автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Оптимизация и автоматизация тепломассообменных технологических процессов конвективной сушки промышленных изделий

ргс о®

а ь и-

На правах рукописи

Закируллнн Рустам Сабирович

ОПТИМИЗАЦИЯ II АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕПЛОМАССООБМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ КОНВЕКТИВНОЙ СУШКИ ПРОМЫШЛЕННЫХ ИЗДЕЛИЙ

05.13.07. - Автоматизация технологических процессов и производств (промышленность)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Оренбург - 2000

Работа выполнена в Оренбургском государственном университете

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор Абдрашитов Р.Т.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Рапопорт Э.Я.

кандидат технических наук, доцент Васильев А.П.

Ведущая организация: АО «Оренбургзаводстрой»

Защита состоится" 22 " апреля. 2000 г. на заседания диссертационного совета К 064. 64. 01 при Оренбургском государственном университете по адресу: 460352, г. Оренбург, нр. Победы, 13. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан " 22 " марта 2000 г.

Ученый секретарь диссертационного советд кандидат технических наук, доцент ■ (¿¿Г-

Л Ип. г- 1

. Р. Владов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Современные системы управления теиломас-сообменными процессами не обеспечивают оптимального решения проблем, связанных с конфликтующими требованиями, предъявляемыми к управлению, такими, как интенсификация процессов, повышающая производительность труда и снижающая энергетические, сырьевые и трудовые затраты, с одной стороны, и достижение требуемого качества продукции, с другой стороны. Недостаточно разработаны АСУ конвективной сушкой в периодических установках, имеющиеся системы управления сложны, дорога и экономически неэффективны для использования при небольших объемах производства. Редко применяются оптимальные и адаптивные системы, имеющие по сравнению с обычными АСУ преимущества именно в управлении сложными процессами, какими являются тепломассообменные процессы. Практическая реализация систем управления опирается на результаты громоздких лабораторных исследований свойств обрабатываемых материалов, что усложняет возможности перестройки систем управления при изменении входных параметров. Кроме этого, современные АСУ тепломассооб-менными процессами основаны, как правило, на контроле и регулировании параметров теплоносителя, легче поддающихся измерениям, а не обрабатываемого материала. Существуют проблемы измерения температуры и влаго-содержания изделий во время обработки - наиболее важных параметров, характеризующих тепломассообмен.

Для управления тепломассообменом в конвективных сушильных установках малой и средней производительности и периодического действия достаточно разработать простые ц дешевые по сравнению с существующими квазиоптимальные системы, на основе непрерывного контроля состояния материала обеспечивающие повышение качества изделий без дополнительных энергетических затрат. Работа выполняется в соответствии с федеральной целевой программой "Энергосбережение России на 1998 - 2005 годы".

Цель и задачи работы. Цель работы: построение квазпоптимальноп системы управления конвективной сушкой промышленных изделий для

повышения их качества, основанной на применении функционала, адаптивно учитывающего состояние материала при обработке.

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

1) разработка критерия оптимизации и математических моделей теп-ломассообменных процессов конвективной сушки для повышения качества продукции;

2) синтез квазиоптимальной системы управления конвективной сушкой на основе функционала, содержащего параметры материала и теплоносителя, с адаптацией к изменениям входных параметров;

3) оптимизация схемы измерения температуры для получения непрерывной информации о состоянии материала и теплоносителя с косвенной оценкой влажности материала - главного показателя качества продукция и с применением новых измерителей температуры;

4) оценка достоверности результатов исследования с помощью экспериментов и оценка эффективности разработанной системы управления процессом сушки.

Методы исследования. При решении поставленных задач использовались теория тепломассообмена, преобразования Лапласа, теория дифференциальных уравнений, классический метод вариационного исчисления, теория цепей, математическая статистика.

Научная новизна работы. В диссертационной работе получены следующие новые научные результаты:

- поставлена и проверена гипотеза о целесообразности квазиоптимального управления процессом сушки в период нагрева для повышения качества изделий на основе критерия оптимизации с учетом равенства средних температур сушильного агента по мокрому термометру и поверхности материала;

- разработаны математические модели процессов конвективной сушки в периодических тепловых установках и квазиоптимальная система управления с элементами адаптации;

- разработан метод непрерывной оценки качества продукции во время обработки;

- разработаны тепловые приемники излучения на основе оксидов ые-ди, применимые в тепломассообменных процессах в качестве измерителен температуры.

Практическая ценность результатов работы:

- разработан регулятор для управления процессом конвективной сушки изделий, повышающий качество продукции;

- разработана схема непрерывной оценки качества обрабатываемого материала на основе измерений температур теплоносителя на входе и выходе и поверхности материала;

- разработаны тепловые приемники излучения, применяемые для измерения параметров лазерного излучения и пригодные для измерения температуры.

Внедрение результатов работы. Результаты работы использованы при оптимизации процесса сушки кирпича на Оренбургском кирпичном заводе АО "Оренбургзаводстрой". Разработанные тепловые приемники излучения применяются для измерения энергетических параметров лазерного излучения в НПО "ВНИИФТРИ" (г. Москва). Результаты исследований включены в методические разработки курса "Теплотехника и теплотехническое оборудование" в Оренбургском государственном университете, а также внедрены в учебный процесс кафедры гидродинамики и теплотехники ОГУ в виде лабораторной установки по изучению процессов сушки.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на региональных научно-технических конференциях молодых ученых и специалистов (г. Оренбург, 1989,1995, 1996, 1998 гг.), на XV научно-технической конференции Оренбургского политехнического института (г. Оренбург, 1993 г.), на первой научно-технической конференции РУО АИН РФ "Наука и инженерное творчество - 21 веку "(г. Екатеринбург, 1995 г.), на международной научно-практической конференции "Инновационные процессы в образовании, науке и экономике России на пороге XXI века" (г. Оренбург, 1998 г.), на региональной научно-практической конференции "Современные технологии в энергетике, электронике и информатике" (г. Оренбург, 1998 г.).

На защиту выносятся следующие положения:

1) критерий оптимальности управления процессом сушки в виде функционала, связанного с равенством температур поверхности материала и теплоносителя по мокрому термометру, позволяющий вести процесс сушки в период нагрева с максимальной интенсивностью при обеспечении требуемого качества изделий;

2) метод непрерывной оценки качества обрабатываемого материала на основе измерений температур теплоносителя на входе и выходе и поверхности материала, позволяющий проводить контроль качества продукции во время обработки;

3) математическая модель, процесса конвективной сушки, учитывающая результаты непрерывных измерений параметров состояния теплоносителя и материала, дающая возможность построения квазиоптимальной системы управления процессом сушки;

4) структура квазноптииальной системы управления процессом конвективной сушки в периодической тепловой установке с элементами адаптации, включающей измерители входной и выходной температуры теплоносителя и поверхности материала, сумматор, усилители и регулирующий орган;

5) тепловые приемники излучения на основе оксидов меди, пригодные для измерения температуры в специфических условиях протекания тенломассообменн ых процессов.

Достоверность защищаемых научных положений подтверждается результатами лабораторных и промышленных испытаний разработанной системы управления процессом сушки в ОГУ и на Оренбургском кирпичном заводе АО "Оренбургзаводстрой", разработанных тепловых приемников излучения - в ОГУ и НПО "ВНИИФТРИ".

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 14 печатных работ, в т.ч. два авторских свидетельства.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, списка литературы и приложений. Работа изложена на 158 страницах, содержит 32 рисунка, 7 таблиц, 7 приложений. Список литературы включает 135 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, поставлены цель п задачи, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе дан обзор состояния вопроса, рассмотрены проблемы обеспечения качества продукции в тенломассообменпых процессах, роль непрерывной информации о состоянии материала непосредственно во время обработки, современные методы, средства и системы обеспечения качества продукции в тепловых процессах, сформулированы цель и задачи исследований.

В результате анализа состояния автоматизации управления тепломас-сообменными процессами сделаны следующие выводы:

- к выбору режимов тепловой обработки материалов предъявляются конфликтующие требования - интенсификация, как правило, приводит к ухудшению качества продукции вследствие усиления напряженного состояния материала из-за увеличения перепадов влагосодержания, температуры и давления между центром и поверхностью материала;

- известные теоретические положения тепломассообмена, разработанные A.B. Лыковым, необходимо применить при разработке математических моделей и построении АСУ с учетом оптимального соотношения между интенсификацией процессов и качественным состоянием изделий при обработке, позволяющего использовать существующие резервы повышения качества продукции;

- разработанные АСУ тепломассообменными процессами, описанные Г.Г. Зеличенком, И.Б. Гинзбургом, Г.А. Гуляевым и другими авторами, не затрагивают проблемы управления процессами при периодических режимах обработки в конвективных сушильных установках;

- труды А.И. Егорова, А.Э. Гордона, В.Е. Куцаковой и других авторов свидетельствуют, что дальнейшее развитие систем управления тепломассообменными процессами требует применения оптимальных и адаптивных систем, теория которых изложена в трудах A.A. Фельдбаума, М. Атанса н П. Фалба, Л.С. Понтрягина, Р. Беллмана и других;

- в области оптимального управления тепловыми процессами наиболее полно решены задачи оптимизации процессов теплопроводности в ме-

таллах Э.Я. Рапопортом, точные методы расчета оптимальных параметров сложны в практической реализации;

- для улучшения качества продукции, как указывают В.И. Марсов, И.Г. Мясковский и другие, следует учитывать состояние обрабатываемого материала на основе прямых непрерывных измерений его параметров, что требует разработки новых методов оценки температуры и влажности - важнейших параметров тепловых процессов, а также новых измерителей температуры;

- для удешевления стоимости управления периодическими конвективными сушильными установками малой и средней производительности существует необходимость разработки более простых по сравнению с существующими квазиоптимальных АСУ.

Вторая глава диссертационной работы посвящена формулировке задачи оптимизации процессов тепломассообмена, составлению математических моделей, разработке квазиоптимальной схемы управления и оптимизированной схемы измерения температуры теплоносителя и материала с применением новых измерителей температуры.

В периодических тепловых установках с небольшой производительностью для упрощения и удешевления управления достаточно применять приближенные методы нахождения оптимальных параметров процессов. Высказана гипотеза, что в конвективных сушильных установках периодического действия для улучшения качества изделий на основе ослабления напряженного состояния вследствие уменьшения перепадов влагосодержа-ния, температуры и давления в период нагрева достаточно проводить квазиоптимальное управление тепломассообменными процессами на основе критерия оптимальности с учетом равенства средних температур сушильного агента по мокрому термометру и поверхности м чериала. Для проверки гипотезы, выдвинутой при анализе происходящих при сушке процессов, сформулирована задача оптимизации сушильного процесса в конвективной установке с периодическим режимом работы при одноканальном управлении по входной температуре сушильного агента: найти оптимальное управляющее воздействие, которое переводит объект управления из заданного начального состояния в требуемое конечное состояние, обеспечивающее минимизацию среднеквадратичной ошибки приближения температуры поверхности материала к средней температуре сушильного агента по мокрому

термометру при непрерывной оценке этих параметров во время обработки, подчиненное условным ограничениям в виде системы уравнений математической модели сушилки

' ВЛх- Ваых- и + кГ(г + - Опот= тГ1,(с11„,„/ат);

. смВм(гвх- К,,) + + = а(ссмшм1вш)/с1т;

- Вм(и„х- ивь,х) - кр " ¿КЛых)/^'

где В , В^ - расходы теплоносителя и материала, кг/с;

¡„. 1 ,. - входная и выходная удельные энтальпии теплоносите-

ОХ, ЙЫ.\

ля, Дж/кг;

ак - конвективный коэффициент теплоотдачи, Вт/м2оС;

Р - площадь поверхности материала, м2;

Ч»' ^ V ^ах1 *-вых " температуры теплоносителя, поверхности

материала, воды, входная и выходная материала, °С;

к - коэффициент сушки, кг/с-м2;

г - удельная теплота парообразования, Дж/кг;

с„, ссм - удельные теплоемкости воды и сухого материала,

Дж/кг °С;

Опот - потери теплоты, Вт;

штн, шы - массы теплоносителя и материала, кг;

х - время сушки, с;

- влагосодержание теплоносителя, кг/кг; П| - влагосодержание материала, кг/кг. Математические модели процессов тепломассообмена составлены на основе уравнений тепловых балансов конвективных установок. Для однока-нального квазиоптимального регулирования процесса сушки в качестве параметра управления выбрана температура сушильного агента на входе хь, в качестве параметров состояния взяты температуры поверхности материала и отработанного теплоносителя

Из известного уравнения теплового баланса периодической сушильной установки, показывающего расход энергии теплоносителя на испарение влаги, нагрев материала, транспорта, стен камеры и на восполнение потерь теплоты через стены, после преобразований получено

МаСаЧ = Мцг + тсм(ссм + свиц)§1 +тгсТ^- + +

+ ¿^(0,5(^ + ^-1;), (2)

где Ма - расход атмосферного воздуха, кг/с;

са, ст,сг удельные теплоемкости воздуха, материала транспорта и соответствующего слоя ограждения, Дж/кг °С; ^ог' V средние температуры стен камеры и окружающей среды для Ьтой поверхности ограждения, °С; Ми - масса испаряющейся в единицу времени влаги, кг/с; тсм, шТ, - массы абсолютно сухого материала, транспорта и .¡-того слоя ограждения, кг; и - среднее влагосодержание изделия, кг/кг; Fi - площадь ¡-той поверхности ограждения, м2; Ц - коэффициент теплопередачи, Вт/м2 °С. Сумма первого и второго слагаемых в уравнении (2) представляет собой тепловой поток, отдаваемый теплоносителем материалу

Миг+тсм<ссм + сБии)^ - «.Раср-1п), (3)

где а - средний коэффициент теплоотдачи от сушильного агента к поверхности материала, Вт/м2оС; Р - площадь поверхности испарения, м2; ^ - средняя температура сушильного агента, °С. Из уравнений (2) и (3) получена система уравнений состояния - математическая модель объекта управления сКп оТ_ | 0,5 а Р - Ма са | 0,5аР ,

^ "'т,м(Ссм+Свии)';й+ таДСсм+Сни„) 1с+ тс„(Ссы+Сви„) Ь' (4)

аР аР+1Р;Ц Маса- 0,5(аР + Ь^Ц)

. __Щ_t + ___4г1_^

^ ~ 1 1 Ч 1 V

3(ттст+ 2 т] ср 6(тТсТ + 2т. С.) 3(ттст+1т;с )

1-х 3-1 ).1

Типовой критерий оптимальности в виде квадрата разности средней температуры сушильного агента по мокрому термометру и температуры поверхности материала, соответствующий оптимальному по точности управ-_ лению, из-за принятой схемы измерения температур преобразован в сумму

квадратов легко измеряемых в ходе процесса температур сушильного агента на входе и выходе и поверхности материала по сухим термометрам. В результате получено, что квазиоптимальное управление объектом обеспечивает минимум функционала типа

J - j (Atn2 + Btc2 + Ctb2)<k (5)

t„

где А, В, С - постоянные коэффициенты, рассчитанные в зависимости от условий сушки.

Задача синтеза квазиоптимального управления объектом в классе устойчивых систем на основе функционала (5) при ограшгчениях (4) решена классическим методом вариационного исчисления. Составлена функция Лагранжа

L - A(tn2 + Bttc2 + C,tb2 + у ¿n - аи t„ - a12 tc - (6)

- bt tb) + - a2t t„ - a22 tc - b2 tb).

Составлена система уравнений Эйлера-Лагранжа

) =Vn - hiK - a2i- =

) "Vc - - а22^2 " (7)

) ~ Ct tb - bjA.j - b2X.2"=0.

Решение системы уравнении (7) с учетом уравнений состояния (4) дает экспоненциальный закон квазиоптималыюго управления в функции времени

tb°(T) = A2eP4 (8)

где А2 - коэффициент, зависящий от условий сушки;

Pj - наибольший положительный корень характеристического уравнения системы уравнений Эйлера-Лагранжа, выбранный из условия максимальной скорости роста температуры.

Из уравнения (8) после преобразований получено квазиоптимальное управление в функции координат состояния

Ч^гА^М^с)' (9)

где кос - коэффициент обратной связи, однозначно рассчитываемый по принятым исходным данным процесса.

Г 3L . А SL

К dt iatn

эь . А 3L

dt асс

3L _ А 3L

l atb dx atb

После применения преобразований Лапласа к уравнениям (4) и (9) получены передаточные функции и структурная схема системы управления, состоящая из сумматора и усилителя и приведенная на рисунке 1.

Рисунок 1 - Структурная схема системы управления

В соответствии с требуемой непрерывной информацией о состоянии объекта для обеспечения функционирования разработанной АСУ произведена оптимизация схемы измерения температур сушильного агента на входе и выходе и поверхности материала. Для измерения температуры предложены тепловые приемники излучения, по сравнению с термопарами меньше реагирующие на случайные флуктуации скорости теплоносителя и более удобные для измерения температуры поверхности изделия за счет возможности создания приемников с любыми формами и размерами. Разработано 8 конструкций приемников, имеющих различное назначение, принцип действия, форму и размеры приемной поверхности. Приемники представляют собой пленочные термоэлектрические преобразователи, чувствительной частью которых являются пленки оксидов меди СиО и Си20, выращенные на медной подложке. Схема одного из образцов приемников представлена на рисунке 2. Термо-э.д.с. возникает за счет градиента температуры между приемной поверхностью и медной подложкой.

В результате теоретической разработки поставленной цели выявлены следующие закономерности построения квазиоптимальных АСУ тепломас-сообменньши процессами:

- квазиоптнмальная система управления применяется в период нагрева изделий для улучшения качества за счет оптимизации полей влагосодер-жания, температуры и давления внутри материала на основе критерия опти-

Излучение

Рисунок 2 - Схема приемника излучения

мальности, учитывающем равенство температур поверхности материала и сушильного агента по мокрому термометру;

- математические модели составляются на основе уравнений тепловых балансов установок с учетом необходимости непрерывных измерений не менее трех параметров теплоносителя и материала;

- задача синтеза квазиоптимального управления объектом при условных ограничениях решается классическим методом вариационного исчисления, квазиоптимальное управление в функции времени имеет экспоненциальный вид;

- структурная, схем а квазлоптимальной системы управления состоит из сумматора и усилителя;

- для обеспечения непрерывной информации о состоянии объекта производится оптимизация схемы измерения температуры с применением новых измерителей температуры.

Экспоненциальный закон изменения температуры поверхности материала свидетельствует о замедленном: темпе нагрева по сравнению с обычными режимами сушки с логарифмическим ростом температуры. В результате уменьшаются перепады температур между поверхностью и центром изделия, что ослабляет напряженное состояние материала и улучшает качество изделий. Это доказывает правильность выбора критерия оптимизации процесса сушки. Разработанная на его основе квазиоптимальиая АСУ оптимизирует тепломассообменные процессы независимо от колебаний значе-> нин входных параметров и возмущений, т.е. имеет признаки адаптации н позволяет избежать зависимости качества управления от сложных предва-

рителышх лабораторных исследований теплофизических свойств материалов.

В третьей главе диссертации рассмотрены методы экспериментальных исследований, оппсаны экспериментальные установки для исследования параметров созданной АСУ сушкой и разработанных тепловых приемников излучения. Экспериментальные исследования проведены с целью подтверждения достоверности результатов теоретической разработки закономерностей построения квазиоптимальной АСУ и оценки характеристик приемников, предложенных для измерения температуры в рассматриваемых процессах. Экспериментальные исследования проведены по следующей программе:

1) сушка образцов кирпича в созданной модели сушильной установки при квазиоптимальном управлении, а также без управления при стабилизации температуры сушильного агента на входе;

2) определение прочности образцов кирпича, высушенных в производственных условиях на Оренбургском кирничном заводе АО "Оренбург-заводстрой", в модели сушильной установки с квазиоптимальным управлением и без управления при постоянной температуре сушильного агента на входе, после сушки и после обжига;

3) оценка показателей эффективности системы квазиоптимального регулирования по полученным кривым сушки;

4) определение характеристик тепловых приемников излучения и оценка их конкурентоспособности.

Для исследования квазиоптимальной АСУ процессом сушки на основе структурной схемы (рисунок 1) разработана экспериментальная установка, схема которой приведена на рисунке 3. В схему в связи с электроподогревом теплоносителя добавлены усилители и регулятор напряжения. Образцы изделий обдуваются атмосферным воздухом от вентилятора, подогретым нерегулируемым электронагревателем до рассчитанной максимально допустимой начальной температуры сушильного агента и проходящим через регулируемый трубчатый электронагреватель. Температуры сушильного агента на входе и выходе, поверхности и центра материала и сушильного агента по мокрому термометру измеряются разработанными приемниками и термопарами и автоматическим самопишущим потенциометром. Разность между усиленной термо-э.д.с. от измерителя на входе и усиленной суммато-

Рисунок 3 - Схема системы квазкоптнмального регулирования процесса сушки

ром общей термо-э.д.с. от измерителей температур агента на выходе и поверхности материала усиливается дифференциальным усилителем. Коэффициенты усиления подобраны в соответствии со значением кос в уравнении (9). Разность напряжений усиливается интегратором и регулирует напряжение переключения тиристора. При этом обеспечивается плавное регулирование переменного напряжения, подаваемого, к нагревателю. Система обеспечивает квазиоптнмальный рост температуры агента на входе до максимально допустимого значения на основе информации о состоянин.мате-риала и теплоносителя, далее процесс сушки осуществляется при постоянной температуре агента. Для оценки скорости сушки один из высушиваемых образцов периодически взвешивается.

С учетом параметров установки и образцов кирпича, формуемого на Оренбургском кирпичном заводе АО "Оренбургзаводстрой", рассчитаны все параметры сушильного процесса и подобраны усилители. Для сравнения качества продукции, полученной при квазиоптимальном управлении и при стабилизации параметров сушильного агента, проведены также эксперименты при неизменных параметрах агента. В соответствии с ГОСТ 530-95 н ГОСТ 8462-85 проведены исследования качества кирпича, высушенного в экспериментальной установке и в производственных условиях на заводе, а также обожженного после сушки.

Для снятия характеристик тепловых приемников излучения разработан стенд, состоящий из лазера, ослабителя, сушильного шкафа с регулируемой температурой, приемника излучения, координатного стола, вторичного прибора. Определяются чувствительность, инерционность, устойчивость

к воздействию излучения, стабильность электрофизических свойств и зависимость этих параметров от длины волны, мощности или энергии излучения, от диаметра пучка и длительности воздействия излучения, от температуры окружающей среды.

В четвертой и пятой главах представлены результаты экспериментальных исследований квазпоптималыюй АСУ сушкой и приемников излучения, проведена оценка эффективности системы и конкурентоспособности приемников в качестве измерителей температуры.

На экспериментальной установке проведена серия испытаний квазиоптимальной АСУ процессом сушки кирпича, сформованного на Оренбургском кирпичном заводе АО "Оренбургзаводстрои". На рисунке 4 приведены зависимости, массы га и температур поверхности 1;п и центра 1: материала, теплоносителя по сухому I и мокрому термометрам соответственно для сушки с оптимизацией - 1 и без нее - 2 от времени сушки. Наибольшая разница температур теплоносителя по мокрому термометру и поверхности материала для периода нагрева при оптимизированной сушке равна 1,59 "С, что составляет 3,2 %, - значения температур практически совпадают, т.е. цель квазиоптимального управления достигнута. При оптимизированной сушке в период нагрева идет менее интенсивный процесс испарения, меньшие значения имеют перепады температур между центром изделия и его поверхностью (максимальные перепады составляют соответственно 4,07 и 11,47 °С).

Обработка результатов исследований АСУ и измерений параметров высушенного, а также обожженного кирпича показала, что:

- средние значения предела прочности кирпича после сушки составили для квазпоптимальной сушки - 2,2 МПа, для обычной сушки в экспериментальной установке - 2,0 МПа, для сушки в заводских условиях -1,9 МПа, т.е. прочность при оптимизированной сушке повысилась соответственно на 9,1 и 13,6 %, при этом длительность сушки увеличилась на 12,5 %, расход электроэнергии на 1 кг испаренной влаги возрос на 4,8 %;

- средние значения предела прочности кирпича после обжига на заводе составили для оптимизированной сушки - 13,1 МПа, для обычной -10,9 МПа, для сушки в заводских условиях - 9,6 МПа, т.е. прочность при обжиге после оптимизированной сушки повысилась соответственно на 16,8 и 26,7 %, марка кирпича по ГОСТ 530-95 по показателям прочности повыси-

Рисунок 4 - Зависимости температур материала и теплоносителя и массы материала от времени сушки

лась до К-125 при оптимизированной сушке по сравнению с К-100 при обычной сушке на модели сушильной устанойки и К-75 при сушке в заводских условиях;

- при визуальном осмотре обожженного кирпича установлено уменьшение количества трещин на 40 %, что свидетельствует об улучшении внешнего вида изделий, другие показатели внешнего вида, размеры и правильность формы образцов кирпича соответствуют требованиям ГОСТ 530-95.

Из рисунка 4 для периода нагрева видно, что при монотонном изменении входного параметра - температуры теплоносителя также монотонно изменяются все остальные измеряемые температуры. Это свидетельствует об устойчивости АСУ по отношению к изменениям входного сигнала. Экспериментальные кривые отличаются от расчетных кривых по уравнениям (8) и (9) не более, чем на 2,36 % для входной температуры теплоносителя, на 2,5 % для его выходной температуры и не более, чем на 3,5 % для поверхности материала. Максимальное расхождение по времени между теоретическими и экспериментальными кривыми для периода нагрева составляет 3,14 %. Эти данные говорят о высокой точности функционирования АСУ.

Проведены исследования характеристик приемников излучения на длинах волн 0,63; 0,69; 1,06 и 10,6 мкм в импульсном и непрерывном режимах генерации лазеров, чувствительность находится соответственно в пределах 0,6 - 2,0 мВ/Дж и 0,1 - 2000 мВ/Вт в зависимости от длины волны принимаемого излучения. Инерционность в различных режимах колеблется от 5'10"5до 40 с. Внутреннее сопротивление приемников составляет 22 -8000 Ом. Приемные поверхности устойчивы к воздействию излучения с плотностью энергии порядка 20 Дж/см2 при длительности импульса 100 -200 не. Механические и электрофизические свойства выращенных оксидов меди стабильны.

В результате экспериментальных исследований сделаны следующие выводы:

- улучшение качества изделий при оптимизированной сушке подтверждает достоверность теоретической разработки закономерностей построения квазиоптимальных АСУ тепломассообменом;

- исследованные характеристики приемников позволяют рекомендо-* вать их к применению в качестве измерителей температуры в тепломассооб-мениых процессах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Анализ современного состояния автоматизации управления тепло-массообменными процессами, теоретические л экспериментальные исследования закономерностей построения квазиоптимальных систем управления процессами сушки с применением новых измерителе!! температуры позволяют сделать следующие выводы:

1. Для упрощения и удешевления стоимости управления периодическими конвективными сушильными установками матой и средней производительности целесообразно применять квазиоптимальное управление процессом сушки в период нагрева на основе критерия оптимизации, основанном на равенстве средних температур сушильного агента по мокрому термометру и поверхности материала, в результате чего повышается качество продукции за счет ослабления напряженного состояния внутри материала вследствие уменьшения перепадов влагосодержания, температуры и давления.

2. Оптимизирована схема измерения параметров материала и теплоносителя с выбором в качестве параметра управления температуры теплоносителя на входе и параметров состояния - температур теплоносителя на выходе и поверхности материала, позволяющая вести управление процессами с адаптацией к изменениям входных параметров и с непрерывным контролем показателей качества материала во время обработки.

3. С учетом выбранных параметров состояния и управления составлены математические модели процессов тепломассообмена при конвективной сушке.

4. Квазиоптимальное управление в функции времени, полученное классическим методом вариационного исчисления, имеет экспоненциальный вид, свидетельствующий о замедленном темпе нагрева изделий в начальный период по сравнению с логарифмическим ростом температуры при обычных режимах сушки.

5. Структура квазпопгимальной системы управления процессом сушки на основе прямых измерений параметров материала и теплоносителя позволяет адаптивно управлять ходом процесса.

6. Разработанные тепловые приемники излучения на основе оксидов

меди обеспечивают работоспособность квазиоптнмальной системы управления процессом сушки.

7. Экспериментальные исследования подтвердили устойчивость и точность функционирования системы управления, конкурентоспособность тепловых приемников излучения, а также повышение качества продукции -прочность при сжатии кирпича возросла на 16,8 % при оптимизированной сушке по сравнению с обычной сушкой.

8. Реализация результатов исследований достигнута путем внедрения оптимизированного режима сушки кирпича в производственный процесс на Оренбургском кирпичном заводе АО "Оренбургзаводстрой". Кроме этого, результаты исследований могут быть использованы при автоматизации других процессов, связанных с тепломассообменом, например, в химической, лесной, пищевой и других отраслях промышленности, в строительной индустрии и сельском хозяйстве. Разработанные приемники применяются для измерений параметров лазерного излучения в НПО "ВНИИФТРИ" (г. Москва).

9. Затраты на автоматизацию одной туннельной сушилки годовой производительностью 310 тыс. шт. кирпича окупаются в течение 6,7 месяцев за счет улучшения качества продукции, позволяющем уменьшить количество брака с 5 до 1% и повысить стоимость кирпича при переходе на производство кирпича марки К-125 вместо К-75 иК-100.

Список публикаций по диссертационной работе

1. Закируллин P.C. Оптимизация управления процессами конвективной сушки в периодических тепловых установках. Тезисы докладов международной научно-практической конференции "Инновационные процессы в образовании, науке и экономике России на пороге XXI века".- Оренбург, 1998,- 2 с.

2. Закируллин P.C. Оптимальная автоматическая система управления процессом конвективной сушки. Тезисы докладов региональной конференции молодых ученых и специалистов (Часть III).- Оренбург: Издательский центр Оренбургского государственного аграрного университета, 1998,- 2 с.

3. Закируллин P.C. Оптимальная автоматическая система управления процессом конвективной сушки. Труды региональной научно-практической конференции "Современные технологии в энергетике, электронике и информатике",- Оренбург, 1998.- 3 с.

4. Антонов И.Н., Закируллин P.C., Пожар М.С. и др. Отчет по НИР "Разработка, изготовление и исследование тепловых приемников для измерения когерентного излучения". N° гос. per. 01850063847.

Инв № 02890025038,- Оренбург: ОрПИ, 1988.- 96 с.

5. Антонов И.Н., Закируллин P.C., Руссов В.М. Использование приемников на основе переходов медь-закись меди для измерения лазерного излучения. Сборник научных трудов ВНИИФТРИ. Методы исследования оптических свойств высокотемпературной плазмы,- М., 1989.- 6 с.

6. Закируллин P.C. Приемники излучения на основе перехода медь-закись меди. Тезисы докладов областной НТК "Молодые ученые и специалисты - народному хозяйству",- Оренбург, 1989,- 2 с.

7. Закируллин P.C. Приемники лазерного излучения на основе пленок закиси меди. Тезисы докладов XV научно-технической конференции ОрПИ. Часть III.- Оренбург, 1993,- 1 с.

8. Закируллин P.C. Пленочные меднозакисные тепловые приемники излучения. Тезисы докладов региональной конференции молодых ученых и специалистов,- Оренбург, 1995,- 2 с,

9. Закируллин P.C., Удовин В.Г. Пленочные меднозакисные тепловые приемники излучения. Труды первой научно-технической конференции

РУО АИН РФ "Наука и инженерное творчество - 21 веку",- Екатеринбург,

1995,- 1 с.

10. Закируллин P.C. Автоматизированная система измерения средней мощности технологического лазера. Тезисы докладов региональной научно-практической конференции молодых ученых и специалистов,- Оренбург,

1996,- 2 с.

И. Антонов И.Н., Закируллин P.C. Тепловые приемники излучения на основе оксидов меди и новые методы измерения в метрологии лазерного излучения. Межвузовский сборник научных трудов. Часть II. Оптимизация информационных систем,- Оренбург: Оренбургский государственный университет, 1997,- 5 с.

12. Закируллин P.C. Методические указания к курсовому и дипломному проектированию по дисциплине "Теплотехника и теплотехническое оборудование" для студентов специальности 2906,- Оренбург: Оренбургский государственный университет, 1997.- 53 с.

13. A.c. 1452284 СССР, МКИ 4G 01J 5/02. Устройство для измерения распределения плотности энергии лазерного излучения / И.Н. Антонов, P.C. Закируллин, А.И. Малков и др. (СССР).- № 4124116/31-25; Заявл. 18.06.86; Зарегистрировано 15.09.88 (для служебного пользования).- 3 с.

14. A.c. 1589832 СССР, МКИ 5G 02 F1/01. Способ деления лазерного луча / И.Н. Антонов, P.C. Закируллин, А.И. Малков и др. (СССР).-

№ 4401519/31-25; Заявл. 04.04.88; Зарегистрировано 01.05.90 (для служебного пользования).- 3 с.

/

t

Введение.

1 Состояние вопроса.

1.1 Проблемы обеспечения качества продукции в процессах тепломассообмена.

1.2 Роль информации в обеспечении качества продукции в тепломассообменных процессах

1.3 Современные методы, средства и системы обеспечения качества продукции в тепловых процессах.

1.4 Анализ современного состояния автоматизации управления тепломассообменными процессами, цель и задачи исследований.

2. Теория вопроса.

2.1 Формулировка задачи оптимизации тепломассообменных процессов.

2.2 Математические модели процессов конвективной сушки.

2.3 Синтез квазиоптимальной системы управления.

2.4 Оптимизация схем измерения температуры.

3. Методы экспериментальных исследований.

3.1 Цель и задачи экспериментальных исследований.

3.2 Описание установок.

3.3 Методы проведения экспериментов.

3.4 Обработка данных и оценка погрешности.

4 Результаты исследований.

4.1 Результаты экспериментальных исследований квазиоптимальной системы управления сушкой.

4.2 Результаты исследования эффективности системы управления.

4.3 Результаты исследования тепловых приемников излучения.

5 Оценка научной продукции.

5.1 Квазиоптимальная система управления процессом сушки.

5.2 Измерители температуры.

5.3 Оценка экономической эффективности.

Автоматическое управление тепломассообменными процессами, распространенными в химической, лесной и других отраслях промышленности, в производстве строительных материалов и сельскохозяйственной продукции, производится с целью достижения оптимального соотношения между интенсификацией процессов, повышающей производительность труда и снижающей энергетические, сырьевые и трудовые затраты, с одной стороны, и обеспечением требуемого качества продукции с другой стороны. Т.е. к управлению тепломассообменными процессами предъявляются конфликтующие требования. В области автоматизации тепломассообменных процессов пройден путь от применения отдельных средств контроля и регулирования до создания типовых систем автоматического регулирования и внедрения автоматизированных систем управления технологическими процессами и производствами. Однако выпускаемые промышленностью системы дистанционного контроля, стабилизации и программного регулирования внедрены не на всех предприятиях, где ведутся процессы тепловой обработки. Опыт эксплуатации этих систем в производственных условиях показывает, что они не всегда удовлетворяют требованиям надежности, долговечности, точности и стоимости. Недостаточно разработаны АСУ конвективной сушкой в периодических тепловых установках, имеющиеся системы управления сложны, дороги и экономически неэффективны для использования при небольших объемах производства. Низкую степень применения имеют оптимальные и адаптивные системы, которые по сравнению с обычными АСУ имеют преимущества именно в управлении сложными процессами, какими являются тепломассообменные процессы. Поэтому, несмотря на достаточно полную разработанность теории тепломассообмена, практическая реализация систем управления опирается на результаты громоздких лабораторных исследований свойств обрабатываемых материалов с последующим применением их к реальным условиям, что усложняет возможности перестройки систем управления при изменении входных параметров. Кроме этого, современные АСУ тепломассообменными процессами основаны, как правило, на контроле и регулировании параметров теплоносителя, легче поддающихся измерениям, а не обрабатываемого материала. Существуют проблемы измерения температуры и влагосодержания изделий во время обработки - главных показателей качества продукции.

Для управления тепломассообменом в конвективных сушильных установках малой и средней производительности и периодического действия достаточно разработать простые и дешевые по сравнению с существующими квазиоптимальные системы, на основе непрерывного контроля состояния материала обеспечивающие повышение качества изделий без дополнительных энергетических затрат. Работа выполняется в соответствии с федеральной целевой программой "Энергосбережение России на 1998 - 2005 годы".

В связи с актуальностью проблем ставится цель данной работы: построение квазиоптимальной системы управления конвективной сушкой промышленных изделий для повышения их качества, основанной на применении функционала, адаптивно учитывающего состояние материала при обработке. Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

1) разработка критерия оптимизации и математических моделей тепломассообменных процессов конвективной сушки для повышения качества продукции;

2) синтез квазиоптимальной системы управления конвективной сушкой на основе функционала, содержащего параметры материала и теплоносителя, с адаптацией к изменениям входных параметров;

3) оптимизация схемы измерения температуры для получения непрерывной информации о состоянии материала и теплоносителя с косвенной оценкой влажности материала - главного показателя качества продукции и с применением новых измерителей температуры;

4) оценка достоверности результатов исследования с помощью экспериментов и оценка эффективности разработанной системы управления процессом сушки.

При решении поставленных задач используются следующие методы исследования: теория тепломассообмена, преобразования Лапласа, теория дифференциальных уравнений, классический метод вариационного исчисления, теория цепей, математическая статистика.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- поставлена и проверена гипотеза о целесообразности квазиоптимального управления процессом сушки в период нагрева для повышения качества изделий на основе критерия оптимизации в виде равенства средних температур сушильного агента по мокрому термометру и поверхности материала;

- разработаны математические модели процессов конвективной сушки в периодических тепловых установках и квазиоптимальная система управления с элементами адаптации;

- разработан метод непрерывной оценки качества продукции во время обработки;

- разработаны тепловые приемники излучения на основе оксидов меди, применимые в тепломассообменных процессах в качестве измерителей температуры.

Практическая ценность результатов работы:

- разработан регулятор для управления процессом конвективной сушки изделий с повышением качества продукции, прошедший испытания в лабораторных условиях на кафедре гидромеханики и теплотехники Оренбургского государственного университета и в промышленных условиях на Оренбургском кирпичном заводе АО "Оренбургзаводстрой";

- разработана схема непрерывной оценки качества обрабатываемого материала на основе измерений температур теплоносителя на входе и выходе и поверхности материала;

- разработаны тепловые приемники излучения, применяемые для измерения параметров лазерного излучения и пригодные для измерения температуры.

Результаты работы использованы при оптимизации процесса сушки кирпича на Оренбургском кирпичном заводе АО "Оренбургзаводстрой". Разработанные тепловые приемники излучения применяются для измерения энергетических параметров лазерного излучения в НПО "ВНИИФТРИ" (г. Москва). Результаты исследований включены в методические разработки курса "Теплотехника и теплотехническое оборудование" в Оренбургском государственном университете, а также внедрены в учебный процесс кафедры гидродинамики и теплотехники ОГУ в виде лабораторной установки по изучению процессов сушки.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на региональных научно-технических конференциях молодых ученых и специалистов (г. Оренбург, 1989, 1995, 1996, 1998 гг.), на XV научно-технической конференции Оренбургского политехнического института (г. Оренбург, 1993 г.), на первой научно-технической конференции РУО АИН РФ "Наука и инженерное творчество - 21 веку "(г. Екатеринбург, 1995 г.), на международной научно-практической конференции "Инновационные процессы в образовании, науке и экономике России на пороге XXI века" (г. Оренбург, 1998 г.), на региональной научно-практической конференции "Современные технологии в энергетике, электронике и информатике" (г. Оренбург, 1998г.), в отчете по НИР №гос.per. 01850063847 (1988г.).

На защиту выносятся следующие положения:

1) критерий оптимальности управления процессом сушки в виде функционала, связанного с равенством температур поверхности материала и теплоносителя по мокрому термометру, позволяющий вести процесс сушки в период нагрева с максимальной интенсивностью при обеспечении требуемого качества изделий;

2) метод непрерывной оценки качества обрабатываемого материала на основе измерений температур теплоносителя на входе и выходе и поверхности материала, позволяющий проводить контроль качества продукции во время обработки;

3) математическая модель процесса конвективной сушки, учитывающая результаты непрерывных измерений параметров состояния теплоносителя и материала, дающая возможность построения квазиоптимальной системы управления процессом сушки;

4) структура квазиоптимальной системы управления процессом конвективной сушки в периодической тепловой установке с элементами адаптации, включающей измерители входной и выходной температуры теплоносителя и поверхности материала, сумматор, усилители и регулирующий орган;

5) тепловые приемники излучения на основе оксидов меди, пригодные для измерения температуры в специфических условиях протекания тепломассообменных процессов.

Достоверность защищаемых научных положений подтверждается результатами лабораторных и промышленных испытаний разработанной системы управления процессом сушки в ОГУ и на Оренбургском кирпичном заводе АО "Оренбургзаводстрой", тепловых приемников излучения - в ОГУ и НПО " ВНИИФТРИ".

Диссертация состоит из введения, пяти глав, списка использованных источников и приложений. Работа изложена на 158 страницах, содержит 32 рисунка, 7 таблиц, 7 приложений. Список литературы включает 135 наименований, в т.ч. 14 опубликованных по теме диссертации работ автора, из которых б проделаны в соавторстве. По результатам работы над тепловыми приемниками излучения, рекомендуемыми автором для применения в АСУ в качестве измерителей температуры, получены два авторских свидетельства.

4.2 Результаты исследования эффективности системы управления

С целью оценки эффективности системы квазиоптимального автоматического управления сушкой проводится анализ звеньев системы, оцениваются показатели устойчивости, качества, точности, надежности и долговечности системы управления /132-133/.

Структурная схема квазиоптимального регулирования процесса сушки, составленная для экспериментальной установки, приведена на рисунке 4.5. Объект регулирования, включающий два параллель

Рисунок 4.5 - Структурная схема квазиоптимального регулирования процесса сушки ных звена, каждое из которых содержит последовательно соединенные устойчивое апериодическое и усилительное звенья, имеет передаточную функцию п . . koi k02 ,. 1 .

Wi s = --- + -- , 4.1

Tis + 1 T2s + 1 где коэффициенты усиления:

Ьх + Ь2 ко1 = ког = ац - а21 Ь1 + Ь2

-ах2 - а22 постоянные времени: 1

Тх = - ;

-ац - а21 1

Т2 =

-ахг - а22

Система регулирования включает три измерителя температур -безынерционные звенья; регулятор, состоящий из сумматора с передаточной функцией ДО2(Б)=к1, операционного масштабного усилителя (б) =к2, дифференциального усилителя ДО4(з)=кд, интегрирующего усилителя ДО5(з)=кд/з и тиристорного регулятора напряжения Регулирующий орган - устойчивое апериодическое звено с передаточной функцией ^

На рисунке 4.6 представлены преобразованные структурные схемы: 4.6,а - после переноса линии связи за звено и объединения последовательных звеньев; 4.6,6 - после объединения контура с жесткой обратной связью; 4.6,в - после объединения последовательных звеньев; 4.6,г - после объединения контура с положительной гибкой обратной связью. Таким образом, передаточная функция системы автоматического регулирования в разомкнутом состоянии имеет вид й 8 : - • 4.2 у ' 1 - - щщ)

С учетом передаточных функций звеньев автоматической системы уравнение (4.2) можно переписать к01 к02 кх - + и(8)=-'Т;Б +1 ,Т2\+1 -—с—(4.з)

1 - ^ к2-к1 ко1 + к°2 э(Тэ + 1> \ \ Т1Э + 1 Т2Б + 1 а) б) в) г)

ШШ

1 - т^Мб^ (юз - тт)

Рисунок 4.6 - Преобразованные структурные схемы квазиоптимального регулирования процесса сушки

После подстановки значений коэффициентов усиления и постоянных времени уравнение (4.3) примет вид

8,6 4,32

- +

1155б + 1 580э + 1

1

709552

10

8,6

4,32

4.4) э(500Б + 1) \ 1155э + 1 580э + 1

Из уравнения (4.4) видно, что АСУ состоит только из устойчивых звеньев. Постоянные времени звеньев системы имеют высокие значения, характерные для тепловых объектов со значительной инерционностью. По ходу кривых сушки, приведенных на рисунках 4.1-4.3, для периода нагрева, когда функционирует квазиоптимальная система управления, видно, что при монотонном изменении входного параметра - температуры теплоносителя также монотонно изменяются температуры теплоносителя на выходе и по мокрому термометру, поверхности и центра материала. Это свидетельствует об устойчивости АСУ по отношению к изменениям входного сигнала. Также наблюдается устойчивость к другим возмущающим воздействиям - ход температур по трем проведенным экспериментам несколько различается, однако во всех случаях нет значительных отклонений выходных параметров. В связи с инерционностью объекта управления устойчивость является достаточным условием работоспособности АСУ, поэтому нет необходимости в определении времени затухания переходных процессов, максимального отклонения регулируемых величин и других показателей качества АСУ. Экспериментальные кривые, полученные при автоматическом регулировании процесса сушки в период нагрева (рисунки 4.1-4.3), отличаются от расчетных кривых не более, чем на 2,36 % для входной температуры теплоносителя, на 2,5 % для его выходной температуры и не более, чем на 3,5 % для поверхности материала. Максимальное расхождение по времени между теоретическими и экспериментальными кривыми для периода нагрева составляет 3,14 %. Эти данные говорят о высокой точности функционирования системы управления.

Три проведенных сушильных процесса с автоматическим управлением из-за малого количества испытаний не дают возможности оценки надежности и долговечности созданной системы по результатам исследований. Однако большая продолжительность каждого испытания (около 25 часов) при отсутствии отказов и неисправностей в работе системы управления позволяет сделать вывод о достаточной надежности. Как известно, эффективная надежность сложных систем зависит от надежности устройств, входящих в систему. В экспериментальной установке наименьшей надежностью обладают электронагреватель и тиристор с блоком управления. В промышленных условиях сушильные процессы производятся в основном без применения электронагрева для подготовки теплоносителя и исполнительным механизмом, как правило, является механическое устройство, изменяющее расход природного газа, воздуха или готового теплоносителя, обдающее высокой надежностью. Термопары, а также предлагаемые автором приемники излучения находятся внутри сушильного пространства и подвергаются воздействию тепловой энергии теплоносителя, однако при относительно невысоких температурах, применяемых при сушке, эти датчики имеют длительный срок безотказной работы, а для обнаружения их неисправности и замены требуется всего несколько минут, что при общей длительности процесса сушки не влияет на результат.

Таким образом, на основе оценки основных показателей эффективности, таких, как устойчивость, качество, точность и надежность, можно сделать вывод о достаточно высокой эффективности созданной системы квазиоптимального автоматического управления сушкой.

4.3 Результаты исследований тепловых приемников излучения

По приведенной выше методике в лабораториях кафедры ГМТ ОГУ и в НПО "ВНИИФТРИ" проведены исследования характеристик разработанных тепловых приемников излучения. Технология изготовления приемников, их конструкции, принцип работы подробно описаны автором в опубликованных трудах /90-99/.

Результаты исследований характеристик 8 образцов разработанных приемников, конструкции которых описаны в (2.4), при воздействии лазерного излучения приведены в таблице 1. Чувствительность и инерционность исследованных приемников излучения находятся в пределах, характерных для применяемых в настоящее

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе проведены анализ современного состояния автоматизации управления тепломассообменными процессами, теоретические и экспериментальные исследования закономерностей построения квазиоптимальных систем управления процессами сушки с применением новых измерителей температуры.

Поставлена и проверена гипотеза о целесообразности квазиоптимального управления процессом сушки в период нагрева для повышения качества изделий на основе критерия оптимизации в виде функционала на основе равенства средних температур сушильного агента по мокрому термометру и поверхности материала. Установлено, что интенсификация тепломассообменных процессов при применении метода квазиоптимального подъема температуры изделий с повышением прочности за счет ослабления напряженного состояния материала с учетом непрерывной информации о состоянии материала и теплоносителя на основе измерений температур теплоносителя на входе и выходе и поверхности материала повышает качество продукции.

Для решения задачи оптимизации составлена математическая модель оптимизированного процесса сушки, основанная на непрерывном измерении параметров состояния теплоносителя и материала, дающая возможность построения квазиоптимальной системы управления процессом сушки с повышением качества продукции и разработана оптимизированная схема измерения параметров материала и теплоносителя. Задача синтеза квазиоптимального управления в классе устойчивых систем решена классическим методом вариационного исчисления, установлен порядок расчета оптимальных режимов тепловой обработки, квазиоптимальное управление в функции времени имеет экспоненциальный вид, свидетельствующий о замедленном темпе нагрева изделий в начальный период.

Получена структура квазиоптимальной системы управления процессом конвективной сушки в периодической тепловой установке, система включает измерители входной и выходной температуры теплоносителя и поверхности материала, сумматор, усилители и регулирующий орган, и на основе прямых измерений параметров материала и теплоносителя адаптивно управляет ходом процесса без применения задатчика. Разработаны тепловые приемники излучения на основе оксидов меди, результаты анализа возможности применения которых для измерения температуры позволяют рекомендовать их к использованию в специфических условиях протекания тепло-массообменных процессов.

Экспериментальные исследования подтвердили повышение качества продукции, эффективность квазиоптимальной АСУ процессом сушки и конкурентоспособность разработанных тепловых приемников излучения. Результаты экспериментов по исследованию квазиоптимальной системы управления сушкой свидетельствуют о повышении качества продукции при незначительном увеличении срока сушки и расхода электроэнергии. Подтверждается правильность выбора критерия оптимальности при построении системы управления. Оптимизированные режимы сушки, полученные при экспериментах на модели периодической сушильной установки, можно использовать также при сушке в непрерывных установках. Срок сушки и энергопотребление при квазиоптимальной сушке можно сократить при подаче сушильного агента с максимальной температурой по сухому термометру, повышенной по сравнению с сушкой без оптимизации. На основе оценочного исследования устойчивости, качества, точности и надежности сделан вывод о достаточно высокой эффективноети системы квазиоптимального автоматического управления сушкой. Результаты экспериментов по исследованию характеристик тепловых приемников излучения дают основания рекомендовать их к применению для измерения температуры при достаточных значениях их чувствительности и инерционности, при простоте, дешевизне, долговечности и удобстве при эксплуатации.

Разработанная АСУ является, во-первых, квазиоптимальной системой в смысле максимального приближения значений температур поверхности материала и сушильного агента по мокрому термометру, во-вторых, системой, имеющей признаки адаптации к изменениям значений входных параметров и возмущений, при этом законы изменения во времени обеих температур заранее не заданы, температура поверхности материала измеряется непрерывно прямым методом, средняя температура сушильного агента по мокрому термометру рассчитывается по результатам косвенных измерений. Предлагаемый способ квазиоптимального управления позволяет избежать сильной зависимости качества управления от сложных предварительных лабораторных исследований теплофизических свойств материалов и от колебаний значений входных параметров и возмущающих воздействий.

Реализация результатов исследований достигнута через внедрение оптимизированного режима сушки кирпича в производственный процесс на Оренбургском кирпичном заводе АО "Оренбургзаводст-рой", разработанных приемников для измерений параметров лазерного излучения - в НПО "ВНИИФТРИ" (г. Москва). Результаты исследований рекомендуются к использованию в химической, лесной, пищевой и других отраслях промышленности, в строительной индустрии и сельском хозяйстве при автоматизации процессов, связанных с тепломассообменом.

1. Нечаев Г.К., Пух А.П., Ружичка В.А. Автоматизация технологических процессов на предприятиях строительной индустрии.-К.: Вища шк., 1979.- 280 с.

2. Гак Б.Н. Автоматизация теплотехнического оборудования производства облицовочной керамики.- М.: Машиностроение, 1976.200 с.

3. Гуляев Г.А. Автоматизация процессов послеуборочной обработки и хранения зерна.- М.: Агропромиздат, 1990.- 240 с.

4. Глинков Г.М., Климовицкий М.Д. Теоретические основы автоматического управления металлургическими процессами.- М.: Металлургия, 1985.- 304 с.

5. Малинина Л.А. Тепловлажностная обработка тяжелого бетона.- М.: Стройиздат, 1977.- 159 с.

6. Лях A.A., Долгий Э.М. Совершенствование технологии про-паривания железобетона.- К.: Будивельник, 1976.- 124 с.

7. Перегудов В.В., Роговой М.И. Тепловые процессы и установки в технологии строительных изделий и деталей.- М.: Стройиздат, 1983.- 416 с.

8. Камовников Б.П., Малков Л.С., Воскобойников В.А. Вакуум-сублимационная сушка пищевых продуктов (Основы теории, расчет и оптимизация).- М.: Агропромиздат, 1985.- 288 с.

9. Соколов В.А. Автоматизация технологических процессов пищевой промышленности.- М.: Агропромиздат, 1991.- 445 с.

10. Автоматизированные системы управления в пищевой промышленности./ Под ред. В.Г. Воронина.- М.: Агропромиздат, 1991.143 с.

11. Автоматика и автоматизация пищевых производств./ М.М.

12. Благовещенская и др.- М.: Агропромиздат, 1991.- 239 с.

13. Автоматизация химических производств./ Под ред. А.З. Грищенко.- Киев: Техника, 1976.- 72 с.

14. Загороднюк В.Т., Паршин Д.Я. Строительная робототехника.- М.: Стройиздат, 1990.- 271 с.

15. Мороз И.И. Автоматизация производства строительной керамики.- К.: Будивельник, 1962.- 305 с.

16. Кучеров О.Ф., Рохваргер А.Е. Автоматизированные системы управления предприятиями промышленности строительных материалов.- Л.: Стройиздат, 1989.- 375 с.

17. Установки для сушки пищевых продуктов: Справочник / М.А. Гришин, В.И. Атаназевич, Ю.Г. Семенов.- М.: Агропромиздат, 1989.- 215 с.

18. Смирнов С.М. Автоматизация сушильных установок легкой промышленности.- М.: Ростехиздат, 1962.- 356 с.

19. Лыков A.B. Тепло- и массообмен в процессах сушки.- М.: Госэнергоиздат, 1956.- 464 с.

20. Лыков A.B., Михайлов Ю.А. Теория тепло- и массоперено-са.- М.- Л.: Госэнергоиздат, 1963.- 495 с.

21. Лыков A.B. Теория теплопроводности.- М.: Высшая школа, 1967.- 599 с.

22. Лыков A.B. Теория сушки.- М. : Энергия. 1968.- 472 с.

23. Лыков A.B. Тепломассообмен: Справочник.- М. : Энергия, 1978.- 479 с.

24. Марсов В.И., Славуцкий В.А. Автоматическое управление технологическими процессами на предприятиях строительной индустрии.- Л.: Стройиздат, 1975.- 287 с.

25. Боронихин A.C., Гризак Ю.С. Основы автоматизации производства и контрольно-измерительные приборы на предприятияхпромышленности строительных материалов.- М.: Стройиздат, 1969.352 с.

26. Зеличенок Г.Г. Автоматизация технологических процессов и учета на предприятиях строительной индустрии.- М. : Высшая школа, 1975.- 351 с.

27. Комплексная автоматизация режима работы туннельных сушил / Под ред. С.Д. Ружанского.- J1.: Стройиздат, 1973.- 80 с.

28. Мясковский И.Г. Тепловой контроль и автоматизация тепловых процессов.- М.: Машиностроение, 1978.- 208 с.

29. Гордон А.Э., Никулин Л.И., Тихонов А.Ф. Автоматизация контроля качества изделий из бетона и железобетона.- М. : Стройиздат, 1991.- 300 с.

30. Теория автоматического управления / Под ред. A.C. Шаталова.- М.: Высшая школа, 1977.- 448 с.

31. Андрющенко В.А. Теория систем автоматического управления.- Л.: Ун-кое, 1990.- 256 с.

32. Иващенко H.H. Автоматическое регулирование.- М.: Машиностроение, 197 8.- 736 с.

33. Хокс Барри. Автоматизированное проектирование и производство/ Пер. с англ. Д.Е. Веденеева, Д.В. Волкова; Под ред. В.В. Мартынюка.- М.: Мир, 1991.- 296 с.

34. Шавров A.B., Солдатов В.В. Многокритериальное управление в условиях статистической неопределенности.- М.: Машиностроение, 1990.- 160 с.

35. Хауштейн Г.-Д. Гибкая автоматизация: Сокр. пер. с нем./ Х.-Д. Хауштейн; Общая ред. B.C. Автономова.- М. : Прогресс, 1990.- 198 с.

36. Цыпкин Я.З. Основы теории автоматических систем.- М.: Наука, 1977. 559 с.

37. Математические основы теории автоматического регулирования. Т.1,2. Под ред. Б.К. Чемоданова.- М. : Высшая школа, 1977.- 368 с, 456 с.

38. Герасимов С.Г. Теоретические основы автоматического регулирования тепловых процессов.- М. : Высшая школа, 1967.336 с.

39. Фельдбаум A.A. Основы теории оптимальных систем.- М.: Наука, 1970.- 572 с.

40. Атанс М. и Фалб П. Оптимальное управление. Пер. с англ. Г.Н. Алексакова. Под ред. Ю.И. Топчеева.- М.: Машиностроение, 1968.- 763 с.

41. Понтрягин Л.С., Болтянский В.Г., Мищенко Е.Ф. Математическая теория оптимальных процессов. М. : Наука. 1976.- 495 с.

42. Беллман Р. Динамическое программирование.- М. : ИЛ, i960.- 309 с.

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

44. Чураков Е.П. Оптимальные и адаптивные системы.- М. : Энергоатомиздат, 1987.- 254 с.

45. Александров А.Г. Оптимальные и адаптивные системы. М. : Высшая школа, 1989.- 262 с.

46. Малышев Н.Г., Мицук Н.В. Основы оптимального управления процессами автоматизированного проектирования.- М.: Энергоатомиздат, 1990.- 224 с.

47. Основы теории оптимального управления / В.Ф. Кротов, Б.А. Лагоша, С.М. Лобанов и др.; Под ред. В.Ф. Кротова.- М. : Высшая школа, 1990.- 429 с.

48. Растригин Л.А. Системы экстремального управления.- М.: Наука, 1974.- 632 с.

49. Козлов Ю.М. Адаптация и обучение в робототехнике.- М.: Наука, 1990.- 247 с.

50. Хоменюк В.В. Оптимальные системы управления.- М.: Наука, 1977.- 152 с.

51. Болтянский В.Г. Математические методы оптимального управления.- М.: Наука, 1968.- 408 с.

52. Казакевич В.В., Родов А.Б. Системы автоматической оптимизации.- М.: Энергия, 1977,- 288 с.

53. Егоров А.И. Оптимальное управление тепловыми и диффузионными процессами.- М.: Наука, 1978.- 464 с.

54. Рапопорт Э.Я. Оптимизация процессов индукционного нагрева металла.- М. : Металлургия, 1993.- 277 с.

55. Куцакова В.Е., Богатырев А.Н. Интенсификация тепло- и массообмена при сушке пищевых продуктов.- М. : Агропромиздат, 1987.- 236 с.

56. Вальков В.М., Вершин В.Е. Автоматизированные системы управления технологическими процессами.- JI. : Политехника, 1991.- 269 с.

57. Бушуев С.Д., Михайлов B.C. Автоматика и автоматизация производственных процессов.- М.: Высшая школа, 1990.- 256 с.

58. Основы автоматизации измерений./ Под ред. В.Б. Корки-на.- М.: Изд-во стандартов, 1991.- 256 с.

59. Миф Н.П. Оптимизация точности измерений в производстве.- М.: Изд-во стандартов, 1991.- 134 с.

60. Моик И.Б., Рогов H.A., Горбунов A.B. Термо- и влагоме-трия пищевых продуктов: Справочник.- М.: Агропромиздат, 1988.304 с.

61. Крамарухин Ю.Е. Приборы для измерения температуры. М. : Машиностроение, 1990.- 208 с.

62. Патричный В.А., Сире А.Ш. Мировые тенденции развития методов и средств измерений: Аналитический обзор.- М. : Изд-во стандартов, 1994.- 72 с.

63. Исматуллаев П.Р., Гринвальд A.B. Теоретическое и экспериментальное исследование сверхвысокочастотного метода измерения влажности материалов.- Ташкент: Фан, 1982.- 84 с.

64. Берлинер М.А. Измерения влажности. М. : Энергия, 1973.400 с.

65. Зорохович B.C., Шукуров Э.Д. Производство кирпича. Комплексная механизация и автоматизация.- JI. : Стройиздат, 1988.232 с.

66. Барский Р.Г., Иванов Ю.В. Проектирование, монтаж и эксплуатация систем автоматизиции на предприятиях стройиндустрии.-Л.: Стройиздат, 1979. 280 с.

67. Котляр Я.М., Совершенный В.Д., Стриженов Д.С. Методы и задачи тепломассообмена.- М.: Машиностроение, 1987.- 320 с.

68. Автономов В.Н. Создание современной техники: Основы теории и практики.- М. : Машиностроение, 1991.- 303 с.

69. Тихонов А.Н. и др. Математическое моделирование технологических процессов и метод обратных задач в машиностроении./ А.Н. Тихонов, В.Д. Кальнер, В.Б. Гласко.- М. : Машиностроение, 1990.- 262 с.

70. Проектирование систем автоматизации технологических процессов: Справочное пособие. / A.C. Клюев, Б.В. Глазов, А.Х. Дубровский, A.A. Клюев./ Под ред. A.C. Клюева.- М.: Энергоато-миздат, 1990.- 464 с.

71. Третьяков Э.А., Игнатова Л.А. Автоматизированные системы управления производством.- М.: Машиностроение, 1991.96 с.

72. Горнев В.Ф. и др. Оперативное управление в ГПС./В.Ф. Горнев, В.В. Емельянов, М.В. Овсянников.- М. : Машиностроение, 1990.- 253 с.

73. Лищинский Л.Ю. Структурный и параметрический синтез гибких производственных систем.- М.: Машиностроение, 1990.310 с.

74. Сосонкин В.Л. Программное управление технологическим оборудованием. Учеб. для вузов.- М.: Машиностроение, 1991.- 512 с.

75. Технологические основы ГПС./ Под ред. Ю.М. Соломенце-ва.- М.: Машиностроение, 1991.- 240 с.

76. Бойчук Л.М. Синтез координирующих систем автоматического управления.- М. : Энергоатомиздат, 1991.- 160 с.

77. Болнокин В.Е., Чинаев П.И. Анализ и синтез систем автоматического управления на ЭВМ: Алгоритмы и программы.- М. : Радио и связь, 1991.- 256 с.

78. Гинзбург И.Б. Автоматическое регулирование и регуляторы в промышленности строительных материалов.- Л.: Стройиздат, 1985.- 256 с.

79. Роговой М.И., Кондакова М.Н., Сагановский М.Н. Расчеты и задачи по теплотехническому оборудованию предприятий промышленности строительных материалов.- М. : Стройиздат, 1975.320 с.

80. Никифорова Н.М. Основы проектирования тепловых установок при производстве строительных материалов.- М.: Высшая школа, 1974.- 144 с.

81. Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача.- М.: Высшая школа, 1980.- 469 с.

82. Физические величины: Справочник / А.П. Бабичев, H.A. Бабушкина, А.М. Братковский и др. Под ред. И.С. Григорьева, Е.З.

83. Мейлихова.- М.: Энергоатомиздат, 1991.- 1232 с.

84. Закируллин P.C. Методические указания к курсовому и дипломному проектированию по дисциплине "Теплотехника и теплотехническое оборудование" для студентов специальности 2906.-Оренбург: Оренбургский государственный университет, 1997.53 с.

85. Справочник по математике для научных работников и инженеров. Корн Г., Корн Т.- М.: Наука, 1984.- 832 с.

86. Арутюнов П.А. Теория и применение алгоритмических измерений.- М.: Энергоатомиздат, 1990.- 256 с.

87. Кулаков М.В., Макаров Б.И. Измерение температуры поверхности твердых тел.- М. : Энергия. 1979.- 96 с.

88. Мазуров В.Д. Метод комитетов в задачах оптимизации и классификации.- М.: Наука, 1990.- 245 с.

89. Нестеров П.В. Информационные аспекты стандартизации и управления качеством продукции.- М.: Изд-во стандартов, 1990.152 с.

90. Хофманн Д. Измерительно-вычислительные системы обеспечения качества / Пер. с нем. Л.М. Закса и др.- М. : Энергоатомиздат, 1991.- 270 с.

91. Алиев P.A. и др. Управление производством при нечеткой исходной информации./ P.A. Алиев, А.Э. Церковный, Г.А. Мамедо-ва.- М.: Энергоатомиздат, 1991.- 240 с.

92. Антонов И.Н., Закируллин P.C., Пожар М.С. и др. Отчет по НИР "Разработка, изготовление и исследование тепловых приемников для измерения когерентного излучения". № гос. per. 01850063847. Инв № 02890025038.- Оренбург: ОрПИ, 1988.- 96 с.

93. A.c. 1452284 СССР, МКИ 4G 01 J 5/02. Устройство для измерения распределения плотности энергии лазерного излучения /

94. И.Н.Антонов, Р.С.Закируллин, А.И.Малков и др.(СССРJ.Ii 4124116/31-25; Заявл. 18.06.86; Зарегистрировано 15.09.88 (для служебного пользования).- 3 с.

95. Закируллин P.C. Приемники излучения на основе перехода медь-закись меди. Тезисы докладов областной НТК "Молодые ученые и специалисты народному хозяйству".- Оренбург, 1989.2 с.

96. A.c. 1589832 СССР, МКИ 5G 02 F 1/01. Способ деления лазерного луча / И.Н. Антонов, P.C. Закируллин, А.И. Малков и др. (СССР).- № 4401519/31-25; Заявл. 04.04.88; Зарегистрировано 01.05.90 (для служебного пользования).- 3 с.

97. Закируллин P.C. Приемники лазерного излучения на основе пленок закиси меди. Тезисы докладов XV научно-технической конференции ОрПИ. Часть III.- Оренбург, 1993.- 1 с.

98. Закируллин P.C. Пленочные меднозакисные тепловые приемники излучения. Тезисы докладов региональной конференции молодых ученых и специалистов.- Оренбург, 1995.- 2 с.

99. Закируллин P.C., Удовин В.Г. Пленочные меднозакисные тепловые приемники излучения. Труды первой научно-технической конференции РУО АИН РФ "Наука и инженерное творчество 21 веку".- Екатеринбург, 1995.- 1 с.

100. Закируллин P.C. Автоматизированная система измерения средней мощности технологического лазера. Тезисы докладов региональной научно-практической конференции молодых ученых и специалистов.- Оренбург, 1996.- 2 с.

101. Родионов В.Д., Терехов В.А., Яковлев В.Б. Технические средства АСУ ТП./ Под ред. В.Б. Яковлева.- М. : Высшая школа, 1989.- 263 с.

102. Рачков М.Ю. Оборудование и основы построения ГАП.- М.: Высшая школа, 1991.- 166 с.

103. Техника чтения схем автоматического управления и технологического контроля./ Под ред. A.C. Клюева.- М.: Энергоато-миздат, 1991.- 430 с.

104. Каминский M.JI., Каминский В.М. Монтаж приборов и систем автоматизации: Учебник.- М.: Академия, 1997.- 304 с.

105. Промышленные приборы и средства автоматизации: Справочник / В.Я. Баранов, Т.Х. Безновская, В.А. Бек и др.; Под общ. ред. В.В. Черенкова.- Л.: Машиностроение, 1987.- 847 с.

106. Руденко B.C., Сенько В.И., Трифонюк В.В., Юдин Е.Е. Промышленная электроника.- К.: Техника, 1979.- 503 с.

107. Технологическое оборудование ГПС. / Под общ. ред. А.И. Федотова и О.Н. Миляева.- Л.: Политехника, 1991.- 320 с.

108. Гутников B.C. Интегральная электроника в измерительных приборах.- Л.: Энергия, 1974.- 144 с.

109. Тули М. Справочное пособие по цифровой электронике: Пер. с англ.- М.: Энергоатомиздат, 1990.- 176 с.

110. Полупроводниковые приборы. Транзисторы малой мощности: Справочник./ Под ред. A.B. Голомедова.- М.: Радио и связь, 1995.- 384 с.

111. Транзисторы: Справочник. Вып. 1144.- М. : Радио и связь, 1990.- 272 с.

112. Королев Г.В. Электронные устройства автоматики: Учеб. пособие.- М. : Высшая школа, 1991.- 256 с.

113. Метрологическое обеспечение измерительных информационных систем: Теория, методол., орг./ Удовиченко Е.Т., Брагин A.A., Семенюк А. Л. и др.; Под ред. Е.Т. Удовиченко.- М. : Изд-во стандартов, 1991.- 190 с.

114. Кофлин Р. и Дрискол Ф. Операционные усилители и линейные интегральные схемы./ Пер. с англ. Б.Н. Бронина.- М.: Мир, 1979.- 360 с.

115. Микроэлектронные устройства автоматики./ Под ред. A.A. Сазонова.- М.: Энергоатомиздат, 1991.- 384 с.

116. Новоселов О.Н., Фолин А.Ф. Основы теории и расчета информационно-измерительных систем.- М. : Машиностроение, 1991.336 с.

117. ГОСТ 3044-84. Преобразователи термоэлектрические. Номинальные статические характеристики преобразования.

118. ГОСТ 24453-80. Измерения параметров и характеристик лазерного излучения. Термины, определения и буквенные обозначения величин.

119. Экспериментальные исследования режимов энергосистем / Л.М. Горбунова, М.Г. Портной, P.C. Рабинович и др.; Под ред. С.А. Совалова.- М.: Энергоатомиздат, 1985.- 448 с.

120. Методы электрических измерений: Учебное пособие для вузов / Л.Г. Журавин, М.А. Мариненко, Е.И. Семенов, Э.И. Цветков; Под. ред. Э.И. Цветкова.- Л.: Энергоатомиздат, 1990.288 с.

121. Эстеркин Р.И., Иссерлин A.C., Певзнер М.И. Теплотехнические измерения при сжигании газового и жидкого топлива: Справочное руководство.- Л.: Недра, 1981.- 424 с.

122. ГОСТ 15467-79. Управление качеством продукции. Основные понятия. Термины и определения.

123. ГОСТ 530-95. Кирпич и камни керамические. Технические условия.

124. ГОСТ 8462-85. Материалы стеновые. Методы определения предела прочности при сжатии и изгибе.

125. Экспериментальные методы исследования деформаций и напряжений в конструкциях. Сборник трудов ГНИИМ.- М. : Наука, 1977.- 150 с.

126. ГОСТ 28840-90. Машины для испытания материалов на растяжение, сжатие и изгиб. Общие технические требования.

127. Назаров Н.Г., Архангельская Е.А. Современные методы иалгоритмы обработки измерений и контроля качества продукции: Учебное пособие.- М. : Издательство стандартов, 1995.- 163 с.

128. Грановский В.А., Сирая Т.Н. Методы обработки экспериментальных данных при измерениях.- J1.: Энергоатомиздат, 1990.288 с.

129. Гутников B.C. Фильтрация измерительных сигналов.- JI.: Энергоатомиздат, 1990.- 192 с.

130. Петров В.А., Медведев Г.И. Системная оценка эффективности новой техники.- JI.: Машиностроение, 1978.- 256 с.

131. Надежность автоматизированных систем управления./ Под ред. Я.А. Хетагурова.- М.: Высш. школа, 1979.- 288 с.

132. О федеральной целевой программе "Энергосбережение России на 1998-2005 годы". Постановление правительства РФ // Собрание законодательства РФ 1998.- №5.- с. 619.

133. Экономика автоматизации: Организация, методы, эффективность: Сокр. пер. с нем./ 3. Дорн, 3. Курцхальс, Й. Нойман и др.; Под ред. Фр. Плешака; Науч. ред. и авт. предисл. Г.А. Васильев.- М.: Экономика, 1989.- 320 с.