книги из ГПНТБ / Круашвили, З. Е. Автоматизированный нагрев стали

В частности, если в одном такте выборка происходи­ ла в зависимости от некоторых значений функции срав­ нения, то в следующем такте она происходит в зависи­ мости от инверсии этих функций, ио ограниченных сни­ зу для того, чтобы на отдельных ячейках вход не оказался бесконечно большим.

Конструктивное отличие данного способа от первого не очень существенное и заключается в том, что на уп­ равляемые входы ячеек n-фазного стохастического ре­ лаксатора (для ввода инверсии функции сравнения) ус­ танавливаются делительные устройства, а выход гене­ ратора, коммутирующего импульсы, производит перевод сигнала функции сравнения с делительного устройства прямо на ячейку распределительного устройства.

3. В третьем способе 1 в отличие от первого для уве­ личения быстродействия (одновременно с подачей управ­ ляющего воздействия на объекты) на конденсаторы, за­ дающие время соответствующих ячеек /г-фазного управ­ ляемого стохастического релаксатора, подаются блоки­ рующие сигналы. Блокирующие сигналы по знаку про­ тивоположны питающему напряжению и задают интер­ валы времени гашения релаксации импульсов ячеек в функции величины рассогласований. Это позволяет иск­ лючить из совокупности объектов, избираемых для уп­ равления, объекты, получившие управляющие воздей­ ствия.

После истечения интервала времени блокировки лю­ бой из ячеек распределителя последние возобновляют ре­ лаксацию импульсов, тем самым возвращая соответст­ вующий объект в совокупность объектов, избираемых для управления. Быстродействие системы при этом возраста­ ет, так как в результате исключения объекта из сово­ купности управляемых объектов этот объект движется под управляющим воздействием, запоминаемым исполни­ тельным устройством в момент исключения.

Между тем, в результате исключения части объектов из совокупности избираемых для управления уменьша­ ется число объектов, обслуживаемых центральным уп­ равляющим устройством, что также увеличивает быстро­ действие системы. Это утверждение легко доказывается

аналитически. Действительно, выражение вероятности выбора (Ш-63) после указанного исключения принимает следующий вид:

екта, равны нулю. Аналогично меняется нормирующее соотношение (III-G2), которое принимает вид

нулю. Эти выражения доказывают, что после исключения хотя бы одного объекта вероятности выбора любого ос­ тавшегося объекта возрастают без нарушения при этом условия нормирования.

Для учета возмущений, которые могут в процессе ис­ ключения увеличить скорость движения исключенного объекта к заданному уровню, вводится пороговое значе­ ние, достигнув которого заблокированная ячейка распре­ делителя деблокируется до истечения времени исключе­ ния, тем самым объект возвращается в совокупность объ­ ектов, избираемых для управления. Использование дан­ ного способа дает возможность уменьшить колебатель­ ность системы. И, наконец, используя пороговое значе­ ние, можно изменить значение коэффициента усиления центрального управляющего устройства до требуемого в зависимости от того, находится ли изображающая точка (при движении) внутри порога или вие его.

4. Выше рассмотрены способы централизованного управления с вероятностной логикой выбора объекта, в которых одним центральным устройством управляются п объектов (/г> 2). Надежность такой системы относитель­ но мала, так как выход из строя центрального управля­ ющего устройства оставляет без управления все объекты этой многосвязной системы.

Использование многофазного управляемого стохасти­ ческого релаксатора позволяет объединить несколько

СЦУ в одну большую систему, в которой вероятностные управляющие устройства могут подключаться к любому из управляемых объектов ’.

Естественно, что такая укрупненная система может функционировать более надежно н эффективно. Повыше­ ние надежности функционирования укрупненной системы по сравнению с надежностью подсистем и даже систем с индивидуальными средствами управления каждым объ­ ектом подтверждает следующие очевидные предпосылки: при одном отказе в подсистемах с одним управляющим устройством или в системах, состоящих из объектов с ин­ дивидуальными средствами управления, объект или под­ система объекта остаются полностью неуправляемыми, тогда как для большой системы число отказов k<im і(где in -—число управляющих устройств) приводит лишь к снижению качества управления, однако все объекты ос­ таются управляемыми и только при т отказах (k= m ) система становится неуправляемой. Одновременно с по­ вышением надежности и укрупнением системы по изло­ женному принципу возрастает вероятность управления объектами с наибольшими рассогласованиями, а вместе с ней и эффективность управления.

Для системы, состоящей из т автономных подсистем, каждая из которых состоит из п объектов, можно запи­ сать

гk=-- 1,2,..., m, I

где xik— величина рассогласования t-того объекта &-той подсистемы.

При объединении системы множество всех элементов

мы объединяются в общую систему так, чтобы вероят­ ности выбора объектов из их числа тп любым из т дей­ ствующих управляющих устройств системы образовали монотонно возрастающую функцию от величин рассогла­ сований неуправляемых в момент выбора объектов. Так как имеет место неравенство уи^Хи., вероятность выбора

1 Б а у м б е р г И. Д., К р у а ш в и л и 3. Е. и др. Система центра­ лизованного управлении. Авт. свид. № 337762. — «Бюл. изобр. и тов. знаков», 1972, № 15.

объектов управления с большими величинами рассогла­ сования для объединенной системы больше, чем для системы, состоящей из автономных подсистем. Это под­ тверждает возможность повышения эффективности уп­ равления при укрупнении системы указанным спо­ собом.

Сравнительный анализ систем централизованного управления

Для сопоставления качества функционирования систем с детермироваиным законом выбора объекта управления системами с вероят­ ностно-логическим законом* выбора рассмотрим систему управления, состоящую из N объектов и одного центрального управляющего уст­ ройства. Сравнительный анализ проводили с использованием моде­ лирующей установки.

Моделирование проводилось по следующей методике.

1.Задано случайное начальное состояние системы с пятью стати­ ческими объектами, поведение которых изучается в дискретные мо­ менты времени.

2.Используя таблицы случайных чисел, наносили возмущения со случайным распределением амплитуд, знаков этих возмущений и мо­ мента времени их поступления.

3.Каждое конкретное состояние объектов вводили в распредели­

ный закон управления [в результате подключения управляющего уст­ ройства в момент Tj рассогласование хДтДі-того объекта уменьшает­ ся к моменту T j + 1 на величину £х і(ті )> где k — коэффициент усиле­ ния управляющего устройства].

5.Для всех способов централизованного управления с целью со­ поставимости результатов моделирование проводили при одном и том же случайном распределении возмущений и одинаковом случайном исходном состоянии системы.

6.Результаты моделирования оценивали по среднеквадратичному отклонению от заданного значения (для нашего случая задание соот­ ветствовало нулю) для всей системы централизованного управления.

Результаты моделирования, представленные ниже, идентичны ре­ зультатам, полученным аналитическим путем:

п. основании результатов моделирования можно сделать вывод о тол, что в сочетании с законом случайного выбора детерминиро­ ванных условий изменения этого закона в некоторых особых случаях (например, при достижении регулируемой величиной аварийного зна­ чения или зоны вокруг установившегося значения и т. д.) могут дать возможность построения СЦУ с очень высокими качественными пока­ зателями.

Г л а в а IV

ИСХОДНАЯ ИНФОРМАЦИЯ ДЛЯ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

ПРОЦЕССОМ НАГРЕВА СТАЛИ

В этой главе приведены результаты сравнительного анализа существующих средств измерения температуры для определения влияния погрешности измерения на результат нагрева в системе оптимального управления процессом нагрева стали. Обоснована необходимость из­ мерения температуры в зонах подогрева, поскольку она дает важную информацию для построения систем управ­ ления температурным режимом печей в функции темпа прокатки (производительности печи) и описана методи­ ка определения установочных координат пирометра, конт­ ролирующего температуру поверхности металла (для ме­ тодических печей).

Обоснована также необходимость ввода в систему управления информации о средней частоте выдачи ме­ талла из печи и описаны • различные варианты устройств, предназначенных для получения этой инфор­ мации на методических и кольцевых печах. Наконец, обоснована необходимость ввода в систему управления информации о параметрах садки .(теплофизических свойствах стали, геометрических размерах нагреваемых заготовок) и местонахождении границ садок в рабочем пространстве нагревательных печей; кратко описаны устройства и системы, предназначенные для определе­ ния, обработки и ввода этой информации в систему уп­ равления процессом нагрева металла в кольцевых и ме­ тодических печах.

1.СПОСОБЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

ПОВЕРХНОСТИ МЕТАЛЛА В НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ ПЕЧАХ

Вопросам измерения температуры поверхности ме­ талла в рабочем пространстве печи и клетях стана уде­ лено особое внимание во многих исследованиях, направ­ ленных иа создание систем автоматического управления процессом нагрева стали, что еще раз подчеркивает важ­

ных пирометров полного излучения (радиационных пиро­ метров и пирометров частичного излучения (яркостных). Эти пирометры могут быть подразделены по схемам на три группы:

1.Пирометры с непосредственным измерением элект­ рического сигнала иа приемнике (например, болометре).

2.Компенсационные пирометры (сравнивающие по­ ток от тепла, температура которого измеряется с пото­ ком от эталонного источника) с неизменяемой (постоян­ ной) температурой эталонного излучателя. Отсчет ве­ дется по положению поглотителя, вводимого между эталонным излучателем и приемником для уравнивания их потоков (яркостей).

3.Компенсационные пирометры с эталонным источ­ ником излучения, температура которого изменяется до значения, компенсирующего поток от измеряемого тела.

Пирометры спектрального отношения по принципу измерения температуры разделяются на два класса:

1) пирометры, в которых значения спектрального от­ ношения, а следовательно, и значения температуры опре­ деляются по излучению на двух участках спектра;

2 ) пирометры, в которых полихроматический поток от измеряемого объекта сравнивается с полихроматичес­ ким потоком от эталонного источника, температура кото­ рого контролируется косвенным путем.

Электронные устройства измерения отношения пото­ ков разделяются по принципу построения иа двухканаль­

ные и одноканальные. В двухканальных системах изме­ ряемые потоки преобразуются в электрические сигналы отдельными приемниками, усиливаются отдельными уси­ лителями и подаются в счетнорешающую систему, вы­ числяющую соотношение потоков. В одноканальных сис­ темах используется лишь один приемник, на который по­ очередно падают измеряемые потоки, и один усилитель. При одноканалыюм методе устраняется влияние измене­ ния коэффициента преобразования приемника и коэффи­ циента усиления усилителя. Ниже кратко описаны су­ ществующие пирометры, нашедшие применение в практике измерения температуры поверхности металла.

Пирометры полного излучения или, как обычно их называют, ра­ диационные пирометры предназначены для измерения и регулиро­ вания температуры поверхности нагретых тел (в частности, поверх­ ности металла). К ним относятся радиационные пирометры типа РАПИР и ПРК-600.

В телескопе пирометра РАПИР расположен блок термобатарей, на который оптическими средствами фокусируется лучистая энергия от визируемого объекта. Тепловая инерция пирометра не превышает 4 сек, он позволяет в комплекте со вторичными измерительными при­ борами измерять температуру в диапазоне 400—2500° С.

Пирометр типа РАПИР наводится или на измеряемое тело, или па дно карборундовой трубы, которую помещают в зону измеряемой температуры. В этом случае карборундовая труба представляет со­ бой модель черного тела, и поправки па неполноту излучения вво­ дить не требуется. Пирометр обычно используют при температуре окружающей среды до 60° С. При повышении температуры корпус телескопа пирометра необходимо термостатировать, охлаждая его водой. Поэтому при температуре окружающего воздуха выше 60— 100° С применяют радиационный компенсационный пирометр типа ПРК-600, предназначенный для измерения радиационной температу­ ры поверхности тел от 600 до 2000° С при температуре окружающего воздуха от 0 до 200° С. Пирометр снабжен автоматической компен­ сацией погрешностей показаний, возникающих вследствие изменения температуры корпуса телескопа. Тепловая инерция пирометра не превышает 1,8 сек.

Пирометры частичного излучения представляют собой компенса­ ционные пирометры с изменяющим температуру эталонным источни­ ком излучения.

Электрический сигнал на приемнике, пропорциональный разности потоков от объекта и эталонного излучателя, воздействует на напря­ жение питания излучателя и изменяет его до такой величины, при которой поток от излучателя сравнится с потоком от объекта. Темпе­ ратура объекта определяется по температуре излучателя или по па­ раметру, пропорциональному температуре излучателя.

Наибольшее распространение в металлургической промышленно­ сти получил построенный по этой схеме пирометр типа ФЭП-3.

Фотоэлектрический яркостный пирометр ФЭП-3 предназначен для измерения (в записи) яркостной температуры металла в процессе прокатки..В пирометре используется узкая спектральная область из­

лучения от 0,6 до 0,7 мкм (Хаф =0,65 мкм). Рабочий участок спектра выделяется при помощи вакуумного сурьмямо-цезиевого фотоэлемен­ та и красного светофильтра. При таком участке спектра можно поль­ зоваться теми же поправками на неполноту излучения, что и для визуальных пирометров.

Предельная инструментальная погрешность измерения составляет 1% верхнего предела шкалы прибора. Быстродействие прибора тако­ во, что его указатель при мгновенном изменении температуры прохо­ дит всю шкалу за 2,5 сек.

Пирометры спектрального отношения. Наиболее типичными явля­ ются пирометры с логарифмирующим счетно-решающим устройством типа ЦЭП-3, ЦЭП-ЗМ, ЦЭПИР; пирометры, использующие следя­ щую систему для измерения отношения типов ЦЭП-2М, «Цвето- пир-1», «Цветопир-2» и «Ардокол»; пирометры с использованием элек­ тромеханического логометра типа ЦП-3; и, наконец, пирометры с предварительным преобразованием отношения сигналов в изменение их фазы, к которым относится цифровой пирометр спектрального от­ ношения и многоканальный пирометр спектрального отношения.

Принцип действия, особенности конструкции и рекомендации по применимости упомянутых выше пирометров приведены в литерату­ ре [58].

Из работ зарубежных авторов в области оптической пирометрии заслуживает внимания доклад Лавджоя [59] па симпозиуме по ме­ тодам и приборам для температурных измерений, состоящемся в Нью-Йорке в 1961 г. В докладе наряду с обзором и анализом работ по оптической пирометрии приведена общая теория оптической пиро­ метрии.

Интерес представляет сканирующий пирометр с фотоумножителем для измерения температуры поверхности металла, который был скон­ струирован Симсом и Плексом [60]. Сканирование осуществляется механически, для этого служит специальный диск-обтюратор с от­ верстиями. Изображение источника фокусируется на диск линзой объектива и затем через вторую линзу — на фотоумножитель, чтобы освещение фотокатода было равномерным. Таким образом, исключа­ ются ошибки, обусловленные изменением чувствительности фотокато­ да от точки к точке. В приборе для измерения выходного сигнала применен осциллограф с частотой 2 кадра в секунду, снабженный радиоактивным индикатором на диске для пометки начала каждого кадра. Прибор применяют для измерения температур стальных заго­ товок на прокатных станах. Он обеспечивает точность 4 град при температурах, превышающих 1000° С.

Пыотманом [61] построен пирометр с вакуумным фотоэлементом. Он снабжен перфорированным вращающимся диском для модуляции (частотой 600 щ) входящего излучения, двухкаскадньш усилителем для усиления сигнала и интерференционным фильтром ограничения длин волн. Для градуирования прибора используют образцовую воль­ фрамовую ленточную лампу. Его можно использовать для измерения

температур от 800 до 2200° С (четыре диапазона) с погрешностью 2 град.

Элдером [62] описан фототранзисторный записывающий пирометр с областью применения 600—2000° С, отличающийся высокой надеж­ ностью. Ларсеном и Шенком [63] описано применение фотоэлектри­ ческого элемента с запирающим слоем для температурного контроля поверхности металла на прокатных станах. Температура выше 1000° С измерялась с погрешностью ±10 град.

Из последних отечественных работ в области создания измери­ телей температуры поверхности металла следует отметить работу Модылевского В. Б. и др. [64], предложивших фотоэлектрический пирометр для непрерывного контроля температуры поверхности ме­ талла в нагревательных печах.

В этом фотоэлектрическом пирометре в качестве чувствительного элемента используется германиевый фотодиод в вентильном режиме_, а оптическая система заменена кварцевым световодом.

Небольшой диаметр водоохлаждаемого кожуха с датчиком поз­ воляет вводить пирометр в печь через отверстие в кладке, предусмот­ ренное для термопар.

Конструкция датчика имеет ряд особенностей, связанных со спе­ цификой его применения. Так, во избежание местного охлаждения измеряемой поверхности, датчик снабжен неохлаждаемым экраном из жаростойкой стали, который, разогреваясь, компенсирует охлаж­ дающее воздействие водяной рубашки. Визирная трубка с кварцевым световодом выдвинута из кожуха к концу экрана, что позволяет, во-первых, исключить возможность попадания лучей от нагретого экрана к фотодиоду и, во-вторых, избежать конденсации водяных паров из продуктов сгорания на поверхности кварца, поддерживать температуру наружной части световода выше точки росы.

Кварцевый световод не достигает наружного конца визирной трубки на длину 1—1,5 ее внутреннего диаметра. В эту часть трубки запрессована втулка из сильно окисленной стали с высоким коэффи­ циентом светового поглощения. Такая конструкция исключает опас­ ность попадания на фотодиод отраженного света от факелов горелок или нагревательных элементов. В качестве вторичного прибора в пи­ рометре использован обычный электронный потенциометр с некото­ рыми изменениями в измерительной схеме, связанными со значитель­ ной нелинейностью характеристики фотодиодов и необходимостью термокомпенсации.

По данным авторов, основная погрешность двух опытных об­

мального значения шкалы. Контрольная проверка после трехмесяч­ ной эксплуатации на специальном огневом стенде и промышленной термической печи показала, что ошибка измерения не превышает пределов основной погрешности. Стабильность и надежность в ра­ боте описанного фотопирометра позволяют рекомендовать его для

годный для измерения температуры металла при нагреве, который можно использовать в системах автоматического управления теп­

линдра впаяна дифференциальная хромель-копелевая термопара, один спай которой расположен около головки теплоприемника, другой же удален по вертикальной оси от первого на расстояние 5 мм.

По утверждению авторов [65], отличительная особенность теп­ ломера заключается в том, что хромелевый электрод дифференци­ альной термопары одновременно служит тепловым сопротивлением. При такой конструкции отпадает необходимость в электрической изоляции спаев термопары, что позволяет изготавливать тепломе­ ры с одинаковыми и стабильными характеристиками.