автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Автоматизированное проектирование АСР технологических объектов

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНСТИТУТ ХИМИЧЕСКОГО МАШИНОСТРОЕНИЯ

На правах рукописи

ЛЕ ФАН ХОАНГ ТЬЕУ

АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ АСР ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ (НА ПРИМЕРЕ ТЕПЛООБМЕННОЙ АППАРАТУРЫ)

Специальность 05.13.07 — Автоматизация технологических процессов ип роизводств

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва—1992

. л > /-А" О Г /

Работа выполнена в Московском ордена Трудового Красного Знамени институте .химического машиностроения.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор БАЛАКИРЕВ Валентин Сергеевич.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор БОЯРИНОВ Анатолий Иванович, кандидат технических наук, старший научный сотрудник КОРОЛЕВ Андрей Николаевич.

Ведущая организация: ГИАП.

Защита диссертации состоится « » <%Ыс<хьрл 1992 г. в « Л 5"» час. на заседании специализированного совета Д 063.44.02 в Московском ордена Трудового Красного Знамени институте химического машиностроения по адресу: 107884, ГСП, /Москва, В-66, ул. Старая Басманная, дом 21/4, МИХМ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан « 0$ » с^Ц^аЪрл. 1992 г.

Ученый секретарь специализированного совета

Г. Д. шишов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

4кт^альность_темы. Автоматизация технологических процессов стала за'последние десятилетия одним из основных факторов повышения эффективности промышленных производств. Системы автоматизации технологических процессов, вк. лающие в свой состав АСР и АСУ, входят в качество основных компонентов во все крупные производства и во многом являются определяющими при создании современных технических систем и технологий.

Стремительный прогресс в развитии техники потребовал и требует создания и применения принципиально новых инструментальных средств и методов для проектирования АСР. К числу таких инструментальных средств относятся, в частности, САПР, позволяющие сократить сроки проектирования и повышать качество проектов.

Применение САПР и ЭВМ для проектирования ЛСР способствует повышению производительности труда проектировщика, что достигается в настоящее время благодаря выполнению трудоемких расчетов на ЭВМ и автоматизации чертежных работ. Однако проектирование ЛСР является типичной интеллектуальной деятельностью, которую выполняет человек-проектировщик. При этом опытные проектировщики при разработке проекта АСР наряду с применениям САПР широко используют накопленные' за многие годы знания в области автоматизации и технологии,носящие во многом субъективный и неформализованный (эвристический) характер. Подобные знания играют пока главенствующую роль при принятии принципиальных проектных решений щ. разработке АСР. Вместо с тем передача эвристических знаний и навыков проектирования от опытного высококва.г £ящиро-ванного проектировщика (эксперта) начинающему исследователю требует длительного обучения пос.г тнего в производственных условиях,. что заметно снижает эффективность процедуры проектирования систем автоматизации. ' .

Одним из способоз преодоления указанной трудности, снижающей эффективность и качество проектирования, является повытегага уровня интеллектуальности САПР путем применения так называемых экспертных систем, в рамках которых появляется возможность как автоматизации трудоемких расчетов, так и использования эвристических знаний проектировщика-эксперта для массового применения при разрэботк. АСР.

Щ)ЛЬ_2а0оти. Целыи настоящей работы является создание методов автомагизированноп построения математических моделей ТОУ и проектирования АСР на базе экспертных систем.

Мвтдаика_исследования. Методика исследования основана на использовании теории автоматического управления, теории нечетких множеств и математического моделирования.

1'аУчная_ноьи:> Разработаны два метода автоматизированного построения математических моделей ТОУ невысокой размерности на на базе гибридных функций и общего уравнения сохранения субстанции. Предложена и обоснована методика автоматизированного выбора и рас 'та АСР с помощью регулярных математических моделей и аппарата нечетких множеств. Разработана структура экспертной системы построения математ :еских моделей ТОУ и проектирования АСР теплообменной аппаратуры.

Практическая_ценность. Разработанная экспертная система построения математических моделей теплообмешшх установок и проектирования АСР может быть использована в составе САПР автоматизированных систем управления химико-технологиче'чими и тепловыми процессами, а также в рамках автоматизированных обучающих систем при подготовке специалистов в области автоматизации технологических процессов.

Решшзациярезультатов„работы. Предложенная демонстрационная экспертная система построения математических моделей тепло-oß.,ieiiiiofl аппаратуры и проектирования АСР принята Государственным иа.. штучом азотной промышленности для внедрения в САПР-П1АИ, а тшш) будет использована в учебно!, гроцессе МИХМ.

).;!Ш5£!'Ш!]_Е20оты. Основные положения диссертационной работы джмадавались на III Всесоюзной конфиренции " Динамика процессор и аппаратов химической технологии " (Воронеж, 1990 г.), VII Всесоюзно!! конфиренщш " Математические мотоды в xiiMim "(Казань, 1 у91 г.), а так же на научно-технической конференции ШХМа (19Э1 г.).

¡¡убликация. Но томе диссертации опубликовано 4 работы.

УТМО'УЁОДиссертация изложена на IZ8 страницах машинописного текста и состоит из введения, четырех глав, списка литературы. Работа содержит рисунка и d. таблиц.

Во.введении показана актуальность работы, определена цель и основные задачи исследования, сформулирована научная новизна

и практическая ценность полученных результатов, дана краткая аннотация основных разделов диссертации.

В_Порвой_главе описана существующая многостадийная процедура созДания систем автоматизации и проведен анализ процесса . проектирования ЛСР как объекта автоматизации.

Биделени два основных подхода .. проектированию ЛСР технологических объектов управления:

-традициош'чЯ, основанный на использовании проектов-аналогов п эврическил. знания проектировщиков,

-современный, базирующийся на математическом моделировании систем автоматизации и ТОУ.

Показаны положительные и слабые стороны какдого из этих подходов к проектированию ..ОР.

Анализ процесса проектирования автоматической системы регулирования ТОУ и двух подходов к его реализации показывает, что при проектировании ЛСР приходится решать два класса проектных задач, условно называемых слабо и хорошо формализованными задч-чаг-.от.

К первым из них относятся пршщппиальные задачи выбора целей и целевых функций автоматизируемого ТОУ, регулируемых и регулирующих координат ТОУ, каналов управления, структуры системы регулирования и законов регулирования. Сюда же относится и задача построения математической модели ТОУ (если проектирован;:'-' ЛСР осуществляется на базе математического моделирования). Решение этих слабоФормализованных зглэч выполняется как правило на основе эвристи .jcmix и субъективных и даже интуитивных знаний проектировщиков, что не позволяет получать обоснованные пр'_ ,<тные решения .по АСР, затрудняет передачу накопленных знаний и достаточно часто приводит к ояибочным зпениям.

. К формализованным проектным задачам относятся исследования устойчивости ЛСР, расчетное определение параметров настройки, получение переходных процессов в системе регулировать и оценок критериев качества, параметрический синтез несложных систем регулирования. Эти задачи сравнительно легко решаются на ОЬМ в рамках современного подхода к проектированию ЛСР при условии, что известны математические модели ТОУ и элементов систем;/ регулирования. Построение математических «од«\я<,а ТОУ и, в меньшей степени,элементов ЛСР, в «с» w г>»дь является типичной слабого-

рмализованной задачей, для решения которых используются эвристические знания проектировщиков.

Таким образом при любом подходе к проектированию АСР возникает необходимость решения слабо формализованных проектных задач, основными из которых являются построение математических моделей ТОУ и выбор структуры АСР. Решение подобных задач возможно осуществить с помог 'о экспертных систем, обеспечивающих накопление и применение эвристических знаний экспертов-проектировщиков для принятия наиболее обоснованных проектных решений. При этом экспертная система позволяет сравнительно' просто решать и форма-лизов' чые проектные задачи.

В главе выполнен обзор литературы по проблеме автоматизированного проектирования l Р и АСУ. В результате анализа публикаций установлено, что практически в- всех САПР решаются в основном хорошо формализованные задачи расчета АСР и не используются эвристические знания проектировщиков, позволяющие принимать при-■ нципиальные проектные решения по построению систем автоматизации.

Глава завершается содержательной постановка'* задачи, состоящей в создание на базе экспертная система методов автоматизированного построения математических моделей ТОУ и проектирования АСР. •

Вторая_глава посвящена вопросам автоматизированного построения математических моделей ТОУ.

Рассмотрены существующие методики построения моделей статики и динамики ТОУ. Выделены ключевые неформализованные задачи: выбор структуры ТОУ (а следовател1 ..о и структуры самой математи-чесь.Л модели), принятие системы допущений и использование их при выводе уравнений баланса субстанции. Решение этих задач осуществляется на основе личных эмпирических знания разработчика модели и носит поэтому субъективный характер.

Проведен обзор публикаций по вопросам автоматизации построения математических моделей ТОУ. При этом установлено, что во всех рассмотренных работах основные решения по принятию системы допущений, выбору структуры уравнений и выводу самих уравнений не автоматизированы и принимаются на основе эвристических знаний экспертов.

Предложена основная форма автоматизированного построения моделей: диалоговое взаимодействие эксперта (или пользователя)

и ЭВМ (или '""пертной системы). В подобной человеко-машинной системе\заранее производится распределение функций между основными компонентами:ЭВМ осуществляет запрос необходимых знаний, эксперт (пользователя) выдает субьективные эмпирические знания, .машина вырабатывает те или иные решения, эксперт-пользователь принимает окончательное решение. Шубная диалоговая процедура лежит в основе решения неформализованных задач по выбору структуры ТОУ, приня""*ю системы допущений и получению уравнений математической модели ТОУ.

Представление знаний по выбору системы допущений осуществляется продукционной моделью:

Если ПОСЫЛКА То СЛЕДСТВИЕ Посылка и следствие кгавила имеют вид: ПОСЫЛКА и(или)..Фр '^..и(или) Фр ^

СЛЕДСТВИЕ £ Принято ( Отклонение ) допущение Д^ где: Фр ^ - некоторый факт или значение о целевом назначении модели, конструкции ТОУ, параметрах перерабатываемых веществ, обоснованности допущения и т.п.; 3 = ТТт ; т - число допущений ; р - общее количество фактов в ¿-ом правиле. Кагишй факт представляется парой "объект-значение" вида:

еР= '

Где: ер- обьект, подразумеваемый как некий физический предает; сЬ п- словесное значение обьекта ед. Предложена методика автоматизированного построения математически моделей ТОУ, базирующаяся на логических связях полной дли произвольной избыточной системы допущений со стру^.урой уравнений статики и динамики. Эта методика реализуется в форме двух кетодов построения математпче их моделей:

-на основе так называемой максимальной модели и гибридных функций Терно, связывающих допущения (пшотезы). с отдельными компонентами уравнений статики и детамикн ТОУ;

-на база общего уравнения сохранения субстанции и фреймовой модели знаний и допущений.

Первый метод применим для автоматизированного выбора уравнений на базе известных моделей аналогичных или родственных ТОУ. При этом математическая модель в соответствии с принятой системой допущений выракаот зависимость мезду вектора?.ет входных X

и выходных У координат ТОУ и вектором параметров Ь: Г(Х,У,0Х/0ид*/д1;,дХ/д1,<?У/д1,Ь)=О (I) при начальных и краевых условиях:

1г.,(Х,У,0,1) = О'; ^(Х.У.^ОЬО (2)

где: - операторы или функции,

- время и вектор пространственных переменных.

Структура моде К^ для одного и того же ТОУ может быть различной в зависимости от принятой системы допущений Д={Д^, 3=1,2,..}. Таким образом, для кавдого ТОУ можно задать множеств моделей М={М1,1=1,т }. Данный метод базируется на предварительном конструировании максимальной модели, построенной при минимальном (для определенного класса ТОУ) числе допущений Д^. Та кая модель охватывает вс; возможные комбинации математических составляющих или членов, входящих г г и >1, При этом какдая составляющая или член выражения £,ъ. логически связаны с одним или несколькими допущениями Д^ «= Д.

Автоматизированное получение нужной модели осуществляется последовательным удалением членов максимальной модели путем введения дополнительных допущений Д^ в множество Дт1п. Реализация этой процедуры может быть осуществлена путем умножения таких членов на гибридные фуню : Г^(Д^), принимающие значения с или 1 в зависимость от принятия (непринятия) допущения.

о .если Д.,

Г3( V =

1, если Д^

где: Д^.Д-) - принятое или отклоненное допущение Д^.

Таким образом, непосредственное изменение структуры максимальной модели (1,2) осуществляется путем введения в ее уравнения и начальные (граничные) условия гибридных функций Г(Д):

гт(х,Г(Д)у,г(Д)ах/а1,г(Д)ау/а1,г(Д)ах/а1,г(Д)ау/а1,г(Д)ь)=о о)

1гт1(Г(Д)Х,Г(Д)У,0,Г(Д)1) « О, ^(ГШХ.ГЩ У,Г(ДП,0) = О (4)

При получении необходимой модели ТОУ М1 все члены системы уравнений • УМН0ЖеШ5ые на значение Г(Д), равное нулю,

исключаются из максимальной модели.

Второй метод позволяет автоматизировать вывод уравнений модели на уровне структурной схемы ТОУ и допущений. Процедура

вывода ураЕ ний предусматривает этапы: автоматизация "ручной" декомпозиции и составления структурной схемы ТОУ; автоматизированный вывод уравнений модели.

Процедура автоматизированной декомпозиция объекта и составления структурной схемы разрабатывается экспертом на основе иерархической, структуры ТОУ данного к.^сса. Она представляет собой последовательность рекомендаций пользователю о разбиении каждой составляющей одного уровня иерархии на Солее низкие уровни, ха-рактерущиеся одним и тем г.е смысловым признаком. Переход от одного уровня иерархической структуры к дру; ему основывается на следующих признаках: самостоятельная часть ТОУ по назначению, вид химико-технологических процессов, тип лимитирующего процесса .направление течения пото. ив веществ и наконец, повторяющийся элемент конструкции ТОУ. Первый уровень есть сам ТОУ а последний -элементарное звено. Каздое элементарное звено имеет максимально два выходные координаты и описывается двумя уравнениями баланса: материального и энергетического.

Автоматизированный вывод уравнения баланса отдельных элементарных звеньев базируется на общем уравнении сохранения субстанции, символически записываемом в следукцэм виде:

а dt

количество субстанции

сумма приходов субстанции

сумма расходов субстанции

(5)

суча скоростей образующихся потоков субстанции

Состав и структура уравнения (5) для каздого элементарного звена определяются зависимостями (членам!), характерирующими протекащие в нем физико-химические процессы (химическое превращение, перемещение вещества, перенос тепла и-массы и т.п.) а принятой системой допущений.

Представление логических связей мевду членам! уравнения сохранения субстанция и системой допущений осуществляется с помощь» фреймовой модели. Синтез уравнения сохранения субстанции (5) осуществляется с помощью одного фрейма. Узел фрейма, принадлежащий к верхнему уровню, представляет собой общее уравнение типа (. . Дочерние вершины'этого узла являются терминалами

фрейма. Они отождествляются с набором вопросов о существовании в элементарном звене тех или иных физико-химических процессов. Каждое из возможных заданий терминала, являющее членами уравнения (Ь), соответствует значению текста. Каждое задание терминала (или члена уравнения (5)) можно рассматривать в свою очередь как фрейм следующего ранга уровня (суОфрейм).Терминалы субфрейма отождествляются с системой допущений. Каждым из возможных заданий здесь является член уравнений, характерирующих процесс обмена субстанции в соответствии с принятием или отклонением того или иного допущения.

Приведен пример автоматизированного построения модели теплообменника кожухотрубчатого типа (рис т), в котором осуществляется нагрев вещества I другим веществом II без изменения фазового состояния. Теплообменник состоит из переходных зон в,р; потоков веществ 1,11 и разделяюще«, стенки III.

Минимальная система допуще-гий включает в себе следующие до пущения о полном смешении двух потоков веществ в направлении, перпендикулярном направлению их перемещения; переносе тепла только путем конвективного обмена; сосредоточенности температуры в переходных зонах; применимости законе.. Фурье и Ньютона для описания тепловых потоков; стационарности и линейности в малом тепловых процессов и малости количества движения. Дополнительные допущения: Д1(Д2)-сосредоточенность координат веществ 1(11), Дд(Д4)-распределенность координат веществ 1(11), -постоянство координат веществ 1(11), Ду.Де-пренебрежимая малость теплоемкости стенки и геплопотери в окружающую среду; Дд-пренебрежеше влиянием переходных зон на параметры потоков веществ.

Максимальная модель теплообменника имеет вид:

, вх

г9еи = [ ас1( еА- е± ) - гаЧ1п ] г9 ,1=в,р. (6) • + «

V еи

VI ,Н1

Рис.1.Схема телообменника

вх

а

Г^ть, (Г7ал+ (1-^)1^) (Г7в3+ (1 -г7 )вп-е л )-ГдЧп С Л-1) 1 (7)

= в3 ' 3=1 «2 (8)

Г7 в{3 = Г7 2 (вл- ез) (9)

ж1=т1/р1Ср1У1 ; т^П/Р^О^ ; Л^^зС^

п=2,если ¿=1 ; п=1,если ¿=2 ;

* * *

г9в1(о) = г^ ; г7е3(с» = г7е3 ; г^ау.о) = г^иу)

вх вх

Г9вв(0) = Г^т ; Г96р(0) = Г9( Г^ад) +г_в1 )] ;

Г51Г1в1 (0,1:) + Г3в1 ] = Г5[ Г96в +(1- Г9)91 ] ;

вх о

г6[г2е2(ь,г) + г4е2 ] = г6е2 ; 1=в,Р ; 3=1,2.

где: в-температура; У-оСьем; Р.Ь.Ь-площадь попепечного сечения, длина,наружный периметр труб; V-линейная скорости; т-массовоЯ расход; а,р,Ср,кт-теплофязические параметры; вх,0,»-б^хниз индексы, соответствующие значениям на входе в зону, аппарат и в статическом реииме теплообменника; qп-тeплoпoтepи.

В диссертации приведены примеры получения семейства моделей {11^} из максимальной модели путем введения в Дд^ дополнительных допущений.

Приведены примеры процедуры >ставленпя структурной схемы теплообменников, фрейма уравнения сохранения энергии и математической модели теплообменника.

ТЕе.пЯ_глава посвящена решению задачи автоматизированного проектирования автоматических систем регулирования ТОУ.

Выполнен анализ проектирования АСР на Счче математического моделирования ТОУ,описываемых регулярными моралями в форме дифференциальных уравнеь .1 и нечеткими моделями в форме словеа ч> описания. При этом выявлены две группы решаемых задач:неформализованные (выбор структуры АСР) и формализованные (расчет параметров АСР и анализ качества переходных процессов).Решение первой задачи осуществляется с использованием эвр"стических знаний проектировщиков, з вторые задачи решаются на ЭВМ.

Анализ процедуры проектирования АСР показывается, чт • реше-

какдой проектной задачи связано с выбором одного из множества возможных вариантов Л = { а1, 1=1,2,..}, который наилучшим •юрозом удовлетворяет цели управления. Подобная процедура удоб-{$оо всего реализуется с помощью диалогового взаимодействия проектировщика-пользователя с ЭВМ или экспертной системой.

Суждение и рекомендация о выборе варианта базируется на знаниях, вложенных в памяти ЭВМ. Подобное знание мохно представлять продукционными моделями вида:

Если ПОСШКА То СЛЕДСТВИЕ; СР (10)

ПОСЫЛКА ^ ф.,... и(или).....фч .....и (или) фа

СЛЕДСТВИЕ & Выбор варианта а1 где: ©^-некоторый факт(информац 1 для выбора варианта);

ч = 773 ; 0 - общее число фактоь в правиле;

. степень истинности правила, зависящая от как раага эксперта-автора правила, так и от его субъективной " уверенности в истинности данного правша, СР £{0,1 ];

Кандай факт можно представить парой "объект-значение" вида:

где:г -обьект Фп факта; а,„-словесное значение обьект.а е :

4 Ч *ч Ч

1=Т7Г ; ь-общее возможное число значений факта.

Выделены два типа обьектов продуг.цконных правил.

К первсму типу отнесем объекты, которые могут быть определены количественно ( например обьект "стоимость датчика" определяется количественно в рублях) и наряду с представлением в числовом виде характеризуются нечеткими терминами.

К второму типу объектов отнесем такие, которые описываются только нечеткими терминами (например обьект "сЗслухзшаниэ датчика" определяется только не четко: трудно, нормально .л;? гко и т.п.).

Обьект первого тепа к ет быть представлен лингвистической, переменной, опроселяэмой кортешм:

< е5ид

где: е - наименование лингвистической переменной;

и - шюкоство диапазона изменения значений объекта е; Б - шюкоство лингвистических значений.

Аналогично, обьект.второго типа представляется кортеком:

< о,Б >.

1С

Количественной характеристикой е^ являются элементы и^а и: и = и, + ..+ и3 + ...+ =£4., .

где 2 есть объединение элементов и^ в множество и. Каядай элемент о^ 2 з характеризуются нечеткими терминами с^а п, представляющий нечеткое подмножество множества и:

<1 = Ц, + ..+ ^ ^ + = •

где: ц^ 2 [о, ] - степень принадлешости элемента и^ и нечеткому подмножеству <1 шюжества и; косая черта отделяет степень

принадлежности от элемента и^; П={<11,1=Т7т }.

Предложена схема выбора проектного варианта а1 (рис.2).

Ььод количествеиное переход в логический

значений значение нечеткую вывод 0 В1

обьекта область выборе

лингвистическое значение вариант" ■ а1

Рис.2. Схема Еыбора варианта а^ Разработан алгоритм логического вывода о выборе варианта а^,основанный на правилах (10). Каждый объект е^ а в в посылке правила имеет определенное значение:

оч= с1 = ц^/и^.цпа /и^ -для обьекта первого типа

0^= й = + . /й^..+ /<1^ -для обьекта второго типа

и

« [0,1 ] ; \ы « [0,1] ; 2 =1-

1=1

где: степень уверенность, определяющая ¡'епень истшшости или локност.. каждого нечеткого высказывания "е(1=с11". Пользователь при работе с данным правилом может задать количественное значение обьекта , при этом после блока перехода в нечеткую область его нечеткая переменная е^ присваивает лингвистическое значение v, как одноточечное нечеткое множество с функцией принадлежит -ти ц=1:

Vv= ^jv/uJ tV/un = 0/u1 1/"j+--+0/un ,

либо лингвистическое значение с некоторой степенью уверенности:

V v = X1V /di + кП /Л1 + /dtn

Логический вывод о выборе варианта ai по правилу (10) определяется таким образом: каадое следствие (выбор варианта) имеет свою истинно' 'ь, зависящую от степеш! выполнения посылки правил. Истинность посылки определяется тем, насколько заданные текущие значения v обьектов oq, входящих в элементарные посылки

тождественны значениям d, загаданным в самом правиле (10). Другими словами, степень истшшости Ф^ определяется степенью равенства двух нечетких множеств . и d, которая в свою очередь равна:

| v(u) .—► Hd(u)) = mtn( тах(1-цу,р.й) , тах(1 )

Таким образом, истшшость элементарных посылок ф^ определяется:

И(Ф_)= & ( Ц„(и) «—► Hrt(u)) или q и и v а

^ d « D а

Степень истинности посылки правила определяется в зависимости

от ее структуры:

R(посылка)= й(Ф,) & ( V )...й(Ф )...& ( v ) R№q)

где: -ь - конъюнкция, V - дизъюнкция ,

&(V) используются в соответствии с К(ИЛИ) в правиле (10).

Степень истинности следствия (выбора вариант л а^ равна

R^a^ = R (посылка ).CF

После выполнения процесса логического вывода по кавдоку правилу (10) получается ьшокоство степеней истинности пх следствий (выбора 1рианта):к = ( (а^),..R1(a^),..>. Окончательный вывод представляет вариант л^ с наибольшим значением Rk(ak),т.е. R^Ca^) = max R^a^. В том случае, если икеется дза варианта а1 и &2 п правило, выбирается вариант а.,, если R(a1) > 0.5 , в противном случае выбирается вариант

В диссертации рассмотрена задача выбора АСР теплообменников кожухогручатого типа, являщегося ТОУ с двуия входными п двуыл ьлходныки координатам. Структурная схема этого ТОУ показана на' рис.3.

Цель регулирования и выбора ЛСР теплообменников диктуются назначением аппарата. В теплообменниках, предназначенных для нагрева (охлаждения ) целью регулирования является стабилизация температуры ет технологического потока на выходе из теплообменшш-ха. В испарителях или конденсаторах цель регулирования сводится

к поддержанию материального баланса по технологическому потоку (стабилизации давления пара Р и (или) уровня конденсата ь н аппарате).

Х1

, ъ У1

ть

Ур

Рис.3.Структурная схема теплообменника

Проведен анализ ТОУ этого класса, как обьекта автоматизации. Выдр.чены основные группы переменных(множества вариантов выбора).

Основным возмущениям являются нагрузка на теплообменник о,„; температуры потоков 0®х, 17=1,2; давление грешего пара Р®х на входе; теплопотери апот; коэффициент теплопередачи кт. При этом С^б®* и Р13* поддаются контролю, а qпoт и к? отн ятся к неконтролируемым возмущениям.

В качестве регулирующее координат используются расхода гид-кости са или газа аг, греющего пара и конденсата.К группе регу-лм 'емых координат относятся 6Т,Р,Ь.

Предложены различные возможные схемы системы регулирования, входящие в множество выбора ЛСР.

Для теплообменников, првдназ"аченных для ¡.-.грева (охлаждения) технологического потока предлагаются следующие схемы: -одноконтурная зевотутая схема АСР температуры 6Т; -ги ладная АСР соотношения С/о? с коррекцией по 6Т; -каскадная система регулирования температуры (или давления) в межтрубном пространстве с коррекцией задания по вт;

-двухконтурная схема с байпасированием хнологического потока вокруг теплооймг ника и последующим смешением нагретого (охлааденного) и холодного(горячего) потоков.

Для теплообменников типа испарители и конденсаторы предложены варианты АСР:

-система стабилизации давления Р в аппарате и уровня ь; -каскадная схема регулирования соотн.^ения расхода а/от с коррекцией по уровню I,.

ii niñeo подробно описаны множества продукционных правил, и ходящих в них chvktoíi и их соответствующих значений, а также «пояс cTní¡ вояможчнх вариантов выбора тех или иных решений на ка-еднй стндим щмекти^мичл АСР теплообменников.

В_чотш)ртоП_глг1во описана рлзработанная демонтрацпонная экспортная система (ЭС) построения матоматичес1шх моделей ТОУ и 11роокти1хте.ния АС!1.

Рассмотрена o6i я структура ЭС моделирования ТОУ и проектирования ЛОР (рис.4), кратко описаны ее основные блоки (базы данных и зшши.1, интерфейсы пользователя (ИП), модуль приобрети-ния знаний к данных (ШЩ), модуль объяснения решений,модуль логического синода.модуль расчетов АСР). Определены основные функции указанных блоков ЭС и их ьзпкмосвя-ч.

Пользо-отоль

Экспорт

База дашшх

]

д._______}

► |модуль расчетовJ

["модуль логичес-1 {__кого вывода__[

"'Jmo

Модуль объяснения

Рис.4. Структура экспертной системы проектировать АСР.

Описаны алгоритмы функционирования ЭС в режиме использования при построении математических моделей ТОУ п проектировании АСР.

Кратко обоснована необходимость разработки специального программного обеспечения ЭР. выбрана модульная структура программного ОбС" '"¡опия.

Прогрю.тм.юе обеспечение ЗС написано на языке Паскаль в интегрированной сроде Турбо-Паскаль версии 5.0 и составляет обьбк около 1000 кб. Оно представляет собой комплекс, состоящий из нескольких модулей в соответствии с структурной схемой ЭС.

Алгоритм работы ЭС программируется как основная программа, а функция управления интерфейса пользователя реализуется вызовов отдельных соответствующие пг^цедур или функций, записанных в

цодулях.

Наиболее слоишм модулем является модуль логического вывода. Реализация вывода уравнении математической модели ТОУ осуществляется объединением узлов (членов уравнений) Фрейма по значении его терминала. Вывод рекомендации осуществляется вычислением максимального (минимального) значения степеней истинности,увире -нности и значения функции принадлежности.

Для реализации расчепшх задач в модуль расчетов включемп следующие алгог "гмы: методу Рунге-Кутта; наименьших квадратов; метода Гаусса, Ньютона и простой итерации для решений одного и нескольких уравнений; определения параметров настроек регулято ■ ра методом Циглера-Пикольса; методы расчета каскадной, комбшшро -ванной и автономной АСР; а такие рекуррентный метод матоматачос кого моделирования АСР.

Взаимодействие человека с ЭВМ реализуется с помощь» пассив ного диалога "меню". Управление процедурой работы ЭС осущесгвлм■ ется в разработатюй интегрированной среде.

Разработанная ЭС передана в ГЧАП для исполь пшпш в САШ1 химических проиводств, а та.таэ использована ь У11Ш дл! /чебного процесса.

ОСНОВШК РЕЗУЛЬТАТЫ РАО/Ш

1.Проведен анализ процедуры проектирования АСР, как оошкт^ автоматизации, и двух подходов к "о реализации. Виде лени неформализованные задачи, решаемые только с помощью эвристических знаний проектировщиков. Поставлена задача автоматизации проектирования :р на базе экономной системы с использованием эвристических знаний и математического моделирования автоматизированного ТОУ.

2.Предложена нотодика автоматизации пае . оения математических (юдолей ТОУ, оснс шнан на логических связях системы доменка с структурой уравнений моделей.Разработаны два метода авю-ыаттиромшного нот (пения моделей на базе готовой максимальной модули с помощь») гибридных Функций и на основе общего уравнения сохранения субстанции в фо|)Мо Фреймовой молили знаний.

:з.П[)вдло£е1' ччтоц нптомшизации ироеи.пронанин ЛСР.ооноъап ный ни продукци'чших правилах логического выводи реком,ч)/г"шИ и

советов на базе регулярных математических моделей ТОУ и на основа нечеткой информации о статических и динамических характеристиках объекта управления.

4.Разработан макет экспертной системы для построения математических моделей теплообменной аппаратуры и проекигрования ЛСР теплообменников. Результаты переданы ГИАПу и MlíXMy и будут использованы для проектирования систем автоматизации теплообмекных установок и обучен; . студентов специальности "Автоматизация технологических процессов и производств".

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Балакирев B.C., Ле Фан Хоанг Тьеу, Севрюков В.Н., Псплавский В.Н. Автоматизированное построение мотематическях моделей. -VII Всесоюзная конференция "Математический метода в химии". - Казань, 1991, с.284.

2. Ле Фан Хоанг Тьеу, Севрюков В.Н. Автоматизация построения моделей теплообменной аппаратуры. // Моделирование и оптимальное управление химическими производствами: Медвуз.cö. науч.тр. МШШ. -М,1991.-С.72-73.

3. Сев]" ков В.Н., Ле Фан Хоанг Тьеу, иоплавский В.Н. Автоматизированный синтез математических моделей динамики одного класса теплообменной аппаратуры. -Всесоюзная конференция "Динамика процессов и аппаратов химической технологии". -Воронен, 1990, С.174.

4. Балакирев B.C., Ло Фан Хоанг Тьеу, Поплавский В.Н.,

Ce ai íjkob В.Н. Автоматизированное построение математических моделей одного класса теплообменной аппаратуры. // Автоматизированное управление и моделирование с„г.',;ашх технологических процессов: («егшуз.сб.науч.тр. ТШ.-Тверь, 1991.С.43-43.