автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Автоматическое управление многосвязными технологическими процессами углеперерабатывающих и химико-технологических производств

ДОНЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

РГб ОД

АВТОМАТИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ МНОГОСВЯЗНЫМИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ УГЛЕПЕРЕРАБАТЫВАЮЩИХ И ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ

ПРОИЗВОДСТВ

Специальность 05.13.07 - автоматизация технологических процессов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Донецк - 2000

Диссертацией является рукопись

Работа выполнена в Донецком государственном техническом университете Министерства образования и науки Украины

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор ¡Борисов Алексей Андреевич,

заведующий кафедрой "Автоматика и телекоммуникации" Донецкого государственного технического университета, г. Донецк

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Улышш Виталий Александрович,

заведующий кафедрой "Компьютеризированные системы" Восточноукраинского государственного университета, г. Луганск

кандидат технических наук Стадник Николай Иванович,

заместитель директора по научной работе Донецкого государственного научно-исследовательского проектно-конструкгорского и экспериментального института комплексной механизации шахт "ДОНГИПРОУГЛЕМАШ", г.Донецк

Ведущая организация: Национальная горная академия Украины

Министерства образования и науки Украины, кафедра автоматизации производственных процессов, г. Днепропетровск

Защита состоится "10" октября 2000 г. в 14 часов на заседании специализированного ученого совета К11.052.03 Донецкого государственного технического университета по адресу: 83000, г. Донецк, ул. Артема, 58, корп.1, ауд. 201.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Донецкого государственного технического университета по адресу 83000, г. Донецк, ул. Артема, 58, корп. 2.

Автореферат разослан "8" сентября 2000 г.

Ученый секретарь

специализированного ученого совета К11.052.03

кандидат технических наук, доцент Мокрый Г.В.

л 5

А Сет сг /О

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Недостаточность природных запасов нефти и газа в Украине, ют стоимости импортного сырья и одновременное увеличение объемов потребления ергоносителей, получаемых из него, определяют развитие альтернативных направлений щения топливно-энергетической проблемы. Одним из наиболее целесообразных путей решения является организация производства синтетических моторных топлив из бурого ля, запасы которого в Украине достаточно велики.

Данные технологические процессы, как и многие другие сложные химико-кнологические процессы, являются многосвязными, нелинейными, нестационарными, к что управление такими процессами с помощью локальных регуляторов без учета этих обенностей и специфики объектов становится неэффективным. Снижение эффекта от равления и оптимизации объясняется неудовлетворительным исполнением оптимальных шений на нижних уровнях управления, обусловленном как частой сменой уставок регу-горам при переводе в оптимальные режимы, так и недостаточной точностью их отработ-в условиях многосвязности процесса, а наличие связей по передаче сырья и энергии из цсистемы в подсистему, существование рециклов и разветвления потоков по нескольким лалам еще более усугубляет ситуацию.

Таким образом, возникает проблема исследования влияния многосвязности, нелиней-сти и нестационарности процессов на динамику и качество управления и создания таких ;тем, которые были бы способны оперативно идентифицировать процессы, формировать ;орректировать модель и алгоритм управления с учетом изменений в объекте, обеспечи-[ высокое качество управления за счет непрерывной компенсации взаимного влияния кду каналами и учета изменений в окружающей среде.

Связь работы с научными программами, планами, темами. Работа выполнена в соот-ствии с тематическим планом Донецкого государственного технического университета темам 0195Ш26886 и 01980002312.

Целью работы является разработка компьютерной технологии синтеза и создание темы автоматизированного управления технологическими модулями (ТМ) процессов еперерабатывающих и химико-технологических производств, обеспечивающей повысив производительности и качества выходного продукта, путем оптимизации распредели нагрузок по агрегатам и поддержания требуемой точности управления.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:

- провести исследования статических и динамических свойств многосвязных про-сов углеперерабатывающих и химико-технологических производств и разработать об-я принцип модульно-иерархического моделирования сложной системы;

- разработать компьютерную технологию получения и самоорганизации модели в цессе управления ТМ с учетом нелинейности, нестационарности и многосвязности цессов;

- определить концепцию и разработать обобщенную структуру иерархической сис-

темы управления ТМ с оптимизацией распределения нагрузки по технологическим агрс там;

- сформировать обобщенный критерий и разработать методику синтеза локалы подсистем с учетом многосвязности динамических процессов;

- разработать принцип динамического разобщения многосвязных процессов и ме дику синтеза развязывающих компенсаторов из условия автономности систем с промь ленными регуляторами;

- провести моделирование, исследование и оценку качества системы. Определ] область использования и внедрения системы.

Объектом исследования является класс многосвязных нестационарных хими технологических процессов, в частности, процесс комплексной переработки бурого угл жидкое топливо, нуждающихся в непрерывном эффективном управлении.

Предметом исследования являются многосвязные системы автоматического управ ния ТМ и агрегатами углеперерабатывающих и химико-технологических процессов.

..Методы исследования.

При разработке моделей, идентификации их структуры и параметров в основу по. жены модульно-иерархический принцип представления сложных систем, существую!! закономерности развития углеперерабатывающих и химико-технологических произволе анализ и обобщение опыта моделирования химико-технологических процессов. Для ана; за и синтеза систем управления многосвязными технологическими модулями примене методы пространства состояний, оптимального управления и динамического разобщен сепаратных каналов многосвязного объекта на базе общей теории инвариантности. П исследовании объекта и системы управления использовался метод математического мо, лирования.

Научная новизна полученных результатов.

1. Предложен новый принцип получения адекватной модели в адаптивной систем! процессе управления, отличающийся от известных возможностью идентификации, саь организации, оценки и отбора моделей на основе лишь информации о топологии объек количестве входов и выходов, заданного класса опорных функций и усовершенствован! го критерия отбора в виде минимума смещения на выборках.

2. Разработана новая модель и структура адаптивной системы управления процесса; углеперерабатывающих и химико-технологических производств, отличающаяся наличи циклов идентификации модели в замкнутом контуре и организацией прямого (ассоциаи ного) и многосвязного управления с обратной связью. Эффективность оптимизации и ог ративного управления в адаптивной иерархической системе достигается функционалы временной декомпозицией задачи по уровням управления и динамическим разобщени каналов локального уровня на базе принципов автономности и инвариантности.

3. В отличие от известных, предложен комбинированный метод синтеза, базиру: щийся на обобщенном критерии и объединяющий возможность минимизации отклонен выходных координат и времени переходного процесса в соответствии с принципом от

иьности Беллмана и достижение необходимой степени устойчивости в соответствии с )инципом Ляпунова, что обеспечивает требуемую точность в статических и динамиче-:кх режимах.

4. Предложен принцип и новая модель прямой ассоциативной компенсации развития ¡благоприятных для системы ситуаций, являющиеся дальнейшим развитием принципа шариантности, при которых по ситуации в матрице альтернативных управлений ассо-шруется и выбирается управление, компенсирующее негативное воздействие ситуации | ее полного развития, что повышает быстродействие и точность без потери устойчиво-и.

Таким образом, научное значение работы состоит в развитии принципов модульного >делирования сложных многосвязных промышленных объектов с получением оператив-гх моделей и идентификацией связей в автоматизированном режиме и принципов опти-пации распределения нагрузки по агрегатам с учетом влияния реальных производствен--технологических условий, а также развитии методов синтеза цифровых систем управ-ния технологическими процессами углеперерабатывающих и химико-технологических оизводств и принципов придания многосвязным системам свойств автономности и ин-риантносги.

Практическое значение полученных результатов.

1. Разработана новая модель технологической установки для комплексной переработ-бурого угля, учитывающая наличие связей по передаче сырья и энергии из подсистемы тодсистему, рециклы и разветвления потоков и позволяющая описывать технологиче--ш процесс на уровне распределения сырья по агрегатам установки.

2. Сформулированы методологические основы и разработана структура иерархиче-)й системы с оптимизацией распределения нагрузки и ситуационным управлением, вспенивающим повышение производительности, качества выходного продукта и уведите прибыли.

3. Разработана адаптивная многосвязная система, обеспечивающая формирование |уктуры модели и идентификацию параметров объекта непосредственно в замкнутом иуре управления, без специальных экспериментальных исследований и отключения ректора.

4. Разработана цифровая система многосвязного управления углеперерабатывающи-и химико-технологическими процессами, обеспечивающая требуемую точность, гру-ть к изменению параметров объекта, гибкость, перестраиваемость и преемственность 1улей, что позволяет использовать ее для управления другими процессами данного сса.

5. Предложена методика разобщения сепаратных каналов и разработаны структуры шенсирующих блоков обеспечивающие значительное улучшение качества управления в темах с локальными промышленными регуляторами без кардинального изменения уктуры и технической реализации исходной системы управления.

Разработанные в диссертационной работе методики и модели, результаты исследова-

ний и синтеза САУ углеперерабатывающими и химико-технологическими производствах использованы при создании опьггно-промьгшленной установки для полукоксования и г зификации бурого угля (ГХК «Александрияуголь»), при создании экспертной системы системы диагностики состояния химико-технологических процессов в условиях арендно] концерна «Стирол».

Личный вклад соискателя. Автором лично разработаны математическая модель пр цесса переработки бурого угля в жидкое топливо как объекта автоматизации, иерархич екая система ситуационного управления, оптимальный алгоритм цифрового управлеш технологическими модулями установки, математическое описание блоков компенеащ задающих воздействий и взаимного влияния сепаратных каналов многосвязного объекта.

Апробация результатов диссертации. Результаты диссертационных исследований д ложены, обсуждены и получили одобрение на кафедре автоматики и телекоммуникащ Донецкого государственного технического университета (1999-2000 гг); на междунаро, ной конференции «Современные технологии ресурсо-энергосбережения» (Киев, ГАЛГП 1997 г.); на 13-й Международной конференции по автоматизации процессов в горной пр мышленности ICAMC98 и процессам управления и моделирования ASRTP98 (Словаки технический университет в Кошице, 1998 г.), на второй Всеукраинской конференщш mi лодых ученых. «1нформацшш технологи в наущ та оевт» (Черкассы, ЧГУ, 2000 р.).

Публикации. Результаты диссертации опубликованы в 8 печатных работах, в то числе в 5 научных изданиях и в 3 докладах на международных научно-технических конф( ренциях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов и заклк чения, изложенных на 150 страницах машинописного текста, содержит 56 рисунков, 4 та( лицы, список литературы из 106 наименований и 23 страниц приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель, идея исследов; ния, перечислены основные положения, выносимые на защиту.

В первом разделе "Состояние вопроса и основные задачи исследования" проведен: анализ и исследование процесса полукоксования и газификации бурого угля, которые пс казали, что данный технологический процесс является сложным, характеризуется многс , численными прямыми и обратными связями и может быть отнесен к определенному кла< су процессов со сходными свойствами, такими как многосвязность и многомерность прс цесса, значительное запаздывание сигнала по выходной координате, нестационарность ш раметрОв объекта управления, наличие неконтролируемых возмущений. Примерами прс .цессов с подобными свойствами являются также процессы ректификации, экстракцш дистилляции, адсорбции, десорбции, обогащения и др. Используемые при этом ректиф» кационные и дистилляционные колонны, химические реакторы, обогатительные установк являются многосвязными объектами с индивидуальными характеристиками и констру*

гивными особенностями. Однако, несмотря на разнообразие технологических схем и агрегатов, используемых при переработке бурых углей в жидкое топливо, при производстве шмиака, обогащении и в других химико-технологических процессах их наиболее сложные ,'злы могут быть рассмотрены в виде многосвязных блоков, отличающихся лишь размерностью и числом связей.

На основании проведенного анализа в качестве базового объекта определен процесс 1ереработки бурого угля в жидкое топливо. Этот процесс характеризуется наибольшим шелом прямых и перекрестных связей, наличием неконтролируемых возмущений и запаз-цлванием. Кроме того, он является перспективным для решения топливно-энергетической троблемы, сложившейся в Украине, и одновременно нуждается в эффективной системе вправления.

На основе обзора работ связанных с моделированием, автоматизацией и оптимизацией рассматриваемого класса объектов обосновано направление разработок, сформулирова-1Ы цель и задачи исследований.

Во втором разделе "Компьютерные технологии модульно-иерархического формиро-1ания и самоорганизации многосвязных моделей углеперерабатывающих и химико-ехнологических процессов" на основе модульно-иерархического принципа разработана гетодика формирования и самоорганизации моделей многосвязных технологических провесов непосредственно на объекте в процессе нормального функционирования системы. Додель формируется непосредственно в контуре управления т.к. из-за нестационарности, [елинейности и многофакторности модели, задание заранее ее жесткой структуры невоз-гожно.

Для определения структуры и параметров статических связей модель задается в об-1ем виде:

F(x)=c0+tc,/(r); /,(x)eF(j),

1=1

при к<к0, п<щ, Ф{СМ -С,)2 -»■ min,

ie f,(x) - неизвестные функции, формируемые в классе опорных функций F{x\ X -ектор входной величины, к0 - задаваемая длина полинома модели, п0 - степень полино-а, С, - неизвестные коэффициенты модели, подлежащие определению, Ф - функционал цекватности при отборе моделей.

Формирование структуры претендентов моделей осуществляется по модифицирован-ому алгоритму разделением выборки данных измерений на обучающую Nл, провероч-уто NB и экзаменационную Nc выборки. Модификация комбинаторных алгоритмов пе-гбора опорных функций путем формирования вначале полиномов с минимальным числом згументов и последующим добавлением недостающих аргументов в многорядных струк-,рах значительно сокращает число претендентов моделей. В качестве критерия отбора ретендентов принят критерий минимума смещения на обучающей и проверочной выбор-

ках:

(SAT / f&V

где У/, У,я - частные модели, полученные на выборках NA и jVb . Для повышения noi хоустойчивости выполняется суммирование на интервале экстраполяции:

teNA teN,

где г; - весовой коэффициент. На заключительном этапе используется критерий 3i чимой погрешности:

iejVс I leNc

где 5 - заданная погрешность модели.

Для идентификации параметров претендентов по (1) - (3) использован метод нг меньших квадратов. Моделирование и оценка прогнозов подтвердили работоспособное-адекватность и достаточную точность метода самоорганизации и приемлемость операт! ных моделей для практического использовании при управлении.

Оперативная идентификация связей динамических многосвязных моделей осутцест ляется с использованием принципов адаптации в самонастраивающихся системах с иде тификатором. На рис. 1 приведена структурная схема адаптивной системы с самооргани: цией модели и идентификацией ее параметров. Оптимальные значения настроек регулят

pa R аналитически выражаются через оценки [) параметров /3 объекта, получаемые блоке идентификации. Для объекта, представленного отображением вход-выход можно ; писать:

\{р)= (l + \VP (р, R)\\'(p, Wp {рЯЩр.Мр)

Однако оценивать матрицу W(/>,/?) объекта при линейно зависимых компонентах Xt ( вектор-функции Х(г) невозможно. Приведение к каноническому виду также не дает вс можностн оценитьW(/7,/?). Противоречие состоит в том, что чем лучше регулят Wp(p,R), тем ближе Y(i) к X(i). Если X(f) медленно меняющаяся функция или конста та, то чувствительность dx/d/] будет стремиться к нулю, а следовательно область неопр деленное™ - к бесконечности. Тогда малые неточности приводят к сколь угодно болыш погрешностям в оценивании /?. Имеющееся противоречие разрешается введением в си тему специальных пробных воздействий ¿и. Эта задача может интерпретироваться к минимизация квадратичного функционала качества / и его вариации SI i u{t),R, p,Sa{t):

re.V

Рис. 1. Структурная схема адаптивной системи с идентификатором

(и*(0,<5и*(0"Я*Ж)= argmin(l + öl),

Решение уравнения (4), близкое к оптимальному, получается, если произвести следуюн декомпозицию:

u*(i)= argmini;

[Su{t),R")=argminöJ'; ■

4 ' &я

ß* = argminJ( ß );

ß

где J - функционал идентификации.

Далее полагая, что форма <5u(V) влияет на форму Si', а амплитуда - на амплит} форма Sa (?) найдена из условия минимума Si' при постоянной норме ¡¿iif t) |, а амши да - из условия равенства потерь от неточности 8ß в оценке ß и от неточности в и из-за наличия ¿¡u (7):

Т.к. алгоритмы, описываемые уравнениями (5), (6) сложны, то в структуру систе введена подсистема имитационного моделирования с численными алгоритмами peinei этой задачи.

Таким образом, предложенная методика позволяет выполнить оперативную иден фикацию объекта и сформировать модель непосредственно в замкнутом контуре управ ния, что повышает оперативность управления и позволяет решить проблему нестацион ности.

В третьем разделе "Разработка обобщенной иерархической модели управления и тимизаиии технологических, процессов углеперерабатывающих и химико-технологичеы производств" предложена двухуровневая система ситуационного управления с оптимг цией распределения нагрузки по технологическим агрегатам.

Верхним уровнем системы управления являются подсистемы ситуационного упр ления и оптимизации, позволяющие оперативно вырабатывать типовые управляющие в действия на локальные многосвязные подсистемы в соответствии со сложившимися ус виями протекания технологического процесса. При этом отрабатываются две ветви ана за ситуаций - распознавание стандартных ситуаций, заложенных в ситуационные мат цы, и моделирование нестандартных ситуаций, с последующим их занесением в cmyai онные матрицы. Кроме того, происходит параллельное проигрывание ситуаций на мод« эффективности. Предложенный принцип и новая модель прямой ассоциативной компен ции развития неблагоприятных для системы ситуаций, являются аналогом реализаь принципа инвариантности, при котором по ситуации в матрице альтернативных управ ний ассоциируется и выбирается управление, компенсирующее негативное воздейст!

туации до ее полного развития, что повышает быстродействие и точность без потери ус-йчивости.

При решении задачи оптимального распределения нагрузки по технологическим аг-гатам максимизируется величина:

ig.iR.qX

г g,(R,,q,) - прибыль от агрегата i с рабочими параметрами R. при расходе сырья q,, Функциональные уравнения имеют вид:

/л(б)= max [gN{Rx,qii)+[пЛЯ'чЛ '

О iq^Q

т

- max

Oiq^Q

i ft.; (О) - максимальная прибыль, получаемая при распределении полного количества рья О между N агрегатами в соответствии с принципом оптимальности;

В случае, если выходящий из агрегата не прореагировавший продукт поступает на эд следующего агрегата, функциональные уравнения имеют вид:

MQ)= max [gN{RN<qN+dN^)+fNA(Q-qN)\

О iq„<e

/i(Q) = max

: d, = (\ -C, )(q, + - количество не прореагировавшего материала в потоке, выхо-щем из i -го агрегата; С, =C,fq, + d,A) - доля полного количества сырья, поступающе-в i -й агрегат, которая превращается в продукт.

Оптимизация осуществляется по шагам методом динамического программирования, ¡воляет выработать уставки локальным подсистемам управления и добиться наибольшей }>ективности их функционирования в сложившихся производственных и организацион-•технических условиях, что обеспечивает повышение производительности установки на %.

В четвертом разделе "Синтез цифровой системы управления" обоснован критерий оп-1альности для синтеза алгоритма дискретного управления объектом, произведен синтез провой системы управления многосвязным модулем, разработана методика выбора и 'имизации коэффициентов весовых матриц обобщенного критерия качества.

Исходя из требований, накладываемых на переходные процессы для рассмагриваемо-сласса объектов обоснован критерий:

J = -xT{NT)m{NT)+X-i^.T{kT)Qcx{kT)+ й^ЛГ^'й^)], 2 2 *=о

х(&Г) - п -мерный вектор состояний; й(кТ) - m -мерный вектор управлений; ,RC,D- матрицы весовых коэффициентов размерности (п / п), (m х т),(п х п) - соог-

ветственно.

Для типового многосвязного модуля, в качестве которого выбран блок бертинир! ния, полукоксования и газификации, проведен синтез и оптимизация цифровой систем* комбинированному методу Беллмана-Ляпунова.

На основании выражения для первой разности Ляпунова

ДF(x,íU)= Г1 ||Ф(ГЖ)+ Н(т)и(кТ%. ~ K^fc Í

получено оптимальное управление:

110 =-К%х1 = -[НгРсН+Яс['НгРсФХ, ,

где Ф(?') - матрица перехода состояний объекта размерности (ихи), Н(Т) - матр управляемого перехода размерности (л х т), Рс - положительно определенная сим» ричная матрица первой разности функции Ляпунова размерности (и х п). По уравнениям Ляпунова

-рс = Фг<2сФ-СГ

и Риккати

фгОсф - Ф'о'н^сгнр1 нгосф + рс = о

получены матрицы КХ(Г) алгоритма оптимального управления, позволяющие определ матрицы перехода состояния замкнутой системы Ф*(7') и получить переходные проце1 координат вектора состояния объекта и вектора управляющих воздействий (рис. 2). На основании матричного уравнения

К,Ф + Ф7К, -KJHR^H'K, = -Qc получены расчетные соотношения, позволяющие установить явную зависимость мег коэффициентами q,, матрицы Q" и матрицей КХ(Г), что в конечном итоге позвол оценить влияние весовых коэффициентов критерия качества на переходные процесс! системе.

Принимая в качестве оценки величину относительного изменения значения крите] J для переходных процессов, удовлетворяющих технологическим ограничениям, пост лен факторный эксперимент по исследованию влияния характеристической постояи времени многосвязного модуля Гд, на величину относительного изменения критерия чества.

В результате исследований установлено, что минимум функционала J при разл ных значениях q „ зависит от действительной структуры установки в достаточно широ] пределах. С учетом принятого диапазона изменения технологических параметров агрс тов установки, величины T7¡> являются определяющими факторами, которые позволя

производить выбор коэффициентов матрицы Qc. По результатам обработки статиста

ских данных численного эксперимента получены уравнения регрессии для всех диагональных коэффициентов

где а, - коэффициенты регрессии; ТТР: - характеристическая постоянная времени / -го канала модуля; 7 = 1, 2- размерность вектора состояния. Методами моделирования и экспериментальными исследованиями подтверждены требуемые показатели качества переходных процессов по каналам состояния и управления модуля в системе, рассчитанной с применением этой методики.

..... | ■

О 1 1 3 < I 67

Щ «2 %

Рис. 2. Переходные процессы в каналах многосвязного модуля

В пятом разделе "Синтез автономной многосвязной системы управления с промыш-енными регуляторами" выполнен синтез компенсаторов из условий автономности задаю-1их воздействий и динамического разобщения регулируемых каналов, моделирование [ногосвязных систем управления и расчет экономической эффективности.

Поскольку ряд технологических объектов, относящихся к рассматриваемому классу, настоящее время уже оборудованы системами с локальными регуляторами, то решение 3! дачи, связанной с приданием таким системам свойств автономности и инвариангност представляется весьма актуальным. Для решения поставленной задачи осуществлен пер( ход от представления системы в пространстве параметров состояния в частотную область:

ХУДр^СОЛ-А^'В;

где \Уу(р) и \Уг{р) передаточные матрицы объекта по управлению и возмущению ра: мерности (1хт) и (/ хк) соответственно; А, В, С и Г - матрицы коэффициентов объект! распределения управляющих воздействий, измерений и распределения возмущающих во: действий размерности (п х п), (яхт), [Iхп) и (их/:) соответственно.

Получены условия автономности систем: диагональность передаточной матриц!

Ф(р) замкнутой системы по заданию и Нт Ф = I, а на их основе - передаточные матриц]

р-* о

компенсаторов, обеспечивающие автономность задающих воздействий и динамическое ра зобщение регулируемых каналов:

= 1т [(I + )- \У,\У, ['

ЛУ, = \у;' ска%УКу

Моделирование и исследования автономных систем показывают (рис. 3), что при вы полнении условий инвариантности и автономности длительность переходных процессо] уменьшается в 3-4 и 5-7 раз соответственно при отсутствии перерегулирования и статиче ской ошибки. Разработанные принципы синтеза компенсаторов позволяют сутцествент улучшить качество управления в многосвязных системах, построенных на основе одно мерных промышленных регуляторов, без кардинального изменения их структурного I конструктивного исполнения, что позволяет увеличить выход и качество конечного про дукта.

В заключении сформулированы научные результаты и практическая значимость вы полненной работы.

В приложениях приведены документы об использовании результатов диссертационной работы, листинги программ, реализующих алгоритмы моделирования и таблиць вспомогательных цифровых данных для расчета экономической эффективности.

! 1 : .........

.......... ....... ; :

£А............ ...... : ; :

! ............;.............

О 35 0-04 0 33 О 02 О 01 О -0 01 ■:■ 02 ■о оз

-О 04 -О 05

....."Г"' ! 1 ..... ............ ............ ............ ............. : .....

/ -..... ............!.......... ; ■.......г..........

\.......... \ .......... ............

\ 1

X

.....л"" X

0 5 'С 1 ?0 25 20

Рис. 3. Переходные процессы в автономной системе.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации дано теоретическое обобщение и новое решение научной задачи авто-мтизированного управления многосвязными технологическими процессами, аключающееся в создании таких систем управления химико-технологическими процесса-ш и, в частности, процессами комплексной переработки бурого угля в жидкое топливо, ;оторые путем ситуационного управления, оптимизации распределения нагрузки по агре-атам и динамического разобщения сепаратных каналов обеспечивают повышение эффек-ивности использования сырья, качества выходных продуктов и продуктивности произ-юдства.

По работе можно сделать следующие основные выводы:

3 О!

1. Установлены особенности динамических процессов в многосвязных технологи ских модулях установки для комплексной переработки бурого угля, позволяющие анш зировать свойства отдельных агрегатов и всей установки в целом как объектов автома: ческого управления.

2. Разработанные статически оптимизируемые и динамические модели многосвязн технологических процессов углеперерабатывающих и химико-технологических про] водств позволяют осуществить композицию формализованных процессов в многосвязн модули, получить полную многосвязную структуру объекта и обеспечить эффективн синтез многосвязных цифровых систем регулирования.

3. Предложены принцип и структура комбинированной системы ситуационно управления процессом углепереработки путем идентификации, оценивания ситуаций, I социативного выбора альтернативных решений и статического моделирования варианте) экспертной оценкой, отбором и накоплением данных.

4. Разработаны методологические основы построения иерархической системы с с тимизацией распределения нагрузки по агрегатам установки и ситуационным управлени по ее поддержанию.

5. На основании современной теории синтеза дискретных систем управления, с у том особенностей динамики многосвязных технологических модулей объекта по основш управляющим каналам, разработан метод синтеза алгоритма автоматического управлен установкой для комплексной переработки бурого угля, базирующийся на априорных ко структивных данных агрегатов, и исключающей варьирование коэффициентов веса обобщенном квадратичном показателе качества, что существенно расширяет возможное оперативной идентификации параметров системы в условиях реальной эксплуатации.

6. Применение предложенных принципов компенсации задающих воздействий и в: имного влияния сепаратных каналов в статике и динамике для существующих сисп управления на базе локальных промышленных регуляторов, позволяет значительно улу шить качество регулирования в системе без кардинального изменения ее структуры и те нической реализации.

7. Функциональная структура системы и алгоритм дискретного автоматическо управления многосвязными технологическими модулями использованы при разработ ТЭО опытно-промышленной установки для полукоксования и газификации бурого угля условиях ГХК «Александрияуголь».

8. Методика математического моделирования многосвязных процессов дискрета непрерывных производств, многосвязные модели объектов с перекрестными связями, м тодика идентификации ситуаций и ситуационные матрицы многосвязных объектов и пользованы при создании экспертной системы производства аммиака для условий арен ного концерна «Стирол».

9. Методика математического моделирования систем управления многосвязны\ процессами дискретно-непрерывных производств, методика синтеза оптимальных мног связных систем по обобщенному критерию качества и методика ситуационного управл

тя многосвязными объектами использованы при создании системы диагностики состоя-1ия процессов управления производством карбомида. Результаты диссертационной работы юпользованы автором также при постановке и проведении лабораторных работ по учеб-юй дисциплине «Теория автоматического управления». Под руководством автора по дан-юй проблеме выполнен ряд курсовых и дипломных проектов студентами специальности '.091401.

1о теме диссертации опубликованы следующие работы:

. Борисов A.A., Бессараб В.И., Воропаева В.Я, Попов В.А. Компьютерные технологии в

управлении добычными участками шахт// Уголь Украины. - 1996. -№4. - С. 19-20. !. Савинов М.М., Савинова О.М., Попов В.А., Новицкий ПЛ., Остапенко М.А. Комбинированная установка для полукоксования и тазификации бурых углей// Уголь Украины. - 1996. -№5-6. - С. 10-11. . Бутхарейт JI.B., Унгул B.C., Носик В.Н., Остапенко М.А., Савинов М.М., Савинова О.М., Попов В.А. Экспериментальные исследования процессов комплексной переработки бурых углей// Уголь Украины. - 1996. - №9. - С. 8-9. . Бессараб В.И., Попов В.А. Синтез адаптивных систем управления технологическими установками по производству жидкого топлива из бурых углей// HayKOBi пращ Донецького державного техтчного ушверситету. Серш: Обчислювальна техшка та автоматизащя, випуск 3. - Донецьк: ДонДТУ, 1999. - С.12-17. . Попов В.А., Мокрый Г.В. Новый подход к синтезу систем управления многосвязными процессами углеперерабатывающих производств// Науюш пращ Донецького державного техшчного ушверситету. Серк: Обчислювальна техшка та автоматизация, випуск 12. - Донецьк: ДонДТУ, 1999. - С.54-60. , Borisov, A., Bessarab, V., Voropaeva, V., Popov, V., Tarasenko, К., Chorchordin, A. Optimization of the information ware system for mining control// Proceedings of 13th International Committee on Automation in Mining Conference ICAM'98 and 13lh International Conference on Process Control and Simulation ASRTP'98. - TU Kosice, Slovak Republic, 1998. -P. 527-530.

Борисов A.A., Хорхордин A.B., Бессараб В.И., Воропаева В.Я., Попов В.А., Тарасенко К.А. Автоматизированное управление ресурсосбережением горных предприятий// Труды 1-ой международной конференции «Современные технологии ресурсо-энергосбережения», выпуск 2. - Киев: ГАЛПУ, 1997. - С. 41-42. Попов В.А. Комбинированный метод синтеза цифровых систем управления процессами переработки бурых углей в жидкие топлива// Друга Всеукрашська конференшя молодих науковндв «1нформац1йш технологи в наущ та освт». - Черкаси: ЧДУ, 2000. -С.116-117.

ичный вклад диссертанта в публикациях: [1] - разработка принципа построения нижнего ювня системы управления; [2] - разработка структуры КИП и А установки; [3] - разра->тка методики получения динамических характеристик процесса; [4] - разработка принтов коррекции межканальных связей; [5] - разработка принципов придания многосвяз-

ным процессам углеперерабатывающих производств свойств автономности и инвариа ности; {6] - разработка принципа построения интеллектуального блока поддержки при маемых решений при выборе и оптимизации состава частных критериев групп фактор [7] - разработка структуры нижнего уровня системы управления.

АНОТАЦ1Я

Попов В.О. Автоматичне управтння багатозв'язними технолопчними процеса вуглепереробних та xiмiкo-тexнoлoriчниx виробництв. Рукопис.

Дисертащя на здобуття наукового ступеня кандидата техшчних наук за спещальшс 05.13.07 - «Автомагизащя технолопчних процеЫв». - Донецький державний техшчк ушверситет, м. Донецьк, 2000 р.

Дисертащя присвячена рнленню актуально! науково! задач! - створенню автомаги вано'1 сисгеми управлшня технолопчними процесами вуглепереробних 1 х1мг технолопчних виробництв в умовах багатозв'язносп та нестащонарносл процес1в. Ус новлено, що ефективне функщонування системи можливо лише при побудов1 и на пр! ципах адапгаци з оперативною ¿дентифшащей та самооргашзащей моделей безпосереда в замкнутому контур) управлшня. В основу побудови моделей 1 само! системи управлм покладено модулыю-1срарх1чний принцип 1 показана необхщшсть двох р1втв управл1н! Запропоновано дв1 альтернативи реашзацН нижньото р1вня - у вигляда нового цифровс багатозв'язного регулятора, синтезованого на основ! комбшованого метода Белма! Ляпунова, або модершзащя за допомогою динам1чних компенсатор1в системи з локалы ми промисловими регуляторами. Забезпечення вимог до якосп управл1ння досягаеться рахунок динам1чного роз'еднання сепарагних канал1в, надання 1м властивостей автонс носи та ¡нвар1антносп як при цифровому, так 1 при аналоговому управлшш. Верх! ревень системи управления забезпечуе ситуащйне управтння та опткмтоцо методом £ нам!чного програмування розпод1лу навантажень по технолопчних агрегатах. В цшому: пропонована система управлшня забезпечуе такий характер перехщних процеыв по ка! лах управлшня та виходу, що вщповщае припустимим технолопчним вимогам по р1ы ввдхилень та тривалосп $х кнування.

Ключош слова: модулъно-крархдчний принцип, математична модель, щентифшац ситуащйне управления, критери оштизацн, цифрове управлшня, автономию-¡нвар1антшсть.

АННОТАЦИЯ

Попов В.А. Автоматическое управление многосвязными технологическими проц« сами углеперерабатывающих и химико-технологических производств. Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специаль->сти 05.13.07 - «Автоматизация технологических процессов». - Донецкий государствен->ш технический университет, г. Донецк, 2000 г.

На основании теоретических и экспериментальных исследований в диссертационной [боте предложено новое решение актуальной научной задачи - создание автомагизиро-1ННОЙ системы управления технологическими процессами углеперерабатывающих и хи-«со-техно логических производств в условиях многосвязности и нестадионарности пропсов, заключающееся в разработке на основе модульно-иерархического принципа мето-ски формирования, самоорганизации и самоидентификации многосвязных моделей в юцессе функционирования системы управления и повышении качества регулирования тем динамического разобщения сепаратных каналов, придания им свойств автономности инвариантности за счет дополнительных компенсирующих связей многосвязных регуля-ров. Установлено, что эффективное управление объектами указанного класса возможно шь при построении системы на принципах адаптации и оперативной идентификации с моорганизацией моделей непосредственно в замкнутом контуре управления. В основу строения системы управления также положен модульно-иерархический принцип и пока-иа необходимость двух уровней управления. Предложены две альтернативы реализации жнего уровня - в виде нового цифрового многосвязного регулятора, синтезированного основании комбинированного метода Беллмана-Ляпунова, или модернизация при по-щи динамических компенсаторов системы с локальными промышленными регулятора:. Верхний уровень системы управления обеспечивает ситуационное управление и опти-зацию методом динамического программирования распределения нагрузок по техноло-ческим агрегатам. В целом предложенная система управления обеспечивает характер реходных процессов по каналам управления и выхода, соответствующий допустимым снологическим требованиям по величине отклонений и длительности их существования, з при реализации системы на практике позволит обеспечить повышение выхода и каче-¡а готовой продукции. В работе решены следующие задачи:

1. Разработана методика формирования модели в процессе функционирования систе-I управления с учетом нестационарности и многосвязности процессов.

2. Разработана концепция и обобщенная структура иерархической системы ситуаци-юго управления с оптимизацией распределения нагрузки по технологическим агрега-

3. Предложен комбинированный метод синтеза локальных цифровых систем, бази-ощийся на обобщенном критерии качества и объединяющий возможность минимизации лонений выходных координат и времени переходного процесса в соответствии с прин-юм оптимальности Беллмана и достижение необходимой степени устойчивости в соот-ствии с принципом Ляпунова, что обеспечивает требуемую точность в статических и гамических режимах.

4. Разработана методика синтеза развязывающих компенсаторов из условия автоном-ти систем с промышленными регуляторами, позволяющая существенно улучшить каче-

ство управления в системе без кардинального изменения ее структурного и конструкта ного исполнения.

Ключевые слова: модульно-иерархический принцип, математическая модель, иде тификация, ситуационное управление, критерий оптимизации, цифровое управление, авт номность, инвариантность.

ABSTRACT

Popov V.A. Automatic control of multi-connected technological processes coal processii and chemical-technological productions. The manuscript.

Thesis for a candidate's degree by speciality 05.13.07 - "Automation of the technologic processes". - Donetsk state technical university, Donetsk, 2000.

The thesis is devoted to the solution of the actual scientific problem - creation of the aut mated control system of technological processes coal processing and chemical-technological pri ductions in requirements of multi-connectivity and nonstationarity of processes. It is establishei that the effective operation of the system is possible only when it is build-up on principles of ai aptation with operating identification and self-organization of models directly in closed circuit < control. The modular and hierarchical principle is put on the basis of models and system of coi trol. The necessity of two levels control is shown. Two alternatives of achievement of a lowi layer are proposed. The first of them is a new numeral multi-connected controller synthesized о a foundation of an composed Bellman-Lyapunov method; second is modernization system с control based on local industrial controllers by the use of dynamic compensators. The requirt ments to quality of control is reached by means of the expense dynamic disconnection of th separate channels and attaching them properties of on autonomy and invariance both at numera and at an analog control. The upper level of a control system ensures situational control and op timization on the base of the method of dynamic programming of a load distribution on technc logical aggregates. In the whole proposed control system ensures character of transient processe on control channels and exit responding the admissible technological requirements on a level с aberrations and duration of their existence.

Keywords: modular and hierarchical principle, mathematical model, identification, situ ational control, optimization criterion, numerical control, autonomy, invariance.