автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Адаптивное управление температурным профилем ректификационной колонны тарельчатого типа

На правах рукописи

Шаровина Светлана Олеговна

АДАПТИВНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРНЫМ ПРОФИЛЕМ РЕКТИФИКАЦИОННОЙ КОЛОННЫ ТАРЕЛЬЧАТОГО ТИПА

05.13.06 Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (в энергетике)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

г О ФЕВ 2014

005545301

Москва-2014

005545301

Работа выполнена на кафедре Автоматизированных систем управления тепловыми процессами ФГБОУ ВПО НИУ «МЭИ».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Шевчук Валерий Петрович

Официальные оппоненты: профессор кафедры «Автоматизация, управ-

ление, мехатроника» ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.», доктор технических наук, профессор Большаков Александр Афанасьевич

профессор кафедры Информационных технологий ГБОУ ВПО Московской области «Академия социального управления», доктор технических наук, Мокрова Наталия Владиславовна

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Волгоградский государствен-

ный технический университет», кафедра Автоматизации производственных процессов

Защита диссертации состоится «10» апреля 2014 г. в 14 часов 00 минут в малом актовом зале на заседании диссертационного совета Д 212.157.14 при ФГБОУ ВПО НИУ «МЭИ» по адресу: 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д.17.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим присылать по адресу: 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, Ученый совет ФГБОУ ВПО НИУ «МЭИ».

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО НИУ «МЭИ».

Автореферат разослан «01 » марта 2014 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.157.14 кандидат технических наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Тепломассообменное оборудование в технологических процессах абсорбции, дистилляции, ректификации является сложным и энергоемким, поэтому актуальными являются вопросы энерго- и ресурсосбережения. Моделирование этих процессов, их оптимизация и модернизация - одна из основных задач успешного развития не только нефтеперерабатывающей отрасли. Ректификационные установки находятся в основном ряде промышленных объектов управления всего энергетического комплекса. Процесс ректификации является достаточно гибким, с точки зрения получения конечных и промежуточных продуктов требуемого состава, но при этом характеризуется низким коэффициентом полезного действия и высокими удельными затратами энергии.

Существующие системы автоматического управления процессом ректификации основаны на применении локальных контуров регулирования, зачастую контролируя лишь режимные параметры объекта, без учета потерь сырья, что отрицательно сказывается на эффективности работы установки в целом. Выдвигается предположение, что эффективность работы ректификационной колонны можно увеличить за счет структурного преобразования систем управления, применив к ним надстройку, позволяющую свести к минимуму потери сырья. Таким образом, это позволит частично решить обозначенную проблему энергоэффективности, сократить финансовые издержки производства на дополнительную обработку вторичного сырья, повысить качество выпускаемого продукта, максимально эффективно организовать процессы управления. Актуальность выбранного направления исследований также подтверждается грантом РФФИ «Моделирование переходных процессов в ректификационной колонне тарельчатого типа по критерию эффективности работы колонны» (проект 10-08-00125-а, [6,7]).

Целью работы является повышение качества управления процессом ректификации за счет применения алгоритмов текущей идентификации и адаптации. Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

- произведен анализ технологического процесса и способов управления процессом ректификации;

- выбраны и обоснованы критерии управления процессом ректификации;

- получены и проверены на адекватность математические модели элементов системы управления, в том числе модели измерительной информации, необходимые для имитации процессов управления;

- разработаны алгоритмы управления по выбранным критериям;

- исследованы работоспособность и эффективность алгоритмов управления методом имитационного моделирования в условиях, наиболее приближенных к реальным, т. е. с учетом дрейфа характеристик объекта управления и помех измерения.

Методы исследования. При выполнении работы использовались методы теории автоматического управления, имитационного и математического моделирования, методы теории случайных процессов.

Научная новизна диссертационного исследования заключается в следующем: 1. Предложен новый критерий качества управления верхней точкой температурного профиля ректификационной колонны, заключающийся в вычислении зна-

чения отклонения текущей концентрации сырья в питающей смеси от прогнозируемой в потоке дистиллята [2, 5,9,12, 21].

2. Предложен критерий управления эффективностью работы ректификационной установки путем минимизации суммарных потерь сырья на интервале управления [2, 5,9,12].

3. Разработана модель химического реактора, с выхода которого сырье поступает на вход ректификационной колонны. Полученная модель отличается от известных тем, что адаптирована к задаче имитации сигнала концентрации сырья в питающей смеси на колонну, что позволяет учесть «вклад» химического реактора в формировании температуры тарелки питания [2].

4. Предложен алгоритм вычисления прогноза потерь сырья по верху ректификационной колонны [2,5,8,9,11,12,14-16].

5. Предложен алгоритм идентификации текущего значения коэффициента дрейфа у критерия качества управления верхней точкой температурного профиля, вычисляемого на каждом периоде управления и характеризующего угол наклона аппроксимирующей кривой потерь сырья в верхней части колонны. Коэффициент дрейфа можно условно считать равным отношению измеренных потерь сырья к прогнозируемым [1,2,5,8].

6. Предложен новый подход в управлении ректификационной колонной, отличающийся от известных тем, что реализуется алгоритм адаптивного управления верхней частью колонны на основании вычисленного значения потерь сырья, при этом заданием для регулятора расхода дистиллята (флегмы) является сигнал, пропорциональный прогнозируемым потерям сырья [2,5,8].

7. Предложен алгоритм адаптивного управления верхней точкой температурного профиля колонны, отличающийся от известных тем, что заданием регулятору температуры верха служит сигнал от компенсатора возмущения по концентрации сырья в питании [5-8].

Практическая значимость работы. Основные результаты диссертационного исследования, имеющие практическую значимость, заключаются в следующем:

1. Разработаны пакеты прикладных программ (ППП) для формирования моделей измерительной информации и для проверки их на адекватность, для имитационного моделирования работы всей колонны в режиме реального времени, а также для визуализации процессов управления в ректификационной колонне.

2. Разработан ППП для вычисления значений потерь сырья, критерия управления и эффективности работы установки.

3. Реализован лабораторный стенд, демонстрирующий работу алгоритма оптимального управления температурным профилем ректификационной колонны. Соответствие паспорту специальности. Указанная область исследования соответствует паспорту специальности 05.13.06 - «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (в энергетике)», а именно: пункту 4 - «Теоретические основы и методы математического моделирования организационно-технологических систем и комплексов, функциональных задач и объектов управления и их алгоритмизация»; пункту 5 - «Теоретические основы, средства и методы промышленной технологии создания АСУ ТП, АСУП, АСТПП и др.»; пункту 6 - «Научные основы, модели и методы идентификации производственных процессов, комплексов и интегрированных систем управления»; пункту 10 - «Мето-

ды синтеза специального математического обеспечения, пакетов прикладных программ и типовых модулей функциональных и обеспечивающих подсистему АСУ ТП, АСУП, АСТПП и др.»; пункту 13 - «Теоретические основы и прикладные методы анализа и повышения эффективности, надежности и живучести АСУ на этапах их разработки, внедрения и эксплуатации».

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на XVII, XVIII, XIX Международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва, 2011, 2012, 2013 гг.), IX и X Всероссийских научных конференциях молодых ученых, аспирантов и студентов «Информационные технологии, системный анализ и управление» (г. Таганрог, 2011 и 2012 гг.), Международной научно-практической конференции (г. Прага, 2012 г.), Второй, Третьей и Четвертой Всероссийских научно-практических конференциях «Ресурсо-энергосбережение и эколого-энергетическая безопасность промышленных городов» (г. Волжский, 2008, 2010, 2012 гг.), Межрегиональной конференции «Моделирование и создание объектов ресурсосберегающих технологий» (г. Волжский, 2009 г.), а также на четырнадцатой межвузовской научно-практической конференции молодых ученых и студентов (г. Волжский, 2008 г.).

Внедрение результатов работы. Результаты работы в виде экспериментальной установки используются в лабораторном практикуме при изучении дисциплин «Теория автоматического управления», «Проектирование систем автоматизации», «Моделирование динамических систем» в филиале НИУ «МЭИ» в г. Волжском.

Достоверность результатов исследований основана на экспериментальных данных, полученных в технологическом процессе очистки МТБЭ на предприятии ОАО «Каучук» (г. Волжский, Волгоградская обл.). Эксперименты по проверке работоспособности алгоритмов управления проводились методом имитационного моделирования, с учетом дрейфа характеристик объекта управления и помех измерения. Положения, выносимые на защиту.

1. Критерий качества управления верхней точкой температурного профиля ректификационной колонны [2,5,9,12,21].

2. Критерий управления эффективностью работы ректификационной установки [2, 5,9,12].

3. Математическая модель химического реактора, адаптированная к задаче имитации сигнала концентрации сырья в питающей смеси на колонну [2].

4. Алгоритм вычисления прогноза потерь сырья по верху ректификационной колонны [2,5,8,9,11,12,14-16].

5. Алгоритм идентификации текущего значения коэффициента дрейфа у критерия качества управления верхней точкой температурного профиля [1,2,5,8].

6. Алгоритм адаптивного управления верхней частью ректификационной колонны [2,5,8].

7. Алгоритм адаптивного управления верхней точкой температурного профиля колонны [5-8].

8. Методика имитационного моделирования процессов управления температурным профилем ректификационной колонны тарельчатого типа.

9. ППП для визуализации процесса управления ректификационной установкой.

Публикации. Всего по теме диссертации опубликовано 21 научная работа, в том числе: четыре в рецензируемых журналах перечня ВАК, два патента на полезную модель, один патент на изобретение и положительное решение о выдаче патента.

Лично автором проведены следующие этапы научного исследования:

1. Произведен выбор критериев управления процессом ректификации по эффективности работы.

2. Разработано и проверено на адекватность математическое описание нижней и верхней точек профиля концентраций колонны, а также химического реактора.

3. Разработаны 111111 для формирования моделей измерительной информации и проверки их адекватности, для имитационного моделирования работы всей колонны в режиме реального времени.

4. Разработаны 111111 для вычисления значений потерь сырья по верху, критерия качества управления и эффективности работы установки, а также для визуализации процессов управления в колонне.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из 109 наименований и одного приложения. Общий объем работы составляет 167 страниц, в том числе 58 рисунков и 6 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, определены цель и задачи исследования, показана научная новизна, практическая значимость и апробация результатов, приводится краткое содержание всех глав диссертационной работы, данные о ее структуре и объеме.

В первой главе показаны особенности технологического процесса ректификации: его сущность и специфика, аппаратурное оформление, основные виды процесса. Также производится анализ известных алгоритмов управления процессом ректификации, современных программных средств, с помощью которых можно разработать 111111 для создания системы автоматического управления процессом. Рассмотрены особенности обработки хроматографической информации. На основе проведенного исследования выявлено, что в настоящее время хроматография превосходит существующие технологии разделения и анализа многокомпонентных смесей. Хро-матограмма является носителем как качественной информации о виде компонентов смеси, так и количественной - об их концентрации. Модель сигнала от промышленного хроматографа может быть представлена в виде прямоугольного импульса, который обеспечивает стационарную цифровую последовательность управляющих воздействий и, тем самым, обеспечивает возможность применения хроматографической информации в алгоритмах адаптации, идентификации и прогноза.

Вторая глава посвящена математическому описанию элементов системы управления и проверке моделей на адекватность. В результате анализа технологического процесса производится выбор критерия качества управления верхней частью температурного профиля ректификационной колонны, определяемого как значение отклонения текущей концентрации сырья в питающей смеси от прогнозируемой в потоке дистиллята, т.е. величиной текущих потерь сырья по верху колонны,

вычисляемой как разность между приходящим в колонну с питанием количеством сырья, fuO'Ts), и отводимым в потоке дистиллята, прогнозируемым по математической модели,/„О- Т^ [13]:

I AJe(j.Ts)ZG, fn(j-Ts)>0, fu(j■ Ts)S0. (1)

где AJe(l'Ts) - потери сырья при робастной стабилизации флегмового числа; j - порядковый номер хроматограммы; Ts - время одного цикла измерения концентрации промышленным хроматографом (в секундах); f„(j-Ts) - прогноз количества сырья (потерь) в дистилляте; Кдр - коэффициент дрейфа (настроечный); fu(j-Ts) - количество сырья (потери) в линии питания.

В качестве критерия управления эффективностью работы колонны предлагается рассматривать обеспечение минимума потерь сырья за счет адаптивного управления (2):

N

Г Je(Nm-Ts)=> min fo [fuÜ • У - Kdp(j-Ts).fn(j- Ts)}

L Je(Nm-Ts)Z0,fn(j-Ts)>Q,fu0-Ts)>0 (2)

где Je(Nm-Ts) - суммарные потери сырья при робастной стабилизации флегмового числа на интервале времени Nm-Ts> Kdp(j-T$)- коэффициент дрейфа (коэффициент параболы, см. рисунок 1), Ts - время одного цикла измерения концентрации промышленным хроматографом, Nm - объем выборки для оценки потерь на интервале управления.

Критерий (2) представляет собой функциональную зависимость с ярко выраженным минимумом (см. рисунок 1), что позволяет предложить для управления верхней частью колонны адаптивное управление изменением расхода дистиллята, с текущей идентификацией коэффициента дрейфа.

Рисунок 1 — Образование потерь сырья при робастной стабилизации флегмового числа

Эффективность работы верхней части ректификационной установки (см. рисунок 2) можно оценить как отношение текущего значения концентрации изобутана,

7

измеренного в потоке дистиллята, к текущему значению его концентрации, прогнозируемому по математической модели компенсатора:

эр\с-т$)=-

(3)

Мк ~1

где ЭРЩ-Т£) - эффективность работы верхней части колонны; - текущее

значение концентрации изобутана, измеряемое хроматографом на линии отвода дистиллята; - текущее значение концентрации изобутана, прогнозируемое по модели компенсатора; Тс - время опроса датчика (модуля ввода аналоговых сигналов контроллера); - количество элементов в массиве; к - порядковый номер элементов массива.

щ-м

ътт

ХфЩ

время, к-Тс

Рисунок 2 - Эффективность функционирования верхней части колонны

Эффективность работы всей ректификационной установки можно определить как отношение текущего значения концентрации целевого продукта, измеренного в потоке кубовых остатков, к текущему значению его концентрации, прогнозируемой по математической модели колонны:

ЭР2(]-Т3)-

ы,

Нк-1

(4)

I 2Л-Т) 'к к = О 8

где 2&(к-Тс) - текущие значения концентрации целевого продукта, измеряе-

мое хроматографом и прогнозируемое по математической модели колонны соответственно.

Известно, что критерий (4) представляет собой экстремальную зависимость с ярко выраженным максимумом, что позволяет рекомендовать его для управления эффективностью работы нижней части ректификационной колонны.

Математические модели нижней (5) и верхней (6) частей колонны представляют собой системы уравнений, состоящие из дифференциальных уравнений материального баланса, описывающего изменение качественного состава смеси, и теплового баланса, характеризующего крайние точки температурного профиля:

еИМ)

3,78' — + 26(1) = 2'08" 24{(-2'81)

з,з 1 • +ух(1)=2,63 ■ г4гм,5з;, (5)

где 24((), г6(г) - текущие значения концентрации целевого продукта в питающей смеси колонны и в нижней части колонны соответственно, У/г) - текущее значение температуры низа (куба) колонны.

агм

1,74

Л

1,4 • + У&(0 = 1,05 • гз(1-0,52),

(6)

где 2¡(г), 2^) - текущие значения концентрации сырья (изобутана) в питающей смеси и в верхней части колонны, У8(() - текущее значение температуры верха колонны.

Для обеспечения функционирования программной имитации модели ректификационной установки потребовалось получение моделей изменения концентраций на питающую тарелку колонны, что было реализовано с помощью модели химического реактора:

¿У,

10®

одб7= -36-^-0,01;

¿12М)

5,36 • + 2Ъ(1) = 1,01 ■ 2^-2,06) dZ.it)

(7)

где г 1(0, - текущие значения концентраций изобутана и метанола в шихте соответственно, г3((), - текущие значения концентрации изобутана и целевого продукта в питающей смеси колонны соответственно, У10(г) - текущее значение температуры питающей смеси, формируемое химическим реактором, Х6(г) - текущее значение расхода парового конденсата, охлаждающего химический реактор.

Модель температуры тарелки питания, У ¡(г), принимается как среднее значение между температурой паров, поступающих на тарелку питания снизу, температурой жидкости, поступающей на тарелку питания сверху, и температурой смеси, приходящей из химического реактора [2-4, 10, 17, 18-20]. Настроечные коэффициенты определяются методом пошагового поиска.

У5(0 = I ■ (1,189 • У4(1)+1,847 • У6(1)+1,285 • Уф)). (8)

На рисунке 3 представлены результаты проверки математической модели температурного профиля ректификационной колонны тарельчатого типа на адекватность. Отклонение прогнозируемого по уравнениям (5-7) температурного профиля от модельного по регламенту не превосходит 5 %, что видно из рисунка 3. Поэтому математическую модель можно считать адекватной и применять для разработки алгоритмов управления.

Посредством статистического моделирования были получены модели измерительной информации, адекватность которых проверялась по статистикам Стъюдента

9

и Пирсона. Контроль адекватности математических моделей основных каналов управления проводился методом имитационного моделирования. Все полученные модели адекватно описывают реальные процессы, происходящие в ректификационной установке. Следовательно, их можно применять для разработки алгоритмов управления.

Т3 - экспериментальный профиль [3, 4], Тм/ - модельный профиль согласно (5)-(7), Тм2— модельный профиль (по регламенту) Рисунок 3 - Измеренный и прогнозируемые профили по всей высоте колонны

В третьей главе осуществлена разработка адаптивного алгоритма управления верхней точкой температурного профиля ректификационной колонны тарельчатого типа и робастной стабилизации его нижней точки.

Для адаптивного управления верхней точкой температурного профиля колонны предложено устройство [1, 5, 8], функционирование которого основано на компенсации возмущения со стороны концентрации питающей смеси. При этом нижняя точка температурного профиля должна быть жёстко фиксирована стабилизацией расхода перегретого пара в кипятильник куба колонны (см. рисунок 4). Задача, решаемая предлагаемым устройством, заключается в поддержании заданного профиля температур по всей высоте колонны.

Устройство состоит из ректификационной колонны 1, оснащенной датчиками температур 2, дефлегматора 3, регулятора расхода хладагента 4, блока формирования задания 5, компенсатора возмущений 6, теплообменника 7, расположенного на линии отвода кубового остатка 23, регулятора температуры низа колонны 8, регулятора расхода перегретого пара 9, регулятора концентрации целевого продукта в нижней части колонны 10, блока идентификации текущего значения эффективности работы ректификационной колонны 11, регулятора расхода греющей смеси 12, теплообменника 13, расположенного на линии подачи питающей смеси 19, регулятора температуры верха колонны 14, регулятора расхода флегмы 15, регулятора расхода целевого продукта 16, регулятора уровня кубовой жидкости в колонне 17, регулятора температуры питающей смеси 18, хроматографов 20 и 21, расположенных на линии подачи питающей смеси 19 и на линии отвода целевого продукта 22 соответственно.

Для блока 14 входным параметром является приращение температуры, непосредственно связанное с оценкой приращения текущего значения концентрации сырья по верху колонны, определяемого в блоке 5 (см. рисунок 4) по формуле:

лго-т5)=г7о-т8)-к2-29о-тз), (9)

ю

где Л£(/'7у - приращение концентрации; 27(/-7У - вычисленное компенсатором текущее значение концентрации сырья по верху колонны; - текущее значение концентрации сырья по верху колонны, рассчитываемое по математической модели колонны; к2 - настроечный коэффициент.

Кроме того, в блоке 5 формируется задание для блока 15 в виде приращения расхода флегмы:

¿Х50-Т3) = кЗ-А^0-Тз), (10)

где ЛХ5()-Т^ - задание для регулятора расхода флегмы; - потери сырья по

верху колонны на периоде управления; кЗ - настроечный коэффициент.

Ввиду однозначной зависимости расходов флегмы и дистиллята посредством флегмового числа все формулы для реализации устройства применимы как к расходу дистиллята, так и к расходу флегмы.

автоматического управления процессом ректификации

Робастная стабилизация нижней точки профиля температур осуществляется путем изменения расхода перегретого пара, подаваемого в теплообменник 7, регулятором расхода перегретого пара 9. В качестве задания блоку 9 поступает сигнал от блока 8, заданием которому, в свою очередь, служит сигнал от регулятора концентрации целевого продукта 10.

Адаптивное управление температурой тарелки питания осуществляется изменением задания регулятору температуры питающей смеси 18, предназначенному для формирования задания регулятору расхода греющего пара 12.

Адаптивное управление верхней точкой температурного профиля реализуется применением каскадно-комбинированной системы регулирования (см. рисунок 5). Внутренний контур реализуется с помощью регулятора расхода хладагента (\Ур,(р)), заданием которому является сигнал от регулятора температуры верха ОМр)). Компенсатор случайных изменений концентрации питающей смеси С^(р)) формирует, в свою очередь, задание для регулятора температуры верха.

X

4Х,(1)

уМр)

W„.,(P)

'---УЛзф)

\Уцф)

^"""---^Ыр)

Рисунок 5 - Структурная схема системы управления верхней точкой температурного профиля

Помимо стационарных сигналов на объект управления действуют также и нестационарные (например, концентрация питания), поэтому критерий качества управления верхней частью колонны «дрейфует» в области значений параметров. Причинами дрейфа являются износ оборудования и инструмента, старение катализатора, накипь на поверхностях нагрева теплообменников и т.п. В результате этого, возникает необходимость адаптивного управления верхней точкой температурного профиля изменением расхода хладагента, что позволяет на основе измерения текущих входных и выходных параметров процесса постоянно корректировать значения основных управляющих воздействий.

На рисунке 6 представлены результаты моделирования по исследованию свойств критерия качества управления верхней частью ректификационной установки при ограниченном объеме выборки.

кдла-гаил, ч->. напРгшпенис

> даижени* Д^

¡•3}, С МхЮ3 9.4Х103 9.6*103 9.8Х103 Х}(] Т5),хгЫ

Рисунок 6 - Характеристика свойств критерия управления

Из рисунка видно, траектория движения аппроксимирующей зависимости функции критерия представляет собой параболу и перемещается вдоль временной оси г'Тл т.е. «дрейфует». С течением времени полной реализации тренда потерь АЗв частные реализации критерия качества управления перемещаются в сторону вершины главной параболы (жирная линия), соответствующей минимуму потерь сырья

при определенном расходе отбираемого дистиллята. Именно эта траектория перемещения критерия, /Ц, во времени определяет свойства коэффициента дрейфа частных реализаций параболы, Кдр, который и подлежит идентификации при адаптивном управлении.

Поиск коэффициента дрейфа, на периоде управления, ЫтТ$, осуществляется на основе метода наименьших квадратов, согласно формуле:

N

£ Л/иа.Та)-АХъ0-Т3)

т / ч2

0-т,))

7 = 0

где АХ3@'Т$), А/иО'-Тз) - средние значения расхода отбираемого дистиллята и измеренных потерь сырья на длине одного цикла хроматографа соответственно, N ■Ts

- период управления (время идентификации).

Алгоритм формирования управляющего воздействия основан на методе градиентного поиска, позволяющем отслеживать дрейф оптимального режима и генерировать воздействие, компенсирующее этот дрейф. Для реализации данного алгоритма предпочтительно большое количество измерений. Однако чем больше измерений, тем длительнее происходит накопление информации и оптимальный режим «уплывает», возрастают потери при управлении. Поэтому существует компромисс (см. рисунок 13) между увеличением объема выборки и скоростью дрейфа, который и гарантирует оптимальный режим функционирования алгоритма управления.

Используя методику имитационного моделирования процесса управления ректификационной колонной по критерию качества управления (1) (см. рисунок 8), был получен график переходного процесса на тарелке питания, изображенный на рисунке 7.

5Х103 МО4 1А104 с

Рисунок 7 - Имитация текущих значений температуры тарелки питания

Четвертая глава посвящена исследованию работоспособности и эффективности разработанных алгоритмов управления температурным профилем колонны в условиях, наиболее приближенных к реальным. Проверка работоспособности проводилась методом имитационного моделирования.

При исследовании установлено, что каждому текущему значению коэффициента дрейфа соответствует определенный расход дистиллята на соответствующем периоде управления.

Модель концентрация шобутана в питающей смеси

Модель температуры на выходе химического реаспфа У»СгТ5)

Модллнров анне тошфаттры гарелкп питания от Блока

Модель концентрации кзобугана в дистшшяте 2$йаТ$)

Тренд ЭР1(гТ5)

Модель концентрация МТБЭ в целевом продукте Т^'Тз)

Тренд ЭР20-Т5)

Тренд Уа{гТ5)

ЗД-т5)/

-V,

Тренд ЗДТ5)

Тренд -X-

эиа-т,)-

ЗДЪ) /

1

¿.у Ъ(к-т5)

Модель расхода хладагента

Хг№)

| Тренд |

14

Траед Лвб'Хз)

«»а-Тз)=

га«, у*

1Т5)

Модель помехи П№)

г,

' • +

15

Модель дрейфа

дет*)

■ +

Модель расхода дистиллята ЗЫ!Т5)

ГСУд. Чъ

ЖЕ

Тренд

9 гот., ад г,

-Г/Т

Тренд у,ат5)

Модель расхода перегретого пара Х^-Тд)

X.

Модель расхода ХДгТз)

Рисунок 8 - Блок-схема программы имитационного моделирования разомкнутой системы

Значение текущего управляющего воздействия при робастной стабилизации определяется на основе метода градиентного поиска, при адаптивном же управлении - согласно формуле (10) (см. рисунок 9).

Хза-Ъ), кг/ч

г.ри робастной стабилизации \

при адапт ценам задание регулят ору управлении расхода

Рисунок 9 - Текущие значения управляющего воздействия

При этом текущие значения коэффициента дрейфа колеблются относительно выбранной стратегии изменения (см. рисунок 10). Прямая характеризует заданное значение коэффициента дрейфа, зависимость к* определяет моделируемое.

' отн.ед.

Кдр"

Рисунок 10 - Текущие значения коэффициента дрейфа

На рисунке 11 представлены два тренда, характеризующие суммарные потери сырья на интервале управления при адаптивном управлении и робастной стабилизации.

" -ГвСЦпЪ).кг/ч

при адаптивном

- „ управлении

при робастной

стабилизации

Рисунок 11 - Суммарные потери на периоде управления

На рисунке 12 продемонстрированы тренды текущих потерь сырья при имитации процессов управления в зависимости от текущего времени в рамках одного периода управления.

В результате анализа графиков можно сделать вывод о том, что робастная стабилизация эффективна, что подтверждается прохождением соответствующего тренда потерь сырья ниже тренда потерь сырья без управления. Однако, применение си-

стемы адаптивного управления целесообразнее, и это доказывает соответствующий тренд потерь сырья, находящийся ниже двух остальных трендов.

С

- потери сырья без управления

- - - ■ потери сырья при робастной стабилизации -. - потери сырья при адаптивном управлении

Рисунок 12 - Имитация процессов управления

Количественно эффективность применения управления в рассматриваемом процессе характеризует отношение:

N...

I )

] = й 6 5

(12)

где МЩт.Т$) ~ относительные потери на периоде управления (идентификации), ¿}%<}-Т) - потери сырья без управления и при робастной стабилизации

на периоде управления (идентификации), Нт = т-Т$- объём выборки для оценки потерь (период идентификации или период управления).

Эффективность алгоритма текущей идентификации (11) в рассматриваемой системе управления можно определить как отношение потерь сырья при адаптивном управлении к потерям сырья при робастной стабилизации, что выражается зависимостью:

N

I лз^а-т)

(13)

X А^О-у

7 = 0 6 5

где М2(Ыт.Т$ - относительные потери на периоде управления (идентификации),

А3ад0 ■ Т Л ¿ир0'Т ) - потери сырья при адаптивном управлении и робастной став Б б 5

бшшзации на периоде управления соответственно.

В результате имитационного моделирования процесса управления по предлагаемому алгоритму были получены графики, представленные на рисунке 13. Из них видно, что компромиссное время накопления информации для идентификации коэффициента дрейфа достигается при накоплении 63-х значений хроматографа.

Именно при этом значении времени накопления информации для текущей идентификации коэффициента дрейфа достигаются минимальные потери сырья.

Из рисунка 13 видно, что жесткая стабилизация приводит к сокращению потерь на 27 % в сравнении с этим же показателем без управления. Следует также отметить, что при накоплении 63-х значений хроматографа потери сырья при адаптивном управлении составляют 86 % потерь сырья при робастной стабилизации.

аппроксимирующая

мспвримттаяьнъи \ »начти* \/

\ ♦ у

. \ ♦ ¿к апгфохсимцрующая

♦ ♦ зависимость

О 10 30 30 43 JO «О S3 70 вО 90 100 1Ш 130

Рисунок 13 — Эффективность работы алгоритма идентификации (13)

Графики зависимости значений эффективности работы верха (3) ЭР1(]-Т5) и всей колонны (4) ЭР20-Т5) представлены на рисунке 14.

DPIO'Tf),

ати.

7=5 JbT —¿г- мо.

Рисунок 14 - Эффективность работы верха (3) и всей колонны (4)

Имитация процессов управления технологическим процессом проводилась также с применением интегрированной информационной системы Trace Mode 6.0. Разработан ППП «Адаптивное управление процессом ректификации», представляющий собой автоматизированное рабочее место (АРМ) оператора-технолога и состоящий из набора программ по визуализации как критериев управления, так и основных режимных параметров управления технологическим процессом.

В приложении представлен эскизный проект предлагаемого решения.

Выводы

1. Предложен новый критерий качества управления верхней точкой температурного профиля ректификационной колонны, заключающийся в вычислении значения отклонения текущей концентрации сырья в питающей смеси от прогнозируемой в потоке дистиллята [2,5,9,12,21].

2. Предложен критерий управления эффективностью работы ректификационной установки путем минимизации суммарных потерь сырья на интервале управления [2,5,9,12].

3. Разработана модель химического реактора, с выхода которого сырье поступает на вход ректификационной колонны. Полученная модель адаптирована к задаче имитации сигнала концентрации сырья в питающей смеси на колонну, что позволяет учесть «вклад» химического реактора в формировании температуры тарелки питания [2].

4. Предложен алгоритм вычисления прогноза потерь сырья по верху ректификационной колонны [2,5,8,9,11,12,14-16].

5. Предложен алгоритм идентификации текущего значения коэффициента дрейфа у критерия качества управления верхней точкой температурного профиля, вычисляемого на каждом периоде управления и характеризующего угол наклона аппроксимирующей кривой потерь сырья в верхней части колонны. Коэффициент дрейфа можно условно считать равным отношению измеренных потерь сырья к прогнозируемым [1,2,5,8].

6. Предложен новый подход в управлении ректификационной колонной, отличающийся от известных тем, что адаптивное управление верхней частью реализуется на основании вычисленного значения потерь сырья, при этом заданием для регулятора расхода дистиллята (флегмы) является сигнал, пропорциональный прогнозируемым потерям сырья [2,5,8].

7. Предложен алгоритм адаптивного управления верхней точкой температурного профиля колонны, отличающийся от известных тем, что заданием регулятору температуры верха служит сигнал от компенсатора возмущения по концентрации сырья в питании [5-8].

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ в журналах из перечня ВАК РФ

1. Шаровина С.О., Шевчук В.П. Способ автоматического управления температурным профилем теплотехнического объекта// Альтернативная энергетика и экология, 2013, № 16 (в печати).

2. Шаровина С.О., Шевчук В.П. Управление температурным профилем ректификационной колонны тарельчатого типа // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. - 2013. - № 3. - С. 39 - 47.

3. Агринская С.А., Филатова С.О., Шевчук В.П. Система управления эффективностью работы ректификационной колонной тарельчатого типа // Приборы и системы. Управление, контроль и диагностика. 2010, № 7, с. 25 - 29.

4. Агринская С.А., Филатова С.О. Супервизорное управление ректификационной колонной тарельчатого типа // Известия Волгоградского государственного технического университета. Серия Прогрессивные технологии в машиностроении. Вып.6: межвуз. сб. науч. ст. № 12 (72) / ВолгГТУ. - Волгоград, 2010. - С. 69 - 70.

в других изданиях

5. Пат. 122033 на полезную модель, МПК: В 01 Б 3/42. Устройство автоматического управления процессом ректификации / Шевчук В.П., Шаровина С.О., Агринская С.А.; заявитель и патентообладатель «НИУ «МЭИ».

№ 2012112672/05; заявл. 03.04.12; опубл. 29.11.12, БИ№ 32.

6. Пат. 104475 на полезную модель, МПК: В 01 Б 3/42. Устройство автоматического регулирования процессом ректификации / Шевчук В.П., Агринская С.А., Филатова С.О.; заявитель и патентообладатель «Московский энергетический институт».-]^ 2010150625/05; заявл. 10.12.10; опубл. 20.05.11,БИ№ 14.

7. Пат. 2449827 на изобретение, МПК: В 01 Б 3/42. Устройство автоматического регулирования процесса ректификации / Шевчук В.П., Агринская С.А.,

18

Филатова С.О.; заявитель и патентообладатель «Московский энергетический институт». -№ 2010148090/05; заявл. 26.11.10; опубл. 10.05.12, БИ№ 13

8. Шевчук В.П., Агринская С.А., Шаровина С.О. Способ автоматического управления процессом ректификации и устройство для его реализации // Положительное решение о выдаче патента на изобретение по заявке № 2012145926 от 11.11.2013 Г.//МПК: В 01 Б 3/42, й 05 Б 27/00.

9. Шаровина С.О., Шевчук В.П. Устройство автоматического управления ректификационной колонной // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Тез докл. XIX МНТК студентов и аспирантов (28 февраля - 1 марта 2013 г V В 4-х т М.:МЭИ, 2013. Т.4. С. 175. ' 1

10.Агринская С.А., Филатова С.О. Адаптивные алгоритмы управления температурным профилем ректификационной колонны // Инновационные информационные технологии: Материалы международной научно-практической конференции / Под. ред. С.У. Увайсова; Отв. за вып. И.А. Иванов, Л.А. Агеева, Д.А. Дубоделова

В.Е. Еремина-М.:МИЭМ, 2012.-С. 239-240.

11.Шаровина С.О., Шевчук В.П. Модель бинарной ректификации // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Тез. докл. XVIII МНТК студентов и аспирантов (1-2 марта 2012 г.): В 4-х т. М.:МЭИ, 2012. Т.4. С. 234.

12.Шаровина С.О., Шевчук В.П. Управление профилем изменения температур ректификационной колонны // Информационные технологии, системный анализ и управление - ИТСАиУ-2012/ Сборник трудов X Всероссийской научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов. - Таганрог: Изд-во Южного федерального университета, 2012 - Т.2.- С. 228 - 231.

13.Шаровина С.О., Шевчук В.П. Выбор критериев управления процессом бинарной ректификации // Ресурсо-энергосбережение и эколого-энергетическая безопасность промышленных городов: Четвертая Всероссийская научно-практическая конференция, г. Волжский, 25-28 сентября 2012 г. / Сборник материалов конференции. - Волжский: Филиал МЭИ в г. Волжском, 2012. - С. 134 - 135.

14.Шаровина С.О., Шевчук В.П. Модель бинарной ректификации // IX Всероссийская научная конференция молодых ученых, аспирантов и студентов «Информационные технологии, системный анализ и управление»: Сборник материалов -Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2011. - Т.2. - С. 11-13.

15.Шаровина С.О., Шевчук В.П. Робастное управление группой колонн // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Тез. докл. XVII МНТК студентов и аспирантов (24-25 февраля 2011 г.): В 3-х т. М.:МЭИ, 2011. Т.З. С. 216 - 217.

16.Шаровина С.О., Шевчук В.П. Робастное управление группой колонн // Волжский: ВФ МЭИ. Сб. науч. статей третьей Всероссийской научно-практической конференции «Ресурсоэнергосбережение и эколого-энергетическая безопасность промышленных городов», 2010. - С. 123 - 126.

17.Агринская С.А., Филатова С.О. САР эффективности работы ректификационной колонны тарельчатого типа // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Шестнадцатая Межцунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл. В 3 т. Т.З. М.: Издательский дом МЭИ. - 2010. - С. 255 - 256.

18.Агринская С.А., Филатова С.О. Оптимальное управление ректификационной колонной по критерию эффективности работы // Моделирование и создание объектов энерго-ресурсосберегающих технологий: Межрегиональная научно-

практическая конференция, г. Волжский, 22 - 25 сентября 2009 г./ Сборник мате риалов конференции. - Волжский: Филиал ГОУВПО «МЭИ (ТУ)» в г. Волжском 2009.-С. 150-154.

19.Агринская СЛ., Филатова С.О. Адаптивное управление процессом ректификат И Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Тез. докл. XV МНТК студен тов и аспирантов: В 3 т. Т.З. - М.: МЭИ, 2009. - С. 213 - 214.

20.Агринская С.А., Филатова С.О. Адаптивное управление процессом ректификаци // Ресурсоэнергосбережение и эколого-энергетическая безопасность промышлен ных городов: Сборник материалов второй всероссийской научно-практическо конференции. - Волжский: Филиал ГОУВПО «МЭИ (ТУ)», 2008. - С. 112 - 117.

21.Агринская С.А., Гордеев В.Ю., Филатова С.О. Математическое описание ректи фикационной колонны // XIV межвузовская научно-практическая конференц молодых ученых и студентов, г. Волжский, 26-30 мая 2008 г.: Тезисы докладо В 4 т. Т. 2. - Волжский: Филиал ГОУВПО «МЭИ (ТУ)» в г. Волжском, 2008. С. 7-9.

Подписано в печатьШ' ММ Зак. ¡/3 Тир. ЮРп.п. /, & Полиграфический центр ФГБОУ ВПО НИУ «МЭИ» Красноказарменная ул., д. 13

I 1

ФГБОУ ВПО Национальный Исследовательский Университет

«МЭИ»

04201456519 На правах рукописи

Шаровина Светлана Олеговна

АДАПТИВНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРНЫМ ПРОФИЛЕМ РЕКТИФИКАЦИОННОЙ КОЛОННЫ ТАРЕЛЬЧАТОГО ТИПА

05.13.06. - Автоматизация и управление технологическими процессами и

производствами (в энергетике)

Научный руководитель: д.т.н., профессор В. П. Шевчук

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА-2014

СОДЕРЖАНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ...............................................................................................................3

ВВЕДЕНИЕ........................................................................................................................................4

1 АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА КАК ОБЪЕКТА УПРАВЛЕНИЯ.............15

1.1 Анализ особенностей управления процессом ректификации...........................................21

1.2 Анализ современных систем управления процессом ректификации...............................26

1.3 Анализ программного обеспечения технических средств автоматизации......................36

1.3.1 Особенности обработки хроматографической информации...................................39

1.4 Выводы. Постановка задачи исследования.........................................................................46

2 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ...............50

2.1 Выбор и обоснование критериев управления.....................................................................51

2.1.1 Критерий управления верхней частью температурного профиля..........................51

2.1.2 Критерий управления эффективностью работы колонны.......................................56

2.2 Модели элементов системы управления.............................................................................57

2.2.1 Эталонная модель нижней и верхней частей ректификационной колонны..........61

2.2.2 Эталонная модель химического реактора.................................................................63

2.3 Проверка адекватности эталонных математических моделей..........................................66

2.3.1 Математические модели сигналов от преобразователей расхода..........................70

2.3.2 Математические модели сигналов от хроматографов.............................................79

2.3.3 Математические модели сигналов от термопреобразователей...............................83

2.4 Выводы и обсуждение результатов.....................................................................................85

3 РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ АДАПТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ.......................................87

3.1 Алгоритм управления верхней точкой температурного профиля....................................94

3.1.1 Синтез каскадно-комбинированной системы управления верхней точкой температурного профиля.......................................................................................................99

3.1.2 Алгоритм управления верхней частью колонны. Идентификация коэффициента дрейфа...................................................................................................................................104

3.2 Алгоритм управления нижней точкой температурного профиля...................................107

3.3 Имитационное моделирование системы управления температурным профилем ректификационной колонны.....................................................................................................109

3.4 Выводы и обсуждение результатов...................................................................................119

4 РАБОТОСПОСОБНОСТЬ И ЭФФЕКТИВНОСТЬ АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ........121

4.1 Оптимизация настроечных параметров алгоритма управления.....................................123

4.2 Исследование работоспособности и эффективности алгоритмов управления температурным профилем ректификационной колонны......................................................125

4.3 ППП «Адаптивное управление процессом ректификации»............................................137

4.4 Выводы и обсуждение результатов...................................................................................143

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..............................................................................................................................144

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.............................................................................................................147

ПРИЛОЖЕНИЕ А Эскизный проект..........................................................................................160

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

АКФ АРМ АСУ АСУП

АСУ ТП

АЦП АЧХ БАУВК

БАУВТТП -

БРСНК ВКК ДСЧ ИИФ

иис

КИПиА КПД МРВ МТБЭ

нкк

п

пи

ПИД

плк ппп птк

ПЭВМ

рд

САУ УСО

чми

SCAD А

автокорреляционная функция

автоматизированное рабочее место

автоматизированная система управления

автоматизированная система управления предприятием

автоматизированная система управления технологическим процессом

аналогово-цифровой преобразователь

амплитудно-частотная характеристика

блок адаптивного управления верхом колонны

блок адаптивного управления верхней точкой температурного профиля

блок робастной стабилизации низа колонны

высококипящий компонент

датчик случайных чисел

изобутан-изобутиленовая фракция

интеллектуальная измерительная система

контрольно-измерительные приборы и автоматика

коэффициент полезного действия

монитор реального времени

метил-трет-бутиловый эфир

низкокипящий компонент

пропорциональная составляющая регулятора

пропорционально-интегральная составляющие регулятора

пропорционально-интегрально-дифференциальные

составляющие регулятора

программируемый логический контроллер пакет прикладных программ программно-технический комплекс электронная вычислительная машина реально-дифференцирующие составляющие регулятора система автоматического управления устройство связи с объектом человеко-машинный интерфейс (HMI) supervisory control and data acquisition

ВВЕДЕНИЕ

Одной из ведущих отраслей промышленности в нашей стране по-прежнему остается нефтехимическая, в которой распространены такие процессы, как абсорбция, дистилляция, ректификация, перегонка, экстракция и другие. Указанные процессы являются сложными и энергоемкими, поэтому актуальным вопросом становится энегоэффективность и ресурсосбережение. Моделирование этих процессов, их оптимизация и модернизация - одна из основных задач успешного развития не только нефтехимической промышленности, но и всего энергетического комплекса.

Процесс ректификации относится к широко применяемым технологическим процессам химической технологии, поэтому ректификационные установки по праву стоят в основном ряду промышленных объектов управления в теплоэнергетике. Указанный процесс является наиболее гибким, с точки зрения получения конечных и промежуточных продуктов требуемого состава, но характеризуется низким коэффициентом полезного действия и высокими удельными затратами энергии. В этой связи, сведение к минимуму потерь сырья позволит частично решить обозначенную проблему энергоэффективности, сократить финансовые издержки производства на дополнительную обработку вторичного сырья, повысить качество выпускаемого продукта, максимально результативно организовать рабочий процесс.

В современных ректификационных установках для управления данным процессом необходимо непрерывно получать информацию о параметрах технологического процесса. В связи с этим, необходимым элементом автоматизированной системы управления (АСУ) становятся математические модели объекта управления, позволяющие оперативно прогнозировать текущее состояние объекта управления.

Объектом исследования в данной работе является ректификационная установка, предназначенная для производства метил-трет-бутилового эфира

(МТБЭ). Целью управления процессом является достижение заданной четкости разделения исходной смеси (содержание примесей в МТБЭ не более 0,9 %) при максимально возможной интенсивности и экономичности процесса.

Показателями эффективности процесса ректификации являются составы выходных потоков (изобутана и МТБЭ), производительность колонны, материально-энергетические затраты на процесс. Поддержание указанных параметров, равных заданным по технологическому регламенту, и приводит к достижению обозначенной цели управления процессом.

Изменение состава питающей смеси является основным возмущающим фактором, отрицательно влияющим на качество процесса ректификации, и стабилизации не подлежит. Регулирующими величинами являются расходы перегретого пара, флегмы (дистиллята), хладагента, греющего пара.

Актуальность выбранного направления исследований подтверждается грантом РФФИ «Моделирование переходных процессов в ректификационной колонне тарельчатого типа по критерию эффективности работы колонны» (проект 10-08-00125-а, [57, 59, 95, 96]). Работа выполнялась в соответствии с тематическим планом НИУ «МЭИ» по темам «Моделирование интеллектуальных измерительных систем управления объектами возобновляемой энергетики» [94] и «Моделирование процессов управления энергоэффективной автономной системой объектов нетрадиционной и возобновляемой энергетики» [58, 93, 94, 97].

Целью работы является повышение качества управления процессом ректификации за счет применения алгоритмов текущей идентификации и адаптации.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

- произведен анализ технологического процесса, технических средств автоматизации и способов управления технологическим процессом ректификации;

- выбраны и обоснованы критерии управления процессом ректификации;

- получены и проверены на адекватность математические модели элементов системы управления, в том числе модели измерительной информации, необходимые для имитации процессов управления;

- разработаны алгоритмы управления по выбранным критериям;

- исследованы работоспособность и эффективность алгоритмов управления методом имитационного моделирования в условиях, наиболее приближенных к реальным, т. е. с учетом дрейфа характеристик объекта управления и помех измерения.

Методы исследования. При выполнении работы использовались методы теории автоматического управления, имитационного и математического моделирования и методы теории случайных процессов.

Научная новизна диссертационного исследования заключается в следующем:

1. Предложен новый критерий качества управления верхней точкой температурного профиля ректификационной колонны, заключающийся в вычислении значения отклонения текущей концентрации сырья в питающей смеси от прогнозируемой в потоке дистиллята [9, 58, 84-86].

2. Предложен критерий управления эффективностью работы ректификационной установки путем минимизации суммарных потерь сырья на интервале управления [58, 84-86].

3. Разработана модель химического реактора, с выхода которого сырье поступает на вход ректификационной колонны. Полученная модель адаптирована к задаче имитации сигнала концентрации сырья в питающей смеси на колонну, что позволяет учесть «вклад» химического реактора в формировании температуры тарелки питания [85].

4. Предложен алгоритм вычисления прогноза потерь сырья по верху ректификационной колонны [58, 93, 94, 80-86].

5. Предложен алгоритм идентификации текущего значения коэффициента дрейфа у критерия качества управления верхней точкой температурного профиля, вычисляемого на каждом периоде управления и характеризующего

угол наклона аппроксимирующей кривой потерь сырья в верхней части колонны. Коэффициент дрейфа можно условно считать равным отношению измеренных потерь сырья к прогнозируемым [58, 85, 93, 94].

6. Предложен новый подход в управлении ректификационной колонной, отличающийся от известных тем, что реализуется алгоритм адаптивного управления верхней частью колонны на основании вычисленного значения потерь сырья, при этом заданием для регулятора расхода дистиллята (флегмы) является сигнал, пропорциональный прогнозируемым потерям сырья [58, 85, 93].

7. Предложен алгоритм адаптивного управления верхней точкой температурного профиля колонны, отличающийся от известных тем, что заданием регулятору температуры верха служит сигнал от компенсатора возмущения по концентрации сырья в питании [57-59, 93].

Практическая значимость работы. Основные результаты диссертационного исследования заключаются в следующем:

1. Разработаны пакеты прикладных программ (ППП) для формирования моделей измерительной информации и для проверки их на адекватность, для имитационного моделирования работы всей колонны в режиме реального времени, а также для визуализации процессов управления в ректификационной колонне.

2. Разработан 111111 для вычисления значений потерь сырья, критерия управления и эффективности работы установки.

3. Реализован лабораторный стенд, демонстрирующий работу алгоритма оптимального управления температурным профилем ректификационной колонны.

Соответствие паспорту специальности. Указанная область исследования соответствует паспорту специальности 05.13.06 - «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (в энергетике)», а именно: пункту 4 - «Теоретические основы и методы математического моделирования организационно-технологических систем и комплексов,

функциональных задач и объектов управления и их алгоритмизация»; пункту 5 — «Теоретические основы, средства и методы промышленной технологии создания АСУ ТП, АСУП, АСТПП и др.»; пункту 6 - «Научные основы, модели и методы идентификации производственных процессов, комплексов и интегрированных систем управления»; пункту 10 — «Методы синтеза специального математического обеспечения, пакетов прикладных программ и типовых модулей функциональных и обеспечивающих подсистему АСУ ТП, АСУП, АСТПП и др.»; пункту 13 - «Теоретические основы и прикладные методы анализа и повышения эффективности, надежности и живучести АСУ на этапах их разработки, внедрения и эксплуатации».

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на XVII, XVIII, XIX Международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г.Москва, 2011, 2012, 2013 гг.), IX и X Всероссийских научных конференциях молодых ученых, аспирантов и студентов «Информационные технологии, системный анализ и управление» (г. Таганрог, 2011 и 2012 гг.), Международной научно-практической конференции (г. Прага, 2012 г.), Второй, Третьей и Четвертой Всероссийских научно-практических конференциях «Ресурсо-энергосбережение и эколого-энергетическая безопасность промышленных городов» (г. Волжский, 2008, 2010, 2012 гг.), Межрегиональной конференции «Моделирование и создание объектов ресурсосберегающих технологий» (г. Волжский, 2009 г.), а также на четырнадцатой межвузовской научно-практической конференции молодых ученых и студентов (г. Волжский, 2008 г.).

Внедрение результатов работы. Результаты работы в виде экспериментальной установки используются в лабораторном практикуме при изучении дисциплин «Теория автоматического управления», «Проектирование систем автоматизации», «Моделирование динамических систем» в филиале НИУ «МЭИ» в г. Волжском.

Достоверность_результатов_исследований основана на

экспериментальных данных, полученных в ходе технологического процесса очистки МТБЭ на предприятии ОАО «Каучук» (г. Волжский, Волгоградская обл.). Эксперименты по проверке работоспособности алгоритмов управления проводились методом имитационного моделирования, с учетом дрейфа характеристик объекта управления и помех измерения.

Публикации. Всего по теме диссертации опубликовано 21 научная работа, в том числе: четыре в рецензируемых журналах перечня ВАК, два патента на полезную модель, один патент на изобретение и положительное решение о выдаче патента.

Лично автором проведены следующие этапы научного исследования:

1. Произведен выбор критерия управления процессом ректификации по эффективности работы.

2. Разработано и проверено на математическое описание нижней и верхней точек температурного профиля колонны, а также химического реактора.

3. Разработаны ППП для формирования моделей измерительной информации и проверки их адекватности, для имитационного моделирования работы всей колонны в режиме реального времени.

4. Разработаны ППП для вычисления значений текущих потерь сырья по верху, критерия управления и эффективности работы установки, а также для визуализации процессов управления в колонне.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 109 наименований и одного приложения. Общий объем работы составляет 167 страниц. Исследование включает в себя 58 рисунков и 6 таблиц.

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, определена цель исследования, для достижения которой сформулированы задачи, показаны научная новизна, практическая значимость и апробация результатов, приводится краткое содержание всех глав диссертационной работы, данные о ее структуре и объеме.

В первой главе показаны особенности технологического процесса ректификации, а именно: рассмотрены его сущность и специфика, аппаратурное оформление, основные виды процесса. Также производится анализ алгоритмов управления процессом ректификации, анализ современных программных средств, с помощью которых можно разработать ППП для визуализации и имитации процесса, а также создания системы автоматического управления (САУ) процессом ректификации. Рассмотрены особенности обработки хроматографической информации.

На основе проведенного анализ�