Моделювання та автоматичне керування тепловим режимом скловарної печі ванного типу
| dc.contributor.advisor | Жученко, Анатолій Іванович | |
| dc.contributor.author | Ситніков, Олексій Володимирович | |
| dc.date.accessioned | 2023-09-12T12:08:23Z | |
| dc.date.available | 2023-09-12T12:08:23Z | |
| dc.date.issued | 2023 | |
| dc.description.abstract | Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.07 – Автоматизація процесів керування. – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» МОН України, Київ, 2023. Дисертацію присвячено питанням підвищення ефективності роботи регенеративної скловарної печі ванного типу шляхом створення системи керування, яка забезпечить режим енергозбереження функціонування процесу при незмінних показниках якості виробництва. Скловаріння – процес, що потребує високої температури для розігрівання компонентів, з яких виготовляється скломаса у варильній частини печі. Всі компоненти після підготовки подаються до варильного басейну, де відбувається виготовлення (варка) скломаси. Процес скловаріння досить енергоємний. В розвинених країнах витрати палива на варку скла в 1,5-2 рази нижче, ніж вітчизняні показники аналогічного виробництва. Україна має обмежені запаси природного газу і практично всі питання постачання пального на промислові підприємства вирішуються за рахунок імпортування. Ціни на пальне зростають згідно тенденціям ринку, тому використання газу необхідно вести з максимальною економією, при цьому не погіршуючи якість виробленої продукції. Для процесу характерні внутрішні збурення, зокрема пов’язані з концентрацією вхідного продукту до варильної зони печі, що можуть призвести до браку готової продукції або небажаних зайвих витрат пального. Для забезпечення означених показників в роботі системи керування тепловим режимом скловарної печі виникла необхідність побудови енергоефективної системи керування, що забезпечить високу якість керування в умовах дії неконтрольованих внутрішніх збурень та зменшення витрат на керування. Розроблена математична модель скловарної печі на основі структурнопараметричної схеми об’єкту. Математичний опис скловарної печі як об’єкту дослідження включає в себе рівняння зовнішнього теплообміну для скломаси, кладки та газу, математичний опис процесу нагрівання. Під зовнішнім теплообміном розуміють теплообмін між об’єктом та його оточенням: теплообмін між скломасою та оточуючим її середовищем – кладкою та газовим простором. Для кожної зі складових розроблено математичний опис, що враховує взаємодію між складовими в моделі об’єкту керування. Скломаса, кладка та газовий простір має по дві контактні поверхні між складовими. Розроблена система рівнянь зовнішнього теплообміну отримується з рівнянь балансу для ефективного та результуючого випромінювання поверхні та середовища у вигляді рівнянь відповідних теплових потоків. Ефективне випромінення поверхні скломаси та кладки підпорядковується закону Ламберта – поглинаючі здібності випромінювачів рівні для всіх променевих потоків та дорівнюють відповідним ступеням чорноти та відповідно складається з власного та відбиваючого випромінення. Аналіз досліджень був проведений для усталеного режиму роботи печі – в першому наближені результуюче випромінення кладки прийнято рівним нулю, температура скломаси та кладки взяті такими, що дорівнюють їх середньоефективним величинам. Користуючись розробленою та дослідженою системою рівнянь для теплових потоків скломаси та кладки розроблена загальна математична модель скловарної печі, яка враховує зв’язки між складовими елементами об’єкта. На основі розробленої моделі отримана передатна функція скловарної печі являє собою складну структуру, що залежить від передатних функцій скломаси, кладки та газового простору за каналами температура газу – вихідна температура скломаси та температура газу – температура кладки у характерних точках. Дана математична модель може бути застосована для аналізу температурного поля скловарної печі в різних перерізах. Досліджена математична модель скломаси, що представляє собою об’єкт з розподіленими параметрами, в роботі описана диференціальним рівнянням теплопровідності Фур’є з граничними умовами 3-го роду на зовнішній поверхні скломаси при контакті «скломаса-газ» та 2-го роду при контакті «скломаса-кладка». Граничні умови назовні обумовлені відсутністю обміну тепла з навколишнім середовищем, тобто розглядається умова ідеальної теплоізоляції. Дослідження показали та виходячи із конструкційних особливостей скловарної печі, скломасу умовно можна вважати прямокутною областю, товщиною h, що дозволяє розглядати скломасу як необмежену пластину товщиною h. Однак на відміну від типового виду необмеженої пластини в моделі процесу нагрівання скломаси у ванні печі враховано ряд її конструкційних особливостей скловарної печі. Результати моделювання показали, що розігрівання внутрішньої сторони кладки відбувається під дією теплових потоків великих значень. Математична модель кладки скловарної печі представлена у вигляді одновимірної задачі теплопровідності, з граничними умовами 2-го роду при контакті «кладкаскломаса». Кладка являє собою напівобмежене тіло товщиною. Представлено перехід від температури скломаси до температури кладки в різних шарах скломаси, з яких видно, що температура скломаси тим вища, чим вищий шар розглядається, та по глибині температура кладки спадає, що підтверджує прийняті граничні умови на правій поверхні кладки. Окремо розглянута кладка дна печі, як та що контактує з останнім шаром скломаси; дана особливість врахована в загальній моделі об’єкту керування. Для використання в системі керування на базі моделі скловарної печі, необхідно перевірити адекватність розробленої математичної моделі. Дослідження показали, що модель динаміки нагрівання скломаси в печі відповідає відповідним критеріям адекватності та може бути використана для синтезу системи керування. Експериментальні дослідження температурних полів скломаси, кладки, газового простору проведені, використовуючи засоби імітаційного моделювання, для кожної із зон печі побудовані у вигляді температурного розподілу в конкретному перерізі. Дослідження дозволили виявити реакцію температурного поля скломаси та кладки на дії збурення. В дисертаційній роботі ставилася задача розробки системи керування процесом виготовлення скломаси, яка мала б зберігати стійкість в роботі системи керування та підтримувати на заданому рівні якість готового (вихідного) продукту, шляхом підтримки заданого температурного режиму в заданих технологічним регламентом межах оптимальній витраті пального. Тому сформульована і розв’язана задача адаптивного керування процесом скловаріння, що полягає у підтримці заданого розподілу температур в об’ємі скломаси. Для розв’язання задачі адаптивного керування розроблений та застосований критерій керування Ji(T*i(t),Ti(t),ui), що залежить від вектору ui, який розглядається в якості керувальної дії (витрати палива) по пальниках печі. Результатом розрахунку критерію керування виступає оптимізація витрати пального та призводить до зміна вектору керуючих дій uі. Синтез системи керування опирається на розроблену математичну модель скловарної печі, що моделює поведінку скломаси в певних точках у вигляді зміни температур. Як результат синтезу системи є вдосконалення існуючої системи керування та формування нових параметрів системи виходячи із поставлених в роботі задач. Послідовності нових вхідних керуючих дій ui для пальників печі є визначальною в питанні оптимізації витрати пального. Проведено дослідження системи керування подачі газу на пальники печі та керування реверсом факелу в парі протилежних пальників з використанням загального регулятора, використовуючи метод системного аналізу. Даний метод дозволяє більш точно вирішити задачу підтримки температурного режиму печі та підтримки параметрів на різних етапах (в різних перерізах) процесу варіння скломаси. При формуванні алгоритму керування спиралися на розроблений критерій керування. Розроблення структури системи керування та алгоритму адаптивного програмного керування відбувалися з використанням мови програмування UML та UML –діаграм, що дало можливість дослідити всі можливі зв’язки в системі. В роботі приведено порівняння результатів роботи розробленої системи з існуючою каскадною системою керування тепловим режимом по кожному перерізу печі, виявлено переваги в роботі розробленої системи, існуюча система керування не дає можливість зменшити перегулювання зони розігріву, що призводить до перевищення та не раціонального використання пального. Розроблена система керування, реалізувала ряд функцій по оптимізації витрати пального, реагування на дію збурення, що діє на об’єкт керування. По даним температур в зонах скловарної печі, для забезпечення оптимального використання газу, відбувається адаптації параметрів налаштування регулятора в залежності від температури у відповідній зони. Для вирішення поставленої в роботі задачі розроблена загальна структура та програмне забезпечення експертної системи керування тепловим режимом скловарної печі, використовуючи бази правил нечіткої логіки та адаптивний нечіткий регулятор. Основна задача, що висувається до адаптивного нечіткого регулятору, є формування нових параметрів налаштування загального ПІДрегулятора. В дисертаційній роботі проведено дослідження шляхом порівнянь результатів роботи розробленої адаптивної система, експертної та загальної системи керування тепловим режимом скловарної печі. З отриманих результатів, видно що адаптивна система показала переваги над звичайною системою та експертною системою, що відображається у зменшенні витрати на керування (раціональне використання витрат пального по пальниках печі) У навчальний процес кафедри технічних та програмних засобів автоматизації Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут ім. Ігоря Сікорського» впроваджені математичні моделі процесу скловаріння, системи керування процесом виготовлення скломаси. | uk |
| dc.description.abstractother | Dissertation for the degree of candidate of technical sciences in specialty 05.13.07 – Automation of control processes. – National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute", Kyiv, 2023 The dissertation is devoted to the issue of improving the efficiency of the bath-type regenerative glass furnace by creating a control system that will ensure the energy-saving mode of operation of the process with unchanged production quality indicators. Glass melting is a process that requires a high temperature to heat the components from which the glass mass is made in the cooking part of the furnace. After preparation, all components are fed to the cooking basin, where the production (cooking) of glass mass takes place. The glassmaking process is quite energy-intensive. In developed countries, fuel consumption for glass production is 1.5-2 times lower than domestic indicators of similar production. Ukraine has limited reserves of natural gas, and almost all issues of fuel supply to industrial enterprises are solved through imports. Fuel prices are rising according to market trends, so gas must be used as economically as possible without compromising the quality of the products. The process is characterized by internal disturbances, in particular, related to the concentration of the input product to the cooking zone of the furnace, which can lead to a shortage of finished products or unwanted excess fuel consumption. In order to ensure the specified indicators in the operation of the thermal mode control system of the glass furnace, it became necessary to build an energy-efficient control system that would ensure high control quality under conditions of uncontrolled internal disturbances and reduce control costs. A mathematical model of the glass furnace was developed based on the structural and parametric scheme of the object. The mathematical description of the glass furnace as an object of research includes the equations of external heat exchange for glass mass, masonry and gas, a mathematical description of the heating process. External heat exchange means heat exchange between the object and its surroundings: heat exchange between the glass mass and its surrounding environment - masonry and gas space. For each of the components, a mathematical description has been developed that takes into account the interaction between the components in the control object model. Glass mass, masonry and gas space each have two contact surfaces between the components. The developed system of external heat exchange equations is obtained from the balance equations for the effective and resultant radiation of the surface and the environment in the form of the equations of the corresponding heat flows. The effective radiation of the surface of the glass mass and masonry is subject to Lambert's law - the absorption capabilities of the emitters are equal for all radiant fluxes and are equal to the corresponding degrees of blackness and, accordingly, consist of inherent and reflected radiation. The analysis of the research was carried out for the established mode of operation of the furnace - in the first, the approximate resulting radiation of the masonry is taken to be zero, the temperature of the glass mass and the masonry are taken to be equal to their average effective values. Using the developed and researched system of equations for the heat flows of glass mass and masonry, a general mathematical model of the glass furnace was developed, which takes into account the connections between the constituent elements of the object. On the basis of the developed model, the obtained transfer function of the glass furnace is a complex structure that depends on the transfer functions of the glass mass, masonry and gas space along the channels of gas temperature - output temperature of glass mass and gas temperature - masonry temperature at characteristic points. This mathematical model can be used to analyze the temperature field of the glass furnace in different sections. The researched mathematical model of the glass mass, which is an object with distributed parameters, is described in the work by the Fourier differential equation of thermal conductivity with boundary conditions of the 3rd kind on the outer surface of the glass mass at the "glass-gas" contact and of the 2nd kind at the contact " glass masslaying". Boundary conditions to the outside are caused by the lack of heat exchange with the environment, that is, the condition of ideal thermal insulation is considered. Studies have shown and based on the design features of the glass furnace, the glass mass can be conditionally considered a rectangular area, thickness h, which allows us to consider the glass mass as an unlimited plate of thickness h. However, in contrast to the typical type of unlimited plate, in the model of the process of heating the glass mass in the furnace bath, a number of its design features of the glass furnace are taken into account. The simulation results showed that the heating of the inner side of the masonry occurs under the influence of large heat flows. The mathematical model of the masonry of the glass furnace is presented in the form of a one-dimensional problem of thermal conductivity, with boundary conditions of the 2nd kind at the "masonry-glass mass" contact. Masonry is a semi-bounded body with a thickness of . The transition from the temperature of the glass mass to the temperature of the masonry in different layers of the glass mass is presented, from which it can be seen that the temperature of the glass mass is higher the higher the layer is considered, and the temperature of the masonry decreases with depth, which confirms the accepted boundary conditions on the right surface of the masonry. The laying of the bottom of the furnace, as the one that is in contact with the last layer of glass mass, is considered separately; this feature is taken into account in the general model of the control object. For use in the control system based on the glass furnace model, it is necessary to check the adequacy of the developed mathematical model. Studies have shown that the model of the dynamics of heating the glass mass in the furnace meets the relevant adequacy criteria and can be used for the synthesis of the control system. Experimental studies of the temperature fields of glass mass, masonry, and gas space were carried out using simulation tools, for each of the zones of the furnace, the temperature distribution in a specific cross-section was constructed. The research made it possible to reveal the reaction of the temperature field of glass mass and masonry to the effects of disturbances. In the dissertation work, the task of developing a control system for the process of glass mass production was set, which should maintain stability in the operation of the control system and maintain the quality of the finished (output) product at a given level, by maintaining a given temperature regime within the limits set by the technological regulations and optimal fuel consumption. Therefore, the problem of adaptive control of the glass-making process, which consists in maintaining the given temperature distribution in the volume of the glass mass, is formulated and solved. To solve the problem of adaptive control, a control criterion was developed and applied Ji(T*i(t),Ti(t),ui), which depends on the vector ui , which is considered as a control action (fuel consumption) on the furnace burners. The result of the calculation of the control criterion is the optimization of fuel consumption and leads to a change in the vector of control actions uи. The synthesis of the control system is based on the developed mathematical model of the glass furnace, which simulates the behavior of the glass mass at certain points in the form of temperature changes. The result of the system synthesis is the improvement of the existing control system and the formation of new system parameters based on the tasks set in the work. Sequences of new input control actions ui for furnace burners are decisive in the matter of fuel consumption optimization. A study of the control system of gas supply to furnace burners and control of torch reversal in a pair of opposite burners using a common regulator was carried out, using the method of system analysis. This method makes it possible to more accurately solve the problem of maintaining the temperature regime of the furnace and maintaining the parameters at different stages (in different sections) of the process of boiling the glass mass. When forming the control algorithm, they relied on the developed control criterion. The development of the structure of the control system and the algorithm of adaptive software control took place using the UML programming language and UML diagrams, which made it possible to explore all possible connections in the system. The work compares the results of the developed system with the existing cascade control system of the thermal regime for each cross-section of the furnace, the advantages of the developed system are revealed, the existing control system does not provide an opportunity to reduce the heating zone wandering, which leads to excess and non-rational use of fuel. The developed control system implemented a number of functions to optimize fuel consumption, response to the action of disturbances acting on the control object. According to the temperature data in the zones of the glass furnace, in order to ensure the optimal use of gas, the adjustment parameters of the regulator are adapted depending on the temperature in the corresponding zone. To solve the problem set in the work, the general structure and software of the expert system for controlling the thermal regime of the glass furnace was developed, using fuzzy logic rule bases and an adaptive fuzzy controller. The main task presented to the adaptive fuzzy controller is the formation of new parameters for setting the general PID controller. In the dissertation, a study was conducted by comparing the results of the developed adaptive system, expert and general system for controlling the thermal regime of the glass furnace. From the obtained results, it can be seen that the adaptive system showed advantages over the conventional system and the expert system, which is reflected in the reduction of management costs (rational use of fuel costs for furnace burners) In the educational process of the department of technical and software automation tools of the National Technical University of Ukraine "Kyiv Polytechnic Institute named after Igor Sikorskyi" implemented mathematical models of the glassmaking process, control systems for the glass mass production process. | uk |
| dc.format.extent | 200 с. | uk |
| dc.identifier.citation | Ситніков, О. В. Моделювання та автоматичне керування тепловим режимом скловарної печі ванного типу : дис. … канд. техн. наук : 05.13.07 – Автоматизація процесів керування / Ситніков Олексій Володимирович. – Київ, 2023. – 200 с. | uk |
| dc.identifier.uri | https://ela.kpi.ua/handle/123456789/60257 | |
| dc.language.iso | uk | uk |
| dc.publisher | КПІ ім. Ігоря Сікорського | uk |
| dc.publisher.place | Київ | uk |
| dc.subject | скловарна піч | uk |
| dc.subject | скломаса | uk |
| dc.subject | математичне моделювання | uk |
| dc.subject | система керування | uk |
| dc.subject | адаптивне керування | uk |
| dc.subject | нечітке керування | uk |
| dc.subject | glass furnace | uk |
| dc.subject | glass mass | uk |
| dc.subject | mathematical modeling | uk |
| dc.subject | control system | uk |
| dc.subject | adaptive control | uk |
| dc.subject | fuzzy control | uk |
| dc.subject.udc | 681.51:666.11 | uk |
| dc.title | Моделювання та автоматичне керування тепловим режимом скловарної печі ванного типу | uk |
| dc.type | Thesis Doctoral | uk |
Файли
Контейнер файлів
1 - 1 з 1
Вантажиться...
- Назва:
- Sytnikov_dys.pdf
- Розмір:
- 4.94 MB
- Формат:
- Adobe Portable Document Format
- Опис:
Ліцензійна угода
1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
- Назва:
- license.txt
- Розмір:
- 9.1 KB
- Формат:
- Item-specific license agreed upon to submission
- Опис: