Synthesis of Automatic Control Systems for Technological Processes of the Gas-Air Path of the Organic Waste Processing Plant

A research team from ICT SB RAS is actively developing a system to control a pilot plant for processing organic waste automatically. The pilot plant can produce thermal energy and energy carriers (solid products, e.g. bio-coal, liquid products, e.g. bio-oil, and gaseous products, i.e. synthesis gas), for example, from biomass with different chemical composition and physical properties. The equipment can process "complex" types of waste characterized mainly by high moisture and high ash content. During tests of the pilot plant, the complexity of stabilizing the parameters of technological processes and ensuring the stability and reliability of operation of the equipment of the complex as a whole were identified. This is especially important when implementing high-temperature modes of biomass processing. In order to primarily solve these most important tasks, an automatic control system of the plant is being created. When a system for automatic control of technological parameters of the gas-air path of the pilot-industrial plant is developed, a mathematical model that describes the dynamic characteristics of the gas and air paths under various throughput rates of the plant was used. When determining mathematical models, a two-way relationship between the gas path and air path was identified (interchannel connections). When technologically complex real objects of control are being automated, in the inaccuracy of a priori information about the object, when the system operates in various uncertain external and internal situations, disturbing influences, a robust control method should be used. PID controllers were selected as corrective devices for stabilizing the technological parameters that characterize the operation mode of the gas-air path of the plant including pressure in the lower part and rarefaction in the upper part of the combustion chamber. The most appropriate method for determining the PID controller settings has been elected. Synthesis and simulation of the operation of the controllers of the pressure in the lower part and rarefaction in the upper part of the combustion chamber are performed. Basing on the results of mathematical modeling, the efficiency of the controllers of the pressure in the lower part and the rarefaction in the upper part of the combustion chamber for various loads of the plant has been shown, and their stability reserves by amplitude and phase are determined. The results of mathematical modeling of the stabilization contours of the technological parameters of the gas-air path of the plant are presented for two cases: without interchannel connections and without the account of these connections. A simulation of the joint operation of the control circuits of the gas-air path of the plant is performed. Compensators for adjacent (interchannel) connections of the gas and air paths of the plant have been developed. The advantage of the proposed automation schemes is shown.

automated control system, synthesis of an automatic controller, linearization, modeling of automatic control system, controller of general air, controller of rarefaction, robustness, stability factor, the organic waste processing plant

1. Шакиров С. Р., Квашнин А. Г., Писарев А. В. Синтез нейро-нечеткого регулятора тепловой нагрузки установки переработки органических отходов // Промышленные АСУ и контроллеры. 2019. № 9. C. 54-62.

2. Шакиров С. Р., Квашнин А. Г., Писарев А. В. Моделирование работы адаптивной системы управления процессом сушки в установке утилизации органических отходов // Автометрия. 2018. № 5. С. 122-128.

3. Вильчек С. Ю., Квашнин А. Г., Сафронов А. В., Сторожев Ф. Н. Проблемы создания адаптивной системы управления энергетическим комплексом по переработке углеродосодержащих отходов // Индустриальные информационные системы - ИИС-2015. Всероссийская конференция с международным участием: Сб. тез. докл. Новосибирск, КТИ ВТ СО РАН, 2015. C. 15-16.

4. Вильчек С. Ю. Шакиров С. Р., Квашнин А. Г., Писарев А. В. Моделирование работы автоматизированной системы управления процессами переработки углеродосодержащих материалов // Индустриальные информационные системы - ИИС-2015. Всероссийская конференция с международным участием: Сб. тез. докл. Новосибирск, КТИ ВТ СО РАН, 2015. С. 14-15.

5. Ganapathy V. Steam Generators and Waste Heat Boilers: For Process and Plant Engineers. New York, CRC Press., 2014, 540 p.

6. Бесекерский В. А., Попов Е. П. Теория систем автоматического управления. СПб., Профессия, 2003. 752 с.

7. Квашнин А. Г., Писарев А. В., Шакиров С. Р. Разработка математической модели газовоздушного тракта установки утилизации органических отходов // Наука. Технологии. Инновации: Сб. науч. тр. X Всерос. конф. Новосибирск, 2016. Ч. 1. С. 46-48.

8. Шакиров С. Р., Квашнин А. Г., Писарев А. В. Моделирование автоматической системы управления непрерывным дозированием сыпучих материалов // Вестник Вост.-Казахстан. гос. техн. ун-та им. Д. Серикбаева. 2018. Т. 1, № 3-1. С. 77-90.

9. Мирошник И. В., Никифоров В. О., Фрадков А. Л. Нелинейное и адаптивное управление сложными динамическими системами. СПб.: Наука, 2000. 549 с.

10. Методы робастного, нейро-нечеткого и адаптивного управления: Учебник / Под ред. Н. Д. Егупова. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2001. 744 с.

11. Методы классической и современной теории автоматического управления / Под ред. К. А. Пупкова, Н. Д. Егупова. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2004. Т. 5: Методы современной теории автоматического управления. 784 с.

12. Киселев О. Н., Поляк Б. Т. Синтез регуляторов низкого порядка по критерию H∞ и по критерию максимальной робастности // Автоматика и телемеханика. 1999. № 3. С. 119-130.

13. Поляк Б. Т., Щербаков П. С. Робастная устойчивость и управление. М.: Наука, 2002. 303 с.

14. Ким Д. П. Алгебраические методы синтеза систем автоматического управления. М.: Физматлит, 2014. 164 с.

15. Дорф Р., Бишоп Р. Современные системы управления / Пер. с англ. Б. И. Копылова. М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2002. 832 с.

16. Бобриков Н. М., Денисов И. К., Кузнецов С. И., Шубладзе А. М. Автоматический поиск оптимальных по степени устойчивости настроек ПИ- и ПИД-регуляторов // Проблемы управления. 2009. № 2. С. 8-13.

17. O'Dwyer A. Handbook of PI and PID controller tuning rules. London, Imperial College Press, 2009, 623 p.

18. Astrom K. J., Hagglund T. Advanced PID control. ISA. The Instrumentation, Systems, and Automation Society, 2006, 461 p.

19. Востриков А. С., Французова Г. А. Особенности синтеза ПИД-регулятора для нелинейного объекта второго порядка // Автометрия. 2019. Т. 55, № 4. С. 57-64.

20. Прокопьев А. П., Иванчура В. И., Емельянов Р. Т., Скурихин Л. В. Методика синтеза регуляторов для объектов второго порядка // Вестник СибГАУ. 2016. Т. 17, № 3. С. 618-624.

21. Пономарев А. А. Разработка и исследование модернизированного многоканального ПД-регулятора для стабилизации режимов работы теплоэнергетического котла: Дис.. канд. техн. наук. Новосибирск, 2013. 122 с.

22. Попов Н. Н. ПИД-регулятор в системах автоматического регулирования: пособие для курсов. Кемерово: СУНЭТО, 1980. 56 с.

23. Никулин Е. А. Основы теории автоматического управления. Частотные методы анализа и синтеза систем. СПб.: БХВ-Петербург, 2015. 632 с.

24. Гайдук А. Р. Теория автоматического управления. М.: Высш. шк., 2010. 416 с.

25. Писарев А. В. Экспериментальный пошаговый метод настройки ПИД-регуляторов // Энергетик. 2018. № 10. С. 15-17.

26. Методы классической и современной теории автоматического управления / Под ред. К. А. Пупкова, Н. Д. Егупова. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2004. Т. 1: Математические модели, динамические характеристики и анализ систем автоматического управления. 656 с.

27. Ротач В. Я. Теория автоматического управления: Учебник для вузов. 5-е изд., перераб. и доп. М.: ИД МЭИ, 2008. 396 с.

28. Иванов В. А. Развитие теории автономности регулирования энергетических агрегатов // Изв. РАН. Энергетика. 1999. № 3. С. 79-89.

29. Пегат А. Нечеткое моделирование и управление: Пер. с англ. 2-е изд. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2013. 798 с.