автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Алгоритмические и программные средства оценки состояний и параметров в системах управления технологическими процессами прокатки

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ЗАДАЧИ. ФОРМУЛИРОВАНИЕ ТРЕБОВАНИЙ К

АЛГОРИТМИЧЕСКОМУ И СПЕЦИАЛЬНОМУ ПРОГРАММНОМУ ОБЕСПЕЧЕНИЮ

ИНФОРМАЦИОННЫХ ПОДСИСТЕМ И ПОДСИСТЕМ ИДЕНТИФИКАЦИИ В

АСУТП ПРОКАТНОГО ПРОИЗВОДСТВА.

1.1. Исследование обобщенной структуры технологического процесса прокатки и задача оптимального управления реверсивным обжимным прокатным станом.

1.2. Анализ состояния задачи, классификация и выбор методов оценки состояний и параметров работоспособных в реальном масштабе времени в системах управления прокатного производства

1.3. Постановка задачи.

2. ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМИЧЕСКИХ И ПРОГРАММНЫХ

МОДУЛЕЙ ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЙ.

2.1. Анализ вычислительных свойств алгоритмов рекуррентной оценки сигналов выполненных на основе фильтра Калмана-Бьюси.

2.2. Некоторые условия сходимости линейной оптимальной оценки состояний и субоптимальные процедуры фильтрации

2.3. Алгоритмы субоптимальной фильтрации для скалярных систем

2.4. Исследование свойств сходимости для упрощенных алгоритмов оценивания

2.5. Результаты моделирования, эффективность и программная реализация алгоритмов фильтрации

2.6. Выводы.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМИЧЕСКИХ И ПРОГРАММНЫХ

СРЕДСТВ ИДЕНТИФИКАЦИИ.

3.1. Структура и функциональные особенности организации подсистемы программ идентификации в АСУТП прокатного производства

3.2. Организация и основные характеристики пакета программ стратегической идентификации

3.3. Алгоритмические особенности организации вычислительного процесса в некоторых задачах стратегической идентификации.

3.4. Алгоритмические особенности реализации процесса вычислений в модулях оперативной идентификации

3.5. Программная реализация и сравнительная эффективность модулей идентификации

3.6. Выводы.

4. ПРИМЕНЕНИЕ ПРОГРАММНЫХ СРЕДСТВ И МОДУЛЕЙ ИДЕНТИФИКАЦИИ В

АСУТП ОБЖИМНЫХ И БАЛОЧНЫХ ПРОКАТНЫХ СТАНОВ

4.1. Подсистема прикладных программ идентификации характеристик сигналов объекта и параметров моделей процессов по данным, полученным в ходе промышленного эксперимента

4.2. Некоторые алгоритмические особенности организации сбора и обработки информации в подсистеме программ идентификации.

4.3. Результаты исследований некоторых информационных сигналов АСУТП процессами прокатки с помощью программных средств ПСП ИХПМ.

4.4. Результаты исследований алгоритмов измерения длины балочной заготовки

4.5. Исследование локальных адаптивных моделей энергосиловых параметров процесса прокатки

4.6. Выводы.

Основными направлениями экономического и социального развития СССР на 1981-1985 годы и на период до 1990 года" предусматривается дальнейший экономический прогресс общества,глубокие качественные сдвиги в материально-технической базе на основе ускорения научно-технического прогресса, интенсификации общественного производства, повышения его эффективности.

В том числе в черной металлургии производство фасонных и высокоточных профилей проката должно быть увеличено в 1,5-2,5 раза СI].

В этой связи особо важное значение приобретает разработка и внедрение высокоэффективных автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП) на вновь строящихся и реконструируемых объектах, в том числе на реверсивных обжимных и балочных прокатных станах (РБС).

Особое расположение обжимных станов - в начале всего прокатного производства - выдвигает на первый план задачу обеспечения максимальной их производительности за счет оптимизации загрузки оборудования, сокращения простоев и снижения отходов металла. Не менее важно обеспечить заданное качество проката. Получение высококачественных заготовок на обжимных станах (отсутствие наружных и внутренних дефектов, точное соблюдение геометрических размеров проката и др.) позволяет на.последующих переделах избежать многих дорогостоящих операций по зачистке, вырубке металла, существенно снизить отходы металла, а также обеспечить рациональный раскрой [2]. Поэтому применение новых высокоэффективных технологий, позволяющих сократить число переделов до получения готового продукта, требует значительного увеличения точности полупродукта, выпускаемого обжимными и заготовочными станами [2], что в свою очередь является ключевым местом для получения высокоточного проката на балочных станах и в частности на универсальном балочном стане Нижнетагильского металлургического комбината (УБС НТМК).

Автоматизированный комплекс по прокатке широкополочных балок с мощным блюмингом 1500 и полунепрерывным универсальным балочным станом является примером тому, как большой народнохозяйственный эффект, требуемое качество, широкий сортамент проката и производительность указанных станов стало возможным обеспечить лишь при функционировании АСУТП [3,4]. Особенно весом вклад АСУТП в управление такими технологическими процессами, как прокатка в универсальных клетях УБС со скоростью 10,5 м/с при заданной точности позиционного управления +0,05 мм, осуществляемая по жестким или корректируемым программам прокатки; рациональный раскрой проката и оптимизация процесса нагрева металла [ 3].

Эффективность функционирования АСУТП с УВМ в значительной степени определяется возможностями и характеристиками общего и функционального (специального) программного обеспечения (ПО), стоимость которого проявляет тенденцию к непрерывному росту. Так по данным, приведенным в [5-10], затраты на разработку систем общего и специального программного обеспечения возросли в настоящий момент до 80$ от общей стоимости самой АСУТП.

Причем в динамике затрат на разработку общего и специального программного обеспечения (СПО) наблюдается устойчивый рост затрат на создание СП0 [5,8, II] .

В связи с увеличением затрат на проектирование и разработку алгоритмического и программного обеспечения АСУТП, а также существенным увеличением числа разрабатываемых АСУТП, количество которых в XI пятилетке возрастет более чем в два раза, особую актуальность приобретают вопросы исследования и разработки широкого набора типовых алгоритмических и программных модулей и средств обеспечения эффективного выполнения основных функций АСУТП [5,8, 12,13], позволяющих уменьшить время проектирования и разработки алгоритмического и функционального программного обеспечения, наиболее полно использовать возможности технических средств АСУТП.

Обсуждаемые выше вопросы актуальны для большинства АСУТП металлургической промышленности, создаваемых на базе программируемых устройств автоматики и тем более для АСУТП прокатного производства, включая АСУТП РБС, где можно выявить достаточно общий круг задач, которые значительным, а порой и определяющим образом влияют на эффективность функционирования данной АСУТП и вполне поддаются выделению в самостоятельные программные, алгоритмические модули и подсистемы. К таким задачам прежде всего относятся задачи реализующие информационные и близкие к ним функции АСУТП, т.е. измерения и первичной обработки текущей или экспериментальной информации; построения математических моделей технологических процессов и регулируемых параметров с целью оптимизации процессов управления как в реальном, так и в фоновом режиме функционирования данной АСУТП ; контроля за недопустимым изменением технологических параметров; обобщенной оценки и прогноза состояний автоматизированного технологического комплекса (АТК) и его оборудования; формирования и выдачи данных оперативному персоналу АСУТП или АТК и некоторые другие.

Причем наличие широкого набора типовых алгоритмических, программных модулей и подсистем на основе достаточно развитой методологии проектирования ПО АСУШ [14-19,21,22], совместно с средствами автоматизированного проектирования СПО [I9-22J, позволит не менее чем в три раза сократить сроки и стоимость разработки таких систем [12].

Однако в настоящее время, несмотря на достаточно высокий уровень развития общего программного обеспечения систем с УВМ типов АСВТ-М и ОМ ЭВМ [9,10,23], современных теоретических и прикладных проблем управления [24-44], уровень функционального программного обеспечения и его алгоритмической части в смысле существования проблемно-ориентированных на решение указанных выше задач АСУТП типовых наборов программных и алгоритмических модулей, их унификации и применимости в тех или иных условиях АСУШ одного класса и тем более в АСУТП различных классов оставляет желать лучшего.

Кроме того, при применении ряда известных математических методов обработки информации и идентификации [29-33, 37,38,42-46] в системах реального времени (СЕВ) , в частности в АСУТП РБС, как правило возникает ряд трудностей тесно связанных с решением вопросов теоретической и алгоритмической проработки вариантов реализации этих методов [25,26,34,43], выявлением возможностей их программной или аппаратной реализации [18-20,46] и, как правило, с выполнением значительного объема отладочных работ, что зачастую сдерживает построение высокоэффективных систем прямого цифрового управления электроприводами основного прокатного оборудования, оптимизирующего управления режимами обжатий, скоростными режимами, синхронизацией скоростей и др. для рассматриваемого класса объектов.

Приведенное выше тесно связано со специфическими для каждого объекта условиями получения информации, особенностями имеющихся средств измерительной и вычислительной техники, уровнем развития ее программного обеспечения, и конечно с целевыми функциями возлагаемыми на данную АСУТП.

Объектом исследования дирсертационной работы является алгоритмическое и специальное программное обеспечение информационных подсистем современных АСУТП с УВМ прокатного производства, в том числе АСУТП реверсивных обжимных и балочных прокатных станов,характеризующихся высоким темпом протекания технологического процесса и повышенными требованиями к точностным и надежностным показателям.

Целью работы является исследование и разработка комплексов эффективных алгоритмических и программных средств обработки информации и идентификации, работоспособных в системах с ограниченными временными и пространственными ресурсами, позволяющих уменьшить время создания алгоритмического и специального программного обеспечения информационной части АСУТП, включая подсистемы идентификации и управления в АСУТП прокатного производства.

Новыми научными результатами и основными положениями, выносимыми на защиту, являются: а/ обсуждаемый, с единых позиций подход к рассмотрению проблем обработки информации и идентификации в АСУТП прокатного производства на основе математических методов теории оптимального оценивания, который может быть использован на всех этапах проектирования алгоритмического и специального программного обеспечения АСУТП для: построения подсистем сбора и обработки информации, построения подсистем идентификации характеристик сигналов и параметров моделей процессов работоспособных в реальном масштабе времени (РМВ), построения подсистем контроля за измерительными или получаемыми косвенным путем технологическими параметрами процесса прокатки, разработки цифровых контуров управления АСУТП с адаптивным идентификатором в цепи обратной связи, построения подсистем обработки данных научно-технического эксперимента работоспособных в реальном масштабе времени функционирования объекта с целью совершенствования как технологического процесса, так и процессов управления, автоматизации процесса создания специального программного обеспечения, путем его компоновки из предлагаемых наборов программных модулей; б/ методика построения последовательности коэффициентов в. усиления алгоритмах оценки состояний с оптимальными и субоптимальными свойствами сходимости, позволяющая уменьшить время реализации полученных алгоритмов за счет построения последовательности коэффициентов усиления фильтра в явном виде; в/ методы и теоремы выбора "упрощенной" последовательности коэффициентов усиления фильтра, обеспечивающие несмещенность и асимптотическую среднеквадратическую оптимальность оценок при их минимальной вычислительной сложности; г/ алгоритм сглаживания измерительных данных, обобщающий процедуру текущего среднего; д/ алгоритмы рекуррентной оптимальной оценки параметров типа метода апостериорной вероятности и наименьших квадратов с улучшеной вычислительной эффективностью, определяемой примерно в 1,5 п операций умножения в вещественных числах, где П -размерность задачи идентификации, что позволяет применять разработанные программные модули получения этих оценок в адаптивных системах управления с ограниченными временными, пространственными и вычислительными ресурсами; е/ алгоритмическое и программное обеспечение подсистемы программ идентификации характеристик сигналов и параметров моделей, позволяющей в реальном времени функционирования объекта управления или в ходе промышленного эксперимента производить начальную настройку контуров управления, изучать характеристики измерительных каналов и сигналов от датчиков объекта, а также выявлять математические взаимосвязи между отдельными параметрами объекта; ж/ алгоритмическое и программное обеспечение библиотеки программных модулей рекуррентной оценки состояний и параметров систем в АСУ работоспособных в реальном масштабе времени; з/ разработка и исследование локальных адаптивных математических моделей давления на горизонтальные и вертикальные валки главной универсальной клети балочного прокатного стана, а также разработка локальных моделей давления для калибров клети блюминга 1500 НТМК.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка использованных источников и приложений.

Основные результаты, полученные в диссертационной работе, заключаются в следующем:

1. На основании выполненного анализа структуры технологического процесса прокатки на реверсивных обжимных и балочных прокатных станах, характеризующихся высоким темпом технологического процесса прокатки и повышенными требованиями к точностным характеристикам измерительных и расчетных данных и сформулированной задачи оптимизации режимов управления этими объектами обоснована целесообразность разработки и включения в состав математического обеспечения АСУТП прокатного производства алгоритмических и программных средств (подсистем, модулей и библиотек) стратегической и оперативной оценки состояний и параметров, обеспечивающих повышение эффективности разработки и синтеза алгоритмического и программного обеспечения АСУТП процессами прокатки на базе УВМ с ограниченными временными и пространственными ресурсами.

2. Разработаны структура, функции, алгоритмическое и программное обеспечение подсистемы программ идентификации характеристик сигналов и параметров моделей (ПСП ИХП), ориентированной на применение в АСУТП современных обжимных и балочных прокатных станов, выполненных на базе УВМ типов АСВТ-М и СМ ЭВМ.

Подсистема идентификации включает уровни стратегической идентификации, оперативной идентификации, сбора и обработки информации, и реализуется с помощью трех достаточно унифицированных для АСУТП с УВМ указанных типов пакетов прикладных программ простой или сложной структуры.

3. Для выполнения функций уровня стратегической идентификации в составе ПСП ИХП разработан пакет прикладных программ стратегической идентификации, реализующий задачи исследования статистических свойств информационных сигналов, а также задачи исследования и оценки коэффициентов моделей управления регрессионными методами. Данный пакет обеспечивает изучение и выбор структуры и параметров математической модели управления из имеющейся совокупности до десяти структур моделей линейного и условнолиней-ного вида в процессе ввода АСУТП в эксплуатацию или во время проведения промышленных экспериментов непосредственно на объекте.

4. Для реализации функций уровня оперативной идентификации разработано алгоритмическое и программное обеспечение пакета прикладных программ простой структуры - библиотеки модулей реку-рентной оценки параметров моделей в АСУТП с улучшенной вычислительной эффективностью для процедур оптимального оценивания. Причем вычислительная сложность "ускоренных" рекуррентных методов идентификации типа апостериорной вероятности или метода наименьших квадратов не превосходит 1,5м2 умножений выполняемых в вещественных числах, где п - размер задачи идентификации. Последнее позволяет применять предлагаемые модули оперативной идентификации в АСУТП прокатного производства непосредственно в расчетной части контура прямого цифрового управления процессами прокатки.

5. Для реализации функций уровня сбора и обработки информации разработано алгоритмическое и программное обеспечение библиотеки модулей оценки состояний с оптимальными, субоптимальными и экспоненциальными свойствами в скорости сходимости оценок по ним. Указанные наборы модулей ориентированы на решение задач фильтрации, экстраполяции и сглаживания наиболее распространенных форм аналоговых сигналов от датчиков АСУТП.

6. Для алгоритмов линейной рекуррентной фильтрации разработана методика синтеза процедур оценивания с оптимальными и субоптимальными последовательностями коэффициентов усиления.При этом последовательности коэффициентов усиления фильтров определяются в явном виде в зависимости от номера шага оценивания,что обеспечивает уменьшение вычислительной сложности соответствующих алгоритмов и подпрограмм фильтрации.

7. Результаты исследований свойств сходимости "упрощенных" алгоритмов линейной фильтрации типа стохастической аппроксимации сформулированы в виде трех теорем, в которых показана несмещенность и среднеквадратическая сходимость оценок получаемых с помощью указанных,минимальных с точки зрения вычислений,процедур.

8. Как следствие из теорем получен и исследован достаточно простой алгоритм обобщающий процедуру текущего среднего на случай степенной модели (формы) сигнала.

9. С помощью разработанного автором математического обеспечения ПСП ИХП в промышленных условиях исследованы основные свойства помех,сопутствующих процессу измерений сигналов в каналах АСУТП с УВМ процессами прокатки балочной заготовки, изучен ряд алгоритмов и условий измерения длины балки, а также выбрана структура, изучена сходимость и динамика оперативных оценок коэффициентов локальных математических моделей усилий в клетях блюминга и универсального балочного стана, являющихся основой для построения расчетной части контуров оптимизации технологических режимов процесса реверсивной прокатки в адаптивной АСУТП.

10. Показано, что предельная для данных условий прокатки точность вычисления длины балки примерно в 0,4$ для легких профилей и -1,5$ для тяжелых профилей проката вызвана разбросом текущих значений языков заготовки от их средних величин определяемых данным типоразмером. Установлено, что для достижения указанной точности в определении длины балочной заготовки основополагающим является не только своевременное и надежное определение захвата и выброса металла из валков, а и периодическое, в каждом текущем пропуске, уточнение цены деления датчика импульсов с учетом начальной (предыдущей) ее оценки, полученной по данным прокатки предыдущей заготовки.

11. Установлено, что в виде локальных адаптивных математических моделей усилий на горизонтальные и вертикальные валки главной универсальной клети балочного стана, а также для локальных моделей усилий в калибрах клети блюминга могут быть использованы зависимости представляющие собой линейную часть разложения в окрестности рабочей области устойчивой прокатки данного профилеразмера основного выражения для давления металла на валки записанного в относительных единицах через данные тестового или предыдущего пропуска процесса реверсивной прокатки.

Показано, что практически необходимую скорость сходимости (2-4 шага вычислений) оценок поэффициентов локальных математических моделей усилий при их настройке или коррекции возможно обеспечить применением рекуррентных оптимальных методов средне-квадратического оценивания используемых непосредственно в контуре адаптивного идентификатора. При этом предлагаемые алгоритмы и программы "ускоренных" вычислений по ним удовлетворяют пространственным и временным ограничениям характерным для рассматриваемого класса систем и объектов управления.

12. Разработанные алгоритмическое и программное обеспечение в виде подсистемы программ идентификации характеристик сигналов и параметров моделей, библиотек программных модулей статистической обработки данных и оперативных методов оценивания, внедрено в составе информационно-управляющей системы универсальной группой клетей балочного стана Нижнетагильского меткомбината; вошло в виде библиотек и отдельных модулей в состав специального программного обеспечения АСУТП с Ш М-7000 Лукомокой ГРЭС и Киевской теплоэлектроцентрали $ 5; вошло в состав "Библиотек программных модулей сбора и обработки мнформации, моделирования и управления в АСУТП черной металлургии", представляет основное содержание "Пакета прикладных программ и алгоритмов обнаружения, оценки параметров и состояний в АСУ" и "Библиотеки программ и алгоритмов рекуррентной оценки параметров систем в АСУ,подпрограммы матричной алгебры", переданных в отраслевой фонд программ и алгоритмов МИНПРИБОРа ПКБ АСУ и ГосФАЛ.

Результаты работ также использованы при проектировании нескольких АСУТП процессами прокатки в черной и цветной металлургии.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. МАТЕРИАЛЫ ХШ съезда КПСС, М., Политиздат, 1981. 223 с.

2. АВТОМАТИЗАЦИЯ технологических процессов в прокатном производстве. Под ред.Б.Б.ТИМОФЕЕВА и В.И.ПОПЕЛЬНУХА. М., Металлургия, 1979. 176 с. с ил.

3. ТИМОФЕЕВ Б .Б., ПОПЕЛЬНУХ В.И., ПАРШИН В.А. и др. АСУ ТП в сортопрокатном производстве. Доклад на У1 Международной конференции стран СЭВ и СФРЮ по автоматизации в черной металлургии, №-ШГОРМАТГК , Будапешт, 1979.

4. ЦЕХ по производству широкополочных двутавровых балок с универсальным балочным станом. М., ЦНИИТЭИ ЧМ, 1978.

5. АРХАНГЕЛЬСКИЙ В.И. Зарубежный опыт по созданию и промышленному применению АСУ ТП прокатки. Сб. "АСУ технологическими процессами в прокатном производстве", под ред.Б.Б.Тимофеева и В.И.Архангельского. Киев, Техника, 1975, с.7-13 с ил.

6. АРХАНГЕЛЬСКИЙ В.И. Опыт создания и применения АСУ ТП в прокатном производстве, Киев, УКРНИИТИ, 1976.

7. АРХАНГЕЛЬСКИЙ В.И. Тенденции развития АСУ ТП прокатки за рубежом. Сб. "Автоматизация станов горячей прокатки", под ред. Б.Б.Тимофеева и В.И.Архангельского. Киев, Киевский институт автоматики им.ХХУ съезда КПСС, 1980, с.10-18.

8. ТРАХТЕНГЕРЦ Э.А. Программное обеспечение автоматизированных систем управления, М., Статистика, 1974, 288 с,

9. ЛИПАЕВ В.В., КОЛИН К.К., СЕРЕБРОВСКИЙ Л.А. Математическое обеспечение управляющих ЦВМ. М., Советское радио, 1972.

10. ГУРОВА Л.И., САХАРОВ С.С. Прикладные программы. М., Статистика, 1980. 180 с. с ил.

11. ГИЛЕВ Ю.М., ЛЕРНЕР А.Б., МОГИЛЕВСКИЙ С.М., СТОЛЯРЧУК Л.А. Технология индустриального производства программного обеспечения. " Управляющие системы и машины 11, 1983, № 4с.65-70 с ил.

12. Автоматизированные системы управления технологическими процессами. Справочник под ред. Б.Б.ТИМОФЕЕВА. Киев, "Техника", 1983. 351 с. с ил.

13. СКУРИХИН В.И., ДУБРОВСКИЙ В.В., ШИФРИН В.Б.

14. АСУ ТП. Предпроектная разработка алгоритмов управления. Киев, "Наук.думка", 1980. 295 с. с ил.16. СБИТНЕВ А.И., ВОЛКОВ Ю.Д.

15. Методологические основы проектирования математического обеспечения АСУ ТП. Сб. " Программное обеспечение управляющих ЭВМ Киев, Киевский институт автоматики имени ХХУ съезда КПСС, 1980, с.19-27 с ил.

16. СШТНЕВ А.И. Структурная орг-анизация и проектирование программного обеспечения АСУ ТП. "Управляющие машины и системы", JÉ 5, 1982, с. 38-42.

17. ТИМОФЕЕВ Б.Б., АРТЕМЮК Б.Т., УШАКОВ В.А. Синтез управляющих алгоритмов АСУ ТП на основе модульной организации. "Управляющие системы и машины", 1981, № 3, с.36-40.

18. ЗАЙЦЕВ В.Г., ЕГИЗАРЯН В.Т. Способ автоматизированного проектирования программного обеспечения АСУ ТП. "Управляющие системы и машины", 1979, № 6, с.35-40.

19. ЗАЙЦЕВ В.Г., ЕГИЗАРЯН В.Т. Оперативное редактирование программ при автоматизированном проектировании программного обеспечения АСУ Ш. "Управляющие системы и машины", 1981, № 3, с.41-43.

20. АЙЗЕНБЕРГ А.Б., ВИНОКУРОВ В.Г., КОСТЕЛЯНСКИЙ В.М. и др. Аг-регативная система программного обеспечения М 7000 АСВТ-М. "Управляющие системы и машины", 1976, № 6, с.93-98.2427