Содержание к диссертации
Введение
1. Погрешности весового доскретного дозирования сыпучих материалов и способы их коррекщи 24
1.1. Виды погрешностей весодозирующих комплексов.. 24
1.2. Погрешности дозирования локальных весодозирующих комплексов 28
1.3. Влияние погрешностей дозирования смежных каналов и отклонений технологических параметров процесса смесеприготовления 40
1.4. Анализ погрешностей дозирования весодозирующих комплексов 48
1.5. Итерационные алгоритмы коррекции погрешностей дозирования и косвенной компенсации отклонений технологических параметров 72
1.6. Экспериментальные исследования 91
1.7. Выводы 98
2. Анализ надежности устройств для снижения погрешности дозирования сшучмх материалов . 100
2.1. Основные положения и постановка задачи 100
2.2. Выбор системной меры оценки надежности алгоритмов управления 102
2.3. Модель надежности алгоритмов управления 117
2.4. Методика расчета надежности алгоритмов управления 124
2.5. Оценка времени выполнения алгоритмов управления 130
2.6. Выводы 133
3. Синтез комплексов и устройств для снижения погрешности дозирования сыпучих материа лов 134
3.1. Постановка задачи синтеза 134
3.2. Формализация задачи синтеза. Выбор и обоснование критерия 137
3.3. Методика определения рациональной структуры весодозирующего комплекса с устройством для снижения погрешности дозирования 148
3.4. Итоги синтеза и введение избыточности 160
3.5. Выводы Ї67
4. Построение устройств для снижения погрешности дозирования сыпучих материалов 172
4.1. Вводные замечания 172
4.2. Дозирование шихты доменного производства . 173
4.3. Дозирование компонентов ферросплавов конвертерного производства 176
4.4. Выводы 180
5. Основные вывод и результаты работы 181
6. Список литературы
- Погрешности дозирования локальных весодозирующих комплексов
- Выбор системной меры оценки надежности алгоритмов управления
- Формализация задачи синтеза. Выбор и обоснование критерия
- Дозирование компонентов ферросплавов конвертерного производства
Введение к работе
I. Актуальность выбранного направления исследований и формулировка проблемы
В "Основных направлениях развития народного хозяйства СССР на I98I-I985 гг. и на период до 1990 г.", принятых на ХХУІ съезде КПСС, как одна из важнейших проблем технических наук, на которой необходимо сосредоточить усилия, рассматривается "... совершенствование средств и систем сбора, передачи и обработки информации". Отмечается также необходимость "... опережающими темпами развивать производство быстродействуодих управляющих и вычислительных комплексов ... устройств регулирования и телемеханики, исполнительных механизмов, приборов и датчиков, систем комплексной автоматизации сложных технологических процессов" /70/.
Особо важное значение приобретает экономия сырьевых и топливных ресурсов, что подчеркивалось в Постановлении ЦК КПСС и Совета Министров СССР "Об усилении работы по экономии и рациональному использованию сырьевых, топливно-энергетических и других материальных ресурсов" (июль 1981г.).
Смесеприготовление является важной составной частью множества технологических процессов черной и цветной металлургии, сельского хозяйства, пищевой, химической, строительной и ряда других отраслей промышленности.
Так, в металлургической промышленности системы управления шихтоподачей осуществляют весовые дискретное дозирование компонентов шихты плавильных процессов: доменного, конвертерного, мартеновского и электросталеплавильного. Широко применяется дозирование в железнодорожные вагоны отгружаемой продукции металлургических переделов: кокса, концентрата, окатышей и др. В машино-
строении осуществляется дозирование компонентов чугунного литья для вагранок и электропечей. Системы управления смесеприготовле-нием находят также широкое применение в химической промышленности (например^при производстве красок и эмалей) и в строительстве (при производстве цемента, бетона, стекла). Распространено многокомпонентное дозирование в сельском хозяйстве, в частности при производстве комбикормов, в пищевой промышленности при производстве пищевых концентратов, хлебных и других продовольственных изделий.
Отличие друг от друга перечисленных систем управления смесе-приготовлением, предназначенных для различных отраслей промышленности, определяется составом и числом компонентов; диапазоном изменения физических свойств материалов; режимом работы механизмов качественного и количественного набора компонентов, принципом действия и параметрами загружающих устройств, конструкциями механизмов, транспортирующих отдозированные компоненты (затворов,питателей, конвейеров, перекидных лотков), а также принципами управления весодозирущими комплексами.
Учитывая многообразие способов организации процесса смесе-приготовления и средств для их реализации, уместно произвести классификацию систем управления смесеприготовлением руководствуясь определенным набором классификационных признаков. До настоящего времени не существует четкой классификации этих систем. В связи с этим воспользуемся данными^полученными различными авторами /48,56,82,102/ при классификации составных частей систем управления смесеприготовлением. Эти данные позволяют произвести классификацию систем управления смесеприготовлением по следующим признакам (рис.1) :
I. принципу смесеприготовления (объемный, весовой и временной);
/tiacwp//&yc/tf ew/77/v ул/яЗ/е/////? c/vece
/7/7^0/770/^//^/7
&&яа*а y/7/70#J0//0fi
СМЄСЄЛрІ/г0Л70&7ЄМ/ЄЛ7
Bp
I
3:
$
X
*
* ^
^
%
О- oSte/ww, В - SecafoujBp - fpe/wwv лш/цмы ЯмумАмМ;
ДНП U J MP - 'і?Ширі//0Щ№ (/С/7?/700С/77^а //6>/7/7f/76/
щ&е yc/77/>00cm&t tf/cxpamw& fevc/w&fi 0З/0 0/wMWvwMwwes М- леха//0Уесх0' JM- 3/7ex/77p0/vex0//0W*00, p -/>0<%c/0Zf00////6/e 0ЖЄ~ /,0/7,^6^^0/000/776/-, Ми ЗЖ-/егх0/77еху;
М, TMU КМ -У7Єг*0С6/0/
///С. /
способу дозирования компонентов смеси (дозаторы непрерывного действия с постоянной и регулируемой производительностью, дозаторы дискретного действия однокомпонентные и многокомпонентные с постоянной и регулируемой производительностью;
принципу измерения количеств компонентов смеси измерительными устройствами (механические, электромеханические и радиационные);
виду дозируемых материалов и жидкостей (легкотекучие жидкости, вязкие жидкости, легкосыпучие, трудносыпучие и кусковые материалы).
Важнейшим качеством систем смесеприготовления, определяющим их эффективность, является точность дозирования компонентов смеси. Поэтому при выборе структуры указанных систем в качестве основного критерия принимают минимум погрешности дозирования, если особо не оговариваются какие-либо специфические условия эксплуатации, в которых более точные системы использовать невозможно. Многолетний опыт /12,34,38,48,56,57/ эксплуатации систем смесеприготовления показал, что наилучшими метрологическими характеристиками обладают системы, построенные на базе весодози-рующих комплексов, использующих принцип дискретного одно- и многокомпонентного дозирования. В связи с этим в дальнейшем рассматриваются только системы данного вида.
Процесс дозирования в таких системах крайне специфичен. Для него характерны разнообразные статические отклонения и динамические возмущения. Режим работы большинства устройств и узлов весо-дозирующего комплекса включает частые пуски и остановки. Переходный процесс сопровождается толчками и ударами. Управление дозированием осложняется и тем, что физические свойства дозируемых материалов изменяются от мелкодисперсных порошков до крупнокуско-
вых материалов. При этом дозирование крупнокусковых материалов характеризуется появлением дополнительных динамических нагрузок, действующих на весовой бункер из-за ударов кусков дозируемого материала, а дозирование мелкодисперсных порошков затруднено склонностью сыпучего материала к слеживанию и образованию сводов.
В общем случае точность дозирования является функцией большого числа систематических и случайных факторов, таких как производительность питателя в момент отсечки; высота падения материала в приемную емкость; величина, форма и взаимное расположение отдельных кусков материала, коэффициент сцепления их друг с другом и с конструктивными элементами питателя; степень запыленности и увлажненности материала; инерционность как привода питателя, так и материала, подаваемого в приемную емкость и т.п.
В этих условиях реализация высокоточного дозирования является достаточно сложной проблемой, решенше;которой позволит существенно снизить расход дефицитных компонентов смеси и повысить качество выпускаемой продукции. В частности, для всех металлургических плавильных процессов снижение погрешности дозирования компонентов шихты, благодаря соответствующему снижению положительных допусков на дозы важнейших компонентов, лимитирующих качество смеси, обеспечивает прямопропорциональную экономию этих компонентов. Аналогичные рассуждения справедливы и для других отраслей народного хозяйства, в которых используются системы сме-сеприготовления.
Таким образом, проблема, решению которой посвящена настоящая работа, состоит в обеспечении заданного снижения погрешности весового дискретного дозирования компонентов смеси.
Актуальность указанной проблемы неоднократно подчеркивалась в рекомендациях Всесоюзных научно-технических совещаний по воп-
росам автоматизации процессов взвешивания и дозирования в 1974 и 1981 годах. Кроме того, результаты, полученные в настоящей работе, использованы при решении комплексной целевой программы 0Ц.026 "Автоматизация управления технологическими процессами, производствами, машинами, станками и оборудованием с применением мини и микро- ЭВМ", задание 01.27, в соответствии с которым осуществляется разработка и внедрение перспективных весодозирующих комплексов с устройствами для снижения погрешности дозирования (УСЦЦ) в составе АСУ ТП конвертерного производства.
2. Доказательство существования проблемы и пути ее решения
Основная приведенная погрешность локальных весодозирующих комплексов, определяемая в основном неравномерностью производительности питателя и кусковатостью дозируемого компонента, существующими средствами может быть снижена только до уровня 1-2%, который не удовлетворяет требованиям большинства технологических процессов. В частности, в изданных Минчерметом СССР основных требованиях к автоматизации технологических процессов /88/ приводятся весьма жесткие ограничения среднеквадратической погрешности измерения масс компонентов смеси: в зависимости от вида дозируемого материала эта погрешность не должна превышать 0,1 - 0,2 %. Учитывая, что метрологические характеристики весодозирующих комплексов нормируются значением основной приведенной погрешности, указанные пределы среднеквадратической погрешности для доверительной вероятности 0,95 и нормального закона распределения погрешностей соответствуют приведенной погрешности, равной удвоенному значению среднеквадратической погрешности, т.е. от 0,2 до 0,4 %.
Результаты проведенных в последние годы исследований в области весовой техники, способствуют решению поставленной проблемы. Они позволили реализовать эффективные методы и средства подавления динамических помех, возникающих при промышленном взвешивании падающих кусковых материалов, создать высокоточные цифровые измерительные преобразователи класса 0,1 для тензометрических весов. Вместе с тем, даже применение цифровых измерительных преобразователей, способных выдать достаточно точную информацию о результатах взвешивания;не позволяет значительно снизить погрешность дозирования, намного превышающую погрешность измерения массы и зависящую от большого числа случайных факторов, в том числе от нестабильности производительности и переменной инерционности загружающих устройств. Коррекция этих составляющих погрешности связана с большими техническими сложностями, вызванными случайным характером процесса и существенными временными интервалами между возникновением этих составляющих и последующей их коррекцией.
В общем случае снижение погрешности взвешивания и дозирования может достигаться усовершенствованием и повышением класса точности применяемых элементов весовой техники: конструкций весов-дозаторов, силоизмерительных датчиков, аналоговых или аналого-цріфровнх преобразователей для измерения сигнала датчиков, средств связи между датчиками и измерительными преобразователями. Перечисленные меры позволяют повысить точность взвешивания, однако общую погрешность дозирования снижают незначительно. Также недостаточно снижают погрешность дозирования повышение чувствительности нуль-органов и снижение нелинейности задатчиков дозы в аналоговых схемах дозирования.
Другим направлением снижения погрешности дозирования являет-
ся реконструкция и совершенствование технологического оборудования, осуществляющего загрузку весов-дозаторов: (электровибрационных и др. питателей и грохотов, ленточных и пластинчатых конвейеров и т.п.) с целью обеспечения высокостабильной производительности и малой инерционности этого оборудования; тщательная подготовка дозируемых компонентов путем измельчения и повышения их однородности; применение специальных приспособлений для выравнивания слоя материала на ленте загружающих весы конвейеров и т.п.
Перечисленные средства в определенной мере подлежат обязательному внедрению, в общем же случае реализация этих средств весьма усложнена, связана с большими капитальными затратами и тем не менее полностью решить проблему заданного снижения погрешности дозирования не может.
Одним из путей положительного решения указанной проблемы, получившим развитие в последнее время, является введение в состав весодозирующих комплексов и састемы смесеприготовления УСЦЦ. Основная задача этих устройств - аппаратурная реализация алгоритмов коррекции погрешности дозирования, учитывающих отклонения параметров технологического процесса. Находят применение два варианта построения указанных весодозирующих комплексов и систем смесеприготовления: с индивидуальными (рис.2) и централизованным (рис.3) УСПД. Последовательность набора компонентов и величины доз, необходимые для образования смеси, определяет программное устройство задания доз. Эти задания поступают на входы УСПД, где сравниваются с формируемыми на выходах измерительных преобразователей (ИП) текущими значениями фактически дозируемых масс компонентов. В момент сравнения и при отсутствии отклонений параметров технологических процессов УСПД осуществляет отключение загружающего устройства (ЗУ). При наличии отклонений одного или нескольких параметров технологического процесса, УСПД корректирует вели-
Мслрма ctfece/p/P/ea/7xrf/f//vj71> мЛ/б/фаиб/а/лх/ УР/7/
І /#00/р/>рацм 0ІЇ 0/Р7ХЯ0/&#шх хтех/гя/гямуес/см /pa/pa/veapffS
СБ'С/ррац/0//а/р//м7Л/м&/р; ЗУ-жг/ружа/еи^ yc/pp/>&/f/pp&?j fi-Ja/ppvt/xai МП-шме/рме/Рб/#/7 /мм^0а*0&г/Р7&гб± CJ~ схема 0bj//p06r///j?i 6'fec0fot7 fytf/cepi УС/7Д-yemPOUe/n-,ft/c.2
а*///б//>7 //74
'І
!
І
А/
/ЯХ//0/70ЄС/іЄ0А&Х /70^0/00/77/^0^
1/#0ф>/*Г0ЦМ7 00' 0/ЯМ0//0//00Х
'1
'І
/770X№?0WVSX/X /7040/40/7700^
і &07Jty7y/04j00 /^0^/7//0^0^
/,0C0/00/^/^^^^^^^<^i^/^^1^0^^t0 //0
/>t/C. J
//00.2.
чину задания дозы таким образом, чтобы исключить влияние возмущающих факторов.
Индивидуальные УСПД предусматривают коррекцию погрешностей дозирования,обусловленных динамическими помехами,нестабильностью загружающих устройств и, в некоторых случаях,отклонениями влажности и химического состава дозируемых компонентов. Централизованные УСПД позволяют,кроме того, реализовать простейшие алгоритмы коррекции погрешностей соотношения компонентов дозируемой смеси.Это является существенным преимуществом схемы на рис.3. В то же время применение индивидуальных УСПД обеспечивает большую надежность и живучесть всей системы /86/. На практике выбор схемы построения системы смесеприготовления всегда связан с некоторым компромиссом между требованиями к ее точности и надежности. Действительно, для эффективного снижения погрешности дозирования УСПД должно реализовать целый ряд новых и достаточно сложных алгоритмов коррекции погрешности, Причем число этих алгоритмов, учитывая множество возможных ситуаций, возникающих в процессе функционирования системы,возрастает по мере повышения требований к точности дозирования.С другой стороны,аппаратурная реализация дополнительных алгоритмов усложняет все устройство в целом,и,как следствие,резко снижает его надежность. В итоге выбор практически любого из вариантов при существующем подходе к построению весодозирующих комплексов и систем смесеприготовления не в состоянии обеспечить требуемые показатели по точности и надежности.
Радикальное решение проблемы возможно на основе качественно нового подхода: разработки УСПД на базе серийно выпускаемых средств вычислительной техники,реализующих эффективные итерационные алгоритмы коррекции погрешностей дозирования.С этой целью
необходимо разработать итерационные алгоритмы прогнозирования переменной инерционности загружающих устройств,коррекции погрешности предыдущих циклов дозирования при последующем дозировании с экспоненциальным сглаживанием,учета погрешностей смежных каналов дозирования и компенсации технологических отклонений процесса смесеприготовления. Указанные УСПД целесообразно ввести в состав весодозирующих комплексов систем смесеприготовления. При выборе средств вычислительной техники для рассматриваемых УСПД возможны три пути.
Первый - новая разработка специальных средств,процессоров узкого назначения.Этот путь,хотя он и сулит некоторое упрощение указанных средств,нельзя считать обоснованным из-за значительных затрат на разработку и малой серийности при последующем производстве. Кроме того,нецентрализованная разработка и изготовление вычислительных средств влечет за собой их определенное несовершенство.
Вторым путем следует считать использование набора агрегатных модулей серийно выпускаемых мини ЭВМ.Несмотря на очевидное преимущество второго пути перед первым, реализация его обоснована только как временная мера на период до освоения промышленностью микропроцессорных модулей средств вычислительной техники, позволяющих компоновать создаваемые устройства по блочно-модульному принципу. Применение модулей мини ЭВМ уместно при создании централизованного УСПД, единого для системы управления смесеприготовлением в целом, либо для группы весодозирующих комплексов в составе этих систем.
Наиболее рациональным является третий путь компоновки рассматриваемых УСПД на базе серийно выпускаемых модулей микропроцессорных систем, обладающих технической и программной совместимостью.
- л
i'J
Д7С/7/&Ж-
Процессе?/)
S/iO/rt/
/7&Л70/77Ц
Mft)
/ /іоу ТП
А к - 0Шрш/*б/ Ko/fte/ctfi/c/ л0г;0Є&//0с/77ЄУ #0л//х?а"г/р ^
Рис. 4
Малая стоимость и габариты этих модулей и, главное, их высокая надежность, достигаемая децентрализацией и повышением степени интеграции, определяет безусловную рациональность применения модулей в индивидуальных УСПД, рассчитанных на использование в составе отдельных весодозирующих комплексов.
Блок-схема такого УСПД представлена на рис.4. Введение в УСПД процессора обусловило его качественное изменение - необходимость оснащения программным обеспечением, которое реаяизует алгоритмы ввода, обработки и выдачи весовой информации, а также коррекции погрешностей дозирования.
Учитывая оснащение УСПД элементами вычислительной техники, на них целесообразно возложить также функции учета в реальном масштабе времени грузопотоков, проходящих через весы. Осуществление такого учета в современных условиях диктуется необходимостью рационального расходования и экономии сырья и материалов. Реализация оперативного учета уместна как в индивидуальных^так и в централизованных УСПД, она позволяет обоснованно и рационально управлять грузопотоками в пределах каждой системы управления сме-сеприготовлением.
Большое разнообразие освоенных и выпускаемых в настоящее время промышленностью миниЭВМ и микропроцессорных систем практически позволяет совместно синтезировать весодозирующий комплекс и УСЦД с заданными параметрами. В то же время указанное многообразие средств вычислительной техники и элементов весодозирующего комплекса создают определенные трудности при синтезе УСПД. В связи с этим для создания УСПД, обеспечивающих необходимое снижение погрешности дозирования весодозирующих комплексов, требуется последовательное решение следующих задач:
I) проведение анализа погрешности весового дискретного до-
зирования;
разработка и выбор эффективных способов и средств коррекции погрешности весового дискретного дозирования;
выбор метода и разработка методики оценки надежности УСІЩ с учетом как отказов технических средств, так и возможных ошибок в программах;
выбор и разработка критерия оценки качества функционирования весодозиругощих комплексов и УСПД;
выбор метода и разработка методики синтеза многофункциональных и многоэлементных весодозирующих комплексов и УСЇЇД на базе принятого критерия;
построение и реализация УСПД, их экспериментальное исследование и промышленное внедрение.
Возможные пути решения указанных задач рассматриваются в настоящей работе на примере весодозирующих комплексов с УСПД для систем взвешивания и дозирования плавильных агрегатов металлургических производств.
Первым объектом внедрения рассматриваемых УСПД также намечается металлургическая промышленность, для которой эти устройства особенно актуальны, учитывая ответственность и большие объемы таких, в частности, производств как доменное и сталеплавильное, а также высокую квалификацию обслуживающего персонала металлургических заводов (комбинатов), способного быстро освоить новую и сложную технику.
3. Общая характеристика работы
Методы исследования. Теоретические исследования погрешностей дозирования проведены на основе анализа математических и физических моделей с использованием методов теории информации математической статистики и теории случайных процессов. При анали-
зе надежности алгоритмов управления и синтеза рациональной структуры весодозирующего комплекса с устройством для снижения погрешности дозирования использованы графовые модели,методы теории матриц и теории вероятностей.
Научная новизна. Научную новизну выполненной диссертационной работы составляет:
-уточненная классификация, полученные значения и характер изменения основных составляющих погрешности весового дискретного дозирования сыпучих материалов;
-итерационные алгоритмы коррекции погрешности дозирования и компенсации отклонений технологических параметров процесса смесеприготовления, основанные на методе восстановительно-прогнозирующего управления;
-метод системной оценки надежности алгоритмов управления устройств снижения погрешности дозирования,учитывающий совместное проявление отказов аппаратуры и ошибок в программах;
-комплексный критерий синтеза рациональных весодозирующих устройств и устройств снижения погрешности дозирования.
Практическая ценность результатов работы заключается в использовании разработанных устройств снижения погрешности весового дискретного дозирования при создании высокоэффективных систем управления процессом смесеприготовления и шихтопо-дачи в металлургической, химической, строительной, пищевой и в других отраслях пролшшленносзги. Основные технические решения, реализованные в разработанных устройствах, защищены авторскими свидетельствами $ 520516 и }% 591716. Методика расчета системной оценки надежности алгоритмов управления может быть использована при анализе надежности вычислительных устройств, а методика синтеза- при выборе функций и состава элементов весо-
дозирующих устройств и устройств для снижения погрешности дозирования различных компонентов смеси.
Реализация результатов работы. По результатам работы разработаны, изготовлены и внедрены устройства для снижения погрешности дозирования,функционирующие в составе весодозирующих комплексов АСУ дозированием шихты доменной печи № I и ферросплавов конвертерного цеха Ш Запсибметзавода.Первая из этих систем удостоена в 1977г.,а вторая в 1979г. бронзовыми медалями ВДНХ СССР. В настоящее время внедряется УСПД в составе АСУ ТП выплавки стали конвертерного цеха Днепровского металлургического завода. Устройства учета грузопотоков разработаны,изготовлены и переданы в опытную эксплуатацию Карагандинскому и Ждановскому металлургическим заводам.Подтвержденный годовой экономический эффект от внедрения результатов диссертационной работы на Запсибметзаводе составил: по доменной печи Ж -65,4 , тыс.руб.,конвертерному цеху JI2 - 45,6 тыс.руб.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Всесоюзном научно-техническом семинаре "Надежность автоматизированных систем управления технологическими процессами и производствами"(Киев,1975г.),Всесоюзной научно-технической конференции "Техника промышлеиного взвешивания" (Одесса,1977г.),Всесоюзном научно-техническом совещании "Опыт создания и внедрения автоматизированных и автоматических систем управления (Фрунзе,1977г.),республиканском семинаре "Методы вероятностного моделирования в задачах оценки обеспечения надежности сложных систем" (Киев,1979г.),Всесоюзном научно-техническом совещании по автоматизации процессов взвешивания и дозирования"(Одесса,1981г.),семинаре "Электронное математическое моделирование и оптимизация процессов"научного совета АН УССР по комплексной проблеме "Теоретическая электротехника,
электроника и моделирование" (Одесса,1982г.),республиканоком семинаре "Прикладные вопросы надежности аппаратурного и программного обеспечения вычислительных систем" (Киев,1983 г.), школе передового опыта на базе тематической выставки ВДНХ СССР "Применение микропроцессорных средств в народном хозяйстве" (Москва,1984г.)
Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 печатных работ, получено и использовано два авторских свидетельства на изобретения.
Структура и объем работ. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, основных выводов и результатов работы, приложения. Основное содерніание работы изложено на 143 страьшцах машинописного текста, содержит 31 рисунок, II таблиц, список использованной литературы из 105 наименований и приложения на S7 страницах.
В введении анализируется современное состояние проблемы и производится постановка задачи исследования.
В первом разделе проведены аналитические и экспериментальные исследования, направленные на выявление источников возникновения и характера изменения составляющих погрешности весово-го дискретного дозирования. Получена уточненная классификация и аналитические зависимости этих составляющих. Разработаны эффективные итерационные алгоритмы коррекции погрешности дозирования.
Второй раздел посвящен анализу надежности алгоритмов, реализуемых в устройстве для снижения погрешности дозирования, что-дало возможность определить системную оценку надежности, учитывающую отказы аппаратуры и ошибки в программах. В третьем разделе выполнен синтез структуры и функций
предлагаемого устройства с весодозирующим комплексом по комплексному критерию, учитывающему показатели точности дозирования и надежности.
Четвертый раздел посвящен вопросам технической реализации и испытаниям устройств для снижения погрешности дозирования, проверке их работоспособности и получению основных метрологических характеристик.
Приложения содержат документы, подтверждающие внедрение результатов диссертационной работы, акты натурных испытаний устройств, доказательства конечности алгоритма поиска максимального пути на графе, изложение на реальных примерах методик синтеза структуры весодозирующего комплекса с УОПД и оценки надежности алгоритмов.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ
Результаты аналитических и экспериментальных исследований основных составляющих суммарной погрешности весового дискретного дозирования сыпучих материалов и эффективные способы их коррекций, основнные на использовании интерационных алгоритмов.
Методика оценки надёжности алгоритмов управления устройств снижения погрешности дискретного дозирования.
3. Методика синтеза рациональных весодозирующих комплексов
устройствами для снижения погрешности дискретного дозирования
по комплексному критерию, учитывающему показатели точности и
надёжности.
I. ПОГРЕШНОСТИ ВЕСОВОГО ДИСКРЕТНОГО ДОЗИРОВАНИЯ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ И СПОСОБЫ ИХ КОРРЕКЦИЙ
I.I. Виды погрешности весодозирущих комплексов
В современном промышленном производстве УСЕЩ в подавляющем большинстве случаев используются в составе весодозирующих комплексов для приготовления технологических смесей различных компонентов. Целевой функцией таких УСПД является минимизация как погрешностей дозирования отдельных компонентов, так и погрешностей соотношения масс компонентов в смеси, поскольку качество приготовленной смеси в равной степени зависит от этих двух показателей.
Для получения качественной смеси должно выполняться заданное соотношение компонентов:
Мс Н" Мс п> 'Мс Нс ' О.Л)
где Мс - суммарная масса смеси, Мс - масса L-vo компонента,,
Z-=I,... /7 , Pi ... Pi - постоянные коэффициенты, определяющие долевое участие каждого компонента в смеси.
Поскольку Мс ът, а также учитывая, что в процессе приготовления смеси фактическое значение Мс остается неизвестным до набора последнего компонента, обычно в качестве эталона (ведущего компонента) выбирают компонент, оказывающий определяющее влияние на качественные показатели смеси:
hk-ач * Mt тП - . Mc.n.
где Mi - масса ведущего компонента, ^ , Cft ... 0^ —
постоянные коэффициенты, определяющие соотношение данного компонента с ведущим. На практике, однако, дозирование компонентов смеси происходит с погрешностями. С учетом этого имеем:
Mc--M
С.'2.
Mf/tfMil-AMt, (I-5>
где &Qi - абсолютная погрешность соотношения компонентов смеси, /\Мі и АМс - абсолютные погрешности дозирования соответственно первого и -го компонентов, jU, (M4J и и(МС) математическое ожидание доз первого и -го компонентов,
Подставив (1.4) и (1.5) в (1.2), а также пренебрегая величинами второго порядка малости, определим:
М№)/и(М,)№У<йМ,& *Ц(М,)Ыц t (1.6)
откуда имеем:
аИ-#*-
Подставив (1.7) в (1.3), получим:
Введем обозначения:
ОісІ--рг- I (1.9)
Ж^; (1Д0)
где дссЗ - относительная погрешность соотношения, обусловленная неточностью дозирования 6-го компонента; ОСсм- относительная погрешность соотношения, обусловленная неточностью дозирования ведущего компонента. Коэффициент Ос в выражении (I.IO) учитывает соотношение масс ГІ1 и Mo . С учетом (1.9) и (I.IO) перепишем (1.8):
Мс = м, (де * Set* - 8і'ш). (lid
Нетрудно видеть, что выражение (І.ІІ) справедливо и для случая дозирования одного компонента.
Для получения приведенных значений погрешностей Ос'сЗ и qccm введем нормирующий множитель Mi JМп , где Мп - предел измерения весового устройства дозатора:
Сс1~ Мп Мп
Ссем- Мп - Мп ус
Таким образом, основной задачей УСГЩ является минимизация двух видов погрешностей: fah и }fu* , первая из которых учитывает собственные погрешности дозирования отдельных компонентов, а вторая - погрешности соотношения компонентов в смеси, вызванные неточностью дозирования ведущего или других смежных компонентов.
Существенное влияние на качество смесеприготовления оказывают различные отклонения технологических параметров процессов приготовления смеси и ее последующей обработки. Характерной особенностью результата влияния указанных отклонений является то, что они могут быть скомпенсированы соответствующим изменением дозы определенного компонента. Например, изменение влажности некоторого компонента можно компенсировать соответствующим изменением (с обратным знаком) дозы этого же компонента, а также, если это требуется, изменением дозы топливного компонента для обеспечения испарения влаги, присутствующей в смеси. Иными словами,изменение величины дозы обеспечивает косвенную компенсацию некоторых отклонений технологических параметров процесса смесеприготовления.
Величина приведенной к 1-му каналу погрешности, обусловленной колебаниями указанных параметров, равна:
где dC -I'd- влияющий параметр технологического процесса. Четвертым видом погрешностей, оказывающих влияние на точность смесеприготовленяя, являются инструментальные погрешности элементов весодозирующего комплекса (погрешности: кабеля -Хик , тензодатчика - КиА , измерительного преобразователя - Кип , задатчика дозы - Км* ) Вопросы анализа и коррекции этих погрешностей достаточно хорошо освещены в специальной литературе, поэтому в дальнейшем основное внимание уделено анализу и разработке методов коррекций первых трех видов погрешности дозирования.
1.2. Погрешности дозирования локальных весодозирующих комплексов
В любом случае задача весового дискретного дозирования сводится к набору некоторой массы M(l) , соответствующей заданию rl$ . Формирование величины M(t) происходит при участии целого ряда элементов весодозирующего комплекса (рис.1.1), которые, из-за неидеальности своих параметров, вносят в этот процесс определенные погрешности.
С учетом этого операцию набора W/V можно представить в виде суммы ожидаемой массы задания дозы Mj и некоторой приведенной погрешности дозирования fa\
где JUL (М) - Mj - математическое ожидание дозы.
В общем виде приведенная погрешность дозирования )fz представляет собой композицию ряда составляющих.
Вопросам идентификации этих составляющих и разработке способов их коррекции посвящено значительное количество работ, среди
СХЄЯ0 ЄС0&Я//>1/ЩЄ& *0/*7/7/7/(СД
Xnfatfc Хв}Хо,Хр Хид^Хик Xu/r
/ФУМі)
Хсм, Хвл,Хкп
В6- iecffSov ёуже/>;
Л - fneMi0/>PSt/e/Z>0/>//6/> сг//г0шмерг//7?ы&ш cb/TWirxt/j
СД- схема #04&а/я//?; ПА- /7/7&шб#б// сг/>ееа/77
Рис. / /
которых следует отметить /48,56,57/. Как показано в этих и в ряде других работ, точное определение характера погрешности имеет существенное значение для разработки адекватного и наиболее эффективного способа ее коррекции. В частности, в работах /56,57/ была сделана попытка классификации погрешностей по признаку источника их возникновения. При этом выделялись три вида погрешностей: две, обусловленные действием низкочастотных помех и одна, обусловленная действием высокочастотных помех.
На основании выводов, полученных в /56/, были разработаны серийно выпускаемые в настоящее время вторичные измерительные преобразователи Ф4232 для весовых дискретных дозаторов, реализующие аппаратурные и структурные способы коррекции указанных погрешностей. Вместе с тем, как показал опыт применения преобразователей Ф4232 в составе весодозирующих комплексов, эффективность предложенных способов коррекции погрешности дозирования оказывается неудовлетворительной. Во многом это объясняется ограниченными возможностями технических средств, реализующих предложенные способы коррекции погрешностей дозирования, а также недостаточным объемом анализа этих погрешностей. В частности, в работах /56,57/ совершенно не учитываются погрешности, возникающие при составлении смесей различных компонентов, а также не рассматриваются возможности компенсации отклонений технологических параметров процесса смесеприготовления.
В связи с этим потребовались тщательные аналитические и экспериментальные исследования, направленные на выявление и уточнение источников возникновения и характера изменения составляющих погрешности дозирования.
При этом основное внимание было уделено анализу погрешностей, вносимых питателем П (рис.1.1), узлом весового бункера ВБ и
схемой дозирования СД, поскольку погрешности датчиков Д, вторичных измерительных преобразователей ЙЇЇ, а также влияние соединительного кабеля достаточно хорошо освещены в специальной литературе.
В соответствии с предложенной в /56/ математической моделью, весовая система дозатора представлена в виде одномассо-вого вибрационного механизма с переменной массой МЩ вибрирующего органа (весового бункера), характеризуемого жесткостью
С . Перемещение X весового бункера, обусловленное действием текущей массы материала в бункере М(1) и ударами кусков падающего материала массой /77'() , описывалось согласно /6/ дифференциальным уравнением второго порядка с переменными коэффициентами:
где F(X, -ргг ) - член, учитывающий нелинейность системы,
- положительный малый параметр, указывающий на малость
указанной нелинейности, - член, учитывающий харак-
тер внешнего возмущения (удары кусков падающего материала).
Решение уравнения (I.I3) относительно амплитуды высокdaao -тотных колебаний находилось с использованием асимптотических методов для заданного числа приближений.
В результате было получено выражение для максимального значения приведенной погрешности #а » обусловленной действием высокочастотных помех:
)
т»Ы fr;n„ tinГпіі\4Л\ (ІД4)
Wf&*{sqnsin[Q(i)i]}t
где /77/9 () - амплитудное значение массы падающих в бункер частиц, Ир - резонансный коэффициент, определяющий степень возрастания амплитуды колебаний весового бункера в резонансных зонах по сравнению с амплитудой стационарных колебаний.
Практически величина ҐПа (t) определялась из условий соударения наиболее тяжелого (по допуску) куска дозируемого материала, падающего с наибольшей высоты, о материал, находящийся на дне пустого бункера /52/:
rr7*/tJ-J/ 1 м j.2>h(t)Хетт ft)
где Хст - статическое перемещение весового бункера под воздействием массы падающего куска /Tift) , п(І) - высота падения, л/77 - коэффициент пропорциональности, отражающий зависимость величины перемещения (сжатия) тензодатчика от приложенной массы,
Qm - коэффициент приведения масс, учитывающий интенсивность взаимодействия малого куска падающего материала и большой массы материала в бункере.
Полученное в /56/ выражение (I.I4) для /в определяет максимальную величину этой погрешности, которая пропорциональна амплитудному значению массы падающих в пустой бункер частиц. В дальнейшем это выражение использовалось /56/ для характеристики метрологических параметров дозатора во всем диапазоне дозирования.
В действительности, как показывают выражения (I.I5) и экспериментальные исследования, величина ҐПа не остается постоянной, а изменяется в процессе набора дозы в соответствии с изменением M(t) и hft) . Следовательно,
п^Ш-тМ-^-і, (ІД6)
где zh - время начала набора дозы.
Для определения выражения (І.І6), найдем ~І72—
С целью упрощения положим, что все куски дозируемого материала
имеют одинаковую массу, т.е. ftf (t) = ҐП - СОПХІ*
Прологарифмировав (І.І5) найдем его дифференциал и, заменив
дифференциалы элементарными приращениями, получим абсолютное
значение изменения , определяемое соответствующими при-
ращениями
Ат*()К4%- M2(t) +$гСТ MM hit)]'1- (ІД7,
где Oh (к) - относительное изменение высоты падения дозируемого материала, Ом (Ь) - относительное изменение массы материала в бункере, причем:
X, AM). g u.AM(t)
Подставив (I.I7) в (I.I6), получим реальное значение ҐПл(І) для заданных величин
hit) и M(t) .
Недостатком формулы (I.I4) является также игнорирование того факта, что в результате демпфирующего действия струи падающего материала амплитуда колебаний бункера по мере его загрузки уменьшается по следующему закону:
Щ^-^КЛМШГ^КрсШ
Хо ґ і (І.18)
где Хо - амплитуда стационарных колебаний бункера,
лс (і) - амплитуда колебаний бункера подверженного действию внешней возмущающей силы, Крс (І) - коэффициент, определяющий изменение амплитуды колебаний бункера в процессе его загрузки, Кх - коэффициент пропорциональности.
Найдем значения для t~ Ьн и t=. р :
_/
Крс(Ь)--КхіМ(ін)]\
(І.І9)
Г 7 * ' (1.20)
где д, - время окончания набора дозы.
Разность (1.20) и (1.19) определяет величину снижения амплитуды колебаний бункера по мере его заполнения:
Подставив (І.І7) и (І.2І) в (І.І4), получим уточненное выражение для погрешности Й :
Л - LKP -AKpcfiJ] ^ {siq* sm[Q(t)]}.
(1.22) Таким образом, величина погрешности У$ (ее максимальное
значение) имеет явную тенденцию к уменьшению по мере заполнения
весового бункера.
В качестве иллюстрации к сказанному, на рис.1.2 приведены
JaSl/CtfrftfC/TTS iZ/7/7//77/3>/ V V&C/770/776/ /<0/7fi7//4V/ &C0&Z0 %///*/>& &/77 <Г/В&70/Л/ J0/7O#//
W^ Ф)
Рис. a
фрагменты экспериментальных зависимостей амплитуды и частоты колебаний весового бункера от степени его заполнения. Здесь для наглядности изображена только основная гармоника колебаний бункера. Моменты времени ti и t& соответствуют областям субгармонического резонанса, когда частота внешней возмущающей силы лежит вблизи обертонов собственной частоты. При дальнейшем увеличении Mfi) указанная тенденция сохраняется.
Получение аналитических выражений для всех прочих составляющих погрешности дозирования, возникающих в узлах питателя П и весового бункера ВБ (рисДД) связано с анализом уравнения баланса весовой системы дозатора /48,56,57/.
В идеальном случае в установившемся режиме суммарная масса весового бункера, приложенная к тензодатчику, равна:
М*Ш-'М,*М()'М*, (1.23)
где Мо - масса пустого бункера, М* - эквивалентная масса, создаваемая устройством компенсации тары, причем, по условию
- погрешность компенсации тары. Учитывая, что после каждого цикла дозирования в бункере остается некоторое количество налипшего материала ҐПо , перепишем (1.23) для моментов полного опорожнения бункера to и окончания набора дозы to :
Mz{lo):Mo -{Моі/\Мо)+/Ло=/По±ДМо , (1.24)
Mi (tf) -- Mfif) +mo ±AMo , (I#25)
где /77* t&Mo - абсолютная величина составляющей погрешности дозирования, обусловленная налипанием материала на стенки весового бункера. Приведенное значение ее равно:
0 —Mn (I,26)
Полезная нагрузка r/(zj на весовой бункер в процессе
дозирования состоит из массы материала в бункере М$1~1) и не
которой условной массы , эквивалентной давлению
струи падающего материала (рис.1.3):
M(-ihMsH)+мМ. (1-27)
Воспользовавшись известными /48/ зависимостями, перепишем (1.27):
(1.28) где 5(w - производительность питателя, Tq(t) - время работы питателя, Уп (ъ) - скорость падения материала, А -коэффициент динамики, учитывающий физические свойства дозируемого материала.
После отключения питателя за время переходнях процессов в бункер дополнительно. падает масса материала, равная сумме масс столба:
мм- ЩИ т. Ш
и части материала в питателе, высыпавшегося после прекращения загрузки бункера:
Mji)"G(ijTM(-6J, „.ад
где In і7-/ - время падения столба дозируемого материала, Тм(і) ~ время, определяющее инерционность питателя*
f /7/?0цегг* J&e/y&a/ &&0&г
/>м. /.3
&ca/*0bJaM/s /0$ае*мра7яр# srty&t/ г/гул/?*/
PS 00/0./7шам&н?
Риє. /Л
Переписав (1.28) с учетом (1.29) и (1.30), получим полное уравнение загрузки весового бункера:
М(фВ(ЩШ-С(1)7пШ-
(I.3I)
-6(1)Т„({)+0({)ЛК({).
Для количественной оценки степени влияния каждого члена уравнения (I.3I) на точность набора дозы, найдем частные производные от функции МН) по всем переменным. Перейдя затем от дифференциалов к элементарным приращениям и представив каждую переменную в виде ее математического ожидания и элементарного приращения получим аналитические выражения для составляющих погрешности дозирования, обусловленных нестабильностью процесса загрузки весового бункера (для удобства дальнейшего анализа здесь приводятся их приведенные значения):
- составляющая погрешности, вызванная нестабильностью производительности питателя:
^---L[s!cjnAG(i)]{KTf({J]-MTnUrJ-
' іп (1.32)
- составляющая погрешности, вызванная нестабильностью
инерционности питателя:
К^р'-?»Ати({)]^[(5({ЛАтиН); (1.33)
- составляющая погрешности, вызванная изменением времени
падения в бункер дозируемого материала:
Xc -.1- cstqn A Tn ()]ju [(5(1)] A Tn(i); (I>34)
- составляющая погрешности, обусловленная изменением ско
рости падения дозируемого материала:
ft: [siqnA VnftJJjuCGftJJlAVn ft}; (I<35)
- составляющая погрешности, определяемая неточностью схе
мы дозирования, осуществляющей управление питателем:
Ь-Wf А75(i)JM- [6fi)JATfft). (I_36,
Таким образом, выражения (1.22), (1.26), (1.32) ... (1.36) определяют значения составляющих собственной погрешности дозирования локальных дозирующих устройств.
1.3. Влияние погрешностей дозирования смешых каналов и отклонений технологических параметров процесса см ее епр заготовления
Как показано в разделе I.I при составлении смесей массы отдельных компонентов выбирают исходя из требуемого соотношения химических элементов, входящих в состав этих компонентов с учетом возможной потери некоторых химических элементов в процессе дальнейшей обработки смеси. Естественно, что любое отклонение массы 7-го компонента от задания приводит к нарушению его соотношения с остальными /7-І компонентами, т.е. к возникновению дополнительной погрешности, внесенной j-м компонентом. Совершенно очевидно, что отклонения химического состава /-го компонента также приводит к нарушению его соотношения с остальными /7-І компонентами смеси.
В связи с этим погрешность і -го канала, обусловленную неточностью дозирования и непостоянством химического состава компонента, дозируемого в J-ш (смежном) канале, назовем вне-сеяной суммарной погрешностью 6 -го канала - fan
Каналом в данном случае будем называть любой разнесенный в пространстве (на различных технических средствах) или во времени (с последовательным использованием одних и тех же технических средств при многокомпонентном дозировании) процесс набора дозы. При этом будем полагать:
L--4.., п, J4...m, im} 6{n}, l^j, (Ie37)
где /7 - общее число дозирующих каналов в системе; /77- число дозирующих каналов, оказывающих влияние на 6 -й канал.
Дозы отдельных компонентов смеси задаются,исходя из требуемого соотношения химических элементов, входящих в состав всех компонентов с учетом их возможного угара в процессе плавки. По-существу, задача составления шихты плавильного агрегата представляет собой пример известной "задачи о смеси", рассматриваемой в теории линейного программирования Д05/.
Для определения погрешности смежного канала )fcrt воспользуемся методикой расчета шихты /69/ и методикой определения погрешностей дозирования компонентов шихты /12/, При этом основное внимание уделим влиянию погрешностей дозирования и отклоне-ний химического состава в J -м канале на суммарную погрешность дозирования 6 -го канала.
Пусть в момент времени в j-и канале произошло дозирование с некоторой погрешностью tij , чем нарушается заданное соотношение в шихте 6-го химического элемента. Если в момент времени ( t+At ) в 6-м канале без погрешности дозируется
! E;\n.c.V'
j vmr:.'..:.. J л:;и:
другой компонент, содержащий L химический элемент, то в итоге соотношение і -го элемента в шихте не восстановится. Это позволяет рассматривать процесс дозирования в і -м канале как дозирование с погрешностью, равной (с учетом масштаба) погрешности в у'-м канале. Аналогичные рассуждения можно применить и при отклонениях химического состава компонента, дозируемого в J -м канале.
Теоретическое содержание -го химического элемента в шихте модно определить выражением:
Ч"- Мш (1-38)
где Mj - масса компонента, дозируемого в у-м канале,
QЛ - содержание і -го элемента в компоненте, дозируемом в у'-м канале. Мш - суммарная масса шихты.
Поскольку на практике дозирование происходит с погрешностями и химический состав компонентов колеблется в некоторых пределах, представим величины М/ и Cfji в виде сумм их математических ожиданий и случайных отклонений:
Mj--f*(Mj) + &Mj,
9л --И'(9л)f А 9л
Подставив значенім Mj и Qji в (1.38), получим:
" Для определения влияния погрешности _/-го канала дозирования и колебаний химического состава компонента на содержание /-го элемента в шихте, найдем разность (1.39) и (I.-38):
А .. нмйьдк *м(йл)т^ ало
' Мш
Введем следующие обозначения для относительных отклонений содержания /-го химического элемента соответственно в шихте в целом и в компоненте, дозируемом в Jча канале:
У - Л Qi (I.4I)
у, . А ЙЯ (1.42)
где Ц^ - коэффициент потерь /-го химического элемента в процессе переработки смеси; и .для относительной погрешности дозирования в 1-й канале:
У. - ЛМ/ (1.43)
Найдем из (I.4I ... (1.43) выражения для A Q, , A Qji и AMj:
A Mj - fa (Mj)-
Подставив эти значения в (1.40), после несложных преобразований получим формулу для определения относительной погрешности дозирования в J -м канале в зависимости от погрешности содержания 6-го элемента в шихте и колебаний содержания 6-го хими-ческого элемента в компоненте, дозируемом в J -м канале получим;
Ъ = -&(Ь-*л), «-44>
, Kl . .
где Kt - —л^ ' -коэффициент учитывающий долевое соотно-шение компонента / -го канала в общей массе шихты.
Очевидно, что для восстановления заданного соотношения хи-
*
мических элементов в шихте, задание дозы в 6 -м канале должно быть соответствующим образом скорректировано. Это равносильно коррекции при увеличении погрешности дозирования в 6 -м канале на величину:
М fM/)
Таким образом, выражение (1.45) определяет величину погрешности соотношения компонентов в смеси.
Особым видом погрешностей весодозирующих смесеприготови-тельных комплексов являются косвенные погрешности,обусловленные нестабильностью технологических параметров процесса смесе-приготовления. ^аиболее распространенными погрешностями этого вида являются погрешности,вызванные колебаниями влажности дозируемых компонентов и непостоянством коэффициента /І потерь С -го химического элемента в процессе переработки смеси,
Найдем аналитические выражения для этих погрешностей. Вначале рассмотрим формирование погрешности, обусловленной колебаниями влажности дозируемого компонента. При этом для определенности рассчитаем влияние колебаний влажности на погрешность дозирования топливного компонента смеси (например, кокса, входящего в состав шихты, загружаемой в доменную печь). При расчете задания величины дозы топливного компонента исходят из некоторого усредненного значения его влажности LL (Wt) = W3t 9 где \А/$т _ коэффициент, учитывающий заданное значение влажности топливного компонента, принимаем его значение от 0 до I. При этом математическое ожидание количества влаги jLL (Mw) содержащегося в топливном компоненте равно:
/* (Mw) -- М (Mr*) Wsr,
где Мт vf - общая масса топливного компонента. Очевидно,что математическое ожидание чистой массы /LL (Мт) топливного компонента равно:
lx(Mr)*fJ.(Mrw)(4-W,T). {1М)
Поскольку коэффициент, учитывающий фактическое значение влажности \Мрг отличается от заданного на величину AWr :
Wpr --М (W,)-lsiqn&WJA W*> (1.47)
после подстановки (1.47) в (1.46), подучим:
Мт --Н- (MiwiV-M Wr)]-iu(Mr^[j/irrAWr]&Wr-aAS)
Введем обозначение:
&Mi * М Mtw) AWr, (1.49)
где АМг- абсолютное значение погрешности дозирования топливного компонента из-за колебаний влажности. Перепишем (1.48) с учетом (1.49):
. Mt--/u(Mt)-[si?/7AWt]AMt- (i#50)
Таким образом, с увеличением влажности количество топливного компонента в смеси уменьшится, а количество влаги увеличится на величину ЛМт На испарение этого количества влаги необходимо затратить некоторое количество тепла:
Q»--r&Mr> (I.5I)
где Г - удельная теплота испарения воды.
С другой стороны, указанное количество тепла может быть получено от сжигания некоторого количества топлива массой
ДМп = & >
(1.52)
где Н - удельная теплота сгорания топлива. Сопоставив (I.5I) и (1.52), найдем:
AMtt-j-AMt-
(1.53)
Просуммировав (1.49) и (1.53), получим суммарную величину погрешности, вызванной колебаниями влажности топливного компонента:
(1.54) Приведенное значение косвенной погрешности, вызванной коле-
баниями влажности дозируемого компонента, равно:
й, --[sign &Wt]&$*.
' (1.55)
Рассмотрим далее влияние на качество смесеприготовления колебаний коэффициента потерь/(^ /-го элемента в смеси. При этом следует заметить, что величина Ki обычно выбирается для оптимального режима переработки смеси. На практике изменение различных технологических параметров (температуры, давления и др.) приводит к соответствующему изменению Ki
Результат влияния этих изменений будем находить в виде отклонения величины Ґ/ (1.44) в зависимости от изменения AJ, Для этого найдем дифференциал от ^' по л/, . Заменив, как и ранее, дифференциалы элементарными приращениями, получим абсолютное значение погрешности, обусловленной колебаниями коэффициента потерь:
N (1.56)
Приведенное значение этой погрешности равно:
МП (1.57)
В сумме погрешности fan (1.45), fa (1.55) и fan (1.57) характеризуют качество технологического процесса смесеприготовления.
дозирования 1.4. Анализ погрешностейувесодозирующих комплексов
С уммарная погрешность весодозирующих комплексов является композицией составляющих, рассмотренных в разделах 1.2 и 1.3:
tfz = {fa '/ & / tin ', Sm ,' fc J tp і #q J Гем / #іл I
(1.58) Ііг/г/ fax і ІҐиа ,' ҐИП j <ґмз}.
Получение аналитической зависимости (1.58) и вычисление суммарной погрешности Ут является весьма трудоемкой задачей. Согласно ГОСТ 8.011-72 "Показатели точности измерений и формы представления результата измерения" и методике, описанной в /82,83/ для нахождения tfz необходимо произвести следующие операции:
1) произвести подготовку к суммированию, при которой:
а) разделить погрешности на систематические и случайные,
аддитивные и мультипликативные;
б) для случайных погрешностей найти математическое ожида
ние, среднее квадратическое отклонение и закон распределения;
в) определить корреляционные связи между погрешностями;
произвести суммирование систематических погрешностей;
произвести суммирование случайных погрешностей в следующем порядке:
а) найти сумму математических ожиданий случайных погреш
ностей и сложить с систематическими погрешностями, получив в
результате систематическую составляющую погрешности,
б) найти среднее квадратическое отклонение и закон рас
пределения каждой случайной погрешности.
С целью проведения достоверного анализа составляющих по-
грешности дозирования в рамках настоящей работы были выполнены экспериментальные исследования влияния различных факторов на результат дозирования. При этом исследуемые погрешности условно разбивались на две группы. В первую группу вошли погрешности, обусловленные нестабильностью факторов, действующих по входу (fa, & і th,tftf,fc,tp ). Ко второй группе отнесены погрешности, являющиеся результатом дейатвия помех общего вида - температуры, напряжения сети и т.д. ( Ц, faxf їид, fan, //// ). В соответствии с указанной группировкой были разработаны две схемы экспериментальных устройств, каждая из которых позволяет исследовать влияние определенной группы факторов, исключив влияние факторов, несущественных для данного эксперимента.
Схема экспериментального устройства для исследования погрешностей первой группы, приведена на рис. 1.4. Экспериментальное устройство представляет собой физическую модель весодозиру-ющего комплекса с реальным трактом подачи дозируемого материала, причем тензодатчик, измерительный преобразователь, задат-чик дозы и соединительный кабель ограждены от влияния помех общего вида (размещены в помещении с практически постоянными климатическими условиями и питаются стабилизированным напряжением).
Особенностью экспериментального устройства является наличие отсекающего механизма ОМ с двумя отсекателями струи: верхним ОС I, установленным непосредственно под срезом лотка питателя и нижним 0С2, установленным на уровне верхней границы заполнения весового бункера. Нижний отсекатель, кроме того, имеет возможность вертикальной перенастройки при изменении величины дозы (изменении верхнего уровня насыпания материала). В процессе набора дозы оба отсекателя отведены в сторону и дози-
руемый материал беспрепятственнв поступает в весовой бункер ВБ. Текущая масса материала в весовом бункере согласно (I.3I) равняется:
M(t) -G(t)CTq(t) - Tn(t) -ТиШ +1 VnflJ].
(1,59)
В момент времени t-btf , М(к) -Mj. , где Mi. - задание дозы, измерительный преобразователь ИП (содержащий схему дозирования) отключает питатель П и одновременно включает отсекающий механизм ОМ. Масса дозируемого материала при этом разделяется на три части: массу материала в бункере М& (t) , массу материала в столбе Мс (if) и массу материала в питателе Пи ftc), которая по инерции высыпается после его остановки.
Очевидно, что
(1.60)
Me (it) *G/if)r„ff), (і.6i)
M„t,)=6(i,)T*(t4). (1.62)
Величина фиксируется цифропечатающим устройством в момент остановки питателя (до окончания переходных процессов). По истечении времени переходного процесса Д второй член уравнения (1.60) обращается в нуль, поскольку после отсечения струи Vn (t(j *Л) -О, Полученный результат вновь фиксируется цифропечатающим устройством:
Ма(іч *Ai)* G(t4) Тй (t4)l (i.63)
Т.К.
G(t,+At)'G fi
Разность выражений (1.63) и (1,60) опрелеляет абсолютную величину погрешности, вносимой давлением струи падающего материала:
A Mfft) - 6 (t4)JL Va (t4). (1.64)
Массы Mcftfjj и Ми (tq) собранные на отсекателях 0С2 и 001, затем взвешиваются на отдельных весах класса 0,1.
Влияние высокочастотных колебаний весового бункера фиксируется следующим образом. Вначале при помощи быстродействующего регистрирующего устройства для некоторого достаточно малого отрезка времени /Si фиксируется /7 показаний измерительного преобразователя:
М,, Мг-" Mi ->.Мп ,
(динамическая погрешность за время Л Г принимается равной нулю). Затем определяется математическое ожидание массы по результатам /7 измерений:
/и (Мы). -- ~г І Мі
(1,65)
и ее среднее квадратическое отклонение:
6 (м„), ^ітіІЛМґрШ,?.
(1.66)
Величина Ув для доверительной вероятности 0,95 и нормального закона распределения вычисляется по формуле:
*ь**6(Мм)л, (1.67)
Численные значения остальных составляющих погрешности первой группы получены обычным путем.
В процессе эксперимента получены зависимости составляющих погрешности дозирования в функции кусковатости дозируемого материала, измеряемой в % наибольшего предела взвешивания дозатора (НПВ) - рис.1.5, объемной плотности дозируемого материала -рис.1.6, величины набираемой дозы - рис.1.7 и производительности питателя - рис,1.8, Указанные значения составляющих погрешности приведены для доверительной вероятности 0,95. Кроме того, на рис.1.9 представлены гистограммы распределения составляющих погрешности для ограниченных выборок.
Вид полученных в результате эксперимента зависимостей требует некоторого пояснения. Увеличение погрешности %о (рис. 1.5) при малых значениях кусковатости определяется тенденцией мелкодисперсных порошков к слипанию, а увеличение ее при больших значениях кусковатости обусловлено еводообразующим эффектом кусковых сыпучих материалов. Волнистый характер графика для погрешности Х& на рис. 1.7 обусловлен возрастанием амплитуды высокочастотных колебаний в резонансных зонах, т.е при выполнении условия /7/ :
Q(i) = ZY-'GOJ
где Z и V - взаимно простые числа;
Q_(~L) - частота собственных колебаний бункера; Q0 - частота внешних возмущений. Схема экспериментальной установки для исследования погреш-
#000/^00/776 с00/т7а&/7/00/0х 002//00///00070 0/77
/Сі/0/С0
/0-4 Pl/0. /5
/7p0VjJ&$//773f6#0f/776*C0/7St
Лусю0070С/яг> {%НПВ)
3&S000/V0C/776 00C/770&7/7/00/0X 002/700//0^/770 0/7? 0&ЗЄ07//00 /700/77/700/770 д030/?/0076/Х 740/77^000-40^
tyCMf0070C/776 - 00/7St np00jA70n00?^u//0C/776=C0/7S^
-ti
(-
Pl/C. /.0
// Митая
/М0/лм7стб1 ft'/Ofy/if)
Jat/C//*77C/776 С0С/77&б7/?/0ЩбиГ /7M/70#0?/77{/ (7/77 fe№///#6/ ##///7/72/40/7 /7/ZJ&/
ів-
\
\
\
fyC*aS/7/7P0C/V6 - C<7/7St= /0 ~4 f%#/73) ПрОшй&{//77Є/7бН0С/77б - С0Л* t
\
0~
\
\
(ff-
4/-
\
//
\
\
\
\
\
Земчина Sum (% НПЗ)
Pi/C.17
3aOL/CC/A70C/776 e0C/77a<&7J?/0lt/tAC /7^/700//00/77^ 0/77 /7/?0&J0b&/77&76//0>0/77J /74//770/770^/7
\/A /fl/Mofa/770C/776 s0/2St ДШгСО/JSt
2fi\
00 в
Рис./.в
Г№/Мф0/№&/Р0СфЯМЄ/МР fW/7?ad?/Z04pW /ta^WfffW 0&ф0&№?
N
4i~
зо-
Ю
fO-
0,2
~Шoj 0,8 Ко{%) -0,7/ '02 О
Ч*
*;
Ю
ЗО-
fO
/О-
-0.2
$ # об Ш " 4* 4* ^ *' *»№
*)
г)
3Q-
ГО-
/0-
С
02 4 0,6 ОвХсМ -W -У*
-0,2 -0/
*ш
9)
Рис. 19
ностей второй группы (обусловленных влиянием помех общего вида) приведена на рис.1.10. Здесь с целью исключения влияния случайных факторов, тракт подачи дозируемого материала заменен физической моделью, выполненной в виде прецизионного потенциометра ft , приводимого в движение исполнительным механизмом ИМ со схемой управления СУ. Входной сигнал ш --M(t) задается тензодатчиком Д, нагруженным усилием, имитирующим максимальную массу весового бункера и прецизионным потенциометром . Величина входного сигнала Их определяется выражением:
Ux - Кпр Q tqt Сімох =М(Ь<}) ; (1в68)
где Кпр - коэффициент пропорциональности учитывающий передаточное отношение исполнительного механизма ИМ, Q - скорость вращения двигателя, qi - время работы двигателя; Umax -выходной сигнал тензодатчика, соответствующий нагрузке Р ~Ртах*
Экспериментальные зависимости составляющих погрешности дозирования второй группы от изменения напряжения питания представлены на рис.1.II, от изменения температуры окружающей среды-на рис.1.12. Вид завииимостей для fofi, fan и &ИЗ на рис.1.II учитывает наличие стабилизированных источников питания, устраняющих влияние колебаний напряжения сети в пределах диапазона стабилизации. Наличие минимума у кривых для Кик , КиА и fan на рис. I.I2 в районе + 20С связано с тем, что первоначальная установка нуля и масштаба производились при данной температуре. Изменение окружающей температуры от номинального значения приводит к увеличению погрешности измерения.
Располагая приведенными статистическими данными можно перейти к анализу погрешностей весодозирующих комплексов и вычислению суммарного значения погрешности.
для асмедябамя ^греа/мяс/яе*/
P=Pmax"CMst
Ух=МІЇ)
Кабель cfau
рас. /. /О
Ja//r///>7/7s/776 00^/77/7/^/0/^0^'/70#>ew0av//'00 //<7/7/7ж/>//а/?
/7a/7/a//////
а/*//;
аж/* Рас / //
Рас. / №
la) Разделение погрешностей на систематические и случайные.
Как показано в /83/ основной причиной возникновения систематических погрешностей средств измерений является действие таких влияющих величин как изменение напряжения питающей сети, температуры, давления, влажности, старения схемных элементов, действие неинформативных параметров измеряемой величины и др.
Как правило, основные усилия по борьбе с систематическими погрешностями предпринимают на стадии разработки средств измерений и в дальнейшем при использовании этих средств измерения, учитывают только случайные погрешности. Подобная гипотеза об отсутствии систематических погрешностей в процессе дозирования была принята в работе /56,57/. Однако, как показал опыт, игнорирование систематических погрешностей весодозирующих комплексов приводит к существенным искажениям метрологической характеристики процесса дозирования. В действительности математическое ожидание массы при П циклах дозирования в общем виде равно:
HlM*)=±j І Ml --М+АМак'^АМ; (і.69)
где ІлМсис - систематическая составляющая погрешности дозирования, оставшаяся неисключенной после принятия всех известных /83/ мер по снижению систематических погрешностей.
Для проверки гипотезы об отсутствии систематических погрешностей в результатах дозирования компонентов смеси применен метод дисперсионного анализа /39/.
Результаты вычисления неисключенных составляющих систематических погрешностей приведены: для погрешностей Хо , І*и , Ус і и Ґр - подробно в таол. І.І, для остальных погрешностей - сокращено в табл. 1.2. Во всех испытаниях величина дозы принята равной
їо
10060 10050 10070 10030 10040 10050
10040 10020 10020 10060 10030 10034
10030 І00І0 10050 10060 10020 10034
10040 10050 10030 10050 10020 10038
10040 282.5 293
1,04
Гипотеза подтвердилась. Уровень значимости ^7 5%
Ге
10020 10040 10060 10040 10060 10044
10000 І0І20 І0І00 10060 І0І20 І0І00
І0І40 10080 І0І60 10080 І0І00 І0ІІ2
10080 10080 10060 10040 10080 10068
І008І 622 4800 7.7
Гипотеза не под-0,16 твердилась, Уровень значимости
CD И
Л
10040 10050 10070 10020 10080 10052
10030 10020 IOOIO 10020 10020 10020
10060 10020 10040 10060 10030 10042
10030 І00І0 10040 10040 10020 10028
3,7
0,07 То же
Ь З
9986 25.6 173.3
6,8
0,03 То же
.62
Ю кг.
Таблица 1.2 Результаты проверки гипотезы об отсутствии систематических
погрешностей дозирования
16) Выделение аддитивных и мультипликативных составляющих погрешности дозирования осуществляется с помощью критерия:
L^
JdLM(hc)J-t[M(L«)l
JUCffM)]
(1.70)
причем, если для любого Z\ t " tin ~ti
/
У f то If - мультипликативная,
(I.7I) ^ , то / - аддитивная, где - уровень значимости, равный, по рекомендациям /82,89/, 0,01-0,05.
Погрешности дозирования локальных весодозирующих комплексов
В любом случае задача весового дискретного дозирования сводится к набору некоторой массы M(l) , соответствующей заданию rl$ . Формирование величины M(t) происходит при участии целого ряда элементов весодозирующего комплекса (рис.1.1), которые, из-за неидеальности своих параметров, вносят в этот процесс определенные погрешности.
С учетом этого операцию набора W/V можно представить в виде суммы ожидаемой массы задания дозы Mj и некоторой приведенной погрешности дозирования fa\ где JUL (М) - Mj - математическое ожидание дозы.
В общем виде приведенная погрешность дозирования )fz представляет собой композицию ряда составляющих.
Вопросам идентификации этих составляющих и разработке способов их коррекции посвящено значительное количество работ, среди которых следует отметить /48,56,57/. Как показано в этих и в ряде других работ, точное определение характера погрешности имеет существенное значение для разработки адекватного и наиболее эффективного способа ее коррекции. В частности, в работах /56,57/ была сделана попытка классификации погрешностей по признаку источника их возникновения. При этом выделялись три вида погрешностей: две, обусловленные действием низкочастотных помех и одна, обусловленная действием высокочастотных помех.
На основании выводов, полученных в /56/, были разработаны серийно выпускаемые в настоящее время вторичные измерительные преобразователи Ф4232 для весовых дискретных дозаторов, реализующие аппаратурные и структурные способы коррекции указанных погрешностей. Вместе с тем, как показал опыт применения преобразователей Ф4232 в составе весодозирующих комплексов, эффективность предложенных способов коррекции погрешности дозирования оказывается неудовлетворительной. Во многом это объясняется ограниченными возможностями технических средств, реализующих предложенные способы коррекции погрешностей дозирования, а также недостаточным объемом анализа этих погрешностей. В частности, в работах /56,57/ совершенно не учитываются погрешности, возникающие при составлении смесей различных компонентов, а также не рассматриваются возможности компенсации отклонений технологических параметров процесса смесеприготовления.
В связи с этим потребовались тщательные аналитические и экспериментальные исследования, направленные на выявление и уточнение источников возникновения и характера изменения составляющих погрешности дозирования.
При этом основное внимание было уделено анализу погрешностей, вносимых питателем П (рис.1.1), узлом весового бункера ВБ и схемой дозирования СД, поскольку погрешности датчиков Д, вторичных измерительных преобразователей ЙЇЇ, а также влияние соединительного кабеля достаточно хорошо освещены в специальной литературе.
В соответствии с предложенной в /56/ математической моделью, весовая система дозатора представлена в виде одномассо-вого вибрационного механизма с переменной массой МЩ вибрирующего органа (весового бункера), характеризуемого жесткостью
С . Перемещение X весового бункера, обусловленное действием текущей массы материала в бункере М(1) и ударами кусков падающего материала массой /77 () , описывалось согласно /6/ дифференциальным уравнением второго порядка с переменными коэффициентами: где F(X, -ргг ) - член, учитывающий нелинейность системы, - положительный малый параметр, указывающий на малость указанной нелинейности, - член, учитывающий харак тер внешнего возмущения (удары кусков падающего материала).
Решение уравнения (I.I3) относительно амплитуды высокdaao -тотных колебаний находилось с использованием асимптотических методов для заданного числа приближений.
В результате было получено выражение для максимального значения приведенной погрешности #а » обусловленной действием высокочастотных помех:
Выбор системной меры оценки надежности алгоритмов управления
Проблема выбора системной меры надежности алгоритмов управления во многом определяется необходимостью установления однозначного соотношения между надежностью технических средств и надежностью программного обеспечения, реализующих эти алгоритмы.
В настоящее время в литературе нет единого мнения о возможности установления аналогии между указанными двумя компонентами надежности алгоритмов управления. С одной стороны, существует мнение, что в содержательном аспекте понятие "надежность программного обеспечения" принципиально отличается от понятия "надежность технических средств", с другой стороны - между этими понятиями ставится знак равенства /77/. Наибольшее распространение в литературе последних лет получила гипотеза о взаимной независимости надежности программного обеспечения и технических средств. Так, в /41/ при изложении особенностей надежности программ исходят из того, что отказ программы - событие, состоящее в переходе к неверной работе или остановке программы из-за ошибок в самой программе. Влияние отказов аппаратуры при этом не учитывается и не рассматривается. В некоторых случаях при рассмотрении надежности программного обеспечения предполагают абсолютную надежность комплекса технических средств /62/. При этом вероятность отказа программы в течение заданного интервала времени определяется автором пропорциональной производительности ЭВМ и количеству оставшихся в программе ошибок в расчете на одну команду. Аналогичные допущения приняты и в ряде других работ /64,104/.
С другой стороны, при анализе надежности комплексов техни ческих средств (КТО) систем управления исследуется другая идеализированная ситуация: расчет надежности КТС производится при условии абсолютной надежности алгоритмов и программ /41, 43,46,101,103/. В частности, фундаментальные исследований /43/ проблем надежности и контроля ЭВМ выполнены в предположении, что ошибки в результатах, получаемых на выходе ЭВМ, являются следствием только необнаруженных отказов аппаратуры и никак не зависят от ошибок в программах.
В этой и в ряде других работ авторы, на наш взгляд, отождествляют два несовместимых понятия: наличие ошибок в программе вообще и возможность появления ошибок в программе в процессе ее эксплуатации. Вполне очевидно, что в верно составленной программе в процессе эксплуатации не может появиться новая ошибка, однако сам вопрос верного, абсолютно безошибочного составления программы весьма проблематичен, поскольку безошибочность программы во многом зависит от недетерминированных субъективных факторов: квалификации, настроения, состояния здоровья и т.д. программиста. Кроме того, при помощи даже весьма полного тестирования (при сохранении разумной стоимости программы) не удается выявить все ошибки на стадии отладки. Поэтому появление в программах в процессе эксплуатации невыявленных ошибок - факт установленный /64/.
Следует отметить, что авторы как первого направления, декларирующие абсолютную надежность КТО, так и второго, принимающие гипотезу о безошибочности программ, признают недостаточною корректность такой постановки задачи. В связи с этим в последнее время появились работы, в которых предприняты попытки произвести комплексную оценку надежности сложных аппаратурно-программных комплексов. В работе /41/ предложена формула для расчета комплексного показателя надежности Иft/ системы "техника-алгоритм" в предположении независимости отказов программ и технических средств: 1 (2.1) где Pn(i) И Pr(t) - показатели надежности, соответственно программного обеспечения и технических средств.
Формула (2.1) описывает достаточно близкую к реальному положению дел ситуацию: ненадежное программное обеспечение реализовано на ненадежных технических средствах. При определенных условиях эта оценка может быть принята в качестве системной меры надежности алгоритма управления.
С целью конкретизации указанных условий рассмотрим требования к длительности интервала времени tz-if на котором производится оценка показателей надежности алгоритма управления.
В работах /41,62/ интервал времени г- 1 рассматривается как среднее время реализации алгоритма, инициируемого потоком заявок, частота поступления которых изменяется в соответствии с гамма-распределением. При этом величина J it) описывает усредненное значение вероятности безотказной работы алгоритма при заданной интенсивности его инициирования.
Однако использование предлагаемой формы оценки надежности для сравнения нескольких отличных друг от друга алгоритмов управления сопряжено с определенными трудностями, обусловленными необходимостью создания для всех сравниваемых алгоритмов совершенно одинаковых условий.
Формализация задачи синтеза. Выбор и обоснование критерия
Одной из первоочередных задач, решаемых при разработке перспективного весодозирующего комплекса, состоящего из дозирующего устройства и УСПД является проблема синтеза, заключающаяся в выборе из совокупности возможных алгоритмов и многообразия технических средств такого набора элементов, чтобы исходя из принятого критерия структура комплекса была оптимальна.
Однако в связи с тем, что достигнутая точность дозирования не всегда может быть оптимальной для данного технологического процесса, характеризующегося широким диапазоном свойств материала, а критерий оценки учитывает только основные показатели (точность дозирования и надежность), то в сложившейся ситуации может стоять вопрос о создании рациональной структуры весодозирующего комплекса с УСПД, удовлетворяющих современным требованиям по обеспечению заданной точности дозирования и надежности. В данном случае синтез преследует цель создания рациональной структуры весодозирующего комплекса с УСПД путем оптимального использования потенциальных возможностей наиболее эффективных алгоритмов, аппаратурных и программных средств.
Для определения рациональной структуры весодозирующего комплекса и УСПД необходимо наличие:
1) возможности выбора некоторого варианта из имеющегося множества конкурентноспособных решений;
2) критерия оптимизации;
3) модели, устанавливающей количественную взаимосвязь между характеристиками отдельных элементов весодозирующего комплек 138 са с УСЦЦ и критерием оптимизации;
4) формального метода и разработанной методики синтеза выбора наилучшего варианта весодозирующего комплекса с УСІЩ.
Формирование структуры весодозирующего комплекса с УСЦЦ осу ществляется с позиций функционального подхода, путем перехода от функций (задач) к его структуре. Это позволяет включить в число задач не только технологические, но и сервисные. Задаваясь тем или иным способом реализации задач, можно получить варианты структуры, отличающиеся по значению критерия. Для описания структур различных устройств, комплексов и систем управления широко используются блок-схемы, матричные и графовые модели.
В качестве модели весодозирующего комплекса с УСГЩ принимаем графовую модель. Исходной информацией для синтеза является перечень выполняемых весодозирующим комплексом с УСЦЦ задач и технических характеристик отдельных элементов, из которых генерируются различные варианты структуры.
Основными характеристиками "допустимого" множества типов мини и микроЭВМ, из модулей которых синтезируется узел вычислительной техники УСЦЦ, следует считать: надежность, точность вычислений, обеспечение совместимости с ЭВМ верхнего уровня, особенности интерфейса. Так, надежность УСЦЦ построенных на базе микропроцессорной техники в значительной степени определяется типом применяемых запоминающих устройств - постоянного (ПЗУ), перепрограммируемого (ПОЗУ), оперативного (ОЗУ); способом хранения информации и программ (с резервированием или без резервирования информации и операционной системы) и структурой обрабатываемой информации.
При синтезе УСЦЦ представляется в виде набора функционально независимых модулей (блоков), связанных между собой общим 139 управлением. Работа модулей может происходить последовательно и параллельно (независимо).
Рассмотрим формализованное представление методики синтеза на примере весодозирующего комплекса с УСЦЦ. Исходными данными для выполнения синтеза являются: множество возможных источников исходной информации {Иі} весодозирующего комплекса, где U- I, ...,/7 и реализуемое УСПД с заданными показателями качества множество управляющих воздействий { У j , где /= I, ...,)77. Весодозирующий комплекс с УСЦЦ изобразим в виде ориентированного графа 6{J,HUf,r) , где ІЧИсіиіУЛ - объединение множеств входных и выходных потоков данных; НUS г і hi) U {Su] - объединение множеств аппаратурных [hi] , 1=1,...,0 и алгоритмических iSuj , где Ll= I, ..., П , средств реализации множества задач Lzi8i } , где К = I, ..., р - число задач выполняемых весодозирующим комплексом с УСЦЦ с целью осуществления преобразования 6 = {Ис] іУ/jJ, I l/ cjll - матрица отражающая взаимосвязи потоков данных и задач, задаваемая элементами матрицы fyi: / в виде: hij-Jj если информация И с - необходима для формирования управляющего воздействия Ус с помощью алгоритма Ё.К и hq -О в противном случае.
Дозирование компонентов ферросплавов конвертерного производства
Применявшиеся до данного исследования весодозирующие комплексы представлены в табл.3.4 наиболее простым вариантом - ядром на аналоговой аппаратуре, характеризуемым погрешностью взвешивания Y&& 0,5$, погрешностью дозирования 2% и сравнительно высокой надежностью Кп = 0,12$ и, соответственно, комплексным критерием Ч =2,16. Переход к высокоточным цифровым преобразователям обеспечивает резкое снижение погрешности взвешивания, до 0,2 % и незначительное уменьшение погрешности дозирования до 1,81 % при этом имеет место определенное снижение надежности до Нп - 0,14$ (вызванное применением более сложного преобразователя) и, как соедствие всех перечисленных факторов - незначительное по сравнению с аналоговым вариантом снижение обобщенного критерия до = 2,09.
Полученные данные подтверждают априорное положение данной работы об актуальной целесообразности реализации УСГЩ для снижения погрешности дозирования; этот вывод справедлив при наличии высокоточной информации цифровых преобразователей об измеряемой массе; в то же время при сохранении аналоговых преобразователей с высокой погрешностью выдачи информации об измеряемой массе (I %) применение предлагаемых УСПД нельзя считать целесообразным,
Эффективность создания ТОЩ с цифровыми преобразователями наглядно иллюстрируется значительным снижением обобщенного критерия до SK = 1,25 (наиболее сложный вариант) и до =1,19 (рациональный вариант), достигаемым, в основном, за счет резкого снижения погрешности дозирования до 0,49$ (— в 4 раза).
Эффективность предложенной методики синтеза иллюстрирует разница критериев рационального ( У = ІД9) и двух предельных, вариантов: наиболее простого ( Vу = 2,16), наиболее сложного ( У = 1,25). В основном, отличие между наиболее сложным и рациональным вариантами определяется исключением не эффективных функций, повышающих сервис, но не уменьшающих погрешности дозирования и несколько снижающих, вследствие усложнения весодози-рующего комплекса, его надежность, что и сказывается на комплексном критерии качества.
Весьма эффективным путем улучшения (снижения) комплексного критерия является следующий, последний, этап проводимого синтеза - введение избыточности для повышения надежности весодозирующего комплекса с УСЦЦ. Целесообразность введения избыточности может быть определена сравнением стоимости вводимого резервирующего элемента и достигаемого эффекта - снижение текущих затрат в результате уменьшения простоя (соответствующего достигнутому снижению К ).
В результате рассмотрения формулы (3.19) можно сделать вывод о чрезвычайной эффективности резервирования элементов, имеющих низкий коэффициент простоя. Вполне достаточной для практики мерой является однократное резервирование одноименных элементов - дублирование.
При определении способов резервирования следует использовать накопленный положительный опыт применения в электронно-тен-зометрических дозаторах дублирования наиболее ответственных элементов с постоянной индикацией резерва. Это осуществляется, в частности, дублированием измерительного тракта: резервные тензодатчики устанавливаются на основные и соединяются самостоятельный1 кабелем с резервным измерительным преобразователем. Сравнение показаний основного и резервного преобразователей, осуществляющих синхронную индикацию, позволяет сраду же определить факт отказа одного из трактов (в случае расхождения этих показаний), после чего можно без затруднений определить исправный тракт, оставить его в работе и приступить к восстановлению повреждения. Весьма целесообразным, как уже указывалось выие, является введение избыточности путем резервирования более сложного элемента,в нашем случае дозирующего узла вычислительной техники, более простыми из имеющихся элементов - цифровым преобразователем, который также может осуществлять (хотя и с меньшей точностью) задачу дозирования.
