Управление режимами изменения давления газов в автоклавах Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.314

УПРАВЛЕНИЕ РЕЖИМАМИ ИЗМЕНЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ ГАЗОВ В АВТОКЛАВАХ

Г.Г.Гоппе1, Д.С.Киргин2

Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Получено описание математической модели закона линейного нарастания давления в емкости (автоклаве) при стабилизации производительности трубопроводной магистрали. Разработана математическая модель линейного нарастания давления в емкости (автоклаве) при использовании регулятора давления. Построена структурная схема системы управления трубопроводной арматурой для описанных математических моделей в программной среде Matlab. Приведены структурные схемы математических моделей закона линейного нарастания давления в емкости. Получены графики изменения давления в автоклаве и расхода воздуха в трубопроводной магистрали. Произведено сравнение графиков исследуемых моделей. Сделан вывод о рациональности применения закона линейного нарастания давления в автоклавах с использованием различных регуляторов. Ил. 7. Библиогр. 3 назв.

Ключевые слова: автоклав; технологический процесс; вулканизация; трубопроводная магистраль; математическая модель.

MODE CONTROL OF GAS PRESSURE CHANGE IN AUTOCLAVES G.G. Goppe, D.S.Kirgin

National Research Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk,664074.

A description of the mathematical model of the law of linear pressure rise in the tank (autoclave) under the stabilization of the pipeline performance is obtained. The authors design a mathematical model of the linear pressure rise in the tank (autoclave) when using a pressure regulator. A block diagram of the control system of pipeline valves for the described mathematical models in the software environment Matlab is built. Block diagrams of the mathematical models of the law of linear pressure rise in the tank are provided. Autoclave compression curves and graphs of air flow in the pipeline are obtained. A comparison of the graphs of the models under investigation is performed. A conclusion is made on the rationality to apply the law of linear pressure rise in autoclaves using various regulators. 7 figure. 3 sources.

Key words: autoclave; technological process; curing; pipeline; mathematical model.

Общие положения. Математическая модель изменения давления в автоклаве при транспортировании воздуха из коллектора по трубопроводной магистрали и полностью открытой трубопроводной арматуре получена в [1]. График изменения давления в емкости для математической модели представляет собой нелинейную функцию и совпадает с экспериментальной кривой. Из этого сделан вывод об адекватности модели реальному процессу нарастания давления в емкости. Другими словами, такой простой эксперимент с виртуальным объектом, где отсутствовало управление (задвижка была полностью открыта), позволил убедиться в соответствии математического описания реальным процессам как при транспортировании газового потока в трубопроводной магистрали, так и при нарастании давления в автоклаве.

Такая уверенность в адекватности математических моделей реальным процессам позволяет опять же на уровне моделей организовать такое управление ими, перенесение которых на объект обеспечит наилучшие в некотором смысле результаты его работы.

В частности, оптимальные показатели для процесса вулканизации в автоклавах отмечаются при линейном нарастании до некоторого значения температуры внутри емкости, а также значений давления пара и воздуха, которые по достижении определенного уровня стабилизируются системой управления на заданном значении.

Цель настоящей работы состоит в том, чтобы показать возможность управления нарастанием давления в емкости по любому закону, в частности по линейному.

Заметим при этом, что в [1] время нарастания давления в автоклаве до значений его в коллекторе является наименьшим из возможных. Это следует из того, что в течение всего вычислительного эксперимента арматура в трубопроводной магистрали была полностью открыта и снижение производительности потока воздуха там определялось только действием обратной связи от нарастающего давления в автоклаве. Об этом же свидетельствует и график изменения производительности магистрали, представляющий собой линейно спадающую функцию, где в самом

1Гоппе Гарри Генрихович, доктор технических наук, доцент кафедры электропривода и электрического транспорта, тел.: (3952) 405128.

Goppe Garry, Doctor of technical sciences, Associate Professor of the Department of Electric Drive and Electric Transport, tel.: (3952) 405128.

2Киргин Дмитрий Сергеевич, аспирант, тел.: (3952) 405128. Kirgin Dmitry, Postgraduate, tel.: (3952) 405128.

начале процесса производительность является максимальной, а в конце, когда давление в автоклаве становится равным давлению в коллекторе, обращается в нуль.

Исходя из особенностей рассматриваемого объекта, управлять или формировать закон нарастания давления можно только воздействуя на положение регулирующего органа, то есть перестановкой затвора трубопроводной арматуры. В математической модели

для магистрали это соответствует изменению у - относительного положения затвора в пределах от нуля до единицы. Для определения параметров линейного нарастания давления можно использовать различные подходы. Самый простой состоит в следующем. Если известны свободный объем автоклава, величина давления в коллекторе и начальное давление, то можно определить объем газа, который необходимо подать в емкость, чтобы давление в ней достигло значения давления в коллекторе. Исходя же из заданного времени нарастания давления, определяется та постоянная производительность транспортирования газа в магистрали, которая этот закон нарастания обеспечивает.

Предположим, что начальное давление в автоклаве равно атмосферному, а его объем равен V. Пусть как и в [1], давление в коллекторе равно 400000 Па. Время же нарастания при линейном законе должно быть больше, чем для эксперимента в [1], по крайней мере в 2 раза. Так, если время нарастания давления в автоклаве при полностью открытой задвижке составляло 2100 сек, то здесь гнар > 4200сек. Тогда постоянная производительность магистрали должна составлять

4У

G,

const

t

(1)

нар.

где V - объем воздуха, который необходимо подать в емкость, чтобы давление в ней выросло до коллек-

торного. В молях это составляет М =

4V 0.022

где 0,022

- - объем одного моля газа. При подаче в ем-

моль

кость постоянного во времени объема газа в соответствии с (1) длительность нарастания должна составлять гнар секунд. Если принять время нарастания

давления равным 4200 сек, то число молей газа в секунду, подаваемого в автоклав, составляет

2273моль моль

°молЬ =-= 0.5412-.

4200сек сек

Для того чтобы обеспечить такой процесс управления, необходимо снижение производительности в математической модели, вызванное увеличением давления в цепи обратной связи, компенсировать соответствующим открытием регулирующей арматуры. Другими словами, в математической модели [уравнение движения газов в трубопроводной магистрали (2)], производная производительности от времени должна оставаться равной нулю.

1. Математическая модель закона линейного нарастания давления в емкости (автоклаве) при стабилизации производительности магистрали воздуха. В [1] была приведена математическая модель управления давлением газовых сред в автоклаве, которая состояла из уравнения движения потоков жидкости и газов в трубопроводных магистралях и уравнения давления воздуха в емкости (автоклаве) в динамике. Воспользуемся ими вновь.

dQ dt

H * SyC * q

L* у

1 + Л-

L

+ (У)

(2)

Q2

2LSy

у

dP

dt

— G*R*T V

(3)

В уравнении (2) для регулирования подачи газа в автоклав основным параметром является коэффициент у), который определяется положением затвора регулирующего органа. Если у = 0, регулирующий орган полностью закрыт, £а(у) = £(0) = <х> и производительность равна нулю. Если же у = 1, то регулирующий орган полностью открыт и коэффициент £а(1) минимален. Соотношение для его определения имеет вид [2]:

(У ) =

20g ■ S

ус

(4)

(бус • у ¥

где Бу - площадь сечения полностью открытого регулирующего органа; бус - условная пропускная способность; g - ускорение силы тяжести; у - относительное положение регулирующего органа. Расчетное

3

значение бус = 0,0075 м .

ус

сек

С использованием соотношений (2) и (4) разработана структурная схема системы управления положением регулирующего органа трубопроводной арматуры. Она приведена на рис. 1 и включает ПИ-регулятор производительности трубопроводной магистрали «1», релейный регулятор положения задвижки «2», электропривод задвижки «3», преобразователь частоты вращения электропривода в угол поворота «4», преобразователь угла поворота в линейное перемещение

затвора «5». Относительное положение затвора у используется в (4) для расчета коэффициента сопротивления арматуры и является составляющей суммы коэффициентов в квадратной скобке (2).

Используя математическую модель движения потоков жидкости и газов в трубопроводных магистралях в динамике (2) и математическую модель давления воздуха в емкости - автоклаве (3), получим математическую модель линейного нарастания давления в

X

X

2

3

емкости - автоклаве - при регулировании расхода воздуха, подаваемого из коллектора:

жо =

(Н -нст)*

Ус

Ь'

ж - О2

с

1 + Л'

Ь

п

+ +

ус

20 & • 3Ус Л ^ОсУ?

ус

йг

(5)

dР =

—(0*йг)*я*г

V

йг.

На рис. 2 показана математическая модель в программной среде МаАаЬ линейного закона нарастания давления в емкости (автоклаве) при стабилизации производительности воздуха, подаваемого из коллектора.

Сектор «А3» реализует уравнение математической модели движения потоков жидкости и газов в трубопроводных магистралях в динамике (2).

Сектор «В3» реализует математическую модель давления воздуха в емкости - автоклаве (3). Описание функциональных частей секторов «А3» и «В3» приведено в [1].

В секторе «й3» приведен регулятор расхода газа.

В секторе «С3» показана структурная схема для расчета коэффициента £,а(у).

На рис. 3 изображена структурная схема сектора

«Е3» с блоками начальных условий формирования задания на расход газа Озад .

Блок «4»: Объем емкости (автоклава) У=12,5 м3.

Блок «5»: Абсолютное давление внутри емкости (автоклава).

Блок «6»: Число молей газа в емкости (автоклаве).

Блок «7»: Молярная масса воздуха.

Блок «8»: Время выхода давления Н до значения 4 атм.

Блок «2»: Формирование задания расхода Озад в молях.

Блок «1»: Перевод заданного расхода Озад в граммы.

Блок «3»: Перевод значения расхода Озад грамм. в заданное напряжение изад.

На рис. 4. изображены графики изменения давления в автоклаве при постоянном расходе воздуха. Здесь видно, что при постоянстве подачи количества молей газа в единицу времени нарастание давления в емкости осуществляется по линейному закону. Когда давление в автоклаве сравняется с давлением, подаваемым из трубопроводной магистрали, расход газа уменьшится до нуля, а рабочий орган у откроется полностью.

Рис.1. Структурная схема управления трубопроводной арматурой

Рис. 2. Математическая модель в программной среде Matlab закона линейного нарастания давления в емкости (автоклаве) при стабилизации производительности трубопроводной магистрали

X

Г

1

X

V

Рис. 3. Структурная схема блоков с начальными условиями, построенная в программной среде МаИаЬ

Рис. 4. Графики изменения давления в емкости (автоклаве) при постоянном расходе воздуха: Н - изменение давления; Q - расход воздуха; Y - открытие рабочего органа

2. Математическая модель линейного нарастания давления в емкости (автоклаве) при использовании регулятора давления. Вторым способом управления нарастанием давления в емкости по линейному закону является метод с использованием непосредственно регулятора давления. Отличие данного способа управления от рассмотренного выше состоит в том, что закон изменения давления задается как цель управления непосредственно регулятором давления. Ошибка регулирования или разница между величиной задания и обратной связью по давлению преобразуется в сигнал задания для регулятора расхода или производительности трубопроводной магистрали. Таким образом, в системе управления появляется уже три регулятора: давления, производительности и положения регулирующего органа. Следова-

тельно, отпадает необходимость заранее рассчитывать ту необходимую производительность магистрали, при которой закон нарастания давления будет линейным.

На рис. 5 показана математическая модель в программной среде МаАаЬ линейного нарастания давления в емкости (автоклаве) при использовании регулятора давления. Существенное отличие от предыдущей модели заключается в отсутствии блоков с начальными условиями, которые формировали сигнал на задание расхода газа. Составные части данного регулятора давления объединены в секторе «А4». На рис. 6 приведены блоки регулятора давления с цифровыми значениями для коэффициентов.

Блок «3»: Формирование задания линейного нарастания давления.

Блок «4»: Сигнал обратной связи по давлению в нал расхода газа в трубопроводной магистрали. Вы-

емкости (автоклаве).

Блоки «1» и «2» формируют пропорциональное и интегральное звено ПИ-регулятора.

ходной сигнал напряжения с сумматора поступает на

у

регулятор расхода, который управляет задвижкой На рис. 7 показаны графики изменения давления в

На выходе ПИ-регулятора формируется сигнал емкости (автоклаве) при использовании регулятора

давления.

напряжения изад., который подается на положительный вход сумматора, на отрицательный подается сиг-

Рис.5. Математическая модель в программной среде Ма^аЬ линейного нарастания давления в емкости (автоклаве) при использовании регулятора давления

Рис. 6. Регулятор давления в емкости (автоклаве)

45 3 2.5 2 1 ! !

1

--i

H

4 1 1 1

.......................:........

: .......................1....................... —-------

.......................!..............

1.5 г т ""!.....

.......................т....................... ....................... .......................1....................

1

Лы*

I

\

1.5 1 0 \

........................ ....................... ...............JV---

i

я «t 0 » ЮТ ЮТ год 25 00 ЭООО 35 ГО *5

Рис. 7. Графики изменения давления в емкости (автоклаве) при использовании регулятора давления: «Нз» - задание линейного нарастания давления;«Н» - изменение давления;«- расход воздуха

На графике видно, что давление в автоклаве «Н» повторяет кривую задания давления «Нз» и, когда значение «Н» в емкости выходит на отметку 4 атм., видно незначительное сглаживание кривой давления в автоклаве. График расхода «О» повторяет график расхода, показанный в предыдущей модели (см. рис. 4).

Таким образом, на примере реализации закона линейного нарастания давления в автоклаве показано, что система управления давлением может быть достаточно гибкой. Линейный закон является наиболее предпочтительным, но возможны и другие, которые определяются требованиями технологического процесса.

Библиографический список

1. Гоппе Г.Г., Киргин Д.С. Математическая модель управления давлением газовых сред в автоклаве для вулканизации резиновых изделий // Вестник ИрГТУ. 2011. №11. С. 15-20.

2. Гоппе Г.Г. Математическая модель расхода потоков жидкостей в трубопроводах как звено САР // Автоматизация

химических производств / НИИТЭХИМ. М., 1973. №4. С. 3243.

3. Герман-Галкин С.Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в Ма^аЬ 6.0. СПб.: КОРОНА принт, 2001. 320 с.

УДК 621.314.632

СПОСОБ СУШКИ ДРЕВЕСИНЫ С КОМБИНИРОВАННОЙ ЦИРКУЛЯЦИЕЙ ВОЗДУХА В КАМЕРЕ

А.А.Михеев1, М.П.Дунаев2

Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Для устранения основных недостатков камер с естественной циркуляцией предлагается способ сушки древесины с комбинированной циркуляцией. Снижение продолжительности процесса сушки возможно с помощью применения осциллирующих режимов. Сущность осциллирующего режима заключается в том, что общее время сушки по ступеням режима делится на циклы прогрева материала и его охлаждения по нормативной их продолжительности. Температурный разрыв между циклами прогрева и охлаждения принят в пределах 10-15 оС. Для увеличения скорости прохождения воздуха через штабель предлагается использование вентилятора, производящего периодический продув камеры согласно установленной программе.

1Михеев Алексей Александрович, аспирант, тел.: 89086411111. Mikheev Aleksei, Postgraduate, tel.: 89086411111.

2Дунаев Михаил Павлович, доктор технических наук, профессор кафедры электропривода и электрического транспорта, тел.: (3952) 405128.

Dunaev Mikhail, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Electric Drive and Electric Transport, tel.: (3952) 405128.