автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Повышение эффективности теплообменных процессов при термообработке гуммировочных покрытий путем применения адаптивной системы оптимального управления с прогнозирующей моделью

СОДЕРЖАНИЕ.

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ, ОБОРУДОВАНИЯ И СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ, ПРИМЕНЯЕМЫХ ПРИ ТЕРМООБРАБОТКЕ ГУММИРОВАННЫХ ИЗДЕЛИЙ.

1.1. Анализ аппаратных средств термообработки гуммировочных покрытий.

1.1.1. Регулирование времени тепловой обработки материалов.

1.2. Анализ средств контроля процесса теплообмена при термообработке гуммировочных покрытий.

1.2.1. Расчет степени вулканизации через температуру.

1.3. Автоматизированные системы управления процессом теплообмена при термообработке.

1.3.1. Структура современной А СУ ТП.

1.3.2. Реализация адаптивности в системах управления.

1.3.3. Понятие оптимального управления.

1.4. Обзор существующих решений в области систем управления тепловыми процессами.

1.4.1. Системы с расчетом времени вулканизации по модели процесса.

1.4.2. Системы с расчетом времени вулканизации по некому заданному закону.

1.4.3. Модернизация систем верхнего уровня АСУТП с помощью компьютерных технологий на примере пакета RealFlex.

1.5. Выбор методики и средств разработки системы управления процессом теплообмена при термообработке гуммировочных покрытий.

-т* 1.6. Выводы.

2. МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА ТЕПЛООБМЕНА ПРИ ТЕРМООБРАБОТКЕ ГУММИРОВАННЫХ ИЗДЕЛИЙ.

2.1. Постановка задачи.

2.2. Построение модели процесса теплообмена при термообработке методом конечных элементов.

2.2.1. Метод расчета температурных полей.

2.2.2. Выбор формы конечного элемента.

2.2.3. Функции формы.

-to 2.2.4. Вывод уравнений для области внутри материала.

2.2.5. Вычисление интегралов в координатной плоскости конечного элемента.

2.2.6. Вычисление интегралов во временной плоскости.

2.2.7. Окончательная сборка формул интегрирования по конечному элементу.

2.2.8. Интегрирование формулы невязки по объему и сторонам конечного элемента.

2.2.9. Вывод уравнений для области границы с условиями IVрода.

2.2.10. Синтез системы линейных алгебраических уравнений для построения температурных полей.

2.3. Экспериментальное исследование математической модели процесса теплообмена при термообработке гуммированных изделий.

2.3.1. Выводы.

3. РАЗРАБОТКА ОПТИМАЛЬНОГО АДАПТИВНОГО АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛЯТОРА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ТЕПЛОВЫМ РЕЖИМОМ ПРОЦЕССА ТЕРМООБРАБОТКИ ГУММИРОВАННЫХ ИЗДЕЛИЙ.

3.1. Выбор метода синтеза оптимального регулятора.

3.2. Использование метода динамического программирования для управления процессом теплообмена при термообработке гуммировочных покрытий.

3.2.1. Постановка задачи оптимизации.

3.2.2. Принцип оптимальности.

3.3. Дискретные уравнения системы.

3.4. Синтез регулятора полной обратной связью для процесса теплообмена при термообработке.

3.5. Принцип перевода системы с распределенным параметром в систему со сосредоточенным параметром.

3.6. Учет довулканизации вне оборудования.

3.7. Выбор периода дискретизации.

3.8. Экспериментальное исследование оптимального регулятора процессом теплообмена при термообработке гуммировочных покрытий.

3.9. Структурная схема системы автоматического регулирования тепловых процессов.

3.10. Выводы.

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕПЛООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ТЕРМООБРАБОТКЕ ГУММИРОВАННЫХ

ПОКРЫТИЙ ПУТЕМ ПРИМЕНЕНИЯ АДАПТИВНОЙ СИСТЕМЫ ОПТИМАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ТЕРМИЧЕСКОЙ

ОБРАБОТКИ С ПРОГНОЗИРУЮЩЕЙ МОДЕЛЬЮ.

4.1. Разработка программного обеспечения адаптивной системы оптимального управления процессом термической обработки с прогнозирующей моделью.

4.2. Экспериментальное исследование разработанной адаптивной системы оптимального управления процессом термической обработки с прогнозирующей моделью.

4.2.1. Определение кинетики вулканизации.

4.3. Выводы.

ВЫВОДЫ.

Различные отрасли промышленности и сельского хозяйства предъявляют высокие требования к антикоррозионной защите деталей машин и аппаратов, работающих в условиях сильно агрессивных сред при повышенных температурах и давлениях. Из существующих способов защиты поверхностей гуммирование занимает особое положение вследствие того, что резина обладает целым комплексом технически полезных свойств: способностью выдерживать мощные гидродинамические удары, водо- и газонепроницаемостью, тепло- и морозостойкостью и др. Теплообменные и вулканизационные процессы, сопровождающиеся большими затратами энергии и особенно нуждающиеся в совершенствовании, имеют наибольшее значение во всем цикле работ по изготовлению гуммированных объектов.

На данном этапе развития экономики важнейшее значение приобретают проблемы энергоресурсосбережения и связанные с этим вопросы надежности, рациональной и экономичной эксплуатации промышленных теплоэнергетических предприятий и их систем.

В настоящее время актуальны исследования, направленные на повышение эффективности процесса тепловой вулкнизации, создание непрерывных процессов и многофункционального оборудования с активным гидродинамическим и тепловым режимом для термообработки гуммировочных покрытий в целях создания поточных линий производства.

На практике возможности оптимизации и интенсификации процесса теплообмена при термообработке гуммировочных покрытий ограничиваются нестабильностью параметров теплоносителей на оборудовании, что приводит к необходимости удлинения режимов, ориентированных на нижние уровни колебаний температуры теплоносителей. Существенно стабилизировать эти температуры не представляется возможным из-за наличия большого числа технологических и конструктивных факторов, влияющих на характер теплового процесса. Следовательно, дальнейшее повышение качества и сокращение цикла процесса термообработки возможно лишь при организации автоматического управления режимами на базе математического моделирования процесса по его контролируемым параметрам, обеспечивающим заданный тепловой режим и желаемый оптимальный характер технологического процесса.

Поэтому острой является проблема разработки системы оптимального автоматического управления режимами термообработки на базе математической модели процесса теплообмена, решение которой позволит повысить среднюю производительность работы оборудования при одновременном улучшении качества изделий.

Цель работы. Интенсификация и совершенствование процессов ь теплообмена при термической обработке многослойных гуммировочных покрытий путем применения адаптивной системы оптимального управления теплотехническим оборудованием с прогнозирующей моделью, улучшение качества и степени вулканизации, химической стойкости и прочности крепления покрытий.

Научная новизна.

• Разработана математическая модель процесса теплообмена при термообработке многослойных гуммировочных покрытий, отличающаяся 9 повышенной точностью и инвариантностью к геометрии исследуемого изделия;

• На базе разработанной математической модели осуществлено решение следующих задач теплопереноса: а) теплоперенос в многослойном эластомерном покрытии без учета внутренних источников теплоты при граничных условиях III рода на внешних поверхностях в процессе горячего крепления к металлу; б) теплоперенос в многослойном эластомерном покрытии при его предварительной термообработке отдельно от металлической основы при граничных условиях III рода на внешних поверхностях;

• Получены результаты экспериментального исследования точности расчетов и адекватности предложенной математической модели процесса теплообмена в зависимости от различных параметров моделирования;

• Разработана методика расчета и оптимального управления тепловыми режимами при термообработке многослойных гуммировочных покрытий по смешанному квадратичному критерию оптимальности (равномерность прогрева и затраченная тепловая энергия) при помощи регулятора с полной обратной связью;

• Предложена методика адаптации числовых данных температурных полей к разработанному оптимальному регулятору процесса теплообмена путем выбора экстремальной точки, лимитирующей процесс вулканизации.

Практическая ценность. Внедрение разработанных математической модели процесса теплообмена и адаптивной системы оптимального управления теплообменом при термообработке с прогнозированием распределения температуры изделия в пространстве и времени позволило интенсифицировать процесс термообработки, повысить качество гуммировочных покрытий, уменьшить энергозатраты и снизить себестоимость готовой продукции.

Реализация результатов исследований. Результаты работы переданы для внедрения в ОАО «Сухонский целлюлозно-бумажный завод», ЗАО «Вологодский подшипниковый завод», ПУ «Грязовецрайгаз», ГУ «Центр по оказанию работ и услуг природоохранного назначения», ГУЛ «Вологодский вагоноремонтный завод», «ЧереповецМеталлургПрокатМонтаж-2».

По материалам диссертационной работы получены две приоритетные справки о выдаче патентов Российской Федерации на изобретение: «Способ термообработки синтетического рулонного материала» №2003100585 от 03.01.2003; «Устройство для непрерывной вулканизации длинномерных изделий» №2003113039 от 05.05.2003.

Достоверность полученных результатов и выводов, сделанных на их основе, подтверждается сравнением с данными натурных экспериментов по исследованию процесса теплообмена при горячем креплении гуммировочных покрытий к металлу и математического моделирования процесса теплообмена других авторов.

Апробация работы и публикации. Основные положения и результаты работы докладывались, обсуждались и экспонировались на:

• первой международной научно-технической конференции «Повышение эффективности теплообменных процессов и систем» (24-27 июня 1998 г., Вологда);

• второй региональной научно-технической конференции «Вузовская наука региону» (23-24 февраля 2001 г., Вологда);

• международной научно-технической конференции «Энергосбережение в теплоэнергетических системах» (24-26 апреля 2001 г., Вологда);

• второй Всероссийской научно-технической конференции «Прогрессивные процессы и оборудование металлургического производства» (2001 г., Череповец);

• международной научно-технической конференции «Моделирование, оптимизация и интенсификация производственных процессов и систем» (29

31 октября 2001 г., Вологда);

• третьей региональной научно-технической конференции «Вузовская наука региону» (27-28 февраля 2002 г., Вологда);

• Всероссийской научной конференции «Проектирование научных и инженерных приложений в среде MATLAB» (28-29 мая 2002 г., Москва);

• международной научно-технической конференции «Информационные технологии в производственных, социальных и экономических процессах» (2002 г., Череповец);

• первой общероссийской научно-технической конференции «Вузовская наука -региону» (27-28 февраля 2003 г., Вологда); третьей международной научно-технической конференции «Повышение эффективности теплообменных процессов и систем» (20-23 мая 2003 г., Вологда).

По теме диссертационной работы опубликована 21 печатная работа.

ВЫВОДЫ

1. Проанализированы известные решения в области автоматического управления процессом теплообмена при термической обработке гуммированных изделий, в том числе с использованием моделей процесса и механизмов адаптации.

2. Определены недостатки существующих автоматических систем управления процессами теплообмена и предложены пути повышения точности и эффективности работы систем.

3. Разработана математическая модель процесса теплообмена при термической обработке гуммированных изделий, которая характеризуется высокой точностью получаемых результатов и инвариантностью к геометрии исследуемого изделия. Она может применяться для моделирования процесса теплообмена в эластомерных изделиях произвольной формы с произвольным распределением теплофизических свойств в пространстве. Данная модель может быть использована как для исследования тепловых процессов, так и в составе систем управления в режиме реального времени.

4. Разработан оптимальный регулятор с полной обратной связью для управления процессом теплообмена при термической обработке гуммированных изделий по смешанному критерию оптимальности (максимальная равномерность прогрева и затраченная тепловая энергия) на основе дискретных данных математической модели.

5. Предложена методика адаптации числовых данных температурных полей к разработанному оптимальному регулятору процесса теплообмена путем выбора экстремальной точки, лимитирующей процесс вулканизации.

6. Построена структурная схема программной системы управления процессом теплообмена при термической обработке гуммированных изделий, использующей математическую модель процесса теплообмена и учет довулканизации вне оборудования.

7. Проведено исследование разработанной системы управления, выяснены ее возможности и получены основные характеристики.

8. Результаты диссертационной работы переданы для внедрения в ОАО «Сухонский целлюлозно-бумажный завод», ЗАО «Вологодский подшипниковый завод», ПУ «Грязовецрайгаз», ГУ «Центр по оказанию работ и услуг природоохранного назначения», ГУЛ «Вологодский вагоноремонтный завод», «Череповецметаллургпрокатмонтаж-2».

9. По материалам диссертационной работы получены две приоритетные справки о выдаче патентов Российской Федерации на изобретение: «Способ термообработки синтетического рулонного материала» №2003100585 от 03.01.2003; «Устройство для непрерывной вулканизации длинномерных изделий» №2003113039 от 05.05.2003.

1. Машины и аппараты резинового производства / Под ред. A.M. Барскова. -М.: Химия, 1975. 600 с.

2. Мацевитый, Ю.М. Гибридное моделирование тепловых процессов. / Ю.М. Мацевитый, Й. Кунеш Киев: Наук, думка, 1987. - 268 с.

3. Коздоба, J1.A. Методы решения нелинейных задач теплопроводности. / J1.A. Коздоба М.: Наука, 1975. - 228 с.

4. Коздоба, J1.A. Решения нелинейных задач теплопроводности. / J1.A. Коздоба Киев: Наук, думка, 1976. - 136 с.

5. Рихтмайер, Р. Разностные методы решения краевых задач. / Р. Рихтмайер, К. Мортон -М.: Мир, 1972. 418 с.

6. Самарский, А.А. Введение в численные методы. / А.А. Самарский М.: Наука, 1987.-258 с.

7. Самарский, А.А. Теория разностных схем. / А.А. Самарский М.: Наука, 1983.-552 с.

8. Сегерлинд, J1. Применение метода конечных элементов. / J1. Сегерлинд -М.: Мир, 1979.-242 с.

9. Эмери, А. Оценка применимости метода конечных элементов при расчетах температуры / А. Эмери, В. Карсон // Теплопередача. 1971. - № 2. - С.6-10.

10. Догадкин, Б.И. Химия эластомеров. / Б.И. Догадкин, А.А. Донцов, В.А. Шершнев М.: Химия, 1981.-374 с.

11. Эмери, А. Модификация метода Монте-Карло: метод Exodus / А. Эмери, В. Карсон // Теплопередача. 1968. - № 3. - С.50-55.

12. Коломейцева, М.Б. Оптимизация нагрева массивных тел внутренними источниками / М.Б. Коломейцева, С.А. Панасенко // Автоматика и телемеханика. 1976. - № 4. - С.4-20.13