Устройство для моделирования трубопроводных систем Советский патент 1988 года по МПК G06G7/50 

j 1C

Изобретение относится к области устройств аналоговой вычислительной техники и предназначено для моделирования различных трубопроводных систем, в частности систем водоснабжения. Устройство может быть использовано автономно или в составе уст- . - ройст в оперативного управления установившихся и неустановившихся режимо гидравлических, газовых, вентиляционных и т.п. сетей.

При моделировании расчетных схем трубопроводных систем решается система алгебраических уравнений, основу которых составляют законы сохранения массы и энергии.

Для расчетов используется геометрически подобная схема реальной сети Такая схема, состоит из i ветвей (i 1, 2,..., N), j узлов (j 1,2,...,(М и г линейно независимых контуров (г 1, 2,,.., L). Стационарное течение по каждой i-й ветви может быть описано зависимостью

h;+H; S| q./

где Ьц - мера удельной кинетической

энергии потока, определяема перепадом давления на конца ветви;

удельная кинетическая энергия, подводимая к ветви, ил циркуляция (для пассивной ветви ),

сопротивление ветви, расход, т.е. количество жидкости (газа), проходящей через поперечное сечение за единицу времени, если q О направление потока совпадает с выбранной ориентацией ветви, q-, О - в противном случае,

показатель степени, характеризующий изменение потерь напора в зависимости от расходов и соответствздощий типу моделируемой системы ( для систем водоснабжения и тепловых сетей, р 1,75 для нефтепроводов и т.п.). В каждом узле должен соблюдаться

материальный баланс:

N

Tq- О . Ч

Г J

н. S; - q,

Р

J

Алгебраическая сумма берется по всем i-M ветвям, имеющим общий j-й

узел, причем Qj - заданный расход J-M узле (Q; О, если в j-м узле ходится потребитель и Qj О, есл речь идет об источнике). Значения должны иметь общий нулевой баланс по всем узлам цепи:

всем узлам м

SlQi 0.

)

J

5

0

Q

5

5

0

0

5

0

5

Целью изобретения является повышение быстродействия устройства и за счет этого возможность оперативного выбора различных законов управления для трубопроводных систем.

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства для моделирования трубопроводных систем; на фиг.2 - блок- схема управляющего генерегтора и блока управления.

Устройство для моделирования тру- бопроводных систем (фиг. 1) содержит блок 1 моделирования потребителей и резервуаров, выполненный на биполярных источниках 2 тока, блок 3 моделирования источников сети, выполненный на управляемых биполярных источниках 4 напряжения, сеть 5 резисторов и блок 6 управления. Блок 6 содержит N идеи ичных управляющих генераторов 7, кажр:„)1Й из которых (фиг-. 2) выполнен из компараторов 8, (N-M+l)-Bxo- дового элемента И 9, двух ключей 10, 11J биполярных источников 12 напряжения и интегра гора 13, где М - число потребителей и резервуаров, а К - число источников сети.

Устройство работает следующим образом. Для проведения расчетов по увязке сети (определению потокорас- пределения при заданных величинах узловых отборов сети) и автоматическому определению величин напоров и расходов на каждом из источников 2 блока 1 моделирования потребителей и резервуаров 1 производится выставление величин токов, соответствующих заданным узловым отборам моделируемой системы. Перевод гидравлических единиц измерения в электрические производится по линейной зависимости. В граничных точках сети 5 установятся произвольные значения потенциалов U . На источниках 12 напряжения, подключенных через компараторы 8 к элементу И 9, выставляются напряжения V:, соответствующие геодезическому уровню той точки трубопроводной системы (плюс минимально необходимое давление) , к которой подключен данный вход

6noka 6 управления. Возможны три случая начального состояния элементов устройства.

1.Напряжение U, , Uj,... U, управляемых биполярных источников напряжения 4 вьше требуемых расходов.

2.Часть напряжений, например V , и,... Un, источников напряжения 4 выше, а часть напряжений U, UN источников напряжения 4 ниже требуемых расходов,

5. Напряжения U,, Uj ,.. . } источников напряжения 4 ниже требуемых расходов.

В первом случае потенциалы U; граничных точек сети 5 выше требуемых, что приводит к случаю, когда потенциалы узловых точек сети 5 выше заданных потенциалов Vj на источниках 12, подключенных к компараторам 8. Следовательно, в каждом из генераторов 7 на выходах компараторов 8, подключенных к входам элементов И 9, сигнал равен 1, что приводит к включению тех компараторов 8, выход которых подключен к управляющему входу ключа 11. Следовательно, компараторы 8 произведут включение ключей 11, т.е. на вход всех интеграторов 13 будет подано постоянное напряжение источника 12 отрицательной полярности. Каждый из интеграторов 13 начнет выдавать линейно убьшающее напряжение, что приводит к уменьшению на пряжений

на выходах источников

всех напряжений

и

V

и

Uu будет происходить до тех

а

пор, пока потенциалы каждой из узловых точек сети 5 будут больше по тенциалов Vj, соответствующих геодезическому уровню этих Ьочек. Как только потенциал одной из узловых точек станет меньше соответствующего Vj, произойдет переключение элемента И 9, тех управляющих генераторов 7, к которым подключена данная узловая точка сети 5.- Переключение элементов И 9 этих генераторов 7 вызовет отключение

Таким образом, топологическое распределение искомых напоров Hj в трубопроводной системе моделируется распределением потенциалов Uj. Причем работа.устройства не входит в режим генерации автоколебаний и резонанса, так как в ней отсутствуют положительные обратные связи блока 6 управления от сети 5. Более того модель обладает структурной устойчивостью, так как объекты такого рода имеют большую степень затухания возмущенных

40

45

их первых компараторов 8, т.е. отклю-50 воздействий за счет отрицательной обратной связи.

Формула изобретения

55 Устройство для моделирования трубопроводных систем, содержащее сеть резисторов, соединенных согласно топологии исследуемой трубопроводной

чение ключей 11 и включение тех компараторов 8, входы которых подключены к управляющим входам ключей ,10, что приводит к включению данных ключей 10 этих генераторов 7. Следовательно, на вход интеграторов 13 будет подано постоянное напряжение источника 12 положительной полярности.

10

15

25 ,

20

427393 ,

Каждый из этих интеграторов начнет выдавать линейно возрастающее напряжение, что приведет к возрастанию напряжений источников 4 и т.д.

Переходный режим работы устройства (т.е. время получения решения) закончится тогда, когда в устройстве установится режим динамического равновесия. Значения напряжений на каждом из источников 4 в этом случае соответствует искомым расходам в узловых точках моделируемой трубопроводной системы.

Второй случай начального состояния элементов устройства соответствует первому случаю, если последний рассматривать с момента времени Т,. Переходный процесс в этом случае будет протекать до тех пор, пока также не установится режим динамического равновесия.

Третий случай начального состояния элементов устройства отличается инверсией напряжений по отношению к первому случаю. Следовательно, процесс установления динамического равновесия начнется с того, что интег- г раторы 13.всех генераторов 7 начнут выдавать линейно возрастающие напряжения. Переключения полярности постоянного напряжения источников 12, соответствующих интеграторов 13 будут происходить таким же образом, как описано ранее. Следовательно, и в этом случае наступит режим динамического равновесия, что соответствует получению искомого решения.

Таким образом, топологическое распределение искомых напоров Hj в трубопроводной системе моделируется распределением потенциалов Uj. Причем работа.устройства не входит в режим генерации автоколебаний и резонанса, так как в ней отсутствуют положительные обратные связи блока 6 управления от сети 5. Более того модель обладает структурной устойчивостью, так как объекты такого рода имеют большую степень затухания возмущенных

30

35

40

45

-50 воздействий за счет отрицательной обратной связи.

системы, каждый из М выходных полюсо сети резисторов через биполярный источник тока соединен с шиной нулевог потенциала, а каждый из N (где N - число источников сети) входных полюсов сети резисторой подключен к первому выводу биполярного управляемого источника напряжения, управляющий вход которого соединен с соответствующим выходом блока управления, вторые вьшоды биполярных управляемых источников напряжения подключены к шине нулевого потенциала, отличающееся тем, что, с целью повьшения быстродействия устройства, выходные полюса сети резисторов соединены с входами блока управления, причем блок управления выполнен в ввде N управляющих генераторов, каждый из которых содержит биполярные источники напряжения, компараторы, первый и второй ключи, ()-входо- вый элемент И (где М - число потребителей и резервуаров) и интегратор,

выходом уп- соединен с блока управ- подключей к и второго

выход которого является равляющего генератора и соответствующим выходом ления, вход интегратора первым выводам первого ключей, между вторыми выводами которых подключен биполярный источник напряжения , выход (N-M-1)-входового элемента И соединен с первыми раз- нополярными входами первого и второго компараторов, вторые входы которых подключены к шине нулевого потенциала, выходы первого и второго компараторов соединены с управляиндигт ми входами первого и второго ключей соответственно, входы элемента И под ключены к выходам остальных компараторов, первый и второй входы каждого из которых соединены соответственно через биполярный источник напряжения с шиной нулевого потенциала и с входом управляющего генератора;, подключенным к,соответствующему входу блока управления.

Фиг.г

Изобретение относится к аналоговой вычислительной технике и предназначено для моделирования различных трубопроводных систем, в частности систем водоснабжения. Цель изобретения - повьшение быстродействия. Устройство включает сеть резксторов, соединенных согласно топологии исследуемой трубопроводной системы, биполярные источники тока, бипсляр- ные источники напряжения, блок управления. Устройство позволяет определить величины напоров (давлений) на выходах насосных станций для любого их геодезического месторасположения при заданных величинах узловых отборов в автоматическом режиме работы. 2 ил. е