Введение к работе
Актуальность работы. Сложность технологического процесса производства вискозных волокон, нитей и пленок, использование сероуглерода, наличие вредных выбросов, развитие производства конкурирующих синтетических волокон и нитей привели в конце XX века к прогнозированию снижения выпуска вискозных волокон. Однако специфичные свойства вискозных волокон, наличие воспроизводимого сырья, решение большинства узких технологических и экологических вопросов, позволивших добиться соответствия сточных вод и серосодержащих газов жестким мировым нормам ISO 9000 и ISO 14000, привели к повторному росту производства волокон на основе целлюлозы. Начиная с 2001 года, ежегодное увеличение выпуска вискозных волокон составляет 7-11% в год и превышает темп увеличения выпуска большинства синтетических волокон. В настоящее время 110 предприятий в мире производят волокна на основе целлюлозы.
Большое развитие получило компьютерное управление технологическим процессом вискозных производств. В этих условиях существующие системы управления технологическими процессами отечественных производителей, часто построенные на основе статических моделей, без учета взаимосвязи параметров, при наличии больших транспортных запаздываний по управляющим воздействиям и неконтролируемых возмущающих воздействий не обеспечивают эффективного управления технологическим процессом и получения качественных показателей, позволяющих успешно конкурировать отечественным производителям вискозных материалов на мировом рынке. Все это потребовало пересмотра существующего подхода к управлению отечественными вискозными производствами и привело к необходимости создания эффективных систем управления на основе современных методов управления.
Целью работы является создание системы управления содержанием альфа-целлюлозы, щелочи в вискозе и вязкостью вискозы, обеспечивающей снижение ошибки управления перечисленными параметрами до уровня регламентных значений при наличии неконтролируемых 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 иовсршснствовіния конструкций, ісанологии, систем управления», ^ля достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
Путем построения многомерного оптимального линейного квадратичного гауссова регулятора и анализа его эффективности оценить достижимый уровень точности управления составом и вязкостью вискозы исходного объекта управления.
На основе методики решения расширенной задачи управления выявить направления повышения управляемости объекта управления и создания условий эффективной работы обратной связи.
Решить задачу повышения управляемости объекта управления.
Произвести синтез линейного квадратичного регулятора для доработанного объекта и исследовать его эффективность.
Обеспечить робастность регулятора при изменении характеристик объекта и возмушаюших воздействий.
Объект исследования. Объектом исследования являются системы управления технологическим процессом получения вискозы в производстве вискозных волокон, нитей и пленок.
Предмет исследования. Предметом исследования являются характеристики техпроцесса получения вискозы как объекта управления, системы управления составом и вязкостью вискозы, методы повышения эффективности и обеспечения робастности систем управления.
Методы и средства исследования. При выполнении диссертационной работы применялись методы статистического анализа, теории случайных функций и временных рядов, планирования и обработки результатов эксперимента, структурной и параметрической идентификации, теории автоматического управления, оптимального, робастного управления, статистического моделирования.
Достоверность результатов обеспечивается использованием современных методов исследования, представительными выборками экспериментальных данных, воспроизводимостью результатов экспериментов, согласованностью построенных математических моделей с экспериментальными данными и результатами других авторов, использованием современных методов анализа и синтеза систем управления, применением современного лицензионного программного обеспечения.
Научная новизна работы.
Методика решения расширенной задачи управления технологическими параметрами, включающая оценку достижимой эффективности управления на основе линейного квадратичного гауссова регулятора (ЛКГ), постановку и решение задачи повышения управляемости объекта управления, синтеза ЛКГ регулятора для объекта с повышенной управляемостью и обеспечение его робастности.
На основе постановки расширенной задачи управления разработана многомерная система управления составом и вязкостью вискозы, обеспечивающая снижение ошибки управления до требуемых по регламенту значений.
Использование многомерного регулятора управления процессом мерсеризации позволило перераспределить управляющие воздействия по каналам дозировки целлюлозы к щелочи, обеспечить отработку возмущающих Бездействии по подаче листов целлюлозы, снять часть среднечастотных возмущающих воздействий с системы управления составом и вязкостью вискозы.
Выявлена зависимость продолжительности выгрузки щелочной целлюлозы из бункер-весов от содержания альфа-целлюлозы в щелочной целлюлозе, что позволило получить косвенную оценку содержания альфа-целлюлозы в щелочной целлюлозе.
Обеспечение робастности многомерного регулятора состава и вязкости вискозы позволило обеспечить эффективную работу системы управления при
изменении коэффициента по каналу управляющего воздействия на вязкость вискозы от 4 до 8 сек/С.
Практическая значимость работы.
Предлагаемая методика синтеза систем управления может быть применена при решении задач управления аналогичными технологическими процессами, а программное и алгоритмическое обеспечение, разработанное в рамках создаваемой системы управления, может быть адаптировано для этих целей.
Применение разработанной системы управления составом и вязкостью вискозы позволит повысить устойчивость процесса формования, повысить качество готовой продукции, снизить расход целлюлозы, каустика и получить значимый экономический эффект.
Применение разработанной системы управления процессом мерсеризации позволит уменьшить влияние неравномерности подачи листов целлюлозы на концентрацию альфа-целлюлозы в пульпе и щелочной целлюлозе и снизить возмущающие воздействия на содержание альфа-целлюлозы и вязкость вискозы. На защиту выносятся:
Методика разработки эффективной системы управления технологическим процессом путем решения расширенной задачи управления, включающая анализ начального уровня достижимой точности управления на основе линейного квадратичного регулятора, повышение управляемости объекта управления и синтез системы для доработанного объекта управления.
Методика анализа возможности применения статистической линеаризации нелинейных элементов путем сравнения амплитудных частотных характеристик по возмущающим воздействиям нелинейной и линеаризованной систем управления.
Расширенная математическая модель процесса мерсеризации, алгоритм многомерного регулятора мерсеризацией с наблюдающим устройством на основе фильтра Калмана.
Метод косвенной оценки содержания альфа-целлюлозы в щелочной целлюлозе по продолжительности выгрузки щелочной целлюлозы из бункер-весов в ксантогенатор.
Расширенная математическая модель доработанного объекта управления, алгоритм многомерного регулятора состава и вязкости вискозы с наблюдающим устройством на основе фильтра Калмана.
Робэстный пег^лятоп состава и вязкости вискозы обеспечивающий эффективную работу системы управления при нестабильности коэффициента по управляющему воздействию на вязкость вискозы.
Апробация результатов работы.
Результаты работы докладывались на: Международном симпозиуме «Композиты XXI века» (Саратов, СГТУ, 2005) (2 доклада); Международной конференции «Композит-2007» (Саратов, СІТУ, 2007) (2 доклада), конференция БИТТиУ СГТУ, посвященная 50-летию БИТТиУ (Балаково, БИТТиУ СГТУ, 2007).
Публикации. По материалам диссертации опубликованы 11 работ; из них: 4 доклада на международных конференциях, 1 статья в рекомендован-
ном ВАК РФ «Вестнике СГТУ».
Структура и объем работы.
