Автоматизация системы регулирования температуры горячего дутья на доменную печь
СОДЕРЖАНИЕ
Введение
. Техническая
характеристика доменной печи
. Анализ объекта
автоматизации
3. Разработка
математической модели объекта регулирования и аппроксимация кривой разгона
. Синтез автоматической
системы регулирования
4.1
Обоснование выбора закона регулирования
.2
Обоснование выбора критерия оптимальности
.3
Расчет параметров настройки регулятора
5. Анализ качества
функционирования АСР
Заключение
Перечень ссылок
ВВЕДЕНИЕ
Совершенствование технологии и
повышение производительности труда во всех отраслях промышленности относят к
важнейшим задачам технологического прогресса нашего общества. Решение этой
задач возможно лишь при внедрении автоматических систем регулирования, как
отдельными объектами, так и производством в целом. Поэтому при организации
промышленного производства по принципу: выпуск заданного количества продукции
при минимуме материальных затрат и затрат ручного труда, автоматизация играет
решающую роль.
Интенсификация технологических
процессов и повышение требований к качеству готовой продукции делают в ряде
случаев невозможным ручное управление, как отдельными процессами, так и
взаимосвязанной совокупностью их, вследствие чего с особой остротой встает
вопрос о комплексной автоматизации, об исключении ручного вмешательства в
управлении процессами.
Для каждого уровня развития
технологического процесса существует рациональный предел объема автоматизации,
под которым понимается максимальная оснащенность технологического агрегата
комплексом средств и систем автоматизации, имеющих срок окупаемости, не
превышающий предельно допустимой величины. Для каждого агрегата существует свой
рациональный объем автоматизации.
Металлургические агрегаты как
объекты автоматического управления обладают рядом специфических особенностей,
однако общие положения теории автоматического регулирования могут быть
достаточно полно использованы при создании систем.
Конечными выходными величинами
доменного процесса являются производительность печи, расход кокса на единицу
выплавляемого чугуна и состав чугуна. Основные возмущения - изменение
физико-химических свойств загружаемых материалов. Регулирующими воздействиями
«сверху» являются система загрузки шихты и рудная нагрузка или при постоянной
величине рудной подачи масса кокса в подаче; регулирующими воздействиями «снизу»
- дутьевой режим (расход, температура, влажность, содержание кислорода в дутье;
расход природного газа; распределение дутья и природного газа по фурмам).
При разработке автоматической
системы управления металлургическим процессом одним из важнейших процессов
синтеза является анализ металлургического процесса как объекта управления, то
есть влияние структуры процесса, определении, определение входных и выходных
переменных, нахождение математических зависимостей между входными и выходными
переменными, описывающих поведение металлургического процесса.
В данном курсовом проекте
рассматривается доменная печь, а в частности - ее АСР температуры горячего
дутья, по которой проводится синтез и анализ качества функционирования.
1. ТЕХНИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДОМЕННОЙ ПЕЧИ
Доменные печи предназначены для
выплавки чугуна. Основной технологической задачей доменной плавки является
восстановление железных руд и получение чугуна заданного качества и
температуры. Доменная печь относится к классу шахтных печей, в которых
осуществляется слоевой режим работы с противотоком обрабатываемого материала,
заполняющего весь рабочий объем доменной печи, и горячих фильтрующихся через
сравнительно плотные слои материалов.
Основной технологический
процесс доменной печи - восстановление железа, не смотря на свою химическую
природу, в значительной мере зависит от теплового режима, распределения
газового потока в столбе шихтовых материалов и характера движения шихты. В ходе
доменного процесса из окислов железа восстанавливается само железо с
образованием чугуна.
Доменная печь включает
колошник, шахту, распар, заплечики, горн. В районе заплечиков расположен
фурменный пояс, в котором расположены фурмы, по которым подается дутье в
доменную печь. Шихтовые материалы, которые состоят в основном из офлюсованного
агломерата, в качестве сырья, и кокса, в качестве топлива, загружаются сверху
через малый и большой конусы. Дутье, которое подается через фурмы, способствует
сжиганию кокса и образованию окиси углерода, который поднимается вверх и осуществляет
при этом косвенное восстановление железа. При этом по мере опускания шихты из
агломерата уходят летучие (газы), шихтовые материалы расплавляются, и в
результате образуется губчатое железо, которое соприкасаясь с твердым углеродом
кокса осуществляет прямое восстановление железа, расплавляется,
науглероживается и стекает в горн. По мере накопления шлака и чугуна
осуществляется их выпуск в шлаковые и чугуновозные ковши. Особенностью процесса
является то, что технологический процесс восстановления происходит по всему
объему печи, а управление этимпроцессом осуществляется сверху и снизу, т.е. с
загрузки шихтовых материалов и топлива и подачей соответствующего количества
дутья через фурмы. При этом дутье должно быть нагрето до определенной
температуры, обогащено кислородом. Дополнительно в качестве топлива подается и
природный газ, для интенсификации процесса. Схема доменной печи представлена на
рисунке 1.1.
Если рассматривать задачи
управления, то тогда естественно для каждой задачи нужно определить объект управления.
Поэтому с точки зрения главной задачи управления необходимо в качестве объекта
рассматривать весь технологический процесс, который протекает по всему объему
доменной печи. Очевидно, что параметры этого процесса (объекта) распределены по
всему объему доменной печи и такой объект, следовательно, относится к объектам
с распределенными параметрами. Трудности управления объектами с распределенными
параметрами определяются тем, что параметры такого процесса распределены по
всему объему объекта, и нужно говорить не о значениях параметров, а об их
распределении.
Рисунок 1.1 - Схема доменной
печи 1- чугунная легка; 2 - горн; 3 - заплечики; .4 - распар; 5 - шахта; 6 -
колошник; 7 - засыпной аппарат; 8 - горизонт образований чугуна: 9 - горизонт
образования шлака; 10 - зоны горения кокса; 11 - слой шлака; 12 -
шлаковая летка; 13 - слой чугуна
2. АНАЛИЗ ОБЪЕКТА АВТОМАТИЗАЦИИ
Выплавка чугуна в доменной печи
характеризуется сложными процессами, происходящими в условиях движущихся,
химических и подвергаемых фазовым изменениям сред. Знание закономерностей
протекания этих процессов необходимо для разработки новых систем
автоматического управления, которые должны обеспечить оптимальный режим работы
доменной печи.
С точки зрения теории
управления доменный процесс является нелинейным многосвязным объектом с
распределенными параметрами, полисигнальной структурой и потерями информации.
В настоящее время большинство
из множества характеризующих доменный процесс параметров контролируются
непрерывно или через определенные интервалы времени, однако точность и
надежность некоторых измерительных комплектов неудовлетворительна. Кроме того,
получаемая в настоящее время информация о ходе процесса используется
недостаточно.
Множество характеризующих
доменный процесс контролируемых параметров можно условно разделить на три
подмножества - входные параметры, выходные параметры и параметры состояния.
Входные параметры:
расход дутья;
содержание кислорода в дутье;
температура горячего дутья;
влажность дутья;
расход топливной добавки,
вдуваемой через фурмы;
химический состав топливной
добавки;
давление газа под колошником;
расходы дутья через отдельные
фурмы (при наличии САР);
расходы топливной добавки через
отдельные фурмы;
диаметр и высота форм;
кокс, рудная часть шихты,
флюсы:
а) количество в подачу;
б) химический состав;
в) влажность;
г) реакционные характеристики;
д) фракционный состав;
е) прочностные характеристики.
система загрузки;
уровень засыпки.
Выходные параметры:
производительность печи;
качество чугуна:
а) химический состав;
б) температура.
себестоимость.
Параметры состояния:
давление горячего дутья;
перепады давления по высоте
печи;
расходы дутья через отдельные
фурмы (при отсутствии САР);
выход колошникового газа;
химический состав колошникового
газа;
химический состав газа по
радиусам печи;
скорость схода шихты;
температура фурменных зон;
температура периферии печи на
различных горизонтах;
температура газов в
газоотводах;
распределение температуры по
радиусам печи;
химический состав шлака;
количество шлака;
температура шлака;
пульсация давления горячего
дутья на фурмах.
В свою очередь входные
параметры процесса можно подразделить по признаку возможности непрерывного
контроля и целенаправленного изменения их на управляющие и возмущающие
воздействия.
В типовые системы контроля и
регулирования хода доменной печи включены приборы и регуляторы-стабилизаторы
регулируемых входных воздействий, которые достаточно точно поддерживают
задаваемые вручную параметры дутьевого режима. Контроль же выходных величин и
возмущений еще весьма несовершенен, что вынуждает усложнять систему контроля,
вводя в нее ряд приборов, контролирующих некоторые промежуточные величины.
Основными АСР в доменной печи являются
температура горячего дутья, расход природного газа и давление под колошником.
Основными входными управляющими воздействиями доменного процесса являются
параметры режима дутья (расход, температура, влажность). Математические
зависимости, связывающие параметры процесса, при условии надежного контроля
последних, могут быть использованы в вычислительных устройствах для выработки
рекомендаций по изменению управляющих величин или в управляющих вычислительных
устройствах для автоматического изменения входных параметров процесса.
В соответствии с выбранной структурой АСР
информационным сигналом в ней является сигнал, пропорциональный температуре
горячего дутья. Горячее дутье подается в доменную печь с температурой 1100 0С,
давлением 0.31 МПа, влажность дутья составляет 50 гр./м3, содержание
кислорода 27 %, запыленность 3 мг/м3, контролируемая среда не
электропроводна.
Для измерения температуры горячего дутья
используют контактный термоэлектрический метод. Термопару в защитной арматуре
устанавливают на воздухопроводе как можно выше к кольцевому участку воздухопровода
горячего дутья. Все остальные приборы и средства АСР размещают на щитах в
специально подготовленном отапливаемом помещении и эксплуатируются при
атмосферном давлении и отсутствии агрессивных сред.
Регулятор должен обеспечить формирование
ПИ-закона регулирования при расчетных параметрах настройки, унифицированном
токовом входном сигнале и реализовать импульсный выходной.
Для реализации перечисленных функций используют
микропроцессорный контроллер (МПК). На нем кроме АСР температуры горячего дутья
реализованы еще три АСР доменной печи. Это позволяет сократить количество
использованных при автоматизации технических средств и их номенклатуры, что
снижает расходы на их монтаж, пусконаладочные работы и эксплуатацию, повышает
надежность системы в целом, а так же обеспечивает возможность дальнейшего
усовершенствования АСР программным путем без усложнения аппаратных средств.
Рисунок 2.1 - Временная характеристика объекта
регулирования температуры горячего дутья на доменной печи
3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ОБЪЕКТА
РЕГУЛИРОВАНИЯ И АППРОКСИМАЦИЯ КРИВОЙ РАЗГОНА
В практике автоматизации технологических
объектов и производств часто требуется знать математическое описание, т.е.
математическую модель объекта управления. Для специалистов в области
автоматизации наличие математической модели полезно по двум причинам:
) для исследования динамических свойств объекта
управления без дополнительных временных и материальных затрат;
) для построения замкнутой системы управления.
Так как технологические объекты являются
достаточно сложными и, как правило, их динамика описывается дифференциальными
уравнениями высоких порядков, то получить описание таких объектов аналитическим
путем практически невозможно, поэтому на практике для получения математических
моделей прибегают к использованию экспериментально-аналитических методов.
Экспериментальная переходная характеристика
объекта управления (рисунок 2.1), характеризующая изменение температуры
горячего дутья на доменную печь, есть ничто иное, как реакция системы на
единичное ступенчатое воздействие и может быть получена двумя путями:
) экспериментальным путем, непосредственно на
самом объекте;
) путем решения системы дифференциальных
уравнений, которыми описывается объект при той же форме входного сигнала.
Поэтому можно утверждать, что переходная функция
любого объекта есть ничто иное, как точное решение системы дифференциальных
уравнений, которой описывается объект при такой же форме входного воздействия.
Таким образом, задача идентификации сводится к решению обратной задачи
динамики, т.е. по имеющемуся решению дифференциальных уравнений найти сам вид
дифференциальных уравнений.
В практике получения математических моделей
объектов управления по переходным функциям в технической литературе есть
несколько способов. Наиболее простой из них является следующий:
) По переходной функции объекта управления
(рисунок 2.1) выбирается структура математической модели.
Как видно из приведенного рисунка 2.1 переходная
функция имеет вид переходной функции апериодического звена n-го порядка. На
начальном участке времени выходной сигнал практически не меняет своей величины
по амплитуде, т.е. отстает или запаздывает относительно входного сигнала.
Поэтому в качестве передаточной функции модели объекта можно выбрать
передаточную функцию следующего вида:
где К - коэффициент усиления
объекта, Т - постоянная времени, 
- величина запаздывания, n - порядок
объекта.
Приняв подобную структуру модели, и
разложив звено чистого запаздывания в ряд Тейлора, ограничившись первыми двумя
членами, структура модели можно представить в следующем виде:
Рисунок 3.1 - Расчетная схема
2) После выбора структуры модели
задача идентификации сводится к определению численных значений коэффициентов:
К, Т, 
, n,
входящих в структуру модели.
Коэффициенты, входящие в
передаточную функцию, выбираются следующим образом: к переходной функции
объекта управления в точке перегиба проводится касательная и по графику
определяются: Т=58 с и = 6 с.
Значение коэффициента усиления объекта К определяется по формуле:
Исходное значение порядка объекта n,
из рассуждения прагматичности, берется равным 2.
Коэффициенты, полученные таким
путем, дают лишь приблизительные результаты. Поэтому значения этих
коэффициентов могут использоваться лишь как приближенные значения в процессе
получения точной математической модели объекта управления.
) Следующим этапом является проверка
адекватности модели и объекта. В этом случае критерием адекватности будет совпадение
переходной функции модели и объекта во всем временном диапазоне.
Для построения переходной
характеристики модели достаточно провести моделирование полученной структуры
(рисунок 3.1) во временной области при той же форме входного воздействия и нулевых
начальных условиях.
Так как
/X = K/(TP/n+1);/Y1 = 1/(TP/n+1);/Y2
= 1/(τP/2+1);/Y3
=1/ (τP/2+1).
То можно записать следующие
выражения
TP/n Y1 + Y1 = КХ;/n Y2 + Y2 = Y1;
тP/2 Y3 + Y3 = Y2;
τP/2 Y4 + Y4 = Y3;
Таким образом получена система
дифференциальных уравнений в операторной форме. Если в системе уравнений (3.1)
провести замену Р на d/dt, то систему уравнений можно записать в обычной форме:
′ = 2(KX - Y1)/T;′ =
2(Y1 - Y2)/T;′ =2 (Y2 - Y3)/τ;′ =2 (Y3 - Y4)/τ;
Подставив в (3.2) численных значений
коэффициентов: К, Т, , n,
входящих в структуру модели, получим
′ = 2(1 - Y1)/58;′ =2(Y1
- Y2)/58;′ =2 (Y2 - Y3)/6;′ =2 (Y3 - Y4)/6;
Полученная система (3.3) решается во
временной области (с использованием программы EXCEL) и результат решения
сравнивается с переходной функцией объекта управления (рисунок 2.1). Если
результаты совпадают, то процесс идентификации считается законченным. В
противном случае, осуществляется корректировка Т и в ту или
иную сторону и снова осуществляется проверка адекватности. В том случае, если
путем корректировки добиться положительных результатов не удается, то
изменяется значение n. В общем случае процедуру идентификации объектов
управления во временной области можно представить в виде блок-схемы,
приведенной на рисунке 3.2.
Рисунок 3.2 - Блок-схема алгоритма
Процесс идентификации был закончен при следующих
численных значениях коэффициентов: К=1, Т=58с, n=2 и τ=6с.
Передаточная функция математической модели объекта управления в этом случае
приобретает вид:
В соответствии с (3.4) строим
переходную характеристику математической модели (рисунок 3.3). Сравнивая две
характеристики: модели и объекта, можно сделать вывод о точности проведенной
идентификации.
- экспериментальная; 2 -
аппроксимирующая
Рисунок 3.3 - Переходные функции
объекта и модели регулирования
4. СИНТЕЗ АВТОМАТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ
.1 Обоснование выбора закона
регулирования
Выбор конкретного вида
автоматических регуляторов, применяемых в системах автоматического
регулирования доменной печи, определяется:
1) статическими и динамическими свойствами
объекта регулирования;
) требуемым качеством регулирования;
) условиями согласования регулятора со
смежной аппаратурой;
) параметрами окружающей среды -
температурой, влажностью, вибрацией, наличием магнитных полей, химической
агрессивностью, взрывоопасностью и т. п.;
) надежностью;
) условиями обслуживания и ремонта;
) экономическими показателями;
) номенклатурой выпускаемых приборов.
Одним из основных условий, предъявляемых к
регулятору, является обеспечение требуемого качества регулирования. Независимо
от конструктивного выполнения регулятора качество осуществляемого им процесса
регулирования определяется законом регулирования.
Одним из основных требований, предъявляемых к
системам автоматического управления, является отсутствие статической ошибки,
т.е. отсутствие разницы между выходной координатой и заданием в установившемся
режиме. Эта цель достигается путем введения в прямой канал системы управления
астатизма хотя бы первого порядка.
Поэтому в промышленных системах для управления
объектами без самовыравнивания, т.е. в составе которых уже имеется интегратор,
используют П-регулятор, а для управления объектами с самовыравниванием
используют ПИ-регулятор.
Структурная схема АСР температуры горячего дутья
в доменной печи представлена на рисунке 4.1.
Рисунок 4.1 - Структурная схема АСР температуры
горячего дутья
.2 Обоснование выбора критерия оптимальности
Одним из требований предъявляемых к
промышленным системам является поддержание равенства 
в условиях
действия внешних возмущающих воздействий. Иными словами на протяжении всего
условия эксплуатации выходная координата должна четко отслеживать задание.
Так как в большинстве промышленных
систем реализован принцип регулирования по отклонению, то пока не произойдет
отклонение выходной координаты от заданного значения, управляющее воздействие
на выходе регулятора изменятся, не будет, поэтому выходная величина любой
замкнутой системы будет постоянно изменятся относительно задания. Поэтому при
расчете реальных систем регулирования ставится задача поддержания выше
указанного равенства с минимально возможной ошибкой. Кроме того, к реальным
системам ставится требование, чтобы они были не просто устойчивы, но обладали
еще и некоторым запасам устойчивости. Вызвано это тем, что в процессе
эксплуатации динамические свойства объекта управления изменяются.
Таким образом, в качестве критерия
оптимальности будет использован min-max критерий, т.е. система автоматического
управления считается оптимально настроенной тогда, когда она обеспечивает
минимум среднеквадратичной ошибки при заданном запасе устойчивости.
Среднеквадратичная ошибка является достаточно удовлетворительной мерой точности
работы системы при регулировании величин, которые определяют
технико-экономический показатель работы объекта, так как здесь важно, чтобы
отклонение регулируемой величины было небольшим в среднем за относительно
большой промежуток времени; кратковременные же выбросы регулируемой величины,
пусть и сравнительно большие, в этом случае могут не приниматься во внимание.
Для случая ПИ-регулятора минимум
среднеквадратичной ошибки определяется максимум отношения Kp/Tu, т.е.
необходимо выбрать минимально возможное Tu и максимальное значение Kp. Однако
увеличение Kp и уменьшение Tu приближает замкнутую систему к границе
устойчивости и может привести к ее потери. Поэтому оптимальные значения Tu и Kp
должны определятся не просто с учетом устойчивости системы, но и с учетом
требуемого запаса устойчивости. В качестве такого показателя принимается
показатель колебательности
Значение показателя колебательности
обычно выбирают в пределах от 1,1 до 2,4. Выберем М = 1,3.
4.3 Расчет параметров настройки
регулятора
Когда речь идет об определении
оптимальных параметров настройки ПИ-регулятора, то по существу определяется
максимально возможное отношение Кр/Ти при заданном показатели колебательности М
= Мдоп и с учетом частотных характеристик реального объекта. То есть, если
выразить отношение Кр/Ти как некоторую функцию
то вся настройка сведется к поиску
значения частоты, при которой достигается максимум этой функции и определению
Кр и Ти при этом значении частоты. Частота, при которой достигается максимум
вспомогательной функции, получила название резонансной частоты.
Для ПИ-регулятора вспомогательная
функция имеет значение
.
С учетом вида передаточной функции
объекта управления (3.3) получаем аналитические выражения для определения
Аоб(w) 
:
Вычисленные значения Аоб(w) на различных
частотах, подставляют в выражение вспомогательной функции и определяют значение
функции на этих частотах. После этого определяется значение частоты, при
которой значение вспомогательной функции имеет максимальное значение. Затем,
использовав значение Аоб(w) , при 
вычисляют значение Кр. Зная величину
вспомогательной функции и значение Кр, можно вычислить Ти.
В общем случае блок-схема алгоритма синтеза
автоматической системы регулирования методом вспомогательной функции приведена
на рисунке 4.1.
Представленная выше блок-схема, представляет
собой упрощенную структуру в программе ITER 632.
Используя программу ITER 632, получим, что оптимальная
настройка ПИ-регулятора будет определяться следующими значениями: Кр = 2.15 и
Ти = 93.25 с, ωp=0.0216
рад/с.
Рисунок 4.1 - Блок-схема алгоритма синтеза
автоматической системы регулирования методом вспомогательной функции
Параметры настройки регулятора будут считаться
оптимальными, если показатель колебательности системы не превышает заранее
заданной величины М < = Мдоп, т.е. М < = 1.3.
Так как М = Мдоп, следовательно,
настройка выполнена верно.
Амплитудно-частотная характеристика
оптимально настроенной замкнутой системы с ПИ-регулятором приведена на рисунке
3.2.
Рисунок 4.2 - Амплитудно-частотная
характеристика оптимально настроенной замкнутой системы с ПИ-регулятором
5. АНАЛИЗ КАЧЕСТВА ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ
АСР
Существует два типа показателей
качества: прямые и косвенные. К прямым показателям качества относятся: время
регулирования, величина перерегулирования и статическая ошибка. К косвенным
показателям качества относятся показатель колебательности и запас устойчивости.
Оценим качество функционирования АСР
по прямым показателям качества. Для этого строим переходные процессы по заданию
(рисунок 5.1) и возмущению (рисунок 5.2)
Рисунок 5.1- Переходный процесс по
заданию
Определим прямые показатели качества
работы АСР:
1) время регулирования tр =333 c;
) коэффициент перерегулирования
) статическая ошибка
Рисунок 5.2 - Переходный процесс по
возмущению
Определим прямые показатели качества
работы АСР:
) время регулирования ty =215 c;
) максимальное динамическое
отклонение 
) статическая ошибка
Оценим качество функционирования АСР
по косвенным показателям качества.
Запас устойчивости можно определить
по удалению комплексно-частотной характеристики разомкнутой системы от точки
(-1,j0). Для этой цели вводятся понятия запаса устойчивости по амплитуде
(модулю) и по фазе.
Строим КЧХ разомкнутой системы,
учитывая, что
Согласно критерию Найквеста, так как
КЧХ разомкнутой системы не охватывает точку с координатами (-1,j0), то система
будет устойчива и при замыкании ее отрицательной обратной связью.
автоматический доменный печь регулятор
Рисунок 5.3 - КЧХ разомкнутой системы
Определим по рисунку 5.3 запас устойчивости по
модулю и по фазе:
Н = 0.83;
.
Показатель колебательности был задан
М = 1.3, который оказался равным максимальному значению амплитудно-частотной
характеристики замкнутой системы.
ВЫВОДЫ
В данном курсовом проекте была
проведена автоматизация автоматической системы регулирования температуры
горячего дутья на доменную печь.
По временной характеристике объекта
регулирования температуры горячего дутья на доменную печь (рисунок 2.1)
определили его математическое описание. Передаточная функция математической
модели объекта управления имеет вид:
Определили оптимальные параметры
настройки ПИ-регулятора: Кр = 2.15 и Ти = 93.25 с, передаточная функция
которого имеет вид:
.
Оценили качество функционирования
автоматической системы регулирования по прямым и косвенным показателям
качества, из чего сделали вывод что система устойчива, хорошо обрабатывает
возмущающие воздействия.
1
Каганов В.Ю., Блинов О.М., Беленький А.М. “Автоматизация управления
металлургическими процессами”, - М., “Металлургия”, 1974г.
Сосненко
М.Н. “Мартеновское производство стали”, - М., “Металлургия”, 1969г.
Ротач
В.Я. “Расчет динамики промышленных автоматических систем регулирования”, - М.,
“Энергия”, 1973г.