автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Анализ и синтез энергосберегающего управления процессами нагрева

На правах рукописи

РГ5 ОД

Муромцев Дмитрий Юрьевич.

АНАЛИЗ И СИНТЕЗ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССАМИ НАГРЕВА (на примере нагревательных установок)

05.13.07 - Автоматизация технологических процессов и производств (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тамбов 2000

Работа выполнена в Тамбовском государственном техническом ут верситете на кафедре "Информационные процессы и управление".

Научные руководители: Заслуженный деятель науки и техники РФ,

доктор технических наук, профессор Бодров Виталий Иванович.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Попов Николай Сергеевич; доктор технических наук, профессор Коренной Александр Владимирович

Ведущая организация: АО "Полимермаш", г. Тамбов

1°

Защита диссертации состоится " /? " -¿^оуьУхг- 2000 г. в "¿5_" час< на заседании диссертационного совета К 064.20.61 Тамбовского государс венного технического университета по адресу: г. Тамбов, ул. Ленингра екая, 1, ауд. 60.

Отзывы в двух экземплярах, скреплённые гербовой печатью, проси направлять по адресу: 392000, г. Тамбов, ул. Советская, 106, ТГТУ, учено.\ секретарю.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ТГТУ.

Автореферат разослан "/£ " (Ь^гзьл* 2000 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета, доцент В. М. Нечае

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Тепловые процессы являются наиболее энерго-:мкими и распространенными процессами в химической, металлургиче-:кой, машиностроительной, строительной, пищевой и других отраслях промышленности. Затраты на электроэнергию и различные виды топлива (теп-юносителей) для большинства промышленных и сельскохозяйственных тредприятий относятся к числу основных и становятся сопоставимыми с шратами на сырье. Значительная доля энергозатрат приходится на нагре-¡ательные установки, теплообменники, печи, реакторы и другие аппараты, I которых протекают тепловые процессы. Важным резервом Снижения 1нергопотребления в таких машинах и аппаратах является оптимальное 'правление динамическими режимами с учетом изменяющихся состояний функционирования. Теоретические исследования показывают, что при оп-имальном управлении уменьшение затрат энергии (расхода топлива) может юстигать от 10 % до 30 % по сравнению с традиционными видами упрап-[яющих воздействий. Серьезным сдерживающим фактором в реализации ттимального управления (ОУ) тепловыми процессами является отсутствие ¡лгоритмов синтеза ОУ в реальном времени, которые могут быть использованы простыми и дешевыми микропроцессорными устройствами. Поэтому >ешение задач анализа и синтеза энергосберегающего управления тепловы-1И процессами является актуальной темой исследования.

Данная работа выполнена в соответствии с единым заказ-нарядом Ми-шстерства общего и профессионального образования РФ ТГТУ и темами оздоговорных НИР ТГТУ 1994 - 1999 гг. (33-94, 41Г-94,'1Г-96, 10Г-97, Г-98, 12-98, 9Г-99), проводимых по тематике энергосбережения, в учебном (роцессе ТГТУ, а также договором о международном сотрудничестве между ~ГТУ и фирмой Zila Elektronik (Германия) от 4.11.97 г.

:Цель работы. Целью работы является решение комплекса задач анали-а и синтеза оптимального энергосберегающего управления тепловыми |роцессами с учетом возможных изменений состояний функционирования, оздание на базе полученных решений алгоритмического обеспечения для шкропроцессорных устройств, синтезирующих в реальном времени ОУ, [роверка работоспособности новых алгоритмов на реальных тепловых уста-ювках. •" ;= - ■ : • - ' ;

Научная новизна работы.

Предложена модель, учитывающая особенности нагрева тел и позво-яющая оперативно решать задачи энергосберегающего оптимального правления. ■ ■

Разработан алгоритм идентификации модели динамики, который по-воляет определить число стадий нагрева, виды моделей отдельных стадий, раницы температурных диапазонов к параметры моделей.

Определены виды функций оптимального управления процессами агрева при программной стратегии и синтезирующих функций при позици-нной стратегии, учитывающие особенности процессов нагрева тел.

Предложены виды функций квазиоптимального управления, алгорит мы расчета параметров в реальном времени, которые могут быть реализов; ны простыми микропроцессорными средствами.

На защиту выносятся.

.. Постановки задач анализа и синтеза при проектировании систем эне[ госберегающего управления тепловыми объектами с учетом возможных изм< нений состояний функционирования в процессе эксплуатации.

Результаты решения задач энергосберегающего управления тепловым объектами.

Модели динамики тепловых процессов, позволяющие оперативно ре шатъ задачи синтеза энергосберегающих управляющих воздействий, алгс ритмы идентификации моделей динамики.

Алгоритмы синтеза юзази оптимального управления.

Фреймы базы знаний экспертной системы для автоматизированног решения задач анализа и синтеза энергосберегающего управления процес сами нагрева жидких.и твердых тел.

Методы исследования. В работе использованы методы моделировани и идентификации динамических объектов, современной теории автоматиче ского управления, автоматизированного проектирования и системного аш лиза. - - -

Обоснованность научных результатов. Исследования по теме выполни лись с помощью современных математических методов теории оптимал; ного управления, с применением информационных технологий, компыс терного тестирования программных продуктов. Получаемые теоретически положения проверялись на лабораторных и промышленных установках. " ■ Практическая ценность работы. Разработаны программные средстг для автоматизированного проектирования систем оптимального управлени тепловыми процессами, в частности, для идентификации объектов управле ния, синтеза оптимальных программ нагревом тел, определения синтеза . рующих функций оптимальных регуляторов, расчета эффективных квазиол тимальных. управляющих воздействий. Созданные программные средстЕ могут использоваться как самостоятельно, так и в качестве модулей экс пертной системы "Энергосберегающее управление динамическими объект;: ми". .... '

Реализация работы.

Результаты решения задач анализа и синтеза ОУ тепловыми процессе ми позволяют выбирать целесообразную структуру автоматической систем: энергосберегающего управления и оперативно разрабатывать ее алгоритму ческое обеспечение, позволяющее в реальном времени синтезировать ОУ изменяющихся условиях работы объекта.

Полученные алгоритмы использованы в автоматических система управления ЭВН-400 (ВИНИТиН), при разработке энергосберегающих сис тем управления, осуществляющих в.реальном времени синтез оптимальног

правления нагревом печей отжига, металлических заготовок, прессового борудования, а также электроприводами. • . . •

Апробация работы. Основные результаты работы представлялись и об-уждались на международных и всероссийских научных конференциях: '[[ международная научно-техническая конференция "Оптические, радио-олновые,. тепловые методы и средства контроля природной среды, мате-иалов и промышленных изделий" (Череповец, 1997 г.); Международная аучно-техническая конференция "Системные проблемы надежности магматического моделирования и информационных технологий" (Москва, 998 г.); VIII международная конференция-выставка "Информационные гхнологии в профессиональной подготовке" (Москва, 1998 г.); IV междуна-одная конференция "Актуальные проблемы электронного приборострое-ия" (Новосибирск, 1998 г.); Международная научно-техническая конфе-енция "Системные проблемы качества, математического моделирования и нформационных технологий" (Сочи, 1999 г.); III Международная научно-гхническая конференция "Динамика систем, механизмов и машин" (Омск, 6-28 октября 1999 г.); V Всероссийская научно-техническая конференция Повышение эффективности методов и средств обработки информации" Тамбов, 1997 г.); III Всероссийская научно-техническая конференция "Ди-амика нелинейных дискретных электротехнических и электронных истем" (Чебоксары, 1999 г.); II научно-практический семинар "Новые ин-юрмационные технологии" (Москва, 1999 г.); III научная конференция реподавателей и студентов ТГТУ (Тамбов, 1996 г.); II Тамбовская межву-овская научная конференция "Актуальные проблемы информатики и ин-юрмационных технологий" (Тамбов, 1998 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 22 печатные работы, олучсны 3 свидетельства о регистрации программ для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех пав, заключения, списка литературы и приложения. !

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность, сформулированы цель работы и адачи исследования, отмечена научная новизна, основные положения и езультаты, выносимые на защиту. Дана аннотация работы по главам.

В первой главе рассматриваются наиболее распространенные тепловые бъекты, модели тепловых процессов и системы автоматического управле-ия тепловыми установками. Выполнен анализ современного состояния по птимальному управлению (ОУ) тепловыми объектами. На основе обзора итературы по вопросам моделирования и энергосберегающего управления пределена предметная область исследования, сформулированы целБ и за-ачи. работы. ! •

Во второй главе рассмотрен широкий класс прямых и обратных задач птимального управления (ЗОУ), различающихся моделями М объектов правления, видами функционалов F, стратегий S реализации ОУ, уело-

вии и ограничений О; исследованы методы решения этих задач на множ ствс состояний функционирования (МСФ); разработана структура вычисл тельного пространства для оперативного анализа и синтеза энергосбер тающего управления тепловыми процессами.

Каждая ЗОУ обозначается "четверкой" К в виде кортежа

К M,F,S,0>, ■ (

здесь М, У, р> Ж - множества соответственно моделей Л/, функционал! F , стратегий S и ограничений О.

Например, ЗОУ для объекта с моделью в виде системы обыкновенш дифференциальных уравнений, функционалом затраты энергии, ирограм! ной стратегией реализации ОУ и "типовыми" ограничениями на управл ние и, закрепленными концами траектории вектора фазовых координат фиксированным временным интервалом , tк j обозначается "чстверко

<f, Э, Пр, 0>, т.е.

h

z = f(z, и, t; а, р), (М = f); /„ = fu2(t)dt min , (F = Э);

. ■ J и

ta

«*(•) = И4 / 40,/J, (5 = Пр) (

t

W e [to, tk J: irit) e [«н, ]; )(u*(tpt < /..

до n

здесь / - вид правой части системы дифференциальных уравнений с пар; метрами а,Р; ин,ив~ границы изменения управления; /То11~ допустим«

значение лимита энергии.

При решении задачи (2) определяются вид и параметры функции О

г/*(?), вычисляются оптимальная траектория • и значение функциожи

/* либо показывается, что ОУ не существует. Для решения данной прямс

задачи задается массив исходных данных (реквизитов)

Я = (/\а, р,2г°, г*, Г ,(. ,и ,п ,/ ). \ > > г> > ' о' к' н' в' доп/

В случае обратной задачи определяются значения компонентов А например, г/в, а, (3, ¿к , которые обеспечивают существование решения 30

или "устойчивость" вида функции ОУ. -

Традиционное вычислительное пространство <Ж решения прямых обратных задач содержит тройку множеств: К - виды ЗОУ, Я - значен}

исходных данных, У - результаты решения ЗОУ и два оператора 91, Г2 в виде алгоритмов решения соответственно прямых и обратных задач, т.е.

IV = (к; я У; ТГ, П), ?7': К у Я-У У, П:'КхУ^Я.

При управлении тепловыми объектами наиболее часто используются задачи: <А, Э, Пр, От >, <А, Э, Пз, От >, <А, Т, Пр, От >, <ДИ, Э, Пр,

От >, <ДИ, Э, Пз, От >, <ДИ, Т, Пр, От >, <АИ, Э, Пр, От >, <ДА, Э, Пр, 0,г >, здесь А, ДИ, АИ, ДА - модели объектов в виде апериодического звена и двойного интегратора, соответственно реального ДИ и двойного А; Э, Т - функционалы затраты энергии и расход топлива; Пр, Пз - программная и позиционная стратегии; О - "типовые" ограничения. Реьчение ЗОУ в

пространстве IV связано с большим объемом вычислений, трудностями , графического отражения связей между 7? и У .

Для оперативного решения ЗОУ в работе Вводится вычислительное -пространство V , использующее вектор синтезирующих переменных Ь с размерностью'значительно меньшей размерности Л", г,е.

'V = (<К Я, £,, У, \ , Л", П),

■•Я': '/С X Я -> е, II : 'К У, П : К хУ €,, V : К* £-* Я

здесь к, X' - операторы, обеспечивающие пересчет Я в £ и обратно; £ -множестпбЪначений Ь. '

Пространство' 'К имеет следующие достоинства: 1) объем памяти базы знаний, необходимый для решения задач анализа и синтеза ОУ, уменьшается примерно в сПт И / йТтТ раз, здесь <ЗГтУ?, ЖшТ - средние на множестве К значения размерностей массивов Я и Ь ; 2) в несколько раз сокращается время решения прямых и обратных ЗОУ; 3) открывается возможность диалоговой визуализации результатов вьгшелительного процесса'-' при анализе и синтезе ОУ; 4) облегчается структурирование громоздкого математического аппарата при создании базы знаний для автоматизированного проектирования. Пространство V позволяет оценить, насколько существенен запас, при котором имеет место решение ЗОУ, оперативно решать задачи разработки алгоритмического обеспечения управляющих устройств. Среда <У использована при создании базы знаний экспертной системы "Энергосберегающее управление динамическими объектами". Разработан способ введения вектора Ь, который имеет минимальную размерность, инвариантен к виду функционала, стратегии реализации ОУ и ограничениям на управление, при этом обеспечиваются однозначность отображения Я £ и взаимная однозначность отображения £ о У, что необходимо для решения обратных, задач..

Для многих тепловых объектов характерны нелинейности, вызываемые изменением параметров нагреваемых тел в зависимости от температуры, разового состава, характером протекаемых процессов, а также наличие вре-

менного запаздывания. Кроме того, возможны изменения компоненте! массива К между интервалами [¿о, Ск | ив моменты е ].

В качестве "рабочей" модели при решении задач анализа и синтеза 0> рассматривается "двойка" {К, К) на МСФ. Каждому значению (К, К) ставится в соответствие значение переменной состояния функционировать А. Выделено четыре класса моделей (К, Е), различающихся возможность« их идентификации и изменения на временном интервале |/о, ? ].

В моделях первого класса изменений компонентов (К, К) и, следовательно, переменной /г, на интервале , Г] не происходит, значения все>

компонентов к моменту / известны. В моделях второго класса измененш Л на интервале [¿о, tк ] также не происходят, но точное значение Л к моменту времени / неизвестно вследствие отсутствия информации об отдельных компонентах Я, могут быть известны лишь вероятности состоянш' функционирования. .

В рабочих моделях третьего и четвертого классов значение переменно£ к в интервале может изменяться. Для модели третьего класса новое

значение Ь своевременно идентифицируется, в моменты "переключения' И решаются задачи синтеза новых ОУ.

В моделях четвертого класса значение Л после "переключения" не идентифицируется (или не может быть учтено для коррекции ОУ). Здеа расчет ОУ происходит с учетом возможных траекторий Л().

В главе приводятся постановки задач, решаемых при автоматизированном проектировании автоматических систем энергосберегающего управления, в т.ч. идентификации модели объекта, синтеза алгоритмического обеспечения, определения оптимальной стратегии реализации ОУ, нахождение квазиоптимального управления. . ,

Третья глава посвящена решению задач анализа ОУ на МСФ. С учето* возможного изменения переменной Л рассмотрены шесть стратегий реализации ОУ: программная некорректируемая нк (программа ¿/*() неизменна на \0^к\)\ программная корректируемая к (и'{) корректируется при изменениях /г); программная комбинированная км («*(•) корректируется, если Л выходит из подмножества допустимых состояний); аналогичный смысл имеют позиционные некорректируемая з ш , корректируемая 5п з нк и комбинированная 5п з км стратегии.

Основные результаты анализа ОУ для; задач <М2,Э, Пр,0> М7 е {ДА, АИ, ДИ} представлены следующими соотношениями:

'к

г = рн(0, г = , /э = |н2(*)Л, = гк ;

"1) = («,-('). < е L 'J i = ГГ21, Vf 6 [io, rj: n(i), Г € ,/J „;(/) = w(f), u;(4)(r) = (Й^ üh(b}/i2(4)) »;(s)(0 = (»н(в), «(^3(5)),

' "6(7)W = к („). "(0. "„(„ r6(7))' »¿(10) W = i"(t)/ ta : «h(d j) ,

= :%(„))> ",2(14)(') = Ц(4)(0/'о :"b(h)). (3)

l,13(l5)(') = к(5)(0/'* : г'в(н))- иГб(17)(0 = к(н)' "„(в )/?1б(17))' "!8(l9)(f) = WH'o "„(в )"' h "в („)) "20(21)(0 = "в (и) ' МО = С + Л '

ujf) = c + de^, üm[t) = ceh* +deУ, Х,(2) = 0,5^- аг^а\ + Ц ) .

Каждому виду ОУ г/* (/), / = 1; 7 в' пространстве г/ соответствует область V- (рис. 1), и* (г), i = 8; 17 - линии (границы областей) и видам (/* (/), / = 18; 21 - точки (концы линий). Линии Vl6, VX1 соответствуют u*(t) для задачи максимального быстродействия и ограничивают область Я существования ОУ. Если (¿р ¿2) г , то решение ЗОУ при задаваемых данных R не существует. Важным достоинством использования L является то, что области V„ образуют "статическую" картину, которая не зависит от

значений z°, zk, и , и .

Для задач <М2, Т, Пр, 0> с функционалом

/., - jii{l)dt min . >

. t "

возможны невырожденные И вырожденные ОУ в виде ступенчатых функций, которые в предположении ir - juj'равны: ' ' 1

- невырожденные ОУ,

Н1(2)(0 = к („)' °> "„(в )!%У 'У' "з(4)(Г) = к(н)' Ыи(в )/'з(4)) Ы5(б)(0 = "»(«) ' "7(9)<Г) = ("в(н)' °/%У %) = Г )'

Чо/'И0' "н(в)А8(10)' ^8(10) = О'" "11('М°Ли ='о- 'П

- вырожденные ОУ,

"12(13)^) = Г12 6 [°'"В1 £ к'°1'

У1(4)(15)(/)=(°'М15)Л4(15)' е [°> "Л ?15 е К ' 4

г,1?(17)(/)= (Г 16(17) ^ 16 6 "в! Г17 6 О}.

!' 7 18.

У7

¡'21

При анализе ОУ для зад; <М2, Э, Пр, 0>, <М2, Т, Пр, О сформулированы и доказаны у

у._ * ¡ерждения, которые позволяй

20 г[рИ МОНОТОННОСТИ (/да (7) см.(3 сделать следующие выводы.

1 Число видов ОУ и взам А ное расположение областей V

для задач <М2, Э, Пр, 0> один; ково и не зависит от соотношеш между ¡/н и ип. Все ОУ невырс

жденные, функции //*(?) являютс убывающими или возрастают! ми, за исключением и*^ (/), //*7(/

не имеют

разрывов и содержат не более дв> точек излома.

2 Число видов ОУ и взаимное расположение областей V. для зада

Рис. 1 Области и виды функций ОУ для задач <М2, Э, Пр, 0>

<М2, Т, Пр, О^ .одинаково, но зависит от соотношения между ип и иц.

случае и =0 число видов ОУ сокращается. Все ОУ являются кусочно н

постоянными неубывающими или невозрастающими функциями и содег жат не более двух точек разрыва.

3 Внешние границы областей Яс при функционалах /э и / совпа

дают, решение ЗОУ на этих границах совпадает с решением задачи макси мального быстродействия. Множество Я является компактным.

4 Для задач <ДИ, Э, Пр, 0>, <АИ, Э, Пр, 0> оптимальная программа имеет вид «*(•), если выполняется условие 1{ е К , а для задачи <ДА, Э,

Пр, 0> дополнительно должно выполняться условие (У^ <= ЯС)Л (У19 е Кс)-

Полученные результаты о видах функций ОУ справедливы также для объектов с временным запаздыванием х по каналу управления. Рассмотре- • ны три случая. В первом случае управление и о (•) = (/), Г е - т, /о|) известно и можно определить состояние +т). Здесь достаточно изменить в массиве Я значение г° на и интервал ¡¿о, Iк ] на

- *]• Во втором случае управление ио(•) неизвестно и рассчитать в момент времени нельзя, но можно измерить .?(•)= , / е [/о, I + т]. В третьем случае управление и (■) неизвестно и оценить значения ¿•(г1), ( > ^ нельзя.

В случае позиционной стратегии управляющее устройство в каждый момент времени /■ е [?о, (к ] для текущего состояния Л по значениям вектора /.(}) и массива /?/, = А, и гк , Iк , /) вырабатывает оптимальное управляющее воздействие, обеспечивающее достижение цели управления хкИ] при минимуме функционала / с помощью син-

тезирующей функции (о), г), т.е.

= <р(г, ЯьЩ^ 1о < 0 < г < 1кЬ , здесь в - момент установления состояния функционирования Л; /д - ко-

понента Й. /,, отражающая модель объекта в состоянии Л.

Основные результаты анализа задачи <М2, Э, Пз, 0> представлены следующими соотношениями:

2 2

¿ди = (¿,,¿2):!, = 12 = рС/^, * е [0;2} и е [- 1,1],

о о

2 2 , Хаи = (¿р12,а2):£, = х2 =

о о

,22 Лда = , м): = |еЛ1'С/(^, £2 =

3 H

ulM>s)=Д - vO- ®e да)'

Границы областей Vf при позиционной и программной стратегиях совпадают.

Четвертая глава посвящена вопросам синтеза оптимальных управляющих воздействий и алгоритмов функционирования энергосберегающих систем управления с использованием расчетного пространства 'V . Рассмотрены общие задачи синтеза, решаемые на стадии проектирования СОУ при помощи комцьютера. с экспертной системой, задачи синтеза, выполняемые непосредственно микропроцессорным управляющим устройством, в т.ч. задачи синтеза ОУ в реальном времени (оперативный синтез) и задачи совмещенного синтеза, включающие идентификацию модели объекта.

В общей задаче синтеза задаются: а) модель ЗОУ, включающая формулы расчета L, соотношения для определения границ областей Ц, формулы

расчета параметров ОУ, траекторий z' (•) и значений /*; б) диапазоны возможных изменений компонентов массива Я, т.е. [ан, ад\, [¿>([, £>J , //*] и т.д. Необходимо определить: множество VR видов функции ОУ для указанных интервальных значений компонентов R , соотношения определяющие вид и*(t) и проверку существования ОУ, формулы расчет.:

параметров u*{t), i е VR , характерные траектории z*(/7/*(/j) и диапазог

изменения функционала /* в интервале значений R. Блок-схема алгоритма решения общей задачи синтеза приведена на рис. 2. Блок 1 реализует задание интервальных значений дR и число вычислительных эксперимен тов N. Далее в цикле (блоки 2 ... 8) случайным образом выбираются конкретные значения реквизитов, рассчитываются переменные L (блок 6), гк которым определяются вид функции ОУ, ее параметры я фуикциона: (блок 7). Накопленная информация о видах функции ОУ множество {V}

значений параметров {П} и функционала |/*}, а также вероятность Р\уа1

отсутствия решения ЗОУ и значения реквизитов Ио, при, которых ОУ не

;уществует, выводятся блоком 9.

Решение общих задач синтеза ОУ для различных тепловых объектов позволило выделить виды ОУ, наиболее характерные для процессов нагрела, в частности, когда скорость изменения температуры (г2) в начальный

1 конечный моменты времени невелика или равна нулю. Например, для ЮУ < М2, Э, Пр, 0> наиболее часто имеют место виды ОУ

и]{1), У = 1, 4, 20 (рис. 1).

Задача синтеза ОУ в реальном времени решается бортовым контроллером. В ПЗУ контроллера за-южены сведения о видах функций

которые возможны при эксплуатации конкретного объекта, ;оотношения для определения ви-1а функции ОУ и ее параметров, ".е. фрагмент модели ЗОУ < М, Г, О > . Требуется для за-цтаемого массива /? определить ¡ид и параметры функции ОУ за 5ремя, не превышающее допустимого значения ДГ

При изме-

1ении состояния Л на интервале

происходит коррекция

Рис. 2 Блок-схема алгоритма решения общей задачи синтеза

В задаче синтеза квазиоптимального управления (КОУ) определяется

и(?) в виде ступенчатой функции, имеющей то же число параметров, что и функция Применение КОУ упрощает реализацию управления за счет

«большого числа фиксированных значений ' и.. Например, для нагрева

шумя ТЭНами «(/) может принимать три значения: 0 (оба элемента выключены), и^ (один элемент включен) и и2 (два элемента включены).

1исдо значений и(с) увеличивается введением дополнительных элементов 1ли использованием разных способов их включения (последовательное, па-

раллельное, комбинированное). Для объектов с моделями М2 параметр!

КОУ находятся решением системы из двух (обычно нелинейных) уравнени с двумя неизвестными.

Введено понятие эффективного КОУ обеспечивающего увели

чение функционала не более допустимого значения по сравнению с /* Повышение эффективности достигается увеличением числа парамет

ров,'рассчитываемых методом неопределенных множителей Лагранжа. На пример,.для объекта первого порядка т фиксированных значений ч^

аЩг)= (и,, I е иг, I е [/(„Г2);...; ит, I <= [/,„_,,*])

рассчитываются по формуле

и . = /

, -а(. -а*. а\е 1 - е '

*2>

1=1

—¡а.

2

У = 1 V*/

- В задаче совмещенного синтеза ОУ за время А^ сначала идентифи

цируется модель объекта, затем определяются вид и параметры функци ОУ. —

... Приводятся примеры внедрения результатов анализа и синтеза энерго сберегающего управления реальными тепловыми объектами.

Для.электрического водонагревателя ЭВН-400 по экспериментальны! термограммам получена модель ДИ + А + А , т.е.

Аг(() + Ц(//))»(*), ^ е [12; 36 °с)

,г = - 2 е I36;60 °С) '

а3г(г)+63и(^ г е 93 °с]

. а1 = 1; Ьу = 0,032; а2 = -0,53; Ь2 = 0,1; а3 = -0,3; ¿>3 = 0,08, здесь |аДг/)}, ^Ду)} - множества значений параметров модели, зависящие о величины управления и.

Результаты анализа энергосберегающего нагрева при увеличении ^

(традиционный нагрев выполнялся за 9,5 ч) в виде изменения значенш функционала по зонам (/*,/ = !, 2, з) и в целом приведены на,рис. 3. На пример, при =5= 10,5 ч, т.е.

Я = Ц = (; 0,032; а2 = -0,53; ¿>2 - 0,1; ,?3 = -0,3; Ь3 = 0,08; ин = 0, ня = 380;= 12; ^ 0; г(?п1 ) = 36; г(гп2) = 60; == 93; ^ = 0; ^ = 10,5), -получено ОУ в виде

и'(■) = (//;(4 / г [0; 2,85), ¡'¡(г), I с [2,85; 5,26); //'(/) I е [5,26; 10,5]),

где //¡40 - 264,95 + 81,84/, I е [0; 2,85),

н*(0 = 190 + 135,48?0,53^"2'55', / е [2,85; 3,49), 380, ( е [3,49;5,2б);

- 190 г 17,88<?0'3('-5-2б), ( е [5,26; 5,54) 380, ? е [5,54; 10,5) 1

Из рис. 3 видно, что эффект экономии в основном достигается за счет ОУ первой зоны. Общая экономия энергозатрат составляет »15% при незначительном увеличении Г . Последовательность расчета ОУ показана на рис. 4.

120 100 80 60 40 20 0 А

¡ъ/1ъ

88>4 86,2 84^/7/

Л*

9.5 Э,?5 10 1055 10,5

Рис. 3 Изменение функционала при увеличении

Рис. 4 Последовательность работы программных модулей ЭС при решении задачи <ДИ+А+А, Э, Пр, 0>

Предложенный подход использован при решении задач энергосберегающего управления печами отжига, нагревом прессового оборудования, металлических заготовок, пуском электроприводов.

В приложения вынесены соотношения для расчета параметров оптимального управления процессами нагрева при различных видах функционалов и акты внедрения. '

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Разработаны модели динамики тепловых объектов, учитывающие особенности нагрева тел и позволяющие оперативно решать задачи анализа оптимального энергосберегающего управления.

Разработаны алгоритмы идентификации, позволяющие получать адекватные модели тепловых процессов, которые могут быть использованы для оперативного синтеза управляющих воздействий.

Определены основные виды функций оптимального управления процессами нагрева при программной стратегии и синтезирующих функций при позиционной стратегии. Разработаны алгоритмы с.интеза в реальном времени оптимальных энергосберегающих воздействий, которые могут быть реализованы простыми микропроцессорными устройствами.

Предложены алгоритмы синтеза квазиоптимального управления, обеспечивающего увеличение функционала не более заданного.

Исследованы стратегии реализации ОУ на МСФ, которые могут быть использованы при зонном моделировании тепловых процессов. Выявлены особенности оптимального управления тепловыми объектами.

Решен комплекс задач анализа оптимального энергосберегающего управления тепловыми процессами, разработаны модули базы знаний экспертной системы "Энергосберегающее управление динамическими объектами".

Разработано алгоритмическое обеспечение систем оптимального управления рядом тепловых объектов - водонагревателем ЭВН-400, печами отжига, нагревом прессового оборудования, металлических заготовок, пуском электродвигателей. Экономия энергозатрат в динамических режимах для этих объектов составляет 5 - 20 %.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах

1 Применение экспертной системы для оптимального управления технологическими процессами / С. В. Артемова, Д. Ю. Муромцев, С. Б. Уша-нев, Н. Г. Чернышов // Информационные технологии в проектировании и производстве. - 1997. - №1. - С. 12 - 16.

2 Муромцев Д. Ю: Оперативный синтез энергосберегающего управления для линейных систем с запаздыванием на множестве состояний функционирования // Тр. ТГТУ: Сборник научных статей молодых ученых и студентов. - Тамбов, 1999. - Вып. 4. - С. 47 - 50.

' 3 "Муромцев Д. Ю., Орлов В.. В. Информационно-технологическая среда проектирования интеллектуальных контроллеров // Компьютерная хроника, - 1997. - № 12. - С. 3 - 8.

4 Артемова С. В., Муромцев Д. Ю. Энергосберегающее управление одним классом нелинейных объектов // Труды молодых ученых и студентов ТГТУ. - Тамбов, 1997. - Вып. 1. - С. 194 - 197.

5 Орлов В. В, Муромцев Д. Ю. Информационные технологии в проектировании микропроцессорных систем контроля и управления // Труды молодых ученых и студентов ТГТУ. - Тамбов, 1997. - Вып. 1. - С.206-209.

'6 Орлова Л.П., Муромцев Д.Ю. Учебная САПР энергосберегающих систем управления // Элементы и устройства микроэлектронной, аппаратуры: Межвузовский сборник научных трудов. - Воронеж, 1999. - С. 156 - 162.

7 Применение экспертной системы энергосберегающего оптимального травления динамическими объектами / С. В. Артемова, Д. Ю. Муромцев, В. В. Орлов, А. В. Федоров // III научная конференция ТГТУ: Краткие тез. юкл. - Тамбов, 1996. - С. 174 - 175.

8 Муромцев Д. Ю., Орлов В. В. Информационно-технологическая :реда "Анализатор" // Оптические, радиоволновые, тепловые методы и средства контроля природной среды, материалов и промышленных изделий: Гез. докл. VII Международной научно-технической конференции. - Чере-товец, 1997. - С. 110- 111.

9 Муромцев Д. Ю. Диалоговая система моделирования нелинейных объектов // Системные проблемы качества, математического моделирова-шя и информационных технологий: Материалы международной науч.-техн. <онф. и Российской научн. шк. - Ч. 4. - Москва; НИИ "Автоэлектроника", 1999.-С. 101.

10 Бодров В. И., Муромцев Д. Ю. Синтез энергосберегающих устройств управления нелинейными объектами, реализующих позиционную ;гратегию // Динамика нелинейных дискретных электротехнических и электронных систем: Материалы III Всероссийской научно-технической ■сонференции. - Чебоксары, 1999. - С. 92 - 93.

11 Орлова Л. П., Муромцев Д. Ю., Мудрецов А. А. Дидактические аспекты использования экспертной системы в. обучении проектированию систем управления //Труды ТГТУ. - Вып. 2'. - Тамбов, 1998. - С. 111 - 114.

12 Орлова Л. П., Муромцев Д. Ю. Использование интеллектуальной САПР в процессе подготовки современного специалиста // Актуальные лроблемы информатики и информационных технологий: Материалы И-ой Тамбовской межвуз. науч. конф. - Тамбов, 1998. - С. 64 - 66.

13 Экспертная система для оперативного проектирования энерго-;берегающих управляющих устройств / Л. П. Орлова, В. М. Потапов, Т 10. Муромцев, С. Б. Ушанев // Актуальные проблемы электронного приборостроения: Труды IV Международной конф. - Т. 13. - Новосибирск, 1998, - С. 71 - 72.

14 Артемова С, В., Муромцев Д. Ю., Неретин А. В. Программное >беспечение автоматизированного рабочего места "Энергосберегающее травление процессами нагрева" // Компьютерная хроника. - 1997. - №12. -

101 - 112.

15 Использование экспертной системы и программно-технического отладочного комплекса в профессиональной подготовке / Д. Ю. Муромцев, 3. В. Орлов, А. Ю. Сенкевич, С. Б. Ушанев // Информационные технологии в образовании: VIII Международная конференция - выставка. Научно-летодический сборник тезисов докладов - М.: МИФИ, 1998. - С. 52 - 53.

16 Муромцев Д. Ю. Условия существования решения одного класса ¡адач энергосберегающего управления // Системные проблемы надежности, математического моделирования и информационных технологий: Материа-1Ы Международной науч.-техн. конф. и науч. шк. - Ч. 4. - М.: НИИ "Авто->лектроника", 1998. - С. 12 - 14.

17 Артемова С. В., Муромцев Д. Ю., Неретин А. В. Энергосберегающее управление процессами нагрева электропечей // Системные проблема надежности, математического моделирования и информационных технологий: Материалы Международной науч.-техн. конф. и науч. шк. - Ч. 4. -М.: НИИ "Автоэлектроника", 1998. - С. 9 - 11.

18 Метод, устройство и автоматизированная система неразрушающегс котроля теплофизических свойств композитов / Н. П. Жуков, А. П. Пудовкин, Н. Ф^Майникова, И. В. Рогов, В. В. Орлов, Д. 10. Муромцев // Контроль. Диагностика. - 1998. - №5. - С. 37 - 42.

19 - Многоуровневое программное обеспечение среды "Анализатор" / Ю. Л. Муромцев, Л. П. Орлова, Д. Ю. Муромцев, В. В. Орлов // Повышение эффективности методов и средств обработки информации: Материалы V Всерос. науч.-техн. конф. (12-15 мая 1997 г.) - Тамбов: ТВВАИУ, 1997. -С. 199 - 200.

20 Орлова Л. П., Муромцев Д. Ю. Концепция моделирования и вычислительная среда для оперативного проектирования энергосберегающих систем управления // Новые информационные технологии: Материалы второго научно-практического семинара. - Москва, 1999. - С. 111 - 113.

21 Муромцев Д. Ю. Обратные задачи моделирования при анализе и синтезе энергосберегающего управления // Актуальные проблемы информатики и информационных технологий: Матер. III Тамб. межвуз. науч. конф., сент. - Тамбов: Изд-во ТГУ им. Г.Р. Державина, 1999. - С. 62 - 63.

22 Muromtsev D. Yu. Synthesis of intellectual energy-saving regulators b> thermal objects // Interactive systems: thé problems of human - Computer interaction. Proceedings of the International Conference. - Ulianovsk, 1999. - P. 118 -119.

23 Муромцев Д. Ю. и др. Свид. об официальной регистрации программы для ЭВМ № 930109. Принятие обоснованных решений с использованием методов экспертных оценок. Зарегистрировано 27.12.9324 Муромцев Д. Ю. и др. Свид. об официальной регистрации программы для ЭВМ № 950463. Информационная система оценки и анализа состояния территории по координатно привязанным данным (INFOSYS). Зарегистрировано 19.12.95.

25-Муромцев Д. Ю. и др. Свид. об официальной регистрации программы для ЭВМ № 950464. Экспертная система "Энергосберегающее управление динамическими объектами" (EXPSYS). Зарегистрировано 19.12.95.

ВВЕДЕНИЕ.

1 ПРОЦЕССЫ НАГРЕВА ТЕЛ

И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1 Тепловые объекты как объекты энергосберегающего управления.

1.2 Оптимальное управление тепловыми объектами.

1.3 Постановка задачи исследования.

2 ЗАДАЧИ ОПТИМАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ

И МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ТЕПЛОВЫХ ОБЪЕКТОВ.

2.1 Постановки задач энергосберегающего оптимального управления.

2.2 Моделирование процесса нагрева тел.

2.3 Идентификация моделей динамики тепловых объектов на множестве состояний функционирования.

3 АНАЛИЗ ОПТИМАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ

НА МНОЖЕСТВЕ СОСТОЯНИЙ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ.

3.1 Стратегии и структурные схемы реализации оптимального управления.

3.2 Определение видов функций оптимального управления при программной стратегии.'.

3.3 Определение оптимального управления при позиционной стратегии.

3.4 Анализ оптимального управления для нелинейных объектов.

4 СИНТЕЗ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ УПРАВЛЯЮЩИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ.

4.1 Синтез оптимального управления.

4.2 Синтез квазиоптимального управления.

4.3 Синтез оптимального управления нагревательными установками.

4.3.1 Электрический водонагреватель.

4.3.2 Плиты вулканизационного пресса.

4.3.3 Электропечь для термообработки магнитопроводов.

Во многих отраслях народного хозяйства широко распространены энергоемкие процессы нагрева. В химической промышленности более половины технологических процессов представлены тепловыми аппаратами периодического и непрерывного действия, в которых интенсивно протекают тепловые процессы. Нефтеперерабатывающая и нефтехимическая отрасли занимают первое место, а химическая — второе место по потреблению тепла, что составляет соответственно 12,6 и 11,0% от общего потребления тепла в народном хозяйстве [ 1. 4].

В связи с ростом цен на электроэнергию и топливо, усилением конкурентной борьбы между фирмами, производящими энергоемкое оборудование, транспортные средства и другие машины, сложностью социально-экономической обстановки актуальность задач экономии и рационального использования энергоресурсов с каждым годом возрастает [5.7].

Традиционно снижение энергетических затрат на производстве в процессах нагрева достигается за счет: а) повышения производительности технологического оборудования, уменьшения его простоев в рабочем состоянии; б) повышения надежности электротермических аппаратов; в) улучшения теплоизоляции [8. 16].

Важным резервом в решении проблемы энерго- и ресурсосбережения является оптимальное по минимуму затрат энергии или топлива управление динамическими объектами, проектирование машин и аппаратов, которые при своем функционировании требуют меньших энергозатрат по сравнению с существующими аналогами.

В последние годы наблюдается явное противоречие между потенциальными возможностями информационных технологий и характеристиками современных систем управления и контроля. Наглядными проявлениями этих противоречий являются:

- отсутствие бортовых (на транспорте и производственном оборудовании) микропроцессорных систем управления, решающих в реальном времени задачи синтеза оптимальных управляющих воздействий, например, минимизирующих затраты энергии в динамических режимах, в то время как существующий математический и технические параметры вычислительных средств позволяют это сделать;

- практическое сохранение сроков разработок новых систем управления и контроля, в то время как существующие мощные средства автоматизированного проектирования технических и программных средств позволяют это сделать.

Актуальность работы. Тепловые процессы являются наиболее энергоемкими и распространенными процессами в химической, металлургической, машиностроительной, строительной, пищевой и других отраслях промышленности. Затраты на электроэнергию и различные виды топлива (теплоносителей) для большинства промышленных и сельскохозяйственных предприятий относятся к числу основных и становятся сопоставимыми с затратами на сырье. Значительная доля энергозатрат приходится на нагревательные установки, теплообменники, печи, реакторы и другие аппараты, в которых протекают тепловые процессы. Важным резервом снижения энергопотребления в таких машинах и аппаратах является оптимальное управление динамическими режимами с учетом изменяющихся состояний функционирования. Теоретические исследования показывают, что при оптимальном управлении уменьшение затрат энергии (расхода топлива) может достигать от 10% до 30% по сравнению с традиционными видами управляющих воздействий. Серьезным сдерживающим фактором в реализации оптимального управления (ОУ) тепловыми процессами является отсутствие алгоритмов синтеза ОУ в реальном времени, которые могут быть использованы простыми и дешевыми микропроцессорными устройствами. Поэтому решение задач анализа и синтеза энергосберегающего управления тепловыми процессами является актуальной темой исследования.

Цель работы. Целью работы является решение комплекса задач анализа и синтеза оптимального энергосберегающего управления тепловыми процессами с учетом возможных изменений состояний функционирования, создание на базе полученных решений алгоритмического обеспечения для микропроцессорных устройств, синтезирующих в реальном времени ОУ, проверка работоспособности новых алгоритмов на реальных тепловых установках.

Научная новизна работы. Научная новизна работы заключается в следующем:

- предложена модель динамики, учитывающая особенности процессов нагрева тел и позволяющая оперативно решать задачи энергосберегающего оптимального управления;

- разработан алгоритм идентификации модели динамики, предусматривающий определение числа стадий нагрева, виды моделей отдельных стадий, границы температурных диапазонов и параметры частных моделей;

- определены виды функций оптимального управления процессами нагрева при программной стратегии и синтезирующих функций при позиционной стратегии, учитывающие особенности процессов нагрева тел;

- предложены виды функций квазиоптимального управления, алгоритмы расчета параметров в реальном времени, которые могут быть реализованы простыми микропроцессорными средствами.

Методы исследования. В работе использованы методы моделирования и идентификации динамических объектов, современной теории автоматического управления, автоматизированного проектирования и системного анализа.

Обоснованность научных результатов. Исследования по теме выполнялись с помощью современных математических методов теории оптимального управления, с применением информационных технологий, компьютерного тестирования программных продуктов. Получаемые теоретические положения проверялись на лабораторных и промышленных установках.

Практическая ценность работы. Разработаны программные средства для автоматизированного проектирования систем оптимального управления тепловыми процессами, в частности, для идентификации объектов управления, синтеза оптимальных программ нагревом тел, определения синтезирующих функций оптимальных регуляторов, расчета эффективных квазиоптимальных управляющих воздействий. Созданные программные средства могут использоваться как самостоятельно, так и в качестве модулей экспертной системы "Энергосберегающее управление динамическими объектами".

Реализация работы. Результаты решения задач анализа и синтеза ОУ тепловыми процессами позволяют выбирать целесообразную структуру автоматической системы энергосберегающего управления и оперативно разрабатывать ее алгоритмическое обеспечение, позволяющее в реальном времени синтезировать ОУ в изменяющихся условиях работы объекта.

Полученные алгоритмы использованы в автоматических системах управления ЭВН-400 (ВИИТиН), при разработке энергосберегающих систем управления, осуществляющих в реальном времени синтез оптимального управления печей отжига, металлических заготовок, нагревом прессового оборудования, электроприводом и применяются в учебном процессе ТГТУ.

Данная работа выполнена в соответствии с единым заказ-нарядом Министерства общего и профессионального образования РФ ТГТУ и темами хоздоговорных НИР ТГТУ 1994 -1999 гг. (33-94, 41Г-94, 1Г-96, 10Г-97, 4Г-98, 12-98, 9Г-99), проводимых по тематике энергосбережения, а также договором о международном сотрудничестве между ТГТУ и фирмой Zila Elektronik (Германия) от 4.11.97.

Апробация работы. Основные результаты работы представлялись и обсуждались на международных и всероссийских научных конференциях: VII международная научно-техническая конференция "Оптические, радиоволновые, тепловые методы и средства контроля природной среды, материалов и промышленных изделий" (Череповец, 1997 г.); Международная научно-техническая конференция "Системные проблемы надежности математического моделирования и информационных технологий" (Москва, 1998 г.); VIII международная конференция-выставка "Информационные технологии в профессиональной подготовке" (Москва, 1998 г.); IV международная конференция "Актуальные проблемы электронного приборостроения" (Новосибирск, 1998 г.); Международная научно-техническая конференция "Системные проблемы качества, математического моделирования и информационных технологий" (Сочи, 1999 г.); V Всероссийская научно-техническая конференция "Повышение эффективности методов и средств обработки информации" (Тамбов, 1997 г.); III Всероссийская научно-техническая конференция "Динамика нелинейных дискретных электротехнических и электронных систем" (Чебоксары, 1999 г.); II научно-практический семинар "Новые информационные технологии" (Москва, 1999 г.); III научная конференция преподавателей и студентов ТГТУ (Тамбов, 1996 г.); II Тамбовская межвузовская научная конференция "Актуальные проблемы информатики и информационных технологий" (Тамбов, 1998 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 22 печатные работы, получены 3 свидетельства о регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения.

Выводы по четвертой главе

1. Сформулированы задачи синтеза, решаемые на стадии проектирования систем оптимального управления, и синтеза энергосберегающих управляющих воздействий микропроцессорным управляющим устройством. Разработаны алгоритмы оперативного синтеза оптимального управления и совмещенного синтеза, предполагающего идентификацию модели динамики на временном интервале управления.

2. Решены задачи синтеза квазиоптимального и эффективного квазиоптимального управления. В последнем случае ухудшение функционала за счет отклонения управления от оптимального не превышает допустимой величины.

3. Динамика процесса нагрева воды в электрическом водонагревателе с допустимой погрешностью описывается трехзонной моделью. Оптимальное управление нагревом с использованием данной модели при незначительной коррекции временного интервала обеспечивает экономию энергии до 10% и более.

4. Проверка методик зонного моделирования процессов нагрева и синтеза оптимального управления на технологических установках (вулканизационный пресс, электрическая печь для отжига магнитопроводов) показала, что при использовании оптимального управления затраты энергии снижаются на 10-20%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В процессе выполнения научно-технических исследований по энергосберегающему управлению нагревательными установками решен комплекс задач по моделированию, анализу и синтезу оптимального управления, что позволяет снизить затраты энергии в динамических режимах на 10 - 20% для широкого класса тепловых объектов. Основными результатами, полученными в диссертационной работе, являются следующие.

1. Сформулированы прямые и обратные задачи оптимального управления тепловыми объектами, учитывающие особенности реальных процессов нагрева — нелинейность модели динамики, ограничения на управление и траекторию изменения фазовых координат, использование функционалов, характеризующих затраты энергии или расход топлива, применение программной и позиционной стратегий управления. Наряду с традиционными управляющими воздействиями в качестве варьируемых переменных при решении задачи энергосберегающего управления дополнительно используются моменты "переключения" правых частей модели объекта.

2. Разработана структура балансно-кинетической модели процессов теплообмена в нагревательной установке. Модель отражает характерные стадии динамики нагрева тел и представлена в виде дифференциальных уравнений с разрывной правой частью. Это позволяет описать нелинейные процессы в тепловом объекте с требуемой точностью и оперативно решать задачи энергосберегающего управления.

3. Сформулированы и решены задачи идентификации моделей динамики тепловых объектов. Разработанные алгоритмы идентификации многозонных моделей учитывают ограничения на допустимые разрывы траекторий фазовых координат в моменты "переключения" и пригодны для решения задач совмещенного синтеза энергосберегающего управления.

4. Выполнен полный анализ оптимального управления объектами, динамика которых описывается дифференциальными уравнениями второго порядка, при минимизируемых функционалах затраты энергии и расход топлива. Получены условия существования решения задач управления, определены возможные виды функций оптимального управления, соотношения для расчета параметров управляющих воздействий. В случае функционала расход топлива выделены области существования невырожденного и вырожденного управления. Определены возможные виды синтезирующих функций при энергосберегающем управлении тепловыми объектами с использованием позиционной стратегии. Введено вычислительное пространство, позволяющее оперативно решать задачи анализа оптимального управления.

Результаты анализа оптимального управления использованы в базе знаний экспертной системы "Энергосберегающее управление динамическими объектами".

5. Разработаны алгоритмы решения задачи оптимального управления нелинейными объектами, в т.ч. имеющих временное запаздывание по каналу управления, динамика которых описывается дифференциальными уравнениями с разрывной правой частью.

6. Предложен ряд стратегий реализации энергосберегающих управляющих воздействий, учитывающих изменение исходных данных задачи на временном интервале управления и возможность их идентификации. Разработаны структурные схемы систем оптимального управления, использующих различные стратегии.

7. Сформулированы и решены задачи синтеза алгоритмического обеспечения проектируемых систем оптимального управления и синтеза энергосберегающих управляющих воздействий микропроцессорными управляющими устройствами. Разработаны алгоритмы синтеза оптимального управления в реальном времени и совмещенного синтеза с идентификацией модели динамики на временном интервале управления.

137

Разработаны алгоритмы синтеза квазиоптимального и эффективного квазиоптимального управления, при котором ухудшение функционала не превышает допустимой величины.

8. Разработаны модели динамики и алгоритмическое обеспечение систем оптимального управления нагревом для ряда технологических объектов — электрический водонагреватель ЭВН-400, вулканизационный пресс 200-400 2Э, установка термообработки магнитопроводов ТОМ 1. В управляющих устройствах процессами нагрева этих установок использованы программная и позиционная стратегии. Снижение энергозатрат за счет оптимального управления динамическими режимами составляет 10 — 20%.

Исследования по энергосберегающему управлению выполнены в соответствии с единым заказ-нарядом Министерства общего и профессионального образования РФ ТГТУ, отраслевой программой Россельхозакадемии "Техника, энергетика и ресурсосбережение" на 1996 — 2000 г.г., договором о международном сотрудничестве между ТГТУ и фирмой ZILA Elektronik (Германия), а также темами хоздоговорных НИР ТГТУ по проблеме энергосбережение.

1. Касаткин А. Г. Основные процессы и аппараты химической технологии - М.: Химия, 1973. — 752 с.

2. Степанов B.C. Анализ энергетического совершенства технологических процессов. — Новосибирск: Наука, 1984. — 85 с.

3. Сажин B.C., Булеков А.П. Эксергетический метод в химической технологии — М.: Химия, 1992. — 208 с.

4. Резников А.Н., Резников Л.А. Тепловые процессы в технологических системах — М.: Машиностроение, 1990. — 288 с.

5. Кириллкин В.А. Энергетика. Главные проблемы. М.: Энергетика, 1985. - 87 с.

6. Рэй Д. Экономия энергии в промышленности. / Пер. с англ. М., 1985. - 212 с.

7. Михайлов В.В. и др. Рациональное использование топлива и энергии в промышленности. — М., 1978. — 224 с.

8. Пяткин A.M., Шадрухин И.А. Экономия энергоресурсов: резервы и факторы эффективности. — М.: Знаки, 1982. — 64 с.

9. Аджиев М.Э. Энергосберегающие технологии. — М., 1990. 64 с.

10. Аракелов В.Е., Кремер А.И. Методические вопросы экономии энергоресурсов. — М.: Энергоатомиздат, 1990. — 188 с.

11. Ятров С.Н. Энергосберегающие технологии в СССР и за рубежом. Аналитический альбом. — М., 1991. — 288 с.

12. Коновалов В.И., Коваль A.M. Пропиточно-сушильное и клеепромазочное оборудование. — М.: Химия, 1989. — 224 с.

13. Сборник предложений по экономии электрической и тепловой энергии, премированных на ХЬ Всесоюзном конкурсе. — М.: Энергоатомиздат, 1989.

14. Кафаров В.В., Мешалкин В.П., Гурьева Л.В. Оптимизация теплообменных процессов и систем. — М.: Энергоатомиздат, 1988. 192 с.

15. Центер Ф.Г. Проектирование тепловой изоляции электростанций и тепловых сетей. Л.: Энергия, 1972. — 198 с.

16. Данилов О.Л., Леончик Б.И. Экономия энергии при тепловой сушке. — М.: Энергоатомиздат, 1986. — 156 с.

17. Плановский А.Н., Рамм В.М., Каган С.З. Процессы и аппараты химической технологии. — М.: Химия, 1967. — 848 с.

18. Калафати Д.Д., Попалова В.В. Оптимизация теплообменников по эффективности теплообмена. — М.: Энергоатомиздат, 1986. 240 с.

19. Александров А.Г. Оптимальные и адаптивные системы. -М.: Высш. шк., 1989. 263 с.

20. Олейников В.А., Зотов Н.С., Пришвин А.М. Основы оптимального и экстремального управления: Учеб. Пособие для студентов вузов. М.: Высш. шк., 1969. — 296 с.

21. Атанс М., Фабл П. Оптимальное управление. М.: Машиностроение, 1968. - 764 с.

22. Лейтман Дж. Введение в теорию оптимального управления. М.: Наука, 1968. - 192 с.

23. Флюгге-Лотц И., Марбах Г. Оптимальное управление в некоторых системах угловой ориентации при различных критериях качества. // Техническая механика. — 1963. № 2. - С. 38-54.

24. Иванов Ю.Н. Оптимальное сочетание двигательных систем // Механика и машиностроение: Изв. АН СССР. — 1966.

25. Справочник по теории автоматического управления / Под ред. А.А.Красовского. М.: Наука, 1987. - 712 с.

26. Сю Д., Мейер А. Современная теория автоматического управления и ее применение. / Под ред. д.т.н. проф. Ю.И. Топчее-ва. // Пер. с англ. — М.: Машиностроение, 1972. — 544 с.

27. Сейдж Э.П., Уайт Ч.С. Оптимальное управление системами. — М.: Радио и связь, 1982.

28. Энергосберегающее управление нагревом жидкости / В.Н.Грошев, С.В.Артемова, Д.Ю.Муромцев, Л.П.Орлова // Техника в сельском хозяйстве. 1996. - №2. - С. 27 - 28.

29. Муромцев Ю.Л., Ляпин Л.Н., Попова О.В. Моделирование и оптимизация технических систем при изменении состояний функционирования. — Воронеж: ВГУ, 1992. 164 с.

30. Филиппов А.Ф. Дифференциальные уравнения с разрывной правой частью. — М.: Наука, 1985. — 224 с.

31. Бодров В.И., Громов Ю.Ю., Матвейкин В.Г. Метод решения задач оптимального управления в классе нечетких множеств. -Тамбов: ТИХМ. 1988. - 6 с.

32. Бодров В.И., Кулаков Ю.В., Шамкин В.Н. Оптимизация статических режимов работы воздухоразделительных установок низкого давления при переменном потреблении продуктов разделения // Хим. пром-сть. 1993. - №1-2. - С. 66-71.

33. Красовский H.H. Теория управления движением. Линейные системы. — М.: Наука, 1968. — 476 с.

34. Алексеев В.M., Тихомиров В.M., Фомин C.B. Оптимальное управление. — М.: Наука, 1979. — 432 с.

35. Ногин В.Д., Протодьяконов И.О., Евлампиев И.И. Основы теории оптимизации: Учеб. пособие для студентов вузов / Под ред. И.О.Протодьяконова. М.: Высш. шк., 1986. - 384 с.

36. Брайсон А., Хо Ю-ши. Прикладная теория оптимального управления. М.: Мир, 1972. - 544 с.

37. Ляпин J1.H., Муромцев Ю.Л. Анализ и оперативный синтез оптимального управления в задаче двойного интегратора на множестве состояний функционирования // Техническая кибернетика: Изв. АН СССР. 1990. - №3. - С. 57-64.

38. Ляпин Л.Н., Муромцев Ю.Л., Попова О.В. Оптимальный по минимуму затрат энергии регулятор объекта двойного интегрирования // Техническая кибернетика: Изв. РАН. 1992. - №2. - С. 39-46.

39. Егоров А.И. Оптимальное управление тепловыми и диффузионными процессами. М.: Наука, 1978. - 464 с.

40. Понтрягин Л.С., БолтянскийВ.Г., Гамкрелидзе Р.В. Мищенко Е.Ф. Математическая теория оптимальных процессов. М.: Наука, 1969. - 384 с.

41. Болтянский В.Г. Математические методы оптимального управления. М.: Наука, 1969. - 408 с.

42. Беллман Р. Динамическое программирование. М.: Издательство иностранной литературы, 1960. - 400 с.

43. Беллман Р., Гликсберг И., Гросс О. Некоторые вопросы математической теории процессов управления. — М.: ИЛ, 1962.

44. Летов A.M. Аналитическое конструирование регуляторов. I // АиТ. №4. - С. 436 - 441; II. - 1960. - №5. - С.561 - 568; III.- 1960. №6. - С. 661 - 665; IV. - 1961. - №4. - С. 425 - 435; V.- 1962. №11. - С. 1405 - 1413.

45. Красовский A.A. Обобщение задачи аналитического конструирования регуляторов при заданной работе управлений и управляющих сигналов // АиТ. — 1969. №7. — С. 7—17.

46. Андреев Ю.Н., Бутковский А.Г. Задача оптимального управления нагревом массивных тел // Инж.-физ. журнал. 1965. -№1. - С. 87-92.

47. Бутковский А.Г. Теория оптимального управления системами с распределенными параметрами. М.: Наука, 1965. - 474 с.

48. Вигак В.М. Оптимальное управление нестационарными температурными режимами. Киев: Наук, думка, 1979. - 395 с.

49. Вигак В.М., Костенко A.B. Оптимальный нагрев цилиндра при ограничениях на градиенты температурного поля / Математические методы термодинамики. Киев: Наук, думка, 1978. - С. 7178.

50. Липов В .Я., Паршин Г.Н., Селезнев Ю.Н. Оптимизация электропечей непрерывного действия. М.: Энергоатомиздат, 1989.

51. Бодров В.И., Попов Н.С., Трейгер В.В. Разработка алгоритма управления процессом получения диацитата целлюлозы в условиях неопределенности // Приборы и системы управления. -1989. №10. - С. 15-17.

52. Бодров В.И., Громов Ю.Ю., Матвейкин В.Г. К вопросу синтеза структуры закона управления ХТС заданной на лингвистическом уровне. Тамбов: ТИХМ, 1987. - 10 с.

53. Родионов A.M. Метод синтеза линейных оптимальных систем с запаздыванием // Техническая кибернетика. -1982. №3. -С. 11-16.

54. Фельдбаум A.A. Основы теории оптимальных автоматических систем. — М.: Наука, 1966. — 624 с.

55. Чаки Ф. Современная теория управления / Нелинейные, оптимальные и адаптивные системы. — М.: Мир, 1975. — 424 с.

56. Моисеев H.H. Численные методы в теории оптимальных процессов. М.: Наука, 1971. - 358 с.

57. Применение экспертного регулятора для систем управления динамическими объектами / И.М. Макаров, В.М. Лохин, Р.У. Мадыгулов, К.В. Тюрин // Теория и системы управления: Изв. РАН. 1995. - № 1.

58. Арбиб М. Алгебраическая теория автоматов, языков и полугрупп. М.: Статистика, 1975. - 336с.

59. Закревский А. Д. Алгоритмы синтеза дискретных автоматов. М.: Наука, 1971. - 512 с.

60. Заде Л.А. Понятие лингвистической переменной и его применение к принятию приближенных решений. М.: Мир, 1976.165 с.

61. Нечеткие множества в моделях управления и искусственного интеллекта / Под ред. Д.А.Поспелова. М.: Наука, 1986. — 312 с.

62. Прикладные нечеткие системы. / К. Асам, Д. Ватада, С. Иваи и др. // Пер. с япон. М.: Мир, 1993. - 368 с.

63. Микропроцессорные системы оптимального управления. / Муромцев Ю.Л., Ляпин Л.Н. и др.: Учеб. пособие Тамбов, Там-бовск. ин-т хим.машиностр. - 1990. - 93 с.

64. Ляпин Л.Н., Муромцев Ю.Л. Гарантированная оптимальная программа управления на множестве состояний функционирования // Автоматика и телемеханика. 1993. - №3. - С. 85-93

65. Муромцев Ю.Л., Ляпин Л.Н., Сатина Е.В. Метод синтезирующих переменных при оптимальном управлении линейными объектами // Приборостроение: Изв. вузов. 1993. - №11-12. -С.19-25.

66. Микропроцессорное управление технологическим оборудованием микроэлектроники / А.А.Сазонов, Р.В.Корнилов, Н.П.Кохан и др. // Под ред. А-А.Сазонова: Учеб. пособие. М.: Радио и связь, 1988. - 264 с.

67. Рафикузаман М. Микропроцессоры и машинное проектирование микропроцессорных систем. В 2-х кн. / Пер. с англ. М.: Мир, 1988.

68. Корячко В.П. Конструирование микропроцессорных систем контроля радиоэлектронной аппаратуры. М.: Радио и связь, 1987. - 160 с.

69. Федорков Б.Г., Телец В.А. Микросхемы ЦАП и АЦП: функционирование, параметры, применение. М.: Энергоатомиз-дат, 1990. - 320 с.

70. Дамке М. Операционные системы микроЭВМ / Пер. с англ.; Предисл. В.Л.Григорьева. М.: Финансы и статистика, 1985. - 150 с.

71. ГОСТ 29125-91. Программируемые контроллеры. Общие технические требования.

72. Лазарева Т.Я., Матвейкин В.Г. Автоматизация проектирования систем автоматического управления: Учеб. пособие. Тамбов, ТГТУ, 1996. - 164 с.

73. Дворецкий С.И., Лазарева Т.Я. Проектирование автоматизированных систем управления химико-технологическими процессами: Учеб. пособие. -Тамбов, ТГТУ, 1993. 206 с.

74. Шварце X., Хольцгрефе Г.В. Использование микропроцессоров в регулировании и управлении / Пер. с нем. М.: Энерго-атомиздат, 1990. - 14 с.

75. Изерман Р. Цифровые системы управления. Пер. с англ. -М.: Мир, 1984. 541 с.

76. Все необходимое для индустриальных, бортовых и встроенных систем управления, контроля и сбора данных // Каталог №2 фирмы ProSoft. Москва, 1997. - 232 с.

77. Многофункциональный комплекс программно-аппаратных средств для построения распределенных систем управления МФК "Техноконт" / А.М.Гельфанд, В.Н.Шумилов, И.Е.Аблин, Б.К.Бедрин, Л.П.Сережин // Приборы и системы управления. 1994. - №1. - С.2-9.

78. Корнеева А.И. Программно- технические комплексы отечественного производства // Приборы и системы управления.1997. № 9. - С.3-5.

79. Корнеева А.И. Современные системы управления в про-мышлености // Приборы и системы управления. 1997. - N° 6. -С.1-5.

80. Новости фирмы AdAstra // Приборы и системы управления. 1997. - № 9. - С. 20.

81. Шмелев Г.С., Ашкалиев Э.Я., Ляпин A.B. Опыт реализации стандарта МЭК 1131-3 (ISaGRAF) в среде операционной системы реального времени // Приборы и системы управления. 1997.- № 7. С.10-14.

82. Орлова Л.П. Испытательная лаборатория программного обеспечения информационных технологий и систем // Интеллектуальная собственность высшей школы. 1996. - №7. - С. 70-72.

83. Корнеева А.И. Тенденция развития системной автоматизации технологических процессов // Приборы и системы управления. 1998. - №8. - С. 51 - 56.

84. Бретман В.В. PEP Modular Computers: Новое время — новые технологии // Приборы и системы управления. 1999. - №8. — С. 23 - 28.

85. Система управления технологическими процессами СКАТ

86. X / А.В.Барулин, В.М.Замятин, Ю.М.Матвеев, С.Н.Евстигнеев // Приборы и системы управления. — 1994. -№1. — С. 12 — 17.

87. Программируемые логические контроллеры ТехноЛинк. // Приборы и системы управления. — 1998. №9. — С. 48.

88. Средства проектирования и отладки систем управления на базе микроконтроллеров Motorola / И.И.Шагурин, В.Б.Бородин, А.В.Калинин, Ю.А.Толстов, С.Г.Петров, И.М.Исенин, С.Л.Эйдельман, В.А.Ванюлин // Приборы системы управления.1998. №9. - С. 4 - 10.

89. Программно-технический комплекс (ПТК) "Турбоком" // Приборы системы управления. 1998. - №8. - С. 74 - 75.

90. Комплексы учета энергопотребления Северодонецкого АО "Импульс" // Приборы системы управления. 1998. - №8. - С. 75.

91. Научно-производственная фирма (НПФ) "КРУГ" ("Контроль, регулирование, управление, гарантии") // Приборы системы управления. 1998. - №8. - С. 76.

92. ЗАО <НПО "Техноконт" > // Приборы системы управления. 1998. - №8. - С. 76.

93. НПФ "Вега ЛТД" // Приборы системы управления. -1998. - №8. - С. 16- 77.

94. Гармаш В.Б. Программно-технический комплекс "Сириус DOS" // Приборы и системы управления. - 1994. - №1. -С. 10 - 12.

95. Automation Systems. Industrie Elektronik SUCOS. Katalog. Klockner Moeller. Bonn. Germany, 1992.

96. Емельянов C.B. Системы автоматического управления с переменной структурой. — М.: Наука, 1967.

97. Ядыкин И.Б. Информационные технологии в техническом обслуживании автоматизированных технологических комплексов // Информационные технологии в проектировании и производстве. 1996. - Вып. 3-4. - С. 35-44.

98. Карапетян P.M. О численном решении уравнений оптимальных коэффициентов в задачах аналитического конструирования регуляторов // АиТ. 1971. - №12. - С. 21 - 29.

99. Степанов М.Ф. Решатель задач системы автоматизированного синтеза и анализа систем автоматического управления // Аналитические методы синтеза регуляторов: Межвуз. науч. сб. — Саратов: СПИ, 1984. С. 116 - 129.

100. Бажанов В.Л. Универсальный USWO — регулятор для замкнутых систем автоматического управления // Приборы и системы управления. 1999. - №1. - С. 34 - 38.

101. Матвеев М.Г., Шуршикова Г.В., Ошивалов A.B. Фреймовые технологии синтеза структур АСР // Математическое моделирование технологических систем: Сб. науч. тр. Воронеж: ВГТА, -1996. - С.87-95.

102. Бутковский А.Г., Малый СЛ., Андреев Ю.Н. Оптимальное управление нагревом металла. М.: Металлургия, 1972. - 440 с.

103. Вигак В.М., Прокопенко А.Г. Оптимальное управление нагревом цилиндра и сферы // Физика и химия обработки материалов. 1977. - №1. - С. 25-32.

104. Вигак В.М., Пакош В.А. Оптимальный нагрев массивных тел при ограничениях на управление и скорость нагрева // Физика и химия обработки материалов. 1978. - №6. - С. 8-15.

105. Вигак В.М., Пакош В.А. Оптимальный нагрев двухслойной пластины при ограничении на скорость изменения температуры // Термомеханические процессы в кусочно-однородных элементах конструкций. Киев: Ин-т прикл. пробл. мех. и мат. АН УССР, 1979. - С. 27-30.

106. Вигак В.М., Костенко A.B. Оптимальный нагрев твердого тела при ограничении на перепад температур // Физика и химия обработки материалов. 1979. - №3. - С. 3-8.

107. Вигак В.М., Костенко A.B. Оптимальное управление нагревом пластины при ограничениях на градиенты температурного поля // Прикладная механика. 1979. - №4. - С. 43-49.

108. Григолюк Э.И., Подстригач Я.С., Бурак Я.И. Оптимизация нагрева оболочек и пластин. Киев: Наук, думка, 1979. - 364 с.

109. Юркевич Е.В. Современные проблемы создания унифицированных средств и систем управления технологическими процессами // Приборы системы управления. 1998. - №8. - С.4 -7.

110. Энергосберегающее управление нагревом жидкости / В.Н.Грошев, С.В.Артемова, Д.Ю.Муромцев, Л.П.Орлова // Техника в сельском хозяйстве. — 1996. №2. — С.27 — 28.

111. Муромцев Д.Ю., Орлов В.В. Информационно-технологическая среда проектирования интеллектуальных контроллеров // Компьютерная хроника. 1997. - №12. - С. 3-8.

112. Муромцев Д.Ю. Оперативный синтез энергосберегающего управления для линейных систем с запаздыванием на множестве состояний функционирования / Тр. ТГТУ: Сборник научных статей молодых ученых и студентов. Тамбов, 1999. - Вып. 4. - С. 47-50.

113. Козлов Р.И. К теории дифференциальных уравнений с разрывными правыми частями // Дифференциальные уравнения. — 1974. №7. - С. 1264 - 1275.

114. Муромцев Д.Ю и др. Свид. об официальной регистрации программы для ЭВМ №950464. "Экспертная система "Энергосберегающее управление динамическими объектами" (EXPSYS). Зарегистрировано РосАПО от 19.12.95.149

115. Применение экспертной системы для оптимального управления технологическими процессами / С.В.Артемова, Д.Ю.Муромцев, С.Б.Ушанев, Н.Г.Чернышов // Информационные технологии в проектировании и производстве. 1997. - №1. -С. 12-16.