Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ технологического процесса производства асфальтобетонных смесей как объекта управления 12
1.1. Роль асфальтобетон/ в строительстве автомобильных дорогі 2
1.2. Структура управления технологическим процессом производства асфальтобетона .21
1.3. Производство асфальтобетонных смесей как объект управления .25
1.4. Анализ технологических методов управления в производстве асфальтобетона 27
1.4.1.Расчет и коррекция гранулометрического состава 27
1.4.2. Способы компенсации вариации удельной поверхности минеральных компонентов 30
1.4.3.Технологические методы стабилизации отпускных характеристик качества 37
1.5. Анализ методов управления составом асфальтобетона на основе теории управления 39
1.6. Задачи исследования 51
2. Концептуальная основа автоматического управления производством асфальтобетона 53
2.1. Обобщенная структура управляемого процесса производства асфальтобетона 53
2.2. Особенности идентификации коэффициентов передачи для управления процессом с прямой связью. —...59
2.3. Проблема выбора критериальной функции при синтезе системы управления . 60
2.4. Критериальная функция оптимального управления расходом минеральных компонентов асфальтобетона. 63
2.5. Критериальная функция оптимального управления расходом Битума , 65
2.6. Особенности динамики процесса производства асфальтобетона 71
2.7. Выводы по главе 2.. 74
3. Построение модели управляемого процесса формирования характеристик асфальтобетона 76
3.1. Управление расходом минеральной составляющей асфальтобетона
3.1.1.технологический аспект управления 76
3.1.2.система управления расходом минеральных компонентов, минимизирующая отклонение фактического гранулометрического состава от регламентированного 84
3.2. Коррекция регламентированного гранулометрического состава асфальтобетона 91
3.2.1 .Технологический аспект коррекции регламентированного распределения гранулометрического состава минеральной составляющей асфальтобетона 92
3.2.2.синтез звеньев системы управления
Регламентированным составом по возмущению .102
3.3. Система управления расходом битума по возмущению 105
3.4. Управление на основе прочностных испытаний асфальтобетона 106
3.5. Управление прочностью при априорной информации о связи ее с асходом битума .108
3.6. Выводы по главе 3... 116
Информационная база системы управления производством асфальтобетона 117
4.1. Модель формирования информационной базы системы управления производством асфальтобетона —..—.118
4.2. Структура информационных потоков в системе автоматического управления 122
4.2.1. Оценка объема информационного массива 123
4.2.2.топология информационных потоков в системе управления 124
4.2.3. Статистические характеристики информационных потоков 127
4.2.4.актуализация данных в системе управления 131
4.3. Структурные схемы формирования информационной базы в системе управления... 137
4.3.1 управляемые и контролируемые параметры в процессе формирования образцов 138
4.3.2. Определение плотности и пористости асфальтобетона 138
4.3.3.определение водонасыщения и набухания асфальтобетона 141
4.3.4. Определение прочности асфальтобетона 141
4.4. Измерительные устройства системы автоматического управления 142
4.4.1. Автоматические устройства измерения гранулометрического состава минеральной составляющей асфальтобетона 142
4.4.1.1. Пьезоэлектрический контроль гранулометрического состава 144
4.4.1.2. Оптический контроль гранулометрического состава
4.4.2. Контроль пустотности асфальтобетона в системе управления 150
4.4.3. Контроль удельной поверхности минеральной составляющей асфальтобетона в системе у правления 154
4.5. Автоматизация лабораторного контроля при управлении производством асфальтобетона 157
4.5.1 .структура задач подсистемы лабораторного контроля в арм асфальт 158
4.5.2.структура автоматизированной системы арм асфальт...160
4.5.3.аппаратное и алгоритмическое обеспечение
Измерительного комплекса в системе управления 163
4.6. Выводы по разделу 4 .167
5. Система управления производством асфальтобетона - «арм асфальт» 170
5.1. Общие принципы построени я автоматизированной системы управления 170
5.2. Выходные документы автоматизированной системы управления 172
5.3. Формы ввода/вывода автоматизированной системы управления.. 174
5.4. Структура меню автоматизированной системы управления 199
5.5. Структура базы данных арм асфальт 202
5.5.1. Организация данных 202
5.5.2.структура отношений в базе данных 203
5.5.3. Целостность и непротиворечивость данных 205
5.6. Обработка данных в системе арм асфальт .207
5.6.1. Базовое программное обеспечение 210
5.6.2.разработанное программное обеспечение 211
5.7. Реализация автоматизированной системы управления производством асфальтобетона 214
5.8. Выводы по разделу 5 .215
8.1. Документ о качестве асфальтобетонной смеси „„.,..„ 240
8.2. Протокол подбора состава асфальтобетонной смеси 241 8.3. Протокол испытаний спроектированного состава 243
8.4. Документы о внедрении...
- Способы компенсации вариации удельной поверхности минеральных компонентов
- Проблема выбора критериальной функции при синтезе системы управления .
- Структура информационных потоков в системе автоматического управления
- Структура меню автоматизированной системы управления
Способы компенсации вариации удельной поверхности минеральных компонентов
Стабилизация качества исходных материалов является іроблемой, которая должна быть решена на соответствующих заводах-юставщиках и карьерах. Однако ожидать, что на асфальтобетонные іаводьі будут поступать материалы со стабильными характеристиками іевозможно из-за повсеместного использования местных строительных яатериалов [51, 99] и отходов производства [35, 36, 41, 43, 44, 99]. Следовательно, вариация качества компонентов будет отрицательно влиять на качество асфальтобетонной смеси и проблема компенсации нестабильности характеристик компонентов всегда будет стоять перед предприятиями.
Весьма перспективным является совершенствование методики проектирования состава асфальтобетонной смеси с учетом изменения характеристик исходных материалов [3, 4, 5, 6, 46 - 49, 98}. Однако, достаточно устойчивых и адекватных моделей до сих пор не создано.
За последние годы большие успехи в повышении качества асфальтобетона достигнуты в использовании разнообразных добавок [76].Введение небольших добавок полимерных материалов в дорожный 5итум: улучшает деформационные характеристики асфальтобетона при летних температурах более чем в 2 раза; увеличивает предел прочности на сжатие на 25 % при низких температурах; повышает адгезионные свойства битума, а в результате чего на 10 % возрастает устойчивость асфальтобетона к воздействию воды, на 12 % снижается набухание существенно (не менее чем на 50 %) возрастает стойкость асфальтобетона к воздействию солей, используемых для борьбы с гололедом.
Однако, полученные результаты не решают задачи компенсации вариации характеристик компонентов и параметров технологического процесса.
Существенно осложняется решение проблемы компенсации вариации характеристик компонентов асфальтобетонной смеси наличие значительного числа неконтролируемых параметров. Поэтому работы по азвитию контролирующей аппаратуры [2, 12, 82-83, 108, 120, 123, 125, 45, 146, 170, 171, 185-188, 192, 193, 196, 202, 206, 215-217] следует читать важными и перспективными. Однако, наличие значительного зпаздывания в процессе контроля существенно затрудняет посредственное использование полученных результатов измерений ля компенсации нестабильности характеристик материалов и зхнологических параметров.
Важным направлением является создание локальных систем стоматического управления дозированием компонентов, тепловыми роцессами, процессом перемешивания компонентов и пр. [22, 49, 98, 71,177, 200,214]. Однако, задачами для локальных систем управления вляется стабилизация режимов технологического процесса роизводства асфальтобетонной смеси и задача компенсации вариации оказателей ими не решается.
Одним из наиболее эффективных методов повышения качества родукции является комплексная автоматизация технологического роцесса. Создание систем управления технологическим процессом озволяет решить задачу компенсации вариации как контролируемых, зк и не контролируемых характеристик материалов и технологического роцесса.
Для построения комплексной системы управления производством еобходимо выполнение некоторого набора начальных условий, некая идеальная модель» системы управления (Рисунок 1.8). От оотеетствия реального производственного процесса этой идеальной юдели, при прочих равных условиях, зависит и эффективность эмллексной системы управления.
В соответствии с обозначенной выше целью настоящей работы іри анализе технологического процесса производства ісфальтобетонной смеси, как объекта контроля и управления необходимо учитывать следующие обстоятельства. !. Технологический процесс производства асфальтобетонной смеси является сложным объектом, что подтверждается рядом факторов.
Отсутствие формального описания его процессов. Так если V; и Vj некие показатели компонентов асфальтобетонной смеси, a wm и wa показатели качества готовой продукции, то даже при наличии связей вида Ж=Ф(У,) И w„= p(Vj) более сложные зависимости вида wm =q (v/,v/), wn = p(vi,v/) и в технологии асфальтобетона не формализованы и не доступны при разработке системы автоматического управления. 1.2. При проектировании состава асфальтобетонной смеси используются различные методики для расчета ориентировочного рецепта, но все они подразумевают необходимым этапом пробное изготовление образцов и по результатам их испытаний уточнение состава.
Имеющиеся в литературе многочисленные результаты экспериментальных исследований в области технологии асфальтобетона, как правило, не позволяют синтезировать статистические технологические зависимости, так как в них исследуются зависимости вида Ж=Ф ,). При этом, как правило, не приводятся исчерпывающие данные о значениях других параметров vl9...,vp, что не позволяет использовать результаты исследований в сходных ситуациях.
Значительная часть параметров компонентов асфальтобетонной смеси и режимов технологического процесса1 в производственных условиях либо вообще не контролируется, либо контролируется с таким значительным запаздыванием, что не позволяет непосредственно использовать результаты контроля для оперативного управления технологическим процессом.
Проблема выбора критериальной функции при синтезе системы управления .
Положительные коэффициенты корреляции определяют факт вхождения текущего расхода битума на восходящей ветви зависимости (В), и, следовательно, определяют положительные значения коррекции асхода битума. Отрицательные коэффициенты корреляции определяют факт нахождения текущего расхода битума на нисходящей іетаи зависимости R(B), и, следовательно, определяют отрицательные значения величины коррекции расхода битума.
При этом отмечается, что эффективность управления тем выше, іем выше текущие значения коэффициента корреляции (уже эллипсы ассеяния) (Рисунок 1.20).
Для реализации данного управления предложена структурная схема автоматизированной системы управления (Рисунок 1.21), состоящая из блока формирования знакопеременной последовательности приращений расхода вяжущего и блока расчета зптимальной его коррекции.
К рассчитанному на основе экспериментального подбора расходу 5итума добавляется две величины: знакопеременное приращение и несчитанная коррекция расход вяжущего. Оптимальная коррекция рассчитывается по фактическому значению прочности асфальтобетона з учетом фактической модели обобщенного технологического фактора, вписывающего влияние всех неконтролируемых характеристик исходных иатериапов и технологического процесса.
Расчет оптимальной величины коррекции осуществляется (на зенове статистической связи изменения расхода битума с изменением ірочности асфальтобетона) AB = bAR (1.28) де b - коэффициент регрессии. Коэффициент регрессии определяется как г (1.29) где г- коэффициент корреляции. Блок моделирования совокупного влияния неконтролируемых характеристик материалов и технологического процесса
При всей новизне подхода к управлению составом асфальтобетона нельзя не отметить необоснованность его эффективности.
В диссертационной работе Александрова А.Е. дано развитие іредложенного Марухиным А.В. метода управления. Александров сохранил основную идею знакопеременного приращения расхода штума, но текущий его расход более конкретизирован.
В данной работе предлагается текущий поиск максимума іроводить на основе постоянной вариации расхода битума и анализа телика на нее прочности асфальтобетона. Знак производной прочности юфальтобетона по расходу битума дает информацию о том, на какой из [вух ветвей зависимости R(B) находится координата текущего расхода 5итума, а, следовательно, и определяет направление коррекции эасхода битума (Таблица 1.5).
Знак производной Положение назависимостиR(B) Стратегия коррекции Величина коррекции dR Л — 0dB левая ветвь (восходящая) Я, =,_,+Д, AB signi " -1 )АВ4-і" -2 dR л dB правая ветвь (нисходящая) В, -В, ,-ЛД Предложенная система управления весьма эффективна, о чем жидетельствуют результаты исследования предлагаемого управления іри различных степенях «высокочастотности» возмущения. В данной аботе степень «высокочастотности» возмущения определяется юдулем корней характеристического уравнения фильтра івторегрессии, описываемого в терминах z-преобразования.
Рисунок 1.22. Зависимости эффективности управления от приращения битума для различных значений модуля корней характеристического
уравнения. Рисунок 1.22 представляет зависимость эффективности управления при различной степени высокочастотное возмущения.
Данной работой предлагается, по сути, компенсировать все изменения характеристик материалов поиском оптимума расхода Зитума без учета реальной информационной базы контроля. Это является существенным недостатком предложенной системы, так как іри управлении она никак не учитывает текущий набор контролируемых характеристик материалов.
Другим недостатком является постоянство приращения расхода эитума, что отражается на быстродействии системы управления Рисунок 1.23). Так, в приведенных в данной диссертации переходных іроцессах при малых значениях приращения расхода битума эффективность системы нельзя считать удовлетворительной. ЄЇ
В работе [49] представлена система автоматизации линии по іроизводству асфальтобетонной смеси следующим образом (Рисунок І.24). На нижнем уровне локальные системы автоматического регулирования осуществляют управление качеством отдельных операций дробления, дозирования, сушки и перемешивания со своими критериями Rj. Одновременно производится отбор информации в ПЭВМ ля расчета значений критериев оптимизации качества более высокого уровня.
Структура информационных потоков в системе автоматического управления
Структурно система управления минеральной частью асфальтобетона представляет собой блок, на вход которого поступает информация о распределении размеров зерен щебня различных фракций F(D1 g), F(D2 e),...f F(Dk fl), песка F(DS) и минерального порошка F(DM), тип асфальтобетонной смеси, идеальное распределение гранул Fr(D). Выходом является весовое соотношение щебня, песка и минерального порошка G1,...,G2,S,M
Аналитической основой управления являются регламентированные характеристики распределений размеров зерен минеральной составляющей, которые выражаются через полные остатки на ситах [13, 73, 148]. По результатам рассева минерального порошка, песка, и щебня различных фракций определяются такие дозы минеральных компонентов, при которых квадрат отклонения полных остатков на ситах от регламентированных значений будет минимальным
Решение данной задачи более наглядно проводится не в терминах полных остатков, а с использованием, как это принято в задачах по оптимизации, функции распределения, которая показывает долю зерен с размерами менее диаметров сит рассева. Основное отличие функции распределения от кривых рассеяния, принятых в строительной практике, является то, что значения аргументов вдоль оси абсцисс приводятся не в порядке убывания, в порядке возрастания.
Целевой функцией оптимизации в этом случае будет минимум среднего квадратического отклонения фактического распределения размеров зерен Ff(D) минеральной составляющей от регламентированного распределения Fr(D) JZ(F;(D)-F (D))2 7(M,S,G) = A - 1 (3 2) что эквивалентно выражению целевой функции через полные остатки на ситах Аргументами целевой функции являются расходы минерального порошка, песка и щебня, обеспечивая тем самым соответствие критериальной функции принципу управляемости. Фактическое распределение по размерам гранул материалов определяется через функцию плотности распределения (аналог частных остатков) о которая в свою очередь складывается из функций плотности распределения минерального порошка, песка и щебня различных фракций Z „ D M 0 из которой аналитически вычисляются оптимальные доли минеральных компонентов.
В качестве иллюстрации приведем расчет оптимального расхода минеральных компонентов для примера, заимствованного из работы [51]. Таблица 3.1 представляет распределение размеров зерен минеральных материалов, представленных в данной работе. Габлица 3.1. Функции распределения щебня, песка, минерального юрошка, регламентированного состава по размерам гранул.
Регламентированное распределение 100 79 57,5 45 33,5 24,5 18 12,5 Рисунок 3.1. Фактические функции распределения размеров гранул щебня, песка, минерального порошка и регламентированного распределения минеральной составляющей асфальтобетона
Рисунок 3.2 представляет зависимость среднего квадратического тклонения фактического распределения размеров зерен от егламентированных кривых в зависимости от доли песка и щебня в бщей массе минеральных материалов для представленных в таблице )ункций распределения размеров гранул.
Фактическое оптимальное и регламентированное распределения минеральной составляющей по размерам фанул
Как видно, имеет место оптимальное соотношение, обеспечивающее минимальное отклонение фактического распределения размеров фанул от регламентированных значений. Рисунок 3.3 представляет регламентированная и фактическая эункции распределения, последняя из которых получена путем писанной процедуры минимизации целевой функции (2). Как видно, из іатериалов с приведенными гранулометрическими характеристиками, дается с достаточной точностью получить регламентированное «определение. При других соотношениях минерального порошка, песка щебня отклонения фактического распределения от егламентированного будут выше.
Рисунок 3.5 представляет результаты оптимизации состава при аданных значениях функции распределения песка (Таблица 3.2). На исунке представлена зависимость целевой функции от доли песка и Эбня. Как видно, среднее квадратическое отклонение фактического аспределения зерен от регламентированного существенно выше для энного распределения песка по размерам гранул, но, тем не менее, актичбское распределение весьма близко к регламентированному.
Как показывают исследования, на среднее квадратическое тклонение фактических распределений от регламентированных в ольшей степени влияет доля щебня в минеральной составляющей сфальтобетона.
Таким образом, можно констатировать, что приведенная роцедура оптимизации позволяет свести к минимуму отклонение ІКТИЧЄСКОГО распределения минеральной составляющей фальтобетонной смеси по размерам от регламентированных значений л произвольно заданных распределениях минерального порошка, :ка и щебня.
Исходя из выше изложенного, структурная схема системы давления по возмущению, компенсирующая вариацию жулометрического состава минеральных материалов может быть вдставлена в виде контролирующих устройств фансостава нерального порошка, песка, щебня различных фракций, блока ания регламентированного состава, блока расчета оптимальных доз іяпонентов (Рисунок 3.6).
Расчет оптимальных доз компонентов осуществляется на ковании минимизации дисперсии отклонения фактического знулометрического состава от регламентированного. На первый -ляд система управления грансоставом минеральной компоненты фальтобетона при обеспечении непрерывного контроля фактического інсостава минерального порошка, песка и щебня может быть эдставлена как обычного звена управления по возмущению. Однако личие погрешностей в оценке фансостава и временной задержки от мента измерения до момента коррекции доз компонентов, наличие гокоррелированности (в силу сегрегационых процессов [173]) в следовательностях изменения характеристик фансостава меральных компонентов данная задача существенно усложняется.
Структура меню автоматизированной системы управления
Зависимости, полученные в предыдущем разделе, являются юновой получения значений коэффициентов передачи систем травления численно равных соответствующим частным производным. Габлица 3.8 представляет значения частных производных расхода итума, минерального порошка, песка, щебня по пустотности, удельной юверхности, толщине пленки.
Полученные частные производные позволяют корректировать югламентированное распределение минеральной составляющей и )асход битума по изменению пустотности, удельной поверхности, олщине пленки на соответствующем компоненте минерального юрошка, песка и щебня.
На изменение регламентированного распределения минеральной оставляющей асфальтобетона оказывают влияние пустотность іинерального порошка, удельная поверхность песка. Однако, аибольшее влияние на изменение регламентированного распределения минеральной составляющей асфальтобетона оказывают устотность и удельная поверхность крупного заполнителя. "аблица 3.8. Частные производные расхода битума, минерального орошка, песка, щебня по пустотности, удельной поверхности, толщине ленки.
Таким образом, к рассчитанному составу по критерию іинимальной дисперсии отклонения фактического гранулометрического остава от регламентированного добавляются вышеприведенные риращения минерального порошка, песка и щебня.
При управлении расходом песка и минерального порошка еобходим также учет динамических характеристик изменения устотности щебня и смеси щебня с песком. Это обусловлено тем, что пределение межзерновой пустотности осуществляется с временным апаздыванием, определяемым временем, затрачиваемым на процессы змерения, дозирования, перемешивания.
В связи с этим данное управление должно основываться на рогнозе изменения характеристик минеральных компонентов, нелогично предыдущему на основе идентификации временных рядов.
Как было отмечено, управление расходом битума в заводских словиях производства асфальтобетона по его вязкости не редставляется целесообразным, поскольку данная характеристика олжна стабилизироваться на заводах-поставщиках битума.
Однако, как показали выше приведенные исследования, на расход итума влияет изменение характеристик минеральной составляющей, габилизация которых практически невозможна, не только в условиях авода асфальтобетона, но и в условиях карьеров-поставщиков песка и іебня. Исходя из предыдущего, управление расходом битума по озмущению будет определяться как Аналогично предыдущему, необходим учет динамики изменения арактеристик минеральной компоненты, в связи с чем, также іелесообразно управление на основе идентификации временных рядов.
Организация управления по возмущению в силу наличия контролируемых характеристик исходных материалов и параметров ехнологического процесса не решает полностью проблему повышения ачества выпускаемого асфальтобетона.
Учет вариации неконтролируемых характеристик исходных ттериалов и параметров технологического процесса возможен путем организации управления по отклонению. Контролируемые изменения рочности асфальтобетона в обобщенном виде дают представления о овокупном изменении неконтролируемых характеристик.
Как указывалось в первой главе, управление прочностью по езультатам испытания асфальтобетона при постоянном приращении исхода битума эффективно лишь для существенно низкочастотных озмущениях. При этом с одной стороны увеличение приращения асхода битума приводит к повышению вариации за счет перехода ерез максимум кривой «прочность - расход битума», с другой стороны меньшение величины приращения также приводит к увеличению ариации прочности асфальтобетона за счет снижения быстродействия истемы (Рисунок 3.23)
На первый взгляд данные кривые показывают высокую эффективность управления. Однако, в случае перехода через максимум іависимости «прочность асфальтобетона - расход битума» управление ггановится неэффективным, поскольку отсутствует информация о іеличине оптимального значения приращения битума.
Данное управление основано лишь на прочностных испытаниях, 5ез учета информации о зависимости прочности асфальтобетона от расхода битума. Однако форма данной кривой достаточно устойчива и жформацию о ее параметрах может существенно повысить ффективность управления.
