Имитационное моделирование сложных трубопроводных систем для анализа их структурных свойств

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ

Для улучшения качественных и количественных характеристик потоков в сложных трубопроводных системах (ТС) существует необходимость в управлении технологическим процессом (ТГ1).

Несмотря на то, что современный уровень внедрения систем автоматизации решает ряд задач управления ТС, существует проблема комплексного управления динамическими процессами в ТС с учетом переходных режимов их эксплуатации. Для ее решения привлекаются методы и средства анализа структурных свойств ТС с применением вычислительной техники.

В качестве теоретической базы для анализа структурных свойств ТС обычно используются положения теорий подобия [1б], гидравлических цепей [37], автоматического регулирования [23 ]. Рассматриваемые при этом реальные процессы в объектах управления представляют собой несколько упрощенные математические (аналитические) модели. Максимальная точность моделирования обеспечивается лишь в тех случаях, когда исследуются установившиеся режимы течений потоков в реальных ТС. При анализе скоротечных переходных процессов в сложных (в частности, нелинейных) ТС аналитические модели не всегда обеспечивают в достаточной степени адекватное отражение реальных процессов. В тех ситуациях, когда для целей управления не удается получить математические зависимости ТГ1, связывающие в комплексе вход-выходные соотношения, или решение уравнений сложно и трудоемко пытаются использовать имитационные модели (ММ) [Зб] .

Применение имитационного моделирования в расчетах систем базируется на теоретических положениях Р. Шеннона [Об] и развивается для решения задач синтеза и анализа абстрактных сложных систем технических объектах управления известны следующие области применения имитационного моделирования. При разработке имитаторов и тренажеров в системах отладки АСУ ТП нашел применение агрегатный способ имитации T1I [бб]. В этих случаях используются математические модели ТП в виде кусочно—линейных агрегатов. Для анализа информационных потоков в системах управления объектами используют транзактный способ имитации [35]. Математические модели в подобных случаях описывают ТП в виде потоков параметров рабочих сред. Применение событийного способа имитации часто реализуется в управлении производственными процессами [б2], где построение математических моделей основывается на применении марковских цепей и их модификаций. Для исследования схем вычислительного процесса в платах ЭВМ применяют процессный способ имитации, математические модели при котором описывают ТП на уровне технологических схем микропроцессоров [35].

Имитационное моделирование ТС для целей управления чаще всего реализуется на основе агрегатного подхода к имитации ТП. Большинство задач, связанных с исследованием ТС для целей управления TII решается на основе применения инерционной, детерминированной, одномерной (многомерной), линеаризированной нестационарной математической модели с сосредоточенными параметрами. Реальные ТС часто представляют собой сложные технические комплексы, характеризующиеся следующими свойствами: целостностью, нелинейностями, распределенностью параметров, динамичностью, инерционностью, многомерностью, наличием эволюционных процессов. Поэтому сложную ТС необходимо рассматривать как единый многомерный объект управления с распределенными параметрами, который функционирует при значительном влиянии фазовых помех. В качестве теоретической основы для моделирования подобных сложных ТС целесообразно применение процессного способа имитации ТП, который позволяет обеспечить максимальное приближение программной модели к реальной действительности. Использование процессного способа имитации ТП в ТС для анализа их структурных свойств нам не известно. Для математического описания ТП в ТС в этих случаях требуется применение систем дифференциальных уравнений в частных производных в совокупности с имитаторами рраевых условий.

Однако, использование подобных ИМ зачастую затруднено из-за отсутствия теоретической базы для постановки имитационных экспериментов (ИЗ) на моделях ТС с непрерывно-дискретным характером ТГ1, где непрерывно движущаяся рабочая среда управляется дискретным перемещением регулирующих органов. Кроме того, недостаточно разработаны и вопросы параметризации объекта управления при имитационном моделировании ТС. Существует также проблема выбора структуры модели объекта управления, максимально отражающая реальные процессы ТС в условиях фазовых помех. В сложных ТС отмечается проблема устойчивости объекта управления при различных фазовых возмущениях. Следовательно, при использовании ИМ для анализа структурных свойств сложных ТС актуальна проблема разработки новой методики имитационного моделирования и средств ее реализации на ПЭВМ. Применение такой методики имитационного моделирования ТС позволит специалистам проектировать и эксплуатировать системы управления ТС на принципиально новом качественном уровне с высокой точностью и скоростью их разработки.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Совершенствование информационно-технологичес-кого обеспечения в исследовании структурных свойств сложных ТС, как объектов управления с распределенными параметрами на основе применения имитационного моделирования. Разработка метода построения имитационной модели сложной ТС (на примере системы с водяным теплоносителем) и методики исследования имитационной модели для анализа различных аспектов управляемости ТС.

НА ЗАЩИТУ ВЫНОСИТСЯ:

1. Метод динамической аппроксимации потокораспределения для оценки параметров состояния и анализа структурных свойств ТС, рассмотренный на примере исследования управляемости сложной ТС".

2. Методика имитационного моделирования ТС для решения задач оценки качества управляемости сложной ТС с прогнозируемой точностью и ее интерпретация для объектов управления с распределенными параметрами (давлением — - расходом — ^?^ - удельной плотностью -^?^ «температурой /¿-у потока).

3. Принципы и критерии оценки качества управляемости сложных ТС при проведении ИЭ (на примере гидравлической и термической у стойчивостей ТС, определяемых по динамике флуктуации рабочих точек на модифицированной () диаграмме с одновременным контролем границы вскипания потока по температуре насыщения.

4. Программное обеспечение для персональной ЭВМ 1ВМ РС на языке Паскаль, ориентированное на имитацию непрерывно-дискретных процессов и исследование структурных свойств сложных ТС в частности, управляемости ТС).

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ. Основываются на системном подходе, использовании полунеявных разностных схем для решения дифференциальных уравнений в частных производныхаппроксимации эмпирических данных, представляемых в табличном видеприменении логико-алгебраических, конечно-разностных, математико-статисти-ческих и имитационных методов моделирования.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА.

1. Разработан метод построения имитационной модели сложной ТС, заключающийся в декомпозиции ТС на элементарные компоненты, которые описываются стандартными дифференциальными уравнениями, аналитическими и логическими зависимостями и составлении схемы вычислительного процесса в соответствии с реальным перемещением потоков по трубопроводам системы.

2. Построена гибридная (по способу формализации) управляемая ИМ сложной ТС для класса объектов управления с распределен-ными параметрами, обеспечивающая решение задач оценки качества управляемости ТС при наличии стохастических фазовых помех. Модель апробирована на примере исследования сложной ТС с водяным теплоносителем (см. рисунок 2.1.).

3. Разработана методика исследования свойств ИМ сложной ТС, позволяющая оценивать управляемость по гидравлической и термической устойчивости ТС в зависимости от параметров модели.

4. Сформулированы принципы и критерии априорного анализа границ управляемости реальных ТС по гидравлической и термической устойчивости, опеделяемых по динамике перемещения рабочих точек на модифицированных () диаграммах, с одновременным контролем границы вскипания потока по температуре насыщения при давлении вскипания (см. рисунок 5.4.).

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ исследования состоит в разработке информационно-технологической базн для исследования и проектирования систем управления ТС, включающей в себя комплекс ИМ и позволяющей:

— выбирать оптимальные параметры системы, обеспечивающие процесс потокораспределения в ТС с заданным качеством;

— повысить эффективность исследований управляемости ТС на всех этапах эволюции объекта управления;

— поднять уровень технологичности моделирования ТП в ТС, сокращающий время их разработки.

ДОСТОВЕРНОСТЬ НАУЧНЫХ ПОЛОЖЕНИЙ работы определяется сопоставительным анализом результатов имитации на тестовых задачах, применением апробированных методик аппроксшации реальных процессов, корректным использованием математических методов решения дифференциальных уравнений в частных производных с контролем устойчивости численного решения на каждом шаге имитации.

РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИСОЛЩОВАНИЯ осуществлялась в рамках НИР «Верховина», «Имитация» Пушкинского высшего военного инженерного строительного училища, «Надломленность» Военного инженерно-строительного института. Разработанные методики исследований используются эксплуатационными организациями МО РФ, в учебном процессе ПВВИСУ, на ряде предприятий Гомельской области, а также в учебном процессе ГТУ им. Ф.Скорины.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты работы доложены и обсуждены на:

— 2-ом Шнеком Международном форуме «Тепломассообмен-МШ-92» (19−22 мая 1992 г., ИТМО им. А. В. Лыкова АНК БССР);

— Международной конференции «Применение персональных ЭВМ в теплоснабжении» (13−14 апреля 1993 г., МЦЭНТ г. Санкт-Петербург);

— Международной научно-технической конференции «Функционально-ориентированные вычислительные системы» (ФОВС-93) (10−14 октября 1993 г., ХПИ-ИПШ, г. Алушта);

— Международной математической конференции к 25-летию.

Гомельского государственного университета им. Ф.Скорины (19−22 апреля 1994 г., ГГУ г. Гомель);

— Всесоюзной научно-практической конференции «Вопросы экономики и организации информационных технологий» (ноябрь 1991 г., ГГУ им. Ф.Скорины, г. Гомель);

— Научно-технических конференциях Министерства Обороны -" Актуальные проблемы перестройки военно-строительного производства в современных условиях" (1990 г., ПВВИСУ, г. Санкт-Петербург), «Совершенствование военно-строительного производства» (1990 г., ПВВИСУ, г. Санкт-Петербург), «Наука производству» (1991 г., ПВВИСУ, г. Санкт-Петербург), «Научные и практические вопросы совершенствования теплоэнергетических установок малой мощности» (новые технологии в малой энергетике) (22−23 декабря 1993 г., ВИСИ, г. Санкт-Петербург).

Публикации. Основные результаты диссертационной работы отражены в работах [48−60].

Структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, восьми приложений и изложена на 198 страницах машинного текста.

Основные результаты работы состоят в следующем:

1. Разработан новый метод исследования потокораспределения для оценки параметров состояния и анализа структурных свойств ТС, основывающийся на сочетании имитационного моделирования с аппроксимацией реальных процессов разностными схемами по адаптивным расчетным сеткам и позволяющий без существенных упрощений решать дифференциальные уравнения в частных производных высоких порядков со стохастическими краевыми условиями.

2. Разработан метод построения имитационной модели ТС, заключающийся в декомпозиции сложной ТС на элементарные компоненты, которые описываются стандартными дифференциальными уравнениями, аналитическими и логическими зависимостями и составлении схемы вычислительного процесса в соответствии с реальным перемещением потоков по трубопроводам системы.

3. Предложена методика структурной параметризации динамических объектов с непрерывным характером технологических процессов, позволяющая оперативным образом анализировать переходные режимы в ТС при время-логическом контроле их функционирования с учетом эволюции объекта во времени.

4. Разработан оригинальный способ комплексной аппроксимации фазовых помех по динамике упругих возмущений и тепловых колебаний в ТС с одновременной имитацией движения материальных потоков.

5. Разработана универсальная имитационная модель для класса ТС с непрерывно-дискретным характером имитации управляемых материальных потоков. Модель позволяет решать разным категориям специалистов задачи оценки качества управляемости ТС любой конструктивной сложности при наличии стохастических фазовых помех.

6. Предложена методика постановки имитационных экспериментов, позволяющая с прогнозируемой точностью исследовать управляемость ТС с различными транспортируемыми потоками при управлении регуляторами расходов и регулируемыми насосами.

7. Сформулированы принципы и критерии оценки качества управляемости ТС (по гидравлической и термической устойчивостям) с помощью стохастических ИМ и предложена методика анализа динамики ТП по флуктуациям рабочих точек на модифицированной.

— 187 -ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

В данной работе предложена новая методика постановки имитационных экспериментов при исследовании вопросов управляемости в сложных трубопроводных системах. На основании оригинального подхода к решению задач анализа структурных свойств в теплоги-дравлических ТС с распределенными параметрами разработана технология построения, испытания и использования гибридных имитационных моделей ТС. В процессе апробации предложенных имитационных моделей управляемых ТС подтверждена правильность выбора принципов исследования управляемости и формализации технологического процесса на уровне схемных решений.