Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ процессов тепловой обработки бетона в монолитном домостроении 7
1.1. Возведение жилых и гражданских зданий из монолитного бетона 7
1.2. Классификация методов выдерживания бетона 12
1.3. Выдерживание бетона в тепляках 14
1.4. Выдерживание бетона методом термоса 16
1.5. Бетонирование с предварительным электропрогревом смеси 18
1.6. Электропрогрев смеси в конструкциях 21
1.7. Выдерживание бетонной конструкции в термоактивной опалубке 27
1.8. Применение термоактивной опалубки 33
1.9. Обогрев бетона инфракрасными лучами 35
1.10. Парообогрев бетона - 39
1.11 .Системы управления температурным режимом термообработки
бетона в монолитном домостроении 42
ГЛАВА 2. Модель и критерии оценки процесса тепловой обработки бетона в монолитном домостроении 52
2.1. Задача разработки модели тепловых процессов 52
2.2. Синтез математической модели процессов тепловой обработки в монолитном домостроении 55
2.3. Выбор критерия оптимизации управления тепловыми процессами 64
2.4. Оценка сравнительной эффективности критериальных функций управления тепловыми процессами 70
2.5. Управляемость и наблюдаемость объекта тепловой обработки бетона 76
ГЛАВА 3. Синтез систем оптимального управления процессами тепловой обработки бетона в монолитном домостроении 83
3.1. Постановка задачи оптимального управления процессами тепловой обработки бетона
3.2. Синтез оптимального управления при повышении энергетического состояния объекта
3.3. Синтез оптимального управления при понижении энергетического состояния объекта 86
3.4. Оптимальное управление с учетом нелинейности модели объекта 88
3.5. Алгоритм оптимального управления процессом поддержания постоянной температуры опалубки 90
Выводы к главе 3 100
ГЛАВА 4. Экспериментальные исследования процессов тепловой обработки бетона в монолитном домостроении 101
4.1. Моделирование адаптивной системы регулирования 101
4.2. Комбинированное автоматическое управление процессом тепловой обработки бетона в термоактивных опалубках 110
4.3. Математическое моделирование систем автоматического управления термообработкой бетона 120
4.4. Измерение температуры уложенной бетонной смеси в процессе термообработки 129 Выводы к главе 4 132
Основные выводы и результаты работы 133
Литература 134
- Возведение жилых и гражданских зданий из монолитного бетона
- Синтез математической модели процессов тепловой обработки в монолитном домостроении
- Синтез оптимального управления при понижении энергетического состояния объекта
- Моделирование адаптивной системы регулирования
Введение к работе
Вопросы экономии материальных и энергетических ресурсов в России в настоящее время стоят очень остро. Это обусловлено наметившимся ростом объемов производства с одновременным уменьшением запасов природных ресурсов и увеличением расходов, связанных с их добычей. Значительную долю составляют потери энергоресурсов на конечном этапе их потребления. Поэтому в последние годы особое внимание уделяется ресурсосберегающим технологиям с максимальным использованием сырья и уменьшением потерь на разных стадиях производства.
В строительной промышленности на предприятиях по производству железобетонных конструкций средний удельный расход электроэнергии составляет 25-35 кВт*ч/м3 при расходе теплоты — 1800-2000 Мдж/м3. Термическая обработка бетона в процессе его твердения позволяет значительно повысить эффективность производства и качество монолитных бетонных конструкций и сооружений, особенно в зимнее время года и в условиях сухой жаркой погоды. Традиционны метод термообработки железобетонных изделий - пропаривание. Одним из недостатков этого метода является повышение водосодержания бетонной смеси, что приводит к увеличению потерь теплоты. Этот недостаток устраняется путем использования электрического обогрева и электродного прогрева, которые обеспечивают существенное сокращение времени термообработки бетона. Применение электротермообработки позволяет не только улучшить санитарно-гигиенические условия работы, но и увеличить производительность труда, а также позволяет легко контролировать и регулировать расход электроэнергии.
Известно, что для производства сборных и монолитных фундаментов, стен, блоков и т.п. применяют электродный прогрев при среднем расходе БОНО кВт*ч/м3. Если бетонную смесь, используемую для изготовления монолитных железобетонных изделий, предварительно подвергнуть
кратковременному (в течение 6-15 минут) нагреву до температуры 60-80С0 до укладки его в формы в горячем состоянии и выдерживать в среде с положительной температурой, то средний расход электроэнергии снижается до 35- 50 кВт*ч/м3. Однако при горячем формовании имеют место дополнительные потери теплоты, связанные с перегрузкой бетонной смеси из бункера и нагревом формы. Формование изделий из смесей, имеющих обычную температуру, упрощает технологию производства, а сравнительно медленный разогрев требует в 1,5 — 2 раза меньшей мощности электрооборудования.
Одним из наиболее высокопроизводительных является индукционный способ термообработки бетона, основанный на тепловом действии вихревых токов, наводимых переменным электромагнитным полем индуктора в металлической арматуре или опалубке. Индукционный нагрев токами промышленной частоты — самый простой по своему техническому оснащению. Он обеспечивает гибкое управление потоками энергии, способствующими выделению тепла и регулированию температуры на заданных участках с высокой равномерностью и точностью. Технологический процесс термообработки бетона с применением индукционного нагрева зависит от типа изделия и марки бетона.
В настоящее время разработаны и внедрены в производство различные варианты индукционных устройств для термообработки железобетонных изделий. Их использование позволяет получить бетон с улучшенными механическими свойствами, повышенными водонепроницаемостью и морозостойкостью, а также стойкостью к агрессивным средам, что объясняется непосредственным воздействием электромагнитного поля на физико-химические процессы твердения бетона.
Высокий КПД примыкающих индукционных нагревателей определяется отсутствием потерь, связанных с уносом тепла горячим воздухом водяных паров, а также возможностью осуществления хорошей
теплоизоляции. Результатом индукционного способа термообработки бетона являются сокращение времени технологического цикла, снижение расходов на электроэнергию до 70 кВт*ч/м3 и уменьшение амортизационных расходов, что дает значительный экономический эффект и делает продукцию предприятия конкурентоспособной.
Экспериментальные исследования позволили по характеру распределения температурных полей в нагреваемом объекте (опалубке), получить эмпирические зависимости для расчета оптимальных установочных размеров примыкающих индукторов относительно друг друга на поверхности опалубки. Однако при индукционном способе термообработки бетона следует учитывать не только толщину стенок металлической опалубки и наличие в железобетонных изделиях стальных стержней диаметром 10-15 мм, влияющих на равномерность нагрева бетона, но и состояние окружающей среды.
Наличие внешних возмущений в виде изменений температуры окружающего воздуха и скорости обтекания им опалубки существенно сказывается на интенсивности оттока тепла от монолитной конструкции возводимого сооружения. В этих условиях поддержание заданного режима пассивными методами настройки системы обогрева термоактивной опалубки становится затруднительным.
Необходимо оперативно воздействовать на изменение интенсивности подачи тепла к нагревательным элементам термоопалубки, что невозможно без использования систем автоматического управления режимом тепловой обработки бетона, разработка которых для объектов монолитного домостроения находится пока в зачаточном состоянии. Решение названной задачи требует формулировки оценок качества создаваемых систем управления, разработки математических моделей объектов управления с учетом их специфики и общих закономерностей протекающих в них процессов.
Возведение жилых и гражданских зданий из монолитного бетона
В связи с интенсивным строительством в РФ около 50% объема бетонных работ выполняют в районах с экстремальными климатическими условиями, специфика которых влияет на размер трудовых и энергетических затрат, материалоемкость и общую стоимость строительства.
Таким образом, задача совершенствования технологии возведения монолитных железобетонных конструкций в этих ситуациях весьма актуальна. Она заключается в использовании таких методов приготовления бетонных смесей и их транспортирования, укладки и ухода за бетоном, которые обеспечили бы достижение предусмотренных проектом конечных физико-механических характеристик или критической прочности независимо от температуры и влажности окружающей среды. Эта тенденция интенсивного развития методов монолитного домостроения обусловлена следующим: возможностью автономного строительства зданий в районах, удаленных от предприятий полносборного домостроения; меньшими капиталовложениями на создание производственной базы и ресурсоемкостью; возможностью возводить здания повышенной этажности с самой различной планировочной структурой; повышенной устойчивостью зданий к сейсмическим и другим воздействиям. Разнообразие климатических условий на территории РФ влияет на производство строительных работ, на нормы времени и выработки. Для бетонных работ изменение трудозатрат оценивается температурными коэффициентами Ко (табл. 1.1). Суммарный коэффициент, учитывающий снижение производительности труда и соответственно увеличение удельных трудозатрат при производстве бетонных работ, определяется с учетом двух факторов: длительности зимнего периода и распределения строительно-монтажных работ по регионам. Дополнительные удельные трудозатраты для бетонных работ достигают в среднем 4.75 чел.-ч/м .Они учитываются коэффициентом дополнительных затрат К &л. Результаты расчетов показывают, что суммарный коэффициент повышения трудозатрат составляет: для европейской части РФ - 1,32; для РФ -2,1; для крайнего севера - 2,24; для Сибири и Дальнего Востока - 2,28. При этом доля бетонных работ при отрицательных температурах для различных регионов страны колеблется от 30 до 43%. Необходимость круглогодичного производства работ ставит задачу разработки надежных и экономичных методов воздействия на бетон, обеспечивающих его твердение без ухудшения физико-механических характеристик. Бетон является искусственным камнем, получаемым в результате твердения рационально подобранной смеси цемента, воды и заполнителей. Согласно современным представлениям образование и твердение цементного камня проходит через стадии формирования коагуляционной и кристаллических структур. В стадии образования коагуляционной (связной) структуры вода, обволакивая мелкодисперсные частицы цемента, образует вокруг них так называемые сальватные оболочки, которыми частицы сцепляются друг с другом. По мере гидратации цемента процесс переходит в стадию кристаллизации. При этом в цементном тесте возникают мельчайшие кристаллы, которые затем превращаются в сплошную кристаллическую решетку. Этот процесс кристаллизации и определяет механизм твердения цементного камня и, следовательно, нарастания прочности бетона. Ускорение или замедление процесса образования и твердения цементного камня зависит от температуры окружающей среды, температуры смеси и адсорбирующей способности цемента, определяемой его минералогическим составом. Для твердения цементного камня наиболее благоприятной является о температура +15... +25 С , при которой бетон на 28-е сутки практически достигает стабильной прочности. При отрицательных температурах вода, содержащаяся в капиллярах и теле бетона, замерзая увеличивается в объеме примерно на 9%. В результате микроскопических образований кристаллов и линз льда в бетоне возникают силы давления, нарушающие образовавшиеся структурные связи, которые в дальнейшем при твердении в нормальных температурных условиях уже не восстанавливаются. Кроме того, вода образует вокруг крупного заполнителя обволакивающую пленку, которая при оттаивании нарушает сцепление и, следовательно, монолитность бетона. При ,41 раннем замораживании по тем же причинам резко снижается сцепление бетона с арматурой, увеличивается пористость и, следовательно, снижается его прочность, морозостойкость и водонепроницаемость. Бетон делается неустойчивым к проникающим воздействиям и других внешних сред, в том числе и агрессивных.
При оттаивании вновь замершая свободная вода вновь превращается в жидкость и процесс твердения бетона возобновляется. Однако из-за ранее нарушенной структуры конечная прочность такого бетона оказывается ниже прочности бетона, выдержанного в нормальных условиях на 15...20%. Особенно вредно попеременное замораживание и оттаивание бетона.
Прочность, при которой замораживание бетона уже не может нарушить структуру бетона и повлиять на его конечную прочность, называют критической. Для бетонов классов ниже Б15 она должна быть не менее 50% проектной, классов Б15...Б22,5 — не ниже 40%, классов Б30...Б40 - не ниже 30%. Для предварительно напряженных конструкций прочность бетона к моменту замораживания должна быть не ниже 70% 28-дневной прочности.
При возведении многоэтажных зданий определились три технологических метода, различаемых в основном по конструктивно-технологическим особенностям используемых опалубочных систем: возведение зданий в скользящей опалубке; крупнощитовой и блочной переставных опалубках; в объемно-переставной (туннельной) опалубке. При возведении малоэтажных зданий из монолитного бетона используют мелко-и крупнощитовую системы опалубок.
Синтез математической модели процессов тепловой обработки в монолитном домостроении
Система дифференциальных уравнений (2.1) и (2.2) нелинейна, поскольку коэффициенты переноса зависят от влагосодержания и температуры. Если же расчет процесса вести по частям, принимая для каждой из частей постоянные (усредненные для заданного отрезка времени или диапазона изменения переменных) коэффициенты, то, несмотря на значительное упрощение математической модели процесса, получается достаточное приближение расчетных и опытных данных [7].
Теория сушки и теория твердения вяжущих веществ рассматривают также процессы изменения структурно-механических и физико-химических свойств материалов, подвергаемых тепловой обработке.
В настоящее время установлены закономерности влияния температурных полей, градиента влагосодержания и интенсивностей влагопереноса и твердения вяжущих веществ на трещинообразование, коробление, порообразование, прочностные и биохимические свойства материалов [19].
Вместе с тем, следует отметить, что в изученной отечественной и зарубежной технической литературе не встречается приемлемых для практического применения сведений о физических закономерностях, позволяющих установить аналитическую зависимость между процессами тепломассообмена и свойствами строительных материалов. Этим объясняется наличием большого числа приближенных математических моделей процессов тепловой обработки различных материалов, имеющих, как правило, эмпирический характер. При описании конкретного процесса тепловой обработки как объекта автоматического управления исследователи вынуждены опираться на предварительные экспериментальные данные, на основании которых создается структура математической модели. Кроме того, процесс тепловой обработки при построении его модели рассматривается не только как теплофизический, но и как технологический, что еще более усложняет его математическое описание.
С целью обеспечения требуемого качества управления необходимо, чтобы математическая модель процесса тепловой обработки наиболее полно отражала влияние и взаимосвязь всех факторов, определяющих ход этого процесса. Вместе с тем, представление математической модели в сложной математической форме затрудняет ее исследование и применение для синтеза систем управления. Как известно [21], агрегаты тепловой обработки строительных изделий являются многомерными нестационарными объектами управления с распределенными стохастическими параметрами, характеризующимися нелинейными взаимосвязями. Полное аналитическое описание процессов в тепломассообменных агрегатах классическими методами практически не представляется возможным. В частных случаях, когда это удается, решение получается чрезвычайно сложным, громоздким и фактически непригодным для инженерной практики. В связи с этим возникает проблема приближенных аналитических решений задач математического описания процессов в тепломассообменных агрегатах [28]. Исследования отечественных и зарубежных специалистов в области теории автоматического управления показали, что математическая модель объекта управления должна отражать его наиболее существенные стороны с такими степенями абстракции и детализации, которые необходимы и достаточны для достижения цели построения модели. Целесообразно рассматривать процесс тепловой обработки монолитных бетонных и железобетонных конструкций в опалубке как тепломассообменный объект, в котором наиболее существенными процессами являются энергетические взаимодействия элементов конструкции. Деление агрегата на элементы целесообразно производить с учетом физических явлений [30], характеризующих процессы тепломассообмена, и принятого критерия оптимальности. Анализ технической литературы показал, что основными физическими величинами, характеризующими тепловую обработку, можно считать температуру основных элементов, входящих в состав объекта тепловой обработки. К основным элементам относят конструкции, обладающие существенными емкостями тепла. Таковыми являются бетонная масса в опалубке и опалубка с изоляционным внешним слоем. На основе изложенного может быть составлена расчетная схема объекта управления (рис. 2.1) [40,61,62]. При составлении расчетной схемы сделаны следующие предположения: Рассматриваемый участок тепловой обработки бетона в опалубке представляет собой объект с сосредоточенными параметрами; объект на определенном интервале управления не меняет своей конфигурации и массы. В расчетной схеме объекта в данной работе учтены следующие потоки тепловой энергии: Qi - поступающий в опалубку поток тепловой энергии; Q2- поток тепловой энергии от опалубки в изолирующий слой; Q3- поток тепловой энергии от опалубки к бетону; Q4 — поток тепловой энергии от изолирующего слоя в окружающую среду; Q5 — поток тепловой энергии, выделяемый бетоном в период его твердения. На основе расчетной схемы и сделанных предположений может быть получена следующая система уравнений энергетических балансов: Исследования авторов работ [103,105,106,108] показали, что в достаточно большом диапазоне изменения температуры, процессы тепловой обработки бетона в опалубочных конструкциях не имеют существенно нелинейных характеристик во временной и пространственной областях. Процессы практически монотонны, дисперсия параметров относительно невелика, возмущающие воздействия носят аддитивный характер. Опираясь на результаты названных работ, при математическом описании тепловой обработки монолитного бетона можно сделать следующие допущения: коэффициенты теплообмена постоянны на выбранном интервале управления и в заданном диапазоне изменения не зависят от температуры, влагосодержания и прочности; температура окружающей среды постоянна на интервале управления; теплообмен за счет излучения отсутствует.
Синтез оптимального управления при понижении энергетического состояния объекта
Задачи оптимального управления на начальном и конечном этапах термообработки бетона в монолитном домостроении 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.
Повышение или понижение энергетического состояния объекта на начальном и конечном этапах термообработки должно производиться с постоянной скоростью, которая определяется начальным и конечным состояниями и временем перехода. Разработан алгоритм оптимального управления поддержания постоянства температуры опалубки в технологическом цикле термопрогрева бетона. 4. Разработан алгоритм, близкий к оптимальному с 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 бетона значительно изменяются в зависимости от физико-механических характеристик твердения бетона 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 передаточными функциями Wx(p) и W2(р), которые в результате настройки можно считать оптимальными Wl0(p) и W20(p). Если заданы Ww{p) и W20{p), то оптимальная передаточная функция замкнутой системы будет:
Моделирование адаптивной системы регулирования
В настоящий время измерение температуры бетона в монолитном домостроении в период термообработки выполняется непосредственным контактным измерением в нескольких точках блока бетонирования термопарами и термометрами сопротивления через ввинчиваемые и привариваемые к опалубке защитные гильзы. Такое размещение датчиков температуры приводит к их частому отказу в процессе укладки и уплотнения бетонной смеси и в период межцикловой обработки опалубки.
Наиболее предпочтительным является использование для измерения температуры бетона дистанционных методов. Это позволит использовать один датчик для измерения температуры бетона в нескольких критических точках.
Дистанционную радиолокацию позволяют осуществлять СВЧ-радиометры. Их действие основано на регистрации излучаемой уложенной бетонной смесью 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 (опалубкой), прозрачной для электромагнитных волн (влагостойкая, букилизированная фанера). Они дают возможность определять температуру и ее распределение внутри блока бетонирования.
Для обеспечения направленного приема в качестве приемника излучения предлагается использовать рупорную антенну, поворачиваемую таким образом, что ею можно контролировать различные участки термообрабатываемого бетона. 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 бетонной смеси путем контакта с опалубкой чувствительного элемента (ЧЭ), в результате которого изменяются его параметры, зависящие от температуры. В результате изменяются информативные параметры, позволяющие определить температуру бетона. Съем сигнала ЧЭ может быть осуществлен как с помощью линии связи, так и бесконтактным способом. Чувствительным элементом (рис. 4.14.) служит объемный СВЧ резонатор 2, изготовленный из материала с большим коэффициентом теплового расширения, например, алюминия. Резонатор размещен на опалубке 1. При изменении температуры бетона 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 г=10 ГГц изменение д/ 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.
