Имитационное моделирование динамических процессов системы управления отоплением здания с автоматизированным индивидуальным тепловым пунктом при изменении параметров и структуры регулятора

С помощью имитационного моделирования исследуем особенности управления автоматизированным ИТП с пропорциональноинтегральным и интегральным законами регулирования, формируемыми блоком регулирования БР совместно с исполнительным механизмом при неизменных параметрах системы (см. рис. 4.14). При моделировании используем параметры оборудования Danfoss - исполнительного механизма АМЕ 20, регулирующего клапана VB2, датчиков температуры ESMU и ESMT, характеристики которых представлены в табл. 5.2-5.4. Исходные параметры для имитационного моделирования, за исключением коэффициентов блока БР, представлены в табл. 5.4. По аналогии с [121] в начальный момент времени t = 0 выполняется переход автоматизированного ИТП в режим пониженного теплопотребления, путем уменьшения температуры Т$ на 5 °С (за счет отклонения Та). Длительность моделирования для исследуемых случаев составляет 1 час 45 мин.

Результаты имитационного моделирования с пропорциональноинтегральным законом регулирования (ПИ-регулятор), в соответствии с уравнениями (4.17) - (4.21) при значениях коэффициентов Ха = 0 °С, Х_р = 80 °С, Х_и = 10, представлены на рис. 5.16 в виде зависимости изменения температуры теплоносителя Г₀1 в подающем трубопроводе на вводе в систему отопления в увеличенном масштабе времени (а) и температуры теплоносителя Гог в обратном трубопроводе на выходе из системы отопления здания (б). Перерегулирование для температуры 7oi составляет 1,08%, а расчетное потребление тепловой энергии 1,16254 ГДж.

Увеличим в уравнении (4.17) параметр Х_и до 60. Результаты имитационного моделирования в этом случае представлены на рис. 5.17. При этом для температуры Г₀1 переходный процесс, возникающий вследствие изменения задания, носит колебательный характер, перерегулирование составляет 4,8%, а расчетное потребление тепловой энергии - 1,16266 ГДж. В то же время характер изменения температуры теплоносителя в обратном трубопроводе Г₀₂ остался прежним, что согласуется с экспериментальными данными.

Рис. 5.17. Зависимости изменения температуры теплоносителя 7oi («) и Т_т (б) в трубопроводах системы отопления при Х_с1 = О °С, Х_р = 80 °С, Х_и = 60

Сравнительный анализ полученных результатов для ПИ-закона регулирования при различных параметрах блока БР и фиксированном

времени перемещения штока клапана АМЕ 20 показывает, что расчетное теплопотребление здания незначительно увеличивается (на 0,01 %) при возникновении колебательного переходного процесса. Следовательно, чрезмерное увеличение параметра Х_и блока регулирования БР при прочих равных - нежелательно.

Положим в уравнении (4.17) параметр Xj = 1 °С при Х_р = 80 °С, Х_и = 60. Результаты имитационного моделирования в этом случае представлены на рис. 5.18. Анализ изменения температуры Тщ показывает, что задание зоны нечувствительности Xj = 1 °С приводит к уменьшению колебательности по каналу регулирования "Gi - 7оГ, и способствует предотвращению преждевременного выхода из строя электродвигателя ИМ, но в то же время вносит статическую ошибку. Перерегулирование для температуры Toi составляет 3,1%, а расчетное потребление тепловой энергии - 1,13468 ГДж, что на 2,4% меньше первого случая. Это объясняется уменьшением температуры 7oi на входе системы отопления на величину статической ошибки до 53,7 °С и температуры Г₀2 на выходе до 43,1 °С.

Рис. 5.18. Зависимость изменения температуры теплоносителя Т₀1 (а) в подающем трубопроводе системы отопления при Xj = 1 °С, Х_р = 80 °С, Х_и = 60

Рис. 5.18. Зависимость изменения температуры теплоносителя Т_й1 (б) в обратном трубопроводе системы отопления здания при X_d = 1 °С, Х_р = 80 °С, Х_и = 60 (Окончание)

Таким образом, изменение коэффициентов регулятора Х_р и Х_и практически не влияет на величину потребления тепловой энергии, но оказывает существенное влияние на характер переходных процессов. Для оценки колебательности системы с помощью имитационного моделирования выполним анализ переходных характеристик при Х_р= 1...100 и Х₍,=1...100. Результаты расчета с точностью ±0,5 °С показаны на рис. 5.19.

Из анализа рис. 5.19, а следует, что увеличение зоны пропорциональности Х_р приводит к уменьшению колебательности но увеличению времени регулирования температуры. При увеличении коэффициента Х_и, напротив, колебательность системы увеличивается (запас устойчивости снижается) а время регулирования температуры уменьшается. Существенное снижение коэффициента Х_р (менее 5) с одновременным увеличением Х_и может привести к появлению автоколебаний, или сделать систему неустойчивой. На рис. 5.19, б представлены 3 зоны, соответствующие различным диапазонам настройки регулятора, и определяющие характер переходного процесса: 1 - монотонный, 2 - апериодический, 3 - колебательный.

Рис. 5.19. График изменения колебательности системы (а) и зоны настройки регулятора (б) при различных значениях коэффициентов Х_р и Х„

с точностью ±0,5 °С

Если уменьшить точность до ±1 °С, то колебательность в системе существенно уменьшится, как показано на рис. 5.20, а. При этом диапазон настроек регулятора, соответствующий апериодическому характеру переходных процессов (зона 2 на рис. 5.20, б) увеличивается с 14,78 % (см. зону 2 на рис. 5.19, б) до 85,12 %, а колебательному - снижается с 82,46 % до 10,92 %.

Рис. 5.20. График изменения колебательности системы (а) и зоны настройки регулятора (б) при различных значениях коэффициентов Х_р и Х„ с точностью ± 1 °С

И-закон регулирования, формируемый блоком БР совместно с ИМ, описывается аналогично уравнениям (4.17) - (4.21), если принять в уравнении (4.17) d/dt=0.

Результаты имитационного моделирования при Xj = 0 °С, Х_р = 80 °С, Х_и=60 представлены на рис. 5.21 в виде зависимости изменения температуры теплоносителя Tq в подающем трубопроводе на вводе в систему в увеличенном масштабе времени (а) и температуры теплоносителя 7о2 в обратном трубопроводе на выходе из системы отопления здания (б). Перерегулирование по каналу "G - 7oi" составляет 4,8%, а потребление тепловой энергии практически неизменно - 1,1665 ГДж.

Для исключения из контура управления блока БР (см. рис. 4.13) положим в уравнении (4.17) параметры = 100 °С, Х_и = 1. Результаты имитационного моделирования в виде зависимости изменения температуры Г₀1 на вводе в систему отопления (а) и температуры T_Q2 на выходе (б) представлены на рис. 5.22.

Рис. 5.21. Зависимость изменения температуры теплоносителя Т₀ (а) в трубопроводе системы отопления при X_d = 0 °С, Х_р = 80 °С, Х„ = 60

Рис. 5.21. Зависимость изменения температуры теплоносителя Тог (б) в трубопроводе системы отопления при Х₍₁ = О °С, Х_р = 80 °С, Х_и = 60 (Окончание)

Рис. 5.22. Зависимость изменения температуры теплоносителя Т₀ (а) в трубопроводе системы отопления при X_d-0 °С, Х_р = 100 °С, Х_и = 1

Рис. 5.22. Зависимость изменения температуры теплоносителя Тог (б) в трубопроводе системы отопления при X_d = О °С, Х_р = 100 °С, Х_и = 1 (Окончание)

Как и следовало ожидать, расчетное потребление тепловой энергии уменьшилось до величины 1,16577 ГДж, а перерегулирование для температуры Tq составило 0,9%. Анализ рис. 5.22 показывает, что в этом случае время переходного процесса по каналу регулирования "Gi - 7оГ существенно увеличилось с нескольких минут до 1 часа, а по каналу регулирования "7oi - Г02" уменьшилось с 1,5 часа да 1 часа.

В целом анализ динамических процессов для исследуемого автоматизированного ИТП с различными законами регулирования (ПИ- или И-регуляторы) показывает, что для заданного типа ИМ увеличение коэффициента Х_и в блоке регулирования БР контроллера относительно времени перемещения штока ИМ, являющегося интегрирующим звеном, приводит к увеличению колебательности, и соответственно к частичному увеличению теплопотребления здания. Для устранения колебательных процессов в САР ИТП, необходимо уменьшить коэффициент Х_и, увеличить коэффициент Х_р, либо увеличить зону нечувствительности X_d.