,що належать заданому відрізку інтегрування, і безліччю значень вектора фазових змінних Vk= V (tk). Якщо позначити через Zk значення вектора похідних dU / dt в точці tk,то система алгебродіфференціальних рівнянь (2.4) і (2.5) виявляється представленої у вигляді системи алгебраїчних рівнянь

F1 (zk,Uk,Wk, tk) =0; (2.6)

F2(Uk, Wk) = 0. (2.7)

Якщо стан кожного елемента об'єкта характеризується однієї змінної типу потенціалу і однієї змінної типу потоку, а кількість елементів в об'єкті одно ?,то підсистема (2.6) складається з ?рівнянь з 2? + ?невідомими, а підсистема (2.7) -з ?рівнянь з тими ж невідомими (тут ?- Розмірність вектора U, яка дорівнює кількості реактивних елементів, т. Е. Елементів, в компонентних рівняннях яких є похідні фазових змінних за часом). Для вирішення системи алгебраїчних рівнянь (2.6), (2.7) потрібно її доопределить за допомогою ?рівнянь з уже введеними змінними zk,Uk. Таке доопределение здійснюється за допомогою формул чисельного інтегрування:

F3(Zk, Uk) = 0. (2.8)

В САПР переважно використовуються формули виду

Zk = ?kUk + ?k, (2.9)

де ?k залежить від порядку методу інтегрування і величини кроку дискретизації змінної t (кроку інтегрування); ?k, Залежить також від значень підвектора фазових змінних U на одному або декількох попередніх кроках. Наприклад, найпростіша формула чисельного інтегрування має вигляд Zk = (Uk-Uk-1) / Hk, Де hk= tk-tk-1 - Крок інтегрування.

Систему алгебраїчних рівнянь (2.6) - (2.8) потрібно вирішувати для кожного виділеного моменту часу tk. Оскільки відомі початкові умови t0 і U0, Спочатку вирішується система рівнянь для моментів часу t1з невідомими Z1 і V1, Далі для моменту часу t2 і т. д. На кожному черговому кроці значення U від попередніх кроків відомі і, отже, визначені коефіцієнтом ?kі ?k у формулі (2.9).

Таким чином, вихідне опис завдання на вхідній мові при наявності підпрограм моделей елементів, підпрограм чисельних методів і програм, які формують топологічні рівняння, означає завдання ММС у вигляді вихідної системи алгебраїчних рівнянь (2.6) - (2.8). Подальші перетворення цієї моделі зазвичай спрямовані на зниження порядку системи рівнянь і приведення її до вигляду, прийнятого в обраному чисельному методі рішення алгебраїчних рівнянь.

Судова котельня установка (СКУ) складається з:

1) Одного або декількох котлів (допоміжних і утилізованого);

2) допоміжних механізмів обслуговуючих котли (поживні і паливні насоси, вентилятори);

3) теплообмінних апаратів (підігрівачі палива і води);

4) Трубопроводів з'єднувальні елементи котельні установки.

У котельних установках автоматизуються:

1) Робота котла на постійних навантаженнях і перехідних режимах;

2) Пуск і зупинка котла;

3) Захист в аварійних ситуаціях;

4) Контроль за роботою установки аварійно - попереджувальної сигналізації (АПС).

Якщо на судні встановлено централізована інформаційно - вимірювальна система (ІВС), то контроль параметрів котельні установки проводиться паралельно ІВС і системою автоматики КУ.

Робочий процес котла полягає в перетворенні теплової енергії, що виділяється в топці при спалюванні палива, в потенційну енергію пара характеризується тиск і температурою пари. Цей процес відбувається при підводі до котла трьох середовищ (води, палива і повітря) і відведення від котла двох середовищ (пара і продуктів згоряння).

Стан роботи котла характеризується значенням наступних величин:

1) Тиск пара в казані;

2) Рівень води в котлі;

3) Коефіцієнт надлишку повітря;

4) Температура пара (при наявності пароперегрівачів).

Завданням автоматизації котельної установки є:

- Підтримання перерахованих величин на заданих значеннях, на сталих і перехідних режимах котла.

Таким чином, ці величини є регульовані величини КУ.

У суднових парових котлів природної циркуляції пароперегрівача, температура як правило не регулюється.

До допоміжних регульованим величинам відносяться:

1) В'язкість або температура палива, що подається в котел;

2) Тиску палива в паливній магістралі;

3) Тиск палива перед форсункою;

4) Перепад тиску повітря на повітря направляющем пристрої котла;

 Отже, КУ має кілька регульованих величин і є багатовимірним об'єктом регулювання. САР КУ є багатовимірною системою, що містить кілька регуляторів. Частина з них є автономними, а частина взаємопов'язані.

Мал. 1.1 Функціональна схема автоматизації котельної установки.

На схемі позначено:

ПН - Живильний насос, що подає живильну воду в котел з якої виходить пар йде на споживачі;

ТН - паливний насос;

КВ- Котельний вентилятор;

форсунка- Служить для розпилювання палива;

ВНУ - Повітря направляючий пристрій, що створює турбулентний закручений потік повітря подається в топку котла;

ПТ- Підігрівач палива;

ПК- Живильний клапан, що змінює витрата живильної води;

ТРЗ -паливо регулює золотник, що змінює витрата палива;

ВРЗ- Повітря регульована заслінка;

КС - Регулюючий клапан зливу палива, підтримує необхідний тиск палива;

КП -регулюючий клапан, що гріє пара;

КОП - Клапан відбору пара на споживачів.

Стан роботи котла визначається такими величинами:

dп - Витрата пара з котла на споживачів (навантаження котла);

Gпв- Витрата живильної води;

 - Витрата палива в котел;

Gсл - Витрата палива на слив з паливної магістралі;

Dгп - Витрата пари, що гріє на підігрівач палива;

 - Тиск пари в котлі;

 - Рівень води в котлі;

 - Тиск палива в паливній магістралі;

 - Температура палива за підігрівачем;

- В'язкість палива;

РТФ- Тиск палива перед форсункою;

Рм - Тиск повітря в повітропроводі котла перед ВНУ.

Таблиця 1.1. Склад регуляторів в котельної установки:

 Найменування регулятора  регульована величина  регулюючий вплив  навантаження ЗР  РВ
 Регулятор рівня води  Нк  Gпв  dп  ПК
 Регулятор тиску пара  Рк  Gт  dп  ТРЗ
 Регулятор витрати повітря  Рм  Gв  Gт  ВРЗ
 Регулятор в'язкості (або температури) палива  ?т (tт)  Gгп  Gт  КП
 Регулятор тиску палива  рт  Gсл  Gт  КС
ПРОЕКТУВАННЯ «-- попередня | наступна --» СУДОВА КОТЕЛЬНАЯ ВСТАНОВЛЕННЯ як об'єкт АВТОМАТИЗАЦІЇ.
загрузка...
© om.net.ua