novtexmechМехатроника, автоматизация, управлениеMekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie1684-64272619-1253Commercial Publisher «New Technologies»10.17587/mau.27.339-348novtexmech-2053Research ArticleСИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ, УПРАВЛЕНИЕ И ОБРАБОТКА ИНФОРМАЦИИSYSTEM ANALYSIS, CONTROL AND INFORMATION PROCESSINGСинтез энергосберегающих систем управления температурным режимом электропечей сопротивленияSynthesis of Energy-Saving Temperature Control Systems for Electric Resistance FurnacesЛовчаковВ. И.LovchakovV. I.

В. И. Ловчаков, д-р техн. наук, проф.

Тула

Lovchakov Vladimir I., Dr. of Tech. Sc., Full Professor

Tula, 300600

lovvi50@mail.ruМозжечковВ. А.MozzhechkovV. A.

В. А. Мозжечков, д-р техн. наук, проф.

Тула

V. A. Mozzhechkov

Tula, 300600

v.a.moz@yandex.ruТульский государственный университетРоссияTula State UniversityRussian Federation202620072026277339348Copyright © Commercial Publisher «New Technologies», 20262026Commercial Publisher «New Technologies»Commercial Publisher «New Technologies»https://mech.novtex.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://mech.novtex.ru/jour/article/view/2053

Сформулирована задача синтеза замкнутых систем управления электропечами сопротивления (ЭПС), оптимальных по комплексному критерию минимизации затрат электроэнергии и времени переходных процессов в этих системах. Данный критерий качества достаточно полно учитывает основные требования к функционированию ЭПС, которые образуют широкий класс объектов управления (их доля достигает 90 % всех электротермических установок страны), отличающихся большими энергопотреблением и инерционностью процессов. В задаче оптимального управления используется общепринятая математическая модель динамики ЭПС в виде передаточной функции, описывающей зависимость температуры в печи (регулируемой величины) от управляющего воздействия, которым является электрическая мощность, выделяемая на нагревательном элементе. Предложен метод решения поставленной задачи, обеспечивающий существенное сокращение затрат энергии при управлении печью в сравнении с известными методами, высокую точность регулирования температуры, а также возможность учета ограничений на значения регулируемой величины и управляющего воздействия. Метод основан на преобразовании данного критерия качества в своеобразный функционал обобщенной работы и применении теории аналитического конструирования оптимальных регуляторов А. А. Красовского с использованием прогнозирующей модели свободного движения ЭПС. Предлагаемые энергосберегающие алгоритмы позиционного управления допускают относительно простую реализацию с применением современных микропроцессорных устройств управления. Рассмотрен пример синтеза энергосберегающих алгоритмов обратной связи для конкретного объекта.

The article formulates the task of synthesizing closed-circuit control systems for electric resistance furnaces (ERF) according to a complex criterion for minimizing energy costs and transient time in these systems. This quality criterion relatively fully takes into account the basic requirements for the functioning of ERF, which form a fairly wide class of control object (their number reaches up to 90 % of all electrothermal installations in the country), characterized by high energy consumption and inertia of processes. The optimal control problem uses a generally accepted mathematical model of ERF dynamics in the form of a transfer function describing the dependence of the temperature in the furnace (adjustable value) on the control action, which is the electric power released on the heating element. А method for solving it is proposed, which provides a significant reduction in energy costs when controlling the furnace in comparison with known methods, high accuracy of temperature control, as well as the possibility of taking into account restrictions on the values of the controlled value and control action. The method is based on the transformation of this quality criterion into a kind of generalized functional and the application of the theory of analytical design of optimal regulators by А. A. Krasovsky using the predictive model of free movement of ERF. The proposed energy-saving positional control algorithms allow for a relatively simple implementation using modern microprocessor control devices. An example of the synthesis of energy-saving feedback algorithms for a specific object is considered.

электропечь сопротивленияоптимизацияэнергосбережениебыстродействиенелинейное управлениеelectric resistance furnaceoptimizationenergy savingspeednonlinear controlReferencesГорячих Е. В. Система управления тепловыми зонами электрических печей сопротивления // Электротехника. 2016. № 4. С. 47—52.Gorjachih E. V. Thermal zones control system for electric resistance furnaces, Jelektrotehnika, 2016, no 4, pp. 47—52 (in Russian).Рубцов В. П., Горячих Е. В., Щербаков А. В. Исследование влияния неоднородности электрической печи сопротивления как объекта управления // Электротехника. 2015. № 7. С. 41—45.Rubcov V. P., Gorjachih E. V., Shherbakov А. V. Investigation of the effect of inhomogeneity of an electric resistance furnace as a control object, Jelektrotehnika, 2015, no. 7, pp. 41—45 (in Russian).Рубцов В. П., Щербаков А. В., Соловьева Е. В. О применении аппарата нечеткой логики в системах управления электротехнологическими установками // Электротехника. 2016. № 4. С. 43—47.Rubcov V. P., Shherbakov A. V., Solov’eva E. V. On the application of fuzzy logic apparatus in control systems of electrotechnological installations, Jelektrotehnika, 2016, no. 4, pp. 43—47 (in Russian).Митяков Ф. Е., Горячих Е. В. Исследование влияния переключения ступеней напряжения трансформатора на работу регуляторов температуры в высокотемпературных вакуумных печах сопротивления // Электротехника. 2013. № 7. С. 33—37.Mitjakov F. E., Gorjachih E. V. Investigation of the effect of switching transformer voltage stages on the operation of temperature regulators in high-temperature vacuum resistance furnaces, Jelektrotehnika, 2013, no. 7, pp. 33—37 (in Russian).Иванушкин В. А., Сарапулов Ф. Н., Мезенин С. М. Модели электропечи сопротивления и линеаризация канала управляющего воздействия системы регулирования температуры // Электротехника. 2006. № 1. С. 28—33.Ivanushkin V. A., Sarapulov F. N., Mezenin S. M. Models electric furnace of resistance and linearization of the control channel of the temperature control system, Jelektrotehnika, 2006, no. 1, pp. 28—33 (in Russian).Алиферов А. И., Горева Л. П. Эффективность конструктивных решений токоподвода при модернизации руднотермической печи // Электротехника. 2024. № 5. С. 2—7.Aliferov A. I., Goreva L. P. Efficiency of constructive solutions of a current supply during modernization of an ore thermal furnace, Jelektrotehnika, 2024, no. 5, pp. 2—7 (in Russian).Dai Y., Chen N., Shao Z. Hybrid self-learning model for the prediction and control of sintering furnace temperature // Control Engineering Practice. 2025. Vol. 154. P. 106159.Dai Y., Chen N., Shao Z. Hybrid self-learning model for the prediction and control of sintering furnace temperature, Control Engineering Practice, 2025, vol. 154, p. 106159.Surus R., Strzałkowski K., Tarczewski T. High-performance temperature control system for resistance furnace annealing and crystal growth of semiconductor compounds // Results in Engineering. 2023. Vol. 17. P. 100863.Surus R., Strza kowski K., Tarczewski T. High-performance temperature control system for resistance furnace annealing and crystal growth of semiconductor compounds, Results in Engineering, 2023, vol. 17, p. 100863.Митяков Ф. Е. Повышение энергетической эффективности высокотемпературных вакуумных печей сопротивления с экранной теплоизоляцией. Автореф. дис. ... канд. техн. наук. М.: МЭИ, 2014. 20 с.Mitjakov F. E. Improving the energy efficiency of high-temperature vacuum resistance furnaces with screen insulation. Abstract of the thesis of the Candidate of Technical Sciences, Moscow, MEI, 2014. 20 p.Fradette R. J. Methods of improving vacuum furnace insulation efficiencies // Industrial Heating. September. 2013.Fradette R. J. Methods of improving vacuum furnace insulation efficiencies, Industrial Heating, September, 2013.Погребисский М. Я. Разработка способов и систем регулирования температуры электропечей сопротивления с улучшенными энергетическими показателями. Автореф. дис. ... канд. техн. наук. М.: МЭИ, 2001. 19 с.Pogrebisskij M. Ja. Development of methods and systems for regulating the temperature of electric resistance furnaces with improved energy performance. Abstract of the thesis of the Candidate of Technical Sciences, Moscow, MEI, 2001. 19 p.Свенчанский А. Д. Электрические промышленные печи: в 2 т. Т. 1. Электрические печи сопротивления. М.: Энергия, 1975. 384 с.Svenchanskij А. D. Electric industrial furnaces: 2 volumes, Vol. 1. Electric resistance furnaces, Moscow, Jenergija, 1975, 384 p. (in Russian).Dimitrov В. Analysis of the approaches for improvement of the energy efficiency of electric resistance furnaces // XI International congress "Machines, technolоgies, materials". 2014. Vol. 2. P. 40—43.Dimitrov В. Analysis of the approaches for improvement of the energy efficiency of electric resistance furnaces, XI International congress "Machines, technolоgies, materials", 2014, vol. 2, pp. 40—43.Чудинов В. Н. Аналитическое определение передаточной функции печи сопротивления // Изв. Томского политехнического ин-та. 1974. Т. 208. С. 87—92.Chudinov V. N. Analytical determination of the transfer function of the resistance furnace, Izv. Tomskogo politehnicheskogo in-ta, 1974, vol. 208, pp. 87—92 (in Russian).Красовский А. А. и др. Справочник по теории автоматического управления. М.: Наука, 1987. 712 с.Krasovskii A. A. et al. Handbook on the theory of automatic control, Moscow, Nauka, 1987, 712 p. (in Russian).Колесников А. А. и др. Современная прикладная теория управления. В 3-х тт. Таганрог, Изд-во ТРТУ. 2000.Kolesnikov A. A. et al. Modern Applied Control Theory: 3 volumes, Taganrog, Publishing house of TRTU, 2000 (in Russian).Красовский А. А. Аналитическое конструирование контуров управления летательными аппаратами. М.: Машиностроение, 1969. 240 с.Krasovskii А. A. Analytical design of control circuits for aircraft, Moscow, Mashinostroenie, 1969, 240 p. (in Russian).Красовский А. А., Буков В. И., Шендрик В. С. Универсальные алгоритмы оптимального управления непрерывными объектами. М.: Наука, 1977. 272 с.Krasovskii A. A., Bukov V. N., Shendrik V. S. Universal algorithms for optimal control of continuous objects, Moscow, Nauka, 1977, 272 p. (in Russian).Поляк Б. Т., Хлебников М. В., Рапопорт Л. Б. Математическая теория автоматического управления. М.: Ленанд, 2019. 500 c.Poljak B. T., Hlebnikov M. V., Rapoport L. B. Mathematical theory of automatic control, Moscow, Lenand, 2019, 500 p. (in Russian).Плотников С. А., Семенов Д. М., Фрадков А. Л. Математическое моделирование систем управления. СПб: Университет ИТМО, 2021. 193 c.Plotnikov S. A., Semenov D. M., Fradkov А. L. Mathematical modeling of control systems, SPb, Universitet ITMO, 2021, 500 p (in Russian).Абдулаев Н. Д., Петров Ю. П. Теория и методы проектирования оптимальных регуляторов. Л.: Энергоатомиздат, 1985. 240 с.Abdulaev N. D., Petrov Ju. P. Theory and methods of designing optimal regulators, Leningrad, Jenergoatomizdat, 1985, 240 p. (in Russian).Волков Е. А. Численные методы. М.: Наука, 1987. 248 с.Volkov E. A. Numerical methods, Moscow, Nauka, 1987, 248 p. (in Russian).Сурков В. В., Сухинин Б. В., Ловчаков В. И., Соловьев А. Э. Аналитическое конструирование оптимальных регуляторов по критериям точности, быстродействию, энергосбережению. Тула: Издательство ТулГУ, 2005. 300 с.Surkov V. V., Suhinin B. V., Lovchakov V. I., Solov’ev А. Je. Analytical design of optimal regulators according to the criteria of accuracy, speed, and energy saving, Tula, Publishing House of TulGU, 2005, 300 p (in Russian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.