автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Высокоточная система автоматизированного управления процессом многокомпонентного дозирования смеси строительных материалов

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

УЖРБЕКОВ ДОШПАР АБДУЕВИЧ

ЕЫСОКОТОЧНАЯ СИСТЕМА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ МНОГОКОМПОНЕНТНОГО ДОЗИРОВАНИЯ СМЕСИ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

05.13.07 - Автоматизация технологических процессов и производств (строительство)

АВТОРЕФЕРАТ • диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА 1991

Работа выполнена в лаборатории "Математическое обеспечение" Узбекского научно-производственного объединения "КИБЕРНЕТИКА" и на кафедре автоматизации производственных процессов МАДИ. Научный руководитель: доктор технических наук,

доцент БАРСКИЙ Р.Г.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор ВАЛЬКОВ Л.С.,

кандидат технических наук, доцент ВАСЬКОВСКИЙ A.M.

Ведущая организация: ЦНИИОМТП Госстроя СССР

Защита состоится" "_1991 года в " " час

на заседании специализированного совета К 053.30.08 - Автоматизация технологических процессов и производств (строительство и транспорт) при Московском автомобильно-дорояном институте ордена Трудового Красного Знамени по адресу: Москва, Ленинградский пр., 64, в аудитории

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 125829, ГСП-47, Москва, Ленинградский пр., 64, ученому секретарю.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАДИ.

Телефон для справок 155-03-28.

Автореферат, разослан " "_ 1991г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат технических наук,

доцент АСМОЛОВ Г.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Б настоящее время процессы дозирования многокомпонентных; технологических смесей осуществляются группой дозаторов, оборудованных•системами автономной стабилизации, работающими в режиме поддержтгвантгя дозируемых масс компонентов в допустимых пределах. Качество работы группы дозаторов во всех технологических приложениях оценивается обобщенными показателями эффективности, формируемыми на основе частных показателей, характеризующих качество работы отдельных дозаторов, образующих группу.

Многочисленные исследования показывают, что наиболее существенное влияние на качество-выходного продукта, на стабильность его выходных показателей,таких как прочность, оказывают случайные отклонения дозируемых масс компонентов от заданных значений. Именно случайные погрешности приводят к значительным вариациям коэффициентов отношений масс дозируемых компонентов и, как следствие этого, сказываются на коэффициенте вариации прочности бетона на сжатие.

Проблема минимизации случайных составляющих погрешностей дискретного дозирования компонентов смеси непосредственно связана с решением таких вопросов, как конструктивное усовершенствование дозаторов, изыскание новых принципов дозирования и применение специальных систем оптимальной стабилизации.

Однако, как показывает практика, предел повышения точности дозирования компонентов смеси ограничивается не теоретическими возможностями применяемых методов стабилизации масс дозируемых компонентов, а механическими и динамическими свойствами самих дозируемых материалов. Ввиду этого при дискретном дозировании бетонных смесей в каждом цикле наблюдаются "выбросы" масс дозируемых компонентов смеси, во много раз превосходящие пределы, задаваемые технологическими нормами.

При дискретном дозировании отсутствует возможность изменить массу уже отдозированных компонентов, ввиду чего "компенсация" выбросов возможна только на основе применения методов связного дозирования компонентов смеси.

Эффект повышения качества при связном управлении процессами многокомпонентного дозирования с информационной точки

г

зрения достигается за счет более точного, чем погрешности дискретного дозирования, измерения отдозированннх масс'компонентов с последующим применением оптимальных законов управления дозами компонентов на очередных этапах, в зависимости от поэтапных показателей состояния многокомпонентной смеси.

Разработка и исследование в области синтеза оптимальных законов поэтапного управления процессами многокомпонентного дозирования является актуальной проблемой, позволяющей повысить качество бетонных смесей и, как следствие этого, снизить вариацию прочности выпускаемых изделий.

Работа выполнялась в соответствии с целевой научно-исследовательской программой 0Ц-026, раздел 01.78: "Автоматизация управления технологическими процессами, производствами, станками и оборудованием с применением мини-ЭВМ" и программой Гос-. строя СССР, постановление № 14 от 06.02.1989г. "Автоматизация производства конструкций крупнопанельного домостроения" (подпрограмма № 3, раздел 7).

Цель и задача -работы. Произведенный анализ исследований в области синтеза законов поэтапного связного управления процессами многокомпонентного дозирования позволил определить основную цель диссертационной работы - разработку высокоточных систем связного управления процессами приготовления бетонных смесей. .

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие основные задачи:

1. Синтез высокоточной системы связного управления дискретными процессами многокомпонентного дозирования.

2. Синтез законов поэтапного управления, применение которых позволяет реализовать оптимальную корректировку доз компонентов на очередных этапах, по принятому критерию оценки качества смесей.

3. Разработка (формирование) критериев оценки качества, адекватных реальным (текущим) показателям состояния многокомпонентных смесей,

4. Сжштез структуры систем связного управления с использованием оптимальных законов корректировки доз компонентов в зависимости от показателей состояния дозируемой смеси.

МетоДы исследования. В работе использовались элементы теории систем автоматического управления', методы оптимизации дискретных последовательностных систем, теория графов, чиОленине методы и-программирование на ЭВМ.

Научная новизна. I. Разработаны и исследованы новые методы оценки качества работы дозаторов дискретного действия, реализующих совместно процессы многокомпонентного дозирования.

Дана математическая интерпретация разработанных оценок в виде поэтапных оценок текущих показателей качества многоком-. понентных смесей.

2. Получен в аналитической форме оптимальный закон поэтапного связного управления^ минимизирующий разработанный критерий оценки показателей качества многокомпонентных смесей. Установлены области допустимых управлений и ограничений на управляемую массу многокомпонентной смеси.

Практическую ценность работы составляет синтезированный закон поэтапного связного управления процессами дозирования бетонных смесей, и его реализация на микро ЭВМ.

• ■ Внедрение в промышленность. Результаты работы внедрены на предприятиях Узбекистана по производству железобетонных изделий.

На защиту выносятся. I. Критерии оценки поэтапных показателей качества работы дозаторов дискретного действия, реализующих последовательно во времени процессы многокомпонентного дискретного дозирования смесей.

■ 2. Оптимальный закон поэтапного связного управления прочесами многокомпонентного дозирования строительных смесей.

Апробация -работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на кафедре "Автоматизация производственных процессов" Московского ордена Трудового Красного Знамени автомобильно-дорожного института (1981, 1982, 1986, 1991 гг.); на заседаниях кафедры "Основы автоматики и автоматизации производственных процессов" Ташкентского автомобильного-дорожного института (1982, 1983, 1985, 1986. г.); семинаре лаборатории "Математическое обеспечение" Узбекского научно-производственного объединения "Кибернетика" (1984, 1986,'1988, 1990 гг.); научно-технических. конференциях МАДИ и ТАДИ, а также на Всесоюзной конференции в ИК с ВЦ НПО "Кибернетика" АН УзССР (1931-1990 гг),

научно-технических конференциях ГЛАДИ и ТАДИ, а также на Всесоюзной конференции в ИК с ВЦ НПО "Кибернетика" АН УзССР (19811990гг); семинаре лаборатории автоматизированного управления и надежности энергообъектов института энергетики и автоматики АН УэССР (1987г); семинара лаборатории моделирования развивающихся систем институте Кибернетик: им.В.М.Глушкова АН УССР (1988г).

По теме диссертации опубликовано 9 статей и получено авторское свидетельство.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 109 наименований, изложена на III страницах машинописного текста, включая 17 рисунков.,

СОДЕРЖАНИЕ РАБОШ

Во введении дается обоснование теш диссертационной работы, ее актуальность. Сформулированы задачи исследований, научная и практическая ценность выдвинутых положений.

В первой главе в результате проведенного обзора исследований в области синтеза структур систем связного управления дискретными процессами многокомпонентного дозирования и методов-оценки показателей качества многокомпонентных смесей делаются следующие основополагающие выводы.

1. Целью применения систем связного управления процессами, многокомпонентного дозирования является необходимость минимизации степени влияния погрешностей дискретного дозирования компонентов Xi, ( 1= 1,п) , входящих в рецептуру смеси, на контролируемые показатели качества выпускаемой продукции (прочность бетона) .

2. В соответствии с исходными положениями теории аналитического синтеза структур систем связного управления процессами многокомпонентного дозирования любая детерминированная структура системы связного управления отождествляется с математической моделью ациклического полного орграфа П -го порядка задающего П-этапное, последовательное во времени, дозирование п компонентов X i ( С = ITn ) в некоторый наперед заданной очередности X (см.рис. I),

¿о = (к- *г ... Хп ) • (I)

Рис-I. Орграф системы связного управления

3. Для реализации собственно принципов связного управления при заданном критерии оценки качества многокомпонентной смеси синтезируются законы поэтапного связного управления дозами компонентов смес!-':.

4. Анализ исследований, проведенных в области разработки критериев оценки качества, показал, что применяемые в известных работах критерии оценки показателей качества многокомпонентной смеси неадекватно отражают реальные условия формирования погрешностей в процессах многокомпонентного дозирования смесей и, как следствие этого, синтезированные в этих работах законы поэ' апного управления дозами компонентов нельзя признать оптимальными.

Во второй главе дается обоснование принципов построения высокоточных оценок показателей качества работы как отдельных дозаторов, так и собственно эффективности процессов многокомпонентного дозирования (интегральных показателей), реализуемых группой дозаторов дискретного действия.

Рецептура многокомпонентной смеси считается заданной, если известны ее качественные и количественные показатели. К качественным относятся наименования дозируемых компонентов ( I -1,п ), к количествен;™ - требуемая по технологическим нормам масса % многокомпонентной смеси У0 л вектор коэффициентов отношений

(2)

Заданные дозы компонентов X {, ( 1,п ), входяппх в рецептуру смеси,с учетом вектора (2) определяются как

Ui-fiV., ¿-f.». (3)

При условии, что все Л компонентов отдозированы, текущие значения коэффициентов отношений fi из (2) определятся как

^мШ. . t.r„ ,

где X-fUjJ- отдозированная в К-м цикле процесса многокомпонент-.

ного дозирования масса компонента X \ (I - I,м ); VP - результирующая масса многокомпонентной смеси по за. вершении К-го цикла

Абсолютная погрешность коэффициента отношений определится как разность

(б)

Относительная погрешность коэффициента отношений с

учетом (б) равна •

¡-=1^., (?)

где - нормированная масса компонента Х(,

Оценка £< ■ из (7) характеризует собой частный показатель эффективности, дозирования компонента в процессе многокомпонентного дозирования П компонентов. Нетрудно убедиться, что оценка существенно отличается от принятых в известных ра-

ботах линейных оценок, основанных на приведенных погрешностях нормированных масс

Ур, С'ТГп (9)

в части ее адекватности реальным условиям формирования погреш-6

'ностей при реализации процессов многокомпонентного дозирования.

Введем в рассмотрение вектор приоритетов

*(/<<,..■ ;/*»)' (Ю)

где - коэффициент приоритета комопнента X/ , характеризующий степень влияния погрешности дискретного дозирования комопнента Х4* на показатели качества многокомпонентной смеси, {¿-1{п ),

С учетом вектора приоритетов (10), критерий оценки текущих (интегральных) показателей качества многокомпонентной смеси по завершении К-го цикла пррцесса многокомпонентного дозирования представим в виде

/?■ = £ • си)

¿-уу

В третьей главе излагаются основы синтеза оптимального закона поэтапного управления процессом многокомпонентного дозирования, минимизпрукхце го на каждом очередном этапе дозирования ( У = 2,/; ) критерий (II).

Состояние многокомпонентной смеси перед производством го этапа дотирования можно" представить в виде ■

= .....-.4

где нормированные дозы компонентов, дозирование

которых предполагается произвести начиная с 3 -го этапа

Анализ выражения (12) показывает, что перед производством У-го этапа дозирование компонентов Х$ ( 8 = ^ , о ) необходимо, с учетом измеренных значений нормированных масс V; компонентов X; ( £ = I), отдознрованных до ^ -го

этапа, осуществить оптимальный выбор нормированных доз компонентов X§ (6=0,^ ).

Введем понятие скользящей (управляемой) массы 2 многокомпонентной смеси Уро по завершении ( ^ I) -го этапа

Или с учетом условия нормирования отдозированных масс получим:

Ы - '

(15)

5-7

и = г,п ,

Тогда, частные показатели оценки качества (7) с учетом (15), примут вид

V,-

п £

{-

VpJi '

5 =

(16)

(17)

где А^ - прогнозируемая масса многокомпонентной смеси, равная м..

4, ■

На рис. 2 приведен характер изменения частных показателей качества 6с и £§ , ( ^ = 2 ) в зависимости от

К %

Рис.2. Частные показатели оценки качества дозирования

Критерий поэтапной оценки качества частично отдозированной-смеси по завершении {J- 1)-го этапа дозирования на основании (II) примет вид

Й- = & У м /у- Л^- ]2 (19)

^ У») + &Г* £ ^ (/ У*) >

Оптимальное значение скользящей массы многокомпонентной смеси по завершении ( 1)-го этапа определим из условия

¿Ц -с (20)

Откуда имеем

Оптимальный закон поэтапного управления дозами компонентов ( Б = J,/^ ), дозируемых начиная с го этапа, определим подстановкой (21) в выражение (15)

*' л»

где

4-, = - ■ (23)

Нижним ограничением на скользящую массу смеси Уру служит неравенство

, . (опт) и-'

ури (24)

В четвертой глава рассматривается задача синтеза высокоточной системы связного управления дозами компонентов на очередных этапах в соответствии с оптимальным законом управления (22).

На рис. 3 приведена структурная схема систем поэтапного связного управления процессом дозирования трехкомпонентной бетонной смеси (п= 3). На этом рисунке: Д(. - дозаторы'компсн нентов, ПИ[ - питатель, САС[_ - система автономной стабилизации (1=1, 3).

Предполагается, что на первых трех этапах дозируются

Рпс.З. Структура связного дозирования трехкомпонентной смеси

компоненты: песок - X/ , щебень - Х8 , цемент - Хэ . Дозирование воды (компонента Х4 ) производится на завершающем четвертом этапе (4). При этом доза Иводы непосредственно корректируется по отдозированной массе цемента Х3 ( ия ), вне зависимости от того, на каком эаэтапе он был отдозирован.

При заданной очередности поэтапного дозирования компонентов X с ( 1= 1,3) из (I), на вход дозатора компонента X, , дозируемого на первом этапе ( ]= I), поступает сигнал, равный

ит-^х.

По завершении этапа дозирования компонента Ху , оптимальная доза компонента Х2 , дозируемого на втором этапе (2), будет равна

иГ-УЛ.

Оптимальное значение дозы компонента Х3, дозируемого на третьем этапе ( 3= 3), с учетом нормированных масс % и Уг компонентов Х/ и Хг , отдозированных на первом и вторых этапах, на основании оптимального закона управления (22) определится

и°1 и ¿УЛУЛ/уУ/) %)

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

Проведенные исследования позволили сделать следующие основные вывода:

1. Основной целью применения принципов связного управления процессами многокомпонентного дозирования является минимизация степени влияния погрешностей дискретного дозирования компонентов на показатели качества смесей и, в конечном итоге, на контролируемые показатели качества выпускаемой продукции.

2. Анализ состояния проблемы показал, что в настоящее время проведено достаточно большое число исследований, посвященных разработке основ теории связного, управления процессами многокомпонентного дозирования и.методов оценки'показателей качества многокомпоненных смесей. Вместе с тем следует отметить, что при решении вопросов, связанных с синтезом оптимальных систем связного управления, применяемые в этих исследова-

II

ниях оценки качества дозирования комопнентов смеси не .адекватны реальным процессам формирования погрешностей коэффициентов отношений. В связи с этим в настоящей работе разработаны новые оценки, позволяющие с высокой достоверностью судить о показателях качества дозируемых многокомпонентных смесей.

3. Для оценки частных показателей качества введены новые оценки, основанные на относительных погрешностях коэффициентов отношений,и их модификации в виде поэтапных оценок.

4. Разработаны и обобщены критерии оценки качества многокомпонентных смесей и их модификации в виде поэтапной оценки, исходя из того, что компоненты смеси дозируются в заданной очередности последовательно во времени.

5. Синтезирован в аналитической форме оптимальный закон поэтапного связного .управления дозам?, компонентов, дозируемых на очередных этапах, минимизирующий разработанный обобщенный критерий оценки качества многокомпонентной смеси.

6. Установлено нижнее ограничение на скользящую (управляемую) массу многокомпонентной смеси и приведены условия, при которых это ограничение несущественно.

7. Синтезирована структура системы поэтапного связного управления дозированием компонентов бетонной смеси (песок, щебень, цемент).

8. разработана структура систем автоматизированного управления процессом дозирования бетонной смеси и'ее техническая реализация на базе микро ЭВ;;1.

9. Результаты исследований, полученные в период опытно-промышленчол эксплуатации, позволили определить, что внедрение разработанчон системы приведет к снижению коэффициента вариации на 14-15/2, чем достигается снижение в среднем на 1<Ж нормативного расхода цемента на приготовление I куб.м. бетонной смеси.

10. Разработанная система автоматизированного управления процессом дозирования бетонной смеси внедрена на заводе КБК. Экономический эффект от внедрения системы ориентировочно составил 25 тыс.руб.

Основное содержание диссертации опубликовано в следущих работах:

1. Абуталиев Ф.Б. , Барский Р.Г., Умирбеков Д.А. Вопросы синтеза системы управления группой объектов //Сб. "Вопросы кибернетики" - Ташкент, 198];.

2. Барский Р.Г., Умирбеков Д.А. Исследование мощности каркасов орграфов дискретного дозирования //Труды ТашПИ - Ташкент,

3. Абуталиев Ф.Б., Барский Р.Г., Умирбеков Д.А. Выбор оптимальной структуры управления дискретным дозированием многокомпонентных смесей //Сб. "Вопросы киберенетшоГ - Ташкент, 1983.

4. Барский Р.Г., Воробьев В.А., Силаев А.Г., Умирбеков Д.А. Авторское свидетельство № 1040340. Устройство для управления дозированием. 1983.

5. Умирбеков Д.А. Алгоритм оптимальной системы управления дозированием четырехкомпонентной смеси на ЭВМ //Сб. "Программы дискретной математики" - Ташкент, 1983.

6. Умирбеков Д.А. Построение математической модели системы управления связным дозированием многокомпонентных смесей // Сб. МАДИ "Автоматизация технологических процессов и контроля в строительстве" - М., 1983.

7. Умирбеков Д.А. Оптимальный синтез очередностей дозирования компонентов смеси //Тезисы докладов научно-практической конференции ТапПИ, ч.П - Ташкент, 1983.

8. Умирбеков Д.А. Об одном методе, повышающем качество дозирования многокомпонентных смесей //Сб. "Известия АН УзССР" -Ташкент,-1985.

9. Умирбеков Д.А. Методика расчета систем управления-процессами многокомпонентного дозирования с изменяющейся структурой //Сб. МАДИ "Автоштизация технологических процессов и производств в строительстве" - М., 1991.

ТО. Умирбеков Д.А. Исследование производительности Сйбтемы управления процессами многокомпонентного дозирования //Сб. МАДИ "Автоматизация технологических процессов и прой&водств в строительстве" - М., 1991.

1982.

МАДИ. 3.988 т.100 5.12.91г