Реферат по моделированию металлургических процессов

Обновлено: 04.07.2024

О решении вопросов управления для металлургических процессов

С ростом сложности рассматриваемых объектов возрастает необходимость тесной увязки задач управления и исследования, что находится в соответствии с основными идеями принципа дуального управления. Металлургические процессы относятся к классу сложных многосвязных объектов, имеющих большое число входов и выходов с перекрестными внутренними связями. В объектах такого рода свободное и вынужденное движение системы по отдельным каналам управления существенно зависит от процессов, протекающих в других каналах. Например, изменение скорости обезуглероживания в мартеновской печи может в 2 – 3 раза изменять коэффициенты передачи по каналам, определяющим скорость нагрева. То же самое наблюдается в конвертере. Кроме того, здесь имеет место существенное перераспределение эффектов по нагреву, обезуглероживанию и шлакообразованию в зависимости от положения фурмы.

Попытки увязать при этом функционирование отдельных контуров через внешние связи между регулирующими алгоритмами (устройствами) не приводят к удовлетворительным результатам. Например, исследования регулирующих контуров по каналам обезуглероживания и нагрева, проведенные на модели мартеновской плавки, входящей в состав тренажера “Сталевар”, показали, что из-за большого запаздывания и сложных взаимосвязей переходные процессы в одном из этих контуров оказывают настолько большое дестабилизирующее воздействие на другой контур, что получить сколько-нибудь удовлетворительное качество регулирования с помощью типовых законов не удается даже при условии, что программные траектории обезуглероживания и нагрева, за которыми осуществлялось слежение, считались известными. В реальных же процессах задача определения оптимальных траекторий в большом, зависящих от начальных условий, внутренних свойств самого объекта и управлений, является весьма сложной.

С учетом отмеченного выше выбор управлений для рассмотренных объектов, очевидно, целесообразно осуществлять с учетом внутренних взаимосвязей в объекте, с ориентацией на получение конечного показателя оптимизации, учитывающего связи со всеми основными управляемыми параметрами. Это может привести, наряду с решением задачи управления в большом, также к существенному повышению качества переходных процессов в каждом из локальных контуров и, возможно, даже исключить необходимость реализации некоторых контуров следящего или стабилизирующего регулирования.

Синтез столь сложных алгоритмов управления невозможен без достаточно подробных моделей, более широких, чем модели, необходимые для функционирования этих алгоритмов. Одним из рациональных путей решения этой задачи является использование познавательных (исследовательских) моделей, обладающих прогнозирующими свойствами и отражающих внутренний механизм взаимосвязей в объекте. В связи с тем, что указанная проблема состоит из ряда подзадач, то и модели, используемые при этом, имеют свои особенности и различные уровни сложности, что вытекает из принципа множественности системных образов объектов, уже упоминавшегося ранее (см. раздел 1.4).

В зависимости от целевого назначения можно рассмотреть следующие четыре уровня моделей, используемых для исследования объектов указанного класса и управления ими.

Модели для исследования процессов

Цели моделей для исследования процессов

Главной целью таких моделей является получение как можно более полных знаний об объекте в целом или об отдельных его сторонах. Их основу составляет сжатое, наглядное и взаимосвязанное отражение накопленных представлений о физических, физико – химических и других закономерностях протекания процессов. В связи с этим модели такого рода иногда называют “накопленными”. Их особенностями является достаточно глубокое отражение отдельных сторон и явлений, однако замкнутое математическое описание для взаимосвязей процессов во многих случаях отсутствует. Имеются попытки создания моделей, отражающих взаимосвязи для основных процессов мартеновской и конвертерной плавки, в том числе с учетом распределенности параметров. Это достигается, как правило, путем некоторых упрощающих предположений. Дальнейшее расширение такого рода моделей осуществляется путем постановки и проверки гипотез, а также формально – содержательного анализа остатков, основные принципы которого рассмотрены в разделе 5.5. Новые знания могут быть получены за счет эффекта системности, возникающего при нарастании сложности. При этом в результате машинного эксперимента на модели могут быть получены интересные результаты и варианты протекания процессов, не наблюдавшиеся ранее на реальном объекте из-за наличия определенных технологических, организационных и других ограничений. Модели в таком случае приобретают большую эвристическую ценность, так как при облегчении интерпретации теоретических и экспериментальных результатов возможно выдвижение новых гипотез. Облегчается также проверка знаний об оригинале (реальном объекте) за счет возможности представления знаний во взаимосвязанном (системном) виде.

Например, применительно к сталеплавильным процессам показана возможность совершенствования моделей путем постановки гипотез, поэтапного подключения к ним соответствующих блоков и анализа получающейся при этом ошибки моделирования различными методами, в том числе разложением ее на ортогональные компоненты. Интересные возможности для синтеза структуры познавательных моделей появляются при использовании образно – наглядных (картинных) моделей.

Вопросы построения познавательных моделей являются сложными и малоразработанными. Полная формализация этого процесса вряд ли возможна из-за самой его природы, однако снижение в нем доли субъективизма и введение определенных формальных начал, безусловно, необходимо, например, путем использования дискриминирующего эксперимента для сопоставления отдельных моделей и гипотез, применения теории графов для проверки структур моделей и т. д.

Представление конвертерной плавки

Применительно к конвертерной плавке сделана попытка представления ее в виде сложной металлургической системы, для чего выделены ряд условно – элементарных операторов: идеального перемешивания, идеального вытеснения, застойной зоны, испарения, массопереноса, абсорбции, химической кинетики и т. д., а также принято пять уровней детализации структуры:

1 – функциональный уровень в виде вход – выходного механизма с учетом связей со средой; 2 – гидродинамика в макрообъеме и выделение зон преимущественного протекания процессов; 3 – гидродинамика в локальных объемах в виде комбинации условно – элементарных операторов; 4 – распределение элементов в локальных объемах (теплообмен, межфазный обмен и т. д.); 5 – химические превращения в локальном объеме.

Такой подход создает определенные предпосылки для формализации и, в некоторой степени, автоматизации математического моделирования, хотя при этом и возникает целый ряд затруднений.

Назначение познавательных моделей

Основным назначением познавательных моделей является, как уже указывалось, получение новых знаний, проникновение во внутренний механизм явлений и процессов. Второе важное направление связано с возможностью использования этих моделей для синтеза алгоритмов управления и выбора эффективных управляющих воздействий.

Модели для расчета и оптимизации технологии

Это своеобразная “стратегия” управления в большом. Такие модели применяются для расчетов технологических режимов и используются в виде инструкций по ведению процесса в проектируемых и действующих агрегатах или в виде задающих уставок автоматическим регуляторам. Для этой цели могут использоваться либо определенным образом модифицированные модели описанного выше уровня, либо создаваться специальные модели в ориентации на достижение целевых технологических критериев. Первая из них ориентирована, главным образом, на расчеты статических режимов, вторая – динамических. В случае удачного решения задачи, расчеты с помощью таких моделей дают значительный экономический эффект, так как касаются выбора рациональных сочетаний параметров в большом и применения разработанных таким образом инструкций и рекомендаций для массового производства. Например, рекомендации по совершенствованию теплового и окислительного режима мартеновской печи, полученные на основе комбинированной модели, разработанной с привлечением теоретических представлений о процессе и факторного эксперимента на реальном объекте, позволили сократить расход агломерата в завалку на 10—12% без уменьшения количества окисляющегося углерода путем поддержания более высокого уровня окислительного потенциала газовой фазы. При этом сократилась также продолжительность плавления и расход топлива. Интересно отметить, что значительный экономический эффект (в том числе повышение производительности) здесь достигнут не только без каких-либо дополнительных материальных затрат, а даже путем снижения расхода твердых окислителей и топлива.

Модели для прогнозирования оптимальных траекторий процесса во времени

Модели для стабилизирующего или следящего регулирования

Автоматическое регулирование является наиболее разработанной частью теории автоматического управления. Не касаясь подробно затронутого вопроса, следует лишь заметить, что модели этого уровня должны отличаться наибольшей простотой и оперативностью отражения динамики в малом. Сюда также следует отнести модели типовых звеньев систем автоматического регулирования. При построении таких моделей широко используется функциональный подход. Они чаще всего описываются зависимостями линейного вида и справедливы для управления по отдельным каналам в относительно узком диапазоне изменения переменных. Для управления же в большом они, как правило, неприемлемы, так как в этом случае преобладающее значение приобретают сложные нелинейные связи между отдельными каналами.

По мере развития технологии производства цветных металлов повышаются требования к качеству технологического процесса. В переработку поступает все более сложное, комплексное сырье, содержащее помимо основного извлекаемого металла ряд других ценных компонентов. Например, медная руда помимо меди содержит цинк, свинец, железо, серу, золото, серебро и другие примеси. Комплексное использование сырья предполагает извлечение из него всех ценных компонентов, возможное на данном уровне развития технологии.
Чем жестче требования по комплексности использования сырья, тем сложнее технологическая схема, тем больше количество операций в этой схеме, тем больше количество полупродуктов и оборотов в таких схемах. Управлять такими схемами и проектировать такие технологии становится сложнее.
Второй особенностью современных технологических процессов является увеличение единичной мощности технологических агрегатов. Возрастают требования по экологической безопасности процесса.
Вследствие этого эффективно управлять такими технологическими процессами на основе опыта и интуиции персонала становится невозможно, а ошибки по управлению становятся слишком дорогими.
Выходом из этой ситуации становится внедрение информационных систем для управления технологическими процессами, основное назначение которых состоит в том, чтобы обеспечить обработку информации о технологическом процессе и на основе результатов этой обработки оказать помощь персоналу, управляющему технологическим процессом по принятию решений, направленных на изменение параметров технологического процесса для достижения поставленной цели. Информационные системы работают наиболее эффективно, если в их составе имеется модельная система поддержки принятия решений, в основе которой лежит математическая модель технологического процесса, позволяющая на основе расчетов прогнозировать ход и результат технологического процесса при изменяющихся условиях его проведения.
Инженер-металлург, управляющий технологическим процессом, должен владеть методами создания и использования математических моделей для совершенствования и оптимизации технологии.
Цель – изучить моделирование процессов и объектов в металлургии.
Для достижения цели необходимо выполнить следующие задачи:
- изучить технологические процессы в металлургии;
- рассмотреть системный анализ;
- охарактеризовать методы построения математических моделей.

Технологические процессы в металлургии

Зарегистрируйся, чтобы продолжить изучение работы

Технологические процессы в металлургии

Технологические процессы обеспечивают осуществление первичного передела: извлечение металлов из руд, их обогащение, литье, ОМД, ТО и др. относятся к металлургическим процессам. А отрасль промышленности, в которой они осуществляются, называется металлургия. Технологические процессы литья, ОМД, ТО и пр. также широко применяются и в др. отраслях промышленности: авиационной, общем и тяжелом машиностроении, судостроении и пр. Разработкой технологии занимается технолог-специалист, хорошо понимающий специфику протекающих в ходе обработки процессов. Технолог устанавливает количество и последовательность операций, выполняет эскизное проектирование оснастки, назначает режимы обработки заготовки. Свои рекомендации он оформляет в виде технологических и маршрутных карт, эскизов полученных деталей (изделий).
Проектированием оснастки занимается технолог-конструктор. Результатом его работы являются 3D-модели и чертежи оснастки, согласованные с технологом и службами (другими предприятиями) занимающимися изготовлением этой оснастки. Общие сведения о моделировании ТП. В своей деятельности конструкторам-технологам и технологам приходится сталкиваться с моделированием и моделями. В самом широком понимании модель – это упрощенное представление исследуемого объекта.
Соответственно моделирование – это процесс создания и исследования модели. На основании исследования модели мы получаем информацию об интересующем нас объекте. В связи с широким кругом использования существует огромное разнообразие моделей и их классификаций. Модели можно разделить на физические и абстрактные. Физические модели – это модели, выражающие своими физическими характеристиками свойства исследуемого объекта. Для исследования физической модели требуется проведение эксперимента или наличие накопленной статистической информации о поведении объекта исследования. Абстрактные модели (модели спецификации) описывают поведение объекта исследования с помощью принятых обозначений (устных или письменных). Среди абстрактных моделей наиболее важными являются математические модели – записываются с помощью математических обозначений. Использование математических моделей не всегда удобно в связи с тем, что необходимо выполнять значительное количество математических операций в связи, с чем в настоящее время широкое распространение получили программы, реализованные на их основе . Другими словами компьютерная программа это электронный аналог математической модели, который обеспечивает более удобную работу.
Существующее многообразие программ можно разделить на несколько групп. Наиболее важные из них для конструкторов и технологов, это: CAD – системы проектирования трехмерных геометрических моделей и чертежей (Компас, NX, Catia и др.); САЕ – системы инженерных расчетов – обеспечивают моделирование физических процессов, протекающих в твердых телах, потоках газов под воздействием электромагнитных и температурных полей. САЕ – системы условно можно разделить на универсальные (Ansys, Abaqus) и технологические (Deform, Pam-Stamp, Pro-Cast). Технологические программы, в отличие от универсальных, созданы специально для решения узкого круга задач литья, ОМД, сварки и пр. CAM – системы технологической подготовки производства – программы, позволяющие упростить труд технологов и рабочих при осуществлении управления сложным производственным оборудованием с числовым программным управлением (ЧПУ). Фактически это программы, которые позволяют создать программы управления станками с ЧПУ.
Системный анализ

Основным понятием данного раздела является понятие о технологических процессах и объектах как о системах.
Система – составной объект, части которого закономерно объединены и совместно выполняют общую функцию.
Системы могут быть искусственными и естественными.
Естественные системы. Они не имеют определенной цели существования и создаются в ходе эволюции. Примером естественных систем являются биологические, например организмы. Другим примером являются социальные системы.
Искусственные системы отличаются тем, что они создаются для вполне определенной цели (технические и технологические системы).

Рис. 1. Технологический процесс

Целью технологических систем в металлургии цветных металлов является переработка сырья, содержащего цветные металлы, с получением продукта, имеющего заданные свойства.
Система, как целостный объект, существует во внешней по отношению к ней среде (можно провести границу между системой и внешней средой).
В технологических системах внешняя среда проявляет себя, как источник перерабатываемого сырья и как потребитель произведенного продукта.
Система мысленно или физически может быть разделена на элементы, таким образом, система представляет собой совокупность элементов. Элементы объединяются в систему за счет связей. Таким образом, в любой системе существует определённая структура связей.
Задачей системного анализа является определение свойств изучаемой системы. Изучение этих свойств позволяет в последующем выбрать соответствующий задаче метод построения модели. Таким образом, системный анализ является инструментом, позволяющим изучать функционирование сложных технологических систем и выбирать методы моделирования таких систем.
Система – это объект, обладающий набором системных свойств, к числу которых относятся:
- целостность и членимость;
- наличие существенных связей;
- наличие структуры или организации;
- наличие интегративного качества.
Целостность и членимость. Система, как целостный объект, может быть выделена из внешней среды, а как составной объект, может быть мысленно или физически разделена на составные части. Границами технологической системы в металлургии являются точки поступления исходного сырья и выхода готовой продукции. Масштаб системы может быть различным: от предприятия до отдельно рассматриваемой химической реакции, которая протекает в том или ином технологическом процессе. Как систему можно рассматривать также и отдельный технологический аппарат, совокупность таких аппаратов или технологических операций, т.е. технологическую схему, участок, отделение или цех.
Наличие существенных связей.
Элементы объединяются в систему за счет связей между элементами. Связи можно разбить на три основные группы:
- вещественные;
- энергетические;
- информационные.
Вещественные связи – представляют собой потоки вещества, циркулирующие между элементами системы. Особенности потоков вещества:
- агрегатное состояние может быть различным (твердое, жидкость, газ)
- фазовое состояние (одно- или многофазное).
Вещественные связи в системе подчиняются закону сохранения вещества: сумма масс всех потоков, поступающих в элемент системы, равна сумме масс, покидающих элемент системы. То есть для каждого элемента системы мы можем составить материальный баланс.
Энергетические связи – представляют собой потоки энергии, циркулирующие между элементами системы

Читайте также: