автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Повышение точности автоматического регулирования температурного поля в многозонных электропечах сопротивления при спекании ферритов

Рыбинская государственная авиационная технологическая академия

На правах рукописи

Юдин Алексей Викторович:

ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРНОГО ПОЛЯ В МНОГОЗОННЫХ ЭЛЕКТРОПЕЧАХ СОПРОТИВЛЕНИЯ ПРИ СПЕКАНИИ ФЕРРИТОВ

Специальность 05.13.07 - Автоматизация технологических процессов

и производств

Диссертация на соискание

ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор М.А. Гладгатейи

Рыбинск ! 999 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение............... ............4

ГЛАВА 1 .Исследование влияния параметров многоканальных регуляторов температуры на процесс термической обработки ферритов . .10

1.1. Анализ эффективности способов формирования напряжения . 15 1.1.1. Формирование напряжения при гармонических ПК и РК . . 17 1.1.2 Регулирование при гармонической НК и модулированной РК 21 ! .1.3. Регулирование гармонической НК и псевдогармонической РК 22

1.1.4. Регулирование при постоянной Н'К и гармонической РК . . 22

1.1.5. Регулирование при постоянной НК и модулированной РК . 23

1.1.6. Регулирование при постоянной НК и псевдогармонической РК 23

1.1.7. Сравнительная оценка эффективности способов формирования напряжения...........................23

1.2. Анализ способов убавления процессом ........... 26

1.3. Анализ способов распределения напряжения ........31

Выводы по главе 1 ......................34

ГЛАВА 2. Влияние способа формирования,и, распределения папряже-ния на точность регулирования температуры- .........35

2.1. Влияние напряжения питания на нестабильность температуры

2.1.1. Связь средне - квадратического значения сформированного напряжения с параметрами РК и НК................37

2.1.2. Оценка влияния дискретности регулирования на, точностные характеристики ..........................11

2.1.3. Связь нестабильности температуры со спектром мощности . 42

2.2. Точностные характеристики при гармонической РК

2.2.1. Точностные характеристики, определяемые дискретностью, при изменении амплитуды РК ....................46

2.2.2. Корректировка регулировочной характеристики ...... 49

2.2.3. Точностные характеристики при регулировании температуры 51

2.2.4. Точностные характеристики, определяемые дискретностью, при изменении фазы РК.......................52

2.3. Точностные характеристики при модулированной РК

2.3.1. Спектральный состав модулированной РК ......... 57

2.3.2. 'Точностные характеристики, определяемые дискретностью, для модулированной РК..........................59

2.3.3. Точностные характеристики при регулировании температуры 63

2.4. Влияние способа распределения па точность регулирования . 66

о ^

. . . . ......... . . . . . . . . . о *

Выводы по главе 2

ГЛАВА 3. Анализ влияния способа управления на точность регулирования температуры и синтез оптимального закона управления ... 88

3.1. Анализ структурных связей параметров многомерных процессов регулирования ........................ . 88

3.2. Особенности регулирования многозоппого термического объекта как непрерывной САУ......................98

3.3. Дискретная модель процесса нестационарной теплопроводности

3.3.1. Линеаризованная модель ...............105

3.3.2. Реализация дискретной модели на ЭВМ.............112

3.3.3. Оценка погрешности линеаризации ...........115

3.4. Параметрическая идентификация многозонного термического объекта .............................118

3.5. Синтез оптимального закона управления многозонного регулятора температуры .........................123

3.5.1. Оптимизация переход,нош процесса многоканального регулирования температуры ...........................123

3.5.2. Адаптивное регулирование по отклонению от эталонного процесса в многозонном термическом объекте ..............128

Выводы но главе 3 .....................129

ГЛАВА 4. Техническая реализация и экспериментальные исследования регуляторов..........................130

4.1. Техническое решение регулятора

4.1.1. Анализ вариантов технической реализации способа регулирования переменного напряжения . .................132

4.1.2. Исследование вариантов реализации регуляторов на основе дискретно регулируемого трансформатора.............134

4.1.3. Исследование зависимости необходимого числа дискрет от точностных характеристик регулятора,.............. . 135

4.1.4. Сравнение вариантов регулирования но первичной и вторичной обмоткам . ..........................141

4.1.5. Определение мощности регулируемого трансформатора . 145

4.2. Исследование качества функционирования системы регулирования

4.2.1. Экспериментальные исследования на физической модели . 147

4.2.2. Экспериментальные исследования на математической модели 150

4.2.3. Оценка экономической эффективности регулирования . . 158

Выводы по главе 4 .....................162

Заключение ........................163

Литература ...........................166

Приложения ........................174

Введение

Решаемая задача - улучшение точностных характеристик многоканальных регуляторов - возникает в технологических установках, имеющих несколько взаимосвязанных каналов регулирования. К таким установкам могут быть отнесены многодвигательные поточные линии, промышленные роботы - манипуляторы и термические установки.

Особенно следует отметить важность многоканального регулирования температуры в электропечах с групповой обработкой изделий (например, туннельные печи). Это связано с тем, что термические процессы находят широкое применение в самых различных отраслях. Они используются в металлургии, машиностроении, приборостроении, легкой и пищевой промышленности для выполнения плавки, сушки, термообработки и других операций.

Характерной особенностью разработки термических процессов в последние годы стало все более широкое применение программированных режимов при одновременном ужесточении требований к точностным характеристикам процессов. Так, например, в технологии изготовления подложек интегральных микросхем [9] при температуре 1500°С требуется обеспечение точности в 0,5 %.

При проведении различных видов испытаний, в частности испытании материалов на растяжение при повышенных температурах: и определении упруго прочностных свойств резины, допускаются отклонения, не превышающие 2 %, а при механических испытаниях пластмасс и определении усталостной выносливости резины - не превышающие 1% [40,41].

При прогнозировании коробления высокоточных деталей ставится задача определения температурных передаточных характеристик. При этом требуется точность поддержания температуры ±0.1°С [21].

Необходимость повышения точности для термического оборудования связана с тем, что существует риск получения большой партии бракованной продукции, при несоблюдении технологического режима. Кроме того, для многоканальных регуляторов температуры, наряду с задачей повышения статической точности, возникает необходимость в обеспечении равномерности температурного поля, так как при этом улучшается показатель повторяемости параметров изделий. Так, например, при производстве ферритовых сердечников даже при условии поддержания температуры с высокой точностью (0.2 %) выход годных не превышает 80 %. Это связано с неравномерностью температурного поля по поверхности технологической плиты. Кроме того, учитывая

и

необратимый характер химических процессов, происходящих в ферритах при их спекании, недопустимо возникновение перерегулирования при установлении заданной температуры. Дополнительным требованием для данного технологического процесса является необходимость ограничения скорости нарастания температуры.

Учитывая общую тенденцию развития техники и производства, направленную на все большее ужесточение технологических режимов, можно ожидать, что в ближайшем будущем появятся технологии с еще более серьезными требованиями к термическому оборудованию. По этой причине актуальной является задача нахождения путей совершенствования термического оборудования, одним из которых является учет внутренних взаимодействий в многоканальных системах.

При регулировании параметров такого рода объектов традиционными локальными регуляторами на точность регулирования будет оказывать влияние взаимодействие зон регулирования друг с другом, что требует применения специальных алгоритмов управления.

Кроме того, качество функционирования систем управления определяется совокупностью технических характеристик входящих в их состав структурных элементов, представляющих собой устройства различного назначения. Одной из важнейших групп таких устройств являются преобразователи электрической энергии. Они могут иметь различные принципы технической реализации, отличающиеся видом управляющего сигнала, типом используемых элементов и принципов регулирования. Это во многом определяет уровень их эксплуатационных характеристик и возможные области применения.

Что касается регулирования температуры, то для этой цели, в принципе, могут быть использованы любые методы управления мощностью, передаваемой от сети нагревательному элементу. При этом следует учитывать то обстоятельство, что питание от сети переменного тока приводит к периодическому изменению уровня мощности, передаваемого нагревательному элементу. Это неизбежно вызывает колебания температуры. И в случае установившегося режима в электротермическом оборудовании происходит колебание температуры около некоторого среднего значения. Амплитуда колебаний зависит от периода и амплитуды изменения мощности, а также от инерционных свойств электротермического оборудования.

Также необходимо отметить, что несогласованная работа отдельных каналов регулирования может приводить к перегрузкам питающей сети (при одновременном включении в какой-либо момент времени всех каналов регулирования). Такие перегрузки, кроме ужесточения режима работы оборудования, приводят также к ухудшению качества сети.

б

Это проявляется в виде колебаний амплитуды сетевого напряжения, за счет неравномерной по времени загрузки, и искажения его формы, за счет наличия высших гармоник. При этом множество каналов регулирования может быть образовано как отдельными частями установки, так и совокупностью различных объектов. Многоканальный регулятор способен синхронизировать работу отдельных каналов таким образом, что суммарная мощность, потребляемая всей установкой, в течение цикла регулирования будет меняться незначительно.

Дополнительно многоканальное регулирование может применяться с целью экономии энергетических ресурсов. Так в помещениях с совмещенным освещением рекомендуется предусматривать включение и отключение отдельных групп светильников в зависимости от уровня освещенности. Автоматическое или ручное централизованное управление освещением при включении и выключении освещения по заданным графикам может обеспечить экономию электроэнергии на 10-15%, а в установках совмещенного освещения до 20% и более [50].

Таким образом, при решении основной задачи - повышения точности многоканального регулирования температуры - необходимо учитывать влияние погрешности, определяемой как способом построения системы автоматического управления, так и способом преобразования электрической энергии исполнительным устройством системы и способом ее распределения по зонам регулирования. Дополнительно необходимо решение задачи повышения эффективности функционирования системы за счет снижения затрат на реализацию системы и затрат, возникающих при регулировании. Таким образом, целью исследований является повышение точности и эффективности автоматического регулирования температуры.

Для достижения поставленной цели требуется решить ряд задач:

- произвести анализ и классификацию известных способов регулирования и выявить способы, отличающиеся наибольшей эффективностью и точностью;

- разработать математические модели объектов управления;

- разработать методику определения параметров многоканального термического объекта;

- разработать способ оптимального многоканального регулирования, характеризующийся отсутствием перерегулирования при заданном времени выхода на режим;

- разработать способ управления, обеспечивающий равномерность температурного поля;

- выработать рекомендации по проектированию и практической реализации регуляторов;

Для решения поставленных задач разработан ряд способов и методик анализа и синтеза систем регулирования:

- методика оценки точности регулирования температуры по спектру подводимой мощности;

- способ оптимального распределения мощностей по каналам регулирования;

- способ экспериментального определения параметров многоканальной термической установки;

- способ оптимального регулирования в многозонном термическом объекте при выделении мощности по экспоненциальному закону.

Диссертационная работа состоит из четырех глав.

В первой главе произведен анализ эффективности и точности широкого класса способов регулирования. При этом учитывались три составляющие способа регулирования: способ формирования напряжения, способ распределения напряжения, способ управления процессом регулирования. Анализ показывает, что для регулирования напряжения на нагревательных элементах электропечей сопротивления наиболее эффективно регулирование за счет изменения амплитуды гармонической регулируемой компоненты при гармонической нерегулируемой компоненте. Достаточно эффективно также использование модулированной гармоники в качестве регулируемой компоненты. Наибольшей точностью регулирования обладают замкнутые цифровые системы с возможностью адаптации к изменяющимся внешним условиям. Также анализ показывает, что способам распределения уделяется недостаточно внимания, и они нуждаются в дополнительных исследованиях.

Во второй главе произведена оценка погрешности регулирования при применении способов формирования напряжения, выделенных в первой главе по эффективности. Для этого разработан метод, позволяющий определить ошибку регулирования температуры в зависимости от спектра подводимой мощности. Также проанализированы процессы, происходящие при импульсном питании термических установок и их влияние на нестабильность температуры. Для согласования работы отдельных каналов разработан метод предварительного распределения мощностей по уровню и времени, обеспечивающий минимальную величину нестабильности температуры.

В третьей главе проанализированы процессы в двухзонном термическом объекте, имеющем связанные зоны регулирования, при включении его в состав САУ непрерывного действия. Разработаны дискретные модели многозонного термического объекта с ячейками, характеризующимися удельными теплофизическими параметрами и размерами. Предложено описание такого объекта в матричной форме. Разра-

®

ботан метод экспериментального определения элементов матриц, описывающих термический объект. Рассмотрен вариант реализации оптимального регулирования температуры с целью уменьшения величины перерегулирования для многозонного термического объекта, путем изменения подводимой мощности по экспоненциальному закону.

В четвертой главе рассмотрены вопросы технической реализации регулятора, способного обеспечить оптимальные характеристики. Кроме того, осуществляется проверка принципов регулирования на математической модели и на действующем макете термической установки.

Научная новизна материалов, приведенных в диссертации, заключается в следующем:

1.Проведен комплексный анализ факторов, влияющих на точностные характеристики регуляторов, с учетом трех составляющих способа регулирования:

1)способа формирования напряжения;

2)способа распределения напряжения;

3)способа управления процессом регулирования.

2.Разработан способ дискретного регулирования амплитуды напряжения, обеспечивающий эффективное регулирование при наименьшем уровне погрешности.

3.Разработан способ дискретного распределения мощностей по зонам регулирования, обеспечивающий минимальную составляющую погрешности связанную с распределением .

4.Разработана математическая модель многозонного термического объекта, учитывающая особенности регулирования температуры в многозонных термических установках.

5.Разработан способ оптимального управления процессом в многозонном термическом объекте, минимизирующий погрешность, связанную с переходным процессом.

6.Получен ряд новых технических решений, защищенных патентами Российской Федерации.

Практическая ценность результатов, полученных в диссертации, состоит в том, что обработаны и систематизированы характеристики различных способов регулирования. Разработано и отлажено специализированное программное обеспечение для расчета тепловых полей на базе универсального пакета МАТЬАВ. Получены расчетные соотношения для реализации дискретного регулятора с изменяемой амплитудой, отличающегося высокой точностью и эффективностью. Разработаны методики определения коэффициентов влияния и расчета оптимального процесса в многозонном термическом объекте.

На защит