ОСОБЕННОСТИ АЛГОРИТМИЗАЦИИ УПРАВЛЕНИЯ ТЕПЛОВЫМИ ОБЪЕКТАМИ ПРИ НАЛИЧИИ ОГРАНИЧЕНИЙ НА ВРЕМЯ ИХ ПРЕБЫВАНИЯ В ЗОНЕ НАГРЕВА

Полный текст

В общем случае понятие теплового объекта охватывает широкую гамму различных технологических процессов и операций, связанных с нагревом или охлаждением различных материалов. Поэтому мы ограничиваемся рассмотрением одного из возможных частных случаев подобных объектов, когда речь идет об управлении процессом нагрева малого объема материала, имеющего, например, цилиндрическую форму. Практически речь идет об операции отжига медных жил телефонного кабеля при их изготовлении на волочильных машинах. Это одна из основных операций при производстве одиночных жил, и она сопровождается обработкой давлением исходного материала, который протягивается через волоки, имеющие меньшие геометрические размеры поперечного сечения, чем исходная заготовка. В результате происходит снижение диаметра исходной заготовки до нужных геометрических размеров, но одновременно происходит увеличение прочности и снижение пластичности самого материала (при этом также снижается электропроводность этого материала). Подобные изменения механических характеристик материала и его физических свойств обычно затрудняют выполнение последующих технологических операций, хотя при этом мы получаем гарантированный геометрических размер провода или жилы кабеля. Следовательно, возникает необходимость в восстановлении основных характеристик исходного материала. Например, для повышения пластичности, т.е. относительного удлинения материала провода, и его электрической проводимости после завершения операции волочения этого провода он подвергается операции отжига. Сущность этой операции сводится к нагреву провода до определенной температуры (400÷650) °С и последующему его охлаждению в среде защитного газа. Источником тепла в различных установках отжига, как правило, является электрическая энергия. При этом речь идет либо о специальных печах, где имеются нагреватели, подключаемые к источнику электрической энергии, либо о нагреве простым пропусканием тока непосредственно через отжигаемую проволоку. Каждый из вариантов отжига имеет свои положительные и отрицательные стороны, но оба они широко распространены в кабельной промышленности. Алгоритмы управления работой печи отжига и установок непрерывного отжига проволоки существенного различаются, хотя при этом решается одна и та же задача нагрева этой проволоки до заданной температуры. Но в основу разработки таких алгоритмов может быть положен один и тот же принцип, основанный на использовании математической модели соответствующего процесса нагрева проволоки либо в условиях используемых для этих целей печей отжига, либо в условиях непрерывного совмещенного отжига, когда установка для его реализации встроена в структуру автоматической линии непосредственно после волочильного оборудования. Для тепловых процессов их математическое моделирование всегда основано на использовании общего уравнения баланса тепла применительно к конкретным условиям теплообмена. Практика подобного моделирования показывает, что для отжига в печах процесс нагрева катушек с медной проволокой моделируется по своим динамическим свойствам - апериодическим звеном первого порядка [Л1-Л3], т. е. имеет следующую передаточную функцию: , (1) где K - коэффициент передачи, который определяет уровень конечной температуры при завершении всего процесса нагрева катушек; T - постоянная времени, которая определяет динамику процесса нагрева. Если эта операция нагрева реализуется в печах периодического действия, то в них целесообразно установить постоянную температуру, равная температуре отжига, и катушка выдерживается в этой печи до момента, когда завершится весь процесс нагрева. В этом частном случае время выдержки катушек в зоне нагрева должно быть больше общего времени переходного процесса нагрева, равного 4Т, а коэффициент передачи в выражении (1) принимаем равным единице. Общий временной цикл отжига при этом должен учесть дополнительное технологическое время выдержки катушки в зоне печи и время ее последующего охлаждения, что существенно снижает производительность такого отжига. В этом отношении более производителен отжиг проволоки в печах конвейерного типа. Для них вопрос стабилизации температуры внутри печи решается автономным регулятором, который управляет током нагревателей в этой печи, например, по обычному П-закону регулирования. Аналогичный локальный регулятор предусмотрен и в печах периодического действия. Если говорить об управлении печами конвейерного типа, то при нам необходимо лишь определить требования к скорости движения катушек в зоне нагрева, которая должна обеспечить их общее время пребывания в активной зоне печи не менее 4Т. Количественная оценка постоянной времени Т обычно проводится по результатам экспериментального исследования реальной конструкции печи. Для увеличения производительности печей конвейерного типа можно рекомендовать подъем температуры активной зоны печи до значений, значительно превышающих температуру отжига. Тогда скорость конвейера подбирают таким образом, чтобы за время пребывания катушки в зоне нагрева ее температура не выходила за пределы заданного уровня температуры отжига. Эта задача может решаться либо оператором, либо с помощью локальной системы управления работой конвейера непосредственно по реальной температуре самой медной проволоки, которую можно контролировать с помощью термопары или термометра сопротивления. Локальная система управления отжигом катушек с проволокой в печах конвейерного типа ориентирована на использование скорости конвейера как управляющего воздействия для этого процесса. Если известна постоянная времени нагрева катушки, то привод конвейера должен обеспечить выполнение неравенства где - конструктивная длина рабочей зоны печи; - эквивалентная постоянная времени процесса нагрева катушек с проводом; - скорость движения конвейерной ленты. Рассмотренный вариант технической реализации операции отжига потребует наличия специального участка отжига, что не всегда возможно в реальных условиях. Поэтому для повышения производительности отжига в последнее время все более широко применяют непрерывный контактный отжиг, при котором нагрев поволоки происходит за счет ее нагрева пропусканием через нее электрического тока. Это так называемые установки совмещенного отжига. Они располагаются непосредственно за волочилкой и представляют собой управляемый источник электрического тока, выход которого подключен к роликам, через которые проходит проволока после завершения ее волочения. Ролики изолированы друг от друга, и ток нагрева проходит непосредственно через проволоку, создавая как предварительный подогрев проволоки до температуры ниже температуры начала окисления проволоки в среде атмосферного воздуха, так и окончательный нагрев до температуры отжига уже в среде защитного газа (обычно водяного пара). В качестве источника энергии предпочтительно использовать тиристорный управляемый преобразователь постоянного или переменного тока. Основная отличительная особенность совмещенного отжига - это его высокое быстродействие. Говоря же о математической модели этого процесса, следует отметить, что она по своим динамическим свойствам по-прежнему может быть представлена апериодическим звеном первого порядка [Л2, Л3]. Следовательно, переходная характеристика процесса отжига будет описываться уравнением , (2) где - температура жилы; - конечная температура жилы, до которой она была бы нагрета при ее фиксированном положении между роликами; - величина постоянной времени, характеризующая динамику процесса нагрева участка проволоки, расположенного между контактными роликами; t - текущее значение времени. Приведенное уравнение справедливо для принятой модели процесса нагрева рабочего участка провода, и его реальное использование предусматривает изменение времени t в пределах от нуля до бесконечности. В реальных же условиях время пребывания проволоки под действием тока отжига ограничено временем прохождения ее элементарного участка при его движении вместе с жилой между базовыми роликами. Численно оно равно , (3) где - расстояние между роликами системы отжига; - линейная скорость работы линии. Подставив выражение (3) в (2), получим: . (4) Полученное уравнение (4) показывает, что в условиях совмещенного отжига исходная модель процесса отжига преобразуется к простому усилительному звену: , (5) где Коэффициент передачи этого звена зависит от скорости работы линии , поэтому можно говорить о наличии в данном звене параметрического возмущения: . Таким образом, учет ограничений на время пребывания проволоки в активной зоне нагрева отжига позволяет упростить общую математическую модель этого процесса, доведя ее до простого усилительного звена с переменным коэффициентом усиления. Это существенно упрощает разработку структуры алгоритма управления всем процессом отжига, сводя его к алгоритму компенсации параметрических возмущений за счет коррекции параметров источника питания участка отжига, который и будет определять конечную температуру жилы в конце нагрева проволоки на участке отжига при ее неподвижном состоянии, т. е. речь идет об изменении величины в уравнении (5). Подобное управление позволит решить задачу стабилизации температур проволоки на выходе из зоны отжига. Полученные результаты могут быть использованы при алгоритмизации процессов управления тепловыми объектами в различных отраслях техники.

Об авторах

Александр Григорьевич Михеев

Самарский государственный технический университет

(к.т.н., доц.), доцент кафедры «Автоматика и управление в технических системах». Россия, 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244

Список литературы

Дополнительные файлы