автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Синтез системы управления технологическим процессом производства алюминиевой катанки

ВВЕДЕНИЕ.

1 ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМУ ПРОЦЕССУ ПРОИЗВОДСТВА АЛЮМИНИЕВОЙ КАТАНКИ.

1.1 Анализ способов получения алюминиевой катанки.

1.2 Анализ существующего технологического процесса на Братском алюминиевом заводе.

1.3 Расчет теплопроводности алюминиевой заготовки.

1.4 Зависимость свойств катанки от режима прокатки.

1.5 Расчет и обоснование новых параметров технологического процесса

1.6 Метод расчета основных характеристик технологического процесса производства алюминиевой катанки.

Выводы.

2. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА РАБОТЫ ПРОКАТНОГО СТАНА.

2.1 Топологический подход к построению математической модели сложных технологических процессов.

2.2 Анализ технических характеристик прокатного стана.

2.3 Принцип построения топологической модели технологического процесса.

Выводы.

3. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ПРОКАТНОГО СТАНА.

3.1 Разработка математической модели прокатного стана.

3.2 Разработка метода оптимизации характеристик участка прокатного стана симплекс-методом.

Выводы.

4. МЕТОДИКА РАЗРАБОТКИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ПРОИЗВОДСТВА АЛЮМИНИЕВОЙ КАТАНКИ.

4.1 Основные этапы разработки технологического процесса.

4.2 Рекомендации по внедрению и эксплуатации подсистемы проектирования литейно-прокатного агрегата.

Выводы.

На современном этапе развития экономики одним из основных способов интенсификации производства является систематическое и неуклонное повышение качества продукции. На Братском алюминиевом заводе алюминиевую катанку производят прогрессивным способом на агрегатах непрерывного литья и прокатки. По сравнению со способом получения катанки из слитков, он значительно повышает производительность труда и снижает себестоимость катанки [1-3]. При этом изменяются свойства катанки, так как изменяются условия формирования ее структуры. Однако процесс формирования структуры при непрерывном литье и прокатке заготовки и связанные с этим изменения свойств катанки в настоящее время недостаточно изучены.

О степени совершенства технологического процесса можно судить по качеству получаемой катанки, которое определяется, главным образом, механическими и электрическими свойствами. Самым существенным недостатком катанки является низкая стабильность ее свойств. Так, разброс значений предела прочности достигает 25%, относительного удлинения -100% и удельного электросопротивления - 4%. Имеются случаи брака по механическим свойствам. Значительная часть катанки не соответствует высшей категории по удельному электросопротивлению. Вместе с тем требования к катанке постоянно повышаются. С начала 1980 года к катанке высшей категории стали предъявлять требования по удельному электросопротивлению, а с 1981 года поставлена задача наладить выпуск твердой катанки марки АКЛП-5Т.

Выпуск катанки, удовлетворяющей всё возрастающим требованиям, возможен только после проведения научно обоснованных мероприятий по совершенствованию технологического процесса. В настоящее время технологический процесс еще недостаточно изучен. Не всегда удается изменить свойства катанки в желаемом направлении. В связи с этим исследования, связанные с повышением качества катанки, приобретают особую актуальность.

Актуальными также являются исследования по совершенствованию методики разработки технологического процесса производства алюминиевой катанки и конструкции литейно-прокатного агрегата АНЛП-АК4,5.

Разработка и внедрение прогрессивных технологий, проектирование и изготовление агрегатов, позволяющих интенсифицировать производственные процессы, невозможно без проведения экспериментальных и теоретических исследований. Эксперименты могут проводиться как в лабораторных условиях, так и непосредственно на производстве. Для правильной постановки задачи эксперимента и правильной интерпретации результатов исследования нужна теория, адекватно отображающая происходящие процессы. При наличии такой теории можно отказаться от проведения трудоемких и дорогостоящих экспериментов. Теория, достоверно описывающая физические явления, может дать информацию, которую экспериментально получить невозможно [4-6].

Целью работы является создание теории о влиянии различных технологических факторов на структуру и свойства катанки на основе экспериментальных исследований, а также методики разработки технологического процесса, обеспечивающей улучшение качества катанки и повышение производительности агрегатов.

Разработка теоретических исследований характеристик технологического процесса основана на создании эффективной и достоверной математической модели. Исследовательская модель процесса производства алюминиевой катанки включает в себя пригодную для широкого практического применения методику определения оптимальных 6 параметров исходя из условий и требований конкретной практической задачи.

Нахождение оптимальных технологических параметров процесса производства алюминиевой катанки основано на проведенных исследованиях и расчетах зависимости свойств катанки от скорости прокатки и температурного режима в процессе прокатки. Для определения оптимального температурного режима использована методика расчета нестационарной теплопроводности [7], также применен эффект саморегулирования температурного режима прокатки при разогреве заготовки до температуры выше эвтектической [8-11].

В данной работе исследованы и разработаны основные требования к технологическому процессу производства алюминиевой катанки, получена математическая модель технологического процесса, проведена оптимизация основных параметров, характеризующих работу стана. Разработана подсистема проектирования технологического процесса производства алюминиевой катанки. Работа основана на разработке новой теоретической основы исследования процесса производства алюминиевой катанки с единых системных позиций на основе топологического метода моделирования многосвязных технологических процессов.

ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМУ ПРОЦЕССУ ПРОИЗВОДСТВА АЛЮМИНИЕВОЙ КАТАНКИ.

Выводы

1. Проведенная в работе идентификация многосвязного объекта на примере прокатного стана позволила обобщить и проанализировать основные факторы функционирования объекта. Прикладной результат решения поставленной задачи может иметь важное значение в производстве алюминиевой катанки и позволяит снизить затраты на конструирование и модернизацию прокатного стана и контролировать производство алюминиевой катанки требуемого качества.

2. Разработка подсистемы проектирования прокатного стана в данной главе строится на системном подходе к решению проблемы получения алюминиевой катанки с заданными свойствами. Решение любой задачи по конструированию машин для производства алюминиевой катанки должны основываться на перспективных средствах и методах сбора, анализа и обработки информации.

3. Применение пакета математических вычислений "Maple-VI" позволило значительно снизить трудозатраты на проводимые исследования системного анализа и разработку топологической модели виброзаглаживающих систем.

Заключение

Производство алюминиевой катанки на агрегатах непрерывного литья и прокатки АКЛП-АК-4.5 изучается в целях усовершенствования технологического процесса и получение заготовки с заданной структурой и свойствами. Поэтому на данном этапе создана математическая модель процесса производства алюминиевой катанки, выявлены закономерности и численные значения критериев, характеризующих этот процесс.

Анализ исследовательских работ в области производства катанки показал необходимость определения оптимальных кинематических и геометрических параметров рабочих органов и прокатного стана в целом.

В результате работы проведена оптимизация геометрических и кинематических параметров прокатного стана на основании функциональной связи параметров технологического процесса с целью получения алюминиевой катанки требуемого качества с максимальной производительностью и минимальными размерами и затратами энергии на изменение сечения заготовки.

К новым полученным результатам относятся следующие:

1. На основе проведенных исследований и расчетов зависимости свойств катанки от режимов прокатки, а также полученных формул для расчета теплопроводности алюминиевой заготовки разработан оптимальный температурный режим работы прокатного агрегата.

2. Сформулирована постановка задачи анализа технологических параметров функционирования многосвязного объекта, представленного в виде агрегата для получения алюминиевой катанки, отличающая от известных постановок возможностью определения и выделения неизвестных компонент по выбранным критериям.

3. Разработана методика структурно - параметрического анализа основных технологических параметров прокатного стана, формализующих в топологической модели структурно - функциональное представление системы.

Методика включает в себя:

- способ представления модели системы с помощью структурного графа (С-графа);

- метод записи уравнения системы в матричной форме в виде уравнения компонент системы [В], уравнения структуры [А] и общего уравнения системы [А]-[В]-[Хвх]=0;

- способ понижения порядка матричного уравнения с использованием блочных матриц, позволяющий исследовать объект, обеспечить обоснованный выбор конструктивных технологических параметров и критериев оценки системы, что сокращает пространство и объем вычислений и размерность исследования системы.

4. Проведенная в работе идентификация многосвязного объекта позволила обобщить и проанализировать основные факторы функционирования прокатного стана. Прикладной результат решения поставленной задачи имеет важное значение в производстве алюминиевой катанки, позволяет снизить затраты на конструирование и модернизацию прокатного стана, а также дает возможность контролировать производство алюминиевой заготовки с заданными свойствами.

5. Для объекта со множеством взаимосвязных параметров найдены оптимальные значения технологических параметров и разработана методика, позволяющая определять точность модели, т.е. соответствие технологическому процессу.

6. Разработана подсистема проектирования для агрегатов непрерывного литья и прокатки.

Таким образом, выбран подход для проектирования стана по производству алюминиевой катанки, а также произведена оптимизация

114 технических характеристик и разработана подсистема проектирования для прокатного стана.

1. Целиков А.И. Металлургические машины и агрегаты: настоящее и будущее. М., Металлургия, 1979.

2. Софинский П.И., Ершов И.М. Современные агрегаты непрерывной разливки цветных металлов в СССР и за рубежом. М., НИИ -информтяжмаш, 1965, вы.7-65-8.

3. Никерова Л.Ф., Чернова Л.И. Непрерывные способы получения литых заготовок для производства полуфабрикатов из цветных металлов. М., Цветметинформация, 1973.

4. Сухоруков Г.И., Сухоруков Э.Г. Совершенствование методик расчета физических процессов в современном эксперименте / Материалы XX научно-технической конференции БрГТУ БратскД999.

5. Сухоруков Г.И. Сухоруков Э.Г. Пример расчета на новой методике неравновесной кристаллизации отливки сложной формы. НИИ Цвет.экономии и информации № 621-87.Деп.

6. Сухоруков Г.И Давыдов И.Я. Сухоруков Э.Г. Новая методика расчета затвердевания круглых слитков при непрерывном литье. НИИЦвет.экономии и информации № 1693-88.Деп

7. Сухоруков Г.И. Сухоруков Э.Г. Практические расчеты нестационарной теплопроводности ВИНИТИ № 6352-84.Деп.

8. Шоршоров М.Х. и др. Сверхпластичность металлических материалов. М., Наука, 1973.

9. Микляев П.Г. Сопротивление деформации и пластичность алюминиевых сплавов. М., Металлургия. 1971.

10. Ю.Лахтин Ю.М., Леонтьева В.М. Материаловедение. М. Машиностроение. 1990.

11. П.Лихачев В.А. и др. О природе сверхпластичности. Черноголовка, 1979.

12. Диаминов Б.Б., Станы для производства катанки. М., Металургия, 1972.

13. Альтман М.Б. и др. Плавка и литье алюминиевых сплавов. М., Металлургия, 1983.

14. Бочвар A.A. Металловедение. М., Металлургиздат, 1956.

15. Альтман М.Б. и др. Алюминиевые сплавы. Промышленные деформируемые, спеченные и литейные алюминиевые сплавы. М., Металлургия, 1972.

16. Альтман М.Б. и др. Алюминиевые сплавы. Применение алюминиевых сплавов. М., Металлургия, 1973.

17. Калачев Б.А. и др. Металлаведение и термическая обработка цветных металлов и сплавов. М., Металлургиздат. 1972.

18. Мондольфо Л.Ф. Структура и свойства алюминиевых сплавов. М., Металлургиздат. 1979.

19. Беляев А.И. и др. Алюминиевые сплавы. Металловедение алюминия и его сплавов. М., Металлургиздат, 1971.

20. Елагин В.И. Легирование деформируемых алюминиевых сплавов переходными металлами. М., Металургиздат, 1972.

21. Ван Флек Л. Теоретическое и прикладное материаловедение. М., Атомиздат, 1975.

22. Вишняков Я.Д. Современные методы исследования структуры деформированных кристаллов. М., Металургия, 1975.

23. Котрелл А.Х. Строение металлов и сплавов. М., Металлургиздат. 1961.

24. Пшеничнов Ю.П. Выявление тонкой структуры кристаллов. М., Металлургия. 1974.

25. Берин И.Ш. и др. Производство медной и алюминиевой проволоки. М., Металлургия, 1975.

26. Материалы научно-технического совещания на тему: «Непрерывные и совмещенные методы литья и прокатки цветных металлоов и их сплавов» ВАМИ., Л., 1973.

27. Кан Р. Физическое металловедение. Вып.2., Мир., 1968.

28. Мортон К.Смит. Основы физики металлов. М., Металлургиздат. 1959.

29. Новиков В.Н. Физические и механические свойства металлов. М., МИСИС, 1976.

30. Новиков И.И. Теория термической обработки металлов. М., Металлургия. 1974.

31. Юм-Розери В., Рейнор Г.В. Структура металлов и сплавов. М., Металлургиздат. 1959.

32. Лыков A.B. Теория теплопроводности. М. Высшая школа, 1967.

33. Исаченко В.П. и др. Теплопередача. М., Энергия. 1969.

34. Методы испытания, контроля и исследования машиностроительных материалов, (справочное пособие). Том I. Физические методы исследования металлов. М., Машиностроение. 1971.

35. Тайц Ю.Ю. Технология нагрева стали. М. Металлургиздат. 1962.

36. Головицинцов А.Г., Юдаев В.Н., Федотов Е.И. Техническая термодинамика и теплопередача. М. Машиностроение, 1970.

37. Михеев М.А., Михеева И.М. Краткий курс теплопередачи. М., Л. Госэнергоиздат. 1960.

38. Лебедев И.С., Телегин A.C. Нагревательные печи. М. Свердловск. Машгиз. 1962.

39. Рустем С.Л. Оборудование и проектирование термических цехов. М. Машгиз. 1962.

40. Беляев Н.М. Рядко A.A. Методы теории теплопроводности. М: Высшая школа. 1982.

41. Казанцев Е.И. Промышленные печи. М.: Металургия, 1975.

42. Аветисян Д.А. и др. Системы автоматизированного проектирования: Типовые элементы, Методы и процессы.- М.: Изд-во стандартов, 1985 -180 с.

43. Барковский В.В., Захаров В.Н., Шаталов А. Методы синтеза систем управления. М.: Машиностроение, 1969. - 323 с.

44. Воронов A.A., Основы теории автоматического управления.Особыелинейные и нелинейные системы. 2-е изд., перераб.-М. .Энергия,1980,-312с.

45. Геминтер В.И. Каган Б.М. Методы оптимального проектирования. М.: Энергия, 1980. - 160 с.

46. Директор С., Рогер Р. Введение в теорию систем. М.: Мир1974.-464 с.

47. Математические методы исследования систем: Сб. научн. тр. Тверь:1. ТГУ, 1991.-115с.

48. Моделирование в автоматизированных системах управления.Межвуз. сб. научн. тр.-Новосибирск:НЭТИ,1981 .-219с.

49. Лунев В.А. Планирование и обработка технологического эксперимента. Учебное пособие. Ленинград.: ЛПИ, 1985.

50. Моделирование процессов обработки информации и управления.Междувед. сб./М.:МФТИ,1990.-171 с.

51. Системы управления и обработки информации: Сб.научн. тр.-Нижний Новгород:ННПИ, 1991 .-99с.

52. Алпатов Ю.Н. Синтез систем управления методом структурных графов. -Иркутск ,1988- 184 с.

53. Берж К. Теория графов и ее применение.-М.:Изд-во иностр. лит. 1962,-319с.

54. Басакер Р., Саати Т. Конечные графы и сети.- М.: Наука 1974. 366 с.

55. Зыков A.A. Основы теории графов.-М.Наука,1987.-380с.56.0ре О. Теория графов.-М.: 2-е изд., Наука, 1980,-336с.

56. Райцин Т.М. Синтез САУ методом направленных графов.-Л.:Энергия,1970.

57. Алпатов Ю.Н. Сухоруков Э.Г. Разработка методики идентификации процесса производства алюминиевой катанки / Материалы XXII научно-технической конференции БрГТУ Братск, 2001.119

58. Алпатов Ю.Н. Сухоруков Э.Г. Разработка математической модели процесса изготовления алюминиевой катанки / Материалы XXII научно-технической конференции БрГТУ Братск, 2001.

59. Прикладная статистика: Классификация и снижение размерности: Под. ред . С.А. Айвазяна . М. : Ф. и С., 1989 - 607 с.

60. Беллман Р. Введение в теорию матриц. М.: Наука, 1978. - 367 с.

61. Гантмахер Ф.Р. Теория матриц. М.: Наука, 1967. - 575 с.

62. Шатихин Л.Г. Структурные матрицы и их применение для исследования системы.-М. 2-е изд.,перераб. и доп. Машиностроение. 1991 - 253с.

63. Батищев Д.И. Поисковые методы оптимального проектирования. М.: Сов. радио, - М.: Сов. радио, 1976 - 216 с.

64. Белова Д.А., Кузинм P.E. Применение ЭВМ для анализа и синтеза автоматический систем управления. М.: Энергия, 1979. - 263 с.

65. Вавилов A.A. Структурный и параметрический синтез сложных систем. -Л.: ЛЭТИ, 1979.-94 с.

66. Дворянкин A.M., Половинкин А.И., Соболев А.Н. Методы синтеза технических решений. М.: Наука, 1977. - 102 с.

67. Норенков И.П. Введение в автоматизированное проектирование технических устройств и систем.-М.:ВШ,1980,-312с.