Моделирование систем управления сложными технологическими объектами: На примере пиролизной установки

Общая площадь покрытых лесом земель региона Дальнего Востока составляет 273,7 млн. га, из которых 1/3 территорий занято насаждениями лиственных пород общим запасом древесины порядка 2,3 млрд. м3. В 1998 г. пройдено пожаром около 2млн. га из них погибло насаждений на 250 тыс.га. Пожаром пройдены площади в отдалении от населенных пунктов в 20−100 км и являются доступными к освоению. Это наиболее продуктивные леса с запасом древесины 200 м на 1 га.

Рассматривая обстановку сложившуюся в лесных массивах России, и Дальнего Востока в частности, после летних пожаров, можно прогнозировать, что в скором будущем огромные запасы древесины на пожарищах превратятся в гниющие бесполезные останки. Ставя политику добычи древесины необходимо учесть этот немаловажный фактор и организовать разработку горельников.

Одним из возможных способов использования описанных древесных отходов как сырьевую базу для получения продукта — древесного угля способом пиролиза в углевыжигательных печах непосредственно на местах разработки. Кроме того, перерабатывать предлагаемым способом можно и древесные отходы оставшиеся после получения сортового леса.

Перечень товарной продукции пиролизного и переделочного производств насчитывает несколько десятков наименований, но главным являются древесный уголь, пищевая уксусная кислота, смола и различные смо-лопродукты. Основными потребителями древесного угля является цветная металлургия, производство сероуглерода и активированных углей.

С точки зрения управляемости какого бы то ни было технологического цикла, основной проблемой является полнота информации о состоянии объектов управления, степень их управляемости и инерционность самого процесса. Зачастую на практике встречаются случаи, когда очень сложно собрать и адекватно оценить информацию о состоянии объекта управления вследствие специфических свойств либо сложной структуры самого объекта.

Объект исследования, его признаки, область использования, актуальность. Объектом исследования является процесс пиролиза древесины в углевыжигательных печах периодического действия. Существенными признаками которого, являются динамические области полей с повышенной температурой. Упомянутые области являются труднодоступным объектом для управления и требуют доскональной отработки алгоритмов управления процессами, протекающими в установке. Кроме того, в подобных устройствах необходима четкая система контроля параметров процесса, а это возможно только при правильной подготовке и установке датчиков в системе. А если учесть, что необходима увязка всех перечисленных вопросов с конструкцией устройств с самых начальных этапов проектирования, то ясно проявляется потребность в глубоком моделировании системы УСТРОЙСТВО-ПРОЦЕСС с выходом на ее оптимизацию.

Краткая история развития объекта исследования и современное состояние вопроса. Получением древесного угля люди занимались испокон веков в земляных ямах. Продуктами являлись древесный уголь и деготь которые широко использовались в хозяйственных целях.

Систематические исследования технологии процесса пиролиза начались в начале прошлого века. Перечень продукции, получаемой из древесины, посредством пиролиза постоянно расширялся. Для этих целей были разработаны и применялись различные технические решения [1, 8]. В настоящее время существующие решения можно разделить на два класса. Первый — это стационарные устройства больших объемов и габаритов реализованных в виде деревообрабатывающих заводов. Второй класс — это мобильные установки, действующие в условиях максимально приближенных к местам добычи древесины.

Недостатки объекта исследования. Отсутствие глубокого исследования процесса с позиции его управляемости не позволили достичь необходимых показателей качества процесса в массовом производстве, что связано с огромными потерями на зольность в условиях неравномерного протекания процесса. При проектировании конкретных устройств [1, 12], несомненно, имел место однобокий подход к исследованию проектируемых изделий. Качественные показатели данных установок говорят сами за себя — 40% выхода продукта в лабораторных условиях.

Цель работы. Повышение экономичности процесса пиролиза древесины и повышение качества получаемого продукта в мобильных углевы-жигающих установках периодического действия путем глубокого моделирования протекания процесса при проектировании подобных установок с выходом на оптимизацию конструкции и алгоритмов управления процессами протекающих в данных устройствах.

Признаки предмета исследования и его определение. Диссертационная работа направлена на:

1. Выбор критерия между различными подходами к моделированию сложных технологических процессов в углевыжигательных печах.

2. Построение математической модели процесса пиролиза древесины в мобильных углевыжигательных установках периодического действия для задач оптимизации конструкции и алгоритмов управления.

3. Разработку методов разбиения системы на элементы с целью нахождения критерия оптимальности степени дробления системы и адекватности ее описания с помощью этих элементов.

4. Разработку алгоритмов управления процессом пиролиза древесины, позволяющих реализовать оптимальный режим протекания процесса при минимальном количестве априорно заданной информации и непрерывно корректировать этот режим в условиях динамического изменения температурных полей в объеме углевыжигательной установки.

Предметом исследования является мобильная пиролизная установка, реализующая поэтапный процесс получения древесного угля и система управления процессом пиролиза.

Формулировка научной проблемы Исходя из изложенного, научная проблема диссертационного исследования формулируется следующим образом:

1. Глубокий математический анализ проектируемых устройств и процессов происходящих в них.

2. Выработка критериев оценки состояния процесса на всех этапах его протекания.

3. Построение алгоритмов управления процессом пиролиза древесины исходя из конкретных ситуационных факторов и граничных условий.

4. Разработка методологии подхода к решению описанной проблемы в различных вариантах ее постановки.

Аннотация диссертаиионной работы.

В первой главе диссертационной работы приведен обзор технических решений устройств пиролиза древесины по подходу к реализации управления данными объектами. Выполнен анализ используемых комплексов отечественного и зарубежного производства. Рассмотрены различные типы организации процесса пиролиза, схемы выполнения пиро-лизных установок. Значительное место уделено рассмотрению существующих методов математического анализа, позволяющих учесть различные факторы, влияющих на протекание процесса. В заключении главы поставлены задачи исследования.

Вторая глава посвящена вопросам разработки конструктивных решений при моделировании происходящих процессов, как в статическом состоянии систем, так и в динамике. По результатам математического анализа и учета конструктивных особенностей, вновь создаваемых устройств пиролиза древесины в вариантах 1 и 2, построены вторичные математические модели, позволяющие получить подробное описание состояния тепловых полей в установках на всех этапах протекания процесса, а также провести оптимизацию базовых конструктивных параметров установок.

Третья глава посвящена разработке методики подхода к созданию систем управления на базе математических моделей. Имеется описание конкретных алгоритмов управления в вариантах исполнения устройств. Значительное место уделяется выбору критериев оценки состояния тепловой системы в различных вариантах протекания процесса.

Четвертая глава направлена на программно-аппаратную реализацию произведенных расчетов по результатам исследований. В объеме четвертой главы представлены конкретные схемотехнические решения позволяющие реализовать результаты математического моделирования и отразить разработанные алгоритмы управления. Приведены экспериментальные подтверждения аналитическим зависимостям выведенных при моделировании процесса.

На защиту выносятся.

Системный анализ отечественных и зарубежных пиролизных установок и методика расчета тепловых полей, на основе которых создана и впервые представлена классификация типов существующих и вновь предложенных способов создания системы управления, позволяющая наглядно и обозримо провести систематизацию программно-аппаратных средств, а также путей повышения качества на основе практики известных исследований и проведенных автором натурных испытаний. 9.

Созданные и защищенные 4 авторскими свидетельствами и патентами новые устройства пиролиза древесины и способ управления, позволяющие существенно поднять эффективность протекания процесса пиролиза древесины в условиях нечеткости получаемой информации при математическом моделировании данного процесса.

Разработанные теоретические положения см. глава 2 позволяют построить математические модели в двух вариантах исполнения устройства, с учетом особенностей протекания процесса пиролиза.

Разработанную методику синтеза систем управления процессом пиролиза древесины.

Результаты экспериментальных исследований по оценки адекватности расчетных и реальных параметров.

В завершение вводной части хотелось бы выразить благодарности тем людям, стараниями которых данная работа достигла своего завершающего этапа. Огромную роль сыграл заведующий кафедрой ЭПиАПУ КнАГТУ к.т.н. профессор Соловьев Вячеслав Алексеевич, который руководил данным направлением с момента его формирования. Неоценимую помощь оказал инженер Рубцов Юрий Васильевич, который поставил задачи исследования с позиции богатейшего опыта ведущего специалиста в области обработки древесины.

1. Основные результаты диссертационной работы.

1.1. В работе выполнен системный анализ отечественных и зарубежных установок пиролиза древесины, создана классификация типов существующих конструктивных решений, а также путей повышения их качества на основе практики известных исследований и проведенных автором натурных испытаний.

1.2. Созданы и защищены авторскими свидетельствами новые конструкции, позволяющие существенно поднять эффективность использования, как сырья процесса пиролиза, так и теплоносителя. Кроме того, использование предложенных результатов позволит повысить качественно-количественные показатели получаемого продукта — древесного угля.

1.3. Разработаны математические модели статического и динамического состояния системы пиролиза с учетом особенностей конкретных углевыжигательных установок.

1.4. Предложена методика синтеза систем управления процессом пиролиза на базе вновь предложенных алгоритмов по оценке состояния системы и оптимизации параметров протекающего процесса. Выявлены области наиболее благоприятного протекания процесса пиролиза древесины, построенные по результатам анализа тепловых состояний сырья на каждом этапе протекания процесса. Созданные положения позволили провести качественный и количественный анализ влияния начальных возмущений на параметры процесса.

1.5. Выполнены исследовательские и опытно-конструкторские работы по отработке предложенной методики.

1.6. Получены результаты экспериментальных исследований. Испытания установок проведены на физической модели, результаты которых подтверждают адекватность произведенного моделирования.

1.7. Разработан критерий оптимизации настройки системы управления направленный на максимизацию выхода конечного продукта.

1.8. Предложены новые способы управления процессом пиролиза древесины и системы его реализующие.

2. Научная новизна теоретических положений и результатов экспериментальных исследований.

2.1. Для системного решения задач исследования автором создана и впервые представлена классификация подходов к построению систем управления процессом пиролиза, позволяющая наглядно и обозримо провести синтез системы для различных вариантов исполнительных устройств.

2.2. Автором впервые представлены теоретические положения по определению описанию любого теплового элемента с позиции теории автоматизированного управления.

2.3. Впервые предложен способ управления процессом основанный не на регулировании распределением теплового поля в объеме камеры сугливания, а на изменении пространственного расположения сырья.

2.4. Впервые предложены и конструктивно проработаны технические решения устройств и механизмов, защищенных 4 патентами на изобретения.

2.5. Впервые определен критерий оптимальной настройки системы управления пиролизными установками, направленный на интенсификацию выхода продукта — древесного угля.

2.6. Впервые приведены результаты натурных экспериментальных исследований на базе физической модели.

3. Методы исследования, достоверность и обоснованность результатов диссертационной работы.

3.1. Разработка теоретических положений и создание на их основе математических моделей тепловых систем стало возможным благодаря комплексному использованию теоретических и экспериментальных методов исследования. Решение ряда новых задач теплотехники, поставленных в работе, стало возможным благодаря известным достижениям указанных научных дисциплин и не противоречит их положениям, базируется на строго доказанных выводах фундаментальных и прикладных наук, таких как математический анализ, математическая статистика, теория теплопередачи, теория оптимизации и планирование эксперимента. Созданные методики расчета согласуются с опытом их проектирования.

3.2. Разработанные теоретические положения и новые технические решения опробованы экспериментально. Экспериментальные исследования метрологически обеспечены и проводились на экспериментальной базе Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета. Результаты эксперимента и испытаний анализировались и сопоставлялись с известными экспериментальными данными других исследователей.

4. Практическая и научная полезность результатов диссертационной работы.

4.1. Разработанные в диссертационной работе новые положения теории проектирования тепловых установок, позволяют повысить эффективность проведения НИР и ОКР при создании новых образцов и модернизации известных установок на предприятиях отрасли, повысить качественные результаты разработок.

4.2. Полученные автором решения задач теории расчета и моделирования устройств пиролиза древесины позволяют существенно сократить объем экспериментальных исследований или полностью их исключить, что дает возможность значительно снизить затраты материальных ресурсов, денежных средств и времени на отработку изделий. Кроме этого отдельные теоретические результаты являются определенным вкладом в общую теорию таких наук как автоматизированное управление, математическое моделирование и проектирование высокотемпературных установок.

4.3. Разработанные и запатентованные конструктивные решения позволяют поднять качественные показатели известных устройств, повысить выход продукта процесса пиролиза. Идеи некоторых оригинальных устройств могут быть использованы при проектировании новых технических систем.

5. Апробация работы.

5.1. По результатам доклада о результатах настоящей работы на кафедре «Компьютерные системы управления» МГТУ «СТАНКИН» было принято решение об использовании методических разработок в учебном.

137 процессе по курсам «Моделирование систем» и «Управление процессами и объектами в машиностроении».

5.2. Физическая модель, разработанная по результатам настоящей работы (см. Приложение 5) являлась опытной базой для постановки экспериментов, анализ результатов которых показал адекватность полученных теоретических положений.

5.3. Основные положения и результаты работы опубликовывались в журналах и сборниках 73−76, докладывались и обсуждались на семинарах и конференциях в городах Москва, Томск, Хабаровск, Комсомольск-на-Амуре.

Заключение

.