Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Общие сведения об электролучевых плавильных установках. Постановка задачи исследования 8
1.1. Развитие электроннолучевой технологии. Обзор работ в этой области 8
1.2. Задача и особенности электроннолучевой плавки. 12
1.3. Преимущества и недостатки электроннолучевой плавки 14
1.4. Обоснование постановки задачи и ее основные этапы 15
1.5. Выводы 17
Глава 2. Исследование технологического процесса в качестве объекта автоматического управления 19
2.1. Конструктивные особенности электроннолучевой установки 19
2.2. Характер технологического процесса 22
2.3. Исследование статических характеристик узлов электроннолучевой пушки 30
2.4. Математический алгоритм для исследования статики САУ фокусировкой электронного луча 43
2.5. Анализ действия внешних возмущений 51
2.6. Выводы 52
Глава 3. Разработка и теоретические исследования САУ 54
3.1. Разработка исходной структуры САУ 54
3.2. Уравнения звеньев САУ 58
3.3. Исследования переходных процессов 69
3.4. Качество САУ 93
3.5. Выводы 96
Глава 4. Экспериментальные исследования САУ 98
4.1. Экспериментальное определение функциональных зависимостей и численных значений параметров, характеризующих фокусировку электронного луча 98
4.2. Экспериментальный анализ действия внешних возмущений 99
4.3. Экспериментальный анализ поведения регуляторов интенсивности излучения САУ 106
4.4. Принцип действия логического блока переключения полярности изменения регулирующих величин . 111
4.5. Выводы 117
Заключение 123
Список литературы 126
- Обоснование постановки задачи и ее основные этапы
- Математический алгоритм для исследования статики САУ фокусировкой электронного луча
- Экспериментальный анализ действия внешних возмущений
- Принцип действия логического блока переключения полярности изменения регулирующих величин
Введение к работе
В документах X съезда СЕПГ и ХХУІ 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 [4. i] .
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 плав ки 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.l]. Для обеспечения простого обслуживания, освобождения рабочих сил, лучшего использования электроэнергии и т.д. необходимо заниматься созданием систем автоматического управления и регулирования электроннолучевой установкой и технологическими процессами.
Одним из путей 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 наплавлення 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 не
прерывный 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 L3.4, 5.1, 5.2J. Находятся в эксплуатации установки мощностью 1200 кВт с шестью электронными пушками [5.3J. В Советском Союзе разрабатывается совместно с ГДР установка с семью электронными пушками, мощностью 1200 кВт каждая [3.5J. 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. Между 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.
Обоснование постановки задачи и ее основные этапы
Как уже отмечалось в разделе 1.2, характерной особенностью электроннолучевой плавильной установки как объекта управления является невозможность непосредственного контроля в ходе плавки его выходного параметра, а именно качества металла. В связи с этим управление может производиться только на основе косвенных показателей. В этом случае качество металла во многом определяется правильностью выбора критерия управления. Проведенные исследования показывали, что качество металла зависит от условий кристаллизации и рафинирования слитка, во многом определяющихся его температурным полем в процессе переплава. Постоянство параметров температурного поля создает предпосылки для стабильных условий кристаллизации и рафинирования металла.
Главной предпосылкой для постоянных параметров температурно го поля является стабилизация фокусирующего электронного луча. В связи с этим, критерий управления, основанный на стабилизации параметров фокусировки электронного луча, является наиболее рациональным. Как уже отмечалось выше, необходимым условием при решении вопросов создания систем управления и регулирования является наличие математической модели объекта, отражающей весь комплекс протекающих в нем процессов. К настоящему времени наиболее полно изучены установившиеся режимы работы. Между тем, для решения различных задач, связанных с управлением электронной пушкой, очень существенной является информация о динамике совокупности протекающих в ней тепловых и электрических процессов. К настоящему времени получены математические зависимости, позволяющие анализировать особенности динамики процесса фокусировки электронного луча [б. і]. Не получены выражения, определяющие динамику изменения параметров электронного луча при возникновении внешнего возмущения. Решение вопросов измерения особенностей динамики при фокусировке луча приобретает еще большую актуальность в связи с широким внедрением в промышленность систем с управляющими вычислительными машинами. Как показали ориентировочные расчеты, управление плавильными электропечами для черной металлургии с применением УШ дает экономический эффект около 4,6 млн. руб. в год [5.29] .
Учитывая важность информации о динамических свойствах электронного луча при изменении его параметров для решения вопросов создания систем управления и регулирования электронной пушки, в работе была поставлена задача разработки и исследования САУ фокусировки и контроля электронного луча электронной пушки. Для осуществления поставленной задачи требуется решение следующих подзадач: Экспериментальное определение статических зависимостей, характеризующих фокусировку электронного луча, а именно: изменение интенсивности излучения (ИИ) на индикаторе электронной пушки (см. п.2.2.1) в зависимости от изменения давления и линзовых токов (ЛТ) 1. Электроннолучевая плавильная установка и в том числе электронная пушка представляет собой сложный объект управления, характеризующийся значительным количеством возмущающих воздействий, основными из которых являются скачкообразное газовыделение при переплавке заготовок, изменение вакуума в плавильной камере, повышенная доля испарения, колебания напряжения источника питания. 2. Характерной особенностью электроннолучевой установки как объекта управления является невозможность непосредственного контроля в ходе плавки качества металла, в связи с чем управление может производиться только по косвенным признакам. 3. Управление, основанное на постоянстве параметров фокусировки электронного луча в процессе наплавлення, во многом определяет получение металла заданного качества. Поэтому фокусировка луча электронной пушки может быть рекомендована в качестве регулируемого параметра САУ. 4. Необходимым условием для решения вопросов, связанных с теорией и практикой разработки САУ фокусировкой луча электронной пушки для плавки металла, является информация об особенностях фокусировки луча электронной пушки в динамическом режиме работы. 5. Учитывая актуальность информации о динамических свойствах луча электронной пушки при изменении его параметров вследствие возмущения, в работе была поставлена задача исследования основных особенностей фокусировки луча электронной пушки и определение на этой основе рациональных способов управления фокусировкой луча. 6. Основными этапами исследования следует считать: исследование действия основных возмущений на объект управ ления; разработку математической модели объекта управления и системы автоматического управления фокусировкой луча электронной пушки; исследование динамики САУ и уточнение ее структуры; экспериментальное исследование САУ и промышленное внедрение результатов теоретических исследований.
Математический алгоритм для исследования статики САУ фокусировкой электронного луча
Математический алгоритм составлен с учетом экспериментальных данных раздела 2.3.1 и качественных соображений, причем разработана система уравнений ИИ X и линзовых температур. Для унификации при составлении уравнения квазиоптимальной САУ было принято минимальное ИИ X в диапазоне заданного значения 15 ед. изм. Математическая точность при этом не снижается, так как исследуется только диапазон минимума с пределами возможности регулирования. Кроме того, уравнения кривых составляются эмпирическим путем, причем математическая точность соответствует точности экспериментальных измерений. Применяя метод использования полиномов, можно достичь более точного описания кривых, но для настоящей работы этого не требуется. для проверки. В случае превышения максимально допустимых величин следует уменьшение мощности. Это означает, что математически требуется нахождение минимума функции двух переменных. Эту задачу [4.14] можно свести к функции одной переменной. Пусть [у] является непрерывной дифференцируемой функцией, производные которой существуют. Если преобразовать Щ в области Х$ в ряд Тейлора и прекращать после третьего члена, получается: где (f [Х\\ и ср [Х$] являются первой и второй производными. В случае существования экстремума IAJ) = 0, тогда В нашей работе соответствует X - 1, или 1г , \ - Хг ,« » 4 " 1-е и 2-е производные от минимального излучения при Д Р по Зі , cj - 1-е и 2-е производные от минимального излучения при ДР ПО 3j Уравнение (2-14) описывает иттеративный процесс для нахождения минимума, если фЧл$) 0. В настоящей программе этот способ применяется последовательно для линзовых токов 1, и 1г , пока в соответствии с формулой (2-П) для Xhiw при заданном возмущающем давлении F не достигается минимума. Этот способ разрешает нахождение лишь одного минимума. Если функция (2—II) имеет несколько минимумов, тогда требуется расширение программы для определения абсолютного минимума.
Из-за выбранных параболических зависимостей исключаются дополнительные минимумы для уравнения (2-3). Кроме того, время расчета программы уменьшается значительно при подходящем выборе начальных условий иттеративного процесса L4.I3] и сокращении иттеративных циклов от 10 до 3-4. Следует отметить, что математическая отработка поставленной задачи (см. раздел 2.3.2.2) совпадает по результатам с параметрами, полученными в производстве при плавке. Отсюда вытекает,что программа моделирует действительно возникающие физические величины. Возникающее возмущающее давление F на настоящей установке в программе моделируется заданием различных возмущающих давлений, после чего рассчитываются все другие физические параметры. В программе смоделированы три случая, когда возмущающее давление выросло таким образом, что регулированием параметров нельзя обеспечить оптимальный режим плавки,из-за чего производится регулирование мощности. Этот вариант часто встречается при ручном управлении на практике. Технологические изменения, которые в этом случае происходит, объяснялись в разделе 2.3.1. Для увеличения рас четной скорости необходимо знать примерное расположение минимума для различных значений возмущающего давления, чтобы обеспечивать оптимальный выбор начальных координат для процесса по уравнению (2-14). Из этой причины была разработана следующая математическая программа. Эта программа выражает графическое изображение рельефа функции (2-II) и обеспечивает исследование функции (2-П) на все минимумы. Математический алгоритм соответствует описанию в разделе 2.4, основным уравнением является формула (2—II). С помощью пространственного графического изображения можно рассматривать все минимумы. Результаты расчета представлены на рис.2.7. Для примерного расчета было использовано возмущающее давление 1,33 Па. Сначала программа рассчитывалась при напряжении 50 кВ для параметров линзовых токов и интенсивности излучения. Так как регулированием нельзя достичь оптимальных параметров, следует уменьшать параметры напряжения. Степень уменьшения напряжения составляет 5 кВ. Расчетный цикл параметров и мощности продолжается до тех пор, пока значения параметров не достигают оптимальную область. В нашем примере оптимальный режим обеспечивается при 35 кВ, причем линзовый ток 3, = 0,42 А; \ = 0,61 А; X = 36,337 ед.изм.
Экспериментальный анализ действия внешних возмущений
При возрастании возмущающего давления изменяется магнитное поле электронного луча, т.е. изменяется ток индукции поля луча. Следует установить, существует ли возможность применения электронного узла, с помощью которого можно было бы регулировать подачу энергии при нестабильной работе электронной пушки. Быстродействие электронного узла должно быть достаточна высоким вследствие того, что для случая нахождения электронного луча в стадии повышенной проводимости, т.е. когда система находится на границе работоспособности, время с момента возникновения сигнала изменения тока индукции до отключения составляет примерно 10 мс.
Устанавливался измерительный зонд в аспирационном патрубке диффузионного насоса электроннолучевой пушки EH 1200/50. В качестве измерительного зонда применялся дроссель без ферромагнитного сердечника с параметрами Ц =0,1 0м, L = 2 мкГ.
Сигнал, возникающий вследствие возмущающего давления, ое-циллографировался и сравнивался с импульсом реле перегрузки. Осциллограммы представлены на рис.4.1, где график I - дроссель без ферромагнитного сердечника при нормальном режиме работы; график 2 - дроссель без ферромагнитного сердечника при возмущении; график 3 - реле перегрузки при нормальном режиме работы; график 4 -реле перегрузки при возмущении. Из рис.4.1 следует, что у дросселя без ферромагнитного сердечника момент восприятия изменения амплитуды тока индукции поля раньше, чем включающий импульс реле перегрузки. Амплитуда возмущения была выбрана такой, чтобы обязательно следовало отключение пушки. Этот возмущающий сигнал имитировался с помощью резкой подачи воздуха в промежуточную камеру печи.
После этого дроссель без ферромагнитного сердечника соединялся с электронным переключателем порогового значения, срабатывающим при положительном или отрицательном допусках амплитуды. На рис.4.3 представлена принципиальная схема электронного переключателя со следующими параметрами: R,, = 680 0м, R = 1,5к0м,
К з = 220 0м, Т является тиристором типа S F 126, ИС является интегральной схемой типа A30I 3) . Результаты эксперимента показаны на рис. 4.2, где график I - дроссель без ферромагнитного сердечника, соединенный с электронным переключателем порогового значения до момента срабатывания; график 2 - тот же узел в момент срабатывания при возникновении возмущения; график 3 - реле перегрузки при нормальном режиме работы; график 4 - реле перегрузки в момент срабатывания при возникновении возмущения.
На рис.4.2 дано сравнение между возмущающим сигналом, вызывающим изменение амплитуды, которое является условием включения электронного переключателя порогового значения, и тем же возмущающим сигналом, служащим импульсом включения реле перегрузки. Видно, что реле перегрузки включается примерно через 7 мс после срабатывания электронного переключателя порогового значения. Результаты (рис.4.1 и рис.4.2) были получены при плавке ІЗСг/lCG с мощностью 700 кВт. Аналогичные данные получились при плавке стальных марок 100 С г б с мощностью 1200 кВт, 85 Сг Mo 1--Z с мощностью 1050 кВт и др.[5.35].
Было отмечено, что при всех возмущающих сигналах частота по сравнению с нормальным режимом работы почти не меняется, но наблюдается значительное изменение амплитуды, причем с большой скоростью нарастания.
Возмущающий сигнал появляется с длительностью до 50 мс. Аналогичные значения были достигнуты при опытах с дросселем с ферромагнитным сердечником, установленным на высоковольтном кабеле, который электрически соединяет электронную пушку с высоковольтным кабелем источника питания. Осциллографическое наблюдение показывает, что ток предзаряда состоит из двух составляющих: основной составляющей и импульсной составляющей. Если изменение основной составляющей происходит медленно, то время нарастания импульсной составляющей происходит значительно быстрее. Время нарастания основной составляющей составляет от нескольких мкс до 0,5 мс, а время нарастания импульсной составляющей - несколько пс.
В экспериментальных исследованиях удалось осциллографировать только убывающую часть импульсной составляющей, так как не было возможности использовать запоминающее устройство на магнитной ленте. Время убывания находилось в пределах нескольких мс. При всех процессах короткого замыкания наблюдалось значительное изменение вольтамперной характеристики. Измерительные зонды, т.е. дроссель без ферромагнитного сердечника в аспирационном патрубке диффузионного насоса электронной пушки и дроссель с ферромагнитным сердечником на высоковольтном кабеле, в состоянии воспринять возмущающие сигналы. Использованный электронный переключатель порогового значения сработал столько же, как и реле перегрузки, с помощью которого настраивается вакуумный контактор. Время срабатывания переключателя порогового значения опережало время включения реле перегрузки на 10 мс.
Принцип действия логического блока переключения полярности изменения регулирующих величин
Необходимость переключения полярности объяснялась в разделе 3.1. Блок-схема логического блока переключения представлена на рис.4.9. Основой последующего рассмотрения является пропорциональное интенсивности излучения аналоговое напряжение постоянного тока.
С помощью сигнального согласования достигается реализация следующего условия. Входное напряжение аналого-цифрового преобразователя с запоминающим устройством должно быть І В. В память закладывается положение рабочей точки. С помощью компаратора сравнивается заданное значение рабочей точки с действительным. Для этого необходимо преобразовать цифровой сигнал в аналоговый
что осуществляется с помощью цифро-аналогового преобразователя. В случае совпадения заданного и действительного значений рабочей точки компаратор не выдает сигнала. При возникновении разности сигналов компаратор выдает сигнал и вступает в действие логика "Старт-Стоп". Селектор включается и импульсы, получаемые от генератора, считаются счетчиком. После этого импульсы подают к адресным входам микросхемы ЕПРОМ. В ЕПРОМах программирована определенная группа двоичных знаков. В связи с определенным порядком импульсов на адресных входах ЕПРОМа эта группа двоичных знаков появляется с заданной последовательностью на входах запоминающего устройства. С помощью последующего цифро-аналогового преобразователя образуется последовательность выходного напряжения,обеспечивающая постепенное приближение к заданному значению рабочей точки. В случае достижения совпадения обеих рабочих точек на компараторе не образуется сигнал, отключается логика "Старт-Стоп" и закрывается селектор. Тема самым прекращается вступление импульсов к счетчику и к ЕПРОМу. Одновременно с помощью " ГЄАЄІ " ЕПРОМ получает исходный адрес 00, вследствие чего аналоговое управляющее напряжение также равняется 0. Принципиальная схема блока переключения полярности изображена на рис.4.10. 1. Произведено экспериментальное определение функциональных зависимостей и численных значений, характеризующих фокусировку луча электронной пушки. 2. Даны экспериментальный анализ действия внешних возмущений и обоснование принятых в расчетах динамики параметров. 3. Разработан и исследован логический блок переключения полярности изменения регулирующих величин. 4. Разработаны регуляторы САУ и произведено экспериментальное исследование САУ. Получено совпадение теоретических и практических данных.
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. Основные результаты работы заключаются в следующем. 1. Показано, что определенные основные функциональные зависимости и численные значения хіараметров, 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.
