rezumat teza mitroi

UNIVERSITATEA POLITEHNICA DIN BUCURETI

FACULTATEA ENERGETIC

DEPARTAMENTUL DE HIDRAULIC, MAINI HIDRAULICE I INGINERIA MEDIULUI

Nr. Decizie Senat: 210 din 28.09.2012

Ing. Marius Alexandru MITROI

CERCETRI ASUPRA MODELRII I SIMULRII N TIMP REAL A

SISTEMELOR DE REGLARE ELECTROHIDRAULICE

RESEARCHES ON THE MODELING AND REAL TIME SIMULATION OF THE ELECTROHYDRAULIC CONTROL SYSTEMS

- REZUMATUL TEZEI DE DOCTORAT -

COMISIA DE DOCTORAT

Preedinte Prof.dr.ing. Adrian BADEA de la U.P. BUCURETI Conductor de doctorat Prof.dr.ing. Nicolae VASILIU de la U.P. BUCURETI Referent Acad. Florin FILIP de la ACADEMIA ROMN Referent Prof.dr.ing. Ilare BORDEAU de la U.P. TIMIOARA Referent Prof.dr.ing. Nicolae VASILE de la U. VALAHIA TRGOVITE

Bucureti, 2013

MARIUS-ALEXANDRU MITROI TEZ DE DOCTORAT

UNIVERSITATEA POLITEHNICA DIN BUCURETI FACULTATEA ENERGETIC

DEPARTAMENTUL DE HIDRAULIC, MAINI HIDRAULICE I INGINERIA MEDIULUI LABORATORUL DE ACIONRI HIDRAULICE I PNEUMATICE

Ing. Marius - Alexandru MITROI

Conductor tiinific: Prof.univ.dr.ing. Nicolae VASILIU

CERCETRI ASUPRA MODELRII I SIMULRII N TIMP REAL A SISTEMELOR DE REGLARE ELECTROHIDRAULICE

RESEARCHES ON THE MODELING AND REAL TIME SIMULATION OF THE ELECTROHYDRAULIC CONTROL SYSTEMS

Abstract: Promovarea surselor regenerabile de energie a impus retehnologizarea centralelor hidroelectrice ca unice surse flexibile de energie, capabile s asigure meninerea frecvenei sistemului energetic naional la nivelul impus de UTCE. Exigenele reglrii vitezei i puterii hidroagregatelor nu pot fi satisfcute dect prin utilizarea unor regulatoare de vitez performante. Realizarea acestora n ultimele dou decenii a fost posibil datorit evoluiei rapide a echipamentelor industriale de calcul i a servovalvelor electrohidraulice rapide de mare putere. Ultima realizare notabil n domeniul calculatoarelor industriale este tehnologia bazat pe circuite logice programabile (FPGA). Pornind de la stadiul actual al cercetrilor n domeniul simulrii n timp real i a simulrii de tip Hardware-In-the-Loop (HiL) a sistemelor de reglare electrohidraulice, n tez s-au identificat performanele tehnologiei de reglare bazate pe circuitele FPGA i s-a conceput un sistem original de reglare numeric pentru hidroagregatele axiale cu dublu reglaj de tip KAPLAN utiliznd tehnologia FPGA. n acest scop s-a realizat modelul funcional al unui regulator de vitez original ce conine o unitate de timp real din familia PXI i un controler de proces din familia CompactRIO, ambele produse de corporaia National Instruments.Implementarea structurilor de conducere numeric bazate pe tehnologia FPGA a impus analiza arhitecturilor moderne de regulatoare automate de vitez pentru hidroagregate, modelarea matematic, simularea numeric n timp real i identificarea experimental a comportarii dinamice a servomecanismelor hidraulice necesare reglrii aparatului director i rotorului turbinelor axiale. Particularitile sistemului dezvoltat i testat permit implementarea direct a algoritmilor numerici de reglare att n structura secvenial de calcul ct i n matricea FPGA. Cercetrile realizate deschid noi perspective pentru modernizarea sistemelor de conducere aflate la un nivel ierarhic superior in cadrul centralelor hidroelectrice. Cuvinte cheie: sisteme de reglare electrohidraulice numerice, simulare in timp real, HiL, sisteme SCADA, prelucrarea digitala a semnalelor, sisteme robuste de reglare a proceselor energetice.

The large-scale promotion of the renewable energy resources obliged all the electric power suppliers to refurbish the hydro power plants. The main problem generated by the energy supplied by the wind and the sun power stations is the frequency control of the national power network. The hydropower units are the only units, which can match the requirements of the UTCE by the aid of the high performance speed governors created in the last two decades. Two major improvements allowed this achievement: the new generation of two-stage high-speed industrial servovalves, and more reliable high-speed industrial computers. The most important progress in the last field is the development of the programmable field gate array technologies (FPGA). This thesis details the state of the art in the field of real-time simulation and hardware in the loop simulation (HiL) for electrohydraulic control systems. The performances of the control technology based on FPGA were identified and an original control algorithm based on this technology was used to design an original test bench for the speed governors suited for axial hydro power plants. The complex hydraulic test bench contains a real time PXI unit and a CompactRIO controller from National Instruments. The implementation of a governing structure based on the new technology was performed by dynamic identification, mathematical modeling and real time simulation of the hydraulic control systems used for actuating the wicket gates and the runner blades of an industrial turbine controlled by a speed governor patented by the research team of the Fluid Power Systems Laboratory of the U.P.B. The control structure of new developed system allows the direct implementation of the control algorithm in the classic programmable structures as well as in the FPGA type structures. The new control hardware and software architecture developed in this thesis open new ways to improve the control and the communication systems for electrohydraulic speed governors in any type of hydraulic power plant. Keywords: electrohydraulic control systems, real-time simulation, HiL simulation, virtual instrumentation, remote digital control systems, web interfaces, SCADA systems for power plants.

Marius MITROI Rezumatul tezei de doctorat

Cercetri asupra modelrii i simulrii n timp real a sistemelor de reglare electrohidraulice

2

PREFA n contextul extinderii vertiginoase a sistemelor automate electrohidraulice numerice spre cele mai variate domenii industriale, autorul a abordat, cu instrumentele moderne ale teoriei sistemelor cu eantionare, modelarea, simularea n timp real, identificarea experimental i sinteza servomecanismelor electrohidraulice, precum i aplicaiile majore ale acestora n domeniul reglrii vitezei agregatelor energetice cu tehnologia digital FPGA. Prezenta lucrare, elaborat ca tez de doctorat, constituie o ncercare de cercetare sistemic a fenomenelor tranzitorii din sistemele automate electrohidraulice digitale - servomecanismele electrohidraulice, privite ca sisteme flexibile de transmitere a micrii, n scopul sintezei optime a acestora. Pentru a facilita integrarea acestor subsisteme n sisteme automate complexe, modelele matematice studiate au fost transformate n subrutine compatibile cu programul de analiz prin simulare numeric a sistemelor tehnice AMESIM, simplificnd considerabil sinteza optim a acestora. n aceast lucrare, categoria servomecanismelor include cilindrii hidraulici echipai cu servovalve electrohidraulice, traductoare de poziie i servocontrolere digitale bazate pe tehnologia FPGA implementat de corporaia NATIONAL INSTRUMENTS din S.U.A. pe echipamentele de monitorizare i conducere a proceselor industriale din familia CRIO. Autorul a ales aceast soluie hardware deoarece tehnologia FPGA, inventat n 1985 de compania Xilinks, permite procesarea determinist a semnalelor, asigurnd o precizie absolut compensatoarelor de eroare ale sistemelor automate. Posibilitatea de reconfigurare hardware a procesoarelor acoper o gam larg de aplicaii n domenii ce necesit simultan un nivel ridicat de securitate i o precizie foarte mare. Teza a fost elaborat n cadrul Laboratorului de Acionri Hidraulice i Pneumatice al Departamentului de Hidraulic, Maini Hidraulice i Ingineria Mediului din Facultatea de Energetic a Universitii POLITEHNICA din Bucureti. Laboratorul este recunoscut de Asociaia de Acreditare din Romania (RENAR) n domeniul certificrii calitii amplificatoarelor electrohidraulice. Baza material a laboratorului a fost modernizat cu sprijinul reprezentanei romne a corporaiei PARKER HANNIFIN n cadrul unei colaborri permanente pe plan tiinific i didactic. Pregtirea dobndit de autor n acest laborator a fost completat prin numeroase vizite n laboratoare de profil europene dintre care se detaeaz Laboratorul de Sisteme Automate Hidraulice al Universitii din Bath (Marea Britanie) i Laboratorul de Hidraulic Aerospaial al Institutului de tiine Aplicate din Toulouse. Instrumentul fundamental de calcul numeric utilizat n lucrare a fost pachetul de programe MATLAB, elaborat de compania MathWorks din S.U.A., precum i extensiile sale: SIMULINK, CONTROL TOOLBOX, IDENTIFICATION TOOLBOX etc. De asemenea, autorul a utilizat programul AMESIM - instrument evoluat de concepie prin modelare i simulare a sistemelor automate cu fluide, elaborat de Societatea IMAGINE din Frana i extins de corporaia LMS INTERNATIONAL din BELGIA. Conducerea i identificarea echipamentelor i sistemelor studiate n lucrare a fost realizat cu interfee de achiziie a datelor experimentale produse de corporaia NATIONAL INSTRUMENTS din S.U.A., asistate de pachetul de programe LabVIEW Real Time produs de aceeai firm.

Primul capitol al tezei este consacrat stadiului actual al cercetrilor n domeniul modelrii i simulrii n timp real a sistemelor de reglare electrohidraulice numerice. Pornind

Marius MITROI Rezumatul tezei de doctorat

Cercetri asupra modelrii i simulrii n timp real a sistemelor de reglare electrohidraulice

3

de la arhitectura i performanele impuse sistemelor automate digitale, autorul