ДОНЕЦЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ДОНЕЦЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
Попов Владислав Олександрович
УДК 665.7.032.54/56-52
АВТОМАТИЧНЕ УПРАВЛІННЯ БАГАТОЗВ’ЯЗНИМИ ТЕХНОЛОГІЧНИМИ ПРОЦЕСАМИ ВУГЛЕПЕРЕРОБНИХ І ХІМІКО-ТЕХНОЛОГІЧНИХ ВИРОБНИЦТВ
Спеціальність 05.13.07 – автоматизація технологічних процесів
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Донецьк - 2000
Дисертацією є рукопис
Робота виконана в Донецькому державному технічному університеті Міністерства освіти і науки України
Науковий керівник: доктор технічких наук, професор
Борисов Олексій Андрійович, завідувач кафеди “Автоматика та телекомунікації” Донецького державного технічного університету, м. Донецьк
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Ульшин Віталій Олександрович, завідувач кафедри “Комп’ютеризовані системи” Східноукраїнського державного університету, м. Луганськ
кандидат технічних наук
Стаднік Микола Іванович, заступник директора з наукової роботи Донецького державного науково-дослідного проектно-конструкторського і експериментального інституту комплексної механізації шахт “ДОНДІПРОВУГЛЕМАШ”, м.Донецьк
Провідна установа: Національна гірнича академія України
Міністерства освіти і науки України
кафедра “Автоматизація виробничих процесів”, м. Дніпропетровськ
Захист відбудеться “10” жовтня 2000 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К11.052.03 Донецького державного технічного університету за адресою: 83000, м. Донецьк, вул. Артема, 58, корп.1, ауд. 201.
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Донецького державного технічного університету за адресою: 83000, м. Донецьк, вул. Артема, 58, корп.2.
Автореферат разісланий “8” вересня 2000 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради К11.052.03
кандидат технічних наук, доцент Мокрий Г.В.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Недостача природних запасів нафти та газу в Україні, зростання вартості імпортної сировини та одночасне збільшення обсягів споживання енергоносіїв, що здобувають з неї, визначають необхідність розвитку альтернативних напрямків рішення паливно-енергетичної проблеми. Одним з найбільш доцільних шляхів її рішення є організація виробництва синтетичних моторних палив з бурого вугілля, запаси якого в Україні досить великі.
Характерними рисами цих технологічних процесів, як і інших складних хіміко-технологічних процесів, є багатозв’язність, нелінійність, нестаціонарність; таким чином, управління ними за допомогою локальних регуляторів без урахування цих особливостей і специфіки об’єктів стає неефективним. Зниження ефекту від управління та оптимізації пояснюється незадовільним виконанням оптимальних рішень на нижніх рівнях управління, обумовленим як частою зміною уставок регуляторам при переводі в оптимальні режими, так і недостатньою точністю їх обробки в умовах багатозв’язності процесу, а наявність зв’язків по передачі сировини та енергії з підсистеми в підсистему, наявність рециклів і розгалуження потоків по декількох каналах ще більш погіршують ситуацію.
Таким чином, виникає проблема дослідження впливу багатозв’язності, нелінійності та нестаціонарності процесів на динаміку і якість управління та створення таких систем, які були б здатні оперативно ідентифікувати процеси, формувати і коректувати модель і алгоритм управління з урахуванням змін в об’єкті, забезпечуючи високу якість управління за рахунок безперервної компенсації взаємного впливу між каналами і урахування змін в оточуючому середовищі.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Роботу виконано згідно з тематичним планом Донецького державного технічного університету за темами 0195U026886 та 0198U002312.
Метою роботи є розробка комп’ютерної технології синтезу і створення системи автоматизованого управління технологічними модулями (ТМ) процесів вуглепереробних і хіміко-технологічних виробництв, яка забезпечує підвищення продуктивності та якості вихідного продукту шляхом оптимізації розподілу навантажень по агрегатах і підтримки потрібної точності управління.
Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні основні задачі:
-
провести дослідження статичних і динамічних властивостей багатозв’язних процесів вуглепереробних і хіміко-технологічних виробництв і розробити загальний принцип модульно-ієрархічного моделювання складної системи;
-
розробити комп’ютерну технологію одержання і самоорганізації моделі в процесі управління ТМ з урахуванням нелінійності, нестаціонарності та багатозв’язності процесів;
-
визначити концепцію і розробити узагальнену структуру ієрархічної системи управління ТМ з оптимізацієй розподілу навантажень по технологічним агрегатам;
-
сформувати узагальнений критерій і розробити методику синтезу локальних підсистем з урахуванням багатозв’язності динамічних процесів;
-
розробити принцип динамічного роз’єднання багатозв’язних процесів і методику синтезу розв’язуючих компенсаторів із умов автономності систем з промисловими регуляторами;
-
провести моделювання, дослідження та оцінку якості системи, визначити галузь використання і впровадження системи.
Об’єктом досліження є клас багатозв’язних нестаціонарних хіміко-технологічних процесів, зокрема, технологічний процес комплексної переробки бурого вугілля в рідке паливо, що потребують безперервного єфективного управління.
Предметом дослідження є багатозв’язні системи автоматичного управління ТМ і агрегатами вуглепереробних і хіміко-технологічних процесів.
Методи дослідження. При розробці моделей, ідентифікації їх структури та параметрів використано модульно-ієрархічний принцип подання складних систем, існуючі закономірності розвитку вуглепереробних і хіміко-технологічних виробництв, аналіз і узагальнення досвіду моделювання хіміко-технологічних процесів. Оптимізацію розподілу навантажень на технологічні агрегати виконано методом динамічного програмування. Для аналізу та синтезу систем управління багатозв’язними технологічними модулями застосовано методи простору станів, оптимального управління та динамічного роз’єднання сепаратних каналів на базі загальної теорії інваріантності. При дослідженні об’єкта та системи управління використано метод математичного моделювання.
Наукова новизна одержаних результатів.
1.
Запропоновано новий принцип одержання адекватної моделі в адаптивній системі в процесі управління, який відрізняється від відомих можливістю ідентифікації, самоорганізації, оцінки та відбору моделей на основі лише інформації про топологію об’єкта, кількість входів і виходів, заданого класу опорних функцій і удосконаленого критерія відбору в вигляді мінімуму зміщення на виборках.
2.
Розроблено нову модель і структуру адаптивної системи управління процесами вуглепереробних і хіміко-технологічних виробництв, що відрізняється наявністю циклів ідентифікації моделі в замкнутому контурі та організацією прямого (асоціативного) і багатозв’язного управління зі зворотним зв’язком. Ефективність оптимізації та оперативного управління в адаптивній ієрархічній системі досягається функціонально-часовою декомпозицією задачі за рівнями управління та динамічним роз’єднанням каналів локального рівня на базі принципів автономності та інваріантності.
3.
На відміну від відомих, запропоновано комбінований метод синтезу, який базується на узагальненому критерії якості та об’єднує можливість мінімізації відхилень вихідних координат і часу перехідного процесу згідно з принципом оптимальності Беллмана та досягнення необхідного ступеня стійкості згідно з принципом Ляпунова, що забезпечує потрібну точність в статичних і динамічних режимах.
4.
В подальший розвиток принципу інваріантності запропоновано принцип і нову модель прямої асоціативної компенсації несприятливих для системи ситуацій, при яких для кожної несприятливої ситуації в матриці альтернативних управлінь асоціюється та обирається управління, яке компенсує негативний вплив ситуації до її повного розвитку, що підвищує швидкодійність і точність без утрати стійкості.
Таким чином, наукове значення роботи полягає в поглибленні принципів модульного моделювання складних багатозв’язних промислових об’єктів з одержанням оперативних моделей та ідентифікацієй зв’язків в автоматизованому режимі і принципів оптимізації розподілу навантажень по агрегатах з урахуванням впливу реальних виробничо-технологічних умов, а також в розвитку методів синтезу цифрових систем управління технологічними процесами вуглепереробних і хіміко-технологічних виробництв та принципів надання багатозв’язним системам властивостей автономності та інваріантності.
Практичне значення одержаних результатів.
1.
Розроблено нову модель технологічної установки для комплексної переробки бурого вугілля, що ураховує наявність зв’язків по передачі сировини та енергії з підсистеми в підсистему, рецикли та розгалуження потоків і дозволяє описувати технологічний процес на рівні розподілу сировини по агрегатах установки.
2.
Сформульовані методологічні основи і розроблено структуру ієрархічної системи з оптимізацією розподілу навантажень і ситуаційним управлінням, що забезпечує підвищення продуктивності, якості вихідного продукта і збільшення прибутку.
3.
Розроблено адаптивну багатозв’язну систему, що забезпечує формування структури моделі та ідентифікацію параметрів об’єкта безпосередньо в замкнутому контурі управління, без спеціальних експериментальних досліджень і отключення регулятора.
4.
Розроблено цифрову систему багатозв’язного управління вуглепереробними та хіміко-технологічними процесами, яка забезпечує потрібну точність, грубість до змін параметрів об’єкта, гнучкість, перебудованість і спадкоємність модулів, що дозволяє використовувати її для управління іншими процесами даного класу.
5.
Запропоновано методику роз’єднання сепаратних каналів і розроблено структури компенсуючих блоків, що забезпечують значне поліпшення якості управління в системах з локальними промисловими регуляторами без кардинальної зміни структури та технічної реалізації вихідної системи управління.
Розроблені в дисертаційній роботі методики і моделі, результати досліджень і синтезу САУ вуглепереробними та хіміко-технологічними виробництвами використано при ство-ренні дослідно-промислової установки для напівкоксування та газифікації бурого вугілля (ДХК “Олександріявугілля”), при створенні експертної системи і системи діагностики стану хіміко-технологічних процесів в умовах орендного концерну “Стирол”.
Особистий внесок здобувача. Автором особисто розроблені математична модель про-цесу переробки бурого вугілля в рідке паливо як об’єкта автоматизації, ієрархічна система ситуаційного управління, оптимальний алгоритм цифрового управління технологічними модулями установки, математичний опис блоків компенсації задаючих впливів і взаємного впливу сепаратних каналів багатозв’язного об’єкта.
Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційних досліджень були повідомлені, обговорені та отримали схвалення на кафедрі автоматики та телекомунікацій Донецького державного технічного університету (1999-2000 рр); на міжнародній конфе-ренції “Современные технологии ресурсо-энергосбережения” (Київ, ДАЛПУ, 1997 р.); на 13-й Міжнародній конференції по автоматизації процесів в гірничій промисловості ICAMC’98 і процесам управління та моделювання ASRTP’98 (Словакія, технічний університет в Кошиці, 1998 р.), на другій Всеукраїнській конференції молодих науковців “Інформаційні технології в науці та освіті” (Черкаси, ЧДУ, 2000 р.).
Публікації. Результати дисертації опубліковано в 8 друкованих роботах, в тому числі в 5 наукових виданнях і в 3 доповідях на міжнародних науково-технічних конференціях.
Структура та обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, п’ятьох розділів і висновків, які викладено на 150 сторінках машинописного тексту, містить 56 рисунків, 4 таблиці, список використаних джерел з 106 найменувань і 23 сторінки додатків.
ЗМІСТ РОБОТИ
В вступі обгрунтовано актуальність теми, сформульовані мета, ідея досліджень, перелічені основні положення, що виносяться на захист.
В першому розділі “Стан питання та основні задачі дослідження” проведені аналіз і дослідження процесу комплексної переробки бурого вугілля, які показали, що це складний технологічний процес, який характеризується багатьма прямими та зворотними зв’язками і може бути віднесен до певного класу процесів зі схожими властивостями, такими як багатозв’язність і багатомірность процесу, значне запізнювання сигналу по вихідній координаті, нестаціонарність параметрів об’єкта управління, наявність неконтрольованих збурень. Прикладами процесів з такими властивостями є також процеси ректифікації, екстракції, дистиляції, адсорбції, десорбції, збагачення та інші. Ректифікаційні та дистиляційні колони, хімічні реактори, збагачувальні установки, що використовуються при цьому, є багатозв’язними об’єктами з індивідуальними характеристиками та конструктивними особливостями. Але, незважаючи на різноманітність технологічних схем і агрегатів, що використовуються при переробці бурого вугілля в рідке паливо, при виробництві аміаку, в збагаченні та в інших хіміко-технологічних процесах їхні найбільш складні вузли можуть бути розглянуті у вигляді багатозв’язних блоків, які відрізняються лише розмірністю та числом зв’язків.
На основі проведеного аналізу в якості базового об’єкту визначений процес переробки бурого вугілля в рідке паливо. Цей процес характеризується найбільшим числом прямих і перехресних зв’язків, наявністю неконтролююмих збурень та запізнюванням. Крім того, він є перспективним для рішення паливно-енергетичної проблеми, що склалась в Україні, та одночасно потребує ефективної системи управління.
На основі огляду робіт, пов’язаних з моделюванням, автоматизацієй та оптимізацієй розглянутого класу об’єктів обгрунтовано напрямок розробок, сформульовано мету і задачі дослідження.
В другому розділі “Комп’ютерні технології модульно-ієрархічного формування і самоорганізації багатозв’язних моделей вуглепереробних і хіміко-технологічних процесів” на основі модульно-ієрархічного принципу розроблено методику формування і самоорганізації моделей багатозв’язних технологічних процесів безпосередньо на об’єкті в процесі нормального функціонування системи. Модель формується безпосередньо в контурі управління, оскільки через нестаціонарність, нелінійність та багатофакторність моделі, задання заздалегідь її жорсткої структури неможливо.
Для визначення структури та параметрів статичних зв’язків модель задається в загальному вигляді:
де – невідомі функції, які формуються в класі опорних функцій , – вектор вхідної величини, –довжина полінома моделі, що задається, – степінь полінома, – невідомі коефіцієнти моделі, які належить визначити, – функціонал адекватності при відборі моделей.
Формування структури претендентів моделей здійснюється згідно модифікованого алгоритму розділенням вибірки даних вимірів на навчальну , перевірочну і екзаменаційну вибірки. Модифікація комбінаторних алгоритмів перебору опорних функцій шляхом формування спочатку поліномів з мінімальним числом аргументів і подальшим добавленням відсутніх аргументів в багаторядних структурах значно скорочує число претендентів моделей. За критерій відбору претендентів прийнятий критерій мінімуму зміщення на навчальній і перевірочній вибірках:
(1)
де - часткові моделі, отримані на вибірках і . Для підвищеня завадостійкості виконується підсумовування на інтервалі екстраполяції:
(2)
де - ваговий коефіцієнт. На заключному етапі використовується критерій значущої похибки:
(3)
де - задана похибка моделі.
Для ідентифікації параметрів претендентів по (1) – (3) використано метод найменших квадратів. Моделювання та оцінка прогнозів підтвердили працездатність, адекватність і достатню точність метода самоорганізації і прийнятність оперативних моделей для практичного використання при управлінні.
Оперативна ідентифікація зв’язків динамічних багатозв’язних моделей здійснюється з використанням принципів адаптації в самонастроюваних системах з ідентифікатором. На рис.1 наведено структурну схему адаптивної системи з самоорганізацією моделі та ідентифікацією її параметрів. Оптимальні значення настроєк регулятора аналітично виражаються через оцінки параметрів об’єкту, що одержуються в блокі ідентифікації. Для об’єкта, представленого відображенням вхід-вихід можна записати:
Але оцінювати матрицю об’єкту при лінійно залежних компонентах вектор-функції неможливо. Приведення до канонічного вигляду також не дає можливості оцінити. Суперечність полягає в тому, що чим краще регулятор , тим ближче до . Якщо функция, що повільно змінюється, або константа, то чутливість буде наближатися до нуля, а отже область невизначеності – до нескінченності. Тоді малі неточності призводять до дуже великих похибок в оцінюванні . Існуюча суперечність вирішується вводом в систему спеціальних пробних впливів . Ця задача може інтерпретуватися як мінімізація квадратичного функціонала якості та його варіації по :
(4)
Рішення рівняння (4), близьке до оптимального, одержується, якщо прозвести наступну декомпозицію:
(5)
де – функціонал ідентифікації.
Далі вважаючи, що форма впливає на форму , а амплітуда – на амплітуду, форму знайдено з умов мінімуму при постійній нормі , а амплітуду – з умов рівності утрат від неточності в оцінці і від неточності в через наявність :
(6)
Оскільки алгоритми, що описуються рівняннями (5), (6) складні, то в структуру системи введена підсистема імітаційного моделювання з чисельними алгоритмами рішення цієї задачі.
Таким чином, запропонована методика дозволяє здійснити оперативну ідентифікацію об’єкта та сформувати модель безпосередньо в замкнутому контурі управління, що підвищує оперативність управління та дозволяє вирішити проблему нестаціонарності.
В третьому розділі “Розробка узагальненої ієрархічної моделі управління і оптимізації технологічних процесів вуглепереробних і хіміко-технологічних виробництв” запропоновано дворівневу систему ситуаційного управління з оптимізацією розподілу навантажень по технологічним агрегатам.
Верхнім рівнем системи управління є підсистеми ситуаційного управління і оптимізації, що дозволяють оперативно формувати типові управляючі впливи на локальні багатозв’язні підсистеми згідно з умовами перебігу технологічного процесу. При цьому відпрацьовуються дві галузі аналізу ситуації – розпізнавання стандартних ситуацій, що закладені в ситуаційні матриці, і моделювання нестандартних ситуацій з подальшим їх занесенням в ситуаційні матриці. Крім того, чиниться паралельне програвання ситуації на моделі ефективності. Запропонований принцип і нова модель прямої асоціативної компенсації розвитку несприятливих для системи ситуацій, є аналогом реалізації принципу інваріантності, при якому по ситуації в матриці альтернативних управлінь асоціюється і обирається управління, яке компенсує негативний вплив ситуації до її повного розвитку, що підвищує швидкодійність і точність без утрати стійкості.
При рішенні задачі оптимального розподілу навантажень по технологічним агрегатам максимізується величина:
,
де - прибуток від агрегата з робочими параметрами при витраті сировини .
Функціональні рівняння мають вигляд:
,
,
де - максимальний прибуток від розподілу повної кількості сировини між агрегатами згідно з принципом оптимальності.
У випадку, коли вихідний з агрегату продукт, що не прореагував, поступає на вхід наступного агрегату, функціональні рівняння мають вигляд:
,
,
де – кількість не прореагувавшого матеріалу в потоці, що виходить з -го агрегату; – частка повної кількості сировини, яка поступає в -й агрегат і перетворюється в продукт.
Оптимізація здійснюється крок за кроком методом динамічного програмування, дозволяє сформувати уставки локальним підсистемам управління та досягти найбільшої ефективності їх функціонування в склавшихся виробничих і організаційно-технічних умовах, що забезпечує підвищення продуктивності установки на 3-4%.
В четвертому розділі “Синтез цифрової системи управління” обгрунтовано критерій оптимальності для синтезу алгоритму дискретного управління об’єктом, проведено синтез цифрової системи управління багатозв’язним модулем, розроблено методику вибору та оптимізації вагових коефіцієнтів матриць узагальненого критерія якості.
Виходячи з вимог, що накладаються на перехідні процеси для розглянутого класу об’єктів, обгрунтовано критерій:
де – -мірний вектор станів; – -мірний вектор управлінь; – матриці вагових коефіцієнтів розмірності – відповідно.
Для типового багатозв’язного модуля, за який обрано блок бертинування, напівкоксування та газифікації, проведено синтез і оптимізацію цифрової системи за комбінованим методом Беллмана–Ляпунова.
На підставі виразу для першої різниці Ляпунова
,
отримано оптимальне управління:
де – матриця переходу станів об’єкту розмірності , – матриця керованого переходу розмірності , – позитивно визначена симетрична матриця першої різниці функції Ляпунова розмірності .
Використовуючи рівняння Ляпунова:
,
та Ріккаті:
,
отримано матриці алгоритму оптимального управління, які дозволяють визначити матриці переходу стану замкнутої системи та отримати перехідні процеси координат вектору стану об’єкта та вектору управляючих впливів (рис. 2).
На основі матричного рівняння
отримано розрахункові співвідношення, які дозволяють встановити явну залежність між коефіцієнтами матриці та матрицею , що в кінцевому підсумку дає змогу оцінити вплив вагових коефіцієнтів критерія якості на перехідні процеси в системі.
Приймаючи в якості оцінки величину відносної зміни значення критерія для перехідних процесів, що задовольняють технологічним обмеженням, поставлено факторний експеримент по дослідженню впливу характеристичної постійної часу багатозв’язного модуля на величину відносної зміни критерія якості.
В результаті досліджень встановлено, що мінімум функціонала при різних значеннях залежить від дійсної структури установки в досить широких межах. З урахуванням прийнятого діапазону змін технологічних параметрів агрегатів установки, величини є визначальними факторами, які дозволяють проводити вибір коефіцієнтів матриці . За результатами обробки статистичних даних чисельного експерименту отримано рівняння регресії для всіх діагональних коефіцієнтів
,
де – коефіцієнти регресії; – характеристична постійна часу -го каналу модуля; – розмірність вектору стану. Методами моделювання та експериментальними дослідженнями підтверджені необхідні показники якості перехідних процесів по каналах стану та управління модуля в системі, що синтизована з використанням цієї методики.
В п’ятому розділі “Синтез автономної багатозв’язної системи управління з промисловими регуляторами” виконано синтез компенсаторів із умов автономності задаючих впливів і динамічного роз’єднання сепаратних каналів, моделювання багатозв’язних систем управління та розрахунок економічної ефективності.
Оскільки ряд технологічних об’єктів, які відносяться до розглянутого класу, в теперішній час вже обладнані системами з локальними регуляторами, то рішення задачі надання таким системам властивостей автономності та інваріантності стає вельми актуальним. Для вирішення поставленої задачі здійснено перехід від представлення системи в просторі параметрів стану в частотну область:
;
;
де та – передаточні матриці об’єкта по управлінню та збуренню розмірності та відповідно; – матриці коефіцієнтів об’єкта, розподілу управляючих впливів, вимірювань і розподілу збурень розмірності відповідно.
Отримано умови автономності систем: діагональність передаточної матриці замкнутої системи по завданню та , а на їх основі – передаточні матриці компенсаторів, що забезпечують автономність задаючих впливів і динамічне роз’єднання сепаратних каналів:
Моделювання та дослідження автономних систем свідчать (рис. 3), що при виконанні умов інваріантності та автономності тривалість перехідних процесів зменшується в 3-4 і 5-7 разів відповідно при відсутності перерегулювання та статичної похибки. Розроблені принципи синтезу компенсаторів дозволяють значно покращити якість управління в багатозв’язних системах, які побудовано на основі одномірних промислових регуляторів, без кардинальної зміни їх структурного та конструктивного виконання, що дозволяє збільшити вихід і якість кінцевого продукту.
У висновках сформульовано наукові результати та практичну значимість виконаної роботи.
У додатках наведено документи про використання результатів дисертаційної роботи, лістінги програм, що реалізують алгоритми моделювання, та таблиці допоміжних цифрових даних для розрахунку економічної ефективності.
ВИСНОВКИ
У дисертації наведено теоретичне узагальнення і нове вирішення наукової задачі автоматизованого управління багатозв’язними технологічними процесами, що виявляється в створенні таких систем управління хіміко-технологічними процесами і, зокрема, процесами комплексної переробки бурого вугілля в рідке паливо, які шляхом ситуаційного управління, оптимізації розподілу навантажень по агрегатах і динамічного роз’єднання сепаратних каналів забезпечують підвищення ефективності використання сировини, якості вихідних продуктів і продуктивності виробництва.
По роботі можна зробити наступні основні висновки:
1.
Встановлені особливості динамічних процесів в багатозв’язних технологічних модулях установки для комплексної переробки бурого вугілля дозволяють аналізувати властивості окремих агрегатів і всієї установки в цілому як об’єктів автоматичного управління.
2.
Розроблені статичні та динамічні моделі багатозв’язних технологічних процесів вуглепереробних і хіміко-технологічних виробництв дозволяють здійснити композицію формалізованих процесів в багатозв’язні модулі, отримати повну багатозв’язну структуру об’єкта та забезпечити ефективний синтез багатозв’язних цифрових систем регулювання.
3.
Запропоновано принцип і структуру комбінованої системи ситуаційного управління процесом вуглепереробки шляхом ідентифікації, оцінювання ситуацій, асоціативного вибору альтернативних рішень і статичного моделювання варіантів з експертною оцінкою, відбором і накопиченням даних.
4.
Розроблено методологічні основи побудови ієрархічної системи з оптимізацією розподілу навантажень по агрегатах установки та ситуаційним управлінням по її підтриманню.
5.
На основі сучасної теорії синтезу дискретних систем управління з урахуванням особливостей динаміки багатозв’язних технологічних модулів об’єкта по основним каналам управління розроблено метод синтезу алгоритму автоматичного управління установкой для комплексної переробки бурого вугілля, який базується на апріорних конструктивних даних агрегатів і виключає варіювання коефіцієнтів ваги в узагальненому квадратичному показнику якості, що значно розширює можливості оперативної ідентифікації параметрів системи в умовах реальної експлуатації.
6.
Застосування запропонованих принципів компенсації завдань і взаємного впливу сепаратних каналів в статичних і динамічних режимах для існуючих систем управління на базі локальних промислових регуляторів дозволяє значно покращити якість регулювання в системі без кардинальної зміни її структури та технічної реалізації.
7.
Функціональну структуру системи та алгоритм дискретного автоматичного управління багатозв’язними технологічними модулями використано при розробці ТЕО дослідно-промислової установки для напівкоксування та газифікації бурого вугілля в умовах ДХК “Олександріявугілля”.
8.
Методику математического моделювання багатозв’язних процесів дискретно-безперервних виробництв, багатозв’язні моделі об’єктів з перехресними зв’язками, методику ідентифікації ситуацій та ситуаційні матриці багатозв’язних об’єктів використано при створенні експертної системи виробництва аміака для умов орендного концерну “Стирол”.
9.
Методику математичного моделювання систем управління багатозв’язними процесами дискретно-безперервних виробництв, методику синтезу оптимальних багатозв’язних систем по узагальненому критерію якості та методику ситуаційного управління багатозв’язними об’єктами використано при створенні системи діагностики стану процесів управління виробництвом карбоміду. Результати дисертаційної роботи використані автором також при постановці та проведенні лабораторних робіт по учбовій дисципліні “Теорія автоматичного управління”. Під керівництвом автора за даною проблемою виконано ряд курсових і дипломних проектів студентами спеціальності 7.091401.
За темою дисертації опубліковано наступні праці:
1.
Борисов А.А., Бессараб В.И., Воропаева В.Я., Попов В.А. Компьютерные технологии в управлении добычными участками шахт// Уголь Украины. – 1996. – №4. – С. 19-20.
2.
Савинов М.М., Савинова О.М., Попов В.А., Новицкий П.Л., Остапенко М.А. Комбинированная установка для полукоксования и газификации бурых углей// Уголь Украины. – 1996. – №5-6. – С. 10-11.
3.
Бутхарейт Л.В., Унгул В.С., Носик В.Н., Остапенко М.А., Савинов М.М., Савинова О.М., Попов В.А. Экспериментальные исследования процессов комплексной переработки бурых углей// Уголь Украины. – 1996. – №9. – С. 8-9.
4.
Бессараб В.И., Попов В.А. Синтез адаптивных систем управления технологическими установками по производству жидкого топлива из бурых углей// Наукові праці Донецького державного технічного університету. Серія: Обчислювальна техніка та автоматизація, випуск 3. - Донецьк: ДонДТУ, 1999. – С.12-17.
5.
Попов В.А., Мокрый Г.В. Новый подход к синтезу систем управления многосвязными процессами углеперерабатывающих производств// Наукові праці Донецького державного технічного університету. Серія: Обчислювальна техніка та автоматизація, випуск 12. - Донецьк: ДонДТУ, 1999. – С.54-60.
6.
Borisov, A., Bessarab, V., Voropaeva, V., Popov, V., Tarasenko, K., Chorchordin, A. Optimization of the information ware system for mining control// Proceedings of 13th International Committee on Automation in Mining Conference ICAM’98 and 13th International Conference on Process Control and Simulation ASRTP’98. - TU Koљice, Slovak Republic, 1998. – P. 527-530.
7.
Борисов А.А., Хорхордин А.В., Бессараб В.И., Воропаева В.Я., Попов В.А., Тарасенко К.А. Автоматизированное управление ресурсосбережением горных предприятий// Труды 1-ой международной конференции “Современные технологии ресурсо-энергосбережения”, выпуск 2. – Киев: ГАЛПУ, 1997. – С. 41-42.
8.
Попов В.А. Комбинированный метод синтеза цифровых систем управления процессами переработки бурых углей в жидкие топлива// Друга Всеукраїнська конференція молодих науковців “Інформаційні технології в науці та освіті”. – Черкаси: ЧДУ, 2000. – С.116-117.
Особистий внесок дисертанта в публікаціях: [1] - розробка принципу побудови нижнього рівня системи управління; [2] - розробка структури КВП і А установки; [3] - розробка методики отримання динамічних характеристик процесу; [4] - розробка принципів корекції міжканальних зв’язків; [5] - розробка принципів надання багатозв’язним процесам вуглепереробних виробництв властивостей автономності та інваріантності; [6] - розробка принципу побудови інтелектуального блока підтримання рішень, що приймаються при виборі та оптимізації складу часткових критеріїв груп факторів; [7] - розробка структури нижнього рівня системи управління.
АНОТАЦІЯ
Попов В.О. Автоматичне управління багатозв’язними технологічними процесами вуглепереробних та хіміко-технологічних виробництв. Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.07 – “Автоматизація технологічних процесів”. – Донецький державний технічний університет, м. Донецьк, 2000 р.
Дисертація присвячена рішенню актуальної наукової задачі – створенню автоматизованої системи управління технологічними процесами вуглепереробних і хіміко-технологічних виробництв в умовах багатозв’язності та нестаціонарності процесів. Установлено, що ефективне функціонування системи можливо лише при побудові її на принципах адаптації з оперативною ідентифікацією та самоорганізацією моделей безпосередньо в замкнутому контурі управління. В основу побудови моделей і самої системи управління покладено модульно-ієрархічний принцип і показана необхідність двох рівнів управління. Запропоновано дві альтернативи реалізації нижнього рівня – у вигляді нового цифрового багатозв’язного регулятора, синтезованого на основі комбінованого метода Беллмана-Ляпунова, або модернізація за допомогою динамічних компенсаторів системи з локальними промисловими регуляторами. Забезпечення вимог до якості управління досягається за рахунок динамічного роз’єднання сепаратних каналів, надання їм властивостей автономності та інваріантності як при цифровому, так і при аналоговому управлінні. Верхній рівень системи управління забезпечує ситуаційне управління та оптимізацію методом динамічного програмування розподілу навантажень по технологічних агрегатах. В цілому запропонована система управління забезпечує такий характер перехідних процесів по каналах управління та виходу, що відповідає припустимим технологічним вимогам по рівню відхилень та тривалості їх існування.
Ключові слова: модульно-ієрархічний принцип, математична модель, ідентифікація, ситуаційне управління, критерії оптимізації, цифрове управління, автономність, інваріантність.
АННОТАЦИЯ
Попов В.А. Автоматическое управление многосвязными технологическими процессами углеперерабатывающих и химико-технологических производств. Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.07 - “Автоматизация технологических процессов”. - Донецкий государственный технический университет, г. Донецк, 2000 г.
На основании теоретических и экспериментальных исследований в диссертационной работе предложено новое решение актуальной научной задачи – создание автоматизированной системы управления технологическими процессами углеперерабатывающих и химико-технологических производств в условиях многосвязности и нестационарности процессов, заключающееся в разработке на основе модульно-иерархического принципа методики формирования, самоорганизации и самоидентификации многосвязных моделей в процессе функционирования системы управления и повышении качества регулирования путем динамического разобщения сепаратных каналов, придания им свойств автономности и инвариантности за счет дополнительных компенсирующих связей многосвязных регуляторов. Установлено, что эффективное управление объектами указанного класса возможно лишь при построении системы на принципах адаптации и оперативной идентификации с самоорганизацией моделей непосредственно в замкнутом контуре управления. В основу построения системы управления также положен модульно-иерархический принцип и показана необходимость двух уровней управления. Предложены две альтернативы реализации нижнего уровня – в виде нового цифрового многосвязного регулятора, синтезированного на основании комбинированного метода Беллмана-Ляпунова, или модернизация при помощи динамических компенсаторов системы с локальными промышленными регуляторами. Верхний уровень системы управления обеспечивает ситуационное управление и оптимизацию методом динамического программирования распределения нагрузок по технологическим агрегатам. В целом предложенная система управления обеспечивает характер переходных процессов по каналам управления и выхода, соответствующий допустимым технологическим требованиям по величине отклонений и длительности их существования, что при реализации системы на практике позволит обеспечить повышение выхода и качества готовой продукции. В работе решены следующие задачи:
1.
Разработана методика формирования модели в процессе функционирования системы управления с учетом нестационарности и многосвязности процессов.
2.
Разработана концепция и обобщенная структура иерархической системы ситуационного управления с оптимизацией распределения нагрузки по технологическим агрегатам.
3.
Предложен комбинированный метод синтеза локальных цифровых систем, базирующийся на обобщенном критерии качества и объединяющий возможность минимизации отклонений выходных координат и времени переходного процесса в соответствии с принципом оптимальности Беллмана и достижение необходимой степени устойчивости в соответствии с принципом Ляпунова, что обеспечивает требуемую точность в статических и динамических режимах.
4.
Разработана методика синтеза развязывающих компенсаторов из условия автономности систем с промышленными регуляторами, позволяющая существенно улучшить качество управления в системе без кардинального изменения ее структурного и конструктивного исполнения.
Ключевые слова: модульно-иерархический принцип, математическая модель, идентификация, ситуационное управление, критерий оптимизации, цифровое управление, автономность, инвариантность.
ABSTRACT
Popov V.A. Automatic control of multi-connected technological processes coal processing and chemical-technological productions. The manuscript.
Thesis for a candidate’s degree by speciality 05.13.07 - "Automation of the technological processes". - Donetsk state technical university, Donetsk, 2000.
The thesis is devoted to the solution of the actual scientific problem - creation of the automated control system of technological processes coal processing and chemical-technological productions in requirements of multi-connectivity and nonstationarity of processes. It is established, that the effective operation of the system is possible only when it is build-up on principles of adaptation with operating identification and self-organization of models directly in closed circuit of control. The modular and hierarchical principle is put on the basis of models and system of control. The necessity of two levels control is shown. Two alternatives of achievement of a lower layer are proposed. The first of them is a new numeral multi-connected controller synthesized on a foundation of an composed Bellman-Lyapunov method; second is modernization system of control based on local industrial controllers by the use of dynamic compensators. The requirements to quality of control is reached by means of the expense dynamic disconnection of the separate channels and attaching them properties of on autonomy and invariance both at numeral, and at an analog control. The upper level of a control system ensures situational control and optimization on the base of the method of dynamic programming of a load distribution on technological aggregates. In the whole proposed control system ensures character of transient processes on control channels and exit responding the admissible technological requirements on a level of aberrations and duration of their existence.
Keywords: modular and hierarchical principle, mathematical model, identification, situational control, optimization criterion, numerical control, autonomy, invariance.
