автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Система автоматического управления фокусировкой луча электронной пушки для плавки металла

Введение

Глава I. Общие сведения об электролучевых плавильных установках. Постановка задачи исследования

1.1. Развитие электроннолучевой технологии. Обзор работ в этой области.

1.2. Задача и особенности электроннолучевой плавки.

1.3. Преимущества и недостатки электроннолучевой плавки.

1.4. Обоснование постановки задачи и ее основные этапы.

1.5. Выводы.

Глава 2. Исследование технологического процесса в качестве объекта автоматического управления

2.1. Конструктивные особенности электроннолучевой установки.

2.2. Характер технологического процесса

2.3. Исследование статических характеристик узлов электроннолучевой пушки

2.4. Математический алгоритм для исследования статики САУ фокусировкой электронного луча.

2.5. Анализ действия внешних возмущений

2.6. Выводы.

Глава 3. Разработка и теоретические исследования САУ

3.1. Разработка исходной структуры САУ

3.2. Уравнения звеньев САУ

3.3. Исследования переходных процессов

3.4. Качество САУ.

3.5. Выводы

Глава 4. Экспериментальные исследования САУ.

4.1. Экспериментальное определение функциональных зависимостей и численных значений параметров, характеризующих фокусировку электронного луча.

4.2. Экспериментальный анализ действия внешних возмущений.

4.3. Экспериментальный анализ поведения регуляторов интенсивности излучения САУ

4.4. Принцип действия логического блока переключения полярности изменения регулирующих величин. III

4.5. Выводы.

В документах X съезда СЕПГ и ХХУ1 съезда КПСС подчеркивается особоважное значение научно-технического прогресса для дальнейшего развития социалистического и коммунистического построения общества [3.1, 3.2] . В директивах к плану развития народного хозяйства на период 1981-85 г.г, указано, что с помощью плана науки и техники должен реализоваться необходимый рост производительности труда [з.з]. Главная задача в течении нынешней пятилетки состоит в бурном развитии и усовершенствовании имеющегося или создаваемого технического оборудования, в применении качественно новой технологии с минимальным расходом материалов и энергии. Особенно в настоящее время, когда обостряется в промышленности вопрос оскудения материалов и удорожания сырья, необходимо разработать высокопроизводительное, эффективное оборудование, имеющее высокую степень автоматизации и обеспечивающее на длительный срок безотказную надежную работу [4Л] .

Вредное влияние примесей на физико-химические свойства металлов и сплавов общеизвестно, из-за чего основным вопросом современной металлургии является проблема разработки новых эффективных методов получения чистых металлов. В связи с бурным развитием новых промышленных отраслей в последнее десятилетие,например, авиационной и ракетной техники, радиоэлектроники и атомной энергетики, возникла потребность в особочистых высококачественных материалах. Необходимы материалы, выдерживающие длительное время статические и динамические нагрузки, позволяющие увеличить надежность и долговечность конструкции и аппаратов, способные работать при очень низких и высоких температурах [4.2]. Одна возможность реализации этих требований открылась с развитием электроннолучевой плавки. С введением электроннолучевой плавки для промышленного получения особочистых металлов и редких, высококачественных сплавов был сделан большой шаг на пути усовершенствования и развития существующих плавильных способов. Принцип способа электроннолучевой плавки состоит в том, что металл нагревается с помощью излучателя электронов, так называемой электроннолучевой пушки. Слиток формируется под вакуумом по методу непрерывной разливки в кристаллизатор.

Электроннолучевая установка является весьма сложной,потому что требуется одновременно регулировать и контролировать несколько параметров. В связи с этим в последнее время проводились работы, в результате которых были разработаны специальные приборы контроля образования и фокусировки луча [8.1]. Для обеспечения простого обслуживания, освобовдения рабочих сил, лучшего использования электроэнергии и т.д. необходимо заниматься созданием систем автоматического управления и регулирования электроннолучевой установкой и технологическими процессами.

Одним из цутей решения поставленной задачи является более широкое использование в технологическом процессе средств автоматики и вычислительной техники, применение которых открывает новые возможности управления, позволяющие полностью автоматизировать весь процесс.

Задача автоматизации рабочего процесса становится еще более актуальной в связи с созданием в последнее время сложных многопушечных установок для выплавки крупнотоннажных слитков, предназначенных для изготовления наиболее ответственных узлов изделий тяжелого машиностроения. Вследствие сложности объекта и длительности процесса наплавления одного слитка задача качественного управления подобными установками может быть решена только при использовании управляющих вычислительных машин, которые не только осуществляли бы непосредственно управление, но и производили непрерывный контроль режима работы установки.

Необходимыми условиями решения вопросов автоматизации управления процессом переплавки являются наличие математической модели объекта управления, отражающей весь комплекс тепловых и электрических процессов, протекающих в установке, и научно обоснованных критериев управления. Последнее связано с характерной особенностью объекта, заключающейся в невозможности непосредственного контроля качества получаемого металла в процессе плавки, вследствие чего управление и регулирование может производиться только на основе косвенных показателей.

Проведены исследования особенностей работы отдельных узлов и всей установки в целом в статических режимах. Большой вклад в эти исследования внесли ученые: М. фон Арденне, С.Шиллер, М.А. Смелянский, К.Д.Гуттерман, Б.Е.Мовчан, В.С.Дуб, А.Л.Тихоновский. Главным узлом электроннолучевой установки является электроннолучевая пушка, потому что от ее работоспособности зависит в большой мере качество продукции и эффективность плавильного процесса. В настоящее время созданы электронные пушки мощностью до 1200 кВт [з.4, 5.1, 5.2]. Находятся в эксплуатации установки мощностью 1200 кВт с шестью электронными пушками [б.з]. В Советском Союзе разрабатывается совместно с ГДР установка с семью электронными пушками, мощностью 1200 кВт каждая [З.б]. Имеется много источников [4.3 - 4.7, 5.4], в которых занимаются проблемами рафинирования металлов с помощью вакуумной металлургии. Сравнение различных существующих типов электроннолучевых пушек в качестве источника электронного луча, изготовителей этих пушек, технических и технологических параметров дано в [4.2]. К настоящему времени практически неисследованными являются вопросы, связанные с изменением в установке электрических и тепловых процессов во время плавки. Мевду тем, решение этих вопросов имеет важное значение для автоматического управления и регулирования плавильного процесса.

Настоящая работа посвящена вопросам разработки и исследования САУ фокусировкой луча электронной пушки (САУ ФЛЭП).

Исследовано влияние основных факторов на процесс фокусировки электронного луча; показано, что в качестве регулируемого параметра целесообразно применить фокусировку электронного луча. Установлено наличие нелинейных, экстремальных зависимостей статических характеристик и допустимых зон изменения регулирующих величин. Разработана математическая модель процесса фокусировки как объекта автоматического управления. Разработаны и исследованы функциональные и структурные схемы САУ ФЛЭП.

Проведены экспериментальные исследования при помощи ЭВМ и на реальной промышленной установке.

На защиту выносятся:

1. Обоснование выбора параметров управления САУ ФЛЭП и функциональных зависимостей мевду ними.

2. Разработанный критерий качества процесса фокусировки электронного луча - минимальная интенсивность излучения в определенной зоне.

3. Математические модели элементов и всей САУ ФЛЭП и их реализация на ЦВМ.

4. Результаты теоретических и экспериментальных исследований САУ ФЛЭП, обеспечивающей повышение эффективности работы электроннолучевых плавильных установок.

Основные результаты работы заключаются в следующем.

1. Показано, что определенные основные функциональные зависимости и численные значения хчараметров, характеризующие фокусировку луча электронной пушки для плавки металла, позволяют обосновать требования к квазиоптимальной САУ.

2. Доказано, что предложенный критерий качества - минимальная в определенной зоне интенсивность излучения - отвечает требованиям быстрого измерения и отработки для оптимизации фокусировки луча электронной пушки.

3. Полученные уравнения динамики и передаточные функции для объекта автоматического управления позволяют выяснить влияние упругих и демпфирующих связей на динамические характеристики САУ.

4. Доказано существенное влияние нелинейности, что отрицает возможность интерпретации САУ фокусировкой луча электронной пушки в качестве линейной.

5. Установлен характер действия отдельных каналов и обосновано построение функциональных и структурных САУ фокусировкой луча.

6. На основе анализа физической природы действия внешних возмущений и рассчитанных переходных процессов было произведено исследование САУ фокусировкой луча электронной пушки и доказана возможность получения требуемого ее качества.

7. Экспериментальные исследования разработанной САУ в промышленных условиях показали ее работоспособность, подтвердили результаты теоретических исследований, а также правильность предложенной математической модели САУ фокусировкой луча электронной пушки.

8. Квазиоптимальная по отклонению САУ внедрена на Локомотиво-строительно-электротехническом заводе им.Г.Баймлера г.Хеннигсдорф, ГДР. Результаты работы используются на "Эдельштальверке им.8-го Мая 1945 г." г.Фрейталь, ГДР при реконструкции электроннолучевой печи ЭЛП 1200 кВт.

9. Использование САУ фокусировкой луча электронной пушки позволяет повысить производительность установки, надежность и долговечность элементов установки, облегчить труд плавильщика, а также в значительной мере повысить качество переплавляемого материала.

Годовой экономический эффект от использования разработанной САУ составляет 36 тысяч рублей на одну установку.

- ±хъ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Анализ особенностей фокусировки луча электронной пушки показывает целесообразность применения системы автоматического управления с целью ее оптимизации.

Решение этой задачи на основе теории автоматического управде-ния применительно к электроннолучевым установкам с широким диапазоном изменения фокусировки луча электронной пушки для плавки металла потребовало разработки математических моделей САУ, методов статического и динамического исследований, проведения теоретических и экспериментальных исследований.

В диссертации предложены функциональные схемы квазиоптимальной по отклонению САУ с самонастройкой по величине внешних возмущений, разработана математическая модель отдельных каналов и многоканальной САУ с учетом нелинейностей, методика определения параметров фокусировки луча электронной пушки.

Разработан и исследован компенсационный способ фокусировки луча электронной пушки при отклонении процесса плавки от заданного режима вследствие действия внешних возмущающих воздействий.

В результате теоретических исследований квазиоптимальной по отклонению САУ был произведен анализ устойчивости и качества переходных процессов. Исследование динамики САУ фокусировкой луча электронной пушки производилось как в линейной постановке задачи, так и с учетом нелинейностей.

На основе теоретических исследований была осуществлена техническая реализация и выполнены экспериментальные исследования квазиоптимальной по отклонению САУ фокусировкой луча электронной пушки для плавки металла, а также промышленное внедрение результатов работы.

1. Произведения основоположников марксизма-ленинизма

2. Официально-документальные материалы

3. Материалы съездов, конференций, симпозиумов

4. L. I. Breshnew, XXVII Parteitag der KPdSU Rechen-schaftsbericht des ZK der KPdSU und die nachsten Aufgaben der Partei in der Innen- und AuBenpolitik, Berlin, Dietz-Verlag, 1981

5. E. Honecker, X Parteitag der SED, Bericht des Zentral-kommitees der S3D an den X Parteitag der SED Berlin, Dietz-Verlag, 1981

6. W. Stoph, Direktive des X Parteitages der SED zum Fiinf-jahrplan fiir die Entwicklung der Volkswirtschaft der DDH in den Jahren 1981-85 Berlin, Dietz-Verlag, 1981

7. K. Schmidt, Elektronenstrahlschmelzanlagen, Vortrag Technische Tage der DDR in GroSbritannien London 1975

8. Дольбенко E.T., Дуб B.C., Хотин В.А. и др. Перспективы использования электроннолучевого нагрева при получении крупнотоннажных слитков, Материалы ВЭЖ, секция 4А, доклад 25 Москва 1977

9. Марголис М., Леондес К. Т., О теории самонастраивающейся системы регулирования; метод обучающейся модели. Труды I международного конгресса по автоматике, Изд. АН СССР, т.2, 1961, стр. 683-699

10. Markov, Schmidt, Ernst, Ausriistungen der Elektronen-strahltechnik fiir die Metallurgie; neue konatrukl;xv- U-cnnologi-sche Besonderheiten in LEW-Schmelzanlagen, DDR, Pachvortrag auf der LFM 19844. Книги

11. Бэншоу P. Введение в технологию электронно-лучевых процессов Москва, Металлургия, 1965

12. Мовчан Б.А. Электронно-лучевая плавка и ратинирование металлов и сплавов Киев, Наукова Думка, 1973

13. Заборонок Г.Ф. Электронная плавка металлов Москва,1. Металлургия, 1965

14. Краус Т., Винклер 0. Введение в технологию электроннолучевых процессов Москва, Металлургия, 1965

15. Самарин A.M. Вакуумная металлургия Москва, Металлург-издат, 1962

16. Пекнер Д. Электронная плавка металлов Москва, Мир,1964

17. Лоули А. Электронная плавка металлов Москва, Мир, 1964 .

18. Сибилев А.В. Электрические печи, ОНТЙ, 1934

19. Schiller S., Heisig К., Panzer S. Elektronenstrahltechtechnologie Berlin, Yerlag Technik, 1976

20. Башенко B.B. Электроннолучевые установки Ленинград,1. Машиностроение, 1972

21. Смелянский М.Я. Электронные плавильные печи Москва, Энергия, 1971

22. Сидоренко М.Ф., Косырев А.И. Автоматизация и механизация электросталеплавильного и ферросплавного производств Мо-вква, Металлургия, 1975

23. Пугачев B.C. Основы автоматического управления Москва, Наука, 1974

24. Калиткин И.Н. Численные методы Москва, Наука, 1978

25. Чиликин М.Г., Ключев В.И., Садцлер А.С. Теория автоматизации электрических приводов Москва, Энергия, 1979

26. Слипченко В.Г. Организация системы автоматизированного моделирования электронных схем на ЭВМ Киев, Высшая школа, 1978

27. Корытин A.M. Синтез автоматизированного электропривода на аналоговых и цифровых вычислительных машинах Москва, Энергия, 1973

28. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория САР Москва, Наука, 1975

29. Лебедев Е.Д. Управление вентильными электроприводами постоянного тока Москва, Энергия, 1970

30. Воронов, Основы ТАУ Москва, Энергия, 1980 5. Статьи

31. Stephan Н., Einsatzmogliohkeiten und Entwicklungsten-denzen von Elektronenstrahlschmelzofen Heue I-Iiitte, 1971, Nr. 11, S. 650-657

32. Schiller 3., ForsterH., JaschG., Elektronenstrahlanla-gen fttr die Metallurgie LEW-Nachrichten Nr. 13, 1974, S. 150-157

33. Leistungsstarkster Blektronenstrahlschmelzofen der Welt, VDI-Z, 1975, Nr. 21, S. 1021

34. Schonberg H., Schiller S. Ueue Hutte, 1967, Heft 12, S. 146-149

35. Tiede Б. Berliner deutsche chemische Gesellschaft, Heft 46, 1913

36. Tiede E., Birnbrauer S., Zeitschrift fur anorgani-sche allgeraeine Chemie, Heft 37, 191457. v. Ardenne M., Die Verwendung der Elektronensonde fur Mikromanipulationen Naturwissenschaften 26, 1933, S. 562

37. Steigerwald К. H. Materialbearbeitung mit Elektronen-strahlen Physikalische VerhancUungen, Heft 4, 1953, S. 123

38. Кобаль А.Б., Автоматическая сварка, 1363, J&I, стр. 84

39. Гуттерман К.Д., Смелянский М.Я., Сахоненко Г. С., Универсальные характеристики ЭШ Электротехн. промышленность. Серия электротермия, 1963, вып. 2, стр. 2-7

40. Смелянский М.Я., Гуттерман К.Д., Ткачев Л.Г., Энергетический баланс плавильных установок с электронными пушками аксиального типа Электротехн. промышленность. Серия электротермия, 1962, вып. 5, стр. 18-23

41. Гуттерман К.Д., Смелянский М.Я., Ткачев Л.Г., Экспериментальное исследование энергетического баланса электроннолучевой плавильной установки Электротехн. промышленность. Серия электротермия, 1964, вып. 40

42. Башенко В.В., Донский А.В., Распределение энергии при электроннолучевом нагреве Электротехн. проглышленность. Серия электротермия, 1962, вып. 5, стр. 15-18

43. Переводчиков В.П., Шантурин Л.П., Аксиальные электронные пушки мощностью 150 и 250 кВт для электроннолучевой плавки металлов Электротехн. промышленность. Серия электротермия, 1968, вып. 67, стр. 17-19

44. Яковлев М.Б., Исследование мощных электронных пучков Электротехн. промышленность. Серия электротермия, 1969, вып. 80, стр. 22-24

45. Зуев И.В., Рыкалин Н.Н., Углов А.А., 0 распределении плотности тока по сечению электронного луча Физика и химия обработки материалов, 1968, $6, стр. 5-9

46. Злотин А.В., Анализ влияния пульсации ускоряющего напряжения при электроннолучевом нагреве Электротехн. промышленность. Серия электротермия, 1970, вып. 94, стр. 27-29

47. Buhrdahl Ш., Hochspannungsstromversorgung fur Elektronenstrahlkammerofen Elektrizitatsverwertung 1972, Nr. 6, S. 205-208

48. Курапов Ю.А., Мищенко В.П., Температурные условия поверхности жидкой ванны металла при электроннолучевом переплаве -Физика и химия обработки материалов, М, 1972, стр. 15-18

49. Курапов 10.А., Мовчан Б.А., Экспериментальные исследования нестационарных условий электроннолучевого нагрева Физика и химия обработки материалов, 1967, JM, стр. 21-25

50. Бутковский А.Г., Коломейцева Ы.Б., Митрофанов В.Е., Губиров Е.М. Управление распределенными системами с подвижным воздействием - Москва, Наука, 1979, стр. 216-223

51. Емельянов А.Н. Управление распределенными системами с подвижным воздействием - Москва, Наука, 1979, стр. 223-229

52. Бруковский И.П., Методика определения динамических характеристик электроннолучевых установок Труды МЭИ, выпуск 564, Москва, 1982, стр. 87-92

53. Островерхов Н.Т., Попов В.К., Автоматизация процессов обработки деталей электронным пучком Электронная обработка материалов, 1969, йб, стр. 71-76

54. Лалкин Ю.й., Байштрук Е.Н., Стабилизатор тока пучка электронно-лучевой пушки Автоматическая сварка, 1974, №2, стр. 72-73

55. Лебедев В.К., Шилягин В.Д., Мохниг В.К., Новые системы стабилизации тока и ускоряющего напряжения Автоматическая сварка, №9, стр. 46-49

56. Коваль А.Б., Аппаратура для автоматического управления электронно-лучевой сварочной пушкой Автоматическая сварка, 1971, Я9, стр. 51-52

57. Гиттгарц Д.А., Пельц Б.Б., Развитие систем управления электротермическими процессами и установками Электротехника, 1979, №, стр. 12-14

58. Schiller S., Forster Н., Jasch G., Elektronenstrahlen fur vakuummetallurgische Prozesae LEW-Nachrichten Hr. 26, 1980

59. Пирс, Теория и расчет электронных пучков Москва, Советское радио, 1956

60. KeBler, Das symmetrische Optimum, Teil 1, Regelungs-technik Heft 11, 6. Jahrgang 58, S. 395-400

61. Марков X., Попович Н.Г., Алгоритм автоматического управления лучом при электроннолучевой плавке Киев, Вестник КИИ 1983, вып. 20.с

62. Марков X., Разработка САУ фокусным состоянием луча электронной пушки *:рк воздействии внешнего возмущения в процессе плавки Киев, Вестник КПИ

63. Markov Н., Zschocher Т., Midziol S., Analyse der Stor-faktoren fiir Elektronenstrahlkanonen hoher Leistung Hennigsdorf, Ueues Schaffen, 1981, S. 4-5

64. Синицин С.Т., Авторское свидетельство М26 204, 1944

65. Ruhle R., Verfahren zur Bedampfung im Vakuum, DRP 764 927, 1939

66. Французский патент кл. HOI JM39 4267

67. Schmitt R., Verfahren und Vorrichtung zur Regelung eines magnetischen Ablenksystems, Kl. H01J37:147, 1981, BRD

68. Nihon Denshi K.K., Verfahren zum automatischen Eokussie-ren des Elektronenstrahls auf die Probe eines Rasterelektronenmi-kroskops, Japan, Kl. H01J37/21, 1979

69. Meyer R., Schiegl W., BRD, Bestrahlungsanlage mit einem Beschleuniger, Kl. A61N5/10, 1980

70. Heighway E., Hohlan K., Schreiber S., Deep R., Einrich-tung zur tjberwachung der Position und der raumlichen Verteilung eines Elektronenstrahlbundels hoher Energie, BRD, Kl. G01T1/29,хох —

71. Deeley В., Curling С., Temple J., USA, Automatic focusing of electron microscopes, VS-G1. 178-6.8., 1970

72. Barber R.R., Loeffler K.H., USA, Intensity control system for a particle beam device, VS-C1. 315-31, 1966

73. Thon F., USA, Method an apparatus for focusing the objective lens of a particle beam microscope, Kl. H01J 37/26, 1966

74. Нормативно-технические документы

75. TGL 25 071/01 Elektrotechnik Elektronik; EGS; Baugrup-pentrager, Baugruppeneinschube, 19771. Kombinat

76. VEB Lolcomolivbau -Elektrotechnische V/erke"Hans Beimler"

77. Ubergeotdnetei Ofgn-i: MinWleiium Cir ElfMrctechnil иле! П, Vt -?niV1. Stammbctrieb

78. Trciger des Karl-Marx-Ordensund des Ordcns „Bonner der Arboit"nbinat

79. LoVi»40«M>ciu-E1oktrotechn. Wfile „Hons Jbimiof", Hennig^loife Zeicb^n Slue Nocfui.:M vi* Uns^rtj NarVitlM ^o-n ^v;.-:.--!. Umv' Hn-jsruf Tnq1. УТВЕВЕДАЮ"treff:

80. Заведующий по исследованию и разработке'-PfaMib.1. Шедаер

81. В результате разработки данной диссертации была создана система автоматического управления фокусировкой луча электронной пушки для плавки металла.

82. С помощью вышеуказанной САУ возможно осуществить следующее:

83. Оценить качество процесса фокусировки луча электронной пушки.

84. Автоматически управлять фокусировкой луча электронной пушки при воздействии внешних возмущений.

85. CHTUNG! Besuchszeiten beachten! Montag bis Freitag von 8—14 Uhr•PAH'WOOT KPNSPRffHi г Cfirl«sbj-f)r.: CI / fO С! Ь !ll-M iMMIJfiOsHflUNHQ! BANrVlXHINDUMC

86. Mfo>s\ " ll.'-mqsdo.f 511 TEIEX HennijvtTf, Kr. 0!onie.'.urs S<nnt,boiA de- DDP

87. M, <м <m«w /visai^WI S.W «о^-М. юг» !«»)•>

88. FW S?35 FpG 00-1 P.t 20 (.'00(l-J. 10)3J

89. Повысить качество переплавляемого материала и работоспособность электронной пушки.

90. Сократить время технологического процесса плавки металла.

91. Кроме того, результаты работы позволяют сэкономить на исходных материалах и производственные мощностях, а также дают возможность оптимизировать технологические параметры при плавке металла.

92. Экономический эффект составляет 36 тыс. руб. на одну установку.1. Шмидт

93. Главный конструктор электротермического оборудования1. Kombinat

94. VEt L*fc«m»flyl»«u Elc!<fr.F*c>tniech. „Нам B*lmW

95. S?ammbetri»b EntwIoklung^eteUe EiektrowArme1. Schmidt Chelkonstrukteur