Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Анализ систем унравлеяия в теплоэнергетических установках. Требования к устройствам и вычислительным средствам систем автоматического управле ния установок радиационного нагрева 18
1.1. Установки и системы управления нагревом 18
1.2. Принципы построения экологически чистой энергоресурсосберегающей установки радиационного нагрева 27
1.3. Методы и средства системного и информационного проектирования устройств системы упр CLASS авления проходной конвейерной установки радиационного нагрева 33
ГЛАВА II Методы математической идентификации процессов радиационного нагрева и устройств САУ проходной конвейерной установки 72 CLASS
2.1. Анализ методов идентификации 72
2.2. Методы моделирования процессов нагрева в энерготехнологических установках 86
2.3. Задачи оптимального управления нагревом в проходных установках 94
2.4. Моделирование процессов нагрева в конвейерной установке 102
2.5. Моделирование процессов теплообмена в электронагревателях 119
2.6. Моделирование процесса нагрева загрузок 128
2.7. Итоговая модель нагрева загрузок 133
2.8. Моделирование деформационного состояния стенок туннеля установки радиационного нагрева 138
ГЛАВА III Методы и устройства компьютерной экспериментальной идентификации процесса радиационного нагрева в проходной конвейерной установке 166
3.1. Идентификация электронагревателей 167
3.2. Идентификация характеристик нагрева загрузок 171
3.3. Скорости нагрева загрузок 175
3.4. Распределение мощности на концах туннеля 187
3.5. Уточнение результатов эксперимен-ой идентификации процесса нагрева 189
3.6. Идентификация и задачи управления 193
3.7. Компьютерная оптимизация процесса экспериментальной идентификации нагрева 206
3.8. Результаты компьютерной идентификации 223
ГЛАВА IV Методы оптимизации в двухуровневой системе управления конвейерной установкой 243
4.1. Задачи многоуровневого управления 243
4.2. Решение задачи двухуровневого оптимального управления 247
ГЛАВА V Алгоритмы и схемы оптимального управления конвейерной установкой ра диационного нагрева 265
5.1. Анализ современных алгоритмов оптимального управления 265
5.2. Теоретические аспекты построения алгорит-в в реальном масштабе времени 278
5.3. Алгоритмы реализующие оптимальное управление конвейерной установкой радиационного нагрева 283
ГЛАВА VI Исследование и разработка устройств системы оптимального управления про ходной конвейерной установки радиационного нагрева 303
6.1. Организация микропроцессорной архитектуры контроллера системы управления установкой нагрева 306
6.2. Программное обеспечение контроллера 311
6.3. Разработка и калибровка технических средств системы управления установки нагрева 326
6.4. Переключатели и таймеры 346
6.5. Система распределения электрической мощности и проблема заземления установки нагрева 352
Основные результаты работы 356
Список литературы
- Принципы построения экологически чистой энергоресурсосберегающей установки радиационного нагрева
- Моделирование процессов теплообмена в электронагревателях
- Скорости нагрева загрузок
- Решение задачи двухуровневого оптимального управления
Принципы построения экологически чистой энергоресурсосберегающей установки радиационного нагрева
Автором было исследовано деформационное состояние корпуса при нагреве загрузок, которое влияет как на надёжность печи так и на величину энергии, потребляемой эл. приводом при вращении корпуса. Было определено, что электропотребление растёт вместе с изменением форм обечаек корпуса под воздействием температурных полей. Было также показано, что одним из недостатков вращающихся печей является большое энергопотребление и загрязнение окружающей среды.
Широкое распространение получили проходные печи, в которых загрузки представляю дискретно расположенные вдоль зон нагрева отдельные тела;(керамика, стальные слябы, алюминиевые листы, хлеб и бисквит, эмалированные товары, зерно, нижние основы ковровых изделий, пластики и резина, предметы стерилизации и т.д.). Так, представленная на рис. 1.1.2, методическая печь имеет пять зон нагрева. В качестве топлива для нагрева слябов используется мазут или газ. Методическая печь высокотемпературная, функционирует в условиях конвективного, кондуктивного и радиационного теплообмена [215]. В данных конструкциях печей также имеются большие потери на нагрев футеровок, неудовлетворительным остаётся состояние окружающей среды вокруг установок нагрева и прилегающей к ней местности. Указанные проходные печи не дают «чистого продукта», т.к. пламя контактирует с загрузками, вызывая в них различные физико-химические процессы (образование окалины, сажи на поверхностях загрузок, оплавления и т.д.). Учитывая огромную инерционность при нагреве и охлаждении, невозможно получить управление расходом угля, мазута или газа в диапазоне 0-100 %. Регулировать в указанном диапазоне подводимой мощностью дают возможность резистивные электрические печи. В них электрическая энергия превращается в тепловую в нагревательных элементах, размещённых внутри печной камеры. Иногда в резистивных печах прямого действия электрическая энергия превращается в тепловую непосредственно в самой загрузке, через которую протекает электрический ток.
В дуговых и рудотермических печах электрическая энергия превращается в тепловую при протекании электрического тока через загрузку.
В настоящее время большую важность приобретает интенсивный нагрев загрузок с помощью подвижных источников тепла. Примером этого могут служить сканирующие устройства электронного луча или плазменных горелок, обеспечивающие переменную интенсивность пучка электронов или пламени на необходимом участке тела. В представленной на рис.1.1.3.а установке наилучший режим горения поддержива ется устройством соотношения, которое регулирует количество топлива и воздуха, подающееся в печь. Однако, наилучшие пропорции топлива и воздуха не остаются
постоянными, например, при изменении сорта топлива, а также различных условий горения в печи. Для нахождения и поддержания оптимального решения в САУ имеется автоматический оптимизатор, воздействующий на регулятор соотношения и устанавливающий его в положение, соответствующее минимуму расхода топлива, Зависимость теплоотдачи Q от отношения количества мазута q1 к количеству газа q2 в смеси приведена на рис.І.І.З.в. При малых соотношениях q,/q2 с увеличением qj в смеси Q также значительно возрастает. При больших значениях отношения q,/q2 большому изменению q1 соответствуют малые изменения Q. С экономической точки зрения целесообразно работать в точке а. Автоматический поиск заданного угла наклона а осуществляется с помощью итеративных шагов автоматического оптимизатора [69]. Особенностью многих теплоэнергетических установок является их пространственная протяжённость. Поэтому состояние таких объектов должно задаваться не только в каждый момент времени, но и в каждой точке х той геометрической области пространства, которую занимает загрузка.
Проблеме создания САУ с распределёнными параметрами при регулировании расхода топлива посвящены работы Андреева ЮН., А.Г. Бутковского, А.Х. Вырка, Bailey A.Y., Finlayson D.S., Finkelstein L, Edward s K.H. и др. отечественных и зарубежных учёных [21,148, 171, 172, 184].
Моделирование процессов теплообмена в электронагревателях
Моделирование динамики работы электропривода в диссертации не является определяющим. Актуальным же является измерение скорости конвейера и точное определение позиции каждой загрузки в туннеле.
Применяемый подвесной конвейер надёжно функционирует лишь при оснащении его системой автоматического адресования, осуществляющей формирование адреса перемещаемой загрузки, декодирование и считывание, переадресацию и т.п. При этом адресный код может содержать не только координаты позиции, но также и данные о характеристиках загрузок. Точность адресования зависит от устройств, распознающих координаты загрузок в туннеле. Источники ошибок могут быть разнообразными (колебания загрузок, нарушения технических требований к нормам подвеса и т.д.).
Применение обучающей адаптивной распознающей системы в процессе производственной эксплуатации конвейера увеличивает точность адресования. Для кодирования загрузок в процессе их транспортирования используют различные системы. Широкое распространение получили оптико-электронные системы распознавания [122]. Однако, реальные производственные условия сильно отличаются от лабора 51 торных. Увеличивается число отказов и ошибок распознавания, вызванных нарушением технологических норм и значительными колебаниями загрузок на подвесе. Кроме того, поскольку внутри туннеля действуют электромагнитные колебания в широком диапазоне волн от долей микрометра до нескольких километров, использование оптико-электронных систем практически невозможно.
Предпочтительным является установка датчиков резонансного типа для определения местонахождения загрузок. Описание математической модели резонансного преобразователя будет приведено ниже. Датчики устанавливаются друг от друга на расстоянии, равном длине одной зоны нагрева на балке конвейера. Они позволяют с заданной точностью по максимальной величине выходного сигнала судить о точности размещения загрузки в середине зоны нагрева. Поскольку число зон, находящихся в работе, бывает различным, то в позиционной системе устанавливаются дополнительно к резонансным преобразователям микропереключатели. Их число в зоне располагается в количестве от четырёх до шести. Закрытие микропереключателей осуществляется стандартным цифровым сигналом, посылаемым с компьютера с временем задержки 0,22 с. Система управления микропереключателей должна быть спроектирована таким образом, чтобы избегать ложных срабатываний. В открытом состоянии переключатели находятся в параллельном включении.
По величине нарастания выходного сигнала с датчика резонансного типа можно судить об изменении средней скорости движения конвейера. Мониторинг ошибок тахогенератора показал на их небольшую флюктуацию. Линейность характеристик тахогенератора была приемлемой, что является важным для выполнения вычислительных операций компьютером. При исследовании поведения загрузок в туннеле в условиях нагрева, установлено, что время нахождения каждой их них составляет приблизительно 40 минут. При этом скорость их движения равна ОД24 мм/с. Это составляет четвёртую часть от номинальной скорости движения конвейера, что позволяет при необходимости увеличить скорость вхождения загрузок в туннель.
Датчики температуры. Существующие установки нагрева обычно контролируются несколькими термометрическими элементами и общепринятыми контроллерами. Каждая загрузка (блок) контролируется отдельно. Значение температуры каждого блока представляется в виде переменной величины в системе управления. Компьютер управляет по заданному алгоритму температурой блока, производит вычисление данных. В качестве первичных измерительных элементов могут быть использованы: пирометры (оптические или радиационные), платиновые термометры сопротивления, термисторы, термопары.
Проведённый анализ технических характеристик, стоимости преобразователей [25,59,170,171,172,173] показывает, что наиболее приемлемым является использование термопар. Поскольку температура нагрева блоков достигает 500С, то целесообразно использование пары хромель-алюмель в качестве проводов термопары. Термопара своим спаем располагается в центре блока и выводится концами на поверхность блока, а затем через щель крыши туннеля. 30 термопар равно числу блоков. Каждая термопара соединяется с компьютером при остановках конвейера. Итак: - все термонары опрашиваются компьютером; - термопары соединяются с компьютером по мультиплексной сигнальной шине (линии); - сигналы усиливаются в мультиплексной сигнальной линии; - аналоговые сигналы преобразуются в дискретные импульсы (АЦП) в установке нагрева и передаются в цифровой форме.
Чтобы избежать наводок в виде помех в контуре заземления необходима фильтрация информационных сигналов (или изменение постоянной времени), что является однако нежелательным для временных характеристик, т.е. быстродействия.
Для функционирования интерфейса входные сигналы низкого уровня должны быть дифференциальными. Минимальное значение коэффициента передачи между буферным усилитеяем АЦП, при котором устройстве связи работоспособно, бес-лечиваетея напряжением 3,3 В. Сигналы низкого уровня делжтш быть не чувствительны к помехам от промышленной сети.
Сигналы высокого уровня должны б ыть ещё иенее еенринмчивыми к помехам, яемчжтяы низкого- уровня. Снгназш вязкого уровня обычно проходят через RC -фильтр. При этом постоянная «ремеяи увеличивается до 1 мс, входное сопротивление низкое (470 Ом). Чаавш образом, «умы шнале передачи сигналов не должны оказывать существенного влияния на работоспособность системы преобразования и передачи данных, получаемых термопарами с загрузок.
Скорости нагрева загрузок
Теплообмен в туннеле между нагревателями и загрузкой осуществляется за счет электромагнитных колебаний, имеющих длину от долей микрометра до нескольких километров. Наибольший интерес в нашем случае имеет место излучение в видимом (световом) диапазоне волн (А. = 0,4-0,8мкм) и тепловом (инфракрасном) с ?L = 0,8-800MKM [50,84,176].
Процесс теплообмена носит сложный характер. Поэтому для изучения теплового излучения проводят аналогию со световым излучением, дающим возможность для большей наглядности использовать графоаналитические методы построения моделей радиационного теплообмена.
Константы а и аЛ, представленные в уравнении (2.4.14), показывают долю энергии получаемой загрузкой, находящейся в одной из зон нагрева, имеющей излучающую мощность Pi. Константу будем называть «видовой множитель». Как было указано выше (2.4.1) константы а и аш зависят от скорости движения загрузок х, а также от их позиции в туннеле относительно зон нагрева. В виду сложности решения проблемы теплообмена видовые множители будем находить исходя из геомегрической модели. Графоаналитические методы определения угловигої коэф фициента радиационного теплообмена даны в работах [50,160,181].
Для физической модели, представленной на рис. 1.2 J видимыми поверхностями загрузки будут F F Fj. Относительно поверхности Fj нагреватели располагаются перпендикулярно, а относительно поверхности F3 - параллельно. Суммарная мощность, получаемая i№ загрузкой, может быть представлена в виде уравнения Рс=Г /Pj(x,y,z)dFm, m = 1...6, (2.4.16) Fm Fm где Pc суммарная мощность; Pj - мощность j нагревателя, попадающая на площадку с координатами (х, у, z) поверхности Fm. Падающая мощность Pj идёт от нагревателя к загрузке по прямой линии. В этом случае используем модифицированное выражение закона Ламберта, когда источник нагрева имеет длину 1. Тогда можно записать Р, , f7i.« dMF, (2.4.17) где со, 8, Ф, 1, F, г - параметры процесса теплопередачи, приведённые на рис.2.4.1. Выражение (2.4.17) даётся для удельной мощности, получаемой от нагревателя, представляющего источник в виде нити с длиною 1.
Для поверхности загрузки F3, показанной на рис. 1.2.3 и находящейся параллельно нагревателю, уравнение (2.4.17) примет форму по ш 1=+— PF3 = И 1/ 42 2 П (2-4.1S) 3 1\2п(фй)2+Ъ2+г2\ где h,x, z - геометрические параметры схемы теплопередачи $)ис.2.4. Ц. Уравнение (2.4.18) может быть упрощено путём его интегрирования в пределах длины нагревателя рр = f h F3 J dF3, (2.4.19) 2аю 2соща2-х2+ю2) arctg - - -1 L F 4Пшсс V+x2-a 2 а4+2а2(х2+ю2)+(х2+ о2)2_ где a2 - h2 +z2, a dF3 = dxdz.
Так как стенки туннеля обладают высокой отражательной способностью, то имеет место процесс многократного отражения в туннеле, в результате чего образуется сплошная сеть радиационного излучения. Это показано в виде матрицы при развёртывании стенок одной секции туннеля и одной загрузки при двух нагревателях, находящихся у противоположных стенок туннеля. Матрица представляет собой горизонтальные ряды и вертикальные столбцы, взятые на плоскости по осям х и у.
Система симметрична. Как видно из рис.2.4.2, при вычислении геометрических параметров модели радиационного нагрева необходимо учитывать теневые эффекты, имеющие место при загораживании прохождения тепловых потоков самими загрузками. Обозначим через q номер нагревателя в одной секции туннеля. Тогда
Решение задачи двухуровневого оптимального управления
Выше рассмотренная система нелинейных дифференциальных уравнений (2.8.36 -2.8.41) может быть приведена к линейным уравнениям вида (2.8.22 - 2.8.27), если принять, что все прогибы будут малыми, т.е. Р/ф0 «1 и и/г0 «1. В этом случае правые части уравнений (2.8.36 - 2.8.41) должны содержать только линейные выражения. Чтобы решить линейные или нелинейные уравнения необходимо знать значения величин Гф,г,ф (г = г0,ф = ф0 для нелинейных уравнений) как функций независимой переменной S (длина деформированной оболочки). Для простых форм (структур) оболочек можно получить аналитические решения для гф, г, ф в терминах S, примеры которых даны в приложении 6. Рассмотренные ранее уравнения в линейной и нелинейной постановке для построе ния оболочек трудноприменимы для расчёта гофрированных мембран. Их необхо 153 димо модифицировать для практического применения.
Как уже отмечалось, проблема определения граничных условий уменьшается, если для решения принять, что S = Sb, тогда dY dS = AY с Y =I (2.8.42) и dz ds = Az + bc z =0. (2.8.43) Однако хорошо известно, что при увеличении длины оболочки уменьшается точность решения уравнений. Это объясняется следующим образом. Интегрирование упрощённого уравнения
Интегрирование с вышепредставленными значениями у1 может привести к большим значениям yb(j), когда прогиб осуществляется на большой длине. В действительности длина прогиба увеличивается от а. При этом величина у b) увеличивается экспоненциально в зависимости от а. Поэтому элементы yb = [y y ,—,Уь6)] и величина zb становятся также большими. Тогда в уравнении (2.8.8) элементы уь и уа будут малы. Это зависит от физической природы проблемы, когда элементы Yb и zb являются большими величинами. В этом случае из правых частей уравнений должны вычитаться приблизительно близкие им значения. В случае, когда площадь оболочки берётся большой, то теряется точность векторов уь и уа. Поэтому для повышения точности оболочка разбивается на ряд сегментов. Интегрирование ведётся в пределах каждого сегмента. Для получения результирующего решения необходимо согласование значений на границе двух смежных сегментов. Разделение оболочки на сегменты с деформациями Wj-.-W показано на рис.2.8.5. S2 Si Sm+1 Рис.2.8.6. Разбивка оболочки на сегменты. Для каждого сегмента ведется интегрирование, чтобы получить значения yi и zi УІ+І = ХУІ + 2І (2.8.45) где у1+1 = y(Si +1); у, э y(Sj); = Y Sj +1); z1 з zfa +1). (2.8.46) Граничные условия записываются в виде {у х + Fm+1y ю+1 = g, (2.8.47) где Fj, Fm+1 и g - известные величины. Принимая непрерывную последовательность сегментных границ уравнений (2.8.45) и (2.8.47), имеется возможность получения их решения, т.к. для всех значений у[sранее уже вычислялись все значения Y/s и z[s. Тогда система уравнений может быть записана в виде Ут+1 тУт + Zm Ут = т-іУю-1 " " Zm-1 УЗ =Y2y2+Z2 у2 =Y1y1+z1, РіУі+Рш+іУт+1 =8 (2.8.43) Умножая первое уравнение на Fm+1 и подставляя значения Fm+1ym+1 в последнее уравнение, вышеприведённую систему уравнений можно записать в матричной форме размерностью 6т х
Решая уравнение (2.8.49), можно получить значения, у у,,... а величину ym+l из системы уравнений (2.8.48). Величину вектора у в какой-либо точке сегмента можно найти, интегрируя начальные значения матриц YjS и z,(s) и используя, yCs XCstyi + ZiCs). (2.8.5ft Принимая этот метод к гофрированным оболочкам, следует подчеркнуть, что при этом не имеет место потери точности из вершин и впадин поверхности при размерах общей длины оболочки s 40мм, радиусе г 30,5 мм, радиусе гофра 6 мм, толщине оболочки 1,2-10 "мм, числе гофрировок 8, глубине гофрировки 2,6 мм (рис.2.8.7). Точность полученных результатов была проверена путём 156 уменьшения пределов интегрирования. Если значение ошибки было достаточно велико, то проводилась дополнительная проверка результатов. Если требовалось получить удовлетворительную точность, то оболочка делилась на более мелкие сегменты.
Попытка использования уравнений (2.8.12 - 2.8.15) для решения модели вызвала значительные трудности в нахождении соответствующего метода минимизации целевой функции F, так как она очень чувствительна даже к малым изменениям граничных условий, являющихся переменными оптимизации. Это особенно проявлялось, когда длина оболочки и число её гофров были большими. При решении использовались два метода оптимизации: прямой поисковый алгоритм Розенброка и модифицированный алгоритм Ньютона-Ропсона.
Гофрированная оболочка под нагрузкой. Начальные исходные данные программы были взяты для решения модели в линейной постановке. При низком значении давления Р результаты решения, как и ожидалось, были близки к данным, полученным при реализации модели оболочки, решаемой в нелинейной постановке.
