Національний гірничий університет

ГРАБОВСЬКИЙ Георгій Геннадійович

УДК(658.012.011.56:681.3):621.771.23-413

IНТЕГРОВАНI АВТОМАТИЗОВАНI СИСТЕМИ
КЕРУВАННЯ ТОВСТОЛИСТОВИМИ ПРОКАТНИМИ
СТАНАМИ

(розвиток теорії, моделі, алгоритми)

05.1З.07 — автоматизація технологічних процесів

АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
доктора технічних наук

Днiпропетровськ - 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Науково-виробничій корпорації “Київський інститут автоматики”, Міністерство промислової політики України.

Науковий консультант — доктор технічних наук, професор АРХАНГЕЛЬСЬКИЙ Володимир Іванович, Науково-виробнича корпорація “Київський інститут автоматики”, головний науковий співробітник.

Офіційні опоненти — доктор технічних наук, професор БОЙКО Віталій Іванович, Днiпродзержинський державний технічний університет, завідувач кафедри автоматизації та промислової електроніки;

— доктор технічних наук, професор НАЗАРЕНКО Володимир Михайлович, Криворізький технічний університет, завідувач кафедри iнформатики, автоматики та систем керування;

— доктор технічних наук, професор ЗАЙЦЕВ Вадим Сергійович, Приазовський державний технічний університет, професор кафедри автоматизації промислових підприємств.

Провідна установа — Національний технічний університет “Київський політехнічний інститут”, кафедра технічної кiбернетики, Міністерство освіти і науки України.

Захист відбудеться “19” червня 2003 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д.08.080.07 при Національному гірничому університеті за адресою: 49027, м. Дніпропетровськ, пр. К. Маркса, 19.

Відзиви на автореферат у двох примірниках, засвідчені печаткою установи, просимо надсилати за адресою: 49027, м. Дніпропетровськ, пр. К. Маркса, 19, ученому секретарю спеціалізованої вченої ради.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного гірничого університету України за адресою: 49027, м. Дніпропетровськ, пр. К. Маркса, 19.

Автореферат розісланий “15” траавня 2003 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради
д.т.н., професор Заїка В. Т.

Загальна характеристика роботи

Сутність наукової проблеми, якій присвячена дисертація, полягає в кардинальному підвищенні ефективності роботи товстолистового стана (ТЛС), визначеної мінімізацією розходу металу при прокатці листів, які утворюються в основному за рахунок окалини, бокової і торцевої обрізі, припусків на геометричні розміри заготовок і листів, а також підвищенням якості, економією матеріальних ресурсів і енергозбереженням (розхід металу на ТЛС України по відношенню до готового листа складає біля 30%, в той же час в промислово розвинутих країнах він знаходиться на рівні біля 17%, а в Японії — 9%; енерговитрати в 2—3 рази перебільшують аналогічні показники, досягнуті на сучасних металопереробних комплексах).

Вирішення цих задач може бути забезпечене вдосконаленням технологічного устаткування ТЛС, але в першу чергу застосуванням інтегрованих систем автоматизації керування організаційними і технологічними процесами на стані.

Актуальність теми. Інтеграція функцій керування організаційними і технологічними процесами виробництва товстолистового прокату повинна забезпечувати досягнення найбільш ефективного використання матеріальних, енергетичних, природних, трудових і фінансових ресурсів в процесі організації робіт і виробництва прокатної продукції. Парламентом України пріоритетними напрямками в розвитку економіки країни визначені економія матеріальних ресурсів та енергозбереження. Ці складові є основою забезбечення безпеки країни та її незалежності. Досягненню поставлених задач буде сприяти комплексна автоматизація прокатного виробництва, яка може і повинна забезпечити виконання широкого спектра задач прийняття рішень, контролю і керування: планування, організаційного керування, слідкування за ходом технологічних і виробничих процесів, оптимізації цих процесів.

При створенні інтегрованих систем автоматизованого керування (ІАСК) необхідне дослідження взаємозв’язків і взаємодії ряду факторів: технічної структури технологічного комплексу прокатного виробництва, енергосилових параметрів стана, вибору структури багаторівневої системи керування і оптимізації взаємодії рівнів, а також включення “людського фактора” до роботи системи як єдиного комплексу людино-машинної взаємодії. В розробках і промисловій реалізації систем автоматизованого керування прокатними станами в Україні та СНД досягнуто певних позитивних результатів, однак такі задачі вирішувались не комплексно, а в основному на рівнях керування тільки технологічними процесами. Проблеми планування і керування виробництвом, а також автоматизація взаємодії різних рівнів системи з включенням до них “людського фактора” практично не досліджені і не одержали відповідної промислової реалізації.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження, наведені в дисертаційній роботі, пов’язані з виконанням тематичного плану Науково-виробничої корпорації “Київський інститут автоматики” (НВК “КІА”) з розробки і впровадження автоматизованих систем керування реверсивними станами гарячої прокатки, який раніше був сформований постановами Ради Міністрів СРСР. Подальша тематика досліджень була пов’язана з виконанням наступних договорів між НВК “КІА” та Мінпромполітики України по комплексним цільовим науково-технічним програмам (№ держреєстрації 01920034419): розробка науково-технічних рішень побудови систем управління якістю товстолистового прокату; розробка засобів автоматизації товстолистових і дрібносортних прокатних станів; розробка систем автоматичного управління швидкісними режимами прокатки в чотирьохклітьовому моноблоці для дрібносортних і дротових станів — науковий керівник по всім темам.

Під науковим керівництвом здобувача в НВК “КІА” проводяться подальші роботи з автоматизації інших металургійних переділів за господарськими договорами в Україні, а також в Російській Федерації, Нігерії, Пакистані. Одна з них “Дослідження, розробка та впровадження сучасних автоматизованих систем управління і технологій гідроочищення поверхонь металу” затверджена як інноваційний проект технологічного парку (свідоцтво про реєстрацію № 74, серия ІНВ-1). З 1986 року пошукувач є науковим керівником НВК “КІА” по темі “Автоматизация толстолистовых прокатных станов”.

Мета і задачі наукових досліджень — розробка вимог і шляхів мінімізації витрат металу, матеріальних та енергетичних ресурсів при прокатці на ТЛС за допомогою створення ІАСК виробничими і технологічними процесами прокатки на сучасних станах, оснащених необхідними органами впливу на технологічні параметри прокатки, а також засобами для організації інформаційної людино-машинної взаємодії при керуванні комплексом устаткування цеху і прокатного стана в цілому.

Для досягнення поставленої мети в дисертаційній роботі повинні вирішуватися наступні задачі:

•

•

•

•

Об’єктом дослідження в роботі є електромеханічні, теплотехнічні, гідродинамічні і організаційні процеси та параметри технології у прокатному цеху.

Предметом дослідження є принципи створення інтегрованих систем керування і регулювання координат, режимів роботи комплексу електро-, тепло- і гідромеханічного устаткування товстолистових прокатних станів.

Методи дослідження. При проведенні досліджень використані теоретичні і практичні методи, зокрема, при дослідженні об’єкта керування — метод теорії планування експерименту, при обробці даних — теорія математичної статистики. Матеметичні моделі параметрів прокатки отримані з застосуванням методів стохастичної апроксимації, групового обліку аргументів, математичного моделювання в середовищі “Мatlab-Simulink”, а також за допомогою методів теорії адаптивного керування нестаціонарними об’єктами. Синтез та ущільнення інформації відбувались з використанням методів експертних систем, нейронних сіток, кластерного аналізу.

Основні наукові положення і їх новизна

1. Для підвищення техніко-економічних параметрів у виробництві товстолистового прокату необхідно комплексне вирішення проблеми керування організаційно-технологічними процесами прокатки листа, при цьому саме ідентифікація процесу на прокатному агрегаті в цілому, на відміну від задач ідентифікації на окремих переділах, дозволяє підвищити ефективність виробництва на основі застосування координуючої системи, яка забезпечує усунення конфліктних ситуацій між окремими підсистемами з використанням глобального критерію оптимізації і дозволяє одержати додаткові джерела зменшення собівартості продукції, що можливо лише із застосуванням багаторівневих інтегрованих систем керування.

2. Для оптимізації керування процесами нагріву, прокатки і термічної обробки прокатної продукції з урахуванням задач за глобальним критерієм потрібні інформаційні зв’язки як по горизонталі, так і по вертикалі, при цьому на відміну від діючих систем по вертикалі взаємодіють функції планування, виробництва і технологічних процесів, а по горизонталі — об’єднані функції ділянок технологічного об’єкта, забезпечуючи подачу інформації про процеси на всі рівні ієрархії в єдиній формі і повному обсязі; запропоновані принципи лягли в основу розробки структури системи та алгоритмів керування, що дозволяє забезпечувати підвищення якості продукції, економію матеріальних і енергетичних витрат.

3. Зусилля прокатки на відміну від відомих методів, які грунтуються на урахуванні багатьох показників, оцінюются за допомогою інтегрованого показника — жорсткості листа, адаптація якої за пропусками дозволяє додатково підвищити точність розрахунку.

4. Доведено, що керування поздовжньою різнотовщинністю прокатуваного розкату можливо здійснити на основі визначення базового перетину в двох суміжних пропусках з урахуванням подовження розкату та температурного “клину”; встановлена залежність покладена в основу нового методу автоматичного керування різнотовщинністю з використанням розробленого нового мембранного гідравлічного механізму.

5. Новий рівень очистки листів на ТЛС від окалини досягається за рахунок взаємодії двох факторів: підвищення тиску води гідрозбиву до 60,0 МПа і застосування спеціальних обертових головок в якості очищуючих інструментів, що значно зменшує енерговитрати та поліпшує якість поверхні, а також дозволяє на основі інтеграції її в ІАСК знизити рівень нагріву металу в печі і на основі адаптації моделі зменшити середньоквадратичну похибку температури початку прокатки у чорновій кліті.

Адекватність результатів наукових досліджень, розроблених і використаних математичних моделей розрахунку параметрів прокатки і алгоритмів керування підтверджена моделюванням і промисловими іспитами.

Обµрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій. Наукові положення і висновки дисертації обµрунтовані: сучасною методологією досліджень ТЛС як об’єкта автоматизації; адекватністю статистичних показників прокату; збіжністю теоретичних розрахунків і результатів моделювання режимів прокатки та керування якісними характеристиками готового листа; впровадженням комплексних систем керування на промислових об’єктах; досвідом використання результатів роботи при розробці технічних проектів на створення АСК ТП ряду ТЛС і широкою апробацією наукових положень і рекомендацій.

Практичне значення одержаних результатів. Одержані наукові положення і результати досліджень дозволили підвищити якість продукції, одержати економію енергоресурсовитрат і стали основою для розробки техніко-комерційних пропозицій та наступних технічних проектів для кількох товстолистових прокатних станів, в тому числі:

•

•

•

•

•

В процесі впровадження систем були проведені їх промислові випробування і зроблена критична оцінка застосованих в цих АСК фрагментів одержаних в роботі наукових і технічних рішень по інтеграції, яка підтвердила достовірність результатів і дозволила визначити задачі подальших досліджень по створенню перспективних систем автоматизації.

Публікації. Результати досліджень опубліковані у 9 монографіях, 2 брошурах, 47 статтях в наукових журналах, 2 авторських свідоцтвах, одному патенті та чотирьох деклараційних патентах України.

Особистий внесок здобувача. Наукові положення і результати науковотехнічних розробок по ІАСК, які наведені в дисертаційній роботі, одержані особисто здобувачем. Більшість досліджень за темою дисертації здобувачем опубліковані в наукових працях самостійно. В друкованих роботах, опублікованих у співавторстві, здобувачеві, зокрема, належать: [2] — розробка стратегій прокатки на ТЛС і принципів їх алгоритмічної реалізації; [3, 25, 37] — аналіз людино-машинної взаємодії в ІАСК і ролі людини на етапах життєвого циклу системи; [4, 22] — ефективність ущільнення даних в нейронних системах комунікації “людина — процес”, поєднання нейронних сіток з математичними моделями керування процесом прокатки металу; [5] — розробка структур багатоканальних ітераційних систем і аналіз їх динаміки в перехідних режимах технологічного об’єкта; [6] — постановка та методи рішення задач ІАСК; [7] — синтез алгоритмів адаптивної системи керування температурним режимом газової печі; [8] — аналіз структур систем фуцці-керування, дослідження керування швидкістю нелінійного електропривода, адаптація нейро-фуцці-систем; [9, 18, 39] — оцінка об’єму комплексної автоматизації ТЛС і вибір складу функцій САР оптимізації технологічних параметрів прокатки; [10, 11] — приклади розробки виконавчих органів вимірювання і керування параметрами прокатки на ТЛС і широкосмугових станах, подана їх характеристика; [12, 13] — на прикладі ТЛС 3600 подана характеристика стратегій прокатки, що описуються розподіленням витяжок за пропусками і задаються оператором за бажаною загрузкою прокатної кліті; [14] — на прикладі ТЛС 5000 розглянуто настроювання стана в діалозі ЕОМ з оператором на базі адаптивних моделей прогнозу параметрів процесу і даних розкату; [15, 16, 28] — аналіз процесів короблення прокатуваного листа, експерименти на ТЛС по вивченню процесів виникнення неплощинності за пропусками при прокатці; [17, 20] — принцип розбиття комплексної АСК на взаємозв’язані підсистеми з власними функціями критерію рішень і локальними критеріями оптимізації; [19, 47] — ідея автоматичного керування і контролю механічних властивостей сталі на ТЛС з використанням методів неруйнуючого контролю в потоці процесу прокатки; [27, 32, 49, 54] — проаналізовані системи гідрозбиву окалини, вироблені рекомендації по енергозбереженню; [29, 35, 42] — підхід до класифікації помилок у формуванні специфікації програмного забезпечення АСК; [31] — стратегія вибору каналів керування поздовжньою різнотовщинністю, у тому числі з використанням швидкісної асиметрії; [38] — аналіз результатів моделювання; [44] — постановка задач аналізу і синтезу ІАСК; [48, 50, 51] — ідея керування товщиною штаби в наступному проході на основі інформації з попереднього; [52, 53] — аналіз способів стабілізації товщини листа на ТЛС, участь в розробці і моделюванні гідравлічного модуля як виконавчого органу системи; [56] — аналіз ефективності роботи автоматизованих систем керування ТЛС; [57, 64] — обгрунтування оптимального керування нагрівом металу у взаємозв’язку з ТЛС; [58, 59, 61] — моделі деформації кліті, зносу валкової системи, площинності з урахуванням застосування асиметрії і механізмів адаптації, узагальнення досвіду впровадження АСК ТП ТЛС.

Апробація роботи. Матеріали роботи доповідались на таких конференціях, семінарах, нарадах: республіканському семінарі “Досвід розробки і впровадження АСК прокаткою на товстолистових станах” (м. Київ, 1989 р.); республіканському семінарі “Розробка і впровадження АСК ТП в прокатному виробництві” (м. Київ, 1990 р.); галузевій науково-технічній нараді “Создание и внедрение АСУ ТП в черной и цветной металлургии” (м. Москва, 1990 г.); республіканському семінарі “Досвід розробки і впровадження АСК прокаткою на товстолистових і напівбезперервних станах” (м. Київ, 1992 р.); науково-технічній конференції “Проблеми автоматизації металургії України” (м. Київ, 1995 р.); конференції з автоматичного управління “Автоматика ” (м. Київ, 1998 р.); 6-й Українській коференції з автоматичного управління “Автоматика 99” (м. Харків, 1999 р.); міжнародній конференції “Энергетическая безопасность Украины. Европейское измерение” (м. Київ, р.); науково-технічній конференції “Гідроаеромеханіка в інженерній практиці” (м. Київ, 2000 р.); міжнародній науково-практичній конференції “Автоматизированный печной агрегат — основа энергосберегающих технологий XXI века” (м. Москва, 2000 р.); міжнародній конференції з управління “Автоматика — 2000” (м. Львів, 2000 р.); міжнародній науково-практичній конференції “Вычислительная техника в информационных и управляющих системах” (м. Маріуполь, 2000 р.); міжнародній науковій конференції “Рациональное использование народных ресурсов. Проблемы экологии, энергосбережения, экономики, образования и информации в условиях рыночных отношений” (м. Черкаси, 2001 р.); міжнародній конференції з автоматичного управління “Автоматика 2001” (м. Одеса, 2001 р.); міжнародній конференції “Энергетические проблемы российско-украинских отношений” (м. Київ, 2001 р.); науково-практичній конференції “Проблеми автоматизації технологічних об’єктів та шляхи їх вирішення на підприємствах України” (м. Київ, 2001 р.); міжнародній науково-технічній конференції “Современные сложные системы управления” (м. Липецьк, Російська Федерація, 2002 р.); міжнародній конференції з управління “Автоматика-2002” (м. Донецьк, 2002 р.); международной научно-практической конференции “Автоматизированные печные агрегаты и энергосберегающие технологии в металлургии” (м. Москва, 2002 р.).

Структура дисертації. Дисертація складається зі вступу, 7 розділів і висновків.

Загальний обсяг роботи становить 487 сторінок, з них 332 сторінки — основний текст, 16 сторінок — список публікацій з 179 найменувань, 137 сторінок — додатки. В дисертації є 91 рисунок (із них 15 на 15 повних сторінках) і 13 таблиць (із них 2 на 2 повних сторінках).

Основний зміст роботи

В першому розділі виконано огляд проблеми розвитку ІАСК ТЛС в Україні та за кордоном. Показано, що при створенні сучасних комплексних систем автоматизації виробничих і технологічних процесів прокатки на ТЛС повинен вирішуватись широкий спектр взаємозв’язаних задач від прийняття рішень оптимального планування і організаційного керування цехом до керування технологічними процесами прокатки. Для реалізації цих задач потрібні ІАСК, здатні вирішувати глобальну задачу окремих виробничих і технологічних операцій на участках нагріву і прокатки металу, а також оброблення та відвантаження прокатної продукції в єдиний взаємозв’язаний комплекс.

Розглянуто структурування ІАСК складним технологічним об’єктом як багаторівневої системи, яка складається з низки підсистем керування і вищої координуючої системи (рис. 1). Система є багатофункціональною з наступними властивостями [11, 12, 14]:

•

•

•

При глобальній постановці задачі оптимізації керування вихідні показники роботи складного об’єкта можуть характеризуватися єдиним економічним критерієм якості у вигляді функціоналу, визначеного на всьому інтервалі часу керування (),

, (1)

де J — функціонал, який характеризує міру похибки керування; — завдання; — показники керуванння; — керуюче діяння.

При визначених цілях і критеріях керування задаються математичні моделі об’єкта, початкові умови і обмеження. Моделі звичайно задаються змінними стану системи, тобто деякою мінімальною сукупністю параметрів, яка характеризує її реакцію на довільні вхідні дії. Математична модель об’єкта, визначена за змінними стану, подається у формі

, (2)

При постановці задачі оптимального керування виходимо з того, що вектори та належать деякій допустимій області

. (3)

Практичне застосування економічного критерію оптимальності при керуванні потужними технологічними об’єктами пов’язано з необхідністю математичного опису всіх функціональних зв’язків в об’єкті в цілому. Ця задача не завжди піддається рішенню, тому що взаємозв’язок низки показників процесу з економікою об’єкта не має кількісного опису. Крім того, задача оптимізації складного об’єкта є багатокритеріальною і питання вибору критеріїв визначається особливостями конкретного об’єкта і цілями його функціонування.

На рис. 2 наведена структурна схема моделі, що використовується при машинній підтримці проектування, яка ілюструє етапи і зміст робіт усього періоду по створенню і впровадженню ІАСК. Вихідними даними для розробки концепції системи автоматизації 2 є інформація 1 про технологічний об’єкт керування (ТОУ), що видається замовником: устаткування, продукція, технологія виробництва. Етап розробки концепції ІАСК складається з чотирьох підетапів: аналізу об’єкта, оточуючого середовища, цілей, ресурсів 3; розробки концепції задач автоматизації (ескізний проект) 4; уточнення і кількісної оцінки структури об’єкта 5; розробки укрупненої специфікації на ІАСК 6.

Другий розділ присвячений ідентифікації технологічних і енергосилових параметрів ТЛС як об’єкта автоматизації, наведені теоретичні та експериментальні дослідження процесів керування прокаткою.

Механізм процесу плоскої прокатки ілюструє рис. 3. Для зусилля прокатки теоретичне рівняння має вигляд

,   (4)

,

З метою вдосконалення моделей зусиль прокатки для ТЛС проведені дослідження на АСК ТЛС 3600 металургійного комбінату “Азовсталь”. Розроблений і випробуваний варіант, в якому розрахунок розхилів валків за пропусками у відповідності з заданою програмою обтисків базується на прогнозі деформації кліті під дією зусилля прокатки P за Сімсом—Головіним:

. (16)

При цьому модуль і зміщення характеристики деформації кліті адаптуються за виміряними значеннями товщини розкату. Прогнозування зусиль за пропусками при прокатці першої заготовки в партії здійснюється за моделлю

, (17)

а її адаптація — за відомим однокроковим алгоритмом Райбмана

, (18)

де — коефіцієнти; — функція параметрів осередка деформації в пропусках ; — функція товщини штаб в пропусках ; — коефіцієнт підсилення; — виміряне і розраховане зусилля;

. (19)

Для визначення зусиль при прокатуванні наступних розкатів (розрахунок в приростах за пропусками) використовується модель прогнозування зусилля, яка враховує жорсткість листа

(20)

і спадковість, що оцінюються за характером змін в одноіменних пропусках наступних один за другим циклах прокатки.

Механізм прогнозування жорсткості, який ілюструється на рис. 4, може бути поданий наступними виразами:

(21)

при, де ;

(22)

при, де ;

(23)

(24)

де — жорсткість металу на базовій кривій; йй — жорсткість металу при фізичній товщині розкату.

Розподіл обтисків за пропусками в чистовій кліті стана задається заздалегідь за прийнятою і записаною в ЕОМ стратегією прокатки.

Досягнута точність прогнозування зусилля прокатки за описаною методикою, яка підтверджена в АСК ТП ТЛС 3600, характеризується середньоквадратичною похибкою , віднесеною до зусилля прокатки 3000 т, тобто абсолютна похибка не перевищує 100 т [36, 37, 38].

Розроблені та випробувані математичні моделі зміни ширини на початковій і кінцевій частинах розкату.

За результатами досліджень одержані рівняння регресії, які містять три частини, що відповідають опису пластичної деформації при прокатуванні у вертикальних і горизонтальних валках:

1) зміна ширини при обтиску ділянок утворення напливів у вертикальній кліті на початковій частині розкату

при

,

де

при

на кінцевій частині розкату

при

при

2) зміна ширини при обтиску ділянок утворення напливів в горизонтальній кліті на початковій частині розкату

на кінцевій частині розкату

3) зміна ширини при звичайній горизонтальній прокатці

на початковій частині розкату

на кінцевій частині розкату

.

Сумарний розшир кінців листа

на початковій частині розкату

;

на кінцевій частині розкату

.

Розроблені математичні умови оптимізації циклу прокатки за часом і еквівалентним моментом прокатних двигунів.

1. Для мінімізації часу циклу

•

; (25)

•

; (26)

. (27)

З умов (25) — (27) потрібно визначити , які задовольняють часу циклу

. (28)

2. Для мінімізації еквівалентного моменту

•

; (29)

•

. (30)

Тут — номінальний та еквівалентний моменти прокатного двигуна; N — кількість пропусків; — час циклу прокатки; — час пропуску (машинний час плюс час паузи).

Допустимі значення приймаються за умовами відомих обмежень, основними з яких є енергосилові (момент і зусилля прокатки) і технологічні (кут захоплення, умови пластичності металу та ін).

Статистична обробка даних вимірювання товщини листів дала наступні порівняльні результати:

для низьколегованих сталей в діапазоні товщин листів 9 — 20 мм середньоквадратичне відхилення товщини від заданої склало:

•

•

•

Показаний вплив на площинність прокату ефекту швидкісної асиметрії, який полягає в зниженні зусилля прокатки зі зміною швидкостей одного валка відносно іншого. З метою визначення енергосилових параметрів в процесі асиметричної прокатки здобувачем разом з ДонНДІчорметом та Донецьким політехнічним інститутом на ТЛС 3600 металургійного комбінату “Азовсталь” були проведені експериментальні дослідження. Результати цих досліджень показали позитивну роль швидкісної асиметрії в досліджуваному діапазоні сортаменту, що прокатується, за марками сталі та типорозмірами.

Проведений аналіз причин зменшення хвилястості за відомими критеріями. Виведена умова одержання після прокатки з використанням швидкісної асиметрії листа, який задовольняє за площинністю вимогам ДСТУ. Ця умова надається нерівністю, в яку входить відхилення поверхні листа від площини на довжині 1м, що визначається за формулою

(31)

Показано, що для підвищення ефективності автоматичного регулювання параметрів прокатки можуть бути застосовані штучні нейронні сітки (ШНС) в доповнення до математичних моделей. Причому сполучення математичної моделі та ШНС має різні форми залежно від постановки задачі.

Розділ 3 присвячений синтезу математичних моделей і алгоритмів для керування виробництвом в ІАСК. Викладені наукові та прикладні результати досліджень, наведена розроблена в НВК “КІА”, при провідній участі здобувача, теорія побудови багаторівневих інтегрованих систем комплексного керування ТЛС, які охоплюють рішення задач планування і організаційного керування виробництвом в прокатному цеху, систем оптимізації керування процесами нагріву, прокатки і обробки прокатної продукції [11].

Векторний опис організаційно-технологічного процесу розглянуто для структури ІАСК (див. рис. 1), до складу якої входять ділянки нагрівальних печей (П1), прокатних клітей (П2), розкрою штаб (П3), оброблення і термічної обробки листів (П4, ..., ПN). Прийняті наступні позначення для організаційно-технологічних процесів: — вектор параметрів однієї заготовки, які регламентуються при фабрикації заявок (марка сталі, геометричні параметри, тип слябів, інші параметри, якщо вони вказані в заявці); — об’єднання параметрів за всіма заготовками, вказаними в заявці, що фабрикується на даний період часу Т (тобто виражає всю інформацію, визначену заявкою на період Т ); — відповідна інформація по заготовкам, які є на складі або раніш замовлені; — вектор параметрів, які визначають режим обробки однієї заготовки (параметри нагріву, обтиски по пропусках, швидкості прокатки, температури і т. і.); — вектор, який виражає відому інформацію про стан обладнання технологічної лінії стана (допустимі навантаження, діючі агрегати, характеристики валків і т. і.); — вектор параметрів, який характеризує прокатану штабу (геометричні параметри,фізико-механічні властивості, показники якості металу); — вектор параметрів, які виражають решту (крім ) показників на виході процесу прокатки однієї заготовки (витрата енергії, тривалість процесу і т. і.); — режим нагріву і прокатки усіх заготовок.

Далі  —

відповідні об’єднання величин за всіма заготовками, які прокатуються за період часу Т (так що визначає режим нагріву і прокатки усіх заготовок, — сукупність всіх прокатаних штаб, — сукупність усіх інших вихідних показників процесу прокатки за період Т).

Процес прокатки описується для даної заготовки наступними співвідношеннями:  

(32)  

(33)

де — вектор, який виражає сукупність усіх факторів, що не входять до складу , але впливають на результат процесу прокатки (зокрема, фізичні похибки величин , параметри середовища та інше); f — функція, яка описує залежність параметрів прокатаної штаби від параметрів заготовки, режиму прокатки та інших факторів; — аналогічна функція для .

Відповідно за всіма заготовками  

де — об’єднання за всіма заготовками, які прокатуються за період часу T; F, F1 — деякі функції.

Надалі — вектор, який виражає план розкрою однієї штаби; — вектор параметрів однієї розкроєної штаби, тобто сукупність параметрів усіх листів, одержаних в результаті прокатки та розкрою однієї заготовки (включаючи показники якості, що містяться в ); — вектор параметрів, що характеризують решту (крім ) показників на виході процесу прокатки та розкрою однієї заготовки.

Аналогічно попередньому, — об’єднання за всіма заготовками, які обробляються за розглянутий період часу Т.

Тоді

де — збурення, які впливають на процес розкрою; — деякі функції, що описують перетворення відповідних параметрів в процесі розкрою.

Відповідно за всіма заготовками

де Ф1, Ф2 — відповідні функції.

Замовлення на прокат можливо виразити як вимоги приналежності вектора деякій області простору векторів , а технологічні, ресурсні, економічні та інші обмеження на ведення процесу прокатки та розкрою — як вимоги приналежності вектора деякій області П відповідного простору.

Задача фабрикації полягає у виборі такого значення вектора , щоб в результаті перетворень (34), (35), (38), (39) були одержані значення векторів , які задовольняють вимоги замовлень на прокат

при дотриманні обмежень на процес прокатки, які виражаються вимогою

і при досягненні оптимальних значень деякого критерію К (скалярного або векторного), залежного від , а можливо і від інших факторів:

В наведеній формуліровці говориться про

Глобальною задачею ІАСК є оптимізація векторного критерію

при дотриманні обмежень

Вважаючи, що вектор є випадковим, причому на початковому (першому) етапі (нагрів) інформація про нього обмежується апріорною щільністю розподілу . На другому етапі (прокатка) інформація, що надійшла, дозволяє побудувати апостеріорну щільність розподілу . На третьому (розкрій) — вектор цілком відомий. Тоді задача, що вирішується на першому етапі, полягає у виборі таких значень, щоб при будь-якому значенні , яке має не нульову апріорну щільність імовірності, знайшлися такі, що при вибраному виконуються обмеження (44)

Тобто, потрібно, щоб при вибраних значеннях вектора — параметрів фабрикації — забезпечувалась наступна умова: яким би в подальшому не виявився вектор , для нього можливо вибрати таке значення векторів , — параметрів нагріву, прокатки та розкрою, щоб у результаті реалізації процесу були виконані усі вимоги до продукції і обмеження на хід процесу.

Проаналізовані різні види термомеханічної обробки (ТМО) металу як в процесі прокатки, так і на етапах остаточної обробки. Розглянуті відповідні системи керування:

1) АСК контрольованою за температурою багатоетапною прокаткою з проміжними охолодженнями розкату на спокійному повітрі та наступною низькотемпературною деформацією при суворо дотримуваній температурі;

2) АСК контрольованою за температурою двофазною прокаткою з інтенсивним проміжним охолодженням водою і наступною низькотемпературною деформацією.

Метою деформації в двофазній області (аустенітно-феритній), яку називають також інтеркритичною областю, є досягення різних сполучень міцності та в’язкості шляхом зниження температури кінця прокатки в області при відповідно достатньому сумарному обтиску. Тут — рівноважні температури на діаграмі Fe - Fe3C, °С.

Якість поверхні розкату, особливо зниження утворення червоної окалини, досягається застосуванням різних систем гідрозбиву водяними струменями, які подаються по пропусках під високим тиском. Для ТЛС 2800 Алчевського металургійного комбінату під керівництвом здобувача розроблена нова автоматизована енергозберігаюча система гідрозбиву окалини. Основні елементи цієї системи випробувані в промислових умовах на ТЛС 2800 і показали високі результати по якості поверхні, яка оброблялась, а в порівнянні з існуючою системою гідрозбиву — значну економію енергоресурсів [18—21,41].

В розділі 4 викладений аналіз інформаційного забезпечення, контролю та діагностики в ІАСК товстолистовим станом. Показано, що основою функціонування інформаційних систем є вироблення в режимі он-лайн інформації про стан всієї технологічної установки. Забезпечується підтримка рішень про заходи, орієнтовані на стан системи з врахуванням доступу до документації об’єкта та компонентів керуючих підсистем [26, 27].

На основі інформації, яку одержує оператор від технологічного об’єкта, в процесі взаємодії з системою контролю, виробляються групи функцій для їх автоматичної та ручної реалізації:

•

•

•

•

•

В роботі проаналізовано декілька видів контролю:

1) контроль обмежень: безпосередньо величини, що вимірюються, піддаються перевірці на вихід за межі допустимих значень і видаються сигнали тривоги;

2) автоматичний захист: при небезпечних станах процесу система контролю обмежень автоматично вводить заходи для переводу процесу до нормального стану;

3) контролю з діагностикою помилок: за величинами, що змінюються, розраховуються ознаки, виробляються симптоми, проводиться діагностика і віробляються рішення для запобігання порушення, яке виникло.

П’ятий розділ присвячений синтезу цифрових систем регулювання технологічних параметрів прокатки, а також побудові адаптивних систем і систем, що навчаються. Показано, что при побудові алгоритмів управління цифрові системи дають можливість легко реалізувати математично складні закони регулювання і синтезу адаптивних систем зі складними методами ідентифікації об’єктів. При цьому малі інтервали дискретності (суттєво менші найбільшої сталої часу контура регулювання) дозволяють застосовувати для розрахунків систем регулювання методи, які являють собою ті чи інші модифікації традиційних, наприклад, використання П-, ПІ-, ПІД-законів управління.

В роботі показано, що при розробці програм дискретного регулювання параметрів прокатки доцільно виходити з структури ПІД-регулятора, яка описана рівнянням

або у вигляді П-, I-, Д-складових

Для систем позиційного регулювання електро- або гідропривод (натискних механізмів, лінійок маніпуляторів та ін.) виконується розрахунок повної вихідної величини регулятора

де приріст шляху переміщення

На базі наведених співвідношень розроблені програми, які реалізовані в ПЕОМ для різних контурів регулювання. Програма розраховує складові рівняння (51), підсумовує їх, а потім перевіряє на дотримання обмежень по максимуму величини регулюючого діяння, тобто . При цьому окремо дія кожної із складових програмними засобами може бути підсилена, послаблена або зовсім виключена, тобто можлива реалізація нелінійної системи керування із змінною структурою і динамічним вибором як типів регуляторів П, ПІ, ПД, І, так і їх параметрів.

Випробуваний нелінійний “напівпропорційний” алгоритм Фернера, в якому регулююче діяння змінюється пропорційно зміні відхилення регульованої величини до того часу, поки збільшується за абсолютною величиною, а потім залишається незмінним, якщо ж приріст зміниться за знаком, тобто у виразі

має місце співвідношення.

В процесі товстолистової прокатки дія на технологічні параметри здійснюється по декількох каналах:

1) зміна розхилу валків від пропуска до пропуска виконується електромеханічним натискним пристроєм (ЕМНП) — грубий канал керування;

2) уточнення розхилу валків, а також дія на товщину листа в процесі регулювання здійснюються гідравлічним натискним пристроєм (ГНП) — перший точний канал керування;

3) дія на форму і профіль листа виконується системою гiдравлічного противигину валків (ГПВ) — другий точний канал управління;

4) дія на форму міжвалкового зазора здійснюється осьовим зміщенням фігурних валків (ОЗФВ) або схрещенням;

5) комплексна дія на технологічні параметри виконується швидкісною асиметрією (ША).

На рис. 5 подана спрощена структура багатоканальної системи відтворення рухів об’єкта по заданій координаті x, в якій кожний окремий i-й канал Wi, i = 1, 2, ..., N автономно відтворює на своєму виході , визначеним чином сформоване задавальне фізичне діяння Самі припускаються однорідними та взаємозв’язаними, зокрема рівними між собою корисними сигналами

які відображають заданий закон руха об’єкта.

Адаптивний регулятор виконує функції оптимального параметрування. Лише дискретні методи забезпечують реалізацію таких підходів. При адаптації самонастроювання регулятора на характеристики процеса, що міняються, здійснюється одним з наступних способів:

•

•

Спрощена структура системи адаптивного регулювання подана на рис. 6.

В дисертації розроблені практичні рекомендації по веріфікації динамічних процесів на базі оцінки помилок параметрів за методом найменших квадратів, які відносяться до моделей процесу. Оцінка оптимізації в практичних використаннях методу найменших квадратів здійснюється за:

•

•

Досвід свідчить, що інтелектуальні здібності людини можуть бути відтворені навчаючимися управляючими контурами системи. При цьому крок за кроком формується нелінійна модель процесу на основі виміряних даних. В результаті за критерієм якості безпосередньо генерується нелінійна система керування, яка навчається. “Інтелектуальний образ дій” містить в основному три складові:

•

•

•

Цілеспрямованому пошуку рішення конкретної задачі контуром керування, що “навчається”, відповідає критерій якості, в якому сформульований характер проходження процесу.

В розділі 6 проаналізовані методи вибору параметрів і настроювання регуляторів для аналогових і дискретних систем автоматичного регулювання в ІАСК. Обгрунтована трикрокова процедура оптимізації параметрів систем регулювання:

•

•

•

Головним напрямком рішення проблеми є докорінне удосконалення методів розрахунку регуляторів, а також створення адаптивних систем регулювання. На цей час найбільш відомими методами настроювання автоматичних регуляторів є наступні методі: Циглера—Ніколса, Чіна—Хронеса—Ресвіка, Кеслера — бетрагсоптимум, Латцеля — бетрагсадаптація, Куна — “правило Т-суми”, Пройса — проектування ПІД-регулятора за бетрагсоптимумом при відсутності моделі об’єкта.

Виконаний порівняльний аналіз деяких найбільш ефективних методів настроювання П-, ПІ- і ПІД-регуляторів для аналогових та дискретних систем регулювання технологічних параметрів прокатки.

У більшості випадків вказані методи можуть бути застосовані як для аналогових, так і дискретних систем регулювання. Основною ідеєю методу Кеслера є підтримка на рівні одиниці величини передавальної функції замкненого контура регулювання по управляючому діянню у можливо більш широкому діапазоні частот:

де, — відповідно вхідний і вихідний сигнали системи.

Цим забезпечуються високі динамічні якості мінімально-фазової системи регулювання. Зазначені вимоги можуть бути представлені залежністю для модуля амплітудно-частотної характеристики

В основу відомої форми бетрагсоптимума покладена передавальна функція системи регулювання зі сталим чисельником

При виконанні вимоги (56) виходять з того, що з неї можуть бути одержані формули для обчислення параметрів регулятора. Однак реалізувати їх можливо тільки у випадку дійсних або достатньо задемпфіруваних комплексних полюсів об’єкта. Досвід свідчить, що реакція у відповідь спроектованого за цим методом контура з ПІД- регулятором являє собою потрібний перехідний процес з малими перерегулюваннями.

Контур регулювання, поданому рівнянням

може відповідати ПІ-регулятор

де

Опис ПІ-регулятора двома параметрами (сталою часу і коефіцієнтом підсилення) одержують порівнянням коефіцієнтів рівняння (59) з коефіцієнтами рівняння

.

При цьому одержуємо

.

З бетрагсоптимуму можливо одержати метод подвійного співвідношення. Наведемо рівняння (56) в формі , тоді, виходячи з принципу бетрагсоптимуму, знаменник рівняння (57) можна буде записати у вигляді

Звідси виходить низка співвідношень, які задовольнять вимозі бетрагсоптимуму (56),

Співвідношення (61), одержані на основі застосування принципу бетрагсоптимуму (56), можуть бути використані для оптимізації системи регулювання, що проектується, а також при виборі параметрів ПІД-регулятора. В якості вихідних використали співвідношення

зв’язане з величиною коефіцієнта демпфірування . Відомо, що = 1 є граничним випадком аперіодично протікаючого процесу без перерегулювань. Практично найбільший інтерес становить коефіцієнт демпфірування

якому відповідає