автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Многоцелевая оптимизация процесса электролиза алюминия

ВВЕДЕНИЕ

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МЕТОДОВ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ 8 ПРИ МНОГИХ КРИТЕРИЯХ

1.1. Особенности задач принятия решений при многих критериях

1.2. Модели векторной оптимизации

1.3. Модели целевого программирования

1.4. Модели скаляризации векторного критерия 27 Выводы

2. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ПРОЦЕССА ЭЛЕКТРОЛИЗА АЛЮМИНИЯ

2.1. Топологический метод синтеза сложных систем

2.2. Структурная идентификация процесса электролиза алюминия

2.3. Восстановление математической модели процесса производства алюминия

Выводы

3. ПОСТРОЕНИЕ МНОГОКРИТЕРИАЛЬНОЙ МОДЕЛИ ОПТИМИЗАЦИИ ПРОЦЕССА ЭЛЕКТРОЛИЗА

3.1. Постановка задачи самоорганизации моделей скаляризации векторного критерия

3.2. Основные ограничения

3.3. Раскрытие системы предпочтений J11 IP на векторных оценках альтернатив

3.4. Восстановление функции полезности оценок векторного критерия

3.5. Восстановление функций полезности векторных оценок 71 альтернатив в классе аддитивных суперпозиций

3.6. Оптимизация процесса электролиза алюминия

Выводы

4. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ

ЭЛЕКТРОЛИЗА АЛЮМИНИЯ

4.1. Постановка задачи управления процессом электролиза алюминия

4.2. Основные ограничения на управление

Актуальность работы

Развитие российской алюминиевой промышленности является важной задачей в масштабах государства. С другой стороны, проблемы по защите окружающей природной среды, улучшению условий труда с каждым годом увеличивают свой удельный вес в ряду других задач.

В связи с этим модернизация и реконструкция основной части алюминиевых заводов представляется важной и актуальной задачей.

Как показывает отечественная практика наибольший эффект достигается при коренной реконструкции серий электролиза, заключающейся в переходе на технологию предварительно обожженных анодов. Однако такая реконструкция по удельным, капитальным затратам приближается к уровню капитальных вложений на новое строительство.

В связи с этим широко используется модернизация действующей технологии путем усовершенствования отдельных узлов электролизеров и компонентов ошиновки, применение эффективных алгоритмов управления на различных уровнях и ступенях производства, «сухой» анодной массы и газоочистных систем «сухого типа». Применение современного электротехнического оборудования и новейших автоматизированных систем с использованием средств вычислительной техники обеспечивает надежное и наглядное управление технологическим процессом, обширный контроль и позволяет удовлетворить самым высоким требованиям к промышленному производству с одновременной экономией затрат. Это направление реконструкции электролизных серий требует капитальных затрат в 2-3 раза меньше, чем при коренной реконструкции.

Задача автоматизации заключается в уменьшении влияния человеческого фактора в процессе регулирования и управления процессом электролиза. Применение АСУ ТП снижает себестоимость продукции за счет уменьшения отчислений в фонд зарплаты и снижения затрат на производство - расход сырья, электроэнергии и др. Другая сторона внедрения автоматики уменьшение времени работы персонала во вредных условиях производства, таких как воздействие паров фтора, высоких температур.

Настоящая диссертационная работа посвящена решению задачи многоцелевой оптимизации процесса электролиза алюминия. Решение данной задачи достигается посредством снятия неопределенности в отношении целевой установки, определением оптимального режима работы объекта, выбору и реализации управления с целью достижения оптимального режима.

Цель диссертационной работы

Разработка алгоритма управления, обеспечивающего локально-оптимальное управление отдельным электролизером по трем выбранным критериям оптимальности: максимум количества выливаемого металла из электролизной ванны, минимум напряжения питания электролизной ванны, минимум частоты анодных эффектов с учетом существующих ограничений на технологические параметры.

Основные задачи диссертационной работы

Достижение поставленной цели предполагает решение следующих задач:

- структурной идентификации объекта управления топологическим методом;

- параметрической идентификации объекта управления;

- раскрытия системы предпочтений ЛПР на векторных оценках альтернатив;

- скаляризации векторного критерия;

- нахождения оптимальной в смысле обобщенного критерия точки в фазовом пространстве объекта;

- разработки алгоритма локально-оптимального управления процессом электролиза.

Методы исследования

В диссертационной работе использовались методы теории управления, теории графов, теории оптимального управления, теории принятия решений, теории полезности, линейной алгебры и регрессионного анализа.

Научная новизна

Научная новизна работы заключается в следующем:

- в использовании топологических методов при структурной идентификации процесса электролиза на отдельном электролизере;

- в разработке регрессионных моделей напряжения электролизера, количества выливаемого металла, частоты анодных эффектов;

- в использовании апостериорной модели многокритериальной оптимизации для процесса электролиза;

- в использовании диалоговых алгоритмов для раскрытия системы предпочтения технолога производства;

- в использовании регуляризованных методов скалярной оптимизации;

- в разработке алгоритма локально-оптимального управления отдельным электролизером.

Положения, выносимые на защиту:

- композиция методов и алгоритмов для решения задачи многоцелевой оптимизации процесса электролиза алюминия;

- целесообразность применения апостериорной многокритериальной модели скаляризации векторного критерия в задаче многоцелевой оптимизации процесса электролиза алюминия;

- представление функции полезности в виде аддитивной свертки в задаче многоцелевой оптимизации процесса электролиза алюминия.

Практическая ценность

Исследования выполнялись в рамках госбюджетной тематики "Топологические методы идентификации и синтеза систем управления многосвязными объектами", выполняемой Братским государственным техническим университетом по направлению "Синтез и идентификация систем управления многосвязными объектами" (КОД ГРНТИ 28.29).

Результаты исследований позволили разработать программное обеспечение системы управления отдельным электролизером.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались на научно-технических конференциях Братского государственного технического университета (г. Братск, 2001г., 2002г., 2003г.), на второй международной научно-технической конференции "Измерение, контроль, автоматизация - 2001" (г. Барнаул, 2001г.), на международной молодежной научно - технической конференции "Интеллектуальные системы управления и обработки информации" (г. Уфа, 2001г.).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 6 работ, в том числе 2 статьи, 4 тезиса докладов.

Структура и объем диссертационной работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы и приложения. Она изложена на 102 страницах основного текста, включая 10 рисунков и 2 таблицы. Библиография содержит 75 наименований.

Выводы

1. С учетом особенностей объекта управления и полученных моделей предложено использовать адаптивную систему управления с идентификатором в контуре управления.

2. Для управления процессом электролиза предложено использовать принцип локально - оптимального управления.

3. Рассмотрены ограничения на управление процессом электролиза алюминия.

4. Разработано алгоритмическое и программное обеспечение алгоритма локально - оптимального управления по множеству критериев качества.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные научные положения и результаты диссертационной работы:

- предложена композиция методов и алгоритмов для решения задачи многоцелевой оптимизации процесса электролиза алюминия;

- проведена структурная и параметрическая идентификация процесса электролиза на отдельном электролизере по выбранным параметрам;

- построена апостериорная модель многоцелевой оптимизации процесса электролиза алюминия;

- выдвинута и проверена гипотеза о представлении функции полезности в виде аддитивной свертки в задаче многоцелевой оптимизации процесса электролиза алюминия;

- задача скалярной оптимизации решена с использованием итерационного метода с гарантированными регуляризирующими свойствами;

- с учетом особенностей объекта управления и полученных моделей предложено использовать адаптивную систему управления с идентификатором в контуре управления;

- разработан алгоритм, реализующий локально-оптимальное управление отдельным электролизером;

- разработано алгоритмическое и программное обеспечение алгоритма локально - оптимального управления по множеству критериев качества.

1. Алгоритмы и программы восстановления зависимостей / Под ред. В.Н. Вапника. - М.: Наука, 1984. - 816 с.

2. Анохин A.M., Глотов В.А., Павельев В.В., Черкашин A.M. Целенаправленный выбор: модели, отношения, алгоритмы. М.: Институт проблем управления, 1986.

3. Алпатов. Ю.Н Синтез систем управления методом структурных графов. -Иркутск, Изд-во Иркут.ун-та, 1988 . -144с.

4. Алпатов Ю.Н., Турусов С.Н., Краснятов И.П. Этап структурной идентификации процесса получения алюминия, реализуемый топологическим методом. //Труды Братск, индустр. ин-та: Материалы XXI научно-техн. конференции. Братск, 2000, 7 с.

5. Афанасьев В.Н., Колмановский В.Б., Носов В.Р. Математическая теория конструирования систем управления. М.: Высшая школа. 1989.

6. Бакушинский А.Б., Гончаровский А.В. Некорректные задачи: численные методы и приложения. М.: МГУ, 1989. - 199 с.

7. Борисов В.И. Проблемы векторной оптимизации // Исследование операций. Методологические аспекты. М.: Наука, 1972. - с. 72 - 91.

8. Вагнер Г. Основы исследований операций, т. 1. М., «Мир», 1972,т. 2-3. М., 1973.

9. Ю.Васильев О.В., Аргучинцев А.В. Методы оптимизации в задачах и упражнениях. М.: ФИЗМАТЛИТ, 1999. 208 с.п.Васильев Ф.П. Методы решения экстремальных задач. М.: Наука, 1981. -400 с.

10. Введение в теорию статистически ненадежных решений./ А.А. Федулов, Ю.Г. Федулов, В.Н. Цыгичко. М.: Статистика, 1979. - 279 с.

11. Вознесенский В.А., Ковальчук А.Ф. Принятие решений по статистическим моделям. М.: Статистика, 1978. 192 с.

12. Вопросы анализа и процедуры принятия решений./ Сб. переводов, под ред. И.Ф. Шахнова, М.: Мир, 1976. 329 с.

13. Воронов А.А. Основы теории автоматического управления. Особые линейные и нелинейные системы. 2-е изд., перераб. М.:Энергия, 1980. -312 с.

14. Гайдышев И. Анализ и обработка данных: специальный справочник. -СПб: Питер, 2001,752 с.

15. Дубов Ю.А., Травкин С.И., Якимец В.Н. Многокритериальные модели формирования и выбора вариантов систем. М. Наука, 1986, 296 с.

16. Емельянов С.В., Ларичев О.И. Многокритериальные методы принятия решений. М. Знание, 1985. 132 с.

17. Жуковин В.Е. Модели и процедуры принятия решений. Тбилиси: Менцниерба, 1981.-115 с.

18. Зайченко Ю.П. Исследование операций. Киев, Издательское объединение «Вища школа», 1975. -321с.

19. Зубов В.И. Теория оптимального управления. Л.: Судостроение., 1966, 351 с.

20. Ивахненко А.Г., Юрачковский Ю.П. Моделирование сложных систем по экспериментальным данным. М. Радио и связь, 1987. - 120 с.

21. Ильинский Н.Ф.,Цаценкин В.К. Приложение теории графов к задачам электромеханики. М.: Энергия, 1968. -232 с.

22. Кадричев В.П., Минцис М.Я. Измерение и оптимизация параметров алюминиевых электролизеров. Челябинск: Металл, 1995. - 136с.

23. Казаков И.Е. Статистическая теория систем управления в пространстве состояний. М.: Наука, 1975, 432 с.

24. Карлин С. Математические методы в теории игр, программировании и экономике. М.: Мир, 1964.

25. Карманов В.Г. Математическое программирование. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2001.-264 с.

26. Катулев А.Н., Северцев Н.А. Исследование операций: принципы принятия решений и обеспечение безопасности. М.: Физико-математическая литература, 2000. 320 с.

27. Лазарев Ю.Ф. MatLAB 5.x. К.: Издательская группа BHV, 2000. 384 с.

28. Лапко А.В., Ченцов С.В. Непараметрические системы обработки информации. М.: Наука, 2000. - 350 с.

29. Математическая теория оптимальных процессов./ Л.С.Понтрягин, В.Г.Болтянский, Р.В. Гамкрелидзе и др. М.: Наука. 1969., 384 с.

30. Макаров И.М., Виноградская Т.М. и др. Теория выбора и принятия решений. М.: Наука, 1982. - 312 с.

31. Марчук Г. И. Методы вычислительной математики. М.: Наука, 1977. -456 с.

32. Методы и системы принятия решений. Прикладные задачи анализа решений в технических системах: Сб. науч. тр. Рига: Рижский политехнический институт, 1986. - 142 с.

33. Миркин Б.Г. Проблемы группового выбора. М. Наука. 1974. 256 с.

34. Многокритериальная оптимизация: Математические аспекты./ Б.А. Березовский, Ю.М. Барышников, В.И. Борзенко, J1.M. Кемпнен, М.: Наука.1989.- 128 с.

35. Многокритериальное управление в условиях статистической неопределенности./ А.В. Шавров, В.В. Солдатов М.: Машиностроение,1990.- 160 с.

36. Многокритериальные задачи принятия решений / Под ред. Д.М. Гвишиани и С.В. Емельянова, М. Машиностроение, 1978. 192 с.

37. Моделирование и оптимизация режимов сложных объектов и систем: Сб. научных трудов №194. М.: Московский энергетический институт. 1989.

38. Мушик Э., Мюллер П. Методы принятия решений: Пер. с нем. М. Мир, 1990.-208 с.

39. Непараметрические модели коллективного типа / А.В. Лапко, В.А. Лапко, М.И. Соколов, С.В. Ченцов. Новосибирск: Наука, 2000. - 144 с.

40. Пискунов А.В. Синтез многосвязной системы управления процессом электролиза алюминия методом структурных графов.// Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук.- Братск. 1999 -140 с.

41. Подиновский В.В., Ногин В.Д. Парето оптимальные решения многокритериальных задач. - М.: Наука, 1982. - 256 с.

42. Полак Э. Численные методы оптимизации, единый подход. М.: Мир, 1974. -375 с.

43. Потемкин В.Г. Система MATLAB. Справочное пособие. М.:Диалог -МИФИ, 1997.-350 с.

44. Проблемы и процедуры принятия решений при многих критериях. Сб. трудов. Вып. 6. М.: Всесоюзный научно исследовательский институт системных исследований, 1982.

45. Румшинский JT.3. Элементы теории вероятностей. М.: Наука, 1976. -240 с.

46. Салуквадзе М.Е. Задачи векторной оптимизации в теории управления. Тбилиси. Мецниереба, 1978.

47. Советов Б.Я., Яковлев С.А. Моделирование систем. М.: Высшая школа, 1988.

48. Современное состояние теории исследования операций./ Под ред. Моисеева Н.Н., М. Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1979 (Оптимизация и исследование операций).- 464 с.

49. Современный синтез критериев в задачах принятия решений./ А.Н. Катулев, В.Н. Михно, J1.C. Виленчик и др., М. Радио и связь, 1992. 120 с.

50. Солодовников В.В., Бирюков В.Ф., Тумаркин В.И. Принцип сложности в теории управления. М.: Наука, 1977. - 340 с.

51. М.Сингх, А.Титли. Системы: декомпозиция, оптимизация и управление. -М.: Машиностроение, 1986. 496 с.

52. Сизиков B.C. Математические методы обработки результатов измерений. СПб.: Политехника, 2001. - 240 с.

53. Стекольщиков М.В. Исследование и разработка методов диагностики и стабилизации технологического состояния мощных алюминиевых электролизеров / автореферат кандидатской диссертации, Д., 1989.

54. Табак Д., Куо Б. Оптимальное управление и математическое программирование. М.: Наука, 1975, 279 с.

55. Троицкий И.А., Железнов В.А. Металлургия алюминия. М.: Металлургия, 1984.-400с.

56. Ту Ю. Современная теория управления. М.: Машиностроение. 1971, 472 с.

57. Турусов С.Н., Стрелков B.C. Структурная идентификация процесса получения алюминия на электролизерах ОАО'Ъратский алюминиевый завод".//Труды Братск, индустр. ин-та: Материалы XX научно-техн. конференции. Братск, 1999, 2 с.

58. Цыпкин Я.З. Основы информационной теории идентификации. М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1984. - 320 с.

59. Фишберн П. Теория полезности для принятия решения. М.: Наука, 1978. - 276 с.

60. Фадеев Д.К., Фадеева В.Н. Вычислительные методы линейной алгебры. -СПб.: Издательство «Лань», 2002. 736 с.

61. Хоменюк В.В. Элементы теории многоцелевой оптимизации. М.: Наука, 1983.

62. Хоменюк В.В. Методы оптимизации. Л.: Изд во Ленингр. ун - та, 1973. -216 с.

63. Чаки Ф. Современная теория управления. М.: Мир, 1975,424 с.

64. Чернецкий В.И. Анализ точности нелинейных систем управления. М.:

65. Машиностроение, 1969, 346 с.

66. Численные методы в теории оптимальных систем./ Моисеев Н.Н., М. Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1971 (Оптимизация и исследование операций).- 424 с.

67. Штойер Р. Многокритериальная оптимизация. Теория, вычисления и приложения.: Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1992.

68. Юдин Д.Б. Вычислительные методы теории принятия решений. М., «Наука», 1989. 320 с.

69. Эйкхофф П. Основы идентификации систем управления. Оценивание параметров и состояния.//под ред. Н.С.Райбмана. М.: Мир, 1975. - 676 с.