автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Алгоритмы адаптивного управления распределенными объектами

Введение

Глава 1. Схемы синтеза алгоритмов адаптивного управления распределенными объектами

1.1. Проекционный алгоритм идентификации

1.2. Рекуррентный алгоритм наименьших квадратов

1.3. Схема синтеза алгоритмов адаптивного управления для распределенных объектов с одним выходом и с чистыми запаздываниями по наблюдаемым и управляющим входным воздействиям

1.4. Схема синтеза алгоритмов адаптивного управления для распределенных объектов с двумя выходами и с чистыми запаздываниями по наблюдаемым и управляющим входным воздействиям

Выводы

Глава 2. Адаптивное управление процессом обжига извести во вращающихся печах

2.1. Характеристика технологического процесса

2.2. Факторы, влияющие на качество выходного продукта (СаО%)

2.3. Обзор подходов к управлению обжигом извести во вращающихся печах

2.4. Постановка задачи адаптивного управления

2.5. Алгоритм управления

2.6. Исследование алгоритма управления на ПЭВМ 60 Выводы

Глава 3. Алгоритмы адаптивного управления в АСУ дуговой сталеплавильной печью

Создание АСУ ТП в отраслях народного хозяйства потребовало разработки сравнительно простых, но высокоэффективных (по точности, быстродействию, приспособлению к изменяющимся условиям) алгоритмов управления. Для достижения этих целей создана и развивается теория и практика адаптивного управления [63]. Все работы этого направления можно условно разделить на две группы [28,63]. Для первой группы [28] характерно использование регуляторов фиксированной структуры с адаптивной (по мере поступления новой информации) коррекцией их параметров - рис. В.1. Особенностью второй группы [63] является использование адаптивной модели (с переменными непрерывно корректируемыми параметрами) для непрерывного синтеза (на осно

Рис.В.1

Рис. В.2 вё модели и локальных критериев оптимальности) управляющих воздействий рис. В.2. Через х* обозначена желаемая траектория движения объекта. Преимущества второго подхода наиболее сильно проявляются при управлении распределенными в пространстве технологическими процессами. Именно этот класс объектов рассматривается в диссертации. Т.к. датчики для основных переменных процесса находятся в определенных точках распределенного технологического процесса, то динамику его удобно описывать разностными уравнениями с чистыми запаздываниями по возмущающим и управляющим входным воздействиям. На каждом такте управления во времени по текущим (и, естественно, предшествующим) измерениям входов и выходов объекта производится коррекция параметров (из-за этого параметры модели становятся переменными). Затем при расчете управлений производится (на основе той же модели) прогнозирование выходных переменных объекта с учетом чистых запаздываний по управляющим входным переменным. А при первом подходе для учета запаздываний надо в регулятор включать упредители. Сложность их синтеза и реализации на много превышает сложность всех алгоритмов адаптивного управления (с идентификацией), получаемых при реализации второго подхода. Здесь подчеркнуто только одно из преимуществ второго подхода, хотя имеются и другие. Реализация адаптивных систем с идентификатором (АСИ) [63] позволяет осуществить достаточно эффективное управление малоизученными объектами, для которых не были известны ни структура, ни параметры их моделей. В процессе реализации АСИ выяснилось также, что одни и те же алгоритмы работы АСИ можно применять для широкого спектра объектов различной природы. Это обстоятельство позволяет решать задачу автоматизированного проектирования математического обеспечения АСИ. Включение идентификатора в цепь обратной связи приводит к тому, что идентификация происходит в замкнутом контуре управления в реальном масштабе времени и главная цель идентификации направлена только на достижение цели управления (например, осуществление движения выходных координат системы (объект - устройство управления) по заданной траектории х с минимальными уклонениями от нее).

Работы по созданию алгоритмов АСИ ведутся в ряде организаций, в том числе в Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР) и в Красноярском государственном техническом университете (КГТУ), в институте проблем управления РАН и др. В НПО "Про-мавтоматика" (г. Иркутск) автором диссертации разработана и внедрена АСИ в АСУ ТП обжига извести во вращающихся печах, разработаны и приняты заказчиком рабочие проекты по АСИ для АСУ ТП дуговыми сталеплавильными пег чами, предложена АСИ для оперативного управления вращающимися печами цементного производства. Работа выполнена по планам НИР КГТУ (Красноярского государственного технического университета) и НИР ИрГТУ (Иркутского государственного технического университета).

Б отличие от работ, основанных на использовании разностных аналогов соответствующих уравнений в частных производных, в диссертации промышленные распределенные динамические объекты описываются существенно более простыми разностными уравнениями с различными чистыми запаздываниями по входным воздействиям (управляющим и наблюдаемым неуправляющим), и для этого подхода необходимо строить новые алгоритмы адаптивного управления. Они должны быть просты в реализации и достаточно эффективны. Общие схемы построения таких алгоритмов предложены в главе 1. Далее на основе этих схем построены новые алгоритмы адаптивного управления (с идентификацией) для конкретных технологических процессов.

Обжиговые вращающиеся печи являются объектом с распределенными параметрами. В процессе обжига извести во вращающихся печах изменяются условия протекания технологического процесса. Из-за этого возникает пережог материала и значительные колебания качества извести. Необходимо так управлять процессом, чтобы несмотря на изменяющиеся условия обеспечивать заданное качество продукта.

В период управления дуговой сталеплавильной печью возникает проблема управления подачей электродов в печь, управление электрическим режимом расплавления шихты печи, а затем нагревом металла в печи до заданной температуры с целью получения стали заданной марки.

В процессе обжига клинкера во вращающихся печах возникает проблема поддержания заданного качества клинкера при изменении условий протекания процесса.

Указанные выше сложные задачи управления потребовали включения в алгоритмическое и программное обеспечение АСУ ТП новых алгоритмов адаптивного управления с идентификацией.

Целью настоящей работы является разработка и исследование новых алгоритмов адаптивного управления с идентификацией, а также их внедрение в алгоритмическое и программное обеспечение разрабатываемых НПО "Промавтоматика" автоматизированных систем управления технологическими процессами. Алгоритмы обеспечивают вывод выхода переменных процессов на заданный режим без перерегулирования и поддержание заданных значений выхода с высокой точностью.

Основные задачи исследований: разработка общих схем синтеза алгоритмов адаптивного управления для распределенных технологических процессов с одним и несколькими выходами, а также с несколькими возмущающими и управляющими входами, и получение на основе них алгоритмов адаптивного управления:

- обжигом извести во вращающейся печах,

- электрическим режимом в дуговой сталеплавильной печи при расплавлении шихты,

- нагревом металла до заданной температуры в дуговой сталеплавильной печи,

- обжигом клинкера во вращающихся печах. Научную новизну работы составляют: алгоритмы адаптивного управления с идентификацией, разработанные применительно к решению технологических задач в целлюлозно-бумажной промышленности (обжига извести), цементной промышленности (обжига клинкера), металлургической промышленности (расплавления шихты, нагрева металла), Использование алгоритмов адаптивного управления обеспечивает выведение выходной переменной процессов на заданный режим без перерегулирования и поддержание заданного значения выхода с высокой точностью, г Методы исследования

Полноту и обоснованность выводов диссертации обеспечивает использование методов: идентификации, адаптивного управления, оптимизации.

Оценка эффективности разработанных алгоритмов осуществлялась методами имитационного и статистического моделирования.

При разработке специального ПО использованы принципы структурного программирования.

К защите представляется:

1. Схема синтеза алгоритмов адаптивного управления для объектов с одним выходом и чистыми запаздываниями по наблюдаемым и управляющим входным воздействиям.

1.1 Алгоритм адаптивного управления процессом обжига извести во вращающихся печах.

1.2. Алгоритм адаптивного управления по поддержанию электрического режима в дуговой сталеплавильной печи.

1.3. Алгоритм адаптивного управления нагревом металла в дуговой сталеплавильной печи.

2. Схема синтеза алгоритмов адаптивного управления для распределенных объектов с двумя выходами и с чистыми запаздываниями по наблюдаемым и управляющим входным воздействиям.

2.1. Алгоритм адаптивного управления процессом обжига клинкера во вращающихся печах.

Теоретическая ценность работы состоит, во-первых, в общности схем синтеза алгоритмов адаптивного управления для распределенных динамических объектов и, во-вторых, в конкретных (но достаточно общих) алгоритмах управления для широко распространенных технологических процессов обжига извести и клинкера во вращающихся печах и плавки стали в дуговых сталеплавильных печах. Алгоримы можно использовать для широкого класса промышленных процессов.

Практическая ценность и реализация результатов работы

Результаты статистических испытаний разработанных алгоритмов подтвердили высокую их эффективность (сравнительную простоту, быстродействие, точность) при решении важных производственных задач автоматического управления обжигом извести и клинкера во вращающихся печах, плавкой стали в дуговых сталеплавильных печах.

Алгоритмы включены в математическое обеспечение АСУ ТП обжига извести Байкальского ЦБК(целлюлозно-бумажный комбинат), АСУ ТП обжига клинкера Ачинского глиноземного комбината, АСУ ТП дуговой сталеплавильной печи Красноярского Крастяжмаша. В учебный процесс ИрГТУ(Иркутского государственного технического университета).

Использование алгоритмов адаптивного управления в АСУ ТП обжига извести во вращающихся печах позволило уменьшить на 1 % расход мазута и увеличить качество извести на 1%, при плавки стали в дуговой сталеплавильной .печи осуществлен выход металла на заданную марку стали и нагрев металла до заданной температуры, при обжиге клинкера во вращающихся печах осуществляется контроль за качеством клинкера, качество увеличено на 1%. Апробация работы

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены на 8 Всесоюзных и Всероссийских конференциях:

• на второй Всесоюзной научно-технической конференции 1990. Микро-прцессорные системы автоматики, (г. Новосибирск)

• на Всесоюзной научно-технической конференции 1990. Автоматизация в химических производствах. (г.Челябинск)

• на Всероссийской научно-технической конференции 1994. Повышение эффективности производства и использование энергии в условиях Сибири . г. Иркутск)

• на Региональной научно-технической конференции 1995. Повышение эффективности производства и использование энергии в условиях Сибири. (г.Иркутск)

• на Региональной научно-технической конференции 1997. Повышение эффективности производства и использование энергии в условиях Сибири. г.Иркутск)

•на ежегодной Международной научно-технической конференции 2000. Повышение эффективности производства и использование энергии в условиях Сибири. (г.Иркутск)

• на шестой Всероссийской научно-практической конференции (21-23 декабря 2000): Проблемы информатизации региона (ПИР-2000) (г. Красноярск)

Публикации

По результатам диссертационной работы опубликовано 7 статей в центральной и местной печати и 8 тезисах докладов на Всесоюзных, региональных конференциях и семинарах. Материалы работы использованы в двух рабочих проектах и в 5 отчетах НИР.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, 4 приложений и содержит 160 страниц машинописного текста, 25 рисунков. Список литературы включает 123 наименований. Содержание работы

Выводы

Новые научные результаты:

На основе анализа технологического обжига клинкера во вращающихся печах (цементное производство) и по результатам обработки экспериментальных данных получена структура двумерной дискретно-временной динамической модели с чистыми запаздываниями (по входным воздействиям) и построено адекватное описание объекта (найдены параметры сигнальных частей выходов и свойства аддитивных помех), использованное для имитации объекта при исследовании качества работы замкнутой системы адаптивного управления.

Синтезирован алгоритм адаптивного управления процессом обжига клинкера во вращаюисихся печах, обеспечивающий вывод объекта на заданный режим и поддержание выходных переменных на заданном постоянном уровне. Исследование алгоритма на имитационной модели объекта подтвердило его высокую эффективность (быстродействие, точность стабилизации и вывод объекта на заданный режим без перерегулирования), что позволяет рекомендовать его к использованию в математическом обеспечении АСУ Ш обжига клинкера.

Результаты опубликованы в следующих работах автора диссертации [72,74, 83,86,87,90,99].

Заключение

Диссертация посвящена решению важной научно-технической задачи: разработке и исследованию алгоритмов адаптивного управления с идентификацией распределенными технологическими объектами и внедрению их в математическое обеспечение АСУ ТП обжига извести во вращающихся печах, АСУ ТП дуговыми сталеплавильными печами, АСУ ТП обжига клинкера во вращающихся печах. При решении этой проблемы были получены следующие основные результаты.

1. Схема синтеза алгоритмов адаптивного управления для объектов с одним выходом и чистыми запаздываниями по наблюдаемым и управляющим входным воздействиям.

1.1 Алгоритм адаптивного управления процессом обжига извести во вращающихся печах.

1.2. Алгоритм адаптивного управления по поддержанию электрического режима в дуговой сталеплавильной печи.

1.3. Алгоритм адаптивного управления нагревом металла в дуговой сталеплавильной печи.

2. Схема синтеза алгоритмов адаптивного управления для распределенных объектов с двумя выходами и с чистыми запаздываниями по наблюдаемым и управляющим входным воздействиям.

2.1. Алгоритм адаптивного управления процессом обжига клинкера во вращающихся печах.

Показано, что все разработанные алгоритмы обладают высокой скоростью сходимости в условиях априорной неопределенности и помех, высокой точностью стабилизации выходных переменных и обеспечивают вывод замкнутой адаптивной системы (объект - устройство управления) на заданный режим без перерегулирования.

119

Полученные алгоритмы внедрены в рабочие проекты, разработанные в Иркутской НПО Промавтоматика, в действующую АСУ ТП обжига извести Байкальского целлюлозно-бумажного комбината, в учебный процесс Иркутского государственного технического университета.

1. Аведьян Э.Д., Цыпкин Я.3. Обобщенный алгоритм Качмажа. // Автоматика и телемеханика.- 1979.- №1,- С. 72 78.

2. Автоматизированные системы управления технологическими процессами Идентификация и оптимальное управление / Под ред. В.И. Салыги -Харьков: Вища школа, 1976. -180 с.

3. Адаптивные автоматические системы: Сборник статей // под ред. Г.А. Медведева. М.: Советское радио, 1972. - 184 с.

4. Адаптивные системы автоматического управления: Учебное пособие / В.Н. Антонов, A.M. Пришвин, В.А. Терехов, А.Э. Янчевский / Под ред. В.Б. Яковлева. Л.: Изд-во Ленинградского ун-та, 1984. - 204 с.

5. Адаптивные системы идентификации / А.Г.Кику , В.И.Костюк , В.Е.Краскевич , А.Н.Сильвестров, С.В.Шпит. Киев: Техшка, 1975. - 288 с.

6. Адаптивное управление точностью прокатки труб / Под общей ред. Ф.А. Данилова и Н.С. Райбмана. М.: Металлургия, 1973. - 224 с.

7. Аксенов В.М., Пащенко Ф.Ф. Об адаптивной идентификации в замкнутых системах // Автоматика и телемеханика. -1980. -№10. -С. 70 80.

8. Александров А.Г. Оптимальные и адаптивные системы: Учебное пособие. -М.: Высшая школа, 1989. -263 с.

9. Бард И. Нелинейное оценивание параметров. М. : Статистика, 1979. -349 с.

10. Вертопрахов А.В. Анализ результатов теплотехнического испытания вращающейся печи №2 цементного завода Ачинского ГК. / СибНИИпро-ектцемент;.- Красноярск, 1989.

11. Верулава Ю.Ш., Георгадзе З.Н., Поляк Б.Т. Исследование алгоритмов оценивания коэффициентов авторегрессии // Автоматика и телемеханика- 1984,-№Ц.-с. 49-57.

12. Вьюков И.Е. Автоматизация технологических процессов целлюлозо-бумажной промышленности. -М: Лесная промышленность, 1983.

13. Вьюков И.Е. и др. Автоматизированные системы оперативно-диспетчерского управления предприятиями целлюлозо-бумажной промышленности. -М: Лесная промышленность, 1978. 248 с.

14. Вьюков И.Е., Зорин И.Ф., Петров В.П. Математические модели и управление технологическими процессами. М.: Лесная промышленность, 1975. -374 с.

15. Вьюков И.Е., Пивоваров В.Г. О взаимосвязи параметров процесса регенерации извести во вращающихся печах // Труды ВНИИБ. 1967. - Вып. 52. - С. 152-153.

16. Гантмахер Ф.Р. Теория матриц. М.: Наука, 1988. - 552 с.

17. Гельфандбейн Я.А., Колосов Л.В. Ретроспективная идентификация возмущений и помех. М. : Советское радио, 1972. - 230 с.

18. Гильбо Е.П., Челпанов И.Б. Обработка сигналов на основе упорядоченного выбора. М.: Советское радио, 1976. - 344 с.

19. Троп Д. Методы идентификации систем. М. : Мир, 1979. - 270 с.

20. Данилов и др. Адаптивное управление точностью прокатки труб. М.: Металлургия, 1973. - 224 с.

21. Девятое Б.Н., Демиденко Н.Д., Охорзин В.А. Динамика распределенных процессов в технологических аппаратах, распределенный контроль и управление. Красноярск: Красноярское книжное издательство, 1976. -310 с.

22. Дейч A.M. Методы идентификации динамических объектов. М.: Энергия, 1979.-240 с.

23. Демиденко Н.Д. Моделирование и оптимизация тепломассообменных процессов в химической технологии. М.: Наука, 1991. - 240 с.24