Введение к работе
Актуальность. Разработка эффективных систем управления производством резинотехнических изделий является актуальной задачей, т.к. существующая концепция повышения требований к стабильности характеристик исходных ингредиентов и параметров технологического процесса в условиях производства не обеспечивает требуемого качества продукции, как по причине невозможности обеспечения производств ингредиентами со стабильными характеристиками, так и по причине нестабильности характеристик технологического процесса как объекта управления, что подтверждается большой нестабильностью характеристик производимых изделий.
Анализ существующих систем управления технологическими процессами производства резинотехнических изделий показал, что они не обеспечивают требуемых качественных показателей резинотехнических изделий, т.к. в них не решены вопросы учета взаимосвязи управляемых параметров, широкополост-ности возмущающих воздействий, отработки неконтролируемых возмущений стадии вулканизации, обеспечения грубости системы при изменении характеристик объекта управления.
Таким образом, имеется ряд нерешенных вопросов, не позволяющих считать задачу управления технологическим процессом производства резинотехнических изделий решенной. Это говорит об актуальности темы диссертационной работы и позволяет сформулировать ее цель.
Целью работы является создание системы управления, обеспечивающей повышение стабильности разрывной прочности резины готовых изделий в условиях нестабильности характеристик исходных ингредиентов и параметров объекта управления.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Проанализировать технологический процесс как объект управления разрывной прочностью резины готовых изделий, выбрать комплекс параметров, стабилизация которых обеспечивает повышение стабильности разрывной прочности, разработать структурную схему системы управления, обеспечивающей решение поставленной задачи.
-
Построить математическую модель многомерного объекта управления, исследовать характеристики и построить формирующие фильтры возмущающих воздействий, построить расширенную математическую модель объекта управления в пространстве состояния.
-
Определить зависимость коэффициента передачи процесса вулканизации по температуре на высокоэластический модуль резины от степени приближения высокоэластического модуля к заданному значению.
-
Обеспечить выполнение условий эффективной работы обратной связи объекта уПраБЛСКИл ДЛЯ СНИЖСККЯ ДКСПСрСИИ рСГуЛИруСМЫХ ПСрСМСпиЬіл ДО Заданных значений.
-
Создать робастный многомерный регулятор, обеспечивающий эффективное управление при нестабильности параметров объекта управления и оценить эффективность управления в условиях уменьшения коэффициента пере-
дачи объекта управления при выходе высокоэластического модуля на заданное значение.
Методы и средства исследования. Теоретические исследования основаны на методах теории автоматического, оптимального и робастного управления, численном моделировании динамических систем. Экспериментальные исследования проводились на технологическом процессе производства муфты Джубо ОАО «Балаковорезинотехника», на системе VDR2000 фирмы Alpha Technologies, разрывных машинах фирмы Zwick. Обработка результатов экспериментов осуществлялась методами структурной и параметрической идентификации, регрессионного и дисперсионного анализа, нелинейного программирования, теории случайных функций, анализа временных рядов.
Достоверность результатов обуславливается использованием современных технических средств и методов исследования, воспроизводимостью результатов экспериментов, адекватностью построенных математических моделей экспериментальным данным, совпадением результатов, полученных различными методами, корректным использованием современных методов анализа и синтеза систем управления, современного лицензионного программного обеспечения.
Научной новизной работы являются.
-
Обоснованная необходимость стабилизации высокоэластического модуля, максимально достижимого момента сдвига и коэффициента скорости вулканизации для нахождения разрывной прочности резинотехнических изделий в области максимальных значений.
-
Линеаризованная математическая модель многомерного объекта управления высокоэластическим модулем резины готовых изделий и вулканизационными характеристиками резиновой смеси, на основании которой произведен синтез системы управления разрывной прочностью резины по косвенным показателям.
-
Повышение эффективности системы путем устранения части возмущений из зоны неэффективной работы обратной связи за счет динамической развязки управляющих воздействий и расширения зоны эффективной работы за счет уменьшения транспортного запаздывания объекта управления.
-
Впервые, для стабилизации разрывной прочности резинотехнических изделий использована система робастного управления, обеспечивающая эффективное управление в условиях нестабильности параметров объекта управления, в том числе при уменьшении коэффициента передачи по температуре на высокоэластический модуль при приближении последнего к заданному значению.
Практическая значимость работы.
Разработанная система управления позиоляег путем корректировки режимных параметров технологического процесса примерно в два раза снизить коридор колебаний разрывной прочности резины готовых изделий в условиях нестабильности характеристик исходных ингредиентов и параметров объекта управления, что позволяет рекомендовать ее для решения задач повышения стабильности характеристик других эластомеров. Разработано программное обеспечение, которое может быть использовано при построении математических моделей, синтезе многомерных ЛКГ- и робастных регуляторов для аналогичных технологических процессов.
На защиту выносятся следующие положения:
-
Постановка задачи управления разрывной прочностью резинотехнических изделий путем стабилизации высокоэластического модуля резины в готовых изделиях и вулканизационных характеристик резиновой смеси, обеспечивающая нахождение разрывной прочности резины готовых изделий в области максимальных значений, уменьшение предпосылок к получению дефектности резины, перевулканизации изделий при недостаточном количестве вулканизирующих элементов в резиновой смеси.
-
Математическая модель объекта управления по управляющим воздействиям, расширенная модель объекта управления вулканизационными характеристиками резиновой смеси и высокоэластическим модулем резины в готовых изделиях.
-
Зависимость коэффициента передачи объекта управления высокоэластическим модулем резины по управляющему воздействию от степени приближения высокоэластического модуля к заданному значению, позволяющая исследовать работоспособность системы управления в условиях нестабильности параметров объекта управления.
-
Способ снижения дисперсии регулируемых параметров путем устранения части возмущений из зоны неэффективной работы обратной связи системы и расширения области эффективной работы за счет развязки управляющих воздействий по дозировкам серы и сульфенамида на вулканизационные характеристики резиновой смеси и уменьшения транспортного запаздывания объекта управления.
-
Система робастного управления, обеспечивающая в условиях нестабильности характеристик объекта управления и снижения коэффициента передачи по температуре вулканизации на высокоэластический модуль снижение дисперсии максимального достижимого момента сдвига в 3.62 раза, коэффициента скорости вулканизации резиновой смеси в 3.16 раз, высокоэластического модуля в 3.71 раза и снижение коридора колебания разрывной прочности резины примерно в 2 раза.
Апробация результатов работы. Результаты работы докладывались на: 17 симпозиуме «Проблемы шин и резинокордных композитов» (Москва, ООО «НТЦ «НИИШП», 2006); 19 симпозиуме «Проблемы шин и резинокордных композитов» (Москва, ООО «НТЦ «НИИШП», 2008), 20 симпозиуме «Проблемы шин и резинокордных композитов» (Москва, ООО «НТЦ «НИИШП», 2009), Всероссийской научно-технической конференции «Совершенствование техники, технологии и управления в машиностроении» (Саратов, СТТУ-2009). За доклады по направлению «Задачи управления характеристиками резинотехнических изделий» на і 7 симпозиуме «Проблемы шин и резинокордных композитов» авторам присужден диплом третьей степени.
Публикации. По материалам диссертации опубликованы: 1 статья в сборнике научных трудов «Автоматизация и управление в машино- и приборостроении» (г. Саратов, Сі "ГУ), 5 докладов на конференциях, симпозиумах, 3 статьи в рекомендованном БАК РФ «Вестнике СГТУ».
Внедрение. Результаты работы приняты к реализации на предприятии ЗАО «Резинотехника» г. Балаково. Предварительная оценка экономической эффективности от внедрения автоматизированной системы косвенной стаби-
лизации разрывной прочности резинотехнических изделий составляет 700 тыс. руб. в год. Результаты работы также используются в учебном процессе БИТТУ СГТУ при чтении лекций, проведении семинарских занятий, выполнении дипломных проектов.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованной литературы из 131 источников и 2 приложений. Работа изложена на 138 страницах, содержит 81 рисунок, 11 таблиц.
