Способ регулирования температуры в электрической печи

 

Изобретение относится к области автоматического управления технологическими объектами химической, металлургической и других промышленностей и может быть применено для автоматического управления температурой. Технический результат изобретения заключается в повышении точности поддержания температуры на заданном уровне, повышении качества регулирования. Способ заключается в том, что измеряют количество электроэнергии, затраченное в нагревателе печи за время 1-го цикла регулирования, и длительность 1-го цикла, по результатам измерений вычисляют эквивалентную мощность нагревателя в 1-ом цикле, принимают ее в качестве заданной мощности от начала 2-го цикла до текущего момента, в который измеряют мощность нагревателя, фактическое количество электроэнергии, вычисляют заданное количество электроэнергии, сравнивают мощность в текущий момент времени 2-го цикла с заданной мощностью и по результатам сравнения формируют закон дополнительного управляющего сигнала, сравнивают заданное и фактическое количество электроэнергии и по результатам сравнения формируют закон дополнительного управляющего сигнала. 2 ил.

Изобретение относится к области автоматического управления технологическими объектами химической, металлургической и других промышленностей и может быть применено для автоматического управления температурой.

Широко известны способы автоматического регулирования процесса в объекте управления, заключающиеся в измерении текущего значения управляемой величины, сравнении ее с заданной, выработке сигнала по установленному закону в зависимости от разности фактической температуры и заданной, скорости ее изменения и воздействии через исполнительный блок и регулирующий орган на регулируемый процесс или объект управления [1].

Известен также способ автоматического регулирования процесса в объекте управления с уменьшенной динамической ошибкой в установившемся режиме, заключающийся в дополнительном вводе в систему автоматического регулирования (САР) по "отклонению" корректирующих блоков, уменьшающих с помощью внутренних обратных связей постоянные времени звеньев, входящих в замкнутый контур САР по "отклонению" и тем самым повышающих качество регулирования [1].

Наиболее близким по технической сущности к предложенному способу является способ регулирования температуры в электрической печи, включающий измерение температуры расплава, сравнение ее заданной, перемещение электродов печи, суммирование напряжения, задания регулятора электрической мощности с напряжением дополнительного сигнала, амплитуда которого соответствует заданной амплитуде колебаний температуры, частота - тепловой инерции объекта, дискретное изменение коэффициента усиления регулятора, теплового режима через заданный промежуток времени до восстановления заданной амплитуды колебаний температуры [2].

Однако применение этого способа осложнено экспериментальным подбором интервалов времени изменения коэффициентов усиления, частоты синусоидальных сигналов генератора импульсов.

Сущность этого способа основана на использовании незатухающих колебаний температуры для ее регулирования, которые являются главным фактором, ухудшающим качество регулирования, снижающим точность поддержания температуры на заданном уровне.

Технической задачей изобретения является повышение точности поддержания температуры на заданном уровне, повышение качества регулирования.

Техническая задача решается тем, что в способе автоматического регулирования температуры в электрической печи, заключающемся в измерении текущего значения температуры ее с заданной и на основании рассогласования, полученного в результате сравнения, выработки сигнала по установленному закону по амплитуде колебаний температуры, дополнительно измеряют количество электроэнергии W₁, затраченное в нагревателе печи за время 1-го (предыдущего) цикла регулирования температуры, и длительность t₁ 1-го цикла.

По результатам измерений вычисляют эквивалентную мощность P₁ нагревателя печи в 1-ом цикле, как отношение количества электроэнергии, затраченной в нагревателе печи за время 1-го цикла, к длительности 1-го цикла, и принимает ее в качестве заданной величины мощности P_зад для 2-го (последующего) цикла регулирования.

Во 2-ом цикле регулирования измеряют время t₂ от начала 2-го цикла до текущего момента t₂ времени 2-го цикла и вычисляют заданное количество электроэнергии W_з к текущему моменту времени t₂.

Измеряют также фактическую мощность P₂ нагревателя и количество электроэнергии W₂ к моменту t₂.

Сравнивают мощность P₂ с ее заданной величиной P_зад и по результатам сравнения формируют закон дополнительного управляющего сигнала на изменение мощности по одному из известных законов (П, ПИ и др.).

Одновременно сравнивают W₂ с W_з и по результатам сравнения формируют закон дополнительного управляющего сигнала на изменение количества электроэнергии, затрачиваемой нагревателем печи, следующим образом: если фактическое количество электроэнергии больше заданного, нагреватель отключают от электрической сети на время паузы; если фактическое количество электроэнергии меньше заданного, нагреватель дополнительно подключают на полное напряжение электрической сети U_с на время нагрева t_в.

Сущность способа регулирования температуры заключается в измерении температуры в печи, сравнении ее с заданной, по результатам сравнения формировании управляющего сигнала на изменении мощности нагревателя, измерении количества электроэнергии, затраченного нагревателем печи за время 1-го (предыдущего) цикла регулирования, вычислении по результатам измерений эквивалентной мощности нагревателя в 1-ом цикле, определении заданной величины мощности во 2-ом (последующем) цикле регулирования температуры и сравнении ее с фактической величиной мощности в текущий момент времени 2-го цикла, формировании закона дополнительного управляющего сигнала на изменение мощности нагревателя по одному из известных принципов, измерении фактического количества электроэнергии, вычислении заданного количества электроэнергии в текущий момент времени 2-го цикла, его сравнении с фактическим количеством электроэнергии, формировании закона дополнительного управляющего сигнала на изменение количества электроэнергии, затрачиваемой нагревателем.

Сущность способа поясняется на примере устройства (фиг. 1).

Входы сумматора 1 сравнения температуры соединены с датчиком-преобразователем 2 и с задатчиком 3 температуры, выход сумматора 1 подключен к входу регулятора 4 температуры, выход которого соединен с 1-ым входом сумматора 5 сравнения выходных сигналов и с входом блока измерения времени 6, выход которого подключен к первым входам блока 7 измерения электроэнергии, блока 8 вычисления заданной мощности и блока 9 вычисления заданной электроэнергии.

Выходы блоков 7, 9 подсоединены к входам сумматора 10 сравнения количеств электроэнергии, выход которого соединен через блок 11 формирования закона управляющего сигнала со вторым входом сумматора 5.

Выход блока 7 измерения электроэнергии подключен ко 2-ому входу блока 8 вычисления заданной мощности, выход которого соединен со 2-ыми входами блока 9 вычисления заданной электроэнергии и сумматора 12 сравнения мощностей, к 1-ому входу которого подключен выход блока 13 измерения мощности.

Выход сумматора 12 соединен через регулятор 14 мощности с 3-им входом сумматора 5, выход которого подключен к входу блока 15 управления тиристорами.

Выход блока 15 подключен к управляющему входу блока 16, выход которого подключен через блок 13 к 2-ому входу блока 7.

К выходу блока 16 подключен нагреватель 17, установленный в электрической печи 18, в которой производится измерение температуры датчиком-преобразователем 2.

Устройство, поясняющее действие способа, работает следующим образом: с помощью датчика-преобразователя 2 температуры производят измерение текущего значения температуры T в электрической печи и его преобразование в электрический сигнал, который подают на 1-ый вход сумматора 1 сравнения температур, а на 2-ой вход которого подают электрический сигнал, пропорциональный заданной температуре T_зад, полученный с помощью задатчика 3 температуры.

На выходе сумматора 1 получают сигнал ΔT , пропорциональный алгебраической разности ΔT = ±|T-T_зад|, , который подают на вход регулятора 4 температуры, с помощью последнего вырабатывают сигнал по известным принципам (законам) регулирования (П, ПИ и др.).

Сигнал, полученный на выходе регулятора 4, подают на 1-ый вход сумматора 5 сравнения выходных сигналов и блока 6 измерения времени, с помощью которого, используя сигналы на выходе регулятора 4, производят измерение длительности t_1ц 1-го цикла и текущего времени t₂ 2-го цикла регулирования.

Сигнал, пропорциональный длительности 1-го цикла, полученный на выходе блока 6, подают на 1-ые входы блоков 7, 8 измерения электроэнергии и вычисления заданной мощности.

На второй вход блока 7 измерения электроэнергии подают электрический сигнал, пропорциональный значению мощности нагревателя 17, измеренной с помощью блока 13 измерения мощности.

С помощью блока 7 по сигналам, поступающим с выходов блоков 6 и 13, пропорциональным длительности 1-го цикла t_1ц и мощности P, производят вычисление количества электроэнергии по формуле .

С помощью блока 8 по сигналам, поступающим с выходов блоков 6 и 7, пропорциональным t_1ц и W₁, производят вычисление эквивалентной мощности 1-го цикла по формуле , которую принимают в качестве заданной мощности для 2-го цикла регулирования.

P₁=P_зад.

По сигналам, поступающим с выходов блоков 6 и 8, пропорциональным времени от начала 2-го цикла t₂ и заданной мощности P_зад, производят вычисление заданной электроэнергии во 2-ом цикле к текущему моменту времени t₂ по формуле W_з=P_зад·t₂.

Сигналы, пропорциональные затраченной электроэнергии W₂ во 2-ом цикле к моменту времени t₂ и заданному количеству W_з электроэнергии к моменту времени t₂, с выходов блоков 7 и 9 соответственно подают на входы сумматора 10 сравнения количеств электроэнергий, на выходе которого получают дополнительный сигнал, пропорциональный алгебраической разности ΔW = ±|W₂-W_з|, ,
который подают на блок 11 формирования закона управляющего сигнала.

Формирование дополнительного управляющего сигнала производят следующим образом.

Если W₂>W_з, то нагреватель 17 отключают от электрической сети на время паузы
.

Если же W₂<W, нагреватель дополнительно подключают на полное напряжение электрической сети на время
.

Дополнительный управляющий сигнал, сформированный в блоке 11, подают на 2-ой вход сумматора 5 сравнения выходных сигналов.

Сигналы с выходов блоков 8, 13, пропорциональные заданной мощности P_зад и мощности P₂ в текущий момент времени t₂, подают на входы сумматора 12 сравнения мощностей, на выходе которого получают сигнал, пропорциональный алгебраической разности
ΔP = ±|P_зад-P|, ,
который подают на вход регулятора 14 мощности.

С помощью регулятора 14 формируют управляющий сигнал в зависимости от величины и знака ΔP по известным принципам (П, ПИ и т.д.) и подают на 3-ий вход сумматора 5 сравнения выходных сигналов.

В сумматоре 5 производят алгебраическое суммирование сигналов с выходов регулятора 4 температуры, блока 14 регулирования мощности и блока 11 формирования управляющего сигнала ε_w, , то есть на выходе сумматора 5 получают сигнал
ε = ε_т + ε_р + ε_w , ,
который подают на вход блока 15 управления тиристорами 16, подключающими нагреватель 17 к напряжению сети U_с.

На фиг. 2 показано изменение во времени температуры T в печи 18 мощности нагревателя 17.

В точке A1 1-го выхода температуры T за верхний предел + ΔT зоны нечувствительности регулятора 4 последний уменьшает мощность нагревателя 17, а в точке B1 выхода за нижний предел - - ΔT зоны нечувствительности увеличивает мощность P.

Однако в точке A2 окончания 1-го цикла и начала 2-го цикла регулирования уменьшение мощности происходит до расчетной величины P_зад.

Это приведет к апериодическому подходу температуры к ее заданному значению T_зад в районе точки B2 и возможному уменьшению температуры ниже заданной величины за счет кратковременной паузы в течение времени t_п.

Такая ситуация, когда T<T, может длиться до тех пор, пока не наступит кратковременное включение нагревателя на полное напряжение сети в течение времени t_в, что может привести к незначительному увеличению температуры до состояния, когда T>T_зад и т.д.

Блоки САР должны быть настроены таким образом, чтобы tʹ > 4τ , где τ - постоянная времени тепловой инерции печи.

В начальной части графика до точки A2 изменения мощности нагревателя довольно значительны за счет колебаний напряжения электрической сети U_с.

В части графика, относящейся ко 2-ому циклу регулирования, после точки A2 колебания мощности уменьшены в результате применения блоков 5, 14, 15, стабилизирующих мощность нагревателя на заданном уровне P_зад, и блоков 10, 11, стабилизирующих количество электроэнергии.

Выдача сигналов блоком 11 производится по истечении времени t' от начала 2-го цикла.

Формула изобретения

Способ регулирования температуры в электрической печи, включающий измерение температуры в печи, сравнение ее с заданной, формирование по результатам сравнения управляющего сигнала на изменение мощности нагревателя, отличающийся тем, что дополнительно измеряют количество электроэнергии, затраченное в нагревателе печи за время 1-го и всех последующих циклов регулирования температуры, длительность 1-го и всех последующих циклов регулирования, измеряемую временем между соседними "выбегами" измеренной температуры за верхний предел зоны нечувствительности регулятора температуры, по результатам измерений вычисляют эквивалентную мощность нагревателя печи в 1-ом и всех последующих циклах по формуле
P₁ = W₁/t_1ц,
где W₁ - количество электроэнергии, затраченное в нагревателе за 1-й или за каждый из последующих циклов регулирования;
t_1ц - длительность 1-го или каждого последующего цикла, мощность P₁ принимают в качестве заданной величины P_зад для 2-го или последующего цикла регулирования,
во 2-ом или последующем цикле регулирования измеряют время от начала 2-го или каждого последующего цикла до текущего момента t₂ времени 2-го или каждого последующего цикла, вычисляют заданное количество электроэнергии W₃ к моменту времени t₂ по формуле
W₃ = P_зад · t₂,
измеряют также фактическую мощность P₂ нагревателя печи в момент времени t₂ 2-го или каждого последующего цикла, сравнивают мощность P₂ с ее заданной величиной P_зад и по результатам сравнения формируют закон дополнительного управляющего сигнала на изменение мощности по одному из известных законов, одновременно измеряют фактическое количество электроэнергии W₂, затраченное в нагревателе за время 2-го или каждого последующего цикла к моменту времени t₂, сравнивают W₃ с W₂ и по результатам сравнения формируют закон дополнительного управляющего сигнала на изменение количества электроэнергии следующим образом:
если фактическое количество электроэнергии больше заданного, нагреватель отключают от электрической сети на время паузы t_п в соответствии с формулой

где W₂ - фактическое количество электроэнергии, затраченное в нагревателе во 2-ом или каждом последующем цикле к моменту времени t₂;
P₁ - эквивалентная мощность нагревателя печи в 1-ом цикле,
если фактическое количество электроэнергии меньше заданного, нагреватель дополнительно подключают на полное напряжение электрической сети на время включения t_в в соответствии с формулой
t_в = W₃ - W₂/P₁.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2