COMPSYS - Simulatore di impianti di compressione
Il modello Simulink
COMPSYS opera con una libreria di configurazioni di impianto preparata
su specifica del cliente mantenendo la massima flessibilità di
impiego e la possibilità di estendere successivamente la famiglia
di configurazioni analizzabili. Ogni configurazione è riferita
ad uno specifico modello SIMULINK, che comprende assemblaggi diversi dei
blocchi componenti, corrispondenti ai blocchi fisici (compressore, tubo,
scambiatore, etc.). Le Fig. 11
e Fig. 12
rappresentano rispettivamente una configurazione relativamente semplice,
a due compressori in parallelo (senza scambiatori di calore) e il corrispondente
schema SIMULINK.
Sulla sinistra del diagramma di Fig. 12 sono visibili gli input fisici
del sistema. L'esplicitazione di questi input, oltre a permettere la definizione
delle funzioni di trasferimento dopo eventuali linearizzazioni di verifica,
consente una loro immediata visualizzazione. Per le simulazioni di transitori
nel blocco "IN" sono assemblate, con opportuni schemi logici,
sorgenti di segnale definibili a piacere.
Nei blocchi dello schema "top level" di Fig. 12 si annidano
fino a cinque livelli di sottoblocchi funzionali.
Ad esempio un blocco di secondo livello è quello di un singolo
compressore (Fig. 13)
che fornisce, in funzione di pressione di ingresso e uscita, della temperatura
di ingresso, della velocità di rotazione e della posizione delle
valvole, tutte a loro volta dipendenti da altri blocchi, la portata erogata,
la temperatura di uscita, la potenza assorbita dalla macchina e il vettore
delle variabili da controllare.
Un esempio di blocco di basso livello è dato in Fig. 14,
relativo al funzionamento di una singola valvola. Esso fornisce la portata
fluente in funzione di pressioni e temperature a monte e a valle e della
alzata dell'attuatore.
Gli output di interesse di ciascun blocco sono inviati al Workspace di
MATLAB per successive visualizzazioni e rielaborazioni. Inoltre per monitorare
l'evoluzione della simulazione in corrispondenza di alcuni output sono
connessi blocchi "Scope". Come indice della complessità
dei modelli gestiti da COMPSYS si può citare che il modello di
Fig. 12 comprende 43 variabili di stato.
Utilizzazione di COMPSYS
COMPSYS è attualmente sviluppato per attività di consulenza
da parte dell'autore. La sua ingegnerizzazione non è ancora a livello
di prodotto, benché sia gestito con l'ausilio di finestre grafiche
di comando.
Non è infatti dotato, attualmente, di un'adeguata robustezza e
flessibilità di questa interfaccia utente, come ad esempio un altro
programma già presentato dall'autore (ACUSYS [1]). Viceversa ogni
algoritmo, ovvero blocco funzionale necessario per la realizzazione di
molteplici configurazioni, è stato ampiamente verificato. Per citare
un esempio del livello di robustezza numerica dei modelli sviluppati,
questi sono in grado di accettare inversioni di flusso, cosa non facile
da realizzare in modo affidabile, in modo da poter simulare condizioni
anche anomale di funzionamento o al limite dell'accettabilità,
senza incorrere nell'arresto del programma o nella perdita di validità
dei risultati.
COMPSYS, una volta sviluppato come prodotto, potrà essere fornito
con i seguenti gruppi di file:
libreria delle configurazioni,
file di input tipo, relativi a ciascuna configurazione,
file di generazione di grafici e/o file di output,
file di gestione operativa delle analisi,
file di calcolo
La sua utilizzazione avverrà attraverso interfaccia grafiche del
tipo di (Fig. 15),
in modo da limitare all'utente la necessità di operare direttamente
con MATLAB e/o SIMULINK, sfruttando al massimo le possibilità offerte
dalla GUI di MATLAB.
Per il funzionamento di COMPSYS è richiesto un PC IBM o compatibile,
preferibilmente con processore 486 o Pentium e frequenza di clock di almeno
50 MHz, con almeno 24 Mb di RAM. Il software di base necessario è
MATLAB (vers. 4.2b o successiva) e SIMULINK (vers. 1.3a o successiva),
preferibilmente con Accelerator, per ambiente operativo MS-Windows (vers.
3.1 o successiva).
COMPSYS può utilizzare tutti gli algoritmi solutori messi a disposizione
dall'ambiente MATLAB-SIMULINK, ma quello più consigliato é
quello con metodo di Runge Kutta del 5° ordine (rk45), data la natura
altamente non lineare del sistema, con input e caratteristiche dei componenti
che presentano discontinuità.
Risultati tipici
Nelle (Fig. 16)
e (17)
sono riportati due esempi di grafici prodotti con COMPSYS, nella simulazione
di un transitorio di calo della domanda di portata del sistema di Fig.
11. In Fig. 16 sono riportati gli andamenti della portata globale, del
loop di cold recycle sovrapposte a quella richiesta, e quelle dei due
compressori, uno dei quali viene fermato perché superfluo. La Fig.
17 riporta la traiettoria dei punti di funzionamento delle due macchine
sulle rispettive mappe caratteristiche, per i primi 100 s di simulazione.
Da essa si può notare che, in questo esempio, il sistema di antisurge
non è sufficientemente rapido ad intervenire e provoca una sia
pur breve uscita dal limite di funzionamento accettabile.
Ringraziamenti
L'autore ringrazia l'Ing. Paolo Osti che ha collaborato nella realizzazione
dei modelli di base di COMPSYS e
la Teoresi S.r.l. per il supporto tecnico su MATLAB-SIMULINK.
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"Il modello Simulink"
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