Введение к работе
Актуальность. Металлургическая отрасль является одной па базовых отраслей народного хозпйстЕа и в ней имеются значительные возможности для повышения качества шпускаемой продукции и снижения ре себестоимости, в частности, за счет внедрения автоматизированных систем управления технологическими процессами, обеспечивающими оптимизации управления, рациональное'использование материальных и энергетических ресурсов.
К числу основных технологических процессов металлургического производства относятся процессы нагрева металла перед прокаткой и при его термообработке.
К сожалению, применяемые з настоящее время системы управления нагревом п проходных и протяжных печах в целом но совершенны, поэтому необходимы разработка и внедрение наиболее эффективных систем с. обратной звязью по температуре нагреваемого металла.
Вместе с тем, решение отой крупной научна-технической проблемы здерживается, в основном, из-за отсутствия систематизированной теоретической базы построения я использования алгоритмического обеспечения таких систем. Процедуры выбора структуры моделей и алгоритмов, используемых для контроля и управления процессом, и особенно их параметри-іеской настройки являются, как правмо, секретом фири-разрзоотчиков \СУ ТП нагревательных печей, таїше задачи решаются в большинстве слу-tacn на основе опыта и интуиции, методы решения этих задач в значительной мере относятся к области инженерного искусства, а не к области інженерних знаний.
Цель, работы. Разработка основ структурного синтеза, настройки и ис-шьзовання моделей к алгоритмов применительно к современным системам 'правления нагревом металла. Поставленная цель предопределила аппарат юследовапия: математическое моделирование процессов нагрева слябов о внш и неявным учетом наличия поверхностных слоев окалиш, численные іетодн нелинейного програшшрозания, принцип мзисимума для процессов о оередоточзішши и распределенными параметрами, теория регулярного еплового режима, метод регуляризации для решения некорректных задач еплообмена, теория управляемости и наблюдаемости для сосредоточенных истеы, теория идентификации математических моделей, теория алгоритмов экспериментальная проверка полученных ревультатоа в промышленных уо-овиях.
Научная тыща. Созданы в систематизированной форме теплотехничео-і:ш основи построения, параметрической настройки и использования моделей и алгоритмов для снегам управления с обратной связью по температуро нагреваемою металла: выделен tuiacc задач, относящихся к указанной проблемо, да основе анализа и моделирования процессов нагрева о явным и неявным учотокі поверхностных слоев окаяины реоена проблема ьыбора структуры моделей, разработаны основы теории приближенного описания нагрева с помощью экспоненциальных моделей, оценена управляемость и наблюдаемость процесса и разработана алгоритмы оценки температурного поли слябов по-измеряемым переменкам процесса нагрева.
Разработан комплекс алгоритмов контроля тедаературы слябов для различных способов Ецравішааніга их температурных полей: при постоянной температуре поверхности, при нулевом тепловом потоке через поверхность н при постоянной температуре рабочего пространства в зоне. Алгоритми разработаны для регулярной и иррегулярной стадий процесса. Ллгоритш контроля длч регулярной стадии обобщены для тел произвольной формы.
Разработан комплекс алгоритмов параметрической настройки моделей и алгоритмов для контроля нагрева слябов в методических печах. Комплекс включает алгоритмы идентификации для различных случаев имеющейся экспериментальной информации о процессе нагрева слябов в печах, а иыеняо идентификация проводится по данным:
1)непрерывных измерений температуры поверхности металла;
2)точечных намерений температуры поверхности металла;
3)определения сроднеыассовой температуры заготовок на выходе из печи;
4) точечных и непрерывных измерений температури поверхности в условиях наступления регулярного режима в зонах иечк.
Получены условия оптимальности для наиболее общего описания процесса двухстороннего нагрева окисляющихся слябов. Условия оптимальности для Оолее простых случаев, в том числе и для распределенных процессов с неподвижными границами получается часткам случаем из приведенных.
Проанализированы вычислительные аспекты оптимального управления, в честности, найден общий вид управления и решены некоторые упрощенные задачи. На основе результатов решения этих задач, а тачке на основе анализа и обобщения литературных данных сформулирован общий принцип экономичного (по расходу топлива на нагрев и потерям металла в окали-?/) управлении проходными и протяжными печами.
Разработан комплекс алгоритмов расчета уставок регуляторов температурь? я роках проходных'и протяжных печей. Использование этих адгерит-
- 5 -коп в АСУ ТП печей обеспечивает повышение точности нагрева, цинииивд цгао энергетических затрат к потерь металла с окалшюй. а также "Олл зость" траекторий среднемассовой температури верхней и нижней половин сляба в условиях существенно несимметричного нагрева. Удовлетворитесь нов решение последнего вопроса повволяет, в частности, при решении ва-дач оптимизации в два раза уменьшить размерность искомого вектора управления и ограничиться рассмотрением нагрева толысо верхней половили сляба.
Практическая ценность. Результаты работы являются теоретической основой построения, параметрической настройки и использования моделей и алгоритмов для контроля к управления нагревом металла. Конкрезшые алгоритмы настройки (параметрической идентификации) моделей, контрол-л температури металла и управления процессом его нагрева нро'яли модальные, а в ряде случаев и премьшеикые испытания и рекомендуются для использования в АСУ ТП нагревательных печей. Использование этик ачгорит-
МОВ В УЧебПОМ ПРОЦЄССО ВУЗОВ И КОДЛеДКеЙ ПОЗВОЛИТ ОУЕеСТВеШЮ ПОВЬ'СІІ'Пі
качество подготовки специалистов, ее эффективность.
Реализация работы. Результати работы испольвозалнсь в системой
контроля и управления нагревательными печати стана "2500" АО "W/K",
протяжными термоагрегатами АО "ВМК". а также при разработке и проеци
ровании АСУ ТП термоучастка ЦЛХП АО "МКЗ". Внедрение экономичных р"%п-
мов нагрева позволило на методический печах стала "2500" до ":м<"
уменьшить удельный расход условного топлива ьй.'.со, чем на 1,5 кг на
тонну проката, что в денежном выражении составим более- 62 т«с. рубле Л
в год (данные 1981г.). /
Сушаряий реальний экономический эффект при учета только постоянно регистрируемых статей расходов по четырем агрегатам АО "В.К" превы'чпет 160 тыс. рублей с год (данные 1989 и lQQOrr.), по пятому агрегату ЛО "НДС* величина эффекта кз определялась. Ожидаемый экономический э<^:ст от использования результатов работы в проекте АСУ ТП тс-рмоучастка ЦЛХП АО "МКЗ" по оценке отдела технико-экшомнчееккх исследование ВНййияти-за составляет более 40 тис. рублей в год (датшие і ОД? г.). Представленные в диссертационной работе модели и алгоритми ксподьзоваъчсь в учебном, процессе МГМА в лекционных курса-: "Негоди оптешэацки в системах управления". "Моделирование и оптгаяігашя в система!: управления", а также на практическая и лаборатории занятия:!, в курсорна к динхоч-ных проектах.
Апробация работы. Основные положения и роаулътата диссертации докладывались и обсуждались на II Всесоюзної! совегаапии-сектшре по опта-
шаации динамических систем (г. Минск, 1980г.). на Всесоюзно научно-технической конференции по проблемам разработки и внедрения АСУ в прокатном производстве (г. Киев, 1883г.), на научно-технической конференции по использовании математического и физического моделирования в управлении тепловыми рэлсмачи и САПР металлургических печей (г. Свердловск, 1Q84 г.), на Всесоюзном научно-техническом совеї^акии по пробле-w,sa ускорения научно-технического прогресса в метизном производстве (г. Магнитогорск, 1С90г.), на научно-технической конференции по совер-иэнстЕоьании теплових схем и теагатехнологических процессов проышлен-кш "ГЭС и энерготехнологических агрегатов (г. Челябинск, 1993г.), на межгосударственной научно-технической конференции "Состояние а перспективи развития научно-технического потенциала Юлно-Уральского региона" (г. Магнитогорск, 1994г.), на семинарах МГМА (1980-1984ГГ., 1960-1Є9<ігг.), на II научно-технической конференции ГПКИ "Проекгавто-ыатнка" (г. Магнитогорск, 1930г.) л других научно-технических конференциях.
Публикации. Но рассматриваемым разработкам опубликовано SO научных статей, докпадоа и тезисов докладов. Кроме того, материалы диссертации приведены в отчетах по научно-исследовательским работам, выполненным при участии и под руководством автора (номера государственной регистрации 79024721, 80031670, 810S6365, 01850005990, 01870013243, 0189C082S11 и др.).
Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литература из 204 наименований и приложений, изложена на 50 страницах машинописного текста, иллюстрирована 44 рисунками.
Предмет защиты и личный вклад автора. На защиту выносятся результаты исследования задачи выбора структура наиболее соответствующей физике процесса модели нагрева слябов в печах, включая разработку численной модели двухстороннего нагрева заготовок с окалиной на поверхностях и оценку влияния процесса окисления металла на скорость его нагрева, утверждения о свойствах и условиях допустимости описания процесса нагрева слябов экспоненциальной моделью, результаты решения задачи на&ш-даекости и алгоритмы контроля температуры слябов по измераеыш переменным процесса нагрева, а также результаты исследования вопроса о по-меяоуотоЗчивооти этих алгоритмов, комплекс алгоритмов контроля температурного поля металла для различных условий его выравнивания и гипотетические положения о неизменности структуры алгоритмов для тел про-извольгой формы, методика (в общем виде) настройки алгоритмов на "ре-ошгай гогн'.рсо", комплекс алгоритш? параметрической настройки моделей
внешнего, теплообмена слябов в печах, комплекс алгоритмов расчета уставок регуляторов температури в зонах протяжних к проходных печей. Личный вклад автора заключается в постановка я творческой разработке задач исследования, включая их самостоятельное решение.
Введение. Во введении проведен анализ истории развития методов и систем контроля и оптимизации тепловых и температурных режимов НЗГрЗ-ватыльных печей. Установлено, что:
-
для наиболее полного внедрения в практику эксплуатации печей экономичных технологических режимов, повышения точности и качесг: нагрева заготовок необходимо построение систем оперативного контрим температури нагреваемого металла;
-
центральной проблемой создания таких систем является задача разработки математических моделей и алгоритмов, допояльщих инструментальные методы контроля и составляющие, совместно с н;ши достаточно точную систему расчзтке-инструментального контроля Tewiepaiypu слябов в печах.
-
необходима также разработка алгоритмов расчета уставок для САР температуры в зонах печей с учетом закономерностей экономичных рекшов нагрева и конкретного типа нагревательных печен.