Введение к работе
Актуальность темы исследования
Многие промышленные объекты, повышение качества управления которыми имеет большое значение для экономики страны, характеризуются нестационарностью свойств. Она может быть вызвана механическим износом, изменением свойств рабочего тела, активности катализаторов в химико-технологических системах, изменением физических или электромагнитных свойств в металлургических объектах и так далее. При этом технологически оптимальные условия ведения процессов часто находятся в опасной близости от границы области параметров, опасных для состояния оборудования или ведущих к неизбежному браку продукции. Поэтому разработка методов поддержания параметров промышленных объектов как можно ближе к критической зоне, но без попадания в нее, несмотря на изменчивость свойств самого объекта, является важной и актуальной научной задачей.
Так, в корпорации ВСМПО-Ависма (г. Березники Пермского края) подобными объектами являются рудно-термические печи, колонны ректификации, аппараты сепарации титановой губки и другие основные производственные объекты. Изменение параметров свойств материальных потоков (теплоемкости, теплопроводности, плотности) в этих процессах вызывается, в основном, изменением во времени физических свойств и фазового состояния титановой губки, пропитанной снижаемым в ходе процесса количеством примесей, магния и хлорида магния. Корпорация является единственным в РФ производителем титана и обеспечивает около 32% мировой потребности в титановых изделиях, поставляемых для Boeing, Airbus Industrie и других потребителей. Качество таких изделий, в значительной степени, определяется именно качеством титановой губки. В процессе сепарации требуется поддерживать температуру внутренней поверхности аппарата как можно ближе, но не достигая температуры образования эвтектики титан-железо, при наличии которой весь блок губки бракуется. Для достижения одинаковой полноты удаления магния при температуре 1200 К требуется почти вдвое меньше энергозатрат при той же мощности нагревателей печи, чем при температуре 1150 К. При этом также получается более качественная губка. Следовательно, повышение качества управления объектом с нестационарными свойствами ведет к значительной экономии энергии и повышению доходности предприятия за счет повышения качества продукции. Аналогичная ситуация складывается и на других промышленных предприятиях, где есть технологически важные объекты с нестационарными свойствами.
Для многих из этих объектов характерно также наличие транспортного запаздывания, в том числе, переменного, что дополнительно осложняет оптимальную настройку регуляторов.
По перечисленным выше причинам, промышленные объекты с нестационарными свойствами (ПОНС) являются нелинейными объектами управления. Исследование управления линейными объектами хорошо изучено, существуют методы синтеза оптимальных регуляторов (классические и современные), например, принцип динамической компенсации; метод порождающих функций синтеза регуляторов; метод матричных операторов; проекционный метод син-
теза; сеточно-параметрический метод синтеза; методы модального управления и др. Они, в общем случае, неприменимы для ПОНС из-за наличия транспортного запаздывания и нестационарности свойств, вследствие чего решение уравнений объекта нельзя получить в аналитическом виде.
По мере изменения параметров ПОНС, настройки систем управления должны адекватно изменяться, следовательно, речь идет о синтезе адаптивной системы автоматического управления (САУ) с идентификацией свойств объекта. Применение классических методов идентификации (статистического анализа, исследования при заданных или случайных воздействиях, спектральные методы идентификации и др.) нежелательно, так как для получения достоверных результатов необходимо проведение активного эксперимента в ходе промышленного производства. То есть необходимо также разработать методы идентификации ПОНС в ходе работы САУ без дополнительных воздействий на него.
Вопросами автоматизации процессов производства губчатого титана долго и плодотворно занимался Ю.П. Кирин. Задачи моделирования, идентификации и оптимального управления промышленными объектами с нестационарными свойствами привлекали внимание многих исследователей: Балакирев B.C., Емельянов СВ., Закгейм А.Ю., Кафаров В.В. Красовский А.А., Магергут В.З., Мешалкин В.П., Нетушил А.В. Островский Г.М., Попов A.M., Пупков К.А., Ро-тач В.Я., Солодовников В.В., Стефании Е.П., Фрадков А.Л., Фролов СВ., Цып-кин Я.З., Черепанов А.И. и другие. Однако работы данных авторов больше ориентированы на оптимальное управление линейными объектами и на аналитическое исследование качества регуляторов. Цель работы
Улучшение качества управления процессом вакуумной сепарации губчатого титана в филиале Ависма ОАО «Корпорация ВСМПО-АВИСМА» для увеличения скорости процесса, снижения себестоимости конечного продукта и повышения его качества. Объект исследования
Процесс вакуумной сепарации губчатого титана. Предмет исследования
Система автоматического управления (САУ), применяемая в данном процессе.
Для достижения цели в работе поставлены и решены следующие задачи.
Выявлены особенности процесса вакуумной сепарации губчатого титана как промышленного объекта с нестационарными свойствами, поставлена задача управления, определены ограничивающие условия.
Проведен анализ возможности применения традиционных методов идентификации и управления применительно к объекту исследования.
Разработана обобщенная математическая модель объекта исследования первого порядка с переменными коэффициентами, уточнены теплофизиче-ские параметры модели.
Разработан метод численного определения оптимальных настроек регуляторов, позволяющий также определять качество полученных настроек, произведено сравнение с ранее известными методами.
Предложены и исследованы с применением разработанного метода несколько комбинированных и адаптивных САУ.
Разработана для применения в филиале «Ависма» Корпорации «ВСМПО-Ависма» реализация САУ.
Методика исследования
При решении поставленных задач использовались методы теории управления, структурного анализа и моделирования, аналитической и численной оптимизации, имитационного моделирования. Использовались программные средства MS Excel, VBA, MatLab, Simulink, MathCAD и другие. Достоверность полученных результатов обеспечивается корректностью постановки задач и методов их решения, корректным использованием теории моделирования и автоматического управления, теории оптимизации, теории планирования и оценки результатов вычислительного эксперимента, использованием инженерного опыта проектирования систем автоматизированного регулирования.
На защиту выносятся
Модель промышленного объекта с нестационарностью свойств.
Метод определения оптимальных настроек регулятора путем имитационного эксперимента с визуализацией качественных характеристик результатов.
Комбинированная и адаптивная системы позиционного и импульсного регулирования с корректирующим сигналом на входе регулятора.
Импульсная система позиционного управления с переменной структурой.
Системный алгоритм построения моделей и адаптивного позиционного управления динамикой процессов производства губчатого титана.
Научная новизна
Построена обобщенная математическая модель промышленного объекта с нестационарностью свойств.
Разработан метод синтеза регулятора для объекта с нестационарными свойствами, отличающийся возможностью использования различных критериев качества регулирования и широкими возможностями исследования свойств замкнутой системы.
Разработан алгоритм адаптивной идентификации объекта с нестационарными свойствами в режиме позиционного регулирования, позволяющий определять оптимальные настройки системы регулирования в реальном времени.
Разработан алгоритм адаптивного управления промышленным объектом с нестационарными свойствами на примере аппарата сепарации губчатого титана.
Практическая значимость
Предложенные и разработанные модели и методы регулирования позволяют реализовать автоматизированные системы оптимального управления для широкого круга промышленных объектов в химической, металлургической, пищевой и других отраслях промышленности. Результаты работы внедрены в филиале «Ависма» ОАО «Корпорация «ВСМПО-Ависма» и используются в
учебном процессе для подготовки студентов специальности «Автоматизация технологических процессов и производств».
Апробация работы
Научные и практические результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
о V региональной конференции «Молодежная наука Верхнекамья» (Березники, 2008); о XXI международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях (ММТТ-21). Осенняя школа молодых ученых» (Тамбов, 2008).
о XXII международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях (ММТТ-22). Летняя школа молодых ученых» (Иваново, 2009). о Всероссийской научно-практической конференции «Инновационный менеджмент в производстве и сервисе» (Кострома, 2009).
Публикации
Основные результаты работы опубликованы в 9 печатных научных работах, в числе которых одна в рецензируемом печатном издании, утвержденном ВАК России, а также вошли в 1 отчет по НИР, зарегистрированный во ВНТИЦ.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения и списка литературы. Работа изложена на 189 страницах машинописного текста, содержит 66 рисунков и 22 таблицы. Библиографический список включает 168 наименований.
Похожие диссертации на Управление процессом вакуумной сепарации губчатого титана
