автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Синтез многосвязной системы управления процессом электролиза алюминия методом структурных графов

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ СИНТЕЗА МНОГОСВЯЗНЫХ ОБЪЕКТОВ УПРАВЛЕНИЯ.

1.1. Исследование процесса электролиза алюминия.

1.2. Анализ методов синтеза сложных многосвязных систем.

1.3. Топологический метод синтеза систем.

1.4. Выводы.

2. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ СИНТЕЗА МНОГОСВЯЗНЫХ ОБЪЕКТОВ.

2.1. Разработка топологической модели объекта.

2.2. Разработка аналитической модели процесса электролиза алюминия.

2.3. Обоснование законов управления процессом электролиза алюминия.

2.4. Выводы.

3. СИНТЕЗ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ЭЛЕКТРОЛИЗА АЛЮМИНИЯ.

3.1. Постановка задачи разработки алгоритма управления методом линейного программирования.

3.2. Разработка и оптимизация алгоритма управления процессом электролиза алюминия.

3.3. Отработка алгоритма управления с помощью симплекс-метода.

3.4. Выводы.

4. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ЭЛЕКТРОЛИЗА АЛЮМИНИЯ.

4.1. Разработка структурной схемы системы управления процессом электролиза алюминия.

4.2. Выбор концепции АСУ ТП электролиза алюминия.

4.3. Выводы.

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

1.1. Актуальность работы

Россия устойчиво занимает второе место в мире по производству первичного алюминия. Так, при общем объеме мирового производства в 1996 г. 20844 тыс. тонн на долю России приходится 2871 тыс. тонн, или 13,8 % [52].

Уровни загрузки мощностей российских алюминиевых заводов превышают аналогичные мировые показатели на 5 - 7 %.

Обращает на себя внимание то обстоятельство, что из 11 отечественных производителей два (Братский и Красноярский алюминиевые заводы) являются крупнейшими в мире, обладая мощностями в 814 и 786 тыс. тонн соответственно.

На фоне всеобщего спада производства в России нельзя не отметить стабильные объемы производства первичного алюминия и даже некоторый их рост, за исключением 1994 - 1995 годов - периода действия так называемого Брюссельского (1994 г.) меморандума о взаимопонимании, в соответствии с которым крупные страны-производители алюминия в целях подъема мирового рынка алюминия, во избежания обвального падения цен и разрушения экономики согласились ввести ограничение действующих мощностей по производству алюминия. В этот период Россия, как и другие ведущие страны-производители алюминия, временно снизила свои производственные мощности. Так, в пиковый период действия меморандума (июнь 1994 г.) мощности были сокращены на 282 тыс. тонн, в декабре 1994 г. - на 204 тыс. тонн [52].

Производство алюминия в России в 1996 г. увеличено по отношению к 1995 г. на 3%.

Российскую алюминиевую промышленность характеризует высокая 5 конкурентоспособность, тесная интеграция в мировой рынок и экспортная направленность.

В 1993 г. Россия вышла на первое место в мире по экспорту первичного алюминия и к 1996 г. ушла вперед, поставляя 2455 тыс. тонн алюминия (против 1841 тыс. тонн у Канады и 1129 тыс. тонн у Австралии, занимающие второе и третье места соответственно).

В настоящее время в СНГ 20 % алюминия выпускается на электролизерах с боковым подводом тока, 60 % - на электролизерах с верхним подводом тока и только 20 % - на современных ваннах с обожженными анодами на силу тока 160, 175 и 255 кА.

Проблемы по защите окружающей природной среды, улучшению условий труда, повышению технико-экономических показателей работы определяют необходимость модернизации и реконструкции основной части алюминиевых заводов России.

Как показывает мировой опыт и отечественная практика наибольший эффект достигается при коренной реконструкции серий электролиза, заключающейся в переходе на технологию предварительно обожженных анодов. Однако такая реконструкция по удельным, капитальным затратам приближается к уровню капитальных вложений на новое строительство.

В связи с этим широко используется способ, заключающийся в модернизации действующей технологии путем усовершенствования отдельных узлов электролизеров и компонентов ошиновки, применения эффективных АСУ ТП, «сухой» анодной массы и газоочистных систем «сухого типа». Это направление реконструкции электролизных серий требует капитальных затрат в 2-3 раза меньше первого.

Электролиз алюминия относится к категории вредных производств.

Данному технологическому процессу присущи следующие опасные и вредные производственные факторы: 6

- вредные вещества;

- тепловое излучение;

- электрический ток;

- электромагнитные поля;

- шум и вибрация;

- перемещаемые грузы и изделия;

- движущиеся машины и механизмы.

Задача автоматизации заключается в том, что необходимо минимизировать человеческий фактор в процессе регулирования и управления процессом электролиза. Это обусловлено необходимостью длительного постоянного контроля за технологическими параметрами. Применение АСУ ТП должно снизить себестоимость продукции за счет уменьшения отчислений в фонд зарплаты и снижения затрат на производство - расход сырья, электроэнергии и др.

Другая сторона внедрения автоматики - уменьшение времени работы персонала во вредных условиях производства, таких как воздействие паров фтора, высоких температур.

Настоящая диссертационная работа посвящена решению актуальной проблемы оптимального управления объектом - электролизером при условии поступления оперативной информации о выходных показателях процесса электролиза. Критерием оптимальности служит максимум выхода по току при ограничениях на управление.

1.2. Цель диссертационной работы

Синтез многосвязной системы управления (СУ), обеспечивающей оптимальное управление электролизером по выбранному критерию оптимальности - максимум выхода по току, при ограничениях на управление. 7

1.3. Основные задачи работы

К основным задачам диссертационной работы относятся:

- исследование процесса электролиза алюминия как объекта управления;

- разработка топологической модели объекта управления электролизера;

- обоснование выбора закона управления;

- разработка математической модели электролизера в стационарном режиме;

- разработка алгоритма оптимального управления электролизером по выбранному критерию оптимальности - максимум выхода по току.

1.4. Методы исследования

В процессе синтеза многосвязной системы управления процессом электролиза алюминием использовались методы теории систем многосвязного управления, методы теории графов, методы статистического моделирования и первичной обработки данных, матричного исчисления, топологии, симплексный метод.

Результаты работы получены с помощью программного пакета MATLAB 5.2 и специализированного программного средства для оптимизации линейных и нелинейных функций - Optimization Toolbox.

1.5. Научная новизна и вклад в разработку проблемы

Научная новизна работы заключается в следующем:

- процесс электролиза алюминия предлагается рассматривать как многосвязный объект управления;

- разработана формализованная методика синтеза многосвязной системы 8 управления процессом электролиза алюминия;

- предложен метод аналитического синтеза алгоритма управления процессом электролиза алюминия;

- предложен способ формирования аналитической модели электролизера непосредственно по топологической модели процесса электролиза;

- обоснован выбор закона управления процессом электролиза;

- разработана математическая модель электролизера в стационарном режиме;

- разработан алгоритм оптимального управления электролизером по выбранному критерию оптимальности - максимум выхода по току.

1.6. Положения, выносимые на защиту

На защиту выносятся следующие положения:

- постановка задачи синтеза системы управления процессом электролиза алюминия;

- методика синтеза многосвязной системы управления процессом электролиза алюминия;

- результаты исследования электролизера как многосвязного объекта управления;

- метод синтеза алгоритма управления процессом электролиза алюминия;

- метод реализации алгоритма оптимального управления электролизером по выбранному критерию оптимальности - максимум выхода по току.

1.7. Практическая ценность

Исследования автора выполнялись в рамках госбюджетной тематики «Топологические методы идентификации и синтеза систем управления 9 многосвязными объектами» (код ГАСНТИ 10В02), выполняемой в Братском государственном техническом университете по направлению «Теория, методы и средства автоматизации систем переработки информации и управления».

Результаты диссертационной работы позволили оценить возможность организации оптимального управления процессом электролиза алюминия по выбранному критерию оптимальности - максимум выхода по току, с дальнейшей реализацией алгоритма управления на АСУ ТП внедряемых на БрАЗе.

Настоящие исследования служат основой для дальнейшего развития многосвязной системы управления процессом электролиза алюминия и позволят вести оптимальное управление процессом по другим критериям оптимальности, например: экономия сырья, повышение сортности алюминия, экономия электроэнергии. С увеличением информации об объекте управления, существует возможность выбора другого канала управления для реализации оптимального управления электролизером.

Предложенный способ формирования аналитической модели системы управления непосредственно по ее топологической модели позволит ускорить процесс синтеза многосвязных систем управления на ЭВМ, так как при этом отпадает необходимость в перемножении символьных данных.

1.8. Апробация работы

Основные результаты работы докладывались на научно-технических конференциях Братского индустриального института (18 научно-техничская конференция—Братск, 1997; 19-Братск, 1998; 20-Братск, 1999).

1.9. Публикации

По теме диссертации опубликовано 6 работ, в том числе 5 статей, 1 тезис докладов.

10

1.10. Структура и объем диссертационной работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и четырех приложений. Она изложена на 140 страницах основного текста, 14 рисунков, 4 таблицы, 4 приложения.

Выводы

1. Разработана структурная схема системы управления процессом электролиза алюминия. В автоматической системе оптимизации управление ведется по модели при условии поступления оперативной информации о выходных показателях процесса электролиза. Критерием оптимальности служит максимум выхода по току при ограничениях на управление. На основании полученных данных с объекта управления определяются оптимальные значения управляемых переменных, которые поддерживаются системой постоянными.

2. Для реализации разработанной системы управления на практике, предложена распределенная двухуровневая система АСУ ТП, применяемая на БрАЗе.

130

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. На основе исследования процесса электролиза алюминия определены основные параметры процесса, выявлены их взаимосвязи, где выбраны наиболее существенные связи.

2. Рассмотрен метод структурно-параметрического анализа систем автоматического управления, формализующий в отличие от известных методов процедуру синтеза на основе разработанной топологической модели структурно-функционального представления системы.

3. Разработана топологическая модель процесса электролиза алюминия.

4. Разработана аналитическая модель процесса электролиза алюминия.

5. Предложен новый способ формирования матричного уравнения системы управления непосредственно по С-графу.

6. Для проведения идентификации объекта обоснован и разработан метод понижения размерности пространства факторов, сохраняющих точность модели, что позволяет целесообразно подойти к организации исследования объекта. Указанный прием понижения факторного пространства позволяет значительно сократить множество пространства состояний для исследования, что сокращает время вычислительных операций.

7. Обоснован закон управления процессом электролиза алюминия и определено необходимое количество сигналов процесса для проведения идентификации объекта управления.

8. Разработан алгоритм определения оптимальных управляющих воздействий на объект, на основе которого разработана система управления процессом электролиза алюминия, предназначенная для управления электролизером в стационарном режиме.

131

1.Абрамов Г.А., Ветюков М.М., Гупало И.П., Костюков A.A., Ложкин Л.Н. Теоретические основы электрометаллургии алюминия. - М.: Металлургиздат, 1953.-583с.

2. Алгоритмический синтез нелинейных систем управления // Нелепин P.A., Камачкин A.M., Туркин И.И., Шамберов В.Н.; под ред. P.A. Нелепина; ЛГУ. Л.: Изд-во ЛГУ, 1990.

3. Алпатов Ю.Н. Синтез систем управления методом структурных графов. -Иркутск, Изд-во Иркут.ун-та, 1988. -184с.

4. Алпатов Ю.Н., Пискунов A.B. О способе получения математической модели по С-графу.//Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ: Межвуз. темат. сб. тр. Вып. 5 / СПбГАСУ. СПб., 1999. - 224с.

5. Алпатов Ю.Н., Пискунов A.B. Синтез системы управления процессом электролиза алюминия.//Труды Братского государственного индустриального института. Материалы XX научно-технической конференции. В 2.т. Братск. БрИИ, 1999.-Т.1.-222с.

6. Алпатов Ю.Н., Пискунов A.B., Стрелков C.B. Анализ технологического процесса получения алюминия.//Труды Братского государственного индустриального института. Материалы XIX научно-технической конференции. Братск. БрИИ, 1998. - 298с.

7. Анисимов В.И. Топологический расчет электронных схем. Л.: Энергия, 1977.-240с.

8. Ю.Барковский В.В., Захаров В.Н., Шаталов А. Методы синтеза систем управления. М.: Машиностроение, 1969. - 323с.11 .Беллерт С., Возняцки Г. Анализ и синтез электрических цепей методом структурных чисел. М.: Мир, 1972. - 332с.

9. Беллман Р. Введение в теорию матриц. М.: Наука, 1978. - 367с.

10. Беляев А.И. Металлургия легких металлов. М., Металлургия, 1970.368с.

11. Берж К. Теория графов и ее применение. М.: Изд-во иностр. лит. 1962. -319с.

12. Вавилов A.A. Структурный и параметрический синтез сложных систем. -Л.: ЛЭТИ, 1979.-94с.

13. Вавилов A.A., Имаев Д.Х. Машинные методы расчета систем управления. Л.: ЛГУ, 1981. - 114с.

14. Вавилов A.A., Имаев Д.Х., Родионов В.Д. и др. Машинные методы расчета систем автоматического управления. Л.: ЛЭТИ, 1978. - 114с.

15. Воронов A.A. Основы теории автоматического управления. Особые линейные и нелинейные системы. 2-е изд., перераб. М.: Энергия, 1980. -312с.

16. Громыко А.И., Шайдуров Г.Я. Автоматический контроль технологических параметров алюминиевых электролизеров. // Красноярский университет, 1984. -235с.

17. Ильинский Н.Ф., Цаценкин В.К. Приложение теории графов к задачам электромеханики. М.: Энергия, 1968. - 232с.

18. Интрилигатор М. Математические методы оптимизации и экономическая теория. Перевод с английского под редакцией и с предисловием A.A. Конюса. М., «Прогресс», 1975. 607с.

19. Кадричев В.П., Минцис М.Я. Измерение и оптимизация параметров алюминиевых электролизеров. Челябинск: Металл, 1995. - 136с.

20. Кафаров В.В., Дорохов И.Н. Системный анализ процессов химической технологии. М.: Наука, 1979. - 399с.

21. Кениг Г., Блекуэлл В. Теория электромеханических систем. М.: JL: Энергия, 1965.-423с.

22. Козлов В.Н., Куприянов В.Е., Заборовский B.C. Вычислительные методы синтеза систем автоматического управления. JL: Издательство Ленинградского университета. 1989.

23. Красовский A.A. Системы автоматического управления полетом и их аналитическое конструирование. М.: Наука, 1973. 558с.

24. Летов A.M. Динамика полета и управление. М.: Наука, 1969. 359с.(14)31 .Математическое моделирование, численные методы и комплексыпрограмм: Межвуз. темат. сб. тр. / СПбГАСУ-СПб., 1996. 188с.

25. Мелса Дж. Программы в помощь изучающим теорию линейных систем управления. М.: Машиностроение, 1981. - 200с.134

26. Минцис М.Я. Автоматическое регулирование алюминиевых электролизеров. -М.: Металлургия, 1974. 88с.

27. Минцис М.Я. Исследование серии алюминиевых электролизеров как объекта контроля и управления. JL: ВАМИ, 1973. - 161с.

28. Молчанов А.Ю. Производство алюминия в электролизерах с верхним токоподводом, г. Братск, 1993. 146с.

29. Мэзон С., Циммерман Г. Электронные цепи, сигналы и системы. М.: Изд-во иностр.лит. 1963. - 619с.

30. Ope О. Теория графов. М.: 2-е изд., Наука, 1980. - 336с.38.0рурк И.А. Новые методы синтеза линейных и некоторых нелинейных динамических систем. Л. : Наука, 1965. - 206с.

31. Петров Б.Н. О построении и преобразовании структурных схем // Изв.АН СССР, 1945, №2.

32. Пискунов A.B. Синтез структуры и определение параметров перекрестных связей в многосвязной системе автоматического управления.//ХУШ научно-технической конференции: Тезисы докладов. -Братск. БрИИ, 1997. 196с.

33. Потемкин В.Г. Система MATLAB. Справочное пособие. М: Диалог-МИФИ, 1997.-350 с.

34. Потемкин В.Г. Система научных и инженерных расчетов Matlab 5.x -М: Диалог-МИФИ, 1999, 1 том 366 е., 2 том - 304 с.

35. Поцелуев A.B. Статистический анализ и синтез сложных динамических систем. М.: Машиностроение, 1984.

36. Райцин Т.М. Синтез САУ методом направленных графов. JL: Энергия, 1970.-94с.

37. Римский Г.В., Таборовец В.В. Автоматизация исследований динамических систем. Минск: Наука и техника, 1978. - 33с.

38. Смородинов А.Н. Уточнение методов расчета и разработка135математической модели электролизера для получения алюминия. JI.: ВАМИ, 1972.-28с.

39. Солодовников В.В., Бирюков В.Ф., Тумаркин В.И. Принцип сложности в теории управления. М.: Наука, 1977. - 340с.

40. Солодовников В.В., Семенов В.В., Немель М., Недо Д. Расчет систем управления на ЦВМ. М.: Машиностроение, 1979. - 660с.

41. Стеколыциков М.В. Исследование и разработка методов диагностики и стабилизации технологического состояния мощных алюминиевых электролизеров / автореферат кандидатской диссертации, JL, 1989.

42. Сучилин A.M. Применение направленных графов к задачам электротехники. Л.: Энергия, 1971. - 128с.

43. Теория автоматического управления: Учебник для вузов в 2-х ч./ Под. Ред. A.A. Воронова. 2-ое изд. - М.: Высш. Шк., 1986. - 367с. и 504с.

44. Теретьев В.Г., Школьников P.M., Гринберг И.С., Черных А.Е., Зельберг Б.И., Чалых В.И. Производство алюминия. И.: Папирус-АРТ, 1998. - 350с.

45. З.Троицкий И. А., Железное В. А. Металлургия алюминия. М.: Металлургия, 1984. 400с.

46. Фитерман М.Я., Фирсов А.К. Управление мощными электролизерами в условиях МГД- неустойчивости / Цветные металлы — 1990 N 5, с.1 11-116.

47. Цыпкин Я.З. Адаптация и обучение в автоматических системах. М.: Наука, 1968. 399с.

48. Цыпкин Я.З. Основы теории автоматических систем. М.: Наука, 1977. -559с.

49. Чхартишвили Г.С., Чхартишвили Л.П., Клюкин К.Г. Цифровое моделирование динамических задач в АСУ ТП // Сб.научн.тр./ Моск.энерг.ин-т. М.: МЭИ, 1975, вып.243.

50. Шатихин Л.Г. Структурные матрицы и их применение для исследования системы. -М. 2-е изд., перераб. и доп. Машиностроение. 1991.136253с.