Содержание к диссертации
Введение 6
Глава 1. Постановка задачи работы 12
Объект исследования. Технологический процесс получения битумных вибродемпфирующих материалов 12
Контроль качества вибродемпфирующих материалов 16
Статистический анализ характеристик вибродемпфирующих материалов 18
Выявление причин нестабильности характеристик ВДМ 25
Обзор существующих систем управления
технологическим процессом 28
Автоматические системы управления режимными параметрами 28
Обзор систем управления зарубежных производителей ВДМ 31
Анализ проблемы управления качественными показателями полупродуктов и готовой продукции 32
Выбор регулируемых качественных показателей ВДМ 34
1.8 Постановка задачи работы 38
Глава 2. Построение регулятора для исходного объкта управления 40
Анализ технологического процесса как объекта управления 40
Построение математической модели битумной смеси 43
Анализ бинарных смесей 43
Построение регрессионной модели зависимости коэффициента потерь и плотности вибродемпфирующего материала от состава 45
Уточнение коэффициентов математической модели 49
2.3 Построение динамической модели объекта управления 51
Математическая модель дискретного смесителя 52
Математическая модель непрерывного смесителя 53
Математическая модель технологической линии от
каландра до лабораторного анализа 57
Структурная схема объекта управления 58
Построение математической модели формирующего
фильтра для возмущающего воздействия. 59
2.6 Построение математической модели объекта управления в
пространстве состояния. 61
2.7 Синтез линейно-квадратичного регулятора композитного
коэффициента потерь для исходного объекта управления 62
Глава 3. Постановка и решение задачи повышения управляемости
технологического процесса 67
3.1 Направления работы по повышению эффективности
системы управления 67
Анализ возможности повышения точности управления путём расширения управляющих воздействий 70
Использование дополнительного источника информации,
коррелированного с управляемой переменной 73
3.4 Повышение эффективности управления путём снижения
транспортного запаздывания объекта управления 76
Анализ влияния транспортного запаздывания на эффективность системы 76
Разработка автоматизированной системы анализа композитного коэффициента потерь на технологической линии 78
Автоматизированная система анализа композитного коэффициента потерь 78
Разработка методики оценки композитного
коэффициента потерь 86
3.5 Устранение части среднейастотных возмущений путём
построения системы управления по прямым каналам 91
Выделение возмущающего воздействия на первой стадии 91
Построение косвенной оценки ККП 95
Построение системы управления композитным коэффициентом
потерь смеси дискретного смесителя по прямому каналу 99
3.5.4 Построение комбинированной системы управления 101
3.6 Сравнение рассмотренных вариантов систем управления 105
Глава 4. Синтез робастного регулятора 107
Постановка задачи разработки робастной системы 107
Анализ влияния нестабильности коэффициента ктг 115
Анализ влияния нестабильности коэффициента кшл 115
Анализ влияния нестабильности гидродинамического
режима непрерывного смесителя 116
Условные обозначения
Ui - управляющее воздействие по дозировке битума, %;
и2 - управляющее воздействие по дозировке мела, %;
ККП - композитный коэффициент потерь материала, ед. ККП;
ВДМ - вибродемпфирующий материал;
Е — модуль продольного деформирования, Па;
щ - коэффициент внутренних потерь материала, безразмерный;
t - время, с;
т - время запаздывания объекта, партии;
W(p) - передаточная функция;
f- возмущающее воздействие;
S - спектральная плотность;
R(t) - корреляционная функция;
ЛТД/) — амплитудно-частотная характеристика замкнутой системы по
возмущению;
AT - период дискретизации, партии;
кол./AT — количество колебаний на период дискретизации;
а1 -дисперсия;
А, В, С, D — матрицы модели в пространстве состояний;
x(t) — вектор состояния системы;
х — оценка вектора состояния;
J(u) — квадратичный критерий качества;
Ri — матрица весовых коэффициентов координат состояния объекта;
R2 — матрица весовых коэффициентов мощности управляющих воздействий;
F - матрица внутренней обратной связи фильтра Калмана;
Qi — матрица управляемости объекта;
Q2 — матрица наблюдаемости объекта;
w(t)— случайный процесс.
Введение к работе
Одним из основных направлений по обеспечению акустического комфорта автомобилей является использование материалов, поглощающих акустическую и вибрационную энергию. Недостаточные уровень и большая нестабильность характеристик вибродемпфирующих материалов (ВДМ) не позволяют автомобилям отечественного производства достичь требуемых на мировом рынке акустических характеристик автомобилей, что снижает их конкурентоспособность.
Получение высокого качества вибродемпфирующих материалов
традиционным для химико-технологических процессов путем повышением требований к стабильности характеристик исходных ингредиентов и технологического процесса не может быть обеспечено и необходима разработка эффективных систем управления технологическим процессом. В настоящее время задача управления технологическими процессами производства ВДМ решена на локальном уровне стабилизации режимных параметров, управления транспортировкой и дозировками исходных ингредиентов, что, в условиях нестабильности характеристик исходных материалов и имеющихся на производстве нарушений технологического процесса, недостаточно для обеспечения требуемого качества выпускаемой продукции.
Решение задач построения эффективных систем управления качественными показателями вибродемпфирующих материалов в настоящее время затруднено тем, что технологический процесс производства ВДМ не изучен как объект управления качественными показателями готовой продукции, практически отсутствуют данные об источниках и характеристиках возмущающих воздействий, не выявлен объем информации, необходимый для эффективного управления технологическим процессом, не выявлены управляющие воздействия и не исследована их эффективность, возможность отработки возмущающих воздействий при изменении управляющих воздействий в пределах, допустимых технологическим процессом. Большая продолжительность определения вибродемпфирующих характеристик
выпускаемых материалов в лабораторных условиях приводит к большому
транспортному запаздыванию и не позволяет использовать его результаты для управления технологическим процессом. Полученные в результате лабораторных анализов характеристики вибродемпфирующих материалов в настоящее время могут использоваться только для контроля качества и отбраковки полученной продукции.
Все это свидетельствует об актуальности темы диссертационной работы и позволяет сформулировать ее цель.
Целью работы является разработка автоматизированной системы управления качественными показателями битумных вибродемпфирующих материалов в условиях нестабильности характеристик исходных компонентов и действия других возмущающих воздействий.
Данная работа выполнена в рамках основного научного направления Саратовского государственного технического университета ОНН 12В: «Разработка научных основ повышения эффективности производства и качественных показателей продукции химико-технологических и машиностроительных производств на базе совершенствования конструкций, технологии, систем управления», целевой программы развития научного потенциала высшей школы (2009-2010 года) на 2009 год проект «Создание научных основ разработки эффективных систем управления химико-технологическими процессами с широкополосными статистическими неконтролируемыми возмущениями») и хоздоговоров №899 от 13.09.2007 года и №988 от 27.09.2007 с ОАО «Балаковорезинотехника».
Поставленная цель достигалась путем решения следующих задач.
Исследовать технологический процесс изготовления битумных вибродемпфирующих материалов как объект управления композитным коэффициентом потерь, построить математические модели объекта управления, возмущающих воздействий.
На основе методики решения расширенной задачи управления исследовать соответствие динамических характеристик по каналам управляющих воздействий спектральным характеристикам возмущающих воздействий и при необходимости выявить направления доработки объекта управления для
обеспечения требуемого уровня его управляемости.
Разработать более быстрый метод оценки композитного коэффициента потерь полуфабрикатов и готовой продукции, обеспечивающий эффективную работу канала обратной связи системы управления.
Путём целенаправленной доработки объекта управления, структуры и алгоритма системы управления повысить точность управления композитным коэффициентом потерь до требуемого уровня.
Создать робастный регулятор композитного коэффициента потерь битумных вибродемпфирующих материалов, обеспечивающий устойчивую работу при имеющейся нестабильности объекта управления и снижение дисперсии регулируемого параметра в 3- 4 раза.
Диссертационная работа состоит из четырех глав.
В первой главе рассмотрен технологические процесс производства битумных вибродемпфирующих материалов, произведены статистический анализ вибродемпфирующих показателей основных серийно выпускаемых на ОАО «Балаковорезинотехника» вибродемпфирующих материалов, методом дисперсионного анализа исследовано влияние нестабильности характеристик исходных компонентов на параметры вибродемпфирующего материала, обзор существующих систем и анализ проблемы управления параметрами данных материалов, произведен выбор управляющих параметров, обеспечивающих повышение качества продукции и эффективности производства, постановлена задача разработки системы управления характеристиками вибродемпфирующих материалов, направленной на снижение ошибки стабилизации до уровня, обеспечивающего их конкурентоспособность.
Во второй главе на базе имеющейся о технологическом процессе
информации построена структурная схема системы управления композитным
коэффициентом потерь вибродемпфирующих материалов для существующего
объекта управления, построены математические модели объекта управления по
управляющим воздействиям, исследованы статистические характеристики и
построены формирующие фильтры возмущающих воздействий, произведен
синтез стохастического линейно-квадратичного регулятора для существующего
объекта управления, получена количественная оценка эффективности работы данного регулятора.
В главе 3 решается задача повышения эффективности работы обратной связи системы управления композитным коэффициентом потерь вибродемпфирующего материала путем расширения управляющих воздействий, использования дополнительных параметров, коррелированных с управляемыми переменными, устранения части среднечастотных возмущений с системы управления композитным коэффициентом потерь путём построения прямого канала управления на стадии дискретного смешения. Для уменьшения транспортного запаздывания разработана компьютерная система анализа характеристик вибродемпфирующих характеристик с применением импедансного метода на основе прибора УИМ, разработана методика расчёта композитного коэффициента потерь на основании модуля упругости и коэффициента потерь материала.
В четвёртой главе произведен синтез робастного регулятора композитного коэффициента потерь вибродемпфирующих материалов, что обеспечило устойчивость и эффективность работы системы при имеющейся на технологическом процессе нестабильности коэффициентов передачи по управляющим воздействиям и гидродинамического режима непрерывного смесителя.
На защиту выносятся следующие положения:
Результаты анализа управляемости исходного объекта управления, показавшие, что имеющееся соотношение спектральных характеристик возмущающих воздействий и динамических характеристик объекта управления по управляющему воздействию не позволяет обеспечить эффективное управление качественными показателями вибродемпфирующих материалов и говорящие о необходимости доработки технологического процесса как объекта управления.
Расширенное информационное обеспечение и новая структурная схема технологического процесса как объекта управления, позволившие достигнуть
коэффициента эффективности управления 3,56 раза при достижимой эффективности исходного объекта управления 1,1 раза.
Новая структурная схема системы управления композитным коэффициентом потерь битумных вибродемпфирующих материалов с контуром управления по обратной связи на основе оценки композитного коэффициента потерь на выходе непрерывного смесителя и канала компенсации возмущающих воздействий на первой стадии по косвенной оценке композитного коэффициента потерь.
Компьютерная система исследования модуля упругости и коэффициента потерь битумных вибродемпфирующих материалов на основе прибора УИМ и методика оценки композитного коэффициента потерь на основе математической модели колебания консольно-закрепленной балки, позволившие анализировать характеристики материала на выходе непрерывного смесителя и снизить транспортное запаздывания объекта управления с 4 часов до 20 минут.
Комбинированная робастная система управления, обеспечивающая устойчивое эффективное управление композитным коэффициентом битумного вибродемпфирующего материала при имеющейся нестабильности параметров объекта управления.
Апробация результатов работы. Результаты работы докладывались на: Международной технической конференции «Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-21» (Саратов, СГТУ, 2008); Четвёртом саратовском салоне изобретений, инноваций и инвестиций (Саратов, СГТУ, 2009); конференции БИТТиУ СГТУ посвященная 50-летию БИТТУ (Балаково, БИТТУ СГТУ, 2007), Научно - технических конференциях БИТТУ СГТУ (Балаково, БИТТУ СГТУ, 2007,2008, 2009).
Публикации. По материалам диссертации опубликованы: 4 статьи в
сборнике научных трудов «Автоматизация и управление в машино- и
приборостроении» (г.Саратов, СГТУ, 2007), 2 статьи в сборнике научных трудов
«Автоматизация и управление в машино- и приборостроении» (г.Саратов, СГТУ,
2008), 1 статья в сборнике научных трудов «Проблема прочности, надежности и
строительных и машиностроительных конструкций» (г. Саратов, СГТУ, 2005), 1
статья в научно-техническом журнале, рекомендованном ВАК РФ «Вестник СГТУ» (г. Саратов, Вестник СГТУ №2, 2009).
Разработанная автоматизированная система управления принята к
внедрению техническим советом ОАО «Балаковорезинотехника». Компьютерная система исследований характеристик материалов импедансным методом на основе прибора УИМ внедрена на ОАО «Балаковорезинотехника». Результаты работы внедрены в учебный процесс в БИТТУ.
