Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ современного состояния процесса управления индукционным нагревом движущегося объекта 17
1.1. Математическое описание движущегося объекта индукционного нагрева как звена САУ 18
1.2. Современные датчики температуры и датчики электрических параметров 22
1.3. Аппаратное обеспечение режима индукционного нагрева 35
1.4. Современные регуляторы, системы управления объектом индукционного нагрева и их недостатки 42
1.5. Цель и задачи диссертационной работы 47
Выводы по главе 1 48
ГЛАВА 2. Математическое описание индукционного нагрева движущегося объекта, как объекта управления 50
2.1. Общая характеристика объекта исследования 50
2.2. Объект индукционного нагрева типа бесконечной ленты в непрерывном конвейерном режиме при управлении по мощности 58
2.3. Объект индукционного нагрева типа бесконечной проволоки в непрерывном конвейерном режиме при управлении по мощности 70
2.4. Модель объекта индукционного нагрева при управлении по скорости движения 73
2.5. Динамические характеристики движущегося объекта
индукционного нагрева 75
Выводы по главе 2 84
Глава 3. Исследование устойчивости и качества САУ индукционным нагревом движущихся изделий 86
3.1. Структура систем автоматического управления индукционным нагревом изделий в непрерывном конвейерном режиме 86
3.2. Устойчивость систем автоматического управления индукционным нагревом при управлении по температуре 88
3.3. Анализ качества САУ процессом индукционного нагрева при управлении по температуре 112
3.4. Динамика систем управления индукционным нагревом по косвенному параметру 124
Выводы по главе 3 128
ГЛАВА 4. Параметрическая оптимизация сау процессом индукционного нагрева с помощью компьютерного моделирования 129
4.1. Критерии и методы оптимизации 129
4.2. Компьютерное моделирование режима параметрической оптимизации САУ 139
4.3. Построение областей оптимальных значений коэффициентов настроек регулятора и анализ качества переходных процессов 150
4.4. Разработка алгоритма и программного приложения для обработки и демонстрации результатов компьютерного моделирования САУ процессом индукционного нагрева в непрерывном конвейерном режиме 171
Выводы по главе 4 177
Заключение 178
Список литературы
- Математическое описание движущегося объекта индукционного нагрева как звена САУ
- Современные датчики температуры и датчики электрических параметров
- Объект индукционного нагрева типа бесконечной ленты в непрерывном конвейерном режиме при управлении по мощности
- Структура систем автоматического управления индукционным нагревом изделий в непрерывном конвейерном режиме
Введение к работе
Актуальность работы. Во многих отраслях промышленности и особенно в машиностроении большое число технологических процессов связано с нагревом металлов. Из всех способов нагрева металла нагрев токами высокой частоты (ТВЧ) в ряде случаев является наиболее прогрессивным, обладает рядом преимуществ, которые наиболее полно проявляются при термической обработке ТВЧ непрерывно движущихся типовых деталей при массовом изготовлении. Высокие требования к качеству изготавливаемых изделий определяют жесткие условия осуществления технологического процесса индукционного нагрева.
Вопросы, касающиеся исследования неподвижного объекта индукционного нагрева как звена САУ внесли А.В. Нетушил, М.Б. Коломейцева, С.А. Панасенко, Н.Е. Разоренов, А. Е. Слухоцкий, Н.А. Павлов. Анализ и синтез систем автоматического управления объектом индукционного нагрева изложен в работах Н.И. Асцатурова, Н.Е. Разоренова, М.Б. Коломейцевой, Д.А. Гитгарца, А.Я. Уклейна, А.В. Бамунэра, А.Д.Свенчанского и др. Основы теории автоматического управления, в частности анализ устойчивости и качества систем, изложены в книгах В.А. Бесекерского, А.А. Воронова, В.В. Соло-довникова и др.
В настоящее время Всероссийский научно-исследовательский институт токов высокой частоты (ВНИИТВЧ), г. Санкт-Петербург совместно с ESTEL AS, г. Таллинн при научно-технической поддержке Санкт-Петербурского государственного электротехнического университета (ЛЭТИ) готовы поставлять комплектно автоматизированное оборудование и технологию индукционного нагрева слябов, блюмов, цилиндрических заготовок в линиях с прокатными и калибровочными станами. Также разработаны индукционные нагреватели стальной ленты в линиях термообработки, сушки, нанесения покрытий, горячего цинкования и др.
В технологии современного машиностроения все более широкое распространение находит прогрессивный метод поверхностной закалки стальных деталей при индукционном нагреве токами высокой частоты. Особенностями этого метода упрочнения являются: большая скорость индукционного нагрева, позволяющая резко сократить длительность цикла термической обработки и применить ее непосредственно в потоке механической обработки; возможность полной автоматизации операций нагрева и закалки; достижение высоких прочностных свойств поверхностно закаленных изделий, снижение стоимости термической обработки и др. [1].
Поверхностная закалка индукционным способом, предложенная В. П. Вологдиным[2], зарекомендовала себя как высокопроизводительный экономичный способ поверхностной термообработки, полностью соответствующий требованиям современного массового производства. Внесение операции поверхностной закалки в линии механической обработки коренным образом изменило термическое производство и условия труда. Минимальное потребление энергии, принципиально свойственное процессу поверхностной закалки индукционным способом, приобретает особое значение в отношении экономии ограниченных природных ресурсов.
Разработанные методы поверхностной закалки стали, при индукционном нагреве, позволяют более эффективно повышать конструктивную прочность ответственных деталей машин, работающих на изгиб или кручение, так как за короткое время и при автоматическом цикле обработки можно получать необходимую глубину закалки, упрочнять сердцевину детали и получать более мелкую структуру.
Метод индукционного нагрева основан на бесконтактной передаче электрической энергии в нагреваемый объект при помощи электромагнитного поля. Нагреваемое изделие помещается в индуктор (медный виток или многовитковая катушка), по которому протекает ток высокой частоты, достигающий тысяч ампер. Нагрев изделия происходит за счет энергии, выделяющейся в поверхностном слое детали.
Индукционный нагрев изделий может осуществляться в установках садочного типа (нагрев неподвижного изделия) и в установках методического типа (нагрев изделия, движущегося относительно индуктора). В ряде случаев термообработки практически возможен только так называемый непрерывно-последовательный нагрева объекта, то есть нагрев при непрерывном движении детали относительно индуктора. К таким случаям относятся поверхностная закалка крупногабаритных деталей, одновременный нагрев всей поверхности которых потребовал бы чрезмерной мощности высокочастотных генераторов, нагрев трубных или сплошных заготовок различного сечения под прокатку, закалку, механическую обработку и др.
Наиболее распространенным методом управления режима индукционного нагрева является стабилизация электрического режима высокочастотной установки (управление по косвенному параметру). Однако в подавляющем большинстве случаев непрерывно движущегося объекта индукционного нагрева такое управление не может обеспечить ни нужного качества нагрева по длине детали, ни повторяемости нагрева. Это относится, в частности, к нагреву деталей переменного сечения, деталей с различной начальной температурой, а таюке деталей, движущихся с изменяющейся из-за технологических особенностей скоростью. Некоторые из известных типов регуляторов температур нагрева (управление по прямому параметру) [3,4], в которых используется бесконтактный метод измерения температуры, в отдельных случаях могут быть использованы при управлении движущегося объекта индукционного нагрева. Однако они обладают существенными недостатками и не могут решить все многообразие задач, которые в настоящее время возникают в области индукционного нагрева движущегося изделия.
Поэтому весьма актуальным является задача создания эффективных и качественных систем управления режимом индукционного нагрева, учитывающих особенности непрерывно движущегося объекта. Решение данной задачи будет способствовать удовлетворению требований, предъявляемых современной технологией к качеству термообработки, созданию материалов с более качественными показателями, отвечающих требованиям технического прогресса.
Цель диссертационной работы. Целью диссертационной работы является исследование, разработка и моделирование систем автоматического управления технологическим процессом непрерывного индукционного нагрева протяженных движущихся изделий с целью достижения стабильных качественных характеристик.
Основные задачи работы:
-разработка математического описания движущегося объекта индукционного нагрева в непрерывном конвейерном режиме, как звена систем автоматического управления (САУ);
-исследование динамики систем управления индукционным нагревом движущихся изделий;
-анализ различных структур САУ, разработка предпочтительной структуры системы с точки зрения качества управляемого процесса для получения продукции с заданными параметрами;
-параметрическая оптимизация САУ процессом индукционного нагрева и определение коэффициентов настроек управляющего устройства для получения стабильного качества готовой продукции.
Методы исследования. Теоретические исследования проводились с привлечением методов решения дифференциальных уравнений в частных производных, методов теории идентификации, частотных методов теории автоматического управления, методов параметрической оптимизации с помощью интегральных критериев и методов компьютерного моделирования.
Научная новизна работы. Научная новизна состоит в создании и реализации следующих научных разработок: математических моделей объекта индукционного нагрева типа проволоки (цилиндра) и ленты (пластины) при различных условиях нагрева и теплоотсева в непрерывном конвейерном режиме при управлении по мощности и по скорости; методики исследования и моделирования систем регулирования технологического процесса индукционного нагрева при различных законах управления, по результатам которой разработаны предпочтительные структуры систем управления с точки зрения качества процесса нагрева; методики определения коэффициентов настроек управляющего устройства САУ с помощью параметрической оптимизации при выбранном интегральном критерии качества. При проведении исследований и моделирования в рамках данной диссертационной работы получены следующие результаты:
-разработано математическое описание движущихся объектов индукционного нагрева типа бесконечно длинной ленты и бесконечно длинной проволоки в непрерывном конвейерном режиме при управлении по мощности, подаваемой в объект и по скорости движения объекта относительно индуктора;
-произведена аналитическая оценка точности приближения математического описания объекта и показано, что при допустимой погрешности переходной характеристики движущегося объекта порядка 5% достаточно ограничиться 3-4 членами каждого ряда передаточной функции;
-проведено исследование частотных и временных характеристик объекта индукционного нагрева на примере ленты различной толщины при различной скорости движения;
-проведен сравнительный анализ возможных структур систем регулирования индукционным нагревом движущихся изделий, на основании которого выделены три основных типа структур;
-исследованы области оптимальных значений настроечных коэффициентов устройства управления исследуемой САУ в смысле интегрального квадратичного критерия и представлены в плоскости параметров и в трехмерном пространстве;
-разработано программное приложение с помощью графического интерфейса пользователя (GUI) в пакете MATLAB для обработки и демонстрации результатов компьютерного моделирования САУ.
Практическая ценность. Разработанные алгоритмы управления для создания качественных САУ нагревом ТВЧ на основе полученных математи -9-ческих моделей могут быть применены в различных отраслях науки, техники и промышленности для решения проблем, возникающих при внедрении производственных процессов, связанных с индукционным нагревом металлических изделий, в различных АСУТП соответствующего профиля. Кроме того, разработанное программное приложение может быть использовано для моделирования, обработки и демонстрации результатов исследования систем управления подобными технологическими процессами.
Результаты моделирования автора показали, что:
-наименьшее значение времени регулирования системы равно 3 с, что как минимум в 3-4 раза ниже времени регулирования системы при моделировании без параметрической оптимизации. Перерегулирование системы равно как максимум 3 % при использовании режима оптимизации.
Достоверность и обоснованность. Достоверность и обоснованность результатов работы обусловлены соответствием свойств исходных данных решаемой задачи постановке научной задачи и используемым методам ее решения.
Достоверность результатов работы подтверждается также результатами вычислительных экспериментов и их сопоставлением с показателями частотных методов.
Личный вклад автора. Все основные результаты получены автором лично. Главными из них являются:
-разработка математического описания объектов индукционного нагрева типа бесконечно длинной ленты (пластины) и бесконечно длинной проволоки (цилиндра) в непрерывном конвейерном режиме при управлении по мощности, подаваемой в объект для различных условиях нагрева;
-исследование частотных и временных характеристик объекта индукционного нагрева на примере ленты различной толщины при различной скорости движения;
-исследование устойчивости систем автоматического регулирования индукционным нагревом движущихся изделий при различных законах регу -10-лирования и при различных структурах систем;
-проведение с помощью метода компьютерного моделирования исследования качества систем указанных структур при управлении по прямому параметру и по косвенному параметру;
-исследование и определение областей оптимальных значений настроечных коэффициентов устройства управления исследуемой САУ в смысле интегрального квадратичного критерия;
-разработка программного приложения с помощью графического интерфейса пользователя (GUI) в пакете MATLAB для обработки и демонстрации результатов компьютерного моделирования САУ.
Внедрение результатов. Результаты исследований, полученные в диссертационной работе, а именно:
- математические модели движущегося объекта индукционного нагрева типа стальной ленты (пластины) и проволоки (цилиндра) в непрерывном конвейерном режиме при различных условиях нагрева, распространенных в практике термообработки токами высокой частоты;
- методика исследования динамики систем автоматического управления технологическим процессом индукционного нагрева движущихся изделий, определения предпочтительной структуры САУ по прямому и косвенным параметрам;
- методика определения коэффициентов настроек управляющего устройства САУ исследуемого техпроцесса на основе параметрической оптимизации при использовании метода компьютерного моделирования, использованы в учебно-методических разработках для СРС по курсу «Идентификация и диагностика систем», Москва, МИЭТ, 2007г., http://www.mocnit.miet.ru/oroks-miet/srs.shtml.
Кроме того, перечисленные выше результаты с программным приложением, реализующим алгоритм математических вычислений временных и частотных характеристик САУ с исследуемым объектом управления, расчет показателей качества переходных процессов при оптимальных настроечных коэффициентах с помощью графического интерфейса пользователя (GUI) в среде пакета MATLAB, использованы при разработке лабораторной работы «Исследование объекта идентификации с распределенными параметрами типа движущейся протяженной пластины при индукционном нагреве». Основные положения, выносимые на защиту;
-математические модели объекта индукционного нагрева типа стальной ленты (пластины) и проволоки (цилиндра) в непрерывном конвейерном режиме при различных условиях нагрева, распространенных в практике термообработки токами высокой частоты;
- методика исследования динамики систем автоматического управления технологическим процессом индукционного нагрева движущихся изделий, определения предпочтительной структуры САУ по прямому и косвенным параметрам;
-методика определения коэффициентов настроек управляющего устройства САУ исследуемого техпроцесса на основе параметрической оптимизации при использовании метода компьютерного моделирования;
-программное приложение, реализующее алгоритм математических вычислений временных и частотных характеристик САУ с исследуемым объектом управления, расчет показателей качества переходных процессов при оптимальных настроечных коэффициентах с помощью графического интерфейса пользователя (GUI) в среде пакета MATLAB. Апробация работы. Научные и практические результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 13-й Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Микроэлектроника и Информатика - 2006» (Москва, 2006 г.), 14-й Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Микроэлектроника и Информатика - 2007» (Москва, 2007 г.), 15-й Всерос - 12-сийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Микроэлектроника и Информатика - 2008» (Москва, 2008 г.).
Публикации. Основные результаты диссертации изложены в двенадцати печатных работах, в их числе пять статей в научных журналах, две статьи в сборниках научных трудов, пять публикаций в тезисах докладов Всероссийских межвузовских научно-технических конференций, в том числе четыре статьи в журналах входящих в перечень ВАК. В четырех работах, опубликованных в соавторстве, автору принадлежат обоснования методов решения научных задач, проведение и анализ вычислительных экспериментов, а также участие в постановке научных задач.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и приложения.
Работа содержит 127 страниц основного текста, 60 страниц с рисунками и таблицами, список литературы из 74 наименований, приложения на 21 странице.
Математическое описание движущегося объекта индукционного нагрева как звена САУ
Особенности индукционного нагрева определяют соответствующий подход к теоретическим и экспериментальным исследованиям объекта индукционного нагрева как объекта автоматического регулирования с распределенными параметрами и нахождению его динамических характеристик.
При процессе индукционного нагрева в подавляющем большинстве случаев за основной технологический параметр процесса принимают температуру нагреваемых изделий на выходе из индуктора, поскольку именно стабильность температуры нагреваемого изделия определяет стабильную повторяемость выходных параметров готового продукта (необходимую структуру металла, глубину закалки и др.)
Температурное поле нагреваемой детали описывается дифференциальным уравнением Фурье. В целом процесс индукционного нагрева стальных тел описывается системой дифференциальных уравнений Максвелла и Фурье для электромагнитного и температурного полей. Это система нелинейных дифференциальных уравнений с переменными коэффициентами, так как фи -зические свойства стали зависят от температуры и напряженности магнитного поля [6].
Решение этой системы уравнений может быть получено численными методами для каждого конкретного применения индукционного нагрева. Но при этом затруднительно выявить общие закономерности во взаимосвязях параметров объекта и режима нагрева, определяющих течение процесса нагрева.
Метод экспериментального получения переходных характеристик для отдельных точек объекта не всегда приводит к нахождению общих существующих закономерностей и зависимостей, особенно для объектов с распределенными параметрами.
Аналитический метод подхода к решению задачи - нахождение соответствующих зависимостей между параметрами и его статическими и динамическими свойствами, является методом, дающим возможность более обще охарактеризовать исследуемый объект. Кроме того, такой метод является единственно возможным при проектировании объекта, когда найденные аналитические зависимости позволяют предопределить качество управляемости проектируемого объекта (система "индуктор-деталь") [7-42, 15-И7].
Аналитическое решение вышеупомянутой системы дифференциальных уравнений представляет большие трудности. Однако введение ряда упрощений, не изменяющих сущности физических явлений в объекте, может привести к относительно несложному решению поставленной задачи. Полученные результаты могут быть уточнены при экспериментальном исследовании объекта.
Исследованию неподвижного объекта индукционного нагрева как звена САУ посвящено на настоящий момент времени достаточно много работ. Рассмотрены и описаны как звенья САУ объекты различной геометрической формы при разнообразных условиях нагрева. Практически впервые в работах А. В. Нетушила [7], а затем М.Б. Коломейцевой [8] приведены результаты исследований объекта индукционного нагрева как звена САУ, получены ди -намические характеристики объекта. Позднее в работах [9, 10] под руководством М.Б. Коломейцевой рассмотрены неподвижные объекты индукционного нагрева при более общих условиях нагрева (с учетом теплоотдачи с поверхности объекта) и получены передаточные функции не иррациональные относительно оператора "р", как в первых работах [7, 8], а в виде совокупностей обычных линейных звеньев, что делает их более удобными при анализе и синтезе САУ.
Движение деталей относительно индуктора при индукционном нагреве существенно меняет динамику объекта. Наличие временного запаздывания в структуре объекта приводит к тому, что без его учета не всегда удается обеспечить требуемое качество процесса нагрева, особенно при больших скоростях движения нагреваемых изделий.
Одно из первых исследований движущегося объекта индукционного нагрева как звена САУ было проведено в работах Н.Е.Разоренова [11,12]. Автор описывает тонкостенную движущуюся трубу при условии равномерного распределения внутренних источников тепла и отсутствии теплоотдачи с поверхности детали. Передаточная функция объекта при таких условиях представляет собой параллельные соединение чисто интегрирующего звена и интегрирующего звена с запаздыванием.
Для большинства же движущихся объектов индукционного нагрева неучет неравномерного распределения внутренних источников тепла и использование граничных условий 1-го рода может привести к значительным ошибкам.
В работах А. Е. Слухоцкого и Н. А. Павлова [13, 14] процесс индукционного нагрева движущегося изделия рассматривается с учетом сложных электромагнитных и тепловых процессов, происходящих в системе "индуктор-деталь". Подробно исследуется влияние распределения внутренних источников тепла при различных стадиях процесса нагрева на распределение температуры в теле. Однако авторы этих работ не ставят задачу описания объекта индукционного нагрева как звена САУ.
Современные датчики температуры и датчики электрических параметров
В практике индукционного нагрева могут быть использованы и используются ряд методов и систем управления режимом нагрева. Первостепенную роль играет управление по принципу обратной связи. Это объясняется наличием множества неконтролируемых возмущений в тракте установки ТВЧ и кроме того, необходимостью высокого быстродействия и точности в отработке полезных воздействий и устранения влияния вредных воздействий. Последнее в особенности относится к нагреву движущегося объекта.
Чисто разомкнутые системы регулирования не могут решить задачу качественного управления индукционного нагрева, но сочетание двух принципов по отклонению и по возмущению, т.е. использование комбинированного управления, может в ряде случаев существенно повысить качество САУ. Так систему можно сделать инвариантной по отношению к скорости движения [19], к начальной температуре детали, компенсируя изменение этих воздействий соответствующим изменением управляющего параметра. Блок-схема такой комбинированной системы управления приведена на рис. 1.1. Подобные системы предполагают наличие специализированного или универсального компьютера, который на основании информации о контролируемых вредных воздействиях дает команду о необходимых изменениях, например в уставке.
В настоящее время преобладающими на электротермических установках являются системы регулирования по отклонению. По управляемому параметру их молено классифицировать следующим образом: автоматическое регулирование температуры нагреваемых изделий; автоматическое регулирование электрических параметров цепи питания индуктора (напряжения, тока, мощности); автоматическое регулирование выходного напряжения источника питания.
К числу основных блоков системы регулирования режима нагрева относятся: датчики, служащие для получения информации об управляемом параметре; управляющее устройство для усиления и преобразования сигнала, пропорционального отклонению измеренной величины от заданной; исполнительное устройство, изменяющее уровень напряжения питания индуктора; сам управляемый объект "система индуктор-деталь (И-Д)"; блок задания уставки или задающее устройство.
Непосредственным технологическим параметров, определяющим качество процесса нагрева, является температура нагреваемых изделий. Поэтому наиболее желательно с точки зрения большей точности ведения процесса управления по температуре. Следует отметить, что при индукционном нагреве наличие движения объекта предполагает только бесконтактный способ измерения температуры объекта, что само по себе уже создает определенные трудности. Несмотря на это, при определенных условиях непрерывно движущегося изделия управление нагревом по температуре объекта предпочтительнее по сравнению с другими методами. В частности, если детали входят в индуктор с различной температурой, и она может изменяться в широких пределах от заготовки к заготовке и даже по длине одной и той же заготовки в зависимости от прохождения предыдущих технологических операций, очевидное решение задачи качественного процесса термообработки регулирование по температуре поверхности заготовки.
Во второй половине 20-го века термин «датчик» становится общепринятым, хотя разные авторы придают ему несколько различные значения, а некоторые его избегают. Так, в книге по индуктивным датчикам он систематически используется в современном смысле, а в работе по пьезоэлектрическим индикаторам [20] слово «датчик» означает только пьезокварцевый элемент.
В области измерений неэлектрических величин долгое время пытались -25-заменить "преобразователем" заимствованный из немецкого языка термин "датчик". И все же в настоящее время можно сказать, что удобство короткого слова "датчик" обеспечило его жизнеспособность.
Температура входит в состав семи физических величин, единицы измерения которых приняты за основные Генеральной конференцией по мерам и весам.
Температура определяется как физическая величина, характеризующая состояния термодинамического равновесия некоторой изолированной системы, все части которой находятся в тепловом контакте [21]. В случае равновесия температура всех частей рассматриваемой системы считается одинаковой [22]. Если система не находится в равновесии, то между её частями, имеющими разную температуру, происходит теплообмен. Более высокой температурой обладают тела, у которых выше средняя кинетическая энергия молекул и атомов. Пока не найдено универсальных теоретических моделей, которые позволили бы рассчитывать температурные характеристики реальных веществ и материалов [23]. Поэтому явление теплового равновесия, на котором основывается понятие температуры, определяется экспериментально. Тепловое равновесие можно выразить точно только в идеализированных системах. Поэтому нельзя непосредственно измерить рассматриваемую физическую величину, установить для нее шкалу, проградуировать, нормировать и т.д.
Существуют два метода построения температурной шкалы - аналитический и практический. Аналитический метод основывается на применении законов идеального газа и статической термодинамики как производная от энергии тела по его энтропии. Определяемая таким образом температура всегда положительна, её называют абсолютной или термодинамической температурой (обозначается Т) [21]. Соответствующая шкала называется термодинамической температурной шкалой, она описывает температуру систем, подчиняющихся известным и идеализированным термодинамическим законам, поэтому практическое измерение температуры с использованием этой шкалы вызывает затруднения.
Объект индукционного нагрева типа бесконечной ленты в непрерывном конвейерном режиме при управлении по мощности
Построение систем автоматического управления процессом нагрева движущихся изделий в непрерывном конвейерном режиме может быть весьма разнообразным. Отметим основные факторы, согласно которым формируется структура таких САУ: - выбор принципа управления (по отклонению, по возмущению, комбинированное); - выбор параметра управления (прямой, косвенный); - наличие или возможность выбора обязательных блоков системы (источник питания, тип индуктора и объекта нагрева).
Задачу управления индукционным нагревом движущегося объекта с точки зрения точности отработки полезных воздействий при сравнительной простоте реализации САУ наиболее качественно решает управление по отклонению. В настоящей главе исследуется динамика систем, осуществляющих регулирование по этому принципу.
Выбор параметра управления в системе управления (рис. 1.3) должен определяться при синтезе САУ с учетом эксплуатационных, энергетических, конструктивных, экономических соображений, специфики работы индукционной установки в реальных производственных условиях.
Основное внимание в настоящей главе уделяется исследованию динамики САУ индукционным нагревом движущегося изделия по прямому параметру - температуре нагреваемого объекта. Кроме того, рассмотрены некоторые перспективные типы систем по косвенному параметру. Структурную схему такой системы можно представить в виде, приведенном на рис. 3.1, где Wyy (р), Wm (р) - передаточные функции управляющего устройства и исполнительного устройства соответственно.
Передаточная функция регулятора в случае использования классических линейных законов регулирования имеет вид [26, 54, 55]: в случае пропорционального закона (П) ( где Кп - коэффициент пропорциональности); в случае интегрального закона (И) Wvy{P) = ТиР (где Ти - постоянная времени интегрирования); в случае пропорционально-интегрального закона (ПИ) Wyy(p) = Kn + ТпР в случае пропорционально-интегрально-дифференциального закона(ПИД) WYy(p) = Kn+- - + Tllp Т Р (где Тд - постоянная времени дифференцирования). В зависимости от вида исполнительного устройства можно выделить несколько типов структур САУ: - структура 1 - САУ с полупроводниковым преобразователем высокочастотной энергии, который может быть описан математически в линейном диапазоне безынерционным звеном Wm (р) = Кш ; - структура 2 - САУ с машинным генератором в качестве источника питания и безынерционным возбудителем - тиристорным усилителем, который может быть описан математически в линейном диапазоне инерционным - структура 3 - САУ с машинным генератором в качестве источника питания и в качестве возбудителя - магнитным усилителем, который может быть описан математически в линейном диапазоне двойным апериодическим звеном wm(P) = - f-.- -, \ + рТш \ + рТмг где Кт,Кмг,Кю,Тмг,Тш - коэффициенты усиления и постоянные времени соответствующих блоков. Поскольку типовые машинные генераторы, магнитные усилители в рассматриваемых САУ имеют вполне определенные параметры, в частности, постоянные времени и коэффициенты усиления, в дальнейшем оценка динамических показателей систем регулирования проводится при реальных значениях параметров: Кж = 10; Гмг = 0,5 с; Кш =7-10; Тш = 0,2 с. Ниже исследуется динамика САУ выделенных структур. 3.2. Устойчивость систем автоматического управления индукционным
Структура систем автоматического управления индукционным нагревом изделий в непрерывном конвейерном режиме
Микропроцессорная система управления (МПСУ) высокоточным термическим оборудованием с точки зрения теории автоматического управления представляет собой классическую систему регулирования с контуром отрицательной обратной связи (ООС) [66, 67]. Структурную схему такой системы можно представить в виде, приведенном на рис. 3.1 и на рис. 3.6.
В контуре управления анализируемые системы содержат микропроцессорные устройства, работающие с дискретными сигналами, т.е. такие системы являются не непрерывными, а дискретно - непрерывными. Микропроцессорные устройства квантуют непрерывный сигнал и по уровню и по времени. Квантование по уровню происходит потому, что амплитуда дискретного сиг нала ограничена некоторой совокупностью значений, определяемой разрядностью микропроцессора. Но квантование по уровню по сравнению с квантованием по времени создает на выходе эффект второго порядка малости, поэтому обычно при рассмотрении динамики системы в первом приближении квантованием по уровню пренебрегают.
Анализируя влияние квантования сигнала по времени и сравнивая период дискретизации сигнала тдиск и величину постоянных времени объекта управления Т0, можно определенно сказать, что исследуемую систему следует рассматривать как непрерывную, так как Т0 т диск. Исследования переходных процессов в замкнутой САУ выделенных структур с исследуемым объектом управления проведены с помощью ПП МВТУ [61-64]. Получаемые показатели качества переходных процессов (уст, tp, а) приведены в таблицах 12(а,б,в) для САУ с П - законом регулирования. Соответствующие кривые переходных характеристик представлены на рис. 3.16(а, б, в). Получаемые показатели качества переходных процессов (сует, р СУ) приведены в таблицах 13(а,б,в) для САУ с И - законом регулирования. Соответствующие кривые переходных характеристик представлены на рис. 3.17(а, б, в). Для САУ с ПИ - законом регулирования получаемые показатели качества переходных процессов (єуст, tp, ст) приведены в таблицах 14(а,б,в). Соответствующие кривые переходных характеристик представлены на рис. 3.18(а, б, в). Для САУ с ПИД - законом регулирования получаемые показатели качества переходных процессов (еуст, tp, с) приведены в таблицах 15(а,б,в).
Соответствующие кривые переходных характеристик представлены на рис. 3.19(а, б, в). Анализ их позволяет сделать вывод, что при управлении нагревом движущегося объекта типа бесконечной ленты (пластины) с толщиной порядка R = 0,5 + 1,5 см и тн= 6 - 10 с САУ структуры 1 с П - законом имеют, как видно из рис. 3.16(а, б, в) и табл. 14, приемлемые показатели качества. Величина статической ошибки обратно пропорциональна коэффициенту усиления САУ Кс: єуст =\1КС и может быть скомпенсирована уставкой соответствующего входного задающего сигнала. Система автоматического управления при использовании машинного генератора в качестве источника питания и безынерционного возбудителя - тиристорного усилителя и в качестве возбудителя - магнитного усилителя, как показали результаты расчетов частотных и переходных характеристик, имеет худшие показатели качества. И чем тоньше объект, или иначе, чем более приближается параметрам объект типа (б) к объекту типа (а), тем хуже качество отработки ступенчатого входного воздействия линейной САУ при П - законе регулирования.
Анализ переходных процессов в САУ с И - и ПИ - законами управления показал, что перерегулирование системы практически во всех рассматриваемых случаях объекта а 0 %. Самое меньшее значение с имеет САУ при ПИД - законе. Время регулирования изменяется от одной десятой секунды до двух десятков секунд. Количественные значения для САУ 1ой структуры: /р= 7 11 с; о = 1 -ь 8 %; для САУ 2ой структуры: /р= 10 + 16 с; с = 4 +- 20 %; для САУ Зей структуры: /р= 15 - 18 с; а = 6 - 24 %.
Похожие диссертации на Система автоматического управления технологическим процессом нагрева стальной проволоки и ленты при закалке в непрерывном конвейерном режиме
