Научный журнал
Современные наукоемкие технологии
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ СИСТЕМ ЭКСТРЕМАЛЬНОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ НЕФТЕГАЗОВОДЯНОЙ СМЕСИ

Николаев А.Б. Остроух А.В. Марсов В.И. Илюхин А.В.
В статье рассмотрены принципы работы различных систем экстремального регулирования. Проведен сравнительный анализ систем экстремального регулирования (СЭР). По результатам анализа сделаны выводы о возможностях использования СЭР для оптимизации процессов транспортирования нефтегазоводяной смеси.
системы экстремального регулирования
нефтегазоводяная смесь
системы автоматического регулирования

Обеспечение оптимальной - наилучшей в некотором смысле - работы объекта регулирования процессов транспортирования нефтегазоводяной смеси (НГВС) становится в настоящее время одной из центральных задач автоматизации. Работа объекта может считаться оптимальной при максимальном коэффициенте полезного действия, минимальной себестоимости единицы продукции, минимальной затрате энергии на выработку единицы продукции и т.д.

В отличие от протяженных магистральных нефтепроводов на промысловых нефтепроводах, обладающих ограниченной протяженностью и незначительным изменением перепада давления по длине нефтепровода, может быть применена система экстремального регулирования (СЭР), обеспечивающая максимальное использование мощности насосной станции.

Обычная система автоматического регулирования (САР) не может решить задачу оптимизации[1, 2]. Это происходит потому, что в обычной САР всегда известно заданное значение регулируемого параметра и, следовательно, всегда известно, в каком направлении необходимо изменять регулирующее воздействие, чтобы ликвидировать ошибку системы: разность между заданным и текущим значением регулируемого параметра.

В отличие от обычных САР, в СЭР не известно заданное значение регулируемого параметра. Поэтому задача СЭР принципиально сложнее и заключается в автоматическом поиске такого значения регулирующего воздействия, которое обеспечивает максимум (минимум) регулируемой величины. В отличие от обычных систем автоматического регулирования в СЭР анализ состояния объекта в данный момент времени не позволяет определить, в каком направлении следует изменять управляющее воздействие, чтобы получить требуемый результат.

Задача, решаемая СЭР, относится к объекту, имеющему статическую характеристику y = f(x) (рис. 1).

 1

Рис. 1. Объект регулирования

Входная величина объекта x, а выходная - y, которую требуется поддерживать максимальной.

Положение и форма кривой y = f(x) под влиянием возмущения изменяется (пунктирные кривые на рис. 1) и в данный момент положение экстремума не известно. Поэтому в СЭР непрерывно должен осуществляться поиск экстремального значения y.

Основной процесс в СЭР - это автоматический непрерывный поиск, заключающийся в изменении входа объекта, анализе результатов этого воздействия и определении дальнейшего направления изменения входа системы с целью достижения экстремума выхода объекта.

Задача СЭР состоит в автоматическом поиске такого значения регулируемого параметра, о котором заранее известны только признаки, отличающие это значение от остальных: либо это максимальное, либо минимальное из всех возможных значений.

Системы экстремального регулирования делятся по принципу, используемому для определения направления движения к экстремуму на систему:

1. Системы с запоминанием экстремума, реагирующие на разность между наибольшим достигнутым в предыдущие моменты времени значением выхода и текущим значением выхода y.

2. Системы, реагирующие на знак или величину, производной dy/dx или dy/dt.

3. Системы со вспомогательной модуляцией, которые определяют направление движения к экстремуму по сдвигу фазы между входными и выходными колебаниями объекта.

4. Системы шагового типа, реагирующие на знак приращений выхода y.

По характеру воздействия исполнительного механизма (ИМ) на объект СЭР могут быть непрерывного или дискретного действия. В системах непрерывного действия при работе регулятора исполнительный механизм непрерывно изменяет вход x объекта. В дискретных СЭР исполнительный механизм изменяет вход объекта через определенные промежутки времени. Существуют СЭР смешанного типа, соединяющие в себе свойства различных систем приведенной выше классификации.

СЭР с запоминанием экстремума

В экстремальных регуляторах с запоминанием экстремума на сигнум-реле подается разность между текущим значением выхода у объекта и его значением в предыдущий момент времени.

Структурная схема СЭР с запоминанием экстремума представлена на рис. 2. Выходная величина объекта O со статистической характеристикой y = f(t) подается на запоминающее устройство ЗУ экстремального регулятора. Запоминающее устройство такой системы должно фиксировать y только при его увеличении. На уменьшение y запоминающее устройство не реагирует. Сигнал с запоминающего устройства подается на элемент сравнения ЭС, где сравнивается с текущим значением сигнал y. Сигнал разности y - yмакс с элемента сравнения поступает на сигнум-реле СР. Когда разность y - yмакс достигает значения зоны нечувствительности у сигнум-реле, оно производит реверс исполнительного механизма ИМ, с постоянной скоростью перемещения, т.е. dx/dt = ± k1 (где k1 = const). Рис. 3 поясняет работу СЭР с запоминанием экстремума. В СЭР с запоминанием экстремума запоминающее устройство не фиксирует экстремум статической характеристики объекта (его значение не известно в момент включения регулятора в работу). Запоминающее устройство фиксирует значения выходной величины у объекта, когда y увеличивается.

2 

Рис. 2. Структурная схема СЭР с запоминанием экстремума

Из описания функционирования СЭР, основанных на принципе запоминания экстремума, следует, что в них не требуется вычисление производных, а регулятор действует или по отклонению от экстремума или по интегралу от этих отклонений. В силу этого такие СЭР отличаются простотой конструкции и помехоустойчивостью.

СЭР с измерением производной

Системы экстремального регулирования с измерением производной используют то свойство экстремальной статической характеристики, что производная dy/dx равна нулю при значении входа объекта x = xопт.

Структурная схема такой СЭР приведена на рис. 4. Значения входа и выхода объекта О подаются на два дифференциатора D1 и D2, на выходе которых получаются сигналы, соответственно dx/dt и dy/dt. Сигналы производных поступают на делительное устройство ДУ. На выходе ДУ получается сигнал dy/dx, который подается на усилитель У с коэффициентом усиления k2. Сигнал с выхода усилителя поступает на исполнительный механизм ИМ с переменной скоростью перемещения, величина которой пропорциональна выходному сигналу усилителя u. Коэффициент усиления ИМ равен k1.

3 

 Рис. 3. Поиск экстремума экстремуму СЭР с запоминанием экстремума

4

Рис. 4. Структурная схема СЭР
с измерением производной

Система с измерением производной обладает рядом недостатков, которые делают ее практически малоприменимой. При dx/dt → 0 производная dy/dt также стремится к нулю, задача отыскания экстремума становится неопределенной. Все реальные объекты обладают инерцией, поэтому необходимо делить друг на друга не одновременно замеренные производные dy/dt и dx/dt, а сдвинутые по времени на величину задержки сигнала в объекте, что выполнить достаточно сложно. Отсутствие в такой СЭР логического устройства приводит к тому, что в некоторых условиях система теряет работоспособность.

СЭР со вспомогательной модуляцией

В СЭР с вспомогательной модуляцией используется свойство статической характеристики изменять фазу колебаний на выходе объекта по сравнению с фазой входных колебаний объекта, при переходе выхода объекта через экстремум. Это системы с непрерывным поисковым сигналом, т.е непрерывные СЭР (рис. 5).

В отличие от рассмотренных выше СЭР, системы с вспомогательной модуляцией имеют раздельные поисковые и рабочие движения.

5 

Рис. 5. СЭР со вспомогательной модуляцией
(Ф1 - фильтр; Ф2 - низкочастотный фильтр; РЭ - релейный элемент; МЗ -множительное звено; ИМ - исполнительный механизм)

СЭР с модуляцией применяются преимущественно в радиотехнических устройствах. Для оптимизации промышленных объектов такие системы применяются редко.

Этот способ неприемлем в силу особенностей процесса транспортирования нефтегазовой среды, так как входному сигналу - изменению нагрузки трубопровода, невозможно придать ту вспомогательную модуляцию, с помощью которой определяется направление движения системы к экстремуму.

СЭР шагового типа

Структурная схема шаговой СЭР показана на рис. 6. Измерение выхода y объекта в системе происходит дискретно (за датчиком выхода объекта имеется импульсный элемент ИЭ1), т.е. через промежутки времени dt (dt - период повторения импульсного элемента). Импульсный элемент преобразует изменяющуюся выходную величину y объекта в последовательность импульсов, высота которых пропорциональна значениям y в моменты времени t = ndt.

Между сигнум-реле CP и исполнительным механизмом ИМ (рис. 6) включен еще один импульсный элемент ИЭ2 (работающий синхронно с ИЭ1), который осуществляет периодическое размыкание цепи питания ИМ, останавливая ИМ на это время.

Исполнительный механизм в подобных СЭР обычно осуществляет изменение входа x объекта шагами на постоянную величину dx.

Сигнум-реле изменяет направление последующего шага dxn+1 исполнительного механизма, если величина dyn становится меньше нуля.

В шаговых СЭР для обеспечения устойчивости необходимо, чтобы движение системы к экстремуму было немонотонным.

 6

Рис. 6. Структурная схема шаговой СЭР

В некоторых случаях длительность интервала между шагами определяется в зависимости от скорости изменения выходного сигнала. Таким образом, при быстро меняющемся входном сигнале, когда система находится вдали от экстремума, частота шагов возрастает.

При подходе же системы к экстремуму частота шагов снижается, так как скорость изменения выходного сигнала падает по мере приближения к экстремуму. Такого рода системы имеют лучшие динамические характеристики, чем системы с постоянным периодом между шагами.

Стратегия поиска у шагового экстремального регулятора или автоматического оптимизатора АО заключается в следующем. Из положения, в котором находится система оптимизации, производится шаг на уменьшение или увеличение значения эффективности транспортирования нефтегазовой среды. Если в результате этого движения увеличивается критерий эффективности процесса транспортирования нефтегазовой среды, то система продолжает движение в том же направлении; если уменьшается величина критерия эффективности, то система реверсируется. При этом если шаг изменения регулирующего воздействия конечен, система всегда пройдет экстремум, и вокруг точки экстремума установятся автоколебания, частота и амплитуда которых будут зависеть от параметров объекта и начальных условий.

Наибольшее распространение получили системы автоматической оптимизации с постоянным шагом регулирования. Направление движения в этом случае будет определяться знаками приращения показателя эффективности процесса транспортирования НГВС и предыдущего приращения регулирующего воздействия.

Управление производится по следующему алгоритму:

f при f,

f при f,

f

Основные результаты

Проведенный анализ показывает, что для оптимизации процесса транспортирования нефтегазовой среды наиболее приемлем способ, основанный на шаговом принципе поиска экстремума.

Список литературы

  1. Адаптивные системы автоматического управления / под ред. В.Б. Яковлева. - Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1984. - 204 с.
  2. Траксел Д. Синтез систем автоматического регулирования. - М.: Машиностроение, 1989. - 759 с.

Библиографическая ссылка

Николаев А.Б., Остроух А.В., Марсов В.И., Илюхин А.В. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ СИСТЕМ ЭКСТРЕМАЛЬНОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ НЕФТЕГАЗОВОДЯНОЙ СМЕСИ // Современные наукоемкие технологии. – 2011. – № 3. – С. 35-39;
URL: https://top-technologies.ru/ru/article/view?id=26833 (дата обращения: 28.03.2024).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1,674