energyЭнергетика. Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГENERGETIKA. Proceedings of CIS higher education institutions and power engineering associations1029-74482414-0341BNTU10.21122/1029-7448-2022-65-6-539-550energy-2217Research ArticleТЕПЛОЭНЕРГЕТИКАНEAT POWER ENGINEERINGСинтез инвариантных систем автоматического регулирования с внутренней модельюSynthesis of an Invariant Automatic Control Systems with an Internal ModelКулаковГ. Т.KulakovG. T.

Адрес для переписки: Кулаков Геннадий Тихонович - Белорусский национальный технический университет, просп. Независимости, 65/2, 220013, г. Минск, Республика Беларусь. Тел.: +375 17 293-91-45 tes_bntu@tut.by

Address for correspondence: Kulakov Gennady T. - Belаrusian National Technical University, 65/2, Nezavisimosty Ave., 220013, Minsk, Republic of Belarus. Tel.: +375 17 293-91-45 tes_bntu@tut.by

КулаковА. Т.KulakovA. T.

г. Минск

Minsk

ВоюшН. В.VoyushN. V.

г. Минск

Minsk

Белорусский национальный технический университетБеларусьBelarusian National Technical UniversityBelarus202207122022656539550Copyright © Кулаков Г.Т., Кулаков А.Т., Воюш Н.В., 20222022Кулаков Г.Т., Кулаков А.Т., Воюш Н.В.Kulakov G.T., Kulakov A.T., Voyush N.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://energy.bntu.by/jour/article/view/2217

Статья посвящена модернизации типовых каскадных систем автоматического регулирования со стабилизирующим и корректирующим ПИ-регуляторами. Такие системы автоматического регулирования кроме основного сигнала (регулируемой величины) используют дополнительный опережающий сигнал, который реагирует на возмущение быстрее, чем основной. Опережающий сигнал достаточно эффективно компенсирует возникающие в системе внутренние возмущения за счет настройки стабилизирующего регулятора. Примером может служить система регулирования температуры перегретого пара котельных агрегатов тепловых электрических станций. Задача определения параметров настройки таких двухконтурных систем довольно сложна. При относительно малой инерционности внутреннего контура быстродействие стабилизирующего регулятора достаточно высоко, и переходные процессы в нем не оказывают влияния на качество регулирования во внешнем контуре с корректирующим регулятором. Это позволяет рассчитывать оптимальные параметры настройки последнего только по динамическим характеристикам инерционного участка обычными методами, разрабатываемыми для одноконтурных систем. Главный недостаток таких систем автоматического регулирования состоит в том, что они не позволяют при близких инерционностях контуров существенно улучшить качество отработки основных воздействий при скачке задания, внутреннего и внешнего возмущения. Для устранения этого недостатка предложена инвариантная каскадная система автоматического регулирования с внутренней моделью, учитывающей при выборе структуры и настройке корректирующего регулятора динамику как внутреннего, так и внешнего контура с инерционным участком объекта. При этом внутренняя модель используется для полной компенсации главной обратной связи системы при отработке сигнала задания, а также выделения эквивалентного внешнего возмущения, для компенсации которого применяется дифференциатор инвариантности. Инвариантная каскадная система автоматического регулирования позволяет существенно повысить быстродействие и точность по сравнению с типовой.

The article is devoted to the modernization of typical cascade automatic control systems with stabilizing and corrective PI controllers. Such automatic control systems, in addition to the main signal (of adjustable value), use an additional leading signal that reacts to the disturbance faster than the main one. The leading signal effectively compensates for internal disturbances arising in the system by adjusting the stabilizing controller. The temperature control system of superheated steam boiler units of thermal power plants may be taken as an example. The task of determining the configuration parameters of such dual-circuit systems is quite difficult. With a relatively low inertia of the internal circuit, the speed of the stabilizing controller is quite high, and transients in it do not affect the quality of regulation in the external circuit with a corrective controller. This makes it possible to calculate the optimal settings of the latter only by the dynamic characteristics of the inertial section using conventional methods developed for single-circuit systems. The main disadvantage of such automatic control systems is that they do not allow, with close inertia of the contours, to significantly improve the quality of working out the main impacts during the jump of the task, internal and external disturbances. To eliminate this drawback, an invariant cascade automatic control system with an internal model is proposed that takes into account the dynamics of both the internal and external contours with an inertial section of the object when choosing the structure and setting up the corrective controller. In this case, the internal model is used to fully compensate for the main feedback of the system when working out the task signal, as well as to isolate an equivalent external disturbance, for which an invariance differentiator is used to compensate. The invariant cascade automatic control system makes it possible to significantly increase the speed and accuracy compared to the standard one.

 

каскадная система автоматического регулированияинвариантностьповышение быстродействия и точностисинтез оптимальных системcascade automatic control systeminvarianceincrease in speed and accuracysynthesis of optimal systemsReferencesКлюев, А. С. Наладка систем автоматического регулирования паровых котлов / А. С. Клюев, А. Т. Лебедев, С. И. Новоселов. М.: Энергоатомиздат, 1985. 280 с.Klyuev A. S., Lebedev A. T., Novoselov S. I. (1985) Adjustment of Automatic Control Systems of Steam Boilers. Moscow, Energoatomizdat Publ. 280 (in Russian).Стефани, Е. П. Основы расчета настройки регуляторов теплоэнергетических процессов / Е. П. Стефани. 2-е изд. перераб. М.: Энергия, 1972. 376 с.Stefani E. P. (1972) Fundamentals of Calculating the Settings of Controllers of Heat and Power Processes. 2nd ed. Moscow, Energiya Publ. 376 (in Russian).Солодовников, В. В. Расчет и проектирование аналитических самонастраивающихся систем с эталонными моделями / В. В. Солодовников, Л. С. Шрамко. М.: Машиностроение, 1972. 270 с.Solodovnikov V. V., Shramko L. S. (1972) Calculation and Design of Analytical Self-Adjusting Systems with Reference Models. Moscow, Mashinostroenie Publ. 270 (in Russian).Ротач, В. Я. Теория автоматического управления / В. Я. Ротач. М.: МЭИ, 2004. 396 с.Rotach V. Ya. (2004) Theory of Automatic Control. Moscow, MEI. 396 (in Russian).Широкий, Д. К. Расчет настроек промышленных систем регулирования / Д. К. Широкий, О. Д. Куриленко. Киев: Техника, 1972. 232 с.Shirokii D. K., Kurilenko O. D. (1972) Calculation of Settings of Industrial Control Systems. Kyiv, Tekhnika Publ. 232 (in Russian).Рубашкин, А. С. Методы определения параметров настройки регуляторов топлива прямоточных котлов / А. С. Рубашкин. М. – Л.: Энергия, 1964. 112 с.Rubashkin A. S. (1964) Methods for Determining the Settings of Fuel Controllers of Direct-Flow Boilers. Moscow – Leningrad, Energiya Publ. 112 (in Russian).Aidan, O`Dwyer. Handbook of PI and PID Controller Tuning Rules / O`Dwyer Aidan. 3rd ed. Dublin: Institute of Technology; Ireland, Imperial College Press, 2006. 599 p. https://doi.org/10.1142/p424.O’Dwyer A. (2006) Handbook of PI and PID Controller Tuning Rules. 3rd ed. Dublin: Institute of Technology; Ireland, Imperial College Press. 599. https://doi.org/10.1142/p424.Кулаков, Г. Т. Инженерные экспресс-методы расчета промышленных систем регулирования: справ. пособие / Г. Т. Кулаков. Минск: Выш. шк., 1984. 192 с.Kulakov G. T. (1984) Engineering Express Methods of Calculation of Industrial Control Systems: Reference Manual. Minsk, Vysheishaya Shkola Publ. 192 (in Russian).Кулаков, Г. Т. Теоретические основы экспресс-методов структурно-параметрической оптимизации систем автоматического управления для повышения эффективности использования теплоэлектростанций в переменных режимах: автореф. дис. … докт. техн. наук: 05.13.07 и 05.14.14. Киев: КПИ, 1992. 36 с.Kulakov G. T. (1992) Theoretical Foundations of Express Methods of Structural-Parametric Optimization of Automatic Control Systems to Improve the Efficiency of the Use of Thermal Power Plants in Variable Modes. Kiev, KPI. 36 (in Russian).Кузьмицкий, И. Ф. Теория автоматического управления / И. Ф. Кузьмицкий, Г. Т. Кулаков. Минск: БГТУ, 2010. 574 с.Kuz’mitskii I. F., Kulakov G. T. (2010) Theory of Automatic Control. Minsk, BSTU. 574 (in Russian).Фрер, Ф. Введение в электронную технику регулирования / Ф. Фрер, Ф. Орттенбургер; пер. с нем. М.: Энергия, 1973. 192 с.Fröhr F., Orttenburger F. (1970) Einführung in die Elektronische Regelungstechnik. Berlin – München, Siemens A.G. (in German).Теория автоматического управления теплоэнергетическими процессами / Г. Т. Кулаков [и др.]; под ред. Г. Т. Кулакова. Минск: Выш. шк., 2017. 238 с.Kulakov G. T., Kulakov A. T., Kukhorenko A. N., Kravchenko V. V. (2017) Theory of Automatic Control of Thermal Power Processes. Minsk, Vysheishaya Shkola Publ. 238 (in Russian).Кулаков, Г. Т. Теория автоматического управления / Г. Т. Кулаков. Минск: БНТУ, 2017. 135 с.Kulakov G. T., Kulakov A. T., Kukhorenko A. N., Kravchenko V. V. (2017) The Theory of Automatic Control. Minsk, BNTU. 135 (in Russian).Хутский, Г. И. Система автоматического регулирования температуры перегретого пара с устройством коррекции параметров динамической настройки / Г. И. Хутский, Г. Т. Кулаков // Теплоэнергетика. 1968. № 3. С. 64–67.Khutskii G. I., Kulakov G. T. (1968) The System of Automatic Regulation of the Temperature of Superheated Steam with a Device for Correcting the Parameters of Dynamic Tuning. Teploenergetika = Thermal Engineering, (3), 64–67 (in Russian).Кулаков, Г. Т. Параметрическая оптимизация системы автоматического управления мощностью энергоблоков 300 МВт в режиме постоянного давления пара перед турбиной / Г. Т. Кулаков, А. Т. Кулаков, К. И. Артёменко // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2018 Т. 61, № 5. С. 451–462. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2018-61-5-451-462.Kulakov G. T., Kulakov A. T., Artsiomenka K. I. (2018) Parametric Optimization for Automatic Control System of 300 MW Power Units at a Constant Steam Pressure Upstream of the Turbine. Enеrgеtika. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii i Energeticheskikh Ob’edinenii SNG = Energetika. Proceedings of CIS Higher Education Institutions and Power Engineering Associations, 61 (5), 451–462. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2018-61-5-451-462 (in Russian).Кулаков, Г. Т. Параметрическая оптимизация системы автоматического управления мощностью энергоблоков 300 МВт в режиме переменного давления пара перед турбиной / Г. Т. Кулаков, А. Т. Кулаков, К. И. Артёменко // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2018. Т. 61, № 6. С. 539–551. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2018-61-6-539-551.Kulakov G. T., Kulakov A. T., Artsiomenka K. I. (2018) Parametric Optimization for Automatic Control System of Power Units of 300 MW for the Mode of Variable Pressure of Turbine Inlet Steam. Enеrgеtika. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii i Energeticheskikh Ob’edinenii SNG = Energetika. Proceedings of CIS Higher Education Institutions and Power Engineering Associations, 61 (6), 539–551. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2018-61-6-539-551 (in Russian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.