Диссертация (Разработка способа и алгоритмов управления электрическими печами сопротивления, обеспечивающих временную и пространственную равномерность нагрева), страница 6

Разработка методики определения постоянной времени ЭПС наоснове паспортных данных.8. Разработка программного пакета для расчета передаточных функцийэлектрических печей сопротивления.Страница | 33Выводы по главе 11. Анализ состояния развития электрических печей сопротивления длятермообработки керамических изделий выявил основное направлениенаучных исследований - модернизация системы управления.2. СовершенствованиенаправленонасистемразработкууправлениярегуляторовЭПСтемпературы,должнобытьпозволяющихрасширить применение стандартных микропроцессорных контроллеров дляосуществления электропитания нагревателей из дисилицида молибдена иограничения максимальной температуры нагревательных элементов с цельюповышения их срока службы.3.

Установлено, что для повышения качества обрабатываемых изделий иснижения брака, технологический процесс термообработки керамическихизделий требует обеспечения высокой равномерности нагрева в рабочейкамере печи. Система управления ЭПС должна обеспечивать требуемуюравномерность нагрева в рабочей камере печи.Страница | 342. РАЗРАБОТКА УТОЧНЕННЫХ МОДЕЛЕЙ ЭПС ДЛЯТЕРМООБРАБОТКИ КЕРАМИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ2.1.

Постановка задачи по разработке уточненных моделейСистемы управления ЭПС для термообработки керамических изделийобеспечивают стабилизацию и регулирование температуры внутри печи, т. е.являются по существу регуляторами температуры.В настоящее время промышленный регулятор температуры печисопротивления[1,14,24,26]выполняетсяввиденабораследующихфункциональных элементов (рис. 2.1):- задающего устройства З, служащего для ручного или автоматическоговвода заданного значения регулируемой температуры;- вычислительного устройства ВУ, выполняющего функции сравнениядействительного и заданного значения температуры и вырабатывающеготребуемый закон регулирования;- исполнительного элемента (регулятора мощности) РМ, изменяющеговводимую в печь мощность;- датчика температуры печи ДТ.Рис.2.1 Функциональная схема системы регулирования температуры ЭПСНарис.2.2представленаструктурнаясхеманепрерывногорегулирования температуры с ПИД-законом регулирования.Страница | 35Рис.2.2.

Структурная схема системы непрерывного регулированиятемпературы ЭПС с ПИД-законом регулированияНесмотря на то, что ЭПС является сложным неоднородным объектомуправления,регулятортемпературытрадиционновыполняетсяодноканальным, т. е. содержит один исполнительный элемент – тиристорныйрегулятор напряжения, одно регулирующее (вычислительное) устройство –специализированныйпрограммируемыйконтроллер(регулятортемпературы) и один датчик температуры [1]. В то же время неоднородностьЭПС как объекта управления проявляется в том, что он включает в себянескольковзаимосвязанныхусловиямитеплопередачиэлементовсразличными теплотехническими параметрами.Такое представление ЭПС как объекта управления при исследовании,проектировании и настройке регулятора температуры позволяет решать рядзадач, не требующих высокой точности поддержания температуры наизделии.

Однако, с повышением требований к точности и качествурегулированиятемпературы,особенновсложныхипрецизионныхтехнологических процессах, возникает необходимость учета распределениятемператур внутри печи. Очевидно, что такой анализ может бытьосуществлен только на основе детализированного представления ЭПС какнеоднородного объекта управления [43, 71, 74, 76].Страница | 36УпрощенноетеплотехническогопредставлениеэлементаЭПСсоздаетввидеопределенныеоднородногопроблемыприпроектировании и настройке регулятора температуры. В частности, одним изнерешенных вопросов можно считать выбор места установки датчикатемпературы внутри печи, а также критериев оценки выбора желаемого, сточки зрения технологии, места установки датчика температуры.

Решениеэтой задачи при использовании традиционной упрощенной модели ЭПСневозможно.Технологический процесс термообработки керамических изделийтребует обеспечения высокой равномерности нагрева в рабочей камере печи.Приэтомнеравномерноераспределениетемпературывызываетнеобходимость снижения в целом скорости нагрева и охлаждения с тем,чтобы температурные кривые, различающиеся в отдельных частях печи, неприводили к повреждению (разрушению) изделий.

Однако, увеличениевременитехнологическогопроцессаприводиткснижениюпроизводительности и экономической эффективности установки.Одним из способов повышения равномерности нагрева в ЭПС являетсяразделение нагревательного блока на тепловые зоны. Тепловая зона ЭПСпредставляет собой участок печи с независимым питанием и аппаратурой длявключения,управленияирегулированиятемпературы[51,52].Вклассическом исполнении, каждая тепловая зона ЭПС включает в себятиристорный регулятор напряжения, подключенный к группе нагревателей иснабженный датчиком температуры.

При этом регулирование температурыкаждой тепловой зоны обеспечивается от отдельного одноканальногорегулятора температуры - программируемого контроллера или одногомногоканального.Однако, при таком способе повышения равномерности нагрева дажепри одинаковой уставке температуры в каждом регуляторе можетнаблюдаться существенная разность температур в различных тепловых зонахСтраница | 37в процессе нагрева вследствие различия тепловых постоянных времени, ивводимых мощностей в каждую из тепловых зон [69, 70, 72, 83].ИсследованиесистемуправленияЭПС,снижающихразностьтемператур различных тепловых зон печи, с помощью традиционнойупрощенной модели ЭПС невозможно.Помимо этого, материалы нагревателей для высокотемпературныхЭПС накладывают ряд особенностей на построение системы питания иуправления, что приводит к необходимости разрабатывать уточненныемодели, отражающие данные особенности.Учитывая всё вышесказанное, разработка уточненных моделей ЭПСудобных для решения различных задач управления является актуалнойзадачей, при этом модели могут быть различными под решение конкретныхзадач.

В данной работе была поставлена задача разработать следующиемодели:- модель ЭПС, учитывающую неоднородность ЭПС, как объекта управления[71, 74, 76];- модель ЭПС с ограничением температуры нагревательных элементов [82];- модель ЭПС с компенсацией разности температур в тепловых зонах печи[69, 70, 72, 83] ;- модель регулятора температуры с различными способами ограничения тока(внутри регулятора, а также с дополнительной обратной связью по току) [63,67, 68, 75];- математическая модель нагревателя из дисилицида молибдена [52].2.2. Разработка уточненной модели электрической печи сопротивленияЭлектрическая печь сопротивления с точки зрения управленияпредставляет собой сложную систему, состоящую, в общем случае, изнагревателя, на который поступает мощность от источника питания черезрегулятор напряжения, футеровки, обеспечивающей теплоизоляцию отокружающей среды, нагреваемого изделия (садки) и термопреобразователяСтраница | 38(датчикатемпературы,характеризующихсяустанавливаемогоразличнымивпространстветеплотехническимипечи),параметрамиисвязанных друг с другом процессами теплопередачи.

Это обстоятельствочрезвычайно усложняет расчет тепловых переходных процессов и анализдинамики процессов регулирования. С повышением требований к точности икачеству регулирования температуры и возможностью реализации сложныхалгоритмов управления на основе микропроцессорных средств возникаетнеобходимостьразработкиуточненныхмоделейЭПСирегуляторатемпературы, которые бы в большей степени учитывали особенностипроцессовтеплопередачиитеплотехническиепараметрыотдельныхэлементов печи.Традиционно ЭПС в регуляторах температуры представляют в виделинеаризованного звена с передаточной функцией [1]:(2.1)где Kп – коэффициент передачи печи; Tп – постоянная времени печи.Такое представление ЭПС, как объекта управления позволяет решатьряд задач, при моделировании систем управления и регулятора температуры.С учетом того, что настройка параметров регуляторов температуры ЭПС длякаждой новой печи вручную трудоемкая и финансово затратная операция.Этоделаетцелесообразнымразработкууточненноймоделипечи,учитывающей теплотехнические параметры отдельных элементов печи исвязи между ними.Каждый элемент печи сопротивления может быть графическипредставлен в виде звена рис.

2.3, на которое поступает управляющеевоздействие – вводимая мощность(длявоздействиезагрузкиилии(для нагревателя печи) или температуратеплоизоляции),интегральноевозмущающее, изменяющее управляющее воздействие. Выходнойвеличиной является температура[1].Страница | 39Рис. 2.3. Структурная схема элемента печи сопротивления,как объекта управленияДля разрабатываемой модели элемента печи сопротивления, какобъекта управления, воспользуемся следующими допущениями [1]: пренебрегаемнеоднородностьювнутриэлементапечи,т.е.используем его усредненные теплотехнические параметры; считаем нагреватель, футеровку и изделие теплотехническитонкими телами.Эти допущения являются довольно грубыми, однако, позволяютполучить модели элементов печи в форме, удобной для дальнейшегоисследования системы регулирования температуры.Используя рассмотренный выше традиционный подход к описаниюпечи как объекта управления применительно к каждому из выделенныхэлементов печи, можно представить регулятор температуры с учетомнелинейной характеристики регулирующего устройства и обобщенноймоделью ЭПС, в виде структурной схемы рис.

2.4.Приведенная на рис. 2.4 структурная схема включает в себя следующиеблоки:ЭПС, учитывающую неоднородность печи, источник питания –тиристорныйрегуляторнапряжения,регулирующееустройство,вырабатывающее пропорционально-интегрально-дифференциальный законуправления и датчик обратной связи (датчик температуры). Предлагаемуюмодельможнорассматриватькакуниверсальную,пригоднуюдляисследования различных типов ЭПС и схемотехники системы регулированиятемпературы. В частности указанная модель позволяет исследовать влияниеобратной связи по температуре, как от отдельных элементов печи, так и от ихСтраница | 40совокупности.

Возможные способы введения обратной связи показаны нарис. 2.4 штриховыми линиями.Рис.2.4. Структурная схема регулятора температуры, учитывающаянеоднородность ЭПС как объекта управления и нелинейность характеристикрегулирующих элементовМодель печи включает в себя нагреватели, представленные в видеинерционного звена с передаточной функциейkн /(Tн p + 1), футеровку,определяемую охваченным отрицательной обратной связью инерционнымзвеномспередаточнойфункциейиkф /(Tф p + 1)изделие,такжепредставленное в виде охваченного отрицательной обратной связьюинерционного звена с передаточной функцией kи /(Tи p + 1). Воздушныепромежуткимеждунагревателем,футеровкойиизделиемтакжеучитываются в модели в виде инерционных звеньев с передаточнымифункциями kвф /(Tвф p + 1), kви /(Tви p + 1).