Содержание к диссертации
Введение
1 Выбор способа управления многозонным термическим объектом и разработка критериев равномерности температурного поля
1.1 Обоснование необходимости использования прецизионных связных регуляторов 11
1.2 Анализ эффективности способов формирования напряжения 17
1.3 Анализ способов управления процессом 19
1.4 Анализ способов распределения напряжения 27
1.5 Критерии эффективности регулирования температурного поля 30
1.5.1 Локальные критерии 31
1.5.2 Интегральные критерии 36
Выводы 37
2 Разработка моделей МТО 38
2.1 Модель температурного поля на основе функции Грина (аналитическое решение) 38
2.1.1 Нагрев последовательностью точечных единичных импульсных воздействии 39
2.1.2 Нагрев сплошной линией при импульсном воздействии 40
2.1.3 Нагрев последовательностью точек непрерывного воздействия... 41
2.2 Исследование функции Грина 43 .
2.3 Сеточная конечно-разностная модель 46
2.4 Сеточная модель (Метод конечных элементов) 50
2.5 Анализ температурного режима методом гармонического баланса... 59
2.6 Установившийся режим при полигармоническом воздействии 61
2.7 Модели периодических воздействий 63
2.8 Двухзонный термический объект 66
2.8.1 Нагрев постоянной мощностью 68
2.8.2 Нагрев гармоническим компонентном мощности 69
2.8.3 Нагрев мощностью, изменяющейся по периодическому закону... 70
2.9 Электронная модель 71
Выводы 73
3 Учет структурных и физических особенностей МТО. Алгоритмы управления МТО 74
3.1 Влияние неточности размещения деталей на температурное поле... 74
3.2 Влияние промышленной сети на регулирование МТО 75
3.3 Опосредованное влияние сети 83
3.4 Учет влияния отклонения конструктивных параметров на режим МТО 87
3.5 Коррекция параметров модели 89
3.6 Регулирование в условиях ограничений 91
3.7 Алгоритм управления МТО посредством прогнозирующей модели 94 Выводы 98
4 Техническая реализация. Экономический эффект от внедрения прецизионного регулятора температуры 99
4.1 Лабораторная установка для исследования МТО 99
4.1.1 Структурная схема внутрисхемного эмулятора процессорного модуля 101
4.1.2 Программа включения нагревателей и опрашивания датчиков 102
4.1.3 Протокол взаимодействия с ячейкой аналого-цифрового преобразования 104
4.1.4 Порядок работы с нагревательными элементами 104
4.1.5 Порядок взаимодействия со схемой многоточечного измерения температуры 105
4.1.6 Экспериментальные исследования на макете 105
4.2 Аппроксимация функцией одной переменной 109
4.3 Аппроксимация линейной зависимостью 117
4.4 Аппроксимация степенным полиномом 119
4.5 Аппроксимация постоянной составляющей и гармоникой 121
4.6 Статистический анализ эффективности стабилизации температурного поля при изготовлении ферритов 122
4.7 Оценка риска изготовителя 128
4.8 Влияние неравномерности температурного поля на результаты групповых испытании элементов систем управления 131
4.9 Оценка эффективности применения многозонного 138
Выводы 140
Заключение 141
Список используемых источников 144
- Анализ способов управления процессом
- Сеточная модель (Метод конечных элементов)
- Влияние промышленной сети на регулирование МТО
- Аппроксимация функцией одной переменной
Введение к работе
Температура является весьма распространенным и важным фактором, характеризующим различные процессы металлургической, химической, энергетической промышленности и др. Точность ее измерения очень важна для автоматизации этих процессов [1, 2]. В свою очередь качество выпускаемых изделий зависит от точности поддержания температуры в рабочей среде. На ряде производств (при спекании ферритов в туннельных печах, при измерении параметров изделий, находящихся в термостате, в процессах термической и химико-термической обработки деталей машин с непосредственной закалкой в контролируемых атмосферах и др.) по причине нестабильности температурного поля увеличивается процентное содержание бракованных изделий [3-7]. Нестабильность температуры в производстве ферритовых сердечников влияет: на увеличение бракованных изделий при спекании; на результат приемо-сдаточных испытаний при проверке параметров изделий стандарту.
В связи со сказанным выше актуальной задачей современного производства является обеспечение максимальной равномерности распределения температуры в рабочем пространстве термического объекта.
Неравномерность температурного поля можно снизить при использовании оптимального управления. Для реализации такого управления могут быть использованы многоканальные системы регулирования температуры. Такие системы могут обеспечить большую точность поддержания заданного значения температуры по сравнению с системами, содержащими один канал управления.
Создание качественных многоканальных систем управления термическим объектом необходимо для технологических установок, имеющих несколько взаимосвязанных каналов регулирования. К таким установкам могут быть отнесены многодвигательные поточные линии, промышленные роботы-манипуляторы и любые другие термические установки [8-12].
Особенно следует отметить важность многоканального регулирования температуры в электропечах с групповой обработкой изделий (например, туннельные печи). Это связано с тем, что термические процессы находят широкое применение в самых различных отраслях. Они используются в металлургии, машиностроении, приборостроении, легкой и пищевой промышленности для выполнения плавки, сушки, термообработки и других операций.
Характерной особенностью разработки термических процессов в последние годы стало все более широкое применение программированных режимов при одновременном ужесточении требований к точностным характеристикам процессов. Так, например, в технологии изготовления подложек интегральных микросхем [1] при температуре 1500 С требуется обеспечение точности в 0,5 %.
При проведении различных видов испытаний, в частности испытании материалов на растяжение при повышенных температурах и определении упруго прочностных свойств резины, допускаются отклонения, не превышающие 2 %, а при механических испытаниях пластмасс и определении усталостной выносливости резины - не превышающие 1 % .
При прогнозировании коробления высокоточных деталей ставится задача определения температурных передаточных характеристик. При этом требуется высокая точность поддержания температуры.
Необходимость повышения точности для термического оборудования связана с тем, что существует риск получения большой партии бракованной продукции, при несоблюдении технологического режима. Кроме того, для многоканальных регуляторов температуры, наряду с задачей повышения статической точности, возникает необходимость в обеспечении равномерности температурного поля, так как при этом улучшается показатель повторяемости параметров изделий. Так, например, при производстве фер-ритовых сердечников даже при условии поддержания температуры с высокой точностью (0.2 %) выход годных не превышает 80 %. Это связано с не-
7 равномерностью температурного поля по поверхности технологической плиты. Кроме того, учитывая необратимый характер химических процессов, происходящих в ферритах при их спекании, недопустимо возникновение перерегулирования при установлении заданной температуры. Дополнительным требованием для данного технологического процесса является необходимость ограничения скорости нарастания температуры.
Учитывая общую тенденцию развития техники и производства, направленную на все большее ужесточение технологических режимов, можно ожидать, что в ближайшем будущем появятся технологии с еще более серьезными требованиями к термическому оборудованию. По этой причине актуальной является задача нахождения путей совершенствования термического оборудования, одним из которых является учет внутренних взаимодействий в многоканальных системах.
При регулировании параметров такого рода объектов традиционными локальными регуляторами на точность регулирования будет оказывать влияние взаимодействие зон регулирования друг с другом, что требует применения специальных алгоритмов управления.
Кроме того, качество функционирования систем управления определяется совокупностью технических характеристик входящих в их состав структурных элементов, представляющих собой устройства различного назначения. Одной из важнейших групп таких устройств являются преобразователи электрической энергии. Они могут иметь различные принципы технической реализации, отличающиеся видом управляющего сигнала, типом используемых элементов и принципов регулирования. Это во многом определяет уровень их эксплуатационных характеристик и возможные области применения.
Что касается регулирования температуры, то для этой цели, в принципе, могут быть использованы любые методы управления мощностью, передаваемой от сети нагревательному элементу. При этом следует учитывать то обстоятельство, что питание от сети переменного тока приводит к пе-
8 риодическому изменению уровня мощности, передаваемого нагревательному элементу. Это неизбежно вызывает колебания температуры. И в случае установившегося режима в электротермическом оборудовании происходит колебание температуры около некоторого среднего значения. Амплитуда колебаний зависит от периода и амплитуды изменения мощности, а также от инерционных свойств электротермического оборудования.
Также необходимо отметить, что несогласованная работа отдельных каналов регулирования может приводить к перегрузкам питающей сети (при одновременном включении в какой-либо момент времени всех каналов регулирования). Такие перегрузки, кроме ужесточения режима работы оборудования, приводят также к ухудшению качества сети. Это проявляется в виде колебаний амплитуды сетевого напряжения, за счет неравномерной по времени загрузки, и искажения его формы, за счет наличия высших гармоник. При этом множество каналов регулирования может быть образовано как отдельными частями установки, так и совокупностью различных объектов. Многоканальный регулятор способен синхронизировать работу отдельных каналов таким образом, что суммарная мощность, потребляемая всей установкой, в течение цикла регулирования будет меняться незначительно.
Таким образом, при исследовании многоканальной системы регулирования температуры необходимо учитывать влияние погрешности, определяемой как способом построения системы автоматического управления, так и способом преобразования электрической энергии исполнительным устройством системы и способом ее распределения по зонам регулирования. Дополнительно необходимо решение задачи повышения эффективности функционирования системы за счет снижения затрат на реализацию системы и затрат, возникающих при регулировании.
В работе [2] проведена значительная доля исследований в области многозонного регулирования: разработан способ дискретного согласованного распределения мощностей по зонам регулирования; разработана методика
9 оценки точности регулирования температуры по спектру подводимой мощности; создана математическая модель многозонной электропечи; разработана методика прямой параметрической идентификации математической модели и объекта управления; разработан способ оптимального управления процессом нагрева в многозонной печи; получен ряд новых технических решений.
Для дальнейшего исследования многоканальных систем управления автором настоящей диссертации выделены следующие задачи:
создать математические и программные модели температурного поля;
разработать алгоритмы управления с учетом:
а) ограничений, в условиях которых происходит регулирование
(наличие ограничений на физическую реализуемость);
б) влияния пульсаций мощности;
в) физических и конструктивных параметров;
г) влияния промышленной сети;
д) температуры окружающей среды;
разработать критерии оценки равномерности температурного поля;
разработать методику расчета экономической эффективности прецизионного регулирования.
Диссертация посвящена разработке алгоритмов и моделей многозонного термического объекта (МТО), используя которые можно свести к минимуму неравномерность температурного поля термического объекта.
В первой главе произведен анализ существующих систем управления, выделены особенности многоканальных систем управления, предложены и проанализированы критерии, на основе которых можно выбрать оптимальный вариант управления.
Во второй главе рассмотрены различные варианты математических моделей для исследования МТО, на их основе разработано программное обеспечение, позволяющее произвести расчет температурного поля при многозонном нагреве. Создан математический аппарат для анализа МТО методом
10 гармонического баланса, получены математические выражения для описания МТО при различных видах управляющих сигналов.
Третья глава включает анализ наиболее значимых факторов, влияющих на стабильность температурного поля. Разработан математический аппарат для учета в модели реального объекта: отклонения конструктивных параметров МТО; ограничений на физическую реализуемость; влияния промышленной сети в различных аспектах. Предложен алгоритм оптимального управления МТО.
В четвертой главе приведены особенности создания лабораторного макета для проведения физических исследований в области многозонного нагрева. Получены аналитические выражения для аппроксимации опытных данных. Разработана методика оценки влияния нестабильности температурного поля на качество готовой продукции, разработана методика расчета эффекта от использования многоканального регулятора в производстве.
Научная новизна материалов, приведенных в диссертации, заключается в следующем: предложены локальные и интегральные критерии эффективности регулирования МТО; предложена модель МТО, учитывающая структурные и физические особенности МТО, разработаны программы для расчета температурного поля; предложена электронная модель МТО; получены математические выражения для оценки влияния на температурное поле конструктивных и физических параметров печей; приведено математическое описание МТО при различных типах воздействий; выявлена зависимость результатов приемо-сдаточных испытаний элементов систем управления от неравномерности температурного поля, разработана методика определения потерь при испытании партии изделий; разработана методика оценки эффективности использования оптимального многоканального регулятора температуры.
Анализ способов управления процессом
Функционирование автоматического регулятора происходит в соответствии с алгоритмом регулирования, представляющим собой математическое выражение функциональной зависимости выходной величины регулятора от входной [26—30]. Основная задача регулятора заключается в формировании такого управляющего воздействия на объект регулирования в зависимости от измеренных отклонений регулируемой величины, чтобы восстановить требуемое состояние объекта [31, 32]. Автоматические регуляторы классифицируются по различным признакам.
В зависимости от возможности изменять свой режим работы регуляторы подразделяются на два класса: детерминированные и с настройкой -экстремальные и адаптивные. Детерминированные регуляторы не изменяют своих параметров в процессе регулирования. Экстремальные — непрерывно производят поиск оптимальных значений выходных величин объекта. В адаптивных регуляторах происходит настройка параметров с целью достижения оптимального качества регулирования при изменении характеристик объекта во время его работы.
По наличию дополнительных источников энергии различают регуляторы прямого и непрямого действия. Первые управляют регулирующим органом за счет энергии, получаемой от регулируемой среды, и не требуют вспомогательной энергии. В регуляторах непрямого действия имеются усилители мощности, управляющие поступлением энергии от постороннего источника.
В зависимости от характера воздействия на объект имеются регуляторы непрерывного и дискретного действия. Первые обеспечивают непрерывное изменение регулирующего воздействия. Вторые изменяют воздействие только в определенные моменты времени, в интервале между которыми регулирующее воздействие постоянно. В зависимости от вида квантования входного сигнала регуляторы дискретного действия подразделяются на релейные, импульсные и цифровые.
По способности изменять свою структуру различают регуляторы с фиксированной и переменной структурой. Структура вторых изменяется при изменении свойств объекта. По характеру математической связи между выходной и входной координатами регуляторы подразделяются на линейные и нелинейные.
В соответствии с числом регулируемых величин регуляторы могут быть одномерными и многомерными.
Качество работы регулятора в значительной степени определяется способом управления. Наиболее важными характеристиками, определяющими качество регулирования, являются время переходного процесса, величина перерегулирования, колебательность и установившаяся погрешность (или статическая ошибка). Эти характеристики также важны и при регулировании термических объектов. Так, влияние перерегулирования при производстве ферритовых изделий приводит к отклонению магнитной проницаемости [14].
Кроме того, неравномерность распределения температуры по поверхности обрабатываемой детали может привести к возникновению значительных термических напряжений и браку продукции.
Применительно к многоканальному регулированию регуляторы могут иметь как связные, таки несвязные способы управления [12]. Здесь идет речь о том учитывает ли способ регулирования взаимное влияние зон друг на друга (связи между зонами). При этом очевидно, что эффективность работы связного регулятора зависит от эффективности регулирования по каждой из зон. Поэтому первоначально рассмотрим несвязные регуляторы, то есть такое регулирование, при котором все каналы регулируются независимо.
Регулирование при этом может быть непрерывным или дискретным. Непрерывное регулирование уже достаточно разработано и широко применяется [1, 33-36]. Из теории систем автоматического регулирования известны различные разновидности управляющих звеньев, реализующих соответствующие непрерывные способы управления [37,38]:
Регулятор пропорционального действия (П-регулятор). В этих регуляторах имеется жесткая связь через коэффициент усиления между отклонением регулируемого параметра и регулирующим воздействием. Такие регуляторы легко настраиваются и работают устойчиво. Недостатком такого способа является наличие статической ошибки регулирования.
Регулятор интегрального действия (И - регулятор). У регуляторов интегрального действия в отличие от П-регуляторов нет однозначной зависимости между отклонением регулируемого параметра и регулирующим воздействием. Здесь изменение регулирующего воздействия осуществляется со скоростью, пропорциональной отклонению регулируемого параметра от заданного значения. Статическая ошибка регулирования при И - регулировании не может возникнуть, так как при любом отклонении величины регулирования от заданного значения регулятор будет изменять параметры регулирования до тех пор, пока не будет получено соответствие. Однако запас устойчивости для таких регуляторов значительно меньше, поэтому переходные процессы при применении таких регуляторов обычно имеют колебательный характер.
Регулятор пропорционально - интегрального действия. Такие регуляторы совмещают оба типа названных регуляторов и при правильной настройке обеспечивают хорошие характеристики. Однако их настройка более трудоемка.
Регулятор пропорционально - интегрально - дифференциального действия. Осуществляют изменение параметра регулирования пропорционально отклонению, интегралу и скорости изменения регулируемого параметра. Введение воздействия по производной позволяет регулятору учитывать тенденцию отклонения регулируемого параметра, оценивать значительность возмущающего воздействия до возникновения большого рассогласования и заранее изменять соответствующим образом регулирующее воздействие. Это приводит к уменьшению значения первого динамического отклонения регулируемого параметра, снижению колебательности системы и времени регулирования. Кроме того, сводится к нулю етатизм системы. Поэтому такого рода регуляторы нашли применение для регулирования прецизионных процессов.
Сеточная модель (Метод конечных элементов)
Нагреватели выполнены намоткой нихромовой спирали на корпусе резисторов ПЭ-150. Для удобства обработки информации с термодатчиков, расположенных в такой печи, коллективом сотрудников (в том числе - автором) разработано устройство сопряжения низкоградусной электропечи с ПЭВМ.
При изготовлении макета задействованы ячейки контроллеры серии «Ломиконт» на базе микропроцессорного комплекта К580 и микросхем серий К155, К555 [75-78]. Контроллеры в основном используются в качестве устройств сбора информации от датчиков. Для этого они обладают широкими возможностями организации ввода-вывода: платами аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразования, модулями цифро-дискретного и дискретно-цифрового преобразования.
Однако "ЛОМИКОНТЫ" не обладают возможностями связи с современными ПЭВМ. Это ограничивает их использование в современных системах сбора информации.
Внутрисхемный эмулятор процессорного модуля позволяет обойти это ограничение. Процессорный модуль ПРЦ5 имеет 16-битную шину адреса и 8-битную данных и шину сигналов управления. Так как ПЭВМ имеет собственную память для программ, то внутри схемный эмулятор процессорного модуля можно ограничить сигналами чтения-записи в модули ввода-вывода.
Внутрисхемный эмулятор разработан для лабораторного стенда по изучению распределения температурного поля (рисунок 4.2) [79-97]. В качестве устройства согласования используем модули — ЦДП-2 и АЦП-2. Через модули ЦДП-2 управляем аналоговым коммутатором и нагревателями, а АЦП-2 используем для ввода. Блок преобразования температуры и аналоговый коммутатор используются для согласования с датчиками температуры [98-102] (матрица 8x8). Для управления нагревателями используем широтно-импульсную модуляцию. Генератор опорного сигнала настроен на частоту 1 кГц. В качестве коммутатора мощности используем симисторные ключи.
Внутрисхемный эмулятор процессорного модуля является программно--аппаратным комплексом. Так как внутрисхемный эмулятор подключается к компьютеру через параллельный порт (стандарт Centronics), то необходим преобразователь, формирующий сигналы шин данных, управления, адреса в стандарте контроллера "ЛОМИКОНТ". В качестве основы выберем БИС контроллера параллельного порта (КПП). Для формирования достаточной нагрузочной способности необходимы буферы для шин данных, адреса и управления. Буферы для шин данных должны быть с третьим состоянием. Для управления буферами и БИС КПП необходима память на триггерах. Так как используется стандартный порт, то вывод информации происходит в полубайтном режиме и для этого в схеме необходимо предусмотреть мультиплексор. Структурная схема приведена на рисунке 4.3.
Программа написана на языке Паскаль с использованием пакета Turbo Pascal 7.0. Пакет Turbo Pascal включает в себя как язык программирования, одно из расширений языка Паскаль для ЭВМ типа IBM, так и среду, предназначенную для написания, отладки и запуска программ.
Язык характеризуется расширенными возможностями по сравнению со стандартом, хорошо развитой библиотекой модулей, позволяющих использовать возможности операционной системы, создавать оверлейные структуры, организовывать ввод-вывод, формировать графические изображения и так далее.
Среда программирования позволяет создавать тексты программ, компилировать их, находить ошибки и оперативно исправлять их, компоновать программы из отдельных частей, включая стандартные модули, отлаживать и выполнять отлаженную программу. Пакет предоставляет пользователю также большой объем справочной информации.
Основная программа начинается с проверки, запущена программа с параметром или нет. Если параметр есть, он принимается за имя управляющего файла, если нет, то запрашивается имя файла у пользователя. Имя файла связывается с переменной F. Командами компилятора {$1-} и {$1+} управляем режимом проверки операций ввода вывода. При открытии файла с отключенной проверкой результат записывается в переменную IOResult, если значение переменной отлично от 0, то произошла ошибка - файл не найден и появляется соответствующее сообщение.
Файл читается в переменную Р. Формат управляющего файла таков: [xl х2 хЗ х4... ], в качестве разделителей используются пробелы. В процедуре Proba из переменной Р элементы переносятся в массив Ps. При выходе значений элементов за пределы: меньше 0, или больше 31, происходит выход из программы с сообщением об ошибке в файле управления. Затем запрашивается имя файла вывода. Файл открывается командой Rewrite, поэтому существующие файлы с таким же именем и расширением будут уничтожены. Выполняется процедура начальной инициализации адаптера и начина ются циклы работы. С начала происходит выбор режима нагрева в конструк ции Case. Затем опрашиваются датчики: выбирается канал коммутатора, и опрашивается канал АЦП. При превышении значения с датчика Тс отключа ются нагреватели, появляется сообщение о превышении температуры и про исходит выход из цикла работы. Информация содержащаяся в массиве S со храняется в файле.
Влияние промышленной сети на регулирование МТО
Для сопряжения ЭВМ с МТО разработана с экспериментальная установка. С ее помощью на специальной модели МТО были выполнены исследования по температурному режиму измерения потерь в ферритовых сердечниках по ОСТ 11 707.015-77.
Параметры температурного поля определялись в виде амплитуд гармонических составляющих спектра, полученных аппроксимацией опытных данных по методу наименьших квадратов.
Для оценки эффективности прецизионного регулирования МТО разработана методика определения риска изготовителя и уровня потерь от принятия неправильных решений при испытании изделий. Применение предложенного алгоритма управления МТО на экспериментальном макете позволило снизить уровень среднеквадратического отклонения с 14.2 % до 1.82 %. Оценочный анализ показал, что использование этого алгоритма в технологическом процессе изготовления ферритов позволит повысить выход годных изделий на 16 % и снизить риск изготовителя на 1.8 %. В процессе выполнения работы получены следующие основные результаты: - разработаны критерии эффективности регулирования МТО; разработана прогнозирующая модель МТО, на базе которой должно осуществляться управление МТО; предложена электронная модель для отработки режимов управления; - разработаны математические модели управляющих воздействий; - выделены основные факторы, влияющие на МТО, и разработана методика их учета в модели термического объекта, предложен алгоритм управления МТО; - создана экспериментальная установка для исследований температурного поля. - разработаны методики расчета эффективности использования многоканальной системы управления при повышении точности поддержания температуры. Практическая значимость. Создана модель экспериментальной установки, позволяющая исследовать различные аспекты регулирования МТО. Разработанная методика учета влияния отклонения конструктивных параметров МТО на температурное поле позволяет оценить степень неравномерности температурного поля Учет в модели МТО влияния промышленной сети позволяет повысить качество регулирования. Методика оценки потерь от неправильно принятого решения относительно годности партии изделий позволяет оценить риск заказчика и производителя. При подсчете эффективности введения прецизионного регулирования целесообразно применять модель влияния неравномерности температурного поля на выход изделий заданного качества и методику вычисления потерь при неправильно сделанном выводе относительно годности изделий. Применение предложенного алгоритма управления МТО на экспериментальном макете позволило снизить уровень среднеквадратического отклонения с 14.2 % до 1.82 %. Оценочный анализ показал, что использование этого алгоритма в технологическом процессе изготовления ферритов позволит повысить выход годных изделий на 16 % и снизить риск изготовителя на 1.8 %. В результате анализа разработанных моделей, выполненных в среде Matlab, было установлено, что наибольшее влияние среди возмущающих факторов на температурное поле МТО оказывает взаимодействие смежных зон. Обусловленное им относительное отклонение температуры составляет (10-12%). Можно наметить следующие прерспективы научных исследований в области термостабилизации: - произвести анализ изменения температурного поля многозонного термического объекта в пространстве; - усовершенствовать режимы управления; - разработать опытный образец многозонного регулятора. Способ стабилизации температуры и методика оценки риска изготовителя использованы при контроле качества ферритовых изделий при проведении приемо-сдаточных испытаний в ОАО НПО «Магма» (г. Рыбинск). Результаты исследований внедрены в учебный процесс РГАТА: - в лабораторный практикум дисциплины «Цифровые и аналоговые регуляторы»; - в лекционный курс «Моделирование в электронной технике».
На основе диссертации опубликовано 8 работ. Результаты научной работы докладывались на Всероссийской молодежной научной конференции «VI Королевские чтения» (СГАУ, г. Самара, 2001), на Международной молодежной научной конференции «XXVIII Гагаринские чтения» (МГАТУ, Москва, 2002), на Международной молодежной научной конференции «XXIX Гагаринские чтения» (МГАТУ, Москва, 2003), на Российской научно-технической конференции «Проблемы определения технологических условий обработки по заданным показателям качества изделий» (РГАТА, г. Рыбинск, 2003).
Аппроксимация функцией одной переменной
Характерной особенностью разработки термических процессов в последние годы стало все более широкое применение программированных режимов при одновременном ужесточении требований к точностным характеристикам процессов. Так, например, в технологии изготовления подложек интегральных микросхем [1] при температуре 1500 С требуется обеспечение точности в 0,5 %.
При проведении различных видов испытаний, в частности испытании материалов на растяжение при повышенных температурах и определении упруго прочностных свойств резины, допускаются отклонения, не превышающие 2 %, а при механических испытаниях пластмасс и определении усталостной выносливости резины - не превышающие 1 % .
При прогнозировании коробления высокоточных деталей ставится задача определения температурных передаточных характеристик. При этом требуется высокая точность поддержания температуры.
Необходимость повышения точности для термического оборудования связана с тем, что существует риск получения большой партии бракованной продукции, при несоблюдении технологического режима. Кроме того, для многоканальных регуляторов температуры, наряду с задачей повышения статической точности, возникает необходимость в обеспечении равномерности температурного поля, так как при этом улучшается показатель повторяемости параметров изделий. Так, например, при производстве фер-ритовых сердечников даже при условии поддержания температуры с высокой точностью (0.2 %) выход годных не превышает 80 %. Это связано с не 7 равномерностью температурного поля по поверхности технологической плиты. Кроме того, учитывая необратимый характер химических процессов, происходящих в ферритах при их спекании, недопустимо возникновение перерегулирования при установлении заданной температуры. Дополнительным требованием для данного технологического процесса является необходимость ограничения скорости нарастания температуры.
Учитывая общую тенденцию развития техники и производства, направленную на все большее ужесточение технологических режимов, можно ожидать, что в ближайшем будущем появятся технологии с еще более серьезными требованиями к термическому оборудованию. По этой причине актуальной является задача нахождения путей совершенствования термического оборудования, одним из которых является учет внутренних взаимодействий в многоканальных системах.
При регулировании параметров такого рода объектов традиционными локальными регуляторами на точность регулирования будет оказывать влияние взаимодействие зон регулирования друг с другом, что требует применения специальных алгоритмов управления.
Кроме того, качество функционирования систем управления определяется совокупностью технических характеристик входящих в их состав структурных элементов, представляющих собой устройства различного назначения. Одной из важнейших групп таких устройств являются преобразователи электрической энергии. Они могут иметь различные принципы технической реализации, отличающиеся видом управляющего сигнала, типом используемых элементов и принципов регулирования. Это во многом определяет уровень их эксплуатационных характеристик и возможные области применения.
Что касается регулирования температуры, то для этой цели, в принципе, могут быть использованы любые методы управления мощностью, передаваемой от сети нагревательному элементу. При этом следует учитывать то обстоятельство, что питание от сети переменного тока приводит к пе 8 риодическому изменению уровня мощности, передаваемого нагревательному элементу. Это неизбежно вызывает колебания температуры. И в случае установившегося режима в электротермическом оборудовании происходит колебание температуры около некоторого среднего значения. Амплитуда колебаний зависит от периода и амплитуды изменения мощности, а также от инерционных свойств электротермического оборудования.
Также необходимо отметить, что несогласованная работа отдельных каналов регулирования может приводить к перегрузкам питающей сети (при одновременном включении в какой-либо момент времени всех каналов регулирования). Такие перегрузки, кроме ужесточения режима работы оборудования, приводят также к ухудшению качества сети. Это проявляется в виде колебаний амплитуды сетевого напряжения, за счет неравномерной по времени загрузки, и искажения его формы, за счет наличия высших гармоник. При этом множество каналов регулирования может быть образовано как отдельными частями установки, так и совокупностью различных объектов. Многоканальный регулятор способен синхронизировать работу отдельных каналов таким образом, что суммарная мощность, потребляемая всей установкой, в течение цикла регулирования будет меняться незначительно.
Таким образом, при исследовании многоканальной системы регулирования температуры необходимо учитывать влияние погрешности, определяемой как способом построения системы автоматического управления, так и способом преобразования электрической энергии исполнительным устройством системы и способом ее распределения по зонам регулирования. Дополнительно необходимо решение задачи повышения эффективности функционирования системы за счет снижения затрат на реализацию системы и затрат, возникающих при регулировании.
В работе [2] проведена значительная доля исследований в области многозонного регулирования: разработан способ дискретного согласованного распределения мощностей по зонам регулирования; разработана методика оценки точности регулирования температуры по спектру подводимой мощности; создана математическая модель многозонной электропечи; разработана методика прямой параметрической идентификации математической модели и объекта управления; разработан способ оптимального управления процессом нагрева в многозонной печи; получен ряд новых технических решений.
