Система управления циклическими процессами

Полезная модель относится к области автоматического управления циклическими процессами сложными объектами, построение математических моделей которых связано со значительными временными и материальными затратами или принципиально невозможно, например, процессами термоциклической обработки металлов в нагревательных установках, сжигания водо-угольного топлива в топках специальных конструкции. Задача - повышение точности системы управления циклическими процессами. Система состоит из реального объекта, включающего последовательно соединенные исполнительное устройство, управляемый объект и датчики, блока физической модели, включающего блок сравнения, устройства ввода начальных условий, последовательно соединенные исполнительное устройство физической модели, физическую модель, датчики физической модели, блок вычисления функционала и блок численного дифференцирования, выход которого соединен с первым входом исполнительного устройства физической модели, первый вход блока сравнения соединен с выходом датчиков физической модели, выход блока сравнения подключен к входу устройства ввода начальных условий и второму входу блока численного дифференцирования, блока пересчета величины модельных управляющих воздействий в величину рабочих управляющих воздействий, блока пересчета траекторий управляющих воздействий физической модели в траектории управляющих воздействий реального объекта, блока пересчета величины рабочих управляющих воздействий в модельные воздействия, выход блока численного дифференцирования подключен через блок пересчета траекторий управляющих воздействий физической модели в траектории управляющих воздействий реального объекта и блок пересчета величины модельных управляющих воздействий в величину рабочих управляющих воздействий к входу исполнительного устройства реального объекта, вход блока пересчета величины рабочих управляющих воздействий в модельные воздействия соединен с выходом датчиков реального объекта, а выход - со вторым входом блока сравнения. 1илл.

Полезная модель относится к области автоматического управления циклическими процессами сложными объектами, построение математических моделей которых связано со значительными временными и материальными затратами или принципиально невозможно. Примерами таких объектов могут служить процессы термоциклической обработки металлов в нагревательных установках, процессы сжигания водо-угольного топлива в топках специальных конструкций.

Известен способ управления процессом на установке для обработки металла давлением или термической обработки металла [Патент RU 2336339 С2 МПК C21D 11/00], который для формирования заданной структуры и свойств металла включает регулирование рабочих параметров с помощью исполнительных элементов, использование математической модели процесса и математической модели структуры, по которым после регистрации характерных параметров на основе расчета онлайн определяют соответствующие величины процесса управления и/или процесса регулирования для воздействия на исполнительные элементы, при этом в качестве измеряемой величины онлайн регистрируют в конце или во время процесса, по меньшей мере, один фактический, характеризующий структуру металла, параметр и в зависимости от его значения при использовании модели структуры, а также модели процесса осуществляют воздействие на исполнительный элемент установки для получения желаемых структуры и свойств. В качестве фактического параметра структуры определяют одно из следующих значений: величину зерна, которую определяют с помощью ультразвуковых или рентгеновских аппаратов, момент или температуру преобразования структуры.

Недостатком этого способа является низкая точность управления, что связано с использование математических моделей для описания процессов структурообразования в металлах и процессов происходящих в них при нагреве. Подобные процессы являются весьма сложными и не могут быть описаны с высокой точностью математическими моделями.

Наиболее близкой к заявляемой полезной модели является система управления [Красовский А.А. Оптимальное управление посредством физической прогнозирующей модели // Автоматика и телемеханика, 2, 1979, С.156-182], состоящая из реального объекта, включающего последовательно соединенные исполнительные устройства, управляемый объект и датчики, блок физической модели, включающий блок сравнения, последовательно соединенные устройства ввода начальных условий, физическую модель, датчики физической модели, блок вычисления функционала, блок численного дифференцирования и исполнительные устройства физической модели, выход датчиков реального объекта соединен с первым входом блока сравнения, второй вход которого соединен с выходом датчиков физической модели, выход блока сравнения подключен к входу устройства ввода начальных условий и второму входу блока численного дифференцирования, выход которого соединен с входом исполнительного устройства реального объекта.

При работе системы управления на физической модели вырабатываются в ускоренном времени оптимальные управляющие воздействия, которые переносятся на реальный объект.

Недостаток известной системы состоит в низкой точности управления, так как управляющие воздействия, полученные на физической модели, имеют другие значения величины или масштаба времени, либо даже другую природу, чем на реальном объекте.

Задача полезной модели - повышение точности системы управления циклическими процессами.

Задача достигается тем, что в известную систему, состоящую из реального объекта, включающего последовательно соединенные исполнительное устройство, управляемый объект и датчики, блока физической модели, включающего блок сравнения, устройство ввода начальных условий, последовательно соединенные исполнительное устройство физической модели, физическую модель, датчики физической модели, блок вычисления функционала и блок численного дифференцирования, выход которого соединен с первым входом исполнительного устройства физической модели, первый вход блока сравнения соединен с выходом датчиков физической модели, выход блока сравнения подключен к входу устройства ввода начальных условий и второму входу блока численного дифференцирования, введены блок пересчета величины модельных управляющих воздействий в величину рабочих управляющих воздействий, блок пересчета траекторий управляющих воздействий физической модели в траектории управляющих воздействий реального объекта, блок пересчета величины рабочих управляющих воздействий в модельные воздействия, выход блока численного дифференцирования подключен через блок пересчета траекторий управляющих воздействий физической модели в траектории управляющих воздействий реального объекта и блок пересчета величины модельных управляющих воздействий в величину рабочих управляющих воздействий к входу исполнительного устройства реального объекта, вход блока пересчета величины рабочих управляющих воздействий в модельные воздействия соединен с выходом датчиков реального объекта, а выход - с вторым входом блока сравнения, выход устройства ввода начальных условий соединен со вторым входом исполнительного устройства физической модели.

На чертеже представлена система управления циклическими процессами, содержащая реальный объект 1, включающий последовательно соединенные исполнительное устройство 2 реального объекта, управляемый объект 3, датчики 4 реального объекта, подключенные к блоку 5 пересчета величины рабочих управляющих воздействий в модельные воздействия, блок 6 пересчета траекторий управляющих воздействий физической модели в траектории управляющих воздействий реального объекта, блок 7 физической модели, блок 8 сравнения, блок 9 пересчета величины модельных управляющих воздействий в величину рабочих управляющих воздействий, устройство 10 ввода начальных условий, датчики 11 физической модели, блок 12 вычисления функционала, блок 13 численного дифференцирования, физическую модель 14, исполнительное устройство 15 физической модели. Блок 7 физической модели включает устройство 10 ввода начальных условий, последовательно соединенные исполнительное устройство 15 физической модели, физическую модель 14, датчики 11 физической модели, блок 12 вычисления функционала и блок 13 численного дифференцирования, выход которого соединен с первым входом исполнительного устройства 15 физической модели. Первый вход блока 8 сравнения соединен с выходом датчиков 11 физической модели, второй вход блока 8 сравнения соединен с выходом блока 5 пересчета величины рабочих управляющих воздействий в модельные воздействия, а выход блока 8 сравнения подключен к входу устройства 10 ввода начальных условий и второму входу блока 13 численного дифференцирования, выход которого подключен через блок 9 пересчета величины модельных управляющих воздействий в величину рабочих управляющих воздействий и блок 6 пересчета траекторий управляющих воздействий физической модели в траектории управляющих воздействий реального объекта к входу исполнительного устройства 2 реального объекта. Выход устройства 10 ввода начальных условий соединен со вторым входом исполнительного устройства 15 физической модели.

Пример реализации системы управления циклическими процессами для термоциклической обработки изделий из феррито - перлитных сталей в установке индукционного нагрева. Реальный объект 1 представлен установкой индукционного нагрева СЭЛТ 002-120/12-Т, которая содержит исполнительное устройство 2 - тиристорный преобразователь частоты, управляемый объект 3 - стальные заготовки, помещенные в индуктор, датчики 4 - бесконтактные инфракрасные пирометры для измерения температуры металла.

Физическая модель представлена малоразмерной нагревательной установкой 7, в которой нагреваются малоразмерные стальные заготовки, исполнительное устройство 15 является тиристорным преобразователем частоты малой мощности, датчики температуры 11 - инфракрасные пирометры. Устройство ввода начальных параметров 10 исполнено в виде вычислительного устройства, реализующего алгоритм:

где (i) - время дополнительного нагрева или охлаждения малоразмерной заготовки на i - ом такте управления; T^P - температура реальной стальной заготовки, переведенная в масштаб малоразмерной заготовки; T^M - температура малоразмерной заготовки; k₁, K₂ - пересчетные коэффициенты, выбираемые эмпирически.

Вычисление коэффициентов и реализация функции численного дифференцирования выполняется вычислительным устройством.

Система управления циклическим процессом работает следующим образом. Малоразмерные заготовки помещают в малоразмерную нагревательную установку и по начальной температуре рассчитывают в блоке 12 и блоке 13 оптимальную траекторию нагрева, которую начинает реализовывать исполнительное устройство 15. Через интервал времени t, равный примерно 1/10 длительности нагрева реальных заготовок производится новый расчет траектории нагрева малоразмерной заготовки. При этом температура этой заготовки устанавливается соответствующей температуре реальной заготовки за счет дополнительного нагрева или охлаждения. Время нагрева или охлаждения рассчитывают по выражению (1).

После расчета оптимальной траектории нагрева малоразмерной заготовки и приведения в соответствие температуры реальной заготовки и малоразмерной модели в блоке 9 происходит пересчет величины модельных управляющих воздействий в величину рабочих управляющих воздействий по выражению u_p(i)=k ₃u_м(i). Пересчет траектории нагрева малоразмерной заготовки в траекторию нагрева реальной заготовки в блоке 6 по выражению T_p(i)=k₄T_м(i) (в приводимом примере траектория выбрана в виде постоянной величины). k ₃ и k₄ - коэффициенты, выбираемые эмпирически. Скорректированные таким образом управляющие воздействия и траектории передаются на исполнительные устройства 2 реальной нагревательной установки 1, где происходит нагрев реальной заготовки 3 по рассчитанной траектории.

В ходе нагрева по заданной траектории величина температуры реальной заготовки в индукторе измеряются с помощью датчиков - инфракрасных пирометров 4 и после пересчета в величину температуры малоразмерной заготовки попадает на вход блока сравнения и затем на вход вычислительного устройства 10, где и происходит корректировка траектории нагрева по алгоритму (1).

Система управления циклическими процессами, состоящая из реального объекта, включающего последовательно соединенные исполнительное устройство, управляемый объект и датчики, блока физической модели, включающего блок сравнения, устройства ввода начальных условий, последовательно соединенные исполнительное устройство физической модели, физическую модель, датчики физической модели, блок вычисления функционала и блок численного дифференцирования, выход которого соединен с первым входом исполнительного устройства физической модели, первый вход блока сравнения соединен с выходом датчиков физической модели, выход блока сравнения подключен к входу устройства ввода начальных условий и второму входу блока численного дифференцирования, отличающаяся тем, что введены блок пересчета величины модельных управляющих воздействий в величину рабочих управляющих воздействий, блок пересчета траекторий управляющих воздействий физической модели - в траектории управляющих воздействий реального объекта, блок пересчета величины рабочих управляющих воздействий - в модельные управляющие воздействия, выход блока численного дифференцирования подключен через блок пересчета величины модельных управляющих воздействий в величину рабочих управляющих воздействий и блок пересчета траекторий управляющих воздействий физической модели в траектории управляющих воздействий реального объекта к входу исполнительного устройства реального объекта, вход блока пересчета величины рабочих управляющих воздействий в модельные управляющие воздействия соединен с выходом датчиков реального объекта, а выход - с вторым входом блока сравнения, выход устройства ввода начальных условий соединен со вторым входом исполнительного устройства физической модели.