Введение к работе
Актуальность проблемы: Современный объем жилищного и коммунального строительства требует значительных расходов энергии для производства строительных материалов и изделий.
Одновременно с увеличением объема жилищного и промышленного строительства во всем мире растут требования к экологичности строительных материалов и изделий. Вместе с тем увеличивается тенденция к развитию технологий и мероприятий, обеспечивающих эффективное расходование энергетических ресурсов при их производстве.
Указанные требования непосредственно связаны с поиском альтернативных источников сырья для строительных материалов и изделий, обеспечивающих их экологичность и низкую энергоемкость.
Одним из альтернативных источников сырья для производства строительных материалов и изделий является древесина.
Помимо экологичности и технологичности древесины, позволяющих использовать ее при малоэтажном строительстве и сооружении пространственных конструкций, к достоинствам древесины как материала следует отнести воспол-няемость ресурсной базы.
Расход энергии на обработку древесного сырья и изготовление строительных конструкций ниже в 8-Ю раз, чем при работе с металлическим материалом, и в 3-4 раза - с железобетоном.
Деревянные изделия широко используются в строительстве гражданских, административных и промышленных зданий по различным конструктивным схемам, в том числе пространственным.
Современные технологии производства строительных материалов и изделий из древесины позволяют достичь высоких показателей устойчивости их формы и размеров. Современные биозащитные составы позволяют древесине на равных конкурировать со стальными и железобетонными конструкциями в атмосфе-
POC. НАЦИм«Л-1«ИАН і БИБЛИОТЕКА і
ростойкости. Зачастую строительные материалы и изделия из древесины выигрывают из-за более низкой себестоимости производства.
Общим, для всех производств, использующих древесное сырье для производства материалов и изделий, является присутствие в технологии обработки процесса сушки, целью которого является превращение древесины из природного сырья в промышленный материал с коренным улучшением его биологических, физико-механических, технологических и потребительских свойств.
Из всех этапов технологии производства материалов и изделий из древесины процесс сушки является наиболее энергоемким и длительным.
По опубликованным в литературе данным на сушку строительных материалов и изделий расходуется около 12 % всех топливно-энергетических ресурсов страны. Применительно к производству материалов и изделий из древесины, при стопроцентной камерной сушке расходуется 70-75 процентов тепловой и 40-50 процентов электрической энергии общих энергозатрат.
Снижения энергоемкости строительных материалов и изделий из древесины можно добиться путем совершенствования систем автоматизации управления процессом сушки за счет рационального использования тепловой энергии.
Уже на начальном этапе автоматизации управления режимом сушки удается сократить удельный расход энергии на 30-35%.
Дальнейшее снижение энергоемкости строительных изделий может быть достигнуто за счет оптимизации систем управления, как режимом сушки, так и другими процессами, обеспечивающими этот технологический передел энергоресурсами.
В настоящее время автоматизация процесса сушки древесины сводится к следующим операциям:
-
поддержание заданных в соответствии с режимом параметров сушильного агента;
-
изменение с заданной периодичностью направления движения сушильного агента;
-
уменьшение скорости движения сушильного агента по достижению высушиваемым материалом определенной влажности;
-
автоматический переход установки (при достижении высушиваемым материалом переходной влажности) с одного этапа сушки на следующий этап;
-
своевременному прекращению процесса сушки по достижению материалом конечной влажности.
Современный уровень развития технических средств автоматики, а именно существующие программируемые автоматические регуляторы и датчики влажности дистанционного действия, позволяют реализовать многоэтапный процесс сушки древесины, обеспечивающий необходимый уровень качества сушки, производительности сушильных установок и относительно низкую энергоемкость процесса.
Условие многоэтапности процесса сушки приводит к увеличению количества переходов, во время которых объект управления находится в состоянии нестационарного движения, что в свою очередь ведет к увеличению непроизводительных затрат энергии. Это явление объясняется произвольностью траектории движения объекта управления, которая не позволяет обеспечить минимально возможные потери тепла в окружающую среду.
Кроме того, существует проблема подбора коэффициентов настроек автоматических регуляторов, который носит скорее эмпирический, чем аналитический характер и базируется на стремлении к достижению соответствия качества переходного процесса системы желаемому без учета энергетических параметров системы.
Необходимо также заметить, что определяемые эмпирически коэффициенты настройки регулятора имеют ограниченную область применения, с позиции соответствия качества переходного процесса системы желаемому, так как не учитывают изменение динамических свойств и параметров объекта управления. Это приводит к увеличивающемуся в процессе сушки несоответствию динамических
характеристик системы автоматического управления желаемым характеристикам и ведет к перерасходу энергоносителя.
Исходя из сказанного выше, организация автоматического управления сушкой древесины должна осуществляться с позиции энергетической эффективности при условии соблюдения требований технологии.
На основании вышеизложенного можно сделать вывод о том, что поиск путей оптимизации автоматического управления сушкой строительных материалов и изделий из древесины и методов создания энергетически эффективных систем является актуальной научно-технической задачей, имеющей исключительно важное народно-хозяйственное значение.
Научно-техническая гипотеза работы предполагает развитие нового метода в проектировании локальных систем управления, которые позволяют более эффективно использовать тепловую энергию для сушки строительных материалов и изделий из древесины за счет снижения ее непроизводительных затрат.
Цель работы. Основной целью данной работы являлось теоретическое обоснование метода оптимизации систем управления энергоресурсами в производстве строительных материалов и изделий из древесины и разработка инженерных методов реализации этих систем.
Для достижения выбранной цели были поставлены и решены следующие задачи:
-
Формулирование и формализация критериев оптимальности автоматического управления процессом сушки материалов и изделий из древесины, обеспечивающих разработку энергоэффективных систем управления.
-
Разработка математической модели процесса сушки материалов и изделий из древесины в соответствии с принятым критерием оптимальности.
-
Постановка и решение задачи оптимального управления процессом сушки материалов и изделий из древесины.
-
Разработка и моделирование синтезированной системы управления на ПЭВМ.
5. Разработка методики создания систем оптимального управления процессом сушки материалов и изделий из древесины с учетом особенностей его протекания.
6; Технико-экономическая оценка разработанных систем и составление рекомендации по внедрению их в производство.
Методы исследования: Основные научные результаты получены аналитическими методами на основе теории оптимальности, теории эффективности систем, системотехнического подхода и моделирования на ПЭВМ.
Научная новизна работы:
1. Обоснована целесообразность использования критерия энергетической
эффективности для синтеза энергетически эффективных систем автоматического
управления процессом сушки строительных материалов и изделий из древесины.
2. Разработана целеориентированная математическая модель объекта
управления в соответствии с принятым критерием оптимальности.
-
Разработана методика аналитического определения структуры и численных значений настроек регулирующего устройства, алгоритм функционирования которого учитывает энергетические особенности объекта управления.
-
Разработана новая методика создания оптимальной системы автоматического управления процессом сушки строительных материалов и изделий из древесины, по критерию энергетической эффективности, с учетом особенностей функционирования объекта управления во времени.
На защиту выносятся: методика аналитического определения структуры и численных значений настроек регулирующего устройства, алгоритм функционирования которого учитывает энергетические особенности объекта управления; методика разработки оптимальных систем автоматического управления процессом сушки строительных материалов и изделий из древесины, по критерию энергетической эффективности, с учетом особенностей функционирования объектов управления во времени.
Методологическая схема исследования
Цель исследования
Теоретическое обоснование метода оптимизации систем управления энергоресурсами в производстве строительных материалов и изделий из древесины и разработка методов реализации этих систем.
Объект и предмет исследования
Процессы и установки сушки строительных материалов и изделий. Системы автоматического управления процессом сушки
строительных материалов и изделий из дре
весины
V
Методы и средства исследования
Методы теории оптимальности. Методы теории эффективности систем. Системотехнический подход. Моделирование на ПЭВМ.
Анализ систем управления
Теория и практика процессов сушки. Задачи проектирования систем управления сушкой строиіель-
ньгх vaiepnajiOB и изделий.
Требования к качеству систем управления и принципы управления
Требования к организации, структуре, функциям систем управления и техническим средствам. Методо
логические принципы создания автономных систем управления.
Основные элементы проектирования.
Формулирование цели и критерия оптимальности управления сушкой с позиции теории эффективности систем.
Разработка математической модели процесса сушки в соответствии с принятым критерием оптимальности.
Постановка и решение задачи оптимального управления процессом сушки.
Синтез оптимальной системы автоматического управления сушки строительных материалов и изделий из древесины.
Разработка методики создания систем оптимального управлепня процессом сушки материалов и изделий из древесины с учетом особенностей его протекания.
Моделирование разработанной системы. на ПЭВМ и составление рекомендаций по их разработке и применению в производстве строительных материалов и изделий из древесины.
Результаты
Методика аналитического определения структуры и численных значений настроек регулирующего устройства, алгоритм функционирования которого учитывает энергетические особенности объекта управления.
Методика создания оптимальной системы автоматического управления процессом сушки строительных материалов и изделий из древесины, по критерию энергетической эффективности, с учетом осо-бенностей функционирования объекта управления во времени.
Практическая значимость результатов исследования: На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований решены задачи по созданию и внедрению в практику методики синтеза энергетически эффективных систем автоматического управления процессом сушки строительных материалов и изделий из древесины. Методики расчета автоматических систем управления сушкой, доведены до инженерных методик, позволяющих определить оптимальные параметры, структуру регулирующего и задающего устройств, а также достаточно строго обосновать алгоритм управления. Результаты исследований, полученные в диссертации, используются и практике разработки систем управления сушкой в ЗАО «МЗТА Инжиниринг» и в учебных курсах подготовки инженеров в МГСУ но специальностям: 2102 «Автоматизация технологических процессов и производств (в строительстве)»; 2913 «Механизация и автоматизация строительства».
Апробация работы: Результаты работы докладывались на научно-практической конференции «Сушка древесины. Проблемы и перспективные решения» (Москва, ВВЦ, 2003 г.), Шестой научно-практической Конференции молодых ученых, аспирантов и докторантов «Строительство - формирование среды жизнедеятельности» (Москва, МГСУ, 2003 г.), неоднократно обсуждалась на заседаниях кафедры АИСТ МГСУ в 2001 - 2003 гг.
Публикации: Основные результаты научных исследований опубликованы в 6-й научных работах.
Структура и объем работы: Диссертация состоит из введения, 4-х глаз, выводов, изложенных на 146 странице машинописного текста с 29 рисунками и 5 таблицами, содержит список литературы из 103 наименований и 2 приложений. КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
