Отобранные проектные инициативы по уровню соответствия цели S1, S2 S3№Проектная инициативаS1S2S3 Инициатива Pi3 76 48. Инициатива Pi8 55 44. Инициатива Pi4 64 54. Выводы

33
Системы управления в промышленности щих этапах, допустимое отклонение ранга g Pi
S
k
3
(
) ,
Pi k
∈Π
2
определено на «удовлетворительном уровне», тогда результаты отбора проектных инициатив по со- ответствию стрем стратегическим целям будут иметь вид:
Таблица 10
Отобранные проектные инициативы по уровню соответствия цели S
1
, S
2
S
3
№
Проектная инициатива
S
1
S
2
S
3 3.
Инициатива Pi
3 7
6 4
8.
Инициатива Pi
8 5
5 4
4.
Инициатива Pi
4 6
4 5
4. Выводы
В результате реализации процедуры многоцелево- го отбора из исходного множества проектных иници- атив отобираются наиболее соответствующие стра- тегическим целям развития энергоинфраструктуры предприятия, которые параллельно компонуются в две группы: «обязательные» - соответствующие та- кому стратегическому направлению как повышение надежности энергоинфраструктуры во внешней среде;
«основные» и «вспомогательные» - имеющие направ- ленность в улучшении внутренних параметров энер- гоэффективности и энергобезопасности энергоинфра- структуры.
Описана структура і принцип роботи
рекуперативного нагрівального колодязя.
Наведені результати його функціонування
із класичною САР. Показано переваги управ-
ління із застосуванням адаптивної САР
Ключові слова: рекуперативний нагрі-
вальний колодязь, адаптивна САР, темпе-
ратурний режим
Описана структура и принцип действия
рекуперативного нагревательного колодца.
Приведены результаты его функционирова-
ния с классической САР. Показаны преиму-
щества управления с применением адаптив-
ной САР
Ключевые слова: рекуперативный нагрев
ательный колодец, адаптивная САР, темпе-
ратурный режим
The structure and principle of operation of
recuperative heating pit is described. The resul-
ts of its operations with classical SAR are given.
The benefits of control using adaptive SAR is
shown
Keywords: recuperative heating pit, adapti-
ve SAR, temperature mode
УДК 621.311:681.5
АДАПТИВНЕ
УПРАВЛІННЯ
ТЕМПЕРАТУРНИМ
РЕЖИМОМ В
РЕКУПЕРАТИВНОМУ
НАГРІВАЛЬНОМУ
КОЛОДЯЗІ
А . П . М о в ч а н
Кандидат технічних наук, доцент*
Контактний тел.: 050-382-76-96
В . О . Л е в ч е н к о *
Контактний тел.: 096-766-14-52, 099-552-69-03
E-mail: LevchenkoVO@ukr.net
*Кафедра автоматизації теплоенергетичних процесів
Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут»
пр. Перемоги, 37, м. Київ, Україна, 03056
1. Вступ
Умови безпечної та надійної роботи рекуператив- ного колодязя вимагають, щоб витрата палива в реку- ператорі підтримувалася у визначених межах. Недо- тримання цих вимог може призвести до перевитрати палива та перегріву злитку металу, що стане причиною виходу з ладу колодязя.
За мету створення САР рекуперативного колодязя поставлено підвищення надійності та якості роботи як рекуператору так і колодязя вцілому, яка повинна під- тримувати значення необхідних технологічних пара- метрів в допустимих межах, тим самим забезпечуючи якісну, ефективну та економічну роботу агрегатів.
При проектуванні були використані сучасні рішен- ня по автоматизації. Вихідні дані для дослідження отримані з літературних джерел.
2. Структура та принцип роботи нагрівального
колодязя [1]
Злитки металу перед плющенням їх на блюмінгу або слябінгу нагрівають в нагрівальних колодязях. На металургійних заводах поширені колодязі різних кон- струкцій, що працюють з регенеративним принципом підігріву газу і повітря або з рекуперативним принци- пом підігріву повітря. У даному проекті розглядається

34
Восточно-Европейский журнал передовых технологий
2/
10
( 56 ) 2012
рекуперативний нагрівальний колодязь з подачею теп- ла одним нижнім пальником.
Час нагріву злитків ділиться на два етапи. На першому етапі відбувається підвищення температури поверхні злитка до температури, близької до зада- ної. У цей період в колодязь подається максимальна кількість тепла. На другому (витримки) відбувається прогрівання і вирівнювання температури внутрішніх шарів злитка при приблизно постійній температурі поверхні. У цей період у міру прогрівання злитків ви- трата палива поступово знижується.
Загальне завдання управління процесом нагріву полягає у виборі і забезпеченні теплового режиму ро- боти колодязя, необхідного для отримання металу із заданою температурою поверхні і допустимим перепа- дом температур по перетину злитка при максимальній продуктивності і мінімальних питомій витраті палива
і чаді металу.
Великі труднощі в автоматизації колодязів викли- кає відсутність засобів вимірювання температури по- верхні злитка і розподілу її по перетину. Застосування пірометрів не дає добрих результатів із-за впливу газів, що оточують злиток, і шару окалини на поверхні злит- ка. Додаткові ускладнення викликають різні умови нагріву окремих злитків, пов’язані з їх розташуванням в робочому просторі.
Рекуперативні колодязі опалюють змішаним газом
(коксодоменним) з теплотою згорання 7,5-10,0 Мдж/м
3
(калорійністю 1800-2000 ккал/м
3
). Змішаний газ для колодязів поступає із спеціальних станцій газозмішу- вачів.
Технологічно передбачена підтримка температури в робочому просторі 1400°С. Рух продуктів згорання по газоповітряному тракту здійснюється за допомогою димососів. Газоповітряний тракт нагрівального коло- дязя має зв’язок з атмосферою.
Технологічно передбачена підтримка тиску в робо- чому просторі колодязя 10-30 Па.
Регулювання горіння з корекцією здійснюється по аналізу продуктів згорання, що відбираються в про- сторі над рекуператорами.
Основні характеристики колодязя:
− Теплота згоряння палива– 7,5⋅10 МДж/м
3
− температура повітря в рекуператорі – 300°С.
− температура в робочому просторі – 1400°С.
− тиск в робочому просторі – 10-30 Па.
− температура димових газів до рекуператора –
700-900°С.
− температура димових газів після рекуператора
– 400-800°С.
Рис. 1. Принципова схема рекуперативного нагрівального колодязя: 1-робочий простір комірки, 2-кришка комірки,
4-рекуператори,5-метал
На рис. 1 показана схема осередку рекуперативного колодязя з пальником в центрі. Повітря для горіння, вентилятором, що нагнітається, заздалегідь підігрі- вається в керамічному рекуператорі; газ поступає до пальника холодним. Газоподібні продукти згорання видаляють з робочого простору осередки через по- лум’яні вікна, розташовані внизу стінок камери, звід- ки вони проходять в рекуператор і потім викидаються в атмосферу за рахунок тяги димової труби або димо- соса.
Перевагами нагрівальних колодязів є: велика швидкість нагріву металу завдяки тому, що злитки нагріваються одночасно зі всіх сторін, і малі втрати тепла через стінки колодязя. Проте періодичний ре- жим роботи приводить до змінного теплового режиму, що є недоліком нагрівальних колодязів і утрудняє їх автоматизацію.Залежно від умов виробництва в на- грівальні колодязі завантажують гарячі (600-900°) або холодні злитки (нижче 500°).
3. Аналіз нагрівального колодязя як об’єкта управління
Теплову обробку злитків металу в рекуперативних колодязях проводять за заданим технологічним ре- жимом (крива випалювання, рис. 2), порушення якого призводить до браку виробів.
Рис. 2. Температура в камері 1 та витрата палива 2 відповідно
Для попередження відхилень від встановлених режимів рекуперативних колодязів необхідний по- стійний контроль параметрів за допомогою технічних засобів автоматизації.
Одна із основних умов нормального нагрівання металевих злитків – підтримка встановлених темпера- тур в колодязі. На підставі практичної роботи рекупе- ративних колодязів встановлені технологічні режими, до яких існують чіткі вимоги. Так наприклад, в робо- чій зоні температура теплоносія повинна підтримува- тися з точністю
±10°С. Отже, температура найбільш важливий параметр колодязя, що контролюється. Для рекуперативних колодязів в найбільш відповідальних точках робочого простору підтримуються постійні температури. Температура в колодязі змінюється з ряду причин, наприклад, в результаті зміни режиму навантаження колодязя, зміни витрати палива та умов його горіння, аеродинамічного режиму колодязя і т.д.
Всі збурення призводять до порушення режиму нагрі- вання і, як наслідок, виходу продукції низької якості або браку. Підтримка температур по довжині колодязя нерозривно пов’язана з регулюванням інших параме- трів колодязя. Для безперервно діючих рекуператив-

35
Системы управления в промышленности них колодязів завантаження здійснюється кліщовим краном через верх в робочій простір колодязя, подача злитків є автоматизована. Впровадження цього крану дозволяє автоматизувати завантаження злитків в ро- бочій простір та вивільнити від тяжкої ручної праці робітників, що покращує умови праці.
4. Дослідження динамічних та статичних
характеристик об’єкта управління
В процесі нагріву злитків динамічна характери- стика об’єкта змінюється в залежності від режиму на- гріву. Температура в колодязі змінюється в результаті зміни режиму навантаження колодязя, зміни витрати палива та умов його горіння, аеродинамічного режиму колодязя.
Передавальні функції об’єкта при першому ,друго- му та n-му нагріві відповідно мають такий вигляд:
1 2 4 230 1
2 1 4 230 1
3 1
60 2
60
)
( )
,
)
( )
,
)
W
p e
p
W
p e
p об p
об p
=
⋅
⋅ +
=
⋅
⋅ +
− ⋅
− ⋅
W
W
p e
p обn p
( )
=
⋅
⋅ +
− ⋅
1 230 1
60
З моделі об’єкта побудованої в середовищі Simulink
(MATLAB) отримано перехідні характеристики відпо- відно до передавальних функцій.
Рис. 3. Перехідні характеристики об’єкта управління
Отримано перехідний процес в замкненій САР для розрахованих інженерними методами параметрів налаштування ПІ регулятора [2] з використанням пакету Matlab та розраховано показники якості пере- хідного процесу.
Рис. 4. Перехідні процес в замкненому контурі
Таблиця 1
Показники якості
K
p
=1,21, T
u
=161
Макс. дин. викід
0,48
Час регулювання
450
5. Перевірка САР на грубість
Під грубістю одноконтурної САР розуміють малу чуттєвість критерію функціонування до варіацій па- раметрів розімкненої САР.
Для дослідження системи були зняті 2 перехідні характеристики: при змінному K
об та при оптималь- них параметрах налаштування регулятора. Варіації параметру проводились в діапазоні 1-2.4
о
С/%х.РО.
Дослідження було проводено по каналу збурення – ви- хід. Отримані передні процеси приведені нижче на рисунку:
Рис. 5. Перехідні процеси у замкненій АСР при оптимальних параметрах настроювання регулятора, але при різних значеннях К
об
При дослідженні системи на грубість було встанов- лено, що система є грубою відносно у дин та Т
рег до зміни параметра К
об.
, і малі зміни якого викличуть зміни критерію якості функціонування САР більше ніж в 2 рази. Таким чином, застосування звичайних САР не дає достатньої якості регулювання так, як даний об’єкт має властивості змінювати свої параметри в відповід- ності до різних факторів. Тому такий об’єкт потребує застосування адаптивних систем регулювання для забезпечення високої якості регулювання та ефектив- ності нагріву злитків.
6. Теоретичні основи методу адаптації
Промислові об’єкти управління описуються моде- лями, які відрізняються від ідеальних нестаціонар- ністю характеристик. Тому для здійснення якісного управління такими об’єктами необхідно ідентифіку- вати в процесі їх нормального функціонування, а потім використовувати їх для підстроювання регуляторів.
Об’єкти управління можуть бути описані моделя- ми:
W s k
T s o
o o
m
( )
(
)
=
⋅ +1
(1)

36
Восточно-Европейский журнал передовых технологий
2/
10
( 56 ) 2012
або
W s k
s
T s o
o o
( )
exp(
)
=
⋅
− ⋅
⋅ +
τ
1
(2)
Причому, якщо для моделі (2) виконується співвід- ношення τ
T
o
≤1 , то з нею може бути порівняна модель
(1).
При побудові адаптивних систем управління не- обхідна ідентифікація параметрів моделей (1) або (2), причому ідентифікація, наприклад, параметрів m,
T
o
, k o
моделі (1) позволяє при необхідності перейти до моделі (2).
Нижче розглядається метод ідентифікації, засно- ваний на аналізі поведінки похідної перехідної харак- теристики об’єкта в точці перегину перехідної харак- теристики. Точка перегину має місце при m
≥ 2 або
τ
T
o
≥ 0 1
Характеристичне рівняння для моделі (1) може бути записано в вигляді:
a i
i i
m
⋅ + =
=
∑
λ 1 0 1
(3)
Для випадку зміни в часі динамічних параметрів об’єкта, наприклад, постійної часу T
o
, можна ввести параметр a i
, який враховує ці зміни. Тоді (3) запишемо в вигляді:
a t t
a T
a a a i
i i
m o
m m
( )
( )
(
)
,
min
⋅
+ = ⋅ ⋅ +
=
<
< <
=
∑
λ
λ
1 1
0 0
1
(4)
Для регульованої координати x(t) введем позначен- ня x t
k a o
⋅
( ) , яке в загальному вигляді показує її залеж- ність від k o
и динамічного a i
параметрів об’єкта.
Тоді дифференційне рівняння, відповідне до (1), для випадку подачі на вхід об’єкта одиничного ступін- чатого збурення можна записати слідуючим чином:
a t x t
x t
k t t
i k a i
k a o
i m
o o
( )
( )
( )
( ) ( )
( )
⋅
+
=
⋅
=
∑
1 1
(5)
Позначимо через t f a
1
= ( ) момент часу, в який перша похідна рівняння (5) приймає максимальне значення x
t x
t k a t
k a o
o
( ) |
max
( )
1
=
, а друга похідна x t
x t
k a t
k a o
o
( ) |
( )
1 1
0
=
= , що
ілюструєтся рис. 6.
Рис. 6. Перехідна характеристика, похідна і друга похідна від неї
На рис. 1 x t x t
( ), ( ) показані у збільшеному масшта- бі: x t x t
( )
, ( )
⋅
⋅
1000 10000 .
Рішення рівняння (5) при умові (4) являється функцією статичного k o
и динамичного a i
параметрів об’єкта управління x f k a t k a o
o
= ( , , ) , причому момент часу t
1
, в який x t
k a o
( )
1 0
= , залежить тільки від a i
(ди- намічних властивостей об’єкта):
t f a a t const
1 2
=
= ⋅
=
( )
, t
2
,
(6)
а добуток x t
t k a o
( )
1 1
⋅ залежить тільки від k o
(ста- тичних властивостей об’єкта).
При нульових початкових умовах рівняння (5) і при від’ємних корнях характеристичного рівняння (3) характер рішення x t
k a o
( ) , як це видно із рис. 1, такий, що перша похідна має одно екстремальне значення при t>0 в точці t t
=
1
, причому в цій точці друга похідна x
t k a o
( )
1
рівна нулю незалежно від значення k o
Алгоритм ПІД-регулятора вибраний в слідуючій формі:
u k e t k e t dt k de t dt p
u д
=
+
+
∫
( ( )
( )
( )
) .
(7)
При k д
=0, маємо ПІ-регулятор. При використанні
ПІД закона регулювання, k д
і k u
звязані між собою алгебрагічною залежністю.
Відомо, що при невеликому диапазоні зміни па- раметрів обєкта в 1 5 2
− раза однопараметрична настройка регулятора в достатній мірі забезпечує якість управління при збереженні співвідношення між складниками закону управління.
Виходячи із вище указаних властивостей рішення рівнянь об’єкта, запропонований слідуючий алго- ритм адаптації [3]:
K
K
t t
t p
n p
n
+
= ⋅
⋅
⋅
1 1
1 1
α
ε
ε
( )
max ( )
(8)
де K
p n
- значення загального коефіцієнта підсилен- ня регулятора перед адаптацією. K
p n
+1
- нове значення загального коефіцієнта підсилення регулятора.
ε( )
t - сигнал розузгодження. t
1
- момент досягнення мак- симума модуля першої похідної від модуля сигнала розузгодження. n – номер кроку адаптації. Коефіцієнт вибирається із ряду
α = 1 1 8
... . . Рекомендоване значен- ня
α =1.44.
Цей алгоритм базується на використанні вище приведених залежностей при збуренні по вихідній величині об’єкта і проведенні аналізу початкової стадії перехідного процесу в замкнутій системі регулюван- ня. В цьому випадку величина t e t
1 1
⋅
( ) залежить від k
k k p
p o
= ( ) . Експериментально доказано справедли- вість цієї залежності.
На рис. 7 показана структурна схема САР з адап- тивним регулятором.
В аналізаторі реалізуєтся слідуючий алгоритм:
ε
ε
ε
ε
ε
ε
( ) max ( ),
,
( ) max ( ),
( )
( ),
t t
t t
t t
t t
1 1
1
=
=
=
=
при при t t
1
= .

37
Системы управления в промышленности k
T
T
k T
p u
o д
д u
( )
( )
( )
( )
,
,
0 0
0
=
⋅
- визначаємо по апріорним да- ним про об’єкте на основі інженерних формул разра- хунку налаштувань.
Фільтр W s ф
( ) вводиться для того, щоб гарантовано забезпечити m
≥ 2 , а також зменшити вплив шумів.
Рис. 7. Структурна схема АСР
7. Дослідження обєкта управління із застосуванням
адаптивної САР
При параметрах об’єкта 2 2 4 230 1
60
)
( )
W p e
p об p
=
⋅
⋅ +
− ⋅
і роз- рахованих параметрах налаштування регулятора
К
р
=1,21, Т
и
=161, отримали перехідний процес зобра- жений на рис. 4.
Виконано дослідження САР з адаптивним регуля- тором критерієм якої є K
K
p m
p m
(
)
( )
+
−
<
1
ε , де ε = 0 005
Для виконання умови K
K
p m
p m
(
)
( )
+
−
<
1
ε , де ε = 0 005
знадобилось 5 ітерацій.
Проведено дослідження САР з адаптивним регу- лятором для змінених параметрів об’єкту.
При
1 1 4 230 1
60
)
( )
W p e
p об p
=
⋅
⋅ +
− ⋅
При
3 1
230 1
60
)
( )
W p e
p об p
=
⋅
⋅ +
− ⋅
Рис. 8. Перехідні процеси до та після адаптації 5-ітерацій
Рис. 9. Перехідні процеси до та після адаптації відповідно -5 ітерацій

38
Восточно-Европейский журнал передовых технологий
2/
10
( 56 ) 2012
Висновки
Показано, що застосування класичних САР тем- пературним режимом рекуперативного нагрівального колодязя не дає бажаних результатів, і потребує засто- сування адаптивних регуляторів.
Під час проведення дослідження був знайдений за- гальний коефіцієнт передачі адаптивного ПІ регуля- тора. Так як початкові налаштування знаходилися за допомогою інженерних методів, то кількість ітерацій була не менше чотирьох.
Із отриманих графіків перехідних процесів видно, що після адаптації динамічне відхилення зменшуєть- ся в 4 рази.
Також показано, що при цьому алгоритмі параме- три об’єкта можуть змінюватись біль ніж в два рази і при цьому досягаються необхідні показники якості регулювання без значного збільшення кількості іте- рацій.
Наведена адаптивна САР рекомендується для управління об’єктами зі змінними режимами, де вису- ваються високі вимоги до пере регулювання.
Рис. 10. Перехідні процеси до та після адаптації відповідно -5 ітерацій
Література
1. Крівандін В.А. Металургійні печі/ В.А. Крівандін, Б.Л. Марков// Металургія - 1977.
2. Попович М. Г. Теорія автоматичного керування/ Ковальчук О. В.// Либідь,1997. - 544с.
3. Полищук И.А. Самонастрающийся регулятор для теплоэнергетических процессов /Полищук И.А., Мовчан А.П.// Промыш- леная теплотехніка, 2007, т.29, №1.