CC BY
64
УДК 621.365.5
Е.В. Колесников
ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ РЕШЕНИЯ САМОСОГЛАСОВАННОЙ ЗАДАЧИ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ОПТИМИЗАЦИИ,
СИНТЕЗА ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ И МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА
В статье приводятся сведения о программном обеспечении решения самосогласованной задачи, позволяющей на стадии проектирования обеспечить максимальную эффективность электротехнологической установки.
E.V. Kolesnikov
SELF-COORDINATED PROBLEM DECISION SOFTWARE OF TECHNICAL AND ECONOMIC OPTIMIZATION,
SYNTHESIS OF ELECTROTECHNOLOGICAL INSTALLATION
AND MATHEMATICAL MODELLING OF TECHNOLOGICAL PROCESS
This article presents the items of software for self-coordinated problem decision, which has allowed to supply maximal effect of electro technological installation at the stage of designing.
Известны работы, посвященные проектированию современных электротехнологических установок [1-4], позволяющие получить установки с заданными техническими и технологическими параметрами.
Для обеспечения максимальной эффективности электротехнологических установок на стадии их проектирования требуется решение самосогласованной задачи технико-экономической оптимизации и синтеза установки с оптимальными техническими и технологическими параметрами, а также математическое моделирование реализуемого в ней процесса.
Предлагается проводить проектирование максимально эффективной электротехнологической установки на базе блочно-иерархического подхода [5], хорошо зарекомендовавшего себя при решении задач синтеза установок СВЧ диэлектрического нагрева (У СВЧ ДН) [6-8].
Речь идет о расчетах по этапам, которые отличаются степенью детализации технологического процесса и установки. При нисходящем проектировании результаты решения задачи на более высоком уровне используются в качестве исходных данных для следующего уровня.
На начальном этапе, когда выбираются основные элементы установки, оцениваются ее технико-экономические характеристики, используются средние значения величин, аппроксимирующие зависимости и т.п. Например, в случае У СВЧ ДН применяют средние по объему обрабатываемого объекта зависимости электрофизических и теплофизических параметров, среднюю температуру по его поперечному сечению,
количество испаренной влаги в СВЧ сушилке без учетного градиента влагосодержания по толщине объекта, аппроксимацию зависимости цены источника энергии или СВЧ генератора от величины мощности СВЧ, уравнения теплового баланса и т.д., а для расчета электродинамических процессов (задача синтеза рабочей камеры) - метод эквивалентных схем.
Таким образом, на начальном этапе методом последовательных приближений устанавливаются структура электротехнологической установки, оптимальные энергетические характеристики и режим работы с учетом нормативных параметров задачи, рассчитываются геометрические параметры конструкции.
На следующем этапе проводится математическое моделирование технологического процесса, наиболее полно учитывающее физические процессы, протекающие в обрабатываемом объекте, причем математические модели на этом этапе различаются и степенью детализации в зависимости от типа электротехнологической установки и характера технологического процесса обработки заданного объекта.
На рисунке показана схема процедуры такого проектирования. Каждому этапу проектирования предшествует формулировка исходных данных, в которые входят требования к технологическому процессу и установке.
Проектирование начинается с выбора исходного варианта электротехнологической установки. Выбираются ее тип, элементная база, режим работы, после чего сравниваются технико-экономические параметры (ТЭП) электротехнологической установки и альтернативной, в том числе с иным способом энергоподвода (например, У СВЧ ДН и печь сопротивления, У СВЧ ДН и теплотехнологическая установка). В качестве критерия сопоставления используется сравнительный интегральный эффект АЭ.
Опыт проектирования У СВЧ ДН свидетельствует, что если этим параметром пренебречь, можно получить установку, уступающую по экономической эффективности, а иногда и по техническим возможностям.
Наиболее сложным на этом этапе является сопоставление исходного варианта электротехнологической установки и альтернативной. Для расчета АЭ требуются параметры исходного варианта, которые могут быть окончательно определены лишь на следующих стадиях проектирования. Параметров альтернативной установки у проектировщика может не быть вовсе. В таком случае используют экспертные оценки величин этих параметров.
Схема процедур проектирования ЭТУ
Если AЭ>0, то переходят ко второму этапу, на котором формулируют исходные данные и решают задачу технико-экономической оптимизации. Если AЭ<0, то выбирают способ выполнения условия AЭ>0:
- изменяют численные значения исходных параметров;
- изменяют исходный вариант электротехнологической установки.
Если добиться выполнения условия AЭ>0 не удается, то приходится отказываться от применения электротехнологического процесса и реализующей его установки.
На этапе решения задачи технико-экономической оптимизации определяют структуру и параметры электротехнологических установок, их количество, обеспечивающее при параллельной работе заданную производительность, энергетические характеристики (например, в У СВЧ ДН мощность, частота, количество установок и магнетронов, работающих на одну рабочую камеру).
Решение задачи синтеза начинается с формулировки исходных для синтеза данных и позволяет получить размеры рабочей камеры, других элементов, обеспечивающие техническую оптимизацию установки, дает возможность уточнить ТЭП технически оптимальной установки (например, затраты на ее изготовление) и принять решение о дальнейшем направлении проектирования:
- если уточненные технико-экономические параметры сильно отличаются от исходных, то нужно провести корректировку исходных данных для проведения техникоэкономической оптимизации и повторить как ее, так и синтез установки;
- если эти параметры совпадают с приемлемой точностью, то проводят математическое моделирование электротехнологического процесса с заданными по условиям технологиями. Контролироваться могут, например, такие параметры, как темп нагрева, время плавления, скорость сушки и т. п.
Если расчетные параметры, полученные при математическом моделировании, удовлетворяют условиям технологии, то проектное решение принимается и на его базе формируется техническое задание на конструирование установки, в противном случае корректируются исходные данные для решения задачи синтеза, после чего повторяют решение задачи синтеза установки.
Программное обеспечение реализовано в системе MathCAD 2001 для целей проектирования У СВЧ ДН.
Выводы
1. Разработанное программное обеспечение позволяет на стадии проектирования провести решение самосогласованной задачи технико-экономической оптимизации, синтеза электротехнологической установки и математического моделирования реализуемого в ней технологического процесса, обеспечивающего достижение максимальной эффективности технологического процесса и установки.
2. На начальном этапе решения самосогласованной задачи проверяется целесообразность применения электротехнологического процесса и выбранного этапа установки.
ЛИТЕРАТУРА
1. Рапопорт Э.Я. Оптимизация процессов индукционного нагрева металла / Э.Я. Рапопорт. М.: Металлургия, 1993. 278 с.
2. Архангельский Ю. С. Элементная база СВЧ электротермического оборудования / Ю.С. Архангельский, В.А. Воронкин. Саратов: СГТУ, 2003. 212 с.
3. Немков В.С. Математическое моделирование на ЭВМ устройств высокочастотного нагрева / В.С. Немков. Л.: Машиностроение, 1980.
4. Батищев Д.И. Методы оптимального проектирования / Д.И. Батищев. М.: Радио и связь, 1984. 248 с.
5. Норенков И.П. САПР: Системы автоматизированного проектирования. Кн. 1. Принципы построения и структуры / И.П. Норенков. Минск: Вищ. шк., 1987. 123 с.
6. Архангельский Ю.С. Численное исследование процессов теплообмена в объектах при нагреве в поле СВЧ / Ю.С. Архангельский, С.В. Тригорлый, Л.В. Грушина // Известия вузов СНГ. Энергетика. 1997. № 3/4. С. 66-71.
7. Архангельский Ю.С. Моделирование в системе MathCAD Plus 6.0 процессов сушки диэлектриков / Ю.С. Архангельский, С.В. Тригорлый, Д.В. Джема // Электротехнологические СВЧ установки, функциональные электродинамические устройства: межвуз. науч. сб. Саратов: СГТУ, 1999. С. 77-82.
8. Тригорлый С.В. Численное моделирование и оптимизация процессов сверхвысокочастотной термообработки диэлектриков / С. В. Тригорлый // Прикладная механика и техническая физика. 2000. Т. 41. № 3. С. 112-119.
Колесников Евгений Владимирович -
заместитель начальника «Ростехнадзора»,
доцент кафедры «Автоматизированные электротехнологические установки и системы» Саратовского государственного технического университета
