Моделювання і оптимальне керування процесами зневоднення та гранулювання у псевдозрідженому шарі

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

“КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

УДК 681.3.06

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Моделювання і оптимальне керування процесами зневоднення та гранулювання у псевдозрідженому шарі

Спеціальність 05.13.07 - Автоматизація технологічних процесів

Корнієнко Богдан Ярославович

Київ 2000

Дисертацією є рукопис

Роботу виконано на кафедрі математичних методів системного аналізу Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут” (НТУУ “КПІ”)

Науковий керівник: доктор технічних наук Новіков Олексій Миколайович, директор Фізико-технічного інституту НТУУ “КПІ”.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Грищенко Анатолій Зіновійович,

Науково-виробнича корпорація “Київський інститут автоматики”, головний науковий співробітник;

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Повєщенко Геннадій Павлович,

Навчально-науковий комплекс “Інститут прикладного системного аналізу” НАН України та Міністерства освіти і науки України.

Провідна установа: Одеський державний політехнічний університет, кафедра автоматики та управління в технічних системах.

Захист дисертації відбудеться 24 квітня 2000 р. о 14.30 на засіданні спеціалізованої ради Д 026.002.04 при Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, Київ, пр. Перемоги, 37, корпус 18, аудиторія 432.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці НТУУ “КПІ”

Автореферат розісланий 24 березня 2000 р.

Вчений секретар спеціалізованої ради кандидат технічних наук, професор Л.С. Ямпольський

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Метою дисертаційної роботи є розробка та практична реалізація математичної моделі, алгоритмів ідентифікації та оптимального керування, програмного забезпечення у складі системи автоматичного керування процесами зневоднення і гранулювання сульфату амонію у апараті із псевдозрідженим шаром.

Для досягнення поставленої мети у роботі вирішуються наступні задачі:

1. Виконання аналізу задач моделювання, ідентифікації та керування процесами зневоднення розчинів і гранулювання у апараті із псевдозрідженим шаром.

Розробка та чисельний розв`язок комплексної математичної моделі безрециклового процесу зневоднення розчинів і гранулювання у апараті із псевдозрідженим шаром.

Розробка та дослідження алгоритму ідентифікації параметру температуропровідності математичної моделі безрециклового процесу зневоднення і гранулювання розчинів.

Розробка необхідних умов та алгоритмів оптимального керування безрецикловим процесом зневоднення і гранулювання сульфату амонію у псевдозрідженому шарі.

Створення програмно-алгоритмічних засобів системи оптимального керування у складі автоматичної системи керування процесами зневоднення і гранулювання сульфату амонію у апараті із псевдозрідженим шаром.

Автор захищає:

Математичну модель безрециклового процесу зневоднення розчинів і гранулювання у апараті із псевдозрідженим шаром, що відрізняється комплексним врахуванням ефектів двофазності, випаровування рідкої фази, кристалізації, розподілу вологовмісту та гранулометричного складу для різних періодів сушіння.

Алгоритм ідентифікації параметру температуропровідності математичної моделі безрециклового процесу зневоднення розчинів і гранулювання у псевдозріженому шарі.

Необхідні умови та алгоритм оптимального керування безрецикловим процесом зневоднення і гранулювання сульфату амонію у псевдозріженому шарі.

4. Принципи побудови програмно-алгоритмічного модулю системи оптимального керування процесами зневоднення і гранулювання сульфату амонію у апараті із псевдозрідженим шаром.

Актуальність роботи. При освоєнні безперервних технологій широке застосування у хімічній промисловості знайшли апарати із псевдозрідженим шаром, що сприяють інтенсифікації процесів. Активно розроблюються способи і системи керування процесом сушіння розчинів із отриманням готового продукту у гранульованому вигляді.

Гранулювання значно покращує товарні властивості готового продукту, оскільки гранули відзначаються доброю рухливістю при транспортуванні, незлежуванністю при зберіганні та відсутністю пилу при фасуванні. Крім того, використання апаратів із псевдозрідженим шаром дозволяє об`єднувати в одному апараті всі стадії процесу - випаровування вихідного розчину, кристалізацію та сушку одержаного продукту із одночасним гранулюванням.

Важливим етапом у розробці та ефективному використанні оптимальної системи керування є створення адекватної математичної моделі процесу. Задача створення математичної моделі процесу гранулювання у псевдозрідженому шарі розв`язувалась різними вченими, серед яких Поттер О.Е., Девідсон І.Ф., Харрісон І.Д., Тодес О.М., Ван Дімтер Д.Д., Таганов І.Н та інші. В їх працях отримані вагомі результати у визначенні підходів до розкриття закономірностей росту гранул та можливостей їх регулювання та запропоновані математичні моделі: класична дифузійна модель, що описується параболічним рівнянням та вважає процес перенесення твердої фази чисто випадковим і характеризує його двома параметрами: коефіцієнтом вертикальної дисперсії та коефіцієнтом горизонтальної дифузії; модель, яка описує перемішування частинок за допомогою рівняння конвективної дифузії, що включає два параметри: конвективну швидкість частинок та коефіцієнт турбулентної дифузії; модель, яка описує перемішування частинок рівнянням гіперболічного типу, що враховує скінченість швидкості руху частинок.

В останні десятиріччя отримані значні здобутки у розробці математичних моделей процесу гранулювання у псевдозрідженому шарі ученими Бородулею В.А., Теплицьким Ю.С. та Єпановим Є.Г., які запропонували використовувати двофазну дифузійну модель, що враховує інерційні властивості частинок. Ця модель більш адекватно описує реальний процес у широкому діапазоні зміни експериментальних умов. Разом з тим недостатню увагу приділено урахуванню ефекту кристалізації, розподілу вологовмісту та гранулометричного складу для різних періодів сушіння. В зв`язку з цим актуальною є розробка математичної моделі процесу гранулювання у псевдозрідженому шарі з урахуванням як двофазного характеру процесу, так і випаровування рідкої фази, кристалізації, розподілу вологості чи гранулометричного складу для різних періодів сушіння.

В свою чергу, постійність дисперсного складу шару та стабільність роботи апарату залежить від багатьох факторів, основними серед яких є фізико-хімічні властивості матеріалу, що гранулюється, які визначають температурний режим процесу. Тому після розробки структури математичної моделі процесу гранулювання у псевдозрідженому шарі, яка містить невідомі параметри, визначити які на основі апріорних знань складно або неможливо, необхідно провести параметричну ідентифікацію процесу.

Задача створення чи підвищення ефективності систем оптимального керування технологічними процесами зневоднення та гранулювання у псевдозрідженому шарі обумовлює необхідність здійснення дослідження вказаного процесу як об`єкту керування. Недостатній рівень розробки питань створення математичних моделей, алгоритмів оптимального керування процесами зневоднення і гранулювання з розчинів у псевдозрідженому шарі, системи автоматичного керування процесом є актуальною проблемою, розв`язку якої і присвячена дана робота.

Наукова новизна роботи визначається наступними отриманими автором теоретичними та експериментальними результатами:

- розроблена математична модель безрециклового процесу зневоднення розчинів і гранулювання у апараті із псевдозрідженим шаром, що відрізняється комплексним врахуванням ефектів двофазності, випаровування рідкої фази, кристалізації, розподілу вологовмісту та гранулометричного складу для різних періодів сушіння;

- запропоновано алгоритм рішення задачі ідентифікації процесів зневоднення і гранулювання у псевдозрідженому шарі;

- з використанням математичної моделі динамічного режиму розроблено алгоритми оптимального керування у складі системи автоматичного керування гранулятором.

Методи дослідження. Для вирішення поставлених задач у роботі використовувались методи математичного моделювання, чисельні методи розв`язку диференціальних рівнянь у частинних похідних, методи ідентифікації параметрів, методи теорії оптимального керування: варіаційне числення та метод градієнту у функціональному просторі.

Математична модель процесу отримана на основі аналітичного підходу, експериментальні дослідження по перевірці адекватності якої проведені регулярними методами. Алгоритм рішення задачі ідентифікації процесів зневоднення і гранулювання розроблений на основі методу градієнту у функціональному просторі. Алгоритм оптимального керування об`єктом оснований на застосуванні апарату варіаційного числення. При розробці алгоритму оптимального керування, при виведенні необхідних умов оптимальності застосовувалося методи теорії оптимального керування.

Практична цінність роботи. Створена математична модель, алгоритми ідентифікації та оптимального керування процесами зневоднення і гранулювання сульфату амонію, що є універсальними і можуть бути використаними при описі подібних апаратів при зневодненні і гранулюванні інших розчинів.

Розроблено та впроваджено програмний модуль “Моделювання, ідентифікація та оптимальне керування процесом гранулювання сульфату амонію у псевдозрідженому шарі”, що входить до складу системи автоматичного керування виробництвом сульфату амонію на установці ПГВС-2,5, що дозволило підвищити якість гранульованого продукту при одночасному підвищенню продуктивності роботи установки, що виробляє сульфат амонію, за рахунок збільшення часу безперервної роботи не менше як у 1,3 рази.

Реалізація науково-технічних результатів. Програмний модуль “Моделювання, ідентифікація та оптимальне керування процесом гранулювання сульфату амонію у псевдозрідженому шарі” впроваджено на двох об`єктах. Впровадження модулю у складі системи автоматичного керування виробництвом сульфату амонію на установці ПГВС-2,5 на Черкаському ВАТ “Азот” привело до підвищення ефективності процесу за рахунок подовження часу безперервної роботи у стаціонарному режимі. Економічний ефект від застосування алгоритму складає 5600 гривень на квітень 1997 року.

Програмний модуль у складі комп`ютерної системи керування гранулятором із псевдозрідженим шаром випробуваний на лабораторній установці ЛГ-10А кафедри “Машини і апарати хімічних виробництв” НТУУ “КПІ” та використовується для організації наукових лабораторних експериментів та в навчальному процесі. Використання програмного модулю призвело до підвищення стабільності процесу зневоднення та гранулювання розчинів у псевдозрідженому шарі при проведенні спеціальних експериментальних досліджень.

Особистий внесок здобувача. Особистий внесок здобувача в матеріалах дисертаційної роботи становить:

- вирішення задачі побудови математичної моделі безрециклового процесу зневоднення розчинів і гранулювання у апараті із псевдозріженим шаром, що відрізняється комплексним врахуванням ефектів двофазності, випаровування рідкої фази, кристалізації, розподілу вологовмісту та гранулометричного складу для різних періодів сушіння;

- розробка алгоритму ідентифікації параметру температуро-провідності моделі безрециклового процесу зневоднення розчинів і гранулювання у псевдозрідженому шарі;

- розробка необхідних умов та алгоритму оптимального керування за мінімумом інтегрального квадратичного критерію якості;

- вирішення задачі побудови програмно-алгоритмічного модулю у складі системи оптимального керування процесами зневоднення і гранулювання сульфату амонію у апараті із псевдозрідженим шаром.

Апробація роботи. Основні наукові і практичні результати дисертаційної роботи доповідались та обговорювались на: 2-й Українській конференції з автоматичного керування “Автоматика-95”, м. Львів, вересень 1995 р., 3-й Українській конференції з автоматичного керування “Автоматика-96”, м. Севастополь, вересень 1996 р., 4-й Українській конференції з автоматичного керування “Автоматика-97”, м. Черкаси, червень 1997 р.

Публікації. За результатами досліджень опубліковано 4 статті у журналах, що входять в основний перелік наукових видань ВАКу України.

Структура і обсяг. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку літератури (111 найменувань) та додатків. Загальний обсяг роботи - 120 сторінок, містить 34 рисунки і 3 таблиці.

У вступі обгрунтована актуальність вибору теми дисертації, подане коротке викладення роботи, сформульована мета роботи та основні задачі досліджень.

У першому розділі проаналізовано підходи до математичного моделювання, ідентифікації параметрів і оптимального керування процесами зневоднення та гранулювання у псевдозрідженому шарі. Розглянуто та враховано складний характер гідродинаміки, тепло- та масообміну у процесах зневоднення та гранулювання, кінетики гранулювання. Дана характеристика сучасному рівню автоматизації з метою розробки оптимальної системи керування. Поставлена задача дослідження.

У другому розділі запропонована математична модель процесу гранулювання у псевдозрідженому шарі з урахуванням двофазного руху частинок, випаровування рідкої фази, ефекту кристалізації, розподілу вологості або гранулометричного складу для різних періодів сушки. Наведені результати обчислювальних експериментів.

Третій розділ присвячений ідентифікації та оптимальному керуванню процесами зневоднення та гранулювання розчинів у псевдозрідженому шарі. Запропонований алгоритм розв`язку задачі ідентифікації параметрів процесу гранулювання у псевдозрідженому шарі у детермінованій постановці. Розроблені алгоритми оптимального керування процесами зневоднення та гранулювання у псевдозрідженому шарі.

У четвертому розділі наведені результати практичної реалізації та досвіду використання програмного модулю. Доведена можливість практичного застосування програмного модулю “Моделювання, ідентифікація та оптимальне керування процесом гранулювання сульфату амонію у псевдозрідженому шарі”. Розроблена оптимальна система керування процесом гранулювання у псевдозрідженому шарі, до складу якої входить програмний модуль. Наведені схема дослідної лабораторної установки та результати експериментальних досліджень процесів зневоднення і гранулювання.

У додатках наведені акт впровадження розробок та результати експериментальних досліджень.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

З метою створення математичної моделі процесів зневоднення і гранулювання із псевдозрідженим шаром проведено аналіз процесів кінетики, тепло- та масообміну в грануляторах із псевдозрідженим шаром. На основі проведеного аналізу обрано двофазну дифузійну модель, запропоновану та вивчену в роботах Бородулі В.А., Теплицького Ю.С. та Єпанова Є.Г., що враховує перемішування частинок у псевдозрідженому шарі. Для математичного опису процесів зневоднення та гранулювання у псевдозрідженому шарі двофазна дифузійна модель доповнена складовими, що описують випаровування рідкої фази та ефект кристалізації на поверхні частинок. Крім того, математична модель доповнена рівняннями, що описують розподіл вологовмісту та гранулометричного складу для різних періодів сушіння.

Таким чином в роботі запропонована комплексна математична модель процесу зневоднення розчинів та гранулювання у псевдозрідженому шарі, що враховує різноманіття процесів, що протікають при інтенсивному зневодненні та гранулюванні розчинів мінеральних термолабільних солей із внутрішніми джерелами нових центрів гранулювання із отриманням гранульованого продукту заданого дисперсного складу.

Рівняння, що описують вертикальне внутрішнє теплоперенесення системи і перемішування частинок у неоднорідних псевдозріджених шарах та враховують теплоту, що виділяється при випаровуванні рідини з розчину, а також ефект кристалізації мають вигляд:

(1)

з граничними та початковими умовами:

; ; ; ; ;

; ;

де А - доля об`єму шару, який зайнятий безперервною фазою, що спускається (фаза А); В - доля об`єму шару, який зайнятий шлейфами бульбашок (фаза В); Т1, Т2 - температура частинок у фазах А та В; Т0 - початкова температура шару; - коефіцієнт тепловіддачі від теплоносія до частинок, що знаходяться в одиниці об`єму шару; * - інтенсивність відводу тепла із шару фільтруючим повітрям; * - час релаксації концентраційного поля; - коефіцієнт вертикальної температуропровідності; Gp - витрати вихідного розчину; xp - концентрація розчину; r - прихована теплота пароутворення; Сп - теплоємність пари; q - тепло, що виділяється при кристалізації розчину.

Особливості протіканні процесу сушіння у першому періоді описані за допомогою рівняння функції розподілу маси гранул за їх розмірами:

(2)

з граничними та початковими умовами:

; ,

де Kr - константа вивантаження; - вихід гранульованого продукту; S - функція сепарації; - лінійна швидкість росту; Ф(D) - функція джерел нових центрів гранулювання. При гранулюванні сульфату амонію у реальних умовах пилеуніс складає до 30% від кількості солі, що подається з розчином. Істирання гранул враховано параметром, що показує вихід гранульованого продукту, а селективне вивантаження - функцією сепаратора.

Протікання процесу сушіння у другому періоді описується за допомогою функції розподілу кількості частинок за вологовмістом та розміром:

(3)

з граничними та початковими умовами:

; ; ,

де Фin(,R) - вхідний потік частинок із вологовмістом та розміром R. Нагрівання матеріалу до температури мокрого термометру відбувається миттєво. В даному випадку розглядався процес у якому відсутнє істирання, винесення та сепарація частинок, відсутня просторова неоднорідність в об`ємі псевдозрідженого шару. Система (1)-(3) являє собою комплексну математичну модель процесів зневоднення розчинів та гранулювання у псевдозрідженому шарі.

Адекватність математичної моделі, що розроблена, перевірено шляхом порівняння результатів обчиcлювального експерименту та результатів експериментальних досліджень на лабораторній установці ЛГ-10А з прямокутною камерою гранулятора для зневоднення та гранулювання сульфату амонію у псевдозрідженому шарі. Порівняння перехідних характеристик, отриманих за допомогою математичної моделі та експериментальних динамічних характеристик по можливим каналам керування “витрати вихідного розчину - температура псевдозрідженого шару”, “витрати повітря (Q2) - температура псевдозрідженого шару” показало, що математична модель дає відносну похибку 13-14% та 7-8% відповідно. Експериментальні дослідження підтвердили, що чутливість об`єкту керування по каналу Gp T1 більша ніж по каналу Q2T1. Тривалість перехідних процесів, розрахованих за допомогою математичної моделі, за основними каналами керування складає 100-136 с, а в отриманих на лабораторній установці - 80-124 с при зміні витрат емульсійного розчину у діапазоні 0.51-0.68 кгK/(сДж) та витрат повітря у межах 61.8 - 110.3 м3/год.

Створена математична модель є універсальною і може бути використана при описі подібних апаратів при зневодненні і гранулюванні інших розчинів.

В дисертації розв`язано задачу ідентифікації коефіцієнту вертикальної температуропровідності математичної моделі процесу гранулювання (система (1)-(3)). Розв`язання цієї задачі обумовлено необхідністю підвищення якості розробленої математичної моделі гранулятора з псевдозрідженим шаром. Задача параметричної ідентифікації формулювалась у вигляді задачі мінімізації функціоналу, що має вигляд:

, (4)

де у(i,t) -виміряна температура в момент часу t на і-му рівні шару; Т1(і,t) - температура, що розрахована за допомогою системи (1)-(3), на і-му рівні шару. Для зменшення впливу з одного боку газорозподільної решітки, з іншого боку вузла введення вихідного розчину для вимірювання температури шару та встановлення термопари обрана середня точка по висоті шару.

При цьому необхідні умови задачі ідентифікації мають вигляд:

, (5)

де L{.} - лагранжіан задачі безумовної мінімізації; T1(5,t) - температура середньої точки по висоті шару; Р1(і,t) - розв`язок спряженої задачі, що має вигляд:

для першого періоду сушіння

(6)

з граничними та кінцевими умовами:

; (7)

для другого періоду сушіння

(8)

з граничними та кінцевими умовами:

; (9)

Алгоритм рішення задачі ідентифікації коефіцієнту вертикальної температуропровідності має вигляд:

Параметру, що ідентифікується, присвоюється початкове значення , s=0, де s - індекс алгоритмічного циклу.

З використанням заданої величини визначається значення похідної на основі співвідношення (5), розв`язуючи спряжену систему рівнянь (6)-(9).

Нова оцінка параметру, що ідентифікується, визначається:

(10)

де - крок градієнтної процедури.

4. Перевіряється умова

,

де - задана похибка обчислень параметру . Якщо дана умова виконується, то розрахованим значенням коефіцієнту вертикальної температуро-провідності приймається значення та процедура ідентифікації закінчується. В іншому випадку повертаємося до пункту 2.

Для розв`язання задачі ідентифікації використовувались виміри температури шару у(t,i), що отримувались в процесі дослідження роботи гранулятора з псевдозрідженим шаром для зневоднення та гранулювання сульфату амонію.

У відповідності до результатів чисельної реалізації, алгоритм ідентифікації коефіцієнту вертикальної температуропровідності, що використовує градієнтний метод, забезпечує збіжність алгоритму на 12 ітерації градієнтної процедури. При цьому величина похибки математичної моделі процесів зневоднення та гранулювання у апараті із псевдозрідженим шаром відносно експериментальних даних складає 4-6 %.

В дисертаційній роботі розв`язано задачу оптимального керування процесом зневоднення розчинів та гранулювання у псевдозрідженому шарі для випадку зміни дисперсного складу частинок за рахунок подрібнення великих гранул.

При розв`язку задачі оптимального керування процесом зневоднення та гранулювання у псевдозрідженому шарі враховувались залежність виходу гранульованого продукту від температури псевдозрідженого шару, необхідність забезпечення стабільного безрециклового процесу гранулювання за значних навантажень шару розчином, що обумовлено збільшенням потужності внутрішніх джерел нових центрів гранулювання та реалізується за рахунок підвищення температури шару. Температуру псевдозрідженого шару можна безперервно вимірювати. Останнє дозволило вибрати наступний критерій якості:

 (11)

зневоднення гранулювання псевдозріджений шар

де Т1(x,t) та - температура псевдозрідженого шару та задана температура відповідно. Основним керуючим впливом обрано витрати вихідного розчину Gp.

Для розв`язку задачі застосовано варіаційний метод. При цьому Лагранжіан визначається:

(12)

Спряжені змінні 1 та 2 представлені формулами:

(13)

з граничними і кінцевими умовами:

; ;

, (14)

де 1(t) та 2(t) - множники Лагранжа.

Оптимальне керування шукалося за допомогою метода градієнта. При цьому функція керування визначалася:

;

(15)

де - крок градієнтної процедури. Критерієм зупинки градієнтної процедури є виконання умови:

, (16)

де - задана константа.

Система рівнянь (13)-(14) розв`язана на основі застосування кінцево-різницевих методів та методу Рунге-Кутта. Проведені обчислювальні експерименти підтверджують дієздатність запропонованого алгоритму та використовувались для задачі настроювання температури шару на задану =375 К та =377 К. В результаті обчислювальних експериментів встановлено, що алгоритм оптимального керування процесом зневоднення та гранулювання у псевдозрідженому шарі зменшує значення критерію оптимальності з 5000 на 1-й ітерації до 200 на 12-й ітерації градієнтної процедури та забезпечує оптимальний розподіл температур.

З метою практичної реалізації системи розв`язана задача оптимального керування за принципом зворотного зв`язку. В якості критерію оптимальності використали критерій виду

 (17)

Задача розробки оптимальної системи керування процесами, що описуються моделлю (1)-(3), потребує визначити таку стратегію керування Gp(t), яка б мінімізувала критерій якості (17). З метою представлення системи рівнянь (1)-(3) у формі простору стану рівняння приведені до вигляду:

(18)

,

з граничними та початковими умовами:

; ; ; ;

; . (19)

Необхідні умови оптимальності дали змогу отримати систему рівнянь Ріккаті:

(20)

,

з кінцевими та граничними умовами:

S11(z,tK)=0; S22(z,tK)=0; S33(z,tK)=0; S21(z,tK)=0; S31(z,tK)=0; S32(z,tK)=0;

; ; ; ; (21)

; ;

Оптимальний закон зворотного зв`язку визначається:

, (22)

та - вектор-стовпчик коефіцієнтів при керуванні. Після відповідного перетворення (22) отримали

(23)

Результати чисельного дослідження системи керування показали ефективну роботу оптимального алгоритму керування. Слід відзначити, що інерційні властивості оптимальної системи керування, отриманої при розрахунку за допомогою рівнянь Ріккаті кращі, ніж при розрахунку оптимального керування за допомогою системи спряжених рівнянь. Але перерегулювання оптимальної системи зі зворотнім зв`язком на 6-8 % більше ніж при оптимальному керуванні за допомогою системи спряжених рівнянь. Це пов`язано із лінеарізацією системи (1)-(3) при переході до простору стану та нелінійністю рівняння Ріккаті у випадку оптимальної системи керування зі зворотнім зв`язком.

Алгоритми ідентифікації математичної моделі та оптимального керування процесом зневоднення та гранулювання у псевдо-зрідженому шарі реалізовані у вигляді програмного модулю (ПМ). ПМ розроблений на мові програмування високого рівня Турбо-Паскаль 6.0 для комп`ютерів типу ІВМ РС та може використовуватись для дослідження та керування процесом.

Алгоритм керування, що розроблено, утворив основу програмного модулю “Моделювання, ідентифікація та оптимальне керування процесом гранулювання сульфату амонію у псевдозрідженому шарі” у складі системи автоматичного керування процесами зневоднення і гранулювання сульфату амонію, реалізованій на базі мікропроцесорних контролерів типу Реміконт Р-130, на установці ПГВС-2,5 Черкаського ВАТ “Азот” з економічним ефектом 5600 грв/рік на квітень 1997 року. Економічний ефект від впровадження модуля було досягнуто за рахунок підвищення якості процесу утримання температури псевдозрідженого шару з корекцією по рН розчину при збереженні якості гранулометричного складу на рівні 90% за масою гранул розміром 1,5-5 мм, зменшенні пилеуносу на 10% при зменшенні витрат вихідного розчину, збільшення часу безперервної роботи не менше як у 1,3 рази.

Запропонований програмний модуль у складі автоматичної системи керування процесом гранулювання на базі мікропроцесорних контролерів типу Реміконт Р-130, також може використовуватись, крім хімічної, на підприємствах суміжних галузей промисловості.

Результати використання запропонованих математичної моделі, алгоритмів ідентифікації та оптимального керування, а також створеного на їх основі програмного модулю “Моделювання, ідентифікація та оптимальне керування процесом гранулювання сульфату амонію у псевдозрідженому шарі” у складі системи автоматичного керування процесами у грануляторі із псевдозрідженим шаром показали їх ефективність та практичну спроможність.

ВИСНОВКИ

1. На підставі аналізу встановлено, що задачі моделювання, ідентифікації та оптимального керування процесами зневоднення та гранулювання сульфату амонію є актуальними. Аналіз дозволив розглядати моделювання динамічної поведінки, ідентифікацію параметрів та оптимальне керування процесами у псевдозрідженому шарі як самостійні задачі, що можуть використовуватися у складі системи автоматичного керування процесами зневоднення і гранулювання сульфату амонію у апараті із псевдозрідженим шаром.

2. Розроблено математичну модель безрециклового процесу зневоднення розчинів і гранулювання сульфату амонія у апараті із псевдозріженим шаром, що відрізняється комплексним врахуванням ефектів двофазності, випаровування рідкої фази, кристалізації, розподілу вологовмісту та гранулометричного складу для різних періодів сушіння та забезпечує відносну похибку по каналам впливу GpT1, Q2T1 експериментальної лабораторної установки 13-14 % та 7-8 % відповідно.

3. Розроблено алгоритм ідентифікації коефіцієнту вертикальної температуропровідності моделі безрециклового процесу зневоднення та гранулювання у псевдозрідженому шарі з використанням градієнтної процедури, що забезпечує похибку математичної моделі відносно експериментальних даних 4-6 %.

4. Розроблено алгоритм оптимального керування гранулятором із псевдозрідженим шаром, що враховує ефекти двофазності, випаровування рідкої фази, кристалізації, розподілу вологовмісту та гранулометричного складу процесу для різних періодів сушіння.

5. Розроблені в дисертації алгоритми ідентифікації та оптимального керування використовуються у складі системи автоматичного керування процесами зневоднення і гранулювання сульфатом амонію, реалізованій на базі мікропроцесорних контролерів типу Реміконт Р-130, на установці ПГВС-2,5 Черкаського ВАТ “Азот” з економічним ефектом 5600 грв/рік на квітень 1997 року.

ПЕРЕЛІК ОСНОВНИХ НАУКОВИХ ПРАЦЬ

1. Новиков А.Н., Корниенко Б.Я. Идентификация математической модели динамики процесса гранулирования в псевдоожиженном слое // Автоматизацiя виробничих процесiв. - Київ: 1998, № 1/2 (6/7).- С. 131-134.

2. Новиков А.Н., Корниенко Б.Я. Оптимальное управление процессом гранулирования удобрений в псевдоожиженном слое // Вісник Київського міжнародного університету цивільної авіації.- Київ: 1999, №1.- С. 284-288.

3. Новиков А.Н., Корниенко Б.Я. Исследование математической модели процесса гранулирования в псевдоожиженном слое // Наукові вісті Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут”.- Київ: 1999, № 2 (6).- С. 136-139.

4. Корниенко Б.Я. Исследование температурных режимов процессов обезвоживания и гранулирования в аппарате с псевдоожиженным слоем // Автоматизацiя виробничих процесiв. - Київ: 1999, № 2 (9).- С. 115-117.

5. Корниенко Б.Я. К вопросу математического моделирования процесса в псевдоожиженном слое // Друга Українська конференція з автоматичного керування („Автоматика-95”). - Т. 2. - Львів: - 1995. - С. 34.

6. Новіков О.М., Корнієнко Б.Я. Особливості застосування двохфазної моделі для опису кінетики процесу гранулювання у псевдозрідженому шарі // 3-я Українська конференція з автоматичного керування (“Автоматика-96”). - Т. 3. - Севастополь: 1996. - С. 136.

7. Новіков О.М., Корнієнко Б.Я. Оптимальне керування процесом гранулювання мінеральних добрив у псевдозрідженому шарі // 4-а Українська конференція з автоматичного керування (“Автоматика-97”). - Т. 5. - Черкаси: - 1997. - С. 66.

АНОТАЦІЯ

Корнієнко Б.Я. Моделювання і оптимальне керування процесами зневоднення та гранулювання у псевдозрідженому шарі. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.07 - автоматизація технологічних процесів - Національний технічний університет України “КПІ”, Київ, 2000.

Дисертацію присвячено питанням автоматизації процесу виробництва гранульованих мінеральних добрив у псевдозрідженому шарі. Розроблено математичну модель безрециклового процесу зневоднення і гранулювання у псевдозрідженому шарі, перевірку адекватності якої було проведено на лабораторній установці. У роботі одержано алгоритм параметричної ідентифікації процесу гранулювання розчинів із внутрішнім рециклом у псевдозрідженому шарі. Запропоновано алгоритм оптимального керування процесом зневоднення і гранулювання розчинів у псевдозрідженому шарі. Розроблений алгоритм оптимального керування ввійшов до складу автоматичної системи керування процесом зневоднення і гранулювання розчинів у псевдозрідженому шарі, що забезпечує ефективну роботу гранулятора при стабілізації гранулометричного складу у шарі без введення нових центрів гранулювання ззовні на конкретному продукті.

Ключові слові: псевдозріджений шар, зневоднення, гранулювання, математична модель, ідентифікація, оптимальне керування.

АННОТАЦИЯ

Корниенко Б.Я. Моделирование и оптимальное управление процессами обезвоживания и гранулирования в псевдоожиженном слое. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.13.07 - автоматизация технологических процессов - Национальный технический университет Украины “КПИ”, Киев, 2000.

Диссертация посвящена вопросам автоматизации процесса производства гранулированных минеральных удобрений в псевдоожиженном слое. Гранулирование значительно улучшает товарные свойства готового продукта и использование аппаратов с псевдоожиженным слоем позволяет объединить в одном аппарате все стадии процесса - выпаривание исходного раствора, кристаллизацию и сушку полученного продукта с одновременным гранулированием.

На основании проведенного анализа процессов кинетики, тепло- и массообмена в грануляторах с псевдоожиженным слоем для математического описания предложено использовать двухфазную безрецикловую диффузионную модель, которая учитывает инерционные свойства частиц, выпаривание жидкой фазы и эффект кристаллизации на поверхности частиц. Математическая модель процесса дополнена уравнениями, которые описывают распределение влагосодержания и гранулометрического состава для различных периодов сушки. Проверена адекватность математической модели на лабораторной установке. Установлено, что отличия характеристик, полученных по математической модели и на лабораторной установке возникают за счет параметрической неопределенности коэффициента вертикальной температуропроводности математической модели процессов обезвоживания и гранулирования в псевдоожиженном слое. Для повышения точности разработанной математической модели гранулятора с псевдоожиженным слоем решена задача параметрической идентификации. Разработан алгоритм идентификации коэффициента вертикальной температуро-проводности, который использует градиентный метод для минимизации функционала, учитывающего отклонение температуры псевдоожиженного слоя от заданной.

В диссертационной работе решена задача оптимального управления для случая изменения дисперсного состава частиц за счет дробления крупных гранул. В результате решения задачи разработан алгоритм оптимального управления процессом обезвоживания и гранулирования в псевдоожиженном слое и найден режим, при котором обеспечивается максимальный выход продукта.

Для практической реализации разработана оптимальная система управления процессами обезвоживания и гранулирования в псевдоожиженном слое. Разработанный алгоритм оптимального управления положен в основу программного модуля “Моделирование, идентификация и оптимальное управление процессом гранулирования сульфата аммония в псевдоожиженном слое” в составе системы автоматического управления процессами обезвоживания и гранулирования сульфата аммония. Предложенный программный модуль позволяет уменьшить расход теплоносителя и исходного раствора, минимизировать пылеунос и увеличить время непрерывной работы гранулятора с псевдоожиженным слоем при сохранении качества гранулированного продукта. Проведенные исследования системы управления подтвердили ее работоспособность и эффективность.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и приложений.

Во введении обоснована актуальность выбора темы диссертации, приведено краткое изложение работы, сформулирована цель работы и основные задачи исследований.

В первой главе проанализированы подходы к математическому моделированию, идентификации параметров и оптимального управления процессами обезвоживания и гранулирования в псевдоожиженном слое. Рассмотрен и учтен сложный характер гидродинамики, тепло- и массообмена в процессах обезвоживания и гранулирования, кинетики гранулирования. Поставлена задача исследования.

Во второй главе предложена математическая модель процесса гранулирования в псевдоожиженном слое с учетом двухфазного движения частиц, испарения жидкой фазы, эффекта кристаллизации, распределения влажности или гранулометрического состава для разных периодов сушки.

Третья глава посвящена идентификации и оптимальному управлению процессами обезвоживания и гранулирования растворов в псевдоожиженном слое. Предложен алгоритм решения задачи идентификации параметров процесса гранулирования в псевдоожиженном слое в детерминированной постановке. Разработаны алгоритмы оптимального управления процессами обезвоживания и гранулирования в псевдоожиженном слое.

В четвертой главе приведены результаты практической реализации и опыта использования программного модуля “Моделирование, идентификация и оптимальное управление процессом гранулирования сульфата аммония в псевдоожиженном слое”. Разработана оптимальная система управления процессом гранулирования в псевдоожиженном слое, в состав которой входит программный модуль.

Ключевые слова: псевдоожиженный слой, обезвоживание, гранулирование, математическая модель, идентификация, оптимальное управление.

ABSTRACT

Korniyenko B.Y.. Mathematical modeling and optimal control of dehydration process and granulating in the fluidized bed.- Manuscript.

The dissertation on competition scientific degree of the candidate of technical sciences on a speciality 05.13.07 - automation of technological processes - National technical university of Ukraine “Kyiv polytechnical institute”, Kyiv, 2000.

The dissertation devoted by question of production process automation of granular mineral fertilizers in fluidized bed. Developed a mathematical model out of circle of dehydration process and granulating in fluidized bed, adequacy verification of which was seen out on laboratory plant. In work the algorithm of parametrical identification of process granulating of solutions with internal recircle in the fluidized bed is received. Proposed algorithm of optimal control of dehydration process and granulating of solutions in fluidized bed. The developed algorithm of optimum control was included in structure by an automatic control system of process dehydration and granulating in fluidized bed, that provides effective work of granulator at to stabilization granulometric of content in layer without introduction of new granulating centres outside on concrete product.

Key words: fluidized bed, dehydration, granulating, mathematical model, optimal control.

Размещено на Allbest.ru

...