Введение к работе
Актуальность проблемы. Системы с распределенными параметрами характеризуются пространственной протяженностью, а регулируемые переменные являются функциями не только времени, но и пространственных координат. Динамика распределенных объектов описывается дифференциальными уравнениями с частными производными, интегральными и интегродифферен-циальными уравнениями, а также «гибридными» системами уравнений различной природы, включая в качестве дополнительных соотношений и обыкновенные дифференциальные уравнения. Кроме того, коэффициенты в уравнениях часто зависят от пространственных координат и времени.
Задачи анализа и синтеза распределенных систем управления оказываются принципиально более сложными по сравнению с сосредоточенными системами за счет специфики распределенных объектов. Существует много методов решения уравнений с частными производными, интегральных уравнений. Однако, они малоэффективны при решении систем уравнений, задач с переменными коэффициентами, задач повышенной пространственной размерности (более единицы) и пр. Отсутствие формализованного методологического подхода для решения задач, связанных с распределенными системами, ставит перед их разработчиком проблемы, требующие нестандартных методов исследования и инженерных решений в каждом конкретном случае.
Большой вклад в развитие теории и практики систем с распределенными параметрами обеспечили фундаментальные результаты, полученные в работах А.Г. Бутковского, Г.Л. Дегтярёва, А.И. Егорова, Ю.В. Егорова, Е.А. Клевцова, В.Е. Краскевича, Ж.-Л. Лионса, К.А. Лурье, И.М. Першина, В.И. Плотникова, Л.М. Пустыльникова, Э.Я. Рапопорта, Т.К. Сиразетдинова, А.В. Фурсикова, Ф.Л. Черноусько и других отечественных и зарубежных ученых.
Большинство предприятий содержат производственный цикл, в котором протекают процессы с выделением в окружающую среду тепла. Это тепло может быть утилизировано и использовано для производственных нужд. В частности такая проблема выявлена на предприятии ООО «ЭМУ-3», на одном из цехов которой производится изготовление монтажных металлических сеток. Для ее производства используется сварочный агрегат АТМС-14 х 75, работающий методом контактной сварки. В процессе контактной сварки в окружающую среду рассеивается примерно 20-25% выделяемой при контактной сварке тепловой энергии. Это тепло может быть утилизировано с помощью проектируемой системы автоматического управления температурным полями.
Для проектирования рассматриваемой системы управления необходимо было решить следующие задачи:
разработать математическую модель температурных полей объекта управления;
разработать методику синтеза и синтезировать систему управления температурными полями для рассматриваемого объекта.
Относительно методики синтеза следует отметить, что рассматриваемый объект управления принадлежит к классу объектов с распределёнными параметрами. Известная частотная методика синтеза разработана для достаточно
узкого класса распределённых систем, названного пространственно-инвариантным .
Как показано в диссертации рассматриваемый объект не принадлежит к этому классу. Это потребовало разработки новой методики синтеза систем управления рассматриваемыми объектами.
Приведенные аргументы автор рассматривает как субъективные признаки актуальности.
Целью диссертационной работы является разработка математической модели тепловых процессов в рабочей зоне контактной сварки и синтез регуляторов прямого действия для управления температурными полями внутри кожуха в зоне контактной сварки.
В соответствии с целью, объектом и предметом исследования намечено решить следующие задачи:
Разработать математическую модель тепловых процессов в зоне контактной сварки.
Произвести анализ объекта управления.
Разработать технические схемы и математическое описание распределенных регуляторов прямого действия, используемых в рассматриваемой задаче.
Разработать методику синтеза распределенных регуляторов прямого действия для рассматриваемых систем управления.
Методы исследования. Исследования, проведенные в данной диссертационной работе базируются на методах решения уравнений математической физики, теории автоматического управления, теории управления системами с распределенными параметрами, линейной алгебры и программировании с использованием языков программирования Borland Pascal и Visual Basic.
Научная новизна и теоретическая значимость исследования. В результате теоретических исследований удалось разработать математическую модель тепловых процессов в зоне контактной сварки и синтезировать параметры регуляторов прямого действия для управления температурными полями. Для этого в работе проведены следующие научные исследования:
разработана математическая модель тепловых процессов в зоне контактной сварки, используя которую составлена численная модель тепловых процессов, с помощью которой осуществляется анализ объекта управления;
разработаны технические схемы реализации распределенных регуляторов прямого действия, получены их математические модели и исследованы динамические характеристики, что позволяет использовать их в различных системах управления тепловыми процессами;
разработана методика синтеза распределенных регуляторов прямого действия для рассматриваемых систем управления, позволяющая определить конструктивные параметры регуляторов прямого действия.
Практическая ценность полученных в диссертационной работе результатов заключается в их конструктивном характере, направленности на решение практических задач.
Разработанная методика синтеза имеет конструктивную направленность и может быть использована при проектировании систем управления температурными полями для различных технологических процессов. Решена задача синтеза распределенной системы управления температурными полями внутри кожуха при контактной сварке.
Реализация и внедрение результатов работы. Полученные результаты используются на одном из технологических линий по контактной сварке монтажных сеток на предприятии ООО «Электромонтажное управление №3», по разработке системы управления температурными полями при контактной сварке, что подтверждается соответствующей справкой.
Результаты работы также использовались в учебном процессе при чтении лекций по курсу «Распределенные системы автоматического управления», а также при курсовом и дипломном проектировании студентами специальности «Управление и информатика в технических системах» и направления «Автоматизация и управление» Пятигорского государственного технологического университета.
Апробация работы. Диссертация обсуждена на расширенном заседании кафедр «Управление и информатика в технических системах» и «Информатика и информационные технологии» Пятигорского государственного технологического университета.
Исследования докладывались автором:
на международной научной конференции «Системный синтез и прикладная синергетика ССПС-2009», г. Пятигорск;
на XI региональной научно-практической конференции «ДНИ НАУКИ» по результатам научно-исследовательской работы в ПГТУ за 2009 год, г. Пятигорск, 2010.
Публикации. По результатам исследований автором лично и в соавторстве опубликовано 9 научных работ, из них 3 работы в журналах из перечня, рекомендованных ВАК. Опубликованные материалы полностью отражают содержание диссертации. Список публикаций приведен в конце автореферата.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, пяти глав, сопровождающихся выводами, заключения, приложений и списка использованной литературы, включающего 188 наименований. Общий объем работы составляет 175 страниц, включая 69 рисунков, 6 таблиц и 4 приложений
Похожие диссертации на Системный анализ тепловых процессов при контактной сварке
