Методика синтеза адаптивных распределенных систем управления температурными полями Туннельных печей

На правах рукописи Зайцев Сергей Владиленович Методика синтеза адаптивных расПРЕДЕЛЕННых СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНЫМи ПОЛями Туннельных ПЕЧей Специальность: 05.13.01 – Системный анализ, управление и обработка информации (вычислительная техника и информатика) АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Пятигорск – 2012 Работа выполнена на кафедре «Управление в технических и биомедицинских системах» ФГАОУ ВПО «Северо – Кавказский Федеральный Университет» Институт сервиса, туризма и дизайна (филиал) в г. Пятигорске Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Першин Иван Митрофанович Официальные оппоненты: Колесников Анатолий Аркадьевич доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки и техники РФ, ФГАОУ ВПО «Южный федеральный университет», кафедра синергетики процессов управления, заведующий кафедрой Малков Анатолий Валентинович доктор технических наук, директор ООО «Нарзан гидроресурсы» Ведущая организация: ФГБОУ ВПО Санкт-Петербургский государственный Национальный Научно Исследовательский Университет Информационных Технологий, Механики и Оптики, Кронверкский пр, д. 49 Защита диссертации состоится «20» декабря 2012 г. в 1420 часов на заседании диссертационного совета Д 212.208.22 при Федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Южный федеральный университет»: по адресу: 347928, Ростовская область, г. Таганрог, пер. Некрасовский, 44, ауд.Д-406. С диссертацией можно ознакомиться в Зональной научной библиотеке ФГАОУ ВПО «Южный федеральный университет» по адресу: 34440, г. Ростов – на Дону, ул. Пушкинской,148 Автореферат разослан « » __________ 2012 г. Ученый секретарь диссертационного совета, д.т.н., профессор Целых Александр Николаевич ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. В промышленности существует целый спектр оборудования необходимого для термической обработки или обогрева материала. К такому оборудованию в пищевой промышленности относятся печи для термической усадки пленки, печи для сушки различных материалов, печи для выпечки различных хлебобулочных изделий. В перерабатывающей промышлености это печи для обжига извести, цемента, кирпича. В нефтехимической промышленности емкости для хранения нефтехимических продуктов. Все выше перечисленное оборудование имеет многозонную организацию нагрева материала, различные размеры от нескольких метров до нескольких десятков метров. Технологический процесс в таком оборудовании заключается в регулировании температуры по зонам нагрева или стабилизации температуры по всем зонам. Изменение температуры и протекание технологического процесса в таком оборудовании зависит не только от конструкции камеры или емкости, но и от количества и качества материала находящегося в камере или емкости, а также от распределения материала по зонам внутри оборудования. Энергетическая экономичность такого процесса определяется конструкцией оборудования и системой управления. Следовательно, одной из центральных проблем является проектирование системы автоматического управления температурным полем. Система автоматического управления температурным полем рассматриваемых печей должна обеспечивать быструю перенастройку и самонастройку в соответствии с требуемым технологическим процессом. Проектирование рассматриваемой системы управления связано с решением следующих задач: -так для модернизации и создания принципиально новых печей необходимо разработать математическую модель температурных полей; -используя полученную математическую модель, требуется разработать методику синтеза и синтезировать систему управления температурным полем рассматриваемой печи. -а также разработать методику адаптированной работы системы управления пространственного регулятора при изменении условий технологического процесса. Относительно методики синтеза следует отметить, что рассматриваемые объекты управления могут рассматриваться как объекты с распределёнными параметрами, хотя большинство этих объектов имеют одноканальную систему управления, основанную на релейных режимах работы или с использованием ПИД-регуляторов. Такие системы управления не могут оптимизировать энергетические затраты необходимые на реализацию технологического процесса. Известная частотная методика синтеза разработана для достаточно узкого класса распределённых систем, названного пространственно-инвариантным. Как показано в диссертации рассматриваемый объект не принадлежит к этому классу. Это потребовало разработки новой методики синтеза систем управления рассматриваемыми объектами и разработать методику адаптивной настройки регулятора, чтобы компенсировать некоторую не оптимальность в определении параметров регулятора при его синтезе. Приведенные аргументы автор рассматривает как субъективные признаки актуальности. Объективными признаками актуальности разработки методики синтеза и построения системы управления и адаптации регулятора температурным полем туннельной печи является: Объективными признаками актуальности построения системы управления температурным полем туннельной печи разработка методов проектирования и создание принципиально туннельных печей Целью диссертационной работы является разработка методики синтеза адаптивной распределенной системы управления температурным полем туннельной печи. При достижении указанной цели в работе были решены следующие задачи: Разработаны математические модели температурных полей туннельной печи; На базе разработанных математических моделей составлены дискретные модели объекта управления; Разработана методика оценки влияния зоны ΔG (ширина зоны минимального коэффициента передачи регулятора в области частот среза) на показатели качества переходного процесса; Получены оценки степени влияния шумов, системы сбора информации, на параметры регулятора; Разработана методика синтеза адаптивного распределенного регулятора на основе сравнения частотных методик синтеза распределенных высокоточных регуляторов для распределенных систем управления; Получены соотношения для оценки влияния погрешности в определении параметров объекта на параметры регулятора при синтезе регулятора; Синтезирована система распределенного высокоточного адаптивного управления температурным полем туннельной печи; Содержание диссертации подчинено решению выше перечисленных задач. Методы исследования. Теоретические исследования базируются на методах решения уравнений математической физики, методах теории автоматического управления, теории управления системами с распределенными параметрами, теории функций комплексного переменного, линейной алгебры и программировании с использованием языка программирования Borland Pascal. Для программируемого логического контролера (ПЛК) использовалась среда программирования «CoDeSys» и языки программирования ST (Structured Text) и FBD (Function Bloc Diagram). Объектом исследования является система управления температурными полями туннельной печи. Предметом исследования является синтез распределённых регуляторов для управления температурным полем туннельных печей. Практическая ценность работы. Работа выполнялась по заказу предприятия ОАО «АКВА-ВАЙТ», которое эксплуатирует туннельные печи. Полученные в диссертации результаты легли в основу модернизации системы управления температурными полями рассматриваемых печей, и используется в учебном процессе кафедры УТБС в курсе «Управление технологическими процессами». Реализация результатов работы. Исследования и разработки выполнены в рамках тематического плана научно- исследовательских работ кафедры «Управление в технических и биомедицинских системах» ФГАОУ ВПО «Северо – Кавказский Федеральный Университет» Институт сервиса, туризма и дизайна (филиал) в г. Пятигорске Разработанная методика моделирования системы терморегулирования используется в учебном процессе инженерного факультета выше названного института, использовалась при модернизации туннельной упаковочной печи на предприятии ОАО «АКВА-ВАЙТ». Публикации и апробация работы. Диссертация обсуждена на расширенном заседании кафедр «Управление в технических и биомедицинских системах» и «Информатика и информационные технологии» Института сервиса, туризма и дизайна (филиал СКФУ) в Пятигорске. Исследования докладывались автором: на Международной научной конференции «Системный синтез и прикладная синергетика ССПС-2011», проходившей в ПГТУ. Материалы также опубликованы в журналах «Машиностроение и инженерное образование» и «Научное обозрение» Журналы рекомендованы ВАК для публикаций результатов диссертационных исследований на соискание ученой степени кандидата наук. По теме диссертации опубликовано 13 научных работ, в том числе в двух изданиях, включенных в перечень ведущих рецензируемых изданий, утвержденных ВАК. Структура и объем работы. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 178 наименований, четырех приложений. Содержание работы изложено на 169 страницах, содержит 69 рисунков и 16 таблиц. Основные результаты, изложенные в работе, получены автором лично. КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении дана общая характеристика исследуемой проблемы, обоснована актуальность темы, поставлены цели и задачи работы, представлена их научная новизна и практическая значимость, сформулированы основные положения, выносимые на защиту. В первой главе рассматривается необходимость использования многоканальных систем управления и причины, по которым эти системы должны быть синтезированы методами СРП (систем с распределенными параметрами), и сравниваются методы исследования и синтеза СРП. Во второй главе разработаны математические модели незаполненной продукцией и частично заполненной продукцией туннельных печей, которые описываются системой дифференциальных уравнений в частных производных с соответствующими граничными условиями, отражающими физические процессы на границах раздела сред. Описанные математические модели носят универсальный характер и могут быть использованы для описания температурных полей печи. Конструкция модели печи представлена на рис.1. - датчики температуры; 2-нагревательные элементы; 3-теплоизоляционная панель; 4-обрабатываемый продукт. Рис.1 Поясняющий чертеж туннельной печи. Для составления математической модели сделаем следующие допущения: - внешние поверхности печи находятся при постоянной температуре +20°С; - теплопроводностью кровельного железа внутри печи, на поверхности и разделительной стенки между двумя внутренними каналами печи с большим количеством отверстий, на которой крепятся трубчатые нагревательные элементы (ТЭН), пренебрегаем; - взаимосвязь внутреннего внешнего воздушного пространств через не плотности теплоизоляции вдоль направляющих лентопротяжного механизма не учитываем; - ТЭНы рассматриваем как плоские нагревательные поверхности, пренебрегая теплоотдачей от боковых поверхностей; - управляющим воздействием служит тепловой поток, вырабатываемый ТЭНами. Геометрические размеры модели туннельной печи в таблице № 1, приведенные в таблице даны в метрах. Таблица № 1 Геометрические размеры туннельной печи частично заполненной продуктом Lx X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 X8 X9 X10 1,66 0,036 0,05 0,0645 0,196 0,485 0,774 0,906 1,434 1,585 1,644 Ly Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 Y8 Y9 Y10 0,498 0,05 0,117 0,13 0,156 0,1825 0,313 0,338 0,365 0,378 0,448 Lz Z1 Z2 Z3 Z4 Z5 Z6 Z7 0,485 0,05 0,137 0,15 0,1535 0,161 0,315 0,45 Тепловые процессы в изоляционной панели описывается дифференциальным уравнением, которое имеет вид: (1) где – -коэффициент температуропроводности теплоизоляционных панелей. Теплоизоляционный слой разбиваем на объемные зоны от 1 до 6 Тепловые процессы в воздухе туннельной печи описывается дифференциальным уравнением (2) где – -коэффициент температуропроводности внутреннего воздушного объема камеры. Тепловые процессы в обрабатываемом продукте, находящемся в тепловой камере описывается дифференциальным уравнением (3) где – коэффициент температуропроводности продукта, находящегося в тепловой камере. Описываем границы воздушных зон внутреннего объема (зоны 7-43). Описываем переменные для границы зоны продукта (зона 44). , , ; Граничные условия на внешней поверхности камеры, пример для одной из внешних границ приведен ниже: =const=20°C; , , τ>0; Граничные условия раздела сред между теплоизоляционными панелями и внутренним воздушным пространством (поверхности S1- S6), пример для поверхности S1 приведен ниже: ; , , τ>0; Граничные условия раздела сред между продуктом и внутренним воздушным пространством печи, рассматриваются аналогичным образом, (поверхности S7- S12): Входное тепловое воздействие будет происходить с поверхности нагревательного элемента и опишется следующими условиями (поверхности S вх1- Sвх18): Sвх1 или ; ;; τ>0; В случае, когда туннельная печь не заполнена продуктом уравнение (3) исключается вместе с зоной (44), координаты становятся: ;;;;. При этом количество границ воздушных зон внутреннего объема сокращается до 37.

Похожие:

	Отчет о научно-исследовательской работе исследование и разработка... Директор ресурсного центра информатизации образования (рцио), канд техн наук, доцент		Рабочая программа по дисциплине дс системный анализ в таможенном деле (практикум) Охватывает широкий спектр разнородных проблем – от анализа экономической ситуации до разработки методик и моделей синтеза социально-экономических...
	Рабочая программа дисциплины «теория автоматического управления» Цели и задачи дисциплины «Теория автоматического управления» (тау) – изучение общих принципов построения и функционирования автоматических...		Программа учебной дисциплинЫ «теория автоматического управления» Цели и задачи дисциплины «Теория автоматического управления» (тау) – изучение общих принципов построения и функционирования автоматических...
	Негосударственное Аккредитованное Частное Образовательное Учреждение... Распределенные объектные архитектуры программных систем. Многоуровневые приложения. Основные понятия архитектуры распределенных систем....		Исследование систем управления процесс определения организационной... Место исследований систем управления в комплексе дисциплин по теории и практке управления
	Тема 13. Тестирование в исследовании систем управления Цель освоения дисциплины «Методология и методика социологического исследования»		1 Теория свс, структурная макрокинетика, механизмы фазо- и структурообразования,... Механическое активирование реакционных порошковых смесей как эффективный способ управления кинетикой процессов горения, спекания...
	Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Целью изучения дисциплины является формирование у студентов знаний об основах построения и функционирования адаптивных информационных...		Реферат на тему эссе на тему d. Дисциплина «Методика преподавания классического танца» Дисциплины: «Теория управления», «Исследование систем управления», «Теория организации», «Методология науки, системный подход и системный...
	Примерная тематика рефератов по курсу «Исследование систем управления» Современный менеджмент и необходимость исследования систем управления социально-экономической организацией		Исследование систем управления Целью работы является рассмотрение частных методов исследования систем управления, а именно эксперимент, наблюдение и опрос
	Методические рекомендации по курсу Цель курса: изучение основных приемов и методов работы в области предназначения и использования распределенных систем и создания...		Исследование систем управления Специальности: «Менеджмент организации» «Исследование систем управления» является ведущей,в учебном процессе среди смежных дисциплин
	Методы синергетического синтеза иерархических систем балансировки «летающих платформ»		Рабочая программа учебной дисциплины «исследование систем управления» Студенты научатся методам планирования эксперимента и организации исследования систем управления и научатся использовать приобретенные...