СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ В ГРЕЮЩЕЙ КАМЕРЕ ПЕЧИ И СИСТЕМА ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2007 года по МПК G05D23/19 

Изобретение относится к автоматизации технологических процессов, а именно к способу регулирования температуры в греющей камере печи и системе для его реализации, и может быть использовано в химической, металлургической и других отраслях промышленности.

Известен двухпозиционный способ регулирования температуры в греющей камере печи и система, использующая двухпозиционные регуляторы для его реализации (Электрооборудование и автоматика электротермических установок: Справочник / Под ред. А.П.Альтгаузена, М.Д.Бершицкого, М.Я.Смелянского, В.М.Эдемского. - М.: Энергия, 1978).

Использование такого способа и системы регулирования температуры предполагает наличие диапазона допустимых отклонений температуры, ограничиваемого уставками t°_МИН и t°_МАКС, который увеличивает амплитуду колебаний текущей температуры в греющей камере печи относительно требуемого значения. Данный способ и система регулирования температуры не позволяют плавно регулировать количество энергии, затрачиваемой на поддержание заданной температуры в греющей камере печи.

Известен способ пропорционально-интегрально-дифференциального (ПИД) регулирования и система, использующая ПИД регуляторы для его реализации, выбранные в качестве прототипов (Электрооборудование и автоматика электротермических установок: Справочник / Под ред. А.П.Альтгаузена, М.Д.Бершицкого, М.Я.Смелянского, В.М.Эдемского. - М.: Энергия, 1978). Известная система функционирует следующим образом (см. фиг.1).

Значение температуры в греющей камере печи 1 измеряют при помощи термопары 4 и подают на блок рассогласования 5 в качестве сигнала обратной связи t°_ОС.Также на блок рассогласования 5 подают уставку температуры t°_ЗАД в греющей камере печи.

Блок рассогласования 5 вычисляет значение рассогласования текущей температуры с заданной:

Значение рассогласования текущей температуры с заданной Δt° поступает на вход регулятора 6. Регулятор 6 формирует задание исполнительному механизму 7 согласно способу ПИД регулирования:

где k_П - пропорциональный коэффициент усиления регулятора;

k_И - интегральный коэффициент усиления регулятора;

k_Д - дифференциальный коэффициент усиления регулятора.

Сигнал I_УПР поступает на вход исполнительного механизма 7, который плавно изменяет количество электрической энергии Р_РЕГ, поступающей к электронагревателям 3. Электронагреватели 3 преобразуют электрическую энергию Р_РЕГ в тепловую энергию Q, которая расходуется на нагрев барабана печи 2 и поддержание заданной температуры в греющей камере 1 печи.

Недостатком данного способа и системы регулирования температуры является то, что они не позволяют использовать динамику объекта управления при регулирования температуры в греющей камере печи.

Задачей изобретения является создание способа и системы регулирования температуры в греющей камере печи, которые обеспечат более высокую точность поддержания температуры.

Поставленная задача решается тем, что в способе регулирования температуры в греющей камере печи, включающем задание уставки температуры, измерение текущей температуры, вычисление значения рассогласования текущей температуры с заданной, вычисление скорости изменения значения рассогласования и формирование сигнала задания исполнительному механизму, задание исполнительному механизму формируют как сумму сигнала задания и сигнала коррекции возмущения, при этом сигнал коррекции возмущения формируют с помощью первого блока нечеткой логики, запоминают в моменты времени, определяемые вторым блоком нечеткой логики, и в соответствии с выходным значением второго блока нечеткой логики на суммирование подают либо текущий сигнал коррекции возмущения, либо сигнал коррекции возмущения, хранящийся в памяти.

Поставленная задача решается также тем, что система регулирования температуры, содержащая блок рассогласования, первый и второй входы которого соединены соответственно с входом задания температуры и выходом датчика температуры, дифференциатор, вход которого соединен с выходом блока рассогласования, содержит также блок преобразования уставки температуры в сигнал задания, вход которого соединен с входом задания температуры, первый блок нечеткой логики, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходом блока рассогласования и выходом дифференциатора, второй блок нечеткой логики, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходом блока рассогласования и выходом дифференциатора, блок памяти, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходом первого блока нечеткой логики и выходом второго блока нечеткой логики, ключ выбора, первый, второй и третий входы которого соединены соответственно с выходом блока памяти, с выходом первого блока нечеткой логики и с выходом второго блока нечеткой логики, сумматор, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходом блока преобразования уставки температуры в сигнал задания и с выходом ключа выбора.

Формирование сигнала коррекции возмущения при помощи блока нечеткой логики с учетом динамики объекта управления позволит дифференцировано определять его значение согласно составленной базе знаний, используемой блоком нечеткой логики.

На фиг.1 представлена блок-схема системы регулирования температуры по прототипу.

На фиг.2 представлена блок-схема заявляемой системы регулирования температуры.

На фиг.3 представлены функции преобразования значения рассогласования текущей температуры с заданной к нечеткому виду в первом блоке нечеткой логики.

На фиг.4 представлены функции преобразования скорости изменения значения рассогласования к нечеткому виду в первом блоке нечеткой логики.

На фиг.5 представлена база знаний первого блока нечеткой логики для формирования сигнала коррекции в нечетком виде.

На фиг.6 представлены функции преобразования сигнала коррекции из нечеткого вида в численное значение в первом блоке нечеткой логики.

На фиг.7 представлены функции преобразования значения рассогласования текущей температуры с заданной к нечеткому виду во втором блоке нечеткой логики.

На фиг.8 представлены функции преобразования скорости изменения значения рассогласования к нечеткому виду во втором блоке нечеткой логики.

На фиг.9 представлена база знаний второго блока нечеткой логики для формирования выходного сигнала в нечетком виде.

На фиг.10 представлены функции преобразования выходного сигнала из нечеткого вида в численное значение во втором блоке нечеткой логики.

На фиг.11 представлен алгоритм работы блока памяти.

На фиг.12 представлен алгоритм работы ключа выбора.

На фиг.13 приведены графики поддержания заданной температуры греющей камеры печи при помощи системы регулирования температуры по прототипу и при помощи заявляемой системы регулирования температуры.

Заявляемый способ регулирования температуры осуществляют следующим образом.

Заданную уставку температуры преобразуют в сигнал задания исполнительному механизму. При помощи базы знаний первого блока нечеткой логики согласно значению рассогласования текущей температуры с заданной и скорости изменения значения рассогласования формируют сигнал коррекции возмущения. При помощи базы знаний второго блока нечеткой логики определяют моменты времени, в которые необходимо запомнить текущее значение сигнала коррекции возмущения. Согласно выходному значению второго блока нечеткой логики с сигналом задания суммируют либо текущее значение сигнала коррекции возмущения с выхода первого блока нечеткой логики, либо значение сигнала коррекции возмущения, хранящееся в памяти, формируя тем самым задание исполнительному механизму.

Способ реализует заявляемая система (см. фиг.2), состоящая из датчика 4 текущей температуры, размещенного в греющей камере 1 печи, блока рассогласования 5, блока 8 преобразования уставки температуры в сигнал задания, дифференциатора 9, первого блока нечеткой логики 10, второго блока нечеткой логики 11, блока памяти 12, ключа выбора 13, сумматора 14 и исполнительного механизма 7.

В качестве датчика температуры в греющей камере печи можно использовать термопары типа ТХК или ТХА (Электрооборудование и автоматика электротермических установок: Справочник / Под ред. А.П.Альтгаузена, М.Д.Бершицкого, М.Я.Смелянского, В.М.Эдемского. - М.: Энергия, 1978).

Блок 8 преобразования уставки температуры в сигнал задания реализуется программно (например, в SCADA-системе (МЭК 61131-3. Программируемые контроллеры. Часть 3: языки программирования)). Координаты точек зависимости снимаются экспериментально и в общем случае аппроксимируются уравнением:

где k₁, k₂ - масштабирующие коэффициенты.

В качестве исполнительного механизма 7 можно использовать тиристорный регулятор мощности РНТТ (Электрооборудование и автоматика электротермических установок: Справочник / Под ред. А.П.Альтгаузена, М.Д.Бершицкого, М.Я.Смелянского, В.М.Эдемского. - М.: Энергия, 1978).

Дифференциатор 9 реализуется программно (например, в SCADA-системе) при помощи формул численного дифференцирования.

Первый блок нечеткой логики 10 реализуется программно (например, в SCADA-системе) при помощи алгоритмов нечеткого управления (Леоненков А.В. Нечеткое моделирование в среде MATLAB и fuzzy TECH. СПб., 2003).

Второй блок нечеткой логики 11 реализуется программно (например, в SCADA-системе) при помощи алгоритмов нечеткого управления.

Блок памяти 12 реализуется программно (например, в SCADA-системе). Алгоритм работы блока памяти 12 представлен на фиг.11.

Ключ выбора 13 реализуется программно (например, в SCADA-системе). Алгоритм работы ключа выбора 13 представлен на фиг.12.

Блок рассогласования 5 реализуется программно (например, в SCADA-системе) при помощи операции вычитания.

Сумматор 14 реализуется программно (например, в SCADA-системе) при помощи операции сложения.

Заявляемая система регулирования температуры, осуществляющая заявляемый способ, функционирует следующим образом.

Задают уставку температуры t°_ЗАД в греющей камере печи. Уставка t°_ЗАД поступает на вход блока 8 преобразования уставки температуры в сигнал задания и на блок рассогласования 5. В соответствии с выражением (3) блок 8 формирует сигнал задания I_ЗАД. Сигнал I_ЗАД поступает на сумматор 14. Температура в греющей камере печи 1 измеряется термопарой 4 и в качестве сигнала обратной связи t°_OC поступает на блок рассогласования 5. Блок рассогласования 5 согласно выражению (1) вычисляет значение сигнала рассогласования текущей температуры с заданной Δt°. Сигнал Δt° поступает на вход дифференциатора 9, на первый вход первого блока нечеткой логики 10 и на первый вход второго блока нечеткой логики 11. Дифференциатор 9 вычисляет скорость изменения значения рассогласования (Δt°)'. Сигнал (Δt°)' поступает на второй вход первого блока нечеткой логики 10 и на второй вход второго блока нечеткой логики 11. Первый блок нечеткой логики согласно фиг.3 в зависимости от численного значения преобразует рассогласование текущей температуры с заданной Δt° к нечеткому виду, такому как "малое отрицательное 1" (M.O.1), "малое отрицательное 2" (М.O.2), "большое отрицательное 1" (Б.O.1), "большое отрицательное 2" (Б.O.2), "малое положительное 1" (М.П.1), "малое положительное 2" (М.П.2), "большое положительное 1" (Б.П.1), "большое положительное 2" (Б.П.2). Также первый блок нечеткой логики согласно фиг.4 в зависимости от численного значения преобразует скорость изменения значения рассогласования (Δt°)' к нечеткому виду, такому как "отрицательная" (Отр.) и "положительная" (Пол.). Используя полученное нечеткое значение рассогласования текущей температуры с заданной и нечеткое значение скорости изменения значения рассогласования согласно базе знаний, представленной на фиг.5, первый блок нечеткой логики формирует нечеткое значение текущего сигнала коррекции возмущения I_КОР, такое как "большой положительный" (Б.П.), "средний положительный" (С.П.), "малый положительный" (М.П.), "малый отрицательный" (М.О.), "средний отрицательный" (С.О.), "большой отрицательный" (Б.О.). Полученное нечеткое значение текущего сигнала коррекции возмущения I_КОР в первом блоке нечеткой логики преобразуется в численное значение согласно фиг.6. Текущий сигнал коррекции возмущения I_КОР поступает на первый вход блока памяти 12 и на второй вход ключа выбора 13. Второй блок нечеткой логики согласно фиг.7 в зависимости от численного значения преобразует рассогласование текущей температуры с заданной Δt° к нечеткому виду, такому как "отрицательное" (Отр.), "отрицательное нулевое" (О.Н.), "положительное нулевое" (П.Н.), "положительное". Также второй блок нечеткой логики согласно фиг.8 в зависимости от численного значения преобразует скорость изменения значения рассогласования (Δt°)' к нечеткому виду, такому как "отрицательная" (Отр.) и "положительная" (Пол.). Используя полученное нечеткое значение рассогласования текущей температуры с заданной и нечеткое значение скорости изменения значения рассогласования согласно базе знаний, представленной на фиг.9, второй блок нечеткой логики формирует нечеткое значение выходного сигнала t, такое как "коррекция" (Кор.) и "запоминание" (Зап.). Полученное нечеткое значение выходного сигнала t во втором блоке нечеткой логики преобразуется в численное значение согласно фиг.10. Выходной сигнал t поступает на второй вход блока памяти 12 и на третий вход ключа выбора 13. Блок памяти согласно фиг.11 в зависимости от изменения сигнала t запоминает текущее значение сигнала I_КОР. Выходной сигнал I'_КОР блока памяти 12 поступает на первый вход ключа выбора 13. Ключ выбора 13 согласно фиг.12 в зависимости от величины сигнала t присваивает выходному сигналу I"_КОР значение сигнала I_КОР или I'_КОР. Выходной сигнал I"_КОР ключа выбора 13 поступает на сумматор 14. Сумматор 14 формирует сигнал задания исполнительному механизму 7 согласно выражению:

Сигнал I_УПР поступает на вход исполнительного механизма 7, который плавно изменяет количество электрической энергии Р_РЕГ, поступающее к электронагревателям 3. Электронагреватели 3 преобразуют электрическую энергию Р_РЕГ в тепловую энергию Q, расходуемую на нагрев барабана печи 2 и поддержание заданной температуры в греющей камере 1 печи.

Заявляемая система регулирования температуры в греющей камере печи апробирована на имитационной модели греющей камеры печи в сравнении с прототипом. На фиг.13 приведены графики поддержания заданной температуры в греющей камере печи по прототипу и при помощи заявляемой системы регулирования температуры.

Результаты исследований подтверждают, что технический результат, достигаемый при использовании заявляемых способа и системы регулирования температуры, заключается в повышении точности поддержания заданной температуры в греющей камере печи.

Изобретение относится к средствам автоматизации технологических процессов и может быть использовано в химической, металлургической и других отраслях промышленности. Изобретение направлено на повышение точности регулирования заданной температуры в греющей камере печи. Этот результат обеспечивается за счет того, что способ регулирования температуры включает задание уставки температуры и измерение текущей температуры, вычисление значения рассогласования текущей температуры с заданной, вычисление скорости изменения значения рассогласования и формирование сигнала задания исполнительному механизму. Согласно изобретению задание исполнительному механизму формируют как сумму сигнала задания и сигнала коррекции возмущения. Сигнал коррекции возмущения формируют с помощью первого блока нечеткой логики и запоминают в моменты времени, определяемые вторым блоком нечеткой логики. В соответствии с выходным значением второго блока нечеткой логики на суммирование подают либо текущий сигнал коррекции возмущения, либо сигнал коррекции, хранящийся в памяти. Система регулирования температуры содержит блок рассогласования, первый и второй входы которого соединены соответственно с входом задания температуры и выходом датчика температуры, и дифференциатор, вход которого соединен с выходом блока рассогласования. Согласно изобретению система содержит блок преобразования уставки температуры в сигнал задания, вход которого соединен с входом задания температуры. В систему добавлены первый блок нечеткой логики, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходом блока рассогласования и выходом дифференциатора, и второй блок нечеткой логики, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходом блока рассогласования и выходом дифференциатора. Система также дополнена блоком памяти, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходом первого блока нечеткой логики и выходом второго блока нечеткой логики, ключом выбора, первый, второй и третий входы которого соединены соответственно с выходом блока памяти, с выходом первого блока нечеткой логики и с выходом второго блока нечеткой логики, и сумматором, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходом блока преобразования уставки температуры в сигнал задания и с выходом ключа выбора. 2 н.з.п. ф-лы, 13 ил.

1. Способ регулирования температуры в греющей камере печи, включающий задание уставки температуры, измерение текущей температуры, вычисление значения рассогласования текущей температуры с заданной, вычисление скорости изменения значения рассогласования и формирование сигнала задания исполнительному механизму, отличающийся тем, что задание исполнительному механизму формируют как сумму сигнала задания и сигнала коррекции возмущения, при этом сигнал коррекции возмущения формируют с помощью первого блока нечеткой логики, запоминают в моменты времени, определяемые вторым блоком нечеткой логики и в соответствии с выходным значением второго блока нечеткой логики на суммирование подают либо текущий сигнал коррекции возмущения, либо сигнал коррекции, хранящийся в памяти.2. Система регулирования температуры, содержащая блок рассогласования, первый и второй входы которого соединены соответственно с входом задания температуры и выходом датчика температуры, дифференциатор, вход которого соединен с выходом блока рассогласования, отличающаяся тем, что она содержит блок преобразования уставки температуры в сигнал задания, вход которого соединен с входом задания температуры, первый блок нечеткой логики, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходом блока рассогласования и выходом дифференциатора, второй блок нечеткой логики, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходом блока рассогласования и выходом дифференциатора, блок памяти, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходом первого блока нечеткой логики и выходом второго блока нечеткой логики, ключ выбора, первый, второй и третий входы которого соединены соответственно с выходом блока памяти, с выходом первого блока нечеткой логики и с выходом второго блока нечеткой логики, сумматор, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходом блока преобразования уставки температуры в сигнал задания и с выходом ключа выбора.