автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Анализ и синтез оптимального управления прецизионными электрическими печами

На правах рукописи

КОЗЛОВ Александр Иванович

АНАЛИЗ И СИНТЕЗ ОПТИМАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРЕЦИЗИОННЫМИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ ПЕЧАМИ

05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени _кандидата технических наук_

Тамбов 2003

Работа выполнена в Тамбовском государственном техническом университете на кафедре "Конструирование радиоэлектронных и микропроцессорных систем"

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Муромцев Юрий Леонидович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Попов Николай Сергеевич

доктор технических наук, ст. научный сотрудник

Шувалов Анатолий Михайлович Ведущая организация ФГУП ТНИИР "ЭФИР", г. Тамбов

Защита диссертации состоится 24 декабря 2003 г. в " 13 " часов на заседании диссертационного совета Д 212. 260. 01 Тамбовского государственного технического университета по адресу: 392000. г. Тамбов, ул. Советская, 106, ТГТУ, Большой зал.

Отзывы в двух экземплярах, скрепленные гербовой печатью, просим направлять по адресу: 392000. г. Тамбов, ул. Советская, 106, ТГТУ, ученому секретарю.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тамбовского государственного технического университета.

Автореферат разослан " 23 " ноября 2003 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

^ÖO 5-м

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Электрические печи широко применяются во многих отраслях промышленности, для выпуска высококачественной продукции при минимальных затратах природных ресурсов. Как объекты управления электрические прецизионные печи имеют ряд особенностей. К ним прежде всего относятся большие энергозатраты, высокие требования к поддержанию пространственно-временных температурных режимов, сильные связи между переменными состояниями в соседних участках печи, значительное число управляющих и возмущающих воздействий, жесткие ограничения на изменения составляющих вектора фазовых координат, значительная доля времени работы в динамических режимах, существенная вероятность выхода из строя отдельных нагревательных элементов в процессе функционирования печи. Система автоматического управления печью должна решать сложные задачи для реализации резервов по снижению энергозатрат и уменьшению доли брака выпускаемой продукции. Поэтому создание систем оптимального управления электрическими печами, учитывающих изменения состояний функционирования в процессе эксплуатации, является актуальной задачей.

Данная работа выполнялась в соответствии с научным направлением ТГТУ "Разработка теории и методов автоматизированного проектирования химико-технологического комплекса и систем управления" и научно-техническими программами "Ресурсосберегающие технологии машиностроения", темами госбюджетных НИР ТГТУ 2000-2003г.г., а так же договором о международном сотрудничестве между ТГТУ и фирмой ZILA Elektronik (Германия).

Цель работы заключается в решении комплекса задач анализа и синтеза оптимального управления электрическими прецизионными печами как сложными многозонными объектами, характеризующимися векторным управлением, возможностью изменения критерия оптимальности и ограничений в зависимости от производственной ситуации; создании на базе полученных решений алгоритмического обеспечения для микропроцессорных устройств, синтезирующих в реальном времени оптимальные управляющие воздействия, проверке работоспособности новых алгоритмов на реальной электрической печи.

Научная новизна работы. Предложена модель динамики, учитывающая влияние на температуру в каждой зоне печи температурных режимов соседних участков.

Сформулирована и решена задача оптимального управления электрической печью, минимизируемый функционал и ограничения в задаче учитывают энергозатраты, качество выпускаемой продукции и надежность нагревательных элементов.

Предложены алгоритмы оперативного синтеза энергосберегающих управляющих воздействий при изменении состояний функционирования.____

Практическая значимость. Разработаны алгоритмическое и программное обеспечение системы оптимального управления шестисекционной прецизионной печью для термической обработки заготовок терморезисторов. Применение системы управления снижает затраты энергии в динамических режимах на 5 - 7% и увеличивает выход продукции требуемого качества на 8 - 12%.

Созданы программные средства анализа и синтеза энергосберегающего управления многозонными объектами, которые могут использоваться как самостоятельно, так и в качестве модулей экспертной системы "Энергосберегающее управление динамическими объектами".

Методы исследования. В работе использованы методы системного анализа сложных объектов, современной теории автоматического управления, решения задач многокритериальной оптимизации.

Обоснованность научных результатов. Достоверность и новизна научных положений и выводов подтверждена и обоснована с помощью классических методов анализа и синтеза оптимального управления, применением компьютерных технологий тестирования программных продуктов. Полученные теоретические результаты подтверждены вычислительными экспериментами и опытной эксплуатацией системы управления в промышленных условиях.

Реализация работы. Полученные алгоритмы и программы использованы при разработке систем оптимального управления режимами работы электрических прецизионных печей в производстве терморезисторов. Получен акт о внедрении на ОАО "Алмаз". Материалы исследований используются в учебном процессе кафедры "Конструирование радиоэлектронных и микропроцессорных систем" ТГТУ.

Апробация работы. Основные результаты работы представлялись и обсуждались на международных и всероссийских научных конференциях: VII научная конференция ТГТУ (апрель, 2002 г.); II Всероссийская (VII Тамбовская межвузовская) научно-практическая конференция ТГТУ (сентябрь, 2003 г.); IV Международная конференция "Актуальные проблемы современной науки" (Самара, сентябрь 2003г.); X Международная конференция по управлению "Автоматика" (Севастополь, сентябрь 2003 г.), XVII Менделеевский съезд по общей и прикладной химии (Казань, сентябрь 2003 г.),VI Всероссийская научная конференция молодых ученых и аспирантов "Новые информационные технологии. Разработка и аспекты применения" (Таганрог, ноябрь 2003 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 9 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Основная часть диссертации изложена на 125 страницах. Содержит 30 рисунков и 7 таблиц. Список литературы включает 110 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследований, отмечена научная новизна, основные положения и результаты, выносимые на защиту. Дана аннотация работы по главам.

В первой главе дается классификация методов электронагрева и электротермического оборудования, рассматриваются особенности и достоинства использования прецизионных печей сопротивления, основные пути повышения их эффективности, в т.ч. автоматизация технологических процессов, оптимизация температурных режимов и энергосберегающее управление, повышение надежности и ресурса оборудования.

Проводится анализ состояния работ по математическому моделированию, оптимальному управлению электрическими печами и используемых системах автоматического регулирования температурными режимами. Показано, что в настоящее время достаточно исследованы задачи энергосберегающего управления печами камерного типа. Применительно к этим печам получены алгоритмы синтеза в реальном времени управляющих воздействий, минимизирующие затраты энергии. Вместе с тем, задачи оптимального управления многозонными прецизионными печами с учетом комплекса основных показателей эффективности, включающего энергозатраты, качество продукции и надежность технологического оборудования, практически не рассматривались.

На основе проведенного обзора выделена область исследования, сформулированы цели и задачи работы.

Вторая глава посвящена разработке математических моделей динамики и формализации задач оптимального управления технологическими режимами в многозонных прецизионных печах.

Упрощенная схема п-зонной печи как объекта управления приведена на рис.1, в каждой зоне контролируется температура 7}, 1=1,п, которая регулируется на-

пряжением, подаваемым на нагреватели (и,-, / = 1 ,п). Внутри печи движется платформа с обрабатываемыми заготовками.

2

1

Л

п-1

2п-1

Л 2п

Рис.1 Схема п- зонной печи: 1 - каркас печи, 2 - движущаяся платформа с заготовками

Основными требованиями к модели динамики являются ее адекватность реальным процессам в печи и возможность использования для оперативного решения задач анализа и синтеза оптимального управления. Для обеспечения требуемой точности в модели должны учитываться:

- процессы теплопередачи внутри каждой зоны;

- взаимное влияние температурных режимов зон;

- зависимость параметров модели (определяемых коэффициентами теплопроводности, теплоотдачи, теплоемкости и др.) от температуры;

- возможность отказов электронагревательных элементов;

- переход на новые температурные режимы при смене типа обрабатываемых заготовок;

- влияние температурных режимов на качество продукции и надежность нагревательных элементов.

Чтобы модель была пригодна для оперативного решения задач оптимального управления, она должна бьггь представлена системой обыкновенных дифференциальных уравнений ограниченной размерности. Поэтому при разработке модели динамики, используемой для анализа и синтеза оптимального управления, принимаются следующие допущения:

- каждая зона печи рассматривается как объект с сосредспочешшгми парамеграми;

- на температурный режим в г -ой зоне оказывает влияние только режимы соседних (г—1) -ой и (г+ 1)-ой зон, влиянием температур других более удаленных зон можно пренебречь;

- весь диапазон возможных температур в печи можно разбить на незначительное число температурных интервалов так, что в пределах одного интервала параметры дифференциальных уравнений считаются постоянными;

- влияние режимов работы на качество продукции и надежность оборудования можно учесть введением ограничений на первую и вторую производные температуры в зонах и разности средних температур между зонами;

- отказы нагревательных элементов учитываются скачкообразным изменением параметров модели соответствующей зоны.

С учетом этих допущений модель динамики печи имеет следующий вид:

о

о

о

о

2/

= Ау 2/(0+В(/ и,- 2м(0+сг+и 2,4-1(0

(1)

г = 2,л-1, ;

О

О

о

2п = Ап} *„(/)+ В„у и„ Ь)+Сп_ 1>у ^('КСп+ц; 7 = 1,.?

п

где г,-,?,- - вектор фазовых координат I - ой зоны и прогнозируемое значение г,-, учитываемое в соседних зонах; щ - управление г -ой зоны (скаляр); Ад - матрица параметров для г - ой зоны на ] -ом температурном интервале; В^- - множество матриц В^^ , учитывающих состояния работоспособности /г е Н гу системы на-

гревательных элементов / - ой зоны для } - ой стадии; Сц, /=0,н + 1 - матрицы параметров при 5}, причем г0 и гй+1 характеризуют температуру внешней среды на входе и выходе печи; - число температурных интервалов для / - ой зоны. Общая размерность вектора фазовых координат в модели (1) равна п2 хп и вектора управления п, здесь п2 - размерность вектора г,-.

При идентификации модели требуется определить температурные интервалы Ту, 7 = 1,щ и матрицы параметров Ау, 7=1,л,-; г' = 1,и; , 7 = 1, л,-,

А е Н;, /=1, п, и Сд, 7 = 1,5/, / = 0, п +1. Наибольшую сложность представляет разбиение температурного диапазона на интервалы (стадии) Tj для обеспечения требуемой точности модели, оценка параметров на ранних стадиях разогрева печи и параметров матриц В^-^, при отказавших нагревательных элементах.

Комплекс задач оптимального управления (ЗОУ) электрической печью включает: энергосберегающий разогрев печи; поддержание (стабилизация) требуемых температурных режимов; переход на новый режим работы и управление остыванием печи.

Задача оптимального управления разогревом (ЗОУР) печи записывается следующим образом:

2 = А2(г)+Ви(0+С. ¿е['0,'к]; (2)

"г('МыН'Ив1 (3)

НИ*(4'б['0. 'к]МО, (4)

> (5)

"*(Я"гЧ)=и*(0) '" = й> 'е['о. /„], (6)

здесь модель (2) представляет собой сокращенную запись модели (1) для временного интервала от начала ¿о до конца tк разогрева; ин ,ив - нижняя и верхняя

границы изменения управлений и, ((), /=1 ,п; ограничение (4) задает требования к траектории изменения обобщенного вектора фазовых координат

г(г)=(г/ (г), г'=1,и), которая во время разогрева не должна выходить за пределы допустимого "коридора" Jэ - минимизируемый функционал, характери-

зующий затраты энергии; и*{{) - оптимальная программа изменения вектора управления.

Задача оптимального управления в режиме стабилизации (ЗОУС) формулируется как задача оптимального регулирования, здесь используются различные стратегии в зависимости от сложившейся ситуации. Незначительные отклонения температуры от значения устраняются обычным регулятором. Существенные отклонения температуры, вызываемые, например, отказами нагревательных элементов, устраняются с минимумом затрат энергии и выполнением необходимых ограничений, обеспечивающих требуемое качество продукции. При этом в модели динамики изменяется матрица параметров й,- ^ /,. Структура модели динамики в

ЗОУС имеет более простой вид, т.е.

о _____

г1 = А,*, г)(0+в1,л-, "1 (')+соЛ 20 22>

ООО о ___

1 = 2, и-1, (7)

ООО о ___

2п = 2п

в 1,5, = > А е Н}, / = 1, я;

где 2,-, /=0, и+1 - усредненные значения г,- в стадиях s¡■.

Задача перехода на новый режим работы связана с планируемым изменением заданных значений температуры 7}3,/ = 1,и в зонах печи в связи с обработкой заготовок другого вида. В данном случае с использованием модели (7) определяется оптимальная программа м*(г), минимизирующая затраты энергии на временном интервале £гпо, /пк ].

В задаче оптимального управления остыванием (ЗОУО) печи используется модель, аналогичная (1). Важную роль здесь играет выполнение ограничений типа (4).

В третьей главе решаются задачи анализа оптимального управления (ОУ) отдельными зонами печи и объектом в целом. В основе исследований лежит полный анализ ОУ для частных задач управления.

Определение I. Частной задачей оптимального управления называется задача управления одной зоной печи на одном температурном интервале для конкретного функционала, стратегии реализации ОУ и ограничений на значения фазовых координат, частная ЗОУ обозначается четверкой < Mg, F, S, О > здесь Му -

модель динамики для i - ой зоны на j -и температурном интервале, F - минимизируемый функционал, 5 - стратегия реализации ОУ, О - ограничения.

Определение 2. При полном анализе частной ЗОУ <Му, F, S, О >

определяются условия существования решения задачи, возможные виды функций ОУ (синтезирующих функций), соотношения для расчета параметров ОУ, соотношения для границ областей различных видов ОУ.

Полный анализ ЗОУ выполняется с использованием принципа максимума и метода синтезирующих переменных. Результаты полного анализа ЗОУ позволяют для задаваемого массива исходных данных оперативно рассчитывать вид и параметры функции ОУ.

В качестве примера рассмотрим полный анализ простейшей частной ЗОУ

< М], Э, Пр, W >, т.е. модель динамики - дифференциальное уравнение первого порядка (М]), функционал - затраты энергии (э), программная стратегия реализации ОУ (Пр), влияние соседних зон учитывается обобщенным показателем W.

Математически эта задача оптимального управления в натуральном масштабе записывается в виде

о ___

z = az{f)+bu{f)+cll Zjl +спр znp,

Vie[i0,iK]: и(')6(мн>мв).

z('o)=z0> z('K )=zK > (8)

'к

j3 = \u2{t)dt -»min , «b

М*(.)=И')> <4ол))

здесь сл, zn и сПр, zn в правой части модели учитывают влияние соседних зон

(левой и правой).

Исходные данные ЗОУ задаются массивом реквизитов

R = [a, в, сл, спр, 2Л , znp ,ин,ив, z0, zk , i0, tK ).

В соответствии с методом синтезирующих переменных используя нормирование временного интервала [?о>*к]> граниИ изменения управления [нн ,/в] и

значений а>(?)=сл ?л(/)+спр 2пр(/) перейдем к базовой задаче оптимального управления, т.е.

z=az{t)+bu{t)+cw{t)+b0+с0, УГб[0;2]: f/(r)е [-1;ij

Z(0)=z0, ^(2)=zK, (9)

2

J3=ji/2(r)rfr min ,

здесь

л-^kzlAn d-^K ~^оХцВ ~ин)„ D . ('к-'оХ»В+«н)-

=-a, if—-в, Иг)=-в,

2 4 0 4

_(<к -^oX^max-^min) г Холлах +<°min )

• иmax —mm / q

4 0 4

1 —Г"' u~-• "o-—z—>

'к -*0 UB -"0 2

(10)

®max 2

Соответствие между задачами (8), (9) обеспечивается формулами (10). Это

позволяет рассчитать сначала нормированное ОУ 1/*(г) и затем перейти к u*(t) в натуральном масштабе. Выполнение полного анализа ОУ задачи (9) существенно облегчается, так как получаемые соотношения для границ областей различных видов ОУ не зависят от числовых значений ин , ив, t0, tK и др.

Утверждение 1. Если в задаче (8) 2я = const и гПр = const, то число различных видов функций ОУ задачи (9) совпадает с числом видов функций аналогичной задачи с моделью динамики

°z=a z(t)+ В u{t)+ в0 (11)

и эти функции имеют вид

U*(Th D0+Die-AT, Ге[0;2]; (12)

.(r)J D0,2+DU,--, ТеШ i 1. те{тг-,2\

[ -1, Гб(Г3;2}

„ , f 1. 7-e[0;74l

[D04+Dli4e ,Те{Т4; 2) */ ч i -1' Ге[0;75],

С/£(г)=1, Т € [0; 2 J (17)

i/7*(r)=-l, Г€[0;2} (18)

Доказательство утверждения следует из принципа максимума.

Утверждение 2. Вид и параметры функций ОУ (12) - (18) однозначно определяются синтезирующими переменными А и

1=1 \е {l~T)A W{T)dT, (19)

В0 о

Следствие 1. Если

W=const, TO

¿=1+£Ё( (20) В Ах '

Определение 3. Оптимальные управления U*(t) И U*(t) называются сложными, если при незначительном изменении компонентов массива реквизитов r управление вида U*{t) может переходить в U*(T) и наоборот.

Утверждение 3. Для пар смежных ОУ U*{f)- U*(t) существуют соотношения qy {l, л)= О .определяющие границы между I - ми j- м видами ОУ.

Например, ОУ U*(t) и U\{j~) (см. (12) - (13)) являются смежными и при

т2 =2 соотношение q^ (l,A)=0 получается из условия d$+d\e~1A

Введение синтезирующих переменных позволяет оперативно решать как прямые, так и обратные задачи управления. Под обратными понимаются задачи коррекции компонентов массива исходных данных r , при которых достигаются желаемые значения синтезирующих переменных и необходимые результаты решения прямой задачи, например, уменьшение значения функционала.

На основе утверждений 1-3 разработана методика полного анализа частных ЗОУ, различающихся видами моделей, функционалов, стратегий и ограничений. Методика включает следующие основные этапы. 1. Переход от исходной частной ЗОУ к базовой. 2. Введение синтезирующих переменных. 3. Определение возможных видов функций ОУ. 4. Определение границ области существования решения ЗОУ. 5. Определение соотношений для границ областей существования видов функций ОУ. 6. Определение соотношений для расчета параметров ОУ. 7. Определение соотношений для выделения границ областей, в которых выполняются ограничений на фазовые координаты. 8. Получение формул расчета траекторий изменения фазовых координат и значений функционала для возможных видов функций ОУ. 9. Определение соотношений для решения обратных задач управления.

Результаты полного анализа ЗОУ составляют основу базы знаний для автоматизированного рабочего места проектировщика алгоритмического обеспечения систем оптимального управления электрическими печами. На рис.2 приведен

фрагмент результатов полного анализа частной ЗОУ <М\,Э, Лр, Ш >.

Рис. 2 Фрагмент результатов полного анализа ЗОУ < М\, Э, Пр, Ж >

Четвертая глава содержит постановки и решения задач синтеза, описание системы оптимального управления промышленной печью. В комплекс задач синтеза ОУ входят:

- задача синтеза управляющих воздействий в реальном времени применительно к частной ЗОУ (задача 1); 10

- задача синтеза ОУ разогревом печи (задача 2);

- задача синтеза алгоритмического обеспечения системы оптимального управления печью (задача 3);

- задача совмещенного синтеза ОУ, т.е. одновременного решения задач идентификации модели динамики и расчета оптимальных управляющих воздействий (задача 4);

- задача синтеза ОУ остыванием печи (задача 5).

Задача 1 формулируется следующим образом. Для задаваемых четверки < Му, Р, 5, 0> и массива исходных данных Л требуется за допустимое время

Д?? проверить существование решения ЗОУ, если оно существует, то определить вид функции ОУ и рассчитать ее параметры. Если решение ЗОУ для данных 7? не существует, то за время Д^ решается обратная задача по коррекции компонентов

Я и расчете ОУ для откорректированного массива Я Одновременно выдается сигнал оператору об изменении Л. Время назначается из условия, чтобы

выполнялось условие V/ |гг(/)-гг(/+Д??)| <5г{, здесь - допустимое изменение / - й составляющей вектора фазовых координат.

Задачи 1 решаются непосредственно локальными микропроцессорными управляющими устройствами.

Задача 2 (см. (2) - (5)) решается на управляющей ЭВМ одновременно для всех зон и температурных интервалов печи. Для ее решения задается массив реквизитов, включающий значения всех параметров модели (1), температурные и временные границы стадий разогрева, которые для I - ой зоны имеют вид

2|(Г0)=2/°; ± А/,)=г};... ; 2,(г,н ± Д^^'4; )=*;• = 2|к ,

где г/, 7=1, 5, -1 - границы температурных интервалов (стадий); [гу-Д/^у], 7=1,5,- -1 - допустимые пределы изменения моментов времени переключения стадий нагрева.

В алгоритме синтеза ОУ разогревом печи используется комбинированный метод, в котором для определения моментов переключения используется метод динамического программирования, а внутри временных интервалов - метод синтезирующих переменных. В результате рассчитывается оптимальная программа

»*(•)= («*0=«*(*). '=£«» *е [*„,/,,]) щ (')=«,* (4 '<4о»'Г]; и,2 (4 (е •■•» м<>. ' € Ы1

здесь 7=1, 5, -1 - оптимальные моменты времени переключения стадий.

Задача 3 заключается в выделении из результатов полного анализа ЗОУ, хранящихся в базе знаний, фрагментов (фреймов), необходимых для работы локаль-

ных управляющих устройств. Исходными данными для решения задачи являются множества моделей ЗОУ Р, 8, О) ¡^-д, А е Н у, j=l,s¡, 1-1,п } и

множество соответствующих массивов реквизитов, ■> ^ е Н ^;

j = l,s¡, г = 1,«] содержащих интервалы возможного изменения значений компонентов. Алгоритм решения задачи состоит в следующем: 1) множество J разбивается на подмножества задач ..., ^, состоящие из одинаковых четверок; 2) для задач Ц] формируется массив реквизитов Я( путем объединения интервальных значений каждого компонента; 3) случайным образом из ^) выбирается массив в виде числовых значений; 4) для рассчитывается вектор синтезирующих переменных 5) этапы 3,4 повторяются до получения

представительной выборки; 6) по значениям ¿(л) в пространстве синтезирующих переменных выделяется область I. соответствующая возможным значениям реквизитов |); 7) по области определяется множество V (^) видов

функций ОУ, которые могут иметь место для данных Я( (см. рис. 3); 8) для видов функций ОУ, входящих в V ( ^ ), формируется алгоритмическое обеспечение, содержащие соотношения для границ областей видов ОУ расчета параметров и др.; 9) далее пункты 2-8 последовательно повторяются для ¿2' •■■>

Задача 4 возникает в основном в связи с возможными отказами нагревательных элементов, при этом в модели (1) меняются коэффициенты матриц В, ¡ ^.

Определить значения В^-^ для всех АеН,-, у=1,и,-, 1=1, я на стадии моделирования практически невозможно, так как это потребовало бы получение экспери-

- 1 "

ментальных данных для более чем ях.ух|Н| ситуаций, здесь ^л1,-. Поэтому

множества матриц В у пополняются значениями ¿^¿д в процессе эксплуатации печи. Задача 4 формулируется следующим образом. Заданы множества Н¿ у, 1=1,п, элементам которых соответствуют известные матрицы ^ ^ и алгоритмы оперативной оценки матриц у ^ по экспериментальным данным.

При возникновении в момент времени е[/о,/к ] состояние работоспособности И й Н,у, 7=1,5,-, 1=1, п требуется на интервале времени , ^ + Л ] зарегистрировать значения изменения г, и в соответствующих зонах печи и рас-

считать значение матрицы В. . ^, затем за время А?с определить вид и параметры функции ОУ. При этом должно выполняться условие А + Л1С < А 1д (см. задача 1).

Задача 5 решается аналогично задаче 2.

Разработанные модели и алгоритмы использованы в системе управления электрической двухканальной печью, предназначенной для прецизионной термической обработки заготовок терморезисторов в воздушной среде. В канале печи 6 контролируемых и регулируемых зон (п = 6), потребляемая мощность 80 кВт, максимальная температура печи 1400° С, скорость проталкивания изделий 0,3 -1 м/час, габаритные размеры печи 8200 х 1800 х 2300 мм. В печи осуществляется косвенный нагрев заготовок карборундовыми (карбидокремниевыми) стержнями марки КЭН 18/250/400 (18/300/350), в каждой зоне устанавливается 6 стержней.

В качестве примера на рис 3. приведены термограммы разогрева печи для зон 3, 4, 5. Подобные термограммы использованы для идентификации моделей динамики.

Рис. 3 Термограммы разогрева печи (3,4, 5 зоны) Для обеспечения требуемой точности, например, для зоны 4 выделено 4 стадии

(54 =4): |10; 200°С), [г00; 780°с),|780; 1190 °с)и |п90; 1330 °с].На

4- ой стадии модель динамики для 4 -ой зоны имеет следующий вид:

о

г4 =-0,22565 г4(/)+6,8778 «4(/)+0,01698 и>3(>)+ 0,07786и<5(/) . С использованием этой модели для исходных данных

а Ь сп спр ин и„ 20 г,

Л4>4;Л = (-0,22565; 6,8778; 0,01698; 0,07786; 0; 50; 1190; 1325;

'о к п 16; 28; 0,72)

решена задача {М^, Э, Пр, О). По результатам решения получены значения

синтезирующих переменных Л = -1,354; I =0,477 и функция оптимального управления (см. рис.4)

[25 + 3,32е°'225б(мб\ /6[16; 24,94), * [ 50 , (е [24,94; 28].

Экономия затрат энергии за счет использования оптимальной программы на данной стадии разогрева составляет примерно 12%.

Рис. 4 Оптимальное управление разогревом на 4 - ой стадии 4-ой зоны печи

Система управления печью имеет двухуровневую структуру. На верхнем уровне располагаются управляющая ЭВМ и компьютер с базой знаний системы оптимального управления, на нижнем - контроллер с локальными устройствами управления зонами печи. Функции контроллера с локальными системами реализует многоканальный прецизионный измеритель / регулятор температуры МИТ 8. Связь контроллера с ЭВМ осуществляется при помощи последовательного порта Я8 -232. На дисплее контроллера отображается информация о значениях 14

фазовых координат в зонах, задаваемые значения температурных режимов, номера используемых моделей и др.

Система внедрена на ОАО "Алмаз" г. Котовск . За счет использования в системе разработанных моделей и алгоритмов экономия энергоресурсов в динамических режимах на один канал прецизионной печи составляет 5 - 7%, коэффициент выхода изделия СТ-15-3 возрос на 8 -12%.

В приложения вынесены описания конструкции печи и системы управления, таблицы с расчетными значениями результатов анализа и синтеза оптимального управления.

ВЫВОДЫ

1. Разработаны модели динамики многозонной печи, учитывающие взаимное влияние зон, возможные отказы нагревательных элементов и пригодные для решения задач оптимального управления при различных режимах работы.

2. Сформулированы задачи оптимальною управления динамическими режимами электрической печи, в которых учитываются требования минимизации энергозатрат, повышения качества продукции и надежности нагревательных элементов.

3. Выполнен анализ оптимального управления для комплекса задач, различающихся моделями динамики, стратегиями реализации ОУ и ограничениями на значения фазовых координат.

4. Сформулированы и решены задачи синтеза оптимальных управляющих воздействий для возможных режимов работы печи, а также задача синтеза алгоритмического обеспечения системы управления.

5. Разработано алгоритмическое обеспечение системы оптимального управления температурными режимами в многозонных электрических печах.

6. Разработана система оптимального управления для прецизионной электрической печи производства терморезисторов, экономия электроэнергии составляет 5 - 7 %, снижение брака -8-12%.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1 Муромцев Д.Ю. Информационные технологии обновления процессов на предприятии / Д.Ю. Муромцев, A.A. Кабанов, А.И. Козлов II Вестник ТГТУ. Тамбов, 2002. Т. 8. № 4 . С. 583 - 591.

2 Козлов А.И. Обновление процессов и энергосбережение / А.И. Козлов, Д.Ю. Муромцев // Труды ТГТУ: Сб. науч. ст. молодых ученых и студентов. Тамбов, 2002. Вып 11 . С. 141 - 144.

3 Муромцев Д.Ю. Принятие решений с использованием байесовского подхода и экспертных оценок / Д.Ю. Муромцев, Л.П. Орлова, А.И. Козлов // Вестник ТГТУ. Тамбов 2003. Т. 9. № 1. С. 15 -24.

4 Козлов А.И. Информационно-управляющая система многосекционными печами / А.И. Козлов // Информационные системы и процессы: Сб. науч. тр. / Под ред. проф. В.М. Тютюнника. Тамбов; М.; СПб.; Баку; Вена: Изд-во "Нобелисти-ка\ 2003. Вып. 1. С. 172 -175.

5 Сафонов В.В. Переработка и использование отходов производств полупроводниковых нелинейных резисторов / Сафонов В.В., Цыганков В.Н., Маслов Л.П., Козлов А.И., Гаврилов В.П // Московская Государственная академия тонкой химической технологии им. М.В. Ломоносова. Известия высших учебных заведений 2-03, М., МИСиС, 2003. С. 34 -38.

6 Цыганков В.Н. Электрофизические свойства оксидных материалов для термодатчиков на основе систем (3е02 - 0е02 (СоО, №0) / Цыганков В.Н., Сафонов В.В., Козлов А.И., Олеск А.О. // Ученые записки МИТХТ. Выпуск 8. Москва, изд. МИТХТ им. М.В. Ломоносова. С. 63-65.

7 Сафонов В.В. Система Се02 - 8п02. Московская Государственная академия тонкой химической технологии им. М.В. Ломоносова / Сафонов В.В., Цыганков В.Н., Козлов А .И. // Журнал неорганической химии, 2003, Т. 48. №5. С. 831 - 834.

8 Козлов А.И. Интеллектуальные управляющие устройства / А.И. Козлов, Д.Ю. Муромцев И Актуальные проблемы информатики и информационных технологий: Материалы II Всероссийской (УП Тамбовской межвузовской) научно-практической конференции (4-5 сентября 2003 г.). Тамбов: Изд-во ТГУ им. Г.Р. Державина, 2003. С. 83-84.

9 Козлов А.И. Резервы энергосбережения при реинжиниринге предприятий / А.И. Козлов // VII науч. конф. ТГТУ. Тамбов, 2002. С. 94-95.

Подписано к печати 20.11.2003г. Формат 60 х S4/16. Гарнитура Times New Roman, Бумага офсетная. Печать офсетная Объем 0,93 усл. печ л; 1.0 уч.-издл. Тираж 100 экз. С 431

Издательско-полнграфический центр Тамбовского государственного технического университета 392000, Тамбов, Советская, 106, к.14

^ооз; -А

P2044Í

ВВЕДЕНИЕ

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Печи с электронагревом

1.2 Задачи оптимального управления

1.3 Системы автоматического управления

1.4 Постановка задачи исследования

2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ДИНАМИКИ

И ПОСТАНОВКИ ЗАДАЧ УПРАВЛЕНИЯ

2.1 Математические модели динамических процессов

2.2 Идентификация моделей динамики

2.3 Постановки задач управления 51 Выводы по главе

3. АНАЛИЗ ОПТИМАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ

3.1 Полный анализ с учетом возмущающих воздействий

3.2 Модель динамики первого порядка

3.3 Модель динамики второго порядка

3.4 Модель динамики третьего порядка 69 Выводы по главе

4. СИНТЕЗ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ 4.1 Задачи синтеза

4.2 Выбор оптимального варианта системы управления

4.3 Реализация системы управления

Электронагрев широко применяется во всех отраслях промышленности, в т.ч. электротехнической, металлургической, химической, машиностроении и др. Наблюдается тенденция роста электроотопления в коммунальном хозяйстве и быту. Из средств электроотопления наиболее распространены: электрокотлы, аккумуляционные печи, греющие обои, тонкие проводники, заделываемые в бетон, электротепловентиляторы, электрорадиаторы, кондиционеры и др. Все большее распространение находят электроплиты для приготовления пищи. По сравнению с газовыми плитами их использование не сопровождается выделением окиси углерода и других вредных продуктов, ухудшением температурно-влажностного режима, они менее пожаро- и взрывоопасны.

До определенного времени считалось, что вследствие невысокого КПД электростанций и значительных потерь в системах передачи, пламенные печи с непосредственным сжиганием топлива предпочтительнее электропечей (по расходу топлива). Однако анализ, учитывающий все факторы, показывает, что в расчете на конечный продукт электротермические процессы во многих случаях являются энергосберегающими. За счет отсутствия необходимости подачи воздуха для горения и удаления топочных газов и других преимуществ КПД электропечей находится в пределах 50-85%, а аналогичных пламенных печей 2540% [1].

В связи с ростом цен на электроэнергию и топливо, усилением конкурентной борьбы между фирмами, производящими энергоемкое оборудование, транспортные средства и другие машины, актуальность задач экономии и оптимального использования энергоресурсов с каждым годом возрастает [2-4].

Традиционно снижение энергетических затрат на производстве в процессах нагрева достигается за счет повышения производительности технологического оборудования, уменьшения его простоев в рабочем состоянии, а также повышения надежности электротермических аппаратов и улучшения теплоизоляции [5 - 13].

В ряде случаев существенно сократить энергозатраты позволяет скоростной нагрев тел, когда отсутствуют потери тепла, связанные с его аккумуляцией. Например, при высокочастотной закалке стальных изделий скорость нагрева достигает 100-500 °С/с, весь процесс длится несколько секунд и повышается качество изделий.

По характеру проявления эффективности выделяют четыре группы электротермических процессов.

1. Процессы получения продукции, которые нельзя осуществить без электронагрева. К таким процессам относятся многие процессы изготовления электро- и радиоэлементов, средств вычислительной техники и др.

2. Процессы, позволяющие получать продукцию более высокого качества, например, шарикоподшипниковой стали.

3. Процессы электронагрева, дающие прямой эффект за счет снижения себестоимости или капитальных затрат.

4. Процессы, решающие экологические и социальные проблемы, например, уменьшающие затраты на очистные сооружения или сохраняющие природные ресурсы.

Актуальность темы исследования. Электрические печи широко применяются для выпуска высококачественной продукции при минимальных затратах природных ресурсов. Как объекты управления электрические прецизионные печи имеют ряд особенностей. К ним прежде всего относятся большие энергозатраты, высокие требования к поддержанию пространственно-временных температурных режимов, сильные связи между переменными состояниями в соседних участках печи, значительное число управляющих и возмущающих воздействий, жесткие ограничения на изменения составляющих вектора фазовых координат, значительная доля времени работы в динамических режимах, существенная вероятность выхода из строя отдельных нагревательных элементов в процессе функционирования печи. Система автоматического управления печью должна решать сложные задачи для реализации резервов по снижению энергозатрат и уменьшению доли брака выпускаемой продукции. Поэтому создание систем оптимального управления электрическими печами, учитывающих изменения состояний функционирования в процессе эксплуатации, является актуальной задачей.

Данная работа выполнялась в соответствии с научным направлением ТГТУ "Разработка теории и методов автоматизированного проектирования химико-технологического комплекса и систем управления" и научно-техническими программами "Ресурсосберегающие технологии машиностроения", темами госбюджетных НИР ТГТУ 2000-2003г.г., а так же договором о международном сотрудничестве между ТГТУ и фирмой ZILA Elektronik (Германия).

Цель работы заключается в решении комплекса задач анализа и синтеза оптимального управления электрическими прецизионными печами как сложными многозонными объектами, характеризующимися векторным управлением, возможностью изменения критерия оптимальности и ограничений в зависимости от производственной ситуации; создании на базе полученных решений алгоритмического обеспечения для микропроцессорных устройств, синтезирующих в реальном времени оптимальные управляющие воздействия, проверке работоспособности новых алгоритмов на реальной электрической печи.

Научная новизна работы. Предложена модель динамики, учитывающая влияние на температуру в каждой зоне печи температурных режимов соседних участков.

Сформулирована и решена задача оптимального управления электрической печью, минимизируемый функционал и ограничения в задаче учитывают энергозатраты, качество выпускаемой продукции и надежность нагревательных элементов.

Предложены алгоритмы оперативного синтеза энергосберегающих управуправляющих воздействий при изменении состояний функционирования.

Практическая значимость. Разработаны алгоритмическое и программное обеспечение системы оптимального управления шестисекционной прецизионной печью для термической обработки заготовок терморезисторов. Применение системы управления снижает затраты энергии в динамических режимах на 5 - 7% и увеличивает выход продукции требуемого качества на 8 - 12%.

Созданы программные средства анализа и синтеза энергосберегающего управления многозонными объектами, которые могут использоваться как самостоятельно, так и в качестве модулей экспертной системы "Энергосберегающее управление динамическими объектами".

Методы исследования. В работе использованы методы системного анализа сложных объектов, современной теории автоматического управления, решения задач многокритериальной оптимизации.

Обоснованность научных результатов. Достоверность и новизна научных положений и выводов подтверждена и обоснована с помощью классических методов анализа и синтеза оптимального управления, применением компьютерных технологий тестирования программных продуктов. Полученные теоретические результаты подтверждены вычислительными экспериментами и опытной эксплуатацией системы управления в промышленных условиях.

Реализация работы. Полученные алгоритмы и программы использованы при разработке систем оптимального управления режимами работы электрических прецизионных печей в производстве терморезисторов. Получен акт о внедрении на ОАО "Алмаз". Материалы исследований используются в учебном процессе кафедры "Конструирование радиоэлектронных и микропроцессорных систем" ТГТУ.

Апробация работы. Основные результаты работы представлялись и обсуждались на международных и всероссийских научных конференциях: VII научная конференция ТГТУ (апрель, 2002 г.); II Всероссийская (VII Тамбовская межвузовская) научно-практическая конференция ТГТУ (сентябрь, 2003 г.); IV

Международная конференция "Актуальные проблемы современной науки" (Самара, сентябрь 2003г.); X Международная конференция по управлению "Автоматика" (Севастополь, сентябрь 2003 г.), XVII Менделеевский съезд по общей и прикладной химии (Казань, сентябрь 2003 г.),VI Всероссийская научная конференция молодых ученых и аспирантов "Новые информационные технологии. Разработка и аспекты применения" (Таганрог, ноябрь 2003 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 9 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Основная часть диссертации изложена на 125 страницах. Содержит 30 рисунков и 7 таблиц. Список литературы включает 110 наименований.

ВЫВОД:

Рис. 4.2 Блок-схема алгоритма общей задачи синтеза ОУ

Блок 7 определяет вид функции ОУ, значения параметров и функционала. По результатам в каждом цикле накапливается информация о видах функции ОУ в виде множества , рассчитанных параметров [Pllj j, величин функционала {./(£)}, а также подсчитывается вероятность отсутствия решения ЗОУ р(Г0) и значения реквизитов R0, при которых ЗОУ не имеет решения. Эти данные выводятся блоком 9. Рассчитанная задача решается с использованием АРМ проектировщика алгоритмического обеспечения СОУ.

Задача синтеза управляющих воздействий в реальном времени, решаемая бортовым контроллером, применительно к частной ЗОУ (задача 1) формулируется следующим образом.

Известны виды функций ОУ, которые могут иметь место при управлении режимом печи, соотношения для их определения, формулы для расчета параметров ОУ, т.е. фрагмент модели ЗОУ <М, F, S, 0>.

Требуется для заданного массива исходных данных Ry за допустимое время Д/д проверить существование решения ЗОУ, если оно существует, то определить вид функции ОУ и рассчитать ее параметры. Если решение ЗОУ для данных Ry не существует, то за время А/д решается обратная задача по коррекции компонентов Ry и расчете ОУ для откорректированного массива

RyWl Одновременно выдается сигнал оператору об изменении Ry. Время А/д назначается из условия, чтобы выполнялось условие V/ |z/(f)-zz-(f + Д?д)| <Szj, здесь 8zz- - допустимое изменение / - й составляющей вектора фазовых координат.

Блок-схема алгоритма синтеза ОУ при решении частной ЗОУ <М2, Э, Пр, 0> представлена на рис. 4.3.

Исходные данные для расчета программы изменения оптимальных

ВЫВОД ОУ Uj(t), i g [1,2]

Рис. 4.3 Блок-схема алгоритма оперативного синтеза ОУ с использованием некорректируемой программной стратегии управляющих воздействий (блок 1) задаются в виде полного массива реквизитов, либо изменившихся значений компонентов по сравнению с работой управляющего устройства в предыдущий период. В блоке 2 рассчитываются значения синтезирующих переменных по конечным формулам (3.29) - (3.31).

В блоке 3 рассчитываются численные значения параметров в соотношении G12 для границы разделяющей первую и вторую области видов функции ОУ.

В блоке 4 определяется вид функции ОУ. Если значения L2 не меньше граничного G12, то имеет место ОУ первого вида, в противном случае ОУ второго вида. Расчет параметров функций ОУ выполняется блоками 5, 6. Расчет параметров для ОУ 1-го вида. u{(t) = d0 или 2-го вида

2(0 = d0 +dxeaЧ te[tOJt2\ ив, te[t2,tK] производится блоками 5, 6.

Блок 7 осуществляет вывод оптимальных управляющих воздействий в последовательные моменты времени.

Задача 2 синтеза ОУ разогревом печи (см. (2.20) - (2.24)) является исключительно сложной и решается на управляющей ЭВМ или АРМ одновременно для всех зон и температурных интервалов печи. Для ее решения задается массив реквизитов, включающий значения всех параметров модели (2.20), температурные и временные границы стадий разогрева, которые для i- ой зоны имеют вид о)=*/°; ± a/i)=zj;.; zi(tSix ± A/5.i)=z?/1; Zi(tK )=zp =zf, где zj ,7 = 1, 5/-1 - границы температурных интервалов (стадий); [/у + A/yJ, j=1,5/ -1 - допустимые пределы изменения моментов времени переключения стадий нагрева.

В алгоритме синтеза ОУ разогревом печи используется комбинированный метод [57], в котором для определения моментов переключения используется метод динамического программирования, а внутри временных интервалов - метод синтезирующих переменных. В результате рассчитывается оптимальная программа и*0= (Щ ()=и1 (О» te[r0,tK]\ u*i(f)=m (t),te\Q,tl\u*2{t), /е [rf,^]; uls.(t), te\t*.utK здесь tj, y=l, Si -1- оптимальные моменты времени переключения стадий.

Задача 3 (синтеза алгоритмического обеспечения СОУ) заключается в выделении из результатов полного анализа ЗОУ, хранящихся в базе знаний, фрагментов (фреймов), необходимых для работы локальных управляющих устройств. Исходными данными для решения задачи являются множества моделей

ЗОУ У = {<М, F, S, О) jjj,, hefty, j=l,sj, /=1,и| и множество соответствующих массивов реквизитов fajj, hefty; j=\,sj, i=\,n\, содержащих интервалы возможного изменения значений компонентов. Алгоритм решения задачи состоит в следующем:

1) множество J разбивается на подмножества задач «/j, ., «//, состоящие из одинаковых четверок;

2) для задач J\ формируется массив реквизитов R(J\) путем объединения интервальных значений каждого компонента;

3) случайным образом из ft{J\) выбирается массив R\ в виде числовых значений;

4) для Щ рассчитывается вектор синтезирующих переменных L );

5) этапы 3,4 повторяются до получения представительной выборки;

6) по значениям L (R) в пространстве синтезирующих переменных выделяется область £{j\), соответствующая возможным значениям реквизитов

7) по области £ ) определяется множество ^"(j]) видов функций ОУ, которые могут иметь место для данных ft{J\);

8) для видов функций ОУ, входящих в ^{Jx), формируется алгоритмическое обеспечение, содержащие соотношения для границ областей видов ОУ расчета параметров и др.;

9) далее пункты 2-8 последовательно повторяются для J\,J\. Задача 4 (совмещенного синтеза ОУ) возникает в основном в связи с возможными отказами нагревательных элементов, при этом в модели (2.20) существенно изменяются коэффициенты матриц В^у ^. Определить значения

Bj j h для всех he9Ij, j=li=\,n на стадии моделирования практически невозможно, так как это потребовало бы получение экспериментальных данных i п для более чем их,ух|£/| ситуаций, здесь s=-^sj(sj- число стадий для /-ой пЫ\ зоны печи). Поэтому множества матриц Щ пополняются значениями Bjjh в процессе эксплуатации печи. Задача 4 формулируется следующим образом. Заданы множества ^ij, j = Si* /=1,и, элементам которых соответствуют известные матрицы Bf j j, и алгоритмы оперативной оценки матриц Я/j,/, по экспериментальным данным.

При возникновении в момент времени е [/q , ] состояние работоспособности h j=\,Sj, i = l,и требуется на интервале времени [fj,, tfj+At ид\ зарегистрировать значения изменения z,u в соответствующих зонах печи и рассчитать значение матрицы В. . г, затем за время Atc определить вид и параметры функции ОУ. При этом должно выполняться условие A tUJX +Atc<AtJX (см. задача 1).

На рис. 4.4 представлена блок-схема алгоритма совмещенного синтеза. В блоке 1 задаются: оптимальная программа ОУ, траектория изменения фазовых координат, число к подинтервалов времени для идентификации модели, а также измеряемые значения Zj. Блоки 2, 3, 5 обеспечивают цикл по времени. В блоке 4 рассчитывается ошибка AZj между оптимальным значением z* и измеренным значением Zj, в блоке 6 значение ошибки сравнивается с допустимым. Если величина ошибки меньше допустимой, то продолжается реализация программы ОУ, заданной блоком 1. В противном случае производится идентификация модели (блок 7) и синтез новой оптимальной программы (блок 8) для оставшегося временного интервала управления. При совмещенном синтезе сначала производится оперативная текущая оценка параметров модели (см. (2.6), (2.14), (2.18)), затем параметры уточняются (см. (2.10), (2.15), (2.19)).

Задача 5 синтеза ОУ остыванием печи решается аналогично задачи 3.

Рис. 4.4 Блок-схема алгоритма совмещенного синтеза ОУ

4.2 Выбор оптимального варианта системы управления

Задача синтеза алгоритмического и технического обеспечения являются составными частями более общей задачи оптимального проектирования системы управления. Последняя задача решается как задача выбора оптимального варианта системы из множества альтернативных. Международный опыт показывает, что до 50% и более проектов по созданию новых систем не приносит ожидаемого результата [88 - 90]. Поэтому для разработки системы управления применен метод динамической альтернативности (ДА), который нацелен на максимизацию вероятности достижения успеха в реализации проекта [91].

В соответствии с этим методом основными этапами (фазами) жизненного цикла проекта (ЖЦ) являются: мотивация формирование концепции, проведение научно-исследовательских работ (планирование создания продукта), проектирование, производство (изготовление), внедрение (инсталляция) и завершение (закрытие). Результаты работ одного этапа используются для выполнения последующего. После завершения каждой фазы проекта принимаются ключевые решения.

Важнейшими компонентами, которые должны постоянно учитываться на всех этапах ЖЦ проекта являются риск и затраты. Под риском проекта здесь понимается вероятность того, что цели проекта не будут достигнуты и его выполнение не принесет ожидаемых результатов. Риск зависит от большого числа факторов, обусловленных недостаточной информацией или случайной природой явлений, от которых зависит успех проекта. К этим факторам относятся нестабильность экономической и политической ситуации, действия конкурентов, не абсолютная надежность технических средств, ошибки персонала и т.д. [88,92 - 95].

Основная идея принципа динамической вариантности заключается в следующем. На первом этапе проектирования формируется множество (группа) альтернативных вариантов, которые начинают разрабатываться параллельно. После каждого этапа производится сеанс экспертизы и принимается решение о приоритетности вариантов и составе группы.

Процесс проектирования здесь описывается функциональной моделью в формате IDEFO, дополненной узлами принятия решений [96, www.IDEF. com ].

Основу функциональной модели описания процессов на различных стадиях проектирования с использованием принципа динамической вариативности (ДВ) составляют узлы из двух блоков — блока действия (Д) и блока принятия решения (ПР) или сеанса экспертизы (см. рис. 4.5). Используемые переменные и их обозначения приведены в табл. 4.1. 1

1 Действие о

W w\ С

J:

Принятие f м f S(m;

Рис. 4.5 Схема узла модели принятия решения

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В процессе выполнения исследований по энергосберегающему управлению прецизионными электрическими печами решен комплекс задач по моделированию, анализу и синтезу оптимального управления, что позволяет снизить затраты энергии в динамических режимах на 5 - 7% и повысить качество продукции. Основными результатами, полученными в диссертационной работе, являются следующие.

1. Сформулированы задачи оптимального управления многозонными электрическими печами, учитывающие особенности реальных процессов — нелинейность модели динамики, взаимное влияние температурных режимов зон друг на друга, ограничения на управление и траекторию изменения фазовых координат, требования качества продукции и надежности нагревательных элементов. Наряду с традиционными управляющими воздействиями в качестве варьируемых переменных при решении задачи энергосберегающего управления разогревом печи дополнительно используются моменты "переключения" правых частей модели объекта.

2. Разработана структура модели процессов теплообмена в многозонной электрической печи. Модель отражает стадии разогрева печи и представлена в виде дифференциальных уравнений с разрывной правой частью. Это позволяет описать нелинейные процессы в зонах печи с требуемой точностью и оперативно решать задачи энергосберегающего управления.

3. Сформулированы и решены задачи идентификации моделей динамики многозонной печи. Разработанные алгоритмы идентификации моделей учитывают влияние температурных режимов соседних зон и пригодны для решения задач совмещенного синтеза энергосберегающего управления.

4. Выполнен полный анализ оптимального управления объектами, динамика которых описывается дифференциальными уравнениями первого, второго и третьего порядков, при наличии возмущающих воздействий. Получены соотношения для расчета синтезирующих переменных, определены возможные виды функций оптимального управления.

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

5. Сформулированы и решены задачи синтеза алгоритмического обеспечения проектируемых систем оптимального управления и синтеза энергосберегающих управляющих воздействий в реальном времени микропроцессорными управляющими устройствами.

6. Разработаны модели динамики и алгоритмическое обеспечение системы оптимального управления для прецизионной электрической печи производства терморезисторов.

Система внедрена на ОАО "Алмаз" г. Котовск . За счет использования в системе разработанных моделей и алгоритмов экономия энергоресурсов в динамических режимах на один канал прецизионной печи составляет 5 - 7%, коэффициент выхода изделия СТ-15-3 возрос на 8 - 12%. Разработанные алгоритмы по энергосберегающему управлению используются в учебном процессе ТГТУ.

Исследования выполнены в соответствии с научным направлением ТГТУ "Разработка теории и методов автоматизированного проектирования химико-технологического комплекса и систем управления" и научно-техническими программами "Ресурсосберегающие технологии машиностроения", темами госбюджетных НИР ТГТУ 2000-2003г.г., а так же договором о международном сотрудничестве между ТГТУ и фирмой Z1LA Elektronik (Германия).

1. Альтгаузен А.П. Применение электронагрева и повышение его эффективности. — М.: Энергоатомиздат, 1987. — 128 с.

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

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

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

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

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

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

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

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

10. Сборник предложений по экономии электрической и тепловой энергии, премированных на XL Всесоюзном конкурсе. М.: Энергоатомиздат, 1989.

11. Кафаров В.В., Мешалкин В.П., Гурьева JI.B. Оптимизация теплооб-менных процессов и систем. М.: Энергоатомиздат, 1988. - 192 с.

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

13. Электротехнический справочник. В Зт. Т.З. В 2 кн. Кн.2. Использование электрической энергии. М.: Энергоатомиздат, 1988. - 616 с.

14. Электротермическое оборудование: Справочник / Под ред. А.П. Альтгаузена. 2-изд. М.: Энергия, 1980. — 416 с.

15. Электрические промышленные печи: Дуговые печи и установка специального нагрева / А.Д. Свечанский, Н.Т. Жердев, A.M. Кручинин и др./ Под ред. А.Д. Свечанского. — 2-изд. М.: Энергоиздат, 1981. 296 с.

16. Свечанский А.Д. Электрические промышленные печи. 4.1. Электрические печи сопротивления. — 2-изд. М.:Энергия, 1975.-384 с.

17. Фомичев Е.П. Электротехнологические промышленные установки. — Киев: Вища школа, 1979. -264 с.

18. Электрооборудование и автоматика электротехнических установок: Справочник/А.П. Альтгаузен, М.Д. Бершицкий, И.М. Бершицкий и др./ Под ред.А.П. Альтгаузена, М.Д.Бершицкого, М.Я. Смелянского и В.М. Эдемского -М.: Энергия, 1978.-304 с.

19. Альтгаузен А.П., Вольфовский Г.С. Экономическая эффективность новых видов электротермического оборудования /Экономическая эффективность новой техники. М.: Цинтиэлектропром, 1982. С. 82-92.

20. Ляхович А.П. Перспективы электротермии и проблемы энергетики // Электротехническая промышленность. Сер. Электротермия, 1980, №6 (214). С.9 -11.

21. Шевцов М.С., Бородачев А.С. Развитие электротермической техники. М.: Энергоатомиздат, 1983. - 208 с.

22. Альтгаузен А.П., Берзин В.А. Технико-экономические тенденции развития электротермии. Электротехника, 1979, №8. С. 39 - 42.

23. Коздоба JI.A. Классификация задач и методов оптимизации тепловых процессов// Промышленная теплотехника.-1987, т.9, №2.- с. 52-62.

24. Коздоба JI.A., Круковский П.Г. Методы решений обратных задач те-плопереноса Киев: Наукова думка, 1982.- 360 с.

25. Бойко И.В., Бублик Б.Н., Зинько П.Н. Методы и алгоритмы решения задач оптимизации Киев: Вища шк., 1983.- 512 с.

26. Кафаров В.В. Методы кибернетики в химии и химической технологии. М: Химия, 1985. - 448 с.

27. Бутковский А.Г. Управление системами с распределёнными параметрами// Автоматики и телемеханика.- 1979. №11.- С. 16-65.

28. Шуп Т. Решение инженерных задач на ЭВМ: Практ. Руководство/ Пер. с англ.- М.: Мир, 1982.- 238с.

29. Коздоба JI.A. Обоснование терминологии и алгоритм решения обратных задач теплопереноса// Инж.- физ. журн.- 1983.- 45, №5.- С. 833-843.

30. Егоров А.Н., Рафатов P.P. Математические методы оптимизации процессов теплопроводности и диффузии/ АН Кирг ССР, Ин-т математики.- Фрунзе: Илим, 1990.- 336 с.

31. Вигак В.М. Оптимальное управление нестационарными температурными режимами.- Киев: Наукова думка, 1979,- 359 с.

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

33. Понтрягин JI.C., БолтянскийВ.Г., Гамкрелидзе Р.В. Мищенко Е.Ф. Математическая теория оптимальных процессов. М.: Наука, 1969. - 384 с.

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

35. 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.

36. Красовский А.А. Обобщение задачи аналитического конструирования регуляторов при заданной работе управлений и управляющих сигналов // АиТ. 1969. - №7. -с. 7-17.

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

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

39. Нечеткие множества в моделях управления и искусственного интеллекта / Под ред. Д.А. Поспелова. М.: Мир, 1986. - 312 с.

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

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

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

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

44. 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.

45. Бешелев С.Д., Гурвич Ф.Г. Экспертные оценки. М.: Наука, 1973.160 с.

46. Айзерман М.А., Алескеров Ф.Т. Выбор вариантов: основы теории. М.: Наука, 1990. 240 с.

47. Ляпин Л.Н., 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.

48. 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.

49. 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.

50. Автоматизированное проектирование систем управления: Пер. с англ. / Под ред. М. Джамшиди. М.: Машиностроение, 1989. - 344 с.

51. Муромцев Ю.Л., Орлова Л.П., Капитонов И.Е. Экспертная система "Энергосберегающее управление динамическими объектами" // Вестник ТГТУ. 1995. - Т. 1, № 3 - 4. - С. 221 - 226.

52. Теория систем с переменной структурой / Под ред. С.В. Емельянова. -М.: Наука, 1970.-592 с.

53. Казаков И.Е., Артемьев В.М. Оптимизация динамических систем случайной структуры. — М.: Наука, 1980.

54. Муромцев Ю.Л. Безаварийность и диагностика нарушений в химических производствах. Методы, модели, алгоритмы. М.: Химия, 1990. — 144 с.

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

56. Муромцев Д.Ю., Муромцев Ю.Л., Орлова Л.П. Синтез энергосберегающего управления многостадийными процессами комбинированным методом // Автоматика и Телемеханика. 2002. - № 3 . - С. 169 - 178.

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

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

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

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

61. 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.

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

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

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

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

66. НПФ "Вега ЛТД" // Приборы системы управления. - 1998. - №8. - С.76 77.

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

68. Бажанов B.JI. Универсальный USWO — регулятор для замкнутых систем автоматического управления // Приборы и системы управления. 1999. -№1.-С. 34-38.

69. ТРЕЙС МОУД. Графическая инструментальная система для разработки АСУ. Версия 5.0: Руководство пользователя. AdAstra Research Group, Ltd. 1998. 771 с.

70. Калянов Г.Н. CASE-технологии. Консалтинг в автоматизации бизнес-процессов. — 3-е изд. М.: Горячая линия — Телеком, 2002. - 320 с.

71. Сафонов В.В. Система GeC>2 — SnC>2. Московская Государственная академия тонкой химической технологии им. М.В. Ломоносова / Сафонов В.В., Цыганков В.Н., Козлов А.И. // Журнал неорганической химии, 2003, Т. 48. №5. С. 831-834.

72. Эйкхофф П. Основы идентификации систем управления. М:. Мир, 1975.-684 с.

73. Химмельблау Д. Анализ процессов статистическими методами. — М:. Мир, 1973.-958 с.

74. Микропроцессорные системы оптимального управления. / Муромцев Ю.Л., Ляпин Л.Н. и др.: Учеб. пособие Тамбов, Тамбовск. ин-т хим. маши-ностр. - 1990. - 93 с.

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

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

77. 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.

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

79. Ту Ю. Современная теория управления. М.: Машиностроение. 1971.472 С.

80. 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.

81. 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.

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

83. Арчибальд Р. Управление высокотехнологичными программами / Пер. с англ. М.: ДМК Пресс, 2002. - 464 с.89. 7 нот менеджемента. М.: "ЗАО Эксперт", ООО "Издательство ЭКСМО", 2002.

84. Скрипка К.Г. Экономическая эффективность информационных систем. М.: ДМК Пресс, 2002. - 256 с.

85. В.А.Блохин. Динамическая вариантность (альтернативность) при управлении проектами / В.А.Блохин, А.И.Козлов, Д.Ю.Муромцев // Вестник ТГТУ. Тамбов, 2003. Т. 9. № 3 . С. 390 405.

86. Дубов A.M., Лагоша Б.А., Хрусталев Е.Ю. Моделирование рисковых ситуаций в экономике и бизнесе: Учеб. пособие / Под ред. Б.А. Лагоши. М.: Финансы и статистика, 1999. - 176 с.

87. Богданов В.В. Управление проектами в Microsoft Project 2002: Учебный курс СПб.: Питер, 2003. - 640 с.

88. Блохин С.А. Задачи управления рисками на объектах газового хозяй-ста / Блохин С.А. // Вестник ТГТУ. Тамбов, 2003. Т. 9. № 4 . С. 762 766.

89. Черемных С.В., Семенов И.О., Ручкин B.C. Структурный анализ систем : IDEF технологии. - М.: Финансы и статистика, 2001. - 208 с.

90. Муромцев Д.Ю. Информационные технологии обновления процессов на предприятии / Д.Ю. Муромцев, А.А. Кабанов, А.И. Козлов // Вестник ТГТУ. Тамбов, 2002. Т. 8. № 4 . С. 583 591.

91. Козлов А.И Обновление процессов и энергосбережение / А.И. Козлов, Д.Ю. Муромцев // Труды ТГТУ: Сб. науч. ст. молодых ученых и студентов. Тамбов, 2002. Вып 11 . С. 141 144.

92. Козлов А.И. Резервы энергосбережения при реинжиниринге предприятий / А.И. Козлов // VII науч. конф. ТГТУ. Тамбов, 2002. С. 94-95.

93. Таха Хэмди А. Введение и исследование операций / Пер. с англ. -М.: Издательский дом "Вильяме", 2001. 912 с.

94. Муромцев Д.Ю. Принятие решений с использованием байесовского подхода и экспертных оценок / Д.Ю. Муромцев, Л.П. Орлова, А.И. Козлов // Вестник ТГТУ. Тамбов 2003. Т. 9. № 1. с. 15 -24.

95. Ланге О. Оптимальные решения. М.: Прогресс, 1967. 286 с.

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

97. Козлов А.И. Информационно-управляющая система многосекционными печами / А.И. Козлов // Информационные системы и процессы: Сб. науч. тр. / Под ред. проф. В.М. Тютюнника. Тамбов; М.; СПб.; Баку; Вена: Изд-во "Нобелистика", 2003. Вып. 1. С. 172 175.

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

99. Чейз Р.Б., Эквилайн Н.Дж, Якобе Р.Ф. Производственный и операционный менеджмент: Пер. с англ. М.: Изд. Дом «Вильяме», 2001. 704 с.

100. Информационные технологии управления: Учеб. пособие для вузов / под ред. Г.А. Титоренко. М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2003. 439 с.

101. Информационные ресурсы для принятия решений: Учеб. пособие /А.П. Веревченко, В.В. Горчаков, И.В.Иванов, О.В. Голодова. М.: Академический проспескт; Екатеринбург: Деловая книга, 2002. 560 с.