Анализ параметров управления плазменной установкой

Автор: Буянтуев С.Л., Стебенькова Ю.Ю., Сандаков И.М.

Журнал: Вестник Восточно-Сибирского государственного университета технологий и управления @vestnik-esstu

Статья в выпуске: 5 (62), 2016 года.

Бесплатный доступ

В статье отражены результаты анализа, проведенного для выявления параметров управления плазменной установкой научно-исследовательской лаборатории «Плазменные и энергетические технологии» Восточно-Сибирского государственного университета технологий и управления. Плазменная установка питается от источника постоянного тока, и основными регулируемыми параметрами являются ток и напряжение на электрической дуге. От величины тока, протекающего в плазменной установке, зависит температура плазмы и соответственно режимы обработки различных материалов. В свою очередь, обрабатываемые материалы имеют разный химический состав (например, уголь, золошлаки, горные породы, твердые бытовые отходы, медицинские отходы и др.) При их обработке требуется регулирование в широком диапазоне токов, удельных энергозатрат и температурных режимов. Таким образом, плазменная установка является сложным многосвязным объектом. Параметры, которыми необходимо управлять, имеют разную природу. Выявление взаимосвязи между параметрами осуществляется с помощью метода построения структурного графа (С-графа).

Еще

Плазменная установка, управление, системный анализ, параметры управления, технологические параметры

Короткий адрес: https://sciup.org/142143261

IDR: 142143261

Текст научной статьи Анализ параметров управления плазменной установкой

В настоящее время использование плазменных установок в различных областях имеет все более широкое применение. Поэтому управление технологическими параметрами плазменных установок сегодня актуально.

Объектом исследования являются процессы, протекающие в плазменной установке (плазмотрон, плавильный агрегат, плазменно-химический реактор и др.). Установка представляет собой сложную многосвязную систему. Управление такой системой является важной технико-экономической задачей.

Для того чтобы приступить к управлению, необходимо выявить наиболее существенные параметры, от которых зависит надежная и оптимальная работа плазменной установки.

Принципиальная схема питания и управления плазменной установки представлена на рисунке 1. Исходя из принципа работы данной установки, необходимо провести системный анализ, который выявит взаимосвязь технологических параметров установки.

ТВ

Рисунок 1 – Принципиальная схема питания и управления плазменной установкой:

РТ – развязывающий трансформатор, 380/380В; ТВ – тиристорный выпрямитель постоянного тока;

C и L – элементы фильтра для сглаживания выпрямленного тока и напряжения;

R – ограничительное сопротивление пускового тока; ПЛ – плазменный агрегат;

БУ – блок управления

Плазменный агрегат представляет собой плазмотрон постоянного тока, представленный на рисунке 2.

Рисунок 2 – Схема плазменной установки: 1 – ввод и вывод охлаждающей воды крышки плазменного реактора; 2 – графитовый стержень (катод); 3 – охлаждающая вода;

4 – изолятор; 5 – крышка плазменного реактора; 6 – ввод и вывод охлаждающей воды плазменного реактора; 7 – охлаждающая вода; 8 – верхнее графитовое кольцо; 9 – анодное графитовое кольцо; 10 – нижнее графитовое кольцо с выемкой для установки диафрагмы;

11 – соленоид; 12 – графитовая крошка; 13 – графитовая диафрагма; 14 – электрическая дуга

В результате проведенного системного анализа для исследований были выбраны следующие технологические параметры:

Iу – уставочное значение силы тока серии (А);

Uу – уставочное значение напряжения на плазмотроне (В);

ФРП – форма рабочего пространства (геометрические размеры, м);

D – средняя плотность тока (в эффективном сечении аппарата) (А/см ² );

е – ЭДС поляризации, (В) (напряжение поджига дуги);

Т окр - температура окружающей среды ( ° С);

E f – энергия вспышки (кВт∙ч);

I – действительное значение тока серии (А);

U – действительное значение напряжения плазменного реактора (В);

Q э – выход по энергии (г/квт∙ч);

T - температура плазмы ( ° С);

f – частота анодных и катодных эффектов.

Так как энергия вспышки равна нулю или приближается к нему, то в дальнейшем ее использовать не будем.

Функциональные взаимосвязи технологических параметров представлены в таблице 1. На основании этой таблицы строится граф связности, вершинами которого являются перечисленные выше технологические параметры (рис. 3). Информация о связях технологических параметров позволяет разработать структурную схему процесса электротермической обработки материалов (рис. 4). Структурная схема системы управления может быть сведена к С-графу (рис. 5). Такой вид графа используется при структурно-параметрическом синтезе системы. В качестве переменных целесообразно рассматривать искомую структуру с неизвестными параметрами, поэтому вершинам графа ставим в соответствие операторы системы, а дугам – сигналы системы.

Таблица 1

Таблица функциональных связей, исследуемых технологических параметров

Исследуемые технологические параметры	I	U	Qэ	T	f
Iу
Uу
ФРП
e
Tокр
E f
I
U
Q
T
f

С-граф процесса дает представление о функциональных зависимостях рассматриваемых технологических параметров. Он является информационной средой для структурной идентификации.

Рисунок 3 – Граф связности параметров

ФРП

tокр

Qэ

Iуст

Uуст

Рисунок 4 – Структурная схема

Iуст 1

Uуст

ФРП

W13

W14

W11

Рисунок 5 – С-граф

Qэ

W15 Pf

tокр

Для представления модели в рациональной форме запишем С-граф в виде матричных уравнений: матрицы компонент, матрицы структуры, матрицы системы. Полученная матрица системы имеет достаточно большую размерность. Работать с матрицей большой размерности и с символьными параметрами очень сложно, а с учетом того, что она является разреженной, было проведено понижение размерности матрицы. Для этого матрицу системы H представим в виде системы уравнений блочных подматриц и решим уравнение (1).

H 1

H 3

H 2

H 4

X 1

X 2

= 0;

[H 3 - H 4 *H 2^-1 *H 1 ]*[X 1 ] = 0.

Условием решения уравнения (1) будет det H2 ≠ 0.

В результате получим матричное уравнение системы (3).

x 1

1	0	0	0	–1	W 4	0	0	W 15	0	0		x 2
0	1	0	W 9	W 12	–1	0	0	0	0	0		x 3
0	0	0	0	0	W 11	0	0	0	0	0		x 4
0	0	0	0	W 1	W 5	0	W 13	0	0	0	x	x 5	= 0.
0	0	0	0	0	W 6	–1	0	0	W 14	0		x 6
0	0	W10	0	W 2	W 7	0	–1	0	0	W10		x 7
0	0	0	0	W 3	0	0	0	–1	0	0		x 8
0	0	0	0	0	0	0	0	0	–1	0		x 9
												x 10

Результаты сведем в таблицу 2.

Таблица 2

Iy	Uy	tок	Ef	I	U	Q	T	f	Qэ
x 1	x 2	X 3	X 4	X 5	X 6	X 7	X 8	X 9	X 10
1	0	0	0	–1	W 4	0	0	W 15	0
0	1	0	W 9	W 12	–1	0	0	0	0
0	0	0	0	0	W 11	0	0	0	0
0	0	0	0	W 1	W 5	0	W 13	0	0
0	0	0	0	0	W 6	–1	0	0	W 14
0	0	W10	0	W 2	W 7	0	–1	0	0
0	0	0	0	W 3	0	0	0	–1	0
0	0	0	0	0	0	0	0	0	–1

Из таблицы 2 получим следующее соотношение для полученной модели:

– напряжения питания плазмотрона

U = X 2 + W 9 *X 4 + W 12 *X 5 .

Проведенный этап структурной идентификации дает возможность определить необходимые компоненты для этапа параметрической идентификации и в дальнейшем перейти к управлению технологическим процессом, а именно регулировать в широком диапазоне токи, удельные энергозатраты и температурные режимы для обработки различных материалов

Список литературы Анализ параметров управления плазменной установкой

Плазменно-термическая обработка углей и золошлаковых отходов в энергетике: монография/С.Л. Буянтуев ; Вост.-Сиб. гос. ун-т технологий и управления. -Улан-Удэ: Изд-во ВСГУТУ, 2015.-С. 50.
Алпатов Ю.Н. Синтез систем управления методом структурных графов. -Иркутск: Изд-во Иркут. ун-та, 1988. -144 с.
Стебенькова Ю.Ю. Оптимальное управление по двум критериям на примере гидролиза алюминия.//Тр. Братского гос. техн. ун-та. -Т. 1. Естественные и инженерные науки -развитию регионов. -Братск: Изд-во БрГТУ, 2002. -230 с.

Статья научная