Содержание к диссертации
Введение
1 Задачи автоматизации вспучивания керамзита во вращающихся печах 21
1.1 Особенности процесса вспучивания керамзита. Связь плотности керамзита с вспучиванием 22
1.1.1 Сырье применяемое для производства керамзита 23
1.1.2 Основные процессы, протекающие в гранулах сырца при обжиге и вспучивании 25
1.1.3 Общая технология производства керамзита 28
1.1.4 Печи, применяемые при производстве керамзита 30
1.2 Обзор современного состояния средств автоматизации вращающейся печи 35
1.3 Задачи автоматизации процесса вспучивания керамзита во вращающейся печи 39
1.4 Выводы по первой главе 40
2 Математическое описание технологического процесса вспучивания керамзита во вращающейся печи как объекта управления 42
2.1 Конструкция вращающейся печи 42
2.2 Определение объекта управления, основные возмущения 43
2.3 Расчетная схема вращающейся печи как объекта управления 45
2.4 Математическое описание горелки как элемента объекта управления 46
2.5 Математическое описание тепловых процессов в печи 48
2.6 Оценка адекватности вычислительной модели 55
2.7 Определение области управляемости 57
2.8 Синтез структуры упрощенного объекта управления 63
2.9 Выводы по второй главе 68
3 Система автоматического управления насыпной плотностью керамзита при его обжиге во вращающейся печи 71
3.1 Требования к системе автоматической стабилизации теплового поля вращающейся печи 71
3.2 О влиянии величины скорости нарастания температуры на выбор режима управления вспучиванием 75
3.3. Алгоритм цифрового наблюдателя zB и dTWdz. 78
3.4 Математические модели основных звеньев системы 78
3.4.1 Математическая модель ленточного питателя 78
3.4.2 Математическая модель газовой задвижки 80
3.5 Структурный синтез системы автоматической стабилизации теплового поля вращающейся печи 81
3.6 Синтез и настройка регуляторов САУ. Достижимые показатели качества управления 85
3.7 Структура системы автоматического согласованного управления яз и Qn для обеспечения расширения диапазона р в условиях снижения энергозатрат 93
3.8 Оценка снижения энергозатрат на производство керамзита 95
3.9 Выводы по третьей главе 98
4 Экспериментальные исследования объекта и системы управления 99
4.1 Методика экспериментальных исследований объекта управления 99
4.1.1 Вычислительная модель обобщенного объекта управления. Методика исследования объекта управления в большом и малом 99
4.1.2 Переходные процессы в объекте управления 101
4.1.3 Переходные процессы в объекте управления по отношению к управляющему воздействию - объемной тепловой мощности горелки Qn 101
4.1.4 Переходные процессы в объекте управления по отношению к управляющему воздействию - величине загрузки q3 104
4.1.5 Переходные процессы в объекте управления по отношению к возмущающему воздействию - влажности сырца w 105
4.1.6 Вычислительная модель упрощенного объекта управления 109
4.2 Натурные исследования объекта управления 112
4.2.1 Объект испытаний 112
4.2.2 Цели исследования 115
4.2.3 Экспериментальная установка 115
4.2.4 Методика проведения экспериментов и обработка результатов испытаний 117
4.3 Вычислительная модель системы управления вспучиванием керамзита 120
4.3.1 Модель системы стабилизации температуры вспучивания 120
4.3.2 Модель системы стабилизации температуры в конце зоны подготовки 120
4.3.3 Вычислительная модель двумерной системы управления вспучиванием керамзита 121
4.4 Методика инженерного проектирования системы автоматического управления вспучиванием керамзита (САУ ВК) 122
4.5 Техническая реализация 122
4.6 Технико-экономический расчет 127
4.7 Выводы по четвертой главе 134
Заключение 135
Библиографический список 138
Приложение А 149
Приложение Б 157
Приложение В 159
Приложение Г 162
- Печи, применяемые при производстве керамзита
- Определение области управляемости
- Синтез и настройка регуляторов САУ. Достижимые показатели качества управления
- Переходные процессы в объекте управления по отношению к возмущающему воздействию - влажности сырца w
Введение к работе
диссертационного совета Д 212.217.03 Губанов Н.Г.
Актуальность работы. В настоящее время керамзит широко применяется при строительстве зданий и сооружений, что повышает их энергоэффективность, т.к. использование керамзита как наполнителя приводит к снижению потерь тепла в окружающую среду и уменьшает вес строительных конструкций. Кроме того, керамзит в последнее время применяется и в других областях строительного производства, в частности – при строительстве автодорог, что повышает их долговечность и снижает стоимость, особенно в том случае, если в месте проведения строительства отсутствует добыча каменных наполнителей.
Одновременно с возрастанием спроса на керамзит предприятиями стройиндустрии повышаются требования к его производству. Во-первых, необходимо значительное расширение диапазона его насыпной плотности, что обусловлено расширением области практического применения керамзита. Во-вторых, необходимо решение задачи по снижению энергозатрат на производство удельного объема керамзита.
Основная масса керамзита (более 65%) производится во вращающихся однобарабанных печах, где главным технологическим процессом (и самым энергоемким) является обжиг и вспучивание гранул сырца в температурном поле печи. Вращающаяся печь является сложным агрегатом, представляющим собой одновременно физико-химический реактор и топочную камеру.
Отечественное и зарубежное оборудование производства керамзита оснащается современными средствами и устройствами автоматики. Они предназначены, прежде всего, для мониторинга, удаленного управления, контроля действий оператора, информирования о внештатных ситуациях, архивирования данных производственного процесса, контроля технического состояния вращающихся печей.
Устройства же автоматического управления технологическим процессом вспучивания керамзита не получили до настоящего времени должного развития, поэтому управление обжигом во вращающихся печах ведется, в основном, оператором, что в ряде случаев приводит к сбоям технологического процесса, появлению брака (в виде керамзита не той марки), экономическим потерям предприятия. В известных работах по автоматическому управлению производства керамзита недостаточно разработаны вопросы математического описания этого технологического процесса как объекта управления и, как следствие, не решены вопросы синтеза простых для практической реализации структур систем автоматического управления вспучиванием. Решению этих вопросов посвящена настоящая работа.
Диссертация выполнена в соответствии с тематическим планом госбюджетных научно-исследовательских работ ФГБОУ ВПО «Самарский государственный архитектурно-строительный университет» «Структурный синтез систем автоматического управления технологическим процессом производства ячеистого бетона» (№ 01201052568 госрегистрации от 01.01.2010г.), по направлению «Автоматизированные системы в строительстве» (№ 01970005686 Госрегистрации от 23.05.2007г.).
Цель диссертационной работы создание системы автоматического управления технологическим процессом вспучивания керамзит а во вращающейся печи для стабилизации требуемого значения насыпной плотности и снижения энергозатрат на производство керамзита.
Поставленная цель достигается путем решения следующих задач:
- математическое моделирование технологического процесса вспучивания керамзита во вращающейся печи как объекта управления с распределенными параметрами, создание на ее основе модели многомерного объекта с сосредоточенными параметрами, ориентированной на синтез системы с двумя управляющими воздействиями (объемная тепловая мощность Qп горелки и величина загрузки qз печи) и контролем температуры керамзита в двух сечениях печи, характеризующих процесс вспучивания
- структурный синтез цифровой системы автоматического управления насыпной плотностью керамзита при его обжиге во вращающейся печи и параметрическая оптимизация ее регуляторов;
- проведение экспериментальных исследований теплового поля во вращающейся печи;
- разработка инженерной методики проектирования системы стабилизации насыпной плотности керамзита и выполнение на ее основе варианта технической реализации системы.
Методы исследования. В работе при проведении исследований и решении задач использовались методы математической физики, теплопередачи, теории автоматического управления, методы идентификации и аппроксимации моделей объектов управления. При проведении вычислительных экспериментов на ЭВМ в работе использованы программные среды SolidWorks, MatLab, MatCad.
Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие основные научные результаты:
- Математическая модель технологического процесса вспучивания керамзита во вращающейся печи как многомерного объекта управления с распределенными параметрами, которая по сравнению с известными проблемно ориентирована на создание двумерной системы автоматического согласованного управления объемной тепловой мощностью горелки и величиной загрузки печи, что позволяет обеспечить стабилизацию производства керамзита с требуемым значением насыпной плотности.
- Структура системы автоматического управления насыпной плотностью керамзита, которая отличается от известных тем, что в ней с целью обеспечения выпуска керамзита с заданной величиной насыпной плотности и снижения энергозатрат осуществляется согласованное управление горелкой и загрузкой печи.
- Алгоритм согласованного управления двумерной автоматической стстемой вспучивания керамзита, которая позволяет обеспечить его производство с заданной насыпной плотностью с наименьшими энергозатратами в условиях технологических ограничений на вспучивание керамзита.
Практическая значимость работы состоит:
- в разработанной методике инженерного проектирования системы автоматического управления насыпной плотностью керамзита во вращающейся печи;
- в разработке вычислительной модели объекта управления и методики постановки вычислительных экспериментов;
- в разработке вычислительной модели системы автоматического управления.
Реализация результатов работы. Результаты исследований, связанные с автоматизацией технологического процесса вспучивания керамзита во вращающаяся печи используются в практике инженерного проектирования в ООО «Керамуз», в Самарском архитектурно-строительном университете при подготовке инженеров по специальности «Механизация и автоматизация строительства» и магистров по программе подготовки «Комплексная механизация строительства».
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были представлены в виде статей, докладов и обсуждены на следующих научно-технических конференциях и семинарах: в Вестнике СамГТУ, серия «Технические науки», №2 (30) СамГТУ (Самара, 2011); на Международной научно-технической конференции «Интерстроймех-2009» (Бишкек, КГУСТА, 2009); на Международной научно-технической конференции «Стройкомплекс-2010» (Ижевск, ИжГТУ, 2010); на Международной научно-технической конференции «Интерстроймех-2011» (Могилев, БРУ, 2011); на Всероссийской межвузовской научно-практической конференции «Компьютерные технологии в науке, практике и образовании» (Самара, СамГТУ, 2007, 2008, 2009, 2010); на Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы в строительстве и архитектуре. Образование. Наука. Практика» (Самара, СГАСУ, 2007, 2009); на Всероссийской научно-технической конференции «Традиции и инновации в строительстве и архитектуре» (Самара, СГАСУ, 2010); на Международной молодежной научной конференции «Туполевские чтения» (Казань, КГТУ, 2006); на Всероссийском смотре-конкурсе научно-технического творчества студентов высших учебных заведений «Эврика-2008» (Новочеркасск, ЮРГТУ, 2009); на межвузовской студенческой научно-технической конференции «Студенческая наука. Исследования в области архитектуры, строительства и охраны окружающей среды» (Самара, СГАСУ, 2006, 2007).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 работ, в том числе одна работа в рецензируемом издании, определенном ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 105 наименований и четырех приложений. Основной текст работы изложен на 137 страницах, диссертация содержит: 71 рисунок, 20 таблиц, приложения на 13 страницах, библиографический список на 11 страницах.
Положения, выносимые на защиту:
-
Математическая модель технологического процесса вспучивания керамзита во вращающейся печи как многомерного объекта управления с распределенными параметрами.
-
Структура системы автоматического управления насыпной плотностью керамзита.
-
Вычислительные и натурные эксперименты по исследованию динамики объекта и системы автоматического управления вспучиванием керамзита.
-
Алгоритм согласованного управления двумерной автоматической системой управления вспучивания керамзита во вращающейся печи.
Печи, применяемые при производстве керамзита
Анализ работ [1,3,36,43,44,47,97] показывает, что в настоящее время наиболее распространен метод обжига керамзитового гравия в одно- и двухбарабанных вращающихся печах. Кроме того, существует производство керамзитового гравия и песка в печах кипящего слоя.
Основное достоинство использования вращающихся печей [1,44,97] состоит в том, что в них зерна материала вспучиваются в свободном объеме, не ограниченном стенками или неподвижной массой таких же зерен. Поэтому процесс производства керамзита позволяет получать керамзит в форме зерен с насыпной плотностью 200 - 650 кг/м3, при коэффициенте выхода 1,5-3.
К недостаткам вращающихся печей, помимо их низкой тепловой экономичности, относится [3,97] трудность обжига в них слабо- и средневспучивающихся глинистых пород, а также пород с малым интервалом вспучивания. Такие породы склонны к слипанию и образованию крупных спекшихся, а иногда сплавленных конгломератов материала. При производстве керамзита применяются одно- и двухбарабанные цилиндрические вращающиеся печи.
Однобарабанные печи [1,3,43] представляют собой цилиндрический барабан длиной, обычно, 12...40 м, диаметром - 1,6...2,5 м. В основном установлены печи трех типоразмеров: 2,5x40, 2,3x22 и 1,6x12 м; 62% печного парка составляют печи 2,5 x40м (рис. 1.5). Сравнительные технические характеристики вращающаяся печей приведены в табл. 1.1.
Широкое использование однобарабанных печей показывает, что они в значительной мере отвечают технологии производства керамзита. Вместе с тем опыт эксплуатации однобарабанных печей показывает [1,47], что создать в них требуемый режим обжига керамзита, отвечающий процессу оптимального вспучивания, не представляется возможным. Это объясняется тем, что материал во всех технологических зонах печи движение с постоянной скоростью резко ограничивает возможность получения оптимального соотношения между производной dT/dx и температурой Тс вспучивания, из-за невозможности их раздельного регулирования Поэтому предприятия, оснащенные однобарабанными печами, выпускают более тяжелый керамзит и с меньшим его выходом в единицу времени.
Двухбарабаниая печь [1,3,44,97] состоит из двух барабанов каждый из которых вращается автономным приводом. Короткий барабан имеет больший диаметр, и предназначен для вспучивания. Длинный (с меньшим диаметром), предназначен для предварительной тепловой обработки перед вспучиванием (рис. 1.6).
Двухбарабанная печь по сравнению с однобарабанной имеет дополнительное управляющее воздействие - соотношение скоростей барабанов, поэтому позволяет [1,3] обжигать керамзит более оптимальным образом, т.к. в ней можно раздельно регулировать два различных в технологическом и теплотехнитеском отношении процесса — тепловую обработку материала при относительно низких температурах и вспучивание при высоких температурах.
Недостатками двухбарабанных печей являются: во-первых тепловые потери на стыке двух барабанов, которые имеют место на практике, во-вторых - то, что эти печи, в основном, применяются для слабо вспучивающихся глин, а при использовании хорошо вспучивающихся - их эффективность по сравнению с однобарабанными печами маленькая, при большем расходе тепловой мощности, затрачиваемой на вспучивание керамзита.
С целью повышения эффективности вспучиваемости М.Ф. Персон предложил вариант однобарабанной печи с порогами [43,44,47].
Устройства порогов (рис. 1.7) в однобарабанной печи позволяет замедлить (за счет накопления сырца перед порогом) прогревание материала в зоне подогрева и приблизить кривую обжига керамзита к ступенчатому виду, т.е. к созданию желаемого значения dT/dt.
Установлено [1,3], что применение порогов создает наибольшее приближение к двухступенчатой схеме термообработки в условиях однобарабанной печи, понижает температуру до порога и теплоконцентрацию за порогом. При этом расход теплоты на обжиг сокращается на 7—12 %, а производительность печей увеличивается до 10 %. Отмечается также снижение насыпной плотности керамзита и повышение его прочности. Часть кривой обжига (в районе порога) приведена на рис. 1.7.
На основании проведенного анализа технологии вспучивания керамзита и применяемого при этом оборудовании можно заключить, что для создания системы автоматического управления вспучиванием керамзита во вращающейся печи на основании технологического процесса, описанного выше нам необходимо поддерживать несколько параметров, определяющих процесс вспучивания - это температуры в зоне вспучивания, в точке перегиба кривой обжига в конце зоны нагрева и скорость нарастания температуры dT/dx в конце зоны нагрева.
Для управления этими параметрами в настоящее время на практике применяется управление печью с помощью объемной тепловой мощности горелки. При работе печи технологами задается параметр загрузки, который остается неизменным при работе печи. В работе [28] показано, что этот параметр можно изменять с целью создания требуемого теплового поля вращающейся печи. Отсюда можно сделать вывод, что мы можем использовать два управляющих параметра - это объемная тепловая мощность горелки и загрузка печи. При совместном управлении этими параметрами можно получить управление процессом вспучивания.
Определение области управляемости
Из анализа участка ABCD кривой обжига, (рис. 1.4) которой характеризуют процесс вспучивания, следует, что его с достаточной степенью точности можно аппроксимировать ломанной (рис. 1.4). Характерно, что отрезок ВД, как показывает анализ расчетных и экспериментальных кривых обжига параллелен оси Z. Поэтому при решении задачи автоматизации процесса вспучивания керамзита считаем, что этот процесс можно охарактеризовать температурой керамзита в трех точках - А,В и С и производной — на участке АВ. Здесь принято, что точка С расположена в середине участка BD.
Известно [1], что на температурное поле в зоне вспучивания накладывается ограничение сверху, обусловленное температурой плавления глины, и снизу, обусловленное возможностью возникновения вспучивания (рис. 2.10.), что позволяет обжигальщику изменять режим вспучивания и тем самым варьировать величину насыпной плотности путем изменения объемной тепловой мощности Qn. Температуру в точке А можно изменять, как показано в [1], за счет загрузки q3.
Определим (применительно к печи типоразмера 40x2,5м) области управляемости объекта.
Граничные значения температуры в зоне вспучивания Тс mm и Тс тах определяется по результатам лабораторных испытаний глины. Применительно к печи типоразмера 40x2,5м, которая в данной работе рассматривается в качестве примера, Tcmin= 920 С, Tcmax= 1150 С. Путем постановки вычислительных экспериментов на модели (рис.2.5.4) определены значения объемной тепловой мощности горелки Qnmin = 27 938 Вт/м3, Qnmax = 39 266 Вт/м3, которые обеспечивают работу печи на границах интервала вспучивания.
По результатам анализа экспериментальных зависимостей р = f(TA) [30] определен диапазон отклонения температуры АТА, соответствующий требуемому заказчиками диапазону насыпной плотности Ар керамзита. Величина верхнего значения температуры в сечении А ограничивается минимально допустимым (по условию вспучивания) значением производной —. В соответствии с [1] для обеспечения вспучивания должно выполняться условие 90 С/мин — 70С/ Наименьшее значение температуры ТА min лимитируется предельной мощностью горелки и величиной производительности участка подготовки сырца. Применительно к рассматриваемой печи ТА max = 850 С, ТА min = 710 С. Это соответствует насыпной плотности р = 700-ьЗОО кг/м Для обеспечения такого диапазона Ар необходимо, чтобы загрузочное устройство обеспечивало расход сырца не менее q3 = 16 м /час. Экспериментально (на вычислительной модели) показано, что при q3 = 16 м3/час требуемая от горелки объемная тепловая мощность не превышает ее максимального значения, приведенного в технических характеристиках [11].
Объем топочного пространства печи определяется исходя из геометрических размеров печи, и составляет для данной печи 196,3 м3. Расход топлива для горелок установленных на сорока метровых печах составляет 0,1 - 0,2 м3/с, или 500 - 800 м3/ч. Исходя из этого можно построить зависимость объемной тепловой мощности горелки в печи (Qn) от расхода топлива (QT) (рис.2.11) и считать входным параметром расхода топлива.
Следовательно, зона управляемости [29] для сорокаметровой печи и смышляевской глины составляет: по объемной тепловой .мощности горелки в печи Qn = 39 266 - 27 938 Вт/м3, а по расхода топлива QT = 0,1 - 0,2 м3/с, или QT = 500-800м3/ч.
Для исследования влияния управляющих воздействий на кривые обжига а керамзита Тк (z, г ) была проведена серия вычислительных экспериментов на модели (рис. 2.7) с дискретным изменением значений Qn и q3. Величина загрузки изменялась от максимальной q3 = 12,5 т/ч до средней q3 = 8 т/ч и минимальной q3 = 4,5 т/ч. Объемная тепловая мощность горелки принимала значения: 27 938; 33 602; 39 266 Вт/м3. В результате было получено семейство кривых обжига керамзита (рис. 2.12). В результате обработки этих кривых построены в трехмерном пространстве (два входа - Qn и q3) три характеристики (рис. 2.13 — 2.15) объекта управления. Первая характеристика (рис. 2.13) - зависимость температуры точке С от объемной тепловой мощности печи (Qn) и загрузки (q3) - позволяет определить коэффициенты передачи объекта управления по отношению к каждому из управлений при «замороженном» значении другого управления.
Вторая характеристика (рис. 2.14) - зависимость ширины зоны вспучивания от объемной тепловой мощности (Qn) и загрузки (q3).
Третья характеристика (рис. 2.15) - зависимость температурного градиента (dT/dz) от объемной тепловой мощности (Qn) и загрузки (q3).
Аналитическая обработка экспериментальных кривых (рис.2.12) позволяет сделать следующие выводы:
1. Интервал вспучивания составляет 230 С, верхняя граница нагрева глины -1150 С, нижняя - 920 С, что соответствует объемной тепловой мощности горелки Qnmin= 27 938Вт/м HQnmax= 39 266 Вт/м
2. Координата zA точки А практически не меняет своего значения при вариации Qn в диапазоне Qnmin + Qnmax и вариации q3 в диапазоне q3 min Яз max
3. Для монтажа датчика температуры в середине зоны вспучивания выбираем координату zc = 35,0 м, что соответствует практически середине участка BD во всех экспериментах. Принимаем ZA = 30,0 м.
4. Установлено, что максимальное перемещение точки В в координатах оси z (при изменении Qn и q3 в указанных диапазонах) составляет 1,4 м (рис. 2.16).
5. Диапазон изменения производной dT/dz на участке АВ 115 + 35 С/м.
Синтез и настройка регуляторов САУ. Достижимые показатели качества управления
При синтезе регулятора системы управления используется следующий подход. Система стабилизации температуры в сечении С это система, которая содержит в своем сепаратном объекте интегрирующее звено, следовательно для структурной устойчивости регулятор синтезируем ПД-типа. Постоянную времени которого принимаем равной постоянной времени объекта. Учитывая, что объект управления включает в себя звено запаздывания выбор коэффициента ПД-регулятора осуществляется на математической модели. При этом на вход первого контура подаем ступенчатый сигнал и по переходной характеристике выбираем коэффициент передачи ПД-регулятора. Причем выбираем коэффициент передачи ПД-регулятора таким образом, чтобы перерегулирование было менее, чем 15...20 %. Учитывая, что параметры: коэффициенты передачи, постоянные времени, запаздывания объекта управления переменные вычислительные эксперименты проводились для при всех возможных неблагоприятных параметров объекта управления.
Второй был выбран ПИ-регулятор, в нем постоянная времени форсирующего звена выбиралась такой, чтобы она соответствовала наибольшей постоянной времени математической модели первого замкнутого контура. Коэффициент передачи регулятора выбирался на вычислительной модели критерию устойчивости системы. Аналогично осуществлен выбор параметров третьего регулятора. Структура САУ температуры в сечении С в виде многоконтурной системы управления с одной измеряемой координатой показана на рис.3.7 а.
Синтез системы стабилизации температуры в сечении А отличается от вышеописанной тем, что первый регулятор выбирается ПИ типа, так как в объекте управления нет интегратора, во всем остальном методика настройки регулятора аналогична выше описанной настройке. Структура САУ температуры в сечении А в виде многоконтурной системы управления с одной измеряемой координатой показана на рис. 3.76.
Для определения численных параметров регуляторов САУ температуры в сечениях А и С были построены вычислительные модели систем стабилизации температуры в сечениях А и С, показанные на рис.3.8 и рис.3.10. Для того, чтобы производить настройку этих систем была составлена таблица 3.2, в которой показаны вариации параметров динамических звеньев объекта управления. На основании этой таблицы был выбран наихудший из возможных вариант настроек объекта управления, на котором и производилась настройка регуляторов численным методом.
Для определения численных параметров регуляторов САУ температуры в сечении С была построена вычислительная модель системы стабилизации температуры в сечении С, показанная на рис.3.8. Управляющие и возмущающие воздействия подаются в систему те же, что и при синтезе одноканальных систем. Первоначально был введен одни контур многоконтурной системы с одной измеряемой координатой (МСОИК) [48]. Этот контур был настроен на минимальное быстродействие и динамический провал порядка 10 - 15 %. Переходная характеристика этой настройки показана на рис.3.9 а. Затем был введен второй контур МСОИК и он был настроен на меньший динамический провал (рис.3.9 б), после чего был введен и настроен третий контур, переходная характеристика системы МСОИК с тремя контурами (рис.3.9 в). Показатели качества после настройки такого регулятора по управлению: характер переходного процесса-монотонный, время переходного процесса составило 2 500с (=41 мин.). По возмущению: динамический провал - 4,5 С, время переходного процесса -1 500с ( 25 мин.) Параметры регуляторов САУ температуры керамзита в сечении С приведены в табл. 3.3.
Для определения численных параметров регуляторов САУ температуры в сечении А была построена вычислительная модель системы стабилизации температуры в сечении А, показанная на рис.3.10. Первоначально был введен одни контур МСОИК. Этот контур был настроен на минимальное быстродействие и динамический выброс порядка 10 - 15 %. Переходная характеристика этой настройки показана на рис.3.11 а. Затем были введены и настроены второй и третий контуры МСОИК, переходная характеристика системы МСОИК с тремя контурами (рис.3.9 б). Показатели качества после настройки такого регулятора по управлению: характер переходного процесса - практически монотонный, величина динамического выброса составила 2,2 С, время переходного процесса составило 2 600с ( 43 мин.). По возмущению: величина динамического выброса составила 1,8 С, время переходного процесса составило 5 000с (« 1 ч. 30 мин.), но ввиду того, что выброс не превышает допустимые 5 С, то можно считать, что этот параметр на процесс вспучивания керамзита практически не влияет.. Параметры регуляторов САУ температуры керамзита в сечении А приведены в табл. 3.3.
Экспериментально на вычислительной модели установлено, что в синтезированной системе управления показатели качества практически не зависят от вариации параметров объекта управления.
После настроек каждой из САУ (в сечениях А и С) на основе структуры рис.3.6 была построена полная вычислительная модель системы рис.3.12.
На нее было подано линейно спадающее воздействие по каналу стабилизации ТА, АТА показан на рис.3.13, а также возмущение Aw = 15 %, в результате были получены переходные характеристики работы системы (рис.3.14). На рис.3.15 показаны графики изменения величин загрузки печи и объемной тепловой мощности, которые были изменены в результате работы системы управления, как результат отработки САУ на управляющее и возмущающее воздействия. В результате этого вычислительного эксперимента были получены следующие показатели качества работы САУ по управлению: динамический провал в САУ ТА - 15 С, в САУ Тс - 6 С, время переходного процесса, в САУ ТА - 5 200 с ( 1 ч. 25 мин.), в САУ Тс - 5 000 с (« 1 ч. 20 мин.). По возмущению: динамический провал в САУ ТА - 1,8 С, в САУ Тс - 4,9 С, время переходного процесса в САУ ТА - 5 000 с ( 1 ч. 20 мин.), но при этом динамический провал ничтожно мал, в САУ Тс - 5 000 с ( 1 ч. 20 мин.). Это затягивание процесса происходит из-за того, что нельзя скачком переводить печь на другой режим работы по управляющему параметру - загрузке печи.
Также для подтверждения устойчивости и того, что показатели качества укладываются в заданные диапазоны подадим на систему (рис.3.12) скачкообразное управляющее воздействие по каналу стабилизации Тс, которое составило АТс.з = -50 С. В результате были получены переходные характеристики работы системы (рис.3.16). И следующие показатели качества работы САУ: динамический провал: в САУ Тд - 0,7 С, в САУ Тс - процесс монотонный, время переходного процесса: в САУ ТА - 2 400 с (« 40 мин.), в САУ Тс - 2 200 с ( 36 мин.).
Анализируя графики работы САУ ВК можно сделать следующие выводы:
1. при работе системы стабилизации ТА по управляющему воздействию система стабилизации Тс работает в этот момент - по возмущению, приходящему в сечение С по межканальной связи;
2. как показано в главе 2, при снижении температуры Тд загрузка q3 увеличивается, а объемная тепловая мощность Qn уменьшается;
3. при переходном режиме в точке А колебание температуры в точке С составило 6,2 С, а при изменении влажности сырца скачком на 15 % колебание температуры в точке С составило 3,8 С, в точке А - 1,7 С, что удовлетворяет требованиям.
4. при работе системы по управлению каналом Тс получается быстродействие, которое обеспечивает оператор, но имеют место более стабильные показатели технологического процесса.
Переходные процессы в объекте управления по отношению к возмущающему воздействию - влажности сырца w
Для проведения этих исследований выбираем те же характерные точки, что и в предыдущем исследовании: А, В и С.
Вычислительный эксперимент проводился следующим образом. Была задана начальная влажность подаваемого на обжиг в печь материала 15%. К моменту времени 600 000с все переходные процессы закончились, и в этот момент было подано ступенчатое возмущающее воздействие Aw. Было выполнено 4 эксперимента. В двух первых величина скачка была Aw і = 15%, Aw2 = 5%, в двух последующих Aw3 = -5%, Aw4 = -15% .
На рис.4.7 приведены графики переходных процессов по отношению к возмущающему воздействию. Здесь синим цветом отображены переходные процессы, в точке С, красным - в т. В и зеленым - в т. А. На рис.4.8 приведены увеличенные графики переходных процессов, показанных на рис.4.7.
Из анализа графиков переходных процессов, приведенных на рис.4.7 и рис.4.8, следует, что в исследуемом объекте динамика его по отношению к возмущению по форме совпадают с динамикой по отношению к управлению.
Кроме определения динамики температуры в точках А и С установки датчиков были проведены эксперименты со смещением этих точек на величину ±1м (z = 29 м, z = 31 м, z = 34 м и z = 36 м), с целью установления характера переходных процессов в случае погрешности установки датчиков. Результаты экспериментов на модели с распределенными параметрами приведены на рис.4.9.
Анализ переходных процессов показал, что их характер в точках с координатами z = 29 м, z = 31 м, z = 34 м, z = 36 м аналогичен характеру переходных процессов в точках А и С, и также, представляет собой монотонный процесс с явно выраженным запаздыванием. Из чего можно заключить, что в окрестности точек А и С динамику изменения температуры при отклонении управляющих AQn и Aq3 и возмущающего Aw воздействий можно с достаточной степенью точности описать звеньями с сосредоточенными параметрами, а именно - апериодическим звеном и звеном запаздывания.
