автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Принципы создания и разработка автоматизированных систем управления технологическими процессами

ЗЕДЕНИЕ.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ шва I. ИСКУССТВЕННЫЙ ИНТЕЛЛЕКТ КАК ОСНОВА СОЗДАНИЯ

РАЗВИТИЯ АСУТП

I. Введение в проблему.

I. Методология построения АСУТП.

1. Человеческий фактор в АСУТП.

Роль и место экспертных систем и систем принятия решений в АСУТП.

5. Концептуальная модель АСУТП.

5. Специализированные RISC-компьютеры. ива II. УПРАВЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ.

1. Введение.

2. Математические модели управляемых технологических процессов.

•3. Формы представления математических моделей.

•4. Структура математических моделей.

5. Управляемость.

6. Наблюдаемость.

7. Минимальная реализация.

8. Алгоритм исследования математических моделей.

•9. Математические методы решения оптимальных задач управления.

•10. Методы системного анализа и синтеза систем управления.

11. Постановка общей задачи анализа и синтеза.

•12. Системный анализ во временной и частотной области.

13. Метод структурного синтеза оптимальной системы управления и нтеза системы адаптивного управления.

14. Синтез оптимальной системы оценки состояния.

15. Алгоритм расчета структурной управляемости и наблюдаемости.

• 6. Алгоритм расчета аппаратурной управляемости и наблюдаемости.

17. Декомпозиционный алгоритм расчета управляемости и наблюдаемости

18. Алгоритм определения минимальной реализации.

19. Алгоритм системного анализа. пава III. ПРОЕКТИРОВАНИЕ АСУТП.

-2. Системный подход к проектированию АСУТП.173

-3. Экономическая эффективность АСУТП.176

-4. Надежность АСУТП.178 шва IV. ИНФОРМАЦИОННОЕ, МАТЕМАТИЧЕСКОЕ И ПРОГРАММ

ОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ АСУТП.183 г-1. Введение.183 г-2. Информация в АСУТП.183 г-3. Математическое обеспечение АСУТП.186 г-4. Программное обеспечение АСУТП.187 г-5. Некоторые аспекты построения баз данных и операционных систем.198 шва V. ИМИТАЦИОННЫЕ СТЕНДЫ И ТРЕНАЖНО-МОДЕЛИРУЮ

ИЕ КОМПЛЕКСЫ.213

1. Введение.213

2. Структура имитационных стендов и тренажно-моделирующих комплексов 214 -3. Информационное обеспечение имитационных стендов и тренажноаделирующих комплексов.219

-4. Математическое обеспечение имитационных стендов и тренажнозделирующих комплексов.230

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ тава VI. ИССЛЕДОВАНИЕ, ОПТИМИЗАЦИЯ И УПРАВЛЕНИЕ ПРО-ЕССОМ ГИДРОФОРМИЛИРОВАНИЯ ПРОПИЛЕНА ПРОИЗВОДСТ БУТИЛОВЫХ СПИРТОВ И 2-ЭТИЛГЕКСАНОЛА.249

-1. Технологические схемы процесса гидроформилирования.249

-2. Математическая модель ХТС отделения гидроформилирования .254

-3. Критерии эффективности.255

-4. Исследование ХТС отделения гидроформилирования.256

-5. Математические модели реакторов гидроформилирования пропилена.260

1. Реактор с внешним теплообменом.262

2. Реактор с внутренним теплообменом.267

-6. Исследование устойчивости реакторов гидроформилирования.268

-7. Исследование математических моделей реакторов гидроформилирова

1я.274

-8. Экспериментальное исследование реакторов гидроформилирования.280

-9. Анализ управляемости реакторов гидроформилирования с внутренним и ешним теплообменом.291

-10. Оптимизация режимов работы реакторов.295

1. Каскад реакторов смещения.295

2. Каскад реакторов вытеснения.299

-11. Выбор и исследование системы автоматического управления реактором 309

1. Анализ и синтез нелинейных систем автоматического регулирования . 314

2. Анализ и синтез системы оптимального управления.318

1-12. Системный анализ ХТС отделения гидроформилирования.346 шва VII. ИССЛЕДОВАНИЕ, ОПТИМИЗАЦИЯ И УПРАВЛЕНИЕ

РЕГАТОВ СИНТЕЗА АММИАКА.378

I-1. Постановка задачи.383

1-2. Оптимизация режимов стадий агрегата.387

1-3. Алгоритмы управления и программы оптимизации.399 шва VIII. ИССЛЕДОВАНИЕ И УПРАВЛЕНИЕ АГРЕГАТА МЕТАНО

V.407 шва IX. ИССЛЕДОВАНИЕ И УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССОМ АБСОРБ

ЙИ-ДИСТИЛЛЯЦИИ СОДОВОГО ПРОИЗВОДСТВА.432

ВКЛЮЧЕНИЕ.443 ггература.445

- 5

ВВЕДЕНИЕ.

Интенсивное развитие промышленности поставило ряд требований к проектированию новых производств. Безотходность производства, технологическая и энергетическая замкнутость, требуют глубокой проработки вопросов управления на качественно новом уровне.

Современный подход к созданию новых автоматизированных технологических процессов сформировал ряд требований к проектированию "интеллектуальных" АСУТП. Объединение теории систем и теории управления, ЭВМ и многого другого для создания современных и перспективных АСУТП только начинает появляться в научно-технических и справочных публикациях. Поэтому новые методы проектирования современных и перспективных АСУТП обуславливает актуальность представленной диссертации.

В диссертации излагаются основные проблемы создания современных и перспективных АСУТП с позиций общей теории систем, рассматриваются "методы интеллектуализации", свойства управляемости и наблюдаемости, а также их связь с технологическими и конструктивными параметрами, формулируются основы кибернетического исследования математических моделей технологических процессов и систем, методы синтеза определенного класса систем наблюдения и управления. Приведены основные идеи и принципы математического моделирования АСУТП, а также создания имитационных стендов и тренажно-моделирующих комплексов.

Рассматриваемая в диссертации методология проектирования АСУТП, стендов и тренажеров, на основе системного подхода, включающая программно-алгоритмическое обеспечение и комплекс технических средств, обеспечивает оптимизацию технико-экономических показателей, а также профессиональную подготовку операторов-технологов.

Повышение эффективности использования современных технических средств и профессиональных возможностей оператора-технолога АСУТП /как человеко-машинной системы/ в предлагаемых АСУТП удается достичь за счет увеличения степени интеллектуальности на основе использования экспертных систем и систем принятия решений, что стало в последние годы основной темой большинства работ по математической теории систем, а также позволяющих значительно расширить функции, реализуемые АСУТП.

Развивая в диссертации данную методологию автор дает в распоряжение инженеров-исследователей и проектировщиков научно-обоснованную стратегию системного исследования и формализованный подход к решению задач создания АСУТП.

Повышение эффективности использования технических средств и профессиональных возможностей оператора-технолога АСУТП /как человеко-машинной системы/ в современных и перспективных АСУТП предполагается достичь за счет увеличения степени интеллектуальности АСУТП, имитационных стендов и тренажно-моделирующих комплексов. Это стало возможным в связи с тем, что в последние годы особое внимание уделяется исследованиям, направленным на изучение психофизиологических механизмов операторской деятельности и разработке методов диагностики, прогнозирования и коррекции состояния оператора-технолога. Нейрокибернетические исследования позволяют выявить общие закономерности процессов организации переработки информации и управления в нервной системе, которая представляет высший уровень управления и связи в организме человека и обеспечивает деятельность оператора и поддержания достижимого в конкретных условиях оптимального функционального состояния. Это непосредственно касается проблемы созидания гармонической среды обитания оператора-технолога.

Применение при нейрокибернетическом подходе к оценке и прогнозированию состояния оператора-технолога методологических принципов собственно кибернетики обеспечивает своеобразие такого подхода по сравнению с традиционно используемыми методами. Можно считать, что нейрокибернетический подход к проблеме оператора-технолога позволяет выделить в ней новое "актуальное пространство". Учитывая использование нейрокибернетикой понятийного и математического аппарата собственно кибернетики, в рамках которой наиболее полно разработаны подходы и методы решения задач идентификации и прогнозирование состояния применительно к любым сложным системам, то становится ясной целесообразность нейрокибернетического подхода, позволяющего с новой точки зрения взглянуть на проблему функционального состояния оператора-технолога в современных и перспективных АСУТП. Полученные результаты позволили наметить перспективы создания и использования систем диагностики и прогнозирования функционального состояния для оценки состояния оператора-технолога с учетом его индивидуально-психологических особенностей. Использование методов искусственного интеллекта /создание экспертных систем и систем принятия решений в составе АСУТП, стендов и тренажеров/ позволяет значительно усложнить и расширить функции, реализуемые АСУТП.

Диссертация состоит из предисловия, 9-ти глав и списка литературы.

В первой главе излагаются основные проблемы искусственного интеллекта как основы создания и развития современных и перспективных АСУТП. Рассматриваются методология построения АСУТП и роль человеческого фактора в управлении. Приводятся роль и место экспертных систем и систем принятия решения в создании АСУТП.

Во второй главе рассматриваются основные вопросы системного анализа, приводятся исследования, в которых формулируется новый подход к совместному проектированию технологических процессов и систем автоматического управления. Показано кибернетическое исследование математических моделей и рассматриваются исследования важнейших динамических свойств - управляемости и наблюдаемости. Вводятся новые понятия, позволяющие определять физическую сущность сложных систем на стадии проектирования, методы и алгоритмы анализа, в основу которых положены управляемость, наблюдаемость и устойчивость систем.

Общая задача системного анализа формулируется как задача определения структуры и параметров системы, наиболее полно удовлетворяющих заданному критерию эффективности, с одновременным выполнением тех условий при которых возможно требуемое функционирование замкнутой системы. Для линейных и нелинейных систем, а также систем с запаздыванием разработан структурный синтез оптимальных систем управления и систем наблюдения, которые позволяют реализовать нормальные и пуско-остановочные режимы.

Разработаны алгоритмы минимизации количества управляющих входов и декомпозиции на управляемые подсистемы, а также алгоритм определения минимальной реализации.

В третьей и четвертой главах рассмотрены вопросы проектирования АСУТП. Приведен, современный подход к созданию информационного, математического и программного обеспечения АСУТП, а также вопросы системного проектирования технического обеспечения с использованием микро, мини, и мего-мини ЭВМ и программных систем Лисп, Пролог, Рефал и других, позволяющих нетрадиционным способом реализовать представление декларативных знаний, представление правил и задание управляющей структуры /зависимой или независимой/.

В пятой главе приводятся решения ориентированные на рассмотрение вопросов создания имитационных стендов и тренажно-моделирующих комплексов, их структуры, информационному, математическому, и программному обеспечению, позволяющих наиболее полно моделировать условия работы оператора-технолога и проводить обучение оператора-технолога инструктором-методистом и осуществлять контроль действий обучаемого, а также на типовые структуры и основные функциональные подсистемы АСУТП на базе многомашинных микропроцессорных распределенных вычислительных систем с модульной структурой.

Шестая глава содержит описание исследований технологических процессов и систем некоторых промышленных производств. В каждом случае показаны все основные этапы системного анализа, приведены результаты расчетов, конкретные примеры реализации.

В главах седьмой, восьмой и девятой приводятся решения по практической реализации вопросов связанных с исследованием, оптимизацией и управлением технологических процессов производств бутиловых спиртов и 2-этилгексанола, агрегатов синтеза аммиака и метанола, а также процесса абсорбции-дистилляции содового производства.

Подробный разбор методов и алгоритмов, изложенных в диссертации, позволит продемонстрировать возможности методологических основ системного анализа и современной теории управления.

Основные результаты

1. Рассмотрены научно-технические проблемы управления ХТП и ХТС. формулированы основные концепции, вытекающие из современных принципов гализы ХТС и синтеза САУ и общей теории систем.

2. Предложены формы представления математических моделей ХТС со гационарной и нестационарной структурой в виде динамических и логико-янамических моделей для ХТС с сосредоточенными и распределенными араметрами. Рассмотрены вопросы построения таких моделей, проверки ;екватности и коррекции их по экспериментальным данным. На основе теории травляемости и наблюдаемости разработан метод кибернетического исследования атематических моделей ХТС. Определены требования, которым должны довлетворять математические модели, используемые для выбора систем травления. Предложены методы и алгоритмы определения управляемости и на-иодаемости ХТС, топологический, на основе структурных матриц, алгебры эгики, матриц управляемости и наблюдаемости, матриц чувствительности, ^композиционный, а также с учетом погрешностей, обусловленных точностью гносительного допуска (при расчетах на ЭВМ) и точностью определения элементов атриц. Разработан общий алгоритм исследования ХТС, состоящий из:

- алгоритма расчета ХТС,

- алгоритма линеаризации математической модели ХТС,

- алгоритма анализа устойчивости ХТС.

3. Предложены методы системного анализа ХТО. во временной и частотной эласти, разработан общий алгоритм системного анализа ХТ1

4. Предложен новый подход к расчету элементов матрицы закона управления, эеспечивающего переходные процессы в системе с заданным качеством.

5. Разработан метод структурного синтеза САУ для ХТС с запаздыванием, ТС с распределенными параметрами и нестационарных ХТС. Разработан метод груктурного синтеза многоуровневых САУ для ХТС с измененной структурой.

6. Предложен метод определения оптимальных значений параметров ;тойчивой системы оценки состояния ХТС.

7. Использование математического аппарата теоретической части эзволило разработать алгоритмы исследования ХТС и управления, которые огут быть успешно применены при автоматизированном проектировании систем травления агрегатов химической технологии,

8. Созданы математические модели ряда промышленных химико-;хнологических процессов и систем. На основе системного анализа ХТС и синтеза тстем управления были разработаны и внедрены конструктивные и ;хнологические изменения аппаратов и их технологических режимов, а также тстемы автоматического управления для Ангарского и Салаватского гфтехимических комбинатов со значительной экономической эффективностью.

9. Результаты математического моделирования и исследование тех-элогических режимов и конструктивных параметров вновь проектируемых инструкций реакторов гидроформилирования пропилена; анализ и синтез ХТС и АУ отделения гидроформилирования пропилена крупнотоннажных производств

-444утиловых спиртов и 2-этилгексанола:, переданы в виде рекомендаций для ооектирования и внедрены на Пермском заводе оргсинтеэа.

10. Исследование и оптимизация агрегатов аммиака позволило определить тгимальные технологические режимы, разработать алгоритмы и программы ;ализации, а также разработать систему оптимального управления, которые тедрены на Северодонецком и Черкасском производственном объединении "Азот".

11. Результатом системного анализа ХТС агрегата метанола явилась эедложенная структура технологической схемы и АСУ ТП для Северодонецкого О "Азот" и Новочеркасского завода синтетических продуктов

12. Получена минимальная реализация динамической модели процесса )сорбции-дистилляции производства соды, на основе которой разработана система ггимального управления концентрационным и тепловым режимом, которая дрена на Лисичанском содовом заводе.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ