автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Автоматизация технологических процессов пневмотранспортирования сыпучих строительных материалов при учете случайного характера изменения параметров аэросмеси

с

На правах рукописи

КОВАЛЕВ Роман Валерьевич

АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПНЕВМОТРАНСПОРТИРОВАНИЯ СЫПУЧИХ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ УЧЕТЕ СЛУЧАЙНОГО ХАРАКТЕРА ИЗМЕНЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ АЭРОСМЕСИ

Специальность 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (строительство)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2009

003481848

Работа выполнена в Московском автомобильно-дорожном институте (Государственном техническом университете)

Научный руководитель - Доктор технических наук, профессор

Марсов Вадим Израилевич

Официальные оппоненты: Доктор технических наук, профессор

Васьковский Анатолий Михайлович

Кандидат технических наук, профессор Тихонов Анатолий Федорович

Ведущая организация: Научно-производственный центр "Строительство" Российской инженерной академии г. Самара

Защита состоится 24 ноября 2009г. в Ю00 часов на заседании

диссертационного совета Д 212.126.05 в Московском автомобильно-дорожном

институте (Государственном техническом университете), по адресу: г. Москва, Ленинградский просп., д.64, ауд.42

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке института

Автореферат разослан 22 октября 2009г.

Ученый секретарь

диссертационногр совета /

кандидат технических наук, доцент

Михайлова Н.В

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В условиях высоких темпов развития строительного производства, перерабатывающего значительные объемы сыпучих материалов, возросла актуальность повышения эффективности их пневмотранспортирования.

Специфической особенностью процессов пневматического транспортирования сыпучих материалов, которые не обладают свойством самовыравнивания, является их быстротечность. Это не позволяет при случайном характере изменения параметров аэросмеси эффективно поддерживать режим устойчивого транспортирования аэросмеси с помощью традиционных систем управления, приводя к неустойчивому режиму и закупорке трубопровода. Поэтому при наличии тенденции к повышению стоимости сырья и энергоресурсов для снижения себестоимости выпускаемой продукции, повышения надежности и рентабельности производства, достижения максимальной эффективности технологических процессов пневмотранспортирования необходимо ориентироваться на новые методы и средства автоматизации. Необходима разработка систем управления с высоким быстродействием.

Поэтому решение задачи управления случайным процессом устойчивого пневмотранспортирования сыпучих материалов с использованием оптимальных по быстродействию автоматических систем регулирования является актуальным

Цель работы. Управление процессами устойчивого пневмотранспортирования сыпучих строительных материалов с использованием оптимальных систем автоматического регулирования для эффективного исключения аварийных режимов завала трубопровода при случайном характере изменения параметров аэросмеси.

Для достижения поставленной цели:

• выполнен анализ зарубежных и отечественных источников по проблеме автоматизированного управления процессами пневмотранспортирования сыпучих материалов, методов и средств их автоматизации;

• разработана интегрированная по параметрам и приближенная к особенностям случайных процессов в трубопроводе модель пневмотранспортной установки;

• выбран метод оптимального управления процессами устойчивого пневмотранспортирования сыпучих строительных материалов, структурно и функционально адаптированный к условиям технологического процесса;

• определено влияние изменения параметров настройки автоматической системы на качественные характеристики процесса пневмотранспортирования;

• разработана двухконтурная система регулирования пневмотранспортной установкой, настраиваемая по параметрам процесса на существенное повышение равномерности потока аэросмеси.

• решена задача повышения динамической точности системы на основе применения алгоритмов адаптивного управления, которые позволяют обеспечить требуемое качество динамических процессов при существенном изменении параметров нневмосистемы.

• выполнена экспериментальная проверка полученных результатов.

Методы исследований. Результаты диссертационной работы получены на

основе комплексного использования методов теории автоматического управления, теории вероятности и математической статистики, оптимальных систем и математического моделирования.

Научная новизна. Основным научным результатом является развитие теории и практики оптимального автоматического управления процессами непрерывного пневмотранспортирования сыпучих строительных материалов.

Для достижения поставленной цели:

• выполнен анализ зарубежных и отечественных источников и в первую очередь патентов по проблеме автоматизированного управления процессами пневмотранспортирования сыпучих строительных материалов, методов и средств их автоматизации;

• разработана интегрированная по параметрам и приближенная к случайному характеру процессов в трубопроводе модель пневмотранспортной установки, исходя из принципов построения и методов описания систем, принятых в теории автоматического управления;

• на основе принципа максимума решена оптимальная задача управления потоком аэросмеси пневмосистемы по максимуму быстродействия перехода системы

из одного установившегося состояния в другое, определены алгоритмы и вид процессов управления.

• определено влияние изменения параметров настройки автоматической системы на качественные характеристики процесса пневмотранспортирования;

• решена задача повышения динамической точности системы на основе применения алгоритмов адаптивного управления, которые позволяют обеспечить требуемое качество динамических процессов при существенном изменении параметров пневмосистемы;

• разработана двухконтурная самонастраивающаяся система регулирования пневмотранспортной установкой, настраиваемая по параметрам процесса на существенное повышение равномерности потока аэросмеси, степени стабилизации его плотности и исключении аварийных режимов завала пневмопровода;

• выполнена экспериментальная проверка полученных результатов.

Основные положении, выносимые на защиту

1. Результаты анализа технологии и технических средств обеспечения непрерывного пневмотранспортирования сыпучих строительных материалов, позволившие выработать научный подход и методические основы разработки систем автоматического управления транспортированием на основе современных методов и средств автоматизации.

2. Модель пневмотранспортной установки, интегрированной по параметрам процесса транспортирования.

3. Математическая модель самонастраивающейся оптимальной по быстродействию системы стабилизации режима устойчивого транспортирования, алгоритмы и вид процессов управления.

4. Методы расчета и оптимизации настроечных параметров систем автоматического управления процессами пневмотранспортирования сыпучих строительных материалов в плотной фазе.

Практическая ценность. Результаты исследований в области автоматизации процессов пневмотранспортированил сыпучих строительных материалов заключаются в том, что они являются теоретической и практической базой для научно-обоснованного выбора структур систем автоматического управления, позволяющих решать задачи исключения нештатных ситуаций и

повышения технико-экономических показателей пневмотранспортных установок. Предварительный расчет показывает, что возможный экономический эффект от внедрения результатов исследований может составить 5-7%.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на международной конференции «Интерстроймех-2009»(МАДИ(ГТУ),2009г.), научно-методических конференциях МАДИ (ГТУ) (Москва 2008-2009 г.г.) и кафедре автоматизации производственных процессов МАДИ (ГТУ).

Публикации. Основные научные результаты диссертации изложены в 7 печатных работах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, приложения, списка использованной литературы, насчитывающего 89 наименований, и содержит 178 страниц, 78 рисунков, 12 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность и сформулированы основные цели и задачи исследования.

Первая глава диссертации посвящена анализу работ, связанных с вопросами совершенствования технологии и автоматизации процессов пневмотранспортирования, определяя тем самым актуальность основных направлений диссертационных исследований.

Эффективное пневмотранспортирование связано в первую очередь с организацией оптимального режима устойчивого транспортирования, при котором исключается возможность выпадения частиц из потока. Колебания нагрузки в пневмоветвях вызывает быстротечные переходные процессы, которые не обладают свойством самовыравпивания и при отсутствии быстродействующих систем регулирования приводят к неустойчивому режиму транспортирования и закупорке трубопровода. Существующие модели статической оптимизации в виде систем дифференциальных уравнений, описывающих движение полидисперсных сред с учетом различия физических, аэродинамических и других свойств частиц дисперсной фазы, мало пригодны для описания пневмотранспортных установок как объектов регулирования. Требуется иной подход к математическому описанию

процессов, учитывающий особенности модельных представлений и методов расчета, принятых в теории оптимального управления.

Наиболее информативным управляемым параметром с точки зрения физики процесса является истинная плотность аэросмеси, позволяющая судить о расходе транспортируемого материала, а также о концентрации дисперсной фазы. Интегральный характер такого показателя, как плотность аэросмеси проявляется в том, что изменение нагрузки или скорости несущей среды незамедлительно сказывается на ее величине. Эффективное пневмотранспортирование связано, в первую очередь, с организацией оптимального режима устойчивого транспортирования, при котором уменьшается возможность выпадения частиц из потока.

Функционирование пневмотранспортных установок обеспечивается, как правило, системами обслуживающей автоматики, включающим в себя простейшие системы контроля и стабилизации отдельных параметров. Ряд систем автоматического регулирования параметров пневмопотока строятся по классическому принципу управления по отклонению, что не может обеспечить удовлетворительное качество процессов с высоким быстродействием. В более сложных системах автоматического управления и оптимизации не учитывается случайный характер изменения режимных параметров аэросмеси, что делает весьма ненадежными результаты, полученные при их использовании.

Можно констатировать, что существуют объективные предпосылки для создания оптимальных автоматических систем управления случайными процессами пневмотранспортирования сыпучих строительных материалов на основе современных методов и средств автоматизации.

Во второй главе рассмотрены используемые в настоящее время математические модели статической оптимизации процессов пневмотранспортирования с целью выявления соответствия их структуры поставленным задачам исследования.

Анализ существующих моделей пневмозранспорта показывает, что исследователями в основном используются два принципа формирования моделей двухфазных потоков. В первом случае основные зависимости, полученные при движении одиночных частиц в ламинарном или турбулентном потоках жидкости,

распространяются на движение дисперсной фазы. При этом движение несущей фазы описывается уравнениями, аналогичными уравнениям движения жидкости. Во втором случае, изучение динамики двухфазных потоков характеризуется двумя основными моделями: гомогенной, в которой двухфазный поток представляется в виде некоторой квазинепрерывной среды с осредненными характеристиками и гомогенной, в которой каждый компонент потока рассматривается самостоятельно. Наиболее распостранены гетерогенные модели в частотных производных с осредненными значениями переменных. Используют пространственный метод осреднения, сущность которого заключается в локальном осреднении переменных для точек в пределах области, малой по сравнению со всей системой, но содержащей их достаточное количество. Система дифференциальных уравнений, описывающих движение полидисперсных сыпучих материалов в пневмотранспортном трубопроводе, решается на ЭВМ и позволяет рассчитывать траекторию и скорость частиц!,I в любой момент времени.

Процессы пневмотранспортирования сыпучих строительных материалов относятся к классу многосвязных с большим числом переменных параметров. Формирование расчетной модели системы, учитывающей все физические особенности процесса пневмотрансгюртирования и сложный характер зависимости выходных переменных от входных воздействий, может привести к большой и практически неприемлемой размерности модели. Вынужденное усечение числа входных и выходных переменных приведет к заведомо неполной априорной информации о структуре связей объекта. Сформированные на описанных принципах модели мало пригодны для оперативного управления процессами пневмотранспортирования сыпучих материалов. Требуется иной подход к формированию модели процесса, учитывающей, в первую очередь, принципы и методы расчетов и проектирования, принятые в теории автоматического управления

Выбор методов автоматизации процессов пневмотранспортирования должен опираться на модель, отображающую интегральные представления о перемещении неразрывного потока в плотной фазе. Необходимо связать между собой основные характеристики .дисперсной среды (расход, плотность, массу перемещаемого материала) и аэродинамические силы, создаваемые воздуходувной машиной.

Представление пневмотрансгюртной установки, как объекта управления, позволяет во многом упростить ее математическую модель, интегрально отобразив в ее структуре и коэффициентах только те основные параметры установки, которые влияют на ее динамические свойства.

Выбор методов автоматизации процессов пневмотранспортирования должен опираться на модель, отображающую интегральные представления о перемещении неразрывного потока в плотной фазе при минимальных допустимых скоростях воздуха и максимальных допустимых концентрациях смеси материала с воздухом.

Состояние объекта можно представить параметрами, характеризующими его в каждый момент времени: давлением, скоростью потока, плотностью аэросмеси, которая, по сути, является интегральным параметром, учитывающим изменения скорости, давления и плотности несущей среды.

Выделение всех неуправляемых переменных как возмущающих воздействий делает необязательным их более детальную классификацию и математическое описание, особенно для структур, функционирующих но принципу компенсации отклонения с помощью отрицательной обратной связи. В этом случае можно ограничиться достаточно простой моделью, которая, однако, позволяет выявить наиболее существенные закономерности, свойственные процессам управления в системах пневмотранспортирования.

Регулирование по расходу материала в системе на основе информации о плотности аэросмеси и скорости несущей среды позволяет обеспечить более высокую точность регулирования в установившемся режиме, применить оптимальный вид управляющего воздействия с помощью изменения расхода несущей среды и, как следствие, получить более широкий диапазон регулирования и возможность использовать в качестве регулирующих органов стандартные устройства общепромышленного назначения. Однако при этом необходимо учитывать случайный характер изменения параметров аэросмеси, что может сделать весьма ненадежными результаты, полученные при использовании детерминированных моделей в системе управления.

В главе 3 определены основные характеристики случайных функций, необходимые при решении линейных задач статистической динамики и задачи математического описания пневмоспстемы.

Математическое описание пневмосистемы как инерционного объекта автоматического управления позволяет определить влияние производительности загрузочного устройства Д1) на характеристики установившегося случайного процесса изменения удельной плотности аэросмеси р 0), (корреляционная функция Я (г), спектральная плотность 8р(т) и дисперсия О ):

^ • л (1-+(0- р 1+аТ

0,К БГК Т,

Г, +Т

\-ct~f7

Гв-" г г

— Те ' Т,е~ -Те~?

а т\ -т2

О)

РЛГ)-

М0'

Г,-Г

-Ге

где а = 1/7,; (г)-нормированная корреляционная функция.

Взаимокорреляционная функция на выходе пневмосистемы, принимает вид:

'-о е

2

т.-т т

е*" -

7;+г

")■ (2)

Решение задач статистической динамики требует знания вероятностных характеристик случайных процессов на входе и выходе изучаемого объекта.

Если ДО и р(1) -стационарные случайные функции на входе и выходе линейной динамической системы с передаточной функцией Щр), то их связывает интегральное уравнение Винера-Хопфа:

Яг,(г)= т>0

(3)

Задача математического описания пневмосистемы сводится к решению уравнения (3) относительно импульсной переходной функции объекта ДО).

Корреляционные функции в (3) могут быть аппроксимированы суммой экспонент, Этот метод математической идентификации объектов управления основан на известном математическом методе неопределенных коэффициентов.

Аппроксимация экспериментальных корреляционных функций дает:

Импульсная переходная функция объекта ищется в виде:

(6)

Для определения неизвестных величин п, а„ А при подстановке (4,5) в (3), получим:

Интегрируя (7), получим:

у=1 «1

I

2 Ь,.ВГ а; - Ь:

а'6>г>0

К,

-+А е

,-К' ■

(7)

(8)

т> 0.

Для того чтобы равенство (8) выполнялось тождественно для всех т > О, должны быть соблюдены условия:

1. Правая часть (8) должна содержать т экспонент с показателями ^ и коэффициентами

2. Коэффициенты при е'а,г при ¡>ш должны обращаться в нуль.

3.Коэффициенты при е'ь,г должны обращаться в нуль. Выполнение этих трех условий позволяет найти все неизвестные величины в выражении (8), что полностью определяет импульсную функцию Л'(0). По найденной импульсной переходной функции определяется переходная и передаточная функции

объекта:

о ма,+р

(9)

Решение задачи передачи и обработки случайных сигналов на выходе пневмосистемы связано с квантованием сигналов по амплитуде с выбором числа уровней N и. шага квантования сигнала по амплитуде gj.

В качестве наблюдаемых координат взяты амплитудные выборки в равноотстоящие моменты времени:

Согласно теореме Котельникова, любую функцию S(t) с ограниченным в полосе 0<Af<fmax спектром можно разложить в ряд по функциям вида sirix/x

S«)=±s« (10)

27Г-А/;„„('-'о-г*)

где: 5(to+tk) - коэффициенты разложения, представляющие собой мгновенные значения функции S(t) в дискретные моменты времени (t0+tk), причем: tt=KM (К=0, ±1, ±2,...); А/ = 1 / 2Д/тах

Таким образом, сигнал с ограниченным спектром определяется последовательностью амплитуд, измеренных через 1 / 2Д/тах с.

При небольшом числе уровней квантования существуют способы определения оптимального шага квантования, исходя из минимума дисперсии ошибки квантования:

2

ö = £ ](*-*,)р(х)А (11)

где: х - входной сигнал; Р(х) - дифференциальный закон распределения; x'f -выходной уровень квантованного сигнала; Xj- порог квантования входного сигнала.

Для случаев, когда входная величина имеет нормальный закон распределения, условия квантования сигналов можно представить в следующем виде:

xj=jq-, ), (12)

2<тх 2<тх

с jq - m,

где: £ = —--; mx - математическое ожидание входной величины;

сх - среднеквадратическое отклонение входной величины;

je ^ - интеграл вероятности Гаусса;

■42л

<р = —}=е 2' - дифференциальная плотность вероятностей. л/2 я

В четвертой главе на основе принципа максимума решена оптимальная задача управления потоком аэросмеси пневмосистемы по максимуму быстродействия перехода системы из одного состояния в другое.

Специфической особенностью процессов пневматической транспортировки сыпучих материалов является их быстротечность. Необходима разработка оптимальных по быстродействию автоматических систем регулирования.

Управление перемещением заслонки вентиляторной установки производится с помощью трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором, описываемого уравнениями:

с!<р

'-ЗГ^-^-ЗГ" (13)

Требуется перевести объект из положения <р = 0, & =0 при /= 0 в положение <р = срп , со =0 за минимальное время при заданном ограничении величины напряжения, приложенного к двигателю, т. е. при 0<и<итах=11и, что

соответствует ограничению критического момента 0<Мк<Мктах= Мкн<

В первом приближении уравнение механической характеристики асинхронного двигателя выражаются следующими зависимостями:

(]4)

+ «о ®о

■У*: *

где к, ¿у, соК -скольжение и обороты двигателя.

Введя переменную, определяющую направление вращения двигателя / = ±1, перепишем (14):

. с1С1 М,а{ 1-хП) а с2 п_ ° „с>

— = х—:—-, где а = 2ЬК,Ь = ьК,11-—. (15)

0 Л (1 -хО.) +Ь о>о

На основании принципа максимума можно заключить, что для осуществления оптимального управления необходимо, чтобы ~ Мкк в течение всего процесса управления, а параметр х менял знак не более одного раза. Так как алгоритм управления качественно определен, то время переключения чередования фаз будет:

1

2 1-П„

(16)

> В выражениях (16) и (17) соответствуют: О о -начальной скорости £3 гач = 0; ■ 1 -максимальной скорости в конце интервала разгона; О 2 -конечной скорости

^ КОН ~

Для синтеза замкнутой системы оптимального управления необходимо рассчитать коэффициенты обратных связей.

На основании полученных данных, используя уравнения:

0 (18)

рассчитываются коэффициенты обратных связей у,, уг(рис.1) , строится блок-схема системы (рис.2) и оптимальный переходный процесс в системе (рис.3).

V

ЩЗЬ-

ом? - -—

ао/ -

__ I„—.—I_1_1_1_I_!-1——

00 10 КО ТО 80 ЯО 'ПО "О ей

Рис.1. Зависимость коэффициентов обратных связей от координат системы

Рис.2. Блок-схема оптимальной системы: РЭ -релейный элемент; 1-объект; 2-исполнительный механизм

Рис.3. Оптимальный переходный процесс Способность объекта управления адаптироваться к условиям среды и функционировать при изменении степени ее неопределенности являются важными условиями эффективного управления.

Решение задачи повышения динамической точности пневмосистемы на основе применения алгоритмов адаптивного управления, позволяет обеспечить требуемое качество динамических процессов при существенном изменении параметров пневмосистемы.

Разработана самонастраивающаяся система управления потоком аэросмеси пневмосистемы с эталонной моделью, которая позволяет обеспечить устойчивость и высокие качественно - точностные показатели процессов управления в широких пределах изменения характеристик объекта управления (рис.4).

Рис.4 . Двухконтурная система оптимизации процесса транспортирования сыпучих

материалов:

ПП - пневмопровод; В - вентиляторная установка; ИЭ - измерительный элемент; ЛУ ~ логическое устройство; Р - ПИ-автоматический регулятор; ОР - оптимальный регулятор; АД - асинхронный двигатель; 3-заслонка;

Глава 5 посвящена моделированию адаптивной системы управления пневмосистемой.

Поскольку случайной функцией на входе пневмосистемы является изменение во времени производительности загрузочного устройства Х({) , а выходной функцие-изменение во времени удельной плотности аэросмеси ра{/), задача моделирования пневмосистемы сводилась к отысканию корреляционной функции производительности, взаимной корреляционной функции между производительностью и удельной плотности аэросмеси и нахождению передаточной функции системы Щр). Экспериментально подтверждена эффективность использования полученных теоретическим путем аналитических соотношений для получения передаточной функции пневмосистемы. Моделирование замкнутой системы управления потоком аэросмеси в пневмопроводе показало эффективность предложенного принципа оптимального управления.

Так как погрешности барабанного и шнекового питателей, выполняющих роль загрузочных устройств пневмосистемы, незначительно отличаются одна от другой, то, исходя из минимума среднеквадратичного отклонения, наилучшими для целей подачи сыпучих материалов являются именно эти питатели.

Результаты испытаний питателей показали, что при одних и тех же значениях производительности применение аэрационного питателя вызывает погрешность в 2 раза превышающую погрешность барабанного и шнекового питателей, тго делает применение его в пневмосистемах малоэффективным.

Результаты моделирования показали, что компенсационная самонастраивающаяся система с эталонной моделью с успехом решает задачу автоматической настройки регулирующей части при изменении динамических свойств объекта.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Наиболее перспективными в части надежности, снижения стоимости, гибкости приспособления к меняющемся условиям производства обладают системы оптимального управления процессами пневмотраиспортирования сыпучих строительных материалов, структурно и функционально адаптированные к условиям технологического процесса.

2. Колебания нагрузки в пневмоветвях вызывают быстротечные переходные процессы, которые не обладают свойством самовыравнивания и приводят к неустойчивому режиму транспортирования и закупорке трубопровода. Эффективное пневмотранспортирование связано в первую очередь с организацией режима устойчивого транспортирования, за счет использования оптимальных по быстродействию автоматических систем управления, исключающих возможность выпадения частиц из потока.

3. Разработана интегрированная по параметрам и приближенная к случайному характеру процессов в трубопроводе модель пневмотранспортной установки, исходя из принципов построения и методов описания систем, принятых в теории автоматического управления;

4. Для осуществления наиболее эффективного безаварийного режима функционирования пневмотранспортной установки разработана оптимальная по быстродействию система стабилизации режима устойчивого транспортирования, определены алгоритмы и вид процессов управления.

5. На основании принципа максимума решена оптимальная задача упраатения потоком аэросмеси пневмосистемы по максимуму быстродействия перехода системы из одного состояния в другое

6. Решена задача повышения динамической точности системы на основе применения алгоритмов адаптивного управления, которые позволяют обеспечить требуемое качество динамических при существенном изменении параметров пневмосистемы.

7.0пределена длина постоянного интервала процесса пневмотранспортирования, за который его случайные изменения будут достаточно полно характеризовать качество процесса.

8. Решена задача выбора числа уровней квантования N и шага квантования выходного сигнала пневмосистемы по амплитуде исходя из того, чтобы, с одной стороны, квантованный по амплитуде сигнал как можно меньше отличался от сигнала на выходе, а с другой стороны - число уровней квантования было бы небольшим.

9. Проведена экспериментальная проверка полученных результатов, которая подтвердила эффективность разработанных систем оптимального управления процессами устойчивого пневмотранспортирования сыпучих материалов.

Основные результаты диссертации изложены в работах

1. Ковалев Р.В., Воробьев В.А.. Марсов В.И. Оптимизация автоматических систем управления дозированием сыпучих материалов // Строительный вестник Российской инженерной академии: труды секции «Строительство». Вып. 10, - М.: РИА, 2009, с. 269-271.

2. Ковалев Р.В., Гематудинов P.A., Воробьев В.А. Особенности управления процессами пневмотранспортирования тонкодисперсных материалов // Строительный вестник Российской инженерной академии: труды секции «Строительство». Вып.10,-М.: РИА, 2009, с. 267-269.

3. Ковалев Р.В., Минцаев М.Ш. Обобщенная математическая модель пневмотранспортной установки // Вестник МАДИ (ГТУ), вып.4(15), 2008, с.56-58.

4. Ковалев Р.В. Особенности загрузочных устройств пневмотранспорта // Аналитико-имитационное моделирование и ситуационное управление в промышленности, строительстве и образовании// Сб. науч. тр. - М.: МАДИ(ГТУ), 2009, с. 61-63.

5. Ковалев Р.В., Гематудинов P.A. Методы и средства измерения параметров пневмотранспортных потоков.// Теория и практика автоматизированного управления // Сб. науч. тр. - М.: МАДИ(ГТУ), 2009, с. 110113.

6. Ковалев Р.В. Обоснование систем управления процессом пневмотранспортирования // Новые технологии производства и управления в промышленности и образовании // Сб. науч. тр. - М.: МАДИ(ГТУ), 2009, с. 78-81.

7. Ковалев Р.В. Дозаторы-интеграторы расхода сыпучих материалов непрерывного действия // Тезисы докладов «Интерстроймех - 2009». - М,: МАДИ(ГТУ), 2009, с. 48 .

Подписано в печать 21 октября 2009 г Формат 60x84x16 Усл.печ.л. 1,0 Тираж 100 экз. Заказ № 51

"Техполиграфцентр" Россия, 125319 , г. Москва, ул. Усиевича, д. 8 а. Тел/факс: 8 (499) 152-17-71 Тел.: 8-916-191-08-51

Введение.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ ПНЕВМОТРАНСПОРТИРОВАНИЯ ПОРОШКООБРАЗНЫХ МАТЕРИАЛОВ.

1.1. Технологические схемы доставки, погрузки и разгрузки порошкообразных материалов.

1.2. Пневматический способ транспортирования порошкообразных. материалов со склада и его" автоматизация.

1.3. Пневматический камерный насос.

1.4. Пневматические струйные насосы.

1.5. Пневматические винтовые насосы.

1.6. Подача порошкообразного материала в аэрированном состоянии.

1.7. Режимы транспортирования аэросмеси.

1.8. Основные характеристики пневмотранспортного потока.

1.9. Загрузочные устройства пневмотранспорта.

1.10.Системы автоматического управления процессами пневмотранспорти-рования.

1.11. Выводы и постановка задачи исследований.

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ПНЕВМОТРАНСПОРТНЫХ

УСТАНОВОК.

2.1. Математические модели статической оптимизации процессов пневмотранспортирования.

2.2. Линеаризованная модель пневмосистемы.

2.3. Структурная динамическая схема пневмосистемы.

2.4. Линейные модели пневмосистемы.

2.5.Анализ моделей пневмотранспорта.

Выводы к главе 2.

ГЛАВА 3. ВЕРОЯТНОСТНАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА ПНЕВМО

ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ.

3.1. Вероятностные характеристики пневмосистемы.

3.2,Определение передаточной функции пневмосистемы, как объекта управления.

3.3. Представление пневмосистемы как объекта автоматического управления в виде апериодического звена.

3.4. Определение длины постоянного интервала процесса пневмотранспортирования.

3.5. Определение случайных значений параметров пневмосистемы.

Выводы к главе 3.

ГЛАВА 4. АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ПНЕВМОТРАНСПОРТИРОВАНИЯ СЫПУЧИХ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ.

4.1. Основные аэродинамические характеристики схемы замещения пневмотранспортной установки.

4.2. Системы регулирования пневмотранспортной установки по отклонению.

4.3. Оптимальное управление потоком аэросмеси пневмосистемы.

4.4. Оптимальное управление потоком аэросмеси пневмосистемы при ограничении по скорости двигателя.

4.5. Оптимизация замкнутой системы управления потоком аэросмеси пневмосистемы.

4.6. Адаптивные системы компенсации отклонений параметров системы управления потоком аэросмеси пневмосистемы.

4.7. Самонастраивающиеся системы с эталонной моделью.

Выводы к главе 4.

ГЛАВА 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

ПНЕВМОСИСТЕМЫ.

5.1. Задачи экспериментальных исследований.

5.2. Методика экспериментальных исследований питателей пневмосистемы.

5.3. Экспериментальные исследования питателей порошкообразных материалов.

5.4. Статистическая картина истечения материала.

5.5.Датчики измерения параметров пневмосистемы.

5.6. Измерение плотности потока.

5.7. Струйный пневматический метод измерения параметров потока аэросмеси.

5.8. Микроволновый расходомер сыпучих и порошкообразных материалов в потоке.

5.9. Математическая обработка экспериментальных данных динамических характеристик.

5.10. Моделирование адаптивной системы регулирования.

5.11. Экспериментальные исследования пневмосистемы.

Выводы к главе 5.

Снижение затрат и повышение качества выпускаемой продукции путем выявления скрытых резервов и совершенствования существующих технологий является одной из основных задач развития общественного производства. Современное строительное производство находится под жестким прессингом быстро меняющейся конъюнктуры рынка и требований заказчиков к ассортименту и качеству готовой продукции, вызывая необходимость повышения его гибкости, приспосабливаемости и степени управляемости.

Предприятия строительной индустрии перерабатывают значительные объемы тонкодисперсных материалов на различных стадиях производства, при этом существенная доля энергетических затрат приходится на их транспортировку и складирование. При наличии устойчивой тенденции к повышению стоимости сырья и энергоресурсов для достижения максимальной эффективности производства предприятиям строительной отрасли приходится ориентироваться в первую очередь на поиск и реализацию резервов снижения материало- и энергоемкости. В этой связи вопросы обеспечения оптимального функционирования высокопроизводительных систем пневмотранспортирования и складирования тонкодисперсных строительных материалов с малыми энергетическими затратами приобретают важное значение для снижения себестоимости выпускаемой продукции и повышения рентабельности производства. Решение этих задач приводит к необходимости внедрения автоматизированных систем управления технологическими режимами систем пневмотранспортирования и складирования на базе современных средств автоматизации, управления и вычислительной техники.

Транспортировка, погрузочно-разгрузочные работы, хранение таких материалов сопровождается пылением, что, помимо потерь дефицитных материалов, ведет к загрязнению окружающей среды. Последнее обстоятельство имеет особое значение в связи с тем, что заводы 5 железобетонных изделий и асфальтобетонные заводы нередко находятся в черте города и, следовательно, в непосредственной близости от жилых массивов. Поэтому транспортировка и складирование подобных строительных материалов должна осуществляться в условиях герметичности и с применением эффективно работающего пылеулавливающего оборудования. Герметичность транспортировки перемещаемого материала, также изолирование его от внешней среды обеспечивает пневматический способ транспортировки по трубопроводам. Пневмотранспортные установки компактны, хорошо стыкуются с заводским оборудованием.

На заводах сборного железобетона, бетонных заводах и других предприятиях строительной отрасли значительный объем энергетических затрат приходится на транспортировку тонкодисперсных материалов к силосам от мест разгрузки и от силосов склада до расходных бункеров бетоносмесительного отделения. Вопросы обеспечения оптимального функционирования высокопроизводительного трубопроводного пневматического транспорта с малыми удельными энергетическими затратами неразрывно связаны с организацией автоматизированных систем управления пневмотранспортными потоками. Для построения таких систем необходимо рассмотреть вопросы моделирования движения пневмотранспортного потока на основе анализа динамики процесса - с одной стороны, и состояния технических средств системы информационного обеспечения пневмотранспорта — с другой.

Управление технологическими объектами реализуется путем обмена информацией между объектом управления и системой управления, который протекает в реальном масштабе времени. Эффективность управляющих воздействий определяется возможностью получения достоверной информации о динамике процесса управления и полностью зависит от наличия и надежности средств контроля состояния перемещаемых дисперсных сред.

Несмотря на существующий определенный опыт реализации автоматизированных систем управления пневмотранспортированием, все они, фактически, являются разомкнутыми из-за отсутствия достоверной информации об основных параметрах пневмопотока и возмущающих факторах. Сложность получения такой информации объясняется скрытым характером протекания процесса и отсутствием измерительных систем с необходимыми характеристиками, а также методической не проработанностью самой проблемы использования таких измерительных систем в контуре системы управления процессами пневмотранспортирования и складирования тонкодисперсных строительных материалов.

Состояние дисперсных сред с твердой и газовой фазой характеризуется плотностью среды, гранулометрическим составом частиц, уровнем или высотой слоя, температурой, давлением, скоростью потока, изменяющимися в широких пределах вследствие разнообразия промышленных условий. Средства контроля этих параметров должны обеспечивать высокую эксплуатационную надежность в условиях запыленности, вибраций, должны j быть рассчитаны на массовое изготовление и мало обслуживаемое использование. В наибольшей степени этим требованиям, применительно к рассматриваемым системам, обладают средства контроля на основе струйного пневматического метода, обеспечивающего универсальность и повышенную надежность.

При пневмотранспортировании на первый план выходит задача достижения максимальной эффективности транспортирования тонкодисперсных материалов при наличии устойчивой тенденции к повышению стоимости энергоресурсов и сырья. Поэтому вопросы ликвидации потерь, снижения энергетических затрат, трудоемкости при транспортировании тонкодисперсных материалов приобретают особое значение для снижения себестоимости выпускаемой продукции и повышения рентабельности производства. Эффективное решение этих вопросов, а также оптимизация самого процесса пневмотранспортирования возможно только на основе интегрированных микропроцессорных систем с использованием надежных средств контроля состояния перемещаемых дисперсных сред.

Использование микропроцессорной техники позволяет при создании и реализации систем пневмотранспортирования и складирования существенным образом изменить содержание процесса управления, переместив ряд технических аспектов реализации от локальных устройств автоматики в среду алгоритмического и программного обеспечения, решив тем самым вопросы ограничений на сложность систем управления и повысить их качество.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Наиболее перспективными в части снижения стоимости, уменьшения энергетических затрат, гибкости приспособления к меняющемся условиям производства, обладают системы оптимального управления процессами пневмотранспортирования сыпучих и порошкообразных 1 строительных материалов структурно и функционально адаптированные к условиям технологического процесса.

2. Колебания нагрузки в пневмоветвях вызывают быстротечные переходные процессы, которые не обладают свойством самовыравнивания и приводят к неустойчивому режиму транспортирования и закупорке трубопровода. Эффективное пневмотранспортирование связано в первую очередь с организацией режима устойчивого транспортирования, за счет использования оптимальных по быстродействию автоматических систем управления пневмотранспортированием, исключающих возможность выпадения частиц из потока.

3. Предложен новый подход к формированию модели пневмотранспортной установки, как объекта регулирования на основе методов, принятых в теории автоматического управления, что позволяет во многом упростить ее математическую модель, интегрально отобразив в ее структуре и коэффициентах только те основные параметры установки, которые влияют на ее динамические свойства. В соответствии с этим определена обобщенная структура системы регулирования процесса пневмотранспортирования.

4. Для осуществления наиболее эффективного энергетического режима функционирования пневмотранспортной установки разработаны оптимальные по быстродействию системы стабилизации режима устойчивого транспортирования, определены алгоритмы и вид процессов управления.

5. На основании принципа максимума решена оптимальная задача управления потоком аэросмеси пневмосистемы по максимуму быстродействия перехода системы из одного состояния в другое

6. Решена задача повышения динамической точности системы на основе применения алгоритмов адаптивного управления, которые позволяют обеспечить требуемое качество динамических при существенном изменении параметров пневмосистемы.

7. Определена длина постоянного интервала процесса пневмотранспортирования, за который его случайные изменения будут достаточно полно характеризовать качество процесса. Для пневмосистемы таким отрезком является время, в течение которого можно получить реальную информацию о процессе транспортирования.

8. Решена задача выбора числа уровней квантования N и шага квантования выходного сигнала пневмосистемы по амплитуде gj, исходя из того, чтобы, с одной стороны, квантованный по амплитуде сигнал как можно I меньше отличался от сигнала на выходе, а с другой стороны - число уровней квантования было бы небольшим.

9. Проведена экспериментальная проверка полученных результатов, которая подтвердила эффективность разработанных систем оптимального управления процессами устойчивого пневмотранспортирования сыпучих и порошкообразных строительных материалов.

1. Калинушкин М.П., Коппель М.А., Серяков B.C., Шапунов М.М. Пневмотранспортное оборудование. Справочник. - Л.: Машиностроение, 1986.

2. Малевич И.П., Серяков B.C., Мишин А.В. Транспортировка и складирование порошкообразных материалов. — М.: Стройиздат, 1984.

3. Смолдырев А.Е. Трубопроводный транспорт. Основы расчета. — М.: Недра, 1980.

4. Эсман В. Критерии принятия решения при выборе системы пневмотранспорта фирмы «Бюллер-Миаг» //Ауфберайтунгс — техник. — ФРГ,1984.-№8.

5. Пат. 4502819 США, МКИ В 65 G 53/66, 1985.

6. А.с. 1133199 СССР, МКИ В 65 G 53/58, 1985.

7. Пат. 59-48219 Японии, МКИ В 65 G 53/04, 1985.

8. Пат. 4482275 США, МКИ В 65 G 53/66, 1984.

9. Пат. 59-17700 Японии, МКИ В 65 G 53/66, 1984.

10. Пат. 2440888 ФРГ, МКИ В 65 G 53/60, 1978.

11. Пат. 2721899 ФРГ, МКИ В 65 G 53/60, 1982.

12. Пат. 4490077 США, МКИ В 65 G 53/66, 1984.

13. Пат. 59-48221 Японии, МКИ В 65 G 53/66, 1984.

14. Пат. 60-39607 Японии, МКИ В 65 G 53/04, 1985.

15. Пат. 2562046 Франции, МКИ В 65 G 53/28, 1985.

16. Пат. 3323739, ФРГ, МКИ В 65 G 53/58, 1985.

17. Пат. 643513 Швейцарии, МКИ В 65 G 53/04, 1984.

18. Пат. 4420279 США, МКИ В 65 G 53/66, 1983.

19. Пат. 2626411 ФРГ, МКИ В 65 G 53/12, 1985.

20. Пат. 4515503 США, МКИ В 65 G 53/66, 1985.

21. Пат. 3332261 Франции, МКИ В 65 G 53/16, 1985.

22. А.с. 1081096 СССР, МКИ В 65 G 53/40, 1984.

23. А.с. 1106766 СССР, МКИ В 65 G 53/40, 1984.

24. Пат. 4501518 США, МКИВ 65 G 53/28, 1985.

25. Пат. 3230315 ФРГ, МКИВ 65 G 53/12, 1986.

26. Пат. 5402820 США, МКИ В 65 G 53/48, 1985.

27. Пат. 58-445678 Японии, МКИВ 65 G 53/16, 1983.

28. А.с. 831693 СССР, МКИ В 65 G 53/40, 1981.

29. А.с. 1071553 СССР, МКИ В 65 G 53/ 40, 1984.

30. Пат. 4381897 США, МКИ В 65 G 53/40, 1984.

31. Пат. 3309210 КАНАДА, МКИВ 65 G 53/16, 1984.

32. Пат. 4475849 США, МКИ В 65 G 53/40,1985.

33. Пат. 3219813 Франции, МКИ В 65 G 53/22, 1985.

34. Пат. 60-39608 Японии, МКИ В 65 G 53/66, 1985.

35. Пат. 4529336 США, МКИ В 65 G 53/66, 1985.

36. Пат. 4473327 США, МКИ В 65 G 53/48, 1984.

37. Пат. 3303927 Германия, МКИ В 65 G 53/48, 1997.

38. Пат. 4615647 США, МКИ В 65 G 53/48, 1995.

39. А.с. 1134503 СССР, МКИ В 65 G 53/48, 1985.

40. А.с. 1122156 СССР, МКИВ 65 G 53/48, 1985.

41. Пат. 3444816 Японии, МКИ В 65 G 53/48, 1985.

42. Пат. 4500228 США, МКИ В 65 G 53/48, 1995. •

43. Пат. 4183702 США, МКИ В 65 G 53/48, 1990.

44. Пат. 4480947 Германия, МКИ В 65 G 53/66, 1994.

45. Пат. 3319076 Германия , МКИ В 65 G 53/12, 1996.

46. Пат. 4184793 США, МКИ В 65 G 53/48, 1990.

47. А.с. 1255765 СССР, МКИ В 65 G 53/14, 1986.

48. А.с. 1283197 СССР, МКИВ 65 G 53/14, 1986.

49. Транспортировка и складирование порошкообразных строительных материалов/ И.П. Малевич, B.C. Серяков, А.В. Мишин. —М.: Стройиздат, 1984. 184 с.

50. Клячко М.С., Одельский Э.Х., Хрусталев Б.М. Пневматический транспорт сыпучих материалов. -Мн.: Наука и техника, 1983. — 216 с.

51. Справочник по аспирационным и пневмотранспортным установкам / М.П. Володин, М.Г. Касторных, А.И. Кривошеин. -М.: Колос, 1984- 288 с.

52. Островский Г.М. Пневматический транспорт сыпучих материалов в химической промышленности. Л.: Химия, 1984 — 104 с.

53. Воробьев В.А., Суэтина Т.А. Информационное обеспечение процесса пневмотранспорта и хранения цемента //Науч. тр./ Моск. Автомоб.-дорожн. Ин-т, 1992. С. 4 — 8.

54. Воробьев В.А., Суэтина Т.А. Автоматизация пневмотранспортирования цемента в строительстве на базе микропроцессорных информационно-измерительных систем: Учебное пособие / МАДИ. -М., 1993. 87 с.

55. Суэтина Т.А. Моделирование процессов технологии строительных материалов и изделий с использованием ЭВМ. —М.: МИКХИС, 1992.- 33 с.

56. Бушуев С.Д., Михайлов B.C. Автоматика и автоматизация производственных процессов. -М.: Высшая школа, 1990. 256 с.

57. Суэтина Т.А. Измерение уровня тонкодисперсного сыпучего материала. -М.: ЦИНТИХимнефтемаш, 1988. 40 с.

58. Филимонова Т.А. Эжекторный пневматический датчик плотности газа // Промышленная и санитарная очистка газов. —М.: ЦИНТИХимнефтемаш, 1983, № 4, с. 17.

59. Спиваковский А.О., Смолдырев А.Е., Зубакин Ю.С. Автоматизация трубопроводного транспорта в горной промышленности. М.: Недра, 1972.-344 с.

60. Адаптивные системы автоматического управления // Под ред. В.Б. Яковлева. Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1984. 204 с.

61. В. А. Воробьев, Т. А. Суэтина. Автоматизация пневмотранспортирования цемента в строительстве на базе микропроцессорных информационно-измерительных систем.

62. М. В. Кузнецов, В. И. Марсов. Выбор статически достоверного интервала оценки ошибок измерений непрерывного процесса транспортирования. // Электронные системы автоматического управления на транспорте и в строительстве. Сб. науч. тр. — М. МАДИ. 1999.

63. М. В. Кузнецов, А. А. Кальгин. Автоматизация процесса транспортирования сыпучих материалов. // Автоматизация технологических процессов в строительстве. Сб. науч. тр. М. МАДИ. 2000.

64. М.В.Кузнецов. Проблемы автоматизации процессов пневмотранспортирования. // Электронные системы автоматического управления на транспорте и в строительстве. Сб. науч. тр. — М. МАДИ. 2000.

65. М. В. Кузнецов, С. Е. Солодников, Е. В. Марсова. Автоматическое транспортирование мелкодисперсных строительных материалов. // Электронные системы автоматического управления на транспорте и в строительстве. Сб. науч. тр. М. МАДИ. 2000.

66. М. В. Кузнецов, С. Е. Солодников. Моделирование автоматической системы пневмотранспортирования тонкодисперсных материалов. // Электронные системы автоматического управления на транспорте и в строительстве. Сб. науч. тр. — М. МАДИ. 2000.

67. Адаптивные системы автоматического управления // Под ред. В.Б. Яковлева. Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1984. — с.204.

68. В.М.Панаморенко, Т.А.Суэтина. Структурная динамическая схема модели пневмотранспортной установки //Электронные системы автоматического управления на транспорте и в строительстве. Сб. науч. тр. — М. МАДИ. 2003, с. 30-34.

69. В.М.Панаморенко, Т.А.Суэтина. Задачи автоматизированного управления пневмотранспорта сыпучих материалов //Юбилейная научно-техническая конференция аспирантов и студентов МИКХиС.-М.:2004, с. 104106.

70. В.М.Панаморенко, Т.А.Суэтина. Автоматизация экологически безопасного пневматического транспорта сыпучих материалов //Трудымеждународной научно-практической конференции «Экология: оборазование, наука, промышленность и здоровье» Белгород, 2004, с.78-81

71. Вентцель Е.С. Теория вероятностей М.: «Физматгиз», 1962, с.З86

72. Траксел Д. Синтез систем автоматического регулирования. -М.: Машиностроение, 1989, 759 с.

73. Фельдбаум А.А., Бутковский А.Г. Методы теории автоматического управления. М.: Наука, 1981, 744 с.

74. Фельдбаум А.А. Электрические системы автоматического регулирования. Оборонгиз. 1957. -539 с.

75. Цирлин A.M. Оптимальное управление технологическими процессами. М.: «Энергоатомиздат», 1986, 396 с.

76. Цьгпкин ЯЗ. Адаптация и обучение в автоматических системах. М.: Наука, 1978, 309с.

77. Цирлин А.М. Оптимальное управление технологическими процессами. -М.: Энергоатомиздат, 1986,463 с.