Research of the dynamics of the multidimensional systemof automatic control of the technological processof ceramsite burning

Full Text

Введение Современное строительное производство, в котором широко используетсядля разнообразных технологических целей керамзит [1, 2], предъявляет жесткие требования к постоянству величин прочности R (или плотности ρ) из широких известных диапазонов стандартных значений этих качественных параметров керамзита [1]. Процесс обжига керамзита во вращающейся печи, которая, как правило, имеет диаметр 2,5м и длину 40м, возможен при создании в ней такого теплового поля, при котором загруженный гранулированный сырец проходит последовательно четыре технологических этапа: сушка, нагрев, вспучивание и охлаждение. В силу известных обоснованных допущений [3, 4] температурный режим печи характеризуется обычно кривой обжига - распределением температуры Т керамзита вдоль оси печи T(z). Многочисленные экспериментальные исследования [4, 5] показывают, что в условиях известных ограничений, накладываемых главным образом характеристиками исходного глиняного сырья и конструктивными параметрами печи, прочность R (или насыпная плотность ρ) керамзита полностью определяется формой кривой обжига [6, 7]. В связи с этим устойчивое промышленное производство керамзита с заданными показателями R (или ρ) напрямую зависит от стабильности поддержания кривой обжига в условиях действия известных возмущений, а технологический перевод печи при выпуске керамзита с одной марки на другую (в области допустимых характеристик исходного сырья) представляет собой решение задачи управления тепловым полем печи, обеспечивающим монотонный переход с одной кривой обжига на другую. В известных технологических установках существенный разброс параметров выпускаемого керамзита, и прежде всего его R (или ρ), а также значительное время, затрачиваемое на смену технологического режима печи при переходе в производстве керамзита с одной марки на другую в условиях действующих возмущений (вариация влажности w сырца, изменение температуры окружающего воздуха и т.п.), обусловлены прежде всего ограниченным числом управляющих воздействий на процесс обжига в условиях «ручного» управления печью. Обжигальщик обычно регулирует объемную мощность Qг газовой горелки и загрузку qз печи. В ряде случаев к ним может быть добавлено управление формой факела горелки [8]. Второй причиной нестационарности обжига является отсутствие постоянного контроля температуры керамзита по длине печи: обжигальщик, как правило, использует пирометр для периодического наблюдения температурного поля керамзита. В этих условиях управление обжигом керамзита по эвристическим алгоритмам далеко не всегда приводит к желаемым по технологическому регламенту результатам. В работе [9] предложено использовать три управляющих воздействия на процесс обжига - объемную мощность горелки Qг, загрузку печи сырцом qз, угловую скорость wп вращения печи. Исследования технологического процесса обжига керамзита во вращающейся печи как объекта управления с распределенными параметрами, состояние которого определяется этими управляющими воздействиями [3], позволили выявить по длине печи три характерных сечения с координатами z = zF, z = zA и z = zС, температура керамзита в которых TF, TA и TC максимально зависит, соответственно, от ωп, qз и Qг. Установлены аналитические зависимости прямых и перекрестных связей этих воздействий на TF, TA и TC в рассматриваемых сечениях. Предложенное устройство [9] ориентировано на автоматическое управление температурой керамзита в этих сечениях. Постановка задачи Считаем, что из известного конечного множества S, включающего в себя m типов глиняного сырья, каждый элемент j которого определяется обобщенной характеристикой Sj(j Î1,…,m), технологически можно изготовить дискретное множество М стандартных марок Мi (i Î 1, …, n) керамзита (со стандартными значениями прочности Ri или плотности ri), обжигая его во вращающейся печи заданной конструкции с допустимым диапазоном скорости ωп и загрузкой qз, ограниченной объемной мощностью Qг горелки. Допускаем, что в условиях этих ограничений построена в ортогональном пространстве ОTFTATC температурно-прочностная характеристика R=f1(TF, TA,TC) [10], проблемно ориентированная на выбор рабочей точки NЗi(TFЗi,TAЗi,TCЗi), координаты которой представляют собой значения параметров вектора задающих сигналов = [TFЗi,TAЗi,TCЗi]T многомерной САУ обжигом керамзита (рис. 1) заданной прочности RЗi в условиях минимально достижимых энергозатрат. САУ ОК в статью Рис. 1.Структурная схема системы управления: W11, W22, W33 - собственные передаточные функции; M31, M21, M12, M32, M13, M23 - передаточные функции межканальных связей по управлению; H11, H22 и H33 - передаточные функции по отношению к возмущению; ИУ - исполнительные устройства; Rij - передаточная функция регулятора, где i - номер канала многомерной системы управления (i1,2,3), j - номер контура многомерной системы управления i-го канала САУ В автоматизации обжига керамзита во вращающейся печи выделим две практически значимые задачи. Во-первых, стабилизацию значений температурного поля, заданного рабочей точкой NЗi в условиях действия основных возмущений: изменения влажности загружаемого сырца и вариации наружной температуры печи. Второй режим работы САУ - программное согласованное управление значением температуры TFЗi,TAЗi,TCЗi керамзита при выполнении технологического перехода из точки NЗi в точку NЗ(i+1), соответствующую производству керамзита другой заданной марки по прочности. Для решения поставленных задач необходимо выполнить синтез многомерной (трехмерной) системы автоматического управления обжигом керамзита [9] (МСАУ ОК). Решение задачи Многомерная САУ обжигом керамзита включает в себя три разных по конструкции, принципу работы и технической реализации системы, обеспечивающие создание и автоматическое управление во вращающейся печи заданного распределения теплового поля T(z). Первая система - это регулируемый электропривод скорости ωп вращения печи; вторая представляет собой устройство автоматического управления расходом qз сырца керамзита, загружаемого в печь; третья обеспечивает управление объемной тепловой мощностью Qг газовой горелки. Каждая система влияет, как показано в [3, 11, 12], на технологический процесс обжига керамзита. Исследования динамики температурного поля печи в малых отклонениях от некоторого установившегося режима производства керамзита, например марки Mi, показали [3], что в этом случае от модели технологического процесса обжига керамзита как объекта с распределенными параметрами можно перейти к модели многомерного объекта с сосредоточенными параметрами с передаточной матрицей по отношению к вектору управляющих воздействий: , (1) а по отношению к основному возмущению (влажность сырца) - с матрицей-столбцом: , (2) здесь , - векторы выходных координат и управляющих воздействий, , . (3) Основная трудность обеспечения требуемых режимов МСАУ ОК заключается в том, что параметры (коэффициенты передачи и время запаздывания) передаточной матрицы (1) существенно нестационарны [3]. Поэтому создаваемая МСАУ ОК должна быть робастной [13]. Применение в сепаратных каналах системы регуляторов Смита [14, 15] считаем нецелесообразным, поскольку значительное изменение величины запаздывания в объекте управления вызывает трудности с практической реализацией эталонной модели в этом регуляторе. Поэтому для решения задачи слабой зависимости показателей качества автоматического управления печью от вариации параметров объекта и от изменения внешних возмущений считаем целесообразным использовать во всех трех каналах многомерной САУ структуру многоконтурных систем с одной измеряемой координатой (МСОИК) [16] с типовыми ПИД-регуляторами. Применительно к первому каналу - каналу управления температурой в сечении F, где инерционностью электромеханического привода печи можно пренебречь, поскольку постоянная времени T11 составляет 290÷555с и существенно превышает постоянные времени электропривода, - синтез регуляторов R11 и R12 двухконтурной системы можно выполнять в соответствии с методикой, разработанной в [16]. kanalA1konturNEWMOD kanalA2konturNEWMOD Рис. 2. Графики переходных процессов в канале А по управлению: а - в первом контуре; б - во втором контуре; 1 - с запаздыванием τ = 1215c; 2 - с запаздыванием τ = 2600c каналA Возмущение с перекрестСтатьяРис. 3. Графики переходных процессов в канале А по возмущению: 1 - в объекте управления; 2 - в системе управления Совместный переход на маркуNEW Рис. 4. Графики переходных процессов одновременного перехода с марки П200 на марку П250 Объекты управления каналов А и С содержат звенья запаздывания; синтез регуляторов первых контуров этих каналов выполним частотным методом с использованием критерия Найквиста [17, 18]. На созданной в программной среде Matlab МСАУ ОК выполнены вычислительные эксперименты по оценке показателей качества управления процессом обжига керамзита. Исследование трех сепаратных каналов разработанной многомерной системы показало, что при структурном синтезе достаточно использовать в каждом канале двух контуров МСОИК с типовыми ПИД-регуляторами. Это позволяет, во-первых, обеспечить робастность каналов в условиях существенной нестационарности параметров многомерного объекта. Во-вторых, достичь максимально возможного быстродействия и исключить статическую ошибку системы по отношению к управлению и возмущению. В качестве примера на рис. 2 и 3 показаны кривые переходных процессов 1 и 2 в первом (рис. 2а) и втором (рис. 2б) замкнутых контурах системы управления температурой ТA (при максимальной вариации параметров объекта управления). Установлено, что по быстродействию сепаратные каналы синтезированной многомерной САУ ОК существенно отличаются друг от друга (время переходного процесса по отношению к задающему воздействию для канала F составляет 808 с, для канала А - 2432 с, для С - 590 с). Поэтому для обеспечения монотонного изменения температурного поля печи при переходе от рабочей точки Ni к точке Ni+1 используем в задатчикетрехкоординатный формирователь вектора = [TFз(t),TAз(t),TCз(t)]T задающих сигналов. Инерционность формирователя определяется каналом с наименьшим быстродействием, применительно к рассматриваемой конструкции печи - это канал А. Экспериментально доказано (рис. 4), что влияние межканальных связей повышает быстродействие многомерной САУ. Выводы 1. Установлено, что применение трех управляющих воздействий (ωп, qз и Qг) на процесс обжига керамзита во вращающейся печи и использование многомерной САУ с вектором выходных координат = [TF, TA, TC]T, включающем в себя значения температуры керамзита в трех сечениях печи по ее длине, позволяет целенаправленно управлять кривой обжига по критерию производства керамзита заданной прочности в условиях минимизации энергозатрат. 2. Выполнен структурный синтез МСАУ ОК, где в каждом сепаратном канале используется двухконтурная многомерная система с одной измеряемой координатой (МСОИК). Показано, что такой подход позволяет обеспечить робастность системы, максимально достижимое быстродействие и астатизм по отношению к управляющим и возмущающим воздействиям. 3. Синтезирован алгоритм формирования вектора задающих сигналов, позволяющий обеспечить обжиг керамзита заданной прочности Ri и осуществить управляемый технологический переход при производстве с марки Mi на марку Mi+1.

About the authors

Konstantin S Galitskov

Samara State Technical University

Email: maes@samgtu.ru; indexcitir@gmail.com
(Ph.D. (Techn.)), Associate Professor. 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100, Russian Federation

Stanislav Ya Galitskov

Samara State Technical University

Email: maes@samgtu.ru; indexcitir@gmail.com
(Dr. Sci. (Techn.)), Professor. 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100, Russian Federation

Oleg V Samokhvalov

Samara State Technical University

Email: maes@samgtu.ru; indexcitir@gmail.com
Teacher 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100, Russian Federation

References

Supplementary files