МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

КРИВОРІЗЬКИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

УДК 621.001.57:65.012.4

ЛУЦЕНКО ІГОР АНАТОЛІЙОВИЧ

ОПТИМАЛЬНЕ УПРАВЛІННЯ

ТЕХНОЛОГІЧНИМИ ПРОЦЕСАМИ БАГАТОПРОДУКТОВОЇ

ПЕРЕРОБКИ СИРОВИНИ ЗА КРИТЕРІЄМ

ЕФЕКТИВНОСТІ ВИКОРИСТАННЯ РЕСУРСІВ

Спеціальність

05.13.07 – Автоматизація технологічних процесів

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Кривий Ріг - 2007

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано на кафедрі електропостачання та електрозбереження Криворізького технічного університету Міністерства освіти і науки України.

Науковий консультант: Лауреат Державної премії України в галузі

науки і техніки, доктор технічних наук, професор

МОРКУН Володимир Станіславович,

начальник науково-дослідної частини

Криворізького технічного університету

Міністерства освіти і науки України,

м. Кривий Ріг.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

УЛЬШИН Віталій Олександрович,

завідувач кафедри комп’ютеризованих систем

Східноукраїнського національного університету

імені Володимира Даля, м. Луганськ.

Заслужений діяч науки і техніки України,

доктор технічних наук, професор

БОЙКО Віталій Іванович,

Дніпродзержинський державний університет,

завідувач кафедри електроніки та автоматики,

м. Дніпродзержинськ.

доктор технічних наук, професор

КАЧАН Юрій Григорович,

завідувач кафедри енергоменеджменту

Запорізької державної інженерної академії,

м. Запоріжжя.

Провідна установа: Національний гірничий університет, кафедра автоматизації і комп’ютерних систем Міністерства освіти і науки України, м. Дніпропетровськ

Захист відбудеться “22” червня 2007 р. о 1030 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д .052.03 при Криворізькому технічному університеті за адресою: 50002, м. Кривий Ріг, вул. Пушкіна, 37, ф.(0564) .

Із дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Криворізького технічного університету (м. Кривий Ріг, вул. Пушкіна, 37).

Автореферат розіслано “21” травня 2007 р.

Учений секретар

спеціалізованої вченої ради,

к.т.н., доц. М.П.Тиханський

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА роботи

Актуальність роботи. У сучасних умовах асортимент виробничої продукції промислових підприємств постійно розширюється, а в ряді галузей промисловості швидко змінюється. Ці процеси супроводжуються зміною вартості сировини, як правило, у бік збільшення, а зростаюча конкуренція змушує шукати шляхи зниження собівартості вихідної продукції.

У цих умовах стрімко зростає роль автоматизованих систем управління (АСУ) технологічними процесами (ТП) багатопродуктової переробки сировини й підвищуються вимоги до їх ефективності. Саме оптимальне управління ТП дає можливість досягти значного приросту продуктивності та конкурентоспроможності виробництва.

Однак поняття “ефективність управління ТП”, на сьогодні, змістовно й математично визначено нечітко. Найчастіше цим поняттям визначається будь-який ефект, що приводить до покращання окремих показників АСУ ТП, як правило, за рахунок погіршення інших, не менш важливих. Оскільки основним напрямком удосконалення управління складними процесами є зниження ресурсоємності та підвищення ефективності технологічних операцій, перспективним можна вважати впровадження АСУ технологічними процесами, які узгоджені та оптимізовані за критерієм ефективності використання ресурсів.

Системний підхід до вирішення завдання ефективного управління нерозривно пов'язаний з узгодженням усіх рівнів АСУ ТП багатопродуктової переробки сировини, зовнішнього джерела сировинної продукції і зовнішнього споживача готової продукції. Імовірнісний характер цих процесів накладає ряд особливостей на побудову структури АСУ ТП, потребує впровадження моделювання ТП і прогнозування, а також підвищення якості інформаційного забезпечення управління.

Як показує практика, автоматизоване управління ТП, оптимізоване за критерієм ефективності використання ресурсів, дозволяє знижувати на 3-4% енерговитрати та на 4-7% собівартість готової продукції, збільшуючи при цьому її виробництво.

Отже, підвищення ефективності автоматизованого управління технологічними процесами за рахунок оптимізації використання ресурсів за умов неповної і нечіткої інформації про об’єкт управління та середовище його функціонування - є науковою проблемою, вирішення якої особливо актуально для економіки України, оскільки дозволяє суттєво знижувати ресурсоємність і собівартість готової продукції та за рахунок цього підвищувати продуктивність, ритмічність і конкурентоспроможність виробництв багатопродуктової переробки сировини.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана відповідно до планів, затверджених Міністерством освіти і науки України, програм Міністерства промислової політики України і є складовою частиною держбюджетних НДР № 30-65-03 “Дослідження та розробка теорії взаємодії електромагнітного випромінювання частотою 1014-1022 Гц із марганцевмісними рудами для створення енергоефективної технології збагачення” (номер держреєстрації 0103U001972), НДР № 30-71-06 “Дослідження та розробка теорії розповсюдження поверхневих хвиль Лява і Лемба, некогерентного та когерентного гамма-випромінювання в інтегральному потоці для енергоефективного управління процесом збагачення залізних руд” (номер держреєстрації 0106U000896), НДР № 592-05 “Розробка програми автоматизованого аналізу технологічних процесів виробничого підприємства за критерієм ефективності” (номер держреєстрації 0106U001152) та НДР № 5С-05 “Оцінка ефективності адміністративних процесів за критерієм ефективності” (номер держреєстрації 0106U008406).

Мета роботи - розробка оптимальних АСУ ТП багатопродуктової переробки сировини, функціонуючих за критерієм ефективності використання ресурсів на всіх ієрархічних рівнях за умов неповної і нечіткої інформації про об’єкт управління та середовище його функціонування.

Завдання досліджень. Для досягнення поставленої мети в роботі вирішуються завдання:

- розвиток теоретичної бази оптимального управління, основаного на формуванні управляючих впливів в умовах неповної і нечіткої інформації про об’єкт управління і його контрагентів - процесів поповнення продукції і процесів її споживання, із приведенням вхідних і вихідних сигналів продуктів перетворення АСУ ТП до порівняльних вартісних величин;

- формування управляючих впливів в АСУ ТП з урахуванням механізму ресурсоспоживання, ресурсовіддачі, абсолютного потенційного ефекту, ресурсоємності, ефективності керованої технологічної операції і виведення виразу для показника ресурсоємності, потенційного ефекту, ефективності технологічного процесу;

- синтез підсистем аналітичного визначення показників якості управління для процесів, передавальні функції яких можуть бути апроксимовані типовими ланцюгами систем автоматичного регулювання та їх комбінаціями;

- вивчення процесу взаємодії АСУ ТП і підсистеми зовнішнього споживання готової продукції як функції споживання з урахуванням його імовірнісного характеру, синтез алгоритмів перетворення вихідних сигналів реєстрації у функцію споживання з можливістю ідентифікації ділянок невизначеності, системних збоїв і сигналів інтервенції, а також вибору часового інтервалу функції споживання з використанням методів математичного моделювання й формування управління як результату оптимізації модельованих процесів за критерієм ефективності використання ресурсів;

- дослідження механізму динаміки взаємодії АСУ ТП зі споживачем вихідних продуктів з метою розроблення способу прогнозування, який забезпечує якіснішу екстраполяцію за рахунок виявлення та використання випереджувальних індикаторів;

- дослідження процесу взаємодії АСУ ТП і підсистеми зовнішнього поповнення продукції, з урахуванням його імовірнісного характеру, синтез алгоритмів перетворення сигналів управління та вхідних сигналів реєстрації у функцію відгуку;

- розроблення алгоритму структурної і параметричної адаптації на базі моделювання ТП із урахуванням функцій відгуку й споживання і формування керуючого сигналу компенсації факторів невизначеності методом рейтингового відбору за критерієм ефективності використання ресурсів;

- розроблення та практична реалізація оптимальної АСУ ТП багатопродуктової переробки сировини, підсистеми якої узгоджено за критерієм ефективності використання ресурсів.

Ідея роботи полягає в оптимізації технологічних процесів багатопродуктової переробки сировини за єдиним критерієм ефективності використання ресурсів на всіх ієрархічних рівнях АСУ ТП, що на рівні окремих підсистем досягається використанням аналітичних методів та пошукових систем, а в інтеґрованих АСУ ТП - методами адаптивного оцінювання процесів і формування управління з використанням оптимальних параметрів, визначених для точки максимум-максиморум.

Об’єктом дослідження є технологічні процеси багатопродуктової переробки сировини.

Предметом дослідження є оптимальні адаптивні АСУ ТП багатопродуктової переробки сировини, що реалізують технологію управління за критерієм ефективності використання ресурсів.

Методи дослідження. При виконанні дисертаційної роботи використані: аналіз вітчизняного та закордонного досвіду, систематизація існуючих підходів і методів оптимізації АСУ ТП для обґрунтування актуальності, мети і завдань дослідження; аналітичні дослідження механізму формування критерію ефективності використання ресурсів; фізичне моделювання витрат ресурсу обладнання механізмів перетворення сировини; методи оптимального управління для синтезу АСУ ТП; методи системного аналізу для декомпозиції технологічних процесів; методи чисельного моделювання для синтезу та аналізу математичної моделі системи адаптивного управління; методи імітаційного моделювання з метою експериментального дослідження критеріїв управління; комп’ютерні інформаційні та програмні технології для реалізації розробленого алгоритму оптимального адаптивного управління у вигляді програмного забезпечення.

Наукові положення, що захищаються в дисертації

1. Керуючі впливи в інтегрованій АСУ ТП багатопродуктової переробки сировини формуються за результатами паралельної багатопоточної оптимізації вкладених технологічних процесів, визначення параметрів прогнозування, моделі упередження та потоку зв’язаних ресурсів на множині даних функцій відгуку і споживання для кожного з підпорядкованих процесів за єдиним критерієм ефективності використання ресурсів, що визначається відношенням інтегральної величини на обраному інтервалі, який починається з моменту логічного завершення технологічної операції, різниці абсолютних значень вартісних параметрів інтегральних потоків ресурсовіддачі й ресурсоспоживання, на інтервалі від початку технологічної операції до моменту її логічного завершення, з урахуванням функції штрафів, до інтегральної різниці абсолютних значень вартісних параметрів інтегральних потоків ресурсоспоживання і ресурсовіддачі технологічного процесу на інтервалі від початку технологічної операції до моменту її логічного завершення, причому момент логічного завершення технологічної операції визначається умовою рівняння абсолютних величин вартісних параметрів інтегральних потоків ресурсоспоживання і ресурсовіддачі.

2. Оптимальне керування нижнього ієрархічного рівня в багаторівневій АСУ ТП у квазіусталеному режимі забезпечується декомпозицією технологічного процесу на множину сфокусованих технологічних операцій, критерій оптимізації яких визначається відношенням добутку квадрату різниці моменту визначення абсолютного потенційного ефекту та моменту логічного завершення технологічної операції до квадрату різниці сигналів реєстрації продуктів технологічної операції у співставлених одиницях, на добуток квадрату різниці моментів їх реєстрації і сигналів реєстрації вхідних та вихідних продуктів сфокусованої ТО у співставлених одиницях.

3. Упереджене оптимальне управління АСУ ТП багатопродуктової переробки сировини спирається на функцію прогнозування, випереджаючі індикатори якої для кожного часового інтервалу дискретизації технологічного процесу визначаються сумою двічі квантованих значень параметрів ряду результативних контактів, помножених на коефіцієнт масштабування, причому величини першого рівня квантування визначаються на рівні одиничного значення, а величини другого рівня квантування і коефіцієнта масштабування визначаються в процесі параметричної оптимізації за критерієм ефективності використання ресурсів, за результатом якої формується опорний інтервал упередження, протягом якого коефіцієнт масштабування обирається шляхом співставлення динамічних рядів результативних взаємодій та об’ємів кінцевого продукту технологічного процесу.

Наукова новизна одержаних результатів

1. Уперше доведено, що оптимальне управління в інтегрованій АСУ ТП багатопродуктової переробки сировини забезпечується формуванням управляючих впливів за результатами паралельної багатопоточної оптимізації вкладених технологічних процесів, визначення параметрів прогнозування, моделі упередження і технічного ресурсу на множині даних функцій відгуку і споживання для кожного з підпорядкованих процесів за єдиним критерієм ефективності використання ресурсів, що дозволяє реалізувати єдиний підхід до оптимізації технологічних операцій, процесів та комплексів.

2. Уперше доведено, що відносно реалізації принципів ефективності використання ресурсів об’єкти управління, тобто технологічні процеси, які складаються з окремих технологічних операцій, є ізоморфними й емерджентними; отримано вираз для аналітичного визначення моменту логічного завершення керованої технологічної операції як відношення різниці добутків інтегралів зіставлених вихідних та вхідних сигналів реєстрації, що відображають кількісні та якісні характеристики продуктів перетворення на момент їх реєстрації, до різниці інтегралів зіставлених вихідних та вхідних сигналів реєстрації кількісних характеристик продуктів перетворення.

3. Доведено, що задля оптимізації управляючих дій у багаторівневій АСУ ТП показник ресурсоємності визначається: для окремих технологічних операцій - як інтегрована різниця абсолютних значень вартісних величин інтегрованих вхідних і вихідних потоків ресурсоспоживання і ресурсовіддачі на інтервалі від початку технологічної операції до моменту її логічного завершення; для сфокусованої технологічної операції - як відношення добутку вартісних оцінок вхідних, вихідних сигналів реєстрації продуктів й квадрата різниці моментів реєстрації цих продуктів до подвоєної величини різниці вартісних оцінок вихідних і вхідних сигналів реєстрації продуктів; для технологічного процесу - як інтегральна величина загальної ресурсоємності технологічних операцій.

4. Уперше отримано вираз для формування критерію ефективності використання ресурсів, який визначається відношенням інтегральної величини на обраному інтервалі, що починається з моменту логічного завершення технологічної операції, різниці абсолютних значень вартісних параметрів потоку ресурсовіддачі й потоку ресурсоспоживання на інтервалі від початку технологічної операції до моменту її логічного завершення, з урахуванням функції штрафів, до інтегральної різниці абсолютних значень вартісних параметрів потоку ресурсоспоживання і потоку ресурсовіддачі технологічного процесу на інтервалі від початку технологічної операції до моменту її логічного завершення, причому момент логічного завершення технологічної операції визначається умовою рівняння абсолютних величин інтегралів потоків ресурсоспоживання та ресурсовіддачі, що дозволяє при використанні його для оптимізації автоматичного управління технологічними процесами багатопродуктової переробки сировини знижувати на 3-4% енерговитрати та на 4-7% собівартість готової продукції.

5. Розкрито загальний механізм та розроблено метод, який враховує при формуванні управляючих дій в АСУ ТП багатопродуктової переробки сировини, тенденцію змін обсягів споживаної продукції з боку зовнішнього споживача, що відображається у вигляді випереджальних індикаторів прогнозуючої функції для будь-якого тимчасового інтервалу дискретизації технологічного процесу, кожний з яких визначається сумою двічі квантованих значень величин ряду результативних взаємодій об’єктів управління, помножених на коефіцієнт масштабування, причому значення першого рівня квантування визначається на рівні одиничного значення, а значення другого рівня квантування й величина коефіцієнта масштабування визначаються в процесі параметричної оптимізації за критерієм ефективності використання ресурсів, за результатом якої формується опорний інтервал упередження, протягом якого коефіцієнт масштабування обирається шляхом співставлення динамічних рядів результативних взаємодій об’єктів управління та об’ємів кінцевого продукту технологічного процесу, що дозволяє на 7-15% підвищити якість прогнозування динаміки технологічного процесу.

Наукове значення роботи полягає в подальшому розвитку теорії оптимального управління технологічними процесами багатопродуктової переробки сировини за критерієм ефективності використання ресурсів.

Практичне значення дисертаційної роботи й використання її результатів. Практична цінність отриманих результатів полягає в розробленні:

- універсальних алгоритмів і програм адаптивного оптимального управління технологічними процесами на базі методів, що використовують як вимірювані (технічні), так і обумовлені (вартісні) показники та єдиний критерій ефективності використання ресурсів;

- підсистем автоматичного управління з вбудованим механізмом аналітичного обчислювання показника ефективності використання ресурсів;

- способів і засобів оптимального адаптивного управління АСУ ТП, підсистеми якої функціонують за узгодженим критерієм ефективності використання ресурсів, що дозволяє підвищити темпи розвитку підприємств при одночасній реалізації технологій ресурсозбереження.

Результати роботи впроваджено: на гірничих підприємствах Кривбасу, що входять до складу Державної акціонерної компанії “Укррудпром” (річний економічний ефект від упровадження - 263764 грн.); виробничому підприємстві “Істок” (річний економічний ефект - 244730 грн.); виробничому підприємстві “Промресурси” (річний економічний ефект - 189494 грн.); на підприємстві “Літа” (річний економічний ефект - 438640 грн.).

За результатами роботи розроблено новий клас експертних систем інтелектуальної підтримки прийняття рішень в умовах невизначеності ERA_Lite и ERA_Std як складової АСУ ТП багатопродуктової переробки сировини.

Матеріали дисертаційної роботи використані в навчальному процесі Криворізького технічного університету на кафедрі “Електропостачання та енергозбереження” при викладанні дисципліни “Енергозбереження” для студентів спеціальності 7.090603 “Електротехнічні системи електроспоживання”.

Обґрунтованість і вірогідність наукових положень, досліджень, висновків і рекомендацій підтверджується тим, що в роботі використовуються апробовані фундаментальні положення теорії автоматичного управління, дослідження операцій, а також достатньою збіжністю аналітичних і експериментальних досліджень, позитивними результатами перевірки в промислових умовах розроблених способів оцінювання й управління (так, для технологічних операцій з різною тривалістю й рентабельністю, але однаковою за визначенням ефективністю отримані розрахункові значення ефективності, похибка яких не перевищила 1,5%).

Особистий внесок здобувача. Автором особисто виявлені принципи ізоморфізму видів АСУ ТП, отримано вираз для визначення критерію ефективності ТО й ТП, розроблено алгоритми формування оптимального управління для нижнього ієрархічного рівня АСУ ТП, методи адаптивного прогнозування з використанням випереджальних індикаторів та формування оптимального управління для інтегрованої АСУ ТП багатопродуктової переробки сировини, алгоритмічне та програмне забезпечення експертних систем і АСУ ТП багатопродуктової переробки сировини.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідалися та отримали позитивну оцінку на щорічних наукових конференціях Криворізького технічного університету і Європейського університету (Кривий Ріг, 1998-2006 рр.), науково-технічній конференції “Основні напрямки розвитку гірничо-металургійного комплексу України в XXI сторіччі” (Кривий Ріг, 2001 р.), III Міжнародному симпозіумі “Оперативний контроль і управління якістю мінеральної сировини” (Кривий Ріг, 2002 р.), науково-технічній конференції “Проблеми розвитку Криворізького залізорудного басейну” (Кривий Ріг, 2002 р.), V Міжнародній науково-технічної конференції “Аерокосмічні системи моніторингу та управління” (Київ, 2003 р.), Всеукраїнській конференції “Сучасні технології в науці та освіті” (Кривій Ріг, 2003 р.), IX Міжнародній науково-практичній конференції “Інформаційні технології в економіці, менеджменті й бізнесі. Проблеми науки, практики та освіти” (Київ, 2004 р.), Міжнародній науково-технічній конференції “Сталий розвиток гірничо-металургійної промисловості” (Кривий Ріг, 2004 р.), I Міжнародній науковій конференції “Теорія й методи обробки сигналів” (Київ, 2005 р.), III Міжнародній науково-практичній конференції “Математичне та програмне забезпечення інтелектуальних систем (MPZIS-2005 р.)” (Дніпропетровськ, 2005 р.), міжвузівській науково-практичній конференції “Проблеми економічної освіти й науковий прогрес” (Кривий Ріг, 2005 р.), Всеукраїнському науково-практичному семінарі “Біомедичні системи й технології” (Кривий Ріг, 2006 р.), V Міжнародній конференції “Геоінформатика: теоретичні та прикладні аспекти” (Київ, 2006 р.), щорічній Міжнародній науково-практичній конференції “Тиждень гірника - 2006” (Москва, 2006 р.), II Міжнародній конференції “Стратегія якості в промисловості та освіті” (Варна, 2006 р.), I Міжнародній науково-практичній конференції “Європейська наука ХХ століття: стратегія і перспективи розвитку - 2006” (Дніпропетровськ, 2006 р.), I Міжнародній науковій конференції “Глобальні інформаційні системи. Проблеми та тенденції розвитку” (Туапсе, 2006 р.), IV Міжнародній науково-практичній конференції “Математичне та програмне забезпечення інтелектуальних систем (MPZIS-2006 р.)” (Дніпропетровськ, 2006 р.), Міжнародній науково-технічній конференції “Сталий розвиток гірничо-металургійної промисловості - 2007” (Кривий Ріг, 2007 р.).

Публікації. Всього по темі дисертації опубліковано 51 робота, у тому числі 3 монографії, 33 статті у науково-технічних журналах і збірниках наукових праць. Пріоритет основних наукових та технічних рішень, що реалізують висунуті в роботі принципи підвищення ефективності автоматичного управління технологічними процесами багатопродуктової переробки сировини, захищений 8 патентами України та 5 авторськими свідоцтвами.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, шести розділів та висновків, містить 16 таблиць, 209 рисунків, список використаної літератури (271 найменування) і 4 додатків. Загальний обсяг роботи - 491 сторінка, в тому числі 267 сторінок основного тексту .

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано вибір теми дисертації, актуальність, розглянуто зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами, сформульовано мету, ідею та завдання досліджень, визначено об’єкт, предмет і методи дослідження, викладені основні наукові положення, новизна та значення отриманих наукових і практичних результатів, наведено інформацію про особистий внесок здобувача, апробацію результатів та структуру роботи.

У першому розділі виконано аналіз стану проблеми підвищення ефективності автоматичного управління технологічними процесами багатопродуктової переробки сировини.

Показано, що сучасний розвиток автоматичного управління ТП здійснюється, в основному, в напрямку створення та впровадження методів, технічних й програмних засобів автоматизації, що забезпечують підвищення якості вихідної продукції і зниження часу перетворювальних процесів. Ресурсом подальшого покращення результатів функціонування АСУ ТП є впровадження технології оптимального управління, яка забезпечує найбільшу ефективність використання ресурсів, що витрачаються при переробці сировини в кінцевий продукт.

Питання розроблення критеріїв оптимізації технологічних процесів завжди було актуальною проблемою. Вагомий вклад у її вирішення зроблено В.М. Глушковим, А.Г. Івахненко, Р. Белманом, Л.С. Понтрягіним, Л.А. Барським, В.З. Козіним, А.Н. Марютою, А.С. Давидковичем та ін. Однак розроблені на сьогодні критерії управління як суто технологічні, так і техніко-економічні або економічні є прийнятними для окремих умов виробництва, але їх не можна застосовувати на всіх ієрархічних рівнях автоматизованого управління, і тому необхідне узгодження при їх використанні.

Відзначено, що управління за мінімумом втрат або ресурсоспоживання (енергоспоживання) приводить до неоднозначного результату. Це пов'язано з тим, що ресурсоспоживання характеризує тільки один бік автоматизованого технологічного процесу і є лише однією із складових потенційного позитивного ефекту, на який спрямовано застосування АСУ ТП. У зв'язку з цим такі показники як величина ресурсоємності або енергоємності процесу не можна використати як повноцінний критерій управління. Замість проблеми енерго- або ресурсозберігаючого управління більш доцільно розглядати питання синтезу АСУ ТП, яка забезпечує максимум ефективності використання ресурсів.

Ефективність використання ресурсів при реалізації ТП багатопродуктової переробки сировини значною мірою визначається ефективністю зовнішнього контуру управління вхідними та вихідними процесами виробництва, що диктує необхідність застосування інтеґрованих АСУ ТП для вирішення поставлених завдань. Можливості технічної автоматизації ТП цього контуру управління вкрай обмежені, внаслідок чого на сьогодні це найслабкіша ланка всіх АСУ ТП. Реалізація принципів оптимального адаптивного управління багатопродуктової переробки сировини може забезпечити максимальний ефект саме в інтеґрованих АСУ ТП.

Оскільки формування керуючих впливів в інтегрованій АСУ ТП багатопродуктової переробки сировини здійснюється в умовах неповної і нечіткої інформації, великого значення набувають методи прогнозування, які використовують у процесі управління. Найбільш перспективним напрямком у цій галузі є розроблення методів прогнозування з використанням випереджаючих індикаторів.

Зроблено висновок про те, що основними шляхами підвищення ефективності АСУ ТП багатопродуктової переробки сировини є впровадження оптимального адаптивного управління за єдиним, системно обґрунтованим критерієм ефективності на всіх без винятку ієрархічних рівнях, що можна досягнути дослідженням і розробленням відповідних алгоритмів та систем автоматизації, а також механізмів їхнього інформаційного забезпечення. За результатами дослідження стану питань автоматизації сформульовані мета й завдання дослідження.

У другому розділі розроблено критерій ефективності використання ресурсів для формування оптимального управління ТП багатопродуктової переробки сировини. Для цього ці процеси розглянуто як об’єкт управління. Показано, що саме для цього класу ТП особливе значення має узгоджене управління на усіх ієрархічних рівнях.

Класифіковано технологічні операції і сформовано ізоморфну динамічну модель технологічної операції шляхом розгортання в часі сигналів реєстрації

; ,

де rsi - вартісний тариф i-го вхідного продукту процесу перетворення; rqi - миттєве значення величини i-го вхідного продукту процесу перетворення (вхідний сигнал реєстрації); I - кількість вхідних продуктів процесу перетворення; fre(t) - потік ресурсоспоживання технологічної операції (ТО); psj - вартісний тариф j-го вихідного продукту процесу перетворення; pqj - миттєве значення величини j- го вихідного продукту процесу перетворення (вихідний сигнал реєстрації); J - кількість вихідних продуктів процесу перетворення; fрe(t) - потік ресурсовіддачі ТО.

Введено поняття моменту логічного завершення технологічної операції (ТО) як точки рівності величин потоків ресурсоспоживання й ресурсовіддачі wre(t) = wpe(t), де wre(t), wpe(t) - величини потоків ресурсоспоживання й ресурсовіддачі, причому ; .

Для будь-якої ТО момент логічного завершення операції (МЛЗО) можна визначити аналітично з виразу

,

де ; .

Визначення МЛЗО дозволяє перейти до визначення величини ресурсоємності ТО

,

де R - величина ресурсоємності ТО, і визначення величини абсолютного потенційного ефекту ТО

,

де A - величина абсолютного ефекту ТО, td - момент визначення показника абсолютного потенційного ефекту реєстрації вихідних продуктів перетворення.

Показник ефективності використання ресурсів узгодженої ТО визначається відношенням величини абсолютного ефекту операції до її ресурсоємності

, (1)

де Е - ефективність використання ресурсів ТО.

Для дискретних АСУ ТП ефективність використання ресурсів (ЕВР) визначається згідно з виразу:

, (2)

де nн – інтервал дискретизації, найближчий до моменту логічного завершення операції.

Ефективність використання ресурсів технологічного процесу в загальному випадку визначається з виразу

, (3)

де - ефективність використання ресурсів ТП; - функція штрафів; I - кількість ТО досліджуваного ТП.

Для сфокусованих ТО, вхідні й вихідні сигнали реєстрації яких можуть бути представлені у вигляді двох імпульсних функцій, показник ЕВР визначається аналітично за виразом

, (4)

де tp - момент реєстрації вихідних продуктів перетворення; tr - момент реєстрації вхідних продуктів перетворення. Для визначення показників якості ТО інтервал (td tl) доцільно приймати одиничним.

Отримані вирази (2- 4) є різновидністю критерію ефективності використання ресурсів (1) і дозволяють реалізувати єдиний підхід до оптимізації технологічних операцій, процесів та комплексів.

У третьому розділі розглянуто питання синтезу систем автоматизованого оптимального управління об’єктами, передавальні функції яких можуть бути апроксимовані типовими ланками та їх комбінаціями за критерієм ефективності використання ресурсів.

Відомо, що при підвищені продуктивності ТП питома витрата енергетичних продуктів на одиницю вихідної продукції знижується (рис. 1, крива 1). Також відомо, що при цьому нелінійно зростає споживання технічного ресурсу робочих механізмів ТП (рис. 1, крива 2), тобто технічний ресурс робочих механізмів є таким самим вхідним продуктом ТП, як і сировинні або енергетичні продукти.

Приведення вхідних продуктів до співставлених величин дає можливість отримати картину загального ресурсоспоживання залежно від продуктивності (рис. 1, крива 3). Оскільки ресурсовіддача при зміні продуктивності змінюється лінійно (рис. 1, крива 4), можна отримати область допустимих управлінь, які дають змогу реалізувати ТП, що мають економічний сенс. Відповідно, можна отримати точку оптимальної продуктивності. Оптимум ефективності використання ресурсів (рис. 2, крива 3) не співпадає з оптимумом, який можна отримати спираючись на економічні показники (рис. 2, крива 1,2).

Для значної кількості робочих механізмів залежність зниження технічного ресурсу від продуктивності може бути отримана в аналітичному вигляді. У зв’язку з цим з’являється можливість синтезу систем аналітичного визначення оптимального режиму для об’єктів, передавальні функції яких можуть бути апроксимовані типовими ланками систем автоматичного регулювання (САР).

Зміна вартості вхідного (наприклад, за рахунок якості) або вихідного продуктів ТП (рис. 1, крива 5) призводить до зміни положення оптимуму управління. Наприклад, на великих виробничих підприємствах тариф на споживану електроенергію залежить від часу доби.

Рис. 1. Залежність вартості продукту В від продуктивності G: 1- енергетичний продукт; 2 - ресурс робочого механізму; 3 - вхідний продукт; 4 - вихідний продукт; 5 - вихідний продукт з нижчим тарифом у співставлених одиницях В | Рис. 2. Залежність показників результатів управління від продуктивності G: 1- прибуток Р; 2 - рентабельність F; 3 - ефективність використання ресурсів Е

Це означає, що оптимум управління, навіть протягом доби суттєво змінюється. У зв’язку з цим структуру типових ланок САР доцільно модифікувати шляхом приведення до розширеного виду (рис. 3), де залежно від управління і тарифів на одиницю вхідних та вихідних продуктів змінюються показники якості ТП.

Наприклад, сигнали реєстрації ланки затримки, що відображають переміщення партій продукції, рівномірно розподілених у часі в квазіусталеному режимі, можна представити у вигляді

, ,

де k1 - коефіцієнт, що відображає величину поточного значення величини вхідної партії продукції; k2 - коефіцієнт, що відображає величину поточного значення величини вихідної партії продукції; t - час реєстрації вхідної й вихідної партій продукції; tз - час затримки початку вихідної партії продукції стосовно початку реєстрації вхідної партії.

Рис. 3. Узагальнена структура модифікованої ланки САР

Тоді МЛЗО визначається з виразу

,

де tf - момент фізичного завершення ТО.

У свою чергу, величина абсолютного ефекту ТО та її ресурсоємності визначаються з виразів

,

.

Сигнали реєстрації інтегруючої ланки, що моделює накопичення партій продукції, можна представити у вигляді

, ,

де k1 - величина вхідного сигналу реєстрації;

, ,

де k2 - коефіцієнт, що характеризує швидкість наростання вихідного сигналу реєстрації.

Тоді МЛЗО визначається з виразу

.

Величина абсолютного ефекту ТО та її ресурсоємності визначаються з виразів

,

.

Також у роботі отримані вирази, що дозволяють синтезувати підсистеми САК, процеси яких апроксимуються коливальною ланкою, що має як дійсні, так і комплексно-сполучені корені характеристичного рівняння.

Синтезовані підсистеми аналітичного визначення показника якості управління дозволяють суттєво підвищити ефективність АСУ завдяки скороченню терміну пошуку оптимуму, що забезпечується впровадженням розробленого критерію ефективності використання ресурсів.

Структурна схема екстремальної пошукової АСУ ТП багатопродуктової переробки сировини для вироблення пластмасових виробів методом екструзії зображено на рис. 4. Система включає в себе електропривод постійного струму, механізм переміщення сировинних компонентів, блок формування показника ефективності й прилад управління МК, що реалізує типові алгоритми пошуку максимуму критерію ефективності використання ресурсів.

Рис. 4. Структурна схема екстремальної пошукової системи управління багатопродуктовим ТП виготовлення пластмасових виробів методом екструзії

На рис.4 прийняті наступні позначення: Ua, Ia - напруга і струм якоря; ke, kM - коефіцієнти е.р.с. та моменту приводного двигуна, що визначаються за каталожними даними; J – приведений до валу електродвигуна сумарний момент інерції електроприводу; ,,, - коефіцієнти приведення сигналів реєстрації до співставлених вартісних величин; - коефіцієнт пропорційності; rq2 - сигнал реєстрації зносу обладнання.

Особливістю моделі екструдера є змінна величина запізнення , що залежить від кроку шнеку и змінюється обернено пропорційно кутовій швидкості електроприводу. У блок визначення ефективності використання ресурсів Е інтегрована підсистема аналітичного визначення абсолютного потенційного ефекту і ресурсоємності.

На рис. 5 - 7 наведено результати експериментальних досліджень екстремальної пошукової системи управління багато продуктовим ТП екструзії пластмас.

Рис. 5. Зміна сигналу управління пошукової АСУ ТП

Рис. 6. Зміна струму і швидкості АСУ ТП у процесі управління

Рис. 7. Зміна показника ефективності використання ресурсів у

процесі управління

Система управління забезпечує безперервне сканування робочої зони ефективного управління. Тривалість одного циклу сканування максимуму не перевищує 14 секунд. Діапазон зміни значення показника ефективності використання ресурсів у процесі регулювання не перевищує 10% оптимального значення.

У четвертому розділі розроблені методики формування оптимального адаптивного управління зовнішнім контуром інтегрованої АСУ ТП багатопродуктової переробки сировини з урахуванням створених функції відгуку й функції споживання.

Визначено дискретну модель технологічного процесу інтегрованої АСУ. У моделі послідовно визначається ряд сигналів реєстрації вхідного продукту з виразу

,

де rqi - часовий ряд сигналу реєстрації вхідного продукту; rqC – сигнал реєстрації відгуку на управління; rqU – сигнал реєстрації вхідного продукту умовного споживання; і - поточний інтервал дискретизації часового ряду; BZ - базовий інтервал моделювання; ID - час переміщення вхідного продукту ТО до механізму перетворення; IXR - інтервал часу перетворення.

Визначаються ряди вартісних показників одиничних величин вхідних і вихідних продуктів

, ,

де rsi - часовий ряд вартісних показників одиничних величин вхідних продуктів; psi - часовий ряд вартісних показників одиничних величин вихідних продуктів; vrsi - поточний тариф на одиничне значення вхідного продукту; vpsi - поточний тариф на одиничне значення вхідного продукту.

Формується кількісний ряд споживання змодельованої ТО

,

де dqi - кількісний ряд споживання змодельованої операції; vdq(i) - ретроспективний ряд споживання.

Для формування кумулятивного часового ряду споживаних продуктів стосовно змодельованої операції спочатку формуються кумулятивні ряди сигналів відгуку на управління й кількісного ряду спожитих продуктів ТО відповідно до виразів

,

де frqi - кумулятивний ряд сигналів відгуку на управління;

,

де fdqi - кумулятивний ряд сигналів реєстрації споживаних продуктів змодельованої операції.

У випадку, якщо поточне значення кумулятивного ряду frqi менше fdqi (ТО з негативним неузгодженням управління і відгуку), поточні значення величин кумулятивного ряду споживаних продуктів будуть обмежені величинами ряду frqi. В іншому випадку (ТО з позитивним неузгодженням управління і відгуку) кумулятивний ряд споживаних продуктів відповідає кумулятивному ряду попиту. Визначається кумулятивний ряд споживаних продуктів з використанням виразу

,

де fpqi - кумулятивний ряд споживаних продуктів змодельованої операції.

Визначення часового ряду fpqi дає можливість перейти до визначення потоку зв’язаних ресурсів змодельованої ТО fzqi= frqi - fpqi, де fzqi - потік зв’язаних ресурсів ТО.

Для ТО з позитивним неузгодженням можна виділити два види споживання вихідних продуктів. До першого виду - цільового споживання - можна віднести споживання, що необхідно споживачеві. До другого виду - умовного споживання - можна віднести величину, чисельно рівну потоку зв’язаних ресурсів на момент фізичного завершення операції. Тому щодо ТО з негативним неузгодженням, можна говорити тільки про цільове споживання вихідних продуктів.

Формування ряду цільового споживання здійснюється на підставі виразу

,

де - часовий ряд цільового споживання.

Формування ряду величин умовно споживаних продуктів для ТО з позитивним неузгодженням здійснюється відповідно з виразом

,

де - часовий ряд умовно реалізованої продукції.

Для ТО з негативним неузгодженням формується кумулятивний ряд негативного неузгодження, дані якого є основою для формування тимчасового ряду негативного неузгодження

де fhqi - кумулятивний ряд негативного неузгодження;

де hqi - часовий ряд негативного неузгодження.

Далі формуються вхідні й вихідні вартісні ряди з використанням виразів:

,

де - ряд вартісних показників сигналів реєстрації вихідних продуктів цільового споживання;

,

де - ряд вартісних показників сигналів реєстрації вхідних продуктів умовного споживання;

,

де pei - ряд вартісних показників споживаних продуктів;

,

де rei -- ряд вартісних показників вхідних продуктів.

Адаптація АСУ ТП здійснюється шляхом визначення функціоналу

,

де

OU - оператор опорного інтервалу прогнозування;

IP - оператор інтервалу прогнозування;

OM- оператор структури пристрою управління;

OKC - оператор компенсаційного сигналу імовірнісного характеру функції відгуку та споживання;

POU - вектор параметрів оператора опорного інтервалу прогнозування;

PIP - вектор параметрів оператора інтервалу прогнозування;

POM - вектор параметрів оператора моделі прогнозування;

POКС - вектор параметрів оператора компенсації імовірнісного характеру функції відгуку та споживання.

Завдання оптимізації вирішується визначенням точки максимум - максиморум функціоналу з використанням критерію ефективності використання ресурсів (рис. 8).

Запропонований в роботі підхід до формування керуючих впливів інтеґрованої АСУ ТП забезпечує узгодження ієрархічних рівнів управління завдяки використанню єдиного критерію ефективності використання ресурсів для всіх підсистем.

Рис. 8. Приклад залежності зміни ефективності

технологічного процесу під час оптимізації від коефіцієнту неузгодженості

П'ятий розділ присвячено формуванню сигналів випереджаючого управління інтегрованої АСУ багатопродуктовoї переробки сировини.

Однією з особливостей управління інтегрованими АСУ ТП є відсутність можливості визначення параметрів впливів, що збурюють, у режимі реального часу. Імовірнісний характер споживання, неузгодження управління та відгуку на нього, а також термінів переміщення вхідних продуктів до механізму перетворення повинні бути враховані на етапі формування керуючого сигналу. У зв'язку з цим керуючий сигнал завищується шляхом зміщення. Сигнал управління повинен складатися з компонента упередження та сигналу зміщення управління

,

де U - керуючий сигнал;

Uu - керуючий сигнал упередження;

Us - сигнал компенсації імовірнісного характеру споживання;

Ut - сигнал компенсації імовірнісного характеру часу переміщення вхідних продуктів до механізму перетворення;

Uv - сигнал компенсації можливості неузгодженості управління і відгуку;

Uk - загальний сигнал зміщення.

Дослідження показали тісний кореляційний зв'язок між кількістю результативних взаємодій процесів АСУ з обсягами вихідних продуктів, що споживаються. Коефіцієнт кореляції між кількістю результативних взаємодій і обсягом споживаних продуктів на різних підприємствах з енергоємними ТП коливається від 0,8 до 0,95. При цьому спостерігається закономірність: чим більша кількість споживачів у підприємства, тим вище коефіцієнт кореляції. Причому, при дослідженні ТП було встановлено, що перед збільшенням обсягів продукції що, споживається, спочатку зростає кількість результативних взаємодій між ТП, що досліджуються, і процесами споживання продукції.

Вивчення картини кореляційного взаємозв'язку показало, що між ними не існує лінійної і безперервної нелінійної залежності. Встановлено, що взаємозв'язок факторної і результативної ознак має квантовий характер.

Виявлений механізм дозволив створити модель побудови коінтеґрованих прогнозних рядів, які включають у себе індикатори, що випереджають.

Випереджаюче управління інтегрованої АСУ ТП визначається моделлю

,

де m - ваговий коефіцієнт (m=f(kq,kv)), знайдений з використанням методу класифікації;

iu - величина опорного інтервалу попередження;

kv – функція квантування,

де h - поріг рівня квантування, зумовлений методом параметричної оптимізації за критерієм ефективності використання ресурсів.

У шостому розділі наведено результати розроблення інтелектуальних систем підтримки прийняття рішень в умовах невизначеності та промислового випробування й впровадження адаптивних АСУ ТП багатопродуктової переробки сировини, оптимізованих за критерієм ефективності використання ресурсів.

Під час розроблення експертних систем здійснювались експериментальні дослідження методом імітаційного моделювання в середовищі AnyLogic.

На першому етапі в середовищі моделювання створювалося кілька типів об’єктів управління (ОУ), інтелектуальні компоненти яких реалізовували один з існуючих критеріїв управління. За результатом освоєння продуктів середовища моделювання змінювався енергетичний потенціал (ЕП) ОУ, величина якого після закінчення процесу моделювання була критерієм успішного функціонування ОУ. Енергетичний потенціал визначався в умовних енергетичних одиницях (е.о.).

У процесі моделювання розглядалися ОУ з інтелектуальними компонентами, що наведені в табл. 1.

Таблиця 1

Види критеріїв управління

Критерій управління | Вираз | Псевдонім ОУ

Ефективність використання ресурсів () | (pe-re) 2/repet2 | № 1

Швидкість перетворення () | 1/t | № 2

Прибуток процесу перетворення () | pe-re | № 3

Рентабельність процесу перетворення () | (pe-re) /re | № 4

Дохід процесу перетворення () | pe | №5

Витрати процесу перетворення () | 1/re | № 6

Приклад реалізації стратегії функціонування ОУ для № 1,4 наведено на рис. 9.

Рис. 9. Приклад реалізації механізму формування керуючих впливів

На другому етапі розглядалася можливість параметричного формування структури критерію управління в ході еволюційного процесу функціонування ОУ, що представляв собою комплекс ТП багатопродуктової переробки сировини.

Усю розмаїтість показників табл. 1 можна описати загальною формулою

де 1,..., 6 - параметри структури інтелектуального компоненту.

Отже, будь-який з показників табл. 1 може бути представлений у вигляді функції .

Результати досліджень показують, що під час моделювання, як це проілюстровано, наприклад на рис. 10, параметр 6 прагне до стабілізації на рівні 2. Це добре узгоджується з теоретично обґрунтованим у розділі 2 значенням. Одержання повністю сталого режиму принципово неможливо в зв'язку з наявністю в моделі вбудованого механізму малих мутацій.

Рис. 10. Еволюційне формування коефіцієнта 6 критерію управління:

1- найменша популяція ОУ; 2- середня популяція ОУ;

3- найбільша популяція ОУ

Синтезовано безпошукову систему аналітичного визначення оптимального режиму функціонування АСУ для квазиусталених технологічних процесів.

Розроблено апаратно-програмний комплекс управління транспортною системою, що реалізує принципи робастного, оптимального, адаптивного управління за критерієм ефективності використання ресурсів, а також пошукову та безпошукову системи оптимального управління процесом збагачення залізних руд.

Якість управління при цьому визначається кількісними і вартісними характеристиками вхідних та вихідних продуктів перетворення

,

де К - показник якості управління; rq1,..., rqi - кількісні показники вхідних продуктів перетворення; re1,…, rei –