автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Модели, методы и средства автоматизации руднотермических печей на основе принципа декомпозиции

Фомиле? Александр Ал««»адро»ич

МОДЕЛИ, МЕТОДЫ IÎ СРЕДСТВА АВТОМАТИЗАЦИИ РУДIIOTEPMIIMECk'liX ПЕЧКП НА ОСНОВЕ ГПМН1ЦППА ДЕКОМПОЗИЦИИ

Cwi«»â!!îîh Í5,".87 • ляготнмнтия гечнотч кчшгчх процессов «

•.i".¡Cií'[v-.i¡íí<!: ü;\ соискание учений степиш лектор;) технически* наук

«'/jln-iWó

Работа выполнена в Тульском государственном yinmepciueie

Офкдкалькме ошопгнты: доктор технических паук, профессор

Ю.М. Миронов;

доктор технически* наук, профессор

A.C. Клюск

доктор технических наук, профессор

B.В. Кудимов

Будущее организация - АООТ "НИИГИПРОХИМ

г. Санкт-Петербург "

Защита состоится цояйщя _! 996 г. в 14 чцсов в учебном корпусе № 9

иуд. 101 на заседания диссертационного совета Д.06Э.47.04 Тульского государственного университета (300600, г. Тула, пр. Ленине, 92).

С диссертацией можно ознакомится а библиотеке Тульского государственного униосрсигсга.

Ваш отзыв на реферат п одном экземпляре, заверенный печатью, просим направлять на имя ученого секретаря совета.

Автореферат разослан " 2 "¿й^гября 1996 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

д.т.ц., профессор ¿^С{ ' В.М.Мазуров

'' " < )

общля г а~01ы

Аеп^8яь*к£1?» р»£>оти. Распределенные .системы- контпояч- и •упр^йлеиип

----(РС!С?, одочмющие современный подход к автоматитмиш гс.кояо! ичесг.нх про

цесгвв )> позволяющие создиэшь гибкие системы повышенной живучести, по-новому ставят зядпчп алгоритмизации процессов контроля и управления много электродными рудногермнчесюши печами (РТП), которые, несмотря «а большую энергоемкость, Мхотт все большее применение в черной н цветной мегаллурпш, в химической и стекольной промышленности, я машиностроении и н решении рада экологических задач, благодаря экономичности агрегата и возможноегн перерабатывать природное сырье.

Одннко вимрет-е РСКУ и практику управления РТП сдерживается целым рядом проблем, среди которых, прежде всего, следует отметить: неразрывную взаимосвязь одновременно протекающих, существенно разноннерционных электроэнергетических (ЭЭП) и х!шикв-мета;(лургнческих процессов (ХМП), обусловленную принципом прямого нагрева; недоступность энерготехнологических Процессов (ЭТП) в закрытой (герметичной) ванне печи для прямого текущего контроля; отсутствие алгоритмического обеспечения процессов контроля и управления ЭТП в »»«льнем ЕрсясНЬ к методологии «о разработки, ориентирчхиичой на архитектуру К БМЧП0ЛПТеЛЬ!«.1с Ь03м0;к'!{0.?ти РСКУ.

Актуяльносп. проблемы нэнлС'имм ннЛсрмацш; из контролируемых ьч"-аеины* поксзйтс.'Ч!; к автий»"»*«'!!» нронесс»» кенгрояя к у.-рарлення Р'! И не%и-(«ократно подчеркивалась {»шянйчми Всемирных элек'-рот^хнических кон(р<сс.>й, исесонУшых I. Всероееийскн'; нэуччо-техни^еских совещании по 'злектротермии и эпектротерчи1.. оборудованию,

Алгоритмизация процессов текущего контроля и управления РТП, создание соответствующего программного обеспечения требуют бояынчх эвтрят средой, г.рсмен!, и прйчлечения высококвалифичиревапних специалисто». Поэтому проблема кето,чологичсского «дииств» подходя к алгоритмизации для возможно более широкого класса РТП также является актуальной.

Научная проработка темы диссертагшонноГ; работа велась по постановлениям ГКНТ №491/244 от ЧЛ2Л93! \ Л*555 от ЗОЛОЛ945. а гйкжс а ?амк;.л ком-плсксиыд; нель-шм научнс-гсхнцч-.-ских нрогр"ыч ишчсиил

(Ь. 1 ш^дектуст «цром, Мнкприбор. Минхиммашпрсм и МннудобрениЬ). Приклнд-мле ;ид?чи, решаем!.:; з днссер-шиюшкН ра&л»е, рип^лкяпнсь в рачках лчнлого-ссркых работ у сзо;&стяоий с планами НИР, ОКР и ПКР научно-исследовательского и. проектного института основной химической промыишеи-

иосш (НИИП ЩРОХИМ, г. С-Пкгербург), Всероссийского кйучно-вссдадэЕа-зельского и проектного института электротермического оборудований. (ОНМИЭТО, г. Москва), НПО "ОКА" и АК " ТУЛАЧЕРМЕТ" (г. Тула).

Целью рбот и является решение крупной научной проблемы, состоящее ь со »данни принципов и методологии построения моделей управления по косвенным показателям, обобщенных на класс РТП, их теоретическом к экспериментальном исследовании и разработке методов и средств автоматизации контроля и управления знерготехнологичешши процессами в ванне печи, имеющих важное народнохозяйственное значение и дающих большой экономический эффект.

Автор защищает обобщенные на класс РТП прямого нагрева:

• структуру адаптивных функционально-целевых моделей ЭТП е..частично раскрытой топологией, учитывающей неразрывную взаимосвязь сущсс-гвенно раз-ноинерционных ЭЭП и ХМП в ванне печи;

• метод и алгоритмы параметрической идентификации нелинейны* схемных моделей приэлектродного пространства печи переменного тока по гармоническим составляющим тока и напряжения для оценивания в реальном времени ЭЭП, протекающих в рабочих зонах (РЗ) многоэлектро/*чой РТП (МР'ГП);

• метод и технологию формирования идентифицируемых структур моделей ХМП для целей управления пониженной топологической и параметрической сложности, отражающих связь скрытого для прямых измерений технологического состояния ванны (ТСВ) с косвенными показателями, а также вклад отдельных РЗ в технико-экономические показатели (ТЭП) работы МРТП;

в последовательные алгоритмы совместного оценивания параметров и Состояния моделей ТСВ по косвенным измерениям, учитывающие действие помех и ограниченные вычислительные ресурсы;

• принцип синхронизации и многосвязную автоматическую систему регулирования (МАСР) рабочих токов в трехфазной РТП с непроводящей подиной;

• программно-аппаратные средства автоматизации экспериментальных исследований, а также текущего контроля и управления ЭТП » МРТП.

Меюды исследования основываются на системном подходе и Нрн^-гает^! теории представления групп, тсорил матриц, т№$чш идентификации И теории управления, методах временно.; и структурной декомпозиции, спектрального ¡ша-птл, полшюмиаяькой аппроксимация, иелнн^Пиой фильтрации, плакирования динамических экспериментов, метод,« иагсма'Шчгсхо!о программирования.

-S-

Достскер^сспЕ. полученных результатов и выводов подтверждена путем доказательств, цифрозого мсдзлпривания, экспериментальныхисследований, ч-пряк-чич'еекои реализацией разработанных программно-аппаратных средств.

Научная маили-л работы состоит а создании основ прикладной теории моделирования яяя нглеП уираьлення МР'ГП прямого нагрева как многомерных, нелинейных, нестационарных стохастических динамических систем с частичной симметрией, футсЬионкруунднх с условии неопределенно«и, и в разработке алгоритмов контроля п управления, обобщенных на к/mcc РТП различного промышленного назначения и орнен+ировэнных на архитектуру РСКУ.

Степень ичучноЛ ::ч,-изны иулучеиных результчточ члчякгогтгя 2 создал«« ►пмпяекся MüTíi'BT:rjEc:«Hx, ¡*<ñ ©дологических к алгоритмических решений; » fia основе принципов адаптации И пространственно-временной декомпозиции предложена структура функционально-целевой модели ЭТП многозлектродноп РТП прямого нагрейа, расщепленная ни дв? взаимосвязанные подмодели: "быструю", нелинейную ЭЭП и "медленную", шшеаризовакную ХМП, которая в свою очередь декомпозирована на независимые подмодели усредненного и относительного ТСВ;

- nü стопе измерения спектральных «'ск'лслвющнх раГч>чих юко» и напряжений, • обусловленных нелинейным чаржгероу. Боо-г-аупернон тдрикгерметики (ВАХ) электрической я>1и, разработай метод определения mqwicip.m и одмктсркстмк игтшШчых схемных моделей OfJli, «бойш'гмиый на класс РТП с однозначной SAX з;ж!вал:'~<рн1<( о апинимо сопротивления г.р<н-г»еол<.!гото г 'та; ♦ в термина.; !/•').- шчосги впер»ws введено понятие моделей динамических систем с иденшфиинруемоП внутренней переменной. Сформулированы и доказаны необходимые и достаточные условия, ашайдяющи* hí параметрически меиден-тнфнцируемых моделей выделить осооый класс моделей о "д^'тцфшпфуемйй внутренней переменной;

впервые установлены труппы симметрии и получены матрицы декомпозирующих преобразований моделей ХМП для МРТП с геометрической симметрии расположения РЗ з suave печи. Предложены метод и технология формирования бчо»н«-дивгокчтп>ШЧ vrpyKiyp моделей с внутренней переменной поннжешми топологической и параметрической сложное и<; « предложены эфАрктивные в яы'шелнгельном отношении многошаювые аг.ю-рнгмм совместного оценивания параметров < состояния моделей ХМП. шпионя киодт* слетите построчном оцеттяэнни на каждом шаге парлмегроо матриц

сосгояжм ¡i управления и оценивания по столбцам параметров матрицы наблюдешь; , » впервые предложена методика раздельного априорного планирования активного динамического эксперимента по исследованию усредненного и относительного состояния РЗ я ванне МРТП; « «первые сформулирован принцип синхронизации рабочих токов в трехфазной РТП с непроводящей подиной путем компенсации токов прямой и встречной последовательностей фаз и на его основе синтезирован синхронизирующий многосвязный регулятор (СМР).

Практическая ценность работы состоит в методологическом единстве подхода к алгоритмизации процессов контроля и управления для класса РТП.

Декомпозиция функционально-целевой Модели ЭТП позволяет существенно секретить размерность решаемых в реальном времени задач, распараллелить вычисления и, как следствие, снизить требования к вычислительным ресурсам РСКУ.

Метод идентификации схемных моделей универсален в своем применен!,ч как для широкого класса печей переменного тока, так и для РТП, работающих на постоянном токе и не требует активного вмешательства в ход технологического процесса .

Многошаговые алгоритмы совместного оценивания ТСВ применимы как дли РТП с непрерывным, так и с периодическим сливом расплава, экономичны по объему вычислении и особенно эффективны при автоматизации печей малой к средней мощности, где применение мощных ЭВМ экономически неоправданно,

СМР в отличие от эксплуатируемых в настоящее время регуляторов, работающих по принципу выравнивания рабочих токов электродов отдельно в каждой фазе, учитывает взаимное влияния фаз и, как следствие, обеспечивает синхронизацию рабочих токов в трехфазной РТП .

Предложенные в работе способы и разработанные программно-аппаратные средства текущего контроля информативных косвенных показателей хода плавки (по эжения тигля по температуре стенки ванны, избытка-недостатка углерода по степени зашумленности огибающей раб9чего тока электрода, параметров схем замещения приэле:ггродного пространства, производительности фосфорной печи по изменению проводимости конденсата в технологической емкости, линейной скорости схода шихты и др.) позволяют обеспечить топологическую наблюдаемость ТСВ, повысить уровень извлекаемой информации и снизить параметрическую сложность матрицы наблюдения модели ТСВ.

Г.- . .■••!- ../ : т. >;о ;.. jo -.i:-;:.: ::d при;.: икс ¡¿Mix pcjy..i,t«-

roa, зывадо» и рекомендации, потучгпнмх s работе, был раэрабоган комм it-кс -.¡с ¡одических. пртраммных н аппарашых средств, ьет-л^ые i.,-sw;pe;iu ч Л< • 'ВНИИЭТО" (г. Москва), АО "НИИГИПРОХИМ" \г. С-1 leiepiiyprt, ДНО "ЯОДФОС'Чг. Джамбул, Казахстан), А К "Нанадии-Тулачерме!" (г. Гуля) и используются при разработке АСУ ТП.

Получены расщепленные функционтыю-целсвче модели ряда рудоиосс/.i-Ноьительных процессов (РВИ): процесса выплавки ферросилиция (ФС45) п печи PK4-U.S, "рочтоа ся-этсомсрганиа {CM 17) в u-чл РПЗ-48. ироцкл«

лукмяя фосфора з nc-jn РК2 20Ф. ирошлха выилаакн ферроекмикохром» t,«i>CX4ej в печи РКЗ-ЗЗ, процесса выплавки в блок карбида хрома в печи ОКБ-955Н , которые положены в основу математического обеспечения АСУ ТГ1.

Программно-аппаратные средства (комплекс на базе ПЭВМ типа IBM PC ХТ/АТ и микропроцессорная система текущего контроля параметров схем замещения и распределения мощности; алгоритм, программное обеспечение и опытный образец устройства контроля дисбаланса углерода по степени зашумленности огибающей рабочего тока; устрлйстйа периодического и непрерывного котро.ч1 производительности фосфорных печей, разработанные совместно с ."si"» "НИИГИПРОХИМ" ir, С-Пегербург); щеи'иканалмшн ннфра-аначотпый aim за юр гармонических состнвляющнк тока н напряжения; микропроцессорная Система контроля пропускной способности печи) прошли ОПЫТНО-ПрОМЫШ.'К'ПНЗ !•> эксплуатацию и внедрены или рекомендованы к внедрению в произведено. Документы, подтверждающие результаты внедрения, приведены а Приложении к работе. Суммарный экономический эффект а ценах 1990 г. составляет 96-1400 руб.

АаробацнЯ работы. Основные результаты доложены и обсуждены на шести международны* н семнадцати всесоюзных и всероссийских конференциях, сонет,t-инях, симпозиумах и семинарах. К их числу относятся: 1 и !! Международные научно-технические конференции '.'Актуальные проблемы фундаментальных наук" (Москва, МГТУ, 1991, 1994); Международная конференция "Математические методы в химии и хиММ*п*к4й технол^гчч" (Tsfpb, 1995); IV Международная конференция "Методы кибернетики химико-зехнологичегких процессов" (Mocuia, РХТУ, 1994); X Международная конференция "Математические метопы r химии" (Тула, 1996); Международный ссминар "Автоматизация: проблемы, идеи, решения" (Тула, 1996); Вститжме ч L'rcpcctsilCKiie нау пю-тсхяпчсскне совещания и симпозиума по электротермии и электротехническому оборудованию (Тбилиси, 1982; Чебоксары, 1985; Никополь, 198?; С-ИетерЯург, 1994. ¡9%); Г/ Всссоюшая

научная конференция "Математической моделирование сложных химико-технологических процессов" (Одесса, 1985); Всесоюзные конференции "Перспективы и опыт внедрения статистических методов в АСУ ТП" (Смоленск, 1981; Тула, 1987,1990); Ш Всесоюзная и IV Всероссийская конференции "Динамика процессов и аппаратов химической технологии" (Воронеж, 1990, Ярославль, 1995);

VIII Всероссийская конференция "Математические методы в химии" (Туда, 1993,);

IX Всесоюзное научно-техническое совещание "Создание и внедрение систем автоматического н автоматизированного управления технологическими процессами" . (Москва, 1986); IV Всесоюзная научная конференция "Современные проблемы электрометаллургии стали" (Челябинск, 1987); Всесоюзная научно-техническая конференция "Микропроцессорные системы управления технологическими процессами" (Новосибирск, 1987); Всесоюзное научно-техническом совещание "Теоретические и прикладные проблемы создания систем управления технологическими процессами" (Челябинск, 1990); IV Республиканская межотраслевая научно-техническая конференция "Теория и практика разработки и внедрения средств автоматизации и роботизации технологических и производственных процессов (Уфа, 1988). А также на научно-технических конференциях Тульского государственного универсигетав 1977-1996 гг.

Публикации. По теме диссертации издана 1 монография, опубликовано 78 печатных работ (35 пл.), написано 3 учебных пособия, получено 13 авторских свидетельств и один патент на изобретение.

Структура и объем работы. Работа состоит нз введения, восьми разделов, выводов по результатам работы, списка литературы из 374 наименований и приложений. Основной текст занимает 324 страницу, имеет 111 рисунков и 32 таблицы. Основное содержание работы

Во введении обосновывается выбор темы исследований, ее научная новизна, актуальность и практическое значение, сформулирована цель диссертационной работы н приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первом разделе определяется класс исследуемых об ьекто», оцениваются современный уровень автоматизации РТП и Подходы к моделировании процессов рудной электротермии для целен управления.

Принцип прямого нагрева, как отмечают многие исследователи (A.C. Мику-пннскнй, В.А. Ершов и др.), приводит к опосредованному влиянию управляющих воздействии на ТЭП работы РТП. Прежде всего, они влияют на ЭЭП, я ХМП протекают в соответствии с условиями, которые устанавливаются в ваНнс в результате сложного взаимодействия процессов, выделяющих и потребляющих 3Hepthio. В то

же »ремч, XiV'al шиеизюг сьийсзъ» среды протекания электрического тока, и, ке«г сяедстзие. измтяется электроэнергетический режим плавки. Ошечеко, что условия совместного протекать?. ЭЭП и ХМП характеризуются набором внутренних перемен;")1:, iiefloctynhtix для прямого контроля в реальном времени, поскольку Высокие температуры к агрессивная среда а зоне реакций, а также переход промышленности к закрытым и герметизированным печам знтруднчюг непосредственный отбор информации о ТСВ. Контроль фактически ведете», как покатано 'на рис.I, по целому нибору косвенных показателей, не входящих непосредственно в целевой критерий, wo почмнипопк« г^ту-ши» полезную информации» о ТСВ. Из обзора следует, что попытки найти косвенные показаюли, однозначно характеризующие переменные ТСЧ, как правило, не приводят к желаемым результатам и требуется совместная обработка информации, получаемой с различных измерительных устройств, с учетом ошибок измерений, динамики процессов в каналах управления и т.д.

Более полное извлечения информации из косвенных показателей возможно лишь с помощью интеллектуальных датчиков (идентификаторов ТСВ), в основе которых лежат математические модели, свяэчшающне входные воздействия на печь со скрытым для прямпх измерений ЭТП и наблюдаемыми на ее вь'ходе косвенными показателями. Перспектива контроля многими исследователями связывается прежде всего с параметрами схем замещения, которые, отражая свойства среды протекания тока, несут важнейшую информацию о ЭЭП и ХМ!!. Однако существующие подходы к их определению, ограничены в своем применении для класса РТП либо необходимостью активного вмещетельсиа в ход технологического процесса (Б.М. Сгрунский, П.П. Чередовских), либо упрощением схемы замещения (В..'Л. ФрыгиН) С.А, Моргулев), либо аппроксимацией ВАХ дуги характеристикой релейного типа (В.П. Ворсбьез, Д.В Снвиоа н др.) и т.д.

B.C. Лернер, С.А. Дубровский и я'р. отмечают, что необходимость уста-но&дгашя, функциональной связи 'вход-внутренняя персменная-вьгход", требует частичного раскрытия топологии модели. Это во многом объясняет ограниченное применение моделей "вход-выход" для управления РТП в реальном времени, предложенных рядом авторов на основе корреляционно-регрессионного подхода (М.И. Г'иснк., В.В. Годыпа, В.Ф, Хацеоский и многие другие). Содержательные модели в распределенных параметрах (Ю.М. Миронов, В.Л. Тарасов, М.З., Файннщ.ии и ;:р.}, решая прямую задачу моделирования и опираясь лишь на ограниченную априорную информацию; в основном раскрывают связь "вход-внутренняя переменная" и не позволяют вскрыть механизм генерирования косвенных покагиелей

-iO-

Уврашлкемйг казевтв»

• Наиракекне ггечкзге траисфцрта»«

5 ¡Кокс C~V

> К"м.сг)ст, т—Ч V

У | : г-? .

g 't1"^ NV vy-

состаи 5 Зольность^

2 BjIÏ5KH0gfb_ я

0 30

_ Отм ^'Я подо Й Спекание- t\.Q í»4'v'J," й'

s Обраль! £ Шихты

£

ев электрона

с^срОпссЯ

В

3<Х

V:

.¡Рсакцирин Шг, ,(Pa6f*4a:

Положение элек-градодеркателя

__Лш|еГшая екорость рходаодихты_____

Электроэнергетические показатели

Й.

Свод печи

к а

гретой

TW 0<Ж

\

H

И

ti™}

LÜ

Зона ферросплава

¿J- ДЪшшшшь.

Ц ^Ййорада*'

щь

„nitln

viлеиидЯ

Пщсиеищщсгь

l'BU

YPtiWlh

расплав»

£аат<м1щ !

si

Мтяа сечи.

Вес

ферросплава Содержанке

SI в ферросплаве

Рабочий ток Электродя**

„Фазное___ „

напряжение g Акт. мощность 8 на эдектродс" к

. Линейное_ напряжение ^

Расход акт^ * хкотромкрш)

тРие*рд газя.. ¡j

Содержание § СО : |

Температур)! 8 гма

подсводом g

..Давление^' §

подсвод ом Ü Содержание

Но

Температ çrçHKii ванны Температуре,

поданы Содержание,. ¡SIC в шик« | ¡Co;;«p*3snç je SCStma« Содержание g Si в шлаке g-Содерж ан ие |

C'a ига* fr

iliee шлака «

Рис. I. Схема материальных, энергетических и информационных потоков в пря-хлектродном пространстве РТП (на примере процесса выплавки, ферросилиция).

чч зциоде FTP Вмес:е s тем, следует g ; м с ; ; : п. ийл'дость .¡o-

строения таких моделей как первичных на пути, формирования оптимальных, в ■(..•• котором смысле, моделей овального времени, в которых подробность и точно т. опнсашы определяется их ценностью для процесса управлении, загршлмн на «л-лучение информации и вычислительными возможностями.

С целью создания единого подхода к алгоритмизации проиесс.-.з коитро-л к управления РТП различного промышленного назначения проведена их классификация как объектов управления. Показано, что РТП прямого нагрева следует ог-viTj к fтож'!' г: слстсыгу: ¿i^unau-i^uu .»«à*-

цпопзрним, нелинейным, частично самморичным, с существенно р»змогемпокы-ми движениями и неполной информацией, функционирующих в условиях параметрической неопределенности.

Как следует из обзора, в настоящее время управляющими ЭВМ оснащены РТП в таких странах как США, Германия, Норвегия, Швеция, Финляндия, ЮАР и др. Накоплен значительный опыт создания АСУ ТГ1 и в странах СНГ: при получении ферросплавов (С.Л. Степанянц, В.В. Годына и др.), в химической электротср-:.•,!!•.! (Г.М. Жило», С.К. Савицкий, A.n. Горип и др.) Перспективы их ;i;»m,.;i>ii.i-.i •• «;o?epiii«»rr»oysws связывают ся г с.плаиисм РСКУ.

роили ся пробчема выбора форму •<

(ятыка опне-н-ля) О'ПТ г- >'Т!7. пи^юцщч принципиальное з;ычсш:е, т.о* и-.-,к .ir;,;;«-таг. ij.-opM!Lii:",Ht;:.a u.i икоюч, если не г, основном, v предел й-л ну ;и и ;:o>v-- ..■;■!•. .1: топологического, структурного и i;api».Mетрлческого синтеза РСКУ. нрич'.ияемы.; «.зиматическиИ апг.ар.'п и методы огинмизацн'!.

Наличие ü схеме прмчннно-следсгзенныч связен Э'П!" бьигрых" '/Ml, предшествующих "медленным" ХМП позволяет применить к ЭТП как нелинейной ли 'мм:гк-1 ;;он системе методы раздел."..ня движений. ¡:ня>;:н>;ые а п.-лы'Ннс!-'.е 1?'ч'м с решением задачи декомпс-лптн. Принцип рязделения движений, а разработку которого значительны?) вклад внесли Е.И. Геращенко, В.И. Уткин, П. Ганцгори н др., позволят, к в к показано на рис.2, независимо формировать модели Э^П и ХМП В^зяттг.ть м-дслсй !Пхг,- ми Ы]!м«<енне V ходе ссвмесшого оценн-

г-апии ик liüprtMeipiii).

Принципиальная возможность решения задачи определения параметров н характеристик нелинейных схемных моделей ЭЭП для класса дуювых РШ (>ei вмсшагсльства в техноло(ический процесс в диссертации связывается с Нелинейным характером ВАХ электрической дуги, что приводит к расширению спектрального состава рабочих токов и напряжений.

Внешние возмущения

Помехи измерений

Косвенные показатели У\1/

Внешние возмущения Рис. 2. Функциональная модель ЭТП в РТП прямого нагрева

Схемные модели строятся, как это делает большинство исследователей (И.Т. Жердев, H.A. Марков, Я.Б. Данцис и др.), на основе принципа наикратчайших путей растекания токов в приэлсктродном пространстве ванны печи. Показано, что возможность реысння задачи идентификации зависит от структуры схемной модели, от доступности для измерения токов и напряжений в схеме, от их спектрального состава. Установлено, что условия идентифицируемости для нелинейных схемных моделей первого порядка на переменном токе сводятся к требованиям устойчивости моделируемых объектов и к однозначности нелинейных характеристик нх элементов.

Отмечено, что в случае, когдя измеряются мгновенные значения рабочих токов электродов /ДО. ь('). 'з(') " мгновенные значения фазных напряжений на электродах относительно подины U,(t), U2(i), U¡(¡), идентификация схемы замещения ка» i'jíí фазы может выполняться независимо от других. Схемная--модель одной фазы описывается нелинейным дифференциальным уравнением:

5dä

; ж

V'J^V- К = 1.2,3.

(1)

где Pg(>¿) - напряжение на нелинейном сопротивлении,

L„—s— - напряжений на

-1" . iit

индуктивности, Ug(t) - измеряемое фи-зное напряжение.

• DAX нел1'шеййих сопротивлений-1/^*=¡рредполигакл ся• однозначными, что дает иозможпость представить jíx отрезками степенных рядов

прощводной тока —и степенных функций тока ¡г (0 являются в устано-

i.-Л

г,!"* »,_ ■ ¡...¡с, m>;r.::v% .•»<.№ определению котфф'Н-'е;'!*.:; /'. - -teiicw-i—

i;«vi:x:»>si» »'f«c»emw4:i ¡качений рабочих гоков. При условии {Ъуояянгнме (!)ттр:ш<гтсит UiM) ^ ,

и' М

Неизвестные параметру фазы; шшухтивность L: и ко»ффтзрт|ти i-i,... "ТСПС1Ш0Ю ряда (2), aiutpuKCHMMpyioHirro Н"\Х nercitcihtcjQ сэьр&ишленнм, вводят в уравнение (3) линейно.

Измеряемые сигналь- рабочего тока ig(t) и напряжения Us(t), а также сигналы

dig(t) ______ х „

ИГ

вившемся режиме периодическими непрерывными функциями времени, ограниченными по амплитуде. Это дает возможность разложить их в ряд Фурье и характеризовать векторами амплитуд гармонических составляющих каждого cm иода:

¡т __ft A- uis i;"c птлт t ~\ilc z1-' inc г™)т

i/„ - l^j , иц,..., Os , Ug J , ig -1ig Jf,.....iH , iH I .

'g-"pi-'px' 'ps1 ' 'g ..........m,

где - амплитуды косинусондальных и синусоидальных состав-

ляющих ti i'i гармоники сигналов.

Относительно амплитуд гармонических составляющих сигналов уравнение П> можно представить системой линейных алгебраических уравнрш""':

i/;...:.№«......rj=ut (4)

Показано, что столбцы матринь; системы (4) при неизвестных линейно неза-г.пспмм н следовательно существует единственное решение задачи идентификации для рассматриваемою класса схемных моделей.

Имитационное моделирование на основе содержательных моделей с распре-дегенными пяп<1ч««тр*чк, згепеттгглтальиые иссгедопатк и опыт uvr.'.^-'-ürMi :.'ТП показываюг, чю алпедешыс модули ХМП для целей yiip.-n-ief,;»' ,'wnjcinMo .¡скйть ь классе вдаптизных пинеаризовянны* моделей с согредоточшиым!. n-ip »• метрами, поскольку изченеиня ТО» достаточно медленны.

самом общс.-.1 случае, с учетом действия помех линеаризованную адаптивную машинно-математическую модель ХМП с частично раскрытой топологией можно представить п ввдг:

л(А +!) = Ч'Ш) ДА) + И (а) Т<{к) ^ !\(а) ¡:{к) • z(k) = CAä)m + C.(ä)r,(k) + P,(ä)fj(k);\ m = С Ja) Х(А) + G,(S) ü(k) + t\(ä) ¡(.к);

где л(А ), ¿(Л), :(к) и Щ) - переменная состояния, управляющая, скрытая и вь;-ходшт переменные соответственно в момент времени к; (х(к) еЛ", и(к) б Я', ~{к)(=Я',}Ц)с1С)\ £(k),fj(k),4(k) - последовательности нормальных независимых стачанных векторов с нулевыми средними значениями и единичными ковариационным» матрицами, ¿(k)aR",r}(А) еЯ', |(А) еЯ"; Ф, 11, С„ С„, Gx, G„, Рч, и P« -матрицы соответствующих размерностей; « - параметр модели, aef)4</J',

На основе обзора показано, что исследования по проблеме идентифицируемости линейных динамических систем, начало которым положено в работах Р. К.'шиана и Р. Ли, связаны в основном с их параметрической идентифицируемостью. Решение получено с учетом специфики конкретных прикладных наук, таких как химическая кинетика (В.Г. Горский, С.И, Спивак, М. Вайда, И. Антон и др.), экономика (Ф. Фишер и др.). биология (Р. Беллман, К Острем. и др.), каждая из которых использует свои модели, термины и методы. В работе М. Миланезе для частного случая показано, что параметрическая идентифицируемость является достаточным условием восстанавливаемости состояния линейной динамической системы.

Определите. Параметрически заданная структура (5) при действии возмущения называется идентифицируемой по входу-выходу относительно внутренней переменной f(i) в классе входных сигналов V, если в этом классе входных сигналов различимые по выходу значения параметров ä , а', различимы также по 5(г).

Введенное определение позволяет выделить среди параметрически пеиден-гифицируемых моделей особый класс - модели с идентифицируемой внутренней переменной, для которых задача оценивания по измерениям вход-выход имеет единственное или конечное число решении. Показано, что параметрическая идеи т<|фицируе\!ос1ь модели (5) является признаком принадлежности ее к дялному ч-д-uvy. Установлено, что математические, ожидания и ковариационные матрицы переменных }(к)иг(к) стохастической модели (5) могут описываться детерминированной моделью вида:

-LV

________■..... nit =Vr(^v»'«/^Pirtjir^ri^'ii^fiT)!''■гггпги.:,"""'

Л ('■ {/■!'/!>'iS)'-: ! ■ ui):i'.

..,,„ - i" ¿i1-', .^''(«If, • ■. /'.UV;'' ч-Ч

i •:)' i v , ; " !. - к ~ .

' О, \u)iJl:l) ' Cui)

Тогда справедливо следующее утверждение.

ЬаинпкигЛгум*. HHyrpeifffi мИДиш lii JiiiKiijii.ii..

(структурно) идентифицируема тогда и только тогда, когда локально (счрукцрно) идентифицируемы внутренние переменные ih.k и R!jk детерминированной модели (б).

Необходимое и достаточное условие локальной (структурной) идентифицируемости переменных т1к п R,,k сформулированы в виде теорем. Показано, 4i.> при переходе от стохастической модели (5) к детерминированной (отсутствие ту мов) свойство идентифицируемое;и иером«-нн<«й ?*</> может теряться. cc~.f ;%;.%>.■ ;:;!1Шро!ч-.|Ч;;>« модель не удозлгут.^р.чез ъслой.г-о ) ^ к и: > j. ; г о i i (crp\K~i ypj'iiii) v;: фицнр; :i пну ¡pi!¡нп.^чениш'!. ii сл^.аешчео.'ий индол:' !■ ■ i in> i:у.^ ■ 51.\ rpClhi.,1 ¡l£pe\<eiil':)li Ч •¿■■•ГК'ч'Т'-'Я И £i \ VC.f.:i!/il.ilr.il4l!irl! <;>} !iKl.!l;i ;>s.IV.>...' i"."!t!l!lc:!, С.{:0рМ\Л!|р1'1(>.1Н|.! г'гоочод.ччы." I! ,"K 1 ,'i! 04ii<>. v0j|G»!14 il.if•

(s.rpyh'iypH'.iMl !у,{ч!гифм'MP) v."i '¡нчиик'й сч qi--<j!i if ф..¡км.п.п.сь.

f-> ¿емн с гну ¡усччен перех-гнний >!;:н огр.мнче'мчх in ч.'рн-.кчры н ли.и- ¡'.on. ¡..

" oi'.^AiVi !i■ ечтод нар.шоркчсснои и.чомтф.п !»>:i>n •■¡■■.

и-.;"<ны.\ e.xtfuuux. моделей оакк " П i Оез и с учетом влияния силовых пеней на измерительные цепи, позволяющий ни п«1в«" этан? опре.т^птг. -iihcKi-uo кил ,;., .. ¡.■осп! и иЛХ ^кимиле.мпия нечинеиных сопришичений \чме¡юи цс-ис "> ¡о ¡у. .

\ ¿¡¡¡иг^дмших ни piic.i.o, л ни в юром - выделить из эквивалентных ВЛХ параметры и характеристики -щементов, входящих п нее (рис. З.О.в).

Отмечено, '¡го измеряемые иаиряжениа Ue{i) отличаются от cooiBeicmyio-- фа-чык г.!.»: за сче| шиуцщл-'чыч флжыми ¡оками /40 н<и:

;кений н измерительных нр.чючнпг.и Тогда уравнение (3) примет внд: <'•,.!/) 'il 1 tHi(i) '//.(/)

где Мф Л/э; f- 2, 3, 1,7=3, I," 2 - коэффициенты взаимной индукции между фазами печи и измерительными проводниками.

Рис. 3. Идентифицируемая эквивалентная схемная модель (а) и схемы замещения участка 'электрод-под" для бесшлаковых (б) и шлаковых процессов (в)

Вводи обозначения эквивалентных индуктивностей в фазцх с учетом измерительных цепей и эквивалентных взаимных индуктивностей с измерительными цепями Л/^ и ; титывая, что в трехфазных печах с непроьо-дяшей г;один011 сумма фазных токов равна нулю, запишем уравнения (7) в виде:

Vtn-l di*°K У г i*(tu i dW + „>'Jlf®

(8)

Выражая вектор гармонических составляющих напряжения на нелинейном сопротивлении через вектор неизвестных параметров н матрицу, образованную из векторов гармонических составляющих производных и степенных функций тока, представим уравнение (8) в виде:

¡Л' Ч

19)

Системе, линейных алгебраических уравнений (9) ¡шест единственное решение относительно (ш+2) неизвестных параметров цепи. Каждая гармоническая составляющая сигналов вносит а систему по два уравнения для косннусаидзльиой и синусоидальной составляющих.

Для определении индуктивностей фаз при известных параметрах ЙАХ предложено исподьзоийгь межфазные напряжения i/i2(<(, U:j(i), которые измеряются без сущестзенныд погрешностей. Уравнении цепи о п> оси гелию межфазных иа-прм^еннП а иси'орной форме пметэт вид:

ijf1 '"i;:£ , А; ;

■V : dir Ч'-VMj'

l'-jJ

l/te //- iiiärrпры трманнчссми cr.ar.g;производных токоа; Va,Qn -eeucpu меа-фа-знт;.'. ¡¡шфкмжнЬ, V. - iisui<>j:ii й;дения напрзкеиия на эквивз-juiimux деликбйрых еонротиг'дгапн*.

О :

В тучю, когаа нпадтифига««»*-этяявзлеитгй схемно^мслкш в?де!гя по измеруриям Ж'я:фа)ны\ нанрялений Ь'^О), 1/^(1), система уравнении «ппоииельно ;!!!пл;пуд 1'йрмонкч«скихсоставляющих представляется в виде: А-V, (10)

где: М' -

/,' /,' ... -П ... -/," <> 0 ... 0

о о ... о гг ... /;* -/,' -/1 ...

........... ¿г,г„.....ъ.Ц.Гп.....г,„]Г; =

! ■

Пели система (¡0) имеег число ураятт^ггиг?, равнее числу нензкесгнцх параметров 3(/и+1) н матрица ее коэффициентов невырождта(гол£ М = М>п-г))), то она имеет решецце относительно вектора неизвестных параметров и при том единственное. Для этого необходимы измерения не менее 3(т+1)/4 гармонических составляющих сигналов межфазных напряжений, производных токов и степенных функций токов. Показано, что необходимым условием идентифицируемости трехфазной цепи в этом случае является наличие в рабочих токах, как минимум, дау* гармонических соетавлзюптчх Отмечено, что при измерении межфазных напряж ений метод свободен от нелосзатксв, связанных с в томной индуктивностью спло-.эых п измерительных непей, а также недоступностью для измерения нейтральной «очки печи. Однако размерность системы (10) л этом случае з три раза выше по ерчьнгпто с размерностью системы (9).

Метод раз»:«; ¡: для ндсизифнкашш схемных мод.лен шестизпекзроднмх трехфазных РТП с прямоугольной зшшой, когда ток кяждой фазы протекает но •.!<-л«1 дяух последовательно »ключеннш электродов.

Предложена Методика, позволяющая на втором этапе идентификации на оен«ге хусочно-диисйиой мтромммздш ПАХ эгвг.вхищгпого нелинейною ак-«'»противления, косгро&шо^ го известном козффнц.гснгсм гтшгшюю ряда, и априорной информации об особенностях ВАХ закрытой электрической дуги определить параметры схем замещении "электрод-под4 (рнс. 3,6,-). В качестве априорной информации используют» <чя?.иу«рар;е предположен! ") 1ин-.р:,кенпс •к :.>тс после ее зй'Анггиия не з,1««>с«- о; тока и чвияется поыоьпъмм; -'■) возникло-се» не '«»а дуг; (коааииименде ду! м) происходит при достижении мяяряаягнем :Ч1;-.уюз'.-м промежу п;суровня начраженн:; мжнглння.

."■<' • дч-:т £п*м«х»:ост*. ччд«х;п. ¡а ^к-наалитюй оАХ величннь! шунш-р>Ю1Щ!0 и посясдосвтсльного И„ сопротивлении на основании определенил

«'{/,, (О

производных —-— ь точках /--0 и /'--/„„ с использованием коэффициентов раз-<И

/¡ол.сиил г,... ,гт , что геометрически можно интерпретировать как проведение каст е.'.ьпых к ВЛХ, Для случая немонотонных ВАХ разработана методика определения параметров схем замещения при аппроксимации ВАХ двумя прямыми по меюду наименьших квадраюв, что позволяет повысить достоверность результатов. Выбор типа схемной модели (рнс.З, б или рис.3, в) осуществляется на основании априорной информации о величине напряжения дуги. Метод апробирован нк инькнмх дуговых установках переменного тока с известными параметрами схем-нон модели в АО "ВНИИЭТО" (г. Москва) и АООТ "НИИГИПРОХИМ г. С-11сн:р6ург". Ошибка определения параметров не превышает (■%.

Для ряда типовых промышленных процессов рудной электротермии, в спектре напряжении и рабочих токов которых : поме основной гармоники преобладать третья и пятая гармоники получены простые расчетные соотношения (табл. I). позволяющие с достаточной для инженерных расчетов степенью точности определять параметры нелинейной схемной модели в аналитическом виде.

Таблица 1

¡'нечетные соотношения для определения параметров типовых схем замещения

Пара Номера измеряемых гармоник фазного напряжения и рабочею тока

метры Цо Уч ичо Л Цф Л

Iм, 3 « Iм 1м, 3я, 5я 1ДЯ Iм, 3я

С В5 С- а в в: IIй - ч

2 / / 1

к Я е о X к 2 ч

о 2; сз ^ 4 К ¡Ж

п а я (—« « Сч Яп IIй - I* I1' 'ч 'ч

С £ 3 « 4 К 1'+к

Н х я с; я Яш 121/$- 20 и% 'ч <1

О 4 к 4 + 3/*

. . В четвертом ¡иэ.теда-тлег^ется но,".*од увтеч'ФрнгЯ" тг.тфгл-Г' м;'ци:1, по!вол"!ощнй е!ле на предварительном згапе сгр\хтурп¡ацин чад^и ХМ!; :,ц:зга:;;илреднси 1'ГП отразить особенности взаимодействия ириэлсктродных в ванне печи и получить модели с идетифидируемой виуфеиис:"! переменны« (и,-ниженний топологической и параметрической сложности.

Геометрическая епшотрия РТП, гсстояшая в инпариаишопи формы ванн, от-югкгельио конечного числа операции погоротог, отражений и их ко-'л<м«и!:> позволяет еще на начальном этапе моделирования создавать блочные структуры моделей ХМП отряжчичпч* «.^«•""-г" Г2 »

ис к1»нкпр-гной печи, *.* "Г'^уссмкссть ЗТН.

В соответствии с принятой во втором разделе формализацией блочную структуру детерминированной части модели ТСВ предложено представлять в виде:

х!(к +1)

Ф„(ауФ|,(5);

Ф2,(й>

Фгл(й)Фю(а)

ГГ.К/ТГр!«)' 'Гц (й) Г, ]

Щ

X

■ V1Л

о ! 0 0 "

0 0 0 »"(А)

! X

0 0 0

а .1 : ! п и ■ -(

ПЧ

'-'(к);

Г,,(•/>,СвД«;| ;С0(\т(и) (7,,['х)IО, ,(а)[ \<7, к, (<х!;'»,»{«)

га

I.?"<*)!

а1;(й);(Я,.(а): ¡^.(¿н; (й)] ¡Д/о!

4Щ)«(*)......л:(ал -v,5(л),Х-(к).....Х-к),.. -,(/;),X?(а-),.».х"(к),

х°{к),х°г(к).....-^('01 - включает группы компонент, описывающих состояния РЧ

:» подины. Компоненты векторри и(к), и ГСу>> сгпугтпирлцлнч ян^'т'ч

1"РУ ,\{к). Блоки ф,,;«)нри I--!.....N. Ф,( ) при I ~ а также «1>0.,(«), Ч'м.С«) и

0-1.....Л0 - формируют соотпетственИО структуры моделей состоонип РЧ.

взаимного влияния рабочих зон. подины, влияния РЧ на подину н подины на РЧ.

Па основе теорпш.о-трулиовон трикюа«и сйойсш симметрии установлено, что группа симметрии М-члскфодной РТП является лод1руппой группы симметрии правильного Ы-уго.тьн ¡-а. Отмечено, что из регулярности блочных мафии модели (II) уже годует тот или иной тип симметрии н нет необходимое»!

применять формальную,,;едуру построения группы, например, «вря ее га&лкцу умножения. При этом дчя каждой последующей подгруппы достаточно проверить условия симметрии и, если они выполняются, мох.но окончательно выбрать труппу симметрии. Установлено, что симметрия блочных моделей ХМП относится к типу поворотной либо перестановочной симметрии.

Модель, имеющая группу симметрии, декомпозируется к канонической блочно-диагональной форме. Причем при геометрическом подходе декомпозиция, в отличие от общей диагонализацин, является операцией аналитической, а не численной, хотя математическая природа подмоделей в том и другом случае одинакова. Сборка декомпозирующей матрицы А/ для трехдиагональных матриц, симметричных относительно группы перестановок , осуществляется на основе стандартной процедуры. Декомпозирующая матрица позволяет перейти в модели (11) к каноническим переменным, имеющими смысл усредненного и относительного движений:

х*(А) = МЩ), й♦(*) = Ми(к), . '(к)-- Ш(к), у*(к) = Му(к),

В канонических переменных модель (11) примет следующий вид: »(к +1) = Ф(а«)\- *{к) + Н(а}и ;

¡*(к) = С(а*)х*(к) ! (¡2)

у*(к)=-в(и*)х*(к),

где: Ф(й<) - А/ 'Ф(а).\Г, /7(5*) = ЛГ7/(,У), С(й*)^С(й).и,В(а*) = Г,(2)М. Вектор параметров а* представляет собой функциональное преобразован!!; вектора а, т.е. декомпозиция приводит к переиарамегризашш исходно!! модели (II).

Процедура декомпозиции хорошо алгоригмнзустся п требует минимальной дополнительной информации. В частности, дгтя группы симметрии С,у унитарная декомпозирующая матрица совпадает с таблицей характеров этой труппы с точностью до коэффициентов нормировки, что и определяет сравнительную простоту ее нахождения. Группы симметрии, матрицы декомпозирующих преобразований А/ и канонические формы матриц Ф(а) для типовых форм ванн приведены в табл. •2.

Показано, что при однотипном ьлиишш между РЗ в печах с неподвижной ванной для полного описания модели ХМП в канонических переменных достаточно всего двух подмоделей:

Г (к т 1) (Ф,(а) ) (Ы - I >Ф,(а) |

- 1>5(а) )

з П

Ф4(«)

Мк) т/3 Н,(«°) о; (к)

+ X

х°(к) . Н°(а) 0°(к)

Г(кИ) = (<И.(,|)-Ф, (3))х ( к) + н, и - (!I:!.

Гуут'-ь: ^¡¿¡ль-'Г-)):"!«; , ¡.¡фиш,! д;^мП13"и;1у;:ч;ч<\' чрсабрл 1и'1,и;1!Н ¡1 блочно-/)!';:! I-Н'ЛДий ¡1; СТр'-.Л МЦ'р'ДЦ СОС!»-''.ННИ ;ЬТЯ ЧИОиМ ¡4 •».:.'И Н Р ! 1 I

>(;.'!■ >Г>*<;. мн. п.',ч -.н; ■ ) \ :■ ¿^к'Чл): ¡С"(А) имею! («м; |

переменных соответственно усреяч"ннг>го и относительного сосюяииа.

Эффективноегь декомиозшши г?м в»пне, »<>м йолмче элеыродоч г>иг)>4.)|> ва.пт и чем ниже порядок уравнении несимметричной части (подины) порядка уравнений для отдельных РЗ, а ее применимость определяется тем, насколько грубой является модель к изменению ее параметров, ^аручтюших гиммг/рню.

Парамстрцзациа моделей ((2) осуществляется по схеме "от внутренних переменных к структуре причинно-следственных связей" н связана с решением взаимосвязанных задач: выбора и физической интерпретации внутренних переменных модели; выявления причинно-следственных отношении между ними к входо-аыходными переменными; описания этих отношений в функциональной форме и выбора структур моделей ХМП пониженной сложности, удовлетворяющих условию структурной идентифицируемости.

В основу формирования вектора ТСВ положена идея о зонном расположении материалов в призлектродном пространстве и предположение, что ТСВ для рассматриваемого класса РВП полностью описывается двумя пространственными функциями и цилиндрической системе координат: полем проводимости и полем температур. В результате конечнопараметрнческой аппроксимации этик полей определяются компоненты вектора ТСВ и проводится параметризация модели ХМП, коэффициенты которой находятся в результате обработки "зходо-вы-ходных" данных. На рис.4 в качестве примера приведены зонная структура пр«-элекгродного пространства ванны при выплавке ферросилиция (ФС45) и Соответствующая ей аппроксимации поля проводимости. Поскольку каждой пере^еяиой ТСВ заранее приписан вполне определенный физический смысп, то из теоретических представлений о закономерностях , протекикэдих в ванне ХМП, и оцыта эксплуатации РТП еще ца этапе предварительною моделирования можно вымести определенные качественные суждения о предполагаемых значениях коэффициенте» модели ХМП. Эти суждения выражаются: в приравнивании тех или других коэффициентов модели нулю; в приписывании некоторым коэффициентам определенных ненулевых значений; в задании знака ряда коэффициентов; в задании области допустимых значений коэффициентов, подлежащих идентификации.

Формирование вектора косвенных показателей осуществляется из условия обеспечений топологической наблюдаемости модели ХМП. Из эквивалентности исходной модели (11) совокупности подмодулей (12) следует, что необходимым и достаточным условием наблюдаемости модели (¡1) Язлуцатс* соответственно наблюдаемость каждой из подмоделей (12). Похмано также, что |Шйд»*шемостк а классическом смысле по j'(o относительно Щ явадегся достаточным условием наблюдаемости относительно .(AJ. Предложены методика выбора структур на-бл;о/¡¿¡емых моделей ХМП псииксниоП юпологичсской сложности и соответствующий плкез прикладных протрамм. ротированный на ЖМ-соЬместнмых П >»М. Ь оснеу.е .¡еч:ит нредетш.1гггцч\ структуры модели XМП в форме

подина

подина ----

Рис. 4. Расположение материалов по высоте ванны в приэлектродном пространстве РТП при выплавке ферросилиция (ФС45) (а) и соответствукчтя ап прокснмация поля проводимости структуры (б).

Э - электрод; ЭД - тлектрододгрАатель; ЗТШ - зона (ясрдой шиягы; !'3 - ре.гмш-снная зона (тигель); ЗМ - зона металла; р, - нронодимоаь тоны подогретой ших-т!л; р1 - проводимость зоны химико-металлургических превращении (тигля): -привидимость тела электрода; рл - проводимость зоны металла; л( - солер-к.шне углерода в рабочей тоне; л> - -положение РЗ (шг.чя) но еисотс ванны; Л| - полозе-кие рабочего конца электрода относительно подины; л< - обьем РЗ (тшля): д.> -уровень металла;

орнсмшроэаниого ф&фа, вершинам и ребрам которого приписаны некоторые качественные нли количественные характеристики. Методика позволяет определи Iь топологическую наблюдаемость заданной внутренней переменной по переменным, которые от нее зависят, построить подграфы, определяющие возможные структуры моделей, и вычислить общую меру сложности каждого выделенного подграфа. Построение указанных подграфов осуществляется путем движения по ребрам из заданной вершины с вхлючеиием вершин, обратно достижиммх из вновь включенных вершин. Построение ведется до тех пор, пока в полученном подграфе в се истоки и стоки станут измеряемыми. Если поставленное условие не выполняется, то заданная переменная топологически не может быть наблюдаема по измеренным, значениям зависящих от нее переменных. Решение На данном этапе Может быть не единственным, так как из одной вершины может исходить несколько ребер !■ двигаться можно по любому из них. Для каждого допустимого варианта определится мера сложности. После завершения перебора вариантов проводится упорядочение построенных подграфов по мере с "»ясности.

Для обеспечения наблюдаемости моделей ХМП ряда типовых РВП помимо косвенных показателей, измеряемых штатными приборами (температура и давление под сводом, содержание СО в печном газе, его расход и др.), предложен ряд новых, таких как: максимальная температура в точках, лежащих на проекции оси электрода на стенку ванны для текущего контроля положения РЗ; активные сопротивления схемной модели, характеризующие положение рабочего конца электрода, избытка-недостатка углерода в РЗ; степень зашумленности огибающей рабочего гока электрода, отражающая избыток-недостаток углерода в РЗ; изменение проводимости по высоте технологической емкости, накапливающей фосфор; линейная скорость схода шихты и ее расход с начала цикла плавки, несущие Информацию об интенсивности РВП в РЗ н уровне расплава в печи-и др. Часть из предложенных способов и устройств текущего контроля косвенных показателей защищено авторскими свидетельствами на изобретение. Вместе с тем не удалось найти достаточно информативных и надежно измеряемых косвенных показателей объема РЗ, введенного в вектор ТСВ с целью отразить инерционность ХМП при описании энергоемки,; РВП. Хотя, как отмечено в работе, для целен управления нег необходимости знагь численное значение объема РЗ. •

В результате формализации априорной информации получены возможные варианты структур моделей ХМП с топологически наблюдаемыми внутренними перемет,.,ымн при выплавке ферросилиции и получения фосфора в трехэлехтрод-«ых печах с круглой ванной, выплавки ¿иликочаргзнча в шссгпзлсхтрс-дноИ пгчи с

чрянпугол! liOÜ ¡mruvl SO тор i '5 ¡ÍOJVWO СОГДаСуюГСя i. рсзуяьтэтамн эхспсрщтг. опроса гляяслястоё* но pajpaóci-'imiui процедуре, о< ния.мной на :••■■.

ii¡c методике параметризации.

Предложен« четодикя н глг>»»етстую:нее нр-.» .»аммнас опгспе'к-ьио. ni»»-»-дчющее на заключительном чтане формирования структуры вьн',р<пь ipi;i-; ;.:о:кнцл вариантов топологически мабчгоагчьг: ма'л-г.с^ \ч;>1 с

ф:.жируемой знугреннен переменной поиил-синой сло'-кн лчи. В отову ме; fin'-: > лол-.'же,! KpiUtjji;» Cipyxiypmm идентифицируемости детерминированной моде::» с внутренней переменной при iu, wwH-newwswra::?. iv..»

7:4„w- HMf.Hxu/nM^VfPycMCCiii члчвстичсскои модели вида (5). Отмечено,

-.то только при формировании модели XMÍI при получении фосфор л в случае, когда РЗ пересекаются, а шлак непрерывно сливается и когда г. .(естся возможности прямого измерения производительности печи, удается обеспечить cipyKiyp-ную идентифицируемость модели. Дня структурной идентифицируемости моделей ХМП всех других, рассматриваемых в диссертации, РВП требуется априори задль один или даа коэффициента. Так на рис.5, приведена структурч детсрмш.нроь««-:¡cií части nífispsí'-^in.-oo.jüuii МГ.ДГП-: МЧ-'Л :¡¡vi ¡--!-:i¡ ¡,.f Cn;>'"'í'iuHii:.:" т;:."1.

¡1 -..py, ю;, "чн;:;-'' r;r¡: -.: ; íio;:i; í-.xí'«! ■ ¡.-.'.с рипг-аи;-- :■: ■

: ■:',>M:ii¡pye.\:''. v;¡ > o joro-: • :'¡;¡v. >•■:;■•.ул .-.r.,¡,, | l»¡,..¡.-,n ( i ,.*...'•

';.■'„ :¡r::;i!!-HHi'i ",pv ,..¡. s y!,;;;. •; < - - - 'i: il-j . К '-. - ,

<•■ ■■!• .p;r-.;:v л. о. л i : "53!■; с 'i с i tío ¡: -■-."!;•■-':">!M ;> д .<; o-.; <"'.-'.>";'. ■.. "... ■, .

i i i1 я e oi'.'tj.üíí пик--i ¡;pz¿; ... ;'C4¡:i.!¡; '. ¡г-л ¡. !<';.': ta

ai-'.-y \¡-'-1"::k¡- П": ■->=:•:!>'isvun'., Tí'KyjjhÍ! KOii.'jv.ib ал

».•¿'•ой ч< '"ií.'-ci п-.¡."ч'т.-.гм jíi ,:y¡ j Кл^фицкшг а» ушчияется после окончания каждого цикла плавки.

Oi -.е..•:;'■!'.), что м< !.»•.(.,i.,j:i..r.v ■-сиос?'. г-: у: XЧ í; ? :;: ,;■::<•. чр- •■ = ■В ааШ183ТЛёл§ исследую гея методы решения задач идентификации и синтезируется приближенная pr'.- ',¡);'.'.гл)!.::;; ■•р-.ч üiüüióeuíi .инорнтм совместно!« п..» ннвян»« »••рт*г—.-'< .[ >44 tu,,«-;.» «, .*„. -чек 4.V.11 ь р.аль,:ом .¡.с-че.чн.

Н--К u¡!i]'!. ч1о пг-нме?'!;:cj;• по >: Г''! ¡Í, ¡.••..••■оррае в саое.м большнетве являются ЬШ«пионерными объекта?«;, VT--.fr- V,¡'!»í';'íf;.;'J,!i,iMU И >4ь$»1.кГ(|»11'.!МН ЯГЛЙ101-сч ц.'Н'ортмы coBMeci'irsro ¡ш^ма;^;;. ичра.'-ч j;юч ч снсгояния чодстц иаосна«« »••ivjffs ¿>бо1нималь.чон нетшейной фнльтр.чцич (Э.П. Сейдж, Дж.Л. Мелса, К.Т. Jk-оплес и др.), обгенетиидкчцие учогжпвирм 'ельну:^ чичност t /сюйчнг.осгь

Уравнений TCi)

у; W y,'(kl-У3'(к) i'i(k) yUk)

Уб(к)

УГ(к) Уг(к)

у! (к)

У/(к)

Vi (к)

Ш-

У1 (к) У/(к) у/(к) У?<Ю У'(к) J*<k)

у! (к)

У°(к) Уз (к)

Рис.

г/(кН) xJikHJ x/lM) xJik+JJ ! o, CS, Oj a, щ С5П, x/ik) хг'(Ю xj(k) Xt'(k) I a. Ul'pi) tjJ(k) u,'ik)

xflUI) x^lM) xj(k+l) xilk+1) 1 СЦ aa Oi a, a5 UÜCо X x;(kj -VrVfc.l xf(k) + -1 1 X u,-(kj иЦк/ Ulß> u/(k)

x'(k+I) x'tk+I) 1 a, Oi Oi xf(k) x/ik) -1 икЮ u/iV

i.'WI xftk+1) «i Us a^av X,'CK) xt(k) 1 et if(k)

x"(k+l) I 1 x'C«i -1

Уравнение наблюдения.

-«АкДц

OcOo OWOiS «H «15 ак

Щч 1 au

Оа

<*з Ks»

-djaiodn

Он lies ИсОц Она« а*

aa

1

На et

о n «а

OrfQts CtwCMs aaCMj Oft

а,? Cilt

1

ал "J

<ks Oto <Ъ

<kt

ar a-

■Т/ -

х,'<к)

xJlk) xJtk)

xl(k)

xf(k) х/(к) xj (к) xUkl

x/ik) х/(к) lidÜ.

Ак)

избыток-недостаток ymcpona в РЗ, [i]; хi -' положение электрода, [и]; х3 - положение РЗ, [м]; х4' - интенсивность Р1Ш в РЗ, [т/ч]; х" - масса сплава на подине [i], и/ -избыток-недостаток углерода в шихте, |н; и] * скорость перемещения электрода, [м/ч], и{ - активная мощность, выделяемая в дуге, [NIjt]; и" - окороегь выпуска сплава, [т/ч]; у, • после, .овзгелыюг атштное сопротивление "электрод-под", сглаженное за время памяти гидропривода метфододержятечя, [нОм]; yj - температура под сводом, ¡"С); у! - давление по сводом, [kic/m'I; у4' - максимальная температура но высоте стенки ванны f1 электрода, [mJ; уз - линейная скорость схода типы в РЗ, [и/ч]; yj - активное сопротивление шихты, сглаженное за время памяти по каналу "углерод в шихте - углерод в И", [мОм); у/ - содержание СО в печном газе Г'»]; у/ - расход шихты с начала цикла плэк-ки, [т]; у' • расход газа с начала цикла плавки, [v.'l; 1=1,2,1

5 Структура детерминированной части репараметризованной модели ХМП при выплавке ферросилиция в трехэдекродиой РТП с круглой ванной

оценивания. Однако они требуют значительных вычислительных ресурсов (расширенный фильтр Калмана (1'ФК), метод инвариантного потружения ¡5 т.п.), что делает актуальной разработку приближенных алгоритмов, обладающие более высокими вычислительными характеристиками. Кроме тою, в отличие от традиционной постановки задачи, а данном случае размерность вектора-наблюдений превышает размерность вектора состоянии.

Предлагаемый приближенный рскуррепгпый миогошатовыи алгоритм совместного оценивания осеоман на представлении исходной модели (5) п виде п не-

-л-------- ---------- - -

линейны* йр.^'ккч. каждая ил которых зхвиваленпт исходной иустеме относительно векторов управления гЦк) и Наблюдения ]УАг +!):

(4«'<■•••" (14)

Я^О-г'^'^ + О^+ф^Ч^+О. 05)

где л'«) (./{"••»•!•-. . расширенный вектор состояния / и подсистемы, который формируется из элементов вектора внутренних переменных исходной модели (5> и члрнорп нпедедшл зломеню» й строк матриц Ф(к) л П(к). а так»« »-* ст<\л6г;т

Каждая из л нелинейных подсистем (14), (15) аппроксимирует исходную систему (5) на к-м шаге изменения. Следовательно, используя наблюдения на А-м'ша-ге, можно за п вычислительных подшагов отдельно для каждой из п подсистем (4) -(5) оценить расширенный в тор состояния ?'(Л), применив одну из известных процедур нелинейной фильтрации. При этом после каждого /'-го подшага получившиеся .оценки параметров шдяъттюся вместо прс-чннх, а а качестве оценок переменных состояния беру гея опенки, полученные' на последнем подмагс.

Предложен мноичннгояый алсориш нелинейной фильтрации, в основу ко-ътого почоже>; Р-РК;

!. Одношаговое предсказан«.:

о'!

2, Апрнорнач ковариационная матрица ошибок оценивания

Г (к >! / к) {у-урЧк /л-)(р')'' + р;,

3. Апостериорная »оааршциошм* матрица ошибок оценивания .

Р'(к+1 /к+1) = р''(к +1/к)- +1 / к Мг'у т V

*{</)*^I+ К,]Н/А),

•5. уенляпи! фильтра

К'(к +!) ?'(к + \1 к г\)!/УгУ.' ,

5. Ураанснне фияьтпзцш.

- * г" 1

х7лг- ;/,<:■ !)--- V'ЧШ . .V'-;ДА - Д-; '| .£'(/; н ЦО,Лл>.

и. Начальные условия: . ?'(п;о>.

. ! ( , ').-•! .с-(<■ или,А- м | - '-—=-=; ---х'(к/к) - опенка расын-

решгого есчл»?а глстоян;:« подсистемы нк А-:-: шаге шмгренпя; Г4' - дополнен ная нулями д»> необходимой ковириациоыюя патрица »пуггоа.

(1Г.) (¡7)

(19)

)'}•■) у

-230 <упюи;и!о блочных разбиений матриц из многошагового алгоритма (16) -(.!(>) ом.и« получена эквивалента* даухэтанная вычислительная процедура, В этой нрчцс,.)ре обработка каждого измерения производится в два этапа, на первом из югорых за п вычислительных подшагоз идентифицируются все неизвестные пара-мефм и вычисляются все ковариационные матрицы, а на втором однократно оце-иинаекя вектор состояния системы. Это позволяет повысить вычислительные ха-ракирнстикн аш оритма за счет того, что часть операций с блочными матрицами и лекторами оказывается выполненной аналитически. Информацию об областях до-луешмых значений оцениваемых параметров можно учесть, воспользовавшись соотношениями, полученными на основе априорных данных:

[/>,, если \'(к) й Ь/,

А-;(*:)= д-;а-). ес.та)<х1(к)<Ь/, (21)

["). если х'( к) < аг

где л'(л) - оценка/-го элемента общего ^-мерного вектора идентифицируемых па-

рамегров Л', об истинном значении которого известно, что оно принадлежит ком-

ч

пактпому подмножеству [а. Л] евклидоы пространства Л ,

Основные свойства и вычислительные характеристики предложенного алгоритма исследованы путем сравнительного имитационного моделиррвания. Качеств» оценивания параметров и состояния, достигаемое с помощью многошагового алгоритма, практически не уступает качеству оценивания базового метода РФК. [(оказано, что вычислительная эффективность многошагового алгоритма по сравнению с базовым методом РФК с ростом размерностей значительно возрастает, д ч гпгая 5,5-6 раз по объему требуемой памяти и.14-18 раз по быстродействию при /г-10. Использование двухзтапной процедуры целесообразно при п>5. Возможное!!! разработанных алгоритмов совместно с расщеплением модели ХМП суще-ез иенно снижают требования к вычислительным ресурсам РСКУ,

В ¡пестом разделе рассматриваются особенности организации и планирования экспериментов на промышленных РТП, и приводятся результаты идентификации расщепленных моделей ХМП ятя ряда РВП,

На основе принципа декомпозиции предложена, апробирована к реализована на практике методика раздельного планирования активного динамического эксперимента, на многоэлектродных РТП, позволяющая проводить эксперимент для выяснения усредненного и относительного изменений состояний при априорном планировании по двум независимым планам, что существенно сокращает парно;, тестирующих псевдослучайных двоичных сигналов, поскольку в ходе каждо-

го ifj экспериментов нечаяненмо ¡«меняется в соответствии е пчнчом в Л' ра! меньшее число входных воздсйстиН, гдеЬ" - число электродов.

Экспериментальные последов,тшт проводились на печах различного ком-струкгнвного Исполнения и техйологичеевд! о назначения: « при проведении бесшлягговмх процессов:

* в ¡рехтлекгродных печах с круглой неподвижной ванной и периодическим ¡дивом расплава при выплавке ферросилиция (в печи типа РКЗ-16,5 Ермаковското чаг.гдз фгрроспдавов) ц ферросшшкохрома (о мечи тмпч t'K-M} Челя^иисог» злск1р0.\>с1аллургич<хк0|« комбината (ЧЭМК));

* в трехэлсктродной печи с поворотной ванной типа OKR-955H (ЛК "ВЛИАДИЙ-ТУЛАЧЕРМЕТ", г. Тула) при выплавке в блок карбида хрома;

» при проведении шлаковых процессов:

* в шестиэлектродной печи с прямоугольной ванной и периодическим сливом расплава типа РПЗ-48 Никопольского завода ферросплавов при выпппвке сили-комарганца (СМ 17);

-J в трехэлек (родной печи с круглой неподвижной ванной и непрерывным слитом расплава тина РКЧ-ЗОФ ДНО "НОДФОС (г. Джамбул) при получении фосфору. Иденшфнкацня нелинейных схемных моделей рассматриваемого класса печей показывает достаточно хорошую сопоставимость результатов, пол}ч.-ниых м» основе разработанного метода и ряда существующих меюдик. В частное in, расхо жденне с методикой ЧЭМК я оценивании процентного ожошении активной мощности, выделяемой в шихте, к общей активной мошнос i и, выделяемой и РЧ, не превышает 15%, а е оценивании процентного отношения суммарной мощности в шихте и расплаве составляет 1-10% (в отдельных случаях до 26'/ При оценивании активною сопротивления шихты расхождение в больишнпве случаев составляет 0,5-¡5%, а в отдельных достигает 45-5V4 различие а результатах оценивания нара-метров схемной модели обусловлено возможностями самих методик идентификации, и чем беднее спектры тока и напряжения, тем меньше расхождения в оценках рчраметрбя. О.'ччмо rro с тс-,:, пт-т мсподъ« ЧЭ'ЛК от лопана на выделении лишь перлой гармоники тока и |рет>.ей i Г'Р»1.:„шки иипряч<ения.

Результаты экспериментальной ипеитифчкьции модели ХМП яоказытжот достаточно хорошую conociaaiiM^ci!. ги-чучгикы* опенок со сгеуш-чьно opi гмео-¡загшшш прямыми измерениями нну|р*ни*к переменных (погрешность не превы-- шает 20-25%). Перекос параметров блочной модели ХМП составляет не более 20%, , что позволяет рекомендовать представ цен не моделей в блочне-диагонадьноп форме дпя рассматриваемого класса РТП. Повышение точности оценивания требует

разрабопси специализированных средств синхронной регистрации и предвари-телыюй обработки разномасштабных по скорости изменения сигналов, а также продолжения поисков более информативных косвенных показателей ТСВ.

В Ш1формулируется принцип синхронизации энерготехнологического состояния РТП н решается задача синтеза СМР рабочих токов в трехфазной РТП с непроводящей подиной.

Показано, что решение задачи синхронизации (перевода РТП в симметричный режим работы с последующей компенсацией всяких отклонений от этого режима) на основе стандартной методики аналитического конструирования регулятора приводит к закону управления со смещением, зависящим от заданного симметричного режима и не учитывает, что в задаче синхронизации вектор конечного состояния имеет не произвольный, а специальный вид. Поэтому в диссертации принят подход к синтезу синхронизирующей многосвязной автоматической системы регулирования (МАСР), основанный на выделении в объекте управления переменных, изменение которых характеризует процесс синхронизации.

Установлено, что в МАСР с группами симметрии Cv и. Dy разбаланс каналов характеризуют относительные движения. Очевидно, что для любого /, где I -число каналов управления, при симметричном режиме выполняются условия : Vi: liinx, (<)=-*,('<). Vi: lim xjf {<} = 0 ,

где jr0(ik ),Xj (l) - соответственно усредненное И относительное движения; ¡„ -

индекс относительного движения.

Решена задача синхронизации рабочих токов трехфазной РТП с учетом -взаимного влияния фаз. Разработан СМР, в котором сочетаются принцип Поканаль-ной компенсации относительных движений и регулирование по отклонению, что позволяет регулятору одновременно отрабатывать уставки рабочих токов и обеспечивать их выравнивание по фазам.

Групповая Трактовка свойств взаимного влияния фаз РТП позволяет применить методы декомпозиции для решения задачи синтеза МАСР рабочих токов, Не выходя за рамки классических методов теории управления. Ö Ыетсетствии t прнципом управления по отклонению уравнен;;?! МАСР имеют вид:

¿0>) = *WMM]' . (22)

где : /, /,, I: - вектора изображений но Лапласу текущих, заданных значении токов фаз и перемещений электродов; К(р) - матричная передаточная функция регулято-

R» Íí 4,J - 1Д.;;.; H'„{/>} - nq.t^iü1:::;,:; ф VMKUM. Cíisi.А.Ы flí ¡.'-МсщетЗЯ JJKKIpO«.

o:,os.: ü н-.ч.-пано, r-.s г,'!!;;1!!:!': .■{ >''.•..: г;-,.. к _!:.-.:;,:t:¡p¡;4Hüii oi-

Kociuer.uio циклической грузин i ц..:хыпо порядка Cj u peiui.Hn« млн'Ш uma-w целесообразно искать в классе регуляюрон с симмегриен. MACi' зокоь мижсз быть декомпозирована:

'¡(Р\-МЧ(Р)

i i i

м

.у/ з

где: е = е 1 =0,5+i-~-оператор сдвига фаз.

Преобразования (23) хорошо известим как схемы выделения в трехфазных цепях токов нулевой, прямой и обратной последовательностей фаз и справедливы как в случае, когда под переменными Í,(p)j = lXi понимают изображения действующих значении фазных токов, изменяющихся во времени, так и в случае, когда указанные переменные соозаезсхвутоз изображениям mi нпненник значений фанн.н токов. Последний случай предъявляет бочтшй шмерсс с точки зрения онер.нио-ностн управления, поскольку для РТП с непроводящей подиной значение тока ну левой последонателоностн фаз рдвно нулю и принцип синхронизации рабочих ю-коп заключается в комоенсацнм токов прямой и образной последоягпелмюст фаз: Um, „ /,(()--!!, lirr., „ /,(i)-0, li^e. - время peí улиронания.

Предполагается, что матрица удовлетворяет условию коммутации:

S(q)X{p)->-K{p)S{q), где: S{q) - матрииа, знающая приводимые нредсывлення группы с", и соответсгвенно имеет структуру:

*:(,)=

Цг) Ш Ш Ш Цр) ш Ш Ш Ф)

А/

Ш О о о ш о о о

кг

Структурная схема синхронизирующей МДСР приведена на рис.о.

Wn,(J)

»rnW

А

•г "з »j . *i »2 ■s *3 4

ОбьвкТ управления

н'

Q-i

Kfll —-ffi

^ Рбгупятор^ ^ _ ^

Рис. 6. Структурная схема синхронизирующей МАСР рабочих токов В канонических переменных МАСР «квивалентна совокупности подсистем:

Чр)=Ш+Ш+ШХЬ (яНМ]

(24)

Чр)~Щр)

Чр) =

з/З / \ а, - 0,5д2 - 0.5й3 + ¡'—(а2 - «з)

Щ = Щг)

S,

щ - 0.5П2 - 0.5^3 - (—(о2 - я3)

Чр)-

(25)

(26)

Подсистема (24) вещественная одномерная, а подсистемы (25), (26) невещественные, взаимно комплексно-сопряжённые. Декомпозиция даёт возможность оценить устойчивость МАСР, исследуя на устойчивость системы (24 - 26) каждую а отд льности, поскольку свойство устойчивости не зависит от смены базиса. Теоремы об устойчивости подсистем (25, 26), приведенные в работах A.A. Красовско-го, О.С. Соболева, О.Г. Барского гарантируют устойчивость сопряжённой системы, если устойчива одна из подсистем, которая представляется как вещественная двухканальная АСР с антисимметричными связями, Показано, что для выполнения достаточных условий устойчивости двухканальной следящей системы с нулевым входом при любых значениях, коэффициентов усиления в перекрестных

ч

2

связях. в них необходимо bssc/íí форсирующие звенья, .поскольку.передаточная— 't]iy<:nUi№ гидропривод;! МЛСР рабочих токоа имеет второй порядок.

Задача синхронизации ставится, следуя модальному принципу упраьлстшл, уяк задача компенсации относительных мод, и требования к качеству переходных процессов а МАСР формулируются а виде ограничений на амплитуды c.4>íh:¡-ствуюших мод и имеют строгую группсвуго трактовку. В V1ACI* фазных точов (рис. 6) пнркулянтность статической матрицы замкнутой системы приводит к не-всыесз аенным модам относительных движений. Если же потребовать вещественности всех «04 и од^овреунш" гпмцети"»; ¿чаемы, ш можно сразу укяэят?. гругт лу симметрии ;г соответствующую еп струмуру статической матрицы МАСР. Показано, что такой группой для статической матрицы МЛСР.фазных токов является группа Ss. которая обеспечивается выбором коэффициентов СМР.

Исследована устойчивость синхронизирующей МЛСР рабочих токов в грех-фазной в сравнении с поканальным способом симметрирования рабочих токов отдельно в каждой фазе с помощью промышленных регуляторов, реализующих пропорциональный закон регулирования. Отмечено, что СМР обеспечивает более широкие возможности построения устойчивой ДСР о о сравнению с поканальчым способом, который требует выполнения достаточно жестких отраничеиий на параметры регуляторов.

Имитационное модемирив.шие синхронизирующей МАС'Р токоч трехфзщоп Н'П! типа Р1СЭ-4ЯФ иокишто, что перекос параметров ¡h,ih,í¡} в пределах 30 >,.-вияалетный усилению или ослаблению евяш между перемещением элекзролог- н данной, опережающей и отстающей фатах, практически не отражается на качестве симметрирования рабочих токов. Это объясняется гем, что вариации параметров a¡,a¡,aj вызывают дополнительные движения в фяэа*. которые усредняются, как и основные. Регулятор отрабатывает -ли измеиегтня за счёт компенсации межфазеыч сигналов токов.

В восьмом разделе излагаются методологические основы построения системы имитационного моделирования, приводится краткое описание программно-аппаратных средств автоматизации и результаты их. внедрения.

Предложен подход к стандартизации описание на основе априори известной градации моделей по лространстчшо-кремсниоН динамике, конечной сгратифп-кации по высоте ванны на несколько функциональных ург,кн;и, описывающих с различной точностью и на различных временных интервалах ЭТИ в РТП, а также к структуризации банков данных И вычислительных алгоритм о я. Это позволяет в

диалогоаом режиме имитации «утей итерационного кроцгсеэ теоретические и экспериментальных исследований, смены уровня детализации модели и временного интервала моделирования оперативно осушесш;х ть выбор приемлимого варианта адаптивной модели контроля и управления ЭТП по косвенным измерениям.

Разработан, испытан и внедрен исследовательский программно-аппаратный комплекс, позволяющий на основе обработки экспериментальных данных в реальном времени выбрать из банка схемную модель, адекватную ЭЭП в конкретной РТП, определять ее параметры и характеристики, а также оценить распределение мощности в приэлектродиом пространстве. Быстродействие АЦП (20 икс) позволяет при измерении шести токов и трех напряжений выделять 9 гармонических составляющих и запоминать одновременно до 6 периодов при снятии 128 отсчетов по каждому сигналу. Программное обеспечение (ПО) имеет возможности адаптации к различным типам ПЭВМ с минимальными затратами и может использоваться как в системе имитационного моделирования, так и в РСКУ РТП. ПО реализовано на языке высокого уровня Modula-2 реализации TopSpeed V 1.17 и рассчитано на эксплуатацию на ШМтСовместнмых ПЭВМ под управлением операционной! системы MS-DOS. '

Разработан и внедрен анализатор параметров пяти гармонических составляющих тока и напряжения, в котором опорные гармонические сигналы формируются в цифровой форме, что обеспечивает высокую точность и дает возможность исключить из схемы аналоговые НеремИожители. Тактовый генератор охвачен контуром фазовой автоподстройки частоты, что позволяет учесть изменение частоты питающей сети. Выходные сигналы имеют стандартный диапазон изменения ±10 В, а входные: по напряжению ±10 В, по току ±75 uA.

На основе контактного способа измерения линейной скорости схода шихты в труботечках разработано и прошло опытно-Цромышленную эксплуатацию Микропроцессорное устройство контроля пропускной способности РТП, позволяющее определять текущую скорость схода шихты й ее сход с начала цикла плавки,'а также рассчитывать с учетом вводимой мощности пропускную способность каждой РЗ. Устройство реализовано на базе однокристальной МнкроЭВМ серии JCI816. Максимальное число датчиков п устройстве - 24. Результаты расчетов индицируются и передаются на УВМ более высс-когО уробня через Последовательный (торт RS-232.

Разработан, прошел опытно-промышленную эксплуатацию о внедрен » 'программное обеспечение АСУ Т[1 последовательный алгоритм контроля дисбаланса углерода в РЗ но степени зашумленности (А"» ) Огибающей рабочего тока itflk от-

ношеиня длины вь'секочастоткмх (ЯЧ) участков к общей дайне исследуемой кривой. В основе ал: ори та лежит математическая модель кривой рабочего тока в гиде структурного случайною процесса, описывающая как закон чередования ВЧ и низкочастотных участков, так I! вид колебаний на этих участках. Алгоритм вычисления Л» состоит Из двух взаимосвязанных процедур: процедуры септснтинн кривой при известных значениях параметров авторегрессии и процедуры оценивания лих параметров при известной сегментации кривой.

На основе вылеленчч первой и третьей гврморик из СИЩЕЛОД ■¿сил л .¡«щ;*-жвнич разработано, испытано и внедрено микропроцессорное усгройчво ¡екуще! о контроля электроэнергетических характеристик РТП, алгоритм которого защищен авторским свидетельством на изобретение, Устройство реализовано на однокристальной ЭВМ серии К1816, реконфигурация и задание режимов его работы производится с помощью пульТа ручного управления. Передача данных в ПЭВМ верхнего уровня осуществляется через последовательный порт 118-232. Использование ПЗУ с электрическим стиранием обеспечивает возможность достаточно оперативно иэм^нть алгоритм иэтета.

Совместно с АООТ "ПИИГИПРОХИМ г. С-Пегсрбург" разработаны ком-дуктометрические уровнемеры зондирующего (затишен авторским свидетельством на изобретение) и стаинеш.рного типа, позволяющие не, основе анаднза проводимости конденсата по высоте технологической емкости определять уровни фосфора и шлама и ней. Урочнемеры внедрены на четырех фосфорных печах ДПО "НОДФОС" (г. Джамбул) и переданы для монтажа на фосфорных печах в КНР.

Разработан, испытан и защитен авторскими свидетельства- I на изобретение СМР рабочих токов электродов, техническая реализани- -соторого может быть вылочне«» как путем организации форгирукиц.чх |,чр-.;кр,;снг£.1х сич:ен между штатными поканальными регуляторами рабочих токов по т..* действующим значениям, тяк и путем компенсации токов прямой и встречной последовательностей фаз при измерении их мгновенных значений.

.На основе общих принципов построения распределенных иерархических синем текущего контроля и управления, а также с учетом особонноск-и моделей и алгоритмов, разработанных в диссертации, применительно к РТП прямого нагрева предложена функциональная схема пятиуровневой РСКУ повышенной живучести, ч'зетичио защищенная авторским свидетельством на изобретение и внедренная в проект АСУ ТП РТП.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В днсгсртаинн решена крупная научная проблема, в результате чего созданы прннннлы и методология построения моделей управления по косвенным Измерениям. обобщенные на класс РТП, и разработаны методы и средства автоматизации контроля и управления энерготехнологическИмн процессами в ванне печи, имеющие важное народно-хозяйственное значение.

Основные научные и технические результаты:

1. На основе принципов адаптации и пространственно-временной декомпозиции разработана обобщенная на класс РТП структура адаптивной функционально-целевой модели ЭТП, расщепленной на две взаимосвязанные существенно разно-инерционные подмодели: " быструю", нелинейную - ЭЭП и "медленную", линеаризованную - ХМП, позволяющая распараллелить вычисления при идентификации иич подмоделей в реальном времени;

2. Разработан, апробирован и внедрен метод идентификации параметров нелинейных схемных моделей дуговых РТП по гармоническим составляющим рабочего тока н напряжения, обусловленных нелинейным характером ВАХ электрической дуги. Для случая, когда спектральный состав токов и напряжений ограничен, получены простые расчетные соотношения в аналитическом виде.

3. В терминах различимости введено понятие моделей динамических систем с идентифицируемой внутренней переменной. Сформулированы и доказаны необходимые н достаточные условия, позволяющие из параметрически неидентифиин-руемых общего вида моделей выделить особый класс моделей с идентифицируемой внутренней переменной, для которых задача оценивания внутренней переменной по измерениям "вход-выход" имеет единственное или конечное число решении. Доказаны необходимое и достаточное условия локальной (структурной) иден-тпфпцируемости линейной стохастической модели с внутренней переменной.

4. Установлены группы симметрия и получены матрицы декомпозирующих преобразований блочных моделей ХМП для МРТП с геометрической симметрии расположения РЗ в ванне печи. Разработан метод .формирования блочно-диа-гон 1ьных структур моделей ХМП пониженной топологической и параметрической сложности, удовлетворяющих свойству структурной идентифицируемости внутренних переменных.

5. Разработаны многошаговые алгоритмы совместного оценивания параметров н состояния моделей ХМП, имеющие лучшие вычислительные характеристики по сравнению с базовым методом РФК.'

6. На основе принципа декомпозиции предложена и апробирована методика априорного планирования активного динамического эксперимента по исследованию усредненного и относительного ТСВ по двум независимым планам, что существенно сокращает общую длительность эксперимента.

------"¡: Г,<Ьо;««учтфп»»:; ¡„K'IVIÍD; ¡оку- i i«ti:..n r' ! • c.

-íí.npocaíííuicií ¡rí:í;í:!0¡i a «,¡ основе pu tp,tóúта ¡'mp, íIim-ü'w

3. Разработаны ч внедрены в нргктку »рдел'Лфоьшшя АСУ TI i не-тчн. t технолозия ¡i программное обеспечение но формированию ндемтиф;шнр>еммх

•<оделен ХМП пояхшшой телами нчегкой и параметрической ciwvnoem; « пренраммное обеспечение д;>я идентификации нсишейпих схемных молечЫ пр^-злсптроднию нросфанства РШ различного промышленного назначения.

9. Разработаны, прошли -тгггт-уптпшиа и .»

д^аыику зкенернмензальнмх исскгттй:

é программно-аппаратный нселедопцтеш.схнн комплекс на базе ПЭВМ типа ШМ РС ХТ/ДТдля выбора адекватной конкретному РВП схемной модели на основе текущих измерений мгновенных значений токов и напряжении, оценки ее параметров и контроля распределения активной мощности в ванне для широкого класса РТП;

• щестиканальиый цифро-аналоговый .гармонический анализатор, предназначенный для измерения параметре» гармонических составляющих периодических сигналов тога í¡ »¡{»ряжения е азтопоясгронкон кр.нности частоты банк ни ч цифровых сигналов к частоте основной (армоннки;

• микропроцессорное устройство контроля пропускной способности сочи н.т ба<<-однокристально). мнкроОВМ серии К!816.

Í0. Разработаны, прошли опытно-промышленную эксплуатацию и внедрены ирограммно-знняратные средства текущего контр оля и управления: » микропроцессорное устройство текущего контроля распределении моннмеш я ванне РТП на базе однокристальных микроЭЕМ серии KIS16;

• устройства периодического и непрерывного контроля уровня фосфора и шлама, накапливающихся в технологической емкости, на основе анализа электрической проводимости слоев конденсата;

а последовательный алгоритм и программное обеспечение контроля дисбаланса

углерода а РЗ по степени зашумленности огибающей рабочего тока электрода; » синхронизирующий многосвязный регулятор рабочих токов электродов в трехфазной РТП, реализующий принцип компенсации токов прямой и обратной по-следоваíельносreí! фаз.

Экономический /ффект от анедренкя рчэр&бопшных программно-аннаратиых средств еоетзпляет 064J00 (я !9<?0г.)

Основные рец'пьтгты дигсортвцг.п влубликэсань; п работал:

1. Фомиче» A.A., Лукашенко» A.D. Идентификация нелинейных схемных моделей процессов рудной электротермии. - Тула., ТулГУ. 1996. 122 с.

2. Фомичев A.A. Модели косвенного контроля технологического состояния р>;шотермических печей. - Тула., ТулГУ. 1996. - 249 с. - Деп. в ВИНИТИ. № 2840-ВУ6.

3. Фомичев A.A. Техушц/í контроль эпсггротехиологнчссхнх процессов no f;oc-вашыы показателям // Актуальные проблемы фундаментальных наук: Сб. докл. Междунар. научио-техпич. конф, М.: МГТУ, 1991. С. 52-55.

4. Фомичсвi A.A. Привлечет/не свойств геометрической симметрии при формировании структуры модели технологического состояния ванны многоэлектродных pv;iiioTepMH4CCKHX печей/Сб. тр. научно-техинч. совещания "Электротермия - 94". СШ, ¡W4. С. lß-32.

6. Фомичев A.A., Ковалев В.Н., Моттль В.В. Оценивание состояния руднотер-мического процесса по косвенным показателям //Сталь. 1982. N 8. С. 12-16.

6. Фомичев A.A., Грачеа А.Н,, Краузе Ji.lO. Методология имитационного моделирования процессов рудной электротермии Сб. тр. научно-технич. совещания "Электротерния - 96". СПб, 1996. с. Ш-' 54,

7. Микропроцессорные средства текущего контроля злектротехнологического состояния руднотсрммчсских печен tío косвенным измерениям / A.A. Фомичсз, В.А. Лукашенко», А.Н. Грачев, A.B. Сиякнн. Сб. тр. научно-технич. совещания "Электротермия - 96". СПб, 1996. С. Í78-189.

6. Фомичев A.A. Методика формирования структуры адаптивных моделей косвенного контроля процессов рудной электроплавки. // Параметры рудовосстановн-тельных электропечей, совершенствование конструктивных элементов и проблемы управления процессами: Тез. докл. IV Всесоюз. иаучно-те.хннч. симпозиума М. : Икформзлектро, 1987. С. S3-85.

0. Фомичев A.A. Оперативный контроль параметров электрической схемы замещения сталеплавильной печи // Современные проблемь/ электрометаллургии стали: Тез. докл. IV Всесоюз. научной конференции. Челябинск,' 1987.С. 21.

10. Фомичев A.A. Исследование структурной восстанавливаемости внутренней переменной модели контроля и управления по косвенным показателям // Теоретические и прикладные проблемы создания систем управления технологическими процессами: Тез. докл. Всесоюз. научно-технич. совещ, Челябинск, 1990. с. 46.

11. Фомичев A.A. Адаптивная линейная модель текущего косвенного контроля процессов химической электротермии // Динамика процессов и аппаратов химической технологии: Тез. докл. III Всесоюз. конф. Воронеж, 1990. С. 52.

Фомичев A.A. Наблюдаемость внутренних переменных линейных динамических систем по косвенным показателям // Математические методы в химии: Тез. докл. Х-н Межд. конф. Тула, 19%. С. 177. .

13. Фомичев A.A. Условия идентифицируемости внутренней переменной динамической системы при ограничениях на параметры модели // Перспективы и опыт внедрения статистических методов в АСУ ТП: Тез, докл. IV Всесоюз. конф. Тула, 1990. С. 70-71. . ■

14. Фомичев A.A. Блочио-диагоиальные модели текущего контроля процессов химической электротермии в многоэлектродных печах прямого нагрева II Математические методы в химии: Тез. докл. VIII Всерос. конф. Тула, 1993. С. 218.

15. Фомич'.:. Л.А Методг чч'Н'чд.:;:;.: -je,;-.>;;! í моделировангл -<¡;'jí'í<:eo'i ::iiv4-ческой электротермии для целен контроля н управления ti Динамика процессов к

зпд;;ра. es ,«s!i.f¡'.lií,'.'KOÍi нчшо.тчлн:: Гез. дпкд. IV Пеер. кош;1. }b.or:,,t;<ih. ir;. : М.'ч *

16. Фомичев A.A. Модели с внутренней переменной. Определения и критерии. -

¡уда., 1уя1У. ><»<*, - с - Дел. ь ШШИТИ. № 25tMWi.

17. Ijoiзтырев МЛ')., Фомичев A.A. Скнхромитичя рабочих г<»уов зятродов трехфазных Fill: Со. тр. научио-технич. совещания "Электротермия - 96' . СПб. 1996. С. 134-145.

i {Ч Н /", „ г> Tf f, tI I-/ f( 1.1 WЛЛ Л Цупяпм Й 1 л ,yotfVntpm wfllfTnnne

дисбаланса узлерода в реакционном пиле рудоьоссзаноннтельнон печи // Сталь, 1988. N2. С. 51-54.

19. Алгоритмы идентификации и управления руднотермичсскимн печами с помощью управляющих сЫ целительных комплексов /А.М, Шварев, A.A. Фомичев,

B.Н. Ковалев и др. //Электротехника, i 983. № 7. С. 56-59.

20. Программное обеспечение микропроцессорных систем управления электрическими ферросплавными пгЧамн I А.Н. Грачев, A.A. Фомичев, A.M. Шварев, Я.М. Эдемский // Приборы и системы управления. I987. N 4. С. 7-9.

21. Моттль R.B., Лукашснков A.B., Фомичев А.А: Идентификация параметров недчисинг-ч ««нин ?«ме(1>»н«* одчофя^нои -»леизричеекой цечи переменно" о ток» «у Электронное моделирование. Киев, I9SÜ. С. 88-93.

7.2 К задаче оценивания состоят1* рудномсстановительиих процессов с помощью УВК !А М ¡Нвирсй, A.A. Фомичен, Ü.M. Эдемский ч др I; Электро ir *»»»»-> «ска«- чр^яшояч-яопь.' 'ср. ~.>ncx7poicpuii4. I9t¡>. Hurí. i ¡239). с.

£л. Коч-.-.л;:-, «i.i;., /Ликулино.ий Д.С , Ф'.-мичез А.А Мчнметчгсмн; моч>-ч»<-f>o:¡oiw;e прсч/ссс<- яьчзлиикн ферросичии'Ы в руччотер'.ычегкои мечи ддя щ'Д'ч управления // Автоматизация ЭГО е ирнменс ¡исм ЭВМ. Ы. : Энсргоагомизд.'т. '«'.-нз. С. ÍV-43

24. Авточатн-^схог измерение количества фосфора и ¡олп-аа л .'¡»чнолп! пчсчт.ич емкостях / В.Н. Александров, А.И. Грачев, A.A. Фомичев н др. // ■ .ссяядовани» з области электр^т-тмип. Разработка новых технических peí' чнй по технологии и обооудоваддю де. аующнх и перспективных производств, л.: ЛенНИИгипрохим.

Í9B9. С.

25 Богатырев М.Ю., Сааникий С.Х., Фомпчсг. A.A. ,v/avc 'дгическое моделирование трехэлектродной фосфорной печи как объекта управления Н Процессы и аппараты в производства фосфоросодержащих продуктов. Л. : ЛенНИИтипрохим. ! 983. С. 18-26.

20. Богатырев М.Ю.. Раженков Е.Т., Фомичев A.A. Применение декомпозиции пои нвруц.-.чпч1 симметрии я задачах аналитического кенструироБа-м оч1Нч,.,и,-ных регуляторов // Аналиитческие методы синтеза рсч чтяютов. -гг. 19S5.

C. 28-37. - ....

27. Субботин М.А., Фомичев A.A. Оценивание состоятт езчпчтстнческото объекта управления по косвенным показателям //Тр. / Протреееивиые методы разработки и внедреннс ИАСУ и их компонентом в мпшиноегроенни н приборостроении Мине;:., 1986. С. 185-187.

23. Формирование структуры математической модели процесса возгонки желтого фосфора в трехэлектродной рудновосстановитсльной печи / M.IO. Ботатырсв, Г.М. Жилок, G.IC. Саанцкни, A.A. Фомичев // Исследование специальных вопросов зцектротермни. Чебоксар!.:: ЧГУ 1983. С. "5-106.

29. Фомичев A.A. Критерии идентифицируемости ььутренигн переменно:! линейной модели в пространстве состояний при ограничении на параметры // Элементы и системы оишмал. идентификации и упр.^лсния технол. процессами. Тула: ГулГШ. 1991. С. 44-52.

30. Фомичев A.A. Условия идентифицируемости линейной стохастической модели со скрытой переменной // Элементы и системы оптммал. идентификации и управления технол. процессами. Тула: ТулПИ, 1991. С. 57-66.

31. Фомичев A.A. Алгоритм формирования структуры математической модели косвенного контроля с идентифицируемой внутренней переменной // Алгоритмы И структуры систем обработки информации. Тула: ТулГТУ, 1993. С. 36-43.

32. Фомичев A.A. Связь параметрической идентифицируемости с идентифицируемостью внутренней переменной модели общего вида // Дифференциальные уравнения и прикладные задачи. Тула: ТулГТУ, 1993. С. 113-120.

33. Фомичев A.A., Лукашенков A.B. Анализ идентифицируемости нелилейных схемных моделей электропроводящих объектов переменного тока. II Дифференциальные уравнения и прикладные задачи. Тула: ТулГТУ, 1994. С. 92-98

34. Фомичев A.A. Исследование идентифицируемости динамических систем с симметрией в пространстве состояний II Элементы и системы оптим. идентификации и управления технол. процессами. Тула: ТулГУ, 1994. С. 48-57.

35. Расчет настроек промышленных регуляторов: Учеб. пособие / В.Ю. Войшш-кий, U.M. Гетмане«, A.A. Говоров, Фомичев A.A. - Тула: ТулПИ, 1978, - 92 с.

36. Пат. Способ определения сопротивления подзлектродиого и межэлектродного обьемов и индуктивных сопротивлений фа: трехэлектродной рудовосстаНЗ-витслыюи электропечи I A.B. Лукашенков, A.A. Фомичев, A.B. Савкнн. Положит, решение по заявке N 93- 005120/28/Ö14273. С. 145.

37. По теме диссертации получены авторские свидетельства на изобретение: A.c. Ы 1510 (К.И. ¡981. N 9); A.c. 954770 (БИ. 1982. № 32); A.c. 955517 (БИ.-1982. 32); A.c. 1050138 (ГШ. I9U3. № 39); A.c. 10941й4(Ш. 1984. /А 19); A.c. 1192171 ( БИ. 1985. Лй 42) , A.c. 1301289 (ЬИ. 1986. № 39), A.c. 1443211 (ЬИ. 1988. № 45) , A.c. 1513638 (ПИ. 1989. N37), A.c. 1644407 (БИ. 1991. №42), A.c. ¡690231 (БИ. 1991. № 41), A.c. ¡756836 (БИ. 1992. N 31), A.c. 1737769 (ПИ. 19.92. .4) 20).

Ilorutticüto в г.е-кг:,¿i~.fyус. Форкат fiyisun EßiKi J/J6. Vyvan тжагрзф. iü 2. Офсетвав иечкт,. Уел. сечл^Л Уса- tÄ-cw.^d . Уч.-азд.х. Л «'.Таргк «*гяз. Зззаз ' ■

Ty-ibCKaä ictyra(?i.-s«-a,rjÄ уштерсгтг;. 355S08, Т/ла, вросв. Лязгав, С'2. Подра.1лелт«г сператы.-пи иолщ-р.чфил Т>асхого гостдзрег1«:'а>ги уыиер-Ctveia. 3&ÖO0 Туга, угЛавдета, 1S1.