автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Идентификация и управление металлургическими объектами на основе структурно-типологического подхода

Г у ' - & * "

" (/V'

/

#. 93- 0 у/о'Г

Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации

Томск№Ш€ударс£венный университет автоматизированных

и'у^л7' В Д К'

.....-у систем управления и радиоэлектроники

^ от ЗЗЯ)/^

ученую степень ДС_.. .

-........._ На правах рукописи

■.^яих управления БАХ

ВЕРЕВКШ ВАЛЕРИИ ИВАНОВИЧ

ИДЕНТИФИКАЦИЯ И УПРАВЛЕНИЕ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИМИ ОБЪЕКТАМИ НА ОСНОВЕ СТРУКТУРНО- ТИПОЛОГИЧЕСКОГО ПОДХОДА

Специальность 05.13.07- автоматизация технологических процессов и

производств (в промышленности)

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Томск - 1999

АННОТАЦИЯ

Цель диссертации- развитие теории и практики идентификации и оптимизации управления, прежде всего, действующими металлургическими объектами на основе структурно-типологического подхода. Сущность подхода при идентификации и оптимизации объектов состоит в отнесении последних к определенному характерному типу по структуре алгоритмов и динамики функционирования с взаимосвязанным решением соответствующих задач для каждого из них.

Многообразие свойств и уровней протекания металлургических процессов требует использования программ управления, зачастую описываемых в терминах хаотической динамики. Синтез такого рода оптимальных программ классическими методами вариационного исчисления затруднителен. Предложено формировать рациональные квазиоптимальные программы управления металлургическими процессами на основе структурно- типологического подхода по результатам успешного функционирования действующих систем управления. Для задания причинно- обусловленной иерархии в процедуре формирования рациональных управлений использовано разбиение организационно- технологических ситуаций по видам предписаний на условно независимые и зависимые от данной системы управления. На основе комплексного структурно- типологического подхода разработаны способы восстановления (для некоторого интервала времени) реализаций рациональных управлений интегрального типа со структурно- временной разверткой.

Разработаны новые способы активной, активно- пассивной и пассивной идентификации, в том числе в условиях замкнутости обратных связей, позволившие практически реализовать идею дуального управления, то есть органично совместить управление и исследование объектов и при высоком качестве их идентификации обеспечить минимальное вмешательство исследовательских подсистем в процесс управления. В качестве рабочих управлений при этом могут использоваться сформированные рациональные программы. Осуществлена

функционально- алгоритмическая структуризация программ управления, позволившая интегрировать оценивание функциональных свойств действующих объектов и выбор управляющих решений.

Построены модели вынужденного конвективного теплообмена со смещением источника движения относительно оси симметрии объекта и тепломагни-тогидродинамики расплавов в условиях одновременного действия тепловых и электромагнитных сил. Описаны соответствующие устройства на уровне изобретений. Подробно рассмотрена проблема идентификации ряда сосредоточенных и распределенных металлургических процессов: электрошлаковой наплавки неплавящимся электродом, продувки расплава в кислородном конвертере, внепечной обработки стали в ковше, электросталеплавильного, доменного процессов и др.

Предложены способы координации металлургического производства на основе контактных графиков работы оборудования с использованием параметрического, частичного структурного и полного структурно- параметрического синтеза программ их реализации, с привлечением структурно- типологического подхода. Приведены постановки и решения задач инженерного синтеза рациональных программ управления электрошлаковой наплавкой композиционных сплавов, электросталеплавильным процессом, внепечной обработкой, кислородно-конвертерной плавкой и др.

Общий эффект от внедрения разработок составил: до 1992 г.- около 4,1 млн. руб., после 1992 г.- 14 миллиардов руб. в ценах 1997 г.

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

Введение............................................... 7

Глава 1. Теоретические основы структурно- типологического

подхода....................................................... 20

1.1. Аналитический обзор и обоснование направления исследований........................................... 20

1.2. Проблема идентификации действующих технологических объектов............................................... 29

1.3. Обобщенный метод оценивания характеристик объекта с прогнозированием рабочих управлений.................... 34

1.4. Идентификация технологических объектов на основе изменения заданий....................................... 37

1.5. Диагностирование состояния объектов с использованием спланированных воздействий................................. 42

1.6. Проблема структурно- типологической оптимизации программ управлений действующих технологических объектов......... 43

1.7. Распознавание класса организационно- технологических ситуаций.............................................. 62

1.8. Ретроспективно- оперативное восстановление траекторий управляющих воздействий................................ 64

1.9. Формирование рациональной программы управлений......... 70

Выводы по главе 1.............................................. 105

Глава 2. Идентификация динамических характеристик

металлургических процессов..................................... 108

2.1. Составление и реализация идентификационного

эксперимента в действующей системе...................... 108

2.2. Идентификация каналов регулирования конвертерного

процесса.............................................. 111

2.3. Идентификация каналов регулирования доменной печи

и автопрогнозирование приведенного возмущения............ 137

2.4. Идентификация электросталеплавильной печи............... 144

Выводы по главе 2.............................................. 150

Глава 3. Математические модели металлургических процессов

с распределенными параметрами................................. 152

3.1. О едином подходе к описанию свободного и вынужденного конвективного теплообмена в ковше со сталью . ............. 153

3.2. Моделирование гидродинамических и тепловых процессов

при продувке стали в ковше............................... 156

3.3. Моделирование тепломассообмена при продувке стали

в ковше инертным газом.................................. 171

3.4. Моделирование конвективного теплообмена при асимметричном расположении источника движения......... 178

3.5. Натурно- модельная оптимизация режима электрошлаковой наплавки композиционных сплавов........................ 186

3.6. Моделирование тепло-магнитогидродинамики расплава

при электрошлаковой наплавке........................... 200

3.7. Исследование тепло- магнитогидродинамического перемешивания шлаковой ванны.......................... 207

Выводы по главе 3............................................. 225

Глава 4. Формирование и реализация программ координации металлургического производства................................. 229

4.1. Содержательные основы технологической координации....... 229

4.2. Формирование контактного графика работы технологического оборудования........................... 236

4.3. Анализ степени рассогласованности хода производства....... 248

4.4. Оперативная коррекция контактного графика................ 253

Выводы по главе 4.............................................. 264

Глава 5. Алгоритмизация программного управления

металлургическими процессами....................................................................265

5.1. Программное управление электроплавкой стали..........................265

5.2. Программное управление внепечной обработкой стали................283

5.3. Оперативная коррекция программ управления плавкой

стали в кислородных конвертерах....................................................301

5.4. Синтез рациональных программ управления

процессами наплавки........................................................................310

Выводы по главе 5..........................................................................................325

Заключение и выводы......................................................................329

Литература..........................................................................................332

Приложение........................................................................................360

ВВЕДЕНИЕ

Развитие теории и практики автоматического и автоматизированного управления металлургическими процессами во многом связано с интенсивной разработкой адаптивных систем. Это обуславливается высокими требованиями к качеству реализации технологических процессов, нелинейными, нестационарными свойствами объектов, неполнотой информации о металлургических процессах, наличием человека в цепи управления и высокими возможностями адаптивных систем.

В целом теория адаптивных систем базируется на общей теории устойчивости [5], теории инвариантности [6], теории оптимальных систем (аналитическом конструировании в форме А. М. Летова, Р. Е. Калмана, Н. Н. Моисеева [710] и в форме А. А. Красовского [11]), теории стохастического управления [12, 13], методе стохастической аппроксимации [14, 15] и теории дуального управления [16].

В теорию и практику адаптивного управления большой вклад внесен коллективами под руководством С. В. Емельянова [17], Я. 3. Цыпкина [18], Н. С. Райбмана [19], И. Б. Ядыкина [20], Л. А. Растригина [21] и других.

В задачах адаптивного управления металлургическими процессами источником полезных идей может служить типология- теория и практика типизации (классификация по типам) объектов различной природы [25+ 27]. Имеется целый ряд работ в области соционики и типоведения: Е. С. Филатовой, Р. К. Седых, В. В. Гуленко, А. В. Букалова, О. Крегера и Дж. М. Тьюсона, коллектива под руководством В. П. Авдеева и др. [28+ 30].

Одновременное развитие типология получила и в технической области, как для типизации статических данных, так и динамических временных рядов [27, 31+ 37]. Типизации могут подвергаться любые объекты, включая системы управления, способы и алгоритмы. Последнее направление широко распространено в области автоматизированного проектирования технологии в маши-

ностроении. Основные направления типологии машиностроительных объектов и алгоритмических структур отражены в трудах В. Д. Цветкова [38+- 40], коллектива под руководством Н. М. Капустина [41], а также Г. Крона [42], Д. В. Чарнко и др.

Типологический подход используется и при идентификации металлургических процессов для случаев сосредоточенных и распределенных в пространстве моделей объектов.

Методы идентификации развиты в трудах отечественных ученых: В. С. Пугачева, Я. 3. Цыпкина, А. А. Красовского, Н. С. Райбмана, Я. Л. Гельфан-дбейна, С. А. Растригина, И. И. Перельмана, А. А.Фельдбаума, В. П. Авдеева и других [12, 43, 18, 44-^ 53,...]. В трудах зарубежных авторов: Р. Калмана, Н. Винера, Р. Ли, К. Острема, П. Эйкхоффа, М. Кендалла, А. Сейджа и других [5,67-76].

Накопленный опыт свидетельствует о недостаточных возможностях распространенных приемов определения характеристик каналов регулирования только по данным нормальной эксплуатации. Это объясняется наличием значительных ошибок производственного контроля, влиянием прямых и обратных связей в системе управления, отклонениями статистических свойств контролируемых переменных от предпосылок, лежащих в основе известных математических методов идентификации многомерных объектов.

Эффективность использования активной идентификации существенно зависит, по- видимому, от взаимоотношения или, другими словами, от схемы компромисса между рабочими управлениями и экспериментальными воздействиями (пробными сигналами).

Для большинства распространенных способов организации активного эксперимента характерным является значительный разрыв между этапами рабочего регулирования и изучения промышленных объектов. Такое положение дел нельзя признать нормальным и требуется дальнейшее совершенствование методов проведения активных экспериментов в направлении преодоления указанного разрыва. Основанием для решения данной задачи может служить теория

дуального управления. Непосредственное использование строгих схем этой теории в металлургическом производстве является затруднительным. Поэтому, руководствуясь ее общими положениями, в работе разработаны приемлемые способы сочетания рабочих и экспериментальных воздействий в промышленных условиях: с нанесением пробных воздействий на прогнозируемые рабочие управления, с изменением заданий и с использованием аналогов пробных сигналов по данным нормальной эксплуатации промышленных объектов.

Типология успешно используется при описании временных последовательностей, носящих структурно неоднозначный нелинейный и хаотический характер, идентификации влияния их отдельных структурно однозначных фрагментов (типопредставителей) по каналам регулирования объекта на выходы и состояния. В этом относительно новом направлении отметим работы Э. М. Бравермана, А. П. Дорофеюка, И. Б. Мучника, С. Д. Двоенко, А.Н. Киселевой,, С. Г. Новикова, В. П. Авдеева, С. А. Дубровского [31- 37, 86- 88, 110- 120].

В русле диссертационной работы находится типология траекторий хаотической динамики [1- 4], отражающей поведение систем управления металлургическими процессами. На ее основе разработаны методические основы структурно- типологического адаптивного управления действующими объектами. Тема работы хорошо согласуется с основными положениями вариантики- теории и практики многовариантных формирований [22- 24].

Учитывая многообразие свойств и условий протекания металлургических процессов, непосредственное использование формальных методов их общего описания [91-92], во- первых, затруднительно, во- вторых,- не отражает неоднозначность условий их протекания. В качестве основного направления в описании влияния программ управления на ход металлургических процессов в настоящей работе принят структурно- типологический подход, согласно которому объекты относят по структуре алгоритмов и динамики функционирования к характерному типу с взаимосвязанным решением задач идентификации и оптимизации объектов для каждого такого типа.

Моделированию гидродинамических и тепловых процессов, протекающих

в пространстве и времени посвящено большое число работ отечественных и зарубежных ученых, в том числе Л. Прандтля, Л.Навье, С. Стокса, И Буссине-ска, Л. Д. Ландау, А. А. Самарского, Л. Г. Лойцянского, Б. М. Берковского, В. Л. Грязнова [77+ 85].

В работе даются не только постановки и решения задач идентификации распределенных в пространстве и во времени конкретных металлургических объектов, но и метод описания конвективного теплообмена со смещением источника движения жидкости, а также единый подход к решению задач свободного и вынужденного тепло- массообмена.

Поскольку во многих металлургических процессах в качестве основного или сопутствующих источников тепла используются электрические источники, то в работе рассматривается и электродинамика сплошных сред. В частности, этой теме посвящены научные труды Дж. К. Максвелла, Л. Д. Ландау, Е. М. Лившица, Б. Е. Патона, Я. Ю. Компана, А. Г. Дилавари, Дж. Шекели [93+ 103].

Основным источником тепла при электрошлаковом процессе (Э1ПП) является электрический ток, протекающий по расплаву шлака. Постановка задачи описания тепло- электровихревых течений при электрошлаковой наплавке, вывод математической модели и численное моделирование тепло- электродинамики расплава шлака позволили описать влияние отдельных параметров режима на механизм перемешивания шлаковой ванны. Изучение влияния электромагнитных сил (ЭМС) на конвективный теплообмен, проведенное в работе, позволило уточнить способ формирования программ рациональных управлений.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Рассматривается крупная научно- техническая проблема системного развития и применения эффективных методов, моделей и алгоритмов идентификации в тесной интеграции с оптимизацией управления металлургическими процессами на основе структурно- типологического формирования программ управления.

Для металлургических процессов свойства объектов, ограничений и целевых переменных зачастую требуют реализации программ управлений нерегулярной сложной формы. Построение оптимальных программ управления такого рода процессами классическими методами программатики, в частности, вариационного исчисления, не представляется возможным.

Суть решаемой проблемы состоит в том, чтобы для названных условий конкретизировать, доработать и использовать структурно- типологический подход, соответствующие ему методики, алгоритмы для построения квазиоптимальных (рациональных) программ управления. Их основой могут служить те уже реализованные программы управления, которые соответствуют хорошему качеству прошлых технологических циклов (для циклических процессов) или интервалов памяти объектов (для непрерывных процессов) и полученных результатов.

Потребность в формировании многомерных программ управления металлургическими объектами обуславливает двуединство задач идентификации и управления. Требуется разработать методы, модели и алгоритмы идентификации для практической реализации идеи дуального управления- органичного совмещения управления и исследования объектов и одновременно- мин