автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Адаптивное управление процессом очистки воды в локальных установках

Введение

1. Анализ процессов и средств очистки природных вод

1.1. Основные характеристики качества воды природных источников

1.2.Анализ основных стадий и методов очистки воды

1.3.Анализ цели управления и согласование ограничений технологического процесса по стадиям очистки

Выводы по первой главе

2. Исследование системы управления локальной установкой очистки воды

2.1. Анализ информативных признаков и параметров управлений

2.2. Синтез системы управления локальной установкой очистки

2.3. Разработка алгоритма структурной адаптации системы управления

Выводы по второй главе

3. Исследование подсистем управления процессами коагуляции, обеззараживания и фильтрования воды

3.1. Анализ процесса коагуляции

3.2. Математическое моделирование процесса коагуляции

3.3.Синтез структуры адаптивной беспоисковой подсистемы управления процессом коагуляции

3.4.Синтез структуры подсистемы управления обеззараживанием воды УФ-излучением

3.5.Анализ процесса фильтрования в скором фильтре с зернистой загрузкой и синтез подсистемы управления промывкой зернистого фильтра

Выводы по третьей главе

4. Экспериментальные исследования, проектирование и внедрение

4.1. Методы и средства экспериментальных исследований

4.2. Разработка комплекса технических средств системы управления ЛУОВ

4.3. Внедрение результатов исследований в учебный процесс 124 Выводы по четвертой главе 127 Заключение 128 Список литературных источников 130 Приложение А. Статистические данные изменения мутности донской воды за период 19.12.95 - 12.12.

Актуальность работы: В связи с резко увеличившейся техногенной нагрузкой на источники воды, требуемой для жизнедеятельности человека, первоочередной становится задача качественной очистки воды от вредных примесей. Существующее положение осложняется тяжелой экономической ситуацией в Российской Федерации и недостаточным финансированием существующих и вновь возводимых очистных сооружений. Особенно актуальной эта проблема является для индивидуальных потребителей (фермерских хозяйств, малых перерабатывающих предприятий, поселков и др.), располагаемых локально на удаленной от центральных станций очистки территории. Анализ существующих способов и средств очистки воды показал, что в настоящее время существуют технологии, позволяющие готовить воду для различных потребителей, отвечающую всем требованиям. Проблема заключается в отсутствии эффективных способов определения состава природных вод и в малой эффективности существующих систем управления очистными сооружениями и установками в условиях неопределенности характеристик источников и потребителей. Это приводит к снижению надежности работы очистных установок, перерасходу дорогостоящих реагентов и электроэнергии, к повышению стоимости обработки воды. Применение известных передовых технологий очистки воды в сочетании с новейшими системами управления создает огромный экологический, экономический и социальный эффект.

В связи с этим становится актуальной задача разработки методов идентификации протекающих процессов очистки воды и создания систем управления установками и сооружениями для очистки воды, способных своевременно учитывать изменяющиеся условия среды потребления и характеристики источника воды. Это позволит по данным о свойствах воды и состоянии оборудования проводить такой режим обработки воды, который обеспечит высокие количественные и качественные характеристики процесса очистки, а также его высокие технико-экономические показатели.

Цели и задачи исследования. Целью диссертационной работы является построение адаптивной системы управления (СУ) локальной установкой очистки воды (ЛУОВ) ограниченной производительности, позволяющей повысить материально-энергетические показатели процесса водоподготовки за счет структурной и параметрической адаптации системы управления к изменяющимся условиям среды потребления и характеристикам источника воды.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие научные задачи:

1) провести анализ параметров природной воды, характеристик оборудования и условий среды потребления, сформулировать функции цели, ограничения и технические требования для разработки СУ процессами очистки воды;

2) определить принцип построения СУ ЛУОВ как взаимосвязанной совокупности технологических аппаратов (агрегатов), реализующих отдельные процессы очистки воды;

3) провести анализ информативных признаков и параметров отдельных процессов очистки воды и определить структуру каждой из подсистем управления;

4) создать математические модели процессов очистки воды для исследования и оптимизации целевых функций технологических процессов;

5) создать алгоритмы параметрической и структурной адаптации системы управления к изменяющимся условиям среды потребления и характеристикам источника воды;

6) создать способы и устройства управления процессами очистки воды в условиях локальных установок;

7) разработать комплекс технических средств для реализации адаптивной СУ ЛУОВ ограниченной производительности с целью внедрения на промышленных предприятиях и организациях, выпускающих оборудование и СУ для водоочистных установок.

Научная новизна работы:

1. Определен принцип построения и синтезирована структура СУ ЛУОВ, обладающая возможностью повышения технико-экономических показателей процесса водоподготовки за счет структурной и параметрической адаптации ЛУОВ к изменяющимся условиям среды потребления и характеристикам источника воды.

2. Разработан алгоритм, представляющий собой оптимизированное описание логики коммутации и позволяющий адаптировать структуру ЛУОВ к требованиям потребителя и к изменяющимся характеристикам природной воды путем динамического изменения состава и взаимосвязей модулей ЛУОВ.

3. Создана математическая модель процесса коагуляции, отличающаяся тем, что в ней дополнительно учитывается влияние температуры, и позволяющая оптимизировать дозирование коагулянта при управлении процессом очистки.

4. Разработана адаптивная беспоисковая подсистема управления процессом коагуляции, реализующая путем изменения коэффициентов уравнения регрессии алгоритм адаптации математической модели к изменениям характеристик воды и определяющая методом сканирования оптимальную дозу коагулянта, минимизирующую значение остаточной мутности воды.

5. Создана математическая модель процесса ультрафиолетового обеззараживания воды, отличающаяся более точным описанием зависимости степени дезинфекции от скорости воды и позволяющая проведение оптимизации целевой функции при управлении.

6. Разработаны способ и структура СУ промывкой зернистого фильтра, заключающийся в определении значения перепада давления и дополнительном измерении температуры воды, что позволяет оптимизировать производительность фильтра.

Практическая ценность:

1. Проведен анализ параметров природной воды, характеристик оборудования и условий среды потребления, сформулированы функции цели, ограничения и технические требования для разработки адаптивной системы управления процессами очистки воды.

2. Использование лабораторной установки и методики исследования процесса очистки воды позволило находить оптимальное значение дозы коагулянта для достижения минимального значения остаточной мутности.

3. На основе анализа основных стадий и методов очистки воды определена структура локальной установки, удовлетворяющая заданному множеству требований потребителя и представляющая собой взаимосвязанную совокупность автономных блоков, состав, взаимосвязи и характеристики которых оптимизированы в соответствии с конкретными требованиями к качеству воды.

4. Разработана методика оптимизации алгоритма функционирования ЛУОВ путем исключения запрещенных или избыточных состояний, позволившая минимизировать количество операторов алгоритма и программы в 5,3 раза.

5. Разработаны структуры и алгоритмы управления для всех процессов очист ки воды в условиях локальной установки малой производительности.

6. Разработан комплекс технических средств для реализации адаптивной СУ ЛУОВ в рамках общей стратегии модульного исполнения на базе универсальных модульно-адаптируемых контроллеров серии MicroPC с применением в качестве исполнительных механизмов насосов с изменяемой частотой вращения крыльчатки, что позволяет получить оптимальное соотношение стоимость / производительность.

7. Предложенные в настоящей работе методики исследования технологических процессов очистки воды, модели и архитектуры внедрены на Невин-номысском муниципальном унитарном предприятии Производственное управление «Водоканал» и ООО Научно-производственном предприятии «Экофес», а также, проектные реализации комплекса технических средств используются при подготовке специалистов на базе кафедр "Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами", "Инженерная защита окружающей среды" и "Водное хозяйство предприятий и населенных мест" Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института).

Апробация работы. Материалы диссертационной работы доложены, обсуждены и одобрены на следующих конференциях: Научно-технической конференции студентов и аспирантов НГТУ (Новочеркасск, 1997); Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (Великий Новгород, 1999); Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Компьютерные технологии в инженерной и управленческой деятельности» (Таганрог, 2000); Международной научно-практической конференции «Современная техника и технологии в медицине и биологии» (Новочеркасск, 2000); 3-ей и 4-ой Международных научно-технических конференциях «Новые технологии управления движением технических объектов» (Новочеркасск, 2000 и 2001); региональных научно-технических конференциях «Управление в технических, социально-экономических и медико-биологических системах» (Новочеркасск, 2000 и 2001).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 статей и тезисов докладов.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 98 наименований и приложений. Она содержит 165 страниц машинописного текста, включающего рисунки и таблицы.