автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Теория и практика автоматизации производства аглопорита

эсковскип ордена ат^ойЬго к^сЛого ЗНАМЕНИ автомобилыю-дорожный институт

На правах рукописи

ОНЧАРЙК Владимир Николаевич

удк 066.64:658.52.011.56

ТЕОРИЯ Н ПРАКТИКА АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОИЗВОДСТВА АГЛОПОРИТА

Спецпалыюсть 05.13.07 — Автоматизация технологических процессов и производств (в строительстве)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

москва - 1991

' /

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОКНЫй ИНСТИТУТ

На правах рукописи

ГОНЧАРИК Владимир Николаевич!

УДК 666.64:658.52.011.56

ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОИЗВОДСТВА АГЛОПОРИТА

Специальность 05.13.07 - Автоматизация технологических процессов и производств (в строительство)

Автореферат диссертации.на соискание ученой степени доктора технических наук

МОСКВА - 1991

Работа выполнена в Белорусской специализированной про-ектно-конструкторской организации по автоматизации технологических процессов в промышл. юности строительных материалов СПКО "Белавтоматстром"

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор С.Д.Бушуев

доктор технических наук, профессор 11. С. Вальков

доктор технических наук, В.И.Кубанцев

Ведущая организация: Центральный научно-исследовательский институт организации, механизации и технической помощи строительству Госстроя СССР

Защита состоится "ЗЛ?" декабря 1991 г. в /У часов на заседании специализированного совета ДР 053.30.99 при Московском ордена Трудового Красного Знамени автомобильно-дорожном институте по адресу: 125829, Москва, Ленинградский пр., 64.

С диссертацией микно ознакомиться в библиотеке института Автореферат разослан ноября 1991 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять на имя ученого секретаря специализированного совета.

Ученый секретарь специализированного совета к.т.н., доцент

Н.В.Михайлова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Для ликвидации остроты жилищной проблемы в нашей стране требуется мобилизация всех имеющихся возможностей по значительному увеличению производства фактически всей номенклатуры строительных материалов. Решение згой проблемы возможно осуществить как за счет строительства новых производств, так и модернизации действующих на основе научно-технических достижений.

Широкое использование в строительстве конструкций из легких бетонов вызвало значительное увеличение потребности в искусственных пористых заполнителях: аглопорите, керамзите. Эффективность применения легких бетонов характеризуется следующими цифрами: снижается вес зданий на 20-40 % и стоимость строительства на 6-10 %.

Особое место среди искусственных пористых заполнителей занимает аглопорит из-за возможности получения его из невспу-чиваюцегося сырья и высокой степени механизации технологических процессов.В настоящее время в промыпленности строительных материалов работают специальные машины производительностью 100 тыс.м3 iaглoпopитa в год и находятся в стадии разработки машины производительностью 300-400 тыс.м3 аглопорита в год. К сожалению, коэффициент использования проектных мощностей эксплуатируемых технологических линий низок и составляет от 0,6 до 0,9 из-за несовершенства управления процессом. Этот недостаток может быть устранен за счет автоматизации технологических процессов и оборудования.

Однако, до настоящего времени этот путь повьшения техни-

ко-экономических показателей процесса производства аглопорита и улучшения условий труда практически не используется. Причина такого положения заключается в недостаточной изученности технологической линии производства аглопорита как объекта управления, что не позволяет проектным путем создать эффективную систему ее автоматизации.

Цель работы. Цель» диссертационной работы является создание автоматизированной системы оптимального управления технологической линией производства апк лорлта.

Для достижения поставленной цели необходимо: разработать методику исследования технологической линии производства аглопорита как объекта ароматизированного управления;

обосновать выбор стандартных контрольно-измерительных приборов и разработать необходимую нестандартную аппаратуру для проведения исследований;

исследовать процесс и получить его математические модели; обосновать алгоритмическую структуру системы автоматизированного оптимального управления процессом;

разработать алгоритм оптимального управления процессом по технико-экономическому критерию;

обосновать выбор технических средств управления и разработать автоматизированную систецу оптимального управления процессом;

осуществить тиражирование разработанной системы оптимального управления процессом путем применения ее проектными организациями отрасли как для вновь строящихся так и рековгтруи-- руеыых технологических линий производства аглопорита.

Методы исследования:

экспериментальные исследования процесса производства аглопорита как объекта управления методами пассивного эксперимента (в силу специфических особенностей технологии производства аглопорита);

вероятностно-статистические методы анализа технологических закономерностей протекания процесса;

математическое моделирование при анализе объектов управления с использованием аппарата математической статистики и теории случайных процессов;

градиентные методы поиска оптимума показателя целевой функции управления;

метод последовательного симплексного планирования при идентификации нижнего уровня системы оптимального управления процессом.

На защиту выносятся:

1. Методика исследования и результаты идентификации процесса производства аглопорита ках объекта управления.

2. Концепция оптимального управления процессом производства аглопорита по технико-экономическому критерию. Структура, алгоритм автоматизированной системы адаптивного оптимального управления. -

3. Система оптимального управления процессом производства аглопорита по технико-экономическому критерию, реализованная двухуровневой иерархической структурой.на базе микропроцессорных технических средствах управления.

Совокупность всего комплекса исследований, вцдвинутыв и разработанные положения, их практическая реализация позволи-

ли решить народнохозяйственную проблему по увеличение выпуска аглопорита и улучшении его качественных показателей.

Научная новизна работы. В результате многолетних исследований выполнен комплекс работ по теоретическому обоснованию и разработке автоматизированной системы оптимального управления процессом производства аглопорита по технико-экономическому критерию (прибыли).

Диссертантом впервые:

1. Разработана методика и необходимая нестандартная аппаратура для исследования процесса производства аглопорита как объекта автоматического управления.

2. Исследован процесс и получены его математические модели как объекта управления.

3. Обоснована алгоритмическая структура автоматизированной системы оптимального управления процессом производства аглопорита.

4. Разработан алгоритм первичной и вторичной оптимизации управления по критерию качества управления и технико-экономическому критерию.

5. Обоснована структура и определен комплекс технических средств системы оптимального управления процессом производства аглопорита.

Практическая значимость работ». На основе теоретических и экспериментальных исследований решена важная для народного хозяйства проблема - создание и внедрение в практику эффективной системы автоматизированного управления технологичсски-ми процессами производства- аглопорита. Указанная система рекомендована Министерством промышленности строительных мате -

риалов Республики Беларусь для применения проектными организациями при проектировании как вновь строящихся так и подлежащих реконструкции действующих цехов производства аглопорита.

Годовой зкономический эффект от внедрения только нижнего уровня автоматизированной системы адаптивного оптимального управления процессами производства аглопорита составил 1210 тыс.руб.

Документы, подтверждающие реализацию проведенных исследований приведены в приложении к диссертации.

- Апробация работы. Основные положения работы докладывались, обсуждались и лолучили одобрение более, чем на 20 Меящу-народных, Всесоюзных и Республиканских научно-технических конференциях, семинарах и совещаниях.

В 1979 г. отдельные законченные блоки системы экспонировались на ВДНХ СССР. За их разработку диссертант награжден серебряной медалью ВДНХ. Содержание работы отражено в 24 статьях и 3-х авторских свидетельствах. Диссертационная работа выполнена в соответствии с республиканской целевой комплексной программой "Автоматизация-90".

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы 207 библиографических названий и приложений. Работа содержит 242 страницы машинописного текста, 49 рисунков, 28 таблиц, 2 приложения .

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Современная технология производства аглопорита относится к сложным объектам управления. Анализ структуры этого сложного

объекта позволяет выделить в его составе четыре более простых технологических передела, которые определенное время могут работать независимо друг от друга: приготовления шихты, спекания шихты, механической переработки аглопоритного коржа и сортировки готовой продукции. Ведущей технологической операцией, определяющей качество готового продукта и эффективность его производства, является процесс спекания аглопоритной шихты. В настоящее время самой высокопроизводительной машиной для спекания аглопорита является машина СМ-961 (100 тыс.м3 аглопо-рита в год), поэтому она была выбрана объектом исследований (схематический чертеж аглопоритной машины приведен на рис Л). Аглопоритная машина непрерывного действия является ленточной машиной. Площадь спекания составляет 45 м2, ширина колосниковой решетки - 1,5 м, скорость движения ленты изменяется в пределах 0,4+1,25 м/ыин. Технологический процесс спекания протекает следующим образом.

Подготовленная шихта из глины, возврата и угля увлажняется и проходит стадию грануляции, после чего укладывается ленточным питателем слоем определенной толщины на палеты аглома-шины. При продвижении палет с шихтой под горн агломашины за счет сжигания топлива и просасывания газов через шихту, послед няя прогревается. Топливо поверхностного слоя шихты от воздейс вия лучистой энергии воспламеняется (происходит зажигание шихт: и начинает гореть. Зона горения топлива за счет вакуумно-дутье вого режима и последовательного продвижения палеты от 3-й до 20-й вакуум-камеры перемещается сверху, вниз по высоте слоя ших ты. Под влиянием тепловой энергии сгораемого топлива дифференцировано по слоям шихты протекают следующие физико-химические

Рис, /. Схематический чертеж аг/опоритной машины непрерывного деистоий: / - загрузочное устроистбо^ 2 - горн} 3 - приходное устройстбо} 4 - па/ета^ ■ 5 - дымосос, 6- шихта > аг/опооит^ 8 - Аиния горений тошиоа>9- да -куум- камеры.

процессн: испарение влаги, подогрев шихтовых материалов, пиротехнические Процессы горения топлива, спекание и вспучивание глины, охлаждение готового продукта.

Случайные колебания химического и гранулометрического составов шихты, ее влажности и высоты слоя укладки на аглолен-ту, а также ряд других внешних возмущений приводят к изменению газопроницаемости как по высоте слоя шихты, так и по длине машины. Последнее приводит к неравномерной скорости спекания шихты по ширине и длине ленты и ухудшению свойств готового аглопорита, а также повышенному количеству возврата (не-спекшейся шихты).

В целом весь технологический процесс производства аглопорита можно характеризовать как многомерный, стохастический со сложными взаимозависимостями между управляющими, возмущающими воздействиями и параметрами состояния, включая показатели качества и экономические критерии. По классификации моделей объектов процесс производства аглопорита является сложным объектом управления, обладающим свойствами моделей перемешивания, переноса моделей с рециклом.

Структура информационных связей технологического процесса производства аглопорита показана на рис.2. Согласно рис.2 технологические параметры процесса можно подразделить следующим образом.

I. Входные неуправляемые параметры: Сщ J Сп - стохастический химический состав исходного угля и глины соответственно; Су>СГ) - средний химический состав угля, глины, возврата;

3 - напряжение и ток потребляемые приводом; Уш - гранулометрический состав шихты; (2с - тепловой эквивалент углл;

Компоненты шихты

Уголь

Глина

Вода

°» сп

Усреднение Накопительная емкость возврата

Уголь Глина

5 5 сВ

весо&ае дозирование

Уголь Глина Воз брат

Ог

Сг

С*

Св

Смешивание компонентов и акомкоёание шихты

т.

Сщ Чш

Не

Загрузка шихты И а аглоленту

I Отвод \ йымо8ш I газов

Рв*

ил

1 1

н» Сщ Рш \tlui Т 0* и/«! 0,

Привод аелоленгб/

Зажигание шихты

г

Сог ¿аг Ч 7' Сщ ?ш Иа О* Чи

Спекание шихты и получение гатовоео аелопорита

(Ли,

Охлаждение аелопорита и его сортиро&на

и

Уа

Па

Пв

уис. 2. Структура информационных с£язеи процесса, произбодстба аГАОпорита.

//э - мощность потребляемая приводами дымососов; J3^ - газопроницаемость шихты.

П. Входные управляемые параметры: б7*^ Gy } GC) Gtj G ш соответственно расходы воды, угля, глины, возврата и в целом шихты; Vt} У& - расходы топлива и воздуха; ^ - угловая и линейная скорость ленты; - влажность шихты; Сш - химический состав шихты; - теплопередача к шихте; рг- давление в горне; Спг - химсостав газов в горне; рвк - разрежение в вакуум-камерах.

Ш. Параметры состояния и выходные параметры процесса: Cor - химсостав отходящих газов з вакуум-камерах; ¿в* -температура газов в вакуум-камерах; ir - температура газов в горне; {стемпература шихты по высоте и длине слоя шихты и аглопирога; ¿^ - температура зажигания ¡пихты; - тепловой эффект горения в шихте угля; ia. - температура готового аглопирога; J3a - газопроницаемость аглопирога; /?а. - высота аглопирога; - вертикальная скорость спекания шихты по длине ленты; fo. - насыпной вес годного аглопорита; Ра. - прочность аглопорита; - гранулометрический состав аглопорита; /7<г,

/7в - производительность машины по годному аглопориту и возврату.

Исходя из структуры информационных связей мезвду укрупненными операторами модель процесса можно рассматривать как модель объекта управления типа "черный ящик".

Анализ литературных данных позволяет выделить пять направлений разработки систем автоматического контроля и управления процессомsприготовления шихты, газопроницаемости шихты, зажигания и спекания шихты, дробления и сортировки аглопоритг.

и

Первоочередной задачей исследований процесса производства аглопорита является планомерное его изучение в направлении построения математической модели управления.

В последнее время в СССР и за рубежом обращено внимание на системный подход к автоматизации технологических процессов. 3 этом направлении начаты работы с учетом единого критерия эффективности производства. При системном подходе к проблеме автоматизации процесса производства аглопорита в качестве основного критерия оптимального управления следует принять максимально возможную производительность агломашин, минимальную себестоимость и требуемое по ГОСТу качество готового продукта.

В качестве тритерия эффективности можно принять критерий, основанный на понятии экономического показателя прибыли £ для аглопоритного цеха.

где - вес аглопорита I -ой фракции, полученного за А'-ый интервал; С^С^}- цена аглопорита ' ¿-ой фракции в /«'-ом интервале; вес дискретных расходов /7-го вида сырьевых

и вспомогательных материалов за Н-ый интервал; О'л - цена дискретных расходов П -го вида; - величина непрерывных расходов (электроэнергия, природный газ и др.) за А'-ый интервал; - цена непрерывных расходов у -го вида; Тк - интервал дискретизации.

Первый член в выражении (I) представляет собой результат работы цеха з стоимости продукции. Функция

сМ может быть

выбрана в такой форме, чтобы учитывать условие удовлетворения заказа. При несоответствии качества готового продукта ГОСТу

(по прочности, объемной массе аглопорита), стоимость резко снижается. Вычитаемые члены представляют собой стоимость дискретных и непрерывных расходов за К -ый интервал .

Максимизация критерия (I) соответствует следующей цели управления цехом: непрерывное поддержание максимальной производительности технологической линии при минимальной себестоимости аглопорита с учетом требований ГОСТа по качеству продукции.

Производительность аглопоритной машины по годному продукту Рг может быть определена как

Рг=КГп6Ьт)а ~ А , м'Аас > <2)

где 6 - ширина ленты; Л - толщина слоя шихты; - скорость ленты; Н = 1,25 - коэффициент разрыхления аглопоритового спека после дробления; ГП = 0,85 - коэффициент усадки аглопоритового спека на машине; Рь - выход возврата.

Себестоимость аглопорита определится как сумма статей затрат на его производство

(3) .

В качестве параметров качества готового аглопорита следует принять его прочность, объемную массу и выход фракции 10 + 20 мм.

. На основании априорной'информации процесс производства аглопорита следует отнести к классу стационарных, эргодичных объектов с неполной начальной информацией. Модель процесса следует рассматривать как модель переноса с рассосредоточенны-ми параметрами в пространстве, т.е. состоящую из ряда последо-

вательно соединенных операторов массопереноса. Управляющие и возмущающие воздействия, взаимосвязанные операторами энерго-г.ероноса, прилагаются на вход операторов массопереноса. Причем, каждый из операторов в общем случае является многомерным.

Учитывая специфические особенности работы аглопоритной мааины и существующую организацию производства, единственно возможном методом исследования процесса является пассивный эксперимент. Пассивный эксперимент должен быть выполнен с соблюдением определенных условий по сбору статистической информации. Основные из них - это одновременность регистрации входных 00с и выходных ус параметров процесса в установившемся режиме. 3 связи с тем, что величины «Х^ и ус являются случайными, то объем выборки данных оказывает существенное влияние на достоверность модели. Объем выборки определяется по таблице достаточно больших чисел при условии, что заранее задана допустимая ошибка исследования <?" и вероятность р , определяющая надежность результатов исследования. Для ¿""-0,05 и р = 0,99 объем выборки составит /К = 663.

Основная цель эксперимента состоит в получении достаточной полной математической модели процесса и проверке одекват-ности ее реальным условиям. Для получения математической модели используется теория вероятности и математической статистики. Поиск моделей в виде полиномов первой и второй степени производится методами корреляционного и регрессионного анализа. Анализ полученных количественных характеристик осуществляется принятием ряда нуль-гипотез и последующей проверкой их (в частности, по критериям Пирсона, Фишера и Стьццента).

1о

Эффективность исследования процесса производства аглопо-рита во многом зависит от качества измерения его технологических параметров. При решении задачи идентификации одним из основных показателей является погрешность измерения, которая увеличивает неопределенность уравнения регрессии. Точность математической модели, рассчитанной методом регрессионного анализа, можно повысить, если уменьшить погрешность регистрации переменных. На этапе исследования аглопоритной машины методом пассивного эксперимента предоставляется возможным осуществить автоматическое измерение объемов большой выборки скорости аг-лоленты, расхода топлива и воздуха в горн, разрежения и температуры отходящих газов по вакуум-камерам, температуры газовой среды в горне и температуры зажигания поверхности шихты. Лабораторное измерение для этого же объема выборки можно провести по, параметрам: содержание углерода в шихте по тепловому эквиваленту, влажности шихты, прочности и насыпной массе аглопорита.

Автоматическое измерение, содержания С^, СО^ и СО в отходящих газах вакуум-камер, а также температуры спекаемой шихты по высоте слоя из-за сложности проведения эксперимента представляется возможным осуществить лишь в объеме малой выборки.

Контроль содержания влаги н углерода в шихте, а также объемной массы и прочности- готового аглопорита осуществляется взятием навесок и их анализом по типовым отраслевым методикам.

Система автоматического контроля для проведения эксперимента была смонтирована на машине СМ-г961 Минского завода строительных материалов.

Проверка условий стационарности и эргодичности процесса

iV

no исследуемым параметрам проведена постановкой предварительного эксперимента. Обработка результатов эксперимента по алгоритму расчета автокорреляционных функций показала, что для ьсех параметров процесса спекания шихты выполняются условия стационарности и эргодичности:

l<*(tittz)m КхСт); mx(t)~ тх ■ J)x(ij-J)x

Исследование функций затухания первых четырех моментов показало, что для проведения регрессионного анализа объем выборки должен быть не менее 500 измерений.

Полученные основные статистические характеристики случайного процесса по каждому исследуемому параметру приведены а тябл Л.

Проверка закона распределения случайного процесса по кат-дому исследуемому параметру проведена по л*-критерию Пирсона и показала, что рассматриваемый случайный процесс по каэдому ЗГу параметру подчиняется нормальному закону. Указанная проверка подтвердила корректность задачи решения математической модели многофакторного процесса с помощьзз методов корреляционного и регрессионного анализа.

Для обработки результатов пассивного эксперимента методами корреляционного и регрессионного анализа разработан специальный алгоритм для ЦВМ "Минск-32", который позволили произвести решение задачи статической идентификации в виде полиномов первой и второй степени. Адекватность моделей проверяется по ^"-критерию дилера, значимость - по L -критерии Стьв— дента.

Полученные математические модели в классе полиномов 1.-ой и 2-ой степени адекватны реальному процессу. Переход от поли-

Наименование . параметров

Прочность

ОЫнная пасса температуре поберхносп Шжнасть Содершпнис углёрода

Обозначение пара-нетроо

Р %

IV С

Температура) ¿г 6 горне

горне

I \

Я

I

сз

ч?

-о

'О

^ СУ § *

К' --а

ОБьен ЬыЪарш (ы точек)

Р< Р* Р' Р*

Рг

Р* р»

р*

Р.С р,е

Ра р„

Рч

Рго

47

и и и и

I?

С/

! С

I и I и

I -¿п

! и 1

\ ¿и

; ¿13

: ¿го

520 520 I 501 | 501 I 591 ! 591

\ 59/ ; 59/ 520 | 520 \ 520 I 520 I 520 : 520 1 520 ! 520 ! 520 ; 520 : 520 520

Математическое ожидание

! Лиспер-сия

Таблица /

"Числа I х - критерий степе-1 Пирсона

162-10 64,6-10 ЗШ-10 : 1,84-10 \ 0,67-10 .1,15 10

' 6,65-10 [6,81-10 \9,36-Ю ■ ! 1,01- 10г 11,29-10г ' /,65-10 г \06-1Ог

! 1;/1-ю*

] 1,12-Юг Щ9-Ю2 \10fl-10 • 9/7-10 ¿,96-10 .9,0-10

\ 3,08-10 I /77-105 ' ; 5,95 ■ : 12,11 \ | 3,0 I \1,71-103 !

'.3/2 Юг 13,06 /О2 11,62 10* \1,42Ю1 \

им-ю1;

4 23-10* >7- 10г 5,31-10 2 ■ <,11-101 : 7,3610х ■6]07Ю2

■6,91-Ю1 7,33-10 2

ней . с6оЪоИькэмпиР

17 17 17 19 19 19

19

19

17

25

25

17

17

17

17

17

17

17

17

17

таЪА.

\23,4 27,6 ! '■21,2 27,6 ' : 17,3 \27,€ .13,0 \30,1

•Щ \зо,1 •17/' \30,1

\ 15,2

15.0 2^,1 Н,3

21.1 20,8

16.4

18.5 16,4 12,0 11,1 13,4 1613 20,2

130,1 ■ зоу

'27,6

.35,2 !

\35,2

27,6

27,6

27,6

27,6

27,6

27,6

27,6

27,6

276

! 591 ; 59/ I 520 ! 520 - 520 ; 520 \ 520 ; 520 ; 520 : 520 520 I 520 ; 520 ; 520 ■ 520 : 520

г <57-10

¡3,41-10 \2,46-Ю .3,88-10 2,1*2-10 \ 3,75 10 15,1-10 3,64- ю 3,01 -10 3,84-10 4,64-Ю

5.28-10 ^4 10

4.29-10 3.67-10

;1,63-10 ■ : 5,9710 ' ' 3,75 -ю ;

: 6,12- ю\

| 6,39-10 •■4,96-Ю ' '7,03-10 ; 7,03-ю2 1/6-102 :Щ-10г \ ■■1,44-102-277-10 2 ! :2,95-Ю2' •2,18-102 ' 13,040>

17 17 17 17 17 17 /7 17 17 17 17 17 11 ■17 <7

20,2 17,3

13,5 .9,8 -10,1

I

■10,1 \9>*

'\161 101 17 } 143

I + » *

27,6 ■ 30,1 ■27,6 27,6 ■27,6 :27,6 ' 27,6 . 27,6 ' .27,6 ■27,6 .27,6 \27,6 ■27,6 27,6 '\27£ \

\2%е\

номиальных моделей первой степени ко второй в исследуемой области значений параметров существенного улучшения Г -критерия не дает, поэтому для сокращения размерности моделей приняты полиномиальные математические модели 1-ой степени.

Полученные в результате идентификации математические модели процесса приведены в табл.2.

Для уточнения условий адекватности моделей процессу, последние апробированы на объекте по информации малого объема выборки (148 измерений). Полученное поле корреляции параметров процесса укладывается в значения откликов моделей с погрешностью, лежащей в интервале остаточного среднеквадратичного отклонения

Дополнительно на объекте исследованы распределения содержания С (А), СО и 0£ в отходящих газах и температуры по трем горизонтальным слоям спекаемой шихты по длине аглоленты. Установлено, что полученные модели соответствуют вертикальной скорости спекания шихты 6+8 мы/мин. при скорости движения ленты 0,6 м/мин.

Вторая часть исследований посвящена отработке алгоритмической структуры и математических моделей оптимального автоматического управления процессом производства аглопорита по полученной его математической модели. Система оптимального управления технологическим процессом должна строиться по иерархическому принципу. Согласно математической модели процесса нижний уровень системы включает в себя локальные контуры САУ процессами подготовки шихты, ее зажигания и спекания. Контуры САУ являются многоспязныы! и построены на принципе дуального управления. Они содержат стабилизирующие контуры САР, идентификаторы

20

ТаБ/ица 2

Нацмена ni э

Ьаиие tDUO МООв/U

ноде/и

Зажига- tf-ttJ22'i+ûfil8tr-0tQ59C-0,077w-шихты -OftmpfOflog^-opôïst, +0,0255 и

^3^95-5,249/O'^pj - />533-/О'2 tz i W6,4Q8- 6,403 /О7,ÜS2' í0~ ' 6

i ¿5=-6ß33-5ß59-Ю'lps4 /0,398- tO'*-U

¡ t6=2/,8l3 +2ß&Ю'2р6+5ß38- /О''- ¿s

¡ t7 =5,356-3,554 /О^р?*6,205- /О'*- ts

■Опека- U-5p4b-U436 /0'3р^6/88 i0''-t7 ■Hue tg=\296-/,32/ W'pg + 8,3 /0'г ti Шихты í,0=9586-3,804 Ю~2р,о * 0,055- /О''- tg t „ -37,4/4 - /р29- /О -<p„ * /7,849- Ю-'-i,о t<24{36b-3S66- Ю~2-р,2 * 6,2 i/- SQ-'-t н ¿«-- 7J68-2,622-Ю'2-pu * Ю,004 - Ю''-1 /2 • ¿«=/4,065-5,04 /■ Ю'грл <-8,329- Ю''-í a U-0,539+ /,477 Ю-1 Pis * /2ß2 //?"' t« ¿<s4Zm-5,738- Ю'2-p<s*6,83ff Ю-'-L^s ta =9/43-4,945- Ю'3-р„ * Ц48- Ю-'-íis ta-2/28-Í953-Ю'2-р„ +8,259- Ю''-ta tu - ^85/3JQ52-i0~2-ptg +Ю>№ ■ Ю'Чи Í20-ty25-2¿25- iO'2-p^Sß6- Ю-'- tw

F-h'pu Ö осг терии Фии/е-

42594 0854

37,692 10,445 ЦЯ40 Ц28/ 24^24 ■/6,238 32p49 /6/39 bit,266 28269 26,m

27,583 64,176 28p87 4/,3/2 30673 43,345 35623

i 004 0,350

o,sm

0645

0,458 0,463 0,202 0.2 <8 Ó>244 O,/76 O, /Q/ 0,231 O,/60 0>/39 O,/28

о>т 0,22/

Прочность Ра 0,158í¡ - (,23-Ю '2t ¿ -

anana- - D} m Ю'2 L+8ßQ-/ölt9- /p7/0~2i¿ ZD,026 Qp72 pura - j¡2g. fQ-K íts - ,ß i0'2t17-57^-/0-2tig

Ойьемная r = 653,36-1765¿, - 0,279-t, ; масса 4

аглало-; Рита

+ Op92t6 * 0,158- tg-0,165■ t a - Щ50 O, Q4Q - 0,229-U <- 9¿25- t„-D m-1,9

+

для адаптации моделей процесса и модели расчета управляющих воздействий. В качестве критерия оптимизации управления для контуров САУ принят критерий среднеквадратичной погрешности управления.

Такая система управления может быть названа системой первичной оптимизации ССПО) и позволяет стабилизировать большую часть параметров процесса, переводя управление из преимущественно стохастического в преимущественно детерминированное. Этим самым устраняется влияние контролируемых параметров на показатель цели 6 , характеризующий производительность процесса и себестоимость готового продукта и вектор ограничений по качеству выходного продукта £ . С допустимой погрешностью можно считать, что неконтролируемые возмущения, определяемые при идентификации объекта управления и вводимые в стабилизирующие расчеты, оказываются также учтенными в алгоритме системы СПО.

То1*да модель оптимизации может быть записана как

е«еОг), * , Т*0* (4)

где Х=(ЗС<У- вектор оптимизируемых параметров, уставок для контуров САУ системы СПО. Оптимизируемыми параметрами является температура зажигания шихты, влажность и содержание углерода в шихте, а также положение зоны спекания над каадой вакуум-камерой.

Задача вторичной оптимизации сводится к оптимизации значений по критерию £ .

е* = е(7*) = ех1-ге (5)

Система вторичной оптимизации (СВО) периодически обрабатывает информацию по управляемому объекту и устанавливает оптимальные значения доминирующих уставок ОС*. Характерная особенность задачи системы СВО состоит в том, что модель (4) априори не известна, а находится на каждом шаге оптимизации. Алгоритм вторичной оптимизации базируется на использовании экспериментально статистических методов.

Зависимости (4) можно заменить условием X в Ъ допустимых значений оптимизирующих переменных, где

ПЩ^ ^ у* ^О] , и тогда задачу оптимизации

управления можно сформулировать как

Го)

где 9к^~ое ограничение, Чк - допустимое значение по I/ -иму ограничению.

Решение задачи (6) производится методом крутого восхождения. При разработке алгоритма крутого восхождения теоретической основой явились работы, выполненные под рук.проф., д.т.н. В.В.Солодовникова. Алгоритм состоит из следующих этапов:

1. Задаются допуски по каждому параметру Ок и вы-

„Г4) *

числятся допустимые значения (1К .

о о и Л™ -гМУ

2. В окрестности исходной точки А = ( } ...}ОСп )

производится оценка градиентов показателя эффективности 7& и ограничивающих параметров .

3. Производится оценка

е-еСТ) при изменении X в

направлении Ув.

э

4. Осуществляется переход показателя 6 в точку максимума на направлении

5. В новой точке производится повторная оценка градиентов ^б и ^ (как в п.2) и в зависимости от того, куда попала эта точка (внутрь области Т> или на допустимую границу),

—г

повторяются п.п.3,4 или произвести движение вдоль ^ провк-ции на нарушенную допустимую границу. Если нарушено М

—Г- г

допустимых границ, то вектор 5 представляет собой проекцию че на пересечение опорных гиперплоскостей, касательных к нарушенным границам в точке В .

6. В направлении У производятся наги фиксированной или монотонно возрастающей длины, пока не будет достигнут граничный максимум.

7. Выполняется переход на истинную границу.

Реализация алгоритма не возможна без решения задачи идентификации, т.е. нахождения некоторой аппроксимации оператора объекта (б). Решение системы линейных алгебраических уравнений необходимо в п.п.2, 3, 4, 7. С целью экономии машинной памяти и рабочего времени для решения системы линейных алгебраических уравнений используется алгоритм итерационного решения системы уравнений, использующий метод крутого восхождения. Проверка алгоритма вторичной оптимизации проводилась на вычислительной машине типа "Минск-32". Исследования подтвердили работоспособность алгоритма и хорошую скорость сходимости к оптимуму.

Решение задачи первичной и вторичной оптимизации по разработанным алгоритмам дуального управления и крутого восхождения возможно при наличии управляющей вычислительной машины (УВМ). функциональная структура иерархической АСУТП на базе микропроцессорных технических средств управления производством аг-лолорита приведена на рис.3.

р) ы

£ гч |Г-

С

5 ? ГЗ

Техноа огичесшъ

оЪъент упрощения

5

К *

<Ъ ^ ^

£ Й -С

гг) 1

^транспорти-

3 \робка шихть[

С>|-

4

п>

I

Лдзиро-оание кон по-0 не н тоо

Грану а иро-Ьание

и

Пост

центрсиизобанного управления

П V

П5 3

з: Сэ

X С;

С ^ $

С

I

Укладка шихты на

а г/она шину

Зажигание

шихты (бакуун-ка меры У/\2)

Спекание шихты

(бакуум-ка-нерыЖ/З+М)

Охлаждение агАОпарита (бакиун- ка-

мерыЩ20)

о

Сл,

гъ

г ^

-5

Г)

С) ^ Й ^

АроШление агАопорита

Сортировка агАопорита

Складирование ^ ЬгАОпорита

С)

с: 1

£ I

ч

з §

§

€ Сг

Сс с:

с>

сэ

о N

к §

Ть

с;,

О ;

9

о ■ ■ч

йс:,

К

Выбор рациональной (с точки зрения наиболее полной реализации функций управления и стоимости затрат на приобретение оборудования) структуры комплекса технических средств управления произведен на основе сравнения нескольких вариантов. ' Рассматривались структуры на базе МиниЭВМ "Электроника", номенклатуры средств КГС ЛИУС-2, ЫикроЭВМ Т.СМ18Ю.

Анализ указанных вариантов позволил сделать вывод о предпочтительности структуры на базе МикроЭВМ т.СМЮЮ для создания двухуровневой автоматизированной системы оптимального управления производством аглопорита.

ВЫВОДЫ

1. Анализ состояния автоматизации процесса производства аглопорита на спскательных машинах непрерывного действия показал, что указанный процесс в настоящее время не автоматизирован и ле изучен как объект управления.

2. Анализ состояния автоматизации агломерационных машин в черной металлургии, а также проводимых в этом направлении работ показал, что систему автоматического управления процессом производства аглопорита надо рассматривать как сложную иерархическую, имеющую контуры оптимизации управления.

3. Используя опыт научно-исследовательских работ в металлургической и химической промышленности, удалось сформулировать основные этапы исследования процесса производства аглопорита и разработки алгоритмов управления.

4. Разработана методика идентификации процесса производства аглопорита, позволяющая выявить свойства стационарности,

эргодичности, исследовать законы распределения и вероятностные характеристики процессов, изучить корреляционные связи и найти адекватные математические модели в классе полиномов первой и второй степени.

5. Обоснован выбор оборудования для проведения эксперимента и разработан ряд нестандартных средств контроля основ-" ных параметров процесса.

6. Проведен эксперимент на объекте, результаты которого обработаны ЦВМ "Минск-32". В результате обработки данных найдены математические модели, описывающие процесс подготовки зажигания и спекания шихты, а также модели, описывающие качество готового аглопорита. Модели, описываемые полиномами первой степени,можно отнести к классу удовлетворительных и использовать для целей оптимизации и адаптивного управления.

7. Обоснована структура модели объекта управления и модели системы оптимального управления. Система оптимального управления должна быть иерархической и включить в себя подсистемы первичной (СПО) и вторичной (СВО) оптимизации управления. Система СВО реиает задачу выбора оптимальных значений параметров состояния процессов приготовления шихты, ее зажигания и спекания, исходя из условия максимальной производительности, минимальной себестоимости аглопорита и требуемого его качества. Система СПО переводит процесс производства аглопорита из класса стохастических в класс преимущественно детерминированных и построена по принципу дуального управления.

8. Для решения вопроса оптимизации управления в системе СВО разработан алгоритм, использующий метод крутого восхождения. Проведены испытания алгоритма на модельных задачах на

ЦВМ. Обоснован выбор длины пробных и рабочи:: шагов, проверена скорость сходимости к оптимуму на допустимой области.

9. На основании полученных математических моделей процесса и разработанных алгоритмов оптимизации обоснованы требования к УЕМ; выбрана МикроЭВМ T.CMI8I0 (верхний уровень системы) и микропроцессорные контроллеры т.Ломиконт JI-II2, т.Ремиконт P-I12 (нижний уровень системы).

10. Разработанная иерархическая автоматизированная система оптимального управления процессом производства аглопорита рекомендована Министерством промышленности строительных материалов Республики Беларусь к применению проектными организациями при проектировании новых и реконструкции действующих технологических линий.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В СЛКДУЩ1Х РАБОТАХ

1. Гончарик В.Н. Оптимизация управления процессом производства аглопорита. Ж."Строительные материалы", № 4, 1978.

2. Гончарик В.Н. АСУТП окускования аглопоритной шихты. Сб. "Теория и практика создания АСУТП с применением вычислительной техники на предприятия окускования сыпучих материалов", М., 1978.

3. Гончарик В.Н., Коробко И.М., Скобов H.H. Исследование систем автоматического регулирования на АВМ. Сб."Автоматиза- . цкя производственных процессов в машиностроении и приборостроении", Ьып.17, Львов, I97Ü.

4. Гончарик В.Н., Коробко И.М. Исследование статических характеристик процесса производства аглопорита. Техническая

информация ВНИИЭСМ, серия "Промышленность керамических стеновых материалов и пористых заполнителей", № II, 1980.

5. Гончарик В.Н. Современное состояние автоматизации технологических процессов в промышленности строительных материалов. Сб."Пути ускорения темпов механизации ручного труда на предприятиях Минпромстройматериалов БССР", Минск, 1977 .

6. Гончарик В.Н., Левин Г.И. Применение микропроцессорной техники для автоматизации технологических процессов и оборудования в производстве керамических стеновых материалов. Обзорная информация ВНИИЭСМ, серия "Промышленность стеновых материалов, пористых заполнителей и местных вязнущих", вып.З, 1989,

7. Гончарик В.Н. Автоматизация технологических процессов -действенный фактор экономии материальных ресурсов.

Ж."Строительные материалы", № 8, 1982.

8. Гончарик Б.Н. Автоматизация технологических процессов -путь повышения технико-экономических показателей производства. Сб."Механизация и автоматизация технологических процессов на предприятиях стройиндустрии и строительных материалов", Челябинск, 1982.

9. Гончарик В.Н. Проблемы внедрения новой техники. Ж. "Строительные материалы", № I, 1984.

10.Гончарик В.Н., Иванов В.П., Шемякин В.К., Осмоловский A.M. Опыт создания СВЧ влагомеров строительных материалов. Обзор ная информация БелНИИНТИ, Минск, 1986.

11.Гончарик В.Н., Бензарь В.К. Некоторые вопросы автоматизации производства аглопорита. В сб."Проблемы автоматизации агломерационного произьодства", Киев, изд.Института автоыа-

тики, 1973.

12. Корзбко И.М., Гончарик В.Н. Задачи и метод вторичной оптимизации многофакторного технологического процесса. Тезисы докладов конференции "Автоматизация производственных процессов в промышленности стеновых, вяжущих и теплоизоляционных материалов", Минск, 1974.

13. Гончарик В.Н. Исследование взаимосвязи мевду некоторыми технологическими параметрами процесса производства аглопорита с помощью методов корреляционного анализа. В сб. "Проблемы автоматизации агломерационного производства", Киев, изд.Института автоматики, Д973.

[4. Гончарик В.Н. О статистическом исследовании взаимосвязей между некоторыми параметрами процесса спекания аглопорита. Тезисы докладов республиканской научно-технической конференции, Минск, 1969.

[5. Гончарик В.Н., Федоровский Н.В. К вопросу исследования технологических параметров для автоматизации процесса спекания аглопорита. Tau же.

:б. Соболевский Г .Д., Гончарик В.Н. Методология исследования САУ непрерывными технологическими процессами на ЭВМ. Тезисы докладов конференции "Автоматизация производственных процессов з промышленности стеновых, вяжущих и теплоизоляционных материалов", Минск, 1974.

7. Коробко И.М., Шороп И.Е., Гончарик В.Н. Алгоритмы идентификации динамических характеристик технологических про. цессов. Тезисы докладов конференции "Автоматизация производственных процессов в промшленности стеновых, вяжущих и теплоизоляционных материалов", Минск, 1974.

18. Коробко U.M., Гончарик В.Н. Об одном подходе к оптимизации управления непрерывным технологаческим процессом. Тезисы докладов Всесоюзной конференции "Применение математического моделирования для оптимизации технологических

• и конструктивных решений в строительстве и промышленности строительных материалов", Одесса, 1975.

19. Гончарик В.Н., Никитин Л.И. Система стабилизации состава шихты при производстве аглопорита. Тезисы докладов производственно-технической конференции "Автоматизация и контроль технологических процессов в промышленности строительных материалов", Минск, 1971.

20. Бензарь В.К., Федоровский Н.В., Гончарик В.Н. Автоматизация процесса спекания аглопорита. Ж. "Промышленность Белоруссии", J? 2, 1972.

21. Гончарик В.Н. Автоматическое регулирование процесса зажигания шихты. Техническая информация ВНИИЗС-М, серия "Промышленность керамических стеновых-материалов и пористых заполнителей", Ii 12, 1972.

22. Гончарик В.Н. Автоматическое поддержание заданной температуры поверхности аглопорита. В сб."Проблемы автоматизации агломерационного производства", Киев, изд.Института автоматики, 1973.

23. Гончарик В.Н., Нестеров З.В. и др. Устройство для автоматического контроля состава газовой фазы процесса агломерации. В сб."Теория и практика автоматизации агломерационного производства", Киев, изд.Института автоматики,1971

24. Гончарик В.Н., Гуринпвич И.В. Автоматический контроль и управление процессов 'лгршсбработки сырцовых зольных ^ра-

нул при производстве аглопорита из золы ТЭС. В сб.докладов Всесоюзного совещания по использованию золы ТХ в производстве строительных материалов, М., 1973.

25. A.c. ДО 543220 СССР, M.foi.2£ 0I/V23/24. Автоматический сверхвысокочастотный влагомер (В.К.Бензарь, В.Н.Гончарик, Н.Я.Скобов). № 2185.393/09; заявл. 31.10.75.

26. A.c. № IC09550 СССР, (5-05 В 19/18. Устройство для дискретного управления (Г.И.Левин, В.Н.Гончарик, Г.И.Шляга). № 3534470/13-24; заявл. 07.01.83; опубл. 30.04.84; Бюл.

№ 16.

27. A.c. № 1409968 СССР, G- 05 Д 23/19, £-05 В 23/02. Устройство для регулирования температуры (Г.И.Левин, В.Н.Гончарик, М.И.Беленький, А.О.Хавкин). J? 3979213/24-24 заявл. 19.11.85; опубл. 15.07.88; Вэл. № 26.