Введение к работе
Актуальность исследования. Карбид кремния, благодаря своим уникальным свойствам, всё шире применяется в изготовлении абразивных инструментов, электронике, автомобильной промышленности и других областях техники. Мировой спрос на карбид кремния непрерывно растёт. Одновременно повышаются требования к его качеству.
Около 95% карбида кремния в мире производят с использованием электроплавильной технологии в электрических печах сопротивления с угольными электродами методом Ачесона. Одно из условий, обеспечивающих образование карбида кремния, - поддержание активной мощности, потребляемой печью сопротивления, по заданному плану. На предприятиях России и зарубежных стран технологический процесс плавки карбида кремния до сих пор ведётся в ручном режиме. Данные, полученные на ОАО «Волжский абразивный завод», свидетельствуют о значительных отклонениях (в среднем 8%) активной мощности от заданного плана плавки. Это приводит к большим вариациям параметров качества продукта и нестабильности массового выхода. Также затруднены исследования по совершенствованию технологии плавки, так как не обеспечивается реализация заданного плана плавки с требуемой точностью (3%).
Другой проблемой является то, что в настоящее время осуществляется управление полной активной мощностью, потребляемой печью сопротивления. При этом не учитываются изоляционные свойства конкретной печи, утечки тока, зависящие от износа печи, качества засыпки шихты и других факторов. В результате, при регулировании полной активной мощности, величина полезной мощности, идущей непосредственно на разогрев шихты и образование карбида кремния, остаётся неизвестной.
Повышение массового выхода и качества карбида кремния возможно за счёт:
- обеспечения управления полезной мощностью печи сопротивления (а не
полной активной мощностью);
- повышения точности регулирования активной мощности печи
сопротивления с помощью внедрения автоматической системы управления.
Печь сопротивления, как объект управления, представляет собой нелинейный объект с неконтролируемыми возмущениями. Это связано со сложными химическими реакциями процесса карбидообразования. Однако к настоящему времени разработаны эффективные методы и алгоритмы адаптивного управления, использующие идентификацию самообучаемых моделей объектов управления методом «вход-выход».
Изложенное определяет целесообразность и актуальность проведения исследований, направленных на разработку адаптивной системы автоматического управления полезной мощностью печи сопротивления для производства карбида кремния.
Работа выполнена в ходе НИР кафедры «Автоматика, электроника и вычислительная техника» по теме «Анализ и синтез систем оптимального управления технологическими процессами».
Объектом исследования является процесс получения карбида кремния в печи сопротивления.
Целью работы является разработка автоматической системы контроля электрических параметров и адаптивного управления полезной мощностью печи сопротивления для производства карбида кремния взамен системы ручного управления активной мощностью печи.
Для достижения указанной цели в работе решены следующие задачи:
1. Создана и внедрена автоматизированная система сбора электрических
параметров комплекса плавильных трансформаторов.
2. Разработан алгоритм вычисления электрических параметров и
полезной мощности печи сопротивления в реальном масштабе времени по
данным, получаемым от системы сбора электрических параметров.
Методом "вход-выход" разработана самообучаемая математическая модель в пространстве состояний динамики изменения полезной мощности в печи сопротивления.
На базе самообучаемой модели печи сопротивления и функционала обобщённой работы разработан алгоритм формирования управляющих воздействий для адаптивной системы автоматического управления полезной мощностью печи сопротивления.
Проведено машинное моделирование работы адаптивной системы управления полезной мощностью печи.
Методы исследования. Теория автоматического управления, методы оптимизации и адаптивного управления и теория систем, теория анализа электрических цепей, численные методы.
В работе получены результаты, отличающиеся научной новизной:
Информационно-измерительная система, отличающаяся тем, что позволяет определять полезную мощность печи в реальном масштабе времени на основе электрических параметров печи, вычисляемых при решении нелинейной системы уравнений электрической схемы замещения печной установки.
Самообучаемая математическая модель в пространстве состояний динамики изменения полезной мощности, отличающаяся тем, что учитывает нелинейности процесса изменения электрической проводимости печи сопротивления.
3. Алгоритм формирования управляющих воздействий, отличающийся
тем, что реализован в виде адаптивного ПИ-регулятора, параметры которого
определяются в реальном масштабе времени в процессе плавки карбида
кремния с использованием информационно-измерительной системы контроля
полезной мощности.
Достоверность исследования подтверждена математическими выводами и экспериментальными данными.
Практическая ценность состоит в разработке автоматизированной системы сбора электрических параметров комплекса плавильных трансформаторов; информационно-измерительной системы контроля полезной
мощности печи; адаптивной системы автоматического управления полезной мощностью печи сопротивления для производства карбида кремния.
Реализация работы. Результаты диссертационной работы использованы:
1) в хоздоговорной научно-исследовательской работе Волжского
политехнического института с ОАО «Волжский абразивный завод» № 13/12-09
от 01.03.2009г. «Разработка автоматизированной системы мониторинга
энергопотребления и автоматического управления процессом плавки карбида
кремния для всех трансформаторов» (акт о внедрении прилагается);
2) в Волжском политехническом институте на кафедре «Автоматика,
электроника и вычислительная техника» в госбюджетной НИР по теме «Анализ
и синтез систем оптимального управления технологическими процессами» и в
учебном процессе для дипломного и курсового проектирования по
специальности «Автоматизация технологических процессов и производств»
(акт о внедрении прилагается).
Соответствие паспорту специальности.
Указанная область исследования соответствует паспорту специальности 05.11.16 - «Информационно-измерительные и управляющие системы (в машиностроении)», а именно: пункту 4. «Методы и системы программного и информационного обеспечения процессов отработки и испытаний образцов информационно-измерительных и управляющих систем»; 6. «Исследование возможностей и путей совершенствования существующих и создания новых элементов, частей, образцов информационно-измерительных и управляющих систем, улучшение их технических, эксплуатационных, экономических и эргономических характеристик, разработка новых принципов построения и технических решений».
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на: научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава Волжского политехнического института (г. Волжский 2010, 2011); VII Всероссийской научно-технической конференция "Информационные технологии в электронике и электроэнергетике" (г. Чебоксары 2010); VI Межрегиональной научно-практической конференции «Взаимодействие научно-исследовательских подразделений промышленных предприятий и вузов с целью повышения эффективности управления и производства» (г. Волжский 2010); научно-практической конференции, приуроченной к 80-летию МЭИ, «Ресурсо-энергосбережение и эколого-энергетическая безопасность промышленных городов» (Волжский 2010); межвузовской научно-практической конференции «Математическое моделирование, численные методы и информационные системы» (г. Самара 2010); 2-ой Международной научно-практической конференции «Прогрессивные технологии и перспективы развития» (г. Тамбов 2010); XII международной научно-технической конференции «Кибернетика и высокие технологии XXI века» (г. Воронеж 2011).
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Информационно-измерительная система, позволяющая рассчитывать полезную мощность печи сопротивления в реальном масштабе времени на
основе электрических параметров печи, получаемых при решении нелинейной системы уравнений электрической схемы замещения печи.
Самообучаемая математическая модель в пространстве состояний динамики изменения полезной мощности, позволяющая составить алгоритм адаптивного управления полезной мощностью печи сопротивления.
Алгоритм формирования управляющих воздействий, позволяющий реализовать перенастраиваемый ПИ-регулятор, параметры которого определяются в реальном масштабе времени в процессе плавки карбида кремния с использованием информационно-измерительной системы контроля полезной мощности.
Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 12 печатных работах, 3 из которых входят в список ВАК. Получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Личный вклад автора. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежит:
[1,3,6,8,9,10,11,12] - разработка автоматизированной системы сбора электрических параметров комплекса плавильных трансформаторов; [1,2,5] -синтез и анализ самообучаемой математической модели в пространстве состояний печи сопротивления; [2,4,7] - синтез и анализ алгоритмов формирования управляющих воздействий для адаптивной системы автоматического управления полезной мощностью печи сопротивления.
Основные научные результаты и рекомендации, содержащиеся в диссертационной работе и публикациях, получены автором самостоятельно и под руководством научного руководителя.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка используемых источников и приложения. Общий объём диссертации 120 стр. Список используемой литературы содержит 92 наименования.
