CC BY
80
УДК 669.074
Б.Н. Парсункин
д-р техн. наук, профессор, кафедра автоматизированных систем управления, ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет»
Г.А. Сорока
магистрант,
кафедра автоматизированных систем управления, ФГБОУ ВПО «(Магнитогорский государственный технический университет»
Н.В. Богданов
магистрант,
кафедра автоматизированных систем управления, ФГБОУ ВПО «(Магнитогорский государственный технический университет»
С.Н. Саперов
магистрант,
кафедра автоматизированных систем управления, ФГБОУ ВПО «(Магнитогорский государственный технический университет»
Д.С.-Х. Барков
магистрант,
кафедра автоматизированных систем управления, ФГБОУ ВПО «(Магнитогорский государственный технический университет»
АВТОМАТИЧЕСКАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ СЖИГАНИЯ ТОПЛИВА В МЕТОДИЧЕСКОЙ ПЕЧИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СИСТЕМЫ ЭКСТРЕМАЛЬНОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ
Аннотация. Рассмотрено решение задачи по оптимизации управления процессом сжигания топлива в методической печи с целью поддержания максимально возможной температуры греющей среды с использованием эффективного алгоритма поиска, который обеспечивает качественное функционирование системы и ее стабильность в условиях дрейфа статической характеристики.
Ключевые слова: методическая печь, удельные затраты топлива, системы экстремального регулирования, системы управления шагового типа, оптимизация, сжигание топлива.
B.N. Parsunkin, Magnitogorsk state technical University G.A. Soroka, Magnitogorsk state technical University N.V. Bogdanov, Magnitogorsk state technical University S.N. Sapyorov, Magnitogorsk state technical University D.S.-Kh. Barkov, Magnitogorsk state technical University
AUTOMATIC OPTIMIZATION OF PROCESS CONTROL COMBUSTION IN FURNACES USING EXTREME REGULATION
Abstract. The project deals with the way to solve the problem of system optimization of process control combustion in furnaces to maintain the maximum temperature of heating medium using efficient search algorithm, which provides qualitative functioning of the system and its stability in terms of drift static characteristics.
Keywords: continuous furnace, the unit cost of fuel, the extreme control system, system control the stepper type optimization, combustion.
Резервы экономии топлива и тепловой энергии в методических печах заключены в улучшении их использования. Это может быть достигнуто комплексным совершенствованием средств и технологии тепловой обработки, а также управлением потребления топлива в печи [1].
Известны несколько способов уменьшения удельных затрат тепловой энергии при нагреве металла перед прокаткой или термической обработкой. Одним из способов является со-
вершенствование управления процессом сжигания топлива в рабочем пространстве методических печей.
В настоящее время подавляющее большинство систем управления этим процессом построено по схеме объемного пропорционирования расходов газа и воздуха и осуществляется путем целенаправленного изменения расхода воздуха при изменении расхода топлива [2].
Поддержание коэффициента расхода воздуха на рациональном уровне требует постоянного вмешательства технолога-оператора в режимы управления процессом сжигания, что невозможно, особенно при смешанном посаде металла. Однако даже качественное регулирование заданного соотношения топливо-воздух еще не гарантирует экономного сжигания топлива. Погрешность расходомерных приборов, изменение состава топлива, влияние зон друг на друга ведут к отклонению выбранного коэффициента расхода воздуха от оптимального. Неконтролируемые изменения оптимального значения данного коэффициента приводят к необходимости применения адаптивных, или приспосабливающихся, систем управления. Простейшим случаем адаптивных систем являются системы автоматической оптимизации (САО) [3, 4].
В качестве оптимизируемого процесса задан процесс сжигания топлива в одной из зон методической печи. В качестве выходного (оптимизируемого) параметра САО используется температура факела (греющей среды). В качестве входного управляющего воздействия используется положение вала исполнительного механизма. Статическая характеристика процесса сжигания топлива (рис. 1) в координатах «Ход исполнительного механизма (ИМ)» - X, «Температура греющей среды» - У, определяется уравнением:
У (х) = 1163,68 + 1,505х + 0,385х2 - 0,0075х3. (1)
Статическая характеристика имеет экстремальный вид. Это является достаточным условием для целесообразности использования САО.
Функциональная схема САО управления процессом сжигания топлива при использовании способа поиска экстремума по запоминанию скорости изменения 2(т) выходного параметра и остановкой ИМ в момент достижения максимальной скорости 2 (т)тах выходного оптимизируемого параметра (температура греющей среды) представлена на рисунке 2. Данная система относится к классу шаговых САО [5].
20 30 40
ХодИМ, %
Рисунок 1 - Статическая характеристика процесса сжигания топлива
Рисунок 2 - Структурная схема САО управления процессом сжигания топлива: ОУ - объект управления; ДУ - дифференцирующее устройство; ЗУ - устройство запоминания максимума значения скорости изменения оптимизируемого параметра; ЛУ - логическое устройство; РО - реле останова исполнительного механизма; ТР - триггер реверса;
ИМ - исполнительный механизм
Объект оптимизации управления (ОУ) аппроксимирован последовательным соединением статического звена с экстремальной характеристикой Y = f(x) и двумя инерционными звеньями с постоянными времени T0 и тз. Здесь T0 характеризует инерционные свойства, а тз
- запаздывающие свойства оптимизируемого процесса.
Рассмотрим принцип действия системы регулирования. Выходная величина Z(т) с ОУ подается на дифференцирующее устройство ДУ, на выходе которого формируется сигнал пропорциональный первой производной Z (t) = DZ(t)/Дт, где Дт - принятый цикл работы микропроцессорного контроллера, DZ(t) - изменение величины Z(t) за время цикла Дт. Сигнал с выхода ДУ Z(т) подается одновременно на запоминающее устройство (ЗУ) и логическое устройство (ЛУ). Запоминающее устройство САО управления процессом сжигания топлива выполнено таким образом, что оно запоминает только увеличение Z(т), т.е. всегда помнит Z(т-1)
- максимальное значение Z(т), достигнутое в предыдущий момент времени.
Логическое устройство (ЛУ) отслеживает изменение двух сигналов: максимального значения производной и текущего значения производной. Как только сигнал Z(т) станет меньше
Z max, т.е. производная начнет уменьшаться, то произойдет остановка ИМ посредством включения реле отключения (РО разомкнет контакт РО-1) на время, равное 2T0 - 3T0. По истечению времени 2T0 - 3T0 РО замкнет контакт РО-1, перебросит триггер реверса на противоположное направление и одновременно сбросит запомненное максимальное значение в ЗУ. Параметр настройки ЛУ - количество тестирующих шагов Ts. Ts - это количество шагов, которая система должна выполнить после замыкания контакта РО-1 принудительно, даже если при этом наблюдается уменьшение скорости изменения температуры греющей среды.
Динамическая оптимизация управления процессом сжигания топлива в рабочем пространстве, реализуемая оптимизирующим алгоритмом управления, определяется системой алгебраических и дифференциальных уравнений с использованием логических условий.
X (г) = Хи +а(т)Кимбт, (2)
где Х(г), Хн - соответственно, текущее и начальное положение исполнительного механизма; <г(г) е (+1; -1) - сигнум функция; определяется текущее направление движения; Ким - скорость исполнительного механизма; бг - шаг по времени.
У (х) = 1163,68 + 1,505х + 0,385х2 - 0,0075х3, (3)
б2.
б2
Т,-1 + 21 (г) = У [X (г)], г— + 2(г) = ВД, 2 (г) =
62(т)
(4)
бг 1 "'бг 1 4 ' бг
где 21(г) - изменение оптимизируемого параметра с учётом только инерционности процесса; 2(г) - изменение во времени оптимизируемого выходного параметра процесса сжигания топлива; 2(г) - скорость изменения выходного параметра оптимизируемого процесса сжигания топлива.
Запоминающее устройство функционирует в соответствии с условием:
если 2 (г)3 2 (г - 1)тах, то 2 (г)тах = 2 (г), (5)
если 2(г)< 2(г-1) , то 2(г) = 2(г-1) .
^ ' ^ 'тах ^ 'тах ^ 'тах
Работу логического устройства можно записать следующим образом: если 2(г) < 2(г)тах, то реле РО размыкает схему. После замыкания контакта РО-1 ТР меняет направление на противоположное: сг(г +1) = -&(г), и одновременно сбрасывается запомненное значение в ЗУ.
Для реализации рассмотренного метода поиска экстремума и математического моделирования поискового режима работы системы создано алгоритмическое и программное обеспечение, позволившие оценить работу САО процессом сжигания топлива в одной из зон методической печи.
При расчете переходного процесса были приняты следующие данные: Т0=100 с; гз =15 с; Км =0,6 % хода/с; X (г)= 10 % хода; У (г)= 1209 °С; бг =1 с, Тв=1 шаг.
Результаты моделирования работы САО при дрейфе статической характеристики приведены на рисунках 3, 4.
Рисунок 3 - Расчетная траектория поискового режима в САО управления сжигания топлива
2000 Время, с
Рисунок 4 - Расчетная траектория изменения во времени в процессе функционирования САО процесса сжигания газообразного топлива основных параметров технологического процесса
Заключение
Использование более совершенных алгоритмов поиска обеспечивает более качественное функционирование системы и ее стабильность в условиях дрейфа статической характеристики, а также обеспечивает более оптимальное сгорание газообразного топлива, что позволяет получить максимальный тепловой эффект.
Список литературы:
1. Андреев С.М., Парсункин Б.Н. Оптимизация режимов управления нагревом заготовок в печах проходного типа: монография. - Магнитогорск: Магнитогор. гос. техн. ун-т им. Г.И. Носова, 2013. - 376 с.
2. Парсункин Б.Н., Андреев С.М., Ахметов У.Б. Оптимизация управления технологическими процессами в металлургии: монография. - 2-е изд. - Магнитогорск: МГТУ, 2009. - 198 с.
3. Пыхова О.В. Автоматическая оптимизация управления технологическим процессом измельчения рудных материалов // Автоматизированные технологии и производства. - 2014. -№ 6. - С. 165-177.
4. Рябчикова Е.С., Рябчиков М.Ю., Парсункин Б.Н. Применение прогнозной модели для оптимизации управления энергетическим режимом ДСП // Автоматизированные технологии и производства. - 2012. - № 4. - С. 179-189.
5. Горохов М.А. Оптимизация управления подачи природного газа в доменную печь с целью экономии расхода кокса // Автоматизированные технологии и производства. - 2013. -№ 5. - С.179-189; С.228-230.
