автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.02, диссертация на тему:Исследование и разработка методов оптимизации управления системами объектов "источник энергии-линия-потребитель" (на примере гидравлических объектов)

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. УПРАВЛЕНИЕ ОБЪЕКТАМИ, СОСТОЯЩИМИ ИЗ ИСТОЧНИКОВ

ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ, ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ЛИНИЙ И

ПОТРЕБИТЕЛЕЙ. II

1.1. Структурные особенности комплексов взаимодействующих подсистем управления процессами в гвдравлических объектах.II

1.2. Задали, решаемые в подсистемах системы управления процессами в гидравлических объектах.

1.3. Структурно-параметрический синтез системы управления процессами в гидравлических объектах.

Выводы по первой главе.

ГЛАВА 2. ОПТИМИЗАЦИЯ УПРАВЛЕНИЯ СИСТЕМАМИ АГРЕГАТОВ,

СОСТАВЛЯЮЩИХ ИСТОЧНИКИ ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

2.1. Система насосных агрегатов как объект управления.

2.2. Оптимизация управления низконапорным источником гидравлической энергии.

2.3. Оптимизация управления высоконапорным источником гидравлической энергии.

2.4. Управление источником гидравлической энергии в условиях неустановившегося движения потоков в линиях.

Выводы по второй главе.

ГЛАВА 3. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ОБЪЕКТОВ УПРАВЛЕНИЯ

ИСТОЧНИК ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ ЗНЕРГИИ-ГИДРАВЛИЧЕСКАЯ

ЛИНИЯ-ПОТРЕБИТЕЛЬ".

3.1. Уравнения, описывающие объект управления "источник гидравлической э нергии-труб о про-вод-потребитель".

3.2. Уравнения, описывающие объект управления "источник гвдравлической энергии-отхфытый участок русла канала-потребитель".

3.3. Пространственно непрерывные модели объектов управления в виде передаточных функций

3.4. Пространственно дискретные модели объектов управления в виде систем обыкновенных дифференциальных уравнений.

Выводы по третьей главе.

ГЛАВА 4. СТАБИЛИЗАЦИЯ ВОЛНОВЫХ ПРОЦЕССОВ В ОБЪЕКТАХ

УПРАВЛЕНИЯ "ИСТОЧНИК ГВДРАВЛИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

ЩРАВЛИЧЕСКАЯ ЛИНИЯ-ПОТРЕБИТЕЛЬ".

4.1. Системы стабилизации, созданные на основе разомкнутого принципа управления по возмущению.

4.2. Системы стабилизации, создание которых основано на использовании пространственно дискретных моделей объектов.

4.3. Особенности синтеза замкнутых систем стабилизации методом АКОР на основе пространственно дискретных моделей объектов. 119 Выводы по четвертой главе.

ГЛАВА 5. ОПТИМИЗАЦИЯ УПРАВЛЕНИЯ КОНКРЕТНЫМИ ГИДРАВЛИЧЕСКИМИ ОБЪЕКТАМИ.

5.1. Оптимизация управления системой насосных агрегатов головной насосной станции первой очереди накала Днепр-Донбасс.

5.2. Регулятор-гаситель гвдравлического удара в объектах "источник гидравлической энер-гии-трубопро вод-потребитель".

5.3. Система стабилизации движения потока воды в типовой магистральной системе водоснабжения.

Выводы по пятой главе.

Решения ХХУ1 съезда КПСС, последующих пленумов ЦК КПСС ориентируют на повышение эффективности и качества в сфере материального производства. В современных условиях ускорения научно-технического прогресса одним из важнейших способов повышения эффективности и качества производства является совершенствование управления производством на всех его уровнях. Применение с этой целью теории управления, внедрение результатов ее развития в самые различные сферы народного хозяйства трудно переоценить.

В /I/ подчеркнуто, что для современного этапа развития теории и практики управления характерно ". усложнение объектов и законов управления, создание сложных систем управления, то есть переход от управления отдельными объектами к управлению целыми технологическими процессами, от управления отдельными участками производства к управлению целыми предприятиями и отраслями производства и т.д., переход к сложным многоцелевым системам управления.". Поэтому разработка и совершенствование методов структурно-параметрического синтеза таких систем представляется весьма важной и актуальной задачей.

Одним из наиболее распространенных видов технологических процессов, получишим в настоящее время интенсивное развитие, являются процессы, протекающие в объектах управления, в состав которых входят источники гидравлической энергии, гидравлические линии, связывающие их с потребителями. Этот широкий класс объектов образует инфраструктуру современного цромыпленного производства и объединяет магистральные транспортные системы, предназначенные для доставки к потребителям воды, нефти, газа и других материальных продуктов, необходимых для функцион!фования потребителей.

Объекты перемещают к потребителям плановый объем транспортируемого ими продукта за промежуток времени, являющийся периодом планирования. На отрезках этого периода производительность объектов постоянна, однако имеют место переходы с одной плановой производительности на другую. Кроме того, изменение нагрузок от потребителей вносят возмущения, вызывающие неустановившееся движение продукта в объектах.

Таким образом, работа элементов, составляющих объекты, происходит в изменяющихся условиях и появляется некоторое разнообразие в выборе эксплуатационных режимов для этих элементов, из которых должны быть вццелены режимы, обеспечивающие экстремальное значение показателя эффективности функционирования объектов. При этом задача оптимизации управления процессом подачи продукта потребителям состоит в минимизации себестоимости перемещения I м3 продукта в условиях изменяющейся плановой производительности объектов на периоде планирования их работы, цри действии на объекты внешних возмущений в виде изменения нагрузки от потребителей. Результатом ее решения являются оптимальные режимы работы элементов объектов, удовлетворяющие режимным ограничениям, накладываемым на функциошфование элементов /2,3,4,5,6/.

Решение сформулированной задачи, установление, в соответствии с результатом ее решения, оптимальных режимов элементов объектов в процессе их функционирования оказывается возможным только в рамках осуществления систем автоматического управления подачей продуктов объектами /3,5/. Создание таких систем целесообразно рассмотреть на примере управления процессами в гидравлических объектах, предназначенных для перекачки воды, что обусловлено их распространенностью и исключительно большой энергоемкостью /2,7/.

Системы управления режимами гидравлических объектов являются сложными системами. Сложность систем обусловлена сложностью объектов управления, многообразием критериев управления элементами объектов и межэлементных связей. Поэтому объективно существуют предпосылки решения задачи управления объектами методом декомпозиции и получения, в соответствии с декомпозиционным представлением, структуры децентрализованной системы, реализующей управление процессами в объектах. Указанный подход к созданию систем управления процессами в гидравлических объектах является наиболее перспективным и плодотворным, однако недостаточно изучен и нуждается в развитии и конкретизации. В связи с этим необходимо так же совершенствовать и методы синтеза локальных подсистем, составляющих децентрализованную систему управления этими процессами /3,4,5,8,9,10,11,12/.

Настоящую работу следует рассматривать как применение и, в определенной степени, развитие исследований Воронова A.A., Бутковского А.Г., Олейникова В.А., Зотова Н.С., Тимошенко Г.М., Мирошниченко В.В., Меркулова В.И. и др. в области организации автоматического управления режимами гидравлических объектов.

Целью работы является совершенствование методов синтеза систем управления режимами в объектах управления, представляющих собой совокупность источников гидравлической энергии, гидравлических линий, которые соединяют источники с потребителями.

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи.

1. Получить типовую модель децентрализованной системы управления процессами в гидравлических объектах, состоящих из источников гидравлической энергии, гидравлических линий и потребителей, в ввде структурной схемы.

2. Определить состав задач локального управления, решаемых в подсистемах децентрализованной системы управления, их взаимосвязь и тем самым выявить структуру подсистем.

3. Представить подсистемы в виде совокупности локальных систем управления. Определить и совершенствовать модели и методы синтеза локальных систем.

4. Исследовать на примере управления режимами конкретных объектов эффективность предлагаемых в работе решений.

Метод исследований. Для решения поставленных задач использовались принципы построения многоуровневых систем управления, методы решения задач статической оптимизации, методы синтеза систем, основанные на классических представлениях и результатах решения задач минимизации квадратичных функционалов. В качестве дополнительного инструмента использовались методы математического моделирования. Экспериментальные исследования осуществлялись моделированием на ЭВМ.

Научная новизна результатов, полученных в диссертационной работе, заключается в следующем:

- получена модель типовой двухуровневой системы управления процессами в объектах, состоящих из источников гидравлической энергии, гидравлических линий и потребителей. Определены структура подсистем системы и состав локальных задач управления, решаемых в подсистемах. Сформулировано содержание алгоритма координации, осуществляющего интеграцию подсистем;

- разработан вариантный способ нахождения решения статической оптимизационной задачи управления системами агрегатов, составляющих типовые источники гидравлической энергии. Рассмотрена возможность его совместного использования с методом ветвей и границ, что ускоряет направленный перебор вариантов режимов агрегатов, при поиске оптимального. Получено условие, позволяющее оценить эффективность способа;

- получена в безразмерно-обобщенной форме записи модель объекта "источник гидравлической энергии-гвдравлическая линияпотребитель" в виде трансцендентных передаточных функций гиперболического типа и структурной схемы. На основе модели предложен способ синтеза регулятора-гасителя волновых процессов в объекте. В отличии от гасителей подобного типа, осуществляющих гашение только установившихся колебаний, вызванных возмущением, изменяющимся по гармоническоцу закону, предложенный гаситель выполняет свои функции и при колебаниях, обусловленных скачкообразным видом возмущения;

- получены в безразмерно-обобщенной форме записи пространственно дискретные модели объектов "источник гидравлической энер-гии-гвдравлическая линия-потребитель? когда в качестве линий используются трубопровод или открытый участок русла канала. На основе моделей предложен способ синтеза систем стабилизации, обеспечивающих заданное распределение переменных, описывающих состояние объекта, при действии на объект постоянного скачкообразного внешнего возмущения.

Практическая ценность. Результаты выполненных исследований позволяют осуществить структурно-параметрический синтез системы управления процессами, протекающими в гидравлических объектах. Синтез подсистем системы управления методически отработан, доведен до алгоритмов и программ, которые реализованы на ЭВМ. Представленные методические положения и практические рекомендации, приведенные с учетом специфики и особенностей объекта исследования, пригодны к использованию при разработке и совершенствовании систем управления объектами, имеющими подобную структуру и целевое назначение.

Реализация работы в промышленности. Выполненные в работе исследования входят составной частью в НИР: "Разработка рабочей документации на программное и информационное обеспечение АСУ ТП канала Днепр-Донбасс (первая очередь строительства)" номер Гос. регистрации 76036514 по договору 76-092-84 Донецкого Государственного университета с Всесоюзным проектно-изыскательским и научно-исследовательским институтом ТВДР0ПР0ЕКТ" им.С.Я.Жука и использованы для решения задачи оптимизации уцравления каскадом насосных станций канала.

Результаты, отражающие решение задач управления потоками в гидравлических линиях, использовались при выполнении НИР» проводимой Донецким политехническим институтом в области создания гасителей гвдравлического удара по заказу Министерства угольной промышленности УССР (номер Гос.регистрации 81011987). Внедрение производилось в рамках договора о научно-техническом сотрудничестве между Донецким политехническим институтом и Ленинградским электротехническим институтом им.В.И.Ульянова (Ленина) по теме "Аналитическое конструирование регуляторов для объектов с распределенными параметрами на примере регулятора стабилизации давления в магистральном трубопроводе гццрошахты" (номер регистрации ЛЭТИ 14-26).

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на республиканском семинаре Научного Совета по проблеме "Кибернетика" АН УССР (Донецк, семинар 17.8 и 18.8 в 1977, 1978 и 1983 гг.), региональном научно-техническом семинаре "Алгоритмическое программное и техническое обеспечение АСУ ТП на базе мини-ЭВМ (Таганрог, 1983 г.), на научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава Ленинградского электротехнического института им.В.И.Ульянова (Ленина) в 1983, 1984 гг.

Публикации. По материалам работы опубликовано 7 статей.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения, содержит 24 рисунка. Список литературы включает 80 наименований. Основное содержание изложено на 149 страницах машинописного текста.

Выводы по первой главе

1. Получена структурная схема типовой двухуровневой системы управления процессами в объектах, состоящих из источников гидравлической энергии, линий, соединяющих источники с потребителями. Определены локальные задачи управления, решаемые в подсистемах системы. Сформулировано содержание алгоритма координации, осуществляющего интеграцию подсистем, составляющих систему.

2. Содержательно описаны постановки локальных задач управления, решаемых в подсистемах двухуровневой системы, установлена их взаимосвязь и проведен анализ существующих моделей, формализующих задачи, а так же методов их решения.

3. Вьщелены направления исследований, которые обеспечат совершенствование моделей и методов решения локальных задач управления.

4. Показано, что полученная структура системы управления процессами в гидравлических объектах, совершенствование моделей и методов решения локальных задач управления в подсистемах этой системы позволяет эффективно осуществлять структурно«параметрический синтез системы.

ГЛАВА 2. ОПТИМИЗАЦИЯ УПРАВЛЕНИЯ СИСТЕМАМИ АГРЕГАТОВ, СОСТАВЛЯЮЩИХ

1.1. Система насосных агрегатов как объект управления

2. Низконапорные насосные станции. В низконапорной насосной установке напор насоса, необходимый для подхема воды на геодезическую высоту Нп, составитнг + Л Нв 10) , (2.1)где А Н^Ш) потери напора в водоводах установки, м;

3. Производительность насоса О , поворотом его рабочих лопастей, плавно регулируется в пределахт1п у п у Г>тах (2.5)а ш ¿а* ата9теп гпахгде Ц , Ц рекомендуемые предельные значения производительности насоса, индивидуальные для каждого типа насосов, «З/с.

4. Ограничения на геодезические отметки уровней воды в бьефах (2.3), (2.4), ограничение (2.5) являются режимными ограничениями, выполнение которых обеспечит работу насосных агрегатов в зонах устойчивых, безкавитационных и экономичных режимов /47/.

5. Разброс расчетных значений точек мощностных характеристик можно значительно уменьшить, если (2.6) представить в виде

6. После этого потери мощности в двигателе уточняются по формулев * '

7. Q^ расход потребителя, м/с. Так как имеется группа параллельно работающих насосов, топроизводительность отдельного насоса1. С(Н0-Нп-Е), (2#8)1. Q:= пС

8. Принимая во внимание (2.5), необходимо потребовать выполнение условиятСп <0 * i/Sbz+C(H0-Hr~E) с Q™* (2>9)1. Q 4--- п-С

9. Оптимизация управления низконапорным источникомгидравлической энергии

10. Функции, описывающие потребление мощности агрегатами, с учетом (2.II), примут ввд1. НЙ п (о, при Qi =0

11. Pl ;= . PjQ^npuQceLQ^Q^, «лг)где /J IQl } Hq ) функция, описывающая мощностную характеристику агрегата в его рабочей зоне. При этом математическая модель задачи внутристанционного управления записывается в ввде

12. Рс = LP^(Ot,H0r) — mln% (2ЛЗ) LeL1. T-Qt = Qc > (2.14) Leb

13. Ql = {°,tC,вГз}- ieL* (2Л5'

14. Как следует из вида характеристик (2.12), которые входят в целевую функцию (2.13), ограничений (2.15) задача (2.13)~(2.15) является нелинейной задачей оптимизации.

15. Математическая модель первой задачи имеет вид1. Р = СЯЛ> Н0Г) —тш, (2-16)1. Е = йс (2Л7)а^са^аГз^ем, (2Л8)где М некоторое фиксированное множество номеров насосных агрегатов из /? 4 элементов, при условии М с

16. Тогда последовательно суммируя элементы в множествах (2.19), (2.20) и анализируя результаты суммирования получим условие которому всегда должна удовлетворять плановая производительность станции1. Z с£ ± Qc ^ Z аг . (2.2D

17. Оптимизация управления высоконапорным источникомгидравлической энергии

18. Пусть для подачи воды доступными являются ^4/77 насосных агрегатов. Тогда, учитывая (2.10), на стационарные производительности насосов накладывается ограничениеmin1. Л Г г rs'"L,( л Л1. Q£{°> м • Qt„, J),тах где Q =л-С

19. Математическая модель первой задачи имеет вед1. П°1. Р(0) — теп2.28)