СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ В АППАРАТЕ С ОБОГРЕВАЮЩЕЙ РУБАШКОЙ Российский патент 2001 года по МПК G05D23/19 

Изобретение относится к области автоматического управления технологическими объектами химической, металлургической и других промышленностей и может быть применено для автоматического управления температурой.

Широко известны способы автоматического регулирования процесса в объекте управления, заключающиеся в измерении текущего значения управляемой величины, сравнении ее с заданной, выработке по установленному закону в зависимости от разности фактической температуры и заданной, скорости ее изменения, и воздействия через исполнительный блок на регулируемый процесс или объект управления /1/.

Известен также способ автоматического регулирования процесса в объекте управления с уменьшенной динамической ошибкой в установившемся режиме, заключающийся в дополнительном вводе в систему автоматического регулирования (САР) по "отклонению" корректирующих блоков, уменьшающих с помощью внутренних обратных связей постоянные времени звеньев, входящих в замкнутый контур CAP по "отклонению" и тем самым повышающих качество регулирования /1/.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному способу является способ /2/, включающий измерение температуры в аппарате, сравнение ее с заданной, измерение количества электроэнергии, затраченной в цикле регулирования температуры, длительности циклов, фактической мощности нагревателя, времени от начала цикла, до текущего момента, вычисление эквивалентной мощности нагрева тела, заданного количества электроэнергии эквивалентной мощности нагревателя, сравнение измеренной температуры с заданной, фактической мощности нагревателя с эквивалентной заданной, фактического количества электроэнергии с заданным, формировании по результатам сравнения управляющих сигналов на изменение мощности и количества электроэнергии.

Однако применение этого способа не обеспечивает высокое качество регулирования при изменении температуры среды, окружающей аппарат с обогревающей рубашкой.

Технической задачей изобретения является повышение точности поддержания температуры на заданном уровне, повышения качества регулирования.

Техническая задача решается тем, что в способе автоматического регулирования температуры в электрической печи, заключающемся в измерении температуры в аппарате, сравнении ее с заданной, измерении количества электроэнергии, затраченного в цикле регулирования температуры, длительности циклов, фактической мощности нагревателя, времени от начала цикла до текущего момента, вычислении эквивалентной мощности нагревателя, заданного количества электроэнергии эквивалентной мощности нагревателя, сравнении измеренной температуры с заданной, фактической мощности нагревателя с эквивалентной заданной, фактического количества электроэнергии с заданным, формировании по результатам сравнения управляющих сигналов на изменение мощности и количества электроэнергии, дополнительно измеряют температуру среды, окружающей аппарат, в непосредственной близости от него, температуру жидкостного теплоносителя внутри обогревающей рубашки, имеющей нагреватель, температуры внутренних и наружных поверхностей всех стенок аппарата, по заранее известным графическим зависимостям определяют коэффициенты теплоотдачи внутренних и наружных поверхностей всех стенок аппарата в зависимости от измеренных температур, вычисляют полезный тепловой поток и тепловой поток рассеивания, суммируют вычисленные тепловые потоки, получая таким образом полный расчетный тепловой поток, эквивалентный начальной величине заданной мощности, выделяемой в нагревателе, определяют коэффициент пропорциональности для исходных условий теплоотдачи, при изменении условий теплоотдачи, в частности, при изменении температуры окружающей среды повторяют определение коэффициентов теплоотдачи, вычисляют новые значения теплового потока рассеивания и полного расчетного теплового потока и новое значение эквивалентной мощности, сопоставляют его с начальным заданным значением, сигнал, пропорциональный разности, полученной в результате сопоставлений, подают на регулятор, вырабатывающий дополнительный сигнал, воздействующий на нагреватель по заданному закону.

Сущность способа регулирования температуры в аппарате с обогревающей рубашкой, конструкция которого показана на чертеже, состоит в следующем.

С помощью датчика температуры производят измерения текущего значения температуры T_P в аппарате. Текущее значение температуры сопоставляют с заданным значением T_зад.

Сигнал Δ T, пропорциональный алгебраической разности
ΔT = ±|T_p+T_зад| (1)
подают на регулятор температуры.

С помощью регулятора температуры вырабатывают сигнал и подают его на устройство сравнения выходных сигналов.

Производят измерение длительности t_1ц 1^го цикла и текущего времени t₂ 2^го цикла регулирования. Одновременно измеряют мощность нагревателя P.

По известной длительности 1^го цикла t_1ц и мощности P нагревателя производят вычисление количества электроэнергии, затраченной в 1^ом цикле регулирования

Затем производят вычисление эквивалентной мощности 1^го цикла
P₁=W₁/t_1ц, (3)
которую принимают в качестве заданной мощности для 2^го цикла регулирования
P₁=P_зад.

Используя время от начала 2^го цикла t₂ и заданную мощность P_зад, производят вычисление заданной электроэнергии во 2^ом цикле, к текущему моменту времени t₂ по формуле
W_зад=P_зад•t₂. (4)
Производят измерение количества электроэнергии W₂, затраченной во 2^ом цикле регулирования к моменту времени t₂.

Сигнал, пропорциональный алгебраической разности
ΔW = ±|W₂-W_зад| (5)
подают на блок формирования дополнительного управляющего сигнала.

Формирование дополнительного управляющего сигнала производят следующим образом.

Если W₂ > W_зад, то нагреватель отключают от электрической сети на время паузы

Если же W₂ < W_зад, нагреватель дополнительно подключают на полное напряжение электрической сети на время

Дополнительный управляющий сигнал подают на устройство сравнения выходных сигналов.

Производят измерение мощности P₂ в текущий момент времени t₂ 2^го цикла регулирования. Сигнал, пропорциональный разности заданной мощности P_зад и мощности P₂
ΔP = ±|P_зад-P₂| (8)
подают на регулятор мощности. С помощью регулятора мощности, в зависимости от величины и знака ΔP, формируют управляющий сигнал и подают его на устройство сравнения выходных сигналов.

Сигналы, поступающие с регулятора температуры, блока формирования управляющего сигнален регулятора мощности алгебраически суммируют и получают сигнал
E=E_T + E_P + E_W,
который подают на вход блока управления тиристорами, подключающими нагреватель к напряжению сети.

Для стабилизации температуры T_P реакционной массы в аппарате 1 (см. чертеж) при изменении температуры T_O среды, окружающей аппарат, вблизи него, формируют дополнительный сигнал, который подают на регулятор мощности, воздействующий на нагреватель.

Формирование дополнительного сигнала производится следующим образом.

Производят измерение температуры T_P реакционной массы 2, температуры T_O среды, окружающей аппарат, вблизи него, а также температуры T_T жидкого теплоносителя 3 внутри обогревающей рубашки.

Измеряют температуру внутренних T_Bi, и наружных T_Hi поверхностей всех стенок аппарата и по заранее известным графическим зависимостям определяют коэффициенты теплоотдачи внутренних α_Bi и наружных α_Hi поверхностей всех стенок аппарата.

По известным температурам T_T и T_P, высоте активной части H, внутреннему d_B1 и наружному d_H1 диаметрам 1^ой стенки 8, толщине b₁ днища 4 1^ой стенки, отделяющей реакционную массу от теплоносителя, коэффициенту теплопроводности λ_C1 1^ой стенки и коэффициентам теплоотдачи внутренней α_B1 и наружной α_H1 поверхностей 1^ой стенки и днища 1^ой стенки, вычисляют полезный тепловой поток по формуле:
σ_n= σ_nбок+σ_nдно, (10)
где

- полезный тепловой поток через 1^ую стенку аппарата,

- полезный тепловой поток через днище 1^ой стенки.

Под высотой активной части аппарата подразумевается расстояние от днища 1^ой стенки до верхнего уровня реакционной массы и теплоносителя.

Используя значения температуры T_Т теплоносителя, температуры T_O среды, окружающей аппарат, температуры T_ПР паров над реакционной массой, температуры T_ПТ паров теплоносителя, коэффициента теплоотдачи α_B11 внутренней поверхности крышки 13 1^ой стенки, коэффициента теплоотдачи α_B22 внутренней поверхности крышки 12 и внутренней поверхности части 2^ой стенки 9, отделяющей пары теплоносителя от 1^го слоя 6 теплоизоляции, коэффициента теплоотдачи α_B2 внутренней поверхности части 2^ой стенки, отделяющей теплоноситель от 1^го слоя теплоизоляции, коэффициента теплоотдачи α_HO наружной поверхности n^ой стенки 11, отделяющей последний (n-1)^ый слой 7 теплоизоляции от окружающей среды, коэффициента теплопроводности λ_Ci i^ой стенки 10, внутреннего диаметра d_B2 2^ой стенки, внутреннего d_Bi и наружного d_Hi диаметров i^ой стенки, толщины b_i днища и крышки i^ой стенки, расстояния h от верхнего уровня теплоносителя и реакционной массы до крышки 12 2^ой стенки, наружного диаметра d_HO n^ой стенки и высоты активной части H аппарата вычисляют тепловой поток рассеивания в окружающую среду по формуле:
σ_p= σ_рбок1+σ_рбок2+σ_рдно+σ_рк1+σ_рк2, (13)
где

- исходный тепловой поток рассеивания через часть 2^ой стенки аппарата, отделяющей теплоноситель от 1^го слоя теплоизоляции,

- исходный тепловой поток рассеивания через часть 2^ой стенки аппарата, отделяющей пары теплоносителя от 1^го слоя теплоизоляции,

- исходный тепловой поток рассеивания через днище 5 2^ой стенки аппарата,

- исходный тепловой поток рассеивания через крышку 1^ой стенки аппарата, отделяющую пары над реакционной массой от 1^го слоя теплоизоляции,

- исходный тепловой поток рассеивания через крышку 2^ой стенки аппарата, отделяющую пары теплоносителя от 1^го слоя теплоизоляции.

Вычисленный таким образом полезный тепловой поток σ_n и тепловой поток рассеивания σ_p суммируют и получают величину полного расчетного теплового потока по формуле:
σ_пр= σ_n+σ_p. (19)
Величина полного расчетного теплового потока σ_пр связана с начальной величиной заданной мощности P_зад, выделяемой в нагревателе, формулой:
P_зад= к•σ_пр. (20)
Для исходных условий теплоотдачи для начальной температуры окружающей среды T_OH определяют коэффициент пропорциональности к по формуле:
к = P_зад/σ_пр. (21)
При уменьшении температуры окружающей среды до T_OM в начальный момент времени t_H повторяют определение коэффициентов теплоотдачи α_B11,α_B22,α_B2,α_HO. В зависимости от измеренных температур T_ПТ, T_T, T_ПР и T_OM вычисляют новое текущее значение теплового потока рассеивания, σ_рм, соответствующее новым, изменившимся по отношению к начальным условиям теплоотдачи, то есть уменьшению температуры окружающей среды, по формуле:

где

- тепловой поток рассеивания через часть 2^ой стенки аппарата, отделяющей теплоноситель от 1^го слоя теплоизоляции, соответствующий изменившимся условиям теплоотдачи,

- тепловой поток рассеивания через часть 2^ой стенки аппарата, отделяющей пары теплоносителя от 1^го слоя теплоизоляции, соответствующий изменившимся условиям теплоотдачи,

- тепловой поток рассеивания через днище 2^ой стенки аппарата, соответствующий изменившимся условиям теплоотдачи,

- тепловой поток рассеивания через крышку 1^ой стенки аппарата, отделяющую пары над реакционной массой от 1^го слоя теплоизоляции, соответствующий изменившимся условиям теплоотдачи,

- тепловой поток рассеивания через крышку 2^ой стенки аппарата, отделяющую пары теплоносителя от 1^го слоя теплоизоляции, соответствующий изменившимся условиям теплоотдачи,
где текущие значения коэффициентов теплоотдачи α_B11, α_B22, α_B2, α_HO, соответствующие изменившимся условиям теплоотдачи.

Вычисляют новое значение полного расчетного теплового потока σ_прм
σ_прм= σ_п+σ_рм (28)
и новое значение эквивалентной мощности P_задм
P_задм= к•σ_прм. (29)
Затем сопоставляют новое значение эквивалентной P_задм с начальным значением P_зад, и сигнал, пропорциональный разности:
δР = P_задм - P_зад, (30)
подают на регулятор, вырабатывающий дополнительный сигнал, воздействующий на нагреватель по заданному закону.

При увеличении температуры окружающей среды до T_об повторяют определение коэффициентов теплоотдачи α_B11, α_B22, α_B2, α_HO в зависимости от измеренных температур в момент времени t_OH.

Вычисляют новое текущее значение теплового потока рассеивания σ_pδ, соответствующее увеличенной температуре T_oδ окружающей среды, по формуле:

где

- тепловой поток рассеивания через часть 2^ой стенки аппарата, отделяющей теплоноситель от 1^го слоя теплоизоляции, соответствующий изменившимся условиям теплоотдачи,

- тепловой поток рассеивания через часть 2^ой стенки аппарата, отделяющей пары теплоносителя от 1^го слоя теплоизоляции, соответствующий изменившимся условиям теплоотдачи,

- тепловой поток рассеивания через днище 2^ой стенки аппарата, соответствующий изменившимся условиям теплоотдачи,

- тепловой поток рассеивания через крышку 1^ой стенки аппарата, отделяющую пары над реакционной массой от 1^го слоя теплоизоляции, соответствующий изменившимся условиям теплоотдачи,

- тепловой поток рассеивания через крышку 2^ой стенки аппарата, отделяющую пары теплоносителя от 1^го слоя теплоизоляции, соответствующий изменившимся условиям теплоотдачи,
где α_B11δ, α_B22δ, α_B2δ, α_HOδ - текущие значения коэффициентов теплоотдачи α_B11, α_B22, α_B2, α_HO, соответствующие изменившимся условиям теплоотдачи.

Вычисляют новое значение полного расчетного теплового потока

Вычисляют новое значение эквивалентной мощности P_задδ, соответствующее σ_прδ
P_задδ= к•σ_прδ. (38)
Сопоставляют новое значение эквивалентной мощности P_задδ с начальным значением P_зад, и сигнал, пропорциональный разности
δP = P_задδ-P_зад (39)
подают на регулятор мощности, вырабатывающий дополнительный сигнал. Воздействующий на нагреватель по заданному закону.

Библиографический список
1. Воронов А.А. Основы теории автоматического управления. Автоматическое регулирование непрерывных линейных систем, М., Энергия, 1980, 312 с.

2. Патент RU N 2115154, кл. G 05 D 23/00, 23/19. Бюл. N 19 10.07.98 г.

Перечень позиций на фиг. 1
1 - аппарат с обогревающей рубашкой,
2 - реакционная масса,
3 - теплоноситель,
4 - днище 1^ой стенки,
5 - днище 2^ой стенки,
6 - 1^ый слой теплоизоляции,
7 - (n-1)^ый слой теплоизоляции,
8 - 1^ая стенка,
9 - 2^ая стенка,
10 - i^ая стенка,
11 - n^ая стенка,
12 - крышка 2^ой стенки,
13 - крышка 1^ой стенки.

Изобретение относится к области автоматического регулирования технологическими объектами химической, металлургической и других промышленностей и может быть применено для автоматического регулирования температуры. Технический результат заключается в повышении точности автоматического регулирования температуры. Способ заключается в том, что измеряют количество электроэнергии в циклах автоматического регулирования, вычисляют эквивалентную мощность источника тепла, принимая ее в качестве заданной величины, измеряют температуру реакционной массы, находящейся в аппарате, жидкостного теплоносителя, находящегося в обогревающей рубашке, внутренних и наружных поверхностей всех стенок аппарата, среды, окружающей аппарат, определяют коэффициенты теплоотдачи поверхностей стенок, вычисляют тепловые потоки, коэффициенты пропорциональности, фактические значения эквивалентной мощности, сопоставляют их с заданной величиной эквивалентной мощности, фактическую величину температуры реакционной массы сопоставляют с заданной величиной температуры, сигналы, пропорциональные разностям фактических величин эквивалентной мощности, температуры реакционной массы и их заданных значений, подают на регуляторы мощности и температуры, вырабатывающие сигналы, воздействующие на источник тепла по заданным законам. 1 ил.

Способ автоматического регулирования температуры в аппарате с обогревающей рубашкой, имеющей теплоноситель, включающий измерение температуры реакционной массы в аппарате, сравнение ее с заданной, измерение количества электроэнергии, затраченное в цикле регулирования температуры, длительности циклов, фактической мощности нагревателя, времени от начала цикла до текущего момента, вычисление эквивалентной мощности нагревателя, заданного количества электроэнергии эквивалентной мощности нагревателя, сравнение фактической мощности нагревателя с эквивалентной заданной, фактического количества электроэнергии - с заданным, формирование по результатам сравнения управляющих сигналов на изменение мощности и количества электроэнергии, отличающийся тем, что дополнительно для исходного состояния в исходный момент времени t_o = 0 в аппарате с обогревающей рубашкой измеряют температуру паров над реакционной массой, температуру среды, окружающей аппарат, вблизи него, температуру жидкостного теплоносителя внутри обогревающей рубашки, имеющей нагреватель, температуру паров жидкостного теплоносителя, температуры внутренних и наружных поверхностей всех стенок, днищ и крышек аппарата, по заранее известным графическим зависимостям определяют коэффициенты теплоотдачи внутренних и наружных поверхностей всех стенок, днищ и крышек аппарата в зависимости от измеренных температур, вычисляют полезный тепловой поток по формуле
σ_n = σ_nбок+σ_nдно,
где - исходный полезный тепловой поток через первую стенку аппарата, отделяющую теплоноситель от реакционной массы;
- исходный полезный тепловой поток через днище первой стенки,
где Т_T - температура жидкостного теплоносителя внутри обогревающей рубашки, имеющей нагреватель;
Т_р - температура реакционной массы в аппарате;
α_B1, α_H1 - коэффициенты теплоотдачи внутренней и наружной поверхностей первой стенки соответственно;
λ_C1 - коэффициент теплопроводности первой стенки;
d_H1 - наружный диаметр первой стенки;
d_B1 - внутренний диаметр первой стенки;
b₁ - толщина днища и крышки первой стенки;
H - высота активной части аппарата,
и исходный тепловой поток рассеивания в окружающую среду по формуле

где - исходный тепловой поток рассеивания через часть второй стенки аппарата, отделяющей теплоноситель от первого слоя теплоизоляции,
- исходный тепловой поток рассеивания через часть второй стенки аппарата, отделяющей пары теплоносителя от первого слоя теплоизоляции,
- исходный тепловой поток рассеивания через днище второй стенки аппарата,
- исходный тепловой поток рассеивания через крышку первой стенки аппарата, отделяющую пары над реакционной массой от первого слоя теплоизоляции,
- исходный тепловой поток рассеивания через крышку второй стенки аппарата, отделяющую пары теплоносителя от первого слоя теплоизоляции,
где Т_ПТ - температура паров теплоносителя,
Т_ПР - температура паров над реакционной массой,
Т_О - температура среды, окружающей аппарат вблизи него,
α_B11/- коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности крышки первой стенки аппарата,
α_B22 - коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности крышки и внутренней поверхности части второй стенки аппарата, отделяющих пары теплоносителя от первого слоя теплоизоляции,
α_B2 - коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности части второй стенки, отделяющей теплоноситель от первого слоя теплоизоляции,
α_H0 - коэффициент теплоотдачи наружной поверхности n-й стенки, отделяющей последний (n-1)-й слой теплоизоляции от окружающей среды,
λ_Сi - коэффициент теплопроводности i-й стенки,
d_B2 - внутренний диаметр второй стенки,
d_Bi - внутренний диаметр i-й стенки,
d_Hi - наружный диаметр i-й стенки,
d_HO - наружный диаметр n-й стенки,
b_i - толщина днища и крышки i-й стенки,
h - расстояние от верхнего уровня теплоносителя и реакционной массы до крышки второй стенки,
i - порядковый номер стенки,
n - предельный порядковый номер наружной стенки, наружного днища и наружной крышки, наружная поверхность которых соприкасается с окружающей средой,
суммируют вычисленные тепловые потоки, получая таким образом величину полного расчетного теплового потока по формуле
σ_пр = σ_n+σ_p,
эквивалентную начальной величине заданной мощности P_зад, выделяемой в нагревателе, и связанную с величиной полного расчетного теплового потока формулой
P = P_зад = K(σ_n+σ_p),
затем определяют коэффициент пропорциональности К по формуле

для исходных условий теплоотдачи для начальной температуры окружающей среды Т_OH, при уменьшении температуры окружающей среды до Т_OM в начальный момент времени t_H повторяют определение коэффициентов теплоотдачи α_B11, α_B22, α_B2, α_HO, в зависимости от измеренных температур Т_ПТ, Т_р, Т_ПР и Т_О вычисляют новое текущее значение теплового потока рассеивания, σ_рм, соответствующее новым, изменившимся по отношению к начальным условиям теплоотдачи, то есть уменьшению температуры окружающей среды, по формуле

где - тепловой поток рассеивания через часть второй стенки аппарата, отделяющей теплоноситель от первого слоя теплоизоляции, соответствующий изменившимся условиям теплоотдачи,
- тепловой поток рассеивания через часть второй стенки аппарата, отделяющей пары теплоносителя от первого слоя теплоизоляции, соответствующей изменившимся условиям теплоотдачи,
- тепловой поток рассеивания через днище второй стенки аппарата, соответствующий изменившимся условиям теплоотдачи,
- полезный тепловой поток через крышку первой стенки аппарата, отделяющую пары над реакционной массой от первого слоя теплоизоляции, соответствующий изменившимся условиям теплоотдачи,
- тепловой поток рассеивания через крышку второй стенки аппарата, отделяющую пары теплоносителя от первого слоя теплоизоляции, соответствующий изменившимся условиям теплоотдачи,
где - текущие значения коэффициентов теплоотдачи α_B11, α_B22, α_B2, α_HO, соответствующие изменившимся условиям теплоотдачи, вычисляют новое значение полного расчетного теплового потока σ_прм и новое значение эквивалентной мощности P_задм для σ_прм по формуле P_задм = K(σ_n+σ_прм), сопоставляют новое значение эквивалентной мощности P_задм с начальным значением P_зад, а сигнал, пропорциональный разности по формуле
δP = P_задм - P_зад,
подают на регулятор мощности, вырабатывающий дополнительный сигнал, воздействующий на нагреватель по заданному закону, а при увеличении температуры окружающей среды до Т_об повторяют определение коэффициентов теплоотдачи α_B11δ, α_B22δ, α_B2δ, α_HOδ в зависимости от измеренных температур Т_T, Т_ПТ, Т_ПР и T_Oδ в момент времени t_OH, вычисляют новое текущее значение теплового потока рассеивания σ_pδ, соответствующее увеличенной температуре Т_об окружающей среды, по формуле

где - тепловой поток рассеивания через часть второй стенки аппарата, отделяющей теплоноситель от первого слоя теплоизоляции, соответствующий изменившимся условиям теплоотдачи,
- тепловой поток рассеивания через часть второй стенки аппарата, отделяющей пары теплоносителя от первого слоя теплоизоляции, соответствующий изменившимся условиям теплоотдачи,
- тепловой поток рассеивания через днище второй стенки аппарата, соответствующий изменившимся условиям теплоотдачи,
- тепловой поток рассеивания через крышку первой стенки аппарата, отделяющую пары над реакционной массой от первого слоя теплоизоляции, соответствующий изменившимся условиям теплоотдачи,
- тепловой поток рассеивания через крышку второй стенки аппарата, отделяющую пары теплоносителя от первого слоя теплоизоляции, соответствующий изменившимся условиям теплоотдачи,
где α_B11δ, α_B22δ, α_B2δ, α_HOδ- текущие значения коэффициентов теплоотдачи α_B11, α_B22, α_B2, α_HO, соответствующие изменившимся условиям теплоотдачи,
вычисляют новое значение эквивалентной мощности P_задδ для σ_рδ, сопоставляют новое значение эквивалентной мощности P_задδ - с начальным значением P_зад, а сигнал, пропорциональный разности в соответствии с формулой, подают на регулятор мощности, вырабатывающий дополнительный сигнал, воздействующий на нагреватель по заданному закону.