Автоматизация технологического процесса стабилизации температуры при производстве автомобильных термоэлектрических устройств (10.04.2015)

Автор: Ни Зо

АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА СТАБИЛИЗАЦИИ ТЕМПЕРАТУРЫ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ АВТОМОБИЛЬНЫХ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ

Специальность: 05.13.06 – «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва – 2015 г.

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)» на кафедре «Автоматизированные системы управления».

Научный руководитель: Николаев Андрей Борисович, Заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор, декан факультета «Управление» МАДИ, г. Москва

Официальные оппоненты: Жмайлов Борис Борисович, доктор технических наук, профессор кафедры «Информационных и измерительных технологий», Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Южный федеральный университет», «Институт высоких технологий и пьезотехники», г. Ростов-на-Дону

Хадеев Антон Сергеевич, кандидат технических наук, главный специалист ЗАО «АтлантикТрансгазСистема», г. Москва

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский государственный технический университет им. Н.Э.Баумана - Национальный исследовательский университет техники и технологий (МГТУ им. Н.Э. Баумана), г. Москва.

Защита состоится «11» июня 2015 года, в 10-00 часов, на заседании диссертационного совета Д 212.126.05 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)» по адресу: 125319, г. Москва, Ленинградский проспект, д. 64, ауд. 42.

Телефон для справок: (499) 155-93-24. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАДИ. Текс автореферата размещен на сайте Высшей аттестационной комиссии: www.vak.edu.gov.ru.

Автореферат разослан «____» __________2015 г. Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять в адрес диссертационного совета университета.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.126.05,

кандидат технических наук, доцент Михайлова Н.В.

Актуальность диссертационной работы

Во многих отраслях научного и технического исследования созданы термоэлектрические преобразователи энергии приборов, которые осуществляют прямое преобразование тепловой энергии в электрическую. Актуальной проблемой современных автомобилей является отход тепла от двигателей внутреннего сгорания. Использование термоэлектричества популярно и для рекуперации тепла выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания. В настоящее время многие автомобильные компании устанавливают на свои автомобили термоэлектрические устройства (ТЭУ), что позволяет уменьшить расход топлива до 10 % за счет дополнительной выработки электроэнергии.

Термоэлектрические явления связаны со взаимным превращением между электрическими процессами и тепловыми процессами в металлах и полупроводниках. Термоэлектрические материалы с точки зрения их технологии используются не только в автомобильной технике, но и в полупроводниковой технике, радиоэлектронике и бытовой технике. Термоэлектрические системы (ТЭС) применяются для стабилизации и регулирования температуры в диапазоне -60?С / +120?С.

Для управления термоэлектрическим объектом предлагается использовать микропроцессорные системы управления (МПСУ) термическим оборудованием. Одной из наиболее сложных задач при создании таких систем управления является учет динамики термоэлектрического объекта управления. Однако этой проблеме не уделено достаточного внимания. Практически отсутствует математическая модель термоэлектрического оборудования: система автоматического управления (САУ) термоэлектрическим нагревом, где проводится оценка влияния возмущений, оценка влияния запаздывания времени и разработка алгоритмов управления термическим оборудованием с оптимальными параметрами настройки, что обеспечивает заданную точность стабилизации температуры.

Поэтому актуальность настоящей диссертационной работы заключается в создании высокоэффективных автомобильных термоэлектрических устройств и качественных систем управления режимом термоэлектрического нагрева. Результаты диссертационной работы будут содействовать выполнению требований, предъявляемых современной технологией к качеству термоэлектроники, созданию и конструкции материалов, отвечающих требованиям технологического процесса. Таким образом, предложенная диссертационная работа позволяет автоматизировать технологические процессы изготовления термоэлектрических устройств для автомобилей, обеспечивающих эффективное преобразование тепловой энергии в электрическую энергию.

Цель работы – повышение эффективности производства автомобильных термоэлектрических устройств (ТЭУ) за счет автоматизации технологических процессов их изготовления.

Задачи диссертационной работы:

исследование термоэлектрических преобразователей энергии, их конструкций и технологий получения высококачественных автомобильных термоэлектрических устройств (ТЭУ);

исследование математических моделей термоэлектрического нагрева для двух объектов при изготовлении ТЭУ для автомобиля;

оценка запасов устойчивости и показателей качества замкнутой системы автоматического управления (САУ) по логарифмическим частотным характеристикам (ЛЧХ), при различных законах регулирования: П, И, ПИ, ПИД для изготовления автомобильных ТЭУ с заданными параметрами;

оценка влияния запаздывания времени на устойчивость и качество САУ ТЭУ и влияния возмущений на устойчивость САУ термоэлектрическим нагревом и качество исследуемой САУ термоэлектрическим объектом;

параметрическая оптимизация САУ термоэлектрическим нагревом для получения стабильной высококачественной продукции;

расчет переходных процессов в САУ с помощью компьютерного моделирования и оценка качества переходных процессов.

Методы исследования. В данной диссертационной работе при проведении теоретических исследований используются методы теплопроводности и теплопередачи, теории идентификации с временной характеристикой, методы решения дифференциальных уравнений, частотные методы теории автоматического управления, метод параметрической оптимизации, а также методы компьютерного моделирования.

Научная новизна. Научная новизна диссертации состоит в разработке математических моделей термоэлектрического нагрева для каскадного типа ТЭУ и для цилиндрического типа ТЭУ при различных условиях нагрева и при управлении по мощности. В электронной системе управления температурой, относящейся к современным микропроцессорным системам управления (МПСУ), в качестве управляющего устройства (УУ), выделены две структуры САУ и оценены их показатели качества с помощью компьютерного моделирования. Предложена методика расчета влияния запаздывания времени и влияния возмущений на устойчивость и качество САУ термоэлектрическим нагревом с различными законами регулирования. Также, предложена методика определения параметрической оптимизации САУ с настройками коэффициента управляющего устройства и коэффициента усиления. В качестве критерия оптимизации используется улучшенный интегральный критерий.

Научные результаты, выносимые на защиту:

метод идентификации конкретного термоэлектрического объекта управления и математическое описание объекта управления (ОУ) в виде типового апериодического звена с параметрами КО=10,3 К/В; ТО=630 с;

математические модели термоэлектрического нагрева для двух типов объектов с звеном САУ;

методика исследования устойчивости качества САУ термоэлектрическим нагревом;

методика определения оценки влияния запаздывания и влияния возмущений на устойчивость и качество САУ термоэлектрическим нагревом;

методика стабилизации температуры при производстве автомобильных термоэлектрических устройств с параметрической оптимизацией САУ термоэлектрическим нагревом.

Практическая ценность. В диссертации развиты положения теории конструирования автомобильных ТЭУ в виде структуры САУ и её математических моделей. Полученные математические модели и прикладные методики могут быть использованы для определения режимов температурных процессов во многих отраслях науки и техники. Кроме того, программное обеспечение MATLAB может быть применено для моделирования задач технологических процессов во многих научных исследованиях и инженерных областях.

Личный вклад автора. Лично автору принадлежит самостоятельное решение следующих задач: разработка математических описаний для двух типов автомобильных термоэлектрических устройств, и определение временных и частотных характеристик САУ термоэлектрическим объектом; создание электронной системы управления температурой, где автором выделены возможные две структуры САУ и оценены их динамические характеристики. Кроме того, автором исследована устойчивость САУ термоэлектрическим нагревом, определены две задачи: влияния запаздывания времени и влияния возмущений. Определена оптимизация настроечных параметров управляющего устройства с помощью компьютерного моделирования указанных САУ для двух структур при использовании улучшенного интегрального критерия Iопт. Все полученные результаты опубликованы в 15 печатных работах.


загрузка...