Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Автоматизированные системы управления и прогрессивные информационные технологии

Диссертационная работа:

Афиногентов Александр Александрович. Моделирование и оптимальное управление технологическим комплексом "нагрев - обработка металла давлением" : диссертация ... кандидата технических наук : 05.13.06 / Афиногентов Александр Александрович; [Место защиты: ГОУВПО "Самарский государственный технический университет"]. - Самара, 2008. - 143 с. : 25 ил.

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

Введение 5

1 Проблема создания систем оптимального управления технологическим
комплексом «нагрев — обработка металла давлением» 14

1.1 Современное состояние вопроса 14

1.2 Математические модели управляемых процессов 22

  1. Критерии оптимизации работы комплекса «нагрев-обработка металла давлением» 26

  2. Общая постановка задачи оптимального управления технологическим комплексом «нагрев-обработка металла давлением» 31

  3. Методика решения задачи на максимум производительности технологического комплекса «нагрев-обработка металла

давлением» . 32

1.6 Многопараметрическая постановка задачи оптимального
управления технологическим комплексом «нагрев-обработка

металла давлением» 33

Выводы по первой главе 35

2 Моделирование процесса деформации металлических заготовок
цилиндрической формы 36

2.1 Базовая аналитическая модель температурного поля

1 цилиндрической заготовки в процессе прессования. 36

  1. Численная модель температурного распределения по объему цилиндрической заготовки в процессе прессования 41

  2. Параметрическая идентификация модели температурного поля заготовки в процессе прессования 44

  3. Задача параметрической оптимизации температурного профиля нагреваемой заготовки перед прессованием 56

2.4.1 Решение задачи двухпараметрической оптимизации 58

  1. Решение задачи трехпараметрической оптимизации 61

  2. Решение задачи четырехпараметрической оптимизации 69

Выводы по второй главе 71

3 Оптимизация процесса нагрева заготовок цилиндрической формы в
индукционных нагревательных установках 72

  1. Базовая математическая модель температурного поля цилиндрической заготовки в процессе нагрева 72

  2. Требования к конечному состоянию объекта управления и критерии оптимальности в задаче индукционного нагрева 74

  3. Базовая задача оптимального по быстродействию управления процессом индукционного-нагрева 77

  4. Универсальные свойства конечных температурных состояний оптимальных по быстродействию процессов индукционного

нагрева 80*

  1. Задача оптимального по быстродействию управления процессом градиентного нагрева цилиндрической заготовки в ИНУ периодического действия....' 85

  2. Задача оптимального проектирования ИНУ периодического действия, реализующей процесс градиентного нагрева

цилиндрической заготовки 94

Выводы по третьей главе 102

4 Оптимальное управление технологическим комплексом «нагрев —
обработка металла давлением» 103

  1. Совместная оптимизация режимов индукционного нагрева и обработки металлов давлением 103

  2. Задача оптимального управления технологическим комплексом

«нагрев — обработка металла давлением» 107

Выводы по четвертой главе 112

5 Анализ экономических показателей алгоритмов оптимального
управления комплексом «нагрев-обработка металлов давлением» 113

5.1 Анализ составляющих затрат в работе технологического комплекса

«нагрев-обработка металлов давлением» 113

5.2 Выбор стратегии функционирования технологического
комплекса «нагрев - обработка металлов давлением» на основе

обобщенного технико-экономического критерия 119

Выводы по пятой главе 121

6 Программно-алгоритмическое обеспечение задач моделирования и
оптимального управления технологическим комплексом «нагрев-
обработка металлов давлением» 122

  1. Программные средства в задачах моделирования процессов нестационарной теплопроводности 122

  2. Алгоритмы программное обеспечение в задачах оптимизации

процессов нестационарной теплопроводности 127

Выводы по шестой главе 131

Заключение 132

Библиографических список 133

Приложение А Справка об использовании результатов диссертационной

работы 142

Приложение Б Акт внедрения научных исследований диссертации в

учебный процесс СамГТУ 143

Введение к работе:

Актуальность работы. Развитие ведущих отраслей современной тяжёлой промышленности неразрывно связано с возрастающим применением процессов индукционного нагрева металлов и их последующей обработкой давлением. Широкое использование индукционного нагрева в современной индустрии связано с рядом несомненных преимуществ, которым он обладает, но сравнению с другими конкурентоспособными технологиями. Прессование, как один из основных способов обработки металлов давлением, представляет достаточно прогрессивный, а зачастую единственно возможный способ получения изделий, имеющих разнообразные формы поперечных сечений и большую длину.

В конкурентных условиях возникает задача повышения экономической-эффективности производственных процессов за счет максимального использования внутренних резервов оборудования. Ставится задача достижения, предельных технико-экономических показателей технологических линий в

условиях, обеспечивающих гибкость производственного процесса. Получение качественных результатов при решении поставленной задачи возможно путем оптимизации режимов работы и конструктивных характеристик как отдельных элементов, так и технологических комплексов в целом.

В основополагающих работах А.Г. Бутковского. А.И. Егорова. Ю.В. Егорова, Ж.Л. Лионса. К.А. Лурье. Т.К. Сиразетдинова и др. получены прин-ципиально важные результаты применительно к типичным' задачам- оптимального управления математическими моделями процессов тепломассопе-реноса.

Проблемам оптимизации режимов работы индукционных нагревателей посвящены работы Рапопорта Э.Я., Данилушкина А.И., Горбаткова С.А., Коломейцевой М.Б., Лившица М.Ю., Зимина Л.С, Носова П.П., Синдякова Л.В., Малешкина Н.И. и др. Задачи оптимизации процессов индукционного нагрева

исследовались, главным образом, применительно к установкам периодического

и непрерывного действия в установившихся и переходных режимах их работы. При решении конкретных практических задач удалось выявить локальные критерии оптимальности отдельно для процесса нагрева и процесса прессования, найти оптимальные температурные распределения по- объему заготовок на каждой стадии производственного цикла и определить оптимальные управляющие воздействия, обеспечивающие экстремальное значение выбранного обобщенного критерия. При этом, несмотря на эффективность полученных решений, остаются существенные резервы дальнейшего повышения качества работы технологических комплексов* в целом.

Принципиально новые результаты достигнуты путем применения, системного подхода к проблеме оптимизации процессов нагрева металла. Такой подход позволяет перейти к задачам оптимизации более высокого уровня, производственной иерархии, позволяющим достичь экстремальных значений-совокупного экономического показателя работы технологического комплекса «нагрев - обработка давлением» в целом.

Принципиальная особенность системного подхода заключается в< рассмотрении цепочки взаимосвязанных технологических процессов обработки металлических изделий (нагрев, транспортировка, обработка давлением) как единого технологического комплекса, рассматриваемого в качестве объекта управления. При этом обобщенный экономический показатель, работы технологического комплекса в целом г является критерием оптимальности В' задачах оптимального управления и проектирования^ что позволяет существенно расширить возможности оптимальных алгоритмов управления и вывести их за рамки «обслуживания» технологических процессов.

При решении конкретных практических задач часто удается выявить локальные критерии оптимальности для решения частных задач оптимизации отдельно для процесса нагрева и процесса прессования, найти оптимальные температурные распределения по объему заготовок на каждой стадии производственного цикла и определить оптимальные управляющие

7 воздействия, обеспечивающие экстремальное значение выбранного

обобщенного критерия.

В этой связи актуальными являются задачи теоретического и экспериментального исследования алгоритмов оптимального управления технологическим комплексом «нагрев-обработка металлов давлением» по различным критериям качества.

Исследования по теме диссертации выполнены в рамках проекта 06-08-00041-а «Разработка основ теории и методов реализации стратегии гарантированного результата в процессах идентификации и управления техническими! системами с распределенными параметрами», поддержанного грантом РФФИ: Диссертация выполнена в соответствии с планом научно-исследовательской работы Самарского государственного технического университета №565-03-01 Программы поддержки ведущих научных школ Федерального агентства; по-образованию РФ.

Цель работы. Целью диссертационной' работы является: разработка
алгоритмов оптимального управления технологическим комплексом,

включающим индукционную нагревательную установку (ИНУ) и прессовое оборудование, по основным технико-экономическим критериям качества.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:

  1. Разработана проблемно-ориентированная на задачи оптимального управления математическая модель процесса прессования заготовок цилиндрической формы;

  2. Проведена параметрическая идентификация параметров, разработанной* математической модели процесса прессования по экспериментальным данным.

  3. Обоснована, сформулирована и решена задача параметрической оптимизации температурного распределения по длине заготовки перед прессованием с целью подержания с максимальной точностью постоянной температуры в зоне деформации.

4. Выявлены альтернансные свойства функциональной зависимости

температуры пластической зоны от времени при оптимальном температурном распределении по длине заготовки перед процессом прессования.

  1. Сформулированы в двумерной постановке и решены задачи оптимального по быстродействию и точности управления процессом градиентного нагрева заготовок в многосекционных индукционных нагревательных установках периодического действия.

  1. Сформулирована и решена задача программного управления комплексом «нагрев — обработка металла давлением», оптимального по критериям максимальной точности и по комплексному технико-экономическому критерию эффективности.

  2. Разработано математическое, алгоритмическое и программное обеспечение и созданы пакеты прикладных программ для автоматизированного расчета алгоритмов оптимального управления процессами в технологическом* комплексе «нагрев — обработка металла давлением».

Методы исследования. Для решения, поставленных задач использовались, методы математического анализа, идентификации, численного моделирования, теории теплопроводности, теории автоматического управления, теории оптимального управления системами с распределенными параметрами.

Научная новизна. В диссертации получены следующие основные научные результаты:

разработана, проблемно-ориентированная на использование в оптимизационных процедурах модель, процесса прессования, металлических заготовок цилиндрической формы;

установлены альтернансные свойства температурных зависимостей в процессе прессования с заданной скоростью заготовок цилиндрической формы, оптимальных по точности равномерного приближения к заданной величине;

сформулирована и решена задача параметрической оптимизации температурного распределения по длине заготовки перед прессованием;

- поставлена и решена двумерная задача оптимального по

быстродействию и точности управления процессом градиентного нагрева заготовок в многосекционных индукционных нагревательных установках периодического действия;

- предложена методика решения задачи оптимального управления
технологическим комплексом «индукционный нагрев - прессование» на основе
альтернансного метода параметрической оптимизации температурных режимов
по критериям точности и экономической эффективности.

Практическая полезность работы. Прикладная значимость проведенных исследований определяется следующими результатами:

предложена методика проектирования оптимального распределения' температуры по длине заготовки непосредственно перед прессованием, обеспечивающего поддержание заданной температуры пластической зоны;

разработана инженерная методика расчета алгоритмов оптимального управления процессами индукционного нагрева и прессования алюминиевых заготовок цилиндрической формы в технологическом комплексе «нагрев-обработка металла давлением»;

разработано специальное математическое, алгоритмическое и программное обеспечение, на базе которого созданы пакеты прикладных программ для автоматизированного расчета оптимальных алгоритмов управления процессами индукционного нагрева, и прессования' в технологическом комплексе «нагрев-обработка металла давлением»;

обоснована целесообразность практического применения полученных в работе алгоритмов оптимального управления.

Реализация результатов работы. Результаты работы использованы в проектных разработках перспективных систем управления технологическим оборудованием в ОАО «СМЗ» (г. Самара) и в учебном процессе при подготовке в СамГТУ инженеров по специальности «Автоматизация технологических процессов и производств» и магистров техники и технологии по направлению «Автоматизация и управление».

10 Апробация работы. Основные положения и результаты работы

докладывались и обсуждались на международных и всероссийских

конференциях: Всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука.

Технологии. Инновации» (Новосибирск, 2003, 2004); X Международной

научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника,

электротехника и энергетика» (Москва, 2004); Всероссийской научной

конференции «Математическое моделирование и краевые задачи» (Самара

2004, 2006); V Международной научной конференции студентов и молодых

ученых «Полет» (Киев, 2005); Международной научно-технической

конференции «Информационные, измерительные и управляющие системы»

(Самара, 2005).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе 2 в журналах из перечня; рекомендованного ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 главки заключения; изложенных на 143 страницах машинописного текста, содержит 52 рисунка, 19 таблиц, список литературы из 89 наименований и 2 приложения.

На защиту выносятся следующие положения:

  1. Проблемно-ориентированная численная модель процесса прессования, металлических заготовок цилиндрической формы, рассматриваемого в качестве объекта оптимального управления;

  2. Альтернансные свойства температурных зависимостей в процессе прессования с постоянной скоростью заготовок цилиндрической формы, оптимальных по точности равномерногоприближенияк заданнойївеличине;

  3. Постановка, и методика точного решения задачи параметрической оптимизации температурного распределения по длине заготовки перед прессованием;

  4. Постановка и методика точного решения краевой задачи оптимального по быстродействию и точности управления процессом градиентного нагрева заготовок в многосекционных индукционных нагревательных установках периодического действия;

  1. Методика решения задачи программного управления температурными режимами работы комплекса «нагрев — обработка металла давлением», оптимального по критериям максимальной точности нагрева и по комплексным технико-экономическим показателям эффективности.

  2. Специальное алгоритмическое, математическое и программное обеспечение для автоматизированного расчета алгоритмов оптимального управления технологическим комплексом «нагрев — обработка металла давлением».

В первой главе проведен обзор работ, посвященный рассматриваемой* задаче оптимального управления технологическим комплексом «нагрев-обработка металла давлением». Показано^ что опубликованные до настоящего времени исследования, касающиеся рассматриваемой проблемы, посвящены в основном решению локальных задач управления на отдельных стадиях работы-комплекса, что обуславливает актуальность исследования с использованием;. обобщенного технико-экономического критерия качества. В? общем;. виде; представлено; математическое описание процессов технологической обработки-металла на всех стадиях работы и приведены основные критерия оптимального» функционирования комплекса «нагрев-обработка металла давлением».

Во второй главе предложена численная модель процесса прессования) металла на основе известных зависимостей для; поля скоростей деформации; Є использованием предложенной модели определен характер изменения* температуры в зоне деформации; Установлены, альтернансные;-свойства*, функциональной зависимости температуры пластической зонькот времени при; оптимальном температурном распределении по длине заготовки перед процессом прессования.

Предложена постановка и решение задачи параметрической оптимизации температурного распределения по длине заготовки перед прессованием с целью подержания с максимальной точностью постоянной температуры в зоне деформации.

12 В третьей главе рассматриваются задачи оптимизации

температурных режимов работы индукционных нагревателей по различным

критериям оптимальности.

Сформулированы в двумерной постановке и решены с использованием альтернансного метода параметрической оптимизации задачи оптимального по быстродействию и точности управления процессом градиентного нагрева заготовок в многосекционных индукционных нагревательных установках периодического действия.

Четвертая глава рассматривается проблема совместной оптимизации режимов индукционного нагрева и обработки металлов давлением.

Приводится формулировка и решение задачи программного управления температурным режимом работы комплекса «нагрев — обработка металла-давлением».

Рассматривается оригинальная методика решения задачи оптимального-управления температурным режимом1 работы комплекса «нагрев — обработка металла давлением» основанная- на альтернансном методе параметрической оптимизации.

Пятая глава проводится анализ экономических показателей алгоритмов-,
оптимального управления комплексом «нагрев-обработка металлов»
давлением». ; ,

Выбор критерия оптимальности функционирования комплекса «нагрев -обработка'металла давлением» осуществляется с позиций! системного подходаь путем рассмотрения» совместного технико-экономического показателям эффективности работы всех его компонентов. В качестве основного показателя эффективности рассматривается себестоимость выпускаемой продукции.

Проводится анализ для энергетической составляющих затрат. Показано, что увеличение производительности комплекса «печь-пресс» приводит к перераспределению нагрузки от нагревательной установки к прессовому инструменту и росту суммарных удельных затрат электроэнергии.

13 Рассматриваются стратегии функционирования технологического

комплекса на основе обобщенного технико-экономического критерия, для

различных соотношений ценовых составляющих затрат производства

продукции.

В шестой главе описывается разработанное и использованное

программное обеспечение для моделирования процессов нагрева и

прессования, и решения задачи оптимизации по представленной методике.

Подобные работы
Щелоков Михаил Евгеньевич
Разработка системы управления процессом литья с коррекцией технологических параметров на этапах заполнения формы и наложения давления на кристаллизующийся металл
Култаев Беркин Баянгалиевич
Математическое моделирование, оптимизация, управление и диагностика воздушного конденсатора паросиловой установки
Борзов Андрей Николаевич
Моделирование и управление процессом гидроочистки дизельного топлива
Митрошин Владимир Николаевич
Математическое моделирование и автоматическое управление объектами с распределенными параметрами в технологических процессах изолирования кабелей связи
Лежнев Максим Владимирович
Структурное моделирование и автоматическое управление температурой абсорбента в теплообменном аппарате установки комплексной подготовки газа
Узенгер Алексей Андреевич
Структурное моделирование и оптимальное управление температурными режимами жидкого металла в газовых отражательных печах для плавления алюминиевых сплавов
Третьяков Александр Александрович
Моделирование и оптимальное управление процессом синтеза монометиланилина в контактном аппарате трубчатого типа
Елизаров Александр Михайлович
Моделирование, оптимальное проектирование и управление процессом нанесения гальванического хромового покрытия
Подрезова Виктория Игоревна
Компьютерное моделирование процессов деления потоков волокнистого материала и управление ими
Шведов Николай Георгиевич
Автоматизация и управление процессом многолезвийной механической обработки на основе динамического моделирования технологической системы

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net