Повышение точности регулирования температурного поля путем совершенствования алгоритма управления многозонным термическим объектом

Температура является весьма распространенным и важным фактором, характеризующим различные процессы металлургической, химической, энергетической промышленности и др. Точность ее измерения очень важна для автоматизации этих процессов [1, 2]. В свою очередь качество выпускаемых изделий зависит от точности поддержания температуры в рабочей среде.

На ряде производств (при спекании ферритов в туннельных печах, при измерении параметров изделий, находящихся в термостате, в процессах термической и химико-термической обработки деталей машин с непосредственной закалкой в контролируемых атмосферах и др.) по причине нестабильности температурного поля увеличивается процентное содержание бракованных изделий [3−7]. Нестабильность температуры в производстве ферритовых сердечников влияет: на увеличение бракованных изделий при спеканиина результат приемо-сдаточных испытаний при проверке параметров изделий стандарту.

В связи со сказанным выше актуальной задачей современного производства является обеспечение максимальной равномерности распределения температуры в рабочем пространстве термического объекта.

Неравномерность температурного поля можно снизить при использовании оптимального управления. Для реализации такого управления могут быть использованы многоканальные системы регулирования температуры. Такие системы могут обеспечить большую точность поддержания заданного значения температуры по сравнению с системами, содержащими один канал управления.

Создание качественных многоканальных систем управления термическим объектом необходимо для технологических установок, имеющих несколько взаимосвязанных каналов регулирования. К таким установкам могут быть отнесены многодвигательные поточные линии, промышленные роботы-манипуляторы и любые другие термические установки [8−12].

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 [1] при температуре 1500 °C 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% .

При прогнозировании коробления высокоточных деталей ставится задача определения температурных передаточных характеристик. При этом требуется высокая точность поддержания температуры.

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 фер-ритовых 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 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. 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.

Таким образом, при исследовании многоканальной системы 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.

В работе [2] проведена значительная доля исследований в области многозонного регулирования: разработан способ дискретного согласованного распределения мощностей по зонам регулированияразработана методика оценки точности регулирования температуры по спектру подводимой мощностисоздана математическая модель многозонной электропечиразработана методика прямой параметрической идентификации математической модели и объекта управленияразработан способ оптимального управления процессом нагрева в многозонной печиполучен ряд новых технических решений.

Для дальнейшего исследования многоканальных систем управления автором настоящей диссертации выделены следующие задачи:

— создать математические и программные модели температурного поля;

— разработать алгоритмы управления с учетом: а) ограничений, в условиях которых происходит регулирование наличие ограничений на физическую реализуемость) — б) влияния пульсаций мощностив) физических и конструктивных параметровг) влияния промышленной сетид) температуры окружающей среды;

— разработать критерии оценки равномерности температурного поля;

— разработать методику расчета экономической эффективности прецизионного регулирования.

Диссертация посвящена разработке алгоритмов и моделей многозонного термического объекта (МТО), используя которые можно свести к минимуму неравномерность температурного поля термического объекта.

В первой главе произведен анализ существующих систем управления, выделены особенности многоканальных систем управления, предложены и проанализированы критерии, на основе которых можно выбрать оптимальный вариант управления.

Во второй главе рассмотрены различные варианты математических моделей для исследования МТО, на их основе разработано программное обеспечение, позволяющее произвести расчет температурного поля при многозонном нагреве. Создан математический аппарат для анализа МТО методом гармонического баланса, получены математические выражения для описания МТО при различных видах управляющих сигналов.

Третья глава включает анализ наиболее значимых факторов, влияющих на стабильность температурного поля. Разработан математический аппарат для учета в модели реального объекта: отклонения конструктивных параметров МТОограничений на физическую реализуемостьвлияния промышленной сети в различных аспектах. Предложен алгоритм оптимального управления МТО.

В четвертой главе приведены особенности создания лабораторного макета для проведения физических исследований в области многозонного нагрева. Получены аналитические выражения для аппроксимации опытных данных. Разработана методика оценки влияния нестабильности температурного поля на качество готовой продукции, разработана методика расчета эффекта от использования многоканального регулятора в производстве.

Научная новизна материалов, приведенных в диссертации, заключается в следующем: предложены локальные и интегральные критерии эффективности регулирования МТОпредложена модель МТО, учитывающая структурные и физические особенности МТО, разработаны программы для расчета температурного поляпредложена электронная модель МТОполучены математические выражения для оценки влияния на температурное поле конструктивных и физических параметров печейприведено математическое описание МТО при различных типах воздействийвыявлена зависимость результатов приемо-сдаточных испытаний элементов систем управления от неравномерности температурного поля, разработана методика определения потерь при испытании партии изделийразработана методика оценки эффективности использования оптимального многоканального регулятора температуры.

Выводы.

Для сопряжения ЭВМ с МТО разработана с экспериментальная установка. С ее помощью на специальной модели МТО были выполнены исследования по температурному режиму измерения потерь в ферритовых сердечниках по ОСТ 11 707.015−77.

Параметры температурного поля определялись в виде амплитуд гармонических составляющих спектра, полученных аппроксимацией опытных данных по методу наименьших квадратов.

Для оценки эффективности прецизионного регулирования МТО разработана методика определения риска изготовителя и уровня потерь от принятия неправильных решений при испытании изделий.

Применение предложенного алгоритма управления МТО на экспериментальном макете позволило снизить уровень среднеквадратического отклонения с 14.2% до 1.82%.

Оценочный анализ показал, что использование этого алгоритма в технологическом процессе изготовления ферритов позволит повысить выход годных изделий на 16% и снизить риск изготовителя на 1.8%.

Заключение

.

В процессе выполнения работы получены следующие основные результаты:

— разработаны критерии эффективности регулирования МТОразработана прогнозирующая модель МТО, на базе которой должно осуществляться управление МТОпредложена электронная модель для отработки режимов управления;

— разработаны математические модели управляющих воздействий;

— выделены основные факторы, влияющие на МТО, и разработана методика их учета в модели термического объекта, предложен алгоритм управления МТО;

— создана экспериментальная установка для исследований температурного поля.

— разработаны методики расчета эффективности использования многоканальной системы управления при повышении точности поддержания температуры.

Практическая значимость. Создана модель экспериментальной установки, позволяющая исследовать различные аспекты регулирования МТО.

Разработанная методика учета влияния отклонения конструктивных параметров МТО на температурное поле позволяет оценить степень неравномерности температурного поля.

Учет в модели МТО влияния промышленной сети позволяет повысить качество регулирования.

Методика оценки потерь от неправильно принятого решения относительно годности партии изделий позволяет оценить риск заказчика и производителя.

При подсчете эффективности введения прецизионного регулирования целесообразно применять модель влияния неравномерности температурного поля на выход изделий заданного качества и методику вычисления потерь при неправильно сделанном выводе относительно годности изделий.

Применение предложенного алгоритма управления МТО на экспериментальном макете позволило снизить уровень среднеквадратического отклонения с 14.2% до 1.82%.

Оценочный анализ показал, что использование этого алгоритма в технологическом процессе изготовления ферритов позволит повысить выход годных изделий на 16% и снизить риск изготовителя на 1.8%.

В результате анализа разработанных моделей, выполненных в среде Matlab, было установлено, что наибольшее влияние среди возмущающих факторов на температурное поле МТО оказывает взаимодействие смежных зон. Обусловленное им относительное отклонение температуры составляет (10−12%).

Можно наметить следующие прерспективы научных исследований в области термостабилизации:

— произвести анализ изменения температурного поля многозонного термического объекта в пространстве;

— усовершенствовать режимы управления;

— разработать опытный образец многозонного регулятора.

Способ стабилизации температуры и методика оценки риска изготовителя использованы при контроле качества ферритовых изделий при проведении приемо-сдаточных испытаний в ОАО НПО «Магма» (г. Рыбинск).

Результаты исследований внедрены в учебный процесс РГАТА:

— в лабораторный практикум дисциплины «Цифровые и аналоговые регуляторы»;

— в лекционный курс «Моделирование в электронной технике».

На основе диссертации опубликовано 8 работ. Результаты научной работы докладывались на Всероссийской молодежной научной конференции.

VI Королевские чтения" (СГАУ, г. Самара, 2001), на Международной молодежной научной конференции «XXVIII Гагаринские чтения» (МГАТУ, Москва, 2002), на Международной молодежной научной конференции «XXIX Гагаринские чтения» (МГАТУ, Москва, 2003), на Российской научно-технической конференции «Проблемы определения технологических условий обработки по заданным показателям качества изделий» (РГАТА, г. Рыбинск, 2003).