автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Моделирование и проектирование оптимальных автоматизированных роботизированных химико-технологических комплексов

зг

МОСКОВСКИЙ ИНСТИТУТ ХИМИЧЕСКОГО МАШИНОСТРОЕНИЯ

на правах рукописи

КАЛИНИН ВЯЧЕСЛАВ ФЕДОРОВИЧ

МОДЕЛИРОВАНИЕ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ РОБОТИЗИРОВАННЫХ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ

05.13.07- Автоматизация технологических процессов и производств (химическая промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ ДИССЕРТАЦИИ НА СОИСКАНИЕ УЧЕНОЙ СТЕПЕНИ ДОКТОРА ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК

МОСКВА 1992

Работа выполнена иа кафедре технической кибернетики и автоматиза-.шз химических производств Московского института химического кали построения.

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор Перов Владимир Леонидович Доктор технических паук, профессор Воробьев Евгений Иванович Доктор технических нзук, профессор Ефреыов Александр Александрова

Зедугзя организация - Воронежский технологический институт (ЗГИ).

Зкдга состоится тг г. 3 /V час.^ мин.

ауд;.':'Орнл 3-13 ка заседании спедналпгирозошюго совета Д 3i3.44.C2 по присуждения) ученой степени доктора технических нау пси Московском институте химического машиностроения по адресу: 107884, ГС Л, Б-66, г.Москва, ул. С.Басг/лкная, д. 21/4.

С диссертацией место ознакомиться в библиотеке института. Автореферат разослан МО. Р^УУ) Ц • Х992 г.

7чений секретарь специализированного совета кандидат технических наук, доцент

Г. Д.Шилов

МРст'^Г,,

! ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Химическая промышленность относится к об-тям промышленного производства, характеризующаяся наиболее экс__/ малькыми условиями труда. Загазованность и запыленность помещения, токсичность вэп'йств делает работу на химических грегприйтзю'. чрезвычайно тяжелой и опаской. Поэтому химичес}:но произюдствз стоят в первом ряду производств,требуюсих ресэний по загагте людей, удалений их кз соеры вредного воздействия, полной автоматизации.

Применение современной теории и практики робототехники, внедрение робототехнкческих комплексов, очевидно, могло бы уменьшить или исключить влияния человеческого Фактора на эффективность производства, и это возможно повлечет за собой новый этап развития автоматического управления химико-технологическими системами, и позволит решить задачу удаления человека из опасной для его здоровья и жизни сэеры производства.

Однако несмотря на столь очевидную необходимость удаления людей из цехов химической технологии,механизации их труда.развитие роботизации на химических предприятиях идет крайне медленными темпами, значительно отстает от уровня роботизации машиностроительных предприятий. .

Причинами такой ситуации является необходимость создания специальных антикоррозийных материалов и защитных покрытий для изготовления элементов роботов, позволяющих оборудованию работать в загазованных, запыленных, взрыво и пожароопасных помещениях; невозможность сопряжения стандартных конструкций роботов с имеющимся химическим оборудованием,многочисленными и разнообразными конструкциями аппаратов; невозможность применения типовых робототехничес-ких комплексов для обслуживания многоуровневых, разнообразных и уникальных систем оборудования химических предприятий; сложность выполняемых работ, необходимость интеграции подсистем управления АСУТП и подсистем роботоЕ-исполннтелей .Необходимость координации действий с Функционирующим оборудованием требует создания роботов с адаптивными и интеллектными ' системами управления; специфических датчиков очувствления и специальных сенсорных устройств, идентиси-цкрувгзк анализируемые образы; специальных алгоритмов идентификации ситуаций; распознавания образоБ и сцен и последующего, анализа. Невозможность ошибок в работе коллектива роботов,тяжелейте последствия таких оезйск требуют разработки специальных методов и алгоритмов, гарантирующих выпзлнзкке с заданной йрояткостьв технг-логических условий.

•¿тдел ла:

Зсе с-тн причины объясняют. но никак но оправдывают, мздленнсэ рсбсюгсхнкчзкз« комплексов «а яажчесхах предприятиях, сгсутстшк нззбходзьи« теореткчзсккх а г.рзггкчзсккх разработок, дсдалаих впэтзшзт комялзкгдую автоматизацию технологических процессов.

Разработка методологии и теории построения и Функционирования робототехнических комплексов на предприятиях химической технологии - одна из езензЯеих задач з ряда проблем гуманизации современного индустриального общества.

Это определяет актуальность и народнохозяйственное значение научных разработок по создании нового типа систем управления хими-ко-тохнологическимн процессами и производствами- роботизированных автоматизированных систем управления СРОАСУЗ, в которых подсистемы роботов-исполнителей Функционируют в теской взаимосвязи н взаимозависимости с подсистемой управления АСУТП.

¿:ссерташ-.онная работа выполнялась в соответствии с наордана-ц.-;с:шым планом НИР АН СССР по направленна 2.27 "ТО'ХТ" на 1920-1555 году 2.27.7.20. .(Автоматизированное проектирование гибких технологий в производстве красителей.), планом 2.27. 7.15. "Рсбототехничэс-кпе АСУ слоаных ХТС"на 1591 -55 годы, планом отраслевой НИЛ "Робото-Т2Х!Шка к микропроцессорные системы управления в химической промы-длекности"на 136б-1590годы.

"ель работы. Целью работы является создание теоретических основ,методологии к алгоритмов оптимального проектирования к санкционирования робототехнических автоматизированных систем управления химическими производствами.

Для достижения этой цели нзебходимо было регить следувске задачи!

- предложить концепции Функционирования РОАСУ химическими производствами;

- разработать теорию и методологию проектирования и исследования различных типов РОАСУ;

- разработать теорию и алгоритмы решения задач оптимизации робототехнических систем.

- прозести промышленную проверку и внедрение результатов работы.

Методы исследования. В работе использованы развитые для решения рассматриваемых задач методы математического моделирования, теории'автоматического управления,технической кибернетики.

г

Достоверность. Достоверность получеимкх результатов подтверждена теоретическим доказательствами и гзсспзртзнталькой произргая по результатам промышленных, лабораторных и кмггахиопйк исследований.

Наг тая, нпризка. Разработана ганцэпцкя еуют"3!0!рэЕ>ия£» РОАСУ хк.нккэ-гехнолог:г;Ес;зми сбьестачк. »отчавп-ж з :: .чгг-с-ТЕе основных частей АСУТП к роботов-исполнителей.

Создана методология, мзтоды и алгорнтнк нютацпснкого молгл:'.-рования различных типов РОАСУ.

Разработаны :: теоретически обоснованы методы и алгоритм расчета оптимальных траектория движения манипуляторов, обеспечиваете гарантировань-у» вероятность выполнения технологических условий.

Создана теория н алгоритмы решения задач гарантированного линейного и нелинейного программирования.

Разработана принципы, методология, нзтематичесгае и программное обеспечение системы автоматизированного проектирования РОАСУ.

Разработан комплекс математических описаний и моделей, предназначенных Для управления слоеными промышленными произзодстьакк и имитационного исследования и проектирования РОАСУ.

Практическая ценность определяется ревенипм вагной народнохозяйственной задачи создания методологии, программного и алгоритмического обеспечения для проецирования РОАСУ.

Представленные в работе пакеты программ имитационного анализа различных _РОАСУ, расчета и оптимизации технического задания для ей подсистем, алгоритмы расчета эоФективности,Функционирования систем в условиях реальной эксплуатации возмогло использовать при создании РОАСУ широкого класса хтсжо-технологических процессов и производств.

Разработанные в диссертации метода, алгоритмы и программы решения задач гарантийного линейного и нелинейного программирова.'-:иг. мохно использовать при проектировании загрузни коллектива роботов.

Создание подсистемы роботов-лаборантов способны автоматически проводить Э1хпрзсс-гн?лкзи продуктов, кдаггкСицирсЕать сир:-?: ссстстс-'-з процесса. проводить :лрргкшез с:грья.

Прсзязггккыг мзтоды к .->дгсрнт«-:ы синтеза оптимальных прегргч-г-сбстоз.сСеспгчкгггкз гарагпгрэвлнныэ взрояткости гкпел-кокия тсх>:олиг:-г;сс:---:х \ ¡.'сгут бкть использованы з пгахтя. с

расчета управляла»: программ роботов хииичесжх производств.

"оказглгнк" в работа и гаг—еллекные авторскими свкдэгольстгзч-

.•конструкции манипулятора и охвата рсботов-лаборантсв, системы аз-томатического и автоматизированного управления процессами диазоти-рсвакия, успешно проварены в опытко-промышленных установках и действующем производстве и могут быть распространены на другие производства химическая промышленности.

Проверены в производства и показали высокую эффективность полученные в результате работы и закрепленные авторскими свидетельствами способы и конструкции аппаратов диазотирования, способа экспресс-анализа и коррекция сырья в производстве обесФторенных фосФатов.

Реализация результатов работы. Основные результаты теоретических и экспериментальных работ автора при непосредственном его участии внедрены в промышленность. В частности эти результаты нашли применение при создании:

- гибкого автоматизированного производства азопигмекхов в Тамбовском ПО "Пигмент", 1390г.;

- технологических регламентов производства пигментов алого концентрированного,лакокрасочного, желтого, светопрочного;

- при создании роботизированной системы управления производством обесоторенных ФосФатов на Уваровском химическом заводе;

- при проектировании безлюдного производства получения цианистого бензила на Новокузнецком заводе медицинских препаратоз.

- математического и программного обеспечения проектирования ГАП синтетических красителей в Тамбовском институте "Экохимпроект".

Результаты работы по выбору структуры и способу организации гибкого роботизированного производства, проектированию манипуляторов и схватов для роботов,.конструкциям' аппаратов, способам управления этими процессами зашпвны авторскими свидетельствами.

Практическое внедрение гибкого автоматизированного производства азопигментоз подтвердило правильность основных конструкторских и технологических решений,принятых при его разработке.

Сгидаемый экономический эсаекг от внедрения одного робота-лаборанта в производстве обесоторенных Фосоатов составит- 87.7 тыс.руб.

Реальный экономический эоаект, полученный г 1930-1291 г.г. от эксплуатации ГАП синтеза азопигмвнтов исчисляется 250 тыс. руб. Св ценах 1990 г.).

Результаты исследований используются в учебном процессе к составили материал учебного пособия для вузов, написанного с участием автора.

Апробация работы. Основные теоретические и прикладные резуль-

таты диссертационной работы излсгэны в монографии: Роботы в хк'си-ческой промышленности/ Бодров В.И., Калинин В. 0., Погоним В.А.•-!.;.: Химия, 1SS9. -135с., в 48 публикациях в научных аур над ах и обертках и в тематическом обзоре. По результатам инженерной части рсЛоты получено 7 антореккх свидетельств.

Результаты работы докладывались и сбсуг.г.:и;;:с.>: на 4 международных н 20 всесовг.чых и республиканских кзнсерекцкях, в том числе; по химии и технологии органических красителей и прсизжуто-чных продуктов СРубегное, 1931г.) ; по динамике процессов и аппаратов химической технологии СВоронеж, 1990г.); по современным методам синтеза машин и автоматов СТамбов, 1979г., 19213; по методам кибернетики химико-технологических процессов СМосква, 1Е29г.); пс автоматизации и роботизации в химической промышленности СТамбов, 1SB5, 1SS3 гг. 3; по гибким производственным системам химического просиля СЛенинград, 1933); по химическим реакторам СГродно, 193П); кг Всесоюзном совещании по программному обеспечение новой информационной технологии Калинин, 1939); по получении новых ексскочис-тых веществ СЛенинград, 1933, Нижний Новгород, 1991г); на международных конгрессах по промышленным методам спектрального анализа СРуан, Сранцкя, 19353; по химическим роботам СТокио, Япония, 19913; по новым методам анализа'ССофня, Болгария, 1939) по конструированию хим.оборудования и автоматизации ХИСА-90 СПрага, Чехословакия).

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, восьми глав, выводов, списка цитируемой литературы и приложений.

С0ДЕР1АНЙЕ РАБОТЫ

В введении Формализуется цель работы, показана ее актуальность и научная новизна, изложены основные положения, выносимые на зашиту.

В первой главе' дано краткое состояние вопросов управления и роботизации химико-технологических производств.

На основе анализа литературных источников и результатов обследования ряда промышленных предприятий показано,что многие xktci-чееккэ производства трудно поддаются традиционной авто мат из ации не только вследствик того, что периодические производства вообще трудно управляема, но и к»-за на возможности идентификации традшш-с;шымн средствами контроля состояния мужества процессов, ссушсст-шдяекых в хкмико-технодогхчес;о-;х производствах. Отмечается, что за.'т-ка периодических процессов кзгрзрьщлии ?гз всегда сказывается целесообразной с экономической точки зрения,а иногда практически на-

столько хрудко реализуемой, что от ное приходится отказываться. 3 основном это связано с трудностями создания и внедрения в дейст-еувлво производство принципиально нового оборудования непрерывного действия к средств автоматического контроля и управления качественный составом продуктов и полупродуктов.'

В связи с отга возникает необходимость создания автоматизированных технологических установок нового поколения, обеспечивавших оптнмальког сочетание периодических и непрерывных процессов, быструю пераналагиваемостъ установок на новые виды продукции и сырья, экологическую безопасность, стабильность и предсказуемость качества продукции.

На примере обследованных .химических производств ассоциации предприятий по производству минеральных удобрений показано,что процент ручного труда на них достаточно высок, а в. отдельных цехах Сво вредных или особо- опасных условиях]достигает до 70^ .Показано, что увеличение эффективности производства может быть достигнуто, решзнкем основной задачи - резкого снвдэшя доли ручного труда.

Б связи с этим показана необходимость постановки и решения новых проблем автоматизации: создание принципиально новых систем РОАСУ - систем автоматизированного управления с подсистемами, ро-роботов-нсполнителей '.Сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главо вводится классификация рсбототехнических систем. которые когут быть использованы в химической промышленности. .Такза как и в машиностроительном производства на предприятиях химической промышленности могут быть использованы робототехнические комплексы СРТЮ для проведения монташо-демонтаяных работ, очистки внутренних поверхностей трубопроводов, и аппаратуры. Б связи с чем предлагаются локально оценки _ цалесосбразности внедрения РТК для таккх работ .которые включают в себя рассмотрение ситуаций наличия и отсутствия экстремальных условий труда. Другими вагкыми рсбото-техничоскими системами являются РОАСУ, действие которых рассматривается при управлении технологическими процессами и обеспечении аварийкой и экологической безопасности химических производств.

Структурная схема принципиально новой многоуровневой системы автоматизации РОАСУ показана на рис.1.'Здесь ка первом уровне действуют локальные системы автоматизации ССА) и робототехники CPJ, на втором уровне системы управления роб£тгми(УР),на верхнем уровне взаимодействующие подсистемы управления коллективом роботов СУСР} и управлении технологическим процессом САСУТП).

б

Ркс.1. Структурная схема РОАСУ

Такая структур^ обеспечквазт больше быстродействие в распознавании н управлении -локальными ситуациями. в тон числе в определении ' неудачных нли "подозрительных" анализов, уменызает сбьен информации, обрабатываемой верхними уровнями управления, с' другой стороны позволяет синхронизировать работу роботов-исполнителей Сла-борантов)..- планировать и коорршшровать распределение работ нсзду роботами. '. ' •

Таким образом РОАСУ представляет собой обьбдипзннуи с.тстеиу АСУТП и подсистем роботов, работающих как единая интегрированная система в соответствии с программой, вырабатываемой системой управления и текущим состоянием технологического процесса.. _

На рис.2 представлена классификация РОАСУ по характеру выполняемой рбботами-исполшггелята работ.

Первый тип РОАСУ использует роботов-лаборантов, производи« анализ сырья либо один раз перед началом процесса, либо периодически в течение процесса. Подсистема АСУТП управляет частотой анализа, используя данной для расчета н коррекции процесса управления.

Второй тип РОАСУ ПСуЗ и РСу.Ь) использует роботов-лаборантов, беруких и аналкзнрувпих пробы продукта н кдентиФкдарукзк текущее состояние процесса. Подсистема АСУТП управляет частотой отбора л анализа проб, используя эти данные в скстонэ Я Су) для }гр-

рзкции программ управления в.ЕСуЗ или в РСу.Ь) для адаптации математических модглзй и последующим уточнением программы управления.

РОАСУ

Работа! подеИ-I стены робо- I

тоб- .

лабо- 1 рантов!

Анализ входных ингредиентов (во врегаином интервале)

Анализ промосуточных состояний процесса

Анализ конечного состояния процесса

Анализ сырья, входных потоков, промежуточного состояния процесса

1

п--

у

Пери-

диче-

кая

кор-

рекця

мат.

моделей

и про-

I грачам

¡управ-

ГТот"

£3

про-зоди-мкх анализов

Перио-дичес-кая коррекция программы управления

тД—

Периодическая коррекция программы управления

Коррекция математических моделей

дичее-| кая коррекция программ управления

дичее-кая коррекция мат. моделей и программы управ-

1ЛСГ.ЯН

RCf0) RCf 3 j RCy} RCy.D ü RCy0D RCf.y) RCf ,y,tO

Услов-I коз 1 найме-| нова- | ние 1

а

Рис. 2

Классификация РОАСУ по хар; работ роботами-лаборантами

д е ж

ixrepy выполненных

Третий тип РОАСУ (5Су0) анализирует готовый продукт и оптимальная программа управления на следующий цикл пересчитызается с учетом предыдущего цикла.

Системы КСГ.уЗ и КСГ.у.ЬЗ и др. яашротся комбинациями указанных типов РОАСУ.

В третьей главе рассматриваются Еопросы имитационного моделирования различных типов РОАСУ. определяются по данным имитационных экспериментов показатели зФиктивности РОАСУ.

В глава определяются требования, предъявляемые к имитационным моделям, и Формализуется имитационная модель

\

Ут - VVyTCr3). Ci;

где у,,. f,,u - сутвния на [т.Т] выходных езлкчнк у, гозиуазипих f и управлявших и воздействий, случайных пзмзх v; - значение

уСтЗ в момент времени т. Д - оператор 1:мнтгционзюй модели, работающий на любом сужении [т.Т], где термин "суязние" понижается т-як определение Функции на интервале [т.Т].

Математическая модель исследуемой системы оптимального управления имеет вид

у = MC f, u, у0, ЬЗ,

u = fCf.y), CSD

где yD - начальное зпачегсгз выходной величины, b - вектор настроечных параметров модели, f - измеряемое значежэ возмуаазшй.

Репенне системы С23, определяющее оптимальное управление и* может бить представлено в взда

и* = ACf ,у0, ЬЗ . ' СЗЗ

В процзссе функционировании РОАСУ прогнозирует изменение f на периоде .[т.Т] по изменения fT на участке [0,т] и корректирует оптимальную траекторию:

= PrCfr). ' С43

где Рр - алгоритм прогноза.

Оценка эффвзстквности Функционирования РОАСУТП производится с помощью -критерия качества

q - i>Cf.y.u3, CS)

где v - ограниченный выпуклый Функционал.'

При этом е случае отсутствия системы управления RCf3 среднмч показатели q определяются по Формуле

q - J J oCv,f3?vCdv3Pf Cdf3 C63

F V

oCv.fi - vCf; j'jCf ,/.Cf 0,y0,b), v,y0); ACf0,y0,b)3. C7)

г "о о Cv f) - знач^гп-ю зсзчоства пои работе сксте.*с^ улрси-

леки, v.f заданы; Р - вероятностная fapa; F.V - пространства ноз-.му!та:о^их воздс?.ств:й.

При использовании ПCf3 грозою показатели эсгокткгности z--, оправляется системой (S3. CS):

sCv.f) - vCf; ilCf.u .v.v03," 3, CR)

vrs сзкпт-'оскиз выдаваемый АС?ТП для реализации im обьсзте iym^i."

•j .являются "склейкой"

N-l

- i cu!^1)' j=0 *J

CS)

упгавлямдих воздействий Cu J+1)* на интервале [г,,г, +1],j = О,n-l.

3

При этом (ит' ) является сужением на интервале ол-

"J *

гимального управления и , определенного на [т , Т] при использова-

нии прогноза f.

J

"J

аЕодем в рассмотрение понятие реальной и идеальной РОАСУ. В отличие от идеальной реальной 'присуси погресности измерения возму-•_г содействий f, неточности реализации на объекте найденных значения управлений, невозможность реализовать откорректированную программу управления в реальном масштабе времени.

Влияние этих тогрсаностей на работу РОАСУ учитывается с помощью имитационных алгоритмов, блок-схемы- которых Си Формализация работы этих алгоритмов) представлены з работе.

На рис. 3 показана геометрическая интерпретация потери эосэк-тивности РОАСУ по сравнений с идеально-точным прогнозом Скривая 1 у. Ю вследствие дискретности прогноза Скривая 2 и 2') и вследствие задэрзз:: реализации программы управления Скривая 3). При этом считается, что в моменты rt.r2H т.д. измерения роботов-лаборантов точны. Заштрихованная на рисунке площадь, характеризующая! разность кезду истинными значениями fCt) и прогнозируемым fCt) используется для расчета и реализации управления РОАСУ и определяет потеря эффективности системы управления.

i

i

—1

ч

т.

1 füll'' Pvs —t— 1

ie! 4tji -1 лт,1 —4

•-г

а)

т2 tj б)

Рис.3. Геометрическая интерпретация потери эффективности

. РОАСУ: а) из-за неточности прогноза; б) из-за задержек реализации программы управления и неточности прогноза

На рис.4 представлена в качестве примера блок-схема имитации суммарного влияния всех погрешностей'на эффективность системы ГСП.

Формализация алгоритма вычисления векторного критерия эффективности РОАСУ может быть представлена в следующем. :

-Г /"СГ.^РуСйуЗРДйГЗ. С::-:

•КГ. у) = / X /еО/.ПР^(¿ДПРдцЙДиЗРд^ИДт:). к V 1

eiv.fi = УСГ.ЙСГ.и*,у,у0); и*).

N-1 .

« ^ [ )+1 и = о 1 и

Дг^ = Дг0

0:

где

.1=0 гн»-Дг( .1 J

У ' иг + лиг ^

и* = А(Рг[ (Г-ЛГ)-М, у,. Ст.З.ЬЗ.

^ < J

(11)

(12)

(13)

(14)

а»- >

о j

'1-1

= МСРг[ СГ-дт)-3]; и! ; ут (г,).Ь).

'0-5

Аналогично, системе Р(1") в диссертации рассматривается блок-схема имитационного исследования системы йСуУи Формализация алгоритма ее Функционирования.

Система операторов, характеризующая эффективность Функционирования идеальной системы К (у) включает в себя Формулы (6), (3), (5).

При этом представляет собой сужение на интервале

оптимального управления и* , определенного на [г,.Т] при использо-

Ъ J

Еанин в качестве состояния 3- значения, полученные эксперкэн-тальш роботамй-лаборантаки.

Система операторов С103-К1.4) ■ учитывает влияние погрешности идентификации состояния уСг1 3 и погрешности реализации на объекте оптимального управлейия. В этих зависимостях:

(17)

"" = АСГ„.у^ - Ау,.Ь)

у!, » * Д^.Ь)

" Уо, при .1=0

. у(т ), при .1-1, к-1

у = /]СГ0, ии. v, у0) _

(18) (19)

его)

Рис.4. Елок-схэма имитации системыR il")

В главе представлены результаты инитацкогааго моделирования системы 1?Су, Ь), отличавсейся от ЯСуЗ тем, что идентификация состояния у(г} ) Б момент отбора проб т используется не только для пересчета оптимальных программ, ко и для коррекции математической модели.

Тадгим образом система 1?Су.Ь), хотя и находит более точную программу управления, характеризуется больсими врстенныии задержками в реализации этой программы. Поэтому в некоторых случаях система КСу,Ь) мохет давать худше результаты по сравнению с РСу). Геометрическая интерпретация такого случая приведена на рис.5. Здесь кривая 1 характеризует изменение показателя_эос« кг ивно сти при точном знании состояния Ст.е. значений уСт), полученных экспериментально роботами-лаборантами) в кавдъй момент времени, крхвгл 2'- при работе системы Е(у0), когда состояние известно лиеь при т= =0, кривая 2 - при Функционировании системы К Су) без коррекции моделей, кривая 3 - при работе системы ЯСу.ЬО с коррекцией моделей. Здесь всюду тире (-3 заменяет слова "характеризует изменение показателя эффективности" Сем. пунктир).

¿'а

л

У;

Г- л V л / V'

—

У?!

А

У01 %

Го

Г, ' в)

щ - !?

4

б)

Рис.5. Геометрическая интерпретация потери эффективности РОАСУТП: а) с коррекцией программ управления йСу);б)с адалтацией-модели и коррекцией программ управления 5?Су,Ь); • ' в) из-за задержки реализации управления---------в системе Я Су), -х-х-х-х-х- в системе РСу.Ь)

На рис.56 показано итриховхой улуч гонке прогноза в снстекз Р(у.Ь) по сравнения с РСу) при отсутстшш задержек в управлении, на рис.5з вертикальной гггрихоЕксЯ показано улучЕзгсга прогноза !?Су) по сравнении с РСу.Ь), а горизонтальной РСу.Ь) по сравкзгсг» с КСу) при задзргга в реализации упраздезпей Дг^, з систем ЕСу) и Дт-, г системе КСу.Ь). Состно:тэга:з залгтрнховгнкых участкэз зависит от со-откошния Дг^ н Дг^.

В главе приводятся блок-схемы имитационного моделирования ра-' соты идеальной КСуЗ системы управления, работающей с ошибками Г-;Су,Ь), а также идеальных Р.СГ.у) и работающих с ошибками К(1\у,Ь) РОАСУ.

Разработанные имитационные модели и показатели эффективности, алгоритмы послужили основой для программного обеспечения автоматизированной системы проектирования РОАСУ, позволяющей обоснованно решать вопрос о целесообразности внедрения той или иной роботизированной АСУ на производстве.

3 четвертой главе предлагается методологическое и алгоритмическое обеспечение автоматизированного проектирования РОАСУ.

Предлагаемая методология автоматизированного проектирования включает в себя Еопросы определения целей и задач системы построения имитационных математических моделей и проварки их адекватности, оптимизации технического задания на подсистемы РОАСУ; создания мо-дзлей и алгоритмов, предназначенных для целей имитации Функционирования традиционных АСУТП выбора множества перспективных вариантов РОАСУ с использованием экспертной системы и проварки их эффективности и срока окупаемости в сравнении с идеальной автоматизированной системой управления, имитации РОАСУ с ошибками в Функционировании подсистем уточнении технического задания на подсистемы, расчета оптимальных траекторий движения роботов, оптимальных нагрузок траектории движения роботов. 4

Задание интервала Ат1 взятия проб определяет необходимую скорость Функционирования роботов-лаборантов, а значит их тип и необходимое число; время задержки в реализации управлений определяет необходимое быстродействию алгоритмов> решения уравнений математической модели, кспзльзуекой для управления; алгоритмов прогноза изменения возмущений, определение программ управления, адаптация математической издали. Оптимальные значения шстервалоЕ между взятием проб ДГ|, допустимых задержек Д^ в реализации управляющих воздействий, плотности распределения ошибок М", в изхзре;ми возмудающх зссдействий, ду в идентификации состояния систем и ди, в установлении управлявших воздействий позволяют сформулировать техническое заданна на РОАСУ г части требований к быстродействию сие гам робо-тов-лаборантоз. быстродействию программного обеспечения, точности раооты рсбстоз-лаборантов и систем реализации управлявших воздействий.

3 качгства идеальной Е - системы считается РСАСУ, для которой

возмущающие воздействия f,v известны на всем интервале [t0.T], состояние у точно прогнозируется математической моделью. Таким образом для системы Е решается задача нахождения для заданных :,v к начального состояния ус Функции» и", на te [t,D. Т]. на -гторо/ критерий q принимает минимальное значение

qCf.v) - uCf.y.uD 'kZ\:

где

у - ilcf,u.v.yc3 c22j

И' к Cf.y.u) * o£f. j»l.....r. C23)

j

Показатель эффективности q£ определяется

qc = J JvCf.y".u*}PvCdv)PfCdf). C24)

FV

где y*.u" - решение, задачи (21)+С23Э.

Система Е5 - идеализированная система, для которой v и f известны точно, состояние системы измеряется непрерывно к точно, однако математическая модель в РОАСУ работает с ошибкой, при этом в Е* мгновенно пересчнтывавтся и реализуются без погрешностей программы управления.

Применительно к системе Е6 решается задача: для иаххогс мс--нта 4'е [t0,7] найти определенную на [t'.Tj Фу}£киж и,*., к а >:"-.осой q принимает минимальное значение

qCft,.vt.) = vCft.,yt.,ul-.), С£=3

где yt.a: = yt.Ct) - а для t«Cl\T], . ' C25Ü

yt. = JüCft..ül<.vl,,yt'Ct'33, С273.

pjcf.y.u)2; для j=l.....r.t'e[t0.t]. c2s)

•s. ^ ^ ^ t '

у - yt'}('yl.; u = u1'^ ut.. ul'= £ u, аз cs93

t=t0"

yL'~ pCft'.ut'.vt',y03 - ' C30)

vl'itO - lim y1'Ct), C31)

l+t'

* T v- T _

При этом u -u , у =j!JCr,u )v,y03 и q^j определяется по C243.

потеря эффективности &q вследствие ошибок модели 5 находится как

AqC63 * Б- - q , С32;

Er '

Зависимость СЗН) используется д.:я задания оптимальных значений ошибок математического егкдания, обеспечивавшего необходимую точность модели при соблюдении технико-экономических ограничений:

15

AqCs) S лЧдоп, zfca) £ 2доп, TpC5) 5 Тдоп, nf s пдоп, СЗЗТ где z, T, - затраты и время на разработку математического обеспечения. пдоп - допустимый срок окупаемости системы. ,

При определении технического задания на быстродействие алгоритмов систем управления и роботов-лаборантов, производящих анали-

«

зы, используется идзализированная система Ет> , в которой реализация процессов управления происходит с задержкой, имитирующей затраты времени на отбор и анализ проб, идентификацию ЕозмущениЯ и состояния системы, прогноз изменения возмущений на оставаийся период времени, на коррекцию коэффициентов модели и пересчет профиля управления. ж

Применительно к системе для каждого l'e U0,T] ресает-

ся задача нахождения u*.Ct3, t « [t'.T].'минимизирующего целевую Функцию С25) при удовлетворении соотношений С25)-С31), где и4, определяется вместо С29) по Формуле

и1'Ct) =

и» Ct3 при t <т 1-0 С34)

u^Ct) при -r£t<t', ■

Предложен метод нахождения оптимального времени задержек реализации управляющих воздействий, 'которые определяют значение времени отбора и анализа проб, длительность идентификации .возмущений и состояний системы, прогноза возмущающих воздействий, пересчета программы управления, коррекцию коэФсициентов математической модели. Метод базируется на использовании соотнесения С32) и рещении системы С25Э-С31Э, С34).

Для определе1шя интервала времени кзвду периодами квантования отбора проб используется идеализированная роботизированная система

, я »

управления Б *т • , при которой воздействия f и v изиестны точно на интервале [t0.T].состояния системы измеряется роботом точно через интервал времени Д1, математическая модель в системе упраале-

ния работает с ошибкой а . При этом система корректирует

программу управления через интервал времени At и реализует с задержкой г*.

д.

Таким образом, система Ерешает задачу нахождения в моменты времени = t0»Cx-l) Д1, i « 1.....s. Функции u* Ct), t «

[Ц.Т]. на которой принимает минимальное значение С25) и удов-16

зтворяется система С25)-С31) для моментов t , í=l,s. гд-j , fu, Ct) при

ч lct: ■ . а , . i =2.... s

ц, et) при t, . — tst,

L -i-i 1-1

u (t) »

ut cu при

^ о

u, Cl) при

-i-1

ùL et)' при

L "s-l

£ t < T

y* - Я Cf.u*.v.y0). C37)

При Формировании технического задания на точность прогноза,

используется система поиска управления uf. на котором достигается

Li

минимум Функционала С25), где гместо f, используется выражение f, +

+ôf. , Côf, - погрекность прогноза f на интервала Ctt,TD, и зыпол-i i

иявтея условия С26)-С31). С35)-С37). где в С27) и е28) вместо fL используется ft + 6ft, а з СЗО) применяется как и раньше f, .

Для нахождения оптимальной погрешности 5V роботов-лаборантов,

ндэ'нтнФицируипих состояние системы, лслользуётся решение задачи

С25)-С31). С35)-С37), где вместо С31) имеет место зависимость:

t, t, у et,) = îîn y Jet)<-<5

C28)

t-»t

j

При Формировании технического задания &и на точность реализации управлявши воздействий, используется ресение задачи С25)-С31), ез7), где

' t,

u JCt)

u*et)

Ct)+5U при t<tj+r*

u, Ct)*a„ при t( t <t, i=l,s

. 4-1 u 1-1 1

C39)

Ui et) + s,, при t с t,+r* u 1

и, си+6„ при I, ,+т С40)

^■>1 и -3 1 1

и, С13*<5„ при ^ ,-с* 5 I < т " 3-1

Рассмотрена методология и алгоритмы уточне!шя технического задания в случае, если имитационные исследования различных вариантов РОАСУ. по алгоритмам главы II, дают отрицательный результат. Если

I?

уточнение технического задания не приводит к положительному зОФек-ту или неЕэзмскко по технико-эконокическиу соображениям, внедрение ро.'.су признается экономически нецелесообразным.

В пятой главе разрабатываются методы и алгоритмы построения оптимальных траекторий движения робота (07ДРЗ, обеспечивающих гарантированную вероятность отсутствия столкновений манипулятора с внешними препятствиями и столкновения звеньев манипулятора между собой.

Рассматривается совокупность задач построения ОТДР, имеющих важное значение при роботизации химико-технологических процессов.

. На рис. 6 приведены особенности этих задач.

Приведем в качестве примера Формулировку задачи Анеобходимо для заданной на ЦдД^] Функции у3С1Э«^ « Р3 найти вектор и* СО, г е 11.0,1^], на котором выполняются следующие условия:

У3СО « гсчсоз. шз

еСч.ч.ы: = и. (423

при удовлетворении условий отсутствия столкновений

v

* £(.р(чСОЭ: ВерЕрСх.^СОЗ 2: гкр]£ Рп гсутствия самопересечений (х,С13); Вер^Сх.г)^п1 ьр'т

к ч^:

и при этом минимизируется Функционал

пйп ' пах"

чС1оЗ=ч0; чС103^5

1ч

1 = .4

а [Г ОСч.ч.иЗЛ],

1-Г»

(433

(443 (453 (453

(473 •

'•О

здесь £,ш - случайные помехи. Вер - вероятность события, ч - вектор обобщенных координат (угловых и линейных перемещений манипулятора), К - матрица инерции, Э - вектор эквивалентных сил. обусловленных эффектами гравитации, центробежными силами, противоэлектродвкжущи-мися силами, Г - кинематический оператор, ¿^СО - запрещенная область в момент- времени I. рСх,^)- расстояние между точкой х « ^ и &.СО, - "опасные" точки манипулятора. гср. гт1п - крити-

ческое (минимально допустимое3 расстояние, - расстояние между точками манипулятора х и г. К СО - множество опасных по са>астолк-ковению точек манипулятора, N - математическое ожидание.

Рис.6. Классификация задач оптимизации траекторий

Аналогично Формулируются задачи В,С.А,В,С.Б,Е

Л

о, е. Задача а'" отличается от задачи а1

детерминированной. модель»

(435 и условиями '43), С'¿43. Аналогично Формулируются задачи В ,С"

8х, сх, о1, е'мУч

Ех.

Предложен алгоритм рзпения задач гарантированного управления. Алгарктм предполагает: 1) регонкэ последовательности двтерминиро-вагякх опт;сглззлионнк< задач, отличающихся "ужесточением" дотсрмл-нирсвакшж условий по параметрам с^, с^:

рСх.^СО) 2 с^; ^.Сх.г) ^ с^. С4ВЭ

2)пронзрку выполнимости с43),с44) в условиях оптмиального сею:!;!:''.;

3)уточнение -Прощение следующей детзркилисованной задачи с ноеыми уточненными условиями С46). ' *

Для решения внутренних (детерминированных) задач с условиями

(48) Сгти задачи совладают с задачами А1, в1" и др., если с^-а Е диссертации предлагается ряд алгоритмов. эффективных

В ТСХ КЛИ нкл< условиях.

: |рэ дло^ьнкыз алг'Орнт?-^ долятся на два класса: прямые к дзкгм-

Прямыс алгоритмы построены на Сазе принципа максимума Понтря-гм.а и м--тсда динамического программирования. Принцип максимума применим для задач П1". Е1, С, Е. однако показано, что он неудобен при. решении задач А1. В1, С1, Ах. Вх. Сх. При сложных многозвенных }ашематических структурах робота, конструктивно допускающих столкновения звеньеЕ, при наличии препятствии использование этого метода и соответственно алгоритма .затруднительно. Метод динамического программирования более универсален к применим для Есех сформулированных задач Сем. рис.6), однако использование этого метода требует ботксую память к быстродействие ЭВМ, резко увеличивающиеся с ростом числа обобщенных координат.

Более быстродействующие алгоритмы, определяющие оптимальную траееторию приближенно, дают декомпозиционные методы. Эти методы традиционно позволяют рекать три задачи: нахождение оптимальной ди-енроткок и непрерывной траектории СОДТ и Н7, соответственно) к определение программ управления. В диссертации рассмотрены алгоритмы ранения есзх этих задач.

Разработанный метод оптимистичного направления позволяет учесть препятствия при поиске конфигурации манипулятора на очередном шаге. Этот метод заключается б том, что окрестность последней найденной точки ч охватывается п-мерной репеткой с небольшим шагом Ь, после чего, движение к искомой точке Ч2+1производится по углам этой решетки с использованием оценочной Функции, ранжирующей точки, у. алгоритма искусственного интеллекта, осуществляющего поиск на дереЕе состояний.

Для построения дискретных траекторий разработана группа специальных методов.К их числу относится метод оптимального пути, для нахождения которого используются идеи искусственного интеллекта, учитывающие не только накопления на 1-ом саге, но и прогноз потерь. Доказывается, что траектория Р=Сч0,ч:[____ч..), построенная алгоритмом оптимального пути, мккимизируат целевую Функцию к -1

1=2 лгСч1 3.

Разработан орстегальный кгтод построения непрерывной траектории по найденной дискретной, в том слу'-:ьз; если ОД? задана лаоамз-

трически. При этом решается задача нахождения непрерывкой Функции

Я&З и последовательность моментоз времени ЦДо.....1П- при кото~

рых выполняются условия

чСцЗ = чг-----чС1кЗ =

и время перенесения - мишиально.

Рекзние находится по Формулам

С4ЕЗ)

саз = 1<11' гдз ь

а

Ч " 11-Гл1>

Д. - иах 1

1Ч1'тах|

-яГ1

1 п |

если

ч

1-1 3

С5ЭЗ С513

С523

Предлодзнный алгоритм в отличие от сусзствукгнх позволяет найти траекторию такте и в том случае, когда составляющая зшггсра меняется кз монотонно. Вместе с тем, алгоритм :;е учитывает инерционность манипулядионной системы, разрывность санкции изменения сксрссги в моканты .....1п-1"

Зти недостатки устраклэтся при решении задачи определения непрерывной траектории ке только с учетом ее непрерывности,ко и гладкости. Для этого условия С433 дополняются ограничзнжм: чСь)-и начальными и конечными условиями:

аСО)<), аСЦЗО, ч сцзю. Решение этой задачи найдено методом кусочко-ларабзличесу.зй интерполяции:

ч'л: -

а^ ^Ь^Ь +с. I (" а.-Ь,^!.5 л. -ь-с.^Г

С^ < I

4-1

; <1

4-1* *

I

к

При этом раэрлботан выеоксэ^фектиз.чы.Ч алгорит ее решения.

Алгоритма гас »ста сптимадьлаХ лрсграк! движения манипуляторов реализован.; в снств:'„- ¿ьтс!-:а1 изирсванного ::рсекг;:рован:<л P2A.CZ.

.^с^д^эпа задача планирования раооти 'ял.-.зкти-д'; .состой. лаки-аи ек.-днкх Бозм^аю^кх зоздействкй,е.*.".гчайккл .и-ра>:т"_р прстекакил процессов, наавсткэсть Супругая пгдатли-гст:»

звеньев) манипуляторов, роботов определяют необходимость Формализации задач планирования работы коллективов роботов и сводятся к о^до.^а.'-: ил-крозаккэгс (вероятностного3 лкноЯного к нелинейного

К (QCl"*3) =пцп М {QCU)} (53)

и выполняются ограничения

Бег [Н, J>5, . i=l7n * (54)

9 1 a i где С(U ; - целевая Функция.

Сформулированные задачи линейного к нелинейного программирования содержат стохастические компоненты. Построена последователь-пост! детерминированных задач, решения которых тождественны ресе-ни" соответствующей задачи гарантированной оптимизации.

Рассмотрена задача гарантированного линейного программирования с суммируемой случайной величиной: необходимо найти вектор ü*«ü ,грк котором

С CU> CU ' V —» min СС53

v. ^'.олнл'стся ограничения

Г и, (v, )dv г 6, . (SS)

¿iiii

lb, U + v^ а, >, i=i7S. £5?)

гд? t,' Cv() - плотность распределения величины v v - математическое ожидание случайной величины v.

Доказана теорема: задача гарантированного линейного программирования (55)-(573 тождественно эквивалентна задаче детерминированного линейного программирования о нахождении вектора, на котором приникает минимальные значения (553 к удовлетворяются ограничения:

Ь^г^, i=T7i (583

где сС, - а, - 1, (59)

J ш. (v, )qv =5 (50)

t, - : 1 1

Для задачи с мульткляикатквиым вхождением случайной величины.

О (U3- V с и (51)

Е = (v. | v, Ь, U ь ь,>. 1=Г7й (Б2)

1 1 i ± j

доказана слсдлсшая теорема: Задача гарантированного линейного программирования (öl),(55),(62) тосдестЕонна детерминированной задаче

и = агу таг. '/Си при условии

•-,1 Ь. и 2 1-1.ш; ^ ь и 2 а, , 1*1. а;

где

Для задачи гарантированного линейного программирования. кегда

оси: = ее'-* V он. се4;

Е. - <у. ь;"и 2 а. >, С=3)

доказана теорэ.ча: Задача гарантированного диксйнсгс программирования (54),С55).С5э) тождественна детерминированной задаче.

зга тпСС"* V С )и

.три условиях

а?и * '^Ь/и.г- а,; - г ах .

где -определяется СйЗ).

3 главе сФормулировал и доказан ряд теорем, позвот.т«щс< .".о ?птк:2дъл>му значаще: спепиалышх дзтэ?мк:ироЕак!.-цх задч»

линсЛнсго прсгра«мир05ания С называемыми в работе сопухгзу) определять олт:с-лдь:асэ зкачэкия ссответсгзующих гарант ирезанд^ых задач лилейного прогга.,--чи?о£ани.~. Так, в частности, ясли и*- -ов.;-низ задачи гарантированного линейного программирования СЗЗ) - С^7), то оптимальное значение ССи*) цеповой Функции этой задачи равно ОСи">1 Су*; «-V,

где I Су*) - оптимальное решение сопутствующей задачи, Фсркулируч-

мей следующим образом: найти у*, максимизирующую I Су) г.

I Су) = 2 с( у. —► ,тах 1=1 - * при удовлетворении условий

где"с(; определяются Формулами С5Э) - (50).

Аналогично для других задач гарантированного линейного программирования найдены и теоретически обоснованы детерминирован;:^1 сопутствующие задачи, ращение которых позволязт определять значения палевой Функции гарантированных задач.

Разработанная теория решения гарантированных задач позволяет планировать работу коллективов роботов, обеспечивая требуемую ве-

23

роятность выполнения объемов работ, технических и технологических условий. В сакам деле целевая Функция и технологические ограничения являются, очевидно,случайными величинами. Однако как в РОАСУ.так н в РТгС все технологические ограничения должны быть выполнены с вероятность» не ¡мае заданной. Таким образом, имеется необходимость рассматривать к решать при управлении коллективом роботов задачи кадеяного оптимального управления.

В седьмой главе в соответствии с разработанной методологией разрабатывается и исследуется с помощью математических и экспериментальных методов РОАСУ синтеза азопигмзнтов.

Производство азопигмзнтов состоит из блоков (стадий): приготовления суспензий исходных реагентов, диазоткрования. азосочэта-нкя. Фильтрования, сушки к измельчения/ Основной. (определяющей) стадией производства является стадия диазотироБания.

В соответствии с методологией проектирования РОАСУ разработана имитацжлшая математическая модель процесса диазоткрования, полученная на основе полных и покомпонентных уравнений математического и теплового балансов и учитывающая гранулометрический состав суспензий на Еходе в диазотатор.

Проведенные исследования показывают, что традиционные АСУТП не обеспечивают необходимое качество продукта в условиях нормальной эксплуатации вследствие невозможности непрерывного измерения гранулометрического состава и инерционности состояния процесса.

азокрасителей

а) АСУТП получения даазосоединения;

б) робот-лаборант;

1,2,3- места отбора проб

3 главе описан разработанный робот-лаборант (рис. 761, позволя-гогзй отбирать пробы и измерять ганцентрацни процесса дказотирсса-кия -С^.С'л.С^л с достаточной точностью и частотой. Результаты оо-га-

Л )Г Г—.

лиза поступают в управляющую подсистему АСУ'ш (рнс.7а) н испол^зу-:ггся для адаптации математической модели и коррекция оптимальных управления. Таким сбразсм, предлагаемая РОАСУ относится, согласно терминологии главы 3, к система КСу.ЬЗ с активным адгср;ггмс:: оптимального управления.

Разработанное алгоритмического программное обеспечение позволило исследовать Функционирование РОАСУ и определить целесообразность ее внедрения .

Определено техническое задание на подсистему РОАСУ: на точность математических моделей, на определение оптимальной частоты отбора проб, на точность приборов роботсв-лаборакгоз, конкретизирующих состояния систем.

Проведена имитация РОАСУ с адаптивными математическими моделями, алгоритмами управления, алгоритмами восстановления гранулометрического состава сырья. Имитация проводилась з два этапа. На первом этапе исследовалась идеальная (работающая без погрегкостей) РСАСУ, на втором исследовалось ухудщпнке ее показателей вследствие неточности идентификации состояния, неточности и задержки ео времени реализации на объекте значений оптимальных управлений.

Сравнение реальных систем оптимального управления (СОУЗ и реальной РОАСУ показали существенное превосходство последней. Срок окупаемости РОАСУ по сравнении с лучЕимн АСР составляет 1-2 года. Таким образом, проведенные исследования показали целесообразность внедрения РОАСУ в производство азопигментов.

В процессе внедрения были предложены защищенный авторскими свидетельствами способы, конструкции аппаратов и установок по непрерывному производству азопигментов, а тшсв манипулятор и схваг робота.

3 еосьмой главе изучается производство обесФторивания ФосФатов и решается задача построения РОАСУ этим производством в соответствии с разработанной методологией и с использованием математических и экспериментальных методов.

Производство обесФторенных ФосФатов состоит из стадий приготовления исходного сырья с ©осФсрной кислотой, грануляции сырья и его обжиг зо вращающейся печи. Одной из основных трудностей эксплуатации производства получения, качественного продукта является постоянно-меняющееся ФосФатное,сырье, требующее при его изме-

.'•••'-:'•.■'•' 25

нениях нэеых технологических режимов. С этих позиций большое значение приобретает создание РОАСУ, позволяющее в автоматически режиме баз присутствия в опасных зонах воздействия излучений анализировать сырье и оперативно устанавливать оптимальные режимы.

Б главе рассматриваются задачи оптимизации получения обесФто-реннкых оосоатов традиционными методами, отличающимися мезду собой выбором целевых Функций, технологическими ограничениями и управляющий воздействиями Стабл.1).

Б табл.1 Ур=САш- Апр3/ Аш-100; Аш. Апр- масса Фтора в продукции и кихте, Е=В/6; В- расход топлива, О расход шихты, г^- тенпЕ-ратура в печи, время обесФторивакия, г^ - диаметр гранул, содержание паров вода в зоне реакции, - количество добавки еос-оорной кислоты, Од" массовая доля Р2°5"

" • Таблица 1

Задача Целевая Функция управляющие 'воздействия Технологические ограничения

Задача I .Степень обес-Фторивания V 2г. 23- 2425 у > уЗад Р2°5 Р2%' оср, • упап^ <у шах зад' 1 х.1

Задача II Удельный расход топлива Я V 22' 23. 24. 25 у > уЗад ,->,- уг>храд. в5взад. уй!п<у <у шах

Задача III Расход фосфорной кислоты О 23. 24, 25 ' Ур2°5" у > уЗ&Д р < о Хр - Ур . в - зад* • тлиПс'- <-7 шах

В диссертация построена математическая модель процесса обес-Сторивания ооссата, применимая в качестве имитационной модели Фун-кцкгнкрэзания традиционной АСУ и РОАСУ; выполнены исследования эо-Фективностк Функционирования этих систем •. в условиях непрерывной эксплуатации.

Исследования выявили низкую результативность применения тра-дицкзнкой АСУ7П. что ' объясняется присутствием в ©осФатнон сырье прлйсвй, макякщихся в процессе эксплуатации.

Для решения задачи оперативной оптимизации необходимо разработать методы идентификации сырья с помэпью роботов-лаборантов с 2£

зм, чтобы исключить или максимально сократить присутствие людей о вредзшх условиях.

Экспериментально показана принципиальная возможность исяоль-ования кондукгометрического мзтода измерения содержания Форстори-а в апатитовом концентрате.оказыЕакщяго вазнайшее влияние на :;оо-есс сбесФторквакия, оценена погрешность измерения, зависящая от одергания неконтролируемых компонентов и изменение температуры асплавоз.

Ка основании проведенных исследования сформулированы требования к роботу-лаборанту и разработаны конструкции робота, предназ-[аченныз для оперативного определения зида сырья и контроля конце-гтрации содержания Форстерита в ковдорском апатитовом концентрате.

Робот-лаборант производит классификацию еидов сырья, производит расчет содержания Форстерита по разработанному алгоритму, про-аводат статистическую обработку результатов концукгсметрическкх -гая ре имя с целью определения случайной погрешности, производит анализ состояния Функционирования Кондуктометра и вырабатывает оптимальную стратегию утфавления ходом аналитического измерительного процесса, производит автоматическую компенсацию температурной погрешности, осуществляет колиброзку и диагностику кондуктометра.

" Результаты экспериментов показали, что коррекция Физико-химических свойств ФосФатного сырья позволяет добиваться стабильного качества расплава при переработке любых видов апатитового концентрата.

Разработанный робот-лаборант предназначен для применения в РОАСУ производства сбесФторенных Фосаатоз.

Основными Функциями предлагаемой РОАСУ являются: а) оперативная идентификация сырья с помощью подсистемы роботов-лаборантов; б) коррекция состава сырья по предаваемой з работе кетодо-з; зЗ оптимизация резаа-.ов с учетом текущего состава сырья; г) выдача задания системам автоматической стабилизации.

3 работе приведена блок-схема обсзго алгоритма управлокы процессом обесФторивання ковдорскогс апатитового концентрата.РОАСУ. использующая этот алгоритм, относятся к классу 8СГ) с прогнозом изменения возмущающих воздействий. Проведена двухэталная имиташ« работы РОАСУ в соответствии с методологией главы XI.

Исследование идеальной РОАСУ на первом этапе показало Еысскуа эффективность ее работы. При этом найден оптимальный временной интервал работы роботов-лаборантов по идентификации состава сырья. На втором этапе имитировалась работа РОАСУ в условиях наличия по-

грещности в измерениях возмущений Г и задержки реализации найденных значений управления.

Сравнение результатов имитации традиционных АСУТП и РОАСУ, показали существенное превосходство РОАСУ по показателям полученного продукта.Это остается верным и при учете погрешностей в работе РОАСУ. Срок окупаемости РОАСУ по сравнений с традиционной АСУТП составляет 2.2 года.

Таким образом, приведенные исследования определяй! целесообразность внедрения предлагаемой РОАСУ 1?(П в производство обесо-торивания ФосФатоЕ.

Роботизированная автоматизированная система управления процессом обесФторивания крвдорского апатитового сырья принята для внедрения на Уваровском химическом заводе.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

Общим результатом работы является рещениз крупной научно-технической проблемы создания роботизированных автоматизированных систем управления химико-технологическими процессамии и производствами.

Е рамках решения данной проблемы получены следующие результаты:

1.Разработана концепция и алгоритмы Функционирования, принципы системного проектирования и методология синтеза роботизированных автоматизированных систем управления химико-технслогически-ми обьектами.

2. Создана методология и алгоритмы имитационного исследования различных типов РОАСУ.

3.Разработаны- и теоретически обоснованы методы и алгоритмы расчета оптимальных траекторий движения манипуляторов, обеспечивающих гарантированную вероятность выполнения технологических условий.

4.Создана теория и алгоритмы решения задач гарантированного линейного и нелинейного программирования.

5. Разработан комплекс математических описаний и моделей, предназначенных для управления сложными промышленными производствами и имитационного исследования к построения РОАСУ.

5.Разработана методология и алгоритмическое обеспечение рещ&-кия задачи оптимизации технического задания подсистем РОАСУ.

7. На базе разработанных теоретических основ и методологии синтеза РОАСУ создано специальное программное оЬоспечение систем автоматизированного проецирования РОАСУ.

8. Созданы и защищены авторскими свидетельствами робстстехки-

2о

чссккз устройства (манипуляторы и схват), системы автоматического управления и регулирования технологическими процессами при производстве азокрасителей.

3.Спроектирозанно н внедрено роботизированное автоматизированное непрерывное производство азопигментов (алого концентрированного, лакокрасочного и езлтого светопрочного.).

■ 10.Результаты выполненной работы успешно' внедрены на ТПО'ТШГ-МЕН7"(производство азокрасителей), ЗНИИЗХР (получение цианистого бензила), Уваро еском химическом заводе (производство обесоторенных Фосоатов) и др.

Озмдаемый экономический эФФект от внедрения одного робота-лаборанта з производстве обесФторенных ФосФатов составит 87.7тыс.руб. з год. Реальный экономический эффект, полученный от эксплуатации роботизированной автоматизированной системы управления производством азокрасителей в ТПО "ПИГМЕНТ"' составил 850 тыс. рублей в год (в ценах 1930 г.).

Основные материалы, отрагавпие результаты диссертационной работы излогенны в следующих публикациях:

1. Бодров В.И.,' Калинин В.Ф., Погснин В.А. Роботы в химической промышлзнности. -М., Химия, 1SS9. -136 С.

3. КаФаров В.В. .Бодров В.И. .Дворецкий С.И. .Дкмаев K.M. .Калинин З.Ф. .Романютин А.Н. .Утробин Н.П. НоЕое поколение гибких автоматизированных химических произЕодстЕ//ТОХТ. -1S92. -М2. -С. £54-230.

3. Бодров В.И..Дворецкий С.И., Калинин З.Ф. и др. Разработка и внедрение гибкой автоматизированной установки непрерывной технологии получения азокрасителей // Хим. пром-сть. - 1S86. - N1. -С.50-54. •

4. Смирнов З.Ю., Калинин З.Ф. и др. Автоматический контроль содераания силикатов магния в ковдорском аппатите кондуктометри-ческим методом//. Хим. промышленность. -1990. N?. -С. 30.

5. Баранов Б.А., Бодров 3.И., Дворецкий С.И., Калинин З.Ф. Проектирование аппарата для непрерывного диазотирования труднорастворимых аминов// Химическая промышленность. -1S82. N40. -С.612-616.

3. Бодров В.И.,Дзорецкий С.И.,Калинин В.Ф..Фролов С.В. Комплексное проектирование на ЭВМ установки диазотирования аминов и систем управления ее режимами// Хим. технология. -1583. -N1.-С. 37-33.

7. Бодров В.И., Дворецкий С.И.,. Калинин Б.Ф., Кудрявцев A.M. Математическое моделирование процесса получения азокрасителей // Изв. высш. учеб. завед. Химия и" хим. технология. - 1955. - Т. 28, вып.1. -С.81-86.

а. Еодрсз В. И., Васильев В.Ф., Дворецкий С. И., Калинин З.Ф. Оптимизация непрерывного диазотирования труднораствооимых аминов при получении азокрасителей // Хим. технология. -ISSc. -Т.29, вып. 6. -С.51-58.

9. Бодров 3. И., Дворецкий С. И., Калинин В. Ф., Полежаев А. Н., Оптимальное управление производством азокрасителей// Хим. технология . -1S85. -N4. -С.51-58.

10. Бодров В.И., Дворецкий С.'И., Калинин В.©., Фролов С:В. Оптимальное проектирование автонатизированэй установки получеши азокрасить-лэй // Оптимальное проектирование в задачах хнмическо: хаззюстгаония. МИХМ - И., 1SSS. -С. 43-53.

11. Герасимов Б.К.» Кисонко С.В., Смирнов В.Й., Калинин В.Ф. г. др. Совреуок-сое состояние к перспективы развития высокочастотной йсскозгте.ктю;'! нондукх омята: л промышленности гл т.роизгодсгг* нннзральных удобрений. -М., НЙКШКИ; i£S=. -HS С.

12. Касшагк и. Ф., катвейкин В. Г., Срслоь B.C. Построение полно? аналитической математической юдоли процесса обзссторквсиия оосФатов ео граааюшйоя печи// ВИНИТИ -N1. -193В. -С 159.

13. Калкн'ш В. Ф. Оптимизация робототахкичсской автоматизированной систе:и управления периодическим хккссэ-технологическим процессом. -Автоматизация химичеешх производств: Мехв\'зсв. сборки: научных трудов. / МЖ!. -К., 1990. -С. 124-131.

14. Бодров Б.К., Дворецкий С.К.,Калинин В.Ф. К^тодологкк создания и внедрения гибких автоматизкревщкых производственна»: систем в малотоннажной химий//Гибкие производственные системы химического лосфиля: Тез. докл. Всесоюз. конФ. -Д., 12а j. -Поепркнт N125. -С. 28-23.

1Ь. Калинин В.Ф, Задачи оптимизации управления роботами в химических производствах. -Азтоматкзация и роботизация химических производств: Кэшзузов. сборник изучи." трудов// К-ЙМ. -М., 1989. -С. B5-BS.

16. Bodrov V.I., Dvoretsky S.I., Kalinin V.F. Analysis and Design of Continuous Azodyes Synthesis Technology// X International Congress of Chemical Engineering, Chemical Equipment Design and Automation: Sujrjnaries oi" Papers. -Praha, Chechoslovakia. 1930. -V.l. -P.33.

17. Bodrov V.I.. Dvoretsky S.I.. Kalinin V. F., Poqonin V.A.. Utrobin N.P. Robotic cam System for Chemical Industry // IUPAC -IРАС'91 Conqress International, Analitical Schiences.- Tokyo, Japan. 1991. 5p.

18. Калинин В.Ф., Погонин В.А. Проектирование автоматизированных, роботизированных химкво-технэлогичееккх комплексов// динамка процессов и аппаг-атоЕ химической технологии: Тез. докл. Третьей Всесоюз. конф. -Воронеж., 1990. -С.160-151.

15. Попов Н.С., Калинин В.Ф. 0 координации действий, коллектива роботов// Автоматизация и роботизация в химической пюкьшлен-ностк: Тез.'докл. Всесоюз. кок®. -Тамбов., 19SS. -С. 102-103.

20. Kalinin V.F. .Nagdaev V. К. Automatic control system (Robotic) For The Chemical TECHN., International Syrr.pcsiurr.,- Sofia. Bulgaria. 1990.

21. Калинин В.Ф., Королькова E.M., НагдзевВ.К. Разработка роботкзированногс комплекса на базе атомно-абсопбционкого сг.е'-г-рокзтра// Тезисы докл. 7 научной конф. -Тамбов.. 195?. -С. £0-51.

22. Калшкн Е-!1-, ИатвсЯгскн 2.Г., Киконов А. К., t-ролоз С. В. К вопрос^ о моделировании процесса обесФторизанил фосфзтов/ НИИ-ТЭХИ?'.. - Черкассы, 1953.-14 С.

23. Банил В. А., Калинин Б. , Кулесов I). 3. Динамика программирования макилуляцкэншх систем колебательного типа// Автоматизация и роботизация химической промыгзенности: Тез. докл. Всесокз. коне. -Тамбов., 1953. -С.107-109.

24. Баранов Б.А.., Дворецкий С.И., Калинин В.*. Разработке автоматизированной установки синтеза азопигкзктов. - 3 :о:.: Ссврг-uzrj-zia кгтодз екьге-sa мо.:::-::; у. автоматов. - Tclv;oe, 1251. -С.217.

25. Бараков Б.А., Еэдров В.К., Дворецкий С.Й., Калинин Разработка к Енедренке автоматизированной непрерывкой техлзлогкк синтеза пигмзктз алого колцшггрировазшого. - В кк.: Си'.тез к про-.33