Диссертация (781991), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Это вызывает определенныепроблемы при проектировании системы управления и настройки регулятора,в частности одним из до сих пор нерешенных вопросов является определениерационального места установки датчика температуры.С учетом того, что настройка параметров регуляторов температурыЭПС для каждой новой печи вручную трудоемкая и финансово затратнаяоперация. Это делает целесообразным разработку уточненной модели печи,учитывающей теплотехнические параметры отдельных элементов печи исвязи между ними.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 ВПС с экранной и комбинированной теплоиозяцией,учитывающую неоднородность печи, как объекта управления;- модель системы управления ВПС с переключением ступенейнапряжения трансформатора;-модельрегуляторатемпературысразличнымиспособамиограничения тока (внутри регулятора, а также с дополнительной обратнойсвязью по току).Страница | 342.2.
Разработка уточненной модели вакуумной печи сопротивления сэкранной теплоизоляциейКак объект управления, элемент печи сопротивления может бытьграфически представлен в виде звена рис.2.3, на которое поступаетуправляющее воздействие – вводимая мощность (для нагревателя печи)или температура −1 (для загрузки и теплоизоляции), интегральноевозмущающеевоздействиеΔилиΔ,изменяющееуправляющеевоздействие.
Выходной величиной является температура [50].Рис. 2.3. Структурная схема элемент печи сопротивления,как объекта управленияПри разработке модели элемента печи сопротивления, как объектауправления, вводят следующие допущения:− пренебрегают неоднородностью элементов печи, т.е. используютусредненные теплотехнические параметры;− считают нагреватель, футеровку и изделие теплотехнически тонкимтелом.Эти допущения являются довольно грубыми, однако, позволяютполучить модели элементов печи в форме, удобной для дальнейшегоисследования системы регулирования температуры.Запишем уравнение энергетического баланса: Θ+ α Θ F = P ± ∆P,(2.2)где - усредненный коэффициент теплоемкости элемента печи; - масса элемента печи;Страница | 35α - коэффициент теплоотдачи элемента печи;P - вводимая мощность;F i – площадь поверхности элемента печи;∆P - потери мощности, вызываемые внутренними и внешнимивоздействиями.Приведем уравнение (2.2) к каноническому виду, разделив обе части наα F . Получим: Θ1+ Θ =Pα F α F (2.3)Переходя к операторной форме, получим: Θ () + Θ () =1Pα F (2.4)Таким образом, передаточная функция примет следующий вид:W () =1αF(2.5) + 1На базе переходных функций отдельных элементов печи (рис.2.3)построим структурную схему печи сопротивления, как единого объектауправления разбитого на элементы (рис.2.4).Рис.
2.4. Структурная схема печи сопротивления, как объекта управления,собранная на базе переходных функций отдельных элементовС учетом типа управляющего воздействия (вводимой мощности илитемпературы предыдущего элемента) запишем передаточные функции длякаждого элемента печи.Страница | 36Для нагревателя передаточная функция (2.5) будет иметь следующийвид:Wнг () =1αнг Fнг(2.6)нг + 1В связи с тем, что на изделие и теплоизоляцию в качествеуправляющего воздействия поступает температура нагревателя, то уравнениеэнергетического баланса (2.2) для теплоизоляции и изделия запишем в виде: Θ+ α F Θ = α−1 Θ−1 F−1 ,(2.7)где α−1 Θ−1 - вводимая мощность.Приведем это уравнение к каноническому виду, разделив обе части наα F . Получим: Θα−1 F−1+ Θ =Θ−1α F α F(2.8)Переходя к операторной форме, получим: Θ () + Θ () =α−1 F−1Θ−1αF(2.9)А передаточные функция для загрузки и теплоизоляции примут вид:W () =α−1F−1αF + 1(2.10)Для теплоизоляции передаточная функция (2.10) примет вид:А для изделия:αнг Fнг(2.11)αнг Fнг+ αти Fти(2.12)Wти () =Wизд () =αти Fтити + 1αизд Fиздизд + 1В связи с тем, что в данной работе рассматриваются вакуумные печи сэкранной теплоизоляцией, то в структуре объекта управления ВПС выделимСтраница | 37отдельно каждый экран теплоизоляции, согласно структурной схемеотдельных элементов (рис.
2.3). Причем на первый экран в качествеуправляющего воздействия подается выходной сигнал температуры с выходанагревателя, а на каждый последующий экран – выходной сигналтемпературы предыдущего экрана (рис.2.5).Рис. 2.5. Структурная схема ВПС с экранной теплоизоляцией, построенная набазе переходных функций отдельных элементовПо данной структурной схеме в среде Simulink Matlab была разработанамодель вакуумной печи сопротивления с экранной теплоизоляцией (рис. 2.6).Построение такой модели позволяет исследовать динамическое изменениетемпературывразличныхобластяхнагревательнойкамеры.Страница | 38Рис. 2.6.
Модель системы управления с представлением ВПС в качестве набораотдельных элементов нагревательной камеры печиСтраница | 39На рис. 2.7, 2.8 приведены временные диаграммы, иллюстрирующиевозможности предлагаемой модели. Для удобства анализа полученныхзависимостей изменения температуры (нагревателя, изделия, а такженаиболее нагретого экрана) во время разогрева печи характеристикивыводятся на общий виртуальный осциллограф Scope1, что позволяетпользователю получить единую картину распределения температуры впространстве печи в динамике (рис.
2.7).Рис. 2.7. Динамические характеристики температуры нагревателя, изделия инаиболее горячего экрана теплоизоляцииРис. 2.8. Динамические характеристики температуры экранов,установленных в печиСтраница | 40Кроме того, для исследования динамики изменения температуры поэкранам отдельно на общий виртуальный осциллограф Scope2 выведенысигналы изменения температуры внутри экранной теплоизоляции (рис. 2.8).Сигнал обратной связи по температуре снимается с загрузки и через модельтермопреобразователя подается на вход регулятора температуры.Данная модель (рис.
2.6) позволяет решать ряд актуальных задач, такихкак: определение места установки датчика температуры; выбор значенияпревышения мощности в регуляторе; проверка выбора материалов экранов(не превышена ли максимальная температура на каждом из них); настройкасистемыуправленияВПСиотработкавозможныхвозмущающихвоздействий.Страница | 412.3. Регулятор температуры электрической печи сопротивления сограничением тока нагревателейВ §1.3 была выделена главная проблема, связанная с разработкойсистем управления ВПС.
Одним из способов снижения броска тока всистемах управления нагревателями из тугоплавких металлов являетсяприменение токовой отсечки, ограничивающий ток на нагревателях впроцессе разогрева печи.В ряде специализированных исполнительных элементов – тиристорныхрегуляторов переменного напряжения, вводят нелинейную отрицательнуюобратную связь по току (токовую отсечку), ограничивающую ток нагрузкидопустимыми для тиристоров значениями. В большинстве исполненийтиристорных регуляторов мощности токовую отсечку не применяют. Болеетого, введение токовой отсечки возможно только при использованиифазоимпульсного способа управления тиристорами регулятора мощности, вто время как для печей сопротивления применяют импульсное (релейное)управлениетиристорами,позволяющееуменьшитьстоимостьприсохранении качества и точности регулирования.
Однако, как показалиисследования, в релейных регуляторах температуры вводить токовуюотсечку нельзя.Отсутствие контроля тока в стандартном регуляторе температурыприводит к увеличению установленной мощности тиристоров и регулятора[1,81,88].Такимобразом,отсутствиевстандартныхпрограммируемыхрегуляторах температуры внешних входов для введения отрицательнойобратнойсвязипотокуограничиваетихприменениедлявысокотемпературных печей, требующих контроля тока нагревателей, привключении «холодной» печи.Длярасширениявозможностейстандартныхпрограммируемыхрегуляторов температуры предлагается вводить обратную связь по току вканал обратной связи температуры [73,77,85,86,88].Страница | 42На рис.2.9 приведена функциональная схема модернизированногорегулятора температуры.Данноеустройствоотличаетсяотпромышленногорегулятора,описанного выше, тем, что между источником питания и силовым входомрегулятора напряжения РН установлен датчик тока ТТ.
Датчик тока можетбыть выполнен в виде трансформаторов токавторичными обмотками,подключенными к выпрямителю, связанному своим выходом с входомпорогового элемента. Сигнал тока, снимаемый датчиком тока, черезпороговый элемент ПЭ подается в сумматор Σ совместно с сигналомтемпературы, снимаемым датчиком температуры ДТ. Суммированный сигналтока и температуры подается на вычислительное устройство ЭС.Рис.2.9.
Функциональная схема разработанного регулятора температурыэлектропечи сопротивленияПо данному техническому решению получен патент на полезнуюмодель № 98602 [88].Страница | 43Для исследования разработанной системы управления была построенамодель регулятора температуры в среде Simulink Matlab (рис. 2.10). Припостроении данной модели была использована традиционная упрощеннаямодель ВПС, как объекта управления с переходной функцией, рассчитаннойпо (2.1).Для удобства исследования регуляторов температуры с ограничениемтока разработана модель, реализованная в пакете прикладных программSimulink Matlab (рис.2.10), включающая в себя два способа организации«токовой» отсечки. Штриховой линией на рис.
2.10 показана схемарегулятора температуры с внутренним контуром тока (традиционноесхемотехническое решение). Предлагаемому схемотехническому решениюсоответствует схема расположенная ниже традиционной схемы. Дляудобства сравнения на обе модели поступает один и тот же сигнал от одногоблока Step, а для графического представления выходных сигналовиспользуются также общие виртуальные осциллографы Scope и Scope1.Такой прием позволяет наглядно представить результаты сравнениятрадиционного регулятора и предлагаемого регулятора (§ 3.1).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
