Спосіб формування бажаних перехідних режимів

1. Спосіб формування бажаних перехідних режимів вихідної величини F(t), що включає регулювання за визначеною залежністю R(t) формуючої величини у те хнологічних процесах нагріву до заданої температури термічної електропечі опору (ТЕПО) з металовиробами великої теплоємності, а також розгін до заданої швидкості позиційного електроприводу постійного струму (ЕППС), який відрізняється тим, що для підвищення середнього значення вихідної величини Fc у перехідному процесі, бажана перехідна характеристика Fб (t) формується у вигляді: 2 3 29614 4 "Товстий" виріб з металу, що нагрівається формована величина також представляє інерційну ланку з постійною t * * * = * F1 (t ) ; часу нагріву Т и набагато перевищуючу= q1( t) w1(t ) Fз × Трпп. = t пп У процесі нагріву температура поверхні * * * 0 ; qрпп ( t ) формуюча величина R1( t) = P1 ( t) = M1( t) = 1 виробу практично повторює , a середнє значення вихідної величини в q0 (t ) перехідному процесі температура в центрі виробу ц істотно відстає від неї. Тому після закінчення часу tпп , коли в РПП буде досягнута задана технологами температура 9°, яку не можна перевищувати, починається режим витримки. При цьому системою q 0 = q0 з, а регулювання ТЕПО підтримується рпп прогрів внутрішнього об'єму виробу та ліквідація 0 Dq0 = q0 - qц (t ) з різниці здійснюється за рахунок теплопровідності виробу. У „товстих" виробах час витримки набагато перевищує час нагріву t пп і залежить від розміру F*c = 0,5Fз* . 1 * EB1 Енерговитрати за відносний час t tпп = =1 * t пп при R1 = 1 назвемо номінальними й будемо порівнювати з ними енерговитрати всіх перехідних режимів. Конкретні відносні значення енерговитрат при цьому складуть * * для ТЕПО EB1 = P1 × tпп = 1; для 1 q0 (t ) 2 tпп різниці Dq0 між и ц = 1 * . Тому, чим ви щою (t ) * = = = EB1 M (t ) × w* (t)dt ò виявиться температура центра виробу на початку 2 0 0 витримки, тим менше різниця Dq0 і на її подолання q0 з буде потрібно менше часу для витримки tвитр і менші енерговитрати на підтримку заданої температури в РПП. У свою чергу величина q 0 (t пп ) ц 0 пропорційна середньому значенню q с РПП за термін часу tпп. Аналогічно, в електроприводі, що призначений для відпрацьовування переміщення S, чим вище за час перехідного процесу виявиться середня кутова швидкість wс, тим більше переміщення Sпп=wcp ·tпп відпрацює електропривод на стадії перехідного процесу. У розглянутих прикладах підвищення ефективності перехідних режимів має місце при обов'язковій умові, що збільшення середнього значення вихідного параметра в цих режимах забезпечується без збільшення енерговитрат у порівнянні з відомими способами організації перехідних процесів. Спосіб формування бажаних режимів, що заявляється, застосовується, як мінімум, до двох розглянути х ви ще різних процесів. Тому перехідну характеристику параметра, що формується (температура або кутова швидкість) загально позначимо через F(t) незалежно від його фізичної природи, а залежність для регулювання формуючого параметру (у нашому випадку, потужності або динамічного моменту двигуна) позначимо загальним вираженням через R(t). Крім того, для узагальнення будемо використовувати не іменовані, а відносні величини. Дотепер найпоширенішим способом формування перехідних режимів є такий, при якому формуюча величина R(t) підтримується постійною, наприклад, номінальною на всьому протязі перехідного режиму. При цьому формована величина F(t) росте по прямій з позитивним кутовим коефіцієнтом і в момент часу tпп досягає заданого значення. Характеристики цього режиму на Фіг.1 позначені індексом "1" і у відносних величинах мають вигляд ЕППО 0,5 . Традиційний спосіб формування перехідних процесів при R*(t)=const був істотно поліпшений у винаходах: 1) "Устройство для управления нагревом электротермической установки", А.с. СССР №1817258, бюл. №19 от 23.05.1993; и 2) "Электропривод постоянного тока с оптимальным управлением", А.с. СССР, №1471274; бюл. №13 от 07.04.1989. Найбільш близьким з них є А.С. СССР №1817258, у яким пропонується спосіб формування перехідних режимів в ТЕПО регулюванням потужності, що витрачається в нагрівачах, за лінійним графіком. У перехідних процесах, сформованих за способом-прототипом вихідна формована величина являє собою опуклу параболу * * F2 (t ) = q* (t ) = w* ( t) = 2F2 зад ( t - 0,5t 2 ) 2 2 * F2c = з * 0,667Pзад , а формуюча величина змінюється по прямій з негативним кутовим коефіцієнтом, * * починаючи з R0 = 2Rн = 2 * R* (t ) = P2 ( t) = M* д (t ) = 2 2 2R* н (1- t) = 2(1- t) tпп . Середні енерговитрати за tпп при цьому способі не перевищують енерговитрат за традиційним способом при R*(t)=1. Максимальне підвищення ефективності за критерієм Fc у порівнянні із традиційним способом становить F2c 0,667 = = 133. , F1c 0,5 На Фіг.1 характеристики прототипу позначені цифрою 2. Недоліком прототипу є те, що лінійний графік R* (t ) 2 обмежує за умовою номінальних 5 29614 * енерговитрат початкове значення на рівні R0 < 2 , що не дозволяє використати зростаючі можливості по форсуванню сучасних електроприводів та іншого устаткування, у зв'язку із чим максимальне * збільшення вихідної величини F2c й ефективності штучно обмежено на рівні 33%. Спосіб, що заявляється вільний від недоліків прототипу. Він без збільшення середніх енерговитрат за час перехідного процесу tпп дозволяє набагато збільшувати е фективність процесу в порівнянні з відомими способами формування перехідних процесів. Спосіб, що заявляється, являє собою сукупність певних взаємозалежних науково-технічних заходів, які забезпечують його ефективність. 1. Підбирається така бажана перехідна * характеристика Fб ( t) , що, будучи реалізована, забезпечить потрібне підвищення ефективності перехідного процесу. Це може бути збільшення продуктивності або зниження енерговитрат при збереженні продуктивності. * 2. По складеній залежності Fб ( t) шляхом диференціювання визначається графік для регулювання формуючої величини * R б (t ) = * dFб ( t) dt * * У випадку ТЕПО Fб (t ) = q ( t) - температура на виході нагрівачів, а * R б (t ) = d q* ( t) dt - потужність, що витрачається в * * нагрівачах. У випадку ЕППС Fб (t ) = w (t ) - кутова dw(t ) R * (t ) = б dt швидкість двигуна, a динамічний момент двигуна. Ключовою перевагою й відмінністю способу формування перехідних режимів, що заявляється, є застосування в якості бажаних перехідних характеристик експоненти Fб (t ) = 1 - e -kt t t t t= T = пп tпп 5 - постійна часу експоненти; де відносний час; К=1; 2; 3 – коефіцієнт форсування. Особливість даної залежності в тому, що її чисельне значення не може перевищува ти одиниці, а в іменованих величинах - номінального значення. Оскільки при цьому d(1 - e R * (t ) = б dt -k t T ) = k e T -k t T то середні енерговитрати за визначаються постійним інтегралом час tпп 6 * t пп EB = ò 0 R * (t )d t б tпп d(1 - e =ò dt 0 -k t T ) dt -k t = (1 - e T ) t пп £1 0 Таким чином, зі збільшенням коефіцієнта К=1; 2; 3... ефективність росте, теоретично наближаючись до 100%, а енерговитрати не перевищують номінального значення, як і в традиційному перехідному процесі при R*(t)=const=1. Графіки бажаних перехідних процесів наведені на Фіг.2 для значень К=1; К=2; * * * К=3; відповідні Fб1( t) ; Fб2 ( t) и Fб3 ( t) наведені * повністю, a Fб ( t) наведена тільки для К=1 за браком місця. Для порівняння характеристики наведені разом з характеристиками прототипу й традиційними при R1(t)=const=1. Чисельні результати всіх розглянутих способів формування перехідних процесів зведені в табл.1. Як бачимо, при К=1 фактичне форсування дорівнює 5, при К=2-10. Уже зараз деякі типи високомоментних двигунів допускають таке форсування й тенденція така, що припустимі кратності за моментом будуть зростати. Що стосується ТЕПО, то там можливості форсування визначаються тільки потужністю мережі живлення. Перехідні характеристики: 1 - традиційного спосо 2 - спосіб прототип; 3 - спосіб, що заявляється, Традиційний процес при R1(t)=const=1 Спосіб прототип Заявлений спосіб К=1 Заявлений спосіб К=2 Заявлений спосіб К=3 3. Завершальним заходом способу, що заявляється, є реалізація перехідного Fб (t) режиму. Це зручно зробити, задавши бажаний закон у вигляді напруги, що задана, а потім відстежити його за допомогою замкнутої системи регулювання з негативним зворотним зв'язком. Але оскільки і температура у випадку ТЕПО, і кутова швидкість двигуна у випадку ЕППС є досить інерційними величинами, то використання цих параметрів у якості негативного зворотного зв'язку для безпосереднього відтворення перехідної характеристики Fб (t) не дає належного результату. Набагато ефективніше використати такий же прийом для відтворення формуючої величини відповідно до залежності Rб (t), оскільки зворотний зв'язок по потужності або по крутному моменту дви гуна є набагато більше швидкодіючим, а реалізація бажаної t F1 R1 F2 R2 Fб1 Rб2 Fб2 Rб2 Fб3 Rб3 0 0 1 0 2 0 5 0 10 0 15 0,2 0,2 1 0,36 1,6 0,632 1,839 0,864 1,353 0,95 0,747 0 0 0 0 0 0 0 7 29614 характеристики температури в РПП або кутовій швидкості в ЕППТ відбудеться при цьому автоматично. Для цього необхідно будь-яким відомим способом, наприклад, за допомогою мікроконтролера сформувати в часі напругу, що задається, відповідно до залежності Rб (t), подати її на вхід регулятора в контурі автоматичного регулювання потужності або моменту двигуна відповідно, а потім шляхом безперервного порівняння із сигналом зворотного зв'язку за фактичним значенням відстежити необхідний графік зміни формуючої величини на вході об'єкта регулювання, що автоматично забезпечує бажану перехідну характеристику Fб (t) вихідної величини, тому що формована й формуюча величини зв'язані однозначною залежністю. Додамо, що реалізація корисної моделі не представляє принципових труднощів. Наприклад, її можна виконати за допомогою узагальненої функціональної схеми, зображеної на Фіг.3. Схема наведена лише для підтвердження реалізуємості способу, що заявляється, і не подається як самостійний винахід. Схема працює у такому порядку. При включенні схеми включаються обидва задатчики. Один з них звичайним способом подає на вхід регулятора формованої величини Fб сигнал завдання, що порівнюється із сигналом зворотного зв'язку по величині F (по температурі у випадку ТЕПО або по швидкості у випадку ЕППС). Посилений сигнал неузгодженості не проходить через розімкнутий контакт ключа К. Інший програмний задатчик видає сигнал - kt K T e T , що через нормально замкнутий контакт ключа К надходить на вхід регулятора величини Rб , де порівнюється із сигналом зворотного зв'язку за фактичним значенням R. За рахунок негативного зворотного зв'язку бажаний U*= зб ( t) -k t K T e T графік відслідковується контуром автоматичного регулювання відповідно до бажаного графіка. Коли величина Fб (t) досягає заданого значення в момент часу tпп, сигналом Fзад перемкнеться керований ключ К, вхід регулятора величини Rб відключиться від програмного задатчика й приєднається до виходу регулятора формованої величини Fб . Утвориться двоконтурна система підлеглого регулювання з головним контуром регулювання величини F і підлеглим контуром регулювання величини R, що стане автоматично підтримувати задане значення F3 із необхідною точністю. Пропонований метод підвищення ефективності перехідних процесів можна застосовувати й у ти х випадках, коли швидкість нагрівання виробу обмежується технологічними умовами. Наприклад, нагрів роторів турбін не повинен перевищувати 50° за/годину. При цьому R * (t ) = б весь перехідний процес нагрівання до q0 зад 8 q0 з 50 - етапів, у яких на розбивається на кожному етапі задається збільшення температури Dqі зад = 50°С, час перехідного процесу на етапі t ti пп = пп n , а час витримки на етапі ti вит=1чac-ti пп. n= 0 qрпп ( t ) Загальна оптимізована траєкторія складається з "n" оптимізованих відрізків траєкторії, а загальна економія енерговитрат представляє суму економії на всіх етапах = n i EB= å EBi = 1 i . Література 1. Устройство для управления нагревом электротермической установки. А.с. СССР №1817258, бюл. №19, 1993; В.П. Воинов, К.В. Чернышев, В.В. Воинов, В К. Кондратюк. 2. Электропривод постоянного тока с оптимальным управлением. А.с. СССР №1471274, бюл. №13, 1989; В.П. Воинов, К.В. Чернышев. 3. Автоматическое управление электротермическими установками. Учебник для вузов / А.М. Кручинин, К.М. Ма хмудов, Ю.М. Миронов под редакцией А.Д. Свенчанского. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 416С. 4. Системы управления электроприводами. Учебное пособие / А.П. Голубь, Б.И. Кузнецов, И.А. Опрышко, В.П. Соляник. - К.: УМК ВО, 1992. 376С. 9 29614 10