Разработка математической модели и синтез системы управления барабанной сушилки

Учреждение образования  «БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ 
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Факультет  ХТиТ

Кафедра     АППиЭ

Специальность АТПиП

 

 

 

 

 

 

 

 

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

КУРСОВОГО ПРОЕКТА

по дисциплине:

тема:  Разработка математической модели и синтез системы управления барабанной сушилки.

 

 

 

Исполнитель: студент 4 курса группы 4 Валенчиц А.А.

 

 

Руководитель:                ЛялькоА.А.

 

 

 

 

Курсовая работа защищена с оценкой_____________

Руководитель_________________________          __            ЛялькоА.А

^{(подпись)        (инициалы и фамилия)}

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Минск 2013 

Оглавление

Введение 4

1 Получение  математической модели объекта  управления 6

1.1 Краткое  описание технологического процесса 6

1.2 Получение  математической модели 9

2 Построение  временных и частотных характеристик  объекта управления 18

3 Нахождение  параметров передаточной функции  объекта управления по экспериментальной  переходной характеристике 20

3.2 Нахождение  коэффициентов переходной функции  методом площадей 22

4 Синтез оптимальной  системы управления 26

4.1 Постановка  задачи и описание метода синтеза 26

4.2 Нахождение  параметров наблюдателя 27

Заключение 33

Список использованных источников 34

 

 

 

 

Реферат

 

Введение

Моделированием называют построение модели того или иного явления реального мира. В общем виде модель — это абстракция реального явления, сохраняющая его существенную структуру таким образом, чтобы ее анализ дал возможность определить влияние одних сторон явления на другие или же на явления в целом. В зависимости от логических свойств и связей моделей с отображаемыми явлениями можно все модели разделить на три типа: изобразительные, аналоговые и математические.

Изобразительная модель отражает внешние характеристики явления и подобна оригиналу. Это наиболее простая и конкретная модель. Являясь в общемописательной моделью, она, как правило, не дает возможности установить причинные связи явления и соответственно определить или предсказать последствия изменений различных параметров явления. Характерная особенность такой модели – близкое совпадение ее свойств со свойствами отображаемого объекта. Эти свойства обычно подвергаются метрическому преобразованию, т.е. берется определенный масштаб.

В аналоговых моделях свойство данного явления отображается посредством свойств другого явления. Так, например, любая диаграмма представляет аналоговую модель некоторого явления. К аналоговым моделям относятся также морские карты, на которых совокупностью условных обозначений отображается совокупность свойств той или иной акватории. Преимущество аналоговой модели перед изобразительной состоит в том, что она позволяет отображать динамику явления. Другим преимуществом является большая универсальность этой модели: путем ее изменения можно отобразить различные процессы данного явления.

Математическая модель

Математическая модель является самой сложной и наиболее общей и абстрактной по сравнению с изобразительной и аналоговой. В ней для отображения свойств изучаемого явления используются символы математического или логического характера. Особые трудности возникают при решении задач с большой размерностью, расплывчатой постановкой, неопределенностью информации и т.д. В постановке таких задач появляются неклассические моменты, такие, как плохая формализуемость, нестандартность, противоречивость.

 

Барабанная сушилка представляет собой стальной цилиндрический кожух (толщина стенки 12–18 мм) длиной до 27 м и диаметром 1,0–3,5 м, установленный  под углом 1–4° в сторону разгрузки. На кожухе барабана закреплен зубчатый венец и два бандажа, которыми барабан опирается на опорные  ролики. Вращение сушилки со скоростью 2–8 мин-1. Обогрев печи осуществляется топочными газами, образующимися  за счет сжигания газообразного или  жидкого топлива в стационарных топках. Движение шихты и дымовых  газов в печи прямо- или противоточное. Температура газов на входе допускается 1000–1100ºС (типично 700–800°С), на выходе – 70–120ºС, скорость движения газов в барабане 2–4 м/с, длительность сушки 15–40 мин.

1 Бункер; 2 Питатель; 3 Сушильный барабан; 4 Топка; 5 Смесительная камера; 6 Вентилятор; 7 Вентилятор 8 Промежуточный бункер; 9 Транспортер; 10 Циклон; 11 Вентилятор; 12 Зубчатая передача;

Рисунок 1 – Барабанная установка

Описание работы барабанной сушилки:

Влажный материал из бункера 1 с помощью питателя 2 подается во вращающийся сушильный барабан 3. Параллельно материалу в сушилку  подается сушильный агент, образующийся от сгорания топлива в топке 4 и  смешивания топочных газов с воздухом в смесительной камере 5. Воздух в  топку и смесительную камеру подается вентиляторами 6 и 7. Высушенный материал с противоположного конца сушильного барабана поступает в промежуточный  бункер 8, а из него на транспортирующее устройство.

Отработанный сушильный  агент перед выбросом в атмосферу  очищается от пыли в циклоне 10. При  необходимости производится дополнительное мокрое пылеулавливание.

Транспортировка сушильного агента через сушильную установку  осуществляется с помощью вентилятора 11. При этом установка находится  под небольшим разряжением, что  исключает утечку сушильного агента через неплотности установки.

Барабан приводится во вращение электродвигателем через зубчатую передачу 12. Наклон оси барабана может составлять до 3-6 градусов к горизонту. 

 

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

1

КП 04.04.06. ПЗ

Разраб.

Валенчиц А.А

Провер.

Лялько А.А.

Реценз.

 

Н. Контр.

 

 Утверд.

Лялько А.А.

Получение математической модели объекта управления

Лит.

Листов

5

БГТУ 2013

1 Получение математической  модели объекта управления

 

1.1 Краткое описание  технологического процесса

В технике сушке подвергается множество материалов, различающихся  химическим составом, дисперсностью  и структурой, адгезионными свойствами и термочувствительностью, содержанием и формой связи влаги с материалом и другими свойствами. В химической промышленности процессы массо- и теплопереноса при сушке иногда осложняются протекающими одновременно химическими реакциями.

В связи с этим выбор  рационального способа сушки, типа сушильной установки и конструкции  сушильного аппарата представляет собой  сложную технико-экономическую задачу. 

Сушка — удаление жидкости из твёрдых, жидких и газообразных тел. Цель сушки — сохранение физико-химических свойств материалов, обеспечение во многих случаях сохранности материалов на продолжительный. период, а также исключение перевозки балласта. В технике наиболее распространена сушка влажных твёрдых материалов при их подготовке к переработке, использованию или хранению. Сушка этих материалов — процесс, сопровождающийся тепло и массообменном между сушильным агентом (воздух, топочные газы и др.) и влагой высушиваемого материала. Давление паров жидкости на поверхности твёрдого материала с повышением температуры возрастает и пары диффундируют в поток сушильного агента.

Равновесие при сушке:

Если материал находится  в контакте с влажным воздухом, то принципиально возможны два процесса: 

1) сушка (десорбция влаги  из материала - при парциальном  давлении пара над поверхностью  материала р_м, превышающим его парциальное давление в воздухе или газе р_п;

2) увлажнение (сорбция влаги  материалом) при р_м<р_п.

В процессе сушки величина р_м уменьшается и приближается к пределу р_м = р_п. При этом наступает состояние динамического равновесия, которому соответствует предельная влажность материала, называемая, равновесной влажностью.

Механизм процесса сушки  в значительной степени определяется формой связи влаги с материалом: чем прочнее эта связь, тем  труднее протекает процесс сушки. При сушке связь влаги с  материалом нарушается.

 

 

 

 

 

 

Предложена следующая  классификация форм связи влаги  с материалом: химическая, физико-химическая и физико-механическая.

Химически связанная влага  наиболее прочно соединена с материалом в определенных (стехиометрических) соотношениях и может быть удалена  только при нагревании материала  до высоких температур или в результате проведения химической реакции. Эта  влага не может быть удалена из материала при сушке. В процессе сушки удаляется, как правило, только влага, связанная с материалом физико-химически и механически. Наиболее легко может быть удалена механически связанная влага, которая, в свою очередь, подразделяется на влагу макрокапилляров и микрокапилляров. Макрокапилляры заполняются влагой при непосредственном соприкосновении ее с материалом, в то время как в микрокапилляры влага поступает как при непосредственном соприкосновении, так и в результате поглощения ее из окружающей среды. Влага макрокапилляров свободно удаляется не только сушкой, но и механическими способами. Физико-химическая связь объединяет два вида влаги, отличающихся прочностью связи с материалом: адсорбционно и осмотически связанную влагу. Первая прочно удерживается на поверхности и в порах материала. Осмотически связанная влага, называемая также влагой набухания, находится внутри клеток материала и удерживается осмотическими силами. Адсорбционная влага требует для своего удаления значительно большей затраты энергии, чем влага набухания. Присутствие этих видов влаги особенно характерно для коллоидных и полимерных материалов.

Основным возмущением  процесса является изменение расхода, начальной влажности и дисперсного  состава частиц твердого материала .а также изменение расхода и начальной температуры сушильного агента – теплоносителя.

Основная регулируемая величина – это остаточная влажность твердого материала.

Возникающий при этом градиент концентрации влаги в материале  заставляет её перемещаться из глубинных  слоев к поверхности со скоростью, зависящей от характера связи  влаги с материалом.

Вследствие отсутствия надежных измерительных преобразователей остаточной влажности твердого материала при  автоматизации процесса в качестве регулируемых величин используют температуру  или влажность агента.

При естественной сушке в  отсутствие принудительного движения сушильного агента (свободное испарение) процесс идёт медленно. Он ускоряется при обтекании высушиваемого  материала потоком подогретого  сушильного агента, то есть при искусственной  сушке.

В химических производствах  применяется искусственная сушка  материалов в специальных сушильных  установках, так как естественная сушка на открытом воздухе - процесс  слишком длительный.

Относительная влажность  является одной из важнейших характеристик  воздуха как сушильного агента, определяющая его влагоёмкость, т. е. способность  воздуха к насыщению парами влаги.

В процессе сушки воздух увлажняется и охлаждается и  соответственно изменяет свой объем. Более  удобно относить влажность воздуха  к единице массы абсолютно  сухого воздуха величине, не изменяющейся в процессе сушки. Количество водяного пара (в кг), содержащегося во влажном воздухе приходящегося на 1 кг абсолютно сухого воздуха, называется влагосодержанием воздуха х.

По способу подвода  тепла сушилки бывают: конвективные (высушиваемый материал омывается потоком  предварительно нагретого сушильного агента); контактные (непосредственный контакт высушиваемого материала  с нагреваемой поверхностью); сублимационные (удаление влаги в замороженном состоянии  под вакуумом); высокочастотные (удаление влаги под воздействием электрического поля высокой частоты);  радиационные (высушивание под действием инфракрасного  излучения).

Широкое промышленное применение получили конвективные сушилки различных  конструкций (камерные, барабанные, пневматические, с кипящим слоем, распылительные и пр.). В основном варианте конвективной сушилки сушильный агент, предварительно нагретый в калорифере до максимально  допустимой температуры, движется в  сушилке, непосредственно соприкасаясь с высушиваемым материалом. Отличительная  особенность этого варианта —  однократный нагрев и однократное  использование сушильного агента.

1 Бункер; 2 Питатель; 3 Сушильный барабан; 4 Топка; 5 Смесительная камера; 6 Вентилятор; 7 Вентилятор 8 Промежуточный бункер; 9 Транспортер; 10 Циклон; 11 Вентилятор; 12 Зубчатая передача;