CC BY
19
ИЗВЕСТИЯ
ТОМСКОГО ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА
им. С. М. КИРОВА
Том 285 197о
i
ИССЛЕДОВАНИЕ НЕЛИНЕЙНОЙ САР МОЩНОСТИ ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ СТАЛЕПЛАВИЛЬНОЙ ПЕЧИ
В. А. БЕИНАРОВИЧ, Э. С. АСТАПЕНКО, Н. Г. ВОЛКОВ (Представлена научио-техничсским семинаром НИИ АЭМ)
•При про ек тировадаги САР наиболее сложной является задача получения заданных динамических свойств, которые оцениваются обычно по виду переходного процесса отработки типового воздействия. Для системы регулирования мощности дуговой сталеплавильной печи характерным воздействием является ступенчатая форма возмущения. В линейных САР задача расчета переходного процесса и оценка диндаиче-ск'их свойств может быть решена аналитически, т. е. «в общем виде. При этом на основе известных методов (например, частотных) можно определить влияние отдельных параметров на динамику системы, а также выбрать параметры корректирующих устройств, обеспечивающих заданные динамические свойство, т. е. осуществить синтез САР.
iВ нелинейных САР не может быть праведен расчет переходных процессов в общем виде. Вследствие этого возможности аналитической оценки влияния отдельных параметров на динамику САР ¡весьма ограничены, а наличие нескольких нелинейностей в САР практически исключает такую .возможность. Поэтому анализ влияния изменения параметров САР на ее динамические свойства и решение инженерных задач синтеза нелинейных САР производят в настоящее время с помощью вычислительных машин. Особенно удобны для решения подобных задач аналоговые вычислительные машины (АВМ), позволяющие решать нелинейные дифференциальные уравнения. Работа на ARM не требует большой специальной подготовки по вычислительной технике и программированию, особенно при использовании метода структурного моделирования. Электронная модель дает возможность полной физической интерпретации настроек и процессов. Ввиду большого быстродействия АВМ решения получаются быстро и индицируются на регистрирующих приборах, допуская визуальный контроль. Это позволяет за короткое время просмотреть и исследовать влияние на переходный процесс многих параметров САР.
В настоящей работе излагаются методика и результаты исследования и синтеза параметров САР мощности дуговой сталеплавильной печи типа ДОВ-3,5 с использованием АВМ. Структурная схема САР представлена на рис. 1. На рис. 2 представлена схема ее электронной мода™.
Измерительные и преобразующие элементы, включающие трансформаторы тока и напряжения, автотрансформатор уставки вводимой в печь мощности представлены линейными звеньями 2, а, 2, б (рис. 1), выпрямители и емкостной сглаживающий фильтр представлены аперио-
Рис. 1.
i/iïc. 2.
дичеоюим звеном 3 (ри-с. 1). В электронной модели эти звенья реализуются усилителем 2 (рис. 2). Промежуточный уоилттель (звено 5, рис. 1; усилители 3, 4, рис. 2) с цепями коррекции (,интегродифферен-дарующее звено 6, pinic. 1; усилители 9—13, рис. 2) и шри с торный преобразователь (линейное звено 7, рис. 1) соответствуют параметрам комплектного реверсивного тпросторного электропривода серии ПТЗР. Для перемещений электродов использован электродвигатель с гладким якорем типа ПГТ-4 (звено 8, рис. 1; усилители 5—7, рис. 2) и тахоге-нератором ТГ1 (звено 9, рис. 1) и редуктор с реечной передачей (звено 11, рис. 1; усилитель 8, рис. 2).
САР мощности дуговой сталеплавильной печи содержит существенно нелинейные звенья:
1. Нелинейную отрицательную обратную связь по скорости двигателя перемещения электродов (звено 10, рис. 1). Вид характеристики обратной евши, набираемой ш блоке БН8 (рис. 2), представлен на рис. 3.
2. Нелинейные электрические характеристики дуговой печи (блоки БН1 и БН2 на рис. 2), представляющие зависимость тока Ь и напряжения дуги Ua от длины душ L (звенья la, L6 рис. 1), при этом коэффициент передачи по напряжению дуги (3 может изменяться в десять раз от p=il2 В/мм в начале плавки до р=(1,2 В/мм в конце ее.
3. Нелинейную характеристику звена 12 (рис. 1), представляющую люфт в редукторно-реечной передаче (блок БН7 рис. 2).
4. Регулируемую зону нечувствительности по величине контролируемого параметра (звено 4 рис. 1); блок БНЗ (рис. 2).
5. Характеристику промежуточного усилителя с насыщением (блок Б-Н4 рис. 2).
6. Токоограничение в цепи якоря двигателя (блок БН5 рис. 2).
7. Статическую нагрузку двигателя типа несимметричного сухого трения (блок БН6 рис. 2).
С потенциометра Ri (рис. 2) на вход суммирующего усилителя 1 подается напряжение, соответствующее номинальной длине душ LHom, а потенциометром R2 задается величина возмущения по изменению длины дуги AL. Моделирование производилось на АВМ ЭМУ-10.
Исследования проводились с целью выявления влияния нелинейно-стей вида люфта в исполнительном механизме, насыщения усилителя, ограничения тока якоря исполнительного двигателя, зоны нечувствительности по контролируемому параметру, а также оценки влияния -изменения в процессе плавки передаточного коэффициента по напряжению дуги (3 на динамические свойств,а регулятора .мощности дуги. Другой задачей являлось определение оптимальной настройки варьируемых параметров регулятора.
За критерий оптимальности был принят минимум времени отработки скачкообразного уменьшения длины дуги при ограничении перерегулирования до 20% (при большем перерегулировании происходит обрыв дуги).
Методика исследования заключалась в том, что при поочередном изменении (в реально возможных пределах) величины одного из нерегулируемых параметров (при прочих постоянных) записывался переходный процесс и определялся его характер, время регулирования, величина перерегулирования, количество колебаний, время достижения первого согласования. По результатам таких исследований определялись наилучшие сочетания величин настраиваемых параметров нели-к е йн ых х ар актер испик.
На рис. 4а, б, в, г, д показаны переходные процессы изменения скорости двигателя w(t) и длины дуги L(t) при отработках ступенчатого уменьшения длины дуги в САР с различными настройками. В табл. 1 приведены некоторые сочетания настраиваемых параметров регулятора и изменяющихся параметров объекта регулирования, обозначенные порядковыми номерами от 1 до 10, а в табл. 2 приведены показатели динамических свойств САР при этих сочетаниях.
По результатам исследований можно сделать следующие выводы:
1. Для увеличения быстродействия САР и улучшения электрических показателей дуговой печи величина уставки токоограничения должна иметь значение, максимально допустимое для используемого типа двигателя (рис. 4, а).
2. С этой же целью уровень насыщения промежуточного усилителя должен иметь возможно высокое значение (рис. 4, б).
3. Наиболее сильное влияние на динамику САР мощности дуги оказывает изменение в процессе плавки коэффициента передачи объекта по напряжению (рис. 4, г). Если при (3 = 8 переходный процесс имеет удовлетворительные показатели (п. 6 табл. 2), то при p=il2 значительно увеличивается время регулирования, величина перерегулирова-
Рис. 4.
Таблица 1
№ п.и. Объект Люфт Зона нечувствительности Характеристика обратной связи
Р оборот % К9 Ki I o)i | Ко I ю»
1 12 не? нет 2 0,33 20 1,33 10
2 12 0,5 нет 2 0,33 20 1,33 10
3 12 0.5 ±5% 2 0,33 20 1,33 10
4 12 нет нет 3,4 0,54 20 2,26 10
5 12 0,5 нет 3,4 0,54 20 2,26 10
6 8 нет нет 2 0,33 20 1,33 10
7 4 нет нет 2 0,33 20 1,33 10
8 4 нет нет 1,2 0,2 20 0,8 10
9 1,2 нет нет 2 0,33 20 1,33 10
10 1,2 нет нет 0,2 0,033 20 одзз 10
ния, колебательность (п. 1, табл. 2). При уменьшении коэффициента р переходный процесс очень .затянут, время отработки велико (пл. 7, 9, табл. 2).
4. Люфт в исполнительном механизме регулятора оказывает значительное влияние на динамику САР в том случае, когда переходный процесс имеет колебательный харжтер (on. 1, 2, табл. 2), еще более
7-47
97
Таблица 2
.N« П.П. tpcr» сек Перерегулирование, % Количество перерегулирований, шт. Время первого согласования, сел:. Примечание
1 0,47 40 2 0,156 рис. 4 в, г
о 1,06 44 6 0Д6 рис. 4 в
3 0,6 39 3 0,16 рис. 4 в
4 0,26 16,5 1 0,16
5 0,3 13 1 0,165
6 0,32 11 1 0,18 рис. 4 г
7 0,3 нет нет 0,3 рис. 4 г, д
8 0,12 нет нет 0,12 рис. 4 д
а 0,53 нет нет 0,53 рис. 4 г
10 0,165 нет нет 0,165
увеличивая число перерегулирований, их величину и общее время отработки возмущений. При больших значениях люфта (2 оборота двигателя и более) в системе возникают незатухающие колебания. Если система имеет переходный процесс с одним перерегулированием незначительной величины («меньше 20%) или апериодический, то влияние люфта сказывается в меньшей степени (пп. 4, 5, табл. 2). Время отработки увеличивается за счет выбора люфта в начале разгона и при реверсе.
5. При изменении передаточного коэффициента регулирования по напряжению дуги р изменяется общий коэффициент усиления САР. Для поддержания его на уровне, обеспечивающем оптимальный переходный процесс, необходимо из/менять коэффициент усиления регулятора, например, за счет изменения коэффициента отрицательной обратной связи по скорости двигателя (рис. 4, д). Это вытекает также из сравнения переходных процессов, снятых при различных значениях р с постоянным коэффициентом обратной связи (пп. 1, б, 7, 9, табл. 2), с переходными процессами, снятыми при тех же значениях (3, но с подстраиваемым коэффициентом обратной связи (пп. 4, 6, 8, 10, табл. 2), который необходимо увеличивать при возрастании р.
6. Для уменьшения влияния люфта в направлении ухудшения динамических свойств и запаса устойчивости САР при изменяющемся коэффициенте усиления объекта |3 необходимо осуществлять настройку варьируемых параметров системы таким образом, чтобы переходный процесс мало отличался от оптимального (пп. 1, 2 и 4, 5, табл. 2).
7. Расширение зоны нечувствительности по контролируемому параметру регулятора в пределах ±6% от номинального значения снижает колебательность и величину перерегулирования (п. 3, табл. 2), но не может полностью компенсировать влияние люфта. Компенсировать влияние люфта на динамику САР можно при одновременном расширении зоны нечувствительности и изменении коэффициента обратной связи по скорости двигателя.
8. По мере уменьшения коэффициента р в ходе плавки ширину зоны нечувствительности регулятора следует уменьшать, сводя ее до минимального значения к концу плавки (±0,5%), что ведет к повышению точности регулирования мощности дуги при сохранении требуемых динамических характеристик САР.
Таким образом, для обеспечения оптимального переходного процесса при наличии люфта в исполнительном механизме регулятора и из-
менении в процессе плавки электрических характеристик дуговой ста-леплавильной печи, САР мощности дуги должна содержать контур самонастройки, который в функции передаточного коэффициента объекта регулирования по напряжению подстраивает коэффициент отрицательной обратной связи по скорости двигателя перемещения электродов и ширину зоны нечувствительности по контролируемому параметру.
ЛИТЕРАТУРА
1. А. М. Лебедев, В. А. Найдис, Р. Т. Орлова, А. В. Паль-цев, В. Ф. Юферов. Тиристорный следящий электропривод. М., «Энергия», 1972.
2. Е. А. Архангельский, A.A. Знаменский, Ю. А. Л у к о м-с кий, Э. П. Чернышев. Моделирование на аналоговых вычислительные машинах. Л., «Энергия», 1972.
