Моделювання та керування адсорбційним очищенням олив та мастил
Вантажиться...
Дата
2024
Науковий керівник
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
КПІ ім. Ігоря Сікорського
Анотація
Тюріна Є. О. Моделювання та керування адсорбційним очищенням олив та мастил. − Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису.
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 151 «Автоматизація та комп’ютерно-інтегровані технології» – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» МОН України, Київ, 2024.
Дисертація спрямована на створення таких систем керування процесами неперервного адсорбційного очищення відпрацьованих олив та мастил, які дозволять забезпечити високу якість очищення та принципи ресурсозбереження при переробці різної за властивостями сировини. У дисертації проаналізовано технологію очищення відпрацьованих індустріальних олив і мастил, яка складається з етапів підготовки сировини, адсорбції забруднювальних речовин із сировини та регенерації адсорбенту. Технологія передбачає процес адсорбційного очищення в адсорбері неперервної дії з протитечійною подачею сировини й адсорбенту, а також повернення адсорбенту в технологічний процес після регенерації. Встановлено, що особливостями технології є нестабільність властивостей сировини, як суміші корисних та забруднювальних речовин з різним і, як правило, точно не визначеним складом, що характерно для транспортних і виробничих відходів. Виконано аналіз властивостей забруднених речовин і адсорбенту, вимог до якості очищеної продукції та особливості адсорбера, що дозволив сформулювати головні задачі систем керування очищенням. Аналіз існуючих систем та способів керування показав, що, в умовах відсутності технічних засобів автоматизації для вимірювання концентрацій забруднювальних речовин, якість продукції забезпечують стабілізацією тисків і температури в адсорбері. Визначено, що на перебіг технологічних процесів очисних виробництв впливає перехід від одного типу відходів до іншого, у зв’язку з чим визнано доцільним реалізовувати різні алгоритми керування адсорбційним очищенням при сталій сировині й при переході до іншої сировини. Створено систему керування процесом очищення при зміні сировини. Оскільки функціонування технологічної системи виробництва оцінюють за декількома критеріями, то для усвідомлення переліку задач керування, які дозволять врахувати ці критерії, була виконана систематизація задач керування адсорбційним очищенням. На основі створеного переліку для кожної задачі були визначені методи, якими вона може бути розв’язана, та типи моделей, які при цьому можуть бути використані. Систематизація подана у виді семантичної мережі, що дозволяє краще обґрунтувати та спростити створення систем керування процесом адсорбції. Керування при зміні сировини базується на типових рішеннях автоматизації адсорбера, а саме керування тиском та температурою в адсорбері (режимні параметри) впливом на витрату адсорбенту й охолоджувальної води відповідно. Проблема підтримання якості очищення в режимі зміни сировини полягає в тому, що для нової сировини невідомі необхідні режимні параметри. Для її розв’язання запропоновано спосіб керування, який передбачає в складі програмного забезпечення систем керування підтримувати базу даних, яка міститиме записи з основними характеристиками сировин, які раніше очищували в адсорбері, і відповідними для них режимними параметрами. Запропоновано на початку надходження нової сировини знаходити для неї в цій базі сировини-аналоги, після чого, застосувавши статистичні методи до знайдених варіантів режимних параметрів, знаходити узагальнені значення необхідних тиску та температури. Описано алгоритм пошуку, який передбачає повні та часткові збіги, а також їх відсутність. Алгоритм передбачає присутність особи, яка приймає остаточні рішення стосовно умов пошуку та вибору режимних параметрів. Запропоновано використовувати різні види статистичних оцінок і моделей для визначення актуальних тиску і температури залежно від кількості записів у базі даних. Наведено приклад пошуку засобами MS Access. Створено систему керування для режиму зміни сировини. Обґрунтовано тип та створено відповідну математичну модель процесу адсорбції, призначеної для використання в системі керування в режимі сталої сировини. Розглянуто особливості моделювання як системи нано- і мікропроцесів. Описано процес адсорбції також як об’єкт технології і керування як макросистема і виконано аналіз основних видів моделей таких об’єктів. Враховуючи суттєву багатопараметричність адсорбції як об’єкта моделювання, запропоновано в умовах нестаціонарності властивостей сировини, адсорбенту й адсорбера описувати канали керування і збурення як аперіодичні ланки другого порядку із транспортним запізнюванням. На основі аналізу експериментальних даних було визначено, що коефіцієнти передач цих функцій є нелінійними функціями від тиску і температури в адсорбері. Опрацювання експериментальних даних дозволило визначити типи цих нелінійностей. У системі керування передбачено адаптування моделей при зміні властивостей речовин та адсорбера, наведено схеми застосування адаптивних моделей в системі керування. Виконана реалізація моделі у системі Simulink + MATLAB. Описано систему керування адсорбером у режимі сталої сировини. Для обґрунтування вибору системи керування виконано аналіз джерел нестаціонарності та їх типів. У режимі сталої сировини запропоновано розглядати властивості сировини та адсорбера, як такі, що не мають причин для тренду математичного сподівання, а тренд по дисперсії можливий. У той же час властивості адсорбера можуть мати помітний тренд математичного сподівання у зв’язку з налипанням на елементи конструкцій часток сировини та адсорбенту. Описано систему керування, в якій передбачено адаптування математичних моделей обох каналів керування, а на основі нових моделей виконувати розрахунок нових параметрів пропорційно-інтегральних регуляторів. У режимі сталої сировини передбачено виконувати корегування завдань регуляторам контурів керування шляхом уведення результатів вимірювання якості готової продукції. Оскільки до появи нової продукції на виході адсорбера ці сигнали від’єднані, то завданнями регуляторів були режимні параметри, визначені на основі алгоритму пошуку аналогів нової сировини. Корегування завдань за показниками якості дозволяє перейти від відносно потрібних до дійсно потрібних умов очищення сировини, що заповнює адсорбер. Корегування реалізоване на основі використання нечітких множин для опису показників якості та значень тиску і температури, а також системи правил fuzzy logic. Цей фрагмент алгоритму керування дозволяє сформувати новий запис у базі даних із властивостями нової сировини і найкращими для неї умовами очищення. Таким чином наповнюється база даних, що дає можливість з часом покращувати систему керування в режимі зміни сировини. Створено інтегровану систему керування адсорбційним очищенням олив і мастил. Об’єднання стосується систем керування двох зазначених раніше режимів змінної та сталої сировини, які відповідають нормальному функціонуванню виробництва. Іншою складовою інтегрованої системи є експертна система, яка призначена для пошуку причин аварійного функціонування виробництва. Для експертної системи розроблена база знань з фактами аварій та правилами продукції. Наведено результат роботи цієї системи. Оскільки інтегрована система керування використовує емпіричні знання фахівців у різному їх виді, проведено аналіз типів цих знань та визначено способи їх отримання. Виконана систематизація такої інформації дозволяє організувати підбір і підготовку необхідних експертів для супроводу роботи інтегрованої системи керування. Удосконалено систему керування процесом адсорбції, в якій на відміну від усталених, враховано можливість суттєвих змін властивостей нової забрудненої сировини, для чого передбачено автоматизований пошук у базі даних речовин-аналогів нової сировини, статистичні дослідження знайдених у базі варіантів тиску та температури в адсорбері для аналогів, а також прийняття рішень щодо початкових значень цих режимних параметрів. Удосконалено систему адаптивного керування процесом адсорбції, в якій на відміну від відомих, що базуються на поточній ідентифікації моделей динаміки процесу та на наступному визначенні параметрів налаштування регуляторів тиску та температури в адсорбері, уведено корегування початкових значень цих режимних параметрів за концентраціями ароматичних вуглеводнів, сірки і смол в очищеному продукті, що дозволяє дотримуватися вимог до якості очищення продукції та занести в базу даних значення відповідних властивостей нової сировини і потрібні для її переробки тиск та температуру. Дістала подальшого розвитку система адаптивного керування тиском і температурою в адсорбері з корегуванням початкових значень цих режимних параметрів за концентраціями ароматичних вуглеводнів, сірки і смол у продукції, в якій на відміну від усталених способів, значення корегувальних сигналів визначають на основі нечітких множин і нечіткої логіки, що дозволяє підвищити якість продукції в умовах відсутності обґрунтованих математичних залежностей за допомогою досвіду фахівців. Запропоновано інтегровану систему керування адсорбційним очищенням шляхом поєднання системи керування процесом при суттєвій зміні властивостей нової забрудненої сировини з системою керування процесом при сталих властивостях забрудненої сировини, яке передбачає чергування етапів визначення режимних параметрів адсорбції за сировинамианалогами та за показниками якості очищеного продукту, причому режимні параметри другого етапу запам’ятовуються в базі даних сировин-аналогів першого етапу, це поєднання дозволяє забезпечити якість продукції і ресурсозбереження за рахунок підвищення рівня відповідності між режимними параметрами та поточним властивостям забрудненої сировини. Дістало подальшого розвитку математичне моделювання адсорбційного очищення, що полягає у структурній ідентифікації моделі динаміки процесу адсорбції, призначеної для адаптивної системи керування, а також у статистичних залежностях між властивостями сировини та відповідними режимними параметрами, які об’єднані у базі даних сировин-аналогів. Практичне значення одержаних результатів полягає в систематизації задач керуванням адсорбційним очищенням; отриманні моделей адсорбції, призначених для систем керування адсорбційним очищенням ВОМ; визначенні початкових режимних параметрів адсорбції для нової за властивостями сировини; створенні адаптивної системи керування очищенням; застосуванні нечіткої автоматичної системи керування очищенням, бази знань для діагностувальної експертної системи та інших застосувань експертних знань. Одержані результати використані в навчальному процесі.
Опис
Ключові слова
технологічний об’єкт, нестаціонарність, математична модель, імітаційна модель, моделювання, ідентифікація, керування, алгоритм керування, система керування, адаптивне керування, нечітка логіка, нечітка система керування, інтелектуальна система керування, Fuzzy Logic, автоматизований технологічний комплекс, technological object, non-stationarity, mathematical model, simulation model, modeling, identification, control, control algorithm, control system, adaptive control, fuzzy logic, fuzzy control system, intelligent control system, automated technological complex
Бібліографічний опис
Тюріна, Є. О. Моделювання та керування адсорбційним очищенням олив та мастил : дис. … д-ра філософії : 151 Автоматизація та комп’ютерно-інтегровані технології / Тюріна Євгенія Олександрівна. – Київ, 2024. – 192 c.