Разработка математической модели непрерывной раскатки труб на длинной подвижной оправке для задач управления Бородин, Евгений Михайлович

Введение к работе

Актуальность работы. Агрегаты с непрерывными раскатными станами являются основным способом (до 70%) производства бесшовных труб. В последнее десятилетия наметилась тенденция к расширению сортамента, появилась необходимость в быстрой переналадке трубопрокатных агрегатов и уменьшении числа пробных прокаток. Одновременно, повышаются и требования к качеству готовой продукции и энерго- и ресурсосбережению. В связи с этим тема диссертационной работы является актуальной. Применяемые в отечественной практике системы т.н. супервизорного управления станами со свободной оправкой ( агрегаты ТПА «80» ОАО «Синар-ский трубный завод», 30-102 ОАО «Первоуральский новотрубный завод») предполагают, что оценку настройки стана и корректировку скоростей клетей осуществляет вальцовщик. Корректировка скоростей вращения валков осуществляется вальцовщиком субъективно, на основании опыта и интуиции. В результате неоптимальности корректировок возможно увеличение доли брака по разнотолщинности и ряду других дефектов, повышение нагрузок на инструмент и приближение к аварийным ситуациям типа гофрообразования и разрывов проката. В то же время ведущие зарубежные производители оборудования (SMS-Meer, Danieli) предлагают различные автоматизированные системы управления технологическим процессом (АСУТП). Они позволяют рассчитывать настройку при первоначальном запуске стана и целенаправленно корректировать ее между прокатками. В основе таких систем лежит представление о связи энергосиловых и кинематических параметров прокатки, т.е. математическая модель процесса прокатки.

На действующих станах имеется система мониторинга, осуществляющая регистрацию энергетических'и силовых параметров. Однако, показания системы мониторинга практически не используются при решении технологических задач. Интерпретация результатов в терминах теории ОМД также требует математической модели, связывающей параметры стана. С позиций теории управления, процесс прокатки является сложным, многосвязным, нелинейным объектом управления, характеризующимся высокими скоростями протекания. Анализ процесса в темпе прокатки является

трудно формализуемой и трудоемкой задачей.

Таким образом, актуальной является задача создания модели процесса прокатки, которая могла бы служить базой для проектирования АСУ коррекции режимов стана в реальном времени, позволяла настройку по результатам пробных прокаток, обеспечивала интерпретацию результатов мониторинга в терминах, привычных специалистам ОМД и не имела ограничений по количеству клетей и типу управления оправкой (свободная или удерживаемая).

Цель и задачи данной работы. Таким образом, целью данной работы является разработка быстродействующей математической модели процесса непрерывной прокатки в форме системы линейных алгебраических уравнений, пригодной для расчета и стабилизации силового режима стана при известном изменении скоростного режима. При этом, в диссертационной работе ставятся и решаются следующие задачи:

1. Разработка быстродействующей обращаемой математической модели процесса непрерывной прокатки.

2. Разработка методик определения параметров быстродействующей модели стана. На этапе подготовки технологии определение параметров может обеспечиваться с помощью решения краевой задачи методом конечных элементов. В перспективе уточнение коэффициентов модели должно обеспечиваться процедурами идентификации при обработке результатов как пассивных (в рамках технологического процесса), так и активных экспериментов непосредственно на непрерывном стане.

3. Оценка границ применимости представлений, заложенных в модели и учет возможных эффектов при выходе параметров процесса прокатки за рамки таких ограничений.

Кроме того, в отдельную задачу вынесены предложения по использованию разрабатываемой модели.

Научная новизна результатов работы

1. Предложена быстродействующая модель процесса прокатки на

непрерывном оправочном стане в форме системы линейных алгебраических уравнений, связывающая скоростные параметры прокатки и усилия межклетевого взаимодействия, расширяемая на стан с произвольным количеством клетей.

2. Разработана методика поэтапного определения коэффициентов мно-гоклетьевой модели непрерывного стана на основе представления многоклетьевого стана как последовательности двухклетевых фрагментов. Это позволяет применить метод конечных элементов для расчетов кинематических и силовых режимов стана, используя современные персональные ЭВМ со сравнительно ограниченными ресурсами.

3. Разработано программное обеспечение для расчета сил взаимодействия клетей и положения критического сечения по результатам работы процессорного модуля ППП DEFORM-3D. Использование разработанного ПО существенно сокращает трудоемкость интерпретации результатов расчета по МКЭ.

4. Предложена классификация нелинейностей, свойственных данному технологическому процессу, выделены линеаризуемые нелинейности. Описан механизм нелинейного формирования сил взаимодействия клетей через прокатываемый металл.

5. Сделана оценка управляемости и наблюдаемости процесса непрерывной прокатки трубы на оправке в двух клетях стана как объекта управления. Показано, что номенклатура датчиков, образующих информационную базу АСУ коррекции сил межклетевого натяжения, должна содержать датчик скорости оправки. Это решение обеспечит наблюдаемость системы.

6. Разработан обращенный вариант быстродействующей линейной модели, предназначенный для формирования скоростного режима стана, обеспечивающего заданное натяжение.

Практическая значимость результатов исследований.

1. Разработана методика расчета коэффициентов линейной модели процесса прокатки с помощью МКЭ. Это позволяет использовать результаты расчета с помощью МКЭ для подготовки начальной настройки стана при пробных прокатках после перенастройки стана.

2. С использованием программного обеспечения, разработанного в рамках диссертационной работы, выполнены расчеты силовых режимов прокатки труб для оптимизации режимов прокатки на непрерывном стане 159-426 ОАО "Волжский трубный завод". Расчеты выполнялись по заданию ОАО «Российский научно-исследовательский институт трубной промышленности для разных силовых режимов прокатки». Дополнительно для гаммы силовых режимов рассчитаны эпюры показателя напряженного состояния в различных сечения межклетевого промежутка, а так же эпюры контактного давления на оправку в очаге деформации.

3. Основные результаты выполненного в рамках диссертационной работы исследования прокатки на двухвалковом раскатном стане, а так же разработанные алгоритмы обработки результатов конечно-элементного расчета были использованы при подготовке учебного пособия "Конечно-элементное моделирование процесса непрерывной оправочной прокатки труб" на кафедре "Обработка металлов давлением" УрФУ.

Достоверность результатов исследования. Достоверность основных научных положений и выводов, сформулированных в диссертации, обеспечена :

4. использованием в качестве вычислительного эксперимента численного решения краевой задачи теории пластического течения при помощи широко применяемого для этой цели пакета прикладных программ DEFORM-3D;

5. сопоставлением результатов вычислительных экспериментов с результатами расчетов среднего удельного давления на оправку по

стандартной проектной методике, разработанной О.И. Мижирицким и В.В. Харитоновым;

3. сопоставлением результатов вычислительных экспериментов с приводимыми в литературе экспериментальными данными В.Н. Данченко;

4. применением известных методов линейной алгебры и математической статистики.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту

1. Быстродействующая модель процесса прокатки на непрерывном оправочном стане, связывающая скоростные параметры прокатки и усилия межклетевого натяжения, расширяемая на стан с произвольным количеством клетей.

2. Методика определения коэффициентов предложенной модели с помощью метода конечных элементов.

3. Программное обеспечение для расчета положения критического сечения и силы взаимодействия клетей по результатам расчета с помощью программы DEFORM-3D.

4. Исследование адекватности предложенной модели совместно с методикой определения ее параметров, оценка диапазона изменения параметров, в котором данная модель обеспечивает заданную точность.

5. Классификация нелинейностей, свойственных процессу прокатки. Исследование механизма нелинейного формирования сил взаимодействия клетей через прокатываемый металл в функции скорости оправки.

6. Исследование управляемости и наблюдаемости процесса прокатки на свободной оправке как объекта управления, показавшее необходимость непосредственного измерения скорости оправки в системе коррекции межклетевых натяжений.

7. Обращенный вариант быстродействующей линейной модели, предназначенный для формирования скоростного режима стана, обеспечивающего заданное натяжение.

Таким образом, практическая ценность работы заключается в том, что созданы предпосылки для разработки АСУТП коррекции межклетевых натяжений в реальном времени. Это позволит в дальнейшем вести прокатку на непрерывном стане с заданным уровнем натяжений или подпоров. Последнее приведет к снижению вероятности аварий, ускорению перенастройки скоростного режима стана при переходе на другой комплект инструмента, уменьшению продольной разностенности труб.

Отдельные разделы диссертационной работы выполнялись по планам научно-исследовательских работ Института машиноведения УрО РАН на 2005-2009 гг.

Методы и средства исследования. При выполнении работы использовались положения теории обработки металлов давлением и теории автоматического регулирования, метод конечных элементов, методы линейной алгебры и аналитической геометрии, методы планирования эксперимента и регрессионного анализа, принцип математической индукции.

Апробация работы. Результаты, представленные в диссертации, докладывались и обсуждались на Второй международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности», 7-9 февраля 2006 г.; III Российской межвузовской конференции с международным участием. (Тюмень,2006); XI отчетной конференции молодых ученых (Екатеринбург, ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2007); XII отчетной конференции молодых ученых (Екатеринбург, ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2007); Региональной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс» (Екатеринбург, ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2007); Российской научно-технической конференции 'Разрушение, контроль и диагностика материалов и конструкций» (Екатеринбург, 2007); 4-ой Российской научно-техническая конференции "Компьютерный инженерный анализ" (Челябинск, 2007); 5-ой Российской научно-технической конференции "Компьютерный инженерный анализ" (Екатеринбург, 2008) XIII отчетной конференции молодых ученых ГОУ ВПО УГТУ-УПИ (Екатеринбург, 2008); XV отчетной конференции молодых ученых ГОУ ВПО УГТУ-УПИ (Екатеринбург, 2009). Российской научно-технической конференции "Разрушение, контроль и диагностика материалов и конструкций», (Екатеринбург, 2009).

На защиту выдвигаются следующие результаты.

8. Быстродействующая модель процесса прокатки на непрерывном оправочном стане в форме системы линейных алгебраических уравнений, связывающая скоростные параметры прокатки и усилия межклетевого натяжения, расширяемая на стан с произвольным количеством клетей.

9. Комплекс методик определения коэффициентов предложенной модели с помощью метода конечных элементов.

10. Программное обеспечение для интерпретации результатов расчетов, выполненных с помощью пакета прикладных программ (ППП) на основе метода конечных элементов.

11. Результаты исследований, позволивших показать адекватность предложенной быстродействующей модели и методики определения ее параметров, оценить диапазон изменения параметров в котором данная модель обеспечивает заданную точность.

12. Показана возможность линеаризации реальных нелинейностей, свойственных процессу прокатки.

13. Вскрыты механизмы нелинейного формирования сил взаимодействия клетей через прокатываемый металл. При изменении скорости оправки коэффициент связи скорости оправки и силы межклетевого взаимодействия может менять знак. Это изменяет знак внутренних обратных связей и может дестабилизировать процесс прокатки.

14. Обращенный вариант быстродействующей линейной модели, предназначенный для формирования скоростного режима стана, обеспечивающего заданное натяжение.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 работ, в том числе 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, зарегистрировано 2 программных продукта.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из шести
глав и приложения,общим объемом 259 страниц , включая{2 табли-

цу 6l рисунок и список цитированной литературы из 84 наименований.

Похожие диссертации на Разработка математической модели непрерывной раскатки труб на длинной подвижной оправке для задач управления

Исследование процесса раскатки труб на агрегатах с непрерывными станами с целью повышения износостойкости оправокКрасиков Андрей Владимирович

Разработка моделей распада аустенита и прогнозирования механических свойств при контролируемой прокатке сталейСоколов, Дмитрий Федорович

Разработка математической модели процесса продольной прокатки для технологического проектирования производстваГерман Ольга Юрьевна

Разработка математических моделей и способов повышения точности и деформируемости тонкостенных труб при холодной прокатке и волоченииОрлов Григорий Александрович

Разработка и внедрение системы менеджмента качества при управлении проектами (на примере задач машиностроения и нефтегазового комплекса)Мясоедов Павел Валерьевич

Принятие управленческих решений при антикризисном управлении предприятием : на основе разработки модели диагностики потенциальной неплатежеспособностиРахимкулова Гульназ Зарифовна

Разработка моделей и алгоритмов многомерного анализа процессов в управлении качеством на предприятииГолованов Виктор Владимирович

Разработка математических моделей и расчетно-экспериментальное исследование дизельных топливных систем с клапанным управлениемМихальченко, Дмитрий Александрович

Разработка методов и графоаналитических моделей автоматизированного проектирования управляющих программ для станков с числовым программным управлениемВольсков Дмитрий Геннадьевич

Разработка математической модели и методики расчета параметров процесса изготовления деталей из профилей на гибочно-растяжном оборудовании с программным управлениемБодунов, Николай Михайлович