КОМПЬЮТЕРНАЯ МОДЕЛЬ САУ ТЕМПЕРАТУРНЫМ РЕЖИМОМ ПЛАВИЛЬНЫХ АГРЕГАТОВ В УСЛОВИЯХ ВНЕШНEГО ВОЗМУЩЕНИЯ

COMPUTER MODEL OF ACS OF TEMPERATURE MODE OF MELTING UNITS UNDER CONDITIONS OF EXTERNAL DISTURBANCE

Ulugbek Mamanazarov

master’s degree student, department of Automation National University of Science and Technology «MISiS»

Russia, Moscow

Nina Osipova

thesis advisor, candidate of engineering sciences, assoc. prof. department of Automation, National University of Science and Technology «MISiS»

Russia, Moscow

АННОТАЦИЯ

В данной работе изучаются вопросы комплексной автоматизации плавильных агрегатов. Для решения поставлены задачи – построить структурную схему САУ с оптимально настроенными параметрами звеньев системы для поддержания температуры на заданном уровне в условиях внешнего возмущения.

ABSTRACT

This work examines the issues of complex automation of melting units. To solve the problem, the tasks were set – to build a block diagram of the ACS with optimally tuned parameters of the system links to maintain the temperature at a given level under conditions of external disturbance.

Ключевые слова: САУ, плавильный агрегат, ПИД-регулятор.

Keywords: ACS, melting unit, PID-controller.

Разрабатываемая функциональная схема для САУ температурным режимом плавильных агрегатов имеет в себе контур регулирования по температуре, контур регулирование по расходу топливо и воздуха.

Рисунок 1. Функциональная схема САУ температурным режимом плавильного агрегата в условиях внешнего возмущения

Для настройки параметров регулятора построена структурная схема САУ температурным режимом тепловых агрегатов в условиях внешнего возмущения. В данной структурной схеме используется ПИД регулятор.

Рисунок 2. Структурная схема САУ температурным режимом плавильного агрегата в условиях внешнего возмущения

Моделирование по изменению температуры в плавильном агрегате осуществляется при следующих значениях параметров:

1. текущая температура Y(t) – 1000 ⁰С;
2. задание по температуре Y*(t) – 1250 ⁰С;
3. коэффициент соотношение расходов топлива-воздух Ksr – 12;
4. коэффициенты усиления по расходу топлива-воздуха Ktop – 31,5 и Kvoz – 390;

Структурная схема САУ включает в себя следующих звеньев:

1. Модель ПИД регулятора отвечает за формирование задания u(t). Коэффициенты ПИД-регулятора Kp, Ki и Kd настраиваются в соответствии с динамическими характеристиками Kob и Tob объекта управления. В результате настройки ручным способом и с помощью функции Tuning PID-controller получены следующие значения коэффициентов усиления ПИД-регулятора для системы:

Таблица 1

Расчетные коэффициенты регулятора по методам

Начальные условия интегратора равно конечному условию топливного клапана, рассчитывается с помощью формулы:

                                                                                 (1)

2. Модель ограничителя задания описывается звеном ограничителя. Служит для ограничения задания, полученного с ПИД регулятора. Диапазон ограничения от 0 до 100 %.

3. Модели трёхпозиционного реле по расходу топлива и по расходу воздуха описаны с помощью двух двухпозиционных реле и усилительного блока. Верхний канал реле на схеме формирует сигнал на открытые и нижний канал на закрытие соответственно. Порог нечувствительности релейного элемента равен 0,1 по расходу газа и 20 по расходу воздуха.

4. Настройка блоков МЭО задвижки подачи топлива и воздуха:

-  Kt равно 100, коэффициент усиления обозначающий положение задвижки в процентном эквиваленте;

-  Тim =1,2 мин, инерционность задвижки МЭО;

-  на входе блоков 0.

-  на выходе блока подачи топливо значение рассчитывается по формуле (1):

- на выходе блока подачи воздуха значение рассчитывается по формуле:

                                                                               (2)

5. Модели объекта управления и датчика температуры реализованы в виде апериодического звенья первого порядка с начальными условиями. Для модели объекта управления в качестве входного начального условия задана текущая температура Y(t) в рабочем пространстве печи деленная на Kob, в качестве выходного условия – текущая температура в рабочем пространстве печи. Kob рассчитывается как температура номинальная деленная на расход газа номинальный. Номинальная температура печи составляет 1663 °С. Номинальный расход газа составляет 3150 м³/ч. Соответственно:

Конечное условие модели печи составляет 1000 °С, начальное условие 1000 °С деленная на Kob = 0,528.

Постоянная времени Tob рассчитывается как 1/3 от времени переходного процесса (инерционность печи). Переходный процесс отражательной печи составляет 36 мин.

Для модели датчика температуры в качестве входного начального условия задана температура в рабочем пространстве плавильного агрегата, в качестве выходного условия – сигнал измеренной температуры. Температура в рабочем пространстве плавильного агрегата составляет 1000 °С.

Поскольку температура в рабочем пространстве плавильного агрегата и сигнал измеренной температуры равны 1000 °С, коэффициент усиления Kdat равен единице. Постоянная времени Tdat составляет 1/3 от времени переходного процесса.  Время переходного процесса датчика температуры равно 86,4 с.

Поскольку моделирование осуществляется в минутах, постоянную времени следует перевести в минуты, разделив её значение на 60 с.

После расчёта передаточная функция примет вид:

6.  Настройки блока внешнего возмущения.

В качестве внешнего возмущения воспользуемся блоком генератора ступенчатого сигнала Step.

- время наступления перепада сигнала 100 мин.;

- конечное значение сигнала -500.

В результате моделирования системы, получены графики переходных процессов, показанный на рисунках 3 и 4:

Рисунок 3. График переходного процесса (ручная настройка регулятора)

Рисунок 4. График переходного процесса (Tune PID-controller)

Выводы. Из полученных графиков видим, что время переходных процессов составляет 36 минут. В ручном методе настройки регулятора присутствует перерегулирование на 70 °С, в обеих методах настройки статистическая ошибка равно 0. На 100 минуте моделирование наблюдается воздействие внешнего возмущения. При ручной настройке регулятора система реагирует более выраженно. Таким образом, построенная система удовлетворяет требования.

Список литературы:

1. Кривоносов В. А. Моделирование систем. Методические указания к курсовой работе – Старый Оскол.: СТИ НИТУ МИСиС, 2014. – 21 с.
2. Осипова Н. В. «Математическое моделирование объектов и систем управления». Учебное пособие для студентов специальности 27.04.04 - «Управление и информатика в технических системах» – Москва.: НИТУ МИСиС, 2017. – 50 с.