CC BY
36
УДК 621.3
Е. В. ПТИЦЫНА Д. В. ПТИЦЫН А. Б. КУВАЛДИН
Омский государственный технический университет, г. Омск Национальный исследовательский университет «Московский энергетический институт»,
г. Москва
РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ МОДЕЛИРОВАНИЯ УСТРОЙСТВ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ СПЕКТРА ЧАСТОТ И АМПЛИТУДЫ НАПРЯЖЕНИЯ УСТАНОВОК С ПИТАНИЕМ ТОКОМ СЛОЖНОЙ ФОРМЫ_
В электротехнологических установках ток сложной формы позволяет получать позитивные технологические и энергетические эффекты и является актуальным направлением их совершенствования, но требует разработки новых принципов управления — введения дополнительных каналов регулирования по частоте и напряжению. Разработка методики исследования динамических систем, какими являются автоматические системы управления объектами электротехнологии с питанием током сложной формы, является целью настоящей работы. По результатам анализа литературных источников выбран метод моделирования с применением пакетов расширения визуально-имитационного моделирования Simulink и событийного программирования Stateflow математической системы Matlab, позволяющий для достижения поставленной цели решить задачи разработки различных логических структур управляющих автоматов и выявить ошибки при работе автоматических систем управления любой сложности. На примере электролизной ЭТУ с питанием ТСФ представлено пошаговое применение разработанной методики для проверки отсутствия сбоя в работе логической схемы управляющего автомата.
Ключевые слова: электротехнологическая установка, ток сложной формы, теория конечных автоматов, Stateflow диаграмма, таблица истинности.
Повышение эффективности в электротехнологических установках (ЭТУ) возможно не только за счет использования новых материалов, изменения физических условий, механизации, но и за счет совершенствования систем автоматического управления (САУ) при использовании нового электрического режима: тока сложной формы (ТСФ) с постоянной составляющей или без нее. Применение ТСФ позволяет получить позитивные технологические и энергетические эффекты. Например, для электролизных ЭТУ: снижение температуры нагрева электролита, уменьшение количества вводимых поверхностно-активных веществ, увеличение выхода металла по току, снижение содержания вредных примесей в рафинированном металле, снижение удельного расхода электроэнергии за счет уменьшения напряжения на электролизере. Это обусловлено снижением приэлектрод-
ных падений напряжений и падения напряжения в электролите за счет возрастания подвижности заряженных частиц при регулировании частоты (спектра частот) питающего напряжения (тока). В дуговых сталеплавильных печах: повышение устойчивости горения дуги; снижение потерь в короткой сети; уменьшение расхода ферросплавов и электродов, шума и вредных выбросов. В сварочных установках: повышение устойчивости горения дуги; повышения качества сворных швов; уменьшения разбрызгивания металла. В установках химико-термической обработки: эффективное нанесение покрытий; повышения качества диффузионных слоев. В индукционных установках: равномерный нагрев заготовок [1].
Таким образом, применение в ЭТУ ТСФ с постоянной составляющей или без нее обусловливает необходимость введения дополнительного канала
регулирования по частоте в систему управления установками [2].
В настоящее время в качестве источников питания электролизных и газоразрядных ЭТУ (дуговые плавильные печи, сварочные установки и др.) применяют управляемые преобразовательные агрегаты (ПА) с использованием тиристоров. В эксплуатации находятся также неуправляемые ПА с использованием силовых полупроводниковых приборов — диодов. При этом ПА могут работать в ручном и автоматическом режимах [1, 2].
В САУ ПА все каналы регулирования используются для достижения главной задачи технологического процесса: получения продукции требуемого качества. Для этого, например, САУ электролизных ЭТУ должны поддерживать неизменным заданное значение плотности тока в течение всего процесса электрорафинирования (электроэкстракции). Это достигается смешанным регулированием напряжения: ступенчатое регулирование реализуется устройством переключения напряжения под нагрузкой на высокой стороне силового трансформатора (РПН); плавное, в пределах ступени РПН, изменением угла открытия тиристоров выпрямительных блоков ПА (или изменение тока подмагничивания нелинейной индуктивности — дросселя) [3]. Существующие системы автоматического регулирования для электролизных ЭТУ позволяют поддерживать на заданном уровне плотность тока, а для газоразрядных ЭТУ позволяют изменять по заданной программе мощность, вводимую в технологическое звено в разные периоды плавки. Все функции регулирования реализуются в системах управления с помощью обратных связей [4].
Новые подходы к разработке САУ ЭТУ с питанием ТСФ рассмотрены в [1—3]. В САУ ЭТУ с питанием ТСФ целесообразно использовать два канала регулирования: по спектру частот и по амплитуде питающего напряжения. Одновременно решалась проблема электромагнитной совместимости ЭТУ с питанием ТСФ [5]. В [1—3] показано, что перевод электролизных и газоразрядных ЭТУ в новый режим работы с питанием ТСФ не приводит к ухудшению показателей качества электроэнергии. При этом учитывались особенности цифровой обработки полигармонических сигналов при быстро-протекающих процессах, например, в плавильных печах [6]. По результатам теоретических и экспериментальных исследований были выявлены принципы выбора эффективных режимов работы ЭТУ и разработаны способы автоматического регулирования спектра частот и амплитуды питающего напряжения на примере электролизных и газоразрядных ЭТУ.
Основными элементами каждого из представленных способов являются алгоритм, определяющий последовательность действий, и архитектура устройства, определяющая функциональные блоки устройства управления.
Целью данной работы является разработка методики математического моделирования разрабатываемых микроконтроллерных устройств с использованием математической системы МаАаЪ для проверки правильности логической структуры разрабатываемой САУ ЭТУ с питанием ТСФ на основе микропрограммных автоматов.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
— собрать из блоков пакетов БшиИпк и 81а1е1:-low логические схемы и графы управляющих ми-
кропрограммных автоматов разных классов для проверки правильности их логических структур;
— выявить риск сбоя в рассматриваемых вариантах логических схем управляющих автоматов Мили (Мура) и получить сравнительные оценки разных вариантов структуры устройства для выбора математической модели автомата, используемой в дальнейшем в основе программного обеспечения управляющих алгоритмов разрабатываемого устройства.
Используемые методы. В работе использован метод исследования динамических систем — метод имитационного моделирования. Для оценки эффективности динамических систем имитационная модель может быть реализована на любом языке программирования. Однако реализация модели на универсальном языке программирования требует от разработчиков знание высокоуровневых языков программирования и определенного опыта, а также требует значительных затрат времени.
В данной работе в качестве программных средств математического моделирования использованы пакеты расширения визуально имитационного моделирования БшиЦпк и событийного моделирования Stateflow, основанный на теории конечных автоматов, математической системы МаИаЪ [7 — 9].
В качестве современной элементной базы для архитектуры систем автоматического управления ЭТУ предложено использовать микроконтроллеры с прикладными подпрограммами основных функциональных узлов [1—3]. Согласно [7], цифровое устройство обработки информации можно представить в виде операционного и управляющего автомата. Тогда задача разработки цифрового устройства обработки информации сводится к разработке программного обеспечения управляющего автомата в виде управляющих алгоритмов. При использовании «автоматного программирования» автоматы задаются графами переходов. При таком стиле программирования используют понятия «состояние», «входное воздействие», «выходное воздействие». Цифровой автомат меняет состояние под воздействием входных сигналов. Они возникают вне автомата и передаются по конечному числу входных каналов. Результатом работы цифрового автомата является выдача выходных сигналов, которые передаются по конечному числу выходных каналов. По утверждениям в [10] преимуществом программирования через состояния является лучшее понимание специфики решаемой задачи и ее составных частей.
На этапе разработки основ программного обеспечения сначала выбирали математическую модель управляющего автомата, которая определяет процесс функционирования устройства автоматического управления. При выборе модели управляющего автомата учитывали различные факторы: тип автомата, тип входов, тип выходов (комбинационные, регистровые) и др. [9]. Для математической модели устройства регулирования спектра частот и амплитуды питающего напряжения выбраны: управляющий микропрограммный автомат Мили, в котором действия связаны с переходами (и автомат Мура, в котором действия не зависят от входных сигналов). Это автоматы классов А и В. Они выбраны как самые быстродействующие. Управляющий автомат должен вырабатывать последовательность управляющих сигналов, которые в операционном автомате вызывают последовательность операций. Как отмечено выше, разработка
Рис. 1. Окно создания Simulink модели с таблицами истинности Stateflow
Рис. 2. Окно выбора из библиотеки Simulink и Stateflow элементов для построения логической схемы модели управляющего автомата
математической модели необходима для последующего моделирования логико-временного поведения разрабатываемого устройства. А выбор различных моделей автоматов позволяет получить сравнительные оценки разных вариантов структуры устройств, а также определиться с конечной моделью устройства, которая будет положена в основу программного обеспечения [7 — 9].
На этапе синтеза микропрограммных автоматов применяли методы теории автоматов, позволяющие создавать сложные модели вычислительных устройств. Для описания цифровых устройств использовали язык граф-схем алгоритмов. Пакет событийного программирования Stateflow математической системы МаИаЪ при наличии графического интерфейса позволяет создавать модели в виде графических диаграмм динамического типа. При симуляции такая диаграмма отображает все изменения, которые происходят в данной модели.
При построении микропрограммного автомата выполнено кодирование внутренних состояний
управляющего микропрограммного автомата Мили (Мура) с использованием двоичного алфавита с применением синхронизирующего импульса элементарных автоматов памяти для устранения гонок. На основании структурной таблицы переходов управляющего микропрограммного автомата Мили (Мура) устройства автоматического регулирования спектра частот и амплитуды питающего напряжения электролизных и газоразрядных ЭТУ составлены логические уравнения [1—3].
Для разработанных в [2] моделей управляющих микропрограммных автоматов Мили (или Мура) электролизных и газоразрядных ЭТУ с питанием ТСФ необходима соответствующая проверка логической схемы разработанного устройства для выявления риска сбоя с использованием современных программных продуктов.
В качестве основных элементов для математического моделирования устройства регулирования спектра частот и амплитуды питающего напряжения были использованы граф-схема алгоритма
Рис. 3. Окно создания таблицы истинности и введение текста метки на блоке «tшШtaЫe» для ее вызова
Рис. 4. Окно граф модели управляющего автомата Мили
и граф модели управляющего автомата Мили (Мура), структурная таблица переходов модели автомата Мили (Мура), система булевых уравнений функций возбуждения элементарных автоматов памяти, логическая схема модели управляющего автомата Мили (Мура) разрабатываемого устройства для электролизных и газоразрядных ЭТУ [1 — 3].
На первом этапе моделирования (создания новой Simulink модели с таблицами истинности Stateflow) из блоков библиотек пакетов Simulink и Stateflow формируется одна из разработанных логических схем управляющего микропрограммного автомата Мили (или Мура), правильность которой следует проверить. Затем, используя блоки библиотек пакетов Simulink и Stateflow, формируется граф управляющего микропрограммного автомата Мили (или Мура) устройства автоматического регулирования спектра частот и амплитуды питающе-
го напряжения электротехнологической установки. Алгоритм синтеза автоматов Мили (или Мура) включает также кодирование внутренних состояний. То есть следующим шагом является формирование таблицы структурных переходов модели управляющего микропрограммного автомата Мили (или Мура): заполняются графы и столбцы таблицы истинности.
Следующий шаг — отладка и проверка таблицы истинности. Для этого следует задать начальные параметры (время моделирования, метод моделирования, размер шага моделирования).
В результате завершения процесса моделирования получают следующие диаграммы:
— диаграмма выходных сигналов — микрокоманд;
— диаграмма входных сигналов — логических условий;
Рис. 5. Окно заполнения таблицы истинности
Рис. 7. Окно завершения процесса моделирования управляющего автомата
62
Рис. 8. Окно диаграммы состояний элементов памяти модели управляющего автомата: разряды кода состояния т = (т,, т2, т3, т4, т5) от времени моделирования 25 с эталонного машинного времени для автомата Мили электролизной ЭТУ с питанием ТСФ
— диаграмма состояний элементов памяти — Б-триггеров.
На рис. 1—8 показаны окна пошагового моделирования с использованием математической системы МайаЬ. На рис. 8 в качестве примера показана диаграмма состояний элементов памяти модели управляющего микропрограммного автомата Мили, положенная в основу программного обеспечения для устройства регулирования спектра частот и амплитуды питающего напряжения на примере электролизной ЭТУ.
После выполнения проверки (моделирования) управляющих алгоритмов устройств автоматического регулирования спектра частот и амплитуды питающего напряжения ЭТУ с питанием ТСФ следует этап изготовления устройств, что может быть реализовано с применением серийно выпускаемых промышленных контроллеров с прикладными программами функциональных блоков (с использованием эволюционных схем) [11].
Выводы. Рассмотренная методика математического моделирования на примере электролизных ЭТУ позволяет и для газоразрядных установок, установок с инфракрасными излучателями выявить ошибки при разработке логических схем и выполнить соответствующий анализ о достоверности принятых решений с применением математической системы компьютерного моделирования МайаЬ.
Библиографический список
1. Птицына Е. В. Электролизные и газоразрядные электротехнологические установки с питанием током сложной формы: моногр. / под ред. А. Б. Кувалдина. Павлодар: ТОО НПФ «ЭКО», 2007. 420 с.
2. Птицына Е. В., Кувалдин А. Б. Работа дуговых печей небольшой емкости при питании током сложной формы // Электрометаллургия. 2006. № 6. С. 26 — 36.
3. Птицына Е. В., Птицын Д. В. Анализ процессов в электротехнологических установках как основа разработки алгоритмов управления // Электротехнология в первом десятилетии XXI века: сб. докл. науч.-техн. семинара, посвящ. 100-летию проф. М. Я. Смелянского. М., 2013. С. 242-257.
4. Ротач В. Я. Теория автоматического управления. 3-е изд., стер. М.: Изд-во МЭИ, 2005. 400 с.
5. Трубицын П. А. Оценка погрешности измерения электрической мощности по действующим значениям напряжения и тока при искажениях формы сигнала // Системы управления обработки информации: науч.-техн. сб. СПб., 2013. Вып. 27. С. 87-92.
6. Михалин С. Н., Геворкян В. М. Проблемы цифровой обработки сигналов в системе автоматического контроля качества и учета количества электроэнергии // Вестник МЭИ. 2005. № 1. С. 86-92.
7. Глушков В. М. Синтез цифровых автоматов. M.: Физ-матгиз, 1962. 476 с.
8. Дьяконов В. П. Simulink 4. Специальный справочник. СПб.: Питер, 2002. 528 с. ISBN 5-318-00551-9.
9. Соловьев В. В. Проектирование цифровых систем на основе программируемых логических интегральных схем. М.: Горячая линия - Телеком, 2001. 636 с. ISBN 5-93517-043-4.
10. Шалыто А. А., Туккель Н. И. Реализация автоматов при программировании событийных систем // Программист. 2002. № 4. С. 74-80.
11. Официальный сайт фирмы «Atmel». URL: http://www. atmel.com (дата обращения: 16.02.2017).
ПТИЦЫНА Елена Витальевна, доктор технических наук, профессор кафедры «Теоретическая и общая электротехника» Омского государственного технического университета (ОмГТУ), член-корреспондент Российской академии электротехнических наук. Адрес для переписки: evptitsyna@yandex.ru ПТИЦЫН Дмитрий Вячеславович, ассистент кафедры «Теоретическая и общая электротехника» ОмГТУ.
Адрес для переписки: fcdimon@ostu.ru КУВАЛДИН Александр Борисович, доктор технических наук, профессор (Россия), профессор кафедры «Автоматизированные электротехнологические установки и системы» Национального исследовательского университета «Московский энергетический институт», академик Российской академии электротехнических наук.
Адрес для переписки: a.kuvaldin2013@yandex.ru
Статья поступила в редакцию 24.03.2017 г. © Е. В. Птицына, Д. В. Птицын, А. Б. Кувалдин
