автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Разработка адаптивной системы управления процессами тепловой обработки железобетонных изделий

о"

<3 На правах рукописи

аг .

со

i_ гч)

а- \

ХЛСЕНОВАГУЛЬБАНУ

РАЗРАБОТКА АДАПТИВНОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССАМИ ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ИЗДЕЛИЙ

Специальность 05.13.07 - «Автоматизация технологических процессов и производств (строительство)»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических на к

Алматы, 1998

Работа выполнена в Казахском национальном техническом университете.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор, Сыздыков Д.Ж.

Официальные оппоненты: 1. доктор технических наук, профессор

Битгеев Ш.Б. 2. кандидат технических наук, доцент Ибраев А.Х.

Ведущая организация АО «Системотехника»

Защита состоится «ЛЖ» и-££ЪР 1998 г. в /¿'час., на заседании Диссертационного Совета Д 14.13.03 при Казахском национальном техническом университете по адресу: 480013, Алматы, ул. Сатпаева, 226

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казахского национального технического университета.

Автореферат разослан /О^. 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета канд. техн. наук, доцент

Иванов В.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Й! производстве сборного железобетона одним из основных показателей качества выпускаемой продукции является прочность бетона на сжатие, которая определяется большим количеством факторов: режимами термообработки, активностью цемента, качеством заполнителей, водоцементным отношением и т.п. Наиболее важным из них является режим термообработки.

Требуемое значение прочности бетона к моменту окончания тепло-влажной обработки может быть обеспечено путем поддержания расчетного цикла термообработки в виде трех его основных периодов - подъем температуры, изотермический подогрев и охлаждение изделий при условии, что их характеристики (технологические установки, изделия, окружающая среда) соответствуют регламентируемым стандартам.

Как показывает опыт, существующие системы управления процессами термообработки монолитного железобетона не в полной мере решают поставленную задачу. Это объясняется тем, что, как показали проведенные исследования, характеристики технологических процессов прогрева бетона изменяются во времени и значительной мере отклоняются от стандартных. При этом отсутствуют эффективные прямые методы измерения температуры изделий в промышленных условиях.

Поэтому в зависимости от условий функционирования объекта, с учетом технологических особенностей термообработки бетона возникает необходимость определения параметров и характеристик объекта управления, изменять алгоритмы и принципы регулирования по косвенным параметрам'с применением наблюдающих устройств, оценивающих значения температуры изделий в режиме реального времени. В этой связи в создание адаптивной системы, позволяющей идентифицировать объекты управления, синтезировать необходимые алгоритмы регулирования, моделировать синтезированную систему является актуальной научной проблемой, решению которой посвящена настоящая диссертационная работа.

Цель работы заключается

- в разработке, исследовании, внедрении системы непрерывного контроля температуры железобетонных изделий в процессе их термообработки;

- разработке адаптивной системы управления термообработки железобетонных изделий, представляемая следующими функциональными возможностями: программным управлением технологическим процессом, идентификацией объектом управления, контролем температуры изделий с использованием наблюдающих устройств с адаптационными подходами и применением настраиваемых моделей.

Методы исследования. В диссертационной работе использованы методика построения математических моделей, базирующая на

принципах неравновесной термодинамики, методы теории автоматического управления, теории идентификации, адаптивного управления, методы математического моделирования динамических систем.

Научная новизна заключается в разработке методики построения математических моделей технологических процессов термообработки бетона, базирующейся на использовании принципов неравновесной термодинамики в сочетании с принципом последовательного раскрытия неопределенности на основе поэтапного использования информации о функциях систем и целях управления; в постановке новой задачи практической идентификации моделей термообработки бетона с использованием информации, получаемой с наблюдающего устройства контроля температуры изделий; в разработке системы управления технологическими процессами термообработки бетона с заданными характеристиками с применением программного и адаптивного подходов с использованием настраиваемой модели и наблюдающего устройства.

Практическая ценность работы состоит в том, что разработанные системы позволяют осуществлять непрерывный контроль температуры железобетонных изделий в процессе их термообработки по косвенным показателям и их коррекцию для обеспечения заданных качественных свойств, что приводит к снижению энергозатрат. Полученные теоретические и практические результаты позволяют эффсетивно использовать их при решении практических задач автоматизации процессов управления, контроля и измерений в производстве строительных материалов для широкого круга промышленных установок по термообработке железобетонных изделий.

Реализация результатов работ ы. Разработанные системы непрерывного контроля температуры железобетонных изделий при их термообработке с использованием наблюдающего устройства опра-бированы и частично внедрены в АК «Астана-Стройинвест» и учебном процессе КазНТУ.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на : Республиканской межотраслевой научно-практической конференции « Состояние и перспективы создания и использования средств контроля, измерений и АСУ ТП на предприятиях Республики Казахстан» (г. Караганда), научных семинарах АО «Системотехника» (г. Алматы) и кафедр «Автоматика и телемеханика» и «Автоматизация технологических процессов» Казахского национального технического университета.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 научных

работ.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложения. Основное содержание диссертации изложено на страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, изложены цель и задачи исследований, научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе приведены краткое описание и анализ технологических процессов тепловой обработки железобетонных изделий в пропарочной камере и кассетных установках. Отмечено, что прочность бетона определяется условиями твердения и качеством цементного теста, причем условия ускорения твердения бетона выбираются в зависимости от отпускной прочности изделия, состава и свойств смеси, количества и качества цемента, однако, динамические свойства тепловых агрегатов при этом не учитываются. Показано, что необходимым условием производства высококачественного бетона является обеспечение термодинамического соответствия режима теплового воздействия на твердеющий бетон некоторым особенностям его структурообразования, что невозможно достичь без учета особенностей технологических установок и протекающих в них тепло-обменных процессов, а также непосредственного контроля за выполнением программы термообработки бетона.

Однако на практике условия твердения образцов не соответствует условиям твердения изделий, т.к. регулирование осуществляется по косвенному параметру - температуре греющей среды. Это несоответствие приводит к значительному отклонению реального процесса от программы термообработки и, как следствие, к необходимости перерасхода цемента для получения заданной прочности в требуемый промежуток времени, или к необоснованному увеличению продолжительности термообработки и повышенным энергозатратам, или к недобору прочности (если не приняты соответствующие меры).

Проведен анализ существующих методов автоматизации и систем управления процессами термообработки бетона. Показано, что применение на практике систем регулирования процессами термообработки изделий по температуре греющей среды пропарочной камеры и кассетной установки недостаточно эффективны, т.к. температура среды неоднозначно связана с температурой изделий.

Глава завершается постановкой задачи диссертационной работы, которая заключается в разработке, исследований и внедрении: системы непрерывного контроля температуры изделий по косвенным параметрам; математических моделей и задач идентификации процессов тепловой обработки; адаптивной системы управления технологическими процессами термообработки бетона.

Вторая глава посвящена методологическим принципам исследования обобщенного технологического анализа для построения математических моделей процессов термообработки бетона в пропарочной ка-

мере и кассетной установке.

Процесс построения математических моделей непрерывных технологических процессов в значительной степени связан с его особенностями, такие как: многофакторность, плохая организация внутренней структуры в смысле нечеткость проявления причинно-следственных отношений, не стационарность свойств. В этом отношении возникает необходимость рассмотрения специального методологического подхода для исследования, анализа и моделирования таких процессов.

В рамках понятий причинно-следственных отношений и плохой организации внутренних структурных связей данные взаимодействия обусловливают необходимость проведения специальных исследований, имеющих целью синтез топологии моделей технологического процесса. При этом процедура построения моделей должна отвечать принципам системного подхода, систематизацией целей и задач.

В соответствии принципами системного подхода, отмеченного выше рассмотрены методологические основы решения задач моделирования непрерывных технологических процессов. Системность подхода обеспечивается обобщенной методологией, построенной по принципу эволюционного синтеза сложных систем, позволяющего упорядочить процесс исследований в виде поэтапной процедуры, когда математическая модель формируется последовательным раскрытием уровней неопределенностей, соответствующих моделям различных рангов.

Процедура создания моделей сложных технологических процессов позволяет решать три слоя задач, поэтому она организована по иерархическому принципу и имеет три уровня. На начальном уровне производится предварительное исследование, приводится предварительное исследование, заключающегося в системном функционально-целевом и термодинамическом анализе с целью формирования границ описываемого технологического процесса, декомпозиции его на составляющие подсистемы, формирование вектора координат модели. Первый уровень - экспериментальные исследования по сбору измерительной информации и формированию базы данных. Второй уровень - обработка экспериментальной информации: структурная и параметрическая идентификация.

Раскрытие начального уровня с формируемыми частными функционально-целевыми признаками неопределенности имеет целью упорядочение-внутренних структурных взаимоотношений системы. Задача решается посредством системного анализа, содержанием которого является декомпозиция технологического процесса в соответствии (ФЦП). Решением данной задачи является функциональный граф системы.

Рассмотрены вопросы, связанные с построением моделей на основе термодинамического подхода в соответствии с процедурой эволюционного синтеза сложных систем, приведенной в работе. Термодинамический подход позволяет осуществлять компоновку вектора координат моделей тех-

нологического процесса. С этой целью каждое взаимодействие подсистем, рассматриваемое как обмен энергией между этими подсистемами, представляется конечным набором типовых, априорно известных термодинамических явлений, характеризуемых величиной элементарной обобщенной работы 6А.

Для процесса управления существенно то, что является в каждый данный момент времени функцией значения параметров системы (технологического процесса) и не зависит от истории протекания процесса, а значит, может служить характеристикой состояния объекта управления как в статике, так и в динамике.

С точки зрения термодинамики технологический процесс, обладающий большим числом степеней свободы, характеризующийся пространственными и временной координатами, может рассматриваться как система, взаимодействующая с внешней средой путем массо-и энергообмена. Внутреннее состояние технологического процесса как термодинамической системы может быть определено алгебраической суммой всех работ балансом выделяемого и потребляемого тепла. Термодинамический подход позволяет производить выбор координат моделей различных технологических процессов по единой методике, вне зависимости от их функциональной и организационной структуры. С этой целью декомпозируемый на этапе системного анализа непрерывный технологический процесс представляется в виде конечного набора подсистем.

Определяя элементарную обобщенную работу как скалярное произведение обобщенной силы х; на обобщенную координату у; (5А, = х;(1у;), можно получить множества Я обобщенных сил X и координат У, соответствующих конечному набору термодинамических явлений, описывающих множество взаимодействий подсистем. Объединенное множество К подмножеств обобщенных сил X и координат У элементарных явлений технологического процесса составляет множество координат модели: , У = {у;. Таким образом, каждая ¡-я подсистема Б;

определяется как область с множеством локализаций энергий и;, отвечающая частному функционально-целевому признаку Б ¡.Здесь же следует отметить, что достаточный объем априорной информации о процессах, происходящих в моделируемом технологическом процессе, может позволить провести полный термодинамический анализ и получить на его основе модель первого, второго и третьего рангов.

При построении модели типа "вход-выход" расчленение множества координат на вектор управляющих координат и, вектор возмущающих координат f и вектор выходных координат у осуществляется на основании следующих предпосылок. В вектор у включается все подмножество обобщенных координат из числа значимых явлений (ус У). Подмножество

обобщенных сил X расчленяется на два подмножества; Xй,включающее набор составляющих вектора управляющих координат х(х сХ"), и подмножество X , включающее компоненты вектора возмущающих координат. Критерием выделения подмножеств Xй и Х^ из множества является знак направленности соответствующих элементарных работ 6А,

5А, >0, х,еX" и 5А, <0, х, еХг. (1)

Здесь вектор управляющих координат формируется из тех обобщенных сил, которые обуславливают внесение энергии в систему из окружающей среды (в частности управляющей среды). Обобщенные силы, соответствующим явлениям связанным с затратой энергии самой системой, должны быть отнесены к компонентам вектора Г.

Помимо рассмотренных условий на выбор обобщенных термодинамических координат и сил накладывается ряд ограничений. В этом случае под термодинамическими силами понимается многообразие градиентов у;, действующих в системе. Например, градиенты концентрации, температуры, потенциалов и т.д. Наличие в системе градиентов вызывает появление соответствующих потоков ^ (поток диффузии, поток тепла, электрический ток и т.д.), стремящихся привести систему в состояние равновесия. Одни и те же потоки ^ могут быть вызваны разнообразными градиентами у; (термодинамическими силами х;). Соотношение между термодинамической силой X; и градиентом может быть записано в общем случае в виде V х; = у,. Следовательно, между потоками и силами должны существовать соотношения вида ^ = <р;(х), 1 = 1,п, где <р, - в общем случае нелинейная функция х. Для формализации процесса управления технологическим процессом как процедуры (алгоритм) выведения заданных координат в требуемую зону за конечное время необходима модель, описывающая в условиях взаимодействия поведение подсистем, включая подсистему управления, так и их состояние. Тогда под целью управления можно понимать достижение требуемого состояния одной из подсистем за счет взаимодействия подсистем между собой. Введем Аш как множество взаимодействий подсистем Бт и Бп; 2п , - множества координат состояния ш-й и п-й подсистем. Тогда под моделью поведения {Лтп }тп при термодинамическом подходе следует понимать операторы взаимодействия между отдельными термодинамическими координатами. На основании модели поведения формируется алгоритм управления (динамическое управление). Модель состояния отражает свойства отдельных подсистем в статике. На основании модели состояния должна формулироваться цель управления. В этом смысле модель состояния может строиться на объединенном множестве обобщенных сил X и потоков Г. В этом случае механизм взаимодейст-

вия между силами х, координатами у, потоками Г и между моделями поведения и состоянием можно записать в аналитической форме следующим образом:

А^хМЬ^М

хМ=с' йМ} Здесь V - символ градиента; - оператор воздействия 1-й обобщенной силы из подсистемы 5т на _]-й поток подсистемы 8П; - интегральное взаимодействие j-й пары обобщенных потока ^ и силы х^ подсистемы 5П . Система (2) соответствует пространственно-зависимой моде-,., ли (v - элемент объема с координатами а,(5,у) описывающей нестационар-

„ , (к ное неравновесное взаимодеиствие, при котором §гааух и — не равны ну-

лю. Если вступающие во взаимодействия подсистемы и их канал взаимо-

(1х .

действия носят нестационарный, но равновесный характер, когда — ^0,

&

Ёгас1ух = 0, то в этом случае (2) можно упростить

Ащп (хт (Ьт, 0 ■- хп (Ьп, 0} = Гп (Ь„, 0

Хп(Ьп.0 = О^ {г„(ьп,0}. Здесь градиент Уух(У,I) вырождается в разность хД1(Ьтл)-хп(Ьп,1) между вектором х обобщенных сил подсистемы Бщ, действующих в характерной точке этой подсистемы Ьт, и вектором обобщенных сил хп подсистемы Бп, действующих в точке Ьп. Допуская возможность представления процессов взаимодействия, операторы А^, Оп и От можно заменить на коэффициенты передачи атп и . Физический смысл этих коэф-

фициентов, выступающих в качестве параметров рассматриваемой структуры, следующий. Коэффициент атп соответствует обобщенной проводимости, которая характеризует «канал» взаимодействует между ш-й и п-й подсистемами. Коэффициентами и gn обратно пропорциональны обобщенным емкостям систем, характеризующим возможность накопления в каждой подсистеме обобщенного заряда (координаты) ут или уп.

В данной главе представлено описание технологических процессов термообработки железобетонных изделий в пропарочных камерах и в кассетных установках в соответствии с термодинамическими представлениями. Проведен функционально-целевой анализ термообработки железобетона в пропарочной камере. Сформулированы основные функциональные признаки технологического процесса термообработки и внешней среды применительно к технологической установке.

Анализ технологического процесса термообработки железобетона в

пропарочной камере с учетом представления механизма термодинамического взаимодействия между четырьмя подсистемами (I - пространственная среда, II - ограждающие конструкций, III -'формы, IV - изделия) и внешней средой дает возможность представить структурную модель зависимостей (рис. 1), соответствующих тепловым взаимодействиям. Здесь внешняя среда представлена в виде подсистемы источника тепла потока ^ поступающего пара в пропарочную камеру и подсистемы стока тепла потока Гкв - утечки тепла с поверхности ограждающей конструкции во внешнюю среду.

, Если и = ^ есть расход пара в пространственную среду пропарочной камеры, кс - коэффициент передачи среды, а х5 - температура внешней среды, то с учетом подсистем источника и стока математическое описание процесса термообработки в соответствии с представлениями термодинамики (рис. 1) представимо в виде

— =-а,,(х1 -х,)-а,3(х,-х3)-а,4(х,-х4)+кси, 8.

—х:=а12(х,-хг)-а2!(х2-х5),

(4)

—х3 = а,3(х,-х,)-а54(х3-х4),

—х4 = а11(х1-х4)+а34(х3-х4),

где х^ = 1,2,3,4,5) - соответственно температура среды пропарочной камеры, изделий, формы, ограждающих конструкций и внешней среды;

(1 = 1,4)- коэффициенты интегрального взаимодействия; а^ - коэффициенты передач среда - ограждающие конструкции, среда - формы, среда -изделия, формы - изделия, ограждающие конструкции - внешняя среда. Коэффициенты аш соответствуют обобщенной проводимости, которые характеризуют «каналы» взаимодействия между ш-й и п-й подсистемами. Коэффициенты gm и обратно пропорциональны обобщенным емкостям систем, характеризующим возможность накопления в каждой подсистеме обобщенного заряда (координаты) ут или уп.

В работе представлены значения тепловых потоков, которые записываются через теплотехнические и конструктивные параметры камеры. С учетом технологических и конструктивных значений система уравнений (4) представлена следующими выражениями

Ф.(0=ацФ.(0+ацФж(0+аиФ*(0+а,4Ф-(0+Ь,и

ф,(0= а2|Фс(1)+а2зФф(1)+а24Фи(*)

ФФ(0 = а)1Ф.(0+аиФ.(0+апф#0) Ф.0) = а41ф,(1)+авф,(1)+Ь1ф,(1),

здесь параметры модели ау представлены с учетом технологических и конструктивных значений пропарочной камеры, а х; = ф, ¡=(1,2,3,4,5 ->с, и, ф,к, в).

Для более полного исследования структуры!'и свойств объекта управления введена дополнительная информация - о температуре поверхности изделий фпи, которая определена в виде следующего уравнения:

ЫО^ФсМ .»..¿А. • ®

где 5И Дд - толщина бетона от поверхности теплообмена и теплопроводность бетона соответственно.

'"'' Проверка математической модели (5) с учетом (6) на адекватность технологическому процессу термообработки бетона в пропарочной камере была выполнена на основе сопоставления графиков переходных процессов для пропарочной камеры с технологическими параметрами, приведенными в работе. Проведенные экспериментальные исследования подтвердили адекватность математических моделей технологическим процессов пропарочной камеры. Аналогичные теоретические и экспериментальные исследования рассмотрены в данной главе для технологических процессов термообработки бетона в кассетных установках.

В третей главе рассматриваются задачи идентификации математических моделей технологических процессов термообработки бетона. Решение задач идентификации позволяет сформировать векторы координат состояния, входных воздействий и выходных реакций, а также раскрыть технологию внутренних связей и выбрать структуру операторов связей. Рассмотренный во втором разделе работы метод определения моделей технологических процессов термообработки бетона на основе термодинамического подхода позволяет решить задачу структурной идентификации, которая претворяет параметрическую идентификации, состоящая в оценивании параметров этих операторов связей.

В данной главе рассмотрены некоторые проблемы и алгоритмы параметрической идентификации, проведен их анализ. Обоснованы процедуры идентификации технологических процессов с применением алгоритмов метода векторного общего параметра, которые рассмотрены на примере оценки параметров объекта вида

х(п) = ©ти(п)+у(п)) (7)

где х (п) - выходная переменная объекта; и (п) - вектор входных переменных; 0 - вектор неизвестных параметров; у(п) - случайная шумовая по-

следовательность. N неизвестных параметров объекта (7) условно представлены в виде т групп по Pj (]=1, 2,...т) параметров в каждой из них.

Для оценки вектора неизвестных параметров © определена модель аналогично структуре (7) как

х(п) = ©т(п-1)и(п), (8)

где х(п) - выходная переменная модели на п-ом шаге, а вектор оцениваемых параметров здесь представлен как

©Т(п) =

3 = 1,тп

(9)

(10) модели;

Показано, что если параметры модели (8) для каждой .¡-той группы представить как

то модель (8) можно записать в виде

х(п) = (<Э(0)+др(п-1))Ти(п),

где ©(о) - вектор начальных значений параметров рт(п) = [р|(п)...рт(п)| - вектор общих параметров. Матрица 0 размера N х т имеет вид = сЦа§(я]11,...,дт1га), где ^ - единичный вектор размера р^ qj - весовые коэффициенты.

Схема представления модели в виде (10) определяет оценивание не всех составляющих N - мерного вектора параметров модели (8), а только ш (1 < ш < Ы) общих параметров, которые являются общими для определенных групп. Оценивание общих параметров можно проводить разными алгоритмами. В частном случае, для исследования метода векторного общего параметра модели (10) можно рассмотреть алгоритмы метода наименьших квадратов (МНК). В соответствии с МНК ошибка для п-го измерения пред-ставима как

е(п) = х(п)-ит(п)©(п-1) (11)

Когда измерения выполнены для п= 1, 2, ... , к (к» Ы) экспериментов уравнения (11) можно представить в векторно-матричной форме вида:

е-х-и©, (12)

МО - иы(1)'

еМеОШ~.е(к)1

где

и =

хМх(1),х(2),...,х(к)]

Мк) ••• итк)_

Если в качестве функции потерь выбрать положительно определенную форму

"1(2)

им (2)

Л = е'%е, (13)

где V/ - матрица весовых коэффициентов размера кхк,то оценки по МНК минимизирующие функцию (13) имеют вид

0 = (иТ^)"1и%х = Р~1иТ\Ух, (14)

а при = Е = (1,... ,1)

© = (иТи)~1их. (15)

Для случая, когда входной сигнал и(п) представляет собой возбужденный процесс порядка не ниже к, то обратные матрицы

(и1^!^ , (иТи)" существуют для больших к. Тогда оценка параметров согласно (14), (15) является несмещенной м|©| = 0, если случайная последовательность входных сигналов и шумов удовлетворяет условиям

+ С = ° м1(п)уТ(п-с)ист"Е' С = ° (16)

(О, с* О, [0, с* О,

М{у(п)} = 0, М|и(п)ут(п)| = О,

2 2

где о , с у - значения дисперсии входных сигналов и шумов соответственно.

С учетом модели (10) с общими параметрами векторно-матричная форма уравнения (12) после проведения к] эксперимента имеет вид:

е^х^и^+СЗр] (17)

Выражения е^Х],!^ для (10) аналогичны по виду выражениям для (12). Однако, поскольку количество оцениваемых параметров модели (8) выше количества общих параметров модели (10), т.е. N > ш, то для случая представления модели согласно выражению (10) оценивание параметров по МНК можно проводить при числе к] наблюдений к>к] ив качестве

функции потерь принять положительно определенную форму вида т

=е1е1- Проводя минимизацию функции потерь по вектору общих параметров, получим

р=[(и1д)ти,С!р1(Ц<3)т[х -11,0(0)]. (18)

Как видно из выражения (18), отличие полученного результата по МНК от (16) состоит в наличии дополнительного члена начальных значений параметров модели, матрицы весовых коэффициентов 0 общих параметров и, самое главное, в размерности решаемой задачи. Поскольку оценки параметров представимы как 0(п) = 0(О)+(2Р(п), то с учетом (18) оценки параметров по МНК имеют значения:

, ©=©(о)+д^цд)7^]" (и,9)т(х - и,©(о)). (19)

Определено, что для (18) М{р} = с^ где ст =|с] есть вектор,

средних значений общих параметров и выражение (18) представимо как

др = [(ий)ти,др(ий)ти,(1; + v), (20)

где Др = р - с, г» = 0 - (<Э(0) + Ос). Здесь г» - вектор параметрических рассогласований, норму которого обозначим как |г»|, а. се дисперсию в виде ог. На основании уравнения (20) представим выражение вида

[(и^и^дрдр^и.д)1^]1 - (2]) =(и,д)ти,(г. + л)(г. + л)тит(и,д).

При усреднении выражения (21) с учетом свойств сигналов (16) и следа матрицы получено соотношение

2 Д 2 2 ш Г» ц2 с1/

позволяющее оценивать точность решения задачи идентификации. Здесь м|др^(п)| есть дисперсия 1-го общего параметра. Таким образом,

для определенных значений отношения шум/сигнал дисперсии общих параметров могут служить мерой точности процессов идентификации.

В соответствии с МНК определены рекуррентные алгоритмы оценки общих параметров, вид которых представим в следующем виде:

р(п) = р(п-1)+у(п)<п),

Р(п) = Р(п -1) - у (п)фТ(п)Р(п -1) е(п) = х(п)-ит(0(О) + др(п-1)).

В четвертой главе проведено обоснование необходимости синтеза наблюдающих устройств и структуры адаптивной системы управления для тепловой обработки железобетонных изделий. Это связано с тем, что управление процессами термообработки железобетонных изделий в пропарочных камерах и кассетных установках по температуре, греющей среды не позволяет достаточно точно выдерживать заданный технологичен, ский режим.

В этом случае для формирования управляющего воздействия необходимо иметь оценку составляющей вектора состояния объекта, получае-

мого на основе измеряемой информации. Наиболее перспективными представляются использование для этой цели наблюдателя Люенбергера, формирующего оценку состояния по входному воздействию и измеряемым выходным координатам.

Определено математическое описание наблюдающих устройств оценивания температуры изделий в пропарочной камере и кассетной установке. Так для пропарочной камеры оценка температуры изделия с использованием наблюдающего устройства представляется математической моделью вида:

¿(0 + к]2(1)=к2Х2(1)+кзХз(0 + к4и(0

Здесь Х]^) - оценка усредненного значения температуры изделия и формы; х20),хз(1) - температура греющей среды и окружающей конструкции пропарочной камеры; и^) - расход пара; к! -к4 - коэффициенты, зависящие от теплотехнических и конструктивных характеристик пропарочной камеры и параметров наблюдающего устройства; С, - варьируемый параметр наблюдающего устройства. Аналогично наблюдающего устройства оценивания температуры изделия определено и для' кассетной установки.

В данной главе обоснован адаптивный подход к управления технологическими процессами тепловой обработки бетона. Поставленная проблема адаптивного управления процессами тепловой обработки бетона в пропарочной камере в строительном производстве не рассматривалась. При этом разработка принципиальной схемы и реализация адаптивной системы управления невозможна без аналитического устройства оценки параметров состояния типовых объектов регулирования в режиме, реального времени. ■ . - . .,

На рис. 2 приведена блок-схема адаптивной системы управления. Особенностью данной системы является ее возможность обеспечения как программного, так и адаптивного принципов управления и по своим функциональным признакам представляется в виде трех подсистем: Подсистема I предназначена для расчета начальных базовых составляющих программного управления каждого цикла термообработки-изделий ;с. последующей корректировкой статической модели. Подсистема II осуществляет программное и адаптивное управление с использованием наблюдающего устройства, которое оценивает неизмеряемое значение температуры изделия в пропарочной камере. Данную подсистему можно рассматривать как адаптивную систему автоматической стабилизации теплового процесса в пропарочной камере. Подсистему III можно рассматривать как идентификатор для определения характеристик объекта управления с применением динамических и статических моделей в подсистеме I (блок 3) и динамических составляющих в наблюдающем устройстве (блок 10) в подсистеме II.

Схематично на данной адаптивной системе с оценкой параметров и

состояния приняты следующие обозначения: 8 - объект управления (процесс термообработки бетонных изделий в пропарочной камере) с блоком согласования с объектом 7; 11 - настраиваемая динамическая модель; 12 -настраиваемая статическая модель; 13 - блок параметрической настройки моделей 11, 12; 4 - блок оценки ситуаций, возникающих при выборе адаптивного и программного управления; 5, 6 - блоки адаптивного и программного управления соответственно (блоки коррекции поступления теплоносителя в пропарочную камеру); 9 - датчик температур среды в пропарочной камере; 10 - наблюдающее устройство для оценивания температуры изделий в пропарочной камере; 1 - блок ввода исходных данных; 2 - задатчик заданных значений температуры среды и изделий в пропарочной камере; 3 - блок статической модели прогноза и расчета базовых значений переменных для программного управления; 14, 15, 16 - элементы сравнения; 17 -элемент суммирования при адаптивной коррекции процесса управления.

Предварительный расчет и установка начальных значений осуществляется в подсистеме I. Здесь по имеющимся исходным данным (блок 1) от теплотехнических и конструктивных характеристиках пропарочной камеры, форм изделий, марки цемента (0О) и т. д., а так же о задаваемой температуры (фс3, фцз) среды и изделий (блок 2) в пропарочной камере, с использованием статической модели (блок 3), проводится расчет базовых значений переменных для программного управления, заданного количества поступления пара в единицу времени и0 в зависимости от его теплоемкости,- температуры окружающей среды для нормального проведения технологического процесса термообработки изделий.

Для случаев, когда программное управление Ц^) не обеспечивает заданную точность теплового режима технологического процесса, с учетом новых значений параметров 0С статической модели (блок 12) и оценки температуры изделия фц с наблюдающего (блок 10), значения которых вводятся в блок 3, осуществляется повторный расчет исходных данных с корректировкой управляющего воздействия и0 (1). При этом вычисляется установившийся коэффициент пропорциональности управляющего устройства, с корректировкой и использованием которого возможно устранить ошибку в установившимся состоянии.

Основная подсистема II включает в себя разомкнутый контур программного управления и контур с обратной связью по выходным переменным измеряемой температуры фс среды пропарочной камеры и оценки

температуры изделия фи, вычисляемой с применением наблюдающего устройства. Входное воздействие Ц)^), рассчитанное для режимов программного управления в блоке 3 поступает на блок оценки ситуаций, в котором определяются режимы работы пропарочной камеры программного

управления через блок 6 или адаптивной коррекции через блок 5. Для случая программного управления изменение уставок регулятора осуществляется в полном соответствии с программной термообработки изделия.

В дальнейшем, в случае отклонения технологического процесса от программного осуществляется адаптивная коррекция управления процессом. В общем случае сигнал с блоков 5 или 6 поступает на блок согласования 7 с объектом 8. В технологии в качестве теплоносителя используется пар, поступающий в пропарочную камеру 8, блок согласования 7 с объектом содержит запорный клапан с электроприводом. С целью повышения точности управления процессом термообработки также предусмотрено использование в системе наблюдающего устройства 10.

Выходные значения с выхода объекта и значения оценок с выхода наблюдающего устройства поступают на элементы сравнения 14, 15 с заданными значениями фсз и физ, которые определены требованиями ведения технологического процесса. Сигналы действительного отклонения £], на выходе элемента 14 и оцениваемого отклонения ё2 на выходе; элемента 15 поступают на блок оценки ситуации 4 и блок 5 адаптивной корректировки управляющих воздействий, что обеспечивает получение заданных показателей качества изделий.

Для уточнения характеристик (свойств) объекта в представляемой системе предназначена подсистема III (идентификатор), которая осуществляет построение модельных отношений информативных координат исследуемого объекта. При этом модели, описывающие эти отношения, разделяются на два класса. К первому классу относятся динамические операторы (блок 11). Ко второму классу относятся статические зависимости (блок 12).

Оценки параметров 0„ динамической модели I I поступают в блоки 5 и 10 для корректировки параметров адаптивного регулятора и наблюдающего устройства, а оценки параметров 0С статической модели 12 пропарочной камеры и выходное значение оценок ^температуры изделия поступают на блок 3 для корректировки модели прогноза и базовых значений по расчету и уточнению программного управления. Таким образом по завершению цикла термообработки партии железобетонных изделий система возвращается в исходное состояние и дальнейшая тепловая обработка новой партии изделий будет осуществляться по заранее скорректированной программе по входным сигналам, что обеспечивает получение заданных показателей качества бетона.

В соответствии с проведенными работами в АК «Астана-Стройинвест» исследовано устройство наблюдения по косвенному измерению температуры греющего изделия в пропарочной камере. Экономический эффект составил 150 тыс. тенге в год за счет снижения энергозатрат.

В заключении кратко сформулированы полученные в диссертации результаты и выводы. В приложении представлены акты о внедрении результатов диссертации.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Представлены методологические принципы исследования обобщенного (типового) непрерывного технологического процесса. Процедура исследования организована в соответствии с принципом эволюционного синтеза сложных систем, когда математическая модель формируется последовательным раскрытием уровней неопределенностей, соответствующих моделям различных рангов.

2. Разработана процедура исследования непрерывных технологических процессов, реализуемая на базе системного анализа, содержанием которого является формирование функционально-целевых признаков, выделение подсистем технологического процесса, проведение термодинамического анализа состояния и взаимодействий подсистем, формирование сильных функциональных связей, формирование вектора координат состояния, входов, выходов, возмущений.

3. На базе представленных методологических принципов исследования обобщенного технологического процесса и термодинамического анализа для технологических процессов термообработки бетона в пропарочной камере и кассетной установке в соответствии с формируемыми частными функционально-целевыми признаками, разработаны функциональные графы и динамические математические модели объектов исследования. ■

■ : 4. Предложены и обоснованы алгоритмы оценивания метода наименьших квадратов на базе векторного общего параметра с целью повышения точности решаемой задачи идентификации при ограниченном времени наблюдения. Даны оценки точности процедуры идентификации с применением алгоритма векторного общего параметра.

5. Разработаны математические модели для наблюдающих устройств кассетной установки и пропарочной камеры, которые позволяют получать оценки неизмеряемых значений температуры изделий по расчетным данным. Структура наблюдающих устройств достаточно проста и доступна в реализации на действующих установках.

6. Разработана структура адаптивной системы управления технологическими процессами термообработки бетона, предназначенная для расчета базовых значений управляющих воздействий, оценивания параметров математических моделей в реальном времени ведения технологического процесса, коррекции параметров наблюдающего устройства и базовых управляющих воздействий.

7. На основе полученных в работе теоретических результатов разра-

ботана и частично внедрена система оценивания температуры изделий в пропарочной камере с использованием наблюдающего устройства в АК «Астана-Стройинвест» г. Алматы. Экономический эффект от внедрения результатов составил 150 тыс. тенге за счет снижения энергозатарт.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Сыздыков Д.Ж., Кабылдин K.M., Хасенова Г.И. Идентификация систем методом векторного общего параметра // Вестник КазНТУ, 1996, №1, с. 116-121.

2. Кабылдин K.M., Хасенова Г.И. Оценивание общих параметров методом наименьших квадратов // Вестник КазНТУ, 1996, №1, с. 123 - 128.

3. Хасенова Г.И. Синтез и исследование наблюдающих устройств для систем управления пропарочной камерой //Республиканская конференция «Состояние и перспективы создания и использования средств контроля, измерений и АСУ ТП на предприятиях Республики Казахстан». Тезисы доклада, Караганда, 1996, с. 87.

4. Хасенова Г.И. Идентификация технологических процессов термообработки бетона // Республиканская конференция «Состояние и перспективы создания и использования средств контроля, измерений и АСУ 7П на предприятиях Республики Казахстан». Тезисы доклада, Караганда, 1996, с. 84.

5. Хасенова Г.И. Построение математической модели процесса термообработки в пропарочной камере. // ТАУАР, изд. Инженерной академии PK, 1997, №3, с.34 - 37.

6. Хасенова Г.И. Построение математической модели процесса термообработки в кассетной установке. // ТАУАР, изд. Инженерной академии PK, 1997, №3, с.37 - 39.

7. Табултаев С.С., Хасенова Г.И. Общие принципы технологических процессов и построения математических моделей. Алматы: ТАУАР, изд. Инженерной академии PK, 1997, №4, с.40 - 42.

Хасенова Гульбану

Те\прбетон ешмдерщщ жылытып ондеу урдютср1мен адаптивт! жуйесш баскдруын жасау

Бул жумыс TeMip6eTOH ошмдерщ жылытып ендеу технол-огиялык, урд1стершщ баскдруын адаптылау ш1мдерш жасауына арналган. Бетонньщ термоондеу технологиялык урд1стсршен термодинамикалык; кдгидаларын жене техникалык, объектшщ бслпЫздтн т1збектеп анык,таумен оньщ математикальщ модельдерш куру эдктемес! кдрасгырылган. Ghímhíh t° ''тексерш бакылау куралдан алынган акдаратсы колданып бетонньщ термоондеу модельдерщщ практикалык, идентгылау жаца ecenrepi койылган. Бетонньщ термоондеу урд1стершщ баскдру багдарламалык, жэне адаптылау шмдсрщ колданып жасаган.

Khasenova Gylbanu

Development of an adaptive control system of thermal processing ferroconcrete of items

The present work is devoted to adaptive approach development for management of thermal treatment processes dealing with beton commodities. The methods for composing of mathematic models are considered and they are referring to technological processes of beton thermal treatment processes which arc based on the thermodynamic principles and consequent revealing of unknown data regarding the technical subject. The new tasks are determined and they are dealing with model beton thermal treatment model identification, applying information that is collected from temperature control device. The methods of programming and adaptive approaches are used, while working on beton thermal treatment processes.