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
Рубрика: Технические науки
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).
Плазменная установка, управление, системный анализ, параметры управления, технологические параметры
Короткий адрес: https://sciup.org/142143261
IDR: 142143261 | УДК: 62-523
The analysis of plasma installation parameters
The article presents the analysis ’ results carried out to identify the control parameters of the plasma unit. The research has been performed by the laboratory "Plasma and Energy Technologies” of East Siberia State University of Technology and Management. The plasma unit is powered by a DC source and the main adjustable parameters are current and voltage on the electrical arc. A plasma temperature depends on the amount of current flowing in a plasma unit, and respectively processing modes of various materials. In turn, the processed materials have different chemical composition (eg, coal, ash and slag, rocks, municipal solid waste, medical waste, etc.). It requires their regulation in the wide range of currents, specific energy consumption and temperature regimes at their processing. Thus, the plasma installation is a complex multiply object. The parameters that must be controlled are of different nature. The identification of interrelation between parameters is realized by the means of the structural graph (S-graph) method.
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
Ef
tокр
Qэ
W5
Iуст
Uуст
Рисунок 4 – Структурная схема
Iуст 1
Uуст
ФРП
Ef
W13
W1
W14
W
W1
W11
W
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.
