Введение к работе
Актуальность работы. Производство железорудных окатышей выполняется на одном из двух типов окомкователей (грануляторов) — барабанном или чашевом. На металлургических предприятиях нашей страны барабаные грану-ляторы являются основным агрегатом для производства железорудных окатышей вследствие простоты конструкции и более высокой производительности по сравнению с чашевыми.
Технологический процесс производства сырых окатышей состоит из двух основных операций — подготовка шихты и гранулирование. В процессе формирования окатышей можно выделить три стадии [Коротич В.И, 1966, Перший В.Ф. и др., 2009]: образование гранул из мелких частиц и дробление комков; скатывание и уплотнение гранул в результате их перемещения по вращающейся внутренней поверхности гранулятора; упрочнение связей в результате перехода жидкой фазы в твёрдую. Сыпучий материал в поперечном сечении вращающегося барабана образует замкнутый циркуляционный контур. Часть материала образует поднимающийся слой, а остальной — скатывающийся. Рост и уплотнение гранул происходит в основном в скатывающемся слое. При вращении барабана материал, окомковываясь, перемещается вдоль оси гранулятора в сторону разгрузочного конца.
Производительность процесса, наряду с физико-химическими характеристиками шихты и её дисперсностью, определяется также конструкцией гранулятора и режимом его работы. Традиционно управление процессом окомкования основано на контроле расхода шихты, поступающей в гранулятор, а также выхода кондиционных окатышей заданного класса крупности и циркуляционной нагрузки. Основной недостаток такого способа — относительно большая инерционность системы управления, связанная с тем, что регулирование влажности шихты, частоты вращения барабана и производительности по шихте для получения необходимого размера гранул осуществляется только после измерения количества и анализа качества кондиционных окатышей, а не в процессе гранулообразования, что снижает производительность окомкователя. Способы окомкования и оборудование для производства железорудных окатышей постоянно совершенствуются. Большой вклад в теорию окомкования сыпучих железорудных материалов внесли В.И. Коротич, В.М. Витюгин, Е.И. Сулименко, П.В. Классен, Е.А. Исаев и др.
Одним из путей увеличения выхода кондиционных окатышей и снижения времени окомкования является использование способа, в котором регулирование указанных параметров технологического процесса осуществляют после выделения и контроля выхода гранул размером 7-9 мм [Исаев Е. А., Чернец-кая И. Е., 2008]. Такой способ позволяет получить требуемый гранулометрический состав окатышей при максимальном выходе кондиционной фракции 9-16 мм, а также увеличить прочность сырых гранул и газопроницаемость слоя окатышей.
Однако для реализации этого способа требуется система автоматического управления окомкователем, интегрированная в контур управления технологическим процессом, обеспечивающая регулирование параметров технологического процесса в масштабе времени, близком к реальному, а также непрерывность информационного взаимодействия АСУ ТП с исполнительной частью.
Для решения этой задачи предлагается использовать систему управления, построенную на основе многозонной импульсной модуляции [Кобзев А. В., 1979, Кобзев А. В. и др., 1990]. В настоящее время такие системы находят все большее применение на практике [Meynard Т. A., Foch Н., Thomas J. P., 2002, Rashid M. H., Luo F. L., 2006]. При соответствующей частоте коммутации полупроводниковых ключей и необходимом числе зон можно обеспечить сколь угодно малый коэффициент пульсаций момента исполнительного двигателя и высокую точность воспроизведения управляющего сигнала. С другой стороны, реализация положительных свойств систем с многозонной модуляцией является сложной задачей. Это обусловлено тем, что в импульсных системах при вариации параметров возможно возникновение колебаний на пониженных частотах, кратных частоте модуляции, квазипериодических и хаотических режимов. При этом наиболее опасны жесткие переходы, когда на фоне регулярной динамики возникают катастрофы, проявляющиеся в скачкообразном изменении динамики в ответ на малые изменения параметров или воздействие случайных помех. Следствием этого является не только снижение показателей качества управления и нарушение хода технологического процесса, но и внезапные отказы технологического оборудования.
Исследованию нелинейных явлений в импульсных системах в последние годы уделяется большое внимание. Вместе с тем механизмы и причины возникновения катастроф, связанных с мультистабильной динамикой, остаются мало изученными.
Таким образом, в настоящее время имеет место противоречие, состоящее в том, что, с одной стороны, необходимо повышать производительность производства окатышей путем совершенствования управления процессом окомкова-ния на основе применения автоматических систем с многозонной модуляцией, а с другой — для данного класса импульсных систем недостаточно изучены пути расширения области абсолютной устойчивости рабочих режимов, исключения катастроф и мультистабильности, что вынуждает проводить большой объём экспериментальных исследований с целью получения приемлемых для конкретных условий эксплуатации динамических характеристик.
В связи с вышеизложенным актуальной является научная задача, состоящая в разработке метода расширения области устойчивости рабочих режимов системы управления окомкователем, обеспечивающего исключение недетерминированных режимов, катастроф, мультистабильности и повышение качества управления процессом окомкования.
Диссертационная работа выполнена при реализации НИР, проводившихся в рамках международного сотрудничества Юго-Западного государственного университета с Центром биофизики и сложных систем факультета физики Технического университета Дании (Center for Biophysics and Complex Systems, Department of Physics, Technical University of Denmark). Исследование частично поддержано Федеральной целевой программой «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (государственный контракт №П2228).
Объект исследований. Системы управления процессом окомкования сыпучего железорудного материала для АСУ ТП производства сырых окатышей.
Предмет исследований. Бифуркации, катастрофы и мультистабильность в
автоматических системах с многозоннои импульсной модуляцией.
Цель и задачи исследования. Повышение качества управления процессом окомкования сыпучих материалов при производстве железорудных окатышей на основе применения автоматических систем с многозонной модуляцией для управления гранулятором, создания методов их бифуркационного анализа, обеспечивающих исключение недетерминированных режимов, катастроф и мультистабильной динамики.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решаются следующие задачи:
Разработка структурно-функциональной организации подсистемы управления процессом окомкования, интегрированной в АСУ ТП производства сырых железорудных окатышей.
Разработка методов и алгоритмов бифуркационного анализа систем автоматического управления с многозонной широтно-импульсной модуляцией.
Анализ закономерностей возникновения двухчастотных колебаний, исследование путей исключения мультистабильной динамики и катастроф в системах управления с многозонной модуляцией.
Разработка метода расширения области устойчивости рабочих режимов системы управления окомкователем, обеспечивающего исключение недетерминированных режимов, катастроф и мультистабильности.
Исследование характеристик динамических режимов системы управления гранулятором и оценка качества управления процессом окомкования.
Научная новизна результатов, выносимых на защиту.
Разработана система автоматического управления окомкователем сыпучих железорудных материалов, основанная на импульсном регулировании момента электродвигателя, отличающаяся использованием многозонной импульсной модуляции, позволяющая уменьшить пульсации момента двигателя пропорционально числу зон модулятора, исключить перерегулирование и повысить точность воспроизведения управляющего сигнала.
Разработан метод расширения области устойчивости рабочих режимов системы управления окомкователем, отличающийся применением численно-аналитического метода расчета С-бифуркационных границ и координат точек коразмерности два, позволяющий с заданной точностью рассчитывать радиус области конвергентности в пространстве параметров, не менее чем на три порядка уменьшить вычислительные затраты за счет исключения трудоемкой процедуры построения бифуркационных поверхностей.
3. Выявлены закономерности возникновения двухчастотных колебаний,
определены пути исключения катастроф и мультистабильности в системах ав
томатического управления с многозонной широтно-импульсной модуляцией,
сущность которых состоит в следующем:
Область устойчивости колебаний с частотой модуляции (рабочего режима) в плоскости параметров ограничена тремя бифуркационными кривыми: С-бифуркационной границей рождения двумерного тора, линиями бифуркаций Неймарка-Саккера и удвоения периода, попарно сходящимися в точках коразмерности два. Расширение границы области устойчивости с одновременным увеличением точности регулирования, обеспечивающее исключение недетерминированных режимов, катастроф и мультистабильности, достигается изме-
нением координат указанных точек путем вариации параметров корректирующего устройства в цепи обратной связи системы управления.
В области больших значений коэффициента усиления корректирующего устройства наблюдается новый тип мультистабильного поведения, характеризующийся тем, что в широких диапазонах изменения параметров сосуществуют несколько устойчивых двумерных торов с разными числами вращения.
Причиной катастрофического перехода к резонансной динамике является субкритическая С-бифуркация рождения двумерного тора, сущность которой состоит в следующем: в точке ветвления неустойчивый тор, разделяющий бассейны притяжения сосуществующих аттракторов, сливается с периодическим движением, теряющим устойчивость через С-бифуркацию. При этом наблюдается жесткий (катастрофический) переход к устойчивому резонансному циклу, проявляющийся в многократном (примерно в 30-40 раз) увеличении амплитуды колебаний.
Радиус области конвергентности определяется координатами точек в пространстве параметров, в которых совместно выполняются условия бифуркаций Неймарка-Саккера, удвоения периода и С-бифуркации рождения двумерного тора, что позволило разработать эффективный с точки зрения затрат машинного времени алгоритм численного расчета границы области абсолютной устойчивости.
Методы исследования базируются на теории автоматического управления, методах нелинейной динамики, математического моделирования и вычислительной математики, теории устойчивости и бифуркаций, методах теории оком-кования сыпучих материалов.
Практическая ценность.
Разработанная система автоматического управления с многозонной импульсной модуляцией может найти применение в регулируемых асинхронных электроприводах и электроприводах постоянного тока АСУ ТП в различных отраслях промышленности.
Разработанные методы и алгоритмы бифуркационного анализа, сформулированные в работе пути исключения мультистабильной динамики и катастроф, найдут применение при моделировании и проектировании широкого класса импульсных систем автоматического управления.
Полученные аналитические зависимости пригодны для инженерных расчетов при проектировании импульсно-модуляционных преобразователей электрической энергии и систем управления электроприводами для АСУ ТП.
Реализация и внедрение. Результаты диссертационной работы рекомендованы к внедрению в: ООО «Фрекон», УНИК ТУ СУР (г. Томск) при создании систем энергообеспечения ростовых установок для технологического процесса выращивания монокристаллического кремния; ОАО «Себряковцемент» (Себряковский цементный завод, Волгоградская обл.) в систему управления электроприводом погрузчика фасованной продукции цементного производства. Научно-методические результаты, полученные в диссертационной работе, используются в учебном процессе Юго-Западного государственного университета (ЮЗГУ) в рамках дисциплин «Математические модели процессов и систем» и «Основы теории управления».
Апробация результатов. Основные положения и результаты диссертаци-
онной работы докладывались на международных конференциях: Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации (Курск, 2008, 2010); Информационно-измерительные, диагностические и управляющие системы (Курск, 2009); Интеллектуальные и информационные системы (Тула, 2009); Математика и ее приложения в современной науке и практике (Курск, 2011); научных семинарах кафедры вычислительной техники Юго-Западного государственного университета (2006-2011); на научных семинарах Центра биофизики и сложных систем Технического университета Дании (факультет физики Технического университета Дании, 2009—2010).
Публикации. По результатам диссертации опубликовано 19 печатных работ, основные из которых приведены в конце автореферата, из них — 5 статей в журналах, входящих в перечень ВАК РФ, патент РФ на изобретение и два свидетельства об официальной регистрации программ для ЭВМ.
Личный вклад автора. В работах, выполненных в соавторстве, лично автором в [1] проведены исследование и обработка экспериментальных данных процесса окомкования сыпучих железорудных материалов; в [2] разработан модифицированный алгоритм анализа устойчивости периодических режимов систем управления с импульсной модуляцией первого рода; в [3] разработаны вычислительные алгоритмы бифуркационного анализа систем управления с многозонной импульсной модуляцией, исследованы бифуркации рождения двухчастотных колебаний; в [4,7,8,10] разработана структурная схема системы управления процессом окомкования и функциональная схема системы автоматического управления окомкователем; в [5,9] разработаны алгоритмы бифуркационного анализа и исследованы закономерности мультистабильной динамики системы автоматического управления окомкователем.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы, включающего 137 наименований и приложения, изложена на 126 страницах (без приложения), содержит 34 рисунка.
