автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Математическое моделирование и оптимальное управление процессом тепловлажностной обработки

Введение

Глава 1 Литературный обзор и постановка задачи исследований

1.1 Современное состояние технологии и исследований в облас- 9 ти моделирования и управления процессом тепловой обработки железобетонных изделий

1.2 Общая постановка задачи оптимального управления процес- 24 сом тепловлажносткой обработки железобетонных изделий

1.3 Цели и задачи исследования

Глава 2 Математическая модель процесса тешговлажностной обработки железобетонных изделий в пропарочных камерах

2.1 Основные ограничения и допущения математической моде- 32 ли процесса тепловлажностной обработки

2.2 Математическое описание процессов, протекающих в изде- 35 лиях

2.2.1 Математическая модель распространения тепла в изде

2.3 Математическая модель распространения тепла в огражде- 53 нии камеры

2.4 Математическое описание процессов, протекающих в паро- 59 воздушном объеме камеры

2.4.1 Уравнения общего и покомпонентных материальных 59 балансов для паро-воздушной смеси

2.5.2 Энергетический баланс паро-воздушного объема каме

2.2.2 Математическая модель гидратации цемента

2.2.3 Математическая модель твердения бетона

Глава 3 Формализация качественных показателей процесса и провер- 68 ка адекватности математической модели

3.1 Определение показателей качества процесса, технологических условий и ограничений

3.1.1 Прочность изделий

3.1.2 Ограничение по температуре изделий

3.1.3 Ограничение по перепаду температуры в изделиях

3.1.4 Температура поверхности изделий

3.1.5 Температура в камере

3.1.6 Ограничение по перепад давления

3.1.7 Ограничения на изменение входных воздействий 76 3.2 Математическая формализация критерия оптимизации

3.3 Идентификации и проверки адекватности математической модели

3.3.1 Методика идентификации и проверки адекватности 83 математической модели объекта

3.3.2 Идентификация математической модели гидратации 90 цемента

3.3.3 Идентификация параметров модели твердения бе- 93 тона

3.3.4 Идентификация теплофизических характеристик 95 изделий

Глава 4 Исследование и оптимизация процесса тепловлажностной об- 101 работки

4.1 Имитационное исследование процесса тепловлажностной 101 обработки железобетонных изделий

4.1.1 Методика проведения имитационных исследований

4.1.2 Результаты имитационных исследований влияния 109 режимных параметров на качественные показатели процесса

4.1.3 Выбор управляющих воздействий

4.2 Оптимизация процесса тепловлажностной обработки же- 122 лезобетонных изделий

4.2.1 Постановка задач оптимального программного 122 управления процессом тепловлажностной обработки

4.2.2 Алгоритм приближенного решения задачи оптималь

Глава 5 Разработка системы управления процессом тепловлажност

5.2 Формирование множества структур СУ процессом тепло- 141 влажностной обработки

5.3 Формулировка задачи определения оптимальных заданий 151 регуляторам

5.4 Реализация алгоритмов управления процессом тепловлаж- 154 ностной обработки железобетонных изделий

На современном уровне развития строительной технологии требуются новые конструкционные материалы с заданными свойствами и характеристиками. К таким материалам в первую очередь относятся продукция предприятий производящих железобетонные изделия (ЖБИ). Применение железобетонных изделий позволяет значительно сократить металлоемкость, стоимость и трудоемкость строительства, вес зданий, энергозатраты на их возведение и эксплуатацию.

В современных экономических условиях на предприятиях производящих готовые железобетонные изделия особенно остро стоит вопрос снижения себестоимости выпускаемых изделий при обеспечении заданных качественных показателей и объема выпускаемой продукции. Эту задачу невозможно решить в отрыве от глубоких исследований на основе математического моделирования и внедрения современных методов и средств управления.

Управление производством железобетонных изделий осложнено много стадийностью, непрерывно-дискретным характером основных технологических процессов, их территориальной распределенностью и временной разобщенностью. Таким образом, поставленная задача является чрезвычайно сложной из-за перечисленных особенностей этого процесса.

Себестоимость и качество выпускаемой продукции всегда существенно зависят от технологии выполнения наиболее сложных, длительных и трудоемких процессов. Таким процессом в производстве ЖБИ является тепловая обработка отформованных изделий. Производственный опыт показывает, что этот процесс занимает 70-80% времени всего цикла изготовления изделий и является очень энергоемким: до 80% энергозатрат приходятся на эту стадию, при этом сумма затрат на энергорееурсы составляют около 20% всей себестоимости изделий. С другой стороны, теоретические работы отечественных и зарубежных исследователей показали, что на предприятиях производящих ЖБИ расходуется значительно больше количества тепла, по сравнению с требованиями технологии, то есть имеется существенный резерв управления себестоимостью изделий. Это стало предпосылкой для разработки разнообразных технологических способов тепловой обработки, конструкций тепловых установок, алгоритмов управления процессом.

В настоящее время наибольшее распространение получил тепло-влажностный способ обработки (ТВО) железобетонных изделий в пропарочных камерах ямного типа. Количество этих периодических установки в нашей стране составляют около 70% от общего количества тепловых установок предприятий производящих железобетонные изделия.

Однако, не смотря на широкое распространение пропарочных камер, из-за отсутствии! эффективных алгоритмов и систем управления процессом ТВО ЖБИ наблюдаются большие вариации качественных показателей изделий и значительный перерасход энергоресурсов. Разработка алгоритмов и систем управления процессом ТВО ЖБИ, обеспечивающих снижение себестоимости изделий при выполнении заданных качественных показателей, является актуальной задачей.

Процесс ТВО ЖБИ в пропарочных камерах характеризуется следующими особенностями: в периодическим характером, исключающим статические режимы производства изделий и автоматизации его только на базе систем стабилизации;

• распределенностью в пространстве многих выходных координат и сосредоточенностью управляющих воздействий; е большим числом взаимосвязанных выходных технологических координат объекта управления;

• слабой изученностью большинства физико-химических и тем более механических процессов протекающих при ТВО ЖБИ, что затрудняет оперативное определение или вычисление выходных координат объекта;

В связи с этим создание эффективных алгоритмов и СУ процессом ТВО является сложной задачей, которая требует проведения комплексных научных исследований, основанных на методах имитационного моделирования и оптимального управления.

Диссертация состоит из введения пяти глав, заключения, списка литературы и приложений.

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Разработано математическое описание технологического процесса тегоювлажностной обработки ЖБИ в пропарочных камерах ямного типа, пригодное для имитационных исследований и оптимизации динамических режимов.

2. Формализованы качественные показатели процесса, система технологических условий и ограничений, сделано обоснование выбора энергозатрат в качестве критерия управления процессом.

3. Разработан алгоритм проведения имитационных исследований периодического процесса ТВО ЖБИ.

4. Исследовано на модели влияние входных воздействий на качественные показатели процесса, и на основе проведенных имитационных исследований выявлены управляющие и основные возмущающие воздействия.

5. Поставлена и решена задача оптимального управления процессом ТВО ЖБИ в пропарочных камерах.

6. Сформулирована задача и разработан алгоритм определения структуры и параметров следящих автоматических систем с оптимальными заданиями регуляторам.

7. Поставлена задача определения оптимальных заданий регуляторам следящих автоматических систем управления.

8. Определена структура и параметры системы управления процессом тепловлажностной обработки ЖБИ в пропарочных камерах, выбраны технические средства, реализующие разработанные алгоритмы управления.

1. Производство сборных железобетонных изделий. Справочник. Под ред. К.В. Михайлова. - М., Стройиздат, 1989.

2. Баженов Ю.М., Комар А.Г. Технология бетонных и железобетонных изделий. М., Стройиздат, 1984-672с.

3. Цыганков И.И. Технико-экономический анализ способов производства железобетона. М., Стройиздат, 1973

4. Гершберг O.A. Технология бетонных и железобетонных изделий. М., 1971

5. Буров Ю.С. Технология строительных материалов и изделий. М., 1971

6. Бремин Н.Ф. Процессы и аппараты в технологии строительных материалов. М., 1986

7. Перегудов В.В., Роговой М.И. Тепловые процессы и установки в технологии строительных изделий и деталей. М., Стройиздат, 1983

8. Никифоров Н.М. Теплотехника и теплотехническое оборудование предприятий строительных материалов и изделий. М., 1981.

9. Процессы и аппараты в технологии строительных материалов./ И.М. Борщ и др. Киев, 1990.

10. Ю.Кокшарев В.Н. Тепловые установки Киев, 1990.11 .Кучеренко A.A. Тепловые установки заводов сборного железобетона. Киев, 1977.

11. Вознесенский В.А. Статические решения в технологических задачах. Кишинев, Картя Молдованскэ, 1969 - 323 с.

12. Ахвердов И.Н. Основы физики бетона. М.: Стройиздат, 1981. - 464 с.

13. Берг О.Я., Щербаков E.H., Писанко Г.Н. Высокопрочный бетон. М.: Гос-стройиздат, 1971. - 208 с.

14. Десов А.Е. Некоторые вопросы структуры, прочности и деформативности бетонов. М., 1966. - с. 4- 58.

15. Невиль А.М. Свойства бетона: Пер. с англ. -М.: Стройиздат, 1972. -344 с.

16. Рыбьев И.А. Строительные материалы на основе вяжущих веществ. М., Высш. шк., 1978. 309с.

17. Кайсер Л.А., Нисневич М.Л., Шлаин И.Б. Современные требования к заполнителям для бетона // VI конф. по бетону и железобетону: Материалы секции, подготовл. ВНИИ железобетона: 1966. - Вып.2. - с. 39 - 48.

18. Скараматаев Б.Г. Исследование прочности бетона и пластичности бетонной смеси. М.: Б.и., 1936. - 222 с.

19. Боженов П.И., Ковалерова В.И. Влияние природы заполнителей на прочность раствора // Бетон и железобетон. 1961. - №3. - с.120-122.

20. Гордон С.С. Структура и свойства тяжелых бетонов на различных заполнителях. М.: Стройиздат, 1969. - 151 с.

21. Грушко И.М., Глущенко Н.Ф., Ильин А.Г. Структура и прочность дорожного цементного бетона. X., 1965. - 135 с.

22. Сытник В.И., Иванов В.А. Экспериментальные исследования прочности и деформативности высокопрочных бетонов // Высокопрочные бетоны. К.,

23. Bloom D.L. Ganov R.O. Effects of Aggvegates Propetios on Stvength of Concret // J. of the Amer. Conckete Inst. -1963. №10 - P.1425 -1453.

24. Hsu T.T.S., Slate F.O. Tensile Bond Stvengtl, betwen Aggregate and Cement Paste ov Movtav// J. of the Amer. Conckete Inst. -1963. №4 - P.465 - 485.

25. Гвоздев A.A. Расчет несущей способности конструкций по методу предельного равновесия. М.: Стройиздат, 1949. -Т.1. - 300 с.

26. Берг О.Я. Физические основы теории прочности бетона и железобетона. -М.: Стройиздат, 1962. 96 с.29 .Newman К. The Stracture and Engineering Properties of Concrete // Proc. of an Intern. Symp., Southgempton? 1964. Oxford, 1965 - P.713-721.

27. Pelter R. Note sur la Courde Interinsegue des Beton // Annales Ponts of Chausses. 1955 -№6-P. 779-889.

28. Spooner D.S., Dongell J.W. A Qnantitaitive Assegment of Damage Sustained in Concrete during Compressive Loading // Mag. of Concrete Research. 1975 - №92 -P. 151-160.

29. Gri£fith A.A. The Phenonomena of Raptura and Flow in solids // Philos. Jrans. Roy. Soc. 1920. - A 221.- P.163.

30. ЗЗ.Зайцев Ю.В. Механизмы разрушения бетона при кратковременном сжаи //Бетон и железобетон. -1977. -№7.- с.35 37.

31. Скараматаев Б.Г. Теория прочности бетона. Новые виды бетонов. X.: Гос-научтехиздат Украины. 1934. 56 с.

32. Шейкин А.Е., Чеховский Ю.В., Бруссер М.И. Структура и свойства цементных бетонов. М.: Строиздат, 1979. -344 с.

33. Гладышев Б.Н. Механическое взаимодействие элементов структуры и прочности бетонов. X. 1987.

34. Астреева О.М., Лопатникова Л.Я., Гусев В.И. Изучение процессов гидратации цементов. Под ред. Ю.М. Бутта. М., 1980

35. Бутт Ю.М., Гимашев В.В. Портландцемент. Минераллогический и гранулометрические составы, прцессы модификации и гидратации. М., 1974

36. Кондо Р., Уэда Ш. Кинетика и механизация гидратации цемента // V Международный конгресс по химии цемента ( Токио, 1968г ).М., Стройиздат, 1973 -с. 185-206.

37. Полак А.Ф. Твердение мономинеральных вяжущих веществ (Вопросы теории). М.: Стройиздат, 1966

38. Запорожец И.Д., Окороков С.Д., Порийский A.A. Тепловыделение бетона. М.-Л. .Стройиздат, 1966.

39. Вишневский Т.Д. Введение в техническую теорию деформации, набухания и усадки бетона. // Строительная механика и строительные конструкции. Л.:АИСИ, 1957.-Вып.26-с. 181-214.

40. Брунауер С., Гринберг С.А. Гидратация трехкальциевого и (5- двухкальциевого силиката при комнатной температуре // IV Международный конгресс по химии цемента. М., Стройиздат, 1964. с. 123-158

41. Пятков В.Д. Новый прибор для контроля за твердением бетона в процессе термообработки. //Бетон и железобетон. -N1.-1993.-0.25-26.

42. Миронов С.А., Малинина Л.А. Ускорение твердения бетона. М.,1991.

43. Гордон С.С., Никулин Л.И., Тихонов А.Ф. Автоматизация контроля качества изделий из бетона и железобетона. М., 1991.

44. А.С. 318914, в 05 В 19/02. Устройство для автоматического управления тепловой обработкой железобетонных изделий.

45. А.С. 1312525, О 05 В 19/02, в 06 Р 15/46. Устройство управления тепловой обработкой бетона.

46. Дворкин Л.И., Файнер М.Ш. Методика комплексного анализа эффективности режимов тепловой обработки железобетонных конструкций. Изв. вузов. Стр-во и архит-ра, 1974, N 10.

47. Бабаев Ш.Т., Комар А.А. Энергосберегающая технология железобетонных конструкций из высокопрочного бетона с химическими добавками.53 .Марьямов Н.Б. Тепловая обработка изделий на заводах сборного железобетона. М.,1970

48. Дмитрович А.Д. Тепло и массообмен при твердении бетона в паровой среде. М., 1967.

49. Автоматизация технологических процессов на ДСК.- Под ред. А.Б. Минина , М., 1972

50. Повышение эффективности производства железобетона. Под ред. И. М. Глушко. Киев, 1987, 128 с.

51. Пунагин В.И. и др. Совершенствование тепловлажностной обработки тяжелых бетонов // Бетон и железобетон, 1992, №3, с.21-23

52. Обешенко Г.А., Трембицкий С.М., Эффективные тепловые методы интенсификации твердения бетона // Бетон и железобетон, 1991, № 4, с. 11-13.

53. A.C. 691305, В 28 С 7/00, G 05 В 19/02. Устройство для автоматического управлением составом бетонной смеси и режимом тепловой обработки бетонных и железобетонных изделий.

54. A.C. 370191, С 04 В 41/30. Способ регулирования процесса тепловой обработки изделий стройиндустрии.

55. A.C. 846540, С 04 В 41/30, G 05 D 23/19. Способ автоматического регулирования процесса термообработки бетонных и железобетонных изделий и устройство для его осуществления.

56. A.C. 526859, G 05 В 19/02. Устройство для автоматического управления прочностью бетонных и железобетонных изделий.

57. A.C. 828173, G 05 В 19/02. Устройство для управления тепловой обработкой железобетонных изделий.

58. A.C. 881086, С 04 В 41/30. Способ управления процессом тепловой обработки строительных изделий.

59. А.С. 948685, В 28 С 7/00, G 05 В 19/02. Устройство для автоматического управления составом бетонной смеси и режимом тепловой обработки бетонных и железобетонных изделий.

60. А.С. 1416320, В 28 С 7/00, G 05 В 19/02. Устройство для управления процессом изготовления бетонных и железобетонных изделий.

61. А.С. 1418290, В 28 С 7/00, G 05 В 21/02. Устройство управления процессом тепловой обработки бетонных и железобетонных изделий в тепловой установке.

62. А.С. 1516364, В 28 С 7/00, G 05 В 19/02. Устройство для управления процессом изготовления бетонных и железобетонных изделий.

63. А.С. 1715787, С 04 В 40/02, В 28 В 11/00. Способ управления процессом термообработки изделий.

64. А.С. 1790570, С 04 В 40/02. Способ управления процессом тепловой обработки бетонных изделий.

65. А.С. 1551703, С 04 В 40.02. Способ термовлажностной обработки бетонных и железобетонных изделий.

66. Леенсон А.И. Системы автоматизации процессов тепловой обработки изделий // Механизация и автоматизация производства, 1970, №7.

67. Зудов В.А. Автоматизация ямных камер с использованием регулятора ПРСП // Реф. сб.: Передовой опыт в строительстве / ЦБНТИ Сер III. Технология производства строительных конструкций, изделий и материалов. -1981. Вып. 1. с. 10-11.

68. Сенчев В.П. др. Система комплексной автоматизации тепловлажностной обработки железобетонных изделий // Экспресс информ. / ЦБНТИ Минстроя СССР. - Сер. Строительная индустрия. -1986. Вып. 8. - с. 22-26.

69. Вайншток С.П., Гордон А.Э. Автоматизация технологических процессов в производстве сборного железобетона // Обзор информации / ВНИИ ЭСМ, Сер. 3. Промышленность сборного железобетона. 1983. - Вып. 1. - с. 55.

70. Перчиков А.Я., Лебедев В.Ф., Казаков Е.В. Управление тепловой обработкой изделий с применением пневматической установки "ПУСК ЗС". М., 1973. Сер. "Промышленность сборного железобетона" , Вып.З ВНИИЭСМ.

71. Устройство управления тепловой обработкой бетона типа "Бетон-Т2". Отраслевой каталог ГСП. Приборы и средства автоматизации. Ч. 1.6, 1.7. Ин-формприбор.- М., 1994. - с. 11-13.

72. Технические средства автоматизации химических производств: Справ.изд. /B.C. Балакирев, Л.А. Барский, A.B. Бугров и др. М.: Химия, 1991. 272с.

73. Фролов C.B. Тенденции развития систем управления технологическими процессами //Приборы и системы управления. 1996. № 9. С.6-8.

74. Корнеева А.И., Матвейкин В.Г., Фролов C.B. Программно-технические комплексы, контроллеры и SCADA-системы. М. 1997.

75. Сиратзединов П.К. Оптимизация систем с распределенными параметрами. М.: Наука, 1977. 480с.

76. Федоренко Р.П. Приближенное решение задач оптимального управления. М.: Наука, 1978. 488с.

77. Болтянский ВГ. Математические методы оптимального управления. М.: Наука, 1969. 408с.

78. Егоров А.М. Оптимальное управление тепловыми и диффузионными процессами. М.: Наука, 1978. 468с.

79. Моисеев H.H. Численные методы в теории оптимальных систем. М.: Наука, 1971.488с.

80. Васильев Ф.П. Методы решения экстремальных задач. М.: Наука, 1981. 400с.

81. Цимерманис Л.Б. Термодинамические и переносные свойства капилярно-пористыхтел. Южно-Уральское книжное издательство, 1971.

82. Лыков A.B. Явление переноса в капилярно-пористых телах. М., Госэнерго-издат, 1954.

83. Лыков A.B., Михайлов Ю.А. Теория тепломассопереноса, М.-Л., Госэнерго-издат, 1963.

84. Лыков A.B., Тепломассообмен, М., 'Энергия', 1972.

85. Лыков A.B., Теория теплопроводности, М., 'Высшая школа', 1967.

86. Кутателадзе С.С. Теплообмен при конденсации. М., "Энергия", 1977, 242с.

87. Исаченко В.П. Теплообмен при конденсации. М., 1977.

88. Таубман Е.И. Расчет и моделирование выпарных установок. М.: Химия, 1970.-216с.

89. Вукалович M.IT. Термодинамические свойства воды и водяного пара (таблицы и диаграммы). М.: Стандарты, 1969

90. Канторович Л.В. Крылов В.И. Приближенные методы высшего анализа. М.: Физматгиз, 1962

91. ЮО.Михлин С.Г. Прямые методы в математической физике. Гостехиздат, 1950 Ю1.Эльсгольц Л.Э. Дифференциальные уравнения и вариационное исчисление. М„ 1969-424с.

92. Хасмедов Ф.И. Автоматизация управления трубчатыми печами. М.: Химия, 1980-2 Юс.

93. ЮЗ.Фролов C.B. Математическое моделирование и оптимизация процесса обесфторивания фосфатов во вращающейся печи. Канд. дисс. -Тамбов: ТИХМ, 1988.-240с.

94. Справочник по теории автоматического управления. /Под ред. А,А, Красов-ского. М., Наука, 1987. 712с.

95. Островский Г.М., Волин Ю.М. Моделирование сложных химико-технологических схем. М., Химия, 1975. 312с.

96. Юб.Реклетис Г., Рейвиндран А., Рэгсдейл К. Оптимизация в технике: В 2-х кн. -М.: Мир, 1986.

97. Бодров A.B. Оптимизация процесса стерилизации консервов в автоклаве и его математическое моделирование: Канд дисс. Л., 1985. 366с.

98. Бодров А.В., Дворецкий С.И., Матвейкии В.Г. Проблеммы управления в многоассортиментных гибких автоматизированных производственных системах нового поколения //TOXT.-N5.-1994.-c.

99. Ю9.Матвейкин В.Г. Методы, алгоритмы и системы гарантированного оптимального управления химико-технологическими процессами. Докт. дисс. -М.: МИХМ, 1991.-535с.

100. Ю.Справочник по теории автоматического управления /Под ред. А.А. Красов-ского. М.: Наука, 1987. - 712с.

101. Ш.Балакирев B.C., Володин В.М., Цирлин A.M. Оптимальное управление процессами химической технологии (экстремальные задачи В АСУ). М.: Химия, 1978. - 384с.

102. Бодров В.И., Муромцев Ю.Л., Матвейкин В.Г. Оценка точности прогнозирования по математическому описанию, используемому в системе оптимального управления //ТОХТ, Т.23, 1989. -№3. С378-384.

103. ПЗ.Бояринов А.И., Кафаров В.В. Методы оптимизации в химической технологии. М.: Химия, 1975. - 576с.

104. Бодров В.И., Фролов C.B., Лагутин А.В., Живописцев В.А. Синтез структуры автоматической системы регулирования первого слоя контактного аппарата в производстве серной кислоты// Хим. пром-сть. 1994. №7. С.485-491.

105. Фролов C.B., Лагутин А.В. Математическая модель тепловлажностной обработки бетонных и железобетонных изделий в камерах ямного типа/ Тамб. гос. техн. ун-т. Тамбов, 1996. 24с. Деп. в ВИНИТИ 20.09.96, №2844-В96.

106. Пб.Матвейкин В.Г., Фролов C.B., Лагутин А.В. Система автоматического управления тепловлажностной обработкой железобетонных изделий на базе микроконтроллера Р-130// Приборы и системы управления. 1997. №1. С.12-14.

107. Матвейкин В.Г., Фролов C.B., Лагутин А.В. Модернизация лабораторных стендов на базе пневматических имитаторов динамики// Приборы и системы управления. 1997. №4. С.44-46.