Автоматизація процесу керування формуванням вуглецевих виробів
| dc.contributor.advisor | Жученко, Анатолій Іванович | |
| dc.contributor.author | Хібеба, Микола Григорович | |
| dc.date.accessioned | 2021-01-20T10:54:46Z | |
| dc.date.available | 2021-01-20T10:54:46Z | |
| dc.date.issued | 2020 | |
| dc.description.abstractuk | У сучасній промисловості виробництво вуглецевих виробів є важливим процесом, оскільки продукція даного виробництва широко використовується в різноманітних галузях промисловості, які нерозривно пов’язані з необхідністю використання електротермічних процесів. Зокрема, до таких виробництв відносяться підприємства чорної та кольорової металургії, машинобудування, хімічної промисловості та інші. Виробництво вуглеграфітової продукції складається з ряду технологічних процесів та операцій і характеризується значною ресурсо- та енергоємністю. Окрім того, існує тенденція до постійного зростання вимог щодо якісних показників продукції та об’ємів виробництв, тому актуальною є задача підвищення ефективності даного виробництва шляхом впровадження оптимальних режимів роботи на ключових етапах виробництва. В даній роботі був проведений аналіз технологічних особливостей процесу виробництва вуглецевих виробів, а також вимог до сировини, необхідної для виробництва та якісних показників кінцевої продукції. На основі аналізу отримано, що одним із визначальних технологічних процесів у виробництві виробів є процес формування вуглецевих виробів. Проаналізовано технологічні та конструкційні особливості даного процесу, виділено два основні етапи (підготовка та пресування). На основі проведеного аналізу встановлено ключову роль етапу пресування процесу формування як основної стадії з точки зору параметрів якості готової продукції і потенціалу для підвищення ефективності ресурсо- та енергозбереження процесу виробництва вуглеграфітових виробів в цілому. Підвищення ефективності даного процесу можливе лише при впровадженні нових, оптимальних технологічних режимів для забезпечення заданих якісних та техніко-економічних показників продукції. Дані показники в значній мірі залежать від температурних та швидкісних режимів пресування, а процеси завантаження електродної маси достатньо автоматизовані та мають низький вплив на якісні показники продукції. Тому доцільно в дослідженні приділити увагу саме тій частині пресового апарату, в якій забезпечуються температурні та швидкісні режими пресування, тобто мундштуку. Для реалізації оптимальних режимів необхідно синтезувати ефективну систему керування процесом формування вуглецевих виробів, яка б враховувала технологічні вимоги до якості готової продукції, конструкційні особливості гідравлічного пресу з мундштуком та сучасні вимоги до ресурсо- та енергозбереження. Обґрунтовано застосування методу математичного моделювання як фактично безальтернативного методу дослідження процесу формування вуглецевих виробів та сформульовані задачі даного дослідження. У результаті проведеного аналізу відомих на сьогоднішній день математичних моделей процесу формування та аналогічних йому процесів екструзії в’язко-пластичних матеріалів визначена модель, на основі якої ґрунтується подальше дослідження режимів підготовки та пресування. Розглянуто відповідну фізичну модель мундштука гідравлічного пресу, а для математичного моделювання формування вуглецевих виробів в середовищі ANSYS реалізована математична модель в розподілених параметрах на основі системи рівнянь, яка включає нестаціонарні, нелінійні рівняння неперервності, руху та енергії для ламінарного потоку нестискуваної рідини Bingham-Papanastasiou для пресмаси і рівняння енергії з внутрішнім джерелом тепла для елементів пресового інструмента. Сформовано задачі дослідження впливу основних технологічних параметрів процесу формування вуглецевих виробів на фізичні поля робочого простору та корпусу мундштука гідравлічного пресу. Розроблено методику та порядок проведення досліджень. Основну увагу при дослідженнях процесу формування вуглецевих виробів приділяється визначенню: розподілу температур по об’єму робочого простору та корпусу мундштука; впливу на температурні поля таких технологічних параметрів, як потужність струму, що подається на індуктори формувальної та калібрувальної зони мундштука, потужність струму на свічки для додаткового нагрівання та швидкість пресування; зміни температурних полів в залежності від початкової температури завантаженої електродної маси; динаміки температури в контрольних точках при різних технологічних режимах; впливу роботи нагрівачів на температури в різних зонах мундштука; порівнянню динаміки температур в залежності від етапу процесу (етап підготовки та пресування). В результаті досліджень, проведених за допомогою розробленої моделі, виявлено залежність температури в кожній зоні мундштука від зміни технологічних параметрів процесу, встановлено наявність значної інерційності деяких впливів. Визначено, що температура завантаженої маси має досить значний вплив на розподіл температур в усьому об’ємі робочого простору мундштука збільшення швидкості пресування негативно впливає на середню температуру електродної маси та збільшує градієнт температур від центральної частини робочого простору мундштука до його меж. Динаміка температури також сильно залежить від етапу технологічного процесу. Отримані результати дають можливість врахувати ці обставини при побудові системи керування процесом формування вуглецевих виробів. Показано, що час розрахунку моделі об’єкту на сучасному стаціонарному комп’ютері складає декілька годин. Така тривалість розрахунку, суттєво ускладнює безпосередньо дослідження процесу формування вуглецевих виробів і робить неможливим використання такої моделі у системах керування реального часу. Саме тому нагальною була визнана задача спрощення початкової складної моделі. Проведено аналіз методів спрощення математичних моделей, наведено переваги та недоліки їх застосування. На основі аналізу прийнято рішення використовувати метод розділення змінних Фур’є для побудови спрощеної математичної моделі процесу формування вуглецевих виробів. Розроблені спрощені математичні моделі для етапу підготовки та пресування. Визначені оптимальні структури спрощених моделей та проведена їх параметрична ідентифікація. Проведене дослідження відповідності результатів розрахунків за спрощеною математичною моделлю результатам, отриманим з початкової складної моделі продемонструвало високу ефективність запропонованих спрощених моделей. Для перевірки адекватності моделі були використані критерії Стьюдента та Фішера. В результаті розрахунку даних критеріїв в усіх контрольних точках було зроблено висновок, що немає підстав, щоб відкидати гіпотезу про рівність математичних сподівань та дисперсій, а, отже, й гіпотезу про адекватність синтезованих моделей. Проведений аналіз переваг та недоліків існуючих систем керування засвідчив їх неефективність як наслідок того, що жодна з них не враховує техніко-економічні показники процесу. На основі проведеного аналізу техніко-економічних показників, що можуть бути використані як критерії оптимальності у системі керування процесом формування вуглецевих виробів, обґрунтовано вибір найбільш доцільного показника - питомої собівартості експлуатаційних витрат. Сформульовано у математичному вигляді задачу керування даним процесом, яка включає у себе критерій оптимальності та обмеження, що накладаються на технологічні змінні процесу з урахуванням вимог до якості продукції, що виробляється. Запропоновано критерій для розрахунку якісних показників процесу формування вуглецевих виробів. Використання розробленого критерію дало можливість сформулювати загальну постановку задачі керування, розв’язання якої надає можливість мінімізувати питому собівартість продукції з дотриманням потрібних якісних показників готової продукції. Обґрунтовано використання системи керування з використанням прогнозуючої моделі (Model predictive control, MPC) для розв’язку поставленої задачі. Проведено пошук оптимальних налаштувань MPC-регулятору. При моделюванні синтезованої з оптимальними параметрами системи керування отримано питому собівартість продукції 5.77 грн/кг. Також виявлено зростання продуктивності процесу на 6% в порівнянні з продуктивністю пресу, що працює за діючим технологічним регламентом. Для дослідження ефективності розробленої системи виконано порівняльний аналіз запропонованої системи керування та використання системи на основі ПІД-регуляторів,. Обґрунтовано трьохконтурну схему системи керування, проведено налаштування регуляторів за інтегральним квадратичним критерієм по відхиленню від завдання за допомогою методу Пауела. В результаті порівняльного дослідження виявлено, що питома вартість продукції для системи з ПІД-регуляторами складає 6.28 грн/кг, що на 0.51 більше, ніж в системи з MPC-регулятором, а, отже, використання системи з MPC-регулятором для керування процесом формування вуглецевих виробів є більш ефективним в порівнянні з класичними системами керування. Ефективність усіх розроблених систем керування підтверджена результатами проведених імітаційних моделювань. | uk |
| dc.format.pagerange | 163 с. | uk |
| dc.identifier.citation | Хібеба, М. Г. Автоматизація процесу керування формуванням вуглецевих виробів : дис. … д-ра філософії : 151- автоматизація та комп’ютерно-інтегровані технології / Хібеба Микола Григорович. – Київ, 2020. – 163 с. | uk |
| dc.identifier.uri | https://ela.kpi.ua/handle/123456789/38823 | |
| dc.language.iso | uk | uk |
| dc.publisher.place | Київ | uk |
| dc.subject | формування вуглецевих виробів | uk |
| dc.subject | гідравлічний прес | uk |
| dc.subject | пресування через мундштук | uk |
| dc.subject | ефективність системи керування | uk |
| dc.subject | математичне моделювання | uk |
| dc.subject | спрощена математична модель | uk |
| dc.subject | метод Фур’є | uk |
| dc.subject | критерій керування | uk |
| dc.subject | оптимальне керування | uk |
| dc.subject | система керування з прогнозуючою моделлю | uk |
| dc.subject | formation of carbon products | |
| dc.subject | hydraulic press | |
| dc.subject | pressing through the mouthpiece | |
| dc.subject | mathematical modeling | |
| dc.subject | simplified mathematical model | |
| dc.subject | Fourier method | |
| dc.subject | control criterion | |
| dc.subject | optimal control | |
| dc.subject | control system with predictive model | |
| dc.subject | control system efficiency | |
| dc.title | Автоматизація процесу керування формуванням вуглецевих виробів | uk |
| dc.type | Thesis Doctoral | uk |
Файли
Контейнер файлів
1 - 1 з 1
Ліцензійна угода
1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
- Назва:
- license.txt
- Розмір:
- 9.16 KB
- Формат:
- Item-specific license agreed upon to submission
- Опис: