автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Математическое моделирование и оптимальное управление процессом тепловой обработки силикатного кирпича в промышленных автоклавах

Введение

Глава 1 Литературный обзор и постановка задачи исследования

1.1 Технология производства силикатного кирпича

1.2 Современное состояние исследований в области моделирования и управления процессом тепловой обработки силикатного кирпича

1.3 Общая постановка задачи оптимального управления процессом тепловой обработки силикатного кирпича

1.4 Цели и задачи исследования

Глава 2 Разработка математической модели процесса тепловой обработки силикатного кирпича в промышленных автоклавах и проверка адекватности математической модели

2.1 Математическое моделирование процесса тепловой обработки силикатного кирпича в промышленных автоклавах

2.1.1 Основные ограничения и допущения математической модели процесса тепловой обработки

2.1.2 Математическое описание процесса распространения тепла в кирпичах

2.1.3 Математическое описание процесса твердения кирпича

2.1.4 Математическая модель распространения тепла в стенках автоклава

2.1.5 Математическое описание процессов, протекающих в паровом объеме автоклава

2.2 Идентификация и проверка адекватности математической модели тепловой обработки силикатного кирпича

2.2.1 Методика идентификации и проверки адекватности математической модели тепловой обработки силикатного кирпича

2.2.2 Идентификация параметров модели твердения кирпича

2.2.3 Идентификация теплофизических характеристик изделий

Глава 3 Исследование и оптимизация процесса тепловой обработки

3.1 Обоснование выбора системы технологических ограничений процесса и показателей качества изделий

3.1.1 Прочность изделий

3.1.2 Ограничение по температуре изделий

3.1.3 Ограничение по перепаду температуры в кирпиче

3.1.4 Температура поверхности пластин кирпичей

3.1.5 Температура в автоклаве

3.1.6 Ограничения на изменение входных воздействий

3.2 Математическая формализация критерия оптимизации

3.3 Имитационное исследование процесса тепловой обработки силикатного кирпича

3.3.1 Методика проведения имитационных исследований

3.3.2 Результаты имитационных исследований влияния режимных параметров на качественные показатели процесса

3.3.3 Выбор управляющих воздействий

3.4 Оптимальное управление процессом тепловой обработки силикатного кирпича

3.4.1 Постановка задач оптимального программного управления процессом тепловой обработки

3.4.2 Алгоритм приближенного решения задачи оптимального программного управления

3.4.3 Определение классов варьируемых функций

3.4.4 Решение задачи оптимизации

В последние годы в строительной индустрии отмечается снижение удельного веса построек из типовых железобетонных изделий и монолитного железобетона и рост доли строительства низко этажных кирпичных зданий по индивидуальным проектам. Кирпич, в то числе силикатный (СК) - является основным строительным материалом, определяющим стоимость, качество и долговечность этих построек. Следовательно, именно качество и стоимость СК в условиях рыночных отношений влияют на объём его реализации и уровень рентабельности производства.

Важнейшей стадией производства СК, влияющей на себестоимость и качество готовой продукций, является тепловая обработка (ТО). На её долю приходится основная часть времени изготовления изделий и до 80% энергозатрат.

Стадия ТО СК характеризуется слабой изученностью динамики протекающих физико-химических процессов, множеством влияющих факторов, в том числе неконтролируемых, и взаимосвязанностью значительной части выходных параметров распределенных в пространстве, сосредоточенностью управляющих воздействий. Особое значение приобретают отклонения в ходе технологического процесса, связанные с резкими скачками параметров греющего пара, вызванными пиковыми нагрузками и общей нехваткой энергоресурсов. Из-за отсутствия эффективных алгоритмов и систем управления (СУ) процессом ТО наблюдаются большие вариации качественных показателей изделий и значительный перерасход энергоресурсов.

В связи с этим создание эффективных алгоритмов и СУ процессом ТО, обеспечивающих снижение себестоимости изделий при сохранении заданных качественных показателей, является актуальной задачей, требующей проведения комплексных научных исследований, основанных на методах имитационного моделирования и оптимального управления.

Цель и задачи работы. Целью настоящей работы является разработка алгоритмов оптимального управления периодическим процессом ТО СК в промышленных автоклавах, применимых как в условиях регламентного производства, так и в условиях колебания входных характеристик теплоносителя; создание на их основе систем управления, обеспечивающих поддержание экономически выгодных оптимальных режимов ТО и сохранение качества готовой продукции.

Методы исследования. В работе использованы методы математического моделирования, современной теории автоматического управления, системного анализа.

Научная новизна результатов диссертационной работы заключается в следующем.

1. Разработана математическая модель динамики процесса ТО СК в промышленных автоклавах, организованная по блочному принципу и включающая математическое описание тепло- и массообменных процессов в паровом объеме автоклава, физико-химических процессов, протекающих в твердеющем кирпиче, в том числе кинетики изменения прочности кирпича, процессов распространения тепла в изделиях и потерь тепла через корпус автоклава.

2. Обоснованы качественные показатели, система технологических условий и ограничений, необходимые для решения задач управления процессом ТО СК в промышленных автоклавах.

3. Проведены имитационные исследования влияния режимных параметров на качественные и экономические показатели процесса.

4. Поставлена и решена задача оптимального управления процессом ТО СК в промышленных автоклавах.

Практическая ценность работы. Разработан комплекс программ для проведения имитационных исследований, решения задачи оптимального управления процессом.

Выявленные в результате исследования технологические особенности процесса ТО СК сформулированы в виде рекомендаций аппаратчику.

Результаты решение задачи оптимального управления процесса ТО СК, переданы в виде рекомендаций технологу. 7

Разработанные методики построения и идентификации математической модели, проведения имитационных исследований, программы и алгоритмы решения задач оптимального управления, выбора структуры, параметров СУ универсальны и могут быть применены при решении аналогических задач других производств, в частности, при управлении процесса вулканизации шин и резинотехнических изделий, тепловой обработки композиционных материалов и железобетонных изделий, процесса стерилизации пищевых консервов.

Апробация работы. Основные результаты работы представлялись и обсуждались на всероссийских и международных научных конференциях: III научной конференции ТГТУ (Тамбов, 1996); XI Международной конференции (Владимир 1998). Результаты решения задачи оптимального управления проверены на процессе тепловой обработки силикатного кирпича в автоклавах действующего производства ОАО "Жилищная инициатива".

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений.

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Разработано математическое описание технологического процесса тепловой обработки силикатного кирпича в промышленных автоклавах, 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 тепловой обработки силикатного кирпича в промышленных автоклавах.

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

5. Поставлена и решена задача оптимального управления процессом тепловой обработки силикатного кирпича в промышленных автоклавах.

•: Определена структура и параметры системы управления процессом тепловой обработки силикатного кирпича в промышленных автоклавах, выбраны технические средства, реализующие разработанные алгоритмы управления.

130

1. Захарович B.C., Шукуров Э.Д. Производство кирпича. - Ленинград: Стройиздат, 1988.

2. Куприянов В.П. Типовые производства силикатных изделий М.: Стройиздат, 1986.

3. Вахнин М.П., Анищенко А.А. Производство силикатного кирпича. М., Высшая школа, 1989.

4. Хавкин В.В. Теория силикатного кирпича М.: Высшая школа, 1979.

5. Зейфман М.И. Изготовление силикатного кирпича и силикатных ячейстых материалов. М.: Стройиздат, 1990.

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

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

8. Зорохович B.C., Шукуров Э.Д. Производство кирпича: Комплексная механизация и автоматизация. Л., Стройиздат, 1988.

9. Нехорошев А.В., Цителаури Г.П., Хлебионек Е., Жадамбаа Ресурсосберегающие технологии керамики, силикатов и бетонов: Структурообразование и тепловая обработка. М., Стройиздат, 1991.

10. Розенблит С.М. Производство силикатного кирпича М. 1958. П.Бобкова М.М. Физическая химия силикатов. Минск, «Вышейшая школа», 1977.

11. Бутт Ю.М., Дудеров Т.Н., Матвеев М.А. Общая технология силикатов. -М., Стройиздат, 1976.

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

13. Еремин Н.Ф. Процессы и аппараты в технологии строительных материалов. М., 1986.ттлт г. „„ ТТпоттессьт и аппараты в технологии строительных мате131

14. Кокшарев В.Н. Тепловые установки Киев,1990.

15. А.С. 1811517 С 04 В 28/18 Сырьевая смесь для изготовления саиликатного кирпича.

16. А С. 1812174 С 04 В 40/02 Способ формования силикатного кирпича.

17. А.С. 1839664 А 3 С 04 В 28/14 Способ получения кирпича.

18. А.С. 1828459 С 04 В 28/18 Способ изготовления строительного кирпича.

19. А.С. 2000284 С, С 04 В 28/14, 11/06 Способ изготовления кирпича на основе фторангидрита.

20. АС. 2018498 С 04 В 28/26 Способ изготовления безобжиговых строительных изделий.

21. Гладышев Б.Н. Механическое взаимодействие элементов структуры и прочности силикатных изделий. X. 1987.

22. Астреева О.М., Лопатникова Л.Я., Гусев В.И. Изучение процессов гидратации композитных материалов. Под ред. Ю.М. Бутта. М., 1980.

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

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

25. Марьямов Н.Б. Тепловая обработка изделий на заводах сборного железобетона. М.,1970.

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

27. Бутт Ю.М., Рашкович Л.Н. Твердение вяжущих при повышенных температурах. М., Госстройиздат, 1969.

28. Хохштеттер Р. В сб. «Материалы III Международного симпозиума по силикатным строительным изделиям автоклавного твердения». М., ВНИИст-ром, 1974.,aiuh производства кирпича. Под ред. И. М. Глуш132

29. Тимашев В В. Синтез и гидратация вяжущих материалов. // Влияние физической структуры силикатного камня на его прочность М.: Наука, 1986. -с.370-377.

30. ЗЗ.Обещенко Г.А., Шифрин Е.И. Математическая модель и эффективные режимы ТВО силикатного кирпича. // Силикатная промышленность 1981. - N 12. -с.9-11.

31. Пятков В.Д. Новый прибор для контроля за твердением кирпича в процессе термообработки. // Силикатная промышленность. -N1 .-1988.-с.25-26.

32. Миронов С.А., Малинина Л.А. Ускорение твердения кирпича. М.,1991.

33. Гордон С.С., Никулин Л.И., Тихонов А.Ф. Автоматизация контроля качества изделий силикатной промышленности. М., 1991.

34. А.С. 318914, G 05 В 19/02. Устройство для автоматического управления тепловой обработкой силикатных изделий.

35. А.С. 1312525, G 05 В 19/02, С 06 F 15/46. Устройство управления тепловой обработкой силикатного кирпича.

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

37. Марьямов Н.Б. Тепловая обработка изделий на заводах строительной индустрии. М.,1970.

38. Дмитрович А.Д. Тепло и массообмен при твердении кирпича в паровой среде. М., 1967.

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

40. Дмитрович А.Д. Тепло и массообмен при твердении силикатного кирпича в паровой среде. М., 1967.

41. Пунагин В.И. и др. Совершенствование тепловлажностной обработки силикатного кирпича // Силикатная промышленность, 1982, №3, с.21-23

42. А.С. 370191, С 04 В 41/30. Способ регулирования процесса тепловой обработки изделий стройиндустрии.

43. А.С. 526859, G 05 В 19/02. Устройство для автоматического управления прочностью силикатных изделий.

44. А.С. 828173, G 05 В 19/02. Устройство для управления тепловой обработкой силикатного кирпича.

45. А.С. 881086, С 04 В 41/30. Способ управления процессом тепловой обработки строительных изделий.

46. А.С. 948685, В 28 С 7/00, G 05 В 19/02. Устройство для автоматического управления составом силикатной смеси и режимом тепловой обработки силикатных изделий.

47. А.С. 1416320, В 28 С 7/00, G 05 В 19/02. Устройство для управления процессом изготовления силикатного кирпича.

48. А.С. 1418290, В 28 С 7/00, G 05 В 21/02. Устройство управления процессом пропаривания кирпича в тепловой установке.

49. А.С. 1516364, В 28 С 7/00, G 05 В 19/02. Устройство для управления процессом изготовления силикатных изделий.

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

51. А.С. 1790570, С 04 В 40/02. Способ управления процессом тепловой обработки изделий.4002. Способ термовлажностной обработки сили

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

53. Зудов В.А. Автоматизация промышленных автоклавов 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.

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

55. 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.

56. Технические средства автоматизации химических производств: Справ.изд. /B.C. Балакирев, Л.А. Барский, А.В. Бугров и др. М.: Химия, 1991.272с.

57. Фролов С.В. Тенденции развития систем управления технологическими процессами //Приборы и системы управления. 1996. № 9. С.6-8.

58. Корнеева А.И., Матвейкин В.Г., Фролов С.В. Программно-технические комплексы, контроллеры и SCADA-системы. М. 1997.

59. Кафаров В.В. Основы массопередачи. М.: Высшая школа, 1974. 439с.

60. Кафаров В.В., Глебов М.Б. Математическое моделирование основных процессов химических производств: Учеб. Пособие для ВУЗов. М.: Высшая школа, 1991. 400с.

61. Гельфанд И.М., Фомин С.В. Вариационное исчисление. М.: Физматгиз, 1961.135

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

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

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

65. Моисеев Н.Н. Численные методы в теории оптимальных систем. М.: Наука, 1971.488с.

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

67. Цимерманис Л.Б. Термодинамические и переносные свойства капилярно-пористых тел. Южно-Уральское книжное издательство, 1971.

68. Лыков А.В. Явление переноса в капилярно-пористых телах. М., Госэнер-гоиздат, 1954.

69. Лыков А.В., Михайлов Ю.А. Теория тепломассопереноса, М.-Л., Госэнер-гоиздат, 1963.

70. Лыков А.В., Тепломассообмен , М., 'Энергия', 1972.

71. Лыков А.В., Теория теплопроводности, М., 'Высшая школа', 1967.81 .Кутателадзе С.С. Теплообмен при конденсации. М., "Энергия", 1977, 242с.

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

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

74. Вукалович М.П. Термодинамические свойства воды и водяного пара (таблицы и диаграммы). М.: Стандарты, 1969.

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

76. Михлин С.Г. Прямые методы в математической физике. Гостехиздат, 1950.

77. Эльсгольц Л.Э. Дифференциальные уравнения и вариационное исчисление. М., 1969-424с.136

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

79. Фролов С.В. Математическое моделирование и оптимизация процесса обесфторивания фосфатов во вращающейся печи. Канд. дисс. -Тамбов: ТИХМ, 1988. -240с.

80. Справочник по теории автоматического управления. /Под ред. А,А, Кра-совского. М., Наука, 1987. 712с.

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

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

83. Бодров А.В. Оптимизация процесса стерилизации консервов в автоклаве и его математическое моделирование: Канд дисс. Л.,1985. 366с.

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

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

86. Справочник по теории автоматического управления /Под ред. А.А. Кра-совского. М.: Наука, 1987. - 712с.

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

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

89. Бояринов А.И., Кафаров В.В. Методы оптимизации в химической технологии. М.: Химия, 1975. - 576с.137

90. Фролов С.В., Харченко В.Ю. Математическая модель тепловой обработки силикатного кирпича в промышленных автоклавах/ Тамб. гос. техн. ун-т. Тамбов, 1997. 33с. Деп. в ВИНИТИ 04.04.97, №1081-В97.

91. Фролов С.В., 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.

92. Ю2.Матвейкин В.Г., Фролов С.В., Лагутин А.В. Модернизация лабораторных стендов на базе пневматических имитаторов динамики// Приборы и системы управления. 1997. №4. С.44-46.

93. Purton M.J., Coldrey J.M. The effect of autoclaving conditions on the constitution and properties of calcium silicate brick spesiraens. Trans. Brit. Ceram. Soc., 1970 №3.

94. Alonso A.A., Banga J.R. Perez-Martin R. Modeling and adaptive control for batch sterilization// Computers chemical engineering Vol.22, No.3, pp.445-458,1998.138