Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ физических и технологических особенностей объекта исследования 11
1.1. Системный подход к разработке автоматизированной системы приготовления смесей 11
1.2. Основные показатели свойств сыпучести строительных материалов 14
1.3. Параметры, характеризующие динамику сыпучих строительных материалов 19
1.4. Критерии оценки качества сыпучих строительных смесей 21
1.5. Анализ механизма процессов смешивания 29
1.6. Особенности приготовления сыпучих строительных смесей в смесителях непрерывного действия 36
1.7. Выводы по главе 41
Глава 2. Исследование и решения задач оптимизации процесса методами математического моделирования 43
2.1 Построение математической модели и формирование задачи оптимизации процесса смешивания сыпучих материалов в смесителе непрерывного действия . 43
2.2 Экспериментальное исследование процесса смешивания сыпучих строительных материалов на физической модели 49
2.3 Математическое моделирование процесса смешивания в целях его статической оптимизации 54
2.4 Разработка методики расчета и алгоритма поиска оптимальных конструктивных и режимных параметров процесса смешивания сыпучих материалов 62
2.5. Выводы по главе 72
Глава 3. Исследование и разработка структур управления качеством процесса приготовления смесей 74
3.1. Формулирование критерия качества управления процессом приготовления смесей 74
3.2. Разработка алгоритмов инвариантного управления процессом смешивания сыпучих материалов 79
3.3. Разработка квазиинвариантной системы управления процессом приготовления сыпучих смесей 87
3.4. Разработка комбинированной системы управления процессом приготовления сыпучих строительных смесей 93
3.5. Выводы по главе 100
Глава 4. Автоматизация непрерывных систем подачи сыпучих строительных материалов в смеситель 102
4.1. Технологические схемы транспортирования при приготовлении многокомпонентных смесей 102
4.2. Устройства интегрирования расхода 103
4.3. Грузоприемные весоизмерительные устройства 109
4.4. Интеграторы расхода с нелинейными системами измерения 113
4.5. Структурная схема интегратора расхода с замкнутой системой измерения 117
4.6. Оценка технологических свойств интеграторов расхода типаСБ 121
4.7. Нелинейные измерительные схемы в отсутствии автоколебаний 127
4.8. Интеграторы расхода с линейными замкнутыми системами измерений 136
4.9. Интеграторы расхода с разомкнутыми системами измерений 144
4.10. Математическая модель определения технологической ошибки интегрирования расхода 154
4.11. Выводы по главе 158
Глава 5. Исследование и разработка структуры управления электроприводом непрерывнодействующих смесителей 159
5.1. Основные задачи автоматизации электропривода непрерывнодействующих смесителей 159
5.2. Регулирование скорости электродвигателя смесителя смещением фаз 162
5.3. Управление энергетическими характеристиками электропривода смесителей 179
5.4. Структура микропроцессорной системы автоматического управления электроприводом смесителя 182
5.5. Экспериментальные исследования комбинированной системы управления процессом смешивания 188
5.6. Выводы по главе 193
Заключение 195
Литература 198
- Основные показатели свойств сыпучести строительных материалов
- Построение математической модели и формирование задачи оптимизации процесса смешивания сыпучих материалов в смесителе непрерывного действия
- Формулирование критерия качества управления процессом приготовления смесей
- Интеграторы расхода с нелинейными системами измерения
Введение к работе
Применение сыпучих смесей заводского изготовления позволило за последние годы существенно повысить эффективность строительных и ремонтных работ, а также общую культуру строительного производства. Однако по мере расширения круга решаемых вопросов (обеспечения экологических норм производства, снижения расхода электроэнергии, использования новых видов сырья и др.) и перехода от приготовления относительно простых двухкомпонентных смесей к производству новых, более сложных, многокомпонентных сыпучих материалов (например, для высокопрочных и износостойких полов, паропроницаемых долговечных штукатурных и высокоадгезионных шпаклевочных смесей, грунтовочных и декоративных составов и т.п.), заметно усложняются технологические схемы и снижается качество готовой продукции. Успевшие стать традиционными циклические методы приготовления смесей с помощью дозаторов и смесителей периодического действия обнаруживают тем большую ограниченность, чем сложнее состав смеси.
В то же время, опыт наиболее передовых и современных предприятий строительной индустрии убедительно свидетельствует, что значительный рост технического уровня и экономической эффективности возможен при использовании непрерывных технологических процессов. Технико-экономические преимущества заводов и установок с непрерывной технологией приготовления смесей по сравнения с аналогами дискретного действия заключается в существенном снижении стоимости готовой продукции, уменьшении трудоемкости ее производства и количества потребляемой энергии, значительном сокращении металлоемкости оборудования, сроков его монтажа и наладки, габаритов сооружения и повышения качества выпускаемых смесей.
Практическая реализация перечисленных достоинств непрерывной тех-
технологии получения смесей возможна лишь при создании и внедрении в производство автоматизированных систем приготовления смесей (АСПС), то есть единой неразрывной системы, в которой технологическое оборудование и системы управления смешиванием должны быть направлены на достижение одной и той же конечной цели - приготовления смесей с требуемыми количественными и качественными характеристиками. Однако к настоящему времени решены лишь задачи автоматизации режимов дозирования компонентов, которые, к тому же, не учитывают влияние ошибок дозирования на качество смесей. Все это не позволяет использовать в полной мере потенциальные возможности непрерывной технологии и требует проведения специальных дополнительных научных исследований с позиции современного системного подхода.
Работа выполнялась в соответствии с индивидуальным планом соискателя и планам НИР кафедры «Автоматизация инженерно-строительных технологий» МГСУ в рамках межвузовской научно-технической программы «Строительство».
Цель работы - разработка структур, моделей и алгоритмов автоматического управления технологией производства сыпучих строительных смесей и получение научных и методических результатов, дающих инженерам -проектировщикам современных систем автоматизации совокупность новых знаний, представлений и навыков, позволяющих создавать системы с более высокими потребительскими свойствами в более короткие сроки.
С учетом сформулированной цели были поставлены следующие основные задачи исследований:
провести анализ характеристик, структур специфических особенностей разработки и функционирования систем непрерывного приготовления сыпучих строительных смесей;
исследовать свойства технологических процессов и оборудования непрерывного смешивания компонентов смесей как объектов автоматическо-
го управления;
выбрать критерий оптимальности, сформулировать задачу оперативной оптимизации и разработать методику построения математических моделей основных подсистем смесительной установки;
построить математические модели смесителя непрерывного действия и системы автоматического управления качеством приготовления сыпучих смесей;
разработать алгоритм расчета оптимальных конструктивных и режимных параметров смесителя и сформулировать научно-обоснованное требование к разработке структуры системы автоматического управления электроприводом двигателя смесителя;
произвести анализ систем непрерывного дозирования сыпучих компонентов строительной смеси и исследовать их потенциальные возможности в части улучшения метрологических характеристик;
доказать достоверность полученных результатов и эффективность их использования в практике приготовления сыпучих строительных смесей.
Теоретической и методологической основой диссертационной работы послужили труды отечественных и зарубежных ученых в области математического моделирования и оптимизации строительно-технологических процессов, а также теории автоматического и автоматизированного управления техническими системами.
Выполненные исследования базируются на методах анализа и синтеза математических моделей сложных систем, векторной оптимизации и теории физико-механических процессов и аппаратов. Экспериментальные исследования проводились с привлечением математической теории экспериментов и регрессионно - корреляционного анализа.
Научная новизна результатов выполненных исследований заключается в том, что впервые:
установлена и исследована связь конструктивных, технологических и
энергетических параметров смесителя с коэффициентом неоднородности получаемых смесей, показывающая, что при синтезе структуры системы автоматического управления необходим учет взаимосвязи всех перечисленных факторов;
создана экспериментально - аналитическая математическая модель, доказана ее адекватность реальному процессу смешивания, сформулирована задача оптимизации и разработан алгоритм поиска оптимальных параметров смесительной установки;
разработана система автоматического управления процессом смешивания с двухуровневой иерархией, для программной реализации которой предложены алгоритмы и структурные схемы инвариантного управления с беспоисковой самонастройкой, алгоритмы аддитивной коррекции вычисленных значений расходов компонентов смесей и алгоритм связи вычислительного устройства с локальными регуляторами;
определена структурная схема дозаторов - интеграторов расхода непрерывной подачи сыпучих компонентов строительной смеси с малыми погрешностями дозирования;
разработана методика структурного синтеза автоматизированного электропривода двигателя смесителя с микропроцессорным управлением, позволяющая решать задачи пуска и останова привода, разгона и торможения, управления частотой вращения, энергетическими характеристиками и направлением вращения ротора двигателя.
Практическая значимость перечисленных выше результатов исследований для автоматизации непрерывного производства сыпучих строительных смесей состоит в том, что они являются теоретической базой научно-обоснованного выбора способов, структуры и технических средств управления технологическими процессами смешивания компонентов на стадии проектирования и модернизации действующих систем.
Внедрение схем автоматизации на смесительных установках с приме-
нением указанных результатов исследований, как показывают предварительные ориентировочные расчеты, позволит повысить качество готовой смесей и существенно снизить количество электроэнергии, затрачиваемой на их приготовление.
На основе полученных практических результатов подготовлены рабочие рекомендации для Научно-производственного Центра «Энерготех» концерна Росэнергострой по выбору способа и средств автоматического управления приготовлением строительных смесей для ремонтных работ. Эти же результаты внедрены в учебный процесс подготовки инженеров в МГСУ по специальностям 21.02 «Автоматизация технологических процессов и производства (в строительстве)» и 29.13 «Механизация и автоматизация строительства».
Результаты работы отражены в 11 публикациях автора, докладывались и обсуждались на 15-й международной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (г. Тамбов, 2002 г.), международной научной-технической конференции «Интерстроймех-2002» (г. Могилев, 2002 г.), 6-й межвузовской научно-технической конференции «Подъемно-транспортные, строительные и дорожные машины» (г. Москва, 2002 г.), 5-й научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и докторантов МГСУ «Строительство-Формирование среды жизнедеятельности» (г. Москва, 2001 г.), научно-технической конференции по итогам НИРС МГСУ за 2001/2002 уч. год (г. Москва, 2002 г.), заседаниях Ученого Совета факультета «Механизация и автоматизация строительства» и научных семинарах кафедры «Автоматизация инженерно-строительных технологий» МГСУ.
На основании результатов исследований и разработок на защиту выносятся следующие основные положения:
1. Принципы организации, эффективного функционирования и оперативного автоматического управления технологией производства сыпучих
строительных смесей на установках непрерывного действия в условиях изменяющихся свойств и номенклатуры исходных компонентов, связанных с трансформацией экономики строительных предприятий и ее адаптацией к рыночным условиям промышленного и гражданского строительства.
Математическая модель, структура и характеристика автоматизированного построения системы оперативного управления непрерывной технологией приготовления строительных смесей, отражающие смену целей функционирования смесительных систем.
Новый технико-экономический критерий оптимальности, алгоритмы его автоматического компьютерного расчета, структурную схему двухста-дийной супервизорной системы автоматического управления и способы ее практической реализации.
Структуры схем дозирования с жесткой и колебательной подвесками весового транспортера, отсутствием автоматической стабилизации расхода и прямым измерением массы при максимальной интеграции технологии и управления.
Математическая модель, алгоритм и спроектированная структура микропроцессорной подсистемы автоматического управления электроприводом двигателя смесителя непрерывно действия с горизонтальным вращающимся барабаном.
Основные показатели свойств сыпучести строительных материалов
При современном уровне организации и аппаратурного оформления процессы приготовления многокомпонентных строительных смесей представляют собой единую технологическую систему, в которой оборудование и система управления смешиванием компонентов направлены на достижение одной и той же конечной цели функционирования объекта - приготовление смеси с требуемыми количественными и качественными характеристиками [1, 2].
В таких условиях наиболее эффективным является системный подход к разработке АСПС, предусматривающий решение вопросов технологии и управления с единых позиций [3].
Системный подход, сущность которого заключается в комплексном изучении исследуемого объекта как единого целого с позиций системного анализа, достаточно давно и успешно применяется в строительстве [4, 5]. Причем, чаще всего, его используют при решении организационно-экономических задач строительных производств в условиях автоматизированного проектирования [6-8]. Однако, задачи построения САПР существенно отличаются от задач разработки АСПС, что не позволяет воспользоваться известными результатами для достижения поставленных нами целей.
Проблема системного совместного подхода к разработке технологического комплекса приготовления строительных смесей и системы управления сводится к определению таких структур, конструктивных и режимных параметров АСПС, которые наиболее полно удовлетворяют некоторому заданному критерию эффективности [9].
Опыт разработки систем управления технологическими процессами в строительстве, в частности, для приготовления бетонных смесей, показывает, что до настоящего времени традиционным остается последовательный путь проведения проектных работ [10], предусматривающий получение решений по построению АСПС в два этапа - на первом этапе относительно технологии и оборудования, а на втором, касающихся средств и систем контроля и управления [11]. Однако в последние годы все большее внимание уделяется изучению и практическому использованию методов совместной разработки составных частей АСПС. Это связано с возросшими требованиями к срокам, стоимости и качеству НИР и ОКР, а также значительными преимуществами системного подхода перед последовательной схемой разработки. Основные из этих преимуществ можно свести к следующему: аппаратурно-технологическую схему и систему управления разрабатывают, исходя из общих (или взаимосвязанных) критериев эффективности, что позволяет получить согласованные оптимальные решения относительно их структуры, конструктивных и технологических параметров; при последовательной схеме разработки в случае неуправляемости, ненаблюдаемости или неустойчивости замкнутой системы «ТОУ - АСУ ТП» необходимо повторно проводить ряд работ для другой структуры АСПС [12], в то время как при совместном проектировании указанные работы могут выполняться параллельно для каждой структуры. Здесь важно сразу отметить, что в нашей работе речь будет идти не только о технологической или функциональной разработке АСПС, цель которой состоит в создании оптимальной схемы и структуры системы управления [13], но и в определении оптимальных конструктивных параметров и режимов работы основного оборудования системы. Иначе говоря, в последующих главах диссертации будут рассматриваться лишь научно-технические (творческие) стороны разработки АСПС - их синтез, который хотя и охватывает вопросы оптимизации конструктивных параметров оборудования, но не включает рассмотрение чисто инженерных задач (выбора и разработки чертежей оборудования, транспортных коммуникаций и др.). Известны различные постановки задачи разработки АСПС [14, 15], отличающиеся по глубине и глобальности рассматриваемых проблем синтеза. Однако ни одна из них не предполагает совместное определение физико-механических свойств готовой смеси, исходя из допустимого набора исходных компонентов, технологической топологии производства и структуры системы управления, а также значений параметров смесительного оборудования и параметров различных материальных и информационных потоков, которые обеспечивают оптимальное значение показателя эффективности функционирования АСПС. Для современных строительно-технологических процессов и производств многокомпонентных смесей задача оптимального синтеза АСПС также является чрезвычайно сложной, поэтому представляется целесообразным при разработке методики построения таких систем вначале рассматривать более простые, частные аспекты общей задачи, обладающие наибольшей актуальностью и значимостью. На основе изложенного, в дальнейшем под АСПС будем понимать совокупность происходящих в ней физико-механических процессов и средств для их реализации. С учетом этого определения АСПС должна включать в свой состав следующие подсистемы: собственно процесс смешивания исходных компонентов; оборудование (дозаторы и смесители), с помощью которого осуществляется процесс смешивания; средства автоматического контроля и управления смешиванием; информационные связи между процессом, оборудованием и техническими средствами автоматизации. Рассмотрим в приведенной выше последовательности специфические особенности перечисленных подсистем АСПС.
Построение математической модели и формирование задачи оптимизации процесса смешивания сыпучих материалов в смесителе непрерывного действия
К настоящему времени известно достаточно много разнородных конструкций смесителей сыпучих строительных материалов [40-42]. Это обусловлено как дифференцированными требованиями к отдельным строительным смесям и, соответственно технологическим операциям смешивания, различными характеристиками смешиваемых компонентов, так и отсутствием теоретических разработок для расчета таких смесителей. Видимо, поэтому чаще всего их проектируют, используя результаты физических экспериментов на лабораторных моделях и накопленный опыт по модернизации при увеличении габаритных размеров аппаратуры. Однако наблюдается и общая тенденция, которая дает возможность классифицировать смесители сыпучих материалов на несколько групп в зависимости от их назначения и способов работы (рис. 1.7).
С учетом изложенного в п. 1.5. для нас наибольший интерес представляют смесители с вращающейся камерой. Общим признаком работы аппаратов этого типа является способ работы, основанный на том, что весь смеситель приводится во вращательное движение, вызывающее осыпание, а значит и смешивание сыпучего материала. В связи с относительно несложным характером процесса такой способ смешивания наиболее часто используется в исследовательских работах, касающихся изучения механизма смешивания, и поэтому полнее других способов описан теоретически. В этой группе обычно выделяют горизонтальные барабанные смесители (рис. 1.8). Это наиболее простые аппараты и, несмотря на свою простоту (а возможно и благодаря ей), чаще всего применяемые в строительстве и промышленности строительных материалов, как при циклическом, так и при непрерывном и непрерывно-циклическом приготовлении сыпучих смесей. Такие смесители используются для смешивания как очень малых (порядка нескольких дм ), так и очень больших (до 20 м ) объемных сыпучих масс. Преимуществами смесителей этого типа являются малый расход энергии на смешивание, легкость загрузки компонентов и выгрузки готовой продукции, а также чистки аппарата, низкая стоимость изготовления и эксплуатации. Такие аппараты используются в основном при производстве сухих смесей, которые в настоящее время широко применяются для производства вяжущих материалов, кладочных, отделочных и штукатурных работ. Недостатком барабанных смесителей является сложность непрерывного процесса.
В настоящее время выпускаются как горизонтальные (ось вращения совпадает с продольной осью аппарата), так и наклонные барабанные смесители. В тех случаях, когда возникает тенденция к слеживанию (комкованию), хороший результат смешивания получается в барабанных смесителях с оребренной внутренней поверхностью, так как наряду с пересыпанием материал в таком аппарате срезается ребрами, что приводит к разрушению агломерата. Смесители такого типа наиболее эффективно работают при больших объемах барабана (порядка нескольких м ).
Различные по производительности барабанные смесители имеют и очень отличающиеся потребляемые мощности. Так, например, при объеме рабочего пространства барабана, равного приблизительно 1,5 м3 потребляв-мая мощность равна 3,8 кВт, а при 20 м она составляет 34 кВт. Этот параметр не является, однако, определяющим при выборе типа смесителя, если аппарат удовлетворяет другим требованиям. Лишь в тех случаях, когда несколько типов смесителей обеспечивают все требования технологии приготовления смесей, с учетом эксплуатационных расходов и производительности выбирается один или несколько смесителей меньшей мощности. Здесь всегда следует учитывать, что для установочной мощности решающее значение имеет пусковая мощность, которая в случае приготовления тяжелых строительных смесей в несколько раз выше мощности, расходуемой на движение смешиваемой массы.
1. Показана целесообразность использования системного подхода к разработке автоматизированных систем приготовления смесей, предусматривающего решение оптимизации технологии, оборудования и управления с единых системотехнических позиций.
2. Установлено, что автоматизированная система приготовления смесей, представляющая собой совокупность происходящих в ней физико-механических процессов и средств для их реализации, должна включать в свой состав следующие подсистемы: собственно процесс смешивания исходных компонентов; оборудование (дозаторы и смесители) в котором реализуется процесс приготовления смесей; средства автоматического контроля и управления процессом; информационные связи между процессом, оборудованием и техническими средствами реализации. 3. Для реализации системного подхода изучены: основные показатели свойств сыпучести строительных материалов; параметры, характеризующие их динамику; критерии оценки качества сыпучих строительных смесей; проведен анализ механизма смешивания с учетом циркуляции массы и профиля скоростей в горизонтальном барабанном смесителе.
4. Анализ особенностей приготовления сыпучих строительных смесей в смесителях непрерывного действия и классификации последних показали, что наиболее целесообразно теоретические и экспериментальные исследования по оптимизации конструктивных и режимных параметров смесителей проводить на барабанных аппаратах с гладкой или оребренной стенкой.
5. Разработку структур систем автоматизации следует вести по критериям качества управления, не противоречащим (или взаимообусловленным) показателям качества смесей и экономической эффективности их приготовления.
Формулирование критерия качества управления процессом приготовления смесей
В результате проведенных дополнительных опытов в режимах близких к оптимальным получена двухкомпонентная гипсопесчаная смесь заданного качества (V =8 %). При работе этой же установки в произвольно принятых режимах качество смеси оказалось значительно хуже, что подтверждает целесообразность и эффективность проектной оптимизации процесса, а также доказывает работоспособность описанного выше метода расчета оптимальных параметров. Полученные данные, кроме того, позволяют целенаправленно и научно - обоснованно приступить к решению задач оперативной оптимизации, то есть к разработке системы автоматического управления процессом смешивания сыпучих строительных материалов. 1. На базе выявленных и изученных физико-механических, технологических и конструктивных особенностей непрерывного смешивания сыпучих строительных материалов разработана экспериментально-аналитическая математическая модель процесса, позволяющая оперативно находить геометрические и режимные параметры горизонтального барабанного смесителя. 2. Исследовано влияние конструктивных и технологических параметров барабанного смесителя непрерывного действия на характер протекания процесса смешивания в продольном и поперечном направлениях и конечное значение качества получаемой смеси. 3. Выбран критерий оптимальности и сформулированы задачи оптимизации процесса, учитывающие особенности работы питателей компонентов смеси и флуктуации весовой производительности входных потоков компонентов. 4. С использованием метода многофакторного планирования экспери мента получен конкретный вид функциональной связи между центральными моментами функции плотности распределения времени пребывания и конструктивно-технологическими параметрами непрерывно-действующего смесителя барабанного типа. 5. Разработан, реализован на компьютере и экспериментально подтвержден алгоритм поиска оптимальных параметров смесительной установки. 6. Установлена зависимость коэффициента неоднородности смеси от числа оборотов, что позволяет сформулировать научно - обоснованные требования к разработке подсистемы автоматического управления электроприводом двигателя смесителя. Формулирование критерия качества управления процессом приготовления смесей Разработанный в предыдущей главе критерий оптимальности предназначен для решения широкого круга оптимизационных задач, связанных с поиском оптимальных значений геометрических и режимных параметров приготовления сыпучих смесей. Однако с его помощью не возможно решение задач автоматизации, в частности, качества управления и поэтому необходимым этапом работы является разработка нового, не противоречащего описанному в главе 2 (или взаимообусловленному с ним), критерия. Решению этого вопроса и посвящен данный раздел диссертации. Исследованию качества автоматического управления технологическими процессами посвящено большое число работ отечественных и зарубежных ученых, которые можно разбить на две большие группы.
В работах первой группы [62-66] в качестве критерия предложено использовать характеристики переходного процесса (длительность, колебательность, величина перерегулирования, максимальные отклонения и др.), полученные в системах под действием возмущений заданного характера (скачкообразных, гармонических или случайных стационарных процессов с экспоненциальной корреляционной функцией). При этом не исследуется связь качества переходного процесса в системе управления с технико-экономическими показателями управляемого процесса, поскольку она во многом определяется специфическими особенностями автоматизируемого объекта конкретного производства, которые не могут быть учтены в рамках общей теории автоматического управления. Чаще всего рекомендуется рассчитывать параметры настройки регуляторов на заданное затухание или минимум одного из интегральных критериев качества при скачкообразном возмущении.
Вторая группа работ [66-71], которая рассматривает технико-экономические критерии качества управления, посвящена созданию систем конкретными технологическими процессами в различных отраслях народного хозяйства с использованием управляющих вычислительных машин. В большинстве этих работ предлагаются различные сводные экономические критерии оптимальности стационарного технологического режима. При этом оптимизация производится на основании уравнений статики без учета инерционности управляемого процесса.
В ряде работ [72-74] рассмотрены недостатки статического подхода к задачам оптимизации технологических процессов, однако ни в одной из них не исследована связь сводных технико-экономических показателей с критериями качества переходных процессов в системах автоматического управления. Методика выбора критерия качества регулирования на основании анализа экономического показателя оптимальности технологического режима и динамических свойств управляемого объекта в 90-х годах предыдущего столетия начала разрабатываться на кафедре Автоматизации инженерно-строительных технологий МГСУ [32,75]. Показатель оптимальности в этих работах рассматривается как функционал, заданный на множестве регулируемых величин, рассматриваемых как функции времени, а полученный критерий качества управления можно применять при возмущениях любой формы, действующих на объект управления, а не только при возмущениях одного определенного класса.
С помощью этой методики решена задача выбора критерия качества управления процессами стабилизации осадков сточных вод [76], поскольку для этих процессов допустимы ограничения, накладываемой методикой:
Интеграторы расхода с нелинейными системами измерения
Теоретически возможное достижение абсолютной инвариантности с помощью предложенных в п. 3.2. систем управления, к сожалению, крайне затруднено на практике. Это связано с тем, что при автоматическом управлении реальными смесителями в условиях заводского приготовления строительных смесей многие условия инвариантности не выполняются из-за погрешностей контроля (неточное измерение, дискретность контроля, запаздывание в передаче информации управляющему устройству) и дозирования компонентов смеси; наличия неконтролируемых возмущений; нестабильности параметров объекта и системы управления; не идеальности условий перемешивания.
Природа погрешностей контроля и особенно дозирования компонентов априори хорошо известны, тщательно изучены [84-86] и поэтому могут быть учтены при проектировании и эксплуатации действующих систем управления. Метод оценки суммарной погрешности стабилизации состава смеси по указанным принципам также подробно рассмотрен в работе [87], что позволяет принять меры для снижения влияния или ликвидации влияния этой группы случайных ошибок.
В то же время случайные ошибки, вызванные действием неконтролируемых возмущений, нестабильностью параметров объекта и условий перемешивания, как показано нами в первых двух главах диссертации, априори учтены быть не могут и приемы борьбы с ними должны быть разработаны при синтезе структуры и алгоритма функционирования системы управления.
Неконтролируемые возмущения (а к ним можно отнести также возмущения из-за погрешностей контроля и дозирования, которые не удается скомпенсировать имеющимися в распоряжении техническими средствами) представляют собой наиболее «тяжелый» вид возмущений.
Погрешность, возникающая из-за нестабильности параметров системы управления, можно считать бесконечно малой, которой можно пренебречь, так как при принятой двухуровневой структуре системы управления смешиванием инвариантный регулятор реализуется программой УВМ, а работа локального регулятора контролируется в соответствии с алгоритмом связи.
Наиболее существенный в плане синтеза системы управления процессом смешивания является погрешность, вызванная нестабильностью параметров объекта управления, и дополнительная погрешность из-за принятой при синтезе инвариантной системы управления гипотезы о линейности математической модели процесса.
Способы управления такими объектами с непостоянными динамическими свойствами можно разделить на две группы. К первой группе относятся системы управления, структура которых такова, что качество их работы не зависит от параметров объекта. Этим свойством обладают системы, позволяющие обеспечить устойчивость управления при бесконечно большом коэффициенте усиления [88]. В настоящее время наиболее развито другое направление, которое использует идею самонастройки системы [89]. Построение самонастраивающихся систем связано с необходимостью решать задачу идентификации объекта управления при изменении режима его работы. Задачей самонастройки инвариантной системы управления является корректировка параметров настройки регулятора с целью восстановления условий инвариантности, если эти условия нарушены изменением динамических параметров объекта управления.
В то же время, применительно к процессу приготовления смесей самонастройка по принципу инвариантности может быть произведена иными и достаточно простыми методами.
Чувствительность системы управления к отклонениям параметров объекта управления от тех значений, которые принимаются при расчете параметров настройки регуляторов, обеспечивающего инвариантность системы, исследована в уже упоминавшейся работе [83]. Объект управления в этих исследованиях представлен в виде апериодического звена с запаздыванием. Автор этой работы показал, что отклонение коэффициентов усиления объектов управления от значений, принятых при расчете параметров настройки регулятора, приводит к неисчезающим статическим погрешностям регулирования, в то время как погрешность регулирования, возникшая вследствие отклонения постоянных времени объекта от номинальных значений, имеют исчезающий (астатический) характер. При этом статическая погрешность вследствие непостоянства коэффициентов усиления более чем в три раза превышает максимальное значение погрешности от изменчивости постоянных времени объекта при одинаковых относительных отклонениях параметров от номинальных значений.
Таким образом, при синтезе структуры инвариантной системы управления процессом приготовления смесей очевидна необходимость учета непостоянства коэффициентов усиления объекта или перенастройки численных параметров оператора фкі, совокупность которых образует многоканальный инвариантный регулятор (см. рис. 3.1 и 3.2).
Исследование математической модели смесителя показало, что возможны два различных метода беспоисковой самонастройки инвариантной системы управления: автоматическое изменение коэффициентов усиления операторов фкі и замена этих операторов нелинейной статической моделью. При использовании первого метода необходимо по уравнениям материальных балансов вычислять значения коэффициентов усиления операторов FKi и Fa линейной модели смесителя и подставлять найденные значения в формулу (3.14). Применение второго метода требует решения нелинейных уравнений материального баланса смесителя в установившемся режиме относительно потоков дозируемых компонентов.
Такая процедура самонастройки по количеству вычислительных операций проще, чем самонастройка коэффициентов усиления инвариантного регулятора, и позволяет исключить погрешность от линеаризации нелинейной модели объекта.
