Автоматизация печи обжига клинкера на основе каскадной и многосвязной систем управления Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Порхало В. А., аспирант, Рубанов В. Г., д-р тех. наук, проф., Шаптала В. Г., д-р тех. наук, проф. Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова

АВТОМАТИЗАЦИЯ ПЕЧИ ОБЖИГА КЛИНКЕРА НА ОСНОВЕ КАСКАДНОЙ И МНОГОСВЯЗНОЙ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

[email protected]

Выделены значимые управляемые и управляющие параметры технологического объекта печь обжига клинкера, построена автономная система многосвязного объекта и каскадная систем управления, проведено моделирование, переходные процессы отражают достаточное качество отработки возмущений.

_Ключевые слова: клинкер, обжиг, печь, управление, каскадная система, многосвязный объект.

В промышленности строительных материалов имеется большое количество технологических процессов, где необходимо управлять сложными многосвязными объектами, а их системы регулирования оказываются взаимосвязанными^]. Многосвязными называются объекты с несколькими входами и выходами, взаимно связанными между собой. В тех случаях, когда в рамках одноконтурных АСР не удается достичь в объекте требуемых показателей качества регулирования той или иной технологической величины прибегают к построению более сложных систем, например, каскадных, автономных систем, систем с переменной структурой, систем с бесконечно большим коэффициентом усиления и др.

Одним из таких сложных многосвязных объектов в промышленности строительных материалов является цементная печь обжига клинкера. Если проанализировать цементную печь как взаимосвязный объект управления, можно выделить следующие значимые управляющие и управляемые сигналы (рис.1): Qgaz — количество газа(топлива), подаваемого в печь; Hi, H2 — положение шиберов дымососов; Тог, Рог — температура и давление отходящих газов; СО2 — концентрация углекислого газа в отходящих газах; Т1,Т2 — температура материала в зоне подогрева и кальцинирования; 1нагр — нагрузка на главном приводе печи; Твт, Рвт — температура и давление вторичного воздуха; Qmi — количество подаваемого шлама; to6 - время оборота печи[2,3].

Рис.1. Представление печи обжига как взаимосвязного объекта

Основой построения систем связанного регулирования является принцип автономности. Применительно к объекту с двумя входами и выходами понятие автономности означает взаимную независимость выходных координат у1 и у2 при работе двух замкнутых систем регулирования. По существу, условие автономности складывается из двух условий инвариантности: инвариантности первого выхода у1 по отношению к сигналу второго регулятора хР2 и инвариантности второго выхода у2 по отношению к сигналу первого регулятора хР1.

R]2 Л-Р1 Ri Л

*

1 ' л- -

Хп

R?

W

■•'' 11

У1

Хрт

R2

У2 —►

Рис.2. Автономная система регулирования двух координат

При этом сигнал хР1 можно рассматривать как возмущение для у2 а сигнал хР2 - как возмущение для у1. Тогда перекрестные каналы играют роль каналов возмущения (рис.2). Для компенсации этих возмущений в систему регулирования вводят динамические устройства с передаточными функциями Я12^) и Я2(), сигналы от которых поступают на соответствующие каналы регулирования или на входы регуляторов.

Передаточные функции компенсаторов Я12(5) и Я21^), определяемые из условия автономности, будут зависеть от передаточных функций прямых и перекрестных каналов объекта и будут равны:

. )

Ru(S ) = -

^ 21Х , (1)

W22(S) ^ ' Wll(S) При анализе сложных объектов их можно представлять передаточными функциями как дробно-рационального, так и дробно-

иррационального вида[4], в настоящей работе мы ограничиваемся представлением математической модели в дробно-рациональной форме. Для синтеза автономной системы печи обжига необходимо определиться с количеством используемых входных и выходных параметров. Как показал опыт работы операторов печи обжига, рациональным режимом функционирования печи является такой, когда количество подаваемого шлама и время оборота печи поддерживают на одном уровне, а управление осуществляется с помощью изменения количества подаваемого топлива и степени открытия шиберов дымососа. Причем шиберы Н1 и Н2 можно объединить в один параметр, поскольку управление тягодутьевым производится одним из них, а второй подстраивается чтобы поток был одинаковым.

Таким образом для конструирования многосвязной системы имеем два входных парамет-ра(2яж и Н1), остается подобрать такое же количество выходных параметров. По степени значимости и были выбраны температура отходящих газов и содержание СО2.

С целью получения математической модели статистические данные работы цементной печи для разных каналов были сняты на предприятии ЗАО «Осколцемент». Как показал анализ данных, исследуемые процессы относятся к классу эргодических случайных стационарных процессов в соответствии с определением стационарности в широком смысле. В связи с этим для решения задачи получения математической модели по статистическим данным во временной области было использовано уравнение Винера-Хопфа.

Ниже представлены передаточные функции по каналам управления Qgaz и Н1, для измеряемых сигналов Тог, СО2:

Wг

Н1-ТО2

7.76

21.952 + 8.65 +1 0.019

W (5) = — „

0.9252 +1.1495 + 1

^.

Wn

W

г(5 ) = (5 ) =

0.0098

-S

19.9852 + 5.4235 + 1 0.00017 -3с

ш-ТогЧ/ 21.3752 +1 Сконструированная двухсвязная автономная система управления показана на рис.3.

^ И(х)

Рис.3. Система управления печью в среде Simulink пакета MATLAB

По основным контурам включены ПИ-регуляторы, настройки по каждому контуру были получены методом Копеловича. Регуляторы для перекрестных контуров рассчитаны по формулам (1). Данная двухсвязная система является устойчивой, и позволяет компенсировать перекрестные связи, что иллюстрируют переходные процессы на рис.4 полученные при подаче ступенчатого воздействия.

При анализе математической модели пе-чи[5,6] были выявлены следующие закономерности: в выходных параметрах печи есть группа параметров, реагирующих сравнительно быстро на входные воздействия Qgaz и Н1 - параметры 1 на рис.1, и есть группа параметров, реакция которых сравнительно медленная по отношению к тем же входным воздействиям - параметры 2 на рис.1. На основании этого имеется возможность

Л\ 1

Л \ ../...:........V-

у----

.....././.........!....................1....................1...................

1..........1...................1........................................

// :

/..............[....................I...................I...................

Рис.4. Графики переходных характеристик системы

e

синтеза системы управления на основе каскадных систем, где быстродействие одного параметра должно быть выше быстродействия другого.

Простейшим случаем каскадной АСР является двухкаскадная АСР (рис.5), состоящая из основного (главного) контура и вспомогательного (внутреннего) контура, как бы вложенного в основной. При этом АСР содержит два регулятора - главный (внешний) регулятор, служащий

для стабилизации основной технологической величины объекта у1, и вспомогательный (внутренний) регулятор, предназначенный для регулирования вспомогательной технологической величины у2. Поскольку выход внешнего регулятора х1 используется в качестве задания для внутреннего, то этот регулятор называют еще корректирующим, а внутренний, выходной сигнал х2 которого подают на исполнительное устройство, - стабилизирующим.

Рис. 5. Структурная схема каскадной АСР

Для того чтобы построить каскадную АСР и чтобы она была эффективна, объект должен удовлетворять, как минимум, двум условиям:

1. При одном входе объекта должно быть не менее двух выходов, то есть управляющее воздействие х2 должно влиять, как минимум, на две технологические величины у1 и у2;

2. Инерционность объекта во вспомогательном канале, то есть инерционность W2(s), должна быть меньше (желательно существенно) инерционности основного канала, то есть W1(s).

Так, если передаточные функции W1(s) и W2(s) - апериодические звенья первого порядка с запаздывающим аргументом, то есть их передаточные функции имеют вид:

Ке~т

были выбраны входной параметр Qgaz и выходные параметры Тог и 1н.

Ниже представлены передаточные функции по каналу управления - количество газа подаваемого в печь Qgaz, для измеряемых сигналов -температура отходящих газов Тог и нагрузка на главном приводе 1н:

Wn

;а2-Тог

(0=

0.0098

W

(s ) =

19.98s2 + 5.423s + 1 0.001539

-е

81s 2 + 8.29s + 1 Как видно передаточные функции удовлетворяют условиям построения каскадной АСР: время запаздывания первой передаточной функции значительно выше, чем у второй, а коэффициент усиления ниже. В соответствие с этим в среде Simulink пакета МА^АВ была построена каскадная двухконтурная система управления печью (рис.6), где управляющим параметром является Qgaz, во внешнем контуре регулируется переменная 1н, а во внутреннем Тог.

-е

^ад =

Ts +1

то условие 2) всегда выполняется, если

К1 < К2,Т1>Т2 и Т1 > Т2,

где индексы при параметрах К, т, Т соответствуют индексам передаточных функций.

После анализа математической модеи печи обжига клинкера, для синтеза каскадной АСР

Рис.6. Система управления печью в среде $1ти!шк пакета МАТЬАБ

01£-1-i-1-

О 50 100 150 200

1.4-1-.-1-

1.2-.................................................;...............................................-

0.8-........../....................................................................................-

0.6 [

0.4-................................................................................................-

0.2 /

-,-1-,-

О 50 100 150 200

Рис. 7. Графики переходных процессов во внутреннем и внешнем контуре

Построенная в среде Simulink каскадная система была промоделирована путем подачи единичного ступенчатого сигнала по каналу управления, и были получены графики переходных процессов во внутреннем и внешнем контуре (рис. 7). Данная система является устойчивой, позволяет отрабатывать управление и компенсировать возмущения, что иллюстрируют переходные процессы. Таким образом, обосновано применение принципов автономности и каскад-ности при управлении процессом обжига цементного клинкера, моделирование систем показало достаточный уровень качества управления и данные системы могут быть рекомендованы для использования в производстве.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Рубанов, В.Г. Системный подход к проектированию управляемых мобильных логистических средств, обладающих свойством живучести / В.Г. Рубанов // Научные ведомости БелГУ. Серия: История, Политология, Экономика, Информатика. - 2011. - №1 (96). - Вып. 17/1. - С. 176-187.

2. Бажанов, А.Г. Создание нечеткой диаграммы поведения узла нагрузки на главный привод цементной печи / А.Г. Бажанов, В.З. Ма-гергут, Р.А. Набоков //Математические методы в технике и технологиях: сб. Трудов XXIV Меж-дунар. науч. конф., Харьков, 2 - 4 окт. 2012 г. / Национ. техн. ун-т Украины «ХПИ» - Харьков: СГТУ, 2012. - Т. 4. - С. 11-14.

3. Копылов, А.С. Расширенная схема нечеткого управления вращающейся печью для обжига цементного клинкера/ А.С. Копылов, В.З. Магергут //Математические методы в технике и технологиях: сб. Трудов XXIV Между-нар. науч. конф., Харьков, 2 - 4 окт. 2012 г. / Национ. техн. ун-т Украины «ХПИ» - Харьков: СГТУ, 2012. - Т. 4. - С. 9-11.

4. Кариков, Е. Б. Моделирование теплотех-нологических объектов в классе дробно-иррациональных передаточных функций / Е.Б. Кариков, В.В. Мишунин, В.Г. Рубанов, Ю.А. Гольцов // Научные ведомости Белгор. гос. унта. - 2010. - № 13 (132). - выпуск 23/1. - С. 173179.

5. Рубанов, В. Г. Получение математической модели обжига клинкера с применением статистических методов / В.Г. Рубанов, В.А. Порхало // Научные ведомости Белгор. гос. унта. - 2010. - № 7 (78). - выпуск 14/1. - С. 80-88.

6. Порхало, В. А. Математическая модель обжига клинкера как многосвязного объекта / В. А. Порхало, В. Г. Рубанов // Математические методы в технике и технологиях: сб. тр. XXIV Междунар. науч. конф., Киев, 30 мая - 2 июн. 2011 г. / Национ. техн. ун-т Украины «КПИ» -Киев: СГТУ, 2011. - Т. 6. - С. 83-85.