автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Автоматизация технологического процесса стабилизации температуры при производстве автомобильных термоэлектрических устройств

На :иси

Ни Зо.

АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА СТАБИЛИЗАЦИИ ТЕМПЕРАТУРЫ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ АВТОМОБИЛЬНЫХ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ

Специальность: 05.13.06 - «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 О МАП 2015

Москва-2015 г.

005569223

005569223

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)» на кафедре «Автоматизированные системы управления».

Научный Николаев Андрей Борисович, Заслуженный руководитель: деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор, декан факультета «Управление» МАДИ, г. Москва

Официальные Жмайлов Борис Борисович, доктор технических оппоненты: наук, профессор кафедры «Информационных и измерительных технологий», Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Южный федеральный университет», «Институт высоких технологий и пьезотехники», г. Ростов-на-Дону

Хадеев Антон Сергеевич, кандидат технических наук, главный специалист ЗАО

«АтлантикТрансгазСистема», г. Москва

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский государственный технический университет им. Н.Э.Баумана -Национальный исследовательский университет техники и технологий (МГТУ им. Н.Э. Баумана), г. Москва.

Защита состоится «11» июня 2015 года, в 10-00 часов, на заседании диссертационного совета Д 212.126.05 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)» по адресу: 125319, г. Москва, Ленинградский проспект, д. 64, ауд. 42.

Телефон для справок: (499) 155-93-24. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАДИ. Текс автореферата размещен на сайте Высшей аттестационной комиссии: www.vak.edu.gov.ru.

Автореферат разослан « (? » 2015 г. Отзывы на автореферат

в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять в адрес диссертационного совета университета. Копию отзыва просим прислать на E-mail: uchsovet@madi.ru. Ученый секретарь л

диссертационного совета Д 212.126.05, ЦЬиЛ кандидат технических наук, доцент Михайлова Н.В.

Актуальность диссертационной работы

Во многих отраслях научного и технического исследования созданы термоэлектрические преобразователи энергии приборов, которые осуществляют прямое преобразование тепловой энергии в электрическую. Актуальной проблемой современных автомобилей является отход тепла от двигателей внутреннего сгорания. Использование термоэлектричества популярно и для рекуперации тепла выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания. В настоящее время многие автомобильные компании устанавливают на свои автомобили термоэлектрические устройства (ТЭУ), что позволяет уменьшить расход топлива до 10 % за счет дополнительной выработки электроэнергии.

Термоэлектрические явления связаны со взаимным превращением между электрическими процессами и тепловыми процессами в металлах и полупроводниках. Термоэлектрические материалы с точки зрения их технологии используются не только в автомобильной технике, но и в полупроводниковой технике, радиоэлектронике и бытовой технике. Термоэлектрические системы (ТЭС) применяются для стабилизации и регулирования температуры в диапазоне -60°С +120°С.

Для управления термоэлектрическим объектом предлагается использовать микропроцессорные системы управления (МПСУ) термическим оборудованием. Одной из наиболее сложных задач при создании таких систем управления является учет динамики термоэлектрического объекта управления. Однако этой проблеме не уделено достаточного внимания. Практически отсутствует математическая модель термоэлектрического оборудования: система автоматического управления (САУ) термоэлектрическим нагревом, где проводится оценка влияния возмущений, оценка влияния запаздывания времени и разработка алгоритмов управления термическим оборудованием с оптимальными параметрами настройки, что обеспечивает заданную точность стабилизации температуры.

Поэтому актуальность настоящей диссертационной работы заключается в создании высокоэффективных автомобильных термоэлектрических устройств и качественных систем управления режимом термоэлектрического нагрева. Результаты диссертационной работы будут содействовать выполнению требований, предъявляемых современной технологией к качеству термоэлектроники, созданию и конструкции материалов, отвечающих требованиям технологического процесса. Таким образом, предложенная диссертационная работа позволяет автоматизировать технологические процессы изготовления термоэлектрических устройств для автомобилей, обеспечивающих эффективное преобразование тепловой энергии в электрическую энергию.

Цель работы — повышение эффективности производства автомобильных термоэлектрических устройств (ТЭУ) за счет автоматизации технологических процессов их изготовления.

Задачи диссертационной работы:

- исследование термоэлектрических преобразователей энергии, их конструкций и технологий получения высококачественных автомобильных термоэлектрических устройств (ТЭУ);

- исследование математических моделей термоэлектрического нагрева для двух объектов при изготовлении ТЭУ для автомобиля;

- оценка запасов устойчивости и показателей качества замкнутой системы автоматического управления (САУ) по логарифмическим частотным характеристикам (JI4X), при различных законах регулирования: П, И, ПИ, ПИД для изготовления автомобильных ТЭУ с заданными параметрами;

- оценка влияния запаздывания времени на устойчивость и качество САУ ТЭУ и влияния возмущений на устойчивость САУ термоэлектрическим нагревом и качество исследуемой САУ термоэлектрическим объектом;

- параметрическая оптимизация САУ термоэлектрическим нагревом для получения стабильной высококачественной продукции;

- расчет переходных процессов в САУ с помощью компьютерного моделирования и оценка качества переходных процессов.

Методы исследования. В данной диссертационной работе при проведении теоретических исследований используются методы теплопроводности и теплопередачи, теории идентификации с временной характеристикой, методы решения дифференциальных уравнений, частотные методы теории автоматического управления, метод параметрической оптимизации, а также методы компьютерного моделирования.

Научная новизна. Научная новизна диссертации состоит в разработке математических моделей термоэлектрического нагрева для каскадного типа ТЭУ и для цилиндрического типа ТЭУ при различных условиях нагрева и при управлении по мощности. В электронной системе управления температурой, относящейся к современным микропроцессорным системам управления (МПСУ), в качестве управляющего устройства (УУ), выделены две структуры САУ и оценены их показатели качества с помощью компьютерного моделирования. Предложена методика расчета влияния запаздывания времени и влияния возмущений на устойчивость и качество САУ термоэлектрическим нагревом с различными законами регулирования. Также, предложена методика определения параметрической оптимизации САУ с настройками коэффициента управляющего устройства и коэффициента усиления. В качестве критерия оптимизации используется улучшенный интегральный критерий.

Научные результаты, выносимые на защиту:

- метод идентификации конкретного термоэлектрического объекта управления и математическое описание объекта управления (ОУ) в виде типового апериодического звена с параметрами Яо=10,3 К/В; 7Ъ=630 с;

- математические модели термоэлектрического нагрева для двух типов объектов с звеном САУ;

- методика исследования устойчивости качества САУ термоэлектрическим нагревом;

- методика определения оценки влияния запаздывания и влияния возмущений на устойчивость и качество САУ термоэлектрическим нагревом;

- методика стабилизации температуры при производстве автомобильных термоэлектрических устройств с параметрической оптимизацией САУ термоэлектрическим нагревом.

Практическая ценность. В диссертации развиты положения теории конструирования автомобильных ТЭУ в виде структуры САУ и её математических моделей. Полученные математические модели и прикладные методики могут быть использованы для определения режимов температурных процессов во многих отраслях науки и техники. Кроме того, программное обеспечение MATLAB может быть применено для моделирования задач технологических процессов во многих научных исследованиях и инженерных областях.

Личный вклад автора. Лично автору принадлежит самостоятельное решение следующих задач: разработка математических описаний для двух типов автомобильных термоэлектрических устройств, и определение временных и частотных характеристик САУ термоэлектрическим объектом; создание электронной системы управления температурой, где автором выделены возможные две структуры САУ и оценены их динамические характеристики. Кроме того, автором исследована устойчивость САУ термоэлектрическим нагревом, определены две задачи: влияния запаздывания времени и влияния возмущений. Определена оптимизация настроечных параметров управляющего устройства с помощью компьютерного моделирования указанных САУ для двух структур при использовании улучшенного интегрального критерия 1опт. Все полученные результаты опубликованы в 15 печатных работах.

Достоверность и апробация результатов диссертационной работы. Достоверность результатов исследования подтверждается корректностью разработанных математических моделей, новыми научными исследованиями с применением современных методов, адекватностью теоретических исследований с данными эксперимента и их сопоставлением с показателями частотных методов, соответствием между

полученными характеристиками и желаемыми характеристиками при проектировании САУ по результатам моделирования.

Основные результаты диссертации обсуждались и докладывались на следующих конференциях: 18-ой, 20-ой, 21-й - всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика» - 2011, 2013, 2014 г.г., Москва, МИЭТ; на Российских, межрегиональных и международных научно-технических конференциях и семинарах (2011-2014 годах); на 69 - 71 научно-методической и научно-исследовательской конференциях МАДИ; на заседаниях кафедры «Автоматизированные системы управления» МАДИ.

Публикации. Основные результаты исследования представлены в 15 публикациях, в том числе в 4 статьях в рецензируемых научных журналах, входящих в перечень ВАК, в 8 статьях в научных журналах и 3 публикациях в тезисах докладов научно-технических конференций.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения, списка литературы (из 75 наименований) и приложений. Основное содержание диссертации изложено на 216 страницах, содержит 94 рисунка и 47 таблиц и приложения на четырех страницах.

Содержание работы

Во введении отмечается актуальность темы диссертации, научная новизна, практическая значимость результатов, выносимых на защиту.

В первой главе анализируется современное состояние исследований в области автомобильных термоэлектрических устройств. Рассмотрены технологии, конструкции ТЭУ, а также теоретические исследования автомобильных ТЭУ. Автомобильное ТЭУ (рис.1) преобразует тепло выхлопных газов в электричество, которое используется для питания электрических систем автомобиля, чтобы снизить нагрузки двигателя и уменьшить расход топлива. Автомобильное ТЭУ присоединяется к наружной поверхности выхлопной трубы. Горячая сторона нагревается высокотемпературными газами, а охлаждение происходит за счет движения воздуха, создаваемого при движении автомобиля. Вариантами реализации такой системы термоэлектрического преобразования тепловой энергии являются термоэлементы (ТЭМ).

В настоящей диссертационной работе изложен принцип работы ТЭМ элемента, определены его основные технологические параметры, и описан подход к моделированию системы автоматического управления термоэлектрическим объектом, используемой для получения высококачественных автомобильных ТЭУ.

Рис. 1. Автомобильное термоэлектрическое устройство (АТУ)

Вопросы исследования термоэлектрических материалов рассматривались в работах ученых: Анатычук Л.И., Семенюк В.А., Тарасов Ю.А., Штерн Ю.И., Боженарь Д.А., Тарасов Р.Ю., Голыцман Б.М., Кудинов В.А., Смирнов И.А., Бурштейн А.И., Алиев С.А., Зульфигаров Э.И., Самойлович А.Г., Яров В.М., Лыков А. В. Анализ и синтез систем автоматического управления термоэлектрическим объектом изложен в работах ученых: Трасова Г.И., Зайцев Г.Ф., Сергеев С.А., Душин С.Е., Бесекерский В.А., Попов Е.П., Бессонов A.A., Загашвили Ю.В., Маркелов A.C., Цыпкин Я.З., Дубовой Н.Д., Луков Н.М., Карташов Э. М., Солодовников В.В., Плотников В.Н., Яковлев A.B., Никулин Е.А и др.

Проведенный анализ показал, что в настоящее время в литературе проведены исследования, связанные с конструкциями термоэлектрических материалов и преобразователями тепловой энергии; с совершенствованием функционирования термоэлектрических объектов; с рассмотрением особенностей применения термоэлектрических модулей (ТЭМ) в автомобильном устройстве; с рассмотрением современного состояния задачи управления термоэлектрическим объектом в виде системы автоматического управления (САУ). В то же время, вопросы разработки методики определения устойчивости САУ термоэлектрическим нагревом, исследованы не достаточно полно, что и определяет актуальность настоящей диссертации.

Во второй главе рассмотрено исследование процессов термоэлектрического нагрева с звеном системы автоматического управления (САУ). В главе исследована динамика систем регулирования термоэлектрического нагрева объекта при управлении по температуре. Рассмотрены вопросы аппаратной реализации электронной системы управления температурой. Представлена электронная система управления температурой, которая создана на базе дискретных элементов и относится к современным микропроцессорным системам управления (МПСУ). В диссертационной работе для управления температурой применяется МПСУ термическим оборудованием. Такая система с точки зрения теории

7

автоматического управления представляет собой классическую систему регулирования с контуром отрицательной обратной связи (ООС), которая представлена на рис 2, где 1/\, иу, и„, (Л, е - электрические выходные сигналы с соответствующих блоков САУ, Т° - температура ОУ. Устройство управления реализовано в виде программы на однокристальной микро-ЭВМ. Объект управления и исполнительное устройство - это в типовом случае термическое оборудование.

Рис. 2. Структурная схема системы управления термическим оборудованием.

В качестве управляющего устройства (УУ) используются классические П, И, ПИ, ПИД-регуляторы и их математические описания. А также рассмотрены датчик температуры и области применения типовых измерителей температуры, их основные характеристики в автоматизированной системе управления технологическим процессом.

Кроме того, проведен полный цикл проектирования базы данных для хранения информации об автомобильных ТЭУ.

Основной целью создания базы данных является быстрое, удобное и качественное хранение информации об автомобильных ТЭУ. Помимо хранения информации, пользователь базы данных может осуществлять запросы на выборку и поиск информации.

Для проектирования базы данных применяется ER-метод, который разрешает спроектировать базу данных любой сложности с применением CASE-средств проектирования. Были определены сущности, атрибуты и связи между ними. Построены ER-диаграммы в CASE-средстве проектирования баз данных ERwin на логическом и физическом уровне и установлены через первичные ключи связи между сущностями. Полученная логическая модель преобразуется в физическую модель базы данных об АТУ в MS-Access через встроенные процедуры Erwin. Запрос об АТУ «Дата приобретения материалов и их качество» показан на рис.3. В ходе решения задач были реализованы и построены логическая и физическая модели базы данных. Исследованы типовые запросы в СУБД-Access, который обеспечивает удобный и быстрый доступ ко всем необходимым данным.

• ■ .'.' т. --. ".-.'..! | .. . V...,. .V м \ -¿и». .

| 5 Рам»».» 1 I

1 Г7ГЗ: 1;

А1У ¡й • • удчкг» ■ (с^х-г--..! ■ чвя-зтм ■ 13::"V - ■ т-.;-;«' • 1 • статус - ¡г.у.ъщу- • м^от» !'

2Л: Зй.", Г*,-.0,£уп. КИг шткн 3".- В№У <М уд(да«тор«т удовлетворит удавлегас^ уд°»лгтк*мт

[*

Рис.3. Запрос об АТУ «Дата приобретения материалов и их качество»

Поэтому пользователь может сравнивать термоэлектрические материалы, их показатели качества и статус эффективности АТУ, а также может создать новые высококачественные АТУ.

В третьей главе содержится описание метода идентификации термоэлектрического объекта управления (ОУ) и метода решения математических моделей САУ термоэлектрическим нагревом. Определена идентификация термоэлектрического объекта по временной характеристике получено математическое описание объекта

управления (ОУ) в виде типового апериодического звена, оценены его параметры: 7^0=10,ЗК/В; 7Ь=630с. Обработка исходных данных эксперимента проводилась с помощью электронных таблиц М\сго$оА-Ехе1. В диссертации была проведена идентификация термоэлектрического объекта и выполнено математическое описание САУ термоэлектрическим нагревом. Задача описания объекта термоэлектрического нагрева с звеном САУ определяется с использованием уравнений термоэлектричества (1) и уравнения теплопроводности Фурье (2):

еЦ2 = П.,1.1.(11 1а = П .7 - кЧТ

(О

+ к, + ^ (2)

д! дх ду д: су

где: <2 - величина выделяемого тепла, / - электрическая тока, / -время протекания тока, П - коэффициент Пельтье, к - термоэлектропроводность, 7 -плотность электрического тока, Ух, Уу, - составляющие скорости

движения V, Т- тело температуры в точке с координатами х, у, z в времени t.

При рассмотрении каскадного типа ТЭМ объекта термоэлектрического нагрева через металл со скоростью vx(t), дифференциальное уравнение теплопроводности имеет вид:

dT(x,y,t) _д2Г(х,у,0 дНх,у,0 Wa (/) ■ е~°'' m

-Г" -о 7"!--v,(4 ;-+

at ду ох су

Рассмотрен вариант управления по мощности при постоянной скорости движения объекта (vx(t) = const) (рис.4), где - I - длина зоны нагрева; М-полупроводниковый металл.

Т((,М,р)

м

mm.

зона нагрева

Рис. 4. Объект термоэлектрического нагрева. Рассмотрены условия, когда внутренние источники тепла распределяются симметрично относительно плоскостей М. Краевые условия при этом следующие:

0|,.„=0, дв(х, y,t)

ду

= о,

в(х,у,1) L0 = o

dd(x,y,t)

ду

= /?■<?(*, OU

(4)

Решение уравнений (3) и (4) с применением двойного преобразования Лапласа, дает передаточная функция исследуемого объекта, имеет вид:

w0(P) = Y——

оК ' + tri + рТ„ В результате, получены передаточные функции объекта термоэлектрического нагрева для каскадного типа и для цилиндрического типа, которые позволят сделать вывод о том, что они относятся к одному классу динамических объектов.

Кроме того, проведен анализ устойчивости САУ с различными законами регулирования. Частотные методы исследования САУ широко используются на практике. Частотной характеристикой является САУ динамического термоэлектрического объекта управления (ОУ). Основное внимание уделено исследованию устойчивости САУ термоэлектрическим нагревом по ЛЧХ с использованием различных законов регулирования (П, И, ПИ, ПИД).

Рассмотрим систему управления термоэлектрическим нагревом, в которой управление происходит по ПИ-закону. Передаточные функции регулятора или устройства управления ]Ууу (р), термоэлектрического объекта управления №о(р), датчика ¡Удат(р) и в целом разомкнутой САУ УУра/р) без учета запаздывания имеют:

к,„.1т,ир + шт,1Р + 1).А к;,

' Г„.р.(1+ Р т,„) £,1+рТ„

где: К с = к- ' Клат = 0,2с"'; Ту = 200с, Ти =10с, Т0=Тп= 630с, ТДат = 2с;

На рис. 5. приведены логарифмические частотные амплитудная (JIA4X) Ь(ш) и фазовая (ЛФЧХ) ф(ш) характеристики системы при постоянном времени объекта. Как видно из рис. 5, частота среза при таких параметрах небольшая шср ~ 0,025с1, запасы устойчивости достаточные (у ~ 70°; Lh —>оо), что позволяет оценить быстродействие tp ~500с и колебательность, а ~ 13%. Были проведены расчеты на ЛАЧХ и ЛФЧХ в САУ термоэлектрическим нагревом при различных законах управления. В диссертационной работе предложено компьютерное моделирование устойчивости качества САУ термоэлектрическим нагревом. В качестве, исполнительного устройства (ИУ) можно выделить несколько типов структур САУ:

Структура 1 - САУ с электронным преобразователем высокочастотной энергии транзисторного усилителя, который изображен математическая описания с апериодическим звеном.

Структура 2 - САУ с электронным преобразователем высокочастотной энергии магнитного усилителя, который изображен математическая описания с двойным апериодическим звеном.

В данной работе рассматривается анализ устойчивости САУ с различными законами П, И, ПИ, ПИД - регулирования для двух структур при различной толщине металлов М, при использовании таких законов в структуре САУ практически во всех рассматриваемых случаях определяется предельный коэффициент усиления Кс■ Пример такой математической модели блок-схема САУ термическим оборудованием с ПИ-регулятором для 1-ой структуры показан на рис б.

Рис 6. Структурная математическая блок-схема САУ с термическим оборудованием с ПИ-регулятором для 1-ой структуры Предложенное математическое описание анализируемой САУ термоэлектрическим нагревом можно использовать в программном пакете МАТЬАВ. Полученные результаты показателей качества переходных процессов в САУ для двух структур при П-законе приведены на рис 7(а, б) и при ПИ-законе приведены на рис 7(в, г).

Рис. 7. Показатели качества переходных процессов в САУ Анализ позволяет сделать вывод, что при управлении термоэлектрическим нагревом с толщиной порядка М = 2-^ЗммиКс=10 + 50 с САУ структуры 1 с П - законом имеют, как видно из рис. 7 (а, б), удовлетворительные показатели качества. Величина ошибки САУ определяется по формуле: Еуст =1 /Кс. Таким образом, уменьшение статической ошибки в установившемся режиме приводит к увеличению коэффициента усиления Кс. Система автоматического управления при использовании специализированных возбудителей - транзисторного усилителя и магнитного усилителя и в качестве магнитного усилителя, как показали результаты переходных процессов в САУ, имеет худшие показатели качества.

Показатели качества переходных процессов в САУ с ПИД-регулятором показал, что меньше перерегулирование системы, но трудно адаптировать для настройки коэффициентов Кп, Ки, Кд. САУ с И-регулятором имеет худшее перерегулирование (а) и худшее быстродействие (tp,c). САУ с П -законом имеет самое меньшее значение перерегулирования (а). В результате использования ПИ-регулятора, переходной процесс происходит по сравнению с П - регулятором с несколько большей величиной перерегулирования, но уменьшается время регулирования. В П-регуляторе время регулирования изменяется от tp = 28 80с и перерегулирования а =0 (рис 7а), а в ПИ-регуляторе время регулирования изменяется от tp = 20 30с и перерегулирования а =0 2 (рис 7в).

В четвертой главе определена устойчивость и качество САУ термоэлектрическим нагревом с различными законами регулирования, где проводится оценка влияния запаздывания времени, оценка влияния возмущений и разработка алгоритмов управления термическим оборудованием с оптимальными параметрами настройки, обеспечивающих задаваемую точность стабилизации температуры на устойчивость и качество САУ.

Анализ экспериментальной временной переходной характеристики h(t) термоэлектрического объекта управления показывает, что время запаздывания для нашего случая может быть принято тн» 20с. Такое время на два порядка меньше постоянной времени ОУ, которое составляет То=630с. При использовании такого временного запаздывания оценены запасы устойчивости и критический коэффициент усиления Ккр по ЛЧХ. На рис 8 показаны ЛАЧХ и ЛФЧХ разомкнутой САУ термоэлектрическим нагревом с ПИ-регулятором с учетом запаздывания. Передаточные функции регулятора или устройства управления Wyy (р), термоэлектрического объекта управления Wo(p), датчика 1Удат(р) и в целом разомкнутой САУ Wpa3(p) с учетом запаздывания имеют:

w ,ДЛ Р + + * к-я рТн

Т,.р.{\+ р Тт) Й1 + РГ,

I.(ii). яГ.

На рис. 8 приведены ЛАЧХ L(co) и ЛФЧХ ф(со) при коэффициенте усиления системы Кс=0,1с"' и времени запаздывания тн=20с. Как видно из рис 8. фазовая характеристика пересекает ось (-я) при частоте ш«0,5с"', что определяет положение ЛАЧХ и соответствующий коэффициент усиления системы, при котором САУ оказывается на границе устойчивости Ккр«0,50 с"1 (пунктирная ЛАЧХ). При Кс=0,1с'', запасы устойчивости по фазе у и по амплитуде Lh составляют величины: у=90°, Lh =25дб. Такие запасы устойчивости дают возможность оценить ориентировочно показатели качества переходного процесса, который будет монотонным с перерегулированием а ~13%. Установившаяся ошибка £у„=0, так как САУ астатическая. Время регулирования tp=: 500с.

Построение областей устойчивости в плоскости параметров используется для исследования устойчивости САУ термоэлектрическим нагревом и решения практического значения запаздывания времени. В плоскости параметров показано существенное влияние времени запаздывания нагрева. В данной работе было проведено построение областей устойчивости для САУ с ПИ-законом регулирования и с П-законом регулирования с различными величинами запаздывания. Результаты исследования показывают, что значение критического коэффициента существенно уменьшается при увеличении времени запаздывания. Так для САУ с П-законом Ккр уменьшается с 350 до 20 при изменении т„ с 10 с. до 200 с. Одно и то же САУ с ПИ-законом регулирования Ккр уменьшается с 0,5 до 0,05 при изменении т„ с 10 с. до 100 с.

С помощью специализированного программного пакета MATLAB проведено компьютерное моделирование САУ для двух структур с учетом различных запаздываний через различные толщины полупроводникового

металла М. Показатели качества переходных процессов в САУ с П-регулятором для 1-ой структуры при различных значениях коэффициента усиления Кс и времени запаздывания т„ приведены в таблице 1 и САУ с ПИ-регулятором для 1-ой структуры приведены в таблице 2.

Таблица 1 - Показатели качества САУ при П-законе для 1-ой структуры

М/ = 2 мм M¡ = 2,5 мм M¡ = 3 мм

Тн 10 14 18

Кс 10 20 30 10 20 30 10 20 30

toC 175 90 110 158 110 171 208 166 334

а,% 0 3 20 0 12 38 0 22 56

0.1 0.05 0.03 0.1 0.05 0.03 0.1 0.05 0.03

Таблица 2 - Показатели качества САУ при ПИ-законе для 1-ой структуры

М] = 2 мм M¡ = 2,5 мм М] = 3 мм

т„ 10 14 18

Кс 0,01 0,05 0,1 0,01 0,05 0,1 0,01 0,05 0,1

t„c 55 180 300 150 200 320 180 250 330

а,% 1,5 6 12 10 14 22 20 25 35

£vCT 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Анализ устойчивости и качества в САУ термоэлектрическим нагревом при учете запаздывания позволяет сделать вывод о том, что влияние запаздывания является ухудшением устойчивости качества САУ. Расчет переходных процессов в САУ показал, что влияние запаздывания в САУ при любом законе управления увеличивает значение времени переходного процесса {tp) и ухудшает качество перерегулирования (а). В качестве ПИ-регулятора имеет удовлетворительные показатели качества в САУ. Расчет АФЧХ по критерию Найквиста с учетом запаздывания показал, что при увеличении запаздывания времени нагрева, САУ выйдет за границу устойчивости и станет неустойчивой. Вторая структура САУ имеет худшее качество запасов устойчивости.

Таким образом, учитывая влияние запаздывания на устойчивость САУ термоэлектрическим нагревом, можно сказать, что влияние запаздывания при определенных соотношениях параметров блоков системы может быть существенным и его необходимо учитывать при выборе настроечных коэффициентов регуляторов. Из-за этого факта, в следующем разделе приводится параметрическая оптимизация САУ термоэлектрическим нагревом в смысле улучшенного интегрального критерия.

В MATLAB предусмотрена возможность проведения режима параметрической оптимизации. В данной работе была проведена параметрическая оптимизация для САУ с ПИ - законом управления с учетом времени запаздывания нагрева порядка т„=10-И8с и определены коэффициент усиления (Кс) и коэффициент настройки управляющего

устройства (Ту). В качестве критерия оптимизации используется улучшенный интегральный критерий: 1 опт = ]^е!(0+а'(е'(0)2

Полученные результаты поиска оптимальных значений параметров настройки Ту и Кс представлены в трехмерном пространстве (рис.9), где по вертикальной оси ог отмечены значения интегрального критерия 10пт

Полученные результаты по моделированию показателей качества переходных процессов в САУ параметрической оптимизации при учете запаздывания приведены в таблице 3.

<6)т„-11)с, САУ для

Рис 9. Оптимальные значения в трехмерном пространстве

Структура 1 Структура 2

Ту,с Кс tP,c а,% £уст Ту,с Кс tp,C 8уСТ

М, = 2мм, тн .¡ос 500 0,05 50 0 0 600 0,03 70 0 0

М2=2,5ММ,Тн,/Л 500 0,03 70 0 0 500 0,03 75 0,5 0

Мз=3мм, Тн =18с 800 0,02 72 0,7 0 600 0,02 90 0,8 0

Таким образом, при расчете параметрической оптимизации САУ термоэлектрическим объектом для двух структур САУ при учете влияния запаздывания с различными толщинами металлов М, можно сделать вывод о том, что настроечные параметры управляющего устройства Ту и Кс в смысле улучшенного интегрального критерия 10пт дает высокое качество на устойчивость САУ при любой структуре САУ. Получено время регулирования не более tp <100с и перерегулирование не более с<1%. А также в АФЧХ по критерию Найквиста, как показано что, при увеличении запаздывания времени нагрева в САУ не выйдет за границу устойчивости и охватывает точку с координатами (-1, jO), поэтому система устойчивая.

Для перечисленных вариантов устойчивости качества САУ приведено решение задач влияния возмущений в системе управления термоэлектрическим нагревом. Возмущениями (или помехами) называют нежелательные воздействия, поступающие в различные входные точки системы управления. В эти входы попадают помехи, искажающие выходной сигнал.

Рис. 10. Точность САУ в установившемся режиме при воздействии

возмущений

Структурная схема САУ в установившемся режиме в условиях воздействия возмущений показана на рис 10. Здесь же приведены основные теоретические соотношения для установившихся ошибок от полезного сигнала Х(0 и от возмущений {/,) и (/)). Влияние возмущений в САУ термоэлектрическим нагревом могут быть вызваны изменением температуры окружающей среды, изменением теплопроводности и теплопередачи, а также несовершенством конструкции автомобильных ТЭУ. Такие вредные воздействия (или возмущения) могут быть детерминированными (определенными во времени) и случайными: например, 1(/), ш. САУ термоэлектрическим нагревом может не реагировать на возмущения, когда они пренебрежимо малы, может реагировать, если они существенные. Тогда от действия возмущений могут ухудшаться показатели качества САУ.

Возмущения в исследуемой САУ термоэлектрическим нагревом могут быть приложены как ко входу САУ (/}), так и ко входу объекта управления (/2). Рассмотрим их влияние на точность САУ в установившемся режиме при различных законах управления.

В результате, компьютерное моделирование подтвердило теоретический вывод о результатах расчета влияния возмущений на точность САУ с учетом (/}) и (/2) при различных законах управления, которые приведены в таблице 4.

Таблица 4 - Результаты по исследованию влияния возмущений на точность САУ термоэлектрическим нагревом

№ Вид возмущении Тип закон управления /|-(1) /2.(0

а,. 1(1) а,Л а,. 1(1) а ,.1

1 П-закон г/и™ = а1 г>|.«т = со а. ЕПу~=а>

2 И-закон ЕГ1уст ~ а\ £ -3. «л™ к

3 ПИ-закон £л™=с0 а,

4 ПИД-закон г/ъ™ = 0° а.

Таким образом, при анализе САУ с термоэлектрическим объектом необходимо учитывать влияние как (/}), так и (/2).

Переходные процессы были исследованы в САУ термоэлектрическим нагревом при всех выше рассмотренных законах регулирования. Численные значения времени регулирования (р и перерегулирования а при П-законе приведены в таблице 5.

Таблица 5 - Показатели качества на точность САУ

Кс=10 Кс=50 Кс=70

tp, с 200 40 25

а, % 0 0 0

Быстродействие (1Р) и колебательность (о) при указанных значениях коэффициента усиления практически не отличаются от значений (рис.7), полученных при отсутствии возмущений в САУ. Подобные результаты получены и при других используемых законах в случаях практически применимых (е/уст Ф (табл. 4). Таким образом, можно сказать, что влияние рассмотренных возмущений на показатели быстродействия (1р) и колебательности (а) переходных процессов пренебрежимо мало.

Всё вышеизложенное позволяет сделать вывод о том, что возмущение, действующее на вход САУ, оказывает самое существенное влияния на величину суммарной установившейся ошибки при любом законе управления. Поэтому желательно свести ее влияние к минимальному, например, компенсировать. Возмущение, действующее на вход ОУ, может оказывать различное влияние на величину суммарной установившейся ошибки зависимости от закона управления (от еруст=0 до е^уст=со, см. табл 4).

Процесс обработки результатов диссертационной работы и практического внедрения разработанных методов в виде блок-схемы алгоритма представлен на рис 11.

В ходе проведения диссертационного исследования были получены и внедрены следующие результаты: разработан программно-моделирующий комплекс автоматизации технологических процессов изготовления АТУ и методика его использования, а также методика стабилизации температуры при производстве АТУ с параметрической оптимизацией САУ термоэлектрическим нагревом, которые обеспечивают высокую точность изготовления АТУ, и способны эффективно преобразовывать тепловую энергию в электрическую. Полученные результаты используются в МАДИ на кафедре «Автоматизированные системы управления» при проведении лабораторных работ по дисциплине «Моделирование систем», а также рекомендованы для внедрения на предприятиях Мьянмы.

В приложении представлены исходные данные эксперимента по исследованию И(0 и документы об использовании результатов работы.

Заключение

В заключении излагаются итоги проведенной работы. В ходе диссертационной работы:

1) Исследованы технологические процессы производства автомобильных ТЭУ (АТУ), соотношения между тепловыми и электрическими процессами. В результате исследований установлено, что необходимо провести разработку методов, методик и программных средств для автоматизации технологических процессов производства АТУ.

2) Проведено проектирование базы данных в среде ER-Win и MS-Access для хранения информации об АТУ, что позволило автоматизировать обработку типовых запросов с использованием СУБД-Access, и обеспечить удобный и быстрый доступ ко всем необходимым данным об АТУ.

3) Выполнен расчет ТЭУ по временной характеристике и получено математическое описание объекта управления в виде типового апериодического звена, оценены его параметры: Л"о=10,3 К/В; Т =630

с. Результаты расчетов позволили провести идентификацию термоэлектрического объекта управления в виде передаточной функции.

4) Разработано математическое описание объекта термоэлектрического нагрева для типа каскадного ТЭМ и типа цилиндрического ТЭМ при управлении по мощности. Обнаружено, что они относятся к одному классу динамических объектов. Новизна модели состоит в том, что они описывают нагрев движущегося изделия.

5) Проведена разработка микропроцессорной системы управления температурой (МПСУ). В качестве исполнительного устройства (ИУ) выделены две практически возможные структуры САУ. Проведено исследование их динамических характеристик с помощью метода компьютерного моделирования. Выбрана структура САУ по выбору наилучших динамических характеристик.

6) Исследована САУ термоэлектрическим нагревом по ЛЧХ. Получены оценки запасов устойчивости и показатели качества замкнутой и разомкнутой САУ по ЛЧХ при различных законах регулирования: П, И, ПИ, ПИД.

7) Проведено компьютерное моделирование САУ с различными законами регулирования для двух структур, рассчитаны переходные процессы и оценены показатели качества: (eycTi a, tp). По результатам моделирования рекомендовано использование первой структуры САУ, так как она имеет лучшие динамические характеристики с различными законами регулирования.

^ Начало ^ 1

Рис. 11. Схема алгоритма практического использования разработанных

методов

8) Проведена параметрическая оптимизация САУ термоэлектрическим объектом по улучшенному интегральному критерию I . Проведен

расчет влияния запаздывания в САУ термоэлектрическим нагревом с полученными оптимальными настроечными параметрами управляющего устройства. Показано что, I дало высокое качество

ОГГГ

САУ при любой структуре САУ. Получено время регулирования не более tp<100c и перерегулирования не более о <1%.

9) Исследовано поведение САУ термоэлектрическим нагревом при воздействии различных возмущений на входе САУ и на входе ОУ. Показано, что возмущение как ft, так и f может оказывать существенное влияние на величину суммарной установившейся ошибки, что необходимо учитывать при анализе точности САУ термоэлектрическим объектом.

10) Результаты работы внедрены для практического использования и используются в учебном процессе.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ I. Научные публикации в рецензируемых научных журналах, входящих в перечень ВАК

1) Ни Зо. Исследование быстрой термообработки (БТО) с использованием многосвязного регулятора при производстве полупроводниковых микросхем / Ни Зо // Вестник МАДИ М: Изд-во "МАДИ", - 2013 - №2 (33) - С. 76-81.

2) Николаев А.Б., Ни Зо. Моделирование системы автоматического управления термоэлектрическим объектам / А.Б Николаев, Ни Зо // Вестник МАДИ М: Изд-во "МАДИ", - 2014 - №3 (38) - С. 78-82.

3) Ни Зо. Исследование качества устойчивости при управлении термоэлектрическим объектом / Ни Зо // Естественные и технические науки М: Изд-во "В мире научных открытий", - 2014 - № 2.1 (50) - С. 696-706.

4) Николаев А.Б., Ни Зо. Параметрическая оптимизация системы автоматического управления термоэлектрическим объектом / А.Б Николаев, Ни Зо // Научное обозрение М: Изд-во Наука образования "издательский дом", - 2014 - № 5 - С. 156-163.

II. Научные публикации в прочих изданиях:

1) Ни Зо. Использование нечетких регуляторов в системах управления технологическими процессами при производстве полупроводниковых микросхем / Ни Зо // Автоматизация и управление в технических системах М: Изд-во "Научно-инновационный центр", - 2012 - № 2 - С. 22-28.

2) Николаев А.Б., Ни Зо. Моделирование полупроводниковых микросхем с использованием термоэлектрического способа / А.Б Николаев, Ни Зо //Автоматизация и управление в технических системах М: Изд-во "Научно-инновационный центр", 2012 - № 2 - С. 29-38.

3) Николаев А.Б., Ни Зо. Исследование системы автоматического управления термоэлектрическим объектом / А.Б Николаев, Ни Зо // Автоматизация и управление в технических системах М: Изд-во "Научно-инновационный центр", - 2013 - № 4.1- С. 113-120.

4) Николаев А.Б., Ни Зо. Моделирование процессов распространения тепла в термоэлектрических материалах / А.Б Николаев, Ни Зо // Автоматизация и управление в технических системах М: Изд-во "Научно-инновационный центр", - 2014 - № 1.1 - С. 3-10.

5) Николаев А.Б., Ни Зо. Исследование устойчивости и качества системы автоматического управления термоэлектрическим объектом с помощью частотного метода / А.Б Николаев, Ни Зо // Автоматизация и управление в технических системах М: Изд-во "Научно-инновационный центр", - 2014 - № 1.2 (9) - С. 61-69.

6) Николаев А.Б., Ни Зо. Анализ влияния нелинейностей на качество системы автоматического управления термоэлектрическим объектом / А.Б Николаев, Ни Зо // Автоматизация и управление в технических системах М: Изд-во "Научно-инновационный центр", - 2014 - № 2 -С. 141-147.

7) Ни Зо. Исследование качества САУ термическим объектом при оптимизации по улучшенному интегральному критерию / Ни Зо // Тезисы докладов 18-ой Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов. "Микроэлектроника и информатика - 2011". М: МИЭТ, - 2011. - С. 242.

8) Ни Зо. Исследование одноконтурной автоматической системы регулирования температуры при производстве полупроводниковых микросхем / Ни Зо // Тезисы докладов 20-ой Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов. "Микроэлектроника и информатика - 2013". М: МИЭТ, -2011.-С. 204.

9) Ни Зо. Исследование частотных характеристик устойчивости САУ термоэлектрическим объектом / Ни Зо // Тезисы докладов 20-ой Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов. "Микроэлектроника и информатика - 2013". М: МИЭТ, -2014.-С. 159.

10)Ni Zaw. The research of quality of stability control system for thermoelectric object / Ni Zaw // In the world of scientific discoveries M: by publishing "House science and innovation center", - 2014 - Volume 2, Series (B) - Page. 84 - 90.

1 l)Nikolaev Andrey Borisovich., Ni Zaw Research of stability and quality of automated control system for thermometric object by calculating log-frequency method / Nikolaev Andrey Borisovich., Ni Zaw // International journal of advanced studies M: by publishing "House science and innovation center", - 2014 - Volume 2 - Page. 15-21.

Подписано в печать: 13.04.2015 Тираж: 100 экз. Заказ № 1310 Отпечатано в типографии «Реглет» г. Москва, Ленинградский проспект д.74 (495)790-47-77 vvvvw.reglet.ru