СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ В ПЕЧИ Российский патент 2000 года по МПК G05D23/19 

Изобретение относится к способам автоматического регулирования, в частности к автоматическому регулированию температуры печи при помощи формирования сигнала управления нагревателем компьютерной программой.

Опыт автоматизации технологических процессов показывает, что наибольшее распространение среди алгоритмов функционирования регуляторов имеет типовой пропорционально-интегрально-дифференциальный (ПИД) алгоритм и его модификации. Для улучшения качества регулирования либо вводят добавочные специфичные для данного объекта каналы информации о его состоянии и усложняют алгоритм регулирования, либо вводят дополнительное регулирование второстепенных параметров объекта и усложняют его конструкцию.

Известен способ, осуществляемый путем измерения основного параметра (температуры нагреваемого объекта) и вспомогательного параметра (температуры нагревателя) и стабилизации температуры нагреваемого объекта с помощью воздействия на регулятор разности обоих параметров [1].

Недостатками известного способа является то, что он требует введения дополнительной термопары, усложнения конструкции печи и регулятора.

Наиболее близким к предлагаемому по принципу действия является способ, осуществляемый путем измерения основного параметра (температуры нагреваемого объекта) и стабилизации температуры нагреваемого объекта с помощью воздействия на регулятор сигнала, сформированного по пропорционально-интегрально-дифференциальному алгоритму [2]:

где U - управляемый параметр;
П, И, Д - коэффициенты вклада пропорционального, интегрального и дифференциального алгоритмов регулирования;
Err - разность между задаваемой температурой и текущей температурой в печи, ^o;
τ - время, с.

Способ удобен лишь для управления стационарными процессами, такими как поддержание режима работы ТЭС и АЭС. Способ имеет низкую скорость перехода от одного этапа нагрева или охлаждения к следующему и неодинаковую точность поддержания заданного режима в широком диапазоне температур и скоростей нагрева или охлаждения, что обусловлено большим различием во времени отклика системы при низких и высоких температурах. Это приводит к тому, что при низких температурах, давлениях в печи и малых скоростях нагрева (охлаждения) выбранные значения коэффициентов П, И, Д оказываются чрезмерно большими и наоборот. Помимо этого, ПИД алгоритм не позволяет осуществлять резкий переход от этапа нагрева к этапу охлаждения печи и не позволяет резко установить высокое управляющее воздействие в случае начала работы при уже горячей печи.

Целью изобретения является уменьшение времени установления заданного режима и повышение точности его поддержания.

Поставленная цель достигается тем, что в способе автоматического регулирования температуры в печи путем измерения основного параметра объекта (температуры) и стабилизации его с помощью формирования сигнала управления нагревателем по пропорционально-интегрально-дифференциальному алгоритму с помощью компьютерной программы согласно изобретению устанавливают дополнительную зависимость управляющего сигнала от температуры в печи и от заданной скорости нагрева (охлаждения), описываемую уравнениями (1) и (2):
U₀ = a + b•t + c•t² (1)

где U₀ - напряжение, подаваемое на нагреватель в начальный момент времени. В;
a-d - численные константы;
t - температура в печи, ^oC;
U - напряжение, подаваемое на нагреватель в течение управления, В;
П, И, Д - коэффициенты вклада пропорционального, интегрального и дифференциального алгоритмов регулирования;
V - заданная скорость нагрева (охлаждения), ^oC/мин;
Err - разность между задаваемой температурой и текущей температурой в печи, ^oC;
τ - время, с.

Установление указанной дополнительной зависимости позволяет уменьшить отклонения от заданного режима в широком диапазоне температур и скоростей нагрева и охлаждения.

Для уменьшения времени перехода от одной стадии нагрева, охлаждения или изотермической выдержки к следующей в способе устанавливают дополнительную зависимость управляющего сигнала от времени с момента начала очередной стадии, а также от давления и температуры в печи, описываемую уравнениями (3) и (4):


где P - давление в печи, Па;
d, e - численные константы.

Для уменьшения времени перехода от стадии нагрева или изотермической выдержки к стадии охлаждения в способе устанавливают дополнительное скачкообразное уменьшение управляющего воздействия на 5-20% после достижения максимальной температуры текущей стадии:
U = U - f, (5)
где f - численная константа.

Способ осуществляют следующим образом.

Предварительно во всем температурном диапазоне работы печи измеряют в режиме нагрева и охлаждения с относительно малыми скоростями (до 30^oC/мин) напряжение питания U и строят две соответствующие ветви графика температура-напряжение. Константы a-c определяют как коэффициенты, описывающие ветвь нагрева этого графика, а коэффициент f - как среднюю величину разности между ветвями. Коэффициент e определяет скорость уменьшения стартовой поправки и зависит от инерционности печи. При малоинерционной печи (время охлаждения в газовой атмосфере от 1000^oC до 100^oC 2-10 минут) можно принять e=0,1 с^-1. При этом величина C_m уменьшится от 2 до 1,5 за 10 секунд. При более инерционной печи величину e можно уменьшить до 0,01-0,05 с^-1. Безразмерный коэффициент d оптимизируется для данной печи по серии опытов путем увеличения его в диапазоне от 1 до 20 до достижения наилучшего поддержания заданного режима регулирования. Однажды подобранные под данную печь коэффициенты a-f остаются неизменными при дальнейшей эксплуатации печи. В ходе отладки регулирования и определения оптимальных коэффициентов большую помощь оказывает выведение на экран управляющего компьютера текущих значений трех слагаемых в уравнении (4) и величины C_m.

Перед началом многостадийного процесса задается лишь три коэффициента - П, И, Д, которые могут увеличить или уменьшить вклад соответствующих слагаемых, а также задаваемые давление в печи, скорости нагревов и охлаждений, времена изотермических выдержек и температуры начала и конца соответствующих этапов (стадий). Коэффициенты П, И и Д оптимизируются для данной печи по стандартным рекомендациям [2] путем их изменения от малых значений к более высоким.

При начале процесса регулирования система управления определяет температуру t в печи и без задержки во времени устанавливает приближенное значение управляющего воздействия U, соответствующее этой температуре (уравнение (1)). С целью наиболее быстрого перехода к очередному стационарному режиму вводят дополнительный стартовый множитель C_m (уравнения (3), (4)), увеличивающий в несколько раз отклик на отклонение процесса от заданного режима в течение первых секунд от начала очередного этапа, но уменьшающийся постепенно до единицы. Учет влияния температуры t в диапазоне от 10 до 2200^oC и давления P в диапазоне от 0 до 400000 Па позволяет с одинаковой точностью поддерживать режим работы печи при различных температурах, в вакууме и в газовой атмосфере. Введение зависимости от заданной скорости нагрева или охлаждения V (уравнения (2), (4)), усиливает отклик системы на отклонение от режима при высокой заданной скорости нагрева (охлаждения) и позволяет при любых скоростях сохранять оптимальное отклонение от задаваемого режима.

Известный и описываемый законы регулирования испытаны на лабораторной исследовательской установке для дифференциального термического анализа. Применение описываемого способа регулирования температуры в печи в диапазоне от 10 до 2200^oC при давлениях в диапазоне от 1 до 400000 Па сократило время перехода от одной стадии к следующей в 1,5-2 раза (при 800^oC переход происходит за 4-7 минут вместо 8-12 минут), а точность поддержания заданной скорости нагрева или охлаждения печи - в 2-2,5 раза (скорость отклоняется от заданной не более чем на 5-7% вместо 10-15%).

Таким образом, описанный способ может быть широко внедрен для управления печами, в частности, используемыми для проведения различных видов термического анализа сырья и материалов, применяемых в промышленности.

Источники информации, принятые во внимание:
1. Шестак Я. Теория термического анализа: Физико-химические свойства твердых неорганических веществ/ Пер. с англ. под ред. И. В. Архангельского и др. -М.: Мир,-1987.-455С.

2. Автоматизация настройки систем управления. В. Я. Ротач, В. Ф. Кузищин, А. С. Клюев и др. Под ред. В. Я. Ротача -М.: Энергоатомиздат, 1984.- С. 272.

Изобретение относится к способам автоматического регулирования, а именно к автоматическому регулированию температуры печи при помощи формирования сигнала управления нагревателем компьютерной программой. Технический результат - уменьшение времени установления заданного режима и повышение точности его поддержания. Для этого устанавливают в соответствии с предложенными уравнениями дополнительную зависимость сигнала управления нагревателем от температуры в печи, от заданной скорости нагрева или охлаждения, от давления в печи и от времени с момента начала очередного этапа работы печи (нагрева, охлаждения или изотермической выдержки). Установление указанных дополнительных зависимостей позволяет уменьшить в 1,5-3 раза отклонения от заданного режима в широком диапазоне температур и скоростей нагрева и охлаждения по сравнению с известным ПИД алгоритмом. 2 з.п. ф-лы.

1. Способ автоматического регулирования температуры в печи путем измерения температуры и стабилизации ее с помощью формирования сигнала управления нагревателем по пропорционально-интегрально-дифференциальному закону с помощью компьютерной программы, отличающийся тем, что упомянутый сигнал управления нагревателем формируют в зависимости от температуры печи и от заданной скорости нагрева или охлаждения в соответствии с уравнениями (1) и (2):


где U₀ - напряжение, подаваемое на нагреватель в начальный момент времени, В;
t - температура в печи, ^oC;
U - напряжение, подаваемое на нагреватель в течение управления, В;
П, И, Д - коэффициенты вклада пропорционального, интегрального и дифференциального законов регулирования;
V - абсолютная величина заданной скорости нагрева или охлаждения, ^oC/мин;
Err - разность между задаваемой температурой и текущей температурой в печи, ^oC;
τ - время, с;
a-d - численные константы. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что упомянутый сигнал управления нагревателем формируют с дополнительной зависимостью от времени с момента начала очередной стадии и от давления и температуры в печи в соответствии с уравнениями (3) и (4):


где Cm - стартовая поправка;
Р - давление в печи, Па;
е - численная константа. 3. Способ по п.2, отличающийся тем, что при переходе от стадии нагрева к стадии охлаждения или изотермической выдержки устанавливают дополнительное скачкообразное уменьшение упомянутого сигнала управления нагревателем на 5 - 20%.