Структурное моделирование и автоматическое управление объектами индукционного нагрева с распределенными параметрами в специализированных технологических процессах Данилушкин, Александр Иванович

Введение к работе

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. Одним из основных направлений совершенствования технологии и автоматизации производства, экономии знсргстіпсских и материальных ресурсов в различных отраслях промышленности является направление, связанное с перспективой все более широкого применения индукционного нагрева, который по производительности, высокой степени автоматизации, гибкости и высокой точности управления значительно превосходит другие технологии, основанные на нагреве внешними источниками тепла. Развивающиеся в настоящее время новые технологии, использующие индукционный нагрев в качестве подготовительной или основной стадии технологического процесса, такие, как нагрев металла в технологических комплексах обработки давлением, нагрев жидких компонентов в нефтеперерабатывающем производстве, производстве пенополи-стирольных плит для строительной индустрии, процессы ускоренных термомеханических и вибрационных испытаний новых элементов и узлов конструкций в авиационном машиностроении, утилизация боеприпасов и пр., обусловили появление многочисленного класса новых более сложных индукционных систем, обладающих специфической структурой взаимодействия отдельных звеньев объекта и отличающихся более широким спектром требований к параметрам технологического процесса.

Особенности электротехнологнческих индукционных установок (ЭИУ) как объектов управления определяются сложным характером взаимосвязанных электро- и теплофизических процессов, ярко выраженной неравномерностью пространственного распределения внутренних источников тепла, возбуждаемых электромагнитным полем индуктора, зависимостью распределения мощности внутреннего тепловыделения от температуры обрабатываемых изделий. В этих условиях без разработки адекватных проблемно-ориентированных математігческих моделей процессов индукционного нагрева в установках разлігчного технолопгческого назначения и построения на их основе качественных методик расчета и оптимизации конструктивных и режимных параметров становится невозможным решение на уровне современных требований практігчески важных задач проектирования, эксплуатации и автоматизации высокоэффективных индукционных нагревателен. Особенно актуальной представляется с указанной точки зрения проблема повышения эффективности оборудования специфического функционального назначения в конверсионных технологиях.

Для управления объектами с сосредоточенными параметрами достаточно полно разработаны теория и технические средства, позволяющие реализовать практически любой вид обратной связи. В то же время вопросы моде-

лирования, управления и оптимизации неоднородных объектов с распределенными параметрами, к которым относятся индукционные нагревательные установки, являются качественно более сложной проблемой. Динамические свойства рассматриваемых объектов относительно пространственно- временного распределения температуры по объему нагреваемых тел описываются системами дифференциальных уравнений в частных производных, а управляющие воздействия во многих случаях являются пространственно-распределенными, причем, области определения этих воздействий могут не совпадать с областью определения регулируемых распределенных функций состояния процесса. Кроме того, на управляющие воздействия и температурные поля объекта накладъшаются ограничения как по уровню, так и по характеру их распределения.

В этих условиях не удается непосредственно использовать в целях синтеза систем автоматического управления ЭИУ традиционный аппарат автоматического управления, в том числе стандартные приемы структурного моделирования, на которых базируется большинство известных инженерных методик. Тем не менее, для сложных систем , содержащих элементы различной физической природы, структурный подход остается одним из наиболее эффективных общих методов анализа и синтеза. Основополагающие разработки в области построения общей структурной теории систем с распределенными параметрами выполнены А.Г. Бутковским.

В связи со сказанным, актуальной является проблема разработки научно обоснованных методик идентификации динамических структур сложной формы, структурного моделирования, синтеза оптимальных алгоритмов и систем управления объектами индукционного нагрева с распределенными параметрами, решению которой посвящается данная работа.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ - разработка проблемно-ориентированных математических моделей, алгоритмов и систем оптимизации и автоматизации неоднородных распределенных объектов индукционного нагрева; создание на этой основе новых высокопроизводительных технологических линий и установок для специализированных производств, повышение эффективности, качества и экономичности технологического оборудования.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. Для решения поставленных задач использовались методы математического анализа, аппарата преобразований Лапласа и конечных интегральных преобразований, теории теплопроводности, теории автоматического управления, теории оптимального управления систем с распределенными параметрами, методы структурной теории распределенных систем, методы параметрического синтеза замкнутых систем авто-

матичсского регулирования, экспериментальные методы исследования объектов и систем у правления.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА Постановка задач и методы их решения существенно оіличанлся от традиционных в части обоснования предлагаемого подхода и техники применения эффективных методов решения широкого круга задач идентификации и оптимизации процессов индукционного нагрева, которые в большинстве своем относятся к категории вновь полученных. К ним относятся:

- аналитическая модель и общее структурное представление объекта
управления в обобщенной задаче индукционного нагрева неоднородной со
пряженной системы двух осесимметричных взаимно перемещающихся ци
линдрических тел ограниченных размеров;

- математические модели управляемых температурных полей при ин-
ду кционно.м нагреве нсэлектропроводных .материалов в проходном нагрева
теле с промежуточным тепловыделяющим цилиндром; при индукционном
периодическом нагреве двух сопряженных осесимметричных физически не
однородных тел для установок утилизации артиллерийских снарядов; при
индукционном нагреве дисков и колес для термоциклических испытаний на
автоматизированных стендах; при индукционном нагреве крупногабаритных
подшипниковых колец, колес и бандажей в процессе раскатки на деформи
рующем оборудовании; при индукционном непрерывном нагреве мерных
заготовок перед штамповкой;

алгоритмы оптимального управления процессами индукционного нагрева в установках непрерывного действия в нестационарных режимах работы;

метод синтеза замкігутьіх оптимальных систем автоматической оптимизации переходных режимов работы индукционных нагревателей непрерывного действия.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ПОЛЕЗНОСТЬ РАБОТЫ. Полученные в работе результаты позволили решить ряд практических задач, существенно улучшающих технико-экономические показатели автоматизируемых объекгов.

По результатам исследований разработаны эффективные способы и установки для утилизации различных типов боеприпасов и взрывателей. Разработана и внедрена многопозиционная установка для выплавки тротила из корпусов артиллерийских снарядов, на которой реализованы оптимальные по критерию быстродействия алгоритмы управления. Разработана оптимальная конструкция индукционного нагревателя, обеспечивающая равномерный нагрев корпуса изделия. Реализация оптимальной конструкции и

алгоритмов управления установкой обеспечивает в среднем по сравнению с существующей технологией повышение производительности на 15-20 % и экономию электроэнергии на 7 %, позволяет существенно повысить культуру труда, экологическую чистоту процесса.

На основании полученных результатов созданы стационарные и передвижные установки периодического и непрерывного действия для утилизации взрывателей путем локального нагрева корпуса изделия в индукторе до температуры воспламенения взрывчатого вещества. Предложенный метод по сравнению с другими тепловыми методами утилизации обеспечивает гарантированное уничтожение огневой цепи взрывателей, снижение энергозатрат на 20 %. реализацию безлюдной технологии при полной автоматизации процесса.

Разработан и внедрен комплекс устройств, алгоритмов и систем автоматического управления термоциклическими и вибрационными испытаниями дисков и колес газотурбинных двигателей, обеспечивший сокращение сроков натурных испытаний на 18 - 25 % при одновременном повышении качества испытаний. Разработан и реализован в промышленных условиях ряд оптимальных систем автоматического управления процессом непрерывного индукционного нагрева в переходных режимах, обусловленных работой прокатного или прессового оборудования.

В целях реализации алгоритмов оптимального управления процессом индукционного нагрева разработан и внедрен в производство специализированный комплекс регулирующих средств, включающий индивидуальные тиристорные регуляторы напряжения повышенной частоты 2,4 - 10 кГц. 750 В. мощностью 50 - 250 кВт. тиристорные комлгутаторы компенсирующей емкости и индуктивные регуляторы коэффициента мощности

На базе экономичных и быстродействующих индукционных нагревателей разработаны и внедрены экструзионная линия по производству теплоизоляционных пенополистирольных плит производительностью 10 м /час. и передвижная модульная установка для производства строительных мастик производительностью 1.5 т/час, применение которой обеспечивает увеличение срока службы дорожных покрытий на 10-20 % за счет повышения качества покрытая. Разработана и прошла опытно-промышленную проверку система автоматического управления процессом индукционного подогрева крупногабаритных колес и бандажей в процессе раскатки. Внедрен в производство комплекс устройств и систем, обеспечивающих реализацию оптимальных алгоритмов управления ЭИУ. Ряд оригинальных разработок способов, элементов, узлов и систем автоматической оптимизации процессов индукцион-

ного нагрева защищены 40 авторскими свидетельствами и двумя патентами РФ.

РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. Полученные в работе теоретические положения и практические результаты использованы в проектно-конструкторских организациях и промышленных предприятиях:

при разработке и создании уникального автоматизированного стенда для прочностных и доводочных испытаний элементов газотурбинных двигателей (ОАО СНТК им. Н.Д. Кузнецова, г. Самара. ОАО «Самарский Гипро-нииавиапром», г. Самара);

при разработке и создашга ряда установок для утилизации боеприпасов (ВНИИ ПКВТ. г. Самара. ДВПО «Восход», г Эльбан);

при разработке методик расчета оптимальных алгоритмов управления стационарными и переходными режимами работы индукционных нагревателей непрерывного действия (ОАО «Металлургический завод», г. Самара);

при проектировании систем автоматического управления индукционными нагревателями в технологических линиях обработки металла давлением (9ГПЗ. з-д Клапанов):

в учебном процессе при чтении лекций по курсу «Электротехнологические установки и системы». «Автоматическое управление системами с распределенными параметрами», в курсовом и дипломном проектировании.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные научные положения и результаты днссертащюнной работы докладывались и обсуждались на 6 международных конференциях в России, США, Германии, Польше:

XI Krajowa Konferencja Automatyki. Rcfcraty. t. II. Bialistok- Bialiowie-/a. 17-20 Wresnia. 1991;

Automatisierung in dcr Elektrolechnologic. Tcchnishc Universitat. Ilmenau. DEUTSCHLAND. 21-22 Sept.. 1995;

«Надежность механических систем». Самара, 28-30 ноября 1995 г.;

«Качество, безопасность и энергосбережение». Самара - Саратов -Волгоград. 25 июня - 1 июля 1998 г.;

8'¹' International Induction Heating Seminar. November 3 - 6. 1998. Kis-simmcc. Florida. USA:

«Надежность и качество в промышленности, энергетике и на транспорте». RUSSIA. Samara. Oktobcr6-8, 1999;

на 12 всесоюзных. 16 республиканских и отраслевых конференциях, семинарах, симпозиумах.

Конкретные разработки, выполненные на основе материалов диссертации, были представлены на ВДНХ СССР (1981г. - бронзовая медаль. 1983 г. - серебряная медаль. 1986 г.). Лейпцигской ярмарке (ГДР. 1985 г ). Всероссийской выставке «ВУЗы РСФСР - машиностроению» (Тольятти. 1983 г.).

ПУБЛИКАЦИИ. По материалам диссертации опубликовано 103 печатных работ, в том числе 40 авторских свидетельств и 2 патента РФ.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, изложенных на 265 стр. машинописного текста; содержит 118 рисунков и 22 таблицы, список литературы, включающий 236 наименований и 5 приложений на 26 стр.

1. Математическая модель объекта управления и общее структурное представление объекта управления в обобщенной задаче индукционного нагрева неоднородной сопряженной системы двух осесимметричных взаимно перемещающихся цилиндрических тел ограниченных размеров.

2. Структурное представление процессов индукционного нагрева как распределенных объектов управления температурными полями.

3. Метод аппроксимации моделей объектов индукционного нагрева на основе модального представления температурных полей.

4. Алгоритмы оптимального управления нестационарными режимами работы индукционных нагревательных установок непрерывного действия.

5. Методика синтеза замкнутых систем оптимального управления нестационарными режимами работы индукционных нагревателей непрерывного действия.

6. Способы построения замкнутых систем автоматического регулирования процессами термоциклических испытаний дисков газотурбинных двигателей на автоматизированных испытательных стендах.

7. Новые способы индукционного нагрева и установки в технологических комплексах специализированных производств.

8. Комплекс устройств и систем управления для реализации оптимальных алгоритмов управления.

9. Результаты реализации и промышленного внедрения способов, алгоритмов и систем оптимального управления и автоматизации процессов индукционного нагрева.