автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Оптимальное энергосберегающее управление тепловыми процессами прессового оборудования

о

о

о

На правах рукописи

Чернышев Николай Генрихович

ОПТИМАЛЬНОЕ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕЕ УПРАВЛЕНИЕ ТЕПЛОВЫМИ ПРОЦЕССАМИ ПРЕССОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Специальность 05.13.07 Автоматизация технологических

процессов и производств (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертация в* соискание ученой етецеви кяндидат технических наук

Тамбов-1897

Работа выполнена в Таыбозсхом государственном техническом университете на кафедре «Конструирование радиоэлектронных и микропроцессорных систем».

Научные руководители: заслуженный деятель науки и техники РФ,

доктор технических наук, профессор V Муромцев Юрий Леонидович;

кандидат технических наук, доцент Клинков Алексей Степанович.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Матвейкив

Валерий Григорьевич ; кандидат технических наук, Баги о

старший научный сотрудник Анатолий Иванович .

Ведущее предприятие: АО «Лолждермащ» .

Защита состоится 1997 г. в ауд 60, ул. Ленинград-

ская, 1 в £ часов на заседании диссертационного совета К 064.20.01 Тамбовского государственного технического университета. Отзывы в двух экземплярах, скрепленные гербовой печатью, просим направлять по адресу: 392000, г. Тамбов, ул. Советская, 106, ТГТУ.

С диссертацией ыожгю ознакомиться в библиотеке ТГТУ. Автореферат разослан его.-г^- -/-^Д/Я-у 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доцент В.М.Нечаев

. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Обострение энергетических проблем, вызванное им сложное экономическое положение многих отечественных предприятий диктуют необходимость поиска новых путей решения задач рационального использования энергетических ресурсов. Актуальность разработки несложных и доступных по цене микропроцессорных управляющих устройств, которые наряду с традиционными функциями автоматического регулирования могут в реальном масштабе времени синтезировать управляющие воздействия, минимизирующие затраты энергии в динамических режимах, очевидна. Применение подобных систем в промышленности позволит не только сократить энергозатраты на 10-25 %, но и продлить срок эксплуатации оборудования, повысить качество продукции, а также улучйить экологическую обстановку производства.

На основе современного математического аппарата и выполненного с помощью кеш полного анализа оппшальнош по сбережению энергоресурсов управления рядом динамических объектов на множестве состояний функционнровашш (МСФ), а также получешилх алгоритмов, и программ синтеза в реальном временя управляющих воздействий, разработана микропроцессорная система для оптимального энергосберегающего управления нагревом плит и технологической оснастки вулканизаци-онного прессового оборудования. Экономия энергии во многом определяется параметрами объекта управления, его энергетическими характеристиками и особенностями эксплуатации.

Анализ современных отечественных и зарубежных микропроцессорных систем управления, а также современного оснащения прессового оборудования показали, что пока не созданы компактные микропроцессорные устройства, предусматривающие в числе выполняемых функций оперативное решение задач оптимального управления. Таким образом, разработка микропроцессорной системы оптимального энергосберегающего управления нагревом плит и технологической оснастки вулханиза-ционного прессового оборудования является актуальной задачей.

Целью работы является экономия электроэнергии в динамических тепловых режимах функцшмшрования прессового оборудования, улуч-

шение его эксплуатационных характеристик, внедрение новейших методов управления в промышленности. Для достижения цели потребовалось решение следующих задач: выполнен литературный обзор современных отечественных и зарубежных микропроцессорных средств управления технологическими процессами; проведена серия экспериментов на объекте управления и компьютерная обработка экспериментальных данных; , -..формулирована и решена расширенная задача оптимального управления. учитывающая технико-экономические аспекты реализации системы; получена математическая модель нагрева плит вулкакизационного пресса ¡1 се параметры, а также алгоритмы для расчета управляющей программы микропроцессорным устройством; произведен выбор микропроцессорно -го контроллера, способного реализовать полученный алгоритм; разработана система оптимального энергосберегающего управления нагревом плит и технолбгической оснастки гидра вл, кого вулкакизационного пресса; проведены отладка и испытания системы в лабораторных и про-изиодствснных условиях. При решении данных задач были использованы методы математического моделирования, анализа и синтеза оптимального управления на множестве состояний функционирования, экспериментально-аналитические методы построения микропроцессорных управляющих устройств, моделирование процессов управления на ЭВМ.

Обоснованность научных результатов. Исследования в работе выполнялись с помощью современного математического аппарата анализа и сиктечя оптимального по сбережению энергоресурсов управления рядом динамических объектов, описываемых дифференциальными уравнениями первого и второго порядков на множестве состояний функционирования, а также с применением новых информационно-компьютерных технологий. Полученные теоретические результаты были подтверждены в ходе лабораторных и промышленных испытаний системы.

Научная новизна работы. Получены модели процесса нагрева плит гидравлического вулкакизационного пресса и алгоритмы расчета оптимальных управляющих воздействий, пригодные для функционирования микропроцессорной системы энергосберегающего управления. Сформулирована расширенная задача оптимального управления и разработан алгоритм ее решения. Разработана микропроцессорная система управле-

нкя, которая наряду с традиционными функциями автоматической) регулирования способна в реальном масштабе времени синтезировать >пплн-ляюшие воздействия, минимизирующие затраты энергии и динамических режимах.

Практическая ценность работы. Созданная микропроцессорная система оптимального управления позволяет снизить затраты энергии, на нагрев плит и технологической оснастки гидравлического вулканизаин-оиного пресса 100-400 2Э на 14 %. Система может быть установлена практически на любом прессе, в котором для управления нагревательными устройствами плит применяются тиристоры или симисторы, а также может функционировать в составе различных по сложности автоматизированных системах управления технологическими процессами и обслуживать одновременно несколько прессов.

При использование соответствующего программного обеспечения микропроцессорная система позволяет без дополнительных аппаратных доработок производить высокоточную регулировку и оптимизацию температурных режимов прессования, что значительно улучшит качество выпускаемой продукции.

Внедрение системы наряду с экономией энергетических ресурсов продлевает срок эксплуатации нагревательных элементов прессового оборудования и улучшает экологическую обстановку производства. Созданная микропроцессорная система и методика реализации оптимального энергосберегающего управления универсальны и могут быть применены для широкого класса объектов.

Апробация работы. Материалы работы были доложены на III научной конференции преподавателей и студентов ТГТУ (1996 г.) и на научной конференции "Системные методы теории чувствительности, надежности и математического моделирования в информационных технологиях электроники и связи" (Москва-Сочи, 19% г.). Результаты работы представлены публикациями в цетральной и зарубежной печати.

Публикации. Теоретические и практические результаты диссертации опубликованы в 4 печатных работах.

Объем работы. Диссертационная работа включает введение, четыре главы, выводы, список используемой литературы и приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность, сформулированы цели настоящей работы, определены ее научная новизна и практическая ценность. Сформулированы положения, выдвигаемые на защиту.

В первой главе приводится классификация прессового оборудования, особенности его функционирования, энергетические характеристики процесса прессования и способы нагрева. Рассмотрены аспекты внедрения систем оптимального энергосберегающего управления в прессовом оборудовании и электротехническое оснащение прессового оборудования. Произведен обзор отечественных и зарубежных микропроцессорных контроллеров для систем управления. Сформулированы цель и задачи диссертационной работы.

Во второй глава рассмотрена система индукционного обогрева и принцип ее работы в аулканизационном прессовом оборудовании, приведены основные соотношения для расчета устройств индукционного обогрева. Сформулирована задача оптимального энергосберегающего управлешш на МСФ Н процессом нагрева плит гидравлического вулка-низационною пресса. Нагревательная плита в состоянии функционирования И описывается моделью в виде системы обыкновенных дифференциальных уравнений

I =/*(*,и,/) , 'е['оЛ]> АеЯ, (1)

требуется из начального состояния г ('о) = перевести ее в конечное

= Zк за время Д/ = /к - /0, т.е.

ф) »г0-*г= (2)

где = (21, 12)т-

На управляющее воздействие и наложено ограничение для каленого момента времени, т.е.

V/б [/«>,/*] и(/)фн,«в]. (2)

а также интегральное ограничение

к

¡иг(г)ЛИлоп. (4)

'о

Требуется определить такое оптимальное управление «*('), ' е ['о> ] > которое удовлетворяет условиям и ограничениям (1)-(4) и доставляет минимум функционалу

и

/ = |и2(/)Л. . (5)

'о

Таким образом, микропроцессорная система оптимального энергосберегающего управления, решающая данную задачу, должна по массиву исходных данных для состояния функционирования А :

О, =(/ ."н ."в.г0.^ Л.'хЛоп) (6)

за допустимое время Д/д рассчитать оптимальное управляющее воздействие и'(/) / ф,Гк], т.е. определить вид функции и* (г), если решение

задачи оптимального управления существует, и ее параметры или пылать сигнал, информирующий о невозможности реализации оптимального управления.

Изменение состояния функционирования Л вызывается применением различных по своим характеристикам пресс-материалов, разной конечной температурой нагрева плиты, сменой технологической оснастки, а также колебаниями температуры окружающей среды.

Задача определения модели динамики объекта для расчета оптимального управления заключается в следующем. Для объекта уиравлешгя - нагревательной плиты пресса в процессе реальной эксплуатации регистрируют значения выходной переменной в виде последовательности для к + 1 -го момента времени

{>(/,), /=0,1,2,...,Л} (7)

и последовательность соответствующих входных воздействий

{«('/). /-0,1,2,....*}. (8)

В нашем случае у {¡¡), и (/¡) - температура и напряжение питания нагревательной плиты в момент времени , соответственно.

Последовательность (7) может быть получена также с помощью точной математической модели, например, в виде системы дифференциальных уравнений высокого порядка или уравнений в частных производных.

Задается множество элементарных моделей в виде обыкновенных линейных дифференциальных уравнений первого и второго порядков, в нашем случае множество содержит пять компонентов:

{ г = Ьи(1); I = дг(/) + = г2(')> ¿2 = Ц/); ¿1 = г2('),

¿2 = аг2(') + Ьи ; ¿1 = ¿2 = о,*^/) + а2г2(') + Цг) }

и допустимая погрешность модели Аудо „ в форме максимальной абсолютной погрешности, т.е.

тах{ IУ ('') ~ ^¡0/) | . ' = 0,1,2,3-----А} 5 Лудоп. (10)

Требуется определить модель с изменяемой правой частью айда

(9)

г =

/¡(г,и,1), ге /г(г •«,'), ге

(11)

и ее параметры при удовлетворении условий (9), (10).

Данная методика позволяет для описания технологических процес-' сов использовать модели в форме обыкновенных линейных дифференциальных уравнений первого и второго порядков, что существенно упрощает дальнейшую разработку математического и программного обеспечения микропроцессорной системы оптимального энергосберегающего управления.

В третьей главе рассматривается задача энергосберегающего управления тепловыми процессами прессового оборудования на МСФ, анализируются возможные состояния функционирования вулканизационного прессового оборудования, разрабатывается структура системы оптималь-

нога управления на МСФ. Оперативность и наглядность решения задач анализа и синтеза оптимального управления достигается применением нового подхода, в основе которого лежит метод синтезирующих переменных. Этот метод позволяет перейти от массива рек|шз!ггов задачи большой размерности к нескольким синтезирующим переменным, которые однозначно характеризуют вид и параметры оптимального управления.

В результате обработки экспериментальных данных (7), (8) на множестве состояний функционирования выделен ряд моделей, описывающих процесс кафе па плит и получены оптимальные программы энергосберегающего управления. В ходе проведенного анализа по критериям экономии энергии и возможностям микропроцессорной системы управления был произведен выбор модели и оптимальной программы управления. Модель получена в виде дифференциальных уравнений, соответствующих двум температурным зонам

Г =

г3(0.гг =0^2(0 + ^(0 ,Те[Т0;Т1)

(12)

для состояния функционирования с начальной температуртй Гу = 25 °С и конечной Тх ~ 200 °С.

Общая оптимальная программа нагрева для этой модели состоит из двух участков

«*(■) = (»,•(/),/е[/0,/1); «;(')>'е('|Л]). (13)

и имеет вид

«,"(/) = 154+ 0,01-, /е[0;24); .п [110 + 77^'-»), /е[24;25);

(И)

"2(0: ,

(220 , /е[25;44].

В памяти микропроцессорной системы содержатся программы оптимального управления для каздого состояния функционирования. В зависимости от используемого пресс-материала, температуры нагрева,

применяемой технологической оснастки микропроцессорная система энергосберегающего управления на МСФ использует соответствующую оптимальную программу управления.

Использование метода синтезирующих переменных существенно упрощает разработку математического и программного обеспечения, позволяет использовать для создания системы энергосберегающего управлений новые информационные технологии.

Рассчитанный теоретически экономический эффект при использовании оптимального управления может существенно отличаться от реального практического результата. Это обусловлено тем, что в ходе решения задачи оптимального управления (1)-(5) не учитываются технико-экономические аспекты реализации системы. Вследствие этого а настоящей работе рассматривалось не только получение оптимальной программы управления, а и разработка микропроцессорной системы, способной функционировать в реальных производственных условиях. В этих целях сформулирована расширенная задача оптимального управления (РЗОУ), предусматривающая технико-экономические аспекты реализации системы оптимального управления и разработан алгоритм се решения. В РЗОУ учитываются дополнительные затраты энергии на осуществление оптимального управления, рассчитанного микропроцессорным контроллером, определяется стратегия реализации оптимального управления, то есть преобразование в реальное управляющее воздействие

на объект и (г), осуществляется выбор наиболее экономичного варианта

системы оптимального управления.

Дополнительные затраты энергии, связанные с преобразованием оп-• —*

тимального управления и (г), в управляющее воздействие и (/), которое

непосредственно управляет объектом, обозначим М . Стратегия ре ал им* —•

ции 57? оптимального управления и (г) в воздействие и (/) представляет собой некоторое отображение множества расчетных оптимальных управлений в множество реализуемых управляющих воздействий

!"(/)}, т.е.

SJk {«'(/)) |i*(/)J , (15)

: допустимой погрешностью AUacm в виде максимальной абсолютной по-решности, т.е.

iaxjj u'(t,)-i'(t,

, /-0,1,2.3.....к

&1/ ,

( 1(31

t быть технически осуществимым. Затраты энергии при использовании

i (?) должны бьггь ниже затрат при традиционном управлении u(f).

В РЗОУ дополшггельно к условиям задачи (1) - (5) задано множест-о возможных стратегий оптимального управления

шожество стратегий реализации оптимальных управляющих воздействий

5Ä = {5Äl,5Ä2,Äf3j, (18)

тожество технических средств реализации системы оптимального

правления

75 = {m.m.753.....73т}, (19)

шожество видов функций управляющих воздействий

и (/) = {üi(f),ü2(f),^(/)J, (20)

ради 1Шоиное управление объектом

4) = ("('). 'ф-'«]). (21) затраты энергии при традиционном управлении

'до „=р(')л (22)

'о

энергопотери на технических узлах

{\I(TSl), AI (TS 2)д/ (TSm)}. (23)

Под множеством стратегий реализации SR подразумеваются амплитудный (SRI), широтно-имлульсный (SR2) и фазовый (SRI) способы управления.

Требуется найти: стратегию оптимального управления

z'jeS, t (24)

стратегию реализации оптимальных управляющих воздействий

SJ$ 6 SR, (25)

набор технических средств для реализации системы оптимального управления

{ZSl,IS2,..M73V}' с TS, (26)

вид и параметры функции реальных управляющих воздействий и (г),

_*

значение минимизируемого функционала для и (/)

/ = J ы (f)dr, (27)

'о

дополнительные потери на технических узлах системы оптимального управления

г

д7 = £ M(TSn). (28)

Я = 1

Найденные SJt SRi , {Г5,1,га'2,...>Т5у} , и (t) должны обеспечить минимум расширенного функционала

1р = 7* + д7 min . (29)

Решение РЗОУ существует, если выполняются следующие условия: существует оптимальное управление u'{t), т.е. имеет решение задача оптимального управления (1)-(5); имеется стратегия реализации SR} и технические средства { TS1,TS2, ... ,TSv J*, для которых справедливо

7* + л7</доп. (30)

©

L

ВЫБОР ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ

¡TSi.TSl, ..,TSv)

РЕШЕНИЯ PÍO У СУЩЕСТВУЕТ ВЫДАЧА ТАЕЛИЦЫ РЕЗУЛЬТАТОВ

РЗОУ IDS ИМЕЕТ ГЕшаои

Рис. 1. Kssz-cœza злгсрэтиз РЗОУ

РЗОУ относится к классу сложных нелинейных задач и допускает декомпозицию на следующие подзадачи: обычная (классическая) задача оптимального управления, задача выбора стратегии оптимального управления на множестве состояний функционирования, стратегии реализа-. ции оттогальных управляющих воздействий и технических средств, оценка общ>сс затрат (значения функционалов) и принятия решения.

Разработан обобщенный алгоритм решения РЗОУ, блок-схема которого показана на рис. 1. Алгоритм решения расширенной задачи оптимального управления использован в системе автоматизированного проектирования разработчика микропроцессорных систем оптимального энергосберегающего управления.

В четвертой глав« приводятся результаты разработки системы оптимального энергосберегающего управления нагревом плит гидравлического вулканизационного пресса. Согласно выбранной стратегии реализации управляющих воздействий создано универсальное устройство связи с объектом управления, предназначенное для преобразования кода управления, выдаваемого микропроцессорным устройством, в фазовое управляющее воздействие. Это воздействие подается на ключевой симистор, установленный в цепи питания нагревательной плиты пресса. Также устройство связи с объектом управления обеспечивает усиление сигналов термодатчиков плит.

На основе технико-экономических требований к системе оптимального энергосберегающего управления в ней использовано интеллектуальное одноплатное устройство 2НА-1000. Для программирования Х\1А-1000 использовался язык ШМА-ВАБЮ, реализующий доступ к любым периферийным узлам контроллера, и терминальная программа БАМ 52, обеспечивающая тестирование и быстрое внесение изменений в программу.

Решение РЗОУ показало, что экономия электроэнергии составляет 14,8% или 1,04 кВт • ч для одного пресса марки 100-400 2Э в режиме нагрева плот до заданной температуры 200 °С. На рис. 2 приведены сравнительные температурные зависимости при оптимальном и традиционном управлении нагревом плит.

Обработка и отладка микропроцессорной системы оптимального • энергосберегающего управления проводилась в среде программно-технического комплекса, структура которого показана на рис.3. Новые информационные технологии, и в частности экспертная система оптимального энергосберегающего управления обеспечивают сквозной цикл автоматизированного проектирования оптимальной управляющей программы, включающий обработку экспериментальных данных и определение математической модели управляемого объекта, нахождение вида и расчет параметров функции оптимального равления, расчет управляющего воздействия, реализуемого микропро-ссорной системы управления, проведение компьютерных испытаний равляющей программы на макете с выводом результатов на дисплей, оверку адекватности аппроксимирующей модели и коррекцию управ-ющей программы, запись оглажегшой управляющей программы в по-зянное запоминающее устройство микропроцессорной системы.

В результате проведения комплекса лабораторных и промышленных пытаний системы средний показатель экономии электроэнергии для фавлического вулканизационного пресса 100-400 2Э в режиме нагрева ит до заданной температуры составит 14 %. Разработанная система

42 44 49 1.МИН

Ps:c. 2. Теклсратурпые зависимости и

упргзляклцг:? воздействия при оптимальяом и трлдкаиогисм управления нагревом плят

оптимальною энергосберегающего управления нагревом плит гидравлических вулканизационных прессов принята к внедрению АО "Завод АР-

ТИ".

Ряс. 3. Прогртшю-техяйческяа комплекс для разработки смстемы оптимального энергосберегающего управления тепловыми процессии прессового оборудования

В приложении даны технические характеристики гидравлического вулканизационного пресса 100-400 2Э, таблицы и графики нагрева плит, таблицы рассчитанных параметров оптимальных программ . Рассмотрены отдельные узлы устройства свази с объектом управления, принципиальные схемы и диаграммы, поясняющие их работу, приведена таблица кодов и управляющих воздействий микропроцессорной системы управле-

ния. Даны основные используемые команды и операции языка ГЫМА-ВА51С и редактора БАЫ1 52, а также программы, поддерживающие функционирование системы.

Выводы

1. Получены модели процесса нагрева плит гидравлического вулка-низационного пресса 100-400 2Э.-

2. Получены алгоритмы реализации оптимальных управляющих яоэ-действий микропроцессорным устройством на множестве состояний функционирования.

3. Поставлена и решена расширенная задача оптимального ущ"пиления.

4. Разработана микропроцессорная система, выполняющая Функцию оптимального энергосберегающего управления нагревом плит и технологической оснастки вулканизационного лессового оС*>ру юмния ло заданной температуры на множестве сосгоягшй функционирования.

5. Система может быть установлена на любом ниессе. в котором о управления нагревательными устройствами плит применяются тирис:о>,ч,. или симисторы, а также способна функционировать я составе различных по сложности аитоматизированных системах управления технологическими процессами и обслуживать одновременно несколько прессов.

6. Использование системы на вулканизапионном прессе марки ¡00400 2Э позволяет экономить в среднем 14 % электроэнергии в режиме оптимального энергосберегающего управления нагревом плит до сланной температуры. Ожидаемый экономический эффект от внедрения системы составляет 15 млн. рублей.

7. При использование соответствующего программного обеспечения созданная система позволяет без дополнительных аппаратных доработок производить высокоточную регулировку и оптимизацию температурных режимов прессования, что позволит снизить брак и существенно повысить качество продукции, повысить равномерность нагрева плит н пресс-форм.

8. Внедрение системы наряду с экономией энергетических гксурсов продлевает срок эксплуатации прессового оборудования, а также позволяет улучшить экологическую обстановку производства.

9. Разработанная микропроцессорная система и методика реализ ции оптимального энергосберегающего управления достаточно униве сальны и'могут быть применены для широкого класса объектов.

Условные е5оз"п?татая:

Z - вектор фазовых координат (Zi или Т- температура, °С, ц - ск рость изменение температуры); и - скалярное управляющее воздейсти (напряжение, В); t - время, мин; fh - вид функции правой части дифф ренциального уравнения, соответствующий состоянию функциониров ния h; H - множество состояний функционирования; /доп- допустим!

значение функционала (лишгг энергии), В2-шш; Г - оптимальное зн чение минимизируемого функционала, В2-мин; a, b - параметр объекта; m- общее число технических средств; v - общее число технич ских средств, выбранных для построения системы оптимального энерг сберегающего управления.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Муромцев ЮЛ., Орлова Л.П., Чернышев Н.Г. Математическое программное обеспечение микропроцессорных систем энергосбереп» щего управления. / Автоматика и вычислительная техника. - 1996, №6. С. 26-34.

2. Чернышев Н.Г. Модг лирование и оптимальное упрамение пр цессом прессования. Российская научная конференция "Системные м годы теории чувствительности, надежности и математического моделир вания в информационных технологиях электроники и связи". - Москв Сочи, 1996. - С. 102.

3. Чернышов Н.Г., Пудовкин А.П. Управляющий адаптер. // Трет научная конференция. Краткие тезисы докладов. - Тамбов: ТГТУ, 1996. С. 175.

4. Muromtsev Yu.L., Orlova LP., Chemyshov N.G. Mathematical Assu anee and Software of Microprocessor System for Economical Energy Manag meat / Allerton Press, Inc., New York // Automatic Control and Comput Sciences.-ISr36, №6. - P. 37-45.