автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка и структурный синтез электротехнического комплекса формования керамической массы при производстве кирпича

На правах рукописи /

Назаров Максим Александрович

РАЗРАБОТКА И СТРУКТУРНЫЙ СИНТЕЗ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА ФОРМОВАНИЯ КЕРАМИЧЕСКОЙ МАССЫ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ КИРПИЧА

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степепи кандидата технических наук

13

005568485

2015

Самара 2015

005568485

Работа выполнена на кафедре «Механизация, автоматизация и энергоснабжение строительства» ФГБОУ ВПО «Самарский государственный архитектурно-строительный университет»

Научный руководитель: - доктор технических наук, профессор

Галицков Станислав Яковлевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Вахнина Вера Васильевна заведующая кафедрой «Электроснабжение и электротехника» ФГБОУ ВПО «Тольяттинский государственный университет», г. Тольятти

кандидат технических наук Третьяк Дмитрий Владимирович ведущий инженер ПТО ООО «Метрология и Автоматизация», г. Самара

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Московский государственный

строительный университет», Национальный исследовательский университет, г. Москва

Защита состоится «17» июня 2015 г. в 13 часов на заседании диссертационного совета Д 212.217.04 ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет» (СамГТУ) по адресу: Россия, г. Самара, ул. Первомайская, 18, корпус № 1, аудитория 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Самарского государственного технического университета по адресу: 443100, г. Самара, ул. Первомайская, 18 и на сайте samgtu.ru.

Отзывы по данной работе в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: Россия, 443100, Молодогвардейская ул. 244, СамГТУ, главный корпус, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.217.04, факс: (846)2784400, e-mail: a-ezhova@yandex.ru. В отзыве просим указывать почтовый адрес, номер телефона, электронную почту, наименование организации и должность.

Автореферат разослан « и » апреля 2015 г.

Ученый секретарь

Диссертационного совета Д 212.217.04 кандидат технических наук

Г

t"!'

Е.В. Стрижакова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Надежность строительных каменных конструкций, зданий и сооружений в значительной мере определяются прочностью кирпича, в частности — керамического. Известно, что прочностные характеристики, точность геометрической формы и структура кирпича определяются в значительной мере процессом пластического формования керамической массы в шне-ковом прессе, оснащенном несколькими основными и вспомогательными исполнительными устройствами. Электротехнический комплекс формования керамической массы (ЭКФКМ) в шнековом вакуумном прессе представляет собой совокупность собственно пресса, совмещешгого со смесителем; ленточного питателя для загрузки керамической массы в смеситель; вакуумного насоса; их приводных асинхронных двигателей и механических передач; управляемых силовых преобразователей; датчиков технологических величин; электромагнитных клапанов для регулирования расхода воды и пара, обеспечивающих получение керамической массы с требуемыми влажностью и температурой.

Разброс значений прочности кирпича достигает существенных значений даже в пределах одной марки. Основными причинами этого являются как вариация характеристик исходного сырья, так и существенно ограниченная возможность управления ЭКФКМ в шнековом прессе. Кроме того, в соответствии с современными требованиями к энергетической эффективности производства необходимо обеспечение сокращения затрат энергии на единицу продукции. Поэтому актуальным является совершенствование ЭКФКМ в производстве кирпича, в частности, направленное на обеспечение требуемой прочности в условиях минимума затрат энергии и максимально достижимой производительности.

Технологический процесс преобразования керамической массы в сырец кирпича характеризуется большим количеством переменных (температура, влажность, индекс течения керамической массы, скорость сдвига, степень ее ва-куумирования). Существующие ЭКФКМ в шнековых вакуумных прессах оснащаются, в основном, системами автоматической стабилизации влажности, давления в формующем звене, уровня заполнения вакуум-камеры и т.п. Несогласованное управление системами ЭКФКМ является одной из основных причина появления брака готовой продукции (в виде отклонения прочности и геометрических размеров керамических камней, структурных трещин, расслоений сырца) снижения производительности, увеличения энергозатрат предприятия. Таким образом, на наш взгляд, для получения керамического кирпича с требуемыми прочностными свойствами в условиях максимально достижимой производительности необходимо решить задачу автоматического нахождения и достижения рациональных режимов работы исполнительных устройств ЭКФКМ и, в частности, входящих в него электроприводов. Вопросами структурного моделирования и повышения качества управлетпи электроприводами за счет применения современных методов, реализуемых в цифровых системах, занимались такие ученые какЧиликин М.Г., Соколовский Г.Г., Браславский И .Я., Казаченко В.Ф. и др.

В известных работах по автоматическому управлению ЭКФКМ недостаточно разработаны вопросы математического описания технологического процесса формования в шнековых вакуумных прессов и их электроприводов. В связи с этим, не решены вопросы создания и практической реализации многомерных структур систем управления ЭКФКМ, учитывающих многофакторность реализуемого в нем технологического процесса, не разработаны вопросы синтеза простых для практической реализации регуляторов системы. Разработке этих вопросов посвящена настоящая работа.

Диссертация выполнена в соответствии с тематическими планами госбюджетных научно-исследовательских работ ФГБОУ ВПО «Самарский государственный архитектурно-строительный университет» «Синтез интеллектуальных систем автоматического управления технологическими процессами производства бетонных изделий и керамических материалов» (№ 01201255595 госрегистрации от 05.03.2012 г.) по направлению «Автоматизированные системы в строительстве» (№ 01970005686 госрегистрации от 23.05.2007 г.) и «Структурный синтез интеллектуальных систем автоматического управления технологическими процессами производства керамических материалов и изделий с заданной прочностью и плотностью» (№ 01201459058 госрегистрации от 24.02.2014 г.).

Цель диссертационно» работы - разработка методов и средств повышения эффективности работы электротехнического комплекса, обеспечивающих такой режим формования керамической массы в шнековом вакуумном прессе, при котором происходит выпуск керамического кирпича со стабильным требуемым значением прочности в условиях минимума энергозатрат и максимально возможной производительности.

Поставленная цель достигается путем решения следующих задач:

- выбор и обоснование технологических параметров процесса пластического формования, которые в максимальной степени характеризуют прочность керамических кирпичей и определяют причины появления брака;

- математическое моделирование процесса течения керамической массы в формующем звене шнекового пресса, создание на его основе обобщенной модели ЭКФКМ как многомерного объекта управления с распределенными параметрами, проблемно ориентированной па синтез системы автоматического управления электротехническим комплексом формования керамической массы при производстве кирпича;

- структурный синтез цифровой системы автоматического управления электротехническим комплексом формования керамической массы при производстве кирпича и параметрическая оптимизация ее регуляторов, направленная на решение задачи снижения энергозатрат при производстве кирпича заданной прочности;

- разработка методики постановки и проведетше экспериментальных исследований объекта управления - электротехнического комплекса формования керамической массы в шнековом прессе;

- разработка методики инженерного проектирования системы автоматического управления электротехническим комплексом формования керамической массы и выполнение на ее основе варианта технической реализации системы.

Методы исследований. В работе при проведении исследований и решении задач использовались методы математической физики, гидродинамики, теории электрического привода, теории автоматического управления, методы идентификации и аппроксимации объектов управления. При проведении вычислительных экспериментов на ЭВМ в работе использованы программные среды Solid Works, MatLab, MathCAD.

Достоверность полученных результатов исследований подтверждаются подробным теоретическим анализом и корректным использованием математического аппарата, вычислительных программных продуктов, обоснованностью принятых допущений, а также подтверждается совпадением результатов натурных и вычислительных экспериментов.

Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие основные научные результаты:

- обобщенная математическая модель ЭКФКМ как многомерного объекта управления с распределенными параметрами, которая по сравнению с известными проблемно ориентирована на создание системы автоматического управления электротехническим комплексом формования керамической массы при производстве кирпича в функции скорости сдвига, что позволяет обеспечить выпуск керамических кирпичей требуемой прочности в условиях максимально достижимой производительности;

- структура системы автоматического управления электротехническим комплексом формования керамической массы, отличающаяся от известных тем, что в ней с целью достижения требуемой величины скорости сдвига керамической массы на выходе формующего звена в условиях вариации влажности и индекса течения керамической массы, величины разрежения в вакуумной камере шнекового пресса осуществляется согласованное управление электроприводами шнека, глиносмесителя, ленточного питателя, вакуум-насоса, устройствами увлажнения;

- алгоритм работы формирователя вектора задающих сигналов систем автоматического управления электроприводами шнека, глиносмесителя, ленточного питателя, вакуум-насоса, устройствами увлажнения, ориентированный на снижение энергозатрат при производстве кирпича заданной прочности.

Практическая значимость работы состоит:

- в создании методики инженерного проектирования системы автоматического управления электротехническим комплексом формования керамической массы в функции скорости сдвига, на основании которой разработан вариант технической реализации системы управления, обеспечивающий снижение энергозатрат при производстве кирпича заданной прочности;

- в разработке вычислительной модели ЭКФКМ как объекта управления и методики постановки вычислительных экспериментов;

- в разработке вычислительной модели системы автоматического управления ЭКФКМ.

Реализация результатов работы. Результаты исследований, связанные с автоматизацией приводов электротехнического комплекса формования керамических камней используются в практике инженерного проектирования в ООО «Авиакор-Железобетон» и в учебном процессе в Самарском государственном архитектурно-строительном университете при подготовке инженеров по специальности «Механизация и автоматизация строительства» и магистров по направлению «Строительство», программа подготовки — «Комплексная механизация строительства».

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были представлены в виде статей, докладов и обсуждены на следующих научно-технических конференциях: на Международной научно-технической конференции «Интерстроймех» (Новочеркасск, ЮРГПУ (НПИ), 2013; Самара, СГАСУ, 2014); на XVIII Московской международной межвузовской научно-технической конференции студентов и молодых учёных «Подъёмно-транспортные, строительные, дорожные, путевые машины и робототехнические комплексы» (Москва, МАДИ, 2014); на Международной научно-практической конференции «Наука и образование в XXI веке» (Россия, Тамбов, 2013); Всероссийской межвузовской научно-практической конференции «Компьютерные технологии в науке, практике и образовании» (Самара, СамГТУ, 2009, 2010, 2011); на Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы в строительстве и архитектуре. Образование. Наука. Практика» (Самара, СГАСУ, 2009); Всероссийской научно-технической конференции «Традиции и инновации в строительстве и архитектуре» (Самара, СГАСУ, 2010, 2011, 2012, 2013, 2014); на 1-м Региональном молодежном форуме «Инновационные технологии повышения эффективности транспортных систем» (Самара, СамГУПС, 2013); на Самарской областной студенческой научной конференции (Самара, СГАУ, 2009); на Межвузовской студенческой научно-технической конференции «Студенческая наука. Исследования в области архитектуры, строительства и охраны окружающей среды» (Самара, СГАСУ, 2009, 2010).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 22 работы, в том числе 5 работ в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получено положительное решение на выдачу патента на изобретение № 2014104120/03(006432), МПК В28В 3/22 (2006.01), В28В 13/00 (2006.01) от 28.01.2015.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 111 наименований и 4 приложений. Основной текст изложен на 160 страницах, диссертация содержит: 83 рисунков, 27 таблиц, приложения на 26 страницах, библиографический список на 12 страницах.

Положения, выносимые на защиту:

1. Обобщенная математическая модель ЭКФКМ как многомерного объекта управления с распределенными параметрами.

2. Структура системы автоматического управления электротехническим комплексом формования керамической массы в функции скорости сдвига.

3. Алгоритм работы формирователя вектора задающих сигналов систем автоматического управления приводами ЭКФКМ, ориентированный на снижение энергозатрат при производстве кирпича заданной прочности.

4. Вычислительные и натурные эксперименты по исследованию динамики объекта и системы автоматического управления электротехнтгческим комплексом формования керамической массы в функции скорости сдвига.

5. Методика параметрической оптимизации регуляторов системы автоматического управления электротехническим комплексом формования керамической массы в функции скорости сдвига.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследуемой проблемы, определены цель и задачи диссертации, отражены основные положения, выносимые на защиту, показаны их научная новизна и практическая значимость.

В первой главе выполнен анализ и определены особенности технологического процесса пластического формования керамической массы при производстве кирпича, осуществляемого с помощью ЭКФКМ в шнековом вакуумном прессе. Рассмотрены конструкция шнекового вакуумного пресса и состав электротехнического комплекса формования керамической массы.

Существенный вклад в разработку вопросов пластического формования и повышения качества кирпича внесли многие отечественные ученые такие, как С.П. Ничипоренко, B.C. Фадеева, A.B. Туренко, О.И.Д Мауро, K.M. Королёв, Е.А. Элер, С.Г. Силенок, Ю.Г. Барабанщиков, В.И. Григорьев, A.C. Апачанов, а также зарубежные исследователи: F. Handle, W. Leisenberg и другие.

В условиях действия помех, обусловленных нестабильностью характеристик сырья и изменением требований к прочности R кирпича (со стороны заказчика) для достижения требуемого качества сырца, а впоследствии и готового кирпича необходимо выбрать и обосновать параметр процесса формования, который бы в максимальной степени характеризовал качество готового кирпича.

Анализ известных публикаций по формованию керамической массы при производстве кирпича (работы Барабанщикова Ю.Г., Третьякова И.М., Голубо-вича С.Р.) позволил получить в пространстве OywPa (рис. 1) технологических параметров (у и w - скорость сдвига в формующем звене и влажность керамической массы, Р„ - величина разрежения в вакуум-камере) области постоянных значений марок кирпича по прочности (МЗОО, М250, М200, Ml75) на плоскостях Р„ = const в условиях обеспечения последующих штатных режимов сушки и обжига. С учетом известных технологических ограничений и ограничений со стороны конструкции пресса и элементов электротехнического комплекса в пространстве OywPe выделена область управляемости ЭКФКМ. Оно находится

внутри параллелепипеда abcda'b'c'd' (рис. 2). Положение плоскости a'b'c'd' обусловлено конечной мощностью вакуум-насоса; плоскости cdc'd', aba'b' представ-

ляют собой графическое отражение максимальной скорости шнека, определяемой конструкцией привода и минимально возможной величиной его скорости; расстояние между плоскостями аёа'сГ и ЬсЬ'с' определяет зону допустимых значений Введение в рассмотрение области управляемости показывает необходимость согласованного управления электроприводами ЭКФКМ при производстве кирпича заданной марки.

Рисунок 1 - Области постоянных значений

марок кирпича по прочности в пространстве Рисунок 2 - Области

технологических параметров формования управляемости ЭКФКМ

керамической массы

Известные системы управления ЭКФКМ не позволяют достичь поставленной цели — выпуск кирпича со стабильным требуемым значением прочности в условиях минимума потребления энергии и достижения максимально возможной производительности - т.к. в них отсутствует управление по основному тех-

нологическому параметру, определяющему прочность, у и не используется взаимосвязь между у, w и Рв при формировании управлений на электроприводы ЭКФКМ. Сформулированы основные задачи по разработке и структурному синтезу ЭКФКМ, ориентированные на обеспечение формования керамической массы для выпуска керамического кирпича заданной прочности в условиях минимизации энергозатрат и повышения производительности.

Вторая глава посвящена математическому описанию электротехнического комплекса формования керамической массы как объекта управления. Здесь основное внимание уделено математической модели течения керамической массы в шнековом прессе.

Формование представляет собой совокупность гидродинамических процессов, протекающих в керамической массе при ее движении в формующем звене, и электромагнитных и электромеханических процессов в электроприводе шнека. Показано, что у существенно зависит от скорости вращения ш„, шнека (определяемой частотой соп, напряжения, питающего приводной двигатель) и индекса течения у/ керамической массы. С точки зрения возможной технической реализации управления процессом формования введем в рассмотрение не только у, но и линейную скорость о-ф движения сформованного сырца на выходе формующего звена. Для определения момента нагрузки на приводной двигатель шнека, выделена промежуточная координата - среднее давление Р керамической массы за выпорной лопастью шнека.

Разработана структура математической модели ЭКФКМ в шнековом вакуумном прессе (рис. 3), включающая в себя операторы А1 и А2. В операторе А1 выделены четыре блока, которые в совокупности моделируют электропривод шнека. Здесь All - модель формирования электромагнитного момента двигателя Мдв, А12 - оператор, формирующий сиш, А13 - математическая модель течения керамической массы в формующем звене как объекта с распределенными параметрами (н; - коэффициент консистенции керамической массы), А14 — оператор формирования момента нагрузки Мс. Оператор А2 представляет собой модель формирования прочности R готового кирпича.

При моделировании течения керамической массы в формующем звене как объекта управления введены упрощения и допущения:

1. Считаем, что предварительная обработка глины (до поступления в формующее звено) обеспечивает удаление из нее пузырьков воздуха, поэтому пренебрегаем сжимаемостью керамической массы и считаем, что плотность керамической массы неизменна по всему объему формующего звена.

2. Так как в смесителе пресса применяется система поддержания требуемой влажности, то полагаем, что отклонение w керамической массы, поступающей в формующее звено, находится в зоне допустимых отклонений.

3. Допускаем, что применяемый для увлажнения пар и/или вода имеют постоянную температуру, а поэтому формование в прессе представляет собой изотермический процесс.

4. Учитывая незначительное влияние \\> глины на ее индекс течения ц/, пренебрегаем зависимостью у/ от мг.

Рисунок 3 - Математическая модель ЭКФКМ в шнековом вакуумном прессе

Под воздействием силы, создаваемой вращением шнека, керамическая масса движется в формующем звене. С учетом принятых допущений для описания ее движения использована система уравнений Навье-Стокса:

дт„+дт^_дР

дих д(и -и ) д(иг-их) д(и.-ох) 1

-2- + —!—2-2--1--^-+---2^-Н--

о1 дх ду дг р ^ ду дг ах

диу д(их-иг) д(иг-иг) д(о.-и ) 1 (дтху дт:у дР

—+-

д(

ох

ду

дг

Р

—+-

до д(и.-и.) д(и -и_) д(и_-и_) 1 —-—|———^ +-^—^ + —^ + —•

б/ дх ду дг р

дх дг ду

дг дтг дР ———----

ду дг

ох

--Р..

(1)

где Р. /и, р, и — давление, вязкость, плотность и скорость движения керамической массы в произвольной точке формующего звена; ох, о,,, V- - проекции вектора и на оси х, у, г, соответственно; тхг = тгх, гг_ = г_г, т_х = тх_ - касательные напряжения; Рх, Ру, У7. — массовые силы.

Керамическая масса является неньютоновской средой, для которой тензор вязких сдвиговых напряжений определяется системой уравнений

^ ду ох

^ ду ог .. .(до ди_

"Г+т1 у ог ох

=м(у) -Ух?;

=м(у)-уУ=;

(2)

здесь /и(у) - эффективная вязкость керамической массы, /и(у) = ¡л1 -(уу'; уху, У , У-у - компоненты у по различным плоскостям:

. _ дих диу . _ диу до. . _ дих ди.

(3)

Система уравнений (1) дополнена уравнением неразрывности потока керамической массы

диг диг до

_л__л__=

- + —- + —:- = 0. дх ду дг

(5)

Для решения уравнений (I) - (5) введены начальные и граничные условия. Под начальными условиями понимается режим работы пресса, когда формующее звено заполнено керамической массой, а со,,, = 0. В этом случае:

где Ра - атмосферное давление.

I шт

ь

(6)

'I ж

Рисунок 4 - Формующее звено. Схема граничных условий

Схема граничных условий приведена на рисунке 4. За граничное условие при х = 0 принята функция распределения скорости о по радиусу:

[О, 0 < г < Яс, [Ких, Л, <г<Л„

здесь Ки(г,ц/) =

где к =-

ё г' ■(/-д)-Л2«д{2К>-'г'-<-ч,+1)+д-1

( / Л- кГЧч-Цяг'-^-ФЬ+Ъ 1 1 «<7+2) д-2

и+2 4-2)

- радиус кольцевого канала в месте соединения корпуса с формующим звеном; Я - коэффициент, Я = /, (/?,/; Л0|х=в - радиус ступицы шнекового

вала; е - относительный радиус, £ = г/Я, ; д(у/) = —

и - средняя скорость

керамической массы в кольцевом канале.

Граничное условие на выходе формующего звена: Р\ , = Р = 101325 Па .

(8)

Считаем, что частицы керамической массы прилипают к поверхностям твердых тел, т.е. на неподвижных стенках формующего звена

ост=0 (9).

В программной среде SolidWorks в соответствии с уравнениями (1) - (5) с учетом начальных (6) и граничных (7) - (9) условий создана вычислительная модель течения керамической массы в формующем звене шнекового вакуумного пресса Handle PZG бОЬ/50. (Методика постановки вычислительных экспериментов описана в главе 4). На примерах формования керамической массы при производстве полнотелых кирпичей марок М175-М300 250x120x65 ГОСТ 530-2012 из кембрийской глины построено семейство скоростей деформаций сдвига в пространстве формующего звена. Анализ полученных результатов позволил выявить координату точки ( х = 1ф],у = к2/2 ,z = b/2 )ь рабочем объеме формующего звена, в которой значение у наиболее полно характеризует процесс формования. На основании этого вывода сделано допущение о том, что применительно к решаемой технологической задаче в объекте с распределенными параметрами можно ограничиться рассмотрением динамики процесса формования только в одной точке формующего звена, и тем самым осуществить переход от объекта с распределенными к объекту с сосредоточенными параметрами.

Рисунок 5 - Структура математической модели гидродинамических процессов в

формующем звене

На модели с распределенными параметрами проведены вычислительные эксперименты по исследованию динамики сдвиговых деформаций y(t,x=llla,y=h,l2,z=bl2) в выделенной точке объема формующего звена по отношению к малым отклонениям управляющих и возмущающих воздействий относительно рабочей точки. Установлено, что каждый из операторов А|3|-А135 (рис. 5), входящих в оператор А13 можно с достаточной степенью точности (погрешность различия переходных процессов не превышает 5+7 %) представить соединениями типовых динамических звеньев. Выявлены зависимости некоторых параметров этих звеньев от значений начальных условий и величины входного воздействия. Показано, что установившиеся значения у линейно зависят

со,,,, Щф И у.

Используя известные зависимости, полученные в работах Туренко A.B., для нахождения мощности, потребляемой приводным двигателем шнека, найден оператор А14 формирования момента нагрузки в виде выражения:

Мс(w.y/.аш) = —!— -(MJw.y/,сош)+MJw,y/,сош)), VV

где ip и ipn - передаточные числа редуктора и ременной передачи, соответственно; Мс/ - момент нагрузки, обусловленный преодолением трения керамической массы о внутреннюю поверхность шнековой камеры,

MJw.y,.tom.p) = к,, .^p).Ml(w).{kS2-coJ'\l-e-rJ^p)~ ;

г„„ Тф., — время запаздывания керамической массы в шнековой камере и в формующем звене; р - оператор Лапласа; Мс2 — момент нагрузки, обусловленный преодолением трения поверхности выпорной лопасти о керамическую массу,

Мс:(w,у/,сош,р) = к7-~Р |л=„ (w,4/,(oiu,p) ■ / , f - коэффициент трения керамической массы о выпорную лопасть; к6,; к6, к7 -

конструктивные коэффициенты.

Операторы All и AI2 определены на основе известной математической модели динамики асинхронного двигателя с использованием структур, предложенных в работах Галицкова С.Я., Галицкова К.С., Масляницына А.П. При синтезе А2 использованы результаты работ Барабанщикова Ю.В., Третьякова И.М., Голубовича С.Р. в виде зависимостей R = Ф,(у,w) и R = Ф,(Рп).

Установлено, что применительно к производству полнотелых кирпичей марок М175-М300 250x120x65 ГОСТ 530-2012 из кембрийской глины с разбросом значений влажности w = 21 - 26 % и индекса течения ц/ = 0.15 - 0.25 и известной вариации скорости вращения шнека сош = 1.05 — 2.1 рад/с объект управления электропривода шнека вырождается в колебательное звено с переменными параметрами

, , -,

tojp) Т0--р-+2-^-Т0.р+1

где К0, Т0, ¿я - коэффициент передачи, постоянная времени и декремент затуха ния упрощенного объекта управления, соответственно (Кп = 5.53-10"4^6.0910 4 Т0 = 0.038^0.054 с; & = 0.27^0.45).

В третьей главе на основе анализа технологического процесса формо вания керамической массы при производстве кирпича сформулированы требования к управлению ЭКФКМ.

Рисунок 6 - Система управления ЭКФКМ: АД1-АД4 - приводные асинхронные двигатели смесителя, шнека, вакуум-насоса

и ленточного питателя, соответственно; ТТЧ1-ПЧ4 - преобразователи частоты; БУПЧ1-БУПЧ4 - блоки управления преобразователей частоты; ЭМК1 - электромагнитный клапан дозирования воды.

Для изготовления кирпичей со стабильным требуемым значением Я при минимуме энергозатрат и максимально возможной производительности необходимо регулирование у в условиях изменяющихся технологических характеристик (вариация м>, у/, Р,). Показано, что синтез структуры управления шнеком по у вызывает необходимость согласованного управления смесителем и ленточным питателем, так как в противном случае изменение у приводит к несоответствию производительностей питателя, смесителя и пресса, а следовательно - к изменению уровней заполнения вакуум-камеры Ннк и смесителя /?,.,,. Таким образом,

необходимо обеспечить автоматическое согласование режимов работы электроприводов пресса, смесителя, ленточного питателя, вакуумного насоса и электромагнитного клапана устройства увлажнения. Синтезирована структура многомерной системы управления ЭКФКМ (рис. 6), включающая в себя пять замкну-| тых систем управления приводами и блок формирования вектора задающих сиг-i налов.

Выделим в области управляемости (рис. 2) 5-е сечение (рис. 7) при по-i стоянном значении P„s = const. На этой плоскости изображены области постоян-| ных значений марки М, в двумерной координатной системе Osw у . Они разделены между собой граничными линиями R,, (у£0,1,2,...). Область, заключенная между линиями j = 0 и j = 1, соответствует марке кирпича Ml75. В полосе ограничений на влажность выделим центральное значение wH, а границы слева и справа обозначим: w, = w0 - Aw ; wn = w0 + Aw. Выделим на 5-ой плоскости подмножество ABCD (рис. 7) с координатами A(w„ /?,), B(w„ Rj.i), C(w„, R,.t), D(w„, Rj), которое формирует допустимые значения w и у для производства кир-[ пича марки М,.

\ Рисунок 7 - Рабочие точки ЭКФКМ

Анализ фигуры АВСО показывает, что максимальной производительности выпуска кирпича и минимуму энергозатрат соответствует вершина С, так как здесь наибольшие допустимые значения у и В этом режиме уменьшается нагрузка на двигатель, что обеспечивает снижение энергозатрат на выпуск единицы продукции. Положение конца вектора X3 в точке С определяет предель-1 ный режим работы технологической установки, для достижения которого эта установка должна иметь идеальные системы управления шнеком, вакуумирова-нием и увлажнением со статическими ошибками равными нулю и бесконечной

полосой пропускания. Поскольку это представляет собой предел, к которому следует стремиться при управлении прессом, то в пространстве Oy\vPs выделим область допустимых погрешностей (^-окрестность) Ay*, Aw*, АР„*, обусловленных ограничениями на техническую реализацию систем управления электроприводами шнека, вакуум-насоса и электромагнитного клапана дозирования воды. Центр области (на проекции плоскости 5) расположен в точке E(w„-Aw*, yc-Aw*-tga-Ay*), координаты которой и являются задающими сигналами

вектора X,.

Определение величины Р„, целесообразно выполнять в следующей последовательности. Во-первых, задаемся величиной марки М, кирпича. Во-вторых, в соответствии с сечением ОуР„ при (wn-Aw*) = const (рис. 7) находим проекцию точки Е режима работы с наименьшим значением Рв (с учетом погрешности АР«*), обеспечивающее необходимую величину у (с учетом погрешности Ау *). Найденные координаты точки Е напрямую определяют составляющие вектора задающих сигналов многомерной системы управления ЭКФКМ, обеспечивающая режим формования керамической массы, при котором достигается максимальная производительность выпуска кирпича требуемой марки по прочности при минимуме энергозатрат.

Разработан алгоритм формирователя вектора задающих сигналов управления ЭКФКМ. Он включает в себя два цикла. Первый производит (при необходимости) коррекцию перемещения границ пространства М марок кирпича:

М>М_.

М < М.„

у-Ау"; Р.. + АР..",

у + Ау"\

Р. ~ ЛР "; в в '

(где Ау" и АРв" - шаги коррекции) и выполняет выбор рациональных значений

элементов вектора задающих сигналов Х,=[и,\»,Рв,}1вк](о}г] по результатам выполнения условий: = Л/.

М--Y-1

W —

Р. -

тр '

Ymlx~^*-tga-Ay*\

Р + АР *•

' « min ^ в >

-»

h =hmp■ «1 "вк '

Í0

Во втором цикле обеспечивается достижение заданных величин с помощью работы сепаратных систем управления многомерной САУ ЭКФКМ.

Рассмотрено три варианта реализации системы управления электроприводом шнека, отличающихся координатами, по которым замыкается система: 1) САУ, замкнутая по линейной скорости движения бруса 2) САУ, замкнутая по угловой скорости двигателя соаЛ; 3) САУ, замкнутая по скорости сдвига у (с

использованием наблюдателя). Показано, что наиболее удобным для практической реализации является первый вариант.

При синтезе структуры системы управления электроприводом шнека, замкнутой по üX(p, используется многоконтурная система с одной измеряемой координатой, предложенная в работах С.Я. Галицкова, A.B. Старикова, К.С. Га-лицкова, A.C. Фадеева и др. Показано, что в синтезируемой системе целесообразно использовать два контура. Регулятор R1 первого контура - И-типа, второго контура R2 - ПИ-типа. Установлено, что это позволяет обеспечить робастную устойчивость системы при существенной нестационарности объекта управления.

Синтезированная САУ электроприводом шнека обеспечивает монотонность переходного процесса при отработке управляющих возмущающих воздействий за время 0.7 с что удовлетворяет технологическим требованиям ЭКФКМ. Применение разработанной системы управления ЭКФКМ с формирователем вектора задающих сигналов позволяет обеспечить выпуск керамического кирпича со стабильным требуемым значением прочности, снизить удельные затраты энергии и существенно увеличить производительность шнекового пресса. Так для кирпича марки М300 увеличение производительности достигает 13.4 %, для М250 - 17.5 %, а для М200 - 8 %, снижение энергозатрат при производстве кирпича этих марок составляет 1.9-7.2 %.

В четвертой главе представлены разработанные вычислительные модели объекта управления и цифровой системы, методика проведения вычислительных и натурных экспериментов, методика инженерного проектирования цифровой системы управления ЭКФКМ, пример технической реализации системы.

В программной среде Solid Works создана (в соответствии с разработанным в главе 2 математическим описанием) вычислительная модель течения керамической массы в формующем звене для производства в шнековом вакуумном прессе Handle PZG 60Ы50 полнотелых кирпичей 250x120x65 ГОСТ 530-2012 из кембрийской глины. Получено поле скоростей сдвига керамической массы в формующем звене, в объеме которого определена точка максимального значения у. Эта точка расположена в середине верхней стенки на выходе формующего

звена. Она выбрана для наблюдения динамики у . Давление Р [._„ керамической массы наблюдалось на входе формующего звена. Вычислительный эксперимент проводился по следующей методике. Были заданы начальные значения fiW = 32146 Пас (if« = 23.5 %), цг0 = 0.2, функции vx0,(r,eoullll,i//0)\^0,iel,2,3

(cü„ku = 2.1 рад/с; сйшв2 = 1.57 рад/с; шшП ] = 1.05 рад/с ). Установлено, что спустя 5 с после подачи управляющих и возмущающих воздействий все переходные процессы «в большом» заканчиваются. Начиная с момента времени t = 6 с осуществляется исследование объекта «в малом» по отношению к управлению и возмущениям. Применительно к известному диапазону изменения скорости со,,, выбрано три рабочих точки соиМ1 =2.1 с', сошП/ = ¡-57 с', сош,и = 105 с1. Для каждого сошо, (/е 1,2,3) выполнено по 4 эксперимента, соответствующих малым отклонениям управляющего воздействия Ашюк от рабочей точки: Aaurl=0.05-Acolll0l, Aü)iu2=0.1-Acüiu0i; Асош3 =-0.05-Лсош1„ , Асош 4=-0.1-Ааш0,. Для использования известных возможностей Solid Works осуществлялся переход

по выражению (7) от скорости сош к линейной скорости керамической массы на входе в формующее звено . Аналогично выполнялись эксперименты по отношению к возмущению у/: Ay/¡ = 0.025, Ау/2 = 0.05; Ац/3 = -0.025, Лу/4 = -0.05. Исследованы переходные процессы давления Р при ступенчатом изменении коэффициента консистенции Аци =3036 Па с (Aw =-0.5 %), Лц, 2 = 6357 Па с (Aw = -1 %), Apt,.3 = -2774 Па с (Aw = 0.5 %), Ацы = -5310 (Aw = 1 %) Па с. Анализ полученных динамических характеристик выполнен в главе 2 диссертации.

Оценка адекватности математической модели объекта управления производилась путем сравнения результатов натурных и вычислительных экспериментов. Показано, что величина среднеквадратичного отклонения для кривых изменения давления формования составляет 5.2 %.

Разработана методика проведения вычислительных экспериментов по исследованию системы управления ЭКФКМ, в соответствии с которой проводился анализ работы системы автоматического управления электроприводом шнека, замкнутой по скорости движения бруса за выходным сечением формующего звена, относительно точки An(R,0,w0,Pe0,4'c) при Rj0 = 25.89 МПа, wn = 23.5 %, Рв0 = 0.905, у/п = 0.2. В момент времени t = 100 с, когда все переходные процессы в системе закончились, ступенчато была изменена величина Rl(¡ с значения 25.89 МПа до величины R,¡ = 20.94 МПа, остальные параметры рабочей точки оставались неизменными. Установлено, что в разработанной системе ЭКФКМ переход пресса с производства кирпича марки М250 на М200 осуществляется монотонно за время 0.7 с. Показано, что отработка этой системой основных возмущений влажности, величины разрежения и индекса течения на величины Aw = ±/ %; АРв = -0.045; -0.09; Ау/ = ±0.05 имеет аналогичные показатели качества управления, что и по отношению к управляющему воздействию.

Разработана методика инженерного проектирования автоматической системы управления ЭКФКМ, на основании которой разработан вариант технической реализации системы, устройство управления которой включает в себя бесконтактный лазерный датчик линейной скорости pSPEED PRO-SI, который устанавливается за выходным сечением формующего звена, вискозиметр HBDV-III+ для контроля величины индекса течения, датчик разрежения Smartline VSR53D, микроволновый датчик влажности Hydromix VII, бесконтактный уровнемер Petersen Leveltronic для установки в вакуум-камере, тахогенератор ТП-212 для измерения скорости вращения приводного двигателя смесителя, четыре частотных преобразователя «Веспер» для приводных двигателей шнека, смесителя, вакуум-насоса и ленточного питателя, промышленного компьютера ÍROBO-2000-40Í5TRHN-G2 и промышленного контроллера Simatic S7-400.

Результаты работы внедрены в практику инженерного проектирования в ООО «Авиакор-Железобетон» (г. Самара) и в учебный процесс Самарского государственного архитектурно-строительного университета при подготовке инженеров по специальности «Механизация и автоматизация строительства» и магистров по направлению «Строительство», программа подготовки - «Комплексная механизация строительства».

Заключение

1. Показано, что для производства керамического кирпича с заданным значением прочности необходимо в электротехническом комплексе формования керамической массы обеспечить требуемое соотношение как минимум трех технологических параметров: скорость сдвиговых деформаций у в формующем звене пресса и влажность w керамической массы, степень разрежения Р„ в вакуум-камере пресса.

2. Разработана математическая модель процесса течения керамической массы в формующем звене шнекового пресса как объекта управления. Дано определение объекта, под которым понимается совокупность гидродинамических процессов при формовании керамической массы и электромеханических и электромагнитных процессов в электроприводе шнека, а также процесс формирования прочности керамического кирпича на этапах сушки и обжига. С целю снижения уровня влияния влажности w и разрежения Рв на процесс формования разработана, в условиях известных ограничений обобщенная модель электротехнического комплекса формования керамической массы, включающая в себя динамику процессов увлажнения, вакуумирования и формования керамической массы. Показано, что обобщенный объект управления многомерный и имеет распределенные параметры. Состояние объекта характеризуется вектором выходных координат, включающим в себя, скорость сдвига у и давление Р\х_и керамической массы в формующем звене, скорость юхф движения сформованного бруса, угловую скорость ш,„ шнека, прочность R готового кирпича. Вектор управляющих воздействий включает в себя частоту œ0i напряжения, питающего приводной двигатель шнека; расход 0„ воды для увлажнения глины; частоту со,)3 напряжения, питающего приводной двигатель вакуумного насоса. Основное возмущение - индекс течения ц/ керамической массы.

3. Путем постановки вычислительных экспериментов с использованием программного продукта Solid Works на примерах формования керамической массы кирпича марок М175-М300 получено семейство скоростей деформаций сдвига в пространстве формующего звена. Анализ полученных результатов позволил выявить координату точки (х = 1ф],у = И}/2,z = Ь/2) п рабочем объеме формующего звена, в которой значение у наиболее полно характеризует процесс формования. На основании этого вывода сделано допущение о том, что применительно к решаемой технологической задаче в объекте с распределенными параметрами можно ограничиться рассмотрением динамики процесса формования только в одной точке формующего звена, и тем самым осуществить переход от объекта с распределенными к объекту с сосредоточенными параметрами.

Синтезирована структура объекта. На основании выполненных вычислительных экспериментов объекта с распределенными параметрами найдены функции отклика у((,х = 1ф],у=И,/2,г = Ь/2) по отношению к малым отклонениям управляющих и возмущающих воздействий относительно рабочей точки. По

результатам идентификации переходных характеристик определены операторы структуры объекта в форме передаточных функций.

4. Выполнена оценка адекватности созданной математической модели объекта. Погрешность отклонения динамических характеристик составляет 5.2 %. Кроме того, выполнена оценка адекватности статических характеристик объекта управления с распределенными параметрами путем сравнения кривых скоростей керамической массы на выходном сечении формующего звена, полученных расчетным и экспериментальным путем. Установлено, что они отличаются не более чем на 3.2 %.

5. Синтезирована структура многомерной системы управления ЭКФКМ, включающая в себя пять замкнутых систем управления (приводы шнека, смесителя, вакуумного насоса, ленточного питателя, электромагнитный клапан системы увлажнения) и блок формирования вектора задающих сигналов, основой которого является синтезированный алгоритм определения значений задающих сигналов в соответствии с разработанной областью управляемости ЭКФКМ в пространстве Оу\мРд технологических параметров формования керамической массы.

6. Показано, что вариация характеристик керамической и марок кирпича приводит к существенной нестационарности объекта управления приводом шнека. Для обеспечения робастной устойчивости процесса формования структура этой системы синтезирована в виде многоконтурной с одной измеряемой координатой. Показано, что при вариации параметров объекта (постоянная времени -в 1.42, коэффициент передачи - в 1.1, коэффициент затухания колебаний-в 1.67 раза), синтезированная система обладает робастной устойчивостью.

7. Установлено, что предложенный вариант структурного синтеза системы с использованием разработанного алгоритма согласованного управления элементами вектора задающих сигналов ЭКФКМ позволяет обеспечить формование керамической массы, при котором происходит выпуск керамического кирпича со стабильным требуемым значением прочности в условиях минимума энергозатрат и максимально возможной производительности. В зависимости от марки выпускаемого кирпича потребляемая энергия сокращается на 1.9-7.2 %, рост производительности составляет 8-17.5 %.

8. Разработана методика инженерного проектирования системы автоматического управления электротехническим комплексом формования керамической массы при производстве кирпича в функции скорости сдвига. Разработаны методики для проведения вычислительных экспериментов по исследованию динамических характеристик объекта и системы управления. Предложен вариант технической реализации САУ ЭКФКМ, в которой система автоматического управления электропривода шнека обратная связь замыкается посредством бесконтактного лазерного датчика линейной скорости сформованного бруса.

9. Результаты работы внедрены в практику инженерного проектирования в ООО «Авиакор-Железобетон» (г. Самара) и в учебный процесс Самарского государственного архитектурно-строительного университета при подготовке инженеров по специальности «Механизация и автоматизация строительства» и

магистров по направлению «Строительство», программа подготовки - «Комплексная механизация строительства».

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Статьи в журналах из перечня ВАК РФ

1. Галицков С.Я., Назаров М.А. Моделирование поля скоростей сдвиговых деформаций керамической массы в формующем звене шнекового пресса // Фундаментальные исследования. — 2013. -№ 8-1. С. 2.9-32.

2. Галицков С.Я., Назаров М.А., Галицков К.С., Масляницын А.П. Управление формованием керамических камней в шнековом прессе с использованием элементов ассоциативной памяти // Научное обозрение. - 2013. - № 12. -С. 200-203.

3. Галицков С. Я., Галицков К. С., Назаров М.А. Математическое моделирование формования керамической массы в шнековом прессе как объекта автоматизации производства кирпича // Промышленное и гражданское строительство. - 2014. - № 3. - С. 25-29.

4. Галицков С.Я., Иванов К.А., Назаров М.А., Сабанов П.А., Пименов Е.К. Математическое описание процесса подготовки керамической массы в двухвальном глиносмесителе как объекта управления // Научное обозрение. -2014.-№6.-С. 84-89.

5. Смирнов В.В., Назаров М.А. Ультразвуковой контроль подвижности бетонной смеси // Фундаментальные исследования. - 2013. - № 10-12. - С. 26302633.

В других изданиях

6. Галицков С.Я., Назаров М.А. Структурный синтез интеллектуальной системы стабилизации прочности керамических камней на технологическом этапе их формования // Инновации в пауке - инновации в образовашга: материалы Международной научно-технической конференции «Интерстроймех-2013». -Новочеркасск, ЮРГТУ(НПИ), 2013. - С. 33-34.

7. Галицков К.С., Назаров М.А. Алгоритм согласовашюго управления электротехническим комплексом формования керамической массы при производстве кирпича // Интерстроймех-2014: Материалы международной научно-технической конференции. - Самара, СГАСУ, 2014. - С. 194-197.

8. Галицков К.С., Назаров М.А. Робастная устойчивость системы автоматического управления формованием керамической массы в шнековом прессе // Интерстроймех-2014: Материалы международной научно-технической конференции,- Самара, СГАСУ, 2014.-С. 197-200.

9. Назаров М.А. Идентификация формования кирпича в шнековом прессе по отношению к технологическим переменным // XVIII Московская международная межвузовская научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные, путевые машины и робототехнические комплексы». Материалы конференции. Часть И. -М., МАДИ, 2014. - С. 177-179.

10. Гшпщков СЛ., Назаров М.А., Смирнов В.В. Идентификация скорости сдвига керамической массы в формующем звене шнекового пресса как объекте автоматизации // Наука и образование в XXI веке: сборник научных трудов по материалам научной конференции: в 34 частях. Часть 29. - Тамбов, Изд-во ТРОО «Бизнес-Наука-Общество», 2013. - С. 29-31.

П. Масляницын А.П., Назаров М.А. Компьютерное моделирование процесса пластического формования керамических камней // Материалы 66-й Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы в строительстве и архитектуре. Образование. Наука. Практика». Часть II. Самара, СГАСУ, 2009. - С. 230-231.

12. Масляницын А.П., Назаров М.А. Методика синтеза системы управления шнековым прессом в среде Matlab Simulink // Традиции и инновации в строительстве и архитектуре: материалы 67-й Всероссийской научно-технической конференции по итогам НИР 2009 г. Самара, СГАСУ, 2010. - С. 807 -808.

13. Масляницын А.П., Назаров М.А. Исследование управляемости шнекового пресса // Традиции и инноващш в строительстве и архитектуре: материалы 68-й Всероссийской научно-технической конференции по итогам НИР 2010 г. Самара, СГАСУ, 2011. - С. 692 - 694.

14. Назаров М.А., Масляницын А.П. Структурное моделирование процесса перемешивания керамической массы в лопастном глиносмесителе непрерывного действия как объекта управления // Традиции и инновации в строительстве и архитектуре: материалы 69-й Всероссийской научно-технической конференции по итогам НИР 2011 г. Самара, СГАСУ, 2012. - С. 456-459.

15. Назаров М.А. К вопросу моделирования процесса пластического формования керамических камней как объекта управления // Традиции и инновации в строительстве и архитектуре: материалы 70-й Всероссийской научно-технической конференции по итогам НИР 2012 г. Ч. 2. Самара, СГАСУ, 2013. — С. 459.

16. Галицков К.С., Назаров М.А. Математическая модель нагрузочного момента двигателя шнекового пресса при формовании керамических камней // Традиции и инновации в строительстве и архитектуре: материалы 71-й Всероссийской научно-технической конференции по итогам НИР 2013 г. Самара, СГАСУ, 2014.-С. 1004-1008.

17. Масляницын А.П., Назаров М.А. Моделирование процесса пластического формования керамических камней в среде Matlab Simulink // Труды VIII Всероссийской межвузовской научно-практической конференции «Компьютерные технологии в науке, практике и образовании». Самара, СамГТУ, 2009. - С. 134-137.

18. Масляницын А.П., Назаров М.А. Синтез системы автоматического управления давлением шнекового пресса // Труды IX Всероссийской межвузовской научно-практической конференции «Компьютерные технологии в науке, практике и образовании». Самара, СамГТУ, 2010. - С. 119-122.

19. Назаров М.А., Масляницыя А.П. Математическое моделирование лопастного глиносмееителя с пароувлажнением как объекта управления // Труды X Всероссийской межвузовской научно-практической конференции «Компьютерные технологии в науке, практике и образовании». Самара, СамГТУ, 2011. -С. 186-189.

20. Назаров М.А. Разработка математической модели процесса пластического формования керамических камней // Тезисы докладов XXXV Самарской областной студенческой научной конференции. Часть I. Самара, 2009. — С. 259260.

21. Назаров М.А. Автоматизация процесса формования керамического кирпича в шнековом прессе // Студенческая наука. Исследование в области архитектуры, строительства и охраны окружающей среды. Тезисы докладов 28-й межвузовской студенческой научно-технической конференции по итогам НИРС в 2008 г. Самара, СГАСУ, 2009. - С. 234.

22. Назаров М.А. Автоматизация процесса пластического формования керамических камней в шнековом прессе // Материалы 29-й межвузовской студенческой научно-технической конференции по итогам научно-исследовательской работы студентов: сборник трудов. Самара, САСУ, 2010. — С. 228.

Положительное решение на выдачу патента РФ

23. Способ пластического формования керамических камней в шнековом вакуумном прессе с электроприводом / Галицков С.Я., Галицков К.С., Масляни-цын А.П., Назаров М.А. Решение о выдаче патента № 2014104120/03(006432), МПК В28В 3/22 (2006.01), В28В 13/00 (2006.01) от 28.01.2015. - Дата начала действия приоритета 05.02.2014.

Личный вклад.

В работах, опубликованных в соавторстве Назарову М.А. принадлежит разработка математических моделей процесса формования керамической массы, осуществляемого с помощью электротехнического комплекса шнекового вакуумного пресса [1-3,10,11,16,17], разработка математической модели глиносмееителя [4,19], структурный синтез систем управления приводами электротехнического комплекса [5-8,12-14,18].

Разрешено к печати диссертационным советом Д 212.217.04 ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет» Протокол № 9 от 14 апреля 2015 г. Заказ № 272. Формат 60x84 1/16. Бумага тип. №1. Отпечатано на ризографе, уч.-изд. л. 1,0. Тираж 120 экз. ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет» Отдел типографии и оперативной печати 443100, г. Самара, Молодогвардейская ул. 244, Главный корпус