Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Технологические процессы разогрева битума на асфальтосмесительных установках и методы их автоматизации 7
1.1. Назначение и классификация асфальтосмесительных установок 7
1.2.Асфальтосмесительные установки непрерывного действия... 10
1.3.Состав и свойства асфальтобетонных смесей 13
1.4. Нагреватели битума 19
1.5. Формирование качества асфальтобетонных смесей автоматизированной системой управления 27
1.6. Выбор направлений исследований систем автоматизации тепловых процессов производства асфальтобетонных смесей 30
ГЛАВА 2. Модель и критерии оценки процесса тепловой обработки битума 34
2.1. Задача разработки модели тепловых процессов 34
2.2. Синтез математических моделей процессов тепловой обработки битума 37
2.3. Выбор критерия оптимизации 45
2.4. Оценка сравнительной эффективности критериальных функций управления тепловыми процессами 52
2.5. Управляемость и наблюдаемость объекта тепловой обработки битума 58
2.6. Модель нагревателя битума Д-506А 62
Выводы к главе 2 64
ГЛАВА 3. Синтез систем оптимального управления процессами тепловой обработки битума 65
3.1. Постановка задачи оптимального управления процессами тепловой обработки битума 65
3.2. Оптимальное управление нагревателем битума Д-506А 69
3.3. Влияние инерционности объекта на закон оптимального управления 71
3.4. Оптимальный алгоритм управления изотермической выдержкой в нагревателе битума Д-506 А 75
3.5. Расчет алгоритмов и процессов для системы управления изотер мической выдержкой в нагревателе битума Д-506 А 78
3.6. Оптимальный по быстродействию процесс в нагревателе битума Д-506А 80
3.7. Замкнутая система управления нагревателя битума Д-506А 82
3.8. Управление нагревателем битума Д-506 А, близкое к оптимальному. 87
3.9. Алгоритм оптимального управления процессом поддержания постоянной температуры нагревателя битума Д-649 А 89
Выводы к главе 3 98
ГЛАВА 4. Экспериментальные исследования процессов тепловой обработки битума 99
4.1 .Моделирование адаптивной системы регулирования 99
4.2. Математическое моделирование систем автоматического управления термообработкой битума 107
4.3. Измерение температуры битума в процессе термообработки 116
Выводы к главе 4.. 119
Основные выводы и результаты работы 120
Литература 122
- Формирование качества асфальтобетонных смесей автоматизированной системой управления
- Оценка сравнительной эффективности критериальных функций управления тепловыми процессами
- Влияние инерционности объекта на закон оптимального управления
- Математическое моделирование систем автоматического управления термообработкой битума
Введение к работе
Новые тенденции технического и технологического перевооружения строительной отрасли в изменившейся экономической ситуации, ужесточение технических условий и норм на выпуск готового продукта, диктуют принятие только таких решений, которые обеспечат существенное улучшение наиболее значимых показателей производства.
Возможность перехода к более прогрессивным и экономически целесообразным методам автоматизированного управления связана с изменением технической базы строительного производства и комплектованием его новейшими средствами измерительной микропроцессорной техники. Это позволяет предложить новые, нетрадиционные технические решения, принципиально изменить сам подход к решению проблемы автоматизации тепловых процессов.
Технико-экономические преимущества заводов и установок с непрерывной технологией производства, по сравнению с аналогами периодического действия очевидны и заключаются в значительном снижении стоимости приготовления смесей, уменьшении трудоемкости, расхода электроэнергии, значительном сокращении массы оборудования, сроков его монтажа и демонтажа, габаритов сооружений, повышения производительности и качества продукции. Однако, проблема непрерывного производства строительных смесей - сложная задача, которая охватывает круг вопросов, связанных с разработкой новых принципов и методов автоматизации. Только таким образом удается существенно повысить технико-экономические показатели производства и в первую очередь снизить себестоимость готовой продукции, избежать влияния значительных колебаний количественных и качественных характеристик сырья, отклонений режимов функционирования отдельных агрегатов на характеристики строительных смесей.
Многообразие и, зачастую, нестандартность всего комплекса задач
управления процессами смесеобразования требуют реализации полностью
автоматизированного режима функционирования технологических процессов.
Практика проектирования и производственных испытаний систем управления тепловой обработкой строительных материалов и изделий показывает, что структура и сложность управляющего устройства должны соответствовать структуре и сложности объекта управления, а также предъявляемым технологическим требованиям.
Исследования систем управления тепловой обработкой открывают новое перспективное направление повышения эффективности использования тепловой и других видов энергии в строительной индустрии. Практическая реализация результатов исследований позволяет решить важную народнохозяйственную задачу создания автоматизированных комплексов, обеспечивающих оптимальное использование энергетических ресурсов, снижение энергоемкости продукции промышленности строительных материалов и изделий. Кроме того, решается природоохранная задача уменьшения теплового загрязнения атмосферы и нерационального расходования невосполнимых энергетических ресурсов страны.
Развитие принципа аналитического проектирования систем
управления с единых энергетических позиций более широкое толкование процесса оптимизации, позволяет аналитически обосновать структуру применяемых технических средств контроля и управления, адекватно отражающих и определяющих ход процесса управления и его соответствие требованиям технологии.
Системы оперативного управления необходимы для
совершенствования технологии тепловой обработки и маневрирования энергетическими ресурсами предприятия, существенного улучшения условий труда обслуживающего персонала и повышения надежности работы систем управления тепловой обработкой.
Несмотря на существующий определенный опыт реализации систем
управления тепловыми режимами на асфальтобетонных заводах и
установках, все они, как правило, организованы по принципу систем с
отрицательной обратной связью, использующих в качестве параметра
регулирования температуру или температуру и влажность теплоносителя.
Однако в настоящее время, при наличии устойчивой тенденции к
повышению стоимости энергоресурсов и сырья на первый план выходит
задача достижения максимальной энергетической эффективности
управления тепловыми процессами. Поэтому вопросы ликвидации потерь качества, снижения энергетических затрат при реализации тепловых технологических процессов приобретают особое значение для уменьшения себестоимости выпускаемой продукции и повышения рентабельности производства. Важнейшим фактором улучшения качественных характеристик асфальтобетонной смеси, повышения технико-экономических показателей производства является выдерживание оптимальных режимов тепловой обработки компонентов смеси и бесперебойной подачи битума определенной вязкости и текучести по обогреваемым трубопроводам в смеситель.
Практика эксплуатации тепловых устройств и агрегатов асфальтосмесительных установок связано с применением простейших систем автоматизации, контроля и стабилизации температуры. Отсутствуют автоматические системы оптимизации режимных параметров тепловых объектов и в первую очередь нагревателей битума, что существенно снижает их потенциальные возможности увеличения энергетической эффективности.
Необходим новый подход при проектировании систем автоматизации объектов тепловой обработки битума асфальтобетонных заводов и установок, опирающийся на эффект минимизации энергетических потерь при управлении.
Формирование качества асфальтобетонных смесей автоматизированной системой управления
Формирование свойств и состава, то есть качественных показателей асфальтобетонной смеси с наименьшими отклонениями от регламента производится локальными системами управления отдельными агрегатами и технологическими устройствами.
В простых задачах управления стационарными локальными объектами ограничиваются такими алгоритмами управления, которые определяют неизменную настройку регулятора. Выбирается определенная связь между переменными, соблюдаемая всегда. При этом предусматривается наличие достаточного объема предварительных сведений (априорной информации) о внутренних и внешних условиях работы объекта и системы. Чем полнее на стадии проектирования и настройки априорная информация о характеристиках системы и условиях ее работы, тем точнее достигается цель управления системой. Это означает оптимизацию в условиях априорной, ограниченной информации. Однако у большинства технологических объектов управления статические и динамические характеристики по отношению к выбранным управляемым параметрам изменяются в широких переделах, при этом описание физических процессов, протекающих в них при функционировании системы управления, является приближенным, ориентированным на средние значения переменных. В связи с этим системы управления локальными объектами будут работать в условиях некоторой неопределенности.
Дальнейшее совершенствование производственных и технологических процессов обусловлено усложнением задач управления. Специфическая особенность этих усложнений заключается в практической невозможности точного описания процессов, протекающих в системе управления. По мере усложнения задач, возлагаемых на систему управления, появляются трудности в обеспечении заданного качества управления из-за уменьшения объема априорной информации о системе и расширения области неопределенности при получении окончательного результата. Преодоление этих трудностей возможно только на основе адаптации локальных систем управления к меняющимся характеристикам технологического процесса. Применение принципа адаптации [8] позволяет искусственно создавать эффект приспособления к изменяющимся условиям в автоматических системах за счет того, что часть функций по получению, обработке и анализу недостающей информации об управляемом процессе осуществляется не на уровне оперативной оптимизации (управление локальными объектами), а в процессе эксплуатации системы в течение достаточно длительного интервала времени, неизмеримо большего времен реакций локальных систем управления. Это позволяет существенно снизить влияние неопределенности на качество оперативного управления и скомпенсировать в определенной степени недостаток априорной информации об управляемом процессе на стадии настройки локальных систем автоматики. В этом случае параметры управляющих воздействий локальных систем автоматики автоматически и целенаправленно изменяются для осуществления лучшего управления локальными объектами (причем характеристики объекта или воздействий внешней среды меняются заранее неизвестным образом). Создается еще один уровень управления системой, который функционирует на основе статистических сведений о параметрах исходных материалов и процесса. Сама система используемых при этом критериев может иметь статистический характер. Этот уровень обеспечивает управление системой по усредненным параметрам. Здесь не требуется оперативная оптимизация в каждый момент времени. Оптимизация ведется на основании объема информации, достаточного для характеристики процесса. Только выявив достаточный для объективной оценки хода технологического процесса объем информации, осуществляется коррекция настроек локальных систем автоматики.
Таким образом, необходимо использовать принцип адаптации на уровне статистической оптимизации при автоматизации технологических процессов, из-за того, что сложность управляемого процесса достигает такого уровня, при котором влияние неполноты априорной информации об условиях работы системы становится существенным, и невозможно обеспечить заданное локальное управление качеством процесса производства асфальтобетонной смеси без приспособления системы к изменяющимся непредвиденным образом условиям функционирования. Возникают, как явствует из выше сказанного, две задачи автоматизации технологического процесса производства и формирования качественных показателей асфальтобетонных смесей, требующие своего математического аппарата и методов реализации.
В работе рассматривается только первая из этих задач. Необходимо проанализировать способы автоматизации нагревателей битума и их влияние на процесс формирования качественных показателей смесей.
Оценка сравнительной эффективности критериальных функций управления тепловыми процессами
Задачи оптимального управления на начальном и конечном этапах термообработки битума сформулированы как задачи математического программирования, а синтез оптимального управления сводится к задаче минимизации функционала оптимальности при дополнительных условиях, к которым относятся технологические требования и физические ограничения. 2. Повышение энергетического состояния объекта на начальном этапе термопрогрева должно производиться с постоянной скоростью, которая определяется начальным и конечным состояниями и временем перехода, 3. Разработаны алгоритмы оптимального управления поддержанием постоянства температуры нагревателей битума Д-506 А и Д-649А в технологическом цикле термопрогрева битума. 4. Разработаны алгоритмы, близкие к оптимальным и переходным процессом с перерегулированием, не превышающим 7%. Для уменьшения перерегулирования переключение необходимо осуществить раньше момента достижения координатой заданного значения. На практике динамические свойства процессов тепловой обработки битума значительно изменяются в зависимости от его физико-механических характеристик и состояния внешней среды, нарушающей тепловой баланс элементов конструкций. Повышение точности, качества и энергетической эффективности управления в этом случае может быть достигнуто совершенствованием системы за счет использования компенсационного принципа управления по отклонению регулируемой величины или по возмущению.
Для решения многих прикладных технических задач целесообразно применять самонастраивающиеся системы с эталонной моделью. Такие системы состоят из основного контура управления и контура самонастройки, одним из элементов которого является эталонная модель. В этих системах контур самонастройки обеспечивает экстремум некоторого критерия самонастройки, являющегося функцией или функционалом реакции основного контура и эталонной модели на общий входной сигнал. В качестве последнего могут быть использованы как сигнал задания, так и его смесь со специальным (пример, синусоидальным) сигналом. Эталонная модель реализует желаемую динамическую характеристику основной системы. Самонастраивающиеся системы с эталонной моделью позволяют обеспечить устойчивость и высокие качественно-точностные показатели процессов управления в широких пределах изменения характеристик объекта управления [85].
Применительно к оптимальному по критерию энергетической эффективности управлению такие самонастраивающиеся (адаптивные) системы наиболее целесообразны, поскольку реализуют оптимальное управление, находясь на границе устойчивости.- Самонастраивающаяся система может обеспечить необходимое качество процессов управления при изменении свойств объекта и изменении характеристик возмущающих воздействий.
Наиболее эффективными считаются самонастраивающиеся системы с замкнутыми цепями настройки корректирующих устройств, которые контролируют фактические характеристики замкнутой системы и сопоставляют их с эталонными, заранее установленными характеристиками. В соответствии с измеренными отклонениями осуществляется такое воздействие на корректирующие устройства, при котором фактическая характеристика замкнутой системы приближается к эталонной.
Система состоит из двух последовательно соединенных звеньев с передаточными функциями W p) и JV2(p), которые в результате настройки можно считать оптимальными Ww{p) и W20(p). Из полученного равенства можно сделать вывод, что изменение передаточной функции корректирующего устройства MV p) эквивалентно введению на вход основного звена системы с передаточной функцией W2(p) дополнительного сигнала вида -К(Ф(р)вх -Ф0(р)Щ). Указанный сигнал может быть сформирован с помощью дополнительных связей, состоящих из фильтра с передаточной функцией Фа(р). Соответствующая структурная схема приведена на рис. 4.2. Входное управляющее воздействие 6\, поступает в корректирующее устройство с оптимальной неизменной передаточной функцией Wl0(p) и на вход фильтра. Фильтр обладает передаточной функцией, соответствующей оптимальной передаточной функции замкнутой системы Ф0(р)- Выходной сигнал фильтра вычитается из сигнала всей замкнутой системы вг Ф0(р)в1. Разность этих сигналов через передаточное звено с коэффициентом усиления К поступает на вход основного звена системы с передаточной функцией W2(p). Передаточная функция рассматриваемой замкнутой системы с замкнутыми цепями самонастройки корректирующих устройств может быть определена путем составления системы уравнений вида: Полученное приближенное равенство подтверждает, что в рассматриваемой структурной схеме поддерживается стабильность передаточных функций замкнутой системы при изменении величины W2(p}. Однако следует иметь в виду, что рассматриваемая система имеет глубокие обратные связи, которые ограничивают возможности стабилизации качества процесса управления. Это объясняется тем, что увеличение коэффициента усиления К , приводит к уменьшению запаса устойчивости системы. Кроме того, чем шире диапазон изменения величины передаточной функции W2(p) под воздействием внешних возмущений, тем меньше допустимые значения величины К. Моделируется самонастраивающаяся система с условной обратной связью, поскольку она при относительной простоте реализации отвечает поставленной задаче.
Влияние инерционности объекта на закон оптимального управления
В настоящее время измерение температуры битума на асфальтосмесительных установках в период термообработки выполняется непосредственным контактным измерением в нескольких точках емкостей для хранения битума. Такое размещение датчиков температуры приводит к их частому отказу в процессе температурной обработки битума.
Наиболее предпочтительным является использование для измерения температуры битума дистанционных методов. Это позволит использовать датчики для измерения температуры битума в нескольких точках.
Дистанционную радиолокацию позволяют осуществлять СВЧ-радиометры. Их действие основано на регистрации излучаемой битумом энергии в диапазоне миллиметровых или субмиллиметровых волн. Излучаемая энергия в соответствии с формулой Планка пропорциональна температуре объекта в широком температурном диапазоне, поэтому градуировать такие термометры достаточно просто. Каждый объект излучает электромагнитную энергию в определенном диапазоне длин волн в такой степени, которая зависит, в первую очередь, от температуры объекта и его «черноты», соответствующей используемому диапазону. Если изменения свойств объектов можно считать незначительными, то количество энергии, выделяемое в определенном диапазоне длин волн, зависит лишь от температуры объекта, а также от степени поглощения излучения окружающей средой.
Успешно могут быть применены СВЧ радиометры, когда контролируемый объект находится за какой-либо преградой (стенка резервуара), прозрачной для электромагнитных волн. Они дают возможность определять температуру и ее распределение внутри битумного резервуара.
Для обеспечения направленного приема в качестве приемника излучения предлагается использовать рупорную антенну, поворачиваемую таким образом, что ею можно контролировать различные участки термообрабатываемого битума. Антенна с электронным управлением диаграммой направленности может иметь существенно меньшие размеры.
Другой подход к измерению температуры технологических объектов связан с их активным зондированием с помощью антенных устройств, резонаторов и линий передачи электромагнитной энергии. Для получения информации используется зависимость электрофизических параметров объектов от их температуры. Информативными параметрами могут служить амплитуда, длина волны и фаза принимаемых колебаний.
Отметим также возможность измерения температуры битума путем контакта с резервуаром чувствительного элемента (ЧЭ), в результате которого изменяются его параметры, зависящие от температуры. В результате изменяются информативные параметры, позволяющие определить температуру битума. Съем сигнала ЧЭ может быть осуществлен как с помощью линии связи, так и бесконтактным способом. Чувствительным элементом (рис. 4.10.) служит объемный СВЧ резонатор 2, изготовленный из материала с большим коэффициентом теплового расширения, например, алюминия. Резонатор размещен на резервуаре L При изменении температуры битума и резонатора изменяются линейные размеры последнего и, следовательно, его резонансная частота: где - коэффициент линейного расширения материала резонатора.
Так как для алюминия а=2,7х105 - то при частоте f=l 0 ГГц изменение 6f резонансной частоты на один градус изменения температуры резонатора составляет 27x104 Гц. Это позволяет с требуемой точностью определять температуру по изменению резонансной частоты резонатора. Дистанционное возбуждение колебаний в резонаторе 2 осуществляется с помощью антенны 3 от СВЧ генератора частотно-модулированных колебаний 4 (частоты изменяются в диапазоне нескольких гигагерц). Переизлученные резонатором электромагнитные волны на его резонансной частоте воспринимаются приемной антенной 5, поступают на усилитель 6 и затем на устройство сравнения частот 7, куда подаются также колебания с СВЧ генератора 4; выход устройства 7 подключен к регистрирующему при бору 8. 1. Разработана самонастраивающаяся система управления тепловой обработкой битума с эталонной моделью, которая позволяет обеспечить устойчивость и высокие качественно - точностные показатели процессов управления в широких пределах изменения характеристик объекта управления. 2. Предложен способ автоматического управления термообработкой битума на основе нечеткой логики, использующий для формализации нечетких понятий ситуационную сеть в виде взвешенного графа переходов по эталонным ситуациям в зависимости от исходной информации и целевой задачи. 3. Экспериментальные исследования показали, что регуляторы с нечеткой логикой могут быть эффективно использованы в системах управления тепловой обработкой битума в реальном времени. 4. Разработано устройство измерения температуры битума с использованием объемного СВЧ - резонатора.
Математическое моделирование систем автоматического управления термообработкой битума
Для нормального функционирования, система управления задается набором нечетких ситуаций, описывающих возможные состояния объекта управления с помощью множества термов (лингвистических переменных) Т = {tt ,t 2, .., tn}. Термы имеют градуированные значения (отрицательное очень большое, отрицательное среднее, отрицательное малое, нуль, положительное малое, положительное большое, положительное очень большое), соответствующие физическим величинам измеряемых параметров. Для формирования нечеткой сети моделируется переход объекта из ситуации в ситуацию, при этом выявляется множество нечетких продуцированных правил PR = {ргь pr2 , ....pr„} , возможных на данном объекте управления. Управляющие решения задаются в виде отношений «если-то» по значениям лингвистических переменных.
Преобразованные в блоке дефаззификации управляющие сигналы подаются на исполнительные механизмы системы. Математическое моделирование систем управления термообработкой битума проводилось в интерактивной математической системе MATLAB 6.0 с использованием специализированных пакетов SIMULTNK и FAZZY LOGIC TOOLBOX . Эта система представляет собой набор условных лингвистических операторов, определяющих конкретные ситуации управления. Достаточно установить связь между ошибкой и изменением в ошибке процесса, чтобы осуществить такое изменение управляющего входного сигнала, которое обеспечит удовлетворительное управление системой. Эти простые лингвистические правила можно сформулировать на основе наблюдений или несложных исследований процесса. Для системы управления термообработкой битума указываются следующие входные переменные: ошибка e(t), представляющая собой рассогласование между желаемой и фактической температурой выдерживаемой битумной смесью, и скорость изменения ошибки c(t). Выходом, или управляющей нечеткой переменной, является сигнал (напряжение u(t)), подаваемый посредством тиристорного силового выключателя с аналоговым управлением на вмонтированный в опалубку электрический нагреватель. Нечеткие переменные представлены (квантованы) в матричной форме в виде семи нечетких подмножеств: от отрицательного (NL) до положительно высоких значений (РЬ)(рис,4.7). Матрица нечетких ассоциаций для системы управления термообработки была разработана на основе общеинженерных суждений; всего было сформулировано 25 правил. Каждая группа элементов в матрице задает одну нечеткую ассоциацию, или правило, указывающее, как следует изменять переменную управления для наблюдаемых величин входных нечетких переменных ej и С[. В качестве примера приведем интерпретацию правила 7 (PL, ZE, PL) на естественном языке: если ошибка (рассогласование) температуры выдерживаемого битума положительная и большая, а скорость изменения ошибки близка к нулю, то нагреватель следует настроить на положительную высокую температуру. Следует обратить также внимание на то, что заполнение всех элементов матрицы не обязательно. Некоторые правила могут опускаться или, наоборот, добавляться в зависимости от сложности задачи управления. Для нечетких подмножеств нечетких переменных были выбраны треугольные и трапецеидальные функции принадлежности (рис.4.8). Видно, что нечеткое подмножество трех нечетких переменных ZE (значения, близкие к нулю) уже других; это позволяет повысить точность управления вблизи уставки. Исходя из эвристических соображений, принято, что непрерывные нечеткие подмножества в каждом из наборов перекрываются примерно на 25%. При слишком большом перекрытии теряются различия между величинами, соответствующими разным подмножествам. При слишком же малом перекрытии возникает тенденция к «двузначному» управлению. В реальных условиях перекрытия позволяют сглаживать переход управляющих воздействий друг в друга в ходе работы контроллера. Величины значений функций принадлежностей устанавливались исходя из технологических требований к процессу термообработки.
