Введение к работе
Актуальность темы исследования
Актуальной задачей современной теории и практики автоматического управления является создание и совершенствование новых подходов к решению задач управления сложными технологическими процессами. Однако условия работы реальных систем управления часто таковы, что характеристики входных сигналов и помех либо известны неточно, либо существенно изменяются во времени, возникает проблема повышения точности систем автоматического управления непосредственно в процессе её работы. Также не всегда возможно измерить все необходимые параметры из-за отсутствия технических средств измерения показателей качества. В этом случае основным инструментом исследования процесса и его параметров является математическое моделирование.
Использование математических моделей технологических процессов при создании систем автоматического управления позволяет определять параметры протекания процесса, которые невозможно измерить, показатели качества производимой продукции, а также решать задачи управления технологическим процессом в условия изменяющихся входных параметров с целью достижения требуемых выходных характеристик готовой продукции.
Примером подобных процессов является процесс получения стирол-акриловой дисперсии (САД), основанный на радикальной сополимеризации. САД имеет широкую область применения и используется при производстве клеев, мастик, красок, лаков, в качестве пропиток нетканых материалов и т.п. Наиболее важным показателем качества САД является количество остаточных мономеров. Они придают композициям, приготовленным на их основе, неприятный запах и, являясь токсичными веществами, наносят вред здоровью человека. Качество готовой продукции оценивается по завершению основной стадии процесса синтеза САД. Это приводит к необходимости корректировки качества производимого продукта, проведению дополнительных операций, что является негативным фактором.
Исследованиями в области автоматизации химико-технологических процессов занимались такие ученые, как Балакирев B.C., Цирлин A.M., Шински Ф., Лебедов-ский М.С., Федотов А.И., Липатов Л.Н., Бояринов А.И., Кафаров В.В. и другие. Проблемы проведения процесса полимеризации, в частности полимеризации акриловых мономеров и стирола, исследовались и изучались Розенбергом М.Е., Бухоно-вым Б.П., Семчиковым Ю.Д., Битюковым В.К., Тихомировым С.Г., Грачева Л.Н., Ма Тун. Значительно повлияли на развитие концепции создания интегрированных систем управления предприятием, в состав которых входят системы автоматизированного управления, труды КоростелеваВ.Ф., Макарова Р.И., Кострова А.В., Хороше-вой Е.Р., Белобородова В.В. и Белова А.А.
Однако вопросы управления процессом полимеризации САД, особенно в России, изучены недостаточно. Получение САД с заданными свойствами требует сложных многоуровневых систем управления. Составной частью таких систем являются алгоритмы функционирования на основе математических описаний технологического процесса полимеризации в реальном времени. Таким образом, разработка мате-
матической модели и алгоритмов работы системы управления процессом получения стирол-акриловой дисперсии является актуальной проблемой.
Объектом исследований является полунепрерывный технологический процесс получения САД на стадии синтеза.
Предметом исследований являются математические модели объекта управления, методы и алгоритмы решения задач управления температурой реакционной смеси, качеством готовой продукции и скоростью процесса полимеризации применительно к динамическому объекту с отрицательным самовыравниванием, а также закономерности их функционирования.
Целью диссертационной работы является разработка алгоритмов работы системы управления процессом получения САД, обеспечивающей достижение заданного качества производимой продукции.
Поставленная в работе цель достигнута за счёт решения следующих задач:
-
Построение математической модели объекта управления, отражающей процессы, которые протекают в реакторе синтеза, для её дальнейшего использования в разрабатываемой системе управления процессом синтеза САД.
-
Разработка алгоритма регулирования температуры реакционной массы в реакторе синтеза с учетом его особенностей как объекта управления.
-
Разработка алгоритма управления скоростью протекания процесса синтеза САД на основной стадии полимеризации с целью стабилизации условий проведения процесса.
-
Разработка алгоритма управления содержанием мономеров в реакционной смеси на завершающей стадии полимеризации стирол-акриловой дисперсии с целью достижения требуемого качества САД по показателю содержания остаточных мономеров в готовом продукте.
Научная новизна
-
Разработана теоретическая математическая модель, с учетом особенностей протекания каждой стадии процесса синтеза САД, которая позволила синтезировать систему управления процессом с переменной структурой для достижения требуемого качества готовой продукции. Использованные в математической модели процесса уравнения тепловые балансы позволяют определить фактическую величину скорости реакции полимеризации, а уравнения материальных балансов - качественный состав реакционной смеси.
-
Предложен алгоритм уточнения параметров математической модели процесса полимеризации САД на предварительной стадии полимеризации, с целью адаптации разработанной математической модели к изменяющимся условиям.
-
Разработан алгоритм управления температурой реакционной смеси для объекта управления с отрицательным самовыравниванием. Проведено исследование и найдены оптимальные настройки ПИД-регулятора.
-
Разработан алгоритм работы системы управления, использующий фиксированные значения управляющих воздействий, для стабилизации скорости химической реакции полимеризации САД на основной стадии полимеризации, что позволило снизить влияние на процесс неконтролируемых возмущающих воздействий, а, следовательно, повысило управляемость процесса.
5. Разработан алгоритм комбинированного управления на завершающей стадии полимеризации, это позволило получить требуемое качество готовой продукции по показателю содержания остаточных мономеров в готовом продукте.
Теоретическая и практическая значимость работы
В диссертационной работе разработана система управления процессом получения САД, решающая следующие задачи:
- уточнения параметров математической модели объекта управления на предвари
тельной стадии полимеризации;
-управления температурой реакционной смеси для объекта управления с отрицательным самовыравниванием;
стабилизации скорости протекания химической реакции на основной стадии полимеризации САД, с использованием алгоритма с фиксированными значениями управляющих воздействий;
достижения требуемого качества готового продукта по показателю содержания остаточных мономеров в готовом продукте за счёт использования комбинированного управления на завершающей стадией процесса полимеризации.
Разработано программное обеспечение на базе предложенных в диссертационной работе алгоритмов
Теоретические и практические результаты диссертационной работы переданы в ООО «Компания Хома» (г. Дзержинск Нижегородская область) для внедрения задач в систему управления технологическим процессом в производстве САД.
Материалы диссертационной работы реализованы в учебном процессе ДЛИ НГТУ в рамках дисциплин «Автоматизация технологических процессов и производств», «Интегрированные системы проектирования и управления», «Проектирование автоматизированных систем», «Программное обеспечение систем управления» по направлению 220700 «Автоматизация технологическими процессами и производствами».
Методы исследования.
При выполнении диссертационной работы использовались: теория автоматического управления, комбинированного управления; методы математического моделирования процессов управления, оценка параметров математических моделей путём изучения материального и теплового балансов работы промышленного реактора синтеза САД.
Положения, выносимые на защиту:
-
Анализ процесса полимеризации стирол-акриловой дисперсии как объекта управления.
-
Математическая модель объекта управления с переменной структурой, которая лежит в основе разработанной системы управления процессом получения САД.
-
Алгоритм уточнения параметров математической модели процесса полимеризации стирол-акриловой дисперсии на предварительной стадии полимеризации, позволяющий адаптировать разработанную математическую модель к изменяющейся активности исходных компонентов.
-
Алгоритм работы системы управления процессом полимеризации САД на основной стадии, заключающийся в стабилизации скорости химической реакции полимеризации САД и регулировании температуры реакционной смеси в реакторе синтеза.
-
Алгоритм комбинированного управления завершающей стадией полимеризации САД, позволяющий получить требуемое качество готовой продукции по показателю содержания остаточных мономеров в готовом продукте.
-
Комплекс технического и программного обеспечения системы управления процессом получения САД.
Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы и отдельные её разделы докладывались и обсуждались на IV городской молодежно-практической конференции «Молодежь города - город молодежи: Инновации в науке, образовании, промышленности региона» (г. Дзержинск, 2009 г.), на VIII - XII Международных молодёжных научно-технических конференциях «Будущее технической науки» (Н. Новгород, 2009 - 2013 г.), на XVII - XIX Международных научно-технических конференциях «Информационные системы и технологии» (Нижний Новгород, 2011 - 2013 г.), на XIX Всероссийской научно-технической конференции «Неразрушающий контроль и техническая диагностика» (Самара, 2011г.), на XXV - XXVI Международных научных конференциях «Математические методы в технике и технологии» (2012 - 2013 г.), на XVIII Нижегородской сессии молодых учёных (Н. Новгород, 2013 г.).
Публикации. По результатам выполненной работы опубликовано 16 печатных работ, в том числе 2 научные статьи в издании, рекомендованном ВАК РФ.
Соискателю выдано 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2013616113 «Программный комплекс расчёта оптимального управления периодическим процессом синтеза САД» от 26 июня 2013 г.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 131 наименование, и 3 приложения. Работа изложена на 128 страницах машинописного текста, содержит 24 рисунка и 3 таблицы.
Похожие диссертации на Моделирование и алгоритмизация системы управления процессом получения стирол-акриловой дисперсии
