|
Національний технічний університет
“Харківський політехнічний інститут”
Мигущенко Руслан Павлович
УДК 62-503.57
АДАПТИВНА СИСТЕМА УПРАВЛІННЯ БАГАТОЗОННИМИ
ПРОХІДНИМИ ТЕХНОЛОГІЧНИМИ АГРЕГАТАМИ
Спеціальність 05.13.07 – Автоматизація технологічних процесів
Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Харків – 2001
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Національному технічному університеті “Харківський політехнічний інститут”, Міністерство освіти і науки України, м.Харків
Науковий керівник: доктор технічних наук, професор
Овчаренко Олександр Іванович,
Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут”,
професор кафедри вимірювально-інформаційної техніки
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор
Богаєнко Іван Миколайович,
Науково-виробнича корпорація “Київський інститут автоматики” Держкомітета промислової політики України, м.Київ,
заступник генерального директора з наукової роботи
кандидат технічних наук, доцент
Качанов Петро Олексійович,
Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут”,
завідувач кафедри автоматики і управління в технічних системах.
Провідна установа: Одеський державний політехнічний університет,
кафедра “Електронні та комп’ютеризовані системи”,
Міністерство освіти і науки України, м.Одеса
Захист відбудеться “_26__” ___червня__ 2001 р. о _14.30_ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д64.050.07 у Національному технічному університеті “Харківський політехнічний інститут”за адресою: 61002, м.Харків, вул.Фрунзе, 21
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету “Харківський політехнічний інститут”
Автореферат розісланий “_24_” ___червня___ 2001 р.
В.о. вченого секретаря
спеціалізованої вченої ради Любчик Л.М.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Дисертаційна робота присвячена вивченню, дослідженню та удосконаленню характеристик об’єктів класу багатозонних прохідних технологічних агрегатів (БПТА). Подібні об’єкти широко розповсюджені у промисловості та побуту. Спектр їх застосування величезний - від металургії до харчової промисловості. Вони реалізують технологічні процеси спекання, обпіку, агломерації, ректифікації, травлення, нанесення покриття, прокатки, сушки, безперервної розливки і т.д. Представниками БПТА являються печі для розігріву слябів перед прокаткою, печі для термообробки металу перед механічною обробкою, конвейєрні печі та сушила, екструдери для виробництва полімерних плівок, преса для віджиму олій, пристрої для виробництва різноманітних видів макаронних виробів та інші.
На теперішній час БПТА представляють собою достатньо широкий клас об’єктів, однак, поява нових технологій постійно розширює цей клас. Так одними з таких нових, найбільш складних і мало досліджених об’єктів з розглядаємого класу являються прес-екструдери, реалізуючі технологію віджиму рослинних олій. Відмінною особливістю вказаних БПТА являється те, що сировина, поступаючи на вхід та проходячи вздовж об’єкту, під дією фізико-хімічних перетворювань, розділяється, в першому приближенні, на дві складових, одна з яких, у вигляді олії, потреби якої для України та СНД в цілому високі, виводиться в спеціальних зонах. Такі об’єкти називаємо БПТА з розділенням фракцій продукту в ході ведення технологічного процесу. Вони представляють собою найбільш складний випадок, їх значення для вітчизняного господарства величезне.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалась в рамках цільової комплексної програми М6104 “Дослідження проблем прикладної метрології при вирішенні задач управління якістю промислової продукції та самоконтролю технічних систем” кафедри вимірювально-інформаційної техніки Національного технічного університету “Харківський політехнічний інститут”, комплексним п’ятирічним планом НДР НВП “Екструдер” (м.Харків), комплексним п’ятирічним планом НДР та ДКР ТОВ “Сигма” (м.Харків), госпдоговорами з підприємствами-розробниками та підприємствами-виробниками різних типів БПТА (НВП “Екструдер” (м.Харків) - розробник та виробник прес-екструдерів для віджиму олій, “Інженерна група ТФК” (м.Харків) - розробник та виробник автоматизованих ліній для отримання макаронних виробів).
Мета і задачі дослідження. Мета дослідження полягає в розробці адаптивної системи управління (СУ) яка підвищує ефективність роботи БПТА з розділенням у ході ведення технологічного процесу фракцій продукту за рахунок досягнення максимально можливого рівня коефіцієнта корисної дії (ККД), визначаємого як:
 , (1)
де PC-маса сировини,
PM-маса корисного продукту.
Для досягнення поставленої мети потрібно розв’язати ряд основних задач. Такими являються:
-аналіз та класифікація зовнішніх подразнень, впливаючих на БПТА під час ведення технологічного процесу,
-побудова моделей розглянутого БПТА та доведення їх адекватності,
-обгрунтування використання адаптивної СУ,
-синтез та дослідження моделі обчислювача цільової функції (1),
-розробка методики отримання ефективних оцінок ККД,
-розробка структури адаптивної СУ БПТА,
-синтез алгоритмів управління БПТА та моделювання їх на ЕОМ,
-розробка засобів управління, необхідних для нормального функціонування СУ.
Об’єкт дослідження – удосконалення об’єктів класу БПТА шляхом автоматизації технологічного процесу отримання корисного продукту.
Предмет дослідження – СУ БПТА з розділенням фракцій продукту.
Методи дослідження базуються на використанні теорії автоматичного управління при дослідженні локальних регуляторів температури, побудови структури адаптивної СУ, розробці алгоритмів функціонування координатора, теорії ймовірності при дослідженні моделі обчислювача БПТА, теорії ідентифікації при розробці моделей БПТА, теорії статистичної обробки інформації при доведенні адекватності моделей реальному об’єкту.
Наукова новизна одержаних результатів:
-для об’єктів, в яких зони виходу продуктів, з геометричного боку, можуть бути зведені до крапки, запропонована структура апроксимації розподіленого об’єкту зосередженим,
-для об’єктів, які апроксимуються двома інерційностями та запізненням, аналітично знайдена амплітуда і частота автоколивань від параметрів об’єкту та регулятора з релейним елементом, а також оцінена похибка апроксимації цих залежностей гармонічною функцією,
-запропонований та досліджений оригінальний алгоритм роботи координатора, оснований на оцінюванні математичного сподівання і середнього квадратичного відхилення (СКВ) процесу зміни ККД в часі.
Практичне значення одержаних результатів дисертаційної роботи полягає у використанні її результатів:
-на науково-виробничому підприємстві “Екструдер” (м.Харків), провідному вітчизняному виробнику прес-екструдерів маслянистих культур,
-підприємством “Інженерна група ТФК” (м.Харків), розробником та виробником автоматизованих ліній для виробництва макаронних виробів.
Особистий внесок здобувача у виконану роботу і публікації полягає в розробці математичних, теплофізичних та інших моделей, проведені та аналізі розрахунків і експериментальних досліджень, формулюванні висновків і рекомендацій.
Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи доповідались на Міжнародних науково-технічних конференціях microCAD "Информационные технологии: наука, техника, технология, образование, здоровье" (Харків 1996р., 1997р., 1999р., 2000р.), науково-технічних конференціях "Автоматика", (Севастополь 1996р., Харків 1999р.), Міжнародних школах-семінарах "Перспективные системы управления на железнодорожном, промышленном и городском транспорте" (Алушта 1995р., 1996р., 1997р.). Окремі фрагменти та вся робота в цілому доповідались на семінарах кафедри вимірювально-інформаційної техніки Національного технічного університету “Харківський політехнічний інститут”.
Публікаціі. За результатами досліджень опубліковано 18 робіт, в тому числі 9 статей, 8 тез доповідей на конференціях та отримано один патент.
Структура та обсяг роботи. Робота складається зі вступу, п’яти розділів, семи додатків. Повний обсяг роботи складає 187 сторінок, які включають 15 ілюстрацій по тексту, 26 ілюстрацій не по тексту на 17 сторінках, 10 таблиць по тексту та 4 таблиці не по тексту на 3 сторінках, 7 додатків на 42 сторінках, 84 використаних літературних джерел на 8 сторінках.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ
В першому розділі вибраний базовий об’єкт для досліджень, проаналізовані його характеристики, поставлені основні задачі дисертаційної роботи.
Принципово базовий п’ятизонний ПТА (рис.1) складається з зон нагріву (ЗН), зеєрних зон (ЗЗ), приймального бункера, шнеків подачі, матриці формування стороннього продукту. Підготовлена сировина (насіння маслянистих культур) вводиться в приймальний бункер і завдяки шнекам подачі просувається вздовж об’єкту. По ходу руху воно проходить ряд стадій переробки, кінцевим результатом котрих являється корисний продукт (олія) та сторонній продукт (жмих).
Об’єкт, що досліджується, є достатньо типовим і для сучасних млинів, і для макаронних пресів, і для багатьох інших. Досягнення максимально можливого рівня ККД (1) має важливе господарське значення і фактично зумовлює економічну ефективність застосування технологічних агрегатів. Для досягнення мети дисертаційної роботи необхідно:
-вибрати критерій управління,
-проаналізувати апріорні дані про об’єкт, отримані в ході експлуатації БПТА,
-виявити вихідні дані для синтезу структури, алгоритмів та засобів управління,
-визначити задачі дисертаційної роботи.
Рис.1. Спрощена технологічна схема БПТА
В процесі ведення технологічного процесу на досліджуваний об’єкт впливає велика кількість зовнішніх подразнень, які можуть суттєво змінювати (в тому числі і погіршувати) його режим роботи. Класифікація цих подразнень з вказівкою спостерігаємості та управляємості дозволяють виділити домінуючі з них. До таких відносяться температури зон, маслянистість та вологість сировини.
У ході експлуатації БПТА, експериментальним шляхом, був визначений вихідний набір температур для кожної конкретної маслянистої культури. Але, враховуючи індивідуальні особливості БПТА, цей набір повинен коректуватися для збільшення ККД у ході ведення технологічного процесу. Цю задачу і повинна вирішити адаптивна система управління.
Підвищення температур зон приводить до збільшення цільової функції. Однак після досягнення температури корисного продукту
ТМ≈120 °С,
подальше збільшення температури зон приводить до суттєвого погіршення якості цього продукту. Маслянистість являється опорним параметром при визначені максимально можливого ККД, його значення завжди у середньому на 8-10% нижче маслянистості сировини. Тому знання вихідної маслянистості дозволяє оцінити максимальний рівень цільової функції. Суттєвий вплив на цільову функцію здійснює і вологість сировини WC. Підтримання вологості сировини на рівні 7-9%, як виявили дослідження, сприяє максимальному виходу корисного продукту.
Велика кількість зовнішніх подразнень, впливаючих на БПТА, передбачає безальтернативне використання адаптивної СУ. Реалізацію адаптивного управління доцільно виконати, використовуючи двохрівневу САУ з координатором на верхньому рівні та локальними регуляторами на нижньому. В задачу координатора входить сприймання інформації про поточне значення ККД, визначення і виставлення уставок на локальні регулятори. Задачею локальних регуляторів являється стабілізація управляємих факторів на нових рівнях, у відповідності з уставками координатора.
Розглядаємий БПТА являється тепловим об’єктом. Тому процес управління доцільно здійснити шляхом зміни температур зон. Знаходження оптимального набору температур зон дозволяє зменшити вплив зовнішніх подразнень. Що стосується вологості сировини, то практичний досвід показав - для підтримання значення оптимальної вологості достатньо використовувати вимірювальний пристрій вологості. При цьому контур управління вологості замкнений через оператора.
Викладений вище матеріал отриманий у ході експериментального дослідження БПТА і являється вихідним. Для задоволення мети дисертаційної роботи необхідно поставити та вирішити ряд задач (задачі представлені у розділі “Загальна характеристика роботи”). Вирішення всіх задач повинно бути підпорядковане критеріям простоти, дешевизни, надійності тощо, які узгоджуються з сучасними вимогами у промисловості.
У другому розділі синтезовані статична теплофізична модель БПТА та модель обчислювача цільової функції (1), отримана динамічна модель БПТА.
Вихідними положеннями для синтезу статичної теплофізичної моделі БПТА являються:
1. Механічне переміщення сировини в БПТА у вертикальній площині таке, що її можна вважати однорідною в цій площині. Це свідчить про можливість використання одномірної теплофізичної моделі.
2. В процесі руху сировини вздовж БПТА відбувається виділення тепла завдяки фізико-хімічним реакціям. По апріорним даним це тепло складає фіксовану частину загального тепла. Припускається, що внутрішні джерела тепла рівномірно розповсюджені по довжині БПТА.
3. В силу малого теплового опору оболонок зон тепло від нагрівачів, в зонах нагріву, проходить через оболонку до сировини без втрат. Тепловий потік в зеєрних зонах направлений від сировини в навколишню середу. При цьому втрати тепла в зеєрных зонах пропорційні кількості корисного продукту, що виводиться з БПТА.
При синтезі теплофізичної моделі використовується розрахункова схема БПТА, яка представлена на рис.2.
Рис.2. Розрахункова схема БПТА
В якості вихідних рівнянь для синтезу використані рівняння теплопровідності:
де ρ1,…, ρ5–густина сировини в відповідних зонах, с1,…,с5–теплоємкість сировини в відповідних зонах, u–швидкість руху сировини, Р–потужність нагрівачів, Q–потужність внутрішнього тепловиділення, c1,…,c5–теплопровідність в зонах, Т–температура сировини, S–площа зон, крізь які відбувається виведення корисного продукту, V1,V2–об’єм зон, V–об’єм об’єкту, q–коефіцієнт Джоуля-Ленца, β1, β2–коефіцієнти, які враховують кількість сировини, що переходить в наступну зону.
Сама теплофізична модель БПТА (результат синтезу) має вигляд:
 (2)
де Т1, Т2, Т3, Т4, Т5-температури об’єкту в точках х1, х2, х3, х4, х5 (див. рис.2) відповідно,  ,  .
Синтезована теплофізична модель (2) може бути представлена у вигляді:
  (3)
Коефіцієнти А1, А2, …, А5, В1, В2, …, В5 в (3) інтегрально відображають властивості сировини (маслянистість, вологість, засмітченність, дисперсність, тип (насіння соняшника, соя, рапс, бавовна тощо)), індивідуальні особливості обладнання, умови експлуатації. Зміна названих вище параметрів приводить до зміни коефіцєнтів Аi, Bi.
Адекватність моделі (3) реальному об’єкту була перевірена експериментально при застосуванні двохстороннього t-критерію для простої гіпотези.
Безперечним надбанням моделі (3) являєтся можливість виразу цільової функції в явному вигляді:
де 
Вираз (4) відображає функціональну залежність:
η=f(T2,T3,T5,Аi,Вi),
і являєтся обчислювачем ККД БПТА. Знання коефіцієнтів Аi, Вi та вимір температур Т2, Т3, Т5 зон дозволяє обчислити значення цільової функції. Крім того, модель обчислювача дозволяє змоделювати та дослідити теоретично процесс ККД у часі - η(t).
Статична модель (2) не відображає динаміку поведінки температур зон, а також не враховує розподілений характер БПТА. Враховуючи сказане, було прийняте рішення доповнити цю модель динамічною моделлю, з метою виявлення динамічних властивостей об’єкту. В даному випадку розподілена температурна система апроксимована зосередженою, з виявленням функцій взаємного впливу (рис.3). Функції W11, W22, W44 визначають передачу діянь з боку локальних регуляторів температури на БПТА з фіксацією температур Т1, Т2, Т4, функції W21, W41, W42, W12, W24, W14 відображають перехресний вплив.
Шляхом динамічної ідентифікації визначались структура та кількісні значення параметрів основних передаточних функцій, а також функцій їх взаємного впливу. Виходячи з прийнятого класу моделей, а також з аналізу фізичної природи об’єкту було прийнято рішення про використання метода ідентифікації по перехідним характеристикам.
Рис.3. Динамічна модель БПТА
Виявлені особливості динамічної моделі головним чином полягають в слідуючому:
-зосереджені канали моделі в частині об’єкту описуються передаточними функціями вигляду:
W(p)= , (5)
в яких і запізнення τ, і обидві постійні часу TВ1, ТВ2 не можуть рахуватись зневажливо малими, тобто являються величинами одного порядку, kП-коефіцієнт передачі.
-взаємні зв’язки в моделі з достатньою для інженерних задач точністю, також описуються передаточними функціями з структурою (5), однак отримана в роботі матриця Бристоля показала, що в середньому цими зв’язками можна знехтувати.
В третьому розділі досліджені властивості моделі обчислювача.
Модель обчислювача, по-перше, дозволяє змоделювати та вивчити поведінку БПТА, а по друге - можлива безпосередня участь в управлінні. Для дослідження моделі обчислювача БПТА вивчена поведінка температур зон, для чого проведений параметричний синтез локальних регуляторів температури, змодельований процес зміни ККД в часі і вивчені його ймовірносні характеристики, розроблена класифікація стану БПТА в просторі інформаційних ознак.
З концептуальних позицій даної роботи задача вибору регулятора може бути зформульована, як альтернатива: самий простий, дешевий і надійний регулятор з великими власними подразненнями (по типу релейного) або достатньо складний, дорогий і потенційно ненадійний регулятор з малими власними подразненнями.
В даній роботі вибраний перший шлях, виходячи з наступних міркувань:
-загальна концепція дисертаційної роботи орієнтована на мінімальну складність і вартість апаратури та її максимальну надійність,
-проблеми оцінювання та фільтрації подразнень, породжених локальними регуляторами, можуть бути і повинні бути вирішені на рівні координатора, де все одно простими технічними засобами обійтись неможливо, і мова йде про додаткові функції координатора. Таким чином, в структурному відношенні простий та потенційно самий надійний релейний регулятор вибраний за основу для подальших досліджень.
Результати параметричного синтезу дали слідуючі співвідношення для амплітуди АМ та періоду автоколивань QВР, які представлені в відносному вигляді:
 ,
 ,
де ΔП-поріг зони нечутливості регулятора, U1-амплітуда вхідного сигналу.
Апроксимація автоколивань, породжуємих релейним характером регулювання, першою гармонікою довела, що для інженерних задач така заміна можлива. Т.ч. в відповідності з динамічною моделлю принята наступна структура сигналів в температурних каналах (наявність перехресних впливів зумовлена вибором регулятора):
 (6)
де Т11,Т22,Т44-постійна складова температур зон,
ΔТШ1, ΔТШ2, ΔТШ4-нормально розприділена перешкода,
ΔТ11, ΔТ22, ΔТ44, QВР11, QВР22, QВР44, φ1, φ2, φ4-амплітуда, період і фаза моногармонічної компоненти,
ΔQВР12, QВР24, QВР21, QВР41, QВР42, ΔТ12, ΔТ24, ΔТ21, ΔТ41, ΔТ42-параметри гармонічної компоненти, викликані перехресними зв’язками в моделі.
Результати моделювання процесу η(t) на основі (6), як і результати експериментальних даних на виборці з 32 БПТА показали функціональну залежність між оцінкою середнього значення ККД та відносною оцінкою його СКВ  ( ) у вигляді:
 , (7)
де  оцінка середнього значення добутку σ и  =const.
Співвідношення (7) дало змогу прокласифікувати, в статистичному сенсі, стан БПТА:
-АС–область оптимального функціонування, ширина якої визначається похибкою оцінки значення СКВ. ККД може бути змінений в сторону його збільшення, якщо при цьому значение σ залишиться в області АС,
-ВС–область функціонування з ККД меншим, ніж максимально можливий. ККД може бути змінений в сторону збільшення, доки σ не попаде в область АС,
-СС–область ненормального функціонування. Модель обчислювача необхідно корегувати.
Четвертий розділ присвячений структурно-алгоритмічним аспектам координації верхнього рівня ієрархії СУ БПТА.
Експериментальне дослідження поведінки цільової функції і подальша обробка отриманих даних в програмній середі EXCEL показала:
-процесс η(t) являється нестаціонарним (квазіперіодичним), що не дає можливості швидкої оцінки рівня цільової функції за допомогою витратоміра по вихідному фізичному сигналу ККД. Середньостатистичний проміжок часу отримання ефективних значень цільової функції витратоміром оцінюється в 12-15 хвилин,
-швидкість оцінки цільової функції за допомогою моделі обчислювача, при зміні реального ККД, в 2-3 рази перевищує швидкість отримання ефективних значень за допомогою витратоміра,
-часові співвідношення з впливу температур активних зон на цільову функцію розприділені наступним чином:
t1>t2>t4,
де t1- час, протягом якого, зміна температури Т1 приводить до зміни значення цільової функції,
t2- час, протягом якого, зміна температури Т2 приводить до зміни значення цільової функції,
t4- час, протягом якого, зміна температури Т4 приводить до зміни значення цільової функції,
-залежність максимально можливого рівня ККД від величини маслянистості сировини МС описується співвідношенням:
-залежність максимально можливого рівня ККД від величини вологості сировини WС описується співвідношенням:
Перші три висновки допомогли синтезувати структуру СУ БПТА (рис.4), два наступні – розробити алгоритмічне забезпечення.
Блок задачі, отримавши інформацію про тип сировини, маслянистості та вологості оцінює максимально можливе значення ККД, що поступає на регулятори внутрішнього R1 і проміжного R2 контурів упраління СУ БПТА. Регулятор R1 працює від модельних оцінок ККД і управляє температурами ЗН2 та ЗН3, регулятор R2 працює від фізичних оцінок ККД і управляє температурою ЗН1. В динамічному відношенні, зміна реального значення цільової функції приводить до швидкого, але грубого управління ККД регулятором R1, а потім повільного, але точного управління регулятором R2. Швидкість управління БПТА являється визначаючим параметром, через специфіку ведення технологічного процесу розглядаємим агрегатом. Кінцевим результатом управління являється виведення реального значення ККД на розрахований теоретичний рівень та підтримання його на цьому рівні.
Ідентифікація параметрів моделі здійснюється шляхом переходу в малому з точки 1 температурного простору в точку 2 по температурам Т2 та Т4 з фіксацією температур Т2, Т3, Т4, Т5, та коєфіцієнтів β1, β2. Теоретично, крок по вказаним температурам повинен бути на стільки малим, щоб значення коефіцієнтів Аi, Вi лишались незмінними. При цьому невідомі коефіцієнти моделі (4) визначаються так:
  (8)
  , (9)
 ,  , (10)
| 
