Рассматривая особенности различных технологических процессов, можно заметить, что изменение некоторых параметров во времени носит периодический или квазипериодический характер. В этом случае может оказаться, что измерение сигнала с датчика контролируемого параметра и его спектральный анализ позволяют получить важную информацию не только об измеряемой величине, но и о процессе в целом. Частным примером такого положения может служить процесс сжигания топлива, который является неотъемлемой частью многих технологических процессов. Колебания давления и вибрации, вызываемые неустойчивостью горения, могут привести к нарушению режима функционирования или разрушению горелочного устройства. В основе этих нежелательных явлений лежит турбулентный характер потоков топлива и окислителя, подаваемых в камеру сгорания. Известные на данный момент теоретические результаты, полученные при исследовании турбулентности, могут быть использованы в основном на этапе проектирования каких-либо горелочных устройств и не пригодны для практических инженерных целей при управлении турбулентными характеристиками газового потока в процессе функционировании теплотехнического агрегата [1].
        Одной из основных трудностей при организации регулирования турбулентности газового потока, поступающего в камеру сгорания, является выбор параметров, адекватно отражающих его турбулентные характеристики и поддающихся измерению. Если в качестве таких параметров использовать амплитуды и частоты, полученные при спектральном разложении сигнала с датчика давления, то в результате анализа их изменений можно получить практически всю информацию о потоке, необходимую для построения системы регулирования турбулентности.

        Рассмотрим некоторые аспекты реализации подобной системы на примере системы регулирования турбулентности газового потока для доменных воздухонагревателей. Пульсации давления в горелочном устройстве воздухонагревателя на значительном промежутке времени представляют собой квазипериодический процесс, который характеризуется дискретным спектром частот, лежащих, как правило, в пределах от 3 до 40 Гц. Из указанного спектра наибольшую опасность представляют частоты в диапазоне 3-8 Гц, которым соответствуют наибольшие амплитуды колебаний давления газа. Задачей регулирования здесь является обеспечение такого масштаба турбулентности потока, при котором амплитуды частотных составляющих пульсаций давления из диапазона 3-8 Гц были бы минимальны. В качестве регулирующего органа в этой системе используется противопульсационное устройство (ПУ) специальной конструкции [2], Изменение положения перегородок в ПУ приводит к изменению размеров вихрей (масштаба турбулентности) газовоздушной смеси, поступающей в камеру сгорания. Зависимость масштаба турбулентности потока от диаметра ячеек ПУ носит экстремальный характер. Поэтому оптимальным является поисковый принцип работы системы [3]. Реализованный в системе алгоритм регулирования предусматривает поиск оптимального положения перегородок противопульсационного устройства путем анализа изменения спектра амплитуд пульсаций давления газа в горелочном устройстве при двух соседних положениях перегородок ПУ. Регулирующие воздействия вырабатываются через равные интервалы времени в виде импульсов, параметры которых зависят от результатов действия управляющих импульсов на предыдущем шаге. Для реализации алгоритма используется однокристальная микроЭВМ, что обеспечивает точность обработки и надежность при минимальных временных и аппаратных затратах.
        Для регулирования инерционных объектов предпочтительнее схемы с введением задержек и блокировок или же импульсные схемы, в которых производится принудительная дискретизация воздействий на объект. Поэтому продолжительность цикла регулирования должна быть больше времени переходного процесса в объекте регулирования, вызванного регулирующим воздействием. Для обеспечения эффективного регулирования в нашем случае необходимо, чтобы скорость изменения спектральных характеристик объекта в результате регулирующего воздействия была больше скорости изменения этих же характеристик, вызванного теми или иными внешними причинами. Но процесс сжигания топлива в горелочном устройстве доменного воздухонагревателя носит довольно инерционный характер и практически не накладывает ограничения на длительность цикла регулирования. Таким образом, длительность цикла регулирования складывается из времени наблюдения (сбора информации о процессе), времени обработки собранной информации, а также времени выработки регулирующего воздействия и времени переходного процесса. Минимальное время наблюдения входного сигнала определяется исходя из значения нижней частоты, вычисляемой при спектральном анализе сигнала. В данном случае минимальная наблюдаемая частота - 3 Гц, следовательно, для наблюдения вполне достаточно 1 сек, так как на этом интервале укладывается три периода этой частоты. Время выполнения процедуры обработки входного сигнала в программе регулирования, заложенной в рассматриваемой нами системе, составляет приблизительно 0,5 с. С учетом вышесказанного длительность всего цикла регулирования составляет примерно1,6 с. Из них 1 с - ввод отсчетов входного сигнала, 0,5 с занимает процедура обработки сигнала, 0,1 с - задержка на время переходного процесса в объекте регулирования.
        В основе алгоритма регулирования лежит спектральный анализ сигнала, поступающего с датчика пульсаций давления. За показатели качества приняты две величины: v - частота из интервала 3 - 14 Гц, с максимальной амплитудой, а также Р - суммарная мощность гармоник с 3 по 14. На основе анализа изменений этих величин в текущем цикле наблюдения по сравнению с предыдущим вырабатывается то или иное управляющее воздействие.
        В спектре сигнала датчика пульсаций давления присутствуют также частотные составляющие выше 14 Гц (до 100 Гц), которые могут проявляться на низких частотах в результате эффекта поглощения. Вклад же более высоких частот очень незначителен и в процессе решения поставленной задачи управления ими можно пренебречь. С учетом этого при разработке системы регулирования частота дискретизации входного сигнала от датчика пульсаций давления составляет 256 Гц. При выборе частоты дискретизации учитывались также особенности дальнейшей цифровой обработки сигнала и быстродействие микроЭВМ.
        Теперь подробнее остановимся на особенностях спектрального анализа сигнала, так как при реализации алгоритма регулирования в рассматриваемой здесь системе он играет главную роль.
        На практике при спектральном анализе, как правило, используются те или иные виды дискретного преобразования Фурье (ДПФ). Чаще всего - это быстрое преобразование Фурье (БПФ) [4]. При аппаратном анализе случайных процессов оценка их энергетического спектра производится прибором - анализатором спектра. Основные методы получения оценок энергетического спектра случайных процессов на базе применения специальной аппаратуры достаточно подробно изложены в научно-технической литературе [5]-[7]. При разработке программных спектральных анализаторов пользуются теми же методами, что и при их аппаратной реализации. Однако при программной организации спектрального анализа случайных процессов можно получить дополнительные возможности для повышения точности и достоверности оценки искомых характеристик: возможность повторения вычислений, вариации параметров вычислительных алгоритмов и длительности обрабатываемых реализаций, оценки параметров различной природы и номенклатуры [5].
        Набор алгоритмов, называемых алгоритмами БПФ, включает разнообразные методы уменьшения времени вычисления дискретного преобразования Фурье. Поскольку выполнение ДПФ является основной операцией в большинстве задач спектрального анализа, то использование БПФ, во многих встречающихся на практике случаях позволяющее ускорить вычисления ДПФ в 100 и более раз по сравнению с методом прямого вычисления, имеет чрезвычайно важное значение и является неотъемлемой частью применения методов цифровой обработки сигналов при спектральном анализе.
        Для анализа спектральных характеристик сигнала в рассматриваемой в докладе системе используется алгоритм БПФ с основанием 2 (это также повлияло на выбор частоты дискретизации 256 Гц). Этот алгоритм значительно облегчает проводимый анализ и разработку программы.
        Во многих приложениях, в частности, когда спектр сигнала заметно меняется во времени, приходится использовать так называемое скользящее спектральное измерение. Оно обеспечивается за счет смещения на один отсчет вперед временного и повторения измерения. Скользящее БПФ в точности эквивалентно анализу с использованием гребенки фильтров [4], причем в большинстве случаев, представляющих интерес, гребенка фильтров оказывается эффективнее скользящего БПФ, поскольку в последнем не используются возможности итеративного расчета ДПФ. Однако в нашем случае скорость изменения спектральных характеристик измеряемого сигнала невелика. Поэтому в этих условиях можно использовать БПФ, интервал вычисления в котором не скользит, а "скачет", причем без перекрытия интервалов. Таким образом, в результате выполнения спектрального анализа входной последовательности дискретных отсчетов сигнала Х(n) (n=0 - 255) ставится в соответствие набор:

где . Здесь имеет место довольно большая избыточность: при вычислении Сx(k) для требуемых k=1 - 40 (система обеспечивает возможность контроля сорока гармоник сигнала) все равно приходится проводить вычисления для всех 25б значений k. Однако даже при этом все же наблюдается значительный выигрыш в скорости по сравнению с ДПФ ( - время обработки сокращается в 5 раз).

        Система, построенная на основе описанного метода обработки сигнала, отличается простотой реализации, надежностью и удобством в эксплуатации. Помимо объекта регулирования она включает в себя только датчик пульсаций давления, контроллер и исполнительное устройство. Контроллер представляет собой совокупность АЦП, блоки микроЭВМ и ЦАП. Алгоритм регулирования, включающий в себя дискретизацию сигнала с датчика давления, разложение его в ряд Фурье, анализ полученного амплитудного спектра и выработку соответствующего управляющего воздействия, реализован в виде программы для однокристальной микроЭВМ 1816ВЕ51, обладающей достаточно богатой системой команд и высоким быстродействием.
        Применение разработанной системы позволяет увеличить эффективность сжигания топлива в доменных воздухонагревателях (мощность камер сгорания повышается в 1,5 - 2,0 раза при снижении удельного расхода топлива на 5 - 10%) и избежать нежелательных пульсаций давлении газовых сред, а следовательно, разрушительной вибрации оборудования. Подобный алгоритм цифровой обработки сигнала может быть также использован при разработке систем автоматического регулирования или управления многими другими технологическими процессами [8], [9].

ЛИТЕРАТУРА:

1. Методы расчета турбулентных течений. Пер. с англ. В.И.Пономарева и Л.К.Эрдмана под ред. А.Д.Хонькина. - М.: Мир, 1984, с. 37
2. Воловик А., Воловик О., Горбунов В., Долгоносова И., Климов 0,, Кюшвайгер Х. Горелочное устройство для сжигания газообразного топлива с регулируемым масштабом турбулентности потока газовоздушной смеси, поступающей в камеру горения. // ВНИИГПЭ Решение о выдаче патента на изобретение №9610311.5/06(005238) от 13.01.97
3. Воронов А.А., Титов В.К., Новогранов Б.Н. Основы теории автоматического регулирования и управления. - М.: Высшая школа, 1977, с. 446
4. Л. Рабинер, Б. Гоулд. Теория и применение цифровой обработки сигналов. - М.: Мир, 1978
5. Мирский Т.Я. Аппаратурное определение характеристик случайных процессов. - М.: Энергия, 1972.
6. Бендат Д., Пирсол Л. Измерение и анализ случайных процессов. - М.: Мир, 1971.
7. Дженкинс Г., Ваттс Д. Спектральный анализ и его приложения. - М.; Мир, 1972.
8. Воловик А., Воловик О., Горбунов В., Долгоносова И., Климов 0., Кюшвайгер Х. Способ сжигания газообразного топлива с регулированием масштаба турбулентности потока газовоздушной смеси, поступающей в камеру горения. // ВНИИГПЭ Решение о выдаче патента на изобретение №96103170/06(005254) от 13.01.97
9. Воловик А., Воловик О., Долгоносова И. Способ карботермического восстановления окислов алюминия в высокотемпературной доменной печи и устройство для его осуществления. // ВНИИГПЭ Решение о выдаче патента на изобретение №95122501/02(038839) от 29.07.96