разработка и структурный синтез электротехнического
advertisement
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» 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 Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель: д.т.н., профессор Галицков Станислав Яковлевич Самара 2015 СОДЕРЖАНИЕ Введение 5 1 Задачи управления электротехническим комплексом формования керамической массы при производстве кирпича требуемой прочности 12 1.1 Особенности пластического формования керамической массы в шнековом вакуум-прессе 12 1.1.1 Структура технологического процесса производства керамического кирпича 12 1.1.2 Конструкция шнекового вакуумного пресса 14 1.1.3 Электротехнический комплекс формования керамической массы в шнековом вакуумном прессе 18 1.2 Влияние параметров процесса пластического формования на качество керамического кирпича 20 1.3 Обзор известных систем управления электротехническими комплексами формования керамических изделий 30 1.4 Задачи управления электротехническим комплексом формования керамической массы в шнековом вакуумном прессе 36 1.5 Выводы по первой главе 37 2 Математическое описание электротехнического комплекса формования керамической массы как объекта управления 39 2.1 Определение объекта управления, основные возмущения 39 2.2. Расчетная схема и математическое описание динамики течения керамической массы в формующем звене шнекового пресса 41 2.2.1 Уравнения движения керамической массы в формующем звене шнекового пресса 41 2.2.2 Граничные и начальные условия 48 2.3 Вычислительная модель процесса течения керамической массы в формующем звене шнекового пресса. Оценка адекватности вычислительной модели 58 2 2.4 Синтез структуры процесса течения керамической массы в формующем звене шнекового пресса как объекта управления 63 2.5 Обобщенная математическая модель электротехнического комплекса формования керамической массы в шнековом вакуумном прессе как объекта управления 67 2.6 Синтез упрощенного объекта управления 74 2.7 Выводы по второй главе 75 3 Система автоматического управления электротехническим комплексом формования керамической массы 78 3.1 Цели автоматизации процесса формования керамических камней 78 3.2 Система автоматического управления электротехническим комплексом формования керамической массы в шнековом вакуумном 81 прессе 3.3 Требования, предъявляемые к системе автоматического управления электротехническим комплексом формования керамической массы (САУ ЭКФКМ) 88 3.4 Математические модели основных звеньев системы управления электроприводом шнека 94 3.5 Параметрическая оптимизация регуляторов системы управления электроприводом шнека 95 3.6 Робастная устойчивость системы автоматического управления электроприводом шнека 98 3.7 Оценка влияния квантования на динамику цифровой системы автоматического управления электроприводом шнека 101 3.8 Выводы по третьей главе 103 4 Экспериментальные исследования объекта и системы управления 104 4.1 Методика экспериментальных исследований объекта управления 104 4.1.1 Вычислительная модель процесса течения керамической массы в формующем звене шнекового пресса как объекта управления. Методика исследования объекта управления 3 104 4.1.2 Переходные процессы в формующем звене шнекового пресса 106 4.2 Вычислительная модель обобщенного объекта управления 109 4.2.1 Структура вычислительной модели обобщенного объекта управления 109 4.2.2 Вычислительная модель обобщенного объекта управления в Matlab Simulink 110 4.3 Линеаризованная модель объекта управления 116 4.4 Натурные эксперименты 119 4.4.1 Объект испытаний 119 4.4.2 Цели исследования 119 4.4.3 Экспериментальная установка 121 4.4.4 Методика проведения испытаний 126 4.4.5 Результаты натурных испытаний 128 4.5 Структура модели формирователя сигнала задания САУ электроприводом шнека 131 4.6 Вычислительные эксперименты по исследованию системы автоматического управления 133 4.7 Оценка применения системы управления ЭКФКМ с формирователем вектора задающих сигналов 4.8 143 Методика инженерного проектирования системы автоматического управления электротехническим комплексом формования керамической массы (САУ ЭКФКМ) 145 4.9 Техническая реализация САУ ЭКФКМ 146 4.10 Технико-экономический расчёт 150 4.10.1 Расчет капитальных вложений по базовому варианту 150 4.10.2 Расчет капитальных вложений по проектному варианту 152 4.10.3 Расчет экономической эффективности проекта 155 4.11 Выводы по четвертой главе 156 Заключение 158 Библиографический список 161 Приложения 173 4 ВВЕДЕНИЕ Актуальность Надежность работы. строительных каменных конструкций, зданий и сооружений в значительной мере определяются прочностью кирпича, в частности – керамического. Известно, что разброс значений прочности керамического кирпича достигает существенных значений даже в пределах одной марки. Основная причина этой нестационарности обусловленна как вариацией характеристик исходного сырья, так и существенно ограниченной возможностью управления электротехническим комплексом формования керамической массы (ЭКФКМ) в шнековом прессе, используемом в производстве. Кроме того, современные требования к энергетической эффективности производств ставят еще одну задачу – сокращение 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 вакуумирования). керамической Неизбежная массы, вариация используемой при физико-химических формовании, свойств обуславливает нестационарность рациональных значений этих параметров, необходимых для получения кирпича производительности. требуемого качества Существующие в условиях электротехнические максимальной комплексы формования керамической массы в шнековых вакуумных прессах при производстве кирпича оснащаются, в основном, системами автоматической стабилизации влажности, давления в формующем звене, уровня заполнения вакуум-камеры. Игнорирование важных для формирования свойств готовых изделий технологических параметров (индекс течения керамической массы, скорость сдвига, степень ее вакуумирования), а кроме того несогласованная работа применяемых систем управления обуславливает невозможность учета 5 изменения технологической ситуации и отслеживания перемещения наиболее целесообразных для данных условий координат рабочей точки. Эти обстоятельства являются основными причинами появления брака готовой продукции (в виде керамических камней, прочность которых не соответствует требуемой, структурных трещин, отклонений геометрических размеров, расслоений сырца), понижения производительности, понижению энергоэффективности, увеличения экономических потерям предприятия. Таким образом, на наш взгляд, для получения керамического кирпича с требуемыми свойствами (в первую очередь прочностью) в условиях максимально достижимой производительности необходимо решить задачу автоматического нахождения и достижения рациональных режимов работы ЭКФКМ и, в частности, входящих в него электроприводов. Вопросами структурного моделирования и повышения качества управления электроприводами за счет применения современных методов, реализуемых в цифровых системах, занимались такие ученые как Чиликин М.Г., Соколовский Г.Г., Браславский И.Я., Казаченко В.Ф. и др. В известных недостаточно работах по разработаны автоматическому вопросы управлению математического ЭКФКМ описания технологического процесса формования в шнековых вакуумных прессов и их электроприводов. В связи с этим, не решены вопросы создания и практической реализации 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 6 05.03.2012 г.) по направлению «Автоматизированные системы в строительстве» (№ 0197000ё5686 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 диссертационной 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 на 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 проведение экспериментальных исследований объекта управления – электротехнического формования керамической массы в шнековом прессе; 7 комплекса - 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 математического аппарата, анализом и корректным вычислительных использованием 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 8 электроприводами шнека, глиносмесителя, ленточного питателя, вакуумнасоса, устройствами увлажнения; - алгоритм работы формирователя вектора задающих сигналов систем автоматического ленточного управления питателя, электроприводами вакуум-насоса, шнека, глиносмесителя, 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, 9 СГАСУ, 2014); на ХVIII Московской международной межвузовской научнотехнической 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, конференции 2010, 2011); «Актуальные на Всероссийской проблемы в научно-технической 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 I-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 рисунка, 27 таблиц, приложения на 26 страницах, библиографический список на 12 страницах. 10 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 электротехническим 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. 11 1 ЗАДАЧИ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИМ КОМПЛЕКСОМ ФОРМОВАНИЯ КЕРАМИЧЕСКОЙ МАССЫ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ КИРПИЧА ТРЕБУЕМОЙ ПРОЧНОСТИ 1.1 Особенности пластического формования керамической массы в шнековом вакуум-прессе 1.1.1 Структура технологического процесса производства керамического кирпича Для строительства различных конструкций глиняный кирпич используется уже несколько тысяч лет [1] и, можно сказать, является первым искусственным строительным материалом, который изготавливается из глин и их смесей путем формования и приобретает камнеподобные свойства после обжига в печи. И в настоящее время керамический кирпич [2,3], несмотря на появление новых строительных материалов, наиболее востребован в строительном производстве. Наибольшее распространение при производстве кирпича получил метод пластического формования керамической массы [4, 5], который осуществляется в шнековых вакуумных прессах. Производство керамического кирпича методом пластического формования включает ряд основных стадий, на которых определенным образом изменяются различные механо-физико-химические свойства исходного материала [6]: подготовка исходных материалов, измельчение, увлажнение, перемешивание, вакуумирование, формование, сушка и обжиг. Особенностью этого технологического процесса является существенное влияние каждого передела на последующие стадии производства. Представим рассматриваемое производство в виде структурной схемы (рис. 1.1.1). На каждую стадию технологического процесса влияет множество на параметров, которые в итоге формируют свойства готового продукта. Как показывает практика [7], одним из наиболее значимых является процесс 12 Qд Qв Tв в Y Qвн X ш w0 w1 w2 w 0 11 12 1 0 0 T0 Q0 Предварительная подготовка 1 1 T1 Q1 Увлажнение и перемешивание Qп Р 2 2 Вакуумирование T2 Q2 Tп Формование T Q Рв Технологические условия сушки и обжига x Tфз S Сушка и обжиг R w0, w1, w2, w, 0, 1, 2, , 0, 1, 2, , 0, 1, 2, , T0, T1, T2, T, Q0, Q1, Q2, Q – влажность, коэффициент консистенции, индекс течения, плотность, температура, расход керамической массы исходные, после предварительной подготовки, после увлажнения и перемешивания, после вакуумирования, соответственно; Qд, Qв, Qп – расход добавок, воды, пара, соответственно; Tв и Tп – температура воды и пара, соответственно; в и ш – скорость вращения валов смесителя и шнека, соответственно; X и Y – степень заполнения вакуумной камеры и глиносмесителя, соответственно; Рв – разрежение в вакуумной камере; и Р – скорость сдвига и давление керамической массы в формующем звене шнекового пресса, соответственно; Tфз – температура керамической массы в формующем звене; Qвн – производительность вакуумного насоса; x – линейная скорость выхода сформованного бруса из формующего звена; S – комплексный показатель свойств сформованного бруса; R – прочность керамического кирпича после сушки и обжига. Рисунок 1.1.1 – Структура технологического процесса производства керамического кирпича 13 формования, поскольку именно этот технологический передел существенным образом определяет показатели качества производимого кирпича. 1.1.2 Конструкция шнекового вакуумного пресса Шнековый непрерывного вакуумный действия для пресс (рис. 1.1.2) относится к машинам пластического формования кирпича из керамической массы относительной влажностью 16÷26 % [8, 9]. Он включает в себя смеситель 1, вакуум-камеру 12, собственно пресс 14 и формующее звено 15. Лопастной двухвальный смеситель 1 предназначен для перемешивания и увлажнения керамических смесей, прошедших предварительную подготовку [10]. Конструктивно он представляет собой корыто, внутри которого вращаются (от двигателя 10 через ременную передачу 11 и раздаточную коробку 9) два смесительных вала. Каждый вал состоит из двух участков. На первом участке вал оснащен лопатками 6, расположенными по винтовой линии, на втором – разъемными винтовыми лопастями, образующими непрерывный винт 7 [11]. Лопатки предназначены для перемешивания массы, загружаемой через окно 2, и подачи ее к шнекам. Шнеки уплотняют массу, создавая при этом пробку, герметизирующую вакуум-камеру, и подают ее к вращающимся ножам – фрезам 8 (они закреплены на валах 5), которые измельчают перерабатываемую глину перед ее поступлением в вакуум-камеру [7]. При необходимости глиняная масса в смесителе доувлажняется паром (и/или водой). Пар подается в смеситель посредством трубопровода 3. Для удаления воздуха, адсорбированного поверхностью глинистых частиц и приводящего к возникновению микротрещин в кирпиче [12], применяют вакуумирование. Вакуум-камера 12 соединяется с корпусом смесителя через чугунную литую проставку (футерованную стальными сменными рубашками) [13, 14], а к шнековой камере пресса крепится квадратным фланцем, что обеспечивает возможность установки смесителя как параллельно оси пресса, так и под углом 14 90º к этой оси. В верхней части вакуум-камеры расположено отверстие, сообщающееся с вакуум-насосом 13. Собственно пресс состоит из шнековой камеры 14 с шнековым валом 16 и питающими валками 17, и привода, который включает в себя двигатель 18, муфту, ременную передачу 19 и двухступенчатый редуктор 20. Для обеспечения удобного обслуживания цилиндр шнековой камеры выполнен из двух скрепленных болтами половин, которые на шарнирах подвешены к корпусу. Для предотвращения истирания глиной стенки полуцилиндров футерованы сменными рубашками. Рубашки оснащены ребрами (рифами), препятствующими провороту массы. С этой же целью в цилиндр вмонтированы контрножи (свилерезы) [7]. Формующее звено 15 прикреплено к одному из кожухов осями и болтами, а к другому – предохранительными устройствами. При превышении усилия прессования расчетного значения срезной палец срезается и формующее звено открывается [14]. Шнековый вал 16 осуществляет перемещение и прессование формуемой массы [15]. Шнек однозаходный с двухзаходной выпорной лопастью, имеет непрерывную винтовую обтекаемую и гладкую поверхность лопастей, диаметр ступицы к головке пресса несколько уменьшается. Питающие валки 17 предназначены для равномерной подачи глины к шнеками и препятствуют сводообразованию и возврату глины из-под шнеков в зону передней стенки шнековой камеры [7]. Формующее звено 15 (рис. 1.1.2) включает в себя головку 1 (рис. 1.1.3) и мундштук 3, а также дополнительные элементы. Головка 1 [16] является промежуточным звеном между цилиндром пресса и мундштуком, движение в котором происходит за счет давления, создаваемого шнеком. Она преобразует форму поперечного сечения потока массы и обеспечивает равномерную подачу массы к мундштуку. 15 Рисунок 1.1.2 – Конструкция шнекового вакуумного пресса 16 Со стороны, обращенной к цилиндру, сечение головки круглое, со стороны мундштука – прямоугольное при выпуске прямоугольной ленты или круглое при выпуске ленты круглого сечения [16]. Для возможности регулирования длины головки (в зависимости от свойств обрабатываемой массы) шнековые прессы имеют специальные кольца 2, которые в случае необходимости устанавливаются между цилиндром и головкой. Мундштук 3 (рис. 1.1.3) [16, 17] придает выходящей массе заданный профиль. Для крепления мундштука к головке пресса имеется специальная мундштучная плита 4. 2 1 5 4 3 6 7 Рисунок 1.1.3 – Формующее звено шнекового пресса На вакуумных прессах также изготавливают пустотелые изделия [18]. Для этого к мундштучной плите крепят сердечник, который состоит из скобы 5, кернодержателей 6 и кернов (пустотообразователей) 7, определяющих своим сечением и количеством вид и количество пустот в блоке [18, 19]. 17 1.1.3 Электротехнический комплекс формования керамической массы в шнековом вакуумном прессе Электротехнический комплекс формования керамической массы (ЭКФКМ) (рис. 1.1.4) в шнековом вакуумном прессе ШВП представляет собой совокупность собственно пресса ПР, совмещенного со смесителем СМ; вакуумного насоса ВН; ленточного питателя ЛП для загрузки керамической массы в смеситель; их приводных асинхронных двигателей АД1, АД2, АД3, АД4 и механических передач МП1, МП2, МП4; вакуум-камеры ВК; управляемых силовых преобразователей УСП1-УСП4; управляющего устройства УУ, которое включает программируемый контроллер, датчики технологических величин и электромагнитные клапаны для регулирования расхода воды и пара и обеспечивающие, тем самым, получение керамической массы с требуемыми ШВП влажностью и температурой. Рисунок 1.1.4 – Блок-схема электротехнического комплекса формования керамической массы: ИЭЭ – источник электрической энергии 18 Рисунок 1.1.5 – Электрическая схема комплекса для формования керамической массы 19 Электрическая схема комплекса формования керамической массы представлена на рисунке 1.1.5. В ее составе четыре приводных асинхронных двигателя, скорость которых регулируется с помощью преобразователей частоты ПЧ1-ПЧ4. Каждый из преобразователей ПЧ1-ПЧ4 выполнен по схеме автономного инвертора напряжения с неуправляемым выпрямителем UZ в звене постоянного тока [20-22]. В качестве сглаживающего фильтра используется конденсатор C. Схема трехфазного мостового инвертора включает в себя три плеча с транзисторными ключами VT1-VT6, состоящими из IGB-транзисторов, работающих в ключевом режиме, и диода обратного тока. К средним точкам каждого из плеч подключено начало фазной обмотки статора. Изменение частоты напряжения на выходе инвертора достигается изменение частоты управляющих сигналов, которые поступают на VT1-VT6, а изменение амплитуды – изменением их амплитуды. Управляющие сигналы формируются с помощью блока управления преобразователя частоты БУПЧ в соответствии с задающим сигналом zi. Разрядный резистор R и транзисторный ключ VT7 позволяют реализовать рекуперативное торможение. Кроме того, имеются два электромагнитных клапана ЭМК1 и ЭМК2 дозирования воды и пара. 1.2 Влияние параметров процесса пластического формования на качество керамического кирпича Основная задача производства керамических камней – выпуск кирпичей требуемой прочности R и заданной формы с минимумом затрат. Наличие и допустимое количество дефектов для керамических кирпичей и камней оговаривается в ГОСТ 530-2012 «Кирпич и камень керамические. Общие технические условия» [23] и ТУ 5741-001-05208863-2005 «Камни керамические с пустотами. Технические условия» [24]. 20 Рисунок 1.2.1 – Виды брака сырца при пластическом формовании [18]: а – прямая трещина в центре бруса; б – большая S-образная трещина; в – малая S-образная трещина; г – свилеобразные трещины; д – расслаивание всей массы сырца; е – нарушение формы рёбер бруса («драконов зуб»); ж – брус неполного сечения; з – опережение середины бруса; и – отставание середины бруса. Вариация параметров формуемой массы и режимов работы пресса приводит к существенному разбросу прочности выпускаемого кирпича, а дефекты [25] в сформованном кирпиче (свилеобразные и S-образные трещины, расслаиваемость бруса, «драконов зуб» и т.п. (рис. 1.2.1)), полученные на этом технологическом этапе, практически невозможно исправить на последующих стадиях производства [7]. Так же установлено [26], что с увеличением длины трещин в поперечном сечении в 8 раз прочность керамических камней при сжатии уменьшается в 4 раза. Поэтому к формованию кирпича предъявляются жесткие технологические требования и поэтому данному переделу должно уделяется большое внимание. При формовании пустотелых камней может наблюдаться опережение или отставание середины бруса (рис. 1.3, з, и) [18]. Наиболее трудно устраняемым пороком является свилеобразная структура сырца, которая часто не видна при формовании, но резко выявляется 21 при сушке, а затем при обжиге. Она появляется в виде так называемых структурных трещин, часто имеющих эллипсовидную форму на постелях кирпича, не заходящих на грани и ребра. Свилеватый кирпич теряет монолитность, прочность и делается неморозостойким [9]. Анализ известных публикаций позволил сопоставить некоторые виды брака и причин их возникновения с воздействиями, позволяющими их минимизировать (табл. 1.2.1). В работе [27] получены данные, показывающие влияние степени вакуумирования на качество сырца (табл. 1.2.2). Таблица 1.2.1 – Влияния параметров формования на качество Характерное отклонение брус неполного сечения расслаивание всей массы сырца «драконов зуб» свилеобразные трещины из мундштука выходит горячий брус хрупкость бруса трещинообразование во время сушки Источник керамических камней Управляющее воздействие повышенная влажность низкое разрежение в вакуумкамере недостаточная влажность повышенное давление (увеличивает сдвиговые напряжения) недостаточная влажность [18] w [18] Pв [28] w [22] P [22] w недостаточная влажность [28] w недостаточная влажность колебания скорости движения бруса [28] w [29] ωш Вероятные причины отклонения Таблица 1.2.2 – Влияние степени вакуумирования на качество сырца [27]. Вакуум, % 40 50 60 70÷80 90 Качество сырца «Драконов зуб», шероховатая поверхность Ершение в углах снижается; брус мягкий и ломкий Ершение исчезает, брус твердеет, шероховатость поверхности снижается Шероховатость исчезает, брус становится плотным Брус выходит с чистыми гранями и четкими углами; отрезанный сырец очень прочен, не деформируется при съеме со стола и броске на сушильную камеру 22 Согласно [23] керамические кирпичи изготавливают следующих марок по прочности – М100, М125, М150, М175, М200, М250, М300. Здесь цифры показывают прочность R кирпича, а именно какую нагрузку (в кг/см2) он может выдержать. ГОСТ 530-2012 устанавливает соответствие между пределами прочности и маркой керамических кирпичей (табл. 1.2.3). Таблица 1.2.3 – Пределы прочности керамического кирпича при сжатии и изгибе [23]. Предел прочности кирпича при сжатии, МПа Марка наименьший для кирпича средний для пяти отдельного образцов образца М300 30 25 М250 25 20 М200 20 17.5 М175 17.5 15 М150 15 12.5 М125 12.5 10 М100 10 7.5 М75 7.5 5 М50 5 3.5 Предел прочности кирпича при изгибе, МПа наименьший для средний для пяти отдельного образцов образца 4.4 2.2 3.9 2 3.4 1.7 3.1 1.5 2.8 1.4 2.5 1.2 2.2 1.1 - Барабанщиков Ю.Г. в работе [30] установил зависимости предела прочности на сжатие готовых керамических кирпичей от условий формования, а именно от скорости сдвиговых деформаций керамической массы при ее формовании и от влажности массы – кривые 1 – 5 (рис. 1.2.2). Они имеют явно выраженный экстремум, который смещается вправо при увеличении влажности w. Исследования проводились при формовании керамических образцов из кембрийской глины [19]. Дополним рисунок 1.4 в соответствии с таблицей 1.2.3 линиями, обозначающие границы марок кирпича по прочности. 23 21 20 19 18 17 16 15 14 13 0 5 10 15 20 25 30 , с 1 Рисунок 1.2.2 – Семейство характеристик R f ( ) Для кембрийской глины оптимальная формовочная влажность wф составляет около 23.5 % [19]. В качестве величины допустимых ее колебаний примем Δwд = ±1 % [31], соответствующее киевской спондиловой глины, которая имеет схожий гранулометрический состав и близкое значение оптимальной формовочной влажности. Изобразив характеристики R Ф( ,w ) (рис. 1.2.2) с учетом вышеуказанных ограничений в координатах w (рис. 1.2.3) получим область работы (по величинам и w) шнекового пресса, которые обеспечивают получение кирпича определенной марки. Таким образом, можно сделать вывод о том, что для получения кирпича требуемой марки по прочности, на скорость сдвига керамической массы в формующем звене необходимо наложить определенные ограничения. Причем, как это будет показано далее, регулирование скорости сдвиговых деформаций производится за счет изменения скорости вращения шнека, что ведет к изменению производительности. Поэтому, очевидно, важной задачей является получения требуемой марки кирпича производительности. 24 при максимально возможной , с 1 25 20 15 50 М1 10 75 М1 00 2 5 7 М1 0 5 М1 М 5 wф 0 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 - wд + wд w, % Рисунок 1.2.3 – Влияние и w на прочность R керамических камней (при Рв = 0), здесь M150, …, M200 – марки кирпича по прочности В работе И.М. Третьякова, С.Р. Голубовича [27] показано, что прочность керамических камней зависит от степени вакуумирования формуемой массы в шнековом прессе. Исследования [27] выявили, что при вакууме 40÷60 % повышения прочности R не наблюдалось, при 80÷90 % прочность повысилась на 70 %. Введем понятие коэффициента упрочнения K уп ( Pв ) R( Pв ) R' , (1.2.1) где R и R' – прочность керамических камней полученных из вакуумированной и невакуумированной массы, соответственно. На основании исследований [27] построим зависимость коэффициента упрочнения Kуп от глубины вакуума Pв (рис. 1.2.4), причем в соответствии с данными, приведенными в таблице 1.2.2, выделена область допустимого изменения величины разрежения ( 70 % Рв 100 % ) по условиям исключения брака по внешнему виду (данное условие до настоящего времени широко применяется на керамических заводах), оптимальное значение величины 25 разрежения Рвопт 90 % . Можно заметить, что вариация коэффициента упрочнения Kуп может происходить между кривыми abcc′d и abb′c′d. Рисунок 1.2.4 – Зависимость коэффициента упрочнения керамических камней от степени вакуумирования То есть, при производстве керамического кирпича из вакуумированной массы его прочность увеличивается, при этом колебания разрежения в вакуумной камере приводят к вариации прочности изделий, поэтому целесообразно при управлении процессом пластического формования учитывать величину Pв и ее изменение. Объединение функций R Ф( ,w ) и K уп Ф( Pв ) позволяет получить области постоянных значений марок кирпича по прочности в пространстве M технологических параметров формования керамической массы (рис. 1.2.5), изображающем связь основных параметров процесса формования с маркой М кирпича по прочности на сжатие в виде функции М Ф( ,w,Рв ) . 26 Рв 1 <M200 <M200 М300 0.9 <M200 М250 <M200 М200 М175 0.8 <M175 , c 401 45 15 20 25 30 <M175 35 10 5 0 0.7 15 16 17 <M175 18 19 20 21 22 <M175 23 - wд 24 + wд 25 26 wф w, % Рисунок 1.2.5 – Области постоянных значений марок кирпича по прочности в пространстве технологических параметров формования керамической массы 27 Рв 1 0.9 0.8 0.7 0 5 10 15 20 25 30 35 40 ,c 1 40 ,c 1 45 ,c 1 а Рв 1 0.9 0.8 0.7 5 10 15 20 25 30 35 б Рв 1 0.9 0.8 0.7 5 10 15 20 25 в 30 35 40 Рисунок 1.2.6 – Сечения пространства М в плоскости Рв при фиксированных значениях w: w = 22.5 %; w = 23.5 %; w = 24.5 %. 28 Сечения пространства М в плоскости Рв показывает области работы (по величинам и Рв) шнекового пресса, которые обеспечивают получение кирпича определенной марки при фиксированных значениях w. Из анализа известных работ [4,17,26,32-57] по повышению эффективности формования керамических камней можно сделать вывод, что в них рассматривается совершенствованию три основных технологии направления. подготовки Первое керамической посвящено массы для производства конкретных видов кирпичей. Ко второму направлению относятся работы по совершенствованию конструкции пресса. Третье направление, при котором свойства керамической массы и конструкция пресса принимаются как данность, – определение оптимальных режимов работы оборудования в существующих технологических условиях. Следует заметить, что работы по первым двум подходам ориентированы в основном на выпуск изделий с конкретными характеристиками. В современных условиях предприятия по производству кирпича должны обеспечивать выпуск керамических камней широкой номенклатуры, поэтому актуальным является разработка и внедрение тех предложений по автоматизации шнековых прессов, которые обеспечивают выпуск керамических камней достаточно широкой номенклатуры в условиях действия возмущений и технологических ограничений со стороны реологических характеристик глины и конструкции шнекового пресса. Такую задачу можно решить с использованием третьего направления, однако оно до настоящего времени недостаточно проработано. На наш взгляд наиболее рациональным подходом, который базируется на результатах исследований Барабанщикова Ю.Г., является управление прессом по величине скорости сдвига керамической массы в формующем звене пресса [25,58,59]. Известно, производстве что основными кирпича являются потребителями двигатели и электроэнергии приводы [5]. при Поэтому целесообразно наряду с задачей обеспечения производства кирпича требуемой марки также решить задачу снижения энергопотребления на этапе формования. Использование асинхронных частотно-регулируемых электроприводов дает 29 возможность осуществить энергосбережение, что показано в работах [60-63]. Поэтому, на наш взгляд, в процессе производства кирпича, и, в частности, на этапе формования керамической массы, целесообразно применение согласованного управления электроприводами комплекса. 1.3 Обзор известных систем управления электротехническими комплексами формования керамических изделий Производство керамических кирпичей является представляет собой сложный технологический процесс, в котором используется различное оборудование. Функционирование этого процесса, в настоящее время, возможно только с помощью применения множества систем управления [64-67], причем далеко не всегда эти системы являются автоматическими. Анализ известных систем управления оборудованием, используемым на, так называемой, «мокрой стороне» схемы производства керамического кирпича (т.е. до сушки и обжига) позволяют составить их классификационную схему (рис. 1.3.1). В настоящее время на этапах подготовки, перемешивания и формования преимущественно применяются в основном системы автоматического регулирования влажности керамического сырья. W. Leisenberg в статье «Moisture measurement on ceramic raw materials» («Измерение влажности керамического сырья») [36] анализирует работу таких систем. На этапе подготовки имеются примеры систем автоматического управления влажностью керамической массы с использованием датчика влажности [36], который устанавливается за вальцами, а необходимое количество воды вводится в керамическую массы, поступающей в бегуны с помощью водопроводного клапана (рис. 1.3.2, а). Аналогичная система может использоваться и в глинорастирателе [36] (рис. 1.3.2, б). Подобные системы для увеличения точности их работы могут дополнительно оснащаться датчиками расхода керамической массы [36], информация с которых также используется в формировании управляющего сигнала. 30 Рисунок 1.3.1 – Классификационная схема систем управления подготовкой, перемешиванием и формованием керамического кирпича 31 Рисунок 1.3.2 – Функциональные схемы систем управления подготовкой, перемешиванием и формованием керамического кирпича 32 В глиносмесителях, стабилизации влажности чаще с всего, также использованием применяются системы непосредственно датчика влажности [36] (рис. 1.3.2, в) или датчика тока (рис. 1.3.2, г). Причем датчики влажности могут устанавливаться на входе в смеситель, на выходе или и на входе, и на выходе. Иногда внедряют системы управления качеством перемешивания, которые либо основаны на утверждении о том, что максимальное качество перемешивания достигается при определенной скорости вращения валов и, по сути, являются системами регулирования скорости валов смесителя [68] (рис. 1.3.2, д), либо достижение наилучшего перемешивания достигается обеспечением, например, с помощью ленточного питателя, необходимой для этого степени заполнения глиносмесителя [69] (рис. 1.3.2, е), контролируемого по косвенному параметру – току статора приводного двигателя валов. На этапе формования в шнековом прессе применяется система стабилизации температуры, включающая датчик температуры и в качестве управляющего воздействия использующая расход пара, поступающего в смеситель [36] (рис. 1.3.2, ж). Угловая скорость шнека регулируется с помощью соответствующей (обычно разомкнутой) системы управления [55] (рис. 1.3.2, з), в которой зачастую обходятся без датчика скорости в связи достаточной жесткость механической характеристики приводного асинхронные двигателя, применяемого в шнековых прессах. Системы управления вакуумированием могут замыкаться или по величине разрежения в вакуумной камере [27] (рис. 1.3.2, и), или по степени загрузки вакуумной камеры [29] (рис. 1.3.2, к), при этом используются соответствующие датчики. В первом случае требуемого разрежения добиваются изменением производительности вакуумных насосов, во втором – изменением производительности глиносмесителя, т.е. изменением количеством керамической массы, поступающей в вакуум-камеру. 33 Для регулирования влажности керамической массы также используются системы, где для в качестве выходного параметра выступает ток, протекающий в статоре приводного двигателя шнека или потребляемая мощность [12, 70] (рис. 1.3.2, л). Наиболее распространены системы управления давлением в формующем звене шнекового пресса [36, 70, 71] (рис. 1.3.2, м). Требуемое давление достигается путем введения в керамическую массу необходимого количества добавочной воды на входе в смеситель. По сути данную систему можно также отнести к системам регулирования влажности, использующую для оценки этого параметра косвенную характеристику – давление в формующем звене. Фадеева В.С. [41] и Рост П.П. [72] указывают на возможность применения двух датчиков давления (рис. 1.3.2, н). В первом случае для определения реологического состояния керамической массы во время формования предлагается установка датчиков давления в двух точках формующего звена, расположенных по одной линии его продольного сечения, проходящего через ось пресса. Второй подход изложен в авторском свидетельстве № 107141 [72], где утверждается, что измерение давления в двух взаимно-перпендикулярных плоскостях формующего звена позволит оценить формовочные свойства массы. Иногда для улучшения результатов формования вышеописанные системы управления комбинируются, причем в этом случае может использоваться либо отдельное управляющее устройство для каждой системы, либо одно для всех систем. В настоящее время в качестве устройства управления процессом пластического формования керамических камней часто используется устройство фирмы Innovatherm Novatronic, используемый для управления влажностью керамической массы на этапах подготовки, перемешивания и формования. Это устройство [73], по сути, объединяет регуляторы для различных единиц поточной линии (глинорастиратель, смеситель, шнековый пресс и т.д.). 34 К недостаткам вышеописанных систем, в первую очередь, замкнутым по влажности, отнесем наличие в объекте управления большого запаздывания (которое может достигать 20 минут [36]), что значительно ухудшает динамические свойства системы. В случае установки датчика на входе, например, глиносмесителя эта проблема устраняется, однако возникает опасность появления статической ошибки на выходе. Выходом из этой ситуации является применение двух датчиков влажности и на входе, и на выходе установки, хотя это в некоторой степени ведет к усложнению структуры системы управления и ее удорожанию. Использование косвенных параметров для контроля влажности керамической массы (давления в формующем звене, тока или мощности приводного двигателя) не могут обеспечить достаточной точности работы системы, так как эти параметры, в общем случае, зависят не только от влажности, но и от других механо-физико-химических свойств керамической массы, которые, несмотря на осуществляемые мероприятия по их усреднению, изменяются во времени. Кроме того, все вышеописанные системы в значительной степени ориентированы на выпуск кирпича со стабильными геометрическими характеристиками и удовлетворительным внешним видом, причем не уделяется должного внимания вопросу формирования прочностных характеристик продукции на этапе формования. Частично эта задача может решаться с помощью вакуумирования и систем управления этим процессом, однако в настоящее время на существующих заводах эта возможность зачастую игнорируется. В любом случае перечисленные системы не имеют возможности в полной мере получать и анализировать информацию о механо-физикохимических свойствах керамической массы и условиях формования, обобщать эту информацию, а значит и адекватно управлять процессом. Таким образом, известные системы не позволяют достичь поставленной технологической задачи – выпуск кирпича со стабильным значением прочности, так как в них отсутствует управления по основному 35 технологическому параметру, определяющему прочность, – скорости сдвиговых деформаций керамической массы в формующем звене шнекового пресса. 1.4 Задачи управления электротехническим комплексом формования керамической массы в шнековом вакуумном прессе Выполненный анализ известных методов и средств, направленных на повышение эффективности производства кирпича путем совершенствования процесса пластического формования керамической массы в шнековом прессе, показывает, что наиболее перспективным является направление, в котором управление электротехническим комплексом формования керамической массы в шнековом вакуумном прессе подчинено достижению конечной цели производства кирпича – обеспечение режима формования керамической массы, 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 на 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; 36 - разработка методики постановки и проведение 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. 1.5 Выводы по первой главе 1. Установлено, что технологический процесс пластического формования керамических камней в шнековом вакуум-прессе в значительной мере определяет качество выпускаемых керамических камней, а именно прочность, геометрическую форму, образование в теле кирпича структурных трещин. 2. 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 в формующем звене пресса и влажность w керамической массы, величина разрежения Pв в вакуум-камере пресса. 3. Анализ известных способов и устройств управления электротехническим комплексом формования керамической массы показал, что их использование не позволяет решить актуальную задачу производства керамического кирпича с постоянной величиной прочности и отсутствия брака в виде структурных трещин. 4. Сформулированы задачи исследования. Они включают в себя определение к формования керамической обеспечивающей системе управления массы производство в электротехническим шнековом керамического комплексом вакуумном кирпича со прессе, стабильным значением прочности в условиях минимума энергопотребления и максимально возможной производительности; разработку 37 математических моделей электротехнического комплекса как объекта управления; структурный синтез цифровой системы управления процессом электротехническим комплексом и параметрическую оптимизацию регуляторов, направленный на решение задачи снижения энергозатрат при производстве кирпича заданной прочности; создание вычислительных моделей объекта и системы автоматического управления электротехническим комплексом; проведение экспериментальных исследований ЭКФКМ на действующем оборудовании технологического участка пластического формования и на вычислительных моделях; разработку методики инженерного проектирования системы автоматического управления процессом пластического формования керамических камней и создание варианта технической реализации системы. 38 2 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА ФОРМОВАНИЯ КЕРАМИЧЕСКОЙ МАССЫ КАК ОБЪЕКТА УПРАВЛЕНИЯ 2.1 Определение объекта управления, основные возмущения Производство керамических камней включает в себя несколько основных последовательно выполняемых технологических этапов (рис. 1.1.1): подготовка керамической массы, ее увлажнение и перемешивание, вакуумирование, формование, сушка, обжиг. Каждый из них оказывает влияние на совокупность выходных показателей качества кирпича, в том числе – на прочность. Известно [27,30,59,74-77], что основное влияние на физико-механические характеристики кирпича оказывает процесс формования. Установлено [27,30], что прочность на сжатие R керамических камней зависит от скорости сдвига в формующем звене, влажности w (регулируемая системой увлажнения с помощью изменения расхода Qв воды, поступающей в смеситель [75]) керамической массы, а также величины разрежения Pв (определяемой частотой ω03 напряжения, питающего приводной двигатель вакуумного насоса) в вакуумной камере. Также известно [58], что скорость сдвиговых деформаций существенно зависит от скорости вращения ωш шнека и индекса течения ψ керамической массы. Как будет показано в главе 3 технически целесообразно реализовать систему автоматического управления процессом формования в виде системы с обратной связью по линейной скорости υxф движения сформованного сырца на выходе формующего звена. Для вычисления момента статической нагрузки приводного двигателя шнека, как будет показано далее, необходимо выделить промежуточную координату – среднее давление P |x 0 керамической массы за выпорной лопастью шнека [78]. При моделировании объекта управления введем ряд упрощений и допущений [58,59,79]. 39 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 рассматриваемого шнекового пресса применяется автоматическая система поддержания требуемой влажности, то полагаем, что отклонение влажности 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 керамических камней в прессе представляет собой изотермический процесс. 4. Учитывая незначительное влияние влажности глины w на ее индекс течения ψ, пренебрегаем зависимостью ψ от w. В рамках решаемой задачи автоматизации формования керамической массы в шнековом прессе при производстве кирпича с заданной величиной прочности будем рассматривать две формы объекта управления [59], а именно объект ОУ1 (рис. 2.1.1), являющийся составной частью системы управления шнековым прессом, и обобщенный объект управления ОУ2. Объект управления ОУ1 представляет формования собой глиняной совокупность массы в гидродинамических вакуумном шнековом процессов прессе и электромагнитных и электромеханических процессов в асинхронном приводе шнека. В ОУ1 в качестве выходных координат принимаем модуль скорости сдвига , скорость вращения ωш шнека, линейную скорость υxф сформованного сырца среднее давление P |x 0 керамической массы за выпорной лопастью шнека, а в объекте ОУ2 – прочность R. В рассматриваемой постановке исследования объекта автоматизации допускаем, что основные управляющие воздействия U 21, U 22 вектора U 2 (рис. 2.1.1) управления процессами сушки и обжига не изменяются во времени, поэтому для ОУ1 и ОУ2 частота ω01 напряжения, питающего асинхронный двигатель привода шнека, является единым управляющим воздействием. Величины разрежения Pв и влажность w 40 будем рассматривать как управляющие воздействия, а из отклонения от заданных величин являются возмущениями. Основное возмущающее воздействие – индекс течения ψ керамической массы. Модель первого объекта описывается оператором А1. Под объектом управления ОУ2 понимаем совокупность объекта ОУ1 и технологических процессов сушки и обжига. Математическая модель ОУ2 включает в себя операторы А 1 и А2. Очевидно, что оператор А1 описывает быстропротекающие, а А2 – медленные процессы производства керамического кирпича. P |x 0 U U 2 21 U22 Рисунок 2.1.1 – Структура обобщенного объекта управления Рассмотрим динамику процесса пластического формования керамической массы в шнековом вакуумном прессе на примере производства кирпича 250x120x65 ГОСТ 530-2012 в предположении, что шнек оборудован системой автоматической стабилизации влажности керамической массы. 2.2. Расчетная схема и математическое описание динамики течения керамической массы в формующем звене шнекового пресса 2.2.1 Уравнения движения керамической массы в формующем звене шнекового пресса 41 Рассмотрим штатный режим работы шнекового пресса, при котором под воздействием силы, создаваемой вращением шнека, керамическая масса движется в формующем звене (рис. 2.2.1). Для описания динамики этого процесса используем подходы, предложенные в работах [80,81]. С этой целью выделим элементарный объем керамической массы (рис. 2.2.1), находящейся в произвольной точке формующего звена в виде параллелепипеда с длиной ребер dx, dy и dz. Этот параллелепипед объема (2.2.1) V dx dy dz движется в координатной системе Oxyz со скоростью ( x, y,z,t ) под действием силы F * F * ( x, y,z,t ) , создаваемой выпорной лопастью шнека. При этом на гранях параллелепипеда, расположенных ближе к началу координат системы Oxyz, действуют нормальные силы, которые определяются Px x dy dz, Py y dz dx, Pz z dx dy (2.2.2) Txy xy dx dz, Txz xz dx dy, T yx yx dy dz, Tyz yz dx dy Tzx zx dy dz, Tzy zy dx dz. (2.2.3) выражениями [80,81]: и касательные: нормальные и касательные силы на дальних гранях определяются, соответственно, выражениями: Px Px x dx, Py Py y dy, Pz Pz z dz, Tyx Tyx x dx, Tzx Tzx Tzy Tzy y dy, Txz Txz x dx, Txy Txy y dy, z dz, Tyz T yz z dz, (2.2.4) где σx, σy, σz – компоненты нормальных напряжений, xy yx , yz zy , zx xz – касательные напряжения. Таким образом, рассматриваемый элементарный объем керамической массы в произвольной точке внутреннего пространства формующего звена находится в сложно деформированном состоянии, которое определяется девятью компонентами: тремя линейными деформациями x , y , z и шестью 42 сдвиговыми xy yx , yz zy , zx xz . Линейные деформации (рис.2.2.2, а) характеризуют относительное параллелепипеда. изменение Относительные длины сдвиговые ребер деформации элементарного (рис.2.2.2, б) определяются изменением углов между гранями параллелепипеда. P Pz z dz z Txz Txz dz z Tyz Py Tyx z dz Tzx dx x P Px x dx x Tyx Tyx dx x T Txy xy dy y Tzy Tzy dy P y Py y dy y Tzx Txy Px Tyz Tzy Tzx Tyz Txz Pz Рисунок 2.2.1 – Силы, действующие на элементарный объем керамической массы в формующем звене Скорости линейных деформаций можно записать в виде [80]: x x ; y y ; z z , x y z (2.2.5) где υx, υy, υz – проекции вектора скорости υ на оси x, y, z, соответственно. Введем понятие скорости сдвига ji на примере динамики плоского течения керамической массы вдоль оси i, обусловленной скоростью i f ( j,t ) слоев элементарного параллелепипеда (рис.2.2.2, б). Производная скорости i по координате j представляет скорость сдвига ji i , j где i x, y,z; j x, y,z; i j . 43 z z·dz j ij dz dj x i y·dy dy ij x·dx dx y i di а б Рисунок 2.2.2 – Компоненты деформаций Компоненты скорости сдвиговых деформаций керамической массы по различным плоскостям определяются через соответствующие производные линейных скоростей по линейным координатным перемещениям [80]: x y ; y x yz y z ; z y zx x z , z x xy (2.2.6) а модуль скорости сдвига 2 ( x y )2 ( y z )2 ( z x )2 3 xy2 yz2 zx2 . (2.2.7) С учетом принятого допущения о несжимаемости керамической массы можем записать: xy2 yz2 zx2 . (2.2.8) На рассматриваемый элементарный объем (рис. 2.2.1), кроме нормальных и касательных сил, действуют еще и силы инерции, проекции которых включают в себя произведение массы Δm на ускорение: 44 Fин.x m d y d x d ; Fин. y m ; Fин.z m z , dt dt dt (2.2.9) здесь Δm – масса элементарного объема, m V , (2.2.10) где ρ – плотность керамической массы. Проецируя соответствующие все действующие плоскости, получим на параллелепипед систему уравнений силы на динамики керамической массы: Px T yx Tzx Fин .x Fx* ; Py Txy Tzy Fин.y Fy* ; Pz Txz T yz Fин.z Fz* , (2.2.11) где приращения Δ нормальных и касательных сил определяются разностью соответствующих сил, действующих на ближних (2.2.2), (2.2.3) и дальних (2.2.4) гранях параллелепипеда, поэтому систему (2.2.11) можно записать в виде T Px T dx yx dx zx dx Fин.x Fx* ; x x x Py Txy Tzy dy dy dy Fин.y Fy* ; y y y T T Pz dz xz dz yz dz Fин.z Fz* , z z z (2.2.12) Подставим сюда (2.2.2) и (2.2.3), получим: dy dz x dy dz dy dz dx yx dx zx dx Fин.x Fx* ; x x x y dz dx dx dz dx dz dy xy dy zy dy Fин.y Fy* ; (2.2.13) y y y yz dx dy z dx dy dx dy dz xz dz dz Fин.z Fz* , z z z или 45 x d V yx V zx V m x Fx* ; x x x dt y xy zy dy V V V m Fy* ; y y y dt z d V xz V yz V m z Fz* . z z z dt (2.2.14) Разделим на левую и правую части на Δm, получим слева и справа массовые силы: d x 1 x yx zx Fx ; dt x x x d y 1 y xy zy Fy ; dt y y y d z 1 z xz yz F , z dt z z z (2.2.15) Fy* Fx* F* где Fx ; Fy ; Fz z . m m m Нормальные напряжения в соответствии с [81]: 2 x P div 2 x ; 3 x 2 y P div 2 y ; 3 y 2 z P div 2 z , 3 z (2.2.16) где Р – давление керамической массы в произвольной точке формующего звена; μ – вязкость керамической массы; div – дивергенция вектора скорости, div x y z . (2.2.17) Принимая во внимание, что в рамках принятых допущений линейные деформации равны нулю, x y z 0 , то, следовательно, и div 0 , поэтому система уравнений (2.2.7) обращается в равенство: x y z P. 46 (2.2.18) Подставляя (2.2.18) в (2.2.15), получим d x 1 yx zx P F x dt x x x d y 1 xy zy P F y dt y y y d z 1 xz yz P Fz . dt z z z Известно [81], что проекции ускорений, (2.2.19) входящих в (2.2.19), определяются выражениями: d x x ( x x ) ( y x ) ( z x ) ; dt t x y z d y y ( x y ) ( y y ) ( z y ) ; dt t x y z d z z ( x z ) ( y z ) ( z z ) . dt t x y z (2.2.20) С учетом (2.2.20) система (2.2.19) преобразуется к виду [81] x ( x x ) ( y x ) ( z x ) 1 yx zx P Fx ; t x y z y z x y ( x y ) ( y y ) ( z y ) 1 xy zy P F ; (2.2.21) y t x y z x z y z ( x z ) ( y z ) ( z z ) 1 xz yz P Fz . t x y z x y z Полученные система уравнений называется системой дифференциальных уравнений Навье-Стокса в частных производных. Таким образом, с учетом принятых допущений, для описания движения керамической массы в формующем звене шнекового пресса можем использовать полученную систему уравнений (2.2.21) (что также подтверждается экспериментальными исследованиями шнековых прессов [82]), которая описывает динамику вязкой несжимаемой жидкости в изотермических условиях. Для замыкания системы уравнений (2.2.21), ее дополняют керамической массы [83] 47 уравнением неразрывности потока x y z 0. x y z (2.2.22) Керамическая масса является неньютоновской средой [82], для которой тензор вязких сдвиговых напряжений определяется системой уравнений [83] xy ( ) x y ( ) xy ; y x yz ( ) z y ( ) yz ; y z x z zx ( ) ( ) zx , z x (2.2.23) здесь ( ) – эффективная вязкость керамической массы как функция скорости сдвиговых деформаций, которая может быть представлена в виде степенного закона [82] ( ) 1 ( ) 1 , (2.2.24) μ1 – коэффициент консистенции керамической массы, в соответствии с [38] 1 Ф( w ) ; ψ – индекс течения керамической массы, который характеризует отклонение поведения керамической массы при ее течении от поведения ньютоновской жидкости. Уравнения (2.2.8), (2.2.21) – (2.2.24) являются математической моделью течения керамической массы в формующем звене шнекового пресса описывают состояние технологического объекта с распределенными параметрами. 2.2.2 Граничные и начальные условия Для решения полученной математической модели течения керамической массы в формующем звене шнекового пресса, ее необходимо дополнить начальными и граничными условиями. Схема граничных условий приведена на рисунке 2.2.3. Под начальными условиями понимается режим работы пресса, когда формующее звено заполнено керамической массой, а скорость вращения шнека ωш = 0. В этом случае: 48 P t 0 101325 Па, x t 0 y y t 0 (2.2.25) z t 0 0 . (2.2.26) r z ( r ) x 0 r 0 ст P lфз x lфз x Рисунок 2.2.3 – Формующее звено. Схема граничных условий Рассматривая движение керамической массы вдоль оси 0′0 шнека можно утверждать [31,32,34], что от точки 0′ до точки А (рис. 2.2.4, а) выполняет только транспортирующую функцию. Начиная с точки А наблюдается повышение давления Р керамической массы (рис. 2.2.4, б) от атмосферного Ра до максимального значения Рmax, которое создается выпорной лопастью. После чего давление теряется на сопротивления формующего звена, постепенно падая до Ра, поэтому P x l Pa 101325 Па . (2.2.27) фз Как утверждается в [31,32,34] кривую изменения давления керамической массы вдоль оси шнекового пресса (рис. 2.2.4) можно представить прямыми, наклон которых зависит от реологических свойств массы и геометрических параметров соответствующего участка. 49 шнек корпус а 0' выпорная формующее лопасть звено 0 А P Pmax PВ б PС Pa Pa 0 0' ц к кл х фз Рисунок 2.2.4 – Изменение давления керамической массы вдоль оси пресса Считаем, что частицы керамической массы прилипают к поверхностям твердых тел, т.е. на неподвижных стенках формующего звена скорости частиц формуемой массы равны нулю ст 0 . (2.2.28) Исследования движения керамических масс в формующих каналах шнекового пресса [56] показали, что на входе в формующее звено различные слои керамической массы движутся с различной скоростью. Керамическая масса под действием шнекового вала совершает сложное движение, обуславливаемое вращательным – вокруг оси вала (ось x) и 50 поступательным движением вдоль оси x, поэтому функция распределения по радиусу скоростей керамической массы на входе в формующее звено ( r ) x ( r ) y ( r ) z ( r ) , x 0 x 0 x 0 x 0 (2.2.29) где x ( r ) x 0 – поступательная скорость керамической массы на входе в формующее звено; y ( r ) x 0 , z ( r ) x 0 – компоненты скорости ( r ) x 0 , обусловленные вращательным движением. Считаем, что формуемая масса удерживается от вращения силами ее трения о внутреннюю поверхность корпуса пресса, который оснащен ребрами, препятствующими провороту массы, то поступательное движение. Таким образом, y ( r ) z ( r ) x 0 x 0 есть имеет место 0. только (2.2.30) Тогда можем записать ( r ) x 0 x ( r ) x 0 . (2.2.31) В соответствии с конструкцией пресса можно считать, что переход керамической массы из шнековой камеры в формующее звено происходит по кольцевому каналу (рис. 2.2.5) с внутренним радиусом, соответствующим диаметру ступицы Rc x 0 , и внешним, соответствующим внутреннему диаметру корпуса пресса R2. Обозначим через r текущее значение радиуса этого кольца, x c R x ( r ) x 0 x 0 причем r 0,...,R2 . x 0 Рисунок 2.2.5 – Расчетная схема для нахождения функции распределения скорости на входе формующего звена 51 Для нахождения функции распределения по радиусу скоростей керамической массы на входе в формующее звено x ( r ) x 0 представим канал, образованный ступицей шнекового вала и корпусом пресса, в виде кольцевого (рис. 2.2.5). Будем считать, что на бесконечно малом расстоянии dx от шнека на входе в формующее звено функция x ( r ) x 0 будет повторять профиль скоростей в концевой части условно кольцевого канала, образованного ступицей шнекового вала и корпусом пресса. Очевидно, что на участке 0 r Rс x ( r ) x 0 0 , а на Rс r R2 x ( r ) x 0 является функцией, используемой для построения профилей скоростей неньютоновских жидкостей в кольцевых каналах [84]. Таким образом, функцию распределения по радиусу скоростей керамической массы на входе в формующее звено можем записать в виде x ( r, ) x 0 0, 0 r Rс ; q q (2.2.32) R P 1 2 R d , R r R , с 2 2 2 x x 0 dx где R2 – радиус кольцевого канала (радиус корпуса пресса в месте соединения с формующим звеном или радиус цилиндрической части формующего звена); λ – коэффициент, зависящий от отношения R2 Rc x 0 и от индекса ψ; Rc x 0 – радиус ступицы шнекового вала перед формующим звеном; ε – относительный радиус условно кольцевого канала, r R2 ; q( ) 1 . Средняя скорость керамической массы в кольцевом канале на входе формующего звена R x ( ) x 0 Тогда коэффициент распределения по 1 2 x ( r, ) x 0 dr . R2 Rc перехода радиусу от скоростей формующего звена 52 средней (2.2.33) скорости керамической массы к функции на входе 1 K ( r, ) x ( r, ) x 0 x ( ) x 0 q 2 R2 d R q 2 1 2 d dr Rc (2.2.34) 0, 0 r Rс ; r q1 R 1 q 2q q 2 R2q1 r1q 1 q 1 2 R , Rс r R2 . q 2 q1 2q 2q 2q 1 R2 q2 1 2q q 1 q 1 Rc Rc q 1 R2 Rc q 1 q 2 q 2 R2q1 q 2 q2 Среднюю скорость керамической массы на входе формующего звена также можем определить через расход керамической массы, который является функцией угловой скорости шнекового вала ωш и индекса течения ψ, Q Ф( ш , ) , x ( ш , ) x 0 Q( ш , ) , R22 (2.2.35) где Q(ωш,ψ) – расход керамической массы через формующее звено. Функция распределения по радиусу скоростей керамической массы на входе в формующее звено x ( r,ш , ) x 0 K ( r, ) x ( ш , ) x 0 . (2.2.36) Уравнение расходной характеристики пресса [85] Р( ,Q, 1 )q , Q( ш , , Р, 1 ) k11 ш k12 ( ) 1q где 2 2 t D d Lh D d k11 R; 2 4 2 Rср t k12 ( ) 1 2 Rср q 1 1 R q 2 Kб h L h2 q . s cos l 1 53 (2.2.37) Здесь D – диаметр лопастей шнека; d – диаметр ступицы шнекового вала; t – шаг винта; ωш – угловая скорость вращения шнека; Rср Dd ; L – глубина 4 винтового канала; 2·h – ширина винтового канала; Kб – коэффициент бокового давления; s – длина винтового канала в цилиндрической части корпуса пресса; β – угол входа потока керамической массы в формующее звено; δ – зазор между вершиной винта и корпусом пресса; l – длина шнекового вала в корпусе пресса; R D . 2 В рассматриваемом случае, т.е. при производстве полнотелых кирпичей 250х120х65 ГОСТ 530-2012, формующее звено можно представить как совокупность цилиндрического, условно конического и клиновидного каналов, а общее падение давления в формующем звене ΔР будет представлять собой сумму потерь давления на этих участках [82] Р( ,Q,1 ) pц ( ,Q, 1 ) рк ( ,Q, 1 ) ркл ( ,Q, 1 ) , (2.2.38) где Δрц, Δрк, Δркл – потери давления в цилиндрическом, условно коническом и клиновидном каналах формующего звена, соответственно. Cуммарное падение давления при прохождении керамической массы через все каналы формующего звена можно записать в виде [85] Р( ,Q, 1 ) k13 ( ) 1 q Q( , Р, 1 ) где k13 ( ) 1 q kц ( ) 1 q k к ( ) Rц3 kц ( ) 3 2 lц 3q kк ( ) 1 q kкл ( ) q ; d1к d2 к d1к d 2к 3 3q 256 d1к2 d1к d 2 к d1к2 54 ; q q 6 ; lк (2.2.39) q h12 h22 h1 h2 2 3 kкл ( ) b . 6 lкл 11.16 1 Здесь Rц – радиус цилиндрического канала; lц – длина цилиндрического канала, lк – длина конического канала; d1к – начальный диаметр конического канала; d2к – конечный диаметр конического канала, d 2к 4 h1 B ; h 1 – высота входного сечения клиновидного канала; h2 – высота выходного сечения клиновидного канала; b – средняя ширина клиновидного канала, b Bb ; В – ширина 2 входного сечения клиновидного канала; b – ширина выходного сечения клиновидного канала; lкл – длина клиновидного канала. Таким образом, (2.2.37) с учетом (2.2.39) после преобразований запишется в виде Q( ш , ) k11 ш k14 ( ) ш , k12 ( ) k13 ( )q 1 (2.2.40) где k14 ( ) k11 . k12 ( ) k13 ( )q 1 В [53] приводятся графические зависимости вязкости от градиента скорости при различной влажности для кембрийской глины. На основании этих данных построим кривые зависимости коэффициента μ1 и индекса ψ от влажности w (рис. 2.2.6). Как видно из рисунка 2.2.6 с увеличением влажности керамической массы ее коэффициент вязкости уменьшается [86], а индекс течения увеличивается, причем величина ψ изменяется незначительно в рассматриваемых пределах вариации влажности (w = 22.5÷24.5 %), поэтому принимаем Ф( w ) и тем самым подтверждаем допущение 4. Известно [82], что диапазон изменения реологических свойств керамических масс ориентировочно составляет по индексу течения ψ = 0.1÷0.3, по коэффициенту μ1 = 0.05÷0.15 МПа·с. 55 150000 0.25 140000 130000 120000 0.2 110000 100000 90000 0.15 80000 70000 60000 0.1 50000 40000 30000 0.05 20000 10000 0 0 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 Рисунок 2.2.6 – Зависимость реологических констант керамической массы μ1 и ψ от влажности Анализ зависимости (2.2.40) позволяет сделать допущение, что расход керамической массы не зависит от индекса течения, так как в рассматриваемом диапазоне (ψ = 0.1÷0.3) изменение величины расхода составляет примерно 2 % (рис. 2.2.7), поэтому считаем, что k14 Ф( ) и Q( ш ) k14 ш . Q( (2.2.41) ш м3/с 0.009 0.008 0.007 0.006 0.005 0.004 0.003 0.002 0.001 0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 ш рад с Рисунок 2.2.7 – Зависимость расхода керамической массы от скорости вращения шнека и индекса течения 56 Таблица 2.2.1 – Параметры нагнетателя шнекового пресса и формующего звена Наименование параметра Параметры нагнетателя диаметр лопастей шнека D, м диаметр ступицы d, м шаг винта t, м величина зазора между вершиной винта и корпусом пресса δ, м длина шнекового вала в корпусе пресса l, м глубина винтового канала L, м ширина винтового канала 2·h, м коэффициент бокового давления Kб длина винтового канала в цилиндрической части пресса s, м угол β, ° Параметры формующего звена радиус цилиндрического канала Rц, м длина цилиндрического канала lц, м начальный диаметр конического канала d1к, м длина конического канала lк, м высота входного сечения клиновидного канала h1, м высота выходного сечения клиновидного канала h2, м ширина входного сечения клиновидного канала В, м ширина выходного сечения клиновидного канала b, м длина клиновидного канала lкл, м Значение 0.49 0.17 0.135 0.005 2.257 0.165 0.256 0.8 1 0 0.25 0.08 0.5 0.3 0.155 0.12 0.3 0.25 0.1 Применительно к шнековому прессу Händle PZG 60b/50, оборудованного формующим звеном для производства полнотелых кирпичей 250х120х65 ГОСТ 530-2012, параметры которых приведены в таблице 2.2.1, коэффициента k14 имеет значение равное 2.522·10 –3 м3/рад. Используя выражение (2.2.34) можем построить построить зависимости K F( r, ) (рис. 2.2.8). 1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 Рисунок 2.2.8 – Зависимость коэффициента Kυ от текущего радиуса r входного сечения формующего звена и индекса течения ψ 57 Таким образом, граничное условие на входе формующего звена (2.2.32) с учетом (2.2.36) запишется в виде x ( r,ш , ) x 0 K ( r, ) x ( ш ) x 0 . (2.2.42) 2.3 Вычислительная модель процесса течения керамической массы в формующем звене шнекового пресса. Оценка адекватности вычислительной модели Программная среда Solid Works ориентирована на решение задач, в которых динамика процессов описывается уравнениями аналитической физики. Течение керамической массы в формующем звене описывается уравнениями (2.2.8), (2.2.21) – (2.2.24) при начальных условиях (2.2.25), (2.2.26) и граничных условиях (2.2.27), (2.2.28), (2.2.42). Применительно к прессу Händle PZG 60b/50, оборудованного формующим звеном для производства полнотелых кирпичей 250x120x65 ГОСТ 530-2012 из кембрийской глины определены численные значения коэффициентов уравнений (табл. 2.3.1) и краевых условий (табл. 2.3.2). Таблица 2.3.1 – Коэффициенты математической модели Параметр ρ, кг/м3 μ 1, Па·с ψ Численное значение 1800 26898÷38560 0.15÷0.25 Таблица 2.3.2 – Начальные и граничные условия Параметр P|t=0, Па υx|t=0, м/с υy|t=0, м/с υz|t=0, м/с P x l , Па Численное значение 101325 0 0 0 x ( r,ш , ) x 0 , м/с вычисляется по зависимости (2.2.33) 101325 фз Эти значения вводятся в «окна» (рис. 2.3.1 и 2.3.2) программы Solid Works [65], в результате получаем вычислительный инструмент для исследования 58 технологического процесса формования керамической массы в шнековом прессе как объекта управления. Рисунок 2.3.1 – Окно программы Solid Works для ввода коэффициентом математической модели Рисунок 2.3.2 – Окно программы Solid Works для ввода начальных условий математической модели Цель этих исследований – найти операторы объекта управления по результатам оценки переходных характеристик выходных координат (скорость сдвига , давление Р керамической массы в формующем звене), получаем при 59 типовых изменениях управляющего воздействия (скорость шнека ωш) и возмущений μ1 и ψ. Для достижения поставленной цели разработана и описана в гл. 4 (п. 4.) методика проведения созданной вычислительной модели экспериментов по исследованию динамики объекта управления с распределенными параметрами. В результате расчетов получены трехмерные поверхности в пространстве 0xyz распределения скоростей сдвига (рис. 2.3.3) и движения (рис. 2.3.4) керамической массы в формующем звене шнекового пресса. Анализ поля ( x, y,z ) (рис. 2.3.3, а) говорит о том, что наибольшей величины значение достигает в сечении x = lфз (рис. 2.2.4, рис. 2.3.3, а). Анализ распределения величины в сечении x = lфз в плоскости 0yz (рис. 2.3.3, б), что максимальные значения скоростей сдвига наблюдаются на выходном сечении у стенок формующего звена (точка D на рис. 2.10). Вследствие этого дальнейшее рассмотрение величин скоростей сдвига будем вести в точке D. Рисунок 2.3.3 – Поле скоростей сдвига в формующем звене шнекового пресса Оценку адекватности созданной математической модели осуществим путем сравнения известных [87] кривых распределения скоростей движения керамической массы на выходе формующего звена (кривая 1 на рис. 2.12) с 60 аналогичной кривой 2, полученной в результате вычислительного эксперимента. Кривая 2 представляет собой изменение относительной скорости вдоль оси x x x .max по линии А-А (здесь по оси абсцисс откладывается относительная величина координаты z, где за базис принята ширина b клиновидного канала формующего звена на выходном торце). Поверхности распределения относительной скорости x x .max в установившемся режиме рассматривались при постоянно действующих значениях ωш = 2.1 рад/с, ψ = 0.1, w = 22 %, соответствующих условиям проведения натурного эксперимента. Сравнение кривых 1 и 2 показывает, что их максимальное отклонение не превышает 3.2 %, поэтому можем считать, что созданная математическая модель адекватно описывает процессы в формующем звене шнекового пресса. Рисунок 2.3.4 – Поле скоростей υx в формующем звене шнекового пресса 61 1.1 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Рисунок 2.3.5 – Зависимость относительной скорости x x .max в выходном сечении формующего звена шнекового пресса от относительной координаты z b (1 – экспериментальная, 2 – расчетная кривые) По результатам вычислительных экспериментов построено семейство статических характеристик Ф( ш ) (рис. 2.3.6). Так как xф ~ ш (как будет показано далее), то на этой же плоскости можем ввести ось xф и получить зависимость Ф( xф ) . Из анализа следует, что имеет место линейная зависимость скорости сдвиговых деформаций от скорости вращения шнека, причем с увеличением индекса течения ψ наклон этих характеристик уменьшается. Распределение давлений в формующем звене представлено на рисунке 2.3.7. 62 , c 1 45 40 45 35 40 30 35 25 30 20 25 15 20 10 15 0.9 10 0.07 1.1 1.3 0.09 1.5 0.11 1.7 0.13 1.9 0.15 2.1 0.17 2.3 0.19 2.5 0.21 Рисунок 2.3.6 – Зависимость скоростей сдвига от скорости υxф при различных индексах течения керамической массы ψ: 1 – ψ = 0.15; 2 – ψ = 0.2; 3 – ψ = 0.25. Рисунок 2.3.7 – Поле давлений Р в формующем звене шнекового пресса 2.4 Синтез структуры процесса течения керамической массы в формующем звене шнекового пресса как объекта управления Исследуем динамику процесса течения керамической массы в формующем звене шнекового пресса как объекта управления на разработанной 63 модели с распределенными параметрами в зоне малых отклонений , P |x 0 от некоторого установившегося технологического режима работы пресса под действием скачкообразного изменения управляющего воздействий Δωш и скачкообразного изменения возмущений Δμ1 (определяемого Δw) и Δψ. Считаем, что величины эти отклонений находятся в области управляемости объекта. Синтезирована обобщенная структура математической модели процесса течения керамической массы в формующем звене (рис. 2.4.1), где операторы A131, A132 являются математическими моделями объекта по возмущению от входной координаты Δψ, и на их выходе получают изменение среднего в1 давления за выпорной лопастью P |x 0 и скорости сдвига в в точке D. Оператор A133 является математической моделью объекта по возмущению от входной координаты Δμ1, и на их выходе получаем изменение давления в2 P |x 0 . Блоки A134 и A135 – математические модели объекта по отношению к у управлению, на их выходах получают изменение давления P |x 0 и скорости сдвиговых деформаций у в тех же сечениях от действия управления – угловой скорости шнека Δωш. Методика постановки вычислительных экспериментов по исследованию динамики объекта управления описана в главе 4. Методика основана на аппроксимации переходных характеристик по отношению к управляющему (ωш) и возмущающим (μ1 и ψ) воздействиям. Установлено, что каждый из операторов A131–A135 можно с достаточной степенью точности (погрешность различия переходных процессов не превышает 57 %) представить последовательным соединением типовых динамических звеньев [59,88,89]. Определено, что параметры звеньев – некоторые коэффициенты передачи k, постоянные времени T, декременты затухания ξ и запаздывание τ меняются в функции начальных условий и величины входного для этих звеньев воздействия (табл. 2.4.1), рис. 2.4.2. 64 в1 P |x 0 в в2 P |x 0 P |x 0 у P |x 0 у Рисунок 2.4.1 – Структурная схема математической модели процесса течения керамической массы в формующем звене шнекового пресса как объекта управления Связь между операторами А131–А135 (рис. 2.4.1) и полученными передаточными функциями отражена в таблице 2.4.1. Таблица 2.4.1 – Передаточные функции динамических моделей объекта управления Оператор Передаточная функция в1 k1 T1.1 p 1 P |x 0 ( p ) ( p ) T1.2 p 1 T1.3 p 1 (2.4.1) в ( p ) k2 2 ( p ) T2.1 p 2 2 2.1 T2.1 p 1 T2.2 p 1 (2.4.2) W1 ( p ) А131 А132 W2 ( p ) А133 k3 T3.1 p 1 T3.2 p 1 P |x 0 ( p ) W3 ( p ) 1 ( p ) T3.3 p 1 T3.4 p 1 T3.5 p 1 в2 (2.4.3) у W4 ( p ) А134 А135 P |x 0 ( p ) ш ( p ) k4 e 4 p T4.1 p 1 T4.2 p 1 T 2 4.3 (2.4.4) p 2 2 4.3 T4.3 p 1 T4.4 p 1 T4.5 p 1 W5 ( p ) у ( p ) k5 ( T5.1 p 1 ) 2 ш ( p ) T5.2 p 2 2 5.2 T5.2 p 1 65 (2.4.5) Таблица 2.4.2 – Параметры объекта управления по отношению к входным T1.1 0.012 c –4 Значение k2 рис. 2.3.8, б k3 рис. 2.3.8, в k4 T2.1 2.47·10–3 с T3.1 5.91·10–3 с T4.1 Значение T1.2 8·10 с ξ2.1 0.55 T3.2 0.128 c T4.2 T1.3 0.023 c T2.2 5.2·10–3 с T3.3 4.73·10–5 с T4.3 T3.4 T3.5 0.149 c 0.014 с ξ4.3 T4.4 T4.5 τ4 300000 -90 250000 -95 рис. 2.3.8, г рис. 2.3.8, д рис. 2.3.8, е рис. 2.3.8, ж рис. 2.3.8, з рис. 2.3.8, е рис. 2.3.8, д 0.0008 с Параметр рис. 2.3.8, а Значение Параметр k1 Параметр Значение Параметр Параметр воздействиям Значение k5 16.13 T5.1 – 0.001 с T5.2 1.18·10–3 с ξ5.2 0.396 -100 200000 -105 150000 -110 100000 -115 50000 -120 -125 -0.06 0 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 -0.04 -0.02 а) 0 0.02 0.04 0.06 б) k4 10.8 10.6 10.4 10.2 10 9.8 9.6 9.4 9.2 9 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 ш, % -1 ш ,с в) г) Рисунок 2.4.2 – Параметры математической модели процесса течения керамической массы в формующем звене шнекового пресса как объекта управления 66 Т, с 0.035 0.0014 0.0012 0.031 Т4.4 0.001 0.027 0.0008 0.0006 0.023 0.0004 Т4.2 0.019 0.0002 0 0.015 -10 -5 0 5 10 -10 -5 0 д) 5 10 5 10 ш, % е) 0.00083 0.62 0.00082 0.6 0.00081 0.58 0.0008 0.56 0.00079 0.54 0.52 0.00078 -10 -5 0 5 -10 10 -5 0 ж) з) Рисунок 2.4.2 (продолжение) 2.5 Обобщенная математическая модель электротехнического комплекса формования керамической массы в шнековом вакуумном прессе как объекта управления Для получения обобщенной математической модели процесса пластического формования керамических камней в шнековом вакуумном прессе как объекта управления, математическую модель процесса течения керамической массы в формующем звене необходимо дополнить моделью приводного асинхронного двигателя, уравнениями, формирующими его момент статической нагрузки, а также зависимостями связывающими влажность и вязкость керамической массы, зависимостями, учитывающими влияние скорости сдвига в формующем звене и степени вакуумирования керамической массы на величину прочности керамического камня. 67 Эмпирическую зависимость коэффициента консистенции μ1 керамической массы от влажности w 1 Ф( w ) (рис. 2.2.6), можем описать уравнением 1( w ) k3.1 e k3.2 w . (2.5.1) Так как, на перемещение керамической массы по шнековой камере и формующему звену необходимо время, то для влажности, индекса течения и степени вакуумирования массы введем звенья запаздывания e ш ( ш ) p – если параметр рассматривается на входе формующего звена, e ( ш ( ш ) фз ( ш )) p – если на выходе, причем τш – время запаздывания керамической массы в шнековой камере, Vш ; Q( ш ) ш ( ш ) (2.5.2) Vш – объем шнековой камеры, занятый керамической массой; τфз – время запаздывания керамической массы в формующем звене, фз Vфз Q( ш ) ; (2.5.3) Vфз – объем формующего звена. Установлено [90], что расход мощности приводного двигателя шнекового пресса можно определить с помощью зависимости N дв N 1 N 2 , (2.5.4) где N1 – потребляемая мощность, обусловленная преодолением трения керамической массы о внутреннюю поверхность шнековой камеры, D l 1 t ш N1 2 1 2 t ш ; 2 (2.5.5) N2 – потребляемая мощность, обусловленная преодолением трения поверхности выпорной лопасти о керамическую массу, N2 2 ш P |x 0 f [ ( D 2 )3 ( Rc 3 1 2 68 x 0 )3 ] ; (2.5.6) η1 – общий КПД передач от двигателя на шнековый вал; η2 – коэффициент, учитывающий расход энергии на привод питающего валка; f – коэффициент трения керамической массы о выпорную лопасть. Общеизвестно, что момент статической нагрузки Mс N дв . ш (2.5.7) Тогда M с ( w, ,ш ) M с1( w, ,ш ) M с 2 ( w, ,ш ) , (2.5.8) где Мс1 – момент нагрузки, обусловленный преодолением трения керамической массы о внутреннюю поверхность шнековой камеры M с1 ( w, ,ш ) k6.1 l 1( w ) k6.2 ш ; k6.1 D t ; 2 1 2 k6.2 t ; 2 Мс2 – момент нагрузки, обусловленный преодолением трения поверхности выпорной лопасти о керамическую массу M с2 ( w, ,ш ) k7 P |x 0 ( w, ,ш ) f ; k7 2 [ ( D 2 )3 ( Rc 3 1 2 x 0 )3 ] . С учетом передаточных чисел механических передач [78] М с ( w, ,ш ) 1 ( М с1( w, ,ш ) М с 2 ( w, ,ш )) , i р i рп (2.5.9) где iр и iрп – передаточные числа редуктора и ременной передачи, соответственно. Так как, керамическая масса распределена по длине шнека l (рис. 2.5.1), то при изменении свойств керамической массы изменение момента статической нагрузки будет происходить по мере заполнения шнекового канала массой с 69 новыми свойствами вдоль координаты x, величину которой можно представить как x( p ) x ( p ) где x ( p ) 1 , p (2.5.10а) Q( p ) l k14 ш ( p ) l . Vш Vш (2.5.10б) x ( р) Рисунок 2.5.1 – Схема к расчету нагрузочного момента Тогда уравнение момента Мс1 с учетом динамики процесса можем записать в виде М с1 ( w, ,ш , p ) k6.1 x ( p ) 1 ( w ) k6.2 ш 1 e ш ( ш ) p 1 (2.5.11) p Изменение момента Мс2 произойдет после прохождения керамической массой всего объема Vш, поэтому М с2 ( w, ,ш , p ) k7 P |x0 ( w, ,ш , p ) f . Используем известную [91] нелинейную математическую (2.5.12) модель асинхронного двигателя, выходной координатой которой является угловая скорость двигателя ωад, входными – частота питающего напряжения ω01 и момент статической нагрузки Мс. Упруго-диссипативные связи, обусловленные податливостью соединительных муфт, ременной передачи, редуктора, и др., оказывают незначительное влияние на параметры движения шнекового вала и керамической массы, поэтому ими можно пренебречь. Следовательно, для описания механической части привода можно использовать одномассовую 70 модель, в которой момент инерции механизма и керамической массы приведен к валу двигателя. Динамика асинхронного двигателя описывается следующими уравнениями [91]: L0 i2 T1 1 i ; L1 L0 1 Т 1 р i i2 T1 1 i ; L1 1 Т 2 р i2 Т 32 р i 1 Т 32 i 1 Т 2 i2 ; 1 Т 2 р i2 Т 32 р i 1 Т 32 i 1 Т 2 i2 ; (2.5.13) 3 М дв рп L0 i i2 i i2 ; 2 М дв J пр p ад M c ; рп ад ; 1 ш ад , i р i рп 1 Т 1 р i * 1 где ω – угловая скорость приведенной машины; i2α – активная составляющая тока роторной цепи; pп – число пар полюсов; i2β – реактивная составляющая тока роторной цепи; iμα – активная составляющая намагничивающего тока; iμβ – реактивная составляющая намагничивающего тока; Jпр – момент инерции, приведенный к валу двигателя; Мдв – момент двигателя; L 0, L1, L2 – полные эквивалентные индуктивности главного потока, статора и ротора, соответственно; Т1, Т2, Т32 – постоянные времени. Для связи скорости сдвига, влажности и прочность керамических камней используем экспериментальную зависимость [30] R' Ф( ,w ) , рассмотренную в главе 1. Влияние степени вакуумирования на прочность керамического моделируем зависимостью [25,59] R( Pв , ,w ) K уп ( Pв ) R'( ,w ) . (2.5.13) Линейную скорость υxф можем найти как xф ( p ) Q( p ) k14 ш ( p ) k15 ш ( p ) , h2 b h2 b 71 (2.5.14) e 1 T1 p 1 1 T1 p 1 фз p e ш p e ш p L0 L1 L0 L1 P0 |x 0 в e ш p 1 T2 p 1 1 T2 p 1 3 L0 p п 2 1 J пр p P |x 0 P |x0 1 iр iрп 0 у R ' F( , w) x ( ) k14 l Vш e ( ш фз )p e ш p Рисунок 2.5.2 – Структурная схема обобщенной математической модели электротехнического комплекса формования керамической массы в шнековом вакуумном прессе как объекта управления 72 где k15 k14 . h2 b Совокупность уравнений (2.4.1) – (2.4.6), (2.5.1) – (2.5.3), (2.5.10а) – (2.5.14) является обобщенной электротехнического комплекса математической формования моделью керамической процесса массы в шнековом вакуумном прессе как объекта управления, на основании которой разработана структурная схема, представленная на рисунке 2.5.2. Укрупненно представим ее в виде структуры (рис. 2.5.3), в которой А11 – модель формирования момента двигателя Mдв, А12 – оператор формирующий скорость вращения ωш шнека, А13 – математическая модель течения керамической массы в формующем звене пресса, А14 – оператор формирования момента нагрузки Mс. P |x 0 Рисунок 2.5.3 – Укрупненная структура математическая модели электротехнического комплекса формования керамической массы В главе 4 произведена оценка адекватности полученной обобщенной математической модели процесса формования керамического кирпича путем сравнения экспериментальных характеристик. 73 2.6 Синтез упрощенного объекта управления Как указывалось выше целесообразно систему автоматического управления скоростью сдвига замкнуть по скорости υxф движения сформованного бруса. Установлено, что применительно к производству полнотелых кирпичей марок М175-М300 250x120x65 ГОСТ 530-2012 из кембрийской глины влажностью w = 21-26 % индексом течения ψ = 0.15-0.25 и скоростях вращения шнека ωш = 1.05-2.1 рад/с объект управления вырождается в колебательное с переменными параметрами W0 ( p ) xф ( p ) 01 ( p ) K0 , T p 2 0 T0 p 1 2 0 2 (2.6.1) где K0, Т0, ξ0 – коэффициент передачи, постоянная времени и декремент затухания упрощенного объекта управления, соответственно. Структура упрощенного объекта управления представлена на рисунке 2.6.1. 01 ( p ) K0 T02 p 2 2 0 T0 p 1 xф ( p ) Рисунок 2.6.1 – Структура упрощенного объекта управления Исследования показали, что параметры передаточной функции (2.6.1) изменяются в зависимости от ω01, ψ, w и δ. Разброс параметров передаточной функции (2.6.1) представлен в таблице 2.6.1. Таблица 2.6.1 – Параметры передаточной функции упрощенного объекта управления Параметр K0 T0, с ξ0 min 5.53·10–4 0.038 0.27 74 max 6.09·10 –4 0.054 0.45 2.7 Выводы по второй главе 1. 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 координат, включающим в себя, скорость сдвига керамической массы в формующем звене, выходных и давление P |x 0 скорость υxф движения сформованного бруса, угловую скорость ωш шнека, прочность R готового кирпича. Вектор управляющих воздействий включает в себя частоту ω01 напряжения, питающего приводной двигатель шнека; расход Qв воды для увлажнения глины; частоту ω03 напряжения, питающего приводной двигатель вакуумного насоса. Основное возмущение – индекс течения ψ керамической массы. 2. Установлено, что электротехнический комплекс формования керамической массы в вакуумном шнековом прессе представляет собой объект управления с распределенными параметрами. На основании принятых допущений разработана математическая модель формования в форме системы дифференциальных уравнений, включающей в себе уравнение Навье-Стокса, уравнение неразрывности и краевые условия. 3. Разработана методика использования программного продукта Solid Works (в котором численно решается указанная система дифференциальных 75 уравнений), позволяющая выполнить вычислительные эксперименты по исследованию динамики вектора выходных координат объекта управления «в малом» и «в большом» по отношению к векторам управляющих и возмущающих воздействий. 4. В соответствии с решаемой технологической задачей выбраны сечения формующего звена перпендикулярные центральной оси, кроме того, выбраны характерные точки в этих сечениях, где выходными координатами, где выходными координатами являются: ( x lфз , y h2 2 ,z b 2 ,t ) , P( x 0,t ) , x ( x lфз , y,z,t ) . Установлено, что в такой постановке задачи объект с распределенными параметрами можно представить многомерной структурой, состоящей из звеньев с сосредоточенными параметрами (определяемыми координатами выбранной точки). Определены по результатам идентификации переходных характеристик операторов этой структуры в форме передаточных функций. Установлено, что эти операторы являются нелинейными и нестационарными. 5. Выполнена оценка адекватности созданной математической модели объекта. Для этого разработана математическая модель объекта управления с распределенными параметрами и сформирован оператор, связывающий давление Р керамической массы в точке сечения ( x 0, y z R ) с расходом Qв воды, подаваемой синтезированной в смеситель. вычислительной Этот модели оператор системы использован в автоматического управления давлением Р керамической массы в формующем звене, являющейся аналогом САУ, используемой в прессе Händle PZG 60b/50. Сравнительный анализ динамики этих двух систем, имеющих равноценные настройки, доказывает, что разработанная математическая модель объекта управления с распределенными параметрами адекватно описывает динамику процесса формования. Погрешность отклонения динамических характеристик составила 5.2 %. 76 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 %. 6. Применительно к задаче автоматической стабилизации требуемого значения прочности керамических камней на основании математической модели объекта с распределенными параметрами синтезирована обобщенная модель в виде многомерного объекта с сосредоточенными параметрами. 7. Установлено, что применительно к производству полнотелых кирпичей марок М175-М300 250x120x65 ГОСТ 530-2012 из кембрийской глины влажностью w = 21-26 % индексом течения ψ = 0.15-0.25 и скоростях вращения шнека ωш = 1.05-2.1 рад/с объект управления вырождается в колебательное с переменными параметрами: T0 = 0.038÷0.054 с; ξ0 = 0.27÷0.45. 77 K0 = 5.53·10–4÷6.09·10–4; 3 СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИМ КОМПЛЕКСОМ ФОРМОВАНИЯ КЕРАМИЧЕСКОЙ МАССЫ 3.1 Цели автоматизации процесса формования керамических камней В соответствии с ГОСТ 530-2012 [23] одной из основных характеристик кирпича является его марка Мi по прочности (где i – порядковый номер марки из возможного дискретного ряда k марок, производимых на конкретном технологическом оборудовании из глиняного сырья с известными характеристиками, i k ), которая определяет достаточно большой допустимый разброс значений прочности R керамических кирпичей на сжатие в границах установленных ГОСТом постоянных значений Rj-1 и Rj. Например, при производстве кирпича марки М175 разброс ΔR значений прочности на сжатие находится в диапазоне 17.5÷20 МПа; для М200 – 20÷25 МПа; для М250 – 25÷30 МПа; для М300 – 30÷40 МПа. Причем граница Rj-1 соответствует наименьшему значению прочности кирпича, принадлежащего марке Мi. Естественно, что экономически целесообразно выбирать такой режим работы и, прежде всего, шнекового пресса [82,91,92] (так как именно скорость формования определяет, в основном, производительность предприятия по выпуску кирпича), при котором будет осуществляться стабильный выпуск кирпича с заданной прочностью Rз.i, максимально приближенной к границе Rj-1. Кроме того, такой режим позволит сократить затраты энергии на производство кирпича. Наличие достаточно большого значения ΔR объясняется существенной нестационарностью как процесса формования (вариация характеристик керамической массы – влажность, индекс течения и др. [17,36,82], степени ее вакуумирования [27], технических характеристик шнекового пресса [29]), так и нестационарностью технологических режимов сушки и обжига. Таким образом, основной задачей автоматизации управления электротехническим комплексом формования керамической массы является производство кирпича прочностью Rз.i, соответствующей марке кирпича Мi, при 78 минимуме брака готовой продукции с максимально возможной производительностью в условиях существенной нестационарности физикохимических свойств глинистого сырья и наличии известных технологических ограничений, обусловленных конструкцией шнекового пресса и параметрами приводов. По результатам исследований (проведенных во второй главе) объекта управления, включающего в себя, в основном, технологический процесс формования камней в шнековом прессе, а также формирование прогнозируемой прочности R готовой продукции в условиях выполнения всего технологического цикла (формование, сушка, обжиг), установлено, что исследуемый объект управления является многомерным. Основной выходной координатой процесса формования является скорость сдвига в выходном сечении формующего звена, которая (в допущении известных штатных режимов последующей сушки и обжига) функционально связана с прочностью R. Основным управляющим воздействием на процесс формования при известных значениях влажности w и индекса течения ψ керамической массы, а также степени разрежения Рв в вакуум-камере пресса является частота ω01 питающего приводной двигатель напряжения. Недостатком систем, применяемых в настоящее время (рассмотрены в главе 1), является то, что они не позволяют достичь поставленной технологической задачи – выпуск кирпича со стабильным значением прочности, так как в них отсутствует управление по основному технологическому параметру, определяющему прочность R, – скорости сдвиговых деформаций в формуемом сырце. Таким образом, традиционные технологические пути обеспечения стабилизации Rз.i, связанные с повышением качества подготовки исходного сырья и глиняной массы, создание средств автоматизации и, в первую очередь, системы автоматической стабилизации влажности, давления в формующем звене, управления вакуумированием, не приводят к эффективной стабилизации требуемой величины Rз.i. Увеличение числа автоматически управляемых координат технологического процесса также не дает желаемых результатов, 79 ввиду большого числа трудно формализуемых факторов, влияющих на производство кирпича прочностью Rз.i. С точки зрения структурного построения объекта управления и системы автоматического управления в целом воздействия w, ψ и Рв можно рассматривать и как управляющие и как возмущающие воздействия. Действительно, как показывают исследования Барабанщикова Ю.Г., прочность R нелинейно зависит как от скорости сдвиговых деформаций на выходе формующего звена, так и от влажности керамической массы w. С другой стороны влажность w является ярко выраженным возмущением на процесс формования, поэтому технологическая установка формования керамического кирпича оснащена системой стабилизации влажности керамической массы. Технически она реализуется в смесителе путем управления подачей увлажнителя (воды и/или пара). Индекс течения ψ керамической массы в значительной степени определяет скорость сдвиговых деформаций . Для формирования требуемого значения ψ могут использоваться как специальные виды измельчения сырья, так и дозирование различного рода добавок. Разрежение Рв в вакуум-камере существенно влияет на прочность R. При последующем керамической решении массы задач принимаем автоматизации допущение, что процесса формования установка оснащена системами автоматической стабилизации влажности w и разрежения Рв. В этих условиях статические и динамические погрешности этих двух систем и отклонение величины ψ будем рассматривать как возмущения на разрабатываемую систему автоматического управления электротехническим комплексом формования керамической массы в функции скорости сдвига . Таким образом, необходимо разработать новые эффективные пути повышения производительности выпуска кирпича со стабильным значением Rз.i при уменьшении величины ΔR, базирующихся на использовании методов интеллектуального управления [93] сложными технологическими объектами с использованием элементов имитационного моделирования [94]. 80 3.2 Система автоматического управления электротехническим комплексом формования керамической массы в шнековом вакуумном прессе Техническая реализация управления процессом формования в шнековом прессе, обеспечивающая производство керамических камней с Rтр существенно осложняется, во-первых, нестационарностью сочетания требуемых значений w, ψ, Рв, соответствующих систем автоматической стабилизации этих параметров, во-вторых трудностью измерения и в третьих необходимостью учета технологических переходов от формования кирпича до выпуска его в виде готовой продукции, то есть процессов сушки и обжига. На основании результата, полученного в исследованиях, проведенных в п. 2.2.3, решение задачи выпуска керамических кирпичей требуемой прочности в условиях максимально достижимой производительности возможно с помощью применения системы автоматического управления электротехническим комплексом формования керамической массы при производстве кирпича в функции скорости сдвига с задатчиком-формирователем вектора задающих воздействий применяемых на этапе формования систем управления. Смеситель и ленточный питатель существующих моделей шнековых прессов имеют нерегулируемые приводы, поэтому изменение приводит к несоответствию производительностей ленточного питателя, смесителя и пресса, а следовательно и к изменению уровней заполнения hвк и hсм вакуум-камеры и смесителя, соответственно. Такая технологическая рассогласованность работы отдельных устройств комплекса вызывает существенное отклонение свойств [68,95,96] сформованного необходимо смесителя обеспечить и кирпича от требуемых автоматическое ленточного питателя. значений. согласование Таким образом, Поэтому режимов пресса, кроме систем автоматического управления электроприводами шнека, вакуум-насоса и электромагнитным клапаном дозирования воды, определяющими скорость сдвига , разрежение Рв и влажность w, соответственно, САУ ЭКФКМ включает в себя системы управления электроприводами ленточного питателя и 81 глиносмесителя, поддерживающими уровни заполнения hсм смесителя и hвк вакуумной камеры. Таким образом, структура системы управления ЭКФКМ включает в себя пять сепаратных систем управления: электроприводом вакуумнасоса 1, электромагнитным клапаном дозирования воды 2, электроприводами ленточного питателя 3, смесителя 4 и шнека 5. Данные системы могут рассматриваться как автономные не зависящие друг от друга и иметь каждая свой задатчик. Однако, на наш взгляд, целесообразно применить формирователь вектора задающих сигналов (ФВЗС) для систем управления процессом формования, который собирает и анализирует информацию, поступающую с этих систем. В настоящей работе подробно рассмотрена только система управления скоростью сдвига. Функциональная схема обобщенной системы управления ЭКФКМ формования керамической массы на рисунке 3.2.1. ФВЗС в соответствии с поступающими на его входы требуемой марки по прочности керамического кирпича и сигналами с устройств измерения разрежения в вакуум-камере шнекового пресса, влажности, индекса течения и скорости сдвига керамической массы вычисляет сигналы задания для частных систем управления, а также момент подачи этих воздействий. Система управления электроприводом вакуум-насоса 1 работает следующим образом. Величина требуемой величины разрежения Рв.з приходит на прямой вход устройства сравнения, а его инверсный вход соединен с выходом датчика ДР текущего разрежения Рв в вакуум-кемере. Сформированный на выходе устройства сравнения сигнал поступает на регулятор RPв. Полученное рассогласование попадает на управляемый силовой преобразователь УСП3, вырабатывающий частоту ω03 питающего напряжения приводного двигателя АД3 вакуумного насоса ВН, который создает расход Qвн, необходимый для достижения требуемого значения Рв в вакуум-камере ВК. Система управления электромагнитным клапаном дозирования воды 2. Сигнал задания wз приходит на прямой вход устройства сравнения, а его инверсный вход соединен с выходом датчика ДВ влажности w керамической 82 массы, установленного на выходе смесительной камеры СМ. Сформированный на выходе устройства сравнения сигнал поступает на регулятор Rw. Полученное рассогласование попадает на управляемый силовой преобразователь УСП5, вырабатывающий импульсы, управляющие электромагнитным клапаном ЭМК, который определяет расход Qв воды, поступающей в загрузочное окно смесителя СМ, обуславливающий значение влажности w. Система управления электроприводом ленточного питателя 3. Сигнал задания hвк.з приходит на прямой вход устройства сравнения, а его инверсный вход соединен с выходом датчика ДУ уровня hвк керамической массы в вакуумкамере. Сформированный на выходе устройства сравнения сигнал поступает на регулятор Rh. Полученное рассогласование попадает на управляемый силовой преобразователь УСП4, вырабатывающий частоту ω04 питающего напряжения приводного двигателя АД4 ленточного питателя, обеспечивающую скорость вращения смесительных валов ωсм, а значит и подачу керамической массы Gсм в вакуум-камеру, которая необходима для достижения требуемого уровня hвк. Система управления электроприводом смесителя 4. Для обеспечения наилучшего качества перемешивания [68,95] требуется поддерживать необходимую величину коэффициента заполнения смесителя kсм kсм Vкм , Vсм где Vсм – объем смесительной камеры; Vкм – объем смесительной камеры, занятый керамической массой, допуская, что эта камера имеет форму прямоугольного параллелепипеда, имеем: Vкм bсм Lсм hсм , bсм и Lсм – ширина и длина смесительной камеры; hсм – высота заполнения смесительной камеры керамической массой. Так как bсм и Lсм являются постоянными параметрами, то, очевидно, что изменение коэффициента заполнения будет определяться вариацией величины hсм. На основании уравнения материального баланса можем записать уравнение изменения величины hсм 83 bсм Lсм dhсм Gлп Gдв Gп Gсм , dt где Gдв, G п – массовые расходы воды и пара, вводимых в смеситель; Gлп, G см – массовые расходы керамической массы, создаваемые ленточным питателем и смесителем, соответственно. Таким образом, для обеспечения постоянства величины kсм необходимо, чтобы dhсм 0 , тогда, принимая во внимание, что ( Gдв Gп ) G лп , это условие dt будет выполняться при G лп Gсм . Известно, что производительности смесителя и ленточного питателя функционально связаны с угловыми скоростями их приводных двигателей следующими выражениями [53,97] Gсм k см 2 ; Gлп k лп 3 , где kсм, kлп – конструктивные коэффициенты (с учетом механических передач) пресса, смесителя и ленточного питателя; ω2 и ω3 – угловые скорости приводных двигателей смесителя и ленточного питателя. Таким образом, для стабилизации степени заполнения смесительной камеры необходимо обеспечить соотношения угловых скоростей (принимая во внимание, что kсм const , k лп const ). Сигнал задания ω3.з приходит на прямой вход устройства сравнения, а его инверсный вход соединен с выходом тахогенератора ТГ1, измеряющему угловую скорость ω3. Сформированный на выходе устройства сравнения сигнал поступает на регулятор Rω3. Полученное рассогласование попадает на управляемый силовой преобразователь УСП 1, вырабатывающий частоту ω02 питающего напряжения приводного двигателя АД1 смесителя, обеспечивающую скорость вращения приводного барабана ленточного питателя ωлп, а значит и подачу керамической массы Gлп в смеситель, которая необходима для достижения требуемого уровня hсм. Система управления электроприводом шнека 5. Предложено три варианта структурного построения системы управления скоростью сдвига 84 (каждая из которых выполнена в виде двухконтурной системы с одной измеряемой координатой): 5.1. Система управления электроприводом шнека, замкнутая по линейной скорости υxф движения бруса за выходным сечением формующего звена. В этом случае работа системы осуществляется следующим образом. Величина требуемой скорости υз приходит на прямой вход устройства сравнения, а его инверсный вход соединен с выходом устройства измерения текущей скорости υxф бруса за выходным сечением формующего звена. Сформированный на выходе устройства сравнения сигнал поступает на регулятор Rυ2. Полученное значение попадает на прямой вход второго устройства сравнения, на инверсный вход приходит сигнал с датчика измерения текущей скорости υxф. Рассогласование попадает на регулятор Rυ1, после чего сигнал поступает на силовой преобразователь УСП2, вырабатывающий необходимую для достижения требуемой скорости υxф величину частоты ω01 напряжения, питающего приводной двигатель шнека АД2. 5.2. Система управления электроприводом шнека, замкнутая по угловой скорости ωад вращения приводного двигателя шнека (получено положительное решение на выдачу патента на изобретение № 2014104120/03(006432) «Способ пластического формования керамических камней в шнековом вакуумном прессе с электроприводом» от 28.01.2015). Величина требуемой угловой скорости ωз приходит на прямой вход устройства сравнения, а его инверсный вход соединен с выходом устройства измерения текущей угловой скорости ωад приводного двигателя шнека. Сформированный на выходе устройства сравнения сигнал поступает на регулятор Rад2. Полученное значение попадает на прямой вход второго устройства сравнения, на инверсный вход приходит сигнал с датчика измерения текущей скорости ωад. Рассогласование попадает на регулятор Rад1, после чего сигнал поступает на управляемый силовой преобразователь УСП2, вырабатывающий необходимую для достижения требуемого значения скорости ωад величину частоты ω01 напряжения, питающего приводной двигатель шнека АД2. 85 hвк.з З R 2 R 1 З R 2 R1 З R 2 R 1 от ФЗВС hвктр Формирователь вектора задающих сигналов Исходные свойства сырья тр hсм з Рисунок 3.2.1 – Функциональная схема САУ ЭКФКМ 5.3. Система управления электроприводом шнека, замкнутая через наблюдатель . Величина требуемой скорости сдвига з приходит на прямой вход устройства сравнения, а его инверсный вход соединен с выходом наблюдателя скорости сдвига керамической массы в формующем звене. Сформированный на выходе устройства сравнения сигнал поступает на регулятор R 2 . Полученное значение попадает на прямой вход второго устройства сравнения, на инверсный вход приходит сигнал с наблюдателя . Рассогласование попадает на регулятор R 1 , после чего сигнал поступает на 86 управляемый силовой преобразователь УСП 2, вырабатывающий необходимую для достижения требуемого значения величину частоты ω01 напряжения, питающего приводной двигатель шнека АД2. Схема управления электротехническим комплексом формования керамической массы в шнековом вакуумном прессе приведена на рисунке 3.2.2. A B C QF1 QF2 ПЧ1 UZ1 QF3 ПЧ2 QF4 ПЧ3 UZ3 UZ2 ПЧ4 UZ4 ЭМК1 C1 R1 C2 VT1.7 R2 VT1.4 VT1.1 VT1.5 VT1.2 VT1.6 VT1.3 VD1.1 VD1.4 VD1.5 VD1.2 VD1.3 VD1.6 АД1 z1 VT2.7 VT2.4 VT2.1 VT2.5 VT2.2 VT2.6 VT2.3 VD2.1 VD2.4 VD2.5 z2 ФВЗС X1 VT4.7 VT3.4 VT3.1 VT4.4 VT4.1 VT3.5 VT3.2 VT4.5 VT4.2 VT3.6 VT3.3 VT4.6 VT4.3 VD3.1 VD3.2 VD3.3 VD3.6 АД3 ПЧ2 z3 БУПЧ2 Управление ключами VT1.1-VT1.7 VT3.7 VD3.5 VD2.3 АД2 L1 VD4.1 VD4.4 VD4.5 VD4.2 VD4.3 VD4.6 АД4 ПЧ3 z4 БУПЧ3 Управление ключами VT2.1-VT2.7 Xз C4 R4 VD3.4 VD2.2 VD2.6 ПЧ1 БУПЧ1 C3 R3 ПЧ4 БУПЧ4 Управление ключами VT3.1-VT3.7 Управление ключами VT4.1-VT4.7 Блок регуляторов X ос от устройств измерения технологических величин Рисунок 3.2.2 – Схема системы управления ЭКФКМ Таким образом, на основании анализа технологического процесса выпуска керамического электротехническим кирпича комплексом заданной включает в прочности, себя управление создание системы автоматического управления электроприводом шнека и задатчика как для этой системы, так и для вспомогательных систем управления требуемый режим работы ЭКФКМ, 87 обеспечивающий [74]. То есть, производство керамического кирпича марки Мi, определяется вектором задающих сигналов Т X з wз з Pв .з hвк .з 3.з этой системы. 3.3 Требования, предъявляемые к системе автоматического управления электротехническим комплексом формования керамической массы (САУ ЭКФКМ) Известно [26,30], что прочность и геометрическая форма керамического кирпича в значительной мере определяется величиной . На основании результатов исследований, выполненных Барабанщиковым Ю.Г. [26,30], Третьяковым И.М. и Голубовичем С.Р. [27] построено в пространстве О wРв (глава 1) множество М. Оно находится внутри параллелепипеда abcda'b'c'd' (рис. 3.3.1) области управляемости шнекового пресса в условиях известных ограничений. А именно: положение плоскости a'b'c'd' обусловлено конечной мощностью вакуум-насоса; плоскости cdc'd', aba'b' представляют собой графическое отражение максимальной скорости шнека, определяемой конструкцией привода, и минимально возможной его скорости; расстояние между плоскостями ada'd' и bcb'c' определяет зону допустимых значений w. Рисунок 3.3.1 – Области управляемости шнекового пресса 88 На основании результатов исследований, выполненных в работах [26, 27,30], применительно к производству полнотелого керамического кирпича из кембрийской глины построены по зависимостям [25] s-ые сечения ( s 1,2,...,4 ) множества М (рис. 1.2.5) при четырех постоянных значениях Рв.s. Ограничения на w показаны пунктирными линиями. На каждой плоскости выделены подобласти Mi, с границами Rj, Rj-1. На s-ой плоскости, например, для s = 3 изображены области постоянных значений марки Мi в двумерной координатной системе Оsw . Они разделены между собой граничными линиями Rj, ( j 0,1,2,...). Область, заключенная между линиями j = 0 и j = 1, соответствует марке кирпича М175. В полосе ограничений на влажность выделим центральное значение w0, а границы слева и справа обозначим: wл w0 w ; wп w0 w . Выделим на s-ой плоскости подмножество ABCD (рис. 3.3.2) с координатами А(wл, Rj), B(wл, Rj-1), С(wп, Rj-1), D(wп, Rj), которое формирует допустимые значения w и для производства кирпича марки Мi. * w* Рисунок 3.3.2 – Подобласть Мi Анализ фигуры ABCD показывает, что максимальной производительности выпуска кирпича соответствует вершина С, так как здесь имеет место наибольшее значение . Положение конца вектора X з в точке С определяет предельный режим работы технологической установки, для 89 достижения которого эта установка должна иметь идеальные системы управления шнеком, вакуумированием 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 О wРв выделим область допустимых погрешностей (ε-окрестность) * , Δw*, ΔРв*, обусловленных ограничениями на условия технической реализации электроприводами шнека, работы систем вакуум-насоса автоматического и управления электромагнитного клапана дозирования воды. Центр области (на проекции плоскости s) расположен в точке E(wп – Δwп*, C w* tg * ), координаты которой и являются задающими сигналами вектора X з . Таким образом, найденные координаты точки Е напрямую определяют задающие воздействия САУ ЭКФКМ, обеспечивающая режим процесса формования керамической массы, при котором обеспечивается максимально достижимая производительность выпуска кирпича требуемой марки по прочности. Рисунок 3.3.3 – Сечение О Рв множества М Определение величины Рв.s целесообразно выбирать в следующей последовательности. Во-первых, задаемся величиной марки Мi кирпича. Во90 вторых, в соответствии с сечением О Рв при (wп – Δw*) = const (рис. 3.3.3) находим проекцию точки Е режима работы с наименьшим значением Рв (с учетом погрешности ΔРв*), обеспечивающее необходимую величину (с учетом погрешности * ). Для оценки эффективности разработанной интеллектуальной системы управления выполнен сравнительный анализ величины производительности шнекового вакуумного пресса для двух его режимов работы. В первом режиме предлагаемая система управления не используется. Поэтому для обеспечения стабильного производства кирпича заданной марки Mi положение вектора X з необходимо определить точкой F (рис. 3.3.4), которая находится в центре фигуры ABCD области управляемости пресса при изготовлении кирпича марки Mi. Считаем, что разброс значений прочности ΔR имеет такую величину, что вариация параметров формования и известная подвижность поверхности Rj не приведет к появлению брака кирпича по прочности. C E F Рисунок 3.3.4 – Рабочие точки ЭКФКМ Во втором режиме работы ЭКФКМ, когда он оснащается разработанной системой управления, конец вектора X з находится в ε-окрестности точки Е, положение которой относительно границы Rj автоматически отслеживается в блоке формирования вектора задающих сигналов. В этом случае по сравнению 91 Начало 1 Исходные данные: Mтр; Г; Pв.з.min Pв.з.max; wз.min; wз.max *; w*; P* 2.min; 2.max; kсм k лп ; hвктр 3з.min; 3з.max з.min ; ; з.max 2 Анализ возможности изготовления КК с Mтр 3 Из пространства М M M тр max wз з w wmax Pв .з Pв Pв .min 5 4 wз wз .min да 6 Вывод сообщения «Невозможно обеспечить требуемый режим» wз wз .min нет 8 7 wз wз.max да Вывод сообщения «Невозможно обеспечить требуемый режим» 9 wз wз.max нет 10 Определение и ввод 11 з Ф( з , ) 13 12 з з.min да 14 Вывод сообщения «Невозможно обеспечить требуемый режим» з з.min нет 16 15 з з.max да 17 Вывод сообщения «Невозможно обеспечить требуемый режим» з з.max нет 19 18 Рв .з Рв .з .min да Вывод сообщения «Невозможно обеспечить требуемый режим» 20 Рв .з Рв.з .min нет 22 21 Рв.з Рв .з.max да Вывод сообщения «Невозможно обеспечить требуемый режим» нет в б а Рисунок 3.3.5 – Алгоритм работы ФВЗС 92 23 Рв .з Рв .з.max 3 з kсм 2 k лп 3 з 3 з .min 3з 3 з .min 3 з 3з.max 3 з 3з.max М М тр М М тр Рисунок 3.3.5 (продолжение) 93 с первым режимом сокращается величина ΔR, и, поэтому обеспечивается производство кирпича с меньшей величиной Rз.i (из области допустимых значений прочности кирпича марки Mi) по сравнению с первым режимом, что можно осуществить с меньшими экономическими затратами. Кроме того, перевод рабочей точки системы из положения F в положение E обеспечивает увеличение производительности пресса по сравнению с первым режимом, так как точка Е находится ближе к предельной точке С, чем точка F. Так как, в точке Е влажность керамической массы меньше, чем в точке F, то это приводит к снижению энергозатрат при формовании керамической массы. Из анализа пространства М марок кирпича, а также последовательности выбора рабочих точек, сформирован алгоритм работы ФВЗС системы автоматического управления электротехническим комплексом формования керамической массы в шнековом вакуумном прессе [96], который представлен на рисунке 3.3.5. 3.4 Математические модели основных звеньев системы управления электроприводом шнека Силовой преобразователь частоты с учетом инерционности работы транзисторных модулей можно представить апериодическим звеном с коэффициентом передачи WУСП 5 ( р ) где kУСП5 – коэффициент kУСП 5 , TУСП 5 p 1 передачи силового преобразователя, kУСП5 = 31.4 рад/В·с; ТУСП5 – постоянная времени силового преобразователя, kУСП5 = 0.02 с; WУСП 5 ( р ) Бесконтактный датчик 31.4 . 0.02 p 1 линейной безынерционным звеном 94 скорости можно описать WДС ( р ) k ДС 4095 имп , мс где kДС – коэффициент передачи датчика. Для согласования аналоговой и цифровой частей системы управления необходимо использовать цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) с коэффициентом передачи kЦАП U ЦАП N max В 10 2.44 10 3 , имп 4096 1 где Nmax – максимальный код на выходе аналого-цифрового преобразователя, Nmax = 212 = 4096 имп; UЦАП – максимальное напряжение на выходе ЦАП, UЦАП = 10 В. 3.5 Параметрическая оптимизация регуляторов системы управления электроприводом шнека Проведенные во второй главе диссертации исследования процесса формования керамического кирпича в шнековом прессе как объекта управления, показали, что он обладает рядом существенных нелинейностей, нестационарностью параметров. Синтез системы управления таким процессом аналитическими методами весьма затруднителен, в связи с этим параметрическую оптимизацию регуляторов системы будем производить методом вычислительных экспериментов. Кроме требований, сформулированных в параграфе 3.3 настоящей диссертации потребуем, чтобы система автоматического управления обладала следующими свойствами: 1) астатичность; 2) монотонность переходного процесса выходной координаты в условиях обеспечения максимального быстродействия; 3) минимум числа регуляторов системы. Настройка первого контура производилась с помощью вычислительной модели (рис. 3.5.1), где объект управления представлен вычислительной моделью (рис. 4.2), которая учитывает все его нелинейности и нестационарности, из условия обеспечения устойчивости и достижения 95 требуемого быстродействия при ограничении выходной частоты силового преобразователя ±314 с–1. Рисунок 3.5.1 – Вычислительная модель САУ Первоначально был введен одни контур МСОИК, для которого контура применен И-регулятор с передаточной функцией WР1 ( p ) k и1 . p Перебор значений kи1 (рис. 3.5.2) показал, что оптимальная величина составляет kи1 15 . Во втором контуре используем ПИ-регулятор WР2 ( p ) k и2 kп 2 . p Причем исходя из исследований (рис. 3.5.3) оптимальные значения kп 2 1.03 и k и2 3.8 . В этом случае время переходного процесса в системе управления электроприводом шнека составило 0.71 с при отсутствии статической монотонный. ошибки, характер Полученные переходного показатели процесса качества – управления практически позволяют осуществлять переход к производству кирпича другой марки или произвести отработку возмущающего воздействия за время необходимое для производства одного кирпича, что несущественно, так как номинальная производительность пресса составляет 10000 шт/ч. Поэтому считаем, что такие характеристики системы управления вполне удовлетворяют технологическим требованиям производства керамического кирпича и позволяют стабилизировать значение прочности за минимальное время. 96 Рисунок 3.5.2 – Переходные процесса в первом контуре САУ Рисунок 3.5.3 – Переходные процесса в САУ 97 Аналогично производилась настройка для 2-го и 3-го вариантов системы автоматического управления электроприводом шнека. Параметры регуляторов САУ приведены в таблице 3.5.1. Таблица 3.5.1 – Параметры регуляторов САУ Вариант САУ Количество контуров 1 2 2 2 3 2 Тип регулятора Rυ1 И Rυ2 ПИ Rω1 И Rω2 ПИ R 1 И R 2 ПИ Параметры регуляторов kи1 15 kи2 3.8 kп2 1.03 kи1 0.7 kи2 3.5 kп2 0.7 kи1 0.08 kи2 3 kп2 0.9 3.6 Робастная устойчивость системы автоматического управления электроприводом шнека Как было показано, технологический процесс формования керамической массы при производстве кирпича, который осуществляется в шнековом вакуумном прессе, протекает в ситуации, когда в ходе работы происходит износ деталей агрегата, случайным образом изменяются физико-химические свойства исходного сырья и параметры приводного двигателя [25,98]. Это вызывает вариацию характеристик установки при ее эксплуатации. В связи с этим данный технологический передел можно отнести к классу объектов управления с параметрической неопределенностью [99]. Для оценки робастности САУ электроприводом шнека используем структуру с линеаризованным объектом управления (рис. 3.6.1). 98 з kи 2 kп2 p ос K0 T202 p 2 T10 p 1 kи1 p ос k ДС Рисунок 3.6.1 – Структура линеаризованной САУ электроприводом шнека Для оценки робастной устойчивости синтезированной системы применим графический критерий устойчивости [99], основанный на теореме Харитонова. Характеристическому полиному замкнутой системы с параметрической неопределенностью F( p ) a0 a1 p a2 p 2 a3 p 3 a4 p 4 (3.6.1) соответствует номинальный полином [99] F0 ( p ) a00 a10 p a20 p 2 a30 p 3 a40 p 4 , где ai0 – коэффициенты номинального полинома, ai0 ai , ai – наименьшее и наибольшее ai ai значения 2 (3.6.2) , i 0,1...4 ; здесь коэффициентов ai характеристического полинома замкнутой системы. Размах i коэффициентов ai , находящихся в интервале ai ,ai , i ai ai 2 . Применительно к системе автоматического управления шнековым прессом Hendle 60b/50 найдены значения коэффициентов характеристического полинома, номинального полинома и размаха коэффициентов [98] (табл. 3.6.1). В соответствии с графическим критерием Цыпкина-Поляка для робастной устойчивости необходимо и достаточно, чтобы выполнялись условия a00 0 ,an0 n (в соответствии со значениями, приведенными в табл. 3.6.1, max 2.63 ) и годограф Цыпкина-Поляка Z( ) X ( ) jY( ), 0 при 99 изменении ω от 0 до ∞, проходил последовательно через n квадрантов против часовой стрелки и не пересекал квадрата с вершинами ( max , max ) , где X ( ) U0( ) , R( ) Y( ) V0 ( ) ; T( ) U0 ( ) , V0 ( ) – вещественная и мнимая части номинальной F0 ( j ) U 0 ( ) jV0 ( ) ; АФЧХ U0 ( ) a00 a20 2 a40 4 , V0 ( ) a10 a30 2 ; R( ) , Т( ) – вещественная и мнимая части границы двумерного S( ) образа множества значений интервальной АФЧХ F( j ) по вещественной оси R( ) 0 2 2 4 4 , по мнимой оси T( ) 1 3 2 . Анализ годографа Z( ) (рис. 3.6.2) показывает, что при изменении ω от 0 до ∞ он последовательно проходит через 4 квадранта против часовой стрелки вписанного и не пересекает квадрата с ( max , max ) ( 2.63, 2.63 ) , стороны вершинами что соответствует Рисунок 3.6.2 – Годограф Цыпкина-Поляка выполнению условия устойчивости. Следовательно, синтезированная система автоматического управления формованием керамической массы в шнековом прессе обладает робастной устойчивостью в условиях параметрической неопределенности объекта управления. Таблица 3.6.1 – Параметры интервального полинома системы a0 a1 a2 a3 a4 ai 1 0.263 0.092 0.0026 0.000133 ai 1 0.263 0.101 0.0035 0.000295 0 i 1 0 0.263 0 0.0965 0.00465 0.0031 0.00044 0.000214 8.11·10 –5 a i 100 3.7 Оценка влияния квантования на динамику цифровой системы автоматического управления электроприводом шнека Настройка регуляторов цифровой системы автоматического управления проводилась в предположении, что при работе САУ выполняется теорема Котельникова-Шеннона, и ее можно рассматривать как квазинепрерывную. Произведем оценку влияния квантования цифровой ЭВМ на динамику системы. При этом используем вычислительную модель САУ, представленную на рисунке 3.5.1, введя в ее структуру блоки квантования по уровню (В) и квантования по времени (А). А также произведем замену регуляторов на дискретные (рис.3.7.1). Квантование по уровню осуществляется в модуле ввода-вывода ЭВМ. Так как, АЦП предлагаемого контроллера 12-тиразрядный, тогда величина шага квантования составит h U АЦП N max 1 В 10 . 2.44 10 3 имп 2 1 12 При проведении исследований установим в блок B величину h. Блоки А и С моделируют квантование по времени в цифровой части системы с шагом дискретизации Tк. Величина Tк обусловлена временем, необходимым для вычислительных операций в процессе исполнения алгоритма программной реализации регуляторов и задатчика, а также вычислительной мощности процессора. Рисунок 3.7.1 – Вычислительная модель цифровой САУ 101 Целью вычислительных экспериментов является определение минимальной частоты дискретизации и, соответственно, наибольшего Tк, при которой цифровая САУ может рассматриваться как квазинеприрывная. Рисунок 3.7.2 – Сравнение переходных процессов в непрерывной и цифровой САУ При определении максимального шага дискретизации на вход вычислительной модели (рис. 3.7.1) подавался сигнал с задатчика. При этом параметры блока A изменялись в интервале от 0.004 до 0.1 с. Для оценки влияния квантования по времени произведем сравнение переходных процессов изменения скорости движения бруса за выходным сечением формующего звена в условиях непрерывной и дискретной систем и оценим совпадение этих двух сигналов. В результате проведенных экспериментов (рис. 3.7.2) установлено, что при шаге дискретизации Tк = 0.05 с (частота замыканий ключа 20 Гц) в системе начинают возникать колебания скорости. При Tк = 0.1 с система становится неустойчивой. Считаем, что при Tк = 0.004 с (частота замыканий ключа 250 Гц) система является квазинепрерывной. 102 3.8 Выводы по третьей главе 1. Осуществлен структурный синтез структуры системы автоматического управления ЭКФКМ. Предложено три варианта системы управления электроприводом шнека, замкнутых по: 1) линейной скорости xф движения сформованного бруса за формующем звеном; 2) скорости ад вращения вала приводного двигателя шнека; 3) скорости сдвига через наблюдатель. 2. 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 O wPв технологических параметров формования керамической массы. 3. 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. 4. Время переходного процесса в системе управления электроприводом шнека составило 0.71 с при отсутствии статической ошибки. Это позволяет осуществить переход к производству кирпича другой марки или произвести отработку возмущающего воздействия за время необходимое для производства одного кирпича, что несущественно. 103 4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ОБЪЕКТА И СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ 4.1 Методика экспериментальных исследований объекта управления Проведение экспериментов по исследованию объекта управления требует разработки специальной методики с целью построения его вычислительной модели, а также аппроксимации его динамическими звеньями и оценки точности аппроксимации. 4.1.1 Вычислительная модель процесса течения керамической массы в формующем звене шнекового пресса как объекта управления. Методика исследования объекта управления На примере шнекового вакуумного пресса Händle PZG 60b/50, оборудованного формующим звеном для производства полнотелых кирпичей 250x120x65 ГОСТ 530-2012 из кембрийской глины с влажностью 22.5÷24.5 % найдем операторы структуры (рис. 2.4.1) в форме передаточных функций и определим их параметры. С этой целью в программной среде SolidWorks на основании методик, изложенных в [58], создана трёхмерная геометрическая модель (рис. 4.1.1) формующего звена для производства полнотелых кирпичей 250x120x65 ГОСТ 530-2012. Исходя из математической модели процесса пластического формования, приведенной во второй главе, были выбраны следующие условия проведения вычислительного эксперимента: тип жидкости – неньютоновская, тип течения – ламинарный, нестационарность (задание времени протекания процесса и период сохранения результатов), зависимость эффективной вязкости от скорости сдвига моделируется степенным законом. Задание параметров текучей среды: плотность – 1800 кг/м3; коэффициент консистенции – 26898÷38560 Па·с (в зависимости от влажности); индекс течения – 0.15÷0.25. 104 0.25 0.3 0.12 0.08 0.155 0.3 0.1 0.25 Рисунок 4.1.1 – Геометрическая модель формующего звена Задание начальных и граничных условий (в соответствии с параграфом 2.2.2). Были заданы следующие начальные условия для расчета модели: скорости движения среды x y z 0 , давление во всех точках среды P Pa 101325 Па . Граничные условия. На стенках формующего звена скорости частиц формуемой массы равны нулю ст 0 , на входе в формующее звено в качестве граничного условия используется функция (2.2.42) (рис. 4.1.2), на выходе – задается давление P x 0.48 Pa 101325 Па . Рисунок 4.1.2 – Задание граничных условий на входе в формующее звено (ψ = 0.2) 105 4.1.2 Переходные процессы в формующем звене шнекового пресса Исследуем реакцию процесса пластического формования на внешние воздействия – скорость вращения шнека ωш, индекс течения ψ и влажность w (определяющую коэффициент консистенции μ1) керамической массы. Для проведения исследований была выбрана характерная точка D (рис. 2.3.3), в которой наблюдалась динамика скорости сдвига . Точка D – точка максимального значения , она расположена на выходе формующего звена. Критерии, накладываемые на скорость сдвига в этой точке, были приведены выше. Давление P |x 0 наблюдалось на входе формующего звена. Вычислительный эксперимент проводился по следующей методике. Были заданы начальные значения μ10 = 32146 Па·с (w0 = 23.5 %), ψ0 = 0.2, функции x0.i ( r,ш0.i , 0 ) x 0 ,i 1,2,3 (ωш0.1 = 2.1 рад/с; ωш0.2 = 1.57 рад/с; ωш0.3 = 1.05 рад/с ). Через 6 с все переходные процессы закончились, и в этот момент было подано дополнительное ступенчатое воздействие x.k ( r ,ш .k ), k 1,2,...,4 . Для каждого ωш0.i выполнено по 4 эксперимента, значения Δωш.k в этих опытах: ш .1 0.05 ш0.i , ш .2 0.1 ш0.i ; ш .3 0.05 ш0.i , ш.4 0.1 ш0.i . На рисунке 4.1.3 и 4.1.4 приведены графики переходных процессов по отношению к приращению Δωш.k. Аналогично выполнены 4 эксперимента при изменении величины ψ: Δψ1 = 0.025, Δψ2 = 0.05; Δψ3 = –0.025, Δψ4 = –0.05. Графики этих переходных процессов изображены на рисунках 4.1.5 и 4.1.6. Графики переходных процессов величины P |x 0 при изменениях коэффициента консистенции Δμ 1.1 =3036 Па·с (Δw = –0.5 %), Δμ1.2 = 6357 Па·с (Δw = –1 %), Δμ1.3 = –2774 Па·с (Δw = 0.5 %), Δμ1.4 = –5310 (Δw = 1 %) Па·с изображены на рисунке 4.1.7. 106 , c 1 38 37 36 35 34 33 32 31 30 29 28 27 6 6.002 6.004 6.006 6.008 6.01 6.012 6.014 6.016 6.018 6.02 Рисунок 4.1.3 – Графики переходных процессов Ф( t ) по отношению к воздействию Δωш: 1 – Δωш = 0.21 рад/с; 2 – Δωш = 0.105 рад/с; 3 – Δωш = 0; 4 – Δωш = – 0.105 рад/с; 4 – Δωш = – 0.21 рад/с; 1′; 2′; 4′; 5′ – аппроксимированные кривые при тех же Δωш. P |x 0 , Па 454000 452000 450000 448000 446000 444000 442000 440000 438000 6 6.01 6.02 6.03 6.04 6.05 6.06 6.07 6.08 6.09 Рисунок 4.1.4 – Графики переходных процессов P |x 0 Ф( t ) по отношению к Δωш: 1 – Δωш = 0.21 рад/с; 2 – Δωш = 0.105 рад/с; 3 – Δωш = 0; 4 – Δωш = – 0.105 рад/с; 4 – Δωш = – 0.21 рад/с; 1′; 2′; 4′; 5′ – аппроксимированные кривые при тех же Δωш. 107 , c 1 39 37 35 33 31 29 27 6 6.005 6.01 6.015 6.02 6.025 6.03 6.035 6.04 Рисунок 4.1.5 – Графики переходных процессов Ф( t ) по отношению к воздействию Δψ: 1 – Δψ = –0.05; 2 – Δψ = –0.025; 3 – Δψ = 0; 4 – Δψ = 0.025 рад/с; 4 – Δψ = 0.05; 1′; 2′; 4′; 5′ – аппроксимированные кривые при тех же Δψ. P |x 0 , Па 460000 455000 450000 445000 440000 435000 430000 5.95 6 6.05 6.1 6.15 6.2 6.25 6.3 6.35 6.4 6.45 Рисунок 4.1.6 – Графики переходных процессов P |x 0 Ф( t ) по отношению к воздействию Δψ: 1 – Δψ = 0.05; 2 – Δψ = 0.025; 3 – Δψ = 0; 4 – Δψ = –0.025 рад/с; 4 – Δψ = –0.05; 1′; 2′; 4′; 5′ – аппроксимированные кривые при тех же Δψ. 108 P |x 0 , Па 530000 1 1' 510000 490000 2' 470000 2 3 450000 430000 410000 4 4' 5 390000 370000 5.95 5' 6.15 6.35 6.55 6.75 6.95 t, с Рисунок 4.1.7 – Графики переходных процессов P |x 0 Ф( t ) по отношению к воздействию Δμ1: 1 – Δμ1 = 6357 Па·с; 2 – Δμ 1 =3036 Па·с; 3 – Δψ = 0; 4 – Δμ1 = –2774 Па·с; 4 – Δμ1 = –5310 Па·с; 1′; 2′; 4′; 5′ – аппроксимированные кривые при тех же Δμ1. 4.2 Вычислительная модель обобщенного объекта управления 4.2.1 Структура вычислительной модели обобщенного объекта управления Создание вычислительной модели обобщенного объекта управления затруднено необходимостью совместного рассмотрения гидродинамических процессов формования глиняной массы в вакуумном шнековом прессе, электромагнитных и электромеханических процессов в асинхронном приводе шнека, а также процесс формирования прочности во время сушки и обжига. Это обстоятельство приводит к тому, что вычислительная модель становится очень громоздкой. Поэтому была разработана модульная структура (рис. 4.2.1) вычислительной модели обобщенного объекта управления с целью повышения наглядности представления. Она включает в себя модуль М1 приводного асинхронного двигателя шнека, модуль М2 гидродинамических процессов в 109 шнековом прессе и формирования момента нагрузки двигателя, модуль М3 формирования прочности готового кирпича. Рисунок 4.2.1 – Модульная структура обобщенного объекта управления 4.2.2 Вычислительная модель обобщенного объекта управления в Matlab Simulink Вычислительная модель обобщенного объекта управления (рис. 4.2.2) разработана в программной среде Matlab Simulink и состоит из отдельных укрупненных функциональных блоков. Блок М1 (рис. 4.2.3) представляет собой модель асинхронного двигателя (табл. 4.2.1), которая создана по уравнениям (2.4.13). Здесь блоки М11 и М12 представляют собой апериодические звенья с постоянной времени Т1; М110 и М111 – апериодические звенья с постоянной времени Т2; М13 и М114 – постоянные времени Т1 и Т2, соответственно, в качестве коэффициентов. Блок М14 моделирует коэффициент γ*; М15 и М16 – отношение индуктивностей L0 L1 ; М17, М18, М19 – постоянную времени Т32; М112 – произведение 3 рп L0 ; М113 – интегратор с моментом инерции Jпр в качестве постоянной 2 времени; М115 – число пар полюсов двигателя рп. Блок М2 (рис. 4.2.4) моделирует гидродинамические процессы в шнековом прессе и формирует момент нагрузки двигателя. Также имеет в своем составе укрупненные блоки. Блоки М21, М22, М25, М214, М222 вычисляют величину запаздывания по выражениям (2.4.2), (2.4.3) и имеют одинаковую структуру (рис. 4.2.5). Здесь блок K1 моделирует коэффициент k14 110 Рисунок 4.2.2 – Вычислительная модель обобщенного объекта управления с укрупненными блоками 111 Рисунок 4.2.3 – Вычислительная модель асинхронного двигателя (блок М1) 112 выражения (2.2.41), блок K2 – объем шнековой камеры, занятый керамической массой Vш (для блоков М22 и М222 сумму объемов Vш Vфз ), K3 – блок Simulink для вычисления переменного запаздывания. Таблица 4.2.1 – Параметры асинхронного двигателя 4А315S4У3 Номинальная мощность Pн, кВт Синхронная частота вращения n с, об/мин КПД двигателя ηдв, % Коэффициент мощности cos φ Номинальное напряжение Uн, В Частота питающей сети f1, Гц Номинальное скольжение sн Момент инерции Jдв, кг·м2 Число пар полюсов pп 160 1500 93 0.91 380 50 0.013 3.1 2 Параметры схемы замещения Активное сопротивление статора r1, Ом Активное сопротивление ротора, приведённое к статору r′2, Ом Реактивное сопротивление статора x1, Ом Реактивное сопротивление ротора, приведённое к статору x′2, Ом Реактивное сопротивление главного потока xμ, Ом 0.013 0.012 0.08 0.109 3.5 Блоки М23, М24, М26, М28, М210 моделируют передаточные функции (2.3.1) – (2.3.5). Блок М216 представляет собой функцию (2.4.1), а М27 вычисляет величину 1 ( w ) 1 ( w ) 1 ( w0 ) . Установившиеся значения угловой скорости шнека, скорости сдвига, давления, индекса течения моделируются блоками М29, М211, М213, М217. Блоки М212, М220 представляют собой обратные величины передаточного числа привода шнека для нахождения угловой скорости шнека и приведения момента нагрузки к валу двигателя, соответственно. Блок М215 моделирует коэффициент k15 выражения (2.4.14). Блоки М218 и М219 предназначены для определения момента нагрузки приводного двигателя шнека. Блок М218 (рис. 4.2.6) моделирует уравнения (2.4.2), (2.4.10б) и (2.4.11), здесь блок G1 – коэффициент k6.1; G2 – коэффициент k6.2; G4 – коэффициент k14; G5 – объем Vш; G6 – отношение l Vш ; G3 – то же, что и K3. 113 Рисунок 4.2.4 – Вычислительная модель гидродинамических процессов в шнековом прессе и формирования момента нагрузки двигателя (блок М2) 114 Рисунок 4.2.5 – Вычислительная модель формирования величины запаздывания Рисунок 4.2.7 – Вычислительная модель формирования составляющей момента нагрузки Мс2 Рисунок 4.2.6 – Вычислительная модель формирования составляющей момента нагрузки Мс1 Рисунок 4.2.8 – Вычислительная модель формирования величины прочности готового кирпича 115 Блок М219 (рис. 4.2.7) моделирует уравнение (2.4.12), где G7 – коэффициент трения керамической массы о выпорную лопасть f; G8 – коэффициент k7. Так как асинхронный двигатель не может быть запущен под нагрузкой, то используется муфта сцепления, которая включается после достижения угловой скоростью номинального значения. В вычислительной модели эта муфта представлена блоком М221, включающий связь между блоками М2 и М1 в момент подачи единичного сигнала с блока I (задано 4 с). Укрупненный блок М3 моделирует оператор А2 структуры обобщенного объекта управления (рис. 2.1.1). В частности (рис. 4.2.8) блок М31 и М32 представляют собой зависимость R' Ф( ,w ) , а М33 – K уп Ф( Pв ) . 4.3 Линеаризованная модель объекта управления Линеаризованная модель объекта создавалась по результатам переходных процессов в малом, полученных при моделировании в программной среде Matlab Simulink с использованием линейной модели с передаточной дробнорациональной функцией. Подбор параметров линеаризованной модели осуществлялся по критерию минимизации отклонения x( t ) xоу ( t ) x лм ( t ) , где xоу ( t ) , xлм ( t ) – переходные характеристики модели и объекта. Рисунок 4.3.1 – Сравнение переходных процессов в нелинейной и линеаризованной моделях 116 Исследование объекта управления «в малом» выполнялась относительно рабочих точек А1-А36 (табл. 4.3.1). В результате получена передаточная функция линеаризованного объекта управления как колебательного звена и его параметры (табл. 4.3.2). Таблица 4.3.1 – Координаты точек линеаризации А A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 A10 A11 A12 A13 A14 A15 A16 A17 A18 A19 A20 A21 A22 A23 A24 A25 A26 A27 A28 A29 A30 A31 A32 A33 A34 A35 A36 ωш, рад/с 1.05 1.05 1.05 1.05 1.57 1.57 1.57 1.57 2.1 2.1 2.1 2.1 1.05 1.05 1.05 1.05 1.57 1.57 1.57 1.57 2.1 2.1 2.1 2.1 1.05 1.05 1.05 1.05 1.57 1.57 1.57 1.57 2.1 2.1 2.1 2.1 ψ 0.15 0.25 0.15 0.25 0.15 0.25 0.15 0.25 0.15 0.25 0.15 0.25 0.15 0.25 0.15 0.25 0.15 0.25 0.15 0.25 0.15 0.25 0.15 0.25 0.15 0.25 0.15 0.25 0.15 0.25 0.15 0.25 0.15 0.25 0.15 0.25 w, % 21 21 26 26 21 21 26 26 21 21 26 26 21 21 26 26 21 21 26 26 21 21 26 26 21 21 26 26 21 21 26 26 21 21 26 26 δ, м 0.002 0.002 0.002 0.002 0.002 0.002 0.002 0.002 0.002 0.002 0.002 0.002 0.005 0.005 0.005 0.005 0.005 0.005 0.005 0.005 0.005 0.005 0.005 0.005 0.008 0.008 0.008 0.008 0.008 0.008 0.008 0.008 0.008 0.008 0.008 0.008 На рисунке 4.3.1 приведены кривые переходного процесса скорости движения бруса за выходным сечением формующего звена в точке 117 линеаризации А4 В момент времени t = 100 c подавалось ступенчатое воздействие Δω01 = +30 рад/с. В результате осуществлен подбор передаточной функции, описывающий этот переходной процесс «в малом». Таблица 4.3.2 – Вид и параметры передаточной функции в точках линеаризации А A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 A10 A11 A12 A13 A14 A15 A16 A17 A18 A19 A20 A21 A22 A23 A24 A25 A26 A27 A28 A29 A30 A31 A32 A33 A34 A35 A36 Передаточная функция W0 ( p ) xф ( p ) 01( p ) k0 T p 2 0 T0 p 1 2 0 2 118 k0 6.09·10 -4 6.09·10 -4 6.09·10 -4 6.09·10 -4 6.09·10 -4 6.09·10 -4 6.09·10 -4 6.09·10 -4 6.09·10 -4 6.09·10 -4 6.09·10 -4 6.09·10 -4 5.88·10 -4 5.88·10 -4 5.88·10 -4 5.88·10 -4 5.88·10 -4 5.88·10 -4 5.88·10 -4 5.88·10 -4 5.88·10 -4 5.88·10 -4 5.88·10 -4 5.88·10 -4 5.53·10 -4 5.53·10 -4 5.53·10 -4 5.53·10 -4 5.53·10 -4 5.53·10 -4 5.53·10 -4 5.53·10 -4 5.53·10 -4 5.53·10 -4 5.53·10 -4 5.53·10 -4 T0 , с 0.053 0.054 0.052 0.052 0.043 0.043 0.043 0.043 0.038 0.038 0.038 0.038 0.053 0.054 0.052 0.052 0.043 0.043 0.043 0.043 0.038 0.038 0.038 0.038 0.053 0.054 0.052 0.052 0.043 0.043 0.043 0.043 0.038 0.038 0.038 0.038 ξ0 0.3 0.31 0.27 0.27 0.37 0.38 0.35 0.35 0.45 0.45 0.42 0.42 0.3 0.31 0.27 0.27 0.37 0.38 0.35 0.35 0.45 0.45 0.42 0.42 0.3 0.31 0.27 0.27 0.37 0.38 0.35 0.35 0.45 0.45 0.42 0.42 4.4 Натурные эксперименты 4.4.1 Объект испытаний Цех № 1 ЗАО «Самарский комбинат керамических материалов» предназначен для полного цикла производства пустотелых керамических камней. Для формования керамической ленты определенного поперечного сечения используется шнековый вакуумный пресс Händle PZG 60b/50. Основные технические характеристики исследуемого шнекового вакуумного пресса приведены в таблице 4.4.1. 4.4.2 Цели исследования 1. Определение показателей качества автоматической системы управления давлением керамической массы в формующем звене пресса. 2. Оценка адекватности предложенной в [58] математической модели процесса формования керамической массы в вакуумном прессе как объекта управления на примере пресса Händle PZG 60b/50 (рис. 4.4.1) путем сравнения показателей качества управления системы автоматической стабилизации давления керамической массы на работающем прессе с показателями качества управления, полученными на модели этой автоматической системы, в которой используется разработанная авторами математическая модель [58] процесса формования. Таблица 4.4.1 – Основные технические характеристики шнекового вакуумного пресса Händle PZG 60b/50 Параметр Величина Диаметр шнека загрузочной зоны, мм выпорной лопасти, мм Производительность номинальная, т/ч Мощность приводного двигателя шнека, кВт смесителя, кВт Максимальное давление, МПа Передаточное число ременной передачи редуктора Масса пресс, т смеситель, т 119 600 500 42.7 160 75 3 3.4 21 9.75 6 Рисунок 4.4.1 – Исследуемый шнековый пресс 120 4.4.3 Экспериментальная установка Пресс оборудован формующим звеном 1 (рис. 4.4.2) для производства камня ТУ 5741-001-05208863-2005 из глины Алексеевского месторождения. Экспериментальная установка представляет собой комплекс оборудования, включающий в себя шнековый вакуумный пресс 2, силовой преобразователь частоты 3, электромагнитный клапан дозирования пара 4, систему автоматического управления давлением 5 в головке шнекового пресса, включающую в себя электромагнитный клапан дозирования воды 6, датчик давления 7, задатчик 9, устройство сравнения 10, регулятор 11, модуль ШИМ 12, SCADA-систему 13. Скорость вращения шнека зависит от частоты питающего приводной двигатель напряжения, регулируемой силовым преобразователем частоты Веспер EI-9011 200h. Функционально процесс пластического формования можно представить в виде схемы (рис. 4.4.3). Причем в качестве внешних воздействий выделены частота напряжения, питающего приводной двигатель шнека, ω01, величина разрежения в вакуумной камере Pв, индекс течения ψ и влажность w керамической массы. Под выходными координатами понимаются давление Р и скорость сдвига , керамической массы в формующем звене шнекового пресса, определяющие прочность R готового кирпича после сушки и обжига. Таблица 4.4.2 – Технические характеристики приборов и оборудования, применяемых при экспериментальных исследованиях. Приборы и оборудование Тип прибора Электромагнитный клапан дозирования воды Innovatherm KW 5-10/2 Датчик давления (пьезорезистивный) в составе электронного пластометра Innovatherm Программируемый контроллер Siemens S7-400 Технические характеристики Dу = 14.5 мм; Pу = 0.5...6 бар Uпит = 12 В Диапазон измеряемых давлений 0...25 бар; δ = +/–0.2...0.3 %; Uпит = 110 В/ 220 В Величина угловой скорости шнека изменяется с помощью управляемого силового преобразователя частоты УСП1, который формирует частоту ω01 121 напряжения переменного тока, подаваемого на двигатель. Требуемая величина разрежения Рв в вакуум-камере ВК обеспечивается вакуумным насосом ВН, управляемым с помощью преобразователя УСП2. Величина ψ может рассматриваться как возмущающее воздействие. Для управления давлением Р используется управляющее устройство, включающее в себя регулятор давления RР, электромагнитный клапан ЭМК обеспечивающий расход Q добавочной воды в смеситель, датчик давления ДД и широтно-импульсный модулятор ШИМ для сопряжения регулятора RР с клапаном ЭМК. Управление величиной давления керамической массы осуществляется путем введения в смеситель добавочной воды, расход которой определяется продолжительностью открытия электромагнитного клапана Innovatherm KW 510/2 с помощью модуля широтно-импульсного модулятора (ШИМ). Влажность формуемой массы можно изменить путем подачи пара посредством электромагнитного клапана SAMSON 3241 02 GG-25. В системе стабилизации давления применяется ПИД-регулятор, передаточная функция которого имеет вид: TD p 1 WR ( p ) K 1 . T p 1 T p M _ LAG I (4.4.1) Он включает в себя пропорциональный регулятор с коэффициентом передачи K, реальное дифференцирующее звено с постоянной времени дифференцирования и постоянной времени апериодического звена TM _ LAG , интегратор с постоянной времени интегрирования K–1·TI. Из технической документации известно K = 6.5, TD = 25 с, TM _ LAG = 2 с, TI = 50 с. ПИД-регулятор, устройство сравнения и задатчик требуемой величины давления в головке шнекового пресса реализованы на базе программируемого микроконтроллера Siemens S7-400. Цифроаналоговый (ЦАП) и аналогоцифровой (АЦП) преобразователи 12-тиразрядные. Представим безынерционными звеньями с коэффициентами передачи [101] 122 их k АЦП k ЦАП 212 1 409.5 имп/В; 10 10 2.44 10 3 В/имп. 2 1 12 Период замыкания цифрового контура управления Tц = 0.005 с, тогда частота замыкания ц 1 1 200 Гц. Т ц 0.005 Электромагнитный клапан дозирования воды опишем апериодическим звеном и нелинейностью типа «ограничение по уровню», которая определяет максимальное значение расхода воды на уровне Qmax = 9.34·10–4 м3/с. Время открытия/закрытия электромагнитного клапана составляет tоз = 1 c, тогда его коэффициент передачи и постоянная времени: Qmax 9.34·10 –4 kэ 7.78·10 –5 м3/(с·В); U пит 12 Тэ tоз 1 0.33 с. 3 3 Датчик давления считаем безынерционным звеном с коэффициентом передачи kдд U дд 10 4 10 6 В/Па. Pдд 2500000 Система стабилизации давления (рис. 4.4.4) работает следующим образом. С помощью задатчика 1 формируется сигнал требуемого значения давления формования Pтр. В системе имеется контур стабилизации давления формования. Величина требуемого значения давления формования приходит на прямой вход устройства сравнения 2, а его инверсный вход соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя 8, который преобразует непрерывный сигнал датчика давления Innovatherm 7, регистрирующего давление P керамической массы в головке шнекового пресса, в цифровую форму. 123 Рисунок 4.4.2 – Функциональная схема процесса пластического формования 124 Система стабилизации давления 6 Вода Воздух 2 Пар 3 4 1 ~ СПЧ 7 13 ДД 9 5 10 11 8 12 CO MPACT SCADAсистема POW ER D ISK P OWER E XPRESS 5800 ES 1200 S ERIE S Задатчик Ртр R Программируемый контроллер Acc uS ync 1 20 Система стабилизации давления Рисунок 4.4.3 – Схема экспериментальной установки 125 Модуль ШИМ Сформированный на выходе устройства сравнения сигнал поступает на ПИД-регулятор 3. Полученная на выходе ПИД-регулятора цифровой сигнал преобразуется в последовательность прямоугольных импульсов с помощью цифрового модуля широтно-импульсной модуляции 4, выход которого соединен с электромагнитным клапаном дозирования воды Innovatherm KW 510/2 5, обеспечивающим необходимый для достижения требуемого значения давления формования расход воды Q, поступающей в загрузочное окно пресса. Элементы системы 1 – 4, 8 реализованы на базе программируемого микроконтроллера Siemens S7-400. Рисунок 4.4.4 – Структурная схема системы стабилизации давления 4.4.4 Методика проведения испытаний Оценку показателей качества управления системы стабилизации давления керамической массы в формующем звене шнекового пресса выполним по временным характеристикам давления как реакции на изменение задающего сигнала при производстве керамического камня KERAKAM 38 (КПТН II) ТУ 5741-001-05208863-2005 из глины Алексеевского месторождения. Исследования поводились без остановки производственного процесса. Изначально сигнал задания Pтр = 1.7 МПа, в момент времени t = 1000 c был ступенчато снижен до величины 1.5 МПа (рис. 4.4.5, кривая 3). В результате наблюдалось изменение давления формования (рис. 4.4.5, кривая 1). На рисунке 4.4.6 представлен вид экрана SCADA-системы при проведении эксперимента. Для оценки адекватности разработанной [58,59] математической модели процесса пластического формования керамических камней в шнековом прессе 126 как объекта управления создана вычислительная модель в программной среде Matlab Simulink рассматриваемой системы стабилизации давления, в которой используется разработанная математическая модель процесса формования [58,59] как объекта управления, дополненная математической моделью процесса перемешивания [75,102,103]. На вычислительной модели (рис. 4.4.7) выполнены вычислительные эксперименты по исследованию динамики системы при таком же, что и на действующей установке, характере изменения сигнала задания Ртр. Полученная на модели кривая переходного процесса показана на рисунке 4.4.5 (кривая 2). Построены частотные характеристики линеаризованной разомкнутой системы (рис. 4.4.8). Из них следует, что частота среза системы ωс = 0.01 с–1. Известно, что частота п замыкания цифровой системы стабилизации давления составляет п 200 Гц . Следовательно, п 2 с . Котельникова-Шеннона выполняется Поэтому условие можно считать, рассматриваемая система является квазинепрерывной. 1750000 1700000 1650000 1600000 1550000 1500000 1450000 990 1090 1190 1290 1390 1490 Рисунок 4.4.5 – Изменение давления формования во времени 127 теоремы что Для оценки адекватности разработанной в [58,59] и [75,102,103] математической модели динамики процесса формования керамической массы в шнековом вакуумном прессе как объекта управления сравним кривые 1 и 2, показанные на рисунке 5. При этом используем величину среднеквадратичного отклонения: t 1 2 2 I ( t ) dt , t2 t1 t1 где ε – относительная ошибка вычислительного эксперимента при сравнении с натурным. Расчеты показали, что величина среднеквадратичного отклонения для кривых изменения давления формования составляет 5.2 %. Поэтому можно сделать вывод об адекватности разработанной математической модели. 4.4.5 Результаты натурных испытаний 1. Получены кривые переходного процесса «в малом» давления формования при ступенчатом изменении управляющего воздействия. Показано, что время переходного процесса на действующей установке составляет tпп = 320 с, величина перерегулирования σ = 6.5 %. 2. Проведены вычислительные эксперименты по исследованию динамики системы стабилизации давления, в которой используются созданные в [58-59] и [75,102,103] математические модели динамики процесса формования керамической массы в шнековом вакуумном прессе как объекта управления и известные математические модели модели всех остальных звеньев системы технологической установки. В модели используется такое же изменение управляющего воздействия, что и на действующей установке. Показано, что характер процесса на модели в основном совпадает с процессом на действующем оборудовании. Установлено, что модели время переходного процесса составляет tпп = 370 с, величина перерегулирования σ = 6 %. 3. Произведено сравнение результатов натурных и вычислительных экспериментов. Показано, что величина среднеквадратичного отклонения для кривых изменения давления формования составляет 5.2 %. 128 Рисунок 4.4.6 – Вид экрана SCADA-системы при проведении эксперимента 129 Рисунок 4.4.7 – Вычислительная модель процесса пластического формования 130 20 10 0 -10 -20 -30 -40 -50 -60 0.001 0.01 0.1 0.01 0.1 1 10 0 -90 -180 -270 0.001 1 10 Рисунок 4.4.8 – Частотные характеристики линеаризованной разомкнутой системы 4. Сделан вывод об адекватности разработанных математических моделей [58,59] и [75,102,103] динамики процесса формования керамической массы в шнековом вакуумном прессе как объекта управления и возможности их использования при синтезе нового класса систем автоматического управления шнековым прессом. 4.5 Структура модели формирователя сигнала задания САУ электроприводом шнека Для вычисления сигнала задания системы управления электроприводом шнека (замкнутой по линейной скорости движения бруса) при моделировании используем структуру, представленную на рисунке 4.5.1. 131 Задаваемое значение требуемой прочности Rз.i приводится к значению этой величины R'з.i без учета вакуумирования согласно зависимости R' з.i Rз.i . K уп Величина коэффициента упрочнения Kуп вычисляется с помощью нелинейного блока 1 в зависимости от степени разрежения в вакуум-камере Рв, причем в канале имеется запаздывание τ, так как между измерением величины разрежения и рассматриваемым сечением на выходе формующего звена проходит определенное время, зависящее от скорости вращения шнека ωш. С помощью блока 2 задание прочности ограничено величиной R'max. з F(R 'з.i , w) з з Ф( з , ) e p e p e p Рисунок 4.5.1 – Структура вычислителя скорости движения бруса Измеренная влажность w, также с задержкой τ, и R'з.i поступают на блок 3, где по функции з Ф( R'з .i ,w ) определяется величина скорости сдвига з , необходимой для получения камней прочностью Rз.i. На входы блока 4 поступают сигналы з и ψ, где по функции з Ф( з , ) вычисляется величина требуемой скорости бруса υз. С помощью блока 5 задание скорости υз ограничено величиной допустимой скорости υдоп. 132 4.6 Вычислительные эксперименты по исследованию системы автоматического управления Исследуем работу системы автоматического управления скоростью сдвига керамической массы, замкнутую по скорости движения бруса за выходным сечением формующего звена, относительно точки А0(Rз.0,w0,Pв0,ψ0) при Rз.0 = 25.89 МПа, w0 = 23.5 %, Pв0 = 0.905, ψ0 = 0.2. Для моделирования работы САУ используем ее вычислительную модель (рис. 4.6.1), созданную с помощью пакета прикладных программ Matlab и его приложения Simulink. В момент времени t = 100 с, когда все переходные процессы в системе закончились, была изменена величина Rз.0 на величину Rз.1 = 20.94 МПа. В результате наблюдались переходные процессы (рис. 4.6.2). Кроме того, производились исследования при изменении возмущающих воздействий на величины Δw = ±1 % (рис. 4.6.3); ΔPв = –0.045; –0.09 (рис. 4.6.4); Δψ = ±0.05 (рис. 4.6.5). Аналогичные исследования проводились для систем, выполненных по 2-му (рис. 4.6.6 и рис. 4.6.7) и 3-му вариантам (рис. 4.6.8 – 4.6.10). Рисунок 4.6.1 – Вычислительная модель САУ 133 xф, м/с xф 0.084 м/с з t, с 16.05 с-1 , c 1 t, с 4.96 МПа R, МПа момент изменения величины Rз.i t, с Рисунок 4.6.2 – Переходные процессы в САУ (по 1-му варианту) при изменении Rз.i 134 xф, м/с з при w = 1% xф при w = 1% з при w = -1% xф при w = -1% t, с , c 1 w = 1% w = -1% t, с R, МПа w = 1% w = -1% момент подачи возмущающего воздействия t, с Рисунок 4.6.3 – Переходные процессы в САУ (по 1-му варианту) при изменении w 135 xф, xф при Pв = -0.045 з при Pв = -0.09 0.017 м/с з при Pв = -0.045 0.029 м/с м/с xф при Pв = -0.09 t, с 3.21 с-1 Pв = -0.045 5.66 с-1 , c 1 Pв = -0.09 t, с 3.29 МПа 1.69 МПа R, МПа Pв = -0.045 Pв = -0.09 момент подачи возмущающего воздействия t, с Рисунок 4.6.4 – Переходные процессы в САУ (по 1-му варианту) при изменении Pв 136 xф, при = 0.05 xф при = 0.05 з при = -0.05 з при = -0.05 xф 0.031 м/с 0.025 м/с м/с t, с , c 1 4.79 с-1 5.59 с-1 = -0.05 = 0.05 t, с 2.87 МПа R, МПа 2.2 МПа = 0.05 = -0.05 момент подачи возмущающего воздействия t, с Рисунок 4.6.5 – Переходные процессы в САУ (по 1-му варианту) при изменении ψ 137 ад, рад/с ад з t, с , c 1 t, с R, МПа момент изменения величины Rз.i t, с Рисунок 4.6.6 – Переходные процессы в САУ (по 2-му варианту) при изменении Rз.i 138 , c 1 Рисунок 4.6.7 – Переходные процессы в САУ (по 2-му варианту) при изменении w 139 , c 1 з Рисунок 4.6.8 – Переходные процессы в САУ (по 3-му варианту) при изменении Rз.i 140 xф, м/с w = 1% w = -1% t, с , c 1 з при w = 1% з при w = -1% при w = 1% при w = -1% t, с R, МПа w = 1% w = -1% момент подачи возмущающего воздействия t, с Рисунок 4.6.9 – Переходные процессы в САУ (по 3-му варианту) при изменении w 141 xф, м/с = 0.05 0.025 м/с = -0.05 0.031 м/с t, с , c 1 = 0.05 = -0.05 t, с R, МПа = 0.05 = -0.05 момент подачи возмущающего воздействия t, с Рисунок 4.6.10 – Переходные процессы в САУ (по 3-му варианту) при изменении ψ 142 По результатам моделирования произведена оценка показателей качества работы САУ, выполненных по различным вариантам при различных воздействиях (табл. 4.6.1). Таблица 4.6.1 – Показатели качества работы САУ Вариант САУ Время переходного процесса tпп, с при изменении Rз w Pв ψ Перерегулирование σ, % при изменении Rз w Pв ψ 1 0.71 0.03 2 0.7 0.04 3 0.69 1 0.06 19 Из результатов моделирования можно сделать вывод, что переходные процессы во всех случаях, кроме 3-го варианта системы при реакции на изменение индекса течения, имеют практически монотонный характер, время переходного процесса составляет примерно 0.7 с. В 3-м варианте построения системы при реакции на изменение ψ наблюдается колебательный характер переходных процессов, а также увеличение времени переходного процесса и перерегулирования. Это объясняется тем, что в 3-м варианте используется наблюдатель скорости сдвига, коэффициент передачи которого зависит от величины ψ, что изменяет глубину обратной связи САУ. Во всех случаях удалось добиться астатичности САУ. 4.7 Оценка применения системы управления ЭКФКМ с формирователем вектора задающих сигналов Рассмотрим работу САУ ЭКФКМ, когда статические ошибки сепаратных каналов многомерной системы управления прессом имеют следующие значения. В системе управления скоростью сдвига * 5 % , в системе 143 управления влажностью w* 2 % , в системе управления степенью разрежения Pв* 4 % . Знание этих ошибок позволило найти координаты точки Е и, тем самым, определить значения сигналов задания вектора Xз: wз 24 % , Pв .з 0.908 (для марки кирпича М300), Pв .з 0.905 (М250), Pв .з 0.907 (М200), з E (таблица 1). Используя известную связь между скоростью сдвига и производительностью шнекового пресса Q определены значения Q для указанных марок кирпича при двух вышерассмотренных режимах управления процессом формования. Их сравнение (табл. 4.7.1, рис. 4.7.1) показывает, что применение разработанной системы управления позволяет существенно увеличить производительность шнекового пресса. Это возрастание зависит при прочих равных условиях от марки кирпича. Так для марки М300 приращение ΔQ достигает 13.4 %, а для М200 составляет 8 %, чем подтверждается эффективность разработанной системы. Таблица 4.7.1 – Сравнение режимов работы ЭКФКМ QF , Марка шт/ч М300 М250 М200 3585 5456 9209 E , с–1 QE , шт/ч 13.93 21.98 38.66 4064 6413 9947 ΔQ’, % E Fу , Дж/ шт E Eу , Дж/ шт ΔEу, % +13.4 +17.5 +8 7389 8887 9844 7246 8377 9138 -1.9 -5.7 -7.2 Проведем оценку энергетической эффективности применения ФВЗС в вышеописанных условиях. Сравнение значений удельных затрат энергии Eу на один кирпич в различных режимах работы ЭКФКМ (табл. 4.7.1, рис. 4.7.1) показывает, что экономия энергии составила 1.9-7.2 % в зависимости от марки выпускаемого кирпича. 144 11000 9000 7000 5000 3000 М300 М250 М200 Рисунок 4.7.1 – Сравнение режимов работы ЭКФКМ 4.8 Методика инженерного проектирования системы автоматического управления электротехническим комплексом формования керамической массы (САУ ЭКФКМ) 1. Исходные данные для проектирования САУ ЭКФКМ: 1.1. Характеристики глины, применяемой для производства кирпича; 1.2. Технические и конструктивные характеристики шнекового вакуумного пресса; 1.3. Технические характеристики используемых в ЭКФКМ приводных двигателей. 1.4. Требования особенностей к синтезируемой технологического САУ процесса ЭКФКМ производства на основании керамического кирпича, отраженных в пункте 3.3. 2. Определение динамических характеристик и вариации параметров объекта управления на основании анализа переходных характеристик полученных на вычислительной модели. 3. Синтез структуры САУ ЭКФКМ производится на основании пункта 3.2. 145 4. Определение типа датчиков линейной скорости бруса, тахогенераторов, датчика влажности, датчика разрежения, вискозиметра, программируемого контроллера, силовых преобразователей частоты и устройств сопряжения контроллера с частотным преобразователем на основании §3.8. 5. Определение параметров первого и второго регуляторов путем проведения вычислительных экспериментов в соответствии с методикой, предложенной в пункте 3.5, и с использованием вычислительной модели разработанной в пункте 4.6. 4.9 Техническая реализация САУ ЭКФКМ Для решения задачи автоматизации ЭКФКМ необходимо дополнительно применить ряд устройств (рис. 4.9.1), в частности управляющих и датчиков выходных координат. Для контроля скорости движения сформованного бруса применим бесконтактный лазерный датчик линейной скорости μSPEED PRO-S1 [104] (табл. 4.9.1), который необходимо установить за выходным сечением формующего звена. Таблица 4.9.1 – Технические характеристики датчика линейной скорости μSPEED PRO-S1 Параметр Принцип измерения Диапазон измерения скорости, м/с Погрешность измерения, % Расстояние от объекта, мм Выходной сигнал (импульсный), имп·с/м Напряжение питания (постоянное), В Контроль величины индекса течения Значение эффект Доплера 0÷1 <±0.05 115 (± 20) 0÷10000 (программируемо) 24 осуществим с помощью вискозиметра HBDV-III+ [105] (табл. 4.9.2). Ввод этой информации в управляющее устройство системы осуществляется оператором с некоторой периодичностью. 146 Таблица 4.9.2 – Технические характеристики вискозиметра HBDV-III+ Параметр Диапазон измерения вязкости, Па·с Погрешность измерения, % Диапазон скоростей вращения шпинделя, об/мин Значение 800÷320000 1 (полной шкалы) 0.01÷250 Измерение величина разрежения в вакуум-камере производится датчиком разрежения Smartline VSR53D [106] (табл. 4.9.3). Таблица 4.9.3 – Технические характеристики датчика разрежения Smartline VSR53D Параметр Принцип измерения Диапазон измерения разрежения, Па Погрешность измерения, % Длительность реакции, мс Напряжение питания (постоянное), В Рабочая температура, °С Выходной сигнал, В Значение мембранный пьезорезистивный/ Пирани 120000÷1.33·10 –2 120000÷1000 Па: ±0.3 (полной шкалы) 1000÷0.2 Па: ±2 (от показания) 120000÷1000 Па: <30 1000÷0.2 Па: <100 20÷30 5÷60 0÷10 (постоянный ток) Для измерения влажности применим микроволновый датчик Hydromix VII [107] (табл. 4.9.4). Таблица 4.9.4 – Технические характеристики датчика влажности Hydromix VII Параметр Принцип измерения Диапазон измерения влажности, % Погрешность измерения, % Частота обновления данных, с–1 Напряжение питания (постоянное), В Рабочая температура, °С Выходной сигнал, В Глубина проникновения поля, мм 147 Значение цифровой микроволновый 0÷30 (по умолчанию) ±0.2÷0.3 25 15÷30 0÷60 0÷10 (постоянный ток) 75÷100 Для измерения угловой скорости приводного двигателя смесителя используем тахогенератор типа ТП-212 [108] (табл. 4.9.5). Таблица 4.9.5 – Технические характеристики тахогенератора типа ТП-212 Параметр Значение 1500 200 (±30) 0.20 ±0.1 Номинальная частота вращения, об/мин Напряжение, В Крутизна выходного напряжения, В/об/мин Асимметрия выходного напряжения, % Для взаимодействия оператора и промышленного контроллера применим промышленный компьютер iROBO-2000-40i5TRHN-G2 [109] (табл. 4.9.6). Таблица 4.9.6 – Технические характеристики промышленного компьютера iROBO-2000-40i5TRHN-G2 Параметр Чипсет Тип оперативной памяти Установленный объем оперативной памяти, ГБ Частота процессора, ГГц Тип установленного процессора Объем одного установленного жесткого диска, ТБ Портов Ethernet всего Выходная мощность, Вт Количество жестких дисков Всего слотов расширения Количество COM-портов всего Входное напряжение AC, В В качестве управляющего устройства Значение Intel Q87 DDR3 1333, DDR3 1600 4 3.4 Intel Core-i3 4130 1 2 400 2 7 2 90÷240 предлагается использовать контроллер Siemens Simatic S7-400 [110] (табл. 4.9.7). Параметр Центральный процессор Блок питания Модуль ввода-вывода дискретных сигналов Модуль для подключения датчиков и частотных преобразователей Модуль модемной связи Значение CPU 412-1 SITOP EM 223 EM 253 EM 241 В качестве управляемых силовых преобразователей для управления приводными двигателями применим частотные преобразователи «Веспер» (табл. 4.9.8). 148 Таблица 4.9.8 – Технические характеристики частотных преобразователей «Веспер» Параметр Модель EI-9011Максимальная мощность применяемого двигателя, кВт Полная мощность преобразователя, кВА Номинальный выходной ток, А Максимальное выходное напряжение Номинальная выходная частота Номинальное входное напряжение и частота Допустимые отклонения напряжения Допустимые отклонения частоты Диапазон управления скоростью Стартовый крутящий момент Ленточный питатель 007H Значение ВакуумСмеситель насос 010H 100H Шнек 200H 5,5 7,5 75 160 7.5 10 100 200 14 18 150 302 Трехфазное 380/400/415/440/460 В (пропорционально входному напряжению) Вплоть до 400 Гц (достигается посредством программирования) Трехфазное 380/400/440/460 В 50/60 Гц +10 %, –15 % ±5% 1:100 (1:1000 с использованием импульсного датчика вращения) 150 % при 1 Гц (150 % при 0 об/мин с импульсным датчиком вращения) Рисунок 4.9.1 – Вариант технической реализации САУ 149 4.10 Технико-экономический расчёт Произведем оценку экономической эффективности проекта [111]. 4.10.1 Расчет капитальных вложений по базовому варианту Объем капитальных вложений: Кб К боб К бм К бпо , где К боб – капитальные вложения на оборудование, определяется по формуле: К боб Ц боб К во С пр , где Ц боб – цена оборудования в год приобретения, Ц обб 1240000 руб.; Кво – коэффициент пересчета цен на дату проекта, Кво = 1; Спр – принятое число комплексов, Спр = 1; К обб 1240000 1 1 1240000 руб. где К бм – капитальные вложения на монтаж и установку оборудования, К бм Ц боб а 1 К во С пр , где а – коэффициент учитывающий затраты на доставку и монтаж оборудования, а = 1.35; К мб 1240000 1.35 1 1 1 434000 руб. Единовременные затраты на разработку проекта: К бпо Збпр n б , б где Збпр – зарплата инженера, Зпр 25000 руб.; б К по 25000 2 50000 руб. Кб 1240000 424000 50000 1724000 руб. Расчет издержек производства по базовому варианту: И бп И з И бр И бэ И ба , где И з – годовая зарплата рабочих по обслуживанию, И з 12 З см Р 150 где Зсм – среднемесячная зарплата рабочих, З см = 22000 руб; Р – общее число рабочих на установке, Р = 3 чел.; И з 12 22000 3 792000 руб. И бр – годовые затраты на ремонт основных фондов, И бр К б 5.5 5.5 1724000 94820 руб. 100 100 И бэ – затраты на электроэнергию комплекса, И бэ Т э Wгб , где Тэ – тариф за 1 кВт∙ч, Тэ = 3.75 руб. ; Wгб – годовой расход электроэнергии Wгб Р ба Ф е К в К м , где Р ба – активная мощность, Раб 266 кВт; Фе – действительный фонд времени работы установки, Фе = 5760 часов; Км – коэффициент загрузки по времени, К м = 0.9; Кв – коэффициент загрузки по мощности, Кв = 0.8; Wгб 266 5760 0.8 0.9 1103000 кВт∙ч; И эб 3.75 1103000 4137000 руб. Амортизационные отчисления: И ба р К б , где р – норма амортизационных отчислений, р = 0.11, И аб 0.11 1724000 189600 . И пб 792000 94820 4137000 189600 5213000 руб. Найдем приведенные общие эксплуатационные затраты: б Сэкс И пб , Wсб где Wсб – годовая производительность, Wсб 37600000 шт.; 151 б Сэкс 5213000 0.139 руб./шт. 37600000 Удельные капитальные вложения определяем по формуле: УКВб Е н Кб , Wсб где Ен – нормативный коэффициент, Е н = 0.15; УКВб 0.15 1724000 0.007 руб./шт. 37600000 4.10.2 Расчет капитальных вложений по проектному варианту 1 и 3 варианты системы Объем капитальных вложений: Кп К поб К пм К ппо , где К поб – капитальные вложения на оборудование, определяется по формуле: К поб Ц поб К во С пр , где Ц поб – цена оборудования в год приобретения, Ц обп 2012000 руб., Кобп 2012000 1 1 2012000 руб. К мп Ц обп а 1 К во Спр 2012000 ( 1.35 1) 1 1 704200 , Единовременные затраты на разработку проекта: К ппо Зппр n п , п где З ппр – зарплата инженера, Зпр 27000 руб.; п К по 27000 5 135000 руб. Кп 2012000 704200 135000 2851000 руб. Расчет издержек производства по проектному варианту: И пп И з И пр И пэ И па , где И з – годовая зарплата рабочих по обслуживанию, И з 12 З см Р , 152 где Зсм – среднемесячная зарплата рабочих, З см = 22000 руб; Р – общее число рабочих на установке, Р = 4 чел.; И з 12 22000 4 1056000 руб. И пр – годовые затраты на ремонт основных фондов, И рп К п 5.5 5.5 2851000 156800 руб. 100 100 И пэ – затраты на электроэнергию комплекса, И пэ Т э Wгп , где Wгп – годовой расход электроэнергии Wгп Р па Ф е К в К м , где Р па – активная мощность, Рап 266 кВт, Wгп 266 5760 0.8 0.9 1103000 кВт∙ч; И эп 3.75 1103000 4137000 руб. Амортизационные отчисления: И па р К п , И аб 0.11 2851000 261200 . И пп 1056000 156800 4137000 313600 5663000 руб. Найдем приведенные общие эксплуатационные затраты: С пэкс И з И пр И пэ И па Wсп , где Wсп – годовая производительность, Wсп 48100000 шт.; п Сэкс 5663000 0.118 руб./шт. 4810000 Удельные капитальные вложения определяем по формуле: 153 УКВп Ен Кп 0.15 2851000 0.009 руб./шт. Wсп 48100000 2 вариант системы Объем капитальных вложений: Кп К поб К пм К ппо , где К поб – капитальные вложения на оборудование, определяется по формуле: К поб Ц поб К во С пр , где Ц поб – цена оборудования в год приобретения, Ц обп 1649000 руб., Кобп 1649000 1 1 1649000 руб. К мп Ц обп а 1 К во Спр 1649000 ( 1.35 1) 1 1 577100 , Единовременные затраты на разработку проекта: К ппо Зппр n п , п где З ппр – зарплата инженера, Зпр 27000 руб.; п К по 27000 5 135000 руб. Кп 1649000 577100 135000 2361000 руб. Расчет издержек производства по проектному варианту: И пп И з И пр И пэ И па , где И з – годовая зарплата рабочих по обслуживанию, И з 12 З см Р , где Зсм – среднемесячная зарплата рабочих, З см = 22000 руб; Р – общее число рабочих на установке, Р = 4 чел.; И з 12 22000 4 1056000 руб. И пр – годовые затраты на ремонт основных фондов, И рп К п 5.5 5.5 2361000 129900 руб. 100 100 154 И пэ – затраты на электроэнергию комплекса, И пэ Т э Wгп , где Wгп – годовой расход электроэнергии Wгп Р па Ф е К в К м , где Р па – активная мощность, Рап 266 кВт, Wгп 266 5760 0.8 0.9 1103000 кВт∙ч; И эп 3.75 1103000 4137000 руб. Амортизационные отчисления: И па р К п , И аб 0.11 2361000 259700 . И пп 1056000 129900 4137000 259700 5582000 руб. Найдем приведенные общие эксплуатационные затраты: п Сэкс И пп , Wсп где Wсп – годовая производительность, Wсп 48000000 шт.; п Сэкс 5582000 0.116 руб./шт. 4800000 Удельные капитальные вложения определяем по формуле: УКВп Ен Кп 0.15 2361000 0.007 руб./шт. Wсп 48000000 4.10.3 Расчет экономической эффективности проекта Экономический эффект достигается за счёт следующих факторов: 1. Уменьшение количества брака. 2. Повышение производительности. 3. Рост потребительской цены и конкурентоспособности предприятия. Расходы: 155 1. Приобретение технических средств. 2. Разработка методики испытаний и проведение их. 3. Простой оборудования при монтаже и испытаниях. Для установления эффективности проектируемого производства сравниваем показатели рассчитанные выше. Величина издержек производства проекта и базового варианта определяется по формуле: Ссн б п Сэкс Сэкс 100 %. б Сэкс Годовой экономический эффект от реализации проекта в производство определяется по разности приведенных затрат: б п Эг ( С экс Е н УКВб ) ( С экс Ен УКВп ) Wсп . Срок окупаемости проекта: Т ок К п Кб . Эг Таблица 4.10.1 – Технико-экономические показатели базового и проектного варианта за счёт реализации ЭТМ Наименование показателей Объем капитальных вложений Амортизационные отчисления на оборудование Приведенные общие эксплуатационные затраты Удельные затраты энергоресурсов Величина издержек производства проекта и базового варианта Годовой экономический эффект Срок окупаемости Разность По 2 проектно му варианту Разность 2851000 +1127000 2361000 +637000 189600 313600 +124000 259700 +70100 р./шт. 0.139 0.118 -0.021 0.116 -0.023 кВт∙ч/ шт. 0.029 0.023 -0.006 0.023 -0.006 Ед. изм. По базовому варианту По 1 и 3 проектным вариантам р. 1724000 р. % 15.1 16.2 р. 991300 1069000 лет 1.2 0.6 156 4.11 Выводы по четвертой главе 1. 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 производительности. энергозатрат В зависимости и от максимально марки возможной выпускаемого кирпича потребляемая энергия сокращается на 1.9-7.2 %, рост производительности составляет 8-17.5 %. 2. В программной среде MatLab созданы вычислительные модели объекта управления и системы автоматического управления электроприводом шнека с формирователем задающего сигнала. 4. Проведены экспериментальные исследования на действующей установке, результатами которых явились динамические характеристики объекта управления, которые хорошо коррелируются с проведенными вычислительными экспериментами и подтверждают их адекватность. 5. 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 сформованного бруса. 157 датчика линейной скорости 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 в формующем звене пресса и влажность w керамической массы, степень разрежения Pв в вакуумкамере 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 и давление Р керамической массы в формующем звене, скорость υxф движения сформованного бруса, угловая скорость ωш шнека, прочность R готового кирпича. Вектор управляющих воздействий включает в себя частоту ω01 напряжения, питающего приводной двигатель шнека; расход Qв воды для увлажнения глины; частоту ω03 напряжения, питающего приводной двигатель вакуумного насоса. Основное возмущение – индекс течения ψ 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 158 сдвига в пространстве формующего звена. Анализ полученных результатов позволил выявить координату точки ( x lфз , y h2 2 ,z b 2 ) в рабочем объеме формующего звена, в которой значение 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 ( t,x lфз ,y h2 2,z b 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 O wPв технологических параметров формования керамической массы. 159 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». 160 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Кирпич [ретроспектива] [Электронный ресурс]. URL: http://www.domplan.ru/index.php?option=com_content&task=view&id=176&Itemid=75 (дата обращения: 12.10.2013). 2. Маркетинговое исследование российского рынка кирпича [Электронный ресурс]. URL: http://www.research-techart.ru/report/tapestry-brickmarket-report.htm?gclid=CIDC1-GR8KwCFYa-zAodxAv8Ag (дата обращения: 12.10.2013). 3. Отраслевое исследование «Производство и рынок керамического и силикатного кирпича России 2009-2012 гг.». Демо-версия // Информационное агентство «Info Line», 2012. – 17 с. 4. Григорьев, В.И. Шнековый пресс с системой очистки внутренней поверхности корпуса для формирования глиняного кирпича: дис. на соиск уч. ст. канд. техн. наук: 05.02.13 / Григорьев Владимир Иванович. – Белгород, 2010. – 146 с. 5. ГОСТ Р 55646-2013 Ресурсосбережение. Производство кирпича и камня керамических. Руководство по применению наилучших доступных технологий повышения энергоэффективности и экологической результативности. – М.: Стандартинформ, 2014. – 11 с. 6. Химическая технология керамики: учебное пособие для вузов / под ред. И.Я. Гузмана. – М.: ООО РИФ «Стройматериалы», 2003. – 496 с. 7. Современное оборудования для состояние керамических и тенденции развития строительных формовочного материалов. – М.: ЦНИИТЭСтройМаш, 1987. – 42 с. 8. Нагибин, Г.В. Технология строительной керамики / Г.В. Нагибин. – изд. 2-е перераб. – М.: «Высш. школа», 1975. – 280 с. 9. Наумов, М.М. Технология глиняного кирпича / М.М. Наумов, И.С. Кашкаев, М.А. Буз, Е.Ш. Шейнман, под. ред. М.М. Наумова. – М.: Издательство литературы по строительству, 1969 – 269 с. 161 10. ГОСТ 9231-80 Смесители лопастные двухвальные. Технические условия. – М.: ИПК Издательство стандартов, 2002. – 7 с. 11. Золотарский, А.З. Производство керамического кирпича / А.З. Золотарский, Е.Ш. Шейнман. – М.: Высш. шк., 1989. – 264 с. 12. Мороз, И.И. Технология строительной керамики / И.И. Мороз – Киев: «Вища школа», 1972. – 416 с. 13. Полозов, А.Н. Пресс СМК-296 для формования безраструбных керамических дренажных труб / А.Н. Полозов, Л.Г. Аснер, В.И. Малышков // Строительные и дорожные машины. – 1983. – № 3. – С. 8-9. 14. Лямин, В.Н. Строительные машины: справочник. В 2 т. Т. 2: Оборудование для производства строительных материалов и изделий / В.Н. Лямин, М.Н. Горбовец, И.И. Быховский. – М.: Машиностроение, 1991. – 496 с. 15. Ильевич, А.П. Машины и оборудование для заводов по производству керамики и огнеупоров / А.П. Ильевич. – М.: Издательство «Машиностроение», 1968 г. – 355 с. 16. Байсоголов, В.Г. Механическое оборудование заводов огнеупорной промышленности / В.Г. Байсоголов, П.И. Галкин. – М.: Государственное научно-техническое издательство литературы по чёрной и цветной металлургии, 1952. – 610 с. 17. Толкачёв, В.Я. Технология качественной экструзии изделий из глин / В.Я. Толкачёв. – Красноярск: Изд. «Компьютерные технологии», 2009. – 220 с. 18. Кашкаев, И.С. Производство глиняного кирпича / И.С. Кашкаев, Е.Ш. Шейнман. – изд. 3-е, перераб. и доп. – М.: «Высш. школа», 1978. – 248 с. 19. Августиник, А.И. Керамика / А.И. Августиник. – изд. 2-е, перераб. и доп. – Л.: Стройиздат (Ленингр. отд-ние), 1975. – 592 с. 20. Онищенко, Г.Б. Электрический привод / Г.Б. Онищенко. – М.: Издательский центр «Академия», 2006. – 288 с. 21. Розанов, Ю.К. Электронные устройства электромехнических систем / Ю.К. Розанов, Е.М. Соколова. – 2-е изд., стер. – М.: Издательский центр «Академия», 2006. – 272 с. 162 22. Розанов, Ю.К. Силовая электроника / Ю.К. Розанов, М.В. Рябчицкий, А.А. Кваснюк. – 2-е изд., стер. – М.: Издательский дом МЭИ, 2009. – 632 с. 23. ГОСТ 530-2012 Кирпич и камень керамические. Общие технические условия. – М.: Стандартинформ, 2012. – 39 с. 24. ТУ 5741-001-05208863-2005 Камни керамические с пустотами. Технические условия. – Самара: ЗАО «Самарский комбинат керамических материалов», 2005. – 12 с. 25. Галицков, С.Я. Управление формованием керамических камней в шнековом прессе с использованием элементов ассоциативной памяти / С.Я. Галицков, М.А. Назаров, К.С. Галицков, А.П. Масляницын // Научное обозрение. – 2013. – № 12. – С. 200-203. 26. Барабанщиков, Ю.Г. Формирование структуры и прочности строительных материалов при трении водосодержащих сырьевых смесей: дисс. на соиск. уч. ст. д-ра техн. наук: 05.23.05 / Барабанщиков Юрий Германович. – СПб, 2006. – 292 с. 27. Третьяков, И.М. Шнековые вакуум-прессы и вакуумные установки / И.М. Третьяков, С.Р. Голубович. – М.: Государственное издательство литературы по строительным материалам, 1953. – 92 с. 28. Микитчук, В.И. Повышение качества стеновой керамики / В.И. Микитчук. – Киев: Будiвельник, 1980. – 48 с. 29. Клофт, Т. Оптимизация работы шнековых экструдеров в производстве керамических стеновых материалов / Т. Клофт // Строительные материалы. – 2010. – № 4. – С. 64-65. 30. Барабанщиков, Ю.Г. Влияние скорости формования на прочность строительных изделий / Ю.Г. Барабанщиков // Научно-технические ведомости СПбГПУ. – № 6-1. – 2006. – С. 170-175. 31. Ничипоренко, С.П. Основные вопросы теории процессов обработки и формования керамических масс / С.П. Ничипоренко. – Киев: Издательство академии наук Украинской ССР, 1960. – 112 с. 163 32. Королёв, К.М. Исследование ленточных шнековых прессов пластического формования керамических изделий / К.М. Королёв. – М.: Центральный институт научно-технической информации машиностроения, 1960. – 84 с. 33. Трушин, А.В. Пластичность керамических и огнеупорных масс / А.В. Трушин // Стекло и керамика. – 1959. – № 9. – С. 31-34. 34. Элер, Е.А. Влияние динамики экструзии в шнековых прессах на качество формования изделий / Е.А. Элер, С.Г. Силенок // Строительные и дорожные машины. – 1982. – № 6. – С. 12-13. 35. Быхова, А.Ф. О выборе технологии производства керамических масс / А.Ф. Быхова, С.П. Ничипоренко, В.В. Хилько. – Киев: Наук. думка, 1980. – 52 с. 36. Leisenberg, W. Moisture measurement on ceramic raw materials / W. Leisenberg // Zigelindustrie International. – 2000. – № 8. – Pp. 25-32. 37. Фадеева, В.С. Формуемость дисперсных пластичных масс / В.С. Фадеева. – М.: Государственное издательство литературы по строительству, архитектуре и строительным материалам, 1961. – 434 с. 38. Ничипоренко, С.П. К теории обработки пластичных керамических масс / С.П. Ничипоренко. – Киев: Издательство академии наук Украинской ССР, 1954. – 40 с. 39. Лукин, Е.С. Технический анализ и контроль производства керамики / Е.С. Лукин, Н.Т. Андрианов. – М.: Стройиздат, 1975. – 271 с. 40. Туренко, А.В. Повышение качества керамических строительных изделий, формуемых на шнековых прессах / А.В. Туренко // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. – 2000. – № 2. – С. 36-37. 41. Фадеева, В.С. Формирование структуры пластичных паст строительных материалов при машинной переработке / В.С. Фадеева. – М.: Издательство литературы по строительству, 1972. – 221 с. 164 42. Фадеева, В.С. Пороки ленточного формования и меры борьбы с ними / В.С. Фадеева // Сб. «Улучшение качества глиняного строительного кирпича». – М.: Издательство «Легкая индустрия», 1964. – С. 42-46. 43. Рост, П.П. Формующие органы ленточного пресса / П.П. Рост, В.С. Фадеева // Стекло и керамика. – 1956. – № 7. – С. 16-23. 44. Балкевич, В.Л. Реологические свойства керамических масс / В.Л. Балкевич, Ю.М. Мосин. – М.: МХТИ им. Менделеева, 1983. – 68 с. 45. Апачанов, А.С. Процессы движения формуемой массы в винтовом канале шнекового пресса: автореферат дис. на. соиск. уч. ст. канд. техн. наук: 05.02.13 / Апачанов Антон Сергеевич. – Белгород, 2010. – 20 с. 46. Комская, М.С. Изучение движения глинистой массы в мундштуках ленточных прессов методом моделирования / М.С. Комская. – Киев: Государственное издательство литературы по строительству и архитектуре УССР, 1959. – 16 с. 47. Туренко, А.В. Исследование режимных параметров работы глиноперерабатывающего оборудования в зависимости от реологических свойств глины / А.В. Туренко // Строительные материалы. – 1978 – № 1. – С. 30-32. 48. Балкевич, В.Л. Определение пластической прочности для оценки формовочных свойств керамических масс / В.Л. Балкевич, Ю.М. Мосин, М.Н. Фирсова // Стекло и керамика. – 1980 – № 4. – С. 16-17. 49. Новопашин, А.А. Давление пластического течения глиняных масс / А.А. Новопашин // Стекло и керамика. – 1952 – № 11. – С. 14-17. 50. Handle, F. Extrusion in Ceramics / F. Handle. – Berlin: Springer, 2007. – 468 p. 51. Туренко, А.В. Повышение производительности шнекового пресса за счет эксплуатации его на оптимальном режиме / А.В. Туренко, С.Г. Силенок // Строительные и дорожные машины. – 1982 – № 1. – С. 13-14. 52. Туренко, А.В. О расчете производительности шнекового пресса / А.В. Туренко // Строительные и дорожные машины. – 1983 – № 3. – С. 20-23. 165 53. Туренко, А.В. Расчет глиноперерабатывающего оборудования и прессов пластического формования для производства керамических строительных изделий / А.В. Туренко. – М.: МИСИ, 1985. – 86 с. 54. Туренко, А.В. Оптимальные режимы работы глинообрабатывающего оборудования и ленточных прессов / А.В. Туренко, М.И. Роговой. – М: ВНИИЭСМ, 1979. – 59 c. 55. Гайдукевич, В.И. Регулирование скорости формования керамических строительных изделий на шнековых прессах / В.И. Гайдукевич. А.В. Туренко, Э.В. Шикуть // Строительные и дорожные машины. – 2001 – № 1. – С. 20-23. 56. Ничипоренко, С.П. О формовании керамических масс в ленточных прессах / С.П. Ничипоренко, М.Д. Абрамович, М.С. Комская. – Киев: Наукова думка, 1971. – 75 c. 57. Евстратова, Н.Н. Проектирование шнековых прессов для формования глиняного кирпича / Н.Н. Евстратова, А.В. Рудь. – Старый Оскол: ТНТ, 2013. – 152 с. 58. Галицков, С.Я. Моделирование поля скоростей сдвиговых деформаций керамической массы в формующем звене шнекового пресса / С.Я. Галицков, М.А. Назаров // Фундаментальные исследования. – 2013. – № 8-1. – С. 29-32. 59. Галицков, керамической массы С.Я. в Математическое шнековом прессе моделирование как формования объекта автоматизации производства кирпича / С.Я. Галицков, К.С. Галицков, М.А. Назаров // Промышленное и гражданское строительство. – 2013. – № 3. – С. 25-29. 60. Браславский, И.Я. Энергосберегающий асинхронный электропривод / И.Я. Браславский, З.Ш. Ишматов, В.Н. Поляков; под. ред. И.Я. Браславского. – М.: Издательский центр «Академия», 2004. – 256 с. 61. Новиков, В.А. Электропривод в современных технологиях / В.А. Новиков, С.В. Савва, Н.И. Татаринцев; под. ред. В.А. Новикова. – М.: Издательский центр «Академия», 2014. – 400 с. 166 62. Соколовский, Г.Г. Электроприводы переменного тока с частотным регулированием / Г.Г. Соколовский. – 2-е изд., испр. – М.: Издательский центр «Академия», 2007. – 272 с. 63. Денисов, В.А. Электроприводы переменного тока с частотным управлением / В.А. Денисов. – Старый Оскол: ТНТ, 2013. – 164 с. 64. Масляницын, А.П. Синтез системы автоматического управления давлением шнекового пресса / А.П. Масляницын, М.А. Назаров // Труды IX Всероссийской межвузовской научно-практической конференции «Компьютерные технологии в науке, практике и образовании». – Самара: СамГТУ, 2010. – С. 119-122. 65. Назаров, М.А. Разработка математической пластического формования керамических камней / М.А. модели процесса Назаров // Тезисы докладов XXXV Самарской областной студенческой научной конференции. Часть I. – Самара: СГАУ, 2009. – С. 259-260. 66. Назаров, М.А. Автоматизация процесса формования керамического кирпича в шнековом прессе / М.А. Назаров // Студенческая наука. Ис- следование в области архитектуры, строительства и охраны окружающей среды. Тезисы докладов 28-й межвузовской студенческой научно-технической конференции по итогам НИРС в 2008 г. / СГАСУ. - Самара, 2009. – С. 234. 67. Назаров, М.А. Автоматизация процесса пластического формования керамических камней в шнековом прессе / М.А. Назаров // Материалы 29-й межвузовской студенческой научно-технической конференции по итогам научно-исследовательской работы студентов: сборник трудов / СГАСУ. - Самара, 2010. – С. 228. 68. Богданов, В.С. Процессы в производстве строительных материалов и изделий / В.С. Богданов, А.С. Ильин, И.А. Семикопенко. – Белгород: «Везелица», 2007. – 512 с. 69. Воробьев, В.А. Теория, логическое проектирование, измерение, контроль и диагностика в системах автоматического управления / В.А. 167 Воробьев, А.В. Илюхин, В.И. Марсов, М.Ш. Минцаев, В.П. Попов. – М.: Изд-во Российской инженерной академии, 2009. – 790 с. 70. Мороз, И.И. Совершенствование производства кирпича / И.И. Мороз. – Киев: Издательство «Будiвельник», 1966. – с. 71. Зорохович, В.С. Системы управления машинами для производства стеновой керамики / В.С. Зорохович. – Л.: Стройиздат (Ленингр. отд-ние), 1984. – 132 с. 72. Авторское свидетельство 107141 SU. Способ непрерывного контроля формовочных свойств массы в головках ленточных прессов и устройство для его осуществления / Рост П.П.; заявл. 02.03.1954 г. за № 3639/455064 в Министерство строительного и дорожного строительства СССР. 73. Novatronic D2 plasticity control system [Электронный ресурс]. URL: http://www.zi-online.info/en/artikel/artikel_en_325631.html (дата обращения: 11.09.2013). 74. Галицков, С.Я. Структурный синтез интеллектуальной системы стабилизации прочности керамических камней на технологическом этапе их формования / С.Я. Галицков, М.А. Назаров // Инновации в науке – инновации в образовании: материалы Международной научно-технической конференции «Интерстроймех-2013». - Новочеркасск: ЮРГТУ(НПИ), 2013. – С. 33-34. 75. Галицков, С.Я. Математическое описание процесса подготовки керамической массы в двухвальном глиносмесителе как объекта управления / С.Я. Галицков, К.А. Иванов, М.А. Назаров, П.А. Сабанов, Е.К. Пименов // Научное обозрение. – 2014. – № 6. – С. 84-89. 76. Масляницын А.П., Назаров М.А. Методика синтеза системы управления шнековым прессом в среде // Традиции и инновации в строительстве и архитектуре: материалы 67-й Всероссийской научно- технической конференции по итогам НИР 2009 г. / СГАСУ. - Самара, 2010. – С. 807 – 808. 77. Масляницын А.П. Исследование управляемости шнекового пресса / А.П. Масляницын, М.А. Назаров // Традиции и инновации в строительстве и 168 архитектуре: материалы 68-й Всероссийской научно-технической конференции по итогам НИР 2010 г. / СГАСУ. - Самара, 2011. – С. 692 – 694. 78. Галицков, К.С. Математическая модель нагрузочного момента двигателя шнекового пресса при формовании керамических камней / К.С. Галицков, М.А. Назаров // Традиции и инновации в строительстве и архитектуре: материалы 71-й Всероссийской научно-технической конференции по итогам НИР 2013 г. / СГАСУ. - Самара, 2014. – С. 1004-1008. 79. Назаров, М.А. К вопросу моделирования процесса пластического формования керамических камней как объекта управления / М.А. Назаров // Традиции и инновации в строительстве и архитектуре: материалы 70-й Всероссийской научно-технической конференции по итогам НИР 2012 г. Ч. 2 / СГАСУ. - Самара, 2013. С. 459. 80. Вялов, С.С. Реологические основы механики грунтов / С.С. Вялов. – М.: Высш. школа, 1978. – 447 с. 81. Гноевой, А.В. Основы теории течений бингамовских сред / А.В. Гноевой, Д.М. Климов, В.М. Чесноков. – М.: Физматлит, 2004. – 272 с. 82. Силенок, С.Г. Механическое оборудование предприятий строительных материалов, изделий и конструкций / С.Г. Силенок, А.А. Борщевский, М.Н. Горбовец. – М.: Машиностроение, 1990. – 416 с. 83. Алямовский, А.А. SolidWorks. Компьютерное моделирование в инженерной практике / А.А. Алямовский, А.А. Собачкин, Е.В. Одинцов, А.И. Харитонович, Н.Б. Пономарев. – СПб.: БХВ-Петербург, 2006. – 800 с. 84. Каплун, Я.Б. Формующее оборудование экструдеров / Я.Б. Каплун, В.С. Ким. – М.: Машиностроение, 1969. – 160 с. 85. Масляницын, А.П. Математическая модель пластического формования керамического кирпича в шнековом прессе / А.П. Масляницын // Интерстроймех-2009: Материалы международной научно-технической конференции. – Бишкек: Кырг. гос. ун-т строит-ва, трансп. и архит., 2009. – С. 97-101. 169 86. Смирнов В.В. Ультразвуковой контроль подвижности бетонной смеси / В.В. Смирнов, М.А. Назаров // Фундаментальные исследования. – 2013. – № 10-12. – С. 2630-2633. 87. Королёв, К.М. Исследование ленточных шнековых прессов пластического формования керамических изделий / К.М. Королёв. – М.: Центральный институт научно-технической информации машиностроения, 1960. – 84 с. 88. Назаров, М.А. Идентификация формования кирпича в шнековом прессе по отношению к технологическим переменным / М.А. Назаров // XVIII Московская международная межвузовская научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные, путевые машины и робототехнические комплексы». Материалы конференции. Часть II. – М., МАДИ, 2014. – С. 177-179. 89. Галицков, С.Я. Идентификация скорости сдвига керамической массы в формующем звене шнекового пресса как объекте автоматизации / С.Я. Галицков, М.А. Назаров, В.В. Смирнов // 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. 90. Мауро, О.И.Д. Исследование рациональных режимов работы шнековых прессов в зависимости от реологических свойств формуемой керамической массы: дис. на соиск. уч. ст. канд. техн. наук: / Оскар Идальго Диас Мауро. – М., 1993. – 173 с. 91. Галицков, С.Я. Динамика асинхронного двигателя / С.Я. Галицков, К.С. Галицков, А.П. Масляницын. – Самара: СГАСУ, 2004. – 97 с. 92. Масляницын, А.П. Моделирование процесса пластического формования керамических камней в среде Matlab Simulink / А.П. Масляницын, М.А. Назаров // Труды VIII Всероссийской межвузовской научно-практической конференции «Компьютерные технологии в науке, практике и образовании». – Самара: СамГТУ, 2009. – С. 134-137. 170 93. Чубаров, Г.С. Методы повышения производительности формовочных отделений заводов по производству глиняного кирпича / Г.С. Чубаров. – М.: Государственное издательство литературы по строительным материалам, 1967. – 32 с. 94. Интеллектуальные системы автоматического управления / под. ред. И.М. Макарова, В.М. Лохина – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2001. – 576 с. 95. Проталинский, О.М. Концепция интеллектуального управления технологическими процессами грузового порта на основе имитационных моделей / О.М. Проталинский, А.А. Ханова // Вестник АГТУ. – 2007. - № 1 (36). – С. 46-49. 96. Ильин, А.С. Машины и оборудование для подготовки силикатных и керамических смесей / А.С. Ильин, М.Э. Купершмидт. – М.: ЦНИИТЭСтройМаш, 1987. – 39 с. 97. Галицков, тротехническим К.С. Алгоритм комплексом согласованного формования управления керамической массы элекпри производстве кирпича / К.С. Галицков, М.А. Назаров // Интерстроймех-2014: Материалы международной научно-технической конференции / СГАСУ. Самара: СГАСУ, 2014. – С. 194-197. 98. Бауман, В.А. Механическое оборудование предприятий строительных материалов, изделий и конструкций / В.А. Бауман, Б.В. Клушанцев, В.Д. Мартынов. - М.: Машиностроение, 1981. – 324 с. 99. Галицков, К.С. Робастная устойчивость системы автоматического управления формованием керамической массы в шнековом прессе / К.С. Галицков, М.А. Назаров // Интерстроймех-2014: материалы Международной научно-технической конференции / СГАСУ. – Самара, 2014. – С. 197-200. 100. Поляк Б.Т., Щербаков П.С. Робастная устойчивость и управление. – М.: Наука, 2002. – 303 с. 101. Аналого-цифровое и цифро-аналоговое преобразование [Электронный ресурс]. URL: http://www. http://ets.ifmo.ru/denisov/dsp/lec3.htm (дата обращения: 6.04.2014). 171 102. Назаров, М.А. Математическое моделирование лопастного глиносмесителя с пароувлажнением как объекта управления / М.А. Назаров, А.П. Масляницын // Компьютерные технологии в науке, практике и образовании: Труды десятой Всероссийской межвузовской научно- практической конференции. – Самара: СамГТУ, 2011. – С. 186-189. 103. Назаров М.А., Масляницын А.П. Структурное моделирование процесса перемешивания керамической массы в лопастном глиносмесителе непрерывного действия как объекта управления / М.А. Назаров, А.П. Масляницын // Традиции и инновации в строительстве и архитектуре: материалы 69-й Всероссийской научно-технической конференции по итогам НИР 2011 г. / СГАСУ. - Самара, 2012. – С. 456-459. 104. Бесконтактный измеритель длины и скорости [Электронный ресурс]. URL: http://www.alfa-sensor.ru/ru/non-contact-length-speed-gauge-microSPEED- smartsensor (дата обращения: 7.05.2014). 105. Вискозиметры Брукфильда [Электронный ресурс]. URL: http://www.polypribor.ru/pages_89/index.html (дата обращения: 7.05.2014). 106. VSR – Smartline™ Vakuum-Transmitter [Электронный ресурс]. URL: http://www.allcontrol.ch/index.php/vakuumtechnik/16-produkte/vakuumtechnik/188vsr-smartline-vakuum-transmitter (дата обращения: 7.05.2014). 107. Hydromix VII [Электронный ресурс]. URL: http://betobor.ru/up/hydromix.pdf (дата обращения: 7.05.2014). 108. Тахогенератор ТП-212 [Электронный ресурс]. URL: ресурс]. URL: http://ozem.biz/production/tp-212 (дата обращения: 7.05.2014). 109. iROBO-2000-40i5TRHN-G2 [Электронный http://www.irobo.ru/models/2000/64847/ (дата обращения: 7.05.2014). 110. Simatic S7-400 [Электронный ресурс]. URL: http://adventa.su/stati_Simatic_s7_400 (дата обращения: 7.05.2014). 111. Методические рекомендации по оценке эффективности инвестиционных проектов. Официальное издание / В.В. Коссов, В.Н. Лившиц, А.Г. Шахназаров. - М.: Экономика, 2000 – 421 с. 172 ПРИЛОЖЕНИЯ 173 ПРИЛОЖЕНИЕ А 174 175 (6), который подает в смеситель пар для увлажнения керамической массы. Пар поступает через отверстия в гребне, располагающиеся в центре корыта. Для предотвращения засорения отверстий глиной сверху с небольшим зазором их закрывает специальный элемент (7). Из смесителя керамическая масса, поступает в вакуум-камеру (8). Предварительно она разрезается фрезами (9) на мелкие стружки, которые за время свободного падения в вакуум-камере интенсивно обезвоздушиваются. Разрежение в камере создается вакуум-насосом (10). В шнековой камере (11) при помощи питающих валков (12) масса нагнетается в заборную часть шнекового вала (13) пресса, который транспортирует, уплотняет и выдавливает ее через формующее звено в виде непрерывного бруса заданного поперечного сечения. Привод смесителя включает в себя двигатель (14), муфту и ременную передачу (15), привод пресса – двигатель (16), муфту, ременную передачу (17) и двухступенчатый цилиндрический редуктор (18). Формующее звено состоит из мундштука (19), назначение которого – придание заданного профиля выходящей массе, головки (20), служащей для преобразования формы поперечного сечения потока и равномерной подачи массы к мундштуку, специального кольца (21), обеспечивающего требуемую длину головки. Основные технические характеристики исследуемого шнекового вакуумного пресса приведены в таблице 1. Таблица 1 – Основные технические характеристики шнекового вакуумного пресса Händle PZG 60b/50 Параметр Величина Диаметр шнека загрузочной зоны, мм выпорной лопасти, мм Производительность номинальная, т/ч Мощность приводного двигателя шнека, кВт смесителя, кВт Максимальное давление, МПа Передаточное число ременной передачи редуктора Масса пресс, т смеситель, т 600 500 42.7 160 75 3 3.4 21 9.75 6 2. Цели исследования 1. Определение показателей качества автоматической системы управления давлением керамической массы в формующем звене пресса. 2. Оценка адекватности предложенной в [1] математической модели процесса формования керамической массы в вакуумном прессе как объекта управления на примере пресса Händle PZG 60b/50 путем сравнения показателей качества управления системы автоматической стабилизации давления 176 1 9 3 5 А 10 3 13 2 А–А 7 8 12 14 4 А 2 17 6 16 20 18 11 19 15 21 Рисунок 1 – Типовая конструкция шнекового вакуумного пресса для формования керамических камней 177 1 керамической массы на работающем прессе с показателями качества управления, полученными на модели этой автоматической системы, в которой используется разработанная авторами математическая модель [1] процесса формования. 3. Экспериментальная установка Пресс оборудован формующим звеном 1 (рис. 2) для производства камня ТУ 5741-001-05208863-2005 из глины Алексеевского месторождения. Экспериментальная установка представляет собой комплекс оборудования, включающий в себя шнековый вакуумный пресс 2, силовой преобразователь частоты 3, электромагнитный клапан дозирования пара 4, систему автоматического управления давлением 5 в головке шнекового пресса, включающую в себя электромагнитный клапан дозирования воды 6, датчик давления 7, задатчик 9, устройство сравнения 10, регулятор 11, модуль ШИМ 12, SCADA-систему 13. Скорость вращения шнека зависит от частоты питающего приводной двигатель напряжения, регулируемой силовым преобразователем частоты Веспер EI-9011 200h. Таблица 2 – Технические характеристики приборов и оборудования, применяемых при экспериментальных исследованиях. Приборы и оборудование Тип прибора Электромагнитный клапан дозирования воды Innovatherm KW 5-10/2 Датчик давления (пьезорезистивный) в составе электронного пластометра Innovatherm Программируемый контроллер Siemens S7-400 Технические характеристики Dу = 14.5 мм; Pу = 0.5...6 бар Uпит = 12 В Диапазон измеряемых давлений 0...25 бар; δ = +/–0.2...0.3 %; Uпит = 110 В/ 220 В Функционально процесс пластического формования можно представить в виде схемы (рис. 3). Причем в качестве внешних воздействий выделены частота напряжения, питающего приводной двигатель шнека, ω0, величина разрежения в вакуумной камере Pв, индекс течения ψ и влажность w керамической массы. Под выходными координатами понимаются давление Р и скорость сдвига , керамической массы в формующем звене шнекового пресса, определяющие прочность R готового кирпича после сушки и обжига. Величина угловой скорости ωш шнека изменяется с помощью управляемого силового преобразователя частоты УСП1, который формирует частоту ω0 напряжения переменного тока, подаваемого приводной двигатель АД шнека. Требуемая величина разрежения Рв в вакуум-камере обеспечивается вакуумным насосом ВН, управляемым с помощью преобразователя УСП2. Величина ψ может рассматриваться как возмущающее воздействие. 178 Рисунок 3 – Функциональная схема процесса пластического формования 179 Система стабилизации давления 6 Вода Воздух 2 Пар 3 4 1 ~ СПЧ 7 13 ДД 9 5 10 11 8 12 CO MPAC T SCADAсистема PO W ER DI SK POWER E Accu Syn c 12 0 XPRESS 5 800 ES1200 S ERIES R Задатчик Ртр Модуль ШИМ Программируемый контроллер Система стабилизации давления Рисунок 2 – Схема экспериментальной установки 180 Для управления давлением Р используется управляющее устройство, включающее в себя регулятор давления RР, электромагнитный клапан ЭМК обеспечивающий расход Q добавочной воды в смеситель, датчик давления ДД и широтно-импульсный модулятор ШИМ для сопряжения регулятора RР с клапаном ЭМК. Управление величиной давления керамической массы осуществляется путем введения в смеситель добавочной воды, расход которой определяется продолжительностью открытия электромагнитного клапана Innovatherm KW 510/2 с помощью модуля широтно-импульсного модулятора (ШИМ). Влажность формуемой массы можно изменить путем подачи пара посредством электромагнитного клапана SAMSON 3241 02 GG-25. В системе стабилизации давления применяется ПИД-регулятор, передаточная функция которого имеет вид: TD p 1 WR ( p ) K 1 . (1) TM _ LAG p 1 TI p Он включает в себя пропорциональный регулятор с коэффициентом передачи K, реальное дифференцирующее звено с постоянной времени дифференцирования и постоянной времени апериодического звена TM _ LAG , интегратор с постоянной времени интегрирования K–1·TI. Из технической документации известно K = 6.5, TD = 25 с, TM _ LAG = 2 с, TI = 50 с. ПИД-регулятор, устройство сравнения и задатчик требуемой величины давления в головке шнекового пресса реализованы на базе программируемого микроконтроллера Siemens S7-400. Цифроаналоговый (ЦАП) и аналогоцифровой (АЦП) преобразователи 12-тиразрядные. Представим их безынерционными звеньями с коэффициентами передачи [2] 212 1 k АЦП 409.5 имп/В; 10 10 k ЦАП 12 2.44 10 3 В/имп. 2 1 Период замыкания цифрового контура управления Tп = 0.005 с, тогда 1 1 частота замыкания п 200 Гц. Т п 0.005 Электромагнитный клапан дозирования воды опишем апериодическим звеном и нелинейностью типа «ограничение по уровню», которая определяет максимальное значение расхода воды на уровне Qmax = 9.34·10–4 м3/с. Время открытия/закрытия электромагнитного клапана составляет tоз = 1 c, тогда его коэффициент передачи и постоянная времени: Qmax 9.34·10 –4 kэ 7.78·10 –5 м3/(с·В); U пит 12 t 1 Т э оз 0.33 с. 3 3 181 Датчик давления считаем безынерционным звеном с коэффициентом передачи U дд 10 kдд 4 10 6 В/Па. Pдд 2500000 Система стабилизации давления (рис. 4) работает следующим образом. С помощью задатчика 1 формируется сигнал требуемого значения давления формования Pтр. В системе имеется контур стабилизации давления формования. Величина требуемого значения давления формования приходит на прямой вход устройства сравнения 2, а его инверсный вход соединен с выходом аналогоцифрового преобразователя 8, который преобразует непрерывный сигнал датчика давления Innovatherm 7, регистрирующего давление P керамической массы в головке шнекового пресса, в цифровую форму. Сформированный на выходе устройства сравнения сигнал поступает на ПИД-регулятор 3. Полученная на выходе ПИД-регулятора цифровой сигнал преобразуется в последовательность прямоугольных импульсов с помощью цифрового модуля широтно-импульсной модуляции 4, выход которого соединен с электромагнитным клапаном дозирования воды Innovatherm KW 5-10/2 5, обеспечивающим необходимый для достижения требуемого значения давления формования расход воды Q, поступающей в загрузочное окно пресса. Элементы системы 1 – 4, 8 реализованы на базе программируемого микроконтроллера Siemens S7-400. Рисунок 4 – Структурная схема системы стабилизации давления 4. Методика проведения испытаний Оценку показателей качества управления системы стабилизации давления керамической массы в формующем звене шнекового пресса выполним по временным характеристикам давления как реакции на изменение задающего сигнала при производстве керамического камня KERAKAM 38 (КПТН II) ТУ 5741-001-05208863-2005 из глины Алексеевского месторождения. Исследования поводились без остановки производственного процесса. Изначально сигнал задания Pтр = 1.7 МПа, в момент времени t = 1000 c был ступенчато снижен до величины 1.5 МПа (рис. 5, кривая 3). В результате 182 наблюдалось изменение давления формования (рис. 5, кривая 1). На рисунке 6 представлен вид экрана SCADA-системы при проведении эксперимента. Для оценки адекватности разработанной [1] математической модели процесса пластического формования керамических камней в шнековом прессе как объекта управления создана вычислительная модель в программной среде Matlab Simulink рассматриваемой системы стабилизации давления, в которой используется разработанная математическая модель процесса формования [1] как объекта управления, дополненная математической моделью процесса перемешивания [3]. На вычислительной модели (рис. 7) выполнены вычислительные эксперименты по исследованию динамики системы при таком же, что и на действующей установке, характере изменения сигнала задания Ртр. Полученная на модели кривая переходного процесса показана на рисунке 5 (кривая 2). 1750000 1700000 1650000 1600000 1550000 1500000 1450000 990 1090 1190 1290 1390 1490 Рисунок 5 – Изменение давления формования во времени Построены частотные характеристики линеаризованной разомкнутой системы (рис. 8). Из них следует, что частота среза системы ωс = 0.01 с–1. Известно, что частота п замыкания цифровой системы стабилизации давления составляет п 200 Гц . Следовательно, выполняется условие теоремы Котельникова-Шеннона п 2 с . Поэтому можно считать, что рассматриваемая система является квазинепрерывной. 183 Для оценки адекватности разработанной в [1] и [3] математической модели динамики процесса формования керамической массы в шнековом вакуумном прессе как объекта управления сравним кривые 1 и 2, показанные на рисунке 5. При этом используем величину среднеквадратичного отклонения: t 1 2 2 I ( t ) dt , t2 t1 t1 где ε – относительная ошибка вычислительного эксперимента при сравнении с натурным. 20 10 0 -10 -20 -30 -40 -50 -60 0.001 0.01 0.1 0.01 0.1 1 10 0 -90 -180 -270 0.001 1 10 Рисунок 8 – Частотные характеристики линеаризованной разомкнутой системы 184 Расчеты показали, что величина среднеквадратичного отклонения для кривых изменения давления формования составляет 5.2 %. Поэтому можно сделать вывод об адекватности разработанной математической модели. 5. Результаты натурных испытаний 5.1. Получены кривые переходного процесса «в малом» давления формования при ступенчатом изменении управляющего воздействия. Показано, что время переходного процесса на действующей установке составляет tпп = 320 с, величина перерегулирования σ = 6.5 %. 5.2. Проведены вычислительные эксперименты по исследованию динамики системы стабилизации давления, в которой используются созданные в [1] и [3] математические модели динамики процесса формования керамической массы в шнековом вакуумном прессе как объекта управления и известные математические модели всех остальных звеньев системы технологической установки. В модели используется такое же изменение управляющего воздействия, что и на действующей установке. Показано, что характер процесса на модели в основном совпадает с процессом на действующем оборудовании. Установлено, что модели время переходного процесса составляет tпп = 390 с, величина перерегулирования σ = 6 %. 5.3. Произведено сравнение результатов натурных и вычислительных экспериментов. Показано, что величина среднеквадратичного отклонения для кривых изменения давления формования составляет 5.2 %. 5.4. Сделан вывод об адекватности разработанных математических моделей [1] и [3] динамики процесса формования керамической массы в шнековом вакуумном прессе как объекта управления и возможности их использования при синтезе нового класса систем автоматического управления шнековым прессом. Библиографический список 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. 29-32. 2. Аналого-цифровое и цифро-аналоговое преобразование [Электронный ресурс]. URL: http://www. http://ets.ifmo.ru/denisov/dsp/lec3.htm (дата обращения: 6.04.2014). 3. Назаров М.А., Масляницын А.П. Математическое моделирование лопастного глиносмесителя с пароувлажнением как объекта управления // Компьютерные технологии в науке, практике и образовании: Труды десятой Всероссийской межвузовской научно-практической конференции. – Самара: СамГТУ, 2011. – С. 186-189. 185 Рисунок 6 – Вид экрана SCADA-системы при проведении эксперимента 186 Рисунок 7 – Вычислительная модель процесса пластического формования 187 188 ПРИЛОЖЕНИЕ Б 189 190 ПРИЛОЖЕНИЕ В 191 192 193 194 195 ПРИЛОЖЕНИЕ Г 196 197 198
