Имитационная модель многозонной печи.

[Lunatik-k]

Подобная многозонная печь может применяться для выращивания кристаллов в космосе.
Имитационная модель нужна для отладки программы  управления нагревателями печи.
Нагреватели печи оказывают сильное взаимовлияние между различными зонами нагрева.
Обычные ПИД терморегуляторы для управления нагревателями печи не подходят т.к. сильное взаимовлияние нагревателей может запустить автоколебательный процесс.
Печь является инерционным объектом.

Есть ли у кого интерес к правильной постановке задач:
1). формулирования правильной имитационной модели многозонной печи.
2). Предложений по методам управления подобными печами.

Мне встречался итерационный метод управления нагревателями печи.
Но он показал плохие динамические характеристики управления температурным полем объекта. Из-за сильного взаимовлияния нагревателей,  инерционности самой печи и инерционности самого образца, отклонения от задаваемых температур желают быть лучшими.
Желательный результат точности поддержания задаваемых температур и изменяемых по программе во времени  +- 0.1 градус, при динамическом снижении температуры на одной стороне объекта 0,15 градуса в минуту.
При этом температура на другой стороне объекта должна оставаться постоянной, хотя динамически изменяется тепловой поток в самом объекте(образце).
В существующей программе точность поддержания температуры при динамическом изменении температурного поля примерно +-0,5 градуса.
 

[Lunatik-k]

Есть  ли спецы теплотехники на форуме ?
С благодарностью выслушаю любые намеки как улучшить динамически свойства многозонных печей.

[Верный Союзник с Окинавы]

Есть  ли спецы теплотехники на форуме ?
С благодарностью выслушаю любые намеки как улучшить динамически свойства многозонных печей.

Не теплотехник, но вот:

https://docviewer.yandex.kz/view/1347797009/?*=Sj%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&lang=ru

[Lunatik-k]

Спасибо скачал документ для осмысления.

[Serge V Iz]

Правильная имитационная модель печи является моделью
1 источников тепла
2 процессов теплопроводности/теплопереноса в печи и ее содержимом
3 датчиков параметров процесса, и
4 возмущающих факторов.

С первыми двумя элементами всё более или менее понятно - ТЭНы просто отвечают выделением тепловой энергии на управляющие воздействия в виде тока (напряжения, скважности, ...), а среды переносят тепло теплопроводностью, конвекцией и излучением. Если характеристики участвующего во всем этом известны - можно считать с произвольной точностью... да хоть МКЭ, хоть даже МКЭ в реальном времени  - объект-то инерционный. Если неизвестны - можно ставить эксперименты с целью идентификации и измерения характеристик.

А вот насчёт третьего, четвертого, и, затем, структуры и параметров регулятора - разве что гадать при таком описании

[Lunatik-k]

Что сейчас есть небольшая вакуумная печь, с тремя нагревателями в которую устанавливается графитовый тигель в котором затравка с застывшим холодным расплавом.
Тигель помещается в кварцевую колбу и запаивается.
Содержимое тигля каждый раз различное. с непредсказуемой теплопроводностью и теплоемкостью образца.

Под тиглем(облаченным кварцевой колбой) один инерционный нагреватель, обратная связь две нижние термопары контактирующие непосредственно с кварцевой колбой снизу. Есть также термопара на самом нагревателе.
Над тиглем расположен еще один нагреватель меньшей инерционности с двумя термопарами.
Есть еще фоновый нагреватель вокруг самой кварцевой колбы плюс термопары.
Каждым из нагревателем управляет программный итерационный регулятор, работающий по принципу минимальное стартовое воздействие на тэн, измеряется температура в точке измерения, если не достаточна температура, увеличивается управляющее воздействие, есть примитивное некоторое прогнозирование ближайшего достижения температуры в районе измерительных термопар, если температура превысило значение, управляющее воздействие уменьшается, вычитание их счетчика итерации.
Все эти нагреватели имеют сильное взаимовлияние друг на друга.
Есть общая управляющая программа которая задает каждому регулятору какой температуры он должен достичь.
Регуляторы не знают о существовании друг друга,
И вот они медленно толкают друг друга, создавая друг другу стороннее возмущение.
При скорости изменения задания 0,15 градусов в минуту, удается поддерживать температуру +-0,5 градуса.
Если скорость изменения температуры увеличить регуляторы впадают в сильный автоколебательный режим, при котором ни о какой точности не может быть и речи.

Эта идеология регулирования была  разработана задолго до моего первоначального ознакомления с программой, разработчик программы, давно уволился не сошлись.
Мне пришлось поправить некоторые явные ошибки, над поиском которых пришлось изрядно потрудиться.

Заказчика явно не устраивает качество работы программы, но без серьезных переделок не обойтись.
Потребуется переписывать все временные циклограммы управления регуляторами, придется в каждый регулятор вводить дополнительные обратные связи с других регуляторов, чтобы регуляторы узнали о существовании других регуляторов и вырабатывали управляющие воздействия с учетом работы других регуляторов.
Разрабатывать методологию выработки коэффициентов взаимовлияния регуляторов.
И делать много чего чтобы хотя бы на порядок улучшить качество регулирования(динамику и точность поддержания температуры в точках контроля).

Причем мне все это нужно переварить заранее, чтобы не переделывать 20 раз.

Т.к. постоянного выхода на печь у меня нет то требуется создать некоторую имитационную модель самой печи, чтобы тестировать саму программу в процессе разработки.
Управление через метод конечных элементов не подойдет т.к. заказчик не хочет этим заниматься и тем более оплачивать, он желает все попроще, но чтобы работало.

Подход у заказчика такой нужно создать то не знаю чего, но работать должно.
Конкретной постановкой задачи заказчик заниматься не желает, да и нет у него специалистов, способных сформулировать задачу управления.

[Serge V Iz]

По описанию, там ПИ-регуляторы и на нагревателях непонятный режим (ШИМ, ЧИМ, релейный ?) управления.

Если регуляторы разваливаются в каком-то режиме - их коэффициенты для этого режима заданы неверно, надо настраивать.

Для настройки полезно будет, всё же, снять характеристику объекта в виде его отклика (устанавливающаяся температура и профиль ее изменения)  на включение каждого из нагревателей в нерегулируемом режиме, с фиксированной уставкой (хоть, например, на полную мощность, или на поддержание максимальной допустимой температуры самого нагревателя).

[opinion]

Из описания непонятно, где там зоны и как разные нагреватели влияют на температуру тигля. Зачем их вообще несколько?

Если нужна постоянная скорость нагрева, то можно увеличивать мощность инерционного нагревателя линейно, а мощность менее инерционного регулировать с помощью ПИД, на вход которого подавать невязку между ожидаемой (изменяющейся линейно) и измеренной температурой.

[Lunatik-k]

Из описания непонятно, где там зоны и как разные нагреватели влияют на температуру тигля. Зачем их вообще несколько?

Если нужна постоянная скорость нагрева, то можно увеличивать мощность инерционного нагревателя линейно, а мощность менее инерционного регулировать с помощью ПИД, на вход которого подавать невязку между ожидаемой (изменяющейся линейно) и измеренной температурой.

Там создается несимметричное температурное поле низ обычно на 100-200 градусов ниже верха.
В верхней зоне расплав, внизу образец не расплавляется, так им нужно.
Боле того фоновый нагреватель еще отслеживает радиальный температурный градиент, и в случае нарушения радиального температурного градиента должен выравнивать его или отслеживать его конкретное задание.
Потому и три нагревателя. Фоновый нагреватель так-же влияет на баланс температурного поля.

Через образец идет сильное взаимовлияние температурного поля нагревателей на точки контроля.
Если  в нижней зоне температура достигнута, а верхний продолжает нагреваться то необходимо снижать мощность нижнего нагревателя т.к. избыточная температура(тепловой поток)прет через образец от верхнего нагревателя.
После достижения всеми нагревателями задания делается выдержка устанавливаются температуры с довольно высокой точностью.
Но как только дается задание плавно снизить температуру верхней зоны до температуры нижней зоны тут и начинается гуляние температур. Снижение температуры наверху неминуемо изменение мощности температурный потока в образце т.к. меняется градиент между верхом и низом.
Значит нужно добавлять мощность на нагревателе нижней зоны т.к. температура низа должна быть константой и т.д. и т.п.

Там уже были любители ПИД-ов, но температура гуляет еще больше, чем при штатной программе.

Никакие ПИДы там не работают, там пародия на них.
Там пытались создать нечто похожее на ПИД, но другие нагреватели постоянно вносят возмущения в процесс, ПИДы просто не успевают корректировать эти постоянные динамические возмущения, с заданной точностью.

[Lunatik-k]

По описанию, там ПИ-регуляторы и на нагревателях непонятный режим (ШИМ, ЧИМ, релейный ?) управления.

Если регуляторы разваливаются в каком-то режиме - их коэффициенты для этого режима заданы неверно, надо настраивать.

Для настройки полезно будет, всё же, снять характеристику объекта в виде его отклика (устанавливающаяся температура и профиль ее изменения)  на включение каждого из нагревателей в нерегулируемом режиме, с фиксированной уставкой (хоть, например, на полную мощность, или на поддержание максимальной допустимой температуры самого нагревателя).

Там ШИМ управление транзисторными ключами.

Вы представьте процесс ПИД постепенно накапливает интегральную составляющую для достижения заданной температуры, а тут с боку приходит возмущение от второго или третьего нагревателя причем мощность этих возмущений различна т.к. различны мощности нагревателей и они по разному влияют на различные зоны.

[sychbird]

А какой размер образцов подвергаемых нагреву?

[Lunatik-k]

А какой размер образцов подвергаемых нагреву?

Кварцевая колба, в которой находится тигель с образцом, примерно как 100 граммовый стаканчик.
Колба название условное, больше напоминает химический стеклянный стакан с установленной сверху крышкой из кварцевого стекла и термически оплавленного до полной герметизации.

С точки зрения науки в самом процессе разогрева никаких научных достижений нет.
Их наука только в результатах к чему я никакого отношения не имею, и от процесса отстранен, мое дело попытаться улучшить качество регулирования печи, с технической стороны.

[Serge V Iz]

Вы представьте процесс ПИД постепенно накапливает интегральную составляющую для достижения заданной температуры, а тут с боку приходит возмущение от второго или третьего нагревателя причем мощность этих возмущений различна т.к. различны мощности нагревателей и они по разному влияют на различные зоны.

Представил.

А как получается обратная связь по состоянию объекта, если у него есть отдельно управляемые температуры - "верхушки", "низа", "бока" или кого там ещё?

Если по какой-то модели (восстановлением по измеряемым/наблюдаемым температурам только дна), а проблема видится именно в том, что независимые регуляторы сильно друг друга возмущают, то, может быть, может помочь согласование работы всех нагревателей путем их объединения в "один обобщенный нагреватель данной конфигурации". Где под конфигурацией понимается фиксированное соотношение (пропорция) мощностей, вырабатываемых каждым.

И рулить таким ограниченным набором "обобщенных нагревателей", в каждый момент времени только одним из этого набора, переключая, соответственно, коэффициенты регулятора.

ЗЫ. Если упомянутой удовлетворительной модели объекта нет, и именно ее надо получить, то все равно придется возвратиться к постановке экспериментов с примитивным разомкнутым управлением нагревателями, чтобы характеристики объекта снять.

[Lunatik-k]

Вы представьте процесс ПИД постепенно накапливает интегральную составляющую для достижения заданной температуры, а тут с боку приходит возмущение от второго или третьего нагревателя причем мощность этих возмущений различна т.к. различны мощности нагревателей и они по разному влияют на различные зоны.

Представил.

А как получается обратная связь по состоянию объекта, если у него есть отдельно управляемые температуры - "верхушки", "низа", "бока" или кого там ещё?

Если по какой-то модели (восстановлением по измеряемым/наблюдаемым температурам только дна), а проблема видится именно в том, что независимые регуляторы сильно друг друга возмущают, то, может быть, может помочь согласование работы всех нагревателей путем их объединения в "один обобщенный нагреватель данной конфигурации". Где под конфигурацией понимается фиксированное соотношение (пропорция) мощностей, вырабатываемых каждым.

И рулить таким ограниченным набором "обобщенных нагревателей", в каждый момент времени только одним из этого набора, переключая, соответственно, коэффициенты регулятора.

ЗЫ. Если упомянутой удовлетворительной модели объекта нет, и именно ее надо получить, то все равно придется возвратиться к постановке экспериментов с примитивным разомкнутым управлением нагревателями, чтобы характеристики объекта снять.

Вот эту модель я сейчас и пытаюсь осмыслить, регуляторов все равно будет три, но каждый из них будет получать обратную связь не от двух-трех термопар, а от шести-восьми.
Хоть и каждый их них это просто программный объект, каждый из них должен хранить температурную и скоростную предисторию зоны регулирования примерно за две минуты, чтобы вырабатывать управляющий сигнал с учетом оценки времени достижения очередной температурной волны, которая еще не успела пройти через образец.  И заранее начинать снижать или повышать мощность регулятора, хотя температурная волна еще не достигла регулируемой зоны, некоторое предсказание очередного температурного события. Примерно такие мысли, но выплывает куча вопросов.

Снимать(оценивать) характеристики объекта предполагаю на этапе первоначального разогрева объекта пока до достижения температуры еще далеко, просто выдавать определенные управляющие импульсы и измерять реакцию во всех зонах от каждого из нагревателей.

[Lunatik-k]

Как раскрутить ведомство Ковальчука на создание нужного им инструмента ?

Научным низам инструмент нужен, но деньги выбивать не хотят.