Ім'я файлу: adaptivne-upravlinnya-temperaturnim-rezhimom-v-rekuperativnomu-n Розширення: pdf Розмір: 717кб. Дата: 22.03.2023 скачати Пов'язані файли: Лекція 3. ДС класифікація, аналіз схем, проектування НДС, ВДС.pp 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. |