Принципы построения регуляторов теплового режима

При наличии значительных возмущений случайного харак­тера регуляторы электрического режима ИЭТУ не обеспечи­вают требуемого качества нагрева. В этих случаях необходимо использовать регуляторы теплового режима. В плавильных установках параметром, достаточно полно отражающим ка­чество технологического процесса, является средняя темпера­тура расплава. В печах для плавки цветных металлов возможно непосредственное измерение температуры расплава с помощью термоэлектрических термометров. Однородность температур­ного поля по объему расплава обеспечивается электродина­мической циркуляцией металла.

В печах для плавки черных металлов постоянное измерение температуры расплава не представляется возможным из-за низкой стойкости термопар при высоких температурах. В таких случаях регулирование теплового режима возможно косвенным методом, например дозированием энергии. Счетчик энергии должен учитывать мощность, передаваемую индуктором в за­грузку за вычетом мощности тепловых потерь.

Косвенные методы контроля и регулирования теплового режима используются также в специальных плавильных установках. Например, процессы зонного и капельного переплавов можно регулировать по эквивалентным параметрам индуктора Uи, соsφ- Эти параметры зависят от геометрических размеров системы индуктор—расплавленная зона. Стабилизация их обеспечивает отработку возмущений и повторяемость качества продукции.

Одной из сложных задач автоматизации ИЭТУ является анализ и синтез систем управления индукционными нагревателями.

Система индуктор—загрузка является объектом с рас­пределенными параметрами и ограниченной управляемостью. Выходным параметром объекта является температурное поле в загрузке, входным (в большинстве случаев)—передаваемая в загрузку активная мощность. В этой системе практически невозможно управлять распределением источников тепла по объему нагреваемой заготовки.

Общая особенность систем с нагревателями заключается в том, что в промышленных условиях доступными для наблюдения и снятия сигнала обратной связи являются тем­пературы ограниченного числа точек заготовки, обычно ее поверхности, а качество нагрева оценивается средней тем­пературой и теплоперепадом по объему.

Указанные особенности позволяют выделить три типа построения систем управления тепловым режимом индукци­онных нагревателей:

1) разомкнутые по температуре с программным изменением передаваемой в загрузку мощности;

2) замкнутые с обратной связью по температуре одной или нескольких точек нагреваемого объекта;

3) замкнутые с отбором сигнала обратной связи от модели-аналога.

Первый тип систем применяется при отсутствии возмущающих воздействий и эффективен при крупносерийном и мас­совом производстве. Простой и наиболее распространенной разомкнутой по температуре системой регулирования является система стабилизации напряжения индуктора.

При необходимости получения нужной динамики роста температуры можно использовать программные регуляторы электрического режима. Нужную программу изменения пара­метра подбирают по результатам математического или фи­зического моделирования.

В нестационарных режимах работы нагревателя имеют место значительные возмущения теплового режима, которые не отрабатываются разомкнутыми по температуре системами управления. Замкнутые по температуре САУ (системы второго типа) резко снижают или исключают выдачу некачественно нагретых заготовок, тем самым снижают средний удельный расход энергии на нагрев и повышают сменную производитель­ность установки.

Точность регулирования теплового режима возрастает с ро­стом количества точек, информация о температуре которых используется при выработке управляющего воздействия. Из-за ограниченности наблюдения здесь особенно важно знать за­висимость между температурами наблюдаемых и ненаблюда­емых точек по объему заготовки. Эти зависимости можно получить из математических моделей процесса.

Невозможность непосредственного получения информации о температуре точек, характеризующих состояние нагреваемого объекта, привела к созданию систем с использованием моделей-аналогов. В таких системах параллельно тепловому процессу производится моделирование его в реальном масштабе времени на аналоговой или цифровой вычислительной машине. Точность регулирования зависит как от адекватности модели, так и от количества точек, температура в которых моделируется.

14.2. Регуляторы теплового режима индукционных нагревателей

Задача синтеза систем управления тепловым режимом индукционного нагревателя сводится к разработке и аппаратной реализации алгоритма, обеспечивающего качественный нагрев заготовок на основе измерения значений параметров, доступных для наблюдения. Таким параметром в большинстве случаев является температура поверхности заготовки. Для анализа динамических характеристик систем регулирования температу­ры можно воспользоваться передаточными функциями, при­веденными в предыдущих параграфах. Синтез таких систем особой практической сложности не представляет.

Однако температура поверхности заготовки, взятая без учета других параметров режима работы установки, не от­ражает однозначно качество нагрева. Одной из сложных задач при проектировании индукционных нагревателей является раз­работка системы управления переходными режимами работы установки.

Рассмотрим одну из таких систем. Она предназначена для управления индукционным нагревателем непрерывного действия с равномерным настилом тока индуктора и толкательным механизмом перемещения мерных стальных заготовок. Шаг толкания равен длине одной заготовки. При разработке системы ставились следующие задачи:

1) максимальная температура заготовок 1200—1250° С;

2) теплоперепад по сечению заготовок не более 100° С;

3) окисление металла минимальное;

4) темп выдачи заготовок в рабочем режиме максимально равномерный;

5) обеспечение режима термостатирования с быстрым вы­ходом на стационарный режим при повторном пуске.

Одновременное выполнение всех, кроме последнего, требова­ний возможно только в стационарном режиме работы нагрева­теля. Эта задача решается на стадии проектирования путем оптимизации конструкции индуктора. При этом достаточно поддерживать постоянным напряжение на индукторе и вытал­кивать заготовки через равные промежутки времени, называ­емые темпом выдачи.

В режиме термостатирования температура вдоль столба заготовок выравнивается и повторный пуск с постоянными напряжением и темпом выдачи приводит к перегреву одних и недогреву других заготовок. Удовлетворительное качество нагрева во всех режимах работы установки можно получить при двухканальном управлении напряжением индуктора и тем­пом выдачи заготовок.

Разность температур поверхности и центра выходной за­готовки в установившемся режиме работы нагревателя опре­деляется следующим выражением:

(14.1)

где Sc(m, Р)—значения 5-функций из табл. 11.4; р о— активная удельная мощность на поверхности горячей заготовки, соот­ветствующая номинальному току индуктора Iи, ном; q о —удель­ные тепловые потери с поверхности горячей заготовки.

Видно, что при постоянных тепловых потерях с поверхности горячей заготовки теплоперепад по ее сечению определяется активной удельной мощностью.Сле­довательно, ограничив ток индуктора значением I_ном, можно ограничить и теплоперепад по сечению заготовок в любых режимах работы установки. Разрешение на выдачу заготовки из индуктора поступает при достижении заданного значения температуры поверхности. Перегрев заготовок исключается регулятором температуры.

При пуске нагревателя с равномерно нагретыми заготовками в индукторе (например, после длительного термостатирования) указанный алгоритм управления может привести к пери­одическому режиму работы установки. Чтобы исключить это явление, ограничено минимальное время между выдачами очередных заготовок. Во всех режимах заготовки выдаются не чаще, чем в стационарном. Для минимального окисления металла, особенно при длительных остановках, следует в ре­жиме термостатирования поддерживать температуру заготовок около 800°С.

Функциональная схема системы двухканального управления нагревателем непрерывного действия по рассмотренному ал­горитму представлена на рис. 3.1, а. Система обеспечивает три режима управления нагревателем:

I —стабилизация напряжения источника питания ИП и тем­па выдачи заготовок;

II— выдача заготовок с заданной температурой и темпом выдачи, кратным периоду выходных импульсов генератора ГИ;

III— стабилизация температуры выходной заготовки в ре­жиме термостатирования.

Необходимый режим работы устанавливается переключа­телем S1. В режиме / проталкивание заготовок происходит при поступлении импульса с ГИ на механизм перемещения МП. Период импульсов ГИ равен темпу выдачи заготовок в стационарном режиме. Стабилизация напряжения источника питания осуществляется введением обратной связи с датчика напряжения ДН на вход регулятора напряжения РН через блок стабилизации напряжения БСН.

В режиме // импульсы с ГИ поступают на МП через логический элемент И, на второй вход которого подается сигнал с компаратора К. Когда температура поверхности выходной заготовки достигает установленного значения (рис. 14.1 в), на выходе К появляется сигнал 1 и импульс с ГИ проходит на МП, давая команду на выдачу заготовки.

Сигнал на управляющий вход РН подается с выхода сумматора С1. На инвертирующий вход С1 поступает сигнал с датчика тока ДТ индуктора Ин через блок нелинейности БНТК, характеристика которого представлена на рис. 15.1, в. Указанная обратная связь ограничивает ток индуктора сверху значением Iд.

На прямой вход С1 поступает сигнал с фотопирометра ФП через блек нелинейности по температуре БНТР с падающей в диапазоне от Θн до Θ хол характеристикой (см. рис. 14.1,6).

В режиме III на управляющий вход МП подается сигнал логического нуля. Прекращается выдача заготовок из индуктора. Опорное напряжение, соответствующее началу падающего участка характеристики БНТР, может меняться в зависимости от режима работы. В режиме // напряжение подается от источника опорного напряжения ОП2 и со­ответствует температуре Θ хол, а в режиме III— от ОПЗ и соответствует Θ г. Это обеспечивает независимую уставку температуры выходной заготовки в режимах I. Разность между температурой выдачи заготовок и температурой определяется источником опорного напряжения.

Рис. 14.1. Функциональная схема системы двухканального управления нагрева­телем периодического действия (а) и характеристики блоков нелинейности по температуре (б) и току (в)

.

Математическое моделирование и натурные испытания на­гревателя с двухканальной системой управления показали, что даже после длительного термостатирования повторный пуск можно осуществить без брака заготовок по качеству нагрева.

Рассмотренная система пригодна также для управления нагревателями немагнитных заготовок (алюминиевых, титано­вых и т. д.) периодического и непрерывного действия с рав­номерным по длине индуктора настилом тока. При этом изменяются уставки регуляторов в соответствии с температурой нагрева заготовок.

Более сложный алгоритм и система необходимы для управления нагревателями с неравномерным настилом тока индуктора— нагревателями ускоренного действия. Термостатирование со стабилизацией температуры поверхности выходной заготовки при питании всех зон индуктора от одного источника приведет к перегреву заготовок, находящихся во входных зонах. Поэтому для обеспечения режима термостатирования в нагревателях ускоренного действия необходимо раздельное управление зонами индуктора.

В рабочих режимах заготовки должны передаваться из одной зоны в другую с постоянным теплосодержанием, т. е. с одинаковой средней температурой. Следовательно, система управления таким нагревателем должна содержать регуляторы средней температуры заготовки.

Для преобразования сигнала по температуре поверхности в сигнал по средней температуре воспользуемся переходной характеристикой, полученной в предположении, что в системе действуют активные источники с удельной мощ­ностью р_о и тепловые потери с удельной мощностью q₀:

(14.2)

где t1—время действия активных источников;t2—время действия тепловых потерь;

Sc — преобразованные коэф­фициенты аппроксимации функций

S(m; 1; t) и (∞; 1; t).

Тепловые потери qов горячей зоне можно принять постоянными, когда время их действия достаточно велико. Тогда (14.2) можно преобразовать к виду

(14.3)

Рис. 14.2. Функциональная схема системы управления нагревателем ускоренного действия

Из (14.3) получим выражение средней температуры заготовки Θ ср через температуру поверхности Θ пов и ток индуктора Iи:

(14.4)

где Θq — отклонение температуры поверхности заготовки от средней в результате воздействия тепловых потерь; ∆ —коэффициент связи тока индуктора с тем­пературой поверхности заготовки; k — коэффициент связи тока индуктора с удельной мощностью на поверхности заготовки.

Из (14.4) видно, что из сигналов можно аппаратно синтезировать сигнал по средней температуре. Этот сигнал используется для управления источником питания индуктора.

Функциональная схема системы управления по средней температуре заготовки нагревателем с двухзонным индуктором представлена на рис. 14.2. Система имеет два идентичных локальных регулятора А1 и А2, управляющих независимо друг от друга своими зонами индуктора Ин1 и Ин2. Сигнал по температуре поверхности выходящей из зоны заготовки вырабатывается, фотопирометром ФП и поступает на входы блока нелинейности по температуре, поверхности БНТП и сум­матора С1. Блок БНТП служит для ограничения температуры поверхности заготовки и имеет характеристику, схожую с харак­теристикой блока БНТК (см. рис. 14.1, в).

Сигнал, учитывающий влияние тепловых потерь на тем­пературу поверхности заготовки, получается от источника опорного напряжения ОП1 и подается на прямой вход сумматора С2. На инверсный вход С2 подается сигнал, соответствующий третьему слагаемому в правой части равен­ства (14.4). Этот сигнал вырабатывается в последовательной цепи датчик тока ДТ— квадратор КТ— апериодическое звено АЗВ. В результате реализации правой части равенства (14.4) на выходе сумматора С1 получается сигнал по Θ ср, который используется аналогично сигналу по температуре поверхности в двухканальном регуляторе (см. рис. 14.1). Характеристика блока БНТС идентична характеристике, изображенной на рис. (14.1,6). Эти сигналы через сумматор СЗ воздействуют на регулятор напряжения РН источника питания индуктора ИП.

Разрешение на проталкивание столба заготовок механизмом перемещения МП дает элемент И при наличии сигналов логической единицы на всех его входах: от регуляторов зон индуктора; от реле времени РВ, настроенного на темп выдачи заготовок; от блока выбора режима работы БВРР и от компаратора К, на второй вход которого поступает сигнал от источника опорного напряжения ОП2. При переходе на режим термостатирования исчезает сигнал на выходе БВРР и выдача заготовок из индуктора прекращается.

Рассмотренные алгоритмы управления тепловым режимом индукционных нагревателей непрерывного действия можно реализовать на микроэлектронной и микропроцессорной эле­ментной базе.

14.3. Анализ качества регулирования температуры заготовок в проходных нагревателях

Проходные нагреватели используются часто в линии ав­томатического кузнечно-штамповочного оборудования, поэтому скорость перемещения заготовок в большинстве случаев нельзя использовать в качестве управляющего параметра.

На рис. 14.3 представлена структурная схема регулятора теплового режима проходного нагревателя с обратной связью по температуре поверхности заготовки. Схема замещения индуктора здесь отличается от принятой в предыдущем параграфе тем, что рассматриваются два выходных параметра—температуры по­верхности Θ пов и средняя Θ ср. Качество нагрева заготовок достаточно полно отражается значением при ограничении.

Передаточная функция индуктора по каналу выражается равенством (14.5).

(14.5)

:

Рис. 14.3. Структурная схема регулятора теплового режима индукционного нагревателя

Рассмотрим работу системы регулирования при воздействии на нее возмущений. Передаточные функции датчика температуры, блока обратной связи и источника питания обозначены соответственно W(p), Wy (p), W (p). Как видно из схемы, система регулирования оказывается разомкну­той для температуры Θ ср. Задача исследования состоит в опре­делении качества отработки возмущений, воздействующих на среднюю температуру Θ ср, при отработке с помощью замкнутой системы регулирования возмущений, воздей­ствующих на температуру поверхности Θ пов

Для решения задачи преобразуем структурную схему си­стемы по правилам теории управления так, чтобы входом было возмущение F(t), а выходом—средняя температура Θср (рис. 14.4).

Для преобразованной схемы, приняв Θ уст=0, можно на­писать

(14.6)

(14.7)

Разделив обе части равенства (14.6) на изображение вход­ного сигнала F (p), получим передаточную функцию системы по каналу:

(14.8)