автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Идентификация и автоматизация процесса тепловлажностной обработки железобетонных плит

Введение

Глава1. Проблемы автоматизации технологического процесса тепловлажностной обработки железобетонных изделий.

1.1. Способы ускорения твердения железобетонных изделий (ЖБИ).

1.2. Режимы термообработки.

1.3. Конструкция и оборудование ямной пропарочной камеры.

1.4. Температурные режимы пропарки ЖБИ в ЯПК.

1.4.1. Подъем температуры.

1.4.2. Режим изотермической выдержки.

1.4.3. Режим охлаждения.

1.5. Системы автоматического управления температурным режимом пропарки ЖБИ.

1.5.1. Основные характеристики существующих САУ.

1.5.2. Недостатки типовых САУ. 30 Постановка задачи

Глава2. Общая структурная схема объекта управления и передаточные функции звена внутреннего теплообмена.

2.1. Общая структурная схема объекта управления.

2.2. Определение передаточной функции и частотных характеристик звена внутреннего теплообмена.

2.2.1. Общие положения

2.2.2. Тепловыделение бетона при его тепловой обработке.

2.2.3. Распределение температур в железобетонных плит при тепловлажностной обработке.

Глава 3. Исследование методов дробно-рациональной аппроксимации передаточной функции звена внутреннего теплообмена.

3.1. Метод аппроксимации трансцендентной передаточной функции ОРП бесконечным числом параллельно соединенных апериодических звеньев.

3.2. Чебышевский метод равномерного приближения 68 3.2.1 Разработка алгоритмов решения поставленной задачи параметрического синтеза.

3.2.1.1 Обоснование альтернансных свойств искомых оптимальных решений.

3.2.1.2. Разработка численных методов решения систем уравнений.

3.2.1.3. Выбор структуры приближающих передаточных функций в виде объектов с сосредоточенными параметрами.

3.2.2. Применение разработанной методики для аппроксимации передаточных функций звена внутреннего теплообмена.

Глава 4. Параметрическая идентификация звена внешнего теплообмена.

Глава 5. Автоматизация процесса тепловлажностной обработки ЖБ плит в ЯПК.

5.1. Определение программы управления.

5.2. Общая характеристика системы управления.

5.3. Техническая реализация исполнительного механизма (ИМ).

5.4. Техническая реализация датчика температуры.

5.5. Техническая реализация блока формирования программы управления.

5.6. Выбор типа регулятора и анализ процессов в замкнутой системе регулирования.

Актуальность проблемы. Основными задачами, которые должны быть решены в целях интенсификации производства, являются: увеличение производительности труда, повышение качества продукции, экономия материальных и энергетических ресурсов, сокращение численности работающих.

Решение этих задач невозможно без комплексной автоматизации производственных процессов, оптимизации технологических режимов и управления процессами производства.

Производственный процесс тепловлажностной обработки железобетонных изделий является весьма важным, ответственным и наиболее энергоемким этапом при их изготовлении. В настоящее время и в обозримом будущем изготовление бетона и железобетонных изделий остается преимущественным способом изготовления конструкционных материалов для строительства. Это объясняется практически неограниченными ресурсами сырья для изготовления вяжущих смесей и заполнителей, относительно небольшим расходом стальной арматуры, высокими конструкторскими и эксплуатационными качествами железобетона, его относительно низкой энергоемкостью.

Применение железобетонных изделий в строительстве предъявляет высокие требования к их параметрам, определяющим их качества как конструкционных материалов.

Качество готового железобетонного изделия (ЖБИ) характеризуется его прочностью. Прочность ЖБИ зависит от параметров качества, формируемых на отдельных технологических операциях его изготовления.

Производство ЖБИ является многооперационным процессом, зависящим от большого числа режимных технологических параметров. К ним относятся параметры теплотехнических компонентов технологического оборудования; химический состав сырья; физические характеристики перерабатываемых материалов и т. д. Для синтеза системы управления процессом тепловлажностной обработки ЖБИ необходимо построить математическую модель объекта управления. Параметры модели могут частично быть получены расчетным путем, частично - экспериментальным.

Цель работы.

Основная цель диссертационной работы заключается в разработке специального алгоритмического обеспечения для построения систем автоматизации контроля и управления тепловлажностной обработкой ЖБИ.

В соответствии с этой целью в работе поставлены следующие задачи:

- Разработка функциональной и структурной схем процесса тепловлажностной обработки железобетонных плит.

- Разработка математической модели процесса тепловлажностной обработки железобетонной плиты как объекта автоматического управления температурным полем изделия.

- Разработка методов дробно-рационального приближения сложных трансцендентных передаточных функций и методов структурно-параметрической идентификации объекта управления.

- Разработка и обоснование принципов построения и расчета программ управления технологическим процессом тепловлажностной обработки железобетонных плит в ямных пропарочных камерах. Синтез системы управления процессом тепловлажностной обработки железобетонных плит.

- Разработка и опытно-промышленное апробирование систем управления и средств контроля процесса тепловлажностной обработки ЖБИ.

Методы исследования.

Структурная схема процесса тепловлажностной обработки железобетонных плит получена, исходя из уравнения теплового баланса системы "камеры - плита".

Получение передаточной функции процессов внутреннего теплообмена проводилось путем решения уравнения теплопроводности.

Приближения сложной трансцендентной передаточной функции звена внутреннего теплообмена осуществлялось путем ее представления в виде бесконечного соединения элементарных звеньев, а также методами вещественных интегральных преобразований и чебышевских приближений.

Построение передаточной функции звена внешнего теплообмена проводилось путем структурно-параметрической идентификации объекта управления. Обработка результатов эксперимента осуществлялось методом наименьших квадратов.

Синтез системы управления процесса тепловлажностной обработки железобетонных плит выполнялся методами теории автоматического управления.

Для моделирования САУ использовались стандартные пакеты прикладных программ МАТНСАО и МАТНЬАВ для анализа и синтеза систем управления.

Научная новизна.

В диссертации получены следующие основные научные результаты:

- Выполнено системно-структурное моделирование процесса тепловлажностной обработки ЖБИ как объекта автоматического управления температурным полем обрабатываемого изделия;

- Разработано алгоритмическое обеспечение и вычислительная технология реализации метода дробно-рациональной аппроксимации трансцендентных передаточных функций объектов управления с распределенными параметрами, базирующегося на процедурах равномерного приближения соответствующих характеристик мнимых частот.

- Предложены точные и приближенные описания передаточных функций пространственно-распределенных процессов нестационарной теплопроводности при тепловлажностной обработке ЖБИ.

- Предложен метод структурно-параметрической идентификации звена внешнего теплообмена в процессе нагрева ЖБИ в ямных пропарочных камерах.

- Обоснованы и разработаны принципы построения замкнутых систем автоматического управления технологическим процессом тепловлажностной обработки железобетонных плит.

Практическая ценность.

Практическая значимость диссертационной работы определяется следующими полученными в работе результатами, выводами и рекомендациями:

- Разработана инженерная методика структурно-параметрической идентификации процесса тепловлажностной обработки ЖБИ в ямных пропарочных камерах как объекта автоматического регулирования температуры изделия.

- Разработаны пакеты прикладных программ для расчета характеристик объекта автоматизации.

- Предложена методика расчета параметров программы режима термообработки ЖБИ и оценки качества ее отработки в замкнутой схеме автоматического регулирования.

- На основании полученных в диссертации выводов и заключений разработаны структурная и функциональная схемы системы автоматического управления тепловлажностной обработкой ЖБИ, методы ее синтеза, анализа и технической реализации.

Инженерные методики расчета используется в курсовом и дипломном проектированием в рамках учебного плана подготовки инженеров по специальности " Управление и информатика в технических системах " в Самарском государственном техническом университете.

Реализация и внедрение результатов работы.

Полученные в диссертации результаты были использованы при разработке и промышленном внедрении систем автоматического контроля и регулирования температуры ЖБИ при их тепловлажностной обработке в ямных пропарочных камерах на комбинате железобетонных изделий (КЖИ-81) в г. Самаре.

Апробация работы.

Основные положения и результаты работы доложены и обсуждены на Всероссийской научно-технической конференции "Надежность механических систем" (г. Самара, 1999), на XI межвузовской конференции "Математическое моделирование и краевые задачи " (г. Самара, 2001), а также на научно-технических семинарах кафедры " Автоматика и управление в технических системах" Самарского государственного технического университета.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 4 печатных работ.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, пять глав и заключения, изложенных на 128 страницах, содержит 50 рисунков, выполненных на 41 стр., список использованных литературных источников, включающий 70 наименований на 6 страницах и приложения на 2 стр.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1- Выполнено системно-структурное моделирование процесса тепловлажностной обработки ЖБИ как объекта автоматического управления температурным полем обрабатываемого изделия.

2- Предложен удовлетворительный по точности метод дробно-рациональной аппроксимации трансцендентных передаточных функций объекта управления с распределенными параметрами, моделирующего нестационарные процессы теплопроводности при нагреве ЖБИ.

3- Предложен метод структурно-параметрической идентификации звена внешнего теплообмена в процессе нагрева ЖБИ в ямных пропарочных камерах.

4- Разработаны и обоснованы базирующиеся на полученных математических моделях программы управления процессом тепловлажностной обработки железобетонных плит и способы их реализации в замкнутых системах программного регулирования.

1. Баженов Ю. М. Комар А.Г. Технология бетонных и железобетонных изделий. М.:В.Ш., 1990.

2. Сулименко JI.M. Технология минеральных вяжущих материалов и изделий на их основе. М.: В.Ш., 2000.

3. Инструкция по тепловой обработки паром бетонных и железобетонных изделий на заводах и полигонах. Стройиздат, 1969.

4. Колбасов В.М., Леонов И.И., Сулименко Л.М. Технология вяжущих материалов. М.: В.Ш., 1987.

5. Химическая технология вяжущих материалов/ Бутт Ю. М., Сычев М. М., Тимашев B.B. М.: В.Ш., 1980.

6. Верней И.И., Колбасов В.М. Технология асбестоцементных изделий. М.: Стройиздат, 1985.

7. Комар А.Г., Бажанов Ю.М., Сулименко Л.М. Технология производства строительных материалов. М.: В.Ш., 1990.

8. Комар А.Г. Строительные материалы и изделия. М.: В.Ш., 1990.

9. Сулименко Л.М. Технология минеральных вяжущих материалов и изделий на их основе. М.: В.Ш., 1977.

10. Пащенко A.A., сербин В.П., Страчевская Е. А. Вяжущие материалы. Киев: В.Ш., 1985.

11. Михайлов К.В., Волоков Ю.С. Бетон и железобетон в строительстве. М.: Стройиздат, 1987.

12. Марьямов Н. В. Тепловая обработка изделий на заводах сборного железобетона. М.:1970.

13. Инструкция по тепловой обработке паром бетонных и железобетонных изделий на заводах и полигонах. Госстройиздат. 1974.

14. Семенов Л.А., Подуровский Н.И. Безнапорная пропарочная камера.1. Гостройиздат, 1961.

15. Строииндустрия и промышленность строительных материалов. Энциклопедия / Под. Ред. К. В. Михайлова. М.: Стройиздат, 1997.

16. Ротач В. Я. ТАУ для теплоэнергетических систем. М.: энергоатомздат, 1985.

17. Рапопорт Э. Я. Оптимизация процессов индукционного нагрева металла. М.: Металлургия, 1993.

18. Запорожец И.Д., Окороков С. Д., Парийский А. А. Тепловыделение бетона. Стройиздат, 1966.

19. Буваггу А. Исследование тепло-влажностной обработки железобетонных изделий как объекта управления температурным полем.// Труды молодых исследователей технического университета. Самара: СамГТУ, 2001.-с 89-93.

20. Ротач В. Я. Расчет динамики промышленных автоматических систем регулирования. М.: Энергия, 1973.

21. Расчеты нагревательных печей/ под ред. Тайца Н.Ю. К.: изд. Техника, 1969.

22. Лыков A.B. Теория теплопроводности. М.: Высш. школа, 1967.

23. Дитикин В.А., Прудников А.П. Справочник по операционному исчислению. М.:В.Ш., 1965.

24. Дифференциальные уравнения математической физики. Под ред. Зарубина В. С., Крищенко А. П. М.: МГТУ, 2000.

25. Дитикин В.А., Прудников А.П. Интегральные преобразования и операционное исчисление. М.: Наука, 1974.

26. Zwillinger D. Handbook of differential equations. Boston: Academic Press, 1989.

27. Бутковский А.Г. Характеристики систем с распределенными параметрами. М.: Наука, 1979.

28. Шихнеченко И. В. Краткий справочник инженера-технолога по производству железобетона. К.: Будивельник, 1989.

29. Ахиезер Н.И. Лекции по теории аппроксимации. М.: Наука, 1972.

30. Буваггу А. Альтериансный метод дробно-рациональной аппроксимации передаточной функции объекта с распределенными параметрами.// Труды молодых исследователей технического университета. Самара: СамГТУ, 2001. с 93-96.

31. Орурк И. А. Новые методы синтеза некоторых нелинейных динамических систем. М.: Металлургия, 1971.

32. Рапопорт Э.Я., Сергеев A.B. Чебышевские приближения в задачах аппроксимации частотных характеристик объектов с распределенными параметрами.// Вестн. Самар. гос. тех. ун-та. Вып.7 Сер." Физико-математические науки". 1999. С.190-193.

33. Агафонов С. А., Герман А. Д., Муратова Т. В. Дифференциальные уравнения. -М.: 2000.

34. Дьяконов В. П., Абраменкова И. В. MATHCAD 7.0 в математике, физике и в internet. М.: "Нолидж" 1999 .

35. Лыков A.B. Теория тепломассообмена: Справочник. М.:Энергия, 1978.

36. Волынец Н. П., Дьяченко Н. Г., Лошанок В. П. Справочник инженера-технолога предприятия сборного железобетона. К.: Будивельник, 1983.

37. Демьянов В.Ф., Малоземов В.Н. Введение в минмакс. М.: Наука, 1972.

38. Пашковский С. Вычислительные применения многочленов и рядов Чебышева. М.: наука, 1983.

39. Анализ и оптимальный синтез на ЭВМ систем управления/ под ред. A.A. Воронова и H.A. Орурка. М.: Наука, 1984.

40. Вержбигцкий В. М. Численные методы. М.:В. Ш.,2001.

41. Рапопорт Э.Я. Параметрическая оптимизация систем автоматического управления по равномерно-частотным критериям.//Вестн. Самар. гос. тех. ун-та. Вып.5 Сер " Техническиенауки ".1998. С.13-28.

42. Буваггу А. Альтернансный метод параметрического синтеза последовательных корректирующих устройств.// Труды XI межвузовский конференции "Математическое моделирование и краевые задачи ". ч.2 Самара: СамГТУ,2001. -с. 13-15.

43. Рапопорт Э.Я. Альтернансный свойства оптимальных решений и вычислительные алгоритмы в задачах полубесконечной оптимизации управляемых систем// Изв. РАН. Теория и систем управления. 1996.№4, с.84-95.

44. Рапопорт Э.Я. Чебышевские приближения в задачах параметрической оптимизации управляемых процессов// Автоматика и телемеханика, 1992, №2. С. 60-67.

45. Березин И.С., Жидков Н.П. Методы вычисления. М.: Наука, 1984.

46. Гульятев А. Имитационное моделирование в среде Windows. Спб.:1999.

47. Дьяконов В. П., Абраменкова И. В. MATHCAD 8 PRO в математике, физике и в internet. М.: "Нолидж" 2000.

48. Пугачев B.C. Лекции по функциональному анализу. М.: изд-ва МАИ, 1996.

49. Математические основы теории автоматического регулирования. / Под ред. Б. К. Чемаданого.Т.2. М.: В.Ш., 1977.

50. Гутер Р.С, Овчинский Б.В. Элементы численного анализа и математической обработки результатов опыта. М.: Наука, 1970.

51. Амосов A.A., Дубинский Ю.А., Копченова Н.В. Вычислительные методы для инженеров. М.:В.Ш., 1994.

52. Бесекерский В. А., Попов Е. П. Теория систем автоматического управления. М.: Наука, 1975.

53. Ротач В. Я. Расчет динамики промышленных автоматических систем регулирования. М.: Энергия, 1973.

54. Еремин Н.Ф. Процессы и аппараты в технологии строительныхматериалов. М.: В.Ш., 1986.

55. Дитикин В.А., Прудников А.П. Операционное исчисление. М.:В.Ш., 1965.

56. Интегральные микросхемы. Справочник. Под. Ред. Тарабрина Б.В. М.: энергоатомиздат, 1982.

57. Вохрышев В.Е. Цифровое моделирование релейных и квазиоптимальных по быстродействию систем.Самара:1993.

58. Мартынов H.H., Иванов А.П. MATLAB 5.x. Вычисления, визуализация, программирование. М.: Кудиц-образ, 2000.

59. Beyer W. Н. CRC Standard Mathematical tables and formulae. Boca Raton: CRC Press, 1991.

60. Brychkov Yu. A., Prudnikov A. P. Integral transforms of generalized functions. New York: Gordon & Breach, 1989.

61. Davis B. Integral transforms and their applications. New York: SpringerVerlag, 1978.

62. Цифровые интегральные микросхемы. Справочник. Минск: Беларусь-полымя, 1996.

63. Бокуняев A.A., Борисов Н.М., Варламов Р.Т., и др. Справочная книга радиолюбителя-конструктора. М.: Радио и связь. 1990.

64. Захаров В.А., Лыпар Ю.И. Электронные устройства автоматики и телемеханики. Л.: Энрегоатомиздат. 1984.

65. Бесекерский В. А. Динамический синтез систем автоматического регулирования. М.: Наука 1970.

66. Колесников A.A. Проектирование многокритериальных систем управления промышленными объектами. М: Энергоатомиздат, 1993.125

67. Цыпкин ЯЗ. Основы теории автоматических систем. М.: Наука, 1977.

68. Цыпкин Я.З. Релейные автоматические системы. М.: Наука, 1974.

69. Иващенко H.H. Автоматическое регулирование. Теория и элементы систем. М.: Машиностроение. 1978.126