автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Повышение эффективности автоматического регулирования электропечи сопротивления методом временной вариации мощности

РГб од

¿ ¡_|| , На правах рукописи

БЕЛОГЛАЗОВ Александр Анатольевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОПЕЧИ СОПРОТИВЛЕНИЯ МЕТОДОМ ВРЕМЕННОЙ ВАРИАЦИИ МОЩНОСТИ

Специальность 05.13.07 - Автоматизация технологических

процессов и производств

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени канднтагга технических наук

Рыбинск -199$

Работа, выполнена в Рыбинской государственное авиационной технологической академик.

Научный руководитель:

- доктор технических наук, профессор Юдин В.В.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Трусов В.В. кандидат технических наук, доцент Алексеев С.М.

Ведущая организация - АООТ "Алгоритм"

Защита состоится 14 октября 1998 г. в 1200 на заседании диссертационного совета К 06442.02 в Рыбинской государственной авиационной технологической академии.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Рыбинской государственной авиационной технологической академии .

Автореферат разослан "_"_1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета:

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Наметившаяся в последнее время тенденция к увеличению точности регулирования температуры термических процессов сопряжена с ужесточением требований к эффективности эпергоиспользовадагя. Отмеченное обстоятельство делает актуальной задачу внедрения таких методов регулирования, которые в наилучшей степени удовлетворяли бы требованиям технологического процесса и электромагнитной совместимости, одновременно решая задачу минимизация влияния системы регулирования на промышленную сеть.

Цель работы - разработка и реализация принципов эффективного регулирования мощности электропечи сопротивления.

Научная новизна.

1. Разработан экономический критерий эффективности регулирования электропечи сопротивления, предложена методика определения числовых значений параметров критерия, создана пользовательская функция для определения критерия.

2. Разработаны математические модели цифровых регуляторов мощности и их структурных компонентов, создана общая модель регулирования температуры при различных режимах энергоснабжения.

3. Разработан принцип управления цифровыми регуляторами методом временной вариации.

4. Установлены зависимости основных характеристик процесса регулирования температуры от параметров управляющего кода.

5. Разработана методика статистического оценивания эффективности функггиогпфояаггия автоматического регулятора температуры.

Практическая ценность. Проведенные теоретические я экспериментальные исследования позволили создать базу для повышения эффективности систем автоматического регулирования электропечей сопротивления. Разработанные рекомендации и программа определения числовых значений параметров критерия эффективности дают возможность для адаптации системы регулирования к конкретным условиям технологического процесса и оборудования. Созданные в процессе исследований базы данных на технические решения и теоретические методы анализа в области цифрового регулирования упрощают дальнейшие исследования в указанной области.

Применение принципа временной вариации управляющего кода дало возможность улучшить точностные характеристики регулировал нин и снизить уровень реактивной мощности и искажений сетевого

напряжения. На основе экономического критерия зф фегтявности реализован принцип оптимального регулирования электропечи сопротивления.

Разработанные матричные модели коммутационных исполнительных структур упрощают разработку математических моделей цифровых регуляторов. Использование моделей цифровых регуляторов мощности повышает точность анализа систем регулирования на их основе. Разработанная методика статистического оценивания позволяет дать более достоверную оценку эффективности функциониро* ваиия системы автоматического регулирования электропечи сопротивления методом временной вариации мощности.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на Российской научно - технической конференция "Наукоемкие технологии в машиностроении и приборостроении" (г. Рыбинск, 1994 г.), на молодежной научной конференции "Гагаринскже чтения" (г. Москва, 1995,1997 гг.).

Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовало в 11 работах.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, перечня использованной литературы, приложений. Работа содержит 175 с. машинописного текста, включающие 119 с. основного текста, 6 с. таблиц, 34 с. иллюстраций, 16 с. библиографического списка из 120 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Обосновывается актуальность исследований. На основании анализа различных термических процессов проанализирована тенденция развития требований к термическим процессам энергоемких производств. Отмечено повышение точностных характеристик при одновременной ужесточении требований к качеству электрической энергии промышленных сетей. Показано, что обычно решение задачи повышения точности регулирования температуры бывает сопряжено с ухуд шением качества электрической анергии, что неизбежно приводит к появлению дополнительных производственных затрат. Отмечено, что одни и те же точностные характеристики термического процесса могут быть обеспечены различными режимами регулирования электрической печи, в связи с этим была сформулирована проблема выбора оптимального регулирования и дан перечень порождаемых этой проблемой задач исслед ования.

Î.Критерий эффективности регулировааия .

lía основании теоретических и экспериментальных данных, опубликованных отечественными и зарубежными исследователями, а также данных, полученных от специалистов предприятий, работающих в этой области, проанализированы источники основных потерь, связанных с регулированием температуры. Показано, что по целому ряду факторов (высокая точность, широкий диапазон, возможность использования нифровых алгоритмов обработки, высокие энергетические характеристики) наибольшим предпочтением в плане реализации задачи оптимального управления отвечают цифровые методы регулирования.

Автором проведен глубокий поиск источников патентной я научно - технической информации по исследуемой проблеме. Создана база данных, содержащая более 700 записей, и разработана управляющая программа к ней.

Предложен критерий эффективности регулирования, связанный с суммарными потерями на практическую реализацию термического процесса. Применительно к технологии производства ферритов были определены основные факторы потерь, включающие нестабильность температурного режима г?, потребляемую от сети при регулировании реактивную мощность Q и уровень основной гармоники V, генерируемой регулятором в сеть.

Указанные составляющие иотерь зависят от формы питающего нагревательный элемент напряжения н определяются управляющим кодом V дискретного регулятора. Для их вычисления была использована аппроксимация квадратичным полиномом. В соответствии с этим обший уровень потерь EIV) определен соотношениями:

R(V) = R,(V)+ Rj(V)+ Ri[V)

и системой

Ri(V)= а!0 + «!J1? + Ri(V) = <ъо + <mQ + anQ\ Ri(V) = a30 + anUj +

где a¿, i,ic(i,3) - аппроксимирующие коэффициенты, зависящие от технологических особенностей производства, существующих норм и условий электроснабжения. Для определения их числовых значений разработана специальная методика, основанная на анализе мнений

специалистов - экспертов. Разработанная методика была апробирована в условиях производства ферритовых изделий, при этом коэффициент конкордации составил 0.84.

Введение обозначений:

/«ю 0л а12\ /1 f}{v) v2(V)\

А = о*о <щ о» и W(V) = 1 Q(V) Q3(V)

W o3i \l U{V) Ü*{V)}

позволило определить следующую форму записи критерия оптимальности выбора управляющего кода V при регулировании температуры:

st(AWT(V)) = min.

"Установлена связь основных факторов потерь rj,Q,Uoo спектральными характеристиками основных параметров энергетического процесса (напряжением на нагревателе, протекающем по нагревателю тока, выделенной в нем мощности). Показано, что в общем случае для установившегося режима температура в печи является периодической функцией времени. Из анализа уравнения теплопроводности получено выражение для амплитуды г- й гармоники в спектре температуры:

. Рг 7у1+(гПгт)

где il7 - частота основной гармоники в спектре мощности, Рг - амплитуда г - й гармоники, m - масса электропечи, с - ее удельная теплоемкость, 7 - температурная проводимость.

Основными спектральными составляющими мощности электропечи сопротивления, определяющими нестабильность температурного режима в установившемся режиме, являются сетевая гармоника ft е и основная гармоника спектра ft г» связанные зависимостью:

(1е-2тПту

при этом отношение амплитуд этих гармоник зависят от компонента У. Вследствие инерционности электропечи влияние сетевой гармоники существенно снижается. Степень снижения зависит от отношения постоянной времени электропечи к периоду регулирования. Величина этого отношения равная, например, единице, обеспечивает 20 -кратное ослабление.

На основания этед'о результата получено выражение для оценки относительной нестабильности температурного режима по доминирующей гармонике мощности:

Реактивная мощность <} зависит от амплитуд гармонических составляющих напряжения Ь'п и тока /„:

где <р„ - фазовый сдвиг между ними.

Предложена структурная схема регулятора температуры, реализующего идею оптимального управления. Описан принцип ее функционирования, приведены передаточные функции и основпые характеристики ос структурных компонентов.

Разработана математическая модель основного компонента системы регулирования - цифрового регулятора мощности. На основании анализа известных технических решений предложено обобщенное представление его структуры, установлена связь основных характеристик с параметрами структуры п цифровым управляющим кодом.

2. Характеристики регулирования метода временной вариации Использован обобщенный подход. Напряжение куу на нагревательном элементе представлено в виде суммы составляющих компонентов, каждый из которых является функцией текущего времени и заданного множества параметров. При атом сам процесс регулирования рассматривается как варьирование некоторой части параметров этпх компопептов.

Напряжение «с, полученное суммированием составляющих с нерегулируемыми параметрами, определено как нерегулируемый компонент, напряжение «г, полученное суммированием составляющих с регулируемыми параметрами, определено как регулируемый компонент. При этом полагалось, что периоды изменения этих компонентов Тс и IV в общем случае неодинаковы.

На осповании выполненного спектрального анализа установлено соответствие между косинусоидалышми ауут и синусоидальными

V

Рг Ро

Ь\Уп составляющими выходного напряжения с одной стороны и соответствующими составляющими нерегулируемого <%сг> Ьср и регулируемого Ьуп компонентов с другой стороны, где т, п, р-целые числа, неравные нулю. Это соответствие имеет вид двух систем:

а\ут — аул + асру Ьцгт = Ьут + Ьсу

И

г т

п- = — = р, г г

где г и / - также натуральные числа, не рапные нулю, устанавливающие отношение между периодами нерегулируемого н регулируемого компонентов и выходного напряжения:

7> = гТс = ГГу.

Установлена общая связь среднеквадратичного за период значения выходного напряжения с аналогичными значениями нерегулируемого ис и регулируемого компонентов С/у к их параметрами:

ЦЬ = иЬ + и1 + 2(ис,иу),

Ти-

где (ис, иу) - ^ j исъИ' й - усредненное скалярное произведение компонентов. 0

Оценка возникающих при регулировании искажений оценивалась

коэффициентом:

<а _ ~ У\Уг

где и юг - действующее значение основной гармоники выходного напряжения, в качестве которой взята гармоника, соответствующая частоте питающей сети.

В практических схемах регуляторов в качестве НК обычно выступает гармоническое напряжение:

«с = С ешис^

где С - амплитуда нерегулируемого компонента.

В этом случае:

иЪ= у + У^ + бугСт

а О'2 + '¿Уу + ЫугСт _ с2 + (*{гт + Ь'1ут +- -2СЬуг)т *

где е(0

ГО прп^1, \ 1 при i = 1.

На основании этих соотношений разработан общий алгоритм, позволяющий выполнять анализ характеристик регулирования для любого вида компонент.

3. Принципы управления дискретными регулируемыми элементами

Исследованы возможные формы представления управляющей информации. Для скалярной величины х определены понятия цифрового вектора А' = ... хт) по заданному весовому вектору О = (дг д3 ... дт), цифрового скаляра хо = XС , добавки к цифровому скаляру г = х — хр, комплексного цифрового вектора А* ~ (А"| Л"а ... Л",„ ) но комплексному весовому вектору С = (С 1 Сг ... Си >. Установлено соответствие между различными формами представления информации.

Сущность регулирования временной вариацией мощности сводится к объединению достоинств амплитудного регулирования и регулирования вариацией временных параметров, включающей фазоим-пульсиое регулирование, регулирование числом полуволн сетевого напряжения, их различными комбинированными формами. Для его осуществления используют структурирование кода управления V цифровым регулятором мощности, выделяя в его составе два функциональных компонента 2 п Этими компонентами определяются параметры временной вариации цифрового регулятора. Компонент 2 определяет начальный уровень его коэффициента передачи, а компонент ф - временные параметры вариации.

Компонент обычно представляют в виде двух частей С} = (У X), причем У осуществляет управление периодами сетевого напряжения, а X - с1-о частями. В соответствии с этим управляющий код в общем случае имеет структуру V = (%яУтХр), где п,т и р - размерности компонентов 2. У и X.

Регулирование электропечи сопротивления методом временной вариации позволяет достичь уменьшения нестабильности температурного режима, снижения уровня реактивной мощности и высших гармонических составляющих в сети. Без заметного усложнения самой системы можно достичь повышения точности регулирования мощности в 2т+г раза.

Исследованы варианты цифрового регулирования, в частности: регулирование с независимым управлением, при котором управляющее воздействие на электропечь определяется лишь внешним сигналом, преобразуемым в код управления специальным узлом преобразования кодов, к регулирование с зависимым управлением, при котором управляющее воздействие определяется программой, зависящей от входного или (и) выходного параметров регулирования и совокупности эталонных сигналов.

Программа характеризуется совокупностью пар чисел (</,£,) с аналоговым, цифровым или комбинированным представлением информации. Первое число определяет момент переключения, второе - соответствующий этому моменту коэффициент передачи напряжения цифровым регулятором мощности, а индекс ; - порядковый номер пары в последовательности, при этом ] = 1,2,...«, где п - число интервалов преобразования.

Выходное напряжение в при этом имеет ввд:

Двухзначная логика управления цифровым регулятором мощности вызывает колебательный режим работы системы регулирования температуры. Поэтому обычно применяют трехзначную ила другую многозначную (обычно почетную) логику. Для трехзначной логики имеем: иЕ = ("ЕьЫса) и

a = uk(t),

где и - входное напряжение цифрового регулятора,

*■(*) = M*i«/.«i+ii — 1,2,... л,

' 0 при i < tj, i) -= 1 при tj < I < tj+i, О при tj+i < t.

а ши многозначной нечетной логики:

t -

-Р пря uftj, < V,

-р + I при UElf^i < V < «я;,

1

при UEI < V < UjBJ, при < » < ujei.

при этом предполагается выполнение условия ив1 < «яз < • ■ • < ^е?-Подробно исследован вопрос об определении параметров переключения цифрового регулятора мощности. Получено выражение для общего количества его дискретных уровней:

ent

jg

-Лв/JOO /

Iff (

+ 1.

где &E и ¿р - величины относительных отклонений напряжения питающей сети п мощности электропечи.

Рассмотрены технические особенности различных методов регулирования мощности в плане обеспечения высокой точности регулирования и качества электроэнергии. Показана перспективность использования методом временной вариации с комбинированным цифроаналоговым регулированием.

4. Моделирование и экспериментальные исследования

Разработана математическая модель системы регулирования, представленная обобщенной схемой, содержащей электропечь сопротивления EPS. измеритель 1ZM, формирователь управляющего сиг-пала FUS, аналого-цифровой преобразователь A CP, функцпокаль-ный преобразователь кодов FPK и цифровой регулятор мощности CRM, как это показано па рпсД-рпс.4.

Моделирование осуществлялось в среде MATLAB, при этом дифференциальные соотношения были заменены конечными разностями. Уравнение электропечи сопротивления составлено на основании уравнения теплопроводности. В качестве модели измерителя было использовано инерционное звено, а. в качестве функционального преобразователя кодов - интегрально - пропорциональное звена. Аналого-цифровой преобразователь осуществляет формирование из управляющего сигнала т цифрового кода V = (ZYX). Размерности его компонентов составляют соответственно п,гя и р, что задано вектором размерностей R = (rimp).

п

р

Для реализации подели этого узла в среде MATLAB разработана специальная функция V = аср (г, R, г max), параметрами которой являются преобразуемая аналоговая величина г, вектор R и величина г max, устанавливающая максимальное возможное значение преобразуемой аналоговой величины, соответствующее максимальному коду, т.е. определяемая из условия:

. (11 .. .1) = аср (rmax, R, гтах).

Функциональный преобразователь кодов реализует принцип оптимального управления, что описывается функцией VO = fpk(V,R). При исследовании системы регулирования без оптимизации этот узел вообще исключают из рассмотрения или используют узел с тождественным преобразованием. Цифровой регулятор мощности CRM представляет собой совокупность узлов, осуществляющих преобразование входного напряжения сети и в соответствии с алгоритмом вариации компонентов управляющего кода V в выходное напряжение в на сопротивлении нагрузки электропечи.

Было получено рекуррентное соотношение, устанавливающее соответствие между вектором Qi = (Т; <j; г<)т состояния системы в »- й момент и вектором ее состояния в t + 1 - й момент времени:

Qi = A^FiQt-i).

где А н F(Qi-i) - соответственно матрица и матричная функция векторного аргумента, зависящие от параметров системы регулирования и шага дискретизации времени At.

На основании спектрального анализа установлены зависимости от компонентов управляющего кода V мощности, выделенной в электропечи сопротивления, и спектральных характеристик напряжения и мощности. Зависимости оформлены в виде специальных функций среды MATLAB. Наличие таких функций позволило установить связь между компонентами управляющего кода и предложенным критерием затрат на регулирование, а также разработать программу определения оптимального управления.

На основании разработанных программ были выполнены исследования работы регулятора при различных режимах работы, в частности при линейном и нелинейном регулировании по уровню амплитуды, при равномерном и неравномерном регулировании по времени, при использовании принципа оптимального управления и без него.

На рис.2 приведены соответствующие различным режимам регулирования диаграммы. При этом через Тс обозначен период напряжения сети, а через Тт - длительность цикла регулирования.

Показано, что равномерное распределение интервалов переключения в течение периода сетевого напряжения приводит к непостоянству дискретных приращений мощности при регулировании. Отношение в максимального значения приращения мощности к его минимальному значению определяется приближенным соотношением р = 0.4 т3. Применение же неравномерного распределения интервалов позволяет достичь равномерности приращений мощности и улучшить точностные характеристики регулирования.

Приведено описание экспериментальной установки для исследования режимов регулировании и описана программа выполненных исследований. Исследованы различные аспекты улучшения эксплуатационных характеристик регулятора температуры: разработаны принципы цифрового измерения средних значений мощности и температуры, обоснована целесообразность оптимизации распределения полуволн сетевого напряжения и формирования экспоненциально - гармонического напряжения при переключении цифрового регулятора мощности.

Применение разработанных принципов цифрового измерения мощности и температуры обеспечило возможность более качественного выполнения экспериментальных исследований в условиях длительного цикла регулирования (при т > 1).

Переход к принципу распределения полуволя в печи с постоянной времени 600 с позволил снизить величину относительной амплитуды температурных колебаний при цикле регулирования 0.16 с с 0.0065 до 0.0017 %, а при цикле регулирования 20.48 с с 0.033 до 0.0051 %.

Установлено соотношение между уровнем мощности помех в сети и постоянной времени процесса экспоненциально - гармонического напряжения г. Показано, что для промышленной сети частотой 50 Гц применение метода становится эффективным лишь при г > 0.0126 с. При этом уменьшение мощности помех составляет 18.2 %. При г = 0.0064 си г = 0.032 с степень уменьшения составляет 26.1 % и 67.3 % соответственно.

Исследование модели показало, что регулирование электропечи сопротивления методом временной вариации мощности обеспечило повышение эффективности термического процесса обжига феррито-вых изделий на 12,6 %. Оптимизация цифрового управляющего кода позволила получить дополнительное повышение эффективности регулирования на 5,6%.

Рис. 1. Система регулирования температуры Рис.2. Диаграммы изменения методом вариации компонентов коэффициента передачи ЦРМ при управляющего кода вариации периодов (а), интервалов

период а (б) и непрерывной вариации (в) для двухуровневого регулирования.

Pue.i. Цифровой регулятор мощности с оптронной раз&язкой

«г

Рисл. Обобщенная мооель коммутационной исполнительной структуры цифрового регулятора мощности

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Предложен экономический критерий, учитывающий основные виды затрат, связанных с регулированием температуры, сформулирована п решена задача его практического применения.

2. Показано, что качество функционирования электропечи сопротивления зависит от режима управления мощностью нагревательных элементов, при этом наибольшая эффективность регулирования температуры достигается при использовании цифрового метода управления.

3. Показано, что применение метода временной вариации мощности электропечи сопротивления позволяет без существенного усложнения системы регулирования достичь заметного повышения точностных характеристик.

4. Разработаны модели цифровых регуляторов мощности и алгоритмы управления ими в системе регулирования температуры, созданы практические схемы их реализации.

5. Выполнен комплекс теоретических исследований термических процессов электропечи сопротивления. Получены аналитические соотношения для регулировочных характеристик и предложена методика оценки эффективности применения принципа вариации компонентов управляющего кода.

^-Предложены метод оптимизации регулирования по критерию равномерности энергопередачи и метод измерения средних значений температуры.

7. Основные результаты диссертационной работы использованы: в ОАО "ТЕМА" при разработке термического оборудования обжига ферритов: в ТОО "Уоть - Шекслга" в системе управления сушильным шкафом, а также в учебном процессе Рыбинской государственной авиационной технологической академии, в частности в лабораторном стенде по учебной дисциплине "Цифровые и аналоговые регуляторы электрических параметров" (регулятор мощности с управлением методом временной вариации мощности) н в практикуме учебной дисциплины "Методы анализа и расчета электронных схем" (алгоритм и программа анализа цифрового регулятора мощности).

Основные положения диссертации отражены в следующих публикациях :

1. Юдин В .В., Белоглазов A.A. Повышение точности времявари-антных регуляторов напряжения // Наукоемкие технологии в машиностроении и приборостроении. Тез. докл. Российской научно - техн. конф., г. Рыбинск, 1994, - с. 308 - 309.

2. Юдин В.В., Белоглазов A.A. Времявариантное регулирование переменного напряжения // Вестник ВВО АТН РФ. Серия: Высокие технологии в радиоэлектронике. - 1995. - с. 44 - 46.

3. Белоглазов A.A. Экспоненциальное переключение регулируемых элементов дискретного действия / Рыбинская гос. авиационная технол. академия., г. Рыбинск, 1995. - 18 с. - Дел. в ВИНИТИ, №1948 - В95.

4. Белоглазов A.A. Форма представления информации в цифровых преобразователях переменного напряжения // "XXI Гагаринские чтения" : Тез. докл. молодежной иаучн. конф. МГАТУ, М:.Ш5 4.5 - г.. 83 - 84.

5. Юдин В.В., Белоглазов A.A. Исследование характеристик управления времяварнантными регуляторами температуры // Вестник ВВО АТН РФ. Серия: Высокие технологии в радиоэлектронике. -1995. - с. 44 - 46.

6. Белоглазов A.A. Управление коммутационными исполнительными структурами / Рыбинская гос. авиационная технол. академия., г. Рыбинск, 1997. - 25 с. - Деп. в ВИНИТИ, №1948 - В97.

7. Белоглазов A.A., Юдин A.B. Применение спектрального анализа при управлении термическими процессами /Рыбинская гос. авиационная технол. академия., г. Рыбинск. 1997. - 10 с. — Деп. в ВИНИТИ. №2002 - В97.

8. Белоглазов A.A. Управление коммутационными исполнительными структурами цифровых регуляторов /Рыбинская гос. авиационная технол. академия., г. Рыбинск. 1997. - 25 с. - Деп. в ВИНИТИ. №1397 - В97.

9. Белоглазов A.A. Принципы построения датчиков средней температуры прецизионных систем автоматического регулирования /Рыбинская гос. авиационная технол. академия., г. Рыбинск. 1997. - 10 с. - Деп. в ВИНИТИ. №161 - В98.

10. Белоглазов A.A. Повышение эффективности управления цифровым регулятором мощности ff "XXIII Гагаринские чтения" : Тез. докл. молодежной иаучн.коиф. МГАТУ, М:,1997 4.1 - с. 88.

11. Белоглазов A.A. Цифровой регулятор мощности для термостата. Инф. листок. Яросл., ЦНТИ, 1998.