Устройство для моделирования трубопроводных систем Советский патент 1980 года по МПК G06G7/50 

1

Изобретение отнрсится к гибридной вычислительной технике и может быть использовано автономно, а также в составе вычислительного комплекса для быстрого расчета установившихся режимов гидравлических, газовых, вентиляционных и т.п.

Известно устройство для моделирования участка сети трубопроводов, содержа цее функциональный преобразователь, регулятор источников напря.жения, делители напряжения и дополнительный источник напряжения 1.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является устройство для моделирования трубопроводных систем,содержащее наборное поле, модели трубопроводов, коммутатор, блок задания нелинейности, кодоуправляемый элемент, формирователь напряжения, буферный запоминаюций блок и блок управления 2.

Недостатком известных устройств является недостаточная точность.

Цель изобретения - повышение точности.

Указанная цель достигается тем, что в устройство для моделирования трубопроводных систем, содержащее наборное поле, модели трубопроводов, каждая из которых состоит из блока памяти и масштабирующих резисторов, одни выводы которых подключены к выходу соответствующего 5 блока памяти, входы блоков памяти соединены с первой группой выходов коммутатора, вторая группа выходов которой подключена к входам вычислительного блока, блок задания

10 нелинейности, кодоупрашляемый элемент, выход которого соединен с одним входом формирователя напряжения, выходы которого подключены к первой группе входов коммутатора,

15 вторая группа входов которого соединена с другими выводами масштабирующих резисторов и группой выходов наборного поля, блок управления, выход которого соединен с управляю20 Щим входом коммутатора,буферный запоминающий блок, первый- вход которого подключен к выходу блока управления, первый выход буферного запоминающего блока соединен с управляющим входом

25 кодоуправляемого элемента, другие входы формирователя напряжения родключены ко второй группе выходов коммутатора, введены блок масштабирования, вычислительный блок, сум

30 матор, преобразователь код-аналог.

триггер и ключи, управляющие входы которых соединены с выходами триггера, вход которого подключен к первому выходу блока масштабирования, второй выход которого соединен со вторым входом буферного запоминающего блока, второй выход которог через преобразователь код-аналог подключен к первому входу сумматора второй вход которого через блок задания нелинейности соединен с выходом первого ключа, информационные входы первого и второго ключей подключены к выходу вычитающего блока, выход второго ключа соединен с третьим входом сумматора, выход котрого подключен к входу кодоуправляемого элемента, выход наборного поля соединение первым входом блока масшбирования, второй вход которого псдключенк первому выходу вычислительного блока, вход которого соединен с третьим выходом блока масштабирования, первый выход которого подключен к сигнальному входу блока управления, второй выход вычислительного блока является выходом устройства, входом устройства является третий вход блока масштабирования.

На чертеже представлена схема устройства для моделирования трубопроводных систем.

Устройство содержит наборное поле 1,модели 2 трубопроводов,состощие из., масштабирующих резисторов 3 и блоков 4 памяти, коммутатор 5, управляемый функциональный преобразователь б, состоящий из вычитакяцего блока 7, блока 8 задания нелинейности, кодоуправляемого элемента 9, формирователя 10 напряжения, сумматора 11, преобразователя 12 код-аналог, ключей 13 и 14, триггера 15, кроме того устройство содержит блок 16 управления, буферный запоминающий блок 17, блок 18 масштбирования и вычислительный блок 19. Входом устройства является вход 20 блока 18 масштабирования, а выходом - выход 21 вычислительного блока 19, Входы и выходы устройства . 22-36,

-Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Аналоговые модели 2, моделируют системууравнений, описывающих потокораспределение в трубопроводной сети:.

(1)

- падение давления на т-м

участке сети;

- поток в 1Г.-Й ветви, подтекающей к данному узлу или вытекающий из него;

р - количество ветвей, сходящихся в узле;

S - количество ветвей. Образующих контур;

п гидродинамическое сопротивление ветви;

п - число, определяемое характером движения потока. Трубопроводная сеть, состоящая из V участков, д-узлов и к независимых контуров, причем, как известно, (-гд+1 описывается системой уравнений (1), состоящей из к нелинейных уравнений вида ,

5 т И g - 1 линейных уравнений вида 1 Qm 0.

Система уравнений (1) решается в устройстве следующим образом.

На первом шаге решения вычисляются нулевые (начальные) приближения решения системы (1) и Q путем решения системы уравнений (1) на моделях 2.

Разлагая величины Н и Q в ряд 5 Тейлора в окрестности точек Н.о

и Qm о отбрасывая члены разложения выше первого порядка малости, преобразуем систему (1) к виду:

,.- -«т;к-1 %- к1 Р I лО„„ -Д

(2)

т.к т/

ГП--1

к - номер итерации,

где 7 f

t J-/fc-« л- f

- поправки;

и С,,

VrTi,K« Лглк невязки, причем

tn.K .f .; р

,,rTi,K-i Решение системы уравнений (1) ищется в виде

Нт.К Нт,к-1 + ДНпотК (3)

. От,к-1 + Qm,K ,

Устройство работает таким образом, что после получения нулевого приближения решения системы уравнений (1), происходит перестройка структуры управляемого функционального преобразователя б и на моделях 2 решается система уравнений (2). Структура моделей 2 не изменяется на протяжении всего времени решения задачи.

После того, как на наборном поле 1 сформирована схема аналоговой модели трубопроводной сети, производится пуск модели, при этом триггер Q 15 по сигналу 22 блока 18 устанавливается в единичное состояние, на его прямом выходе появляется высокий потенциал, ключ 13 замкнут, ключ 14 разомкнут, выход вычитающего

блока 7 через ключ 13 подключен .ко

входу блока 8 задания нелинейности.

.

устройство решает систему:

S

mi гп,о гтт,.о о Р(4)

,o°

IIHm.o , Qm,o ,

причем .

где ma,o/ н.о и т, - масштабные коэффициенты по току, напряжению и сопротивлению для нулевого приближения решения системы уравнений (1) При решении системы уравнений (4) с выхода 23 блока 18 масштабирования на вход 24 буферного запоминающего блока 17 поступают и записыБлок 16 управваются коды

ления по сигналу с выхода 22 блока 18 масштабирования вырабатывает импульсы считывания, поступающие на вход 25 буферного запоминающего

блока 17 и на вход 26 коммутатора 5 Коммутатор 5 при поступлении на его вход 26 i -го импульса считывания подключает выходы 27 и 28 управляемого функционального преобразователя

,6 ко входам 29 и 30 i-й модели трубопровода, а входы 31 и 32 управляемого функционального преобразователя - к выходам 33 и 34 i-й модели трубопровода. Одновременно i-й импульс считывания поступает на вход 25 буферного запоминающего блока 17 на выходе которого появляется код N/CI о устанавливающий величину проводимости когюуправляемого элемента 9, равной

На выходных полюсах 27 и 28 управляемого функционального преобразователя при подключении .его к i-й модели трубопровода формируются

напряжения.

27 U35-Sign(U,,-U30,|U,-U,,l; i.,0

,,Sign(,,)Sjj|y j.(5j

t,O

где Uj5 , - напряжения на выходах 33 и 34 i-й модели трубопровода.

Ком1 тутатор 5 под действием импул сов считывания последовательно подключает модели трубопроводов 2 к выходам управляемого функциональног преобразователя 6, который вводит модели трубопроводов в нелинейный режим. Уравновешивание моделей трубопроводов происходит за время, равное нескольким тактам (тактом работы устройства будем называть время, в течение которого управляемый функциональный преобразователь подключается поочередно ко всем моделям трубопроводов) и обычно составляет 4-6 тактов.

Решение системы уравнений (4) Um.o выхода наборного поля поступает на вход блока масштабирования 18. Блок масштабирования 18 производит демасштабирование решения :

(6)

и

Н

ш

HtO

т,о

Решение Н,,1,о поступает с выхода блока масштабирования на вход блока 19 и записывается в память вычислительного блока 19. Вектор токов 1гт,о вычисляется по формуле

35-и.

- Ч.

5Ъ

п,о 2R (7) Uj и УЗЬ напряжения на выхогде

5 блоков памяти 4 т-й модели дах трубопровода. Блок 18 масштабирования производит демасштабирование решения

1п,,о.г.,о (8)

0 Решение Q,,O. заносится в память вычислительного блока 19.

На первой итерации блок 19 вычисляет невязки . р

т

л I

5

- .,N П ) PI

|П,0

т,1 т,о т,о

тИ

которые с его выхода поступают на вход блока масштабирования 18. Блок масштабирования производит масштабирование .невязок

0

,,. Дгт„Г 1 гл., где MI - масштаб первой итерации. Кроме этого, на первой итерг ции блок масштабирования 18 вычисляет

величины Rfji .O ,0

5

Далее невязки V,, , Л,,., и величины Rm,i поступают с выхода 23 блока 1Й масштабирования на вход 24 буферного запоминающего блока 17 и записываются в его память.

0

На первой и последующих итерациях управляемый функциональный преобра зователь 6 работает в линейном режиме. Триггер 15 по сигналу с выхода 22 блока 18 масштабирования уста5навливается в нулевое состояние, на инверсном выходе триггера появляется высокий потенциал, ключ 13 разомкнут, ключ 14 замкнут, выход блока 7 через ключ 14 подключен ко входу сумиато0ра 11.

На первой и последующих итерациях стройство решает систему .уравнений

55 . ,. %.,.

1.д1,,,,,

(9) m-i

к - номер итерации, К

«

l,2..«f, п,, и f, - невязки, причем Е

Ell -rt Т f4 Т nviC (Tvi-t .o гп,к It Pm,Kifci m.n-t

M, - масштаб к-и итерации.

На первой итерации блок управлени по сигналу с выхода 22 блока масштабирования 18 вырабатывает импульсы считывания, поступающие на вход 25 буферного запоминаквдего блока 17 и на вход 26 коммутатора 5. 1 оммутатор 5 при поступлении на его вход 26 1-го импульса считывания подключает к входам управляемого функционального преобразователя i-ю модель трубопровода 2. На втором выходе буферного запоминающего блока 17 появляется код числа i,i - ,i на первом выходе - код числа ,,() Проводимость кодоуправляемого элемента 9 становится равной -l/Pj i на выходе преобразователя код-аналог 13 устанавливается напряжение Vt,,i , На выходах 27 и 28 управляемого функционального преобразователя б формируются напряжения

..,J ,K.-AVv..)

где AU,g и Uj/j -напряжения на выходах 33 и 34 i-й модели трубопровод R - сопротивление 3 в

модели трубопровод 2.

Напряжения j гй через коммтатор 5 поступают на входы 29 и 30 1-й модели трубопровода. Управляемы функциональный преобразователь 6 поочер но подключается ко всем моделям трубопроводов и производит их уравновешивание. Коды невязок U i., поступают с выхода буферного запоминающего блока 17 на вход:преобразователя код-аналог 12 и с выхода 28 формирователя напряжения 10 невязки Aij вводятся в узлы моделейтрубопроводной сети 2. Решение зистемы уравнений (9) Дт/ поступает на вход блока масштабирования 18. Блок 18 масштабирования производит демасштабирование решени

. , Н,,. Решение А Н поступает с выхода блока масштабирования на вход блока 19 где вычисляется новое приближение

; Нт Нтл + ДН, , (12) записывается в память блока 1. -Поправки вычисляются по

im,i формуле

лТ ,,fa-uU m,r 2R

(13)

где Д Uj5 иди., - напряжения на выходах блоков памяти 4 т-й модели трубопровода. Блок 18 масштабиро- 65

вания производит демасштабирование решения

-1

m,.

(141

решение .t поступает в блок 19; где вычисляется новое приближение

От,1 Qm.o + Qm,i (15) которое записывается в память вычислительного 19 блока,

Дальнейшие вычисления производятся по схеме первой итерации. На К-й итерации блок масштабирования 18 заносит в память буферного запоминающего блока 17 по входу 24 величины

Qm,rQm,,i .d)

.-VO-CK-,). U6)

V,K.-,Im,.-r

(1 7) .K Vo- -Imli(18)

Поправки AfT ид1гп,к с полученные путем решения системы (9; вводятся в блок 18 масштабирования, который их демасштабирует.

гр,,,.-,

Qm, ..Ki (19) затем поправки д н,.; и д поступают в блок 19, где вычисляется к-е приближение решения

,,к

(20) т,к m,K-i m,K,

которое записывается в память вычислительного 19 блока. Система уравнений (9) при нулевых значениях невязок Еп1,(; и имеет нулевое решение. С увеличением числа итераций к масштабы MK возрастают, а поправки Д Нтк Q гл,к уменьшаются по абсолютной величине. Вычисления прекращаются естественным образом, когда невязки t,. и гп,- превращаются в машинные нули, вычислительного 19 блока, при этом поправки иДОп1,к также будут равны нулю. Вычисления могут быть прекращен также несколько ранее, а именно, при выполнении .условия

йН,б

(21)

где - допустимая погрешность решения.

- Введение в устройство новых элементов блока масштабирования, вычислительного блока,сумматора, преобразователя код-аналог, ключей и триггера, и организация новых, связей мезвду элементами устройства выгодно отличает предлагаемое устройство для моделирования трубопроводных систем от известного, поскольку устройство позволяет рассчитывать потокораспределение в трубопроводных сетях с цифровой точностью, определяемой длиной разрядной сетки блока вычисления невязок.

Формула изобретения

Устройство для моделирования трубопроводных систем, содержащее наборное поле, модели трубопроводов каждая из которых состоит из блока памяти и масштабирующих резисторов, одни выводы которых подключены к выходу соответствующего блока памяти, входы блоков памяти соединены с первой группой выходов коммутатора, вторая группа выходов которой подключена к входам вычитающего блока, блок задания нелинейности, кодоуправляемый элемент, выход которого соединен с одним входом формирователя напряжения, выходы которого подключены к первой группе входов KOMNtyTaTOpa, вторая группа входов которого соединена с другими выводами масштабирующих резисторов и группой выходов наборного поля, блок управления, выход которого соединен с управляющим входом коммутатора, буферный запоминающий блок, первый вход которого подключен к выходу блока управления, первый выход буферного запоминающего блока соединен с управляющим входом кодоупраляемого элемента, другие входы формирователя напряжения подключены ко второй группе выходов коммутатора, отличающееся тем, что, с целью повышения точности, в устроство введены блок масштабмроБания, вычислительный блок, сумматор, преоб. разователь код-аналог, триггер и ключи, управляющие входы которых соединены соответственно с выходами триггера, вход которого подключен к первому выходу блока масштабирования, второй выход которого соединен со вторым входом буферного запоминающего блока, второй выход которого через преобразователь

o код-аналог подключен к первому входу сумматора, второй вход которого через блок задания нелинейности соединен с выходом первого ключа, информационные входы первого и

5 второго ключей подключены к выходу вычитакхцего блока, выход второго ключа соединен с третьим входом сумматора, выход которого подключен к входу кодоуправляемого элеме та,

0 выход наборного поля соединен с первь.1 входом блока масштабироЕзл-ип , второй вход которого подключен к первому выходу вычислительного блока, вход которого соединен с третьим выходом блока масштабирования,

5

лервый выход которого подключен к сигнальному входу блока управления, второй выход вычислительного блока является выходом устройства, входом устро1 ства является третий вход

0 блока масштабирования.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Авторское свидетельство СССР 583458, кл, G 06 G 7/50, 1976.

5

2.Пухов Г.Е., Кулик М.Н. Гибридное моделирование в энергетике.

К, /Наукова думка , 1977, с. 50.