Структурное моделирование и оптимальное управление температурными режимами жидкого металла в газовых отражательных печах для плавления алюминиевых сплавов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.06, кандидат технических наук Узенгер, Алексей Андреевич

• Узенгер, Алексей Андреевич
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Узенгер, Алексей Андреевич

Содержание.

Введение.

1. Проблема управления температурными режимами жидкометаллической ванны в газовых отражательных печах для плавления алюминиевых сплавов.

1.1 Современные плавильные печи для алюминиевых сплавов.

1.2 Влияние температуры жидкой фазы на свойства сплава в процессе его приготовления в газовых отражательных плавильных печах.

1.3 Существующие методы контроля и регулирования температуры жидкой фазы в газовых плавильных и раздаточных печах для алюминиевых сплавов. Задачи исследования.

2. Газовая отражательная печь для алюминиевых сплавов как объект автоматического регулирования температурой жидкого металла.

2.1 Основные уравнения и определяющие параметры процесса внешнего теплообмена.

2.1.1 Базовая система уравнений внешнего теплообмена.

2.1.2 Определение основных параметров процесса внешнего теплообмена.

2.2 Математическое моделирование процессов нагрева жидкого металла.

2.3 Структурное моделирование объекта управления.

2.3.1 Линеаризованная система уравнений объекта управления и структурная схема объекта управления.

2.3.2 Передаточная функция жидкометаллической ванны.

2.3.3 Передаточная функция звена внешнего теплообмена.

2.3.4 Вывод передаточной функции объекта управления.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Структурное моделирование и оптимальное управление температурными режимами жидкого металла в газовых отражательных печах для плавления алюминиевых сплавов»

Актуальность работы

Современная технология производства ответственных изделий из алюминиевых сплавов в металлургической промышленности предъявляет весьма жёсткие требования к свойствам полуфабрикатов. Как показывают теоретические и практические исследования, определяющую роль в формировании требуемых свойств изделия играют процессы приготовления сплавов в плавильных агрегатах, в качестве которых в крупносерийном производстве используются, в основном, высокопроизводительные газовые отражательные печи ванного типа. Важнейшим фактором, самым существенным образом влияющим на эффективность основных технологических операций в газовых отражательных печах и во многом определяющим качество будущего изделия, является температура расплава, от которой, в первую очередь, зависят эффективность сложных процессов рафинирования жидкометаллической ванны в процессе плавки, а так же, интенсивность газонасыщения расплава и засорения его примесями, величина угара металла и другие негативные процессы термохимических взаимодействий расплава с различными веществами в рабочем пространстве агрегата.

Ярко выраженные температурные зависимости указанных явлений определяют очень узкий оптимальный температурный диапазон жидкометаллической ванны для приготовления расплава требуемого качества. Определяющая роль температуры расплава и жёсткие требования к точности её поддержания на требуемом уровне приводят к актуальной задаче высококачественного контроля температурных режимов работы плавильного агрегата, которая в условиях значительной инерционности и сложной динамики процессов теплопередачи в газовых отражательных печах, а так же с серьёзными техническими трудностями непрерывного измерения температуры в агрессивной жидкометаллической среде, может быть решена только путём построения специальных систем автоматического управления рой жидкого металла.

Степень разработанности данной проблемы в настоящее время совершенно недостаточна. Практически отсутствуют исследования динамических характеристик газовых отражательных печей как объекта управления температурой расплава с учётом взаимосвязанных процессов теплообмена в системе «газ - кладка - металл» и способов структурного моделирования управляемых процессов; остаются открытыми вопросы выбора критериев оптимальности; разработки методик синтеза и реализации алгоритмов и систем автоматического регулирования температурой жидких алюминиевых сплавов.

Сказанное определяет актуальность темы диссертационной работы, посвященной решению комплекса этих задач в целях разработки математического и алгоритмического обеспечения и средств реализаций систем автоматического управления температурными режимами приготовления алюминиевых сплавов в газовых плавильных агрегатах.

Цель работы

Целью диссертационной работы является математическое и структурное моделирование процесса нагрева жидкометаллической ванны в газовых отражательных печах для алюминиевых сплавов как объекта управления температурой жидкого металла с распределёнными параметрами и разработка на этой основе алгоритмов и систем автоматической оптимизации температурных режимов плавильного агрегата.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

1. Разработка проблемно-ориентированных на задачи управления математических моделей взаимосвязанных процессов внешнего и внутреннего теплообмена в системе «газ - кладка - жидкий металл».

2. Структурное моделирование и вывод передаточных функций процесса нагрева жидкометаллической ванны как объекта управления с распределёнными параметрами.

3. Исследование возможностей дробно-рациональных приближений трансцендентных передаточных функций распределённого объекта управления.

4. Разработка и исследование программных алгоритмов оптимального по быстродействию управления нагревом жидкометаллической ванны.

5. Синтез замкнутых систем автоматической оптимизации процессов нагрева жидкого металла.

6. Компьютерное моделирование процессов автоматического управления температурными режимами работы плавильного агрегата.

Методы исследования

Для решения поставленных задач использовались методы математического анализа, аппарата преобразований Лапласа, теории теплопроводности, классической теории автоматического управления, теории оптимального управления, структурной теории систем с распределёнными параметрами.

Научная новизна

Диссертационная работа расширяет и углубляет теоретические представления в области оптимального управления процессами нагрева жидких алюминиевых сплавов в газовой плавильной печи. Полученные в работе результаты позволяют на качественно более высоком уровне решать инженерные задачи синтеза систем автоматического и автоматизированного управления процессом нагрева жидкометаллической ванны плавильного агрегата.

В диссертации получены следующие основные результаты, отличающиеся научной новизной:

- разработана проблемно-ориентированная на задачи управления мате. матическая модель учитывающая, в отличие от известных, взаимосвязанные процессы энергообмена в системе «газ — кладка - металл», описываемые алгебраическими уравнениями энергетического баланса для эффективных и результирующих тепловых потоков излучающих сред и поверхностей совместно с системой дифференциальных уравнений теплопроводности в частных производных для температурных полей в металлической ванне и ке печи;

- методами структурной теории систем с распределёнными параметрами выполнено структурное моделирование процесса разогрева жидкометалличе-ской ванны как объекта управления температурой расплава, отличающиеся использованием типовых распределённых х-блоков для описания передаточных функций процессов теплопроводности в кладке и нагреваемом металле;

- получены точные в рамках предлагаемых линеаризованных математических моделей выражения для трансцендентной передаточной функции объекта управления с выходом по температуре жидкого металла в любой точке по глубине ванны;

- предложены удовлетворительные по точности чебышевские дробно-рациональные приближения простой структуры к трансцендентным передаточным функциям объекта управления, определяемые, в отличие от известных, в классе характеристик мнимых частот;

- на основе альтернансного метода точного решения краевых задач оптимизации систем с распределёнными параметрами разработаны алгоритмы оптимального по быстродействию управления процессом нагрева жидкого металла, обеспечивающие, в отличие от известных, заданную точность равномерного приближения конечного температурного распределения по глубине ванны к требуемому за минимально возможное время в условиях заданных ограничений на управляющие воздействия по расходу топлива и максимальную температуру расплава;

- выполнен структурно-параметрический синтез системы автоматической оптимизации процесса нагрева жидкометаллической ванны по критерию быстродействия с учётом неполного измерения состояния объекта управления.

Практическая полезность работы

Прикладная значимость проведенных исследований определяется следующими результатами:

- разработана инженерная методика расчетов алгоритмов оптимального по быстродействию управления процессом нагрева жидких алюминиевых сплавов газовой отражательной плавильной печи в условиях, соответствующих реальным технологическим требованиям;

- разработано специальное математическое, алгоритмическое и программное обеспечение, на базе которого созданы пакеты прикладных программ для автоматизированного расчета алгоритмов оптимального управления процессом нагрева жидкометаллической ванны;

- предложены реализуемые структуры замкнутых систем автоматической оптимизации процесса нагрева жидкого металла;

- обоснована целесообразность практического применения полученных в работе алгоритмов оптимального управления.

Реализация результатов работы

Результаты работы использованы в проектных разработках перспективных систем управления процессами плавки и литья алюминиевых сплавов на Самарском металлургическом заводе ОАО «СМЗ» (г. Самара), а также в учебном процессе СамГТУ при подготовке инженеров по специальности «Управление и информатика в технических системах» и магистров техники и технологии по направлению «Автоматизация и управление».

Апробация работы

Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на III Всероссийской научной конференции «Математическое моделирование и краевые задачи» (Самара, 2006), II Международного форума (VII Международная конференция) «Актуальные проблемы современной науки» (Самара, 2006), IV Всероссийской научной конференции с международным участием «Математическое моделирование и краевые задачи» (Самара, 2007), XIII Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых учёных «Современная техника и технологии» (Томск, 2007).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, в том числе 4 в журналах из перечня, рекомендованного ВАК.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, 6 глав и заключения, изложенных на 138 страницах машинописного текста, содержит 39 рисунка, 7 таблиц, список литературы из 100 наименований и 2 приложения.

Заключение диссертации по теме «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)», Узенгер, Алексей Андреевич

6.5 Основные результаты и выводы

1. Замкнутая система автоматической оптимизации процесса нагрева жидкометаллической ванны по критерию быстродействия с двух интервальным управлением при учёте и без учёта фазового ограничения на максимальную температуру синтезирована в виде релейной системы автоматического управления с линейными обратными связями по температурам на поверхности и дне ванны.

2. Предложен метод выбора коэффициентов обратных связей на основе предварительного расчёта программных оптимальных алгоритмов.

3. Средствами компьютерного моделирования в среде MATLAB выполнен анализ работы САО в режиме стабилизации требуемого конечного температурного состояния и качества её функционирования под воздействием типичных возмущений.

Заключение

В работе получены следующие основные результаты:

1. Разработана математическая модель и выполнено структурное представление процесса нагрева жидкометаллической ванны в газовых плавильных отражательных печах для алюминиевых сплавов как объекта управления температурой расплава с распределёнными параметрами.

2. Получены точные в рамках исследуемых линеаризованных математических моделей выражения для трансцендентных передаточных функций объекта управления.

3. Предложены удовлетворительные по точности дробно-рациональные че-бышевские приближения передаточных функций объекта.

4. Разработаны алгоритмы оптимального по быстродействию управления процессом нагрева жидкометаллической ванны, в условиях заданной точности приближения к требуемому распределению температур по её объёму.

5. Выполнен структурно-параметрический синтез замкнутой системы автоматической оптимизации процесса нагрева расплава с неполным измерением температурного поля ванны.

6. Разработано специальное математическое, алгоритмическое и программное обеспечение для автоматизированного расчёта алгоритмов оптимального управления процессом нагрева жидкометаллической ванны.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Узенгер, Алексей Андреевич, 2008 год

1. Альтман М.Б., Лебедев А.А., Чухров М.В. Плавка и литье сплавов цветных металлов. М.: Металлургиздат, 1963.

2. Андреев Ю.Н. Оптимальное проектирование тепловых агрегатов. М.: Машиностроение, 1983 -229с.

3. Ахиезер Н.И. Лекции по теории аппроксимации. М.: Наука, 1965.

4. Бабичев А.П., Бабушкина Н.А., Братковский A.M. и др. Физические величины: Справочник. -М.: Энергоатомиздат, 1991 — 1232 с.

5. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. 13-е изд., исправленное. М.: Наука, Гл.ред. физ.-мат. лит., 1986 - 544 с.

6. Будрин Д.В., Глинков М.А. и др. Металлургические печи ч.1 М.: Металлургиздат, 1963.

7. Бурылев Н.Г. Нагрев излучением массивных тел правильной формы // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия, №4, 1961.

8. Бутковский А.Г. Методы управления системами с распределенными параметрами, -М.: Наука, 1975 568с.

9. Бутковский А.Г. Структурная теория распределённых систем. — М., Наука, 1977.

10. Бутковский А.Г. Теория оптимального управления системами с распределёнными параметрами, М.: Наука, 1965 - 474с.

11. Бутковский А.Г. Характеристики систем с распределёнными параметрами. М.: Наука, 1979 - 224с.

12. Бутковский А.Г., Малый С.А., Андреев Ю.Н. Оптимальное управление нагревом металла. -М.: Металлургия, 1972 -439с.

13. Бутковский А.Г., Малый С.А., Андреев Ю.Н. Управление нагревом металла. -М.: Металлургия, 1981 -271 с.

14. Варгафтик Н.Б. Теплофизические свойства вещества ГЭИ, 1956.

15. Вейник А.И. Приближенный расчет процессов теплопроводности. ГЭИ, 1959.

16. Вигдорчик Д.Я. Автоматизация печных и современных котельных установок, работающих на газовом топливе. // Автоматизация производственных процессов в теплоэнергетике. Материалы семинара М., 1964.

17. Видин Ю.В., Бойков В.П. Расчет несимметричного нагрева неограниченной пластины под действием радиации. // Известия Высших учебных заведений. Черная металлургия №6, 1964.

18. Видин Ю.В., Бойков Г.П. Применение зонального метода расчета к несимметричным задачам теплопроводности. ИФК №7, 1964.

19. Владимиров B.C. Уравнения математической физики. Учебник. 5-е изд., доп. -М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит., 1988 512с.

20. Воронов С.М. Процессы плавки алюминия в газовых отражательных печах. // Труды первой технологической конференции металлургических заводов НКАП. Оборонгиз, 1945.

21. Гецелев З.Н., Рапопорт Э.Я., Самойлов В.Н. Малоинерционный датчик температуры жидких алюминиевых сплавов. // Технология изготовления полуфабрикатов из алюминиевых сплавов. Сборник статей, вып.1, М.: Цветметинформация, 1964.

22. Гецелев З.Н., Рапопорт Э.Я., Самойлов В.Н. Способ защиты колпачков малоинерционных термопар. Авторское свидетельство №160414 с приоритетом от 7 сентября 1962.

23. Глинков Г.М., Маковский В.А. и др. Проектирование систем контроля и автоматического регулирования металлургических процессов. Учеб. пособие для вузов, 2-е изд. М.: Металлургия, 1986 - 352 с.

24. Глинков М.А., Марков Б.Л. Плавление слоя металлической шихты, нагреваемого сверху. // Производство стали. Сб.трудов института стали №35, 1956.

25. Гольдфарб Э.М. Новое конечное интегральное преобразование для проблем тепло- и массопереноса. // Известия Высших учебных заведений. Черная металлургия, №1, 1963.

26. Гончаров В.И. Вещественный интерполяционный метод вчах автоматического управления: Автореф.дисс. докт.техн.наук. — Томск, 1995-44 с.

27. Горшков И.Е. Литьё слитков цветных металлов и сплавов. Металлургиз-дат, 1952.

28. Данилова И.М. Неустановившееся температурное поле в клине при разрывных краевых условиях. Известия АН СССР Энергетика и транспорт, №3, 1963.

29. Демьянов Ф.В., Малозёмов В.Н. Введение в минимакс. М.: Наука, 1972.

30. Диомидовский Д.А. Металлургические печи цветной металлургии, Ме-таллургиздат, 1961.

31. Добаткин В.И. Непрерывное литьё и литейные свойства алюминиевых сплавов. Оборонгиз, 1948.

32. Добаткин В.И. Слитки алюминиевых сплавов. Металлургиздат, 1960.

33. Дудников Е.Г. Основы автоматического регулирования тепловых процессов. ГЭИ, 1956.

34. Дымов Г.Д., Партии И.А. Металлургические печи для плавки и литья алюминиевых сплавов. Сборник "Эффективное использование газового топлива" Куйбышев, 1962.

35. Зисельман Л.Б. Автоматизация температурного режима плавки цветных металлов. Сборник материалов отраслевого совещания по механизации, автоматизации и внедрению новой техники на заводах по обработке цветных металлов. М., 1960.

36. Иванцов Г.П. Нагрев металла.- М.: Металлургиздат, 1948.

37. Исследование температурных полей расплава алюминия в газовой отражательной печи т.1. Отчет отраслевой лаборатории КПтИ. Куйбышев, 1961.

38. Исследование температурных полей расплава в плавильных печах для алюминиевых сплавов. Отчет печного бюро ОТКО КМЗ им. В.И. Ленина, Куйбышев, 1962.

39. Кавадеров А.В. Тепловая работа пламенных печей. М.: Метал-лургиздат, 1956.

40. Кавадеров А.В., Самойлович Ю.А. О расчетах нагрева массовых тел из-лученпем.//Сборник трудов Всесоюзного научно-исследовательского института теплотехники, №10, 1963.

41. Кадымов Я.Б. Переходные процессы в системах с распределенными параметрами. Гл. ред. физ.-мат. лит., М.: Наука, 1968. 192с.

42. Казанцев Е.И. Промышленные печи. М.: Металлургия, 1964.

43. Колмогоров А.Н., Фомин С.В. Элементы теории функций и функционально анализа М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит., 1968. - 494с.:ил.

44. Кондратьев Г.М. Регулярный тепловой режим. ГИТТЛ, 1954.

45. Копытов В.Ф. Новые методы газового нагрева, — М., 1962.

46. Коротков В.Г. Рафинирование литейных алюминиевых сплавов. М.: Машгиз, 1963.

47. Кутателадзе С.С., Борищанский В.М. Справочник по теплопередаче. -М.:ГЭИ 1959.

48. Лазарев В.П., Партии И.А., Медников Ю.П. Исследование температурных полей по объему расплава в литейных агрегатах для алюминиевых сплавов. // Цветные металлы №11, 1963.

49. Лебедев Н.Н., Скальская И.П. Некоторые задачи теории теплопроводности для клиновидных тел. ЖТФ, т.34 вып. 5, 9, 1964.

50. Липницкий A.M. Плавка чугуна и сплавов цветных металлов. — М.: Машгиз, 1960.

51. Лыков А.В. Теория теплопроводности М.: Высшая школа, 1967. — 600с.

52. Мартынов Г.И., Шадрин Г.Г. Инженерная оценка возможности непрерывного вакуумирования алюминиевых сплавов. "Технология легких сплавов". Научно-технический бюллетень ВИЛС, №2, 1964.

53. Мерфи А.Дж. Плавка и литьё цветных металлов и сплавов. М.: Метал-лургиздат, 1959.

54. Милицын К.Н. Плавка и литьё цветных металлов и сплавов. -М.: Металлургиздат, 1956.

55. Микасян Р.С. Об установившемся распределении тепла в прямом параллелепипеде, ИФЖ, №11,- М., 1964.

56. Михеев М.А. Основы теплопередачи, ГЭИ, М., 1956.

57. Невский А.С, Теплопередача в мартеновских печах. М.: Металлургиздат, 1963.

58. Невский А.С. Теплообмен излучением в металлургических печах и топках котлов. -М.: Металлургиздат, 1958.

59. Невский А.С., Малышева А.И. Закономерности процессов нагрева и плавления шихты. Сборник трудов ВНИИМТ №9. — М., 1953.

60. Орурк И.А. Новые методы синтеза линейных и некоторых нелинейных динамических систем. — М.: Наука, 1965 — 207 с.

61. Rapoport Е., Pleshivtseva Ju. Optimal Control of Induction Heating Processes. CRC Press. New York, 2007, 358p.

62. Рапопорт Э.Я. Альтернансный метод в прикладных задачах оптимизации. М.: Наука. 2000 - 336 с.

63. Рапопорт Э.Я. Анализ и синтез систем автоматического управления с распределенными параметрами: Учеб. пособие. — М.: Высшая школа, 2005-292с.

64. Рапопорт Э.Я. Оптимизация процессов индукционного нагрева металла. — М.: Металлургия, 1993 279 с.

65. Рапопорт Э.Я. Структурное моделирование объектов и систем управления с распределенными параметрами: Учебное пособие М.: Высшая школа, 2003 - 299с.

66. Рапопорт Э.Я., Сергеев А.В. Чебышевские приближения в задачах аппроксимации частотных характеристик объектов с распределенными параметрами //Вестник СамГТУ, серия "Физико-математические науки", №41 -1999, с. 190-194.

67. Рапопорт Э.Я., Узенгер А.А. Чебышевская аппроксимация частотных характеристик газовой отражательной печи для алюминиевых сплавов //Вестник СамГТУ, серия "Технические науки", №2(20) 2007, с.168-174. ISSN 1991-8542

68. Резников А.Н., Новоселов Ю.А. Приближенный метод расчета температурных полей в клиньях. ИФЖ, №6. М., 1964.

69. Свинолобов Н.П., Семикин И.Д. Динамика процесса плавления. // Известия Вузов. Черная металлургия №1. М., 1963.

70. Семикин И.Д., Розенгарт Ю.И., Гольдфарб Э.М. Нагрев массивных тел излучением. Сталь, №3. -М., 1956.

71. Сергеев С.В. Физико-химические свойства жидких металлов. М.: Обо-ронгиз, 1952.

72. Смирнов М.Т. О передаче тепла газами одновременно радиацией и соприкосновением. Известия ВТИ, №3, 1929.

73. Смирягин А.П. Промышленные цветные металлы и сплавы.- М.: Металлургиздат, 1956.

74. Соколов В.Н. Новый метод расчета нагрева металла,щий теплообмен по закону Стефана-Больцмана. //Кузнечно-штамповое производство №9, М., 1959.

75. Соколов В.Н. Расчеты нагрева металла в металлургических печах. М.: Металлургиздат, 1956.

76. Соломатов В.В., Бойков Г.П. Начальный период прогрева тел радиацией при переменной температуре источника тепла. // Известия вузов. Черная металлургия №12. М., 1963.

77. Суринов Ю.А. Об основных методах современной теории лучистого теплообмена. // Сборник "Проблемы энергетики" АН СССР. М., 1959.

78. Тайц Н.Ю. Расчеты нагревательных печей. Киев, 1958.

79. Тайц Н.Ю. Технология нагрева стали. М.: Металлургиздат, 1962.

80. Технологическая инструкция 1ВИ-35. Ведение плавки на печах с авторегулированием теплового режима. Бюро стандартов КМЗ им. В.И.Ленина, 1963.

81. Тищенко В.Г. Пирометрия жидких металлов. Киев, 1964.

82. Трухов А.П., Маляров А.И. Литейные сплавы и плавка: Учебник для студ. высш. учеб. заведений М.: Издательский центр «Академия», 2004 -336с.

83. Узенгер А.А. Аналитическое решение задачи Штурма-Лиувилля в системе Maple //Математическое моделирование и краевые задачи: Труды III Всероссийской конференции. 4.4: Математические модели в информационных технологиях. Самара: СамГТУ, 2006, с. 103-107.

84. Узенгер А.А. Динамика процессов нагрева жидкой ванны в газовых печах //Вестник СамГТУ, серия "Технические науки", №41 2006, с. 180184. ISBN 5-7964-0873-9

85. Узенгер А.А. Динамические свойства газовой отражательной печи для алюминиевых сплавов //Вестник СамГТУ, серия "Технические науки", №1(19) 2007, с.170-174. ISSN 1991-8542

86. Узенгер А.А. Расчет динамики процессов нагрева металлического изделия в газовой отражательной печи // Вестник СамГТУ, серия "Технические науки", №40 2006, с.174-178. ISBN 5-7964-0796-1

87. Федоренко Р.П. Приближенное решение задач оптимального управления. М.: Наука, 1978-487с.

88. Филипс Ч., Харбор Р. Системы управления с обратными связью М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2001 — 616 с.

89. Эккерт Э.Р., Дрейк P.M. Теория тепло и массообмена, ГЭИ, 1961.

90. Янке Е., Эмде Ф., Леш Ф. Специальные функции. М.: Наука, 1964 -344с.

91. Thring M.W. The effect of Emissivity and Flame dength on Heat Transfer in the Open-Hearth Furnace. Journal of the Iron and Steel Institute, 1952, VIII, v. 171, p. 4.

92. Thring M.W. The Future of Steel melting. Journal of the Iron and Steel Institute, 1954, IV, v. 176, p. 4.

93. Thring M.W., Smith D. An Improved Model for the Calculation of Heat Transfer in the O.H.Furnace. Journal of the Iron and Steel Institute, 1955, III, v. 179, p. 3.