автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Автоматизированная система косвенной стабилизации разрывной прочности резинотехнических изделий

На правах рукописи

Климов Антон Павлович

АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА КОСВЕННОЙ СТАБИЛИЗАЦИИ РАЗРЫВНОЙ ПРОЧНОСТИ РЕЗИНОТЕХНИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ

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

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт - Петербург 2009

003488552

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении Балаковский институт техники технологии и управления (филиал) ГОУВПО Саратовский государственный технический университет

Научный руководитель -

доктор технических наук, профессор

Бирюков

Владимир Петрович

Официальные оппоненты -доктор технических наук, профессор

кандидат технических наук, доцент

Фокин

Александр Леонидович Епишкин

Александр Евгеньевич

Ведущая организация

Московская государственная академия тонкой химической технолоши им. М.В. Ломоносова.

Защита состоится 22 декабря 2009г. в /Х'^' час., ауд. <у/ на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.230.03 при государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)»

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке института

Отзывы на автореферат в одном экземпляре, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 190013, Санкт-Петербург, Московский пр., д.26, Санкт-

гп^/ттапг^ршлхт Т^ХНО ^ОГ^ТЧбСКМХ* (уНИ~

верситет), Ученый совет, факс: 712-77-91, ЕтаП:Шз50Уе1@Ы-яй.ги, тел. 494-93-75. Автореферат разослан « » _2009 г.

Ученый секретарь совета д.т.н., профессор

В.И. Халимон

Общая характеристика работы Актуальность. Разработка эффективных систем управления производством резинотехнических изделий является актуальной задачей, т.к. существующая концепция повышения требований к стабильности характеристик исходных ингредиентов и параметров технологического процесса в условиях производства не обеспечивает требуемого качества продукции, как по причине невозможности обеспечения производств ингредиентами со стабильными характеристиками, так и по причине нестабильности характеристик технологического процесса как объекта управления, что подтверждается большой нестабильностью характеристик производимых изделий.

Анализ существующих систем управления технологическими процессами производства резинотехнических изделий показал, что они не обеспечивают требуемых качественных показателей резинотехнических изделий, т.к. в них не решены вопросы учета взаимосвязи управляемых параметров, широкополост-ности возмущающих воздействий, отработки неконтролируемых возмущений стадии вулканизации, обеспечения грубости системы при изменении характеристик объекта управления.

Таким образом, имеется ряд нерешенных вопросов, не позволяющих считать задачу управления технологическим процессом производства резинотехнических изделий решенной. Это говорит об актуальности темы диссертационной работы и позволяет сформулировать ее цель.

Целью работы является создание системы управления, обеспечивающей повышение стабильности разрывной прочности резины готовых изделий в условиях нестабильности характеристик исходных ингредиентов и параметров объекта управления.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Проанализировать технологический процесс как объект управления разрывной прочностью резины готовых изделий, выбрать комплекс параметров, стабилизация которых обеспечивает повышение стабильности разрывной прочности, разработать структурную схему системы управления, обеспечивающей решение поставленной задачи.

2. Построить математическую модель многомерного объекта управления, исследовать характеристики и построить формирующие фильтры возмущающих воздействий, построить расширенную математическую модель объекта управления в пространстве состояния.

3. Определить зависимость коэффициента передачи процесса вулканизации по температуре на высокоэластический модуль резины от степени приближения высокоэластического модуля к заданному значению.

4. Обеспечить выполнение условий эффективной работы обратной связи объекта уПраБЛСНКЯ ДЛЯ СНИЖСНИЯ ДКСПСрСйЯ рСГуЛйруСМЫХ ПСрСтСпиЫл ДО Заданных значений.

5. Создать робастный многомерный регулятор, обеспечивающий эффективное управление при нестабильности параметров объекта управления и оценить эффективность управления в условиях уменьшения коэффициента пере-

дачи объекта управления при выходе высокоэластического модуля на заданное значение.

Методы и средства исследования. Теоретические исследования основаны на методах теории автоматического, оптимального и робастного управления, численном моделирований динамических систем. Экспериментальные исследования проводились на технологическом процессе производства муфты Джубо ОАО «Балаковорезинотехника», на системе VDR2000 фирмы Alpha Technologies, разрывных машинах фирмы Zwick. Обработка результатов экспериментов осуществлялась методами структурной и параметрической идентификации, регрессионного и дисперсионного анализа, нелинейного программирования, теории случайных функций, анализа временных рядов.

Достоверность результатов обуславливается использованием современных технических средств и методов исследования, воспроизводимостью результатов экспериментов, адекватностью построенных математических моделей экспериментальным данным, совпадением результатов, полученных различными методами, корректным использованием современных методов анализа и синтеза систем управления, современного лицензионного программного обеспечения.

Научной новизной работы являются.

1. Обоснованная необходимость стабилизации высокоэластического модуля, максимально достижимого момента сдвига и коэффициента скорости вулканизации для нахождения разрывной прочности резинотехнических изделий в области максимальных значений.

2. Линеаризованная математическая модель многомерного объекта управления высокоэластическим модулем резины готовых изделий и вулканизационньми характеристиками резиновой смеси, на основании которой произведен синтез системы управления разрывной прочностью резины по косвенным показателям.

3. Повышение эффективности системы путем устранения части возмущений из зоны неэффективной работы обратной связи за счет динамической развязки управляющих воздействий и расширения зоны эффективной работы за счет уменьшения транспортного запаздывания объекта управления.

4. Впервые, для стабилизации разрывной прочности резинотехнических изделий использована система робастного управления, обеспечивающая эффективное управление в условиях нестабильности параметров объекта управления, в том числе при уменьшении коэффициента передачи по температуре на высокоэластический модуль при приближении последнего к заданному значению.

Практическая значимость работы.

Разработанная система управления позволяет путем корректировки режимных параметров технологического процесса примерно в два раза снизить коридор колебаний разрывной прочности резины готовых изделий в условиях нестабильности характеристик исходных ингредиентов и параметров объекта управления, что позволяет рекомендовать ее для решения задач повышения стабильности характеристик других эластомеров. Разработано программное обеспечение, которое может быть использовано при построении математических моделей, синтезе многомерных ЛКГ- и робастных регуляторов для аналогичных технологических процессов.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Постановка задачи управления разрывной прочностью резинотехнических изделий путем стабилизации высокоэластического модуля резины в готовых изделиях и вулканизационных характеристик резиновой смеси, обеспечивающая нахождение разрывной прочности резины готовых изделий в области максимальных значений, уменьшение предпосылок к получению дефектности резины, перевулканизации изделий при недостаточном количестве вулканизирующих элементов в резиновой смеси.

2. Математическая модель объекта управления по управляющим воздействиям, расширенная модель объекта управления вулканизационными характеристиками резиновой смеси и высокоэластическим модулем резины в готовых изделиях.

3. Зависимость коэффициента передачи объекта управления высокоэластическим модулем резины по управляющему воздействию от степени приближения высокоэластического модуля к заданному значению, позволяющая исследовать работоспособность системы управления в условиях нестабильности параметров объекта управления.

4. Способ снижения дисперсии регулируемых параметров путем устранения части возмущений из зоны неэффективной работы обратной связи системы и расширения области эффективной работы за счет развязки управляющих воздействий по дозировкам серы и сульфенамида на вулканизационные характеристики резиновой смеси и уменьшения транспортного запаздывания объекта управления.

5. Система робастного управления, обеспечивающая в условиях нестабильности характеристик объекта управления и снижения коэффициента передачи по температуре вулканизации на высокоэластический модуль снижение дисперсии максимального достижимого момента сдвига в 3.62 раза, коэффициента скорости вулканизации резиновой смеси в 3.16 раз, высокоэластического модуля в 3.71 раза и снижение коридора колебания разрывной прочности резины примерно в 2 раза.

Апробация результатов работы. Результаты работы докладывались на: 17 симпозиуме «Проблемы шин и резинокордных композитов» (Москва, ООО «НТЦ «НИИШП», 2006); 19 симпозиуме «Проблемы шин и резинокордных композитов» (Москва, ООО «НТЦ «НИИШП», 2008), 20 симпозиуме «Проблемы шин и резинокордных композитов» (Москва, ООО «НТЦ «НИИШП», 2009), Всероссийской научно-технической конференции «Совершенствование техники, технологии и управления в машиностроении» (Саратов, СТТУ-2009). За доклады по направлению «Задачи управления характеристиками резинотехнических изделий» на 17 симпозиуме «Проблемы шин и резинокордных композитов» авторам присужден диплом третьей степени.

Публикации. По материалам диссертации опубликованы: 1 статья в сборнике научных трудов «Автоматизация и управление в машино- и приборостроении» (г. Саратов, СГТУ), 5 докладов на конференциях, симпозиумах, 3 статьи в рекомендованном ВАК РФ «Вестнике СГТУ».

Внедрение. Результаты работы приняты к реализации на предприятии ЗАО «Резинотехника» г. Балаково. Предварительная оценка экономической эффективности от внедрения автоматизированной системы косвенной стаби-

лизации разрывной прочности резинотехнических изделий составляет 700 тыс. руб. в год. Результаты работы также используются в учебном процессе БИТТУ СГТУ при чтении лекций, проведении семинарских занятий, выполнении дипломных проектов.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованной литературы из 131 источников и 2 приложений. Работа изложена на 138 страницах, содержит 81 рисунок, 11 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи работы, показаны научная новизна и практическая значимость результатов, структура работы.

В первой главе на примере производства муфты Джубо для автомобилей ВАЗ на ОАО «Балаковорезинотехника» рассмотрены технологический процесс производства резинотехнических изделий, статистические характеристики разрывной прочности серийно выпускаемой муфты Джуба, произведен обзор и выявлены причины недостаточной эффективности существующих систем управления технологическим процессом производства резинотехнических изделий, показана актуальность и поставлена задача создания системы управления, обеспечивающей повышение стабильности разрывной прочности резины готовых изделий в условиях нестабильности характеристик исходных ингредиентов и изменения коэффициентов передачи объекта управления.

Технологический процесс производства муфты Джубо включает стадии приготовления резиновой смеси и вулканизации изделий. Резиновая смесь производится на основе натурального каучука N11^58, серы и наполнителей: сульфена-мида М, белил цинковых БЦО, ацетонанила Н, диафена ФП, кислоты стеариновой Т-32, пластификатора ПН-6Ш, углерода технического П514, масла мягчителя ПМ.

Исходные ингредиенты в два этапа смешиваются на вальцах, затем полученное полотно резиновой смеси передается на уравнитель, с которого срезается отдельными полосами и сматывается в рулоны. Вулканизация резиновой смеси осуществляется в металлических вулканизационных пресс-формах под давлением 15-20 кгс/см2 при температуре 140-170°С.

Статистический анализ временного ряда разрывного усилия муфты Джубо, который является наиболее важным показателем готовых изделий, показывает наличие большого разброса изделий по данному показателю. При требовании технических условий к разрывному усилию Р > 4,2 кН имеются образцы на уровне Р< 2 кН и образцы с Р>8 кН. Большая дисперсия характеристик изделий, наличие изделий, не соответствующих требованиям ТУ (около 4%), отбраковки изделий на выходе стадии вулканизации приводят к увеличению расхода сырья и энергии, снижению конкурен-теспособнсстк ПрО^ЮЦи» И Д6Л2£Т ЗКГ^ГЗЛЬИСЙ ЗЗДДЧу создания З^^вЮПжВНЫХ систем управления качественными показателями готовых изделий.

Разрывное усилие готовых изделий определяется конструкцией изделий, характеристиками резины и адгезией резины к металлическим элементам изделия, поэтому при рассмотрении задачи управления разрывной проч-

ностью изделий целесообразно перейти к задаче управления разрывной прочностью резины, которая является основой сопротивляемости изделий разрушению при нагрузках, раздире, утомлении, износе. Это обеспечивает достижение поставленной цели работы, но при разработке системы управления уменьшаются высокочастотные составляющие, которые определяются в основном адгезией резины к металлическим элементам изделия. В работе ставится задача снижения дисперсии разрывной прочности резины в 3-4 раза.

В настоящее время решены многие задачи программного управления стадиями производства, задачи управления качественными показателями резинотехнических изделий решены на уровне стабилизации режимных параметров, управления процессом получения резиновой смеси по механическим характеристикам и косвенным режимным показателям, управления процессом вулканизации путем остановки процесса при достижении заданного значения момента сдвига.

Но использование статических моделей без учета спектральных характеристик возмущающих воздействий, отсутствие учета взаимосвязи управляемых координат, изменения характеристик объекта управления не позволяют обеспечить требуемую эффективность управления. Использование разомкнутых систем управления процессом вулканизации создает предпосылки к нестабильности резины, созданию в ней микродефектов по причине нарушения структуры резины при наличия неиспользованных в процессе вулканизации компонентов вулканизационной группы при их избытке в резиновой смеси и возможности перевулканизации изделий при их недостатке.

Выявлено уменьшение коэффициентов передачи по управляющим воздействиям стадии вулканизации при приближении высокоэластического модуля к заданному значению, затрудняющее создание системы управления процессом вулканизации по обратной связи.

На основании полученных результатов сформулирована цель работы и поставлены задачи, требующие решения для достижения поставленной цели.

Во второй главе проведен анализ техпроцесса как объекта управления разрывной прочностью резины готовых изделий, задача повышения ее стабильности сведена к задаче стабилизации высокоэластического модуля резины готовых изделий в точке экстремума разрывной прочности и устранения смещения экстремума по времени вулканизации и максимальному достижимому моменту сдвига путем стабилизации вулканизационных характеристик резиновой смеси, разработана структурная схема системы управления, построена линеаризованная математическая модель многомерного объекта управления, исследована закономерность изменения коэффициента передачи объекта управления по управляющим воздействиям, исследованы временные ряды возмущающих воздействий и построены формирующие фильтры для их генерации, построена расширенная математическая модель объекта управления.

Создать систему уппавления пазпьтной ппочностыо пезины невозможно, т.к. нельзя выделить влияние возмущающих воздействии, которые должны быть отработаны путем корректировки режимных параметров. Выбор других переменных, стабилизация которых обеспечивает стабилизацию разрывной прочности, произведен на основе анализа влияния основных параметров рези-

новой смеси и процесса вулканизации на разрывную прочность резины в готовых изделиях. Из литературы известно наличие экстремальной зависимости

разрывной прочности от густоты пространственной сетки.

'-^К^Р'^ИМеЧТЗЛ^-НОе И ТС-

дование имеющейся на анализируемом производстве связи разрывной прочности резины с режимом вулканизации путем анализа диаграмм растяжения образцов резины с различными временами вулканизации показало экстремальную зависимость разрывной прочности и высокоэластического модуля резины от продолжительности вулканизации (рис. 1) с совпадением положений экстремумов по времени вулканизации и линейную связь (с коэффициентом корреляции Я2 =0,77) разрывной прочности резины с высокоэластическим модулем (рис. 2)

сг = -2,0 + 5,04 • £, (1)

где с - разрывная прочность резины, МПа, Е - высокоэластический модуль, МПа, что соответствует теории высокоэластичносга. Отклонение от экстремальной зависимости обусловлено наличием процесса деструкции и падением модуля резины после его выхода на максимальное значение. Следует отметить меньший разброс корреляционного поля в области высоких значений разрывной прочности резины, что говорит о более тесной связи в этой области между разрывной прочностью резины и ее высокоэластическим модулем.

Совпадение вида экстремальных зависимостей разрывной прочности и высокоэластического модуля от времени вулканизации, наличие между ними линейной связи с коэффициентом корреляции К2 >0.77 позволяет, стабилизируя высокоэластический модуль на его максимальном значении, поддерживать разрывную прочность в области максимальных значений.

Но наличие возмущающих воздействий по характеристикам исходных ингредиентов, режимным параметрам приводит к дрейфу кривых вулканизации, что подтверждается выборкой образцов резиновой смеси и исследованием кинетических кривых образцов на реометре (см. рис. 3). Данные показывают разброс по максимальному значению момента сдвига от 11,1 дНм (точка А) до 16,2 дНм (точка В), по времени выхода на максимальный момент сдвига от 6,5 мин (кривые 1,2) до

О 2 4 В 8 10 13 14 18 18 20 22 24 И 28 30

Время, мин

0 2 4 В 8 10 12 14 18 18 20 22 24 28 28 30

Время, мин Рис. 1. Зависимость разрывной прочности (а) и высокоэластического модуля резины (б) от продолжительности вулканизации

2 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 Модуль Е, МПа

Рис. 2. Зависимость разрывной прочности от высокоэластического модуля резины

20 1 £

•а 12

, 1 . . я.

л

10

12

более 12 мин (кривые 3,4), по завершенности процесса вулканизации от недостижения максимального значения момента (кривые 3,4) до наличия процесса псревул-

канизации (кривые 1,5).

Выявленные закономерности позволяют сделать вывод о возможности повышения стабильности разрывной прочности резины, путем поддержания высокоэластического модуля на значении, соответствующем максимальному значению разрывной прочности резины и стабилизации положения экстремальной характеристики вулканизации резиновой смеси в пространстве двух параметров - максимальный момент сдвига вулканизата Ми продолжительность вулканизации те.

Стабилизация высокоэластического модуля, кроме повышения стабильности разрывной прочности, обеспечивает повышение стабильности демпфирующих свойств муфты. А стабилизация максимального момента сдвига и показателя скорости вулканизации позволяют дополнительно снизить дефектность структуры резины и уменьшить средне- и высокочастотные составляющие разрывного усилия резинотехнических изделий.

На рис. 4 представлена структурная схема системы управления, обеспечивающей реше-

2 4 6 8 Время, мин

Рис. 3. Кинетические кривые

м W,(I)

кт

ОУг

Оптимальный стохастический регулятор

ние поставленной задачи, где: ОУ/ - первая часть объекта управления, включающая ста-

Рис. 4. Структурная схема системы управления длю приготов-

ления резиновой смеси; >>,у2 - максимальный момент сдвига вулканизата и коэффициент скорости вулканизации текущей партии резиновой смеси; ^(г) - г"' - передаточная функция звена транспортного запаздывания, учитывающего вре-

мя лаиОрйхОрйОхО апшюза на СиСчсме V¿-/¡х^иии дня получения оценок максимального мом^чта в^лканизятя ц к^^^чциента скорости вулканизации: { { — возмущающие воздействия на максимальный момент сдвига вулканизата и коэффициент скорости вулканизации резиновой смеси;

и.,и2 — управляющие воздействия на стадии приготовления резиновой смеси: корректировки массовых дозировок серы и суль'Ьенамида; ОУ^ вторая часть объекта управления, включающая стадию вулканизации; уг - высокоэластический модуль резины готового изделия текущей партии; — возмущающее воздействие стадии вулканизации на высокоэластический модуль резины готовых изделий; щ - управляющее воз-

(2)

действие стадии вулканизации - температура вулканизации; w2(z) = г-5 - передаточная функция звена транспортного запаздывания, учитывающего время определения высокоэластического модуля резины готового изделия в лаборатории.

Процессы получения резиновой смеси и вулканизации являются дискретными. Поэтому они описываются безинерционными (статическими) звеньями с транспортными запаздываниями на технологических переходах для учета времени лабораторных анализов. Стадия приготовления резиновых смесей описана в отклонениях регрессионным уравнением (рис. 5): ¡У) = ¿п -Щ+Ьп 'Щ =0.075-щ +0.035-и2 № = hi\ ■ «1 + Ь-п ■ иг = -0.0018 • и, + 0.0057 ■ и2 где и,,иг - дозировки серы и сульфенамида (в % от номинальных дозировок 0,51 кг и 0,76 кг); у^,у2 - максимальный момент сдвига и коэффициент скорости вулканизации резиновой смеси в отклонениях от номинальных значении Мо-11.1 дНм, кТо=0.8мин'.

Коэффициенты математических моделей значимы. Значения /-критериев для оценок коэффициентов равны 8,2; 4,8; 2,5; 10,0. Показатели адекватности модели, соответственно, равны: - коэффициент множественной корреляции r' = о,76,

«i

«2

XI

Ъи

Ьц

уг

Рис. 5. Структурная схема объекта управления стадии приготовления резиновой смеси

й/ = 0,78; - критерии Фишера F = s2об.Р,г/s1 ош, соответственно F, = 46,4,

^ = 53,1 при табличных значениях Р^ = 3,2; -остаточные дисперсии = 0,98 (дНм2), *22 ~0,078(мин2).

Математическая модель процесса вулканизации (рис. 6) включает непосредственно модель процесса вулканизации с моментом сдвига резины т({) в качестве выходного параметра, звено транспортного запаздывания на три шага дискретизации и математическую модель ММЕт связи момента сдвига с высокоэластическим модулем резины Е.

В качестве управляющего воздействия щ принята температура вулканизации, что исключает повышение продолжительности вулканизации при снижении реакционной способности резиновой смеси. Возмущающими воздейст-. , , виями являются неском-"" [Л _____

Щ Процесс

вулканизации

ММБ

пенсированные на первой стадии отклонения максимального монета сдвига М и коэффициента скорости вулканизации кТ, а также

Рис, 6. Структурная схема стадии вулканизации

1)т»иМ1Щ/.1иио олитаплтппп ту^плй г^г-г-1 -Т1 г

Линеаризованная модель кинетики вулканизации т = аят+Ъти}+ЬмШ, (3)

получена на основании автокаталитической модели кинетики вулканизации

= k0m(M - m) + kt (M - m),

at

Л -к e RT

: Кое

(4)

где т - момент сдвига, дНм; М - максимальный достижимый момент сдвига, дНм, получаемый в процессе вулканизации; - константа кинетики первого порядка, мин1-, ка - константа кинетики автокатализа, дНм-мин!.

При номинальных значениях М0 ~ 11.1 (дНм), т0-8,9 (дНм), Т0 = 165 (°С), к10 = 6-1017(мин1), Ко = 9-107 (дНм-мин1), Е, = 29703 (Цж), Еа = 8847,7 (Дж) коэффициенты передачи по каналам температуры и максимального достижимого момента сдвига равны кт = 0.14 (дНм/°К), ки =1.34 (безразм).

Оценка коэффициента передачи по коэффициенту скорости вулканизации резиновой смеси ккг получена на основе линеаризации модели кинетики вулканизации первого порядка, которая используется для аппроксимации кривой кинетики в лаборатории при определении данного показателя

^ = k1(M~m)=f(kl,M,m), at

= am + buЛЛ/ +b. Akr,

rff ffl M *T i '

кj —

(5)

(6)

При номинальных значениях M0 = 11.1дНм, кТо =0.7мин ', пга =8.9дНм. к„т =3.71 (мин1).

Уравнение связи высокоэластического модуля вулканизата Е в готовых изделиях с моментом сдвига вулканизата m получено на основе результатов активного эксперимента при различных временах вулканизации образов резиновой смеси на системе VDR2000 фирмы Alpha Technologies.

£ =2,61+0,24-м (7)

Коэффициент множественной корреляции равен R2 - 0.96.

Экспериментальные оценки статистических показателей выходных переменных при отсутствии управления приведены в табл. 1.

№ n/n Параметры Среднее Дисперсия

I Разрывная прочность резины 22,0 МПа 11,6 МПа2

2 Максимальный момент сдвига 13,6 дНм 1,69 дНм"

3 Коэффициент скорости вулканизации 0,8 мин'1 0.02 мин2

4 Высокоэластический модуль 4,86 МПа 0,44 МПа'

Уравнения состояния системы управления, построенные на основании структурной схемы объекта управления (рис. 7), имеют вид

х,[к + ij- о„и,{ + о,2и2[kj + j,{kj x2(k + l) = b2,u,(k) + b22u2 (k) + J2 (k) x3(k + l) = x4(k) x/k + I) = x5(k)

x5(k + l) = a„x, (k) + a,2x2 (k) + bS3u3(k) +f}(k)

(8)

МО /.(*> 1

+ МО

м*+>) МО

Рис. 7. Структурная схема объекта управления

Уравнения выходных переменных: у,(к) = х,(к)

у2(к) = х2(к) (9)

у3(к) = с31х3(к)

Уравнения возмущающих воздействий:

/2(к)^2(2)ъ2(к) (Ю)

/3(к) = УГ3(г)щ(к)

где параметры состояния объекта управления: х,(к) - максимальный достижимый модуль; х2(к) - коэффициент скорости вулканизации; х3(к) - момент сдвига вулканизата;х4(к), х}(к) - промежуточные переменные состояния, необходимые для описания транспортного запаздывания на стадии вулканизации; выходные измеряемые переменные: у ¡(к) - максимальный достижимый модуль; у2(к) - коэффициент скорости вулканизации; у ¡(к) -высокоэластический модуль; управляющие воздействия: и,(к) - дозировка серы; и2(к) - дозировка сульфенамида; и ¡(к) - температура вулканизации; неконтролируемые возмущающие воздействия генерируются формирующими фильтрами И/Л(г), }¥/2(г), Wf3(z) при подаче на их вход случайного

процесса типа белый шум единичной интенсивности в рабочем диапазоне частот: ]"1 (к) - возмущение на максимальный достижимый модуль; /2(к) -возмущение на коэффициент скорости вулканизации; /\(к) - возмущение на высокоэластический модуль; параметры математической модели: Ьи, Ь,2, Ь21, Ъ22 - коэффициенты по управляющим воздействиям - дозировкам серы и сульфенамида: Ь,, - коэсЬЛипиент по упмвляюшему воздействию -

• ж. ■ ■ ' АХ' * 1 ' * ' '

температуре вулканизации; <з„, а„ - коэффициенты влияния максимального достижимого момента и коэффициента скорости вулканизации на высокоэластический модуль; с33 - коэффициент связи высокоэластического модуля

с моментом сдвига вулканизата.

Данная модель в АВСО представлении: {Х(к + 1) = А-Х(к) + В-Щк) Щк) = С-Х(к) + В-и(к) На основе полученных вьпне оценок коэффициентов матрицы равны:

(И)

с=

ООО ООО О 1.0 о о о 1А

в=

1.34 3.7 ООО

1.0 0 о 0 0

О 1.0 О 0 0

О О 0.237 О О

0.075 0.035 О -0.0018 0.00570 ООО ООО О 0 0.14

Особенностью объекта управления стадией вулканизации является зависимость коэффициента передачи по каналу температура - высокоэластический модуль от степени приближения высокоэластического модуля к заданному значению. Данная зависимость (см. рис. 8) получена при линеаризации автокаталитической модели кинетики (4)

Ь. V

кт

(12)

где

Ьг=~к,„-М~.т-е

JL

RT2

■ t 3

■k-M-m—^-e RT1

RT1

"+k -M-é~> <*0

Л ■e

■2m.

kT(m) \ \ ¡ i 1 ¡ i

\ 1 I í

i 1

!

i

1 i < m : 1

>9 9.1 9.3 9.5 9.7 9.9 10.1 10.3 IOS 10.7 109 11.1

Рис. В. Изменение коэффициента перади объекта управления стадии вулканизации

Коэффициент передачи по близкой к линейной зависимости уменьшается от начального значения кт = 0.14 (дНм/°К) до нулевого значения при выходе высокоэластического модуля на заданный уровень, что создает трудности построения управления по обратной связи. Задача управления при изменении коэффициента передачи решается путем построения робастного регулятора с последующей оценкой влияния измене-

ния козффн"чент° п^ре^ан« un л,лсттеосмю t?ervtTi*DVfiMnn пnрртiнrtи

Модели формирующих фильтров возмущающих воздействий, необхо-

(13)

1Г„(г) = 2-"~"~: - ----------, (14)

димые для синтеза оптимальных регуляторов „, , , 0.2059 z3 -0.193 Z-0.002757

W,.(Z) =-;-J

' z2-1.914 z + 0.9181

0.02208 z3 - 0.09265 z3 +0.1207 z-0.05084

¿. //J 2 - 1АОУУ/

1.191 z2 -1.81 z +0.579 (j

z2 -1.893z +0.8941

получены путем аппроксимации спектральный плотностей возмущающих

Wfl(z) =

воздействий (рис. 10) дробно-рациональными функциями частоты, расщепления, факторизации и дискретизации. Построенные фильтры устойчивы, их полюса находятся внутри окружности единичного радиуса

Rootsw Roots,

пуъ '

0.96 ± 0,0471, 0,99, 0.903.

Roolsm2=0,92, 0,97 ± 0,16i,

Расширенная дискретная АВСП модель объекта управления с учетом формирующих фильтров имеет: вектор параметров состояния размерностью п = 12 (х/ - Х12); вектор входных воздействий, включающий управляющие

воздействия размерностью г = 3 (и], и2, щ) и случайный процесс типа «белый шум» / = 3 (/,, ¡2, /¡) для формирования возмущающих воздействий; вектор управляемых переменных размерностью т = 3

(У1~Уз)-

В третьей главе решена задача обеспечения выполнения условий эффективной работы обратной связи и достижения заданной дисперсии управляемых переменных. Для исходного объекта управления произведен синтез оптимального стохастического линейно-квадратичного регулятора (рис. 9), получена оценка достижимой точности управления и произведена доработка техпроцесса как объект управления. Полученная матрица ЛКГ-регулятора имеет вид'

-0.0000 3.6240 -1.7323 - 0.0000 4.5302 - 2.3108 1.2129 0 - 0.0032 0.0021 0 0| К= 0.0000 2.5355 -1.2120 - 0.0000 -10.7358 5.4762 - 2.8744 0 0.5015 - 0.3257 0 0 Г 0.6848 0.2754 - 0.1313 1.8961 -0.2219 0.1127 - 0.0587 0 0.1050 - 0.0632 0 0|

Дополнительно в системе для устранения перевулканизации резины реализован канал прямого управления путем использования промас-штабированного текущего сглаженного значения достижимого момента

и XVЧ^ТГ^^ аид^Ои^СГО 111А ДЛл 1Ч1А11Ш1и 2 ц^иолупил Е»г>1~"

сокоэластическим модулем резины (ММ на рис. 9).

Компьютерное моделирование работы данной системы показало недостаточную эффективность системы. Коэффициенты эффективности по каналу момента сдвига кш ~ 1.47. по каналу коэффициента скорости вулканизации ккг =1.52, по канату высокоэластический модуль кЕ =1.54 не позволяют снизить дисперсию высокоэластического модуля и разрывной прочности до заданного уровня.

Анализ взаимного расположения оценок спектральных плотностей возмущающих воздействий Буф, Баф, 5,.//) и амплитудных частотных характеристик

Рис. 9. Структурная схема системы управления исходным объектом

замкнутой системы ио возмущающим воздействиям Амф, Л^ф, АЕф показал, что высокая дисперсия регулируемых переменных объясняется наличием спектральных составляющих возмущающих воздействий в зоне неэффективной работа обратной связи системы управления (рис. 10).

Спектральные составляющие возмущающих воздействий с частотами более /и > 0.094 кол/ЛТ для максимального момента сдвига (рис. 10а), более/кт > 0.08 кол/АТ для коэффициента скорости вулканизации (рис. 106 )и более /Е > 0.04 кол/АТ для высокоэластического модуля (рис. 10в) имеют коэффициенты передачи по возмущениям на регулируемые переменные больше единицы. Поэтому они увеличиваются системой управления и не позволяют добиться требуемой эффективности работы системы управления.

Снижение дисперсии управления обеспечено за счет динамической развязки управляющих воздействий на стадии приготовления резиновой смеси и уменьшения транспортного запаздывания на стадии вулканизации. Путем использования динамического компенсатора (показан штриховой линией на рис. 9) к объекту управления получена близкая к диагональному виду передаточная функция расширенного объекта, что позволило уменьшить возмущающие воздействия в зоне неэффективной работы обратной связи, генерируемые • взаимосвязанным объектом, опустить АЧХ замкнутой системы по возмущениям в области низких частот (рис. 11, линии 3) и получить коэффициенты эффективности системы, соответственно, 2.69,2.99,2.1.

ТЛпттгчи.'элтэсаимст ХЛАТПТТЯ Т1МЧЯ-

б)

0.15 о 2 0.25 Частота. кол/ЛТ

:

И / д.-п —Л.

Г ! \:

/АЛ ' *

И 1.2

а

к 1.0 *

<и

а

0.« 5

0.4 X

В" <

0.2 0

0.05 0.1 0.15 0.2 0.25

Частота, кол/ДТ

В)

Рис. 10. АЧХ по возмущению и

СГГ61»!риЛЬ!Iил ПЛОТНОСТЬ ЕОЗМуЩ^СЩСГС

воздействия по каналам максимального момента сдвига М (а), коэффициента скорости вулканизации кт (б), высокоэластического модуля Е (в)

мического механического анализа на основе прибора У км для измерения высокоэластического модуля позволило уменьшить транспортное запаздывание в канале управления высокоэластическим модулем с трех до одного шага дискретности, расширить в два раза (до/Е> 0.08 кол/АТ) эффективный

0.010.020.030.04 0.05 0.060.070.080.09 0.1 Частота, кол/ЛТ

диапазон частот канала управления высокоэластическим модулем (рис. 11в,

линии 3) и повысить эффективность по каналу высокоэластического модуля до значения кЕ =2.43.

Достигнутые на данном шаге значения коэффициентов эффективности (2.69, 2.99, 2.43) достаточны для решения поставленной задачи. Диапазон изменения управляющих воздействий при моделировании нового объекта управления составил: и, = ± 10 %, и2 = + 20 %, и3=± 2.5 %, что удовлетворяет требованиям технологического процесса.

Корни характеристического уравнения замкнутой системы находятся в пределах единичного круга, что говорит об устойчивости разработанной системы. Система эффективно отрабатывает возмущающие воздействия, что говорит о работоспособности фильтра Калмана. Все это позволяет сделать вывод о стаби-лизируемости и детектируемое™ доработанного объекта управления и, соответственно, о выполнении предпосылок для синтеза линейно-квадратичного и робастного регуляторов.

В четвертой главе путем синтеза многомерного робастного регулятора решена задача обеспечения устойчивости и эффективности работы системы при имеющихся изменениях коэЛбициентов объекта управления по дозировкам серы

0.057< кч <0.095дНм/%, сульфенами-

да 0.005<к <0.00Тмин-1'/*",

0.0! 0.020.03 0.04 0.050.060.070.080.09 0.1 Частота, кол/ДТ

б)

0.010.020.030.04 0.050.060.07 0.080.09 0.1 Частота, кол/ДТ

в)

Рис. 11. АЧХ по возмущению каналов

максимального момента сдвига (а), коэффициента скорости вулканизации (б), высокоэластического модуля (в) для исходного объекта (1), объекта с

I ^шмллч^и ^ ирьшл/иищпл

воздействий (2) и уменьшенным транспортным запаздыванием (3)

иу-

и ггл то»/попот1та штт/ятюоттт! л . 1 ^ л » » \ т /0 тг л* лл.\} ¿ъ'ШАлуры.л^ръ' 'лчиисисЦ^шч и <- Ли Ъ СК14 МИШ / Л .

Г^МИТР^ ктиг»гпл/?рпиг\гг\ пп^ортилгл Г%АП/ТТ<ТТ#ЛГ\О рт^г»т7г)рдттс»тт

^----■ — — »л —• ■ V « «-Ч. V А. I к А V ^ V А ^ V л ч/^/и ^ Л А^ич«^ V*! иду 1 К/^Ч/Ш

совых функций. При использовании данного метода границы для сингулярных чисел а, функций чувствительности системы 5 = (/1 ¡¥кУ (где V/ - объект; К~ регулятор) задаются в виде с,(8()(ои частотная харак-

теристика весовой функции должна уменьшаться при увеличении частоты, чтобы ошибку управления е «взвешивать» в диапазоне низких частот с большим весом, чем на высоких частотах. В процессе синтеза выбраны следующие значения весовой матрицы м>;

' ¡5+21.6¡+15

w,(s) =

30 s' + 4.93 s+ 0.25

о о

37.5 s'+ 54 s+ 37.5 50s'+7s + 0.25 О

0.3 s'-0.28 s+ 0.069

-0.145 + 0.0049

Дня дополнительной передаточной функции т = \¥к(1 + \¥к)~х, связанной с функцией чувствительности выражением Я+Г = /, ограничение имеет вид о3(т(¿а)) <,|и';'(]о>}■ ■ Весовая матрица да,, наоборот, с целью получения малых значений у в области высоких частот и фильтрации высокочастотных возмущений делается малой в области низких частот и большой в области средних и высоких частот. В процессе синтеза м>3 принята равной

0.33(0.37445' + 0.9984 ¡ + 0.624) О О

щ(5) = 0 0.4(0.8424 з' + 1.872 5 + 1.04) О

О 0 0.1(0.645' +5.6 5 + 6}

Для функции чувствительности управления я = к{1 + ограничение имеет вид а2(К()) < | \у~2 Цел- Значение функции веса задается в виде постоянной величины и обеспечивает вывод управляющих воздействий на уровень ограничений. В процессе подобраны следующие значения матрицы \у2

0.002 О О

w,(s) =

0.002 О О 0.002

где

о <

Все требования к системе приводят к требованию ограничения И" нормы

Ы.^:*»:*»!!.^ (16)

tyiu = [fF,S; W2r; W,t] - функция стоимости смешанной чувствительности.

Синтез робастного регулятора, минимизирующего Н" норму, проводился в пакете Robust Control System системы MatLab. Решение получено для значения у = 1.16е - 001 с точностью £ = 0.01. Условия робаст-нисти выполнены (рис. i2).

Эффективность полученного робастного регулятора исследовалась методом математического моделирования. Достигнуты следующие значения коэффициентов эффективности: по каналу момента сдвига ки = 3.62, по каналу коэффициента скорости вулканизации

П1 пи nil !• »1 m шм 11111 \ \ V

illliM illllfiii ¡\\\Ш 1П;:;!И ilW

10°

Частота, колУДТ

Рис.12. Смешанная весовая функция чувствительности

ккт - 3.16, по каналу высокоэластический модуль кЕ = 3.71 (рис. 13).

Возмущение . ;

7Т1...................ТК...........

Номер партии

Корни характеристического уравнения замкнутой робастной системы находятся в пределах единичного круга, что говорит об устойчивости разработанной системы.

Анализ влияния нестабильности коэффициентов объекта управления произведен путем моделирования работы робастной системы управления при изменении коэффициентов передачи объекта управления по управляющим воздействиям от 200% величины до нулевого значения. Результаты анализа представлены на рис. 14. Из анализа графиков следует, что изменение коэффициентов по каналам дозировок серы и сульфенамида в рассматриваемом диапазоне практически не влияют на эффективность работы регулятора.

Робастный регулятор обеспечивает уменьшение дисперсии вы-сокоэластическош модуля в 3.71 раза При линейной зависимости коэффициента передачи по температу-Номер партии ^ ^ т степени приближения высо-Рис. 13. Временные ряды регулируемых коэласшческого модуля к заданному переменных значению коэффициент передачи по

температуре может уменьшаться в ^ХП.» 2 раза. Согласно графику на рис. 14 при уменьшении коэффициента передачи по температуре до 50-процентного значения существенного падения эффективности системы не происходит.

При повышении коэффициента эффективность системы управления падает и при превышении коэффициентом начального значения в 1.95 раз

система теряет устойчивость.

I лггмоил тттнайгтли лпсти

рывной прочности резины с высокоэластическим модулем с высоким коэффициентом корреляции (1) дисперсия разрывной прочности резины также снижается в 3.71 раза, а ее коридор колебаний снижается

пгягмрпнп п 9 пяэя.

"I------1----- —

Достигнутое снижение дисперсии разрывной прочности резины, создание канала обратной связи на стадии вулканизации, обеспечение гру-

у; 6 | "

гЧ ч

к,— -Ч^ к—

:___

Рис. 14. Анализ эффективности робастной системы при изменении ки/ ки!, к

бости системы при изменении параметров объекта управления позволяют сделать вывод о достижении цели диссертационной работы.

Структурная схема реализации системы управления соответствует схеме, приведенной на рис. 4. Отличие заключается в том, что передача информации с технологического процесса на регулятор к управляющих бсздскстбки с регулятора на объект управления должна производиться через технологический персонал. Текущие значения максимального достижимого момента сдвига, коэффициента скорости вулканизации и высокоэластического модуля вводятся в компьютер, на котором реализован алгоритм управления. Рассчитанные значения корректировок дозировок серы, сульфенамида и температуры поступают технологическому персоналу стадии приготовления резиновой смеси и оператору стадии вулканизации для реализации новых управляющих воздействий.

Выводы

1. Обоснована необходимость стабилизации высокоэластического модуля резины на уровне, соответствующем максимальному значению разрывной прочности резины, и стабилизации максимального достижимого момента сдвига и коэффициента скорости вулканизации резиновой смеси для стабилизации положения экстремума высокоэластического модуля на вулканизационной характеристике в координатах момент сдвига и время вулканизации.

2. Обоснован выбор структурной схемы многомерной системы управления, обеспечивающей повышение стабильности разрывной прочности резины готовых изделий.

3. Построена линеаризованная математическая модель многомерного объекта управления высокоэластическим модулем резины готовых изделий и вулканизационными характеристиками резиновой смеси, на основании которой произведен синтез системы управления разрывной прочностью резины по косвенным показателям.

4. Определена закономерность изменения чувствительности высокоэластического модуля к температуре вулканизации при приближении высокоэластического модуля к равновесному состоянию, что позволило исследовать эффективность системы управления при уменьшении коэффициента передачи по управляющему воздействию.

5. Путем развязки управляющих воздействий на стадии приготовления резиновой смеси и уменьшения транспортного запаздывания на стадии вулканизации уменьшено неконтролируемой возмущение в области неэффективной работы обратной связи и расширена область ее эффективной работы, что позволило повысить эффективность системы по максимальному модулю сдвига, коэффициенту скорости вулканизации, высокоэластическому модулю, соответственно, с 1.47 до 2.69, с 1.52 до 2.98, с 1.39 до 2.43.

6. Путем синтеза многомерного робастного регулятора решена задача обеспечения эффективной работы системы управления при нестабильности параметров объекта управления, в том числе при уменьшении коэффициента передачи по температуре вулканизации на высокоэластический модуль резины при приближении высокозласткческого модуля к заданному значению.

7. Методом компьютерного моделирования подтверждена эффективность разработанного робастного регулятора: при действии возмущающих воздействий, характерных для технологического процесса; дисперсия высокоэла-

стического модуля резины снизилась в 3.71 раза, максимального достижимого момента сдвига в 3.62 раза, коэффициента скорости вулканизации в 3.16 раза. При этом коридор колебаний разрывной прочности снижается в два раза.

8. Разработано программное обеспечение, позволяющее производить построение мы.тсматйп£скил моделей в пространстве состоянии, синтез многомерных ЛКГ- и робастных регуляторов.

Основные результаты диссертационной работы опубликованы: Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Климов А.П. Математическая модель объекта управления высокоэластическим модулем резинотехнических изделий / Климов А.П., Садчикова Г.М., Бирюков В.П. // Вестник Саратовского государственного технического университета. - Саратов, 2009. - №3(41) Выпуск 2-е. 220-223.

2. Климов А.П. Динамическая развязка каналов процесса приготовления резиновой смеси / Климов А.П., Садчикова Г.М., Бирюков В.П. // Вестник Саратовского государственного технического университета. - Саратов, 2009. - №3(41) Выпуск 2-е. 216-220.

3. Климов А.П. Разработка и повышение эффективности системы управления качественными показателями резинотехнических изделий / Климов А.П., Садчикова Г.М., Бирюков В.П. // Вестник Саратовского государственного технического университета. - Саратов, 2009. - №3(40) Выпуск 1 - с. 67-72. Статьи в других изданиях:

4. Климов А.П. Постановка задачи управления характеристиками резинотехнических изделий / В.П. Бирюков, Г.М. Садчикова, А.Н.Сочнев, А.П. Климов, Е.С. Ефремов // Доклады 17 симпозиума «Проблемы шин и резинокордных композитов» том 1 / ООО «НТЦ «НИИШП». -Москва, 2006. - с. 61-69.

5. Климов А.П. Система управления характеристиками резиновой смеси / А.Н.Сочнев, А.П. Климов, Г.М. Садчикова, Е.С. Ефремов, В.П. Бирюков // Доклады 17 симпозиума «Проблемы шин и резинокордных композитов» том 2 / ООО «НТЦ «НИИШП». - Москва, 2006. - с. 192-199.

6. Климов А.П. Система управления процессом вулканизации / А.Н.Сочнев, А.П. Климов, Г.М. Садчикова, В.П. Бирюков // Доклады 17 симпозиума «Проблемы шин и резинокордных композитов» том 2 / ООО «НТЦ «НИИШП». - Москва, 2006. - с. 185-191.

7. Климов А.П, Система управления технологическим процессом производства резинотехнических изделий / А.П. Климов, Г.М. Садчикова, В.П. Бирюков /У Доклады 19 симпозиума «Проблемы шин и резинокордных композитов» том ! / ООО «НТЦ «НИИШП». - Москва, 2008. с. 181-190.

8. Климов А.П. Экспериментальное исследование связи высокоэластического модуля с моментом сдвига вулканизата на реометре / Климов А.П., Садчикова Г.М., Бирюков В.П. // Автоматизация и управление в машино- и приборостроении. Сборник научных трудов СГТУ. - Саратов, 2009. - с. 128-133.

9. Климов А.П. Повышение стабильности характеристик резинотехнических изделий методами управления / Климов А.П., Садчикова Г.М., Бирюков В.П. // Доклады 20 симпозиума «Проблемы шин и резинокордных композитов» том 2 / ООО «НТЦ «НИИШП». - Москва, 2009. - с. 194-204.

17.11.09 г. Зак. 267-80 РТП ИК «Синтез» Московский пр., 26

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ РАБОТЫ.

1.1 Объект исследования. Технологический процесс производства резинотехнический изделий.

1.2 Статистический анализ разрывной прочности муфты Джубо.

1.3 Обзор существующих систем управления технологическим процессом производства резинотехнических изделий.

1.4 Постановка задачи работы.

ГЛАВА II ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ И ПОСТРОЕНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ОБЪЕКТА УПРАВЛЕНИЯ.

2.1 Структурная схема существующего технологического процесса как объекта управления характеристиками резинотехнических изделий.

2.2 Постановка задачи повышения стабильности разрывной прочности путем создания системы управления.

2.3 Структурная схема системы управления.

2.4 Методы определения регулируемых параметров.

2.5 Статистический анализ состояния регулируемых переменных.

2.6 Анализ статистических характеристик возмущающих воздействий.

2.7 Математическая модель процесса смешения.

2.8 Построение математической модели процесса вулканизации.

2.8.1 Математическая модель кинетики вулканизации по моменту сдвига

2.8.2 Получение оценок коэффициентов линеаризованной модели

2.9 Построение модели связи высокоэластического модуля резины с моментом сдвига вулканизата.

2.10 Анализ закономерности изменения коэффициента передачи по каналу температуры вулканизации.

2.11 Построение полной математической модели объекта управления.

2.12 Построение математических моделей формирующих фильтров для возмущающих воздействий.

2.13 Расширенная математическая модель полного объекта управления в пространстве состояний.

ГЛАВА IIIРЕЩЕНИЕ ЗАДАЧИ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ.

3.1 Постановка задачи обеспечения эффективности работы обратной связи

3.2 Постановка задачи разработки оптимальной системы управления.

3.3 Синтез линейного стохастического регулятора.

3.4 Уменьшение транспортного запаздывания объекта управления.

3.5 Динамическая развязка управляющих воздействий.

3.6 Построение регулятора для нового объекта управления.

3.7 Анализ выполнения предпосылок синтеза ЛКГ регулятора.

ГЛАВА IV РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМЫ ПРИ ИЗМЕНЕНИИ КОЭФФИЦИЕНТОВ ОБЪЕКТА УПРАВЛЕНИЯ.

4.1 Постановка задачи.

4.2 Н°°- оптимальный регулятор.

4.3 Методика решения задачи ЕГ0- оптимизации.

4.4 Синтез робастного регулятора методом весовых функций.

4.5 Анализ влияния нестабильности коэффициентов объекта управления

4.6 Оценка эффективности работы системы по разрывной прочности резины.

4.7 Реализация системы управления.

ВВЫВОДЫ.

Разработка эффективных систем управления производством резинотехнических изделий является актуальной задачей, т.к. существующая на производствах концепция обеспечения требуемого качества продукции путем повышения требований к стабильности характеристик исходных ингредиентов и стабилизации параметров технологического процесса является неэффективной, как по причине невозможности обеспечения производств ингредиентами со стабильными характеристиками, так и по причине нестабильности характеристик технологического процесса как объекта управления, что подтверждается большой нестабильностью характеристик производимых изделий.

В настоящее время решены многие задачи программного управления технологическим процессом производства резинотехнических изделий - подготовкой, взвешиванием, дозированием исходных ингредиентов и резиновой смеси, обеспечением временных циклов процессов смешения и вулканизации.

Задачи управления качественными показателями полупродуктов и готовой продукции решены на уровне стабилизации режимных параметров, управления характеристиками резиновой смеси по косвенным показателям, механическим характеристикам, управления уровнем вулканизации путем остановки процесса при достижении образцом резиновой смеси в реометре заданного уровня момента сдвига.

Но использование управляемых параметров, малочувствительных к возмущениям, несоответствие динамических характеристик систем спектральным составляющим возмущений, отсутствие учета взаимосвязи управляемых координат, не обеспечение грубости системы при изменениях характеристик объекта управления не позволяют получить требуемую эффективность управления. Использование разомкнутых систем управления процессом вулканизации не позволяет обеспечить отработку неконтролируемых возмущений стадии вулканизации, создает предпосылки к нестабильности характеристик резины, созданию в ней микродефектов по причине наличия неиспользованных в процессе вулканизации компонентов вулка-низационной группы при их избытке в резиновой смеси и возможности перевулканизации изделий при их недостатке.

Особенностью техпроцесса вулканизации как объекта управления является уменьшение коэффициентов передачи по управляющим воздействиям до нулевого значения при приближении высокоэластического модуля к заданному значению, что затрудняет создание систем управления процессом вулканизации по обратной связи.

Таким образом, имеется ряд нерешенных вопросов, что не позволяет считать задачу управления технологическим процессом производства резинотехнических изделий решенной. Все это говорит об актуальности темы диссертационной работы и позволяет сформулировать ее цель.

Целью работы является создание системы управления, обеспечивающей повышение стабильности разрывной прочности резины готовых изделий в условиях нестабильности характеристик исходных ингредиентов и параметров объекта управления.

Данная работа выполнена в рамках целевой программы развития научного потенциала высшей школы на 2009-2010 годы по проекту «Создание научных основ разработки эффективных систем управления химико-технологическими процессами с широкополосными статистическими неконтролируемыми возмущениями», регистрационный номер 2.1.2/7193.

Поставленная цель достигалась путем решения следующих задач:

1. Проанализировать технологический процесс как объект управления разрывной прочностью резины готовых изделий, выбрать комплекс параметров, стабилизация которых обеспечивает повышение стабильности разрывной прочности, разработать структурную схему системы управления, обеспечивающей решение поставленной задачи.

2. Построить математическую модель многомерного объекта управления, исследовать характеристики и построить формирующие фильтры возмущающих воздействий, построить расширенную математическую модель объекта управления в пространстве состояния.

3. Определить зависимость коэффициента передачи процесса вулканизации по температуре на высокоэластический модуль резины от степени приближения высокоэластического модуля к заданному значению.

4. Обеспечить выполнение условий эффективной работы обратной связи объекта управления для снижения дисперсии регулируемых переменных до требуемых значений.

5. Создать робастный многомерный регулятор, обеспечивающий эффективное управление при 'нестабильности параметров объекта управления и оценить эффективность управления в условиях уменьшения коэффициента передачи объекта управления при выходе высокоэластического модуля на заданное значение.

Диссертационная работа состоит из четырех глав и приложений.

В первой главе на примере серийного выпускаемой на ОАО «Балаковоре-зинотехника» муфты Джубо для автомобилей ВАЗ рассмотрен технологический процесс производства резинотехнических изделий, проведен статистический анализ качественных показателей резинотехнических изделий, показавший большую дисперсию усилия разрыва производимых изделий. При требованиях технических условий к разрывному усилию Р>4кН имеются образцы на уровне Р>2кН и образцы с Р>8кН. Т.е., имеются возмущающие факторы, действие которых при наличии потенциальной возможности выпускать изделия с требуемыми характеристиками приводит к падению разрывного усилия и появлению брака. Падение первой ординаты оценки корреляционной функции временного ряда разрывного усилия падает с 1 до 0,3 говорит о наличии большого уровня высокочастотных возмущающих воздействий. Анализ оценки спектральной плотности показывает широкополосность возмущающих воздействий, в которых имеются составляющие с периодами от 200 до 6 партий. Обзор систем управления процессом приготовления резиновых смесей и вулканизации готовых изделий показал наличие систем, обеспечивающих программное управление взвешиванием и дозированием исходных ингредиентов и резиновой смеси, реализацию требуемых временных параметров процессов, наличие систем управления качественными показателями резиновой смеси и готовых изделий. В то же время выявлены недостатки систем управления качественными показателями резиновой смеси и готовых изделий, в результате чего не обеспечивается требуемая точность управления данными переменными, создаются предпосылки к появлению дефектов структуры резины готовых изделий и снижению разрывной прочности. Поставлена задача разработки оптимальной системы, обеспечивающей повышение стабильности разрывной прочности выпускаемых изделий и уменьшение предпосылок к перевулканизации и дефектности резины в готовых изделиях в условиях нестабильности характеристик исходных ингредиентов и изменения коэффициентов передачи объекта управления по управляющим воздействиям.

Во второй главе задача повышения стабильности разрывной прочности готовых изделий сведена к задаче стабилизации высокоэластического модуля резины готовых изделий и вулканизационных характеристик резиновой смеси. Стабилизация высокоэластического модуля на уровне, соответствующему максимальному значению разрывной прочности резины, обеспечивает нахождение разрывной прочности в области ее максимальных значений, а стабилизация максимального достижимого момента сдвига получаемого из резиновой смеси вулкани-зата и коэффициента скорости вулканизации резиновой смеси обеспечивает стабилизацию экстремальной зависимости по времени вулканизации и максимальному достижимому моменту сдвига, а также уменьшение дефектности резины и повышение прочности готовых изделий. Разработана структурная схема системы управления, обеспечивающей решение поставленной задачи. Построена математическая модель объекта управления. Для процесса вулканизации выявлена зависимость изменения коэффициента передачи по температуре вулканизации на высокоэластический модуль резины по мере приближения его к заданному значению. Исследованы статистические характеристики и построены формирующие фильтры возмущающих воздействий, построена расширенная математическая модель объекта управления в пространстве состояний.

Третья глава посвящена решению задачи обеспечения выполнения условий эффективной работы обратной связи и снижения дисперсии регулируемых переменных до требуемого уровня. Произведен синтез многомерного линейного квадратичного регулятора. Анализ эффективности регулятора для исходного объ9 екта управления показал недостаточную точность управления максимальным достижимым моментом вулканизата, коэффициентом скорости вулканизации резиновой смеси и высокоэластическим модулем резины готовых изделий по причине широкополостности возмущающих воздействий и наличия возмущающих воздействий в областях неэффективной работы обратной связи системы. Использование динамического компенсатора для развязки каналов управления максимальным моментом сдвига и коэффициентом скорости вулканизации, уменьшение транспортного запаздывания объекта управления за счет применения метода динамического механического анализа для оценки высокоэластического модуля резины позволили уменьшить долю возмущающих воздействий в зоне неэффективной работы, расширить частотный диапазон эффективной работы обратной связи и снизить дисперсию управляемых параметров до требуемого значения.

В четвертой главе решена задача обеспечения устойчивости и эффективности работы системы при имеющейся на технологическом процессе нестабильности параметров объекта управления стадии приготовления резиновой смеси и изменении коэффициента передачи по температуре вулканизации. Для этого рассмотрены постановка задачи синтеза Я" робастного регулятора, построена математическая модель объекта управления в Нт представлении, методика синтеза Нх регулятора методом весовых функций, произведен синтез многомерного//00 регулятора для значений у = 1.16е-001 с точностью б = 0.01. Компьютерным моделированием произведена оценка эффективности построенной робастной системы при имеющихся на технологическом процессе изменениях коэффициентов по управляющим воздействиям, которое показало несущественное влияние на эффективность системы изменения коэффициентов объекта первой стадии. Существенное падение эффективности управления при изменении коэффициента передачи по температуре происходит при значениях ошибки управления высокоэластическим модулем, допустимых технологическим процессом.

Результаты численного моделирования работы разработанной системы управления при различных значениях коэффициентов передачи объекта управления и анализ полученных результатов дают основания утверждать, что постав

10 ленная цель диссертационной работы выполнена. Разработан способ и многомерная робастная система управления, позволяющие снизить дисперсии максимального достижимого момента сдвига в 3,62 раза, коэффициента скорости вулканизации в 3.16 раза, высокоэластического модуля резины в 3,71 раза и коридор колебания разрывной прочности резины готовых изделий примерно в два раза,.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Постановка задачи управления разрывной прочностью резинотехнических изделий путем стабилизации высокоэластического модуля резины в готовых изделиях и вулканизационных характеристик резиновой смеси, обеспечивающая нахождение разрывной прочности резины готовых изделий в области максимальных значений, уменьшение предпосылок к получению дефектности резины, перевулканизации изделий при недостаточном количестве вулканизирующих элементов в резиновой смеси. I

2. Математическая модель объекта управления по управляющим воздействиям, расширенная модель объекта управления вулканизационными характеристиками резиновой смеси и высокоэластическим модулем резины в готовых изделиях.

3. Зависимость коэффициента передачи объекта управления высокоэластическим модулем резины по управляющему воздействию от степени приближения высокоэластического модуля к заданному значению, позволяющая исследовать работоспособность системы управления в условиях нестабильности параметров объекта управления.

4. Способ снижения дисперсии регулируемых параметров путем расширения области эффективной работы и устранения части возмущений из зоны неэффективной работы обратной связи системы за счет развязки управляющих воздействий по дозировкам серы и сульфенамида на вулканизационные характеристики резиновой смеси и уменьшения транспортного запаздывания объекта управления.

5. Система робастного управления, обеспечивающая в условиях нестабильности характеристик объекта управления и снижения коэффициента передачи по температуре вулканизации на высокоэластический модуль снижение дисперсии максимального достижимого момента сдвига в 3.62 раза, коэффициента скорости вулканизации резиновой смеси в 3.16 раз, высокоэластического модуля в 3.71 раза и снижение коридора колебания разрывной прочности резины примерно в 2 раза.

Результаты работы докладывались на: 17 симпозиуме «Проблемы шин и резинокордных композитов» (Москва, ООО «НТЦ «НИИШП», 2006); 19 симпозиуме «Проблемы шин и резинокордных композитов» (Москва, ООО «НТЦ «НИИШП», 2008), 20 симпозиуме «Проблемы шин и резинокордных композитов» (Москва, ООО «НТЦ «НИИШП», 2009); Всероссийской научно-технической конференции «Совершенствование техники, технологии и управления в машиностроении» (Саратов, СТТУ-2009). За доклады по направлению «Задачи управления характеристиками резинотехнических изделий» на 17 симпозиуме «Проблемы шин и резинокордных композитов» авторам присужден диплом третьей степени.

По материалам диссертации опубликованы: 1 статья в сборнике научных трудов «Автоматизация и управление в машино- и приборостроении» (г. Саратов, СГТУ), 5 докладов на конференциях, симпозиумах, 3 статьи в рекомендованном ВАК РФ «Вестнике СГТУ».

Результаты, полученные в диссертационной работе, приняты к использованию на ЗАО «Резинотехника» г. Балаково и внедрены в учебный процесс Балаков-ского института техники, технологии и управления при чтении лекций, выполнении лабораторный и практических работ, дипломных проектов, проведении семинаров с аспирантами. Готовиться к изданшо учебное пособие для студентов и аспирантов по синтезу линейно квадратичных и робастных регуляторов. Прогнозируемый годовой экономический эффект при внедрении результатов работы составляет 700 тыс, руб.

ввыводы

1. Обоснована необходимость стабилизации высокоэластического модуля резины на уровне, соответствующем максимальному значению разрывной прочности резины, и стабилизации максимального достижимого момента сдвига и коэффициента скорости вулканизации резиновой смеси для стабилизации положения экстремума высокоэластического модуля на вулканизационной характеристике в координатах момент сдвига и время вулканизации.

2. Обоснован выбор структурной схемы многомерной системы управления, обеспечивающей повышение стабильности разрывной прочности резины готовых изделий.

3. Построена линеаризованная математическая модель многомерного объекта управления высокоэластическим модулем резины готовых изделий и вулка-низационными характеристиками резиновой смеси, на основании которой произведен синтез системы управления разрывной прочностью резины по косвенным показателям.

4. Определена закономерность изменения чувствительности высокоэластического модуля к температуре вулканизации при приближении высокоэластического модуля к равновесному состоянию, что позволило исследовать эффективность системы управления при уменьшении коэффициента" передачи по управляющему воздействию.

5. Путем развязки управляющих воздействий на стадии приготовления резиновой смеси и уменьшения транспортного запаздывания на стадии вулканизации уменьшено неконтролируемой возмущение в области неэффективной работы обратной связи и расширена область ее эффективной работы, что позволило повысить эффективность системы по максимальному модулю сдвига, коэффициенту скорости вулканизации, высокоэластическому модулю, соответственно, с 1.47 до 2.69, с 1.52 до 2.98, с 1.39 до 2.43.

6. Путем синтеза многомерного робастного регулятора решена задача обеспечения эффективной работы системы управления при нестабильности параметров объекта управления, в том числе при уменьшении коэффициента передачи по температуре вулканизации на высокоэластический модуль резины при приближении высокоэластического модуля к заданному значению.

7. Методом компьютерного моделирования подтверждена эффективность разработанного робастного регулятора: при действии возмущающих воздействий, характерных для технологического процесса; дисперсия высокоэластического модуля резины снизилась в 3.71 раза, максимального достижимого момента сдвига в 3.62 раза, коэффициента скорости вулканизации в 3.16 раза. При этом коридор колебаний разрывной прочности снижается в два раза.

8. Разработано программное обеспечение, позволяющее производить построение математических моделей в пространстве состояний, синтез многомерных ЛКГ- и робастных регуляторов.

1. Бекин Н.Г. Оборудование заводов резиновой промышленности / Н.Г. Бе-кин, Н.Г. Шанин — Л.: Химия, 1969. — 376с.

2. Рябинин Д.Д. Смесительные машины для пластмасс и резиновых смесей / Д.Д. Рябинин, Ю.Е. Лукач -М.: Машиностроение, 1972. 272с.

3. Клочков В.И. Прессовщик-вулканизаторщик широкого профиля / В.И.Клочков, В.Н.Красовский Л.: Химия, 1990. -240с.

4. Богданов В.В. Смешение полимеров / В.В. Богданов, Р.В. Торнер, В.Н. Кра-совский, Э.О. Регер М.: Химия, 1979. - 193с.

5. Бирюков В.П. Постановка задачи управления характеристиками резинотехнических изделий / В.П. Бирюков, Г.М. Садчикова // Доклады 17 симпозиума «Проблемы шин и резино-кордных композитов» М.: ООО «НТЦ «НИИШП»,2006.-Том 1.-С. 61-69.

6. Сочнев А.Н. Автоматизированная система управления вулканизационными характеристиками резиновой смеси в производстве резинотехнических изделий: Дис. . канд. техн. наук. / Сочнев Александр Николаевич — Саратов, 2008. — 141с.

7. Сочнев А.Н. Актуальность задачи управления характеристиками резинотехнических изделий / А.Н. Сочнев, Г.М. Садчикова, В.П. Бирюков // Автоматизация и управление в машино и приборостроении: сб. науч. тр. — Саратов: СГТУ,2007.-С. 199-205.

8. Бартенев Г.М. Прочность и разрушение высокоэластических материалов / Г.М. Бартенев, Ю.С. Зуев М.: Химия, 1964. - 388с.

9. Карташов Э.М. Структурно-статистическая кинетика разрушения полимеров / Э.М. Карташов, Б. Цой, В.В. Шевелев — М.: Химия, 2002. — 736с.

10. Аскадский A.A. Деформация полимеров. М.: Химия, 1973. - 448с.

11. Гуль В.Е. Структура и свойства полимеров. М.: Химия, 1978. - 328с.

12. Тагер A.A. Физико-химия полимеров. М.: Химия, 1968. - 536с.

13. Нильсен Л. Механические свойства полимеров и полимерных композиций. М.: Химия, 1978. - 312с.

14. Нарисава И. Прочность полимерных материалов. — М.: Химия, 1987. — 400с.

15. Андрашников Б.И. Справочник по автоматизации и механизации производства шин и РТИ. — М.: Химия, 1981.- 296с.

16. Андрашников Б.И. Интенсификация процессов приготовления и переработки резиновых смесей. М.: Химия, 1986. - 224с.

17. Камакин А.Н. Адаптивное управление процессом приготовления резиновых смесей на примере шинного производства. Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн. наук. — Ярославль, ЯрГТУ — 2001.

18. Попов Н.С. Статистическое исследование, идентификация и управление процессом изготовления резиновых смесей. Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн. наук. М., МИХМ - 1974.

19. Лукомская А.И. Расчеты и прогнозирование режимов вулканизации резиновых изделий / А.И. Лукомская, П.Ф. Баденков, Л.М. Кеперша М:, Химия, 1978. - 280с.

20. Лукомская А.И. Автоматическое управление технологическими процессами в резиновой промышленности / А.И. Лукомская, В.Г. Пороцкий М: Химия, 1984. -160с.

21. Кереселидзе Д. Некоторые вопросы автоматизации процесса вулканизации шин с применением средств вычислительной техники. Автореферат на соискание ученой степени канд. техн. наук. — Тбилиси, — 1965.

22. Лукомская А.И. Тепловые основы вулканизации резиновых изделий / А.И. Лукомская, П.Ф. Баденков, Л.М. Каперша-М.: Химия, 1972. 359с.

23. The Rubber injection systems Electronic resource. Electronic data. -Chicago, cop. 2009. - Mode acess: http://www.maplan.at.

24. Сочнев А.Н. Анализ параметров состояния резиновой смеси для управления технологическим процессом его получения / А.Н. Сочнев, Г.М. Садчикова,

25. В.П. Бирюков «Автоматизация и управление в Машино- и приборостроении» -Саратов: СГТУ, 2007. С. 206-209.

26. Климов А.П. Система управления характеристиками резиновой смеси / А.Н.Сочнев, А.П. Климов, Г.М. Садчикова, Е.С. Ефремов, В.П. Бирюков // Доклады 17 симпозиума «Проблемы шин и резинокордных композитов» том 2 — М.: ООО «НТЦ «НИИШП», 2006. С. 192-199.

27. Бирюков В. П. Расширенная задача управления технологическим процессом: Вестник Саратовского государственного технического университета № 3 Саратов: СГТУ, 2005. - С. 116-126.

28. Бирюков В.П. Некоторые принципы построения систем управления технологическими процессами с высоким уровнем неконтролируемых возмущений. Автореферат дисс. канд. техн. наук. Л., ЛТИ. — 1991.

29. Волгин В.В., Каримов Р.Н. Некоторые свойства амплитудно-частотных характеристик линейных систем автоматического регулирования и качество регулирования при случайных воздействиях // Известия вузов. Электромеханика. 1973.-№2.-С. 195-205.

30. Волгин В.В., Каримов Р.Н., Карецкий A.C. Учет реальных возмущающих воздействий и выбор критерия качества при сравнительной оценке качества регулирования тепловых процессов. // Теплотехника. 1970. №3. - С. 25-30.

31. Бартенев Г.М., Зеленев Ю.В. Курс физики полимеров. Л.: Химия, 1976. - 288с.

32. Тобольский A.A. Свойства и структура полимеров. М.: Химия, 1964. - 324с.

33. Аскадский A.A. Лекции по физико-химии полимеров. -М.: МГУ, 2001, 224с.

34. Аскадский A.A. Компьютерное материаловедение полимеров / A.A. Аскадский, В.И. Кондращенко — М.: Научный мир, 1999. -544с.

35. Догадкин Б.А. Химия эластомеров / Б.А. Догадкин, A.A. Донцов, В.А. Шершнев // 2-ое изд., перераб. и доп. М.: Химия, 1981. - 376с.

36. Аллигер Г., Сьетуна И. Вулканизация эластомеров, перевод Донцов A.A. -М.: Химия, 1967. -428с.

37. Бесекерский В.А. Теория систем автоматического регулирования. — М.: Наука, 1972. 768с.

38. Александров А.Г. Оптимальные и адаптивные системы. — М.: Высшаяшкола. 1989.-263с.

39. Куропаткин П.В. Оптимальные и адаптивные системы. М.: Высшая школа. 1980.-287с.

40. Певзнер Л.Д. Теория систем управления. / Л.Д. Певзнер М.; Издательство Московского государственного горного университета, 2002. —472с.

41. Певзнер, Л.Д. Практикум по теории автоматического управления: Учеб. пособие / Л.Д. Певзнер. М.: Высшая школа, 2006. - 590с.

42. Бартенев Г.М. Структура и релаксационные свойства эластомеров. М.: Химия, 1979.-288с.

43. Бартенева Г.М. Релаксационные явления в полимерах / Под. ред. Бартенева Г.М. и Зеленева Ю.В. Л.: Химия, 1972. - 374с.

44. Бартенев Г.М. Релаксационные свойства полимеров / Г.М. Бартенев, А.Г. Бартенева М.: Химия, 1992. - 384с.

45. Марихин В.А. Надмолекулярная структура полимеров. / В.А. Марихин, Л.П. Мясникова Л.: Химия, 1977. - 240с.

46. Сочнев А.Н. Анализ релаксационных характеристик резины /

47. A.Н.Сочнев, А.П. Климов, С.Я. Пичхидзе, Г.М. Садчикова, В.П. Бирюков // Доклады 17 симпозиума «Проблемы шин и резинокордных композитов» том 2 М.: ООО «НТЦ «НИИШП», 2006. - С. 187-184.

48. Климов А.П. Математическая модель объекта управления высокоэластическим модулем резинотехнических изделий / А.П. Климов, Г.М. Садчикова,

49. B.П. Бирюков // Вестник Саратовского государственного технического университета Саратов: СГТУ, 2009. - №3, Выпуск 2 - С. 220-223.

50. Сочнев А.Н. Система управления процессом вулканизации / А.Н.Сочнев, А.П. Климов, Г.М. Садчикова, В.П. Бирюков // Доклады 17 симпозиума «Проблемы шин и ре-зинокордных композитов»-М.: ООО «КЩ «НИИШП», 2006. Том 2 - С. 185-191.

51. Сочнев А.Н. Математическая модель кинетики вулканизации I. Доклады международного симпозиума «Композиты XXI века» / Е.В. Свиридова, Г.М. Садчикова, С .Я. Пичхидзе, В.П. Бирюков //-Саратов: СГТУ, 2005. — С. 418-422.

52. Сочнев А.Н. Математическая модель кинетики вулканизации II. Доклады международного симпозиума «Композиты XXI века» / Е.В. Свиридова, Г.М. Садчикова, С.Я. Пичхидзе, В.П. Бирюков // Саратов: СГТУ, 2005. - С. 422-426.

53. Резниковский М.М. Механические испытания каучука и резины / М.М. Резниковский, А.И. Лукомская М:, Химия, 1968. — 500с.

54. ГОСТ 12535-84. Смеси резиновые. Метод определения вулканизационных характеристик на вулкаметре. Введ. 1984. — М.: Изд-во стандартов, 1984. - 15с.

55. Денисов Е.Т. Кинетика гомогенных химических реакций. — JL: Химия, 1990.-288с.

56. Гмурман В.Е. Руководство к решению задач по теории вероятностей и математической статистики. -М.: Высшая школа, 1975. 33с.

57. Вуколов Э.А. Основы статистического анализа. Практикум по статистическим методам и исследованию операций с использованием пакетов Statistika и Excel. M.: Форум, 2004. - 464с.

58. Ахназарова C.JI. Оптимизация эксперимента в химии и химической технологии / C.JI. Ахназарова, В.В. Кафаров М.: Высшая школа, 1978. - 319с.

59. Алексахин C.B. Прикладной статистический анализ / C.B. Алексахин, A.B. Балдин и др. -М.: Приор, 2001. -224с.

60. Бокс Д. Анализ временных рядов. Прогноз и управление. Выпуск 1 / Д. Бокс, Д. Ватте -М.: Мир, 1974. 406с.

61. Бокс Д. Анализ временных рядов. Прогноз и управление. Выпуск 2 / Д. Бокс, Д. Barre M.: Мир, 1974. - 198с.

62. Бендат Д. Применения корреляционного и спектрального анализа / Д. Бендат, А. Пирсол М.: Мир, 1983. - 312с.

63. Дженкинс Г. Спектральный анализ и его приложения. Выпуск 1 /

64. Г. Дженкинс, Д. Ваггс М.: Мир, 1971. - 318с.

65. Дженкинс Г. Спектральный анализ и его приложения. Выпуск 2 / Г. Дженкинс, Д. Ватгс М.: Мир, 1972. - 288с.

66. Отнес Р. Прикладной анализ временных рядов / Р. Отнес, JI. Эноксон — М.: Мир, 1982.-428с.

67. Гмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика М.: Высшая школа, 1977. - 479с.

68. Попов A.A. Excel практическое руководство. М.: Десс Ком, 2000. — 302с.

69. Ларсен Р.У. Инженерные расчеты в Excel. / Р.У. Ларсен—М.: Вильяме, 2002. 554 с.

70. Горелова Г.В. Теория вероятностей и математическая статистика в примерах и задачах с применением Excel / Г.В. Горелова, И.А. Кацко — Ростов-на-Дону: Феникс, 2005. 480с.

71. Боровиков В.П. Прогнозирование в системе STATIST1CA в среде Windows: Основы теории и интенсивная практика на компьютере: Учеб. пособие / В.П. Боровиков, Г.И. Ивченко М.: Финансы и статистика, 2006. - 368с.

72. Солодовников В.В. Статистическая динамика линейных систем автоматического управления / В.В. Солодовников — М.: ГИФМЛ, 1960. — 656с.

73. Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. М.: Наука, - 1976. — 280с.

74. Тихомиров В.Б. Планирование и анализ эксперимента. М.: Легкая индустрия. - 1974. - 262 с.

75. Дрейпер Н. Прикладной регрессионный анализ. Книга 1 / Н. Дрейпер, Г. Смит .М.: Финансы и статистика, - 1986. - 366с.

76. Дрейпер Н. Прикладной регрессионный анализ. Книга 1 / Н. Дрейпер, Г. Смит — .М.: Финансы и статистика, — 1987. — 352с.

77. Дрейпер Н. Прикладной регрессионный анализ. / Н. Дрейпер, Г. Смит М.:1. Диалектика, 2007. 912с.

78. Дудников Е.Г. Построение математических моделей химико-технологических объектов / Е.Г. Дудников, B.C. Балакирев, В.Н. Кривсунов, A.M. Цирлин JL: Химия, 1970. - 312с.

79. Балакирев B.C. Экспериментальное определение динамических характеристик промышленных объектов управления / B.C. Балакирев и др. — М.: Энергия, 1967.—460с.

80. Ордынцев В. М. Математическое описание объектов автоматизации -М.: Машиностроение, 1965. 360с.

81. Генкин Л.И. Определение динамических характеристик процессов в деревообрабатывающей промышленности — М.: Лесная промышленность, 1973. — 120с.

82. Эйкхофф П. Основы идентификации систем управления—М.: Мир 1975. 686с.

83. Растригин Л.А. Введение в идентификацию объектов управления / Л.А. Растригин, Н.Е. Маджаров М.: Энергия, 1977. - 216с.

84. Райбман Н.С. Построение моделей процессов производства / Н.С. Рай-бман, В.М. Чадеев -М.: Энергия, 1975. 376с.

85. Гроп Д. Методы идентификации систем М.: Мир, 1979. - 304с.

86. Дейч A.M. Методы идентификации динамических объектов — М.: Энергия, 1979.-240с.

87. Еремин E.H. Основы химической кинетики / E.H. Еремин М.: Высшая школа, 1976,-375с.

88. Эммануэль Н.М. Курс химической кинетики / Н.М. Эммануэль, Д.Г. Кнорре М.: Высшая школа, 1984. - 463с.

89. Химмельблау Д. Анализ процессов статистическими методами — М.: Мир, 1973.-960с.

90. Пугачев B.C. Основы автоматического управления М.: Наука, 1974, - 720с.

91. Стрейц В. Метод пространства состояний в теории дискретных линейных систем управления. / В. Стрейц; Перевод с англ. -М.: Наука, 1985. 294с.

92. Изерман Р. Цифровые системы управления M.: Мир, 1984. - 541с.

93. Филипс Ч. Системы управления с обратной связью / Ч. Филипс, Р. Хар-бор — М.: Лаборатория базовых знаний, 2001. 616с.

94. Мита Ц. Введение в цифровое управление: Пер. с японского / Ц. Мита, С. Хаара — М: Мир, 1994. 256с.

95. Дорф Р. Современные системы управления / Р. Дорф, Р. Бипош М.: Юнимедиастайл, 2002, — 932с.

96. Венгеров A.A. Прикладные вопросы оптимальной линейной фильтрации / A.A. Венгеров, A.A. Щаренский М.: Энергоиздат, 1982. - 192с.

97. Цыпкин ЯЗ. Основы теории автоматических систем М.: Наука, 1977. - 560с.

98. Пугачев B.C. Теория случайных функций и ее применение к задачам автоматического управления М.: Физматгиз, 1963, - 620с.

99. Бакалов В.П. Цифровое моделирование случайных процессов / В.П. Ба-калов М.: Сайнс-пресс, 2002. - 90с.

100. Шалыгин A.C. Прикладные методы статистического моделирования / A.C. Шалыгин, Ю.И. Палагин -М.: Машиностроение, 1986. 312с.

101. Санковский Е. А. Вопросы теории автоматических систем. М.: Наука, 1977.-560с.

102. Мурин C.B. Построение формирующего фильтра для генерации случайного сигнала / C.B. Мурин, В.П. Бирюков // Проблемы прочности, надежности и эффективности. Сборник научных трудов Саратов: СГТУ, 2007. - С. 222-225.

103. Дьяконов В. Matlab Анализ, идентификация и моделирование систем. Специальный справочник / В. Дьяконов, В. Круглов М.: Питер, 2002. - 448с.

104. Дэбни Д. Simulink 4. Секреты мастерства / Д. Дэбни, Т. Харман М.: Бином, 2003.-403с.

105. Дьяконов В. Simulink 4. Специальный справочник / В. Дьяконов М.: Питер, 2002. - 528с.

106. Черных И.В. Simulink. Среда создания инженерных приложений / И.В. Черных. М.: ДиалогМифи, 2004. - 496с.

107. Дьяконов В. Matlab 6/6.1/6.5 Simulink 4/5 в математике и моделировании / В. Дьяконов М.: Салон-пресс, 2003. - 576с.

108. Острем К. Введение в стохастическую теорию управления / К. Острем; Пер. с англ. М.: Мир, 1973 - 324с.

109. Рей У. Методы управления технологическими процессами. Пер. с англ. — М.: Мир, 1983.-368с.

110. Методы классической и современной теории автоматического управления: т.4. Синтез регуляторов систем автоматического управления / Под ред. К.А. Пупкова и Н. Д. Егупова-М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004. 616 с.

111. Методы классической и современной теории автоматического управления: т.2. Математические модели, динамические характеристики и анализ систем автоматического управления / Под ред. К.А. Пупкова, Н.Д. Егупова М.: МГТУ им. Баумана, 2004. - 656с.

112. Квакернак X. Линейные оптимальные системы управления / X. Квакернак, Р. Сиван М.: Мир. 1977. - 654с.

113. Методы классической и современной теории автоматического управления: т.З. Теория оптимизации систем автоматического управления / Под ред. К.А. Пупкова, Н.Д Егупова-М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004. 744с.

114. Гудвин Г. К. Проектирование систем управления / Г.К. Гудвин, С.Ф. Гребе, М.Э. Сальгадо М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2004. - 911с., ил.

115. Андреев Ю.Н. Управление конечномерными линейными объектами -М.: Науки, 1976.-424с.

116. Куо Б. Теория и проектирование цифровых систем управления. М.: Машиностроение, 1986.-448с.

117. Медведев B.C. Control System Toolbox. MATLAB 5 для студентов / Под общ. ред. к.т.н. В. Г. Потемкина. М: ДИАЛОГ-МИФИ, 1999. - 287с.

118. Потемкин В.Г. Matlab 5 для студентов. / В.Г. Потемкин М.: Диалог-Мифи, 1998.-314с.

119. Потемкин В.Г. Matlab справочное пособие М.: ДиалогМифи, 1998. - 314с.

120. Устройство для измерения комплексного модуля упругости и коэффициента потерь полимерных вибропоглощающих материалов (УИМ). Формляр. ФГУП «ЦНИИ» им. Акад. А.Н. Крылова. СПб, 2008. Юс.

121. Устройство для измерения комплексного модуля упругости и коэффициента потерь полимерных вибропоглощающих материалов(УИМ). Методика использования прибора УИМ. ФГУП «ЦНИИ» им. Акад. А.Н. Крылова. СПб, 2008. 42с.

122. Измерение комплексных модулей упругости и коэффициентов потерь полимерных вибропоглощающих материалов в широком диапазоне частот/ В.И Попков., В.В. Безъязычный / Техническая акустика.-1999.T.V. выпуск 1-2.- С. 42-47.

123. Калюжный A.A. Определение характеристик вибродемпфирующих материалов / A.A. Калюжный, В.П. Бирюков // Проблемы прочности и надёжности строительных и машиностроительных конструкций. Сборник научных трудов -Саратов: СГТУ 2005.- С. 213-221.

124. Калюжный A.A. Автоматизированная система исследования упруго-диссипативных характеристик методом динамического механического анализа // Автоматизация и управление в машино- и приборостроении. Сборник научных трудов Саратов: СГТУ, 2007.- С. 89-94.

125. ГОСТ Р ИСО 6502. Измерение упруговязких характеристик эластомеров методом динамического механического анализа Введ. 1999. - М.: Изд-во стандартов, 1999,-24с.

126. Поляк Б. Т. Робастная устойчивости и управление / Б.Т. Поляк, П.С. Щербаков М.: Наука, 2002. - 303с.

127. Методы робастного, нейро-нечеткого и адаптивного управления / Под ред. Н. Д. Егупова. М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2002. - 744с.

128. Перемульер В.М. Пакеты расширения Matlab. Control System Toolbox и Robust Control Toolbox / В.М. Перемульер M.: САЛОН-ПРЕСС, 2008. - 224c.

129. Листинг m-файла DevMMz.m «Построение математической модели»1. Script

130. Построение математической модели.1. Процесс производства РТИ.clear allclose allpackclc-------------------------------------------------------------

131. Математическая модель 1ой стадии % Модель сера момент сдвига (М, дНм) kl 1=0.075;1. Al=0;Bl=kll;Cl=l;Dl=0;1. Pl=ss(Al,Bl,Cl,Dl,l);1. Wl=tf(Pl);

132. Модель сера показатель скорости вулканизации (Тв, мин) к12=-0.0018;

133. А2=0; B2=kl2; C2=l; D2=0; P2=ss(A2,B2,C2,D2,1); W2=tf(P2);

134. Модель сульфенамид момент сдвига (М, дНм) к21=0.035;

135. А3=0; В3=к21; C3=l; D3=0; P3=ss(A3 ,ВЗ ,СЗ ,D3,1); W3=tf(P3);

136. Модель сульфенамид показатель скорости вулканизации (Тв, мин) к22=0.0057;1. А4=0; В4-к22; C4=l; D4=0;1. P4=ss(A4,B4,C4,D4,l);1. W4=tf(P4);

137. Матричное представление модели 1ой стадии W0=tf(kl 1) tf(k21);tf(kl2) tf(k22).; P0=ss(W0); P0=c2d(P0,1 ,'zoh'); [A0,B0,C0,D0]=ssdata(P0);

138. Модель возмущения ОУ 1ой стадии на М

139. Wfl=tf(6.524 7.054 0.3352.,[39.61 3.384 0.1664], 'inputname', Ъ1')/.8;set(Wfl, 'outputn', {'fl'});1. Ffl=c2d(Wfl,l,'zoh');1. Pfl=ss(Ffl);

140. Afl ,Bfl ,Cfl ,Dfl .=ssdata(Pfl );продолжение

141. Модель возмущения ОУ 1ой стадии на Тв0.5069 -0.6757 0.05647 -0.01854.,11.48 1.213 0.3293 0.02145], 'трЩп7Ь2')/2;зе^ХШ, 'о^риШ', {'О'});1. ЕО^сКХШЛ'гоЬ');1. Р£2=8з(Р£2);

142. А12,В!2,С0,012.=88ёа1а(Р12);

143. Модель возмущения ОУ 2ой стадии на Е

144. Ш=^(5.549 2.915 -0.1965.,[4.659 0.5214 0.004716], 'триШ'/Ьг')/!;ве^В, 'оШриШ', {'В'});1. РВ=с2с1(\УВ,1,'гоК');1. РВ=88(РВ);

145. АВ,ВВ,СВ,БВ.=88сЫа(РВ); %-------------------------------------------------------------

146. Математическая модель 2ой стадии по моменту сдвига М, дНм к5=0.14;1. А5=0; В5=к5;С5=1;05=0;1. Р5=88(А5,В5,С5Д)5,1);1. W5=tf(P5);-------------------------------------------------------------

147. Полная математическая модель процесса производства РТИ % структура полной модели формируется в Б^иНпк (Буэг! .тсИ) % извлечение параметров полной модели из БтиНпк А,В,С,0.=ёНшпос1С8у821');

148. Поланя модель процесса производства РТИ Р=88(А,В,СА1);ве^Р, 'трЩп', {'1п-ОГ '1п-02' '1п-Т' '1п-П' Tn-f2' Чп-О'}); Бе^Р, 'оЩригп', {'ОЩ-М' 'ОШ-Тв' 'Оиг-Е'}); А,В,С,В.=88(Ыа(Р);

149. Листинг тсИ-файла БузгЬтсН «Построение математической модели»1. Перечень рисунков

150. Рисунок 1 — Схема технологического процесса изготовления муфты Джубо.13

151. Рисунок 2 Этапы первой стадии процесса смешения.14

152. Рисунок 3 — Функция распределения разрывного усилия.18

153. Рисунок 4 — Оценка автокорреляционной функции временного рядаразрывной прочности муфты Джубо.19

154. Рисунок 5 — Оценка спектральной плотности временного рядаразрывной прочности муфты Джубо.19

155. Рисунок 6 — Типовая схема приготовления резиновых смесей: 1) процесс смешения; 2) система подготовки ингредиентов; 3), 4) датчики режимных параметров; 5) устройство управления; 6) исходные компоненты;7. задатчик состава резиновой смеси.21

156. Рисунок 7 Структурная схема адаптивной системы управления:1. технологический процесс смешения; 2) математическая модель процесса смешения; 3) устройство адаптации; 4) устройство оптимальногоуправления; 5) критерий оптимального управления.24

157. Рисунок 8 Структурная схема оптимальной системы управлениявулканизационными характеристиками резиновой смеси.25

158. Рисунок 9 Обобщенная структурная схема системы управления.27

159. Рисунок 10 Влияние изменения коэффициента скорости вулканизациина кинетику вулканизации.27

160. Рисунок 11 Влияние изменения максимального момента сдвигана кинетику вулканизации.28

161. Рисунок 13 — Типовые кривые кинетики вулканизации.32

162. Рисунок 14 Схема технологического процесса.37

163. Рисунок 15 — Зависимость разрывной прочностиот продолжительности вулканизации.42

164. Рисунок 16 — Зависимость высокоэластического модуля резиныот продолжительности вулканизации.:.42

165. Рисунок 17 — Зависимость разрывной прочности отвысокоэластического модуля резины.43

166. Рисунок 18 — Выборка экспериментальных кинетических кривых.44

167. Рисунок 19 Структурная схема системы управления.47

168. Рисунок 20 — Кинетика вулканизации в системе \/ТЖ2000.49

169. Рисунок 21 График зависимости напряжения от деформации.50

170. Рисунок 22 Диаграмма растяжения образцов резины.53

171. Рисунок 23 — Экспериментальные функции распределенияпараметров резины.54

172. Рисунок 24 Экспериментальный временной ряд модуля сдвига М.55

173. Рисунок 25 Экспериментальный временной рядкоэффициента скорости вулканизации кт.55

174. Рисунок 26 Экспериментальный временной рядвысокоэластического модуля Е.56

175. Рисунок 27 — Оценка спектральной плотности максимальногодостижимого момента сдвигаМ.56

176. Рисунок 28 Оценка спектральной плотностикоэффициента скорости вулканизации кт.57

177. Рисунок 29 — Оценка спектральной плотностивысокоэластического модуля Е.57

178. Рисунок 30 — Структурная схема объекта исследования.59

179. Рисунок 31 — Графический анализ модели момента сдвига.60

180. Рисунок 32 Графический анализ модели коэффициентаскорости вулканизации.61

181. Рисунок 33 — Структурная схема модели процесса смешения.62

182. Рисунок 34 Структурная схема модели процесса вулканизации.62

183. Рисунок 35 Структурная схема линеаризованной моделистадии вулканизации.63

184. Рисунок 36 Экспериментальные (график 1) и расчетные по автокаталитической модели (график 2) кривые кинетики вулканизациибез учета деструкции.65

185. Рисунок 37 — Экспериментальные кривые испытания образцоврезиновой смеси на растяжение.67

186. Рисунок 38 -Зависимость высокоэластического модуля от моментасдвига вулканизата.68

187. Рисунок 39 Линеаризованная зависимость высокоэластического модуляот момента сдвига вулканизата.69

188. Рисунок 40 Структурная схема полной математической моделипроцесса производства резинотехнических изделий.71

189. Рисунок 41 Аналоговый формирующий фильтр.74

190. Рисунок 42 Оценка спектральной плотности экспериментальноговременного ряда момента сдвига М.75

191. Рисунок 43 Спектральная плотность исходного ряда момента сдвига Мграфик 1) и ее начальная аппроксимация (график 2).76

192. Рисунок 44 Спектральная плотность после подстройки исходного рядамомента сдвига М (график 1) и ее аппроксимация (график 2).77

193. Рисунок 45 Спектральная плотность после подстройки исходного ряда значений коэффициента скорости вулканизации кт (график 1)и ее аппроксимация (график 2) .78

194. Рисунок 46 Спектральная плотность после подстройки исходного рядавысокоэластического модуля Е (график 1) и ее аппроксимация (график 2).79

195. Рисунок 47 Структурная схема математической модели полногообъекта управления.80

196. Рисунок 48 Структурная схема замкнутого характера управления.86

197. Рисунок 49 Структурная схема наблюдателя полного порядка.87

198. Рисунок 50 Структурная схема оптимальной стохастическойсистемы управления.87

199. Рисунок 51 Структурная схема системы управления исходным объектом.89

200. Рисунок 52 Выходные переменные для разомкнутой и замкнутойсистем по каналу момент сдвига М.91

201. Рисунок 53 Выходные переменные для разомкнутой и замкнутойсистем по каналу коэффициент скорости вулканизации кт.91

202. Рисунок 54— Выходные переменные для разомкнутой и замкнутойсистем по каналу высокоэластический модуль Е.91

203. Рисунок 55 — АЧХ по возмущению и спектральная плотностьвозмущающего воздействия по каналу момент сдвига М.92

204. Рисунок 56 — АЧХ по возмущению и спектральная плотность возмущающего воздействия по каналу коэффициентскорости вулканизации кт.92

205. Рисунок 57 АЧХ по возмущению и спектральная плотностьвозмущающего воздействия по каналу высокоэластический модуль Е.93

206. Рисунок 58 Структурная схема многомерной системы управления.94

207. Рисунок 59 Структурная схема математической моделистадии приготовления резиновой смеси.95

208. Рисунок 60 — АЧХ по возмущению исходного объекта (график 1), с динамической развязкой каналов (график 2) и уменьшенным транспортнымзапаздыванием (график 3) канала управления моментом сдвигаМ.97

209. Рисунок 61 АЧХ по возмущению исходного объекта (график 1), с динамической развязкой каналов (график 2) и уменьшенным транспортным запаздываниемграфик 3) канала управления коэффициентом скорости вулканизации кт.97

210. Рисунок 62 — АЧХ по возмущению исходного объекта (график 1), с динамической развязкой каналов (график 2) и уменьшенным транспортным запаздываниемграфик 3) канала управления высокоэластическим модулем Е.97

211. Рисунок 63 Схема компьютерной системы на основе прибора УИМ.98

212. Рисунок 64 — Структурная схема объекта управления с линейным регулятором. 99 Рисунок 65 Выходные переменные для разомкнутой и замкнутой системпо каналу момент сдвига М.101

213. Рисунок 66 Выходные переменные для разомкнутой и замкнутой системпо каналу коэффициент скорости вулканизации кт.101

214. Рисунок 67 Выходные переменные для разомкнутой и замкнутой системпо каналу высокоэластический модуль Е.101

215. Рисунок 68 — Структурная схема Н"°- оптимальной системы.106

216. Рисунок 69 — Алгоритм синтеза регулятора.;.107

217. Рисунок 70 Структурная схема системы для синтеза робастного регулятора. 108 Рисунок 71 - Структурная схема объекта управленияс робастным регулятором.110

218. Рисунок 72 — Смешанная весовая функция чувствительности.111

219. Рисунок 73 — Выходные переменные для разомкнутой и замкнутой систем по каналу момент сдвига М.111

220. Рисунок 74 Выходные переменные для разомкнутой и замкнутой системпо каналу коэффициент скорости вулканизации кт.112

221. Рисунок 75 — Выходные переменные для разомкнутой и замкнутой системпо каналу высокоэластический модуль Е.112

222. Рисунок 76 — Реакция системы на единичное ступенчатое воздействие.113

223. Рисунок 77 АЧХ по возмущению и спектральная плотностьвозмущающего воздействия по каналу момент сдвига М.113

224. Рисунок 78 АЧХ по возмущению и спектральная плотностьвозмущающего воздействия по коэффициент скорости вулканизации кт.114

225. Рисунок 79 АЧХ по возмущению и спектральная плотностьвозмущающего воздействия по каналу высокоэластический модуль Е.114

226. Рисунок 80 Анализ грубости линейной и робастной системпри изменении ки ки , ки .115"2 3

227. Рисунок 81 Структурная схема системы управления.1171. Перечень таблиц