Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса 10
1.1 Проблемы обеспечения качества продукции в процессах тепломассообмена 10
1.2 Роль информации в обеспечении качества продукции в тепломассообменных процессах 19
1.3 Современные методы, средства и системы обеспечения качества продукции в тепловых процессах 23
1.4 Анализ современного состояния автоматизации управления тепломассообменными процессами, цель и задачи исследований 37
2 . Теория вопроса 44
2.1 Формулировка задачи оптимизации тепломассообменных процессов 44
2.2 Математические модели процессов конвективной сушки ... 53
2.3 Синтез квазиоптимальной системы управления 68
2.4 Оптимизация схем измерения температуры 77
3. Методы экспериментальных исследований 90
3.1 Цель и задачи экспериментальных исследований 90
3 .2 Описание установок 91
3. 3 Методы проведения экспериментов 101
3.4 Обработка данных и оценка погрешности 103
4 Результаты исследований 107
4.1 Результаты экспериментальных исследований квазиоптимальной системы управления сушкой 107
4.2 Результаты исследования эффективности системы управления 116
4.3 Результаты исследования тепловых приемников излучения 120
5 Оценка научной продукции 124
5.1 Квазиоптимальная система управления процессом сушки 124
5 .2 Измерители температуры 127
5 3 Оценка экономической эффективности 128
Заключение 131
Список использованных источников 134
- Роль информации в обеспечении качества продукции в тепломассообменных процессах
- Математические модели процессов конвективной сушки
- Методы проведения экспериментов
- Результаты исследования эффективности системы управления
Введение к работе
Автоматическое управление тепломассообменными процессами, распространенными в химической, лесной и других отраслях промышленности, в производстве строительных материалов и сельскохозяйственной продукции, производится с целью достижения оптимального соотношения между интенсификацией процессов, повышающей производительность труда и снижающей энергетические, сырьевые и трудовые затраты, с одной стороны, и обеспечением требуемого качества продукции с другой стороны. Т.е. к управлению тепломассообменными процессами предъявляются конфликтующие требования. В области автоматизации тепломассообменных процессов пройден путь от применения отдельных средств контроля и регулирования до создания типовых систем автоматического регулирования и внедрения автоматизированных систем управления технологическими процессами и производствами. Однако выпускаемые промышленностью системы дистанционного контроля, стабилизации и программного регулирования внедрены не на всех предприятиях, где ведутся процессы тепловой обработки. Опыт эксплуатации этих систем в производственных условиях показывает, что они не всегда удовлетворяют требованиям надежности, долговечности, точности и стоимости. Недостаточно разработаны АСУ конвективной сушкой в периодических тепловых установках, имеющиеся системы управления сложны, дороги и экономически неэффективны для использования при небольших объемах производства. Низкую степень применения имеют оптимальные и адаптивные системы, которые по сравнению с обычными АСУ имеют преимущества именно в управлении сложными процессами, какими являются тепломассообменные процессы. Поэтому, несмотря на достаточно полную разработан-
ность теории тепломассообмена, практическая реализация систем управления опирается на результаты громоздких лабораторных исследований свойств обрабатываемых материалов с последующим применением их к реальным условиям, что усложняет возможности перестройки систем управления при изменении входных параметров. Кроме этого, современные АСУ тепломассообменными процессами основаны, как правило, на контроле и регулировании параметров теплоносителя, легче поддающихся измерениям, а не обрабатываемого материала. Существуют проблемы измерения температуры и влагосодержания изделий во время обработки - главных показателей качества продукции.
Для управления тепломассообменом в конвективных сушильных установках малой и средней производительности и периодического действия достаточно разработать простые и дешевые по сравнению с существующими квазиоптимальные системы, на основе непрерывного контроля состояния материала обеспечивающие повышение качества изделий без дополнительных энергетических затрат. Работа выполняется в соответствии с федеральной целевой программой "Энергосбережение России на 1998 - 2005 годы".
В связи с актуальностью проблем ставится цель данной работы: построение квазиоптимальной системы управления конвективной сушкой промышленных изделий для повышения их качества, основанной на применении функционала, адаптивно учитывающего состояние материала при обработке. Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:
разработка критерия оптимизации и математических моделей тепломассообменных процессов конвективной сушки для повышения качества продукции;
синтез квазиоптимальной системы управления конвективной
сушкой на основе функционала, содержащего параметры материала и теплоносителя, с адаптацией к изменениям входных параметров;
оптимизация схемы измерения температуры для получения непрерывной информации о состоянии материала и теплоносителя с косвенной оценкой влажности материала - главного показателя качества продукции и с применением новых измерителей температуры;
оценка достоверности результатов исследования с помощью экспериментов и оценка эффективности разработанной системы управления процессом сушки.
При решении поставленных задач используются следующие методы исследования: теория тепломассообмена, преобразования Лапласа, теория дифференциальных уравнений, классический метод вариационного исчисления, теория цепей, математическая статистика.
Научная новизна работы состоит в следующем:
поставлена и проверена гипотеза о целесообразности квазиоптимального управления процессом сушки в период нагрева для повышения качества изделий на основе критерия оптимизации в виде равенства средних температур сушильного агента по мокрому термометру и поверхности материала;
разработаны математические модели процессов конвективной сушки в периодических тепловых установках и квазиоптимальная система управления с элементами адаптации;
разработан метод непрерывной оценки качества продукции во время обработки;
разработаны тепловые приемники излучения на основе оксидов меди, применимые в тепломассообменных процессах в качестве измерителей температуры.
Практическая ценность результатов работы:
разработан регулятор для управления процессом конвективной сушки изделий с повышением качества продукции, прошедший испытания в лабораторных условиях на кафедре гидромеханики и теплотехники Оренбургского государственного университета и в промышленных условиях на Оренбургском кирпичном заводе АО "Оренбургзаводстрой";
разработана схема непрерывной оценки качества обрабатываемого материала на основе измерений температур теплоносителя на входе и выходе и поверхности материала;
- разработаны тепловые приемники излучения, применяемые
для измерения параметров лазерного излучения и пригодные для
измерения температуры.
Результаты работы использованы при оптимизации процесса сушки кирпича на Оренбургском кирпичном заводе АО "Оренбургзаводстрой". Разработанные тепловые приемники излучения применяются для измерения энергетических параметров лазерного излучения в НПО "ВНИИФТРИ" (г. Москва). Результаты исследований включены в методические разработки курса "Теплотехника и теплотехническое оборудование" в Оренбургском государственном университете, а также внедрены в учебный процесс кафедры гидродинамики и теплотехники ОГУ в виде лабораторной установки по изучению процессов сушки.
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на региональных научно-технических конференциях молодых ученых и специалистов (г. Оренбург, 1989, 1995, 1996, 1998 гг.), на XV научно-технической конференции Оренбургского политехнического института (г. Оренбург, 1993 г.), на первой научно-технической конференции РУО АМН РФ "Наука и инженерное творчество - 21 веку "(г. Екатеринбург, 1995 г.), на международной научно-практи-
ческой конференции "Инновационные процессы в образовании, науке и экономике России на пороге XXI века" (г. Оренбург, 1998 г.), на региональной научно-практической конференции "Современные технологии в энергетике, электронике и информатике" (г. Оренбург, 1998г.), в отчете по НИР №гос.per. 01850063847 (1988г.). На защиту выносятся следующие положения:
критерий оптимальности управления процессом сушки в виде функционала, связанного с равенством температур поверхности материала и теплоносителя по мокрому термометру, позволяющий вести процесс сушки в период нагрева с максимальной интенсивностью при обеспечении требуемого качества изделий;
метод непрерывной оценки качества обрабатываемого материала на основе измерений температур теплоносителя на входе и выходе и поверхности материала, позволяющий проводить контроль качества продукции во время обработки;
математическая модель процесса конвективной сушки, учитывающая результаты непрерывных измерений параметров состояния теплоносителя и материала, дающая возможность построения квазиоптимальной системы управления процессом сушки;
структура квазиоптимальной системы управления процессом конвективной сушки в периодической тепловой установке с элементами адаптации, включающей измерители входной и выходной температуры теплоносителя и поверхности материала, сумматор, усилители и регулирующий орган;
5) тепловые приемники излучения на основе оксидов меди,
пригодные для измерения температуры в специфических условиях
протекания тепломассообменных процессов.
Достоверность защищаемых научных положений подтверждается результатами лабораторных и промышленных испытаний разработан-
ной системы управления процессом сушки в ОГУ и на Оренбургском кирпичном заводе АО "Оренбургзаводстрой", тепловых приемников излучения - в ОГУ и НПО "ВНИИФТРИ".
Диссертация состоит из введения, пяти глав, списка использованных источников и приложений. Работа изложена на 158 страницах, содержит 32 рисунка, 7 таблиц, 7 приложений. Список литературы включает 135 наименований, в т.ч. 14 опубликованных по теме диссертации работ автора, из которых б проделаны в соавторстве. По результатам работы над тепловыми приемниками излучения, рекомендуемыми автором для применения в АСУ в качестве измерителей температуры, получены два авторских свидетельства.
В первой главе рассматриваются проблемы обеспечения качества продукции в тепломассообменных процессах, проводится анализ современного состояния автоматизации, ставятся цель и задачи исследований. Во второй главе формулируется задача оптимизации процессов тепломассообмена, разрабатываются математические модели процесса и схемы управления, производится оптимизация схем измерения температуры. Методология и результаты экспериментальных исследований, подтверждающих достоверность предлагаемой теории, приводятся соответственно в третьей и четвертой главах. В пятой главе диссертации оцениваются результаты проведенного исследования.
Роль информации в обеспечении качества продукции в тепломассообменных процессах
Чтобы обеспечить высокое качество продукции, одновременно максимально сокращая продолжительность обработки и энергетические затраты, т.е. чтобы установить наиболее приемлемые, оптимальные режимы тепломассообменного технологического процесса, несомненно, необходимо иметь непрерывную информацию обо всех важнейших параметрах происходящих процессов. На качество продукции в целом влияет множество параметров материала, теплоносителя и окружающей среды, изменяющихся в течение процесса обработки. Для достижения высокого качества изделий целесообразно было бы выбрать небольшие скорости нагревания и охлаждения, однако при этом неоправданно увеличились бы энергетические затраты на единицу продукции и продолжительность процесса, вследствие чего упали бы производительность труда и эффективность производства. Поэтому следует выбирать максимальные скорости нагревания и охлаждения материала, при которых еще в нем не появляются деструктивные изменения, снижающие качество продукции. Эту задачу невозможно оптимально решить без получения непрерывной достоверной информации об изменении какого-либо комплекса параметров, отражающих состояние процесса обработки.
Роль информации важна в любом процессе, в т.ч. и тепломас-сообменном, независимо от того, какова степень автоматизации данного процесса. С внедрением систем автоматизации роль информации еще более возрастает, при этом часто расширяется число параметров технологического процесса, подвергаемых контролю и регулированию. Функционирование систем автоматики и автоматизации основано на получении и переработке информации о ходе процессов. Сложность и многообразие параметров тепломассообменных процессов можно рассмотреть на примере сушильного процесса.
Входные параметры Н подразделяются на параметры подаваемого сушильного агента Ні - температуру tca, относительную влажность фса и скорость движения vca и параметры, характеризующие взаимодействие сушильного агента с изделием Н2 - коэффициенты теплоотдачи а и массоотдачи Р и продолжительность обработки т. Комплекс возмущающих воздействий Z составляют следующие параметры: тепловая инерция сушильной установки zi, подсосы наружного воздуха и выбивание теплоносителя Z2, неравномерность температурного поля zj, аэродинамическое сопротивление садки изделий Z4, отказ оборудования в работе zs, инерция регулирующих систем и управляющих воздействий Z6, температура tcp, относительная влажность фср и давление рср окружающей среды. Комплекс выходных параметров Y включает параметры готового изделия Yi и отработавшего сушильного агента Y2. Комплекс переменных состояния объекта может быть различным и зависит от выбранного способа управления.
Ход тепломассообменного технологического процесса можно оценивать по информации о параметрах теплоносителя или непосредственно о параметрах обрабатываемого материала, возможна также комбинация этих двух способов. При контроле и регулировании параметров материала возникают трудности, связанные с измерением температуры и особенно влагосодержания внутри материала. Поэтому, несмотря на то, что для обеспечения качества продукции желательнее было бы контролировать и регулировать параметры материала, подобные системы на практике реализуются значительно реже. В настоящее время в основном распространены контроль и регулирование параметров теплоносителя. Такие системы легче осуществить и в то же время они достаточно полно характеризуют состояние материала, подвергаемого тепловой обработке. Однако в целях дальнейшего улучшения качества изделий системы управления должны развиваться в направлении более широкого использования информации о состоянии материала.
В САР параметров обрабатываемого материала, рассмотренных В.И. Марсовым и В.А. Славуцким /23/, А.С. Боронихиным и Ю.С. Гризаком /24/, Г.Г. Зеличенком /25/, С.Д. Ружанским и др. /26/, И.Г. Мясковским /27/ и А.Э. Гордоном и др. /28/, контролируются и регулируются следующие параметры: влагосодержание и температура материала до и после обработки, а также во время тепловой обработки. Для обеспечения высокого качества продукции недостаточно иметь информацию лишь о температуре и влагосодержа-нии поверхности, необходимо знать их распределение по сечению, что составляет значительные практические трудности, а в иных случаях и невозможно. Для проверки качества готовых изделий после тепловой обработки необходимо измерять их прочность.
В САР параметров теплоносителя, приведенных теми же авторами и Б.Н. Гаком /2/, контролируются и регулируются температура теплоносителя, его влажность, скорость и расход с учетом потерь. Недостатком таких систем можно считать то, что в этом случае не проводятся прямые измерения наиболее важных параметров, влияющих на качество, а производится их оценка по результатам косвенных измерений. При дополнительном контролировании температуры и влагосодержания материала до и после обработки и прочности готовых изделий САР можно считать комбинированной. Если материал движется по отношению к тепловой установке, то к регулируемым параметрам добавляется и скорость движения. Во всех случаях контролируется и продолжительность обработки.
Кроме контроля и регулирования перечисленных параметров теплоносителя и материала важно следить за температурой и относительной влажностью окружающей среды и атмосферным давлением, существенное изменение которых может повлиять на ход технологического процесса. Возмущающими воздействиями также являются различные технологические операции, связанные с загрузкой и выгрузкой материала, подготовкой теплоносителя.
При управлении конкретным процессом следует выбирать из множества параметров процесса определенный комплекс параметров, контроль и регулирование которых обеспечат качество продукции при малой продолжительности обработки и низких энергетических затратах. При выборе параметров обращается внимание на стоимость средств, требуемых для их измерений и надежность этих средств при данных условиях эксплуатации. Эти обстоятельства влияют на экономическую эффективность систем автоматического регулирования и достоверность информации, получаемой средствами измерений от обрабатываемого материала и теплоносителя.
В связи с отсутствием возможности прямых непрерывных измерений во время обработки перепадов влагосодержания, температуры и давления применяемые в настоящее время системы управления тепломассообменными процессами в основном опираются на информацию о состоянии теплоносителя. Для более полного использования резервов повышения качества при достаточной интенсификации процессов требуется прямая информация о состоянии параметров самого материала в процессе обработки.
Математические модели процессов конвективной сушки
Математическая модель тепломассообменных процессов составляется при допущении, что основные параметры теплоносителя -температура и влагосодержание - распределяются равномерно по длине тепловой установки. При конвективной сушке в период нагрева градиенты температуры и влагосодержания, возникающие внутри материала, обратны по направлению (рисунок 2.4), поэтому частные потоки влаги, вызванные перепадами температур и влагосодержаний Gt и Gu, также направлены в противоположные стороны (значительно меньший по величине частный поток влаги, вызванный градиентом давления, не учитывается). Т.е. явление тер-мовлагопроводности мешает процессу сушки.
Следует отметить, что уменьшение перепадов температуры в период нагрева, что является целью оптимизации, ослабляет обратный поток влаги за счет термовлагопроводности и тем самым отпадает необходимость дополнительного исследования внутренних потоков влаги, т.к. очевидно, что скорость распространения влаги от центра к поверхности материала будет большей, чем при обычных условиях сушки.
Основой составления математической модели тепломассообме-нных процессов при конвективной сушке является тепловой баланс установки. Учитывая, что скорость роста температуры материала в первый период сушки незначительна (порядка 2 С/час) и вследствие этого происходящие процессы можно считать квазистационарными, уравнение теплового баланса периодической сушильной установки можно представить в следующем виде /7,78,79/: Qa + QH = Qy + QM + QT + QaK + QCT, (2.4) где Qa - количество теплоты, поступающей в установку в единицу времени вместе с атмосферным воздухом, Вт; QH - количество теплоты, передаваемой воздуху в единицу времени нагревателем, Вт; Qy - количество теплоты, удаляемой из установки в единицу времени вместе с отработанным сушильным агентом, Вт; QM, QT количества теплоты, идущей соответственно на нагрев материала и транспорта в единицу времени, Вт; QaK - тепловой поток, аккумулируемый стенками установки , Вт ; QCT - тепловой поток, теряемый через стенки за счет теплопроводности, Вт. Левая часть уравнения (2.4) представляет собой приходную часть теплового баланса, правая - расходную. Статьи прихода и расхода теплоты связаны с параметрами сушильного агента и обрабатываемого материала следующими соотношениями /1,7,23,25/. Тепловой поток Qa,BT, поступающий с воздухом Qa = MaCata, где Ма - расход атмосферного воздуха, кг/с; ca - удельная теплоемкость воздуха, Дж/кгК; ta - температура атмосферного воздуха, С. Тепловой поток QH, Вт, передаваемый нагревателем QH = Maca(tB - ta) , где tB - температура готового сушильного агента. Удаляемый тепловой поток Qy, Вт, можно считать равным расходу теплоты в единицу времени на испарение влаги из материала Qy = 2и, где QM - теплота, поступающая в сушильный агент в едини цу времени вместе с водяным паром, испаряющимся из материала, Вт, ее можно представить таким образом /7,80/: QM = Ми(г + cntc - cBt0) , (2.5) где Ми - масса влаги, испаряющейся из материала в единицу времени, кг/с; г - удельная теплота парообразования, при нормальных физических условиях г = 2,257-106 Дж/кг /80,81/; сп - удельная теплоемкость пара при постоянном давлении, равная /80/: сп = 1833 + 0,3111 tc, Дж/кгК; tc - температура отработанного сушильного агента, С ; св - удельная теплоемкость воды при температуре tD, Дж/кг К; t0 - начальная температура материала, С. Второе и третье слагаемые выражения в скобках в уравнении (2.5) являются величинами на два порядка ниже, чем первое слагаемое, т.е. теплота, воспринимаемая поверхностью материала, расходуется главным образом на испарение влаги. При дальнейшем анализе видно, что второе слагаемое - теплота, идущая на перегрев водяных паров до температуры отработанного сушильного агента, и третье слагаемое - теплота, содержащаяся во влаге ма териала при его загрузке в установку, для реального диапазона изменения температуры tc от 40 до 60 С уравновешивают друг друга.
Массовый расход атмосферного воздуха через нагреватель и сушильное пространство может быть одним из управляющих параметров, если регулируется скорость движения теплоносителя в установке. Однако из трех возможных управляющих параметров теплоносителя скорость движения (и связанный с ней расход теплоносителя) является наименее влиятельным и значимым. Поэтому ниже рассматриваются в основном варианты с постоянным расходом атмосферного воздуха, т.е. регулирования по одному (t) или двум (t,d) каналам.
Незначительные колебания значений Ма и са, являющиеся внешними возмущениями, пренебрегаются. Кроме того, в уравнении (2.7) значение среднего влагосодержания материала заменяется на значение требуемого конечного влагосодержания, т.к. теплоемкость остаточной влаги в высушиваемом материале пренебрежимо меньше, чем теплоемкость сухого материала.
Это уравнение, как и уравнение (2.10), с небольшими изменениями можно использовать и при одноканальном (t), и при двух-канальном (t,d) регулировании сушки. Система уравнений (2.10) и (2.12) является системой уравнений состояния рассматриваемого объекта. Для сравнения одноканального и двухканального регулирования на рисунке 2.5 представлены соответственно процессы сушки ABC и ANBiC на id-диаграмме влажного воздуха. Как видно из рисунка 2.5, при двухканальном регулировании сушки, когда в подаваемый сушильный агент добавляется рециркулят, влагосодер-жание готового сушильного агента нельзя считать равным влагосо-держанию атмосферного воздуха, т.е. db da.
Параметрами состояния объекта в общем случае могут быть многие величины - температура и влагосодержание материала и теплоносителя, их распределение по сушильному пространству, относительная влажность сушильного агента, масса изделия и т.д. Проведенный анализ показывает, что наиболее удобной парой независимых параметров является температура поверхности материала tn и отработанного сушильного агента tc. Оба параметра легко измеряются непрерывно в течение всего процесса, причем один из них является параметром обрабатываемого изделия.
Методы проведения экспериментов
В соответствии с поставленными целью и задачами экспериментальные исследования проводятся по следующей программе: 1) сушка образцов кирпича в созданной модели сушильной ус тановки по разработанному способу квазиоптимального управления, а также без управления при стабилизации температуры сушильного агента на входе; 2) определение прочности образцов кирпича, высушенных в производственных условиях на Оренбургском кирпичном заводе АО "Оренбургзаводстрой", в модели сушильной установки с квазиопти мальным управлением и без управления при постоянной температу ре сушильного агента на входе, после сушки и после обжига; 3) оценка показателей эффективности системы квазиоптимального регулирования по полученным кривым сушки; 4) определение характеристик тепловых приемников излучения и оценка их конкурентоспособности.
При выборе методов проведения экспериментальных исследований системы квазиоптимального регулирования процесса сушки ис пользована литература /121-124/.
На первом этапе экспериментальных исследований системы регулирования производится сушка образцов в модели сушильной установки с квазиоптимальным управлением и без управления при постоянной температуре сушильного агента на входе. При проведении сушки образцов кирпича записываются зависимости температур сушильного агента на входе и выходе и поверхности материала от времени сушки, а также температур сушильного агента по мокрому термометру и центра материала (для сравнения с рассчитанным значением и оценки перепадов температур соответственно). Для оценки скорости сушки один из высушиваемых образцов периодически взвешивается. По полученным зависимостям оцениваются показатели эффективности системы регулирования.
Далее следует проверка на прочность образцов, высушенных в производственных условиях на Оренбургском кирпичном заводе АО "Оренбургзаводстрой", в модели сушильной установки с квазиоптимальным управлением и без управления при постоянной температуре сушильного агента на входе. Проверяются на прочность также обожженные на заводе образцы, высушенные до обжига тремя способами. Прочность высушенного и обожженного кирпича, повышение которой свидетельствует об улучшении качества и правильности выбора критерия оптимальности, определяется по методике, соответствующей ГОСТ 530-95, ГОСТ 8462-85 /125-127/. При проведении испытаний на прочность используется пресс марки П-50, соответствующий ГОСТ 28840-90 /128/. Кроме предела прочности на сжатие, качество кирпича по ГОСТ 530-95 определяется внешним видом, соответствием требуемым размерам, правильности формы и массе, а также пределом прочности на изгиб (для кирпича низких марок).
Экспериментальные исследования созданных тепловых приемников излучения проводятся с целью оценки чувствительности, инерционности, устойчивости к воздействию излучения, стабильности электрофизических свойств и зависимости этих параметров от длины волны, мощности или энергии излучения, от диаметра пучка и длительности воздействия излучения, от температуры окружающей среды. Чувствительность и инерционность, а также зависимость их от параметров излучения определяются непосредственно при проведении экспериментов путем прямых измерений величин термо-э.д.с. и времени нарастания и убывания сигнала. Термо-э.д.с. измеряется вольтметром В7-21 и осциллографом С1-54, время - также осциллографом С1-54 и секундомером СЭЦ-100. Устойчивость приемной поверхности к воздействию излучения играет роль при измерении параметров излучения с большой плотностью энергии, оценивается визуально. Стабильность электрофизических свойств приемников определяется при повторении экспериментов в течение нескольких лет через определенные промежутки времени. Влияние температуры окружающей среды на свойства исследуемых приемников проверяется при проведении экспериментов при различных температурах до 200 ос.
Для исключения влияния случайных факторов на результаты измерений все измерения необходимых параметров проводятся пять раз, за исключением длительных по времени испытаний квазиоптимальной системы управления сушкой. В этом случае экспериментальные исследования проводятся по три раза как с оптимизацией управления, так и без применения разработанной АСУ.
Результаты исследования эффективности системы управления
С целью оценки эффективности системы квазиоптимального автоматического управления сушкой проводится анализ звеньев системы, оцениваются показатели устойчивости, качества, точности, надежности и долговечности системы управления /132-133/. Из уравнения (4.4) видно, что АСУ состоит только из устойчивых звеньев. Постоянные времени звеньев системы имеют высокие значения, характерные для тепловых объектов со значительной инерционностью. По ходу кривых сушки, приведенных на рисунках 4.1-4.3, для периода нагрева, когда функционирует квазиоптимальная система управления, видно, что при монотонном изменении входного параметра - температуры теплоносителя также монотонно изменяются температуры теплоносителя на выходе и по мокрому термометру, поверхности и центра материала. Это свидетельствует об устойчивости АСУ по отношению к изменениям входного сигнала. Также наблюдается устойчивость к другим возмущающим воздействиям - ход температур по трем проведенным экспериментам несколько различается, однако во всех случаях нет значительных отклонений выходных параметров. В связи с инерционностью объекта управления устойчивость является достаточным условием работоспособности АСУ, поэтому нет необходимости в определении времени затухания переходных процессов, максимального отклонения регулируемых величин и других показателей качества АСУ. Экспериментальные кривые, полученные при автоматическом регулировании процесса сушки в период нагрева (рисунки 4.1-4.3), отличаются от расчетных кривых не более, чем на 2,36 % для входной температуры теплоносителя, на 2,5 % для его выходной температуры и не более, чем на 3,5 % для поверхности материала. Максимальное расхождение по времени между теоретическими и экспериментальными кривыми для периода нагрева составляет 3,14 %. Эти данные говорят о высокой точности функционирования системы управления.
Три проведенных сушильных процесса с автоматическим управлением из-за малого количества испытаний не дают возможности оценки надежности и долговечности созданной системы по результатам исследований. Однако большая продолжительность каждого испытания (около 25 часов) при отсутствии отказов и неисправностей в работе системы управления позволяет сделать вывод о достаточной надежности. Как известно, эффективная надежность сложных систем зависит от надежности устройств, входящих в систему. В экспериментальной установке наименьшей надежностью обладают электронагреватель и тиристор с блоком управления. В промышленных условиях сушильные процессы производятся в основном без применения электронагрева для подготовки теплоносителя и исполнительным механизмом, как правило, является механическое устройство, изменяющее расход природного газа, воздуха или готового теплоносителя, обдающее высокой надежностью. Термопары, а также предлагаемые автором приемники излучения находятся внутри сушильного пространства и подвергаются воздействию тепловой энергии теплоносителя, однако при относительно невысоких температурах, применяемых при сушке, эти датчики имеют длительный срок безотказной работы, а для обнаружения их неисправности и замены требуется всего несколько минут, что при общей длительности процесса сушки не влияет на результат.
Таким образом, на основе оценки основных показателей эффективности, таких, как устойчивость, качество, точность и надежность, можно сделать вывод о достаточно высокой эффективности созданной системы квазиоптимального автоматического управления сушкой.
По приведенной выше методике в лабораториях кафедры ГМТ ОГУ и в НПО "ВНИИФТРИ" проведены исследования характеристик разработанных тепловых приемников излучения. Технология изготовления приемников, их конструкции, принцип работы подробно описаны автором в опубликованных трудах /90-99/.
Результаты исследований характеристик 8 образцов разработанных приемников, конструкции которых описаны в (2.4), при воздействии лазерного излучения приведены в таблице 1. Чувствительность и инерционность исследованных приемников излучения находятся в пределах, характерных для применяемых в настоящее
Простота технологии изготовления, дешевизна и распространенность применяемых материалов и возможность создания приемников с различными формами и размерами в зависимости от назначения дают им важные преимущества по сравнению с существующими приборами. Приемные поверхности исследованных приемников устойчивы к воздействию излучения с плотностью энергии порядка 20 Дж/см2 при длительности импульса 100-200 не. Электрофизические свойства приемников излучения стабильны. Установлено, что приемники сохраняют работоспособность при температуре окружающей среды до 200 С. Однако следует отметить, что среди применяемых в настоящее время измерителей есть образцы с более высокими показателями чувствительности и быстродействия. Созданный пакет приемников излучения используется при измерениях параметров лазерного излучения в НПО "ВНИИФТРИ". Акт внедрения приводится в приложении Ж. Для измерения температуры в рассматриваемых условиях по конструктивным соображениям можно использовать все образцы приемников, кроме образцов №№7,8.
В четвертой главе диссертационной работы приведены результаты экспериментальных исследований квазиоптимальной системы управления сушкой и тепловых приемников излучения. Эти результаты подтверждают достоверность теоретической разработки закономерностей построения квазиоптимальных систем управления теп-ломассообменными процессами, а также конкурентоспособность предлагаемых для измерения температуры тепловых приемников излучения .
Результаты экспериментов по исследованию квазиоптимальной системы управления сушкой свидетельствуют о повышении качества продукции при незначительном увеличении срока сушки и расхода электроэнергии. Подтверждается правильность выбора критерия оптимальности при построении системы управления процессом сушки. Оптимизированные режимы сушки, полученные при экспериментах на модели периодической сушильной установки, можно использовать также при сушке в непрерывных установках, как показывают результаты использования этих режимов при назначении режимов сушки в туннельных сушилках непрерывного типа на Оренбургском кирпичном заводе АО "Оренбургзаводстрой". Срок сушки и энергопотребление при оптимизированной сушке можно сократить при подаче сушильного агента с максимальной температурой по сухому термометру, повышенной по сравнению с сушкой без оптимизации.
На основе оценочного исследования устойчивости, качества, точности и надежности делается вывод о достаточно высокой эффективности системы квазиоптимального автоматического управления сушкой.
Результаты экспериментов по исследованию характеристик тепловых приемников излучения дают основания рекомендовать их к применению для измерения температуры в рассматриваемых условиях при достаточных значениях их чувствительности и инерционности, при простоте, дешевизне, долговечности и удобстве при эксплуатации.
