автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Разработка алгоритмов многоуровневого управления однотипным производством

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ МНОГОУРОВНЕВОГО УПРАВЛЕНИЯ.

1.1. Анализ процесса производства алюминия на нижнем (корпусном) уровне

1.2. Технологическое управление производством на уровне цеха.

1.3. Способы моделирования процесса управления в иерархической системе

1.4. Выводы.

2. РАЗРАБОТКА ТОПОЛОГИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ИЕРАРХИЧЕСКОГО СПОСОБА УПРАВЛЕНИЯ ПРЕДПРИЯТИЕМ.

2.1. Топологический метод синтеза сложных систем.

2.2. Разработка модели корпусного уровня управления.

2.3. Разработка модели цехового уровня управления.

2.4. Выводы.

3. МЕТОДИКА СИНТЕЗА МОДЕЛЕЙ МНОГОУРОВНЕВОГО УПРАВЛЕНИЯ.

3.1. Разработка математической модели нижнего уровня.

3.2. Разработка модели управления цехом.

3.3. Обоснование метода оптимизации управления.

3.4. Выводы.

4. РАЗРАБОТКА ОПТИМАЛЬНЫХ АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ

4.1. Оптимизация управления корпусом.

4.2. Оптимизация управления цехом.

4.3. Разработка структуры многоуровневого управления.

4.4. Рекомендации по внедрению системы.

4.4. Выводы.

1. Актуальность работы

Несмотря на некоторый спад производства в начале 90-х годов, российской алюминиевой промышленности удалось удержать уровень производства. Резкое сокращение внутреннего потребления было компенсировано увеличением поставок на внешний рынок. Россия удержала за собой 2-е место по производству алюминия после США, при этом, с начала 90-х годов экспорт алюминия вырос более чем в 5 раз.

Большая часть производимого в России алюминия (свыше 85%) вывозится из страны. В СССР производство алюминия составляло 10 - 12 кг на душу населения, а в современной России - 3 кг, тогда как в развитых странах -от 20 до 30 кг.

Один из путей снизить расходы по производству алюминия - это строить предприятия вблизи дешевого источника электроэнергии. В современной России сложилась ситуация, когда многие западные компании считают экономически целесообразным импортировать боксит или глинозем в Сибирь, производить там из него алюминий, а затем снова его экспортировать.

Химико-металлургические заводы строятся с учетом долгосрочной перспективы, и один из способов повысить их мощности - это так называемое "переоснащение", то есть модернизация существующего оборудования с целью повышения его производительности и экологической безопасности. Перспективными направлениями при такой модернизации являются внедрение технологии самообжигающихся анодов, технологии автоматической подачи глинозема, энергосберегающих технологий и т.п.

Алюминиевая промышленность - это экологически опасное производство, сопровождающееся выбросами в атмосферу канцерогенов -соединений фтора, бензола, солей алюминия и тяжелых металлов. Поэтому экологический фактор является одним из важных при модернизации производства алюминия. Большое внимание уделяется вопросам комплексного использования сырья и утилизации промышленных отходов.

Интенсификация и усложнение технологических процессов в алюминиевой промышленности, рост единичной мощности агрегатов и повышение требований к качеству продукции делают невозможным управление без систем автоматизации, а эффективное управление немыслимо без использования сложных многоуровневых систем управления с применением средств вычислительной техники.

Диссертационная работа посвящена разработке двухуровневой системы автоматического управления производством алюминия.

2. Цель диссертационной работы

Цель диссертационной работы состоит в разработке системы управления, моделировании и оптимизации технологического процесса производства алюминия на уровне корпуса и цеха. К основным задачам диссертационной работы относятся:

• анализ процесса производства алюминия на уровне корпуса;

• анализ технологического управления производством алюминия на уровне цеха;

• разработка топологической модели уровня корпуса и уровня цеха в двухуровневой системе управления производством алюминия;

• структурная идентификация объекта управления при помощи С-графов;

• параметрическая идентификация объекта управления методом регрессионного анализа;

• выбор и обоснование метода оптимизации управления;

• разработка алгоритмов оптимального управления корпусом и цехом;

• разработка структуры системы многоуровневого управления.

3. Методы исследования

В процессе синтеза многосвязной системы управления процессом производства алюминия использовались методы теории систем управления, методы теории графов, теория множеств, матричного исчисления, методы регрессионного анализа, симплексный метод.

Численные результаты работы получены с помощью пакета Matlab 6.0 (использовались специализированные пакеты расширения Optimization Toolbox, Statistics Toolbox, Symbolic Math Toolbox), математического пакета MathCAD 2000, пакета статистического анализа программы Excel фирмы Microsoft.

4. Научная новизна и вклад в разработку проблемы

Научная новизна работы заключается в следующем:

• предлагается рассматривать процесс производства алюминия на уровне корпуса и цеха как многосвязный объект управления;

• разработана формализованная методика синтеза двухуровневой системы управления производством алюминия;

• определены основные параметры, влияющие на электролиз алюминия на уровне корпуса и цеха;

• на основе топологического метода С-графов построена система управления процессом производства алюминия на уровне корпуса и цеха;

• разработаны математические модели уровней корпуса и цеха в стационарном режиме;

• построен алгоритм оптимального управления корпусом и цехом с учетом существующих ограничений на технологические параметры;

• разработана структура многоуровневого управления процессом производства алюминия.

5. Практическая ценность

Исследования выполнялись в рамках госбюджетной тематики «Топологические методы идентификации и синтеза систем управления многосвязными объектами» (код ГРНТИ 271919), выполняемой в Братском государственном техническом университете по направлению «Теория, методы и средства автоматизации систем переработки информации и управления».

Результаты диссертационной работы позволяют построить систему оптимального управления технологическими процессами производства алюминия на корпусном и цеховом уровне по выбранному критерию оптимальности - максимум выхода по току, с дальнейшей реализацией алгоритма управления на АСУ ТП БрАЗа.

Настоящие исследования служат основой для построения многосвязной системы управления производством алюминия на уровне корпуса и цеха, позволяющей вести оптимальное управление процессом по другим критериям оптимальности (максимальный срок службы электролизеров, минимальная себестоимость производимого алюминия) или в других режимах.

Полученные результаты могут использоваться для создания системы трехуровневой автоматизированной системы управления производством алюминия, включающей в себя уровень завода.

6. Апробация работы

Основные результаты работы докладывались на научно-технической конференции Братского государственного технического университета Естественные и технические науки - развитию регионов, 2002; Межвузовском тематическом сборнике трудов. Выпуск 6.- Санкт-Петербург, 2000; Межвузовском тематическом сборнике трудов. Выпуск 8.- Санкт-Петербург, 2002; Региональной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука. Техника. Инновации» (НТИ-2002) - Новосибирск: НГТУ, 2002; Региональной научно-методической конференции Братского государственного технического университета, 2003 г.

7. Публикации

По теме диссертации опубликовано 7 работ, в том числе 5 статей, 2 тезиса докладов.

8. Структура и объем диссертационной работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Объем работы составляет 153 страницы основного текста, 41 рисунок, 13 таблиц, 6 приложений. Список литературы содержит 77 наименований.

4.4. Выводы

1. Определив функцию цели и систему ограничений на переменные, задачу оптимального управления производственным процессом на обоих уровнях системы управления можно свести к модели линейного программирования.

2. Постановка задачи управления процессом сводится к нахождению максимального значения целевой функции, при определенных ограничениях на управляемые переменные.

3.Отработав алгоритм управления с помощью симплекс-метода, получен набор оптимальных переменных доставляющих максимум целевой функции.

4. Разработана структурная схема системы многоуровневого управления процессом производством алюминия. В автоматической системе оптимизации управление ведется по модели при условии поступления оперативной информации о выходных показателях процесса производства алюминия. Критерием оптимальности служит максимум выхода по току при ограничениях на управление. На основании полученных данных с объекта управления определяются оптимальные значения управляемых переменных, которые поддерживаются системой в определенных интервалах.

5. Для реализации разработанной системы управления на практике предлагается существующая распределенная двухуровневая система АСУ ТП, применяемая на БрАЗе.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Предлагается рассматривать процесс производства алюминия на уровне корпуса и цеха как многосвязный объект управления;

2. На основании этого подхода разработана формализованная методика синтеза двухуровневой системы управления производством алюминия;

3. Были определены основные параметры, непосредственно влияющие на вариации величин, участвующих в электролизе алюминия на уровне корпуса и цеха;

4. На основе предложенного топологического метода построен С-граф системы управления процессом производства алюминия на уровне корпуса и цеха, получена матрица системы, характеризующая зависимости технологических параметров;

5. Проведенный этап структурной идентификации дал возможность определить необходимые компоненты для этапа параметрической идентификации и в дальнейшем перейти к решению задачи оптимизации объекта по критерию максимального выхода по току на уровне корпуса и цеха;

6. При помощи метода регрессионного анализа разработана математическая модель уровней корпуса и цеха в статическом режиме;

7. Построен оптимальный алгоритм управления корпусом и цехом с учетом существующих ограничений на технологические параметры

8. На базе алгоритма оптимального управления разработана структура многоуровневого управления процессом производства алюминия;

1. Абрамов Г.А., Ветюков М.М., Гупало И.П., Костюков А.А., Ложкин Л.Н. Теоретические основы электрометаллургии алюминия. - М.: Металлургиздат, 1953. - 583 с.

2. Айвазян С.А. и др. Прикладная статистика: Исследование зависимостей: Справ, изд. / С.А. Айвазян, И.С. Енуков, Д.А. Мешалкин; под ред. С.А. Айвазяна. М.: Финансы и статистика, 1985.- 487 е.,ил.

3. Акулич И.Л. Математическое программирование в примерах и задачах. -М.: Высш. шк., 1986,- 319 е., ил.

4. Алпатов Ю.Н. Куликов Д.О. Математическая модель системы управления производством алюминия / Труды Братского государственного технического университета.- Том 1.- Братск: БрГТУ, 2002.

5. Алпатов Ю.Н. Куликов Д.О. Этап структурной идентификации системы управления производством алюминия / Труды Братского государственного технического университета.- Том 1.- Братск: БрГТУ, 2002.

6. Алпатов Ю.Н., Пискунов А.В. Способ записи матрицы операторов при синтезе системы методом структурных графов / Материалы XX научно-технической конференции БрИИ. Братск: БрИИ, 1999.

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

8. Белов В.В. и др. Теория графов. М., «Высш. школа», 1976.- 392 с. с ил.

9. Беляев А.И. Электролит алюминиевых ванн. М.: Металлургиздат, 1961.

10. Беляев. А.И. Металлургия легких металлов. М.: Изд-во "Металлургия", 1970,368 с.

11. Берж К. Теория Графов и ее применение. М.: Изд-во иностр. лит. 1962. -319с.

12. Бессонов Е.Ю., Иванов В.Т., Крюковский В.А. и др. Модели магнитного поля алюминиевого электролизера.// Цветные металлы. 1989. №10. С. 53

13. Бояревич В.В., Калис Х.Э., Миллере Р.П. и др. Математическая модель для расчета параметров алюминиевого электролизера //Цветные металлы. 1988. №7. С.63-66.

14. Бусленко Н.П. Моделирование сложных систем.- М.: Наука, 1988.

15. Быков Ю.М. Основы обработки информации в АСУ химических производств: Теория и расчет информационных подсистем. JL: Химия, 1986.- 152 с.

16. Вавилов А.А. Структурный и параметрический синтез сложных систем. -Л.: ЛЭТИ, 1978.- 114с.

17. Веников В.А., Веников В.Г. Теория подобия и моделирования (применительно к задачам электроэнергетики).- 3-е изд., перераб. и доп.-М.: Высш. шк., 1984, 439 е., ил.

18. Вентцель Е.С., Овчаров Л.А. Теория вероятностей и её инженерные приложения.- М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит. 1988.- (Физико-математическая б-ка инженера).- 480 с.

19. Виноградова Н.М. и др. Общая теория статистики.- М.: Статистика, 1968, 385 е., ил.

20. Вязгин В.А., Федоров В.В. Математические методы автоматизированного проектирования.- М.: Высш. шк., 1989.- 184с.

21. Глинков Г.М., Климовицкий М.Д. Теоретические основы автоматического управления металлургическими процессами. М.: Металлургия, 1985. 304с.

22. Громыко А.И., Шайдуров Г.Я. Автоматический контроль технологических параметров алюминиевых электролизеров.// Красноярский университет, 1984. 235 с.

23. Гуд Г.Х. Макол Р.Э. Системотехника. Введение в проектирование больших систем. М., Сов.радио, 1962

24. Гэри М., Джонсон Д. Вычислительные машины и труднорешаемые задачи: пер. с англ.- М.Мир, 1982.- 416 е., ил.

25. Денисов А.А., Колесников Д.Н. Теория больших систем управления: учебное пособие для вузов,- Д.: Энергоиздат, Ленингр. отд-ние, 1982.- 288 е., ил.

26. Дрейпер Н., Смит Г. Прикладной регрессионный анализ: в 2-х кн./ Пер. с англ. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Финансы и статистика. 1987.- 351 е.: ил,- (Математико-статистические методы за рубежом).

27. Дубов Ю.А., Травкин С.И., Якимец В.Н. Многокритериальные модели формирования и выбора варианта систем. М., Наука, 1986

28. Дьяконов В. MathCAD 2000.- СПб: Питер, 2000,- 592с.: ил.

29. Дьяконов В. MATLAB.- СПб: Питер, 2001,- 560с.: ил.

30. Е.Н.Панов, Г.Н.Васильченко, С.В.Даниленко, А.Я.Карвацкий, И.Л.Шилович, М.Ф.Боженко;Под общей редакцией Б.С.Громова. Тепловые процессы в электролизерах и миксерах алюминиевого производства. М.: Издательский дом "Руда и металлы", 1998. - 256 с.

31. Зуховицкий С.И., Авдеева Л.И. Линейное и выпуклое программирование. М., 1967,460 е., ил.

32. Иванов В.Т., Крюковский В.А., Щербинин С.А. и др. Совместный расчет электрического и магнитного полей алюминиевого электролизера.// Цветные металлы. 1989. №3.С.59-63.

33. Иващенко Н.Н. Автоматическое регулирование. Теория и элементы систем. Изд. 4-е, перераб. и доп. М., «Машиностроение», 1978. 736 с.

34. Кадрищев В.П.,Минцис М.Я. Измерение и оптимизация параметров алюминиевых электролизеров. Челябинск., издательство "Металл", 1995 -135 с.

35. Кафаров В.В., Дорохов И.Н. Системный анализ процессов химической технологии. М.: Наука, 1979. - 399с.

36. Кенинг Г., Блекуэлл В. Теория электромеханических систем. М.: Л.: Энергия, 1965.-423 с.

37. Контроль и автоматизация металлургических процессов. Глинков Г.М.,

38. Косырев А.И., Шевцов Е.К. М.: Металлургия, 1989. 352 с.

39. Крутилин Д.А. Разработка алгоритмического и программного обеспечения для синтеза систем управления топологическим методом. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. -Братск. 1999-27с.

40. Крюковский В.А. Разработка научных основ и технологии производства алюминия на электролизерах большой мощности: Атореф. дис.докт.техн.наук (в форме научного доклада). -СПб., 1992. 42с.

41. Кузин JI.T. Основы кибернетики: в 2-х т. Т.2. Основы кибернетических моделей.- М.: Энергия, 1979.- 584 е., ил.

42. Кузнецов Ю.Н. и др. Математическое программирование. Учеб. Пособие для вузов. М., «Высш. школа», 1976.

43. Куликов Д.О. Синтез системы управления процессом электролиза алюминия / Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ: Межвуз. темат. сб. тр. Вып.8. / СПбГАСУ.- СПб., 2002.

44. Линейное программирование. Ашманов С.А.- М.: Наука, Главная редакция физико-математической литературы, 1981.- 340 с.

45. Марк Д.А., Мак-Гоуэн К. SADT.- Методология структурного анализа и проектирования М.: Наука, 1993.

46. Мелихов А.Н. Ориентированные графы и конечные автоматы. Наука, 1971.-416с.

47. Месарович М.Д., Мако Д., Такахара И. Теория иерархических многоуровневых систем. М.: Мир, 1973.- 254 с.

48. Минцис М.Я. Исследование серии алюминиевых электролизеров как объекта контроля и управления. Л.: ВАМИ, 1973. - 161с.

49. Моисеев Н.Н. Математические задачи системного анализа. М.: Наука, 1981.

50. Молчанов А.Ю. Производство алюминия в электролизерах с верхним токоподводом. г.Братск, 1993. 146 с.

51. Общая металлургия (металлургия черных и цветных металлов) / Под ред. ЧелищеваЕ.В. Изд-во «Металлургия», 1971, 480с.

52. Пискунов А.В. Синтез многосвязной системы управления процессом электролиза алюминия методом структурных графов. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук.-Братск.1999 31 с.

53. Плис А.И., Сливина Н.А. Mathcad 2000. Математический практикум для экономистов и инженеров. М.: Финансы и статистика, 2000,- 656 е.: ил.

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

55. Проектирование систем автоматизации в металлургии. Справочник. В.Р. Ксендзовский, В.Ф. Лебедкин, Б.М. Миров и др. М., «Металлургия», 1983. 304 с.

56. Пытьев Ю.П. Математические методы интерпретации эксперимента.- М. Высш. шк., 1989, 351 е., ил.

57. Райцын Т.М. Синтез САУ Методом направленных графов. Л.: Энергия; 1970.-94 с.

58. Системы: декомпозиция, оптимизация и управление / Сост. М. Сингх, А. Титли; Сокр. пер. с англ. А.В. Запорожца.- М. Машиностроение, 1986.- 496 е.: ил.

59. Смородинов А.Н. Уточнение методов расчета и разработка математической модели электролизера для получения алюминия. Л.: ВАМИ, 1972.-28с.

60. Советов Б.Я., Яковлев С.А. Моделирование систем: Учеб. для вузов 3-е изд., перераб. и доп.- М.: Высш. шк., 2001.- 343с.: ил.

61. Солодовников В.В., Семенов В.В., Немель М., Недо Д. Расчет систем управления на ЦВМ. М.: Машиностроение, 1979. - 660 с.

62. Сучилин A.M. Применение направленных графов к задачам электроники. -Л.: Энергия, 1971.- 128 с.

63. Теретьев В.Г., Школьников P.M., Гринберг И.С., Черных А.Е., Зельберг Б.И., Чалых В.И. Производство алюминия. И.: Папирус-АРТ, 1998. -350с.

64. Турусов С.Н. Разработка оптимальных алгоритмов управления процессом получения алюминия по заданным критериям. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Братск. 2000 -29с.

65. Фрейберг Я.Ж.,Шилова Е.И.,Щербинин Э.В. Определение оптимальной формы рабочего пространства ванны алюминиевого электролизера//Цветные металлы. 1992. №10.С.28-31

66. Цвиркун А.Д. Структура сложных систем.- М.: Советское радио, 1975.- 198 с.

67. Цифровая обработка сигналов / А.Б. Сергиенко СПб.: Питер, 2002 - 608 е.: ил.

68. Чинаев П.И. Методы анализа и синтеза многомерных автоматических систем. Киев: Техника, 1969. - 378 с.

69. Эйкхоф П. Основы идентификации систем управления.- М.: Мир, 1975.689 с.

70. Юрков В.В., Манн В.Х., Пискажова Т.В., Никандров К.Ф. и др. Модель процесса электролиза алюминия.// Технико-экономический вестник. 1999. №13. С.11-15.

71. Янко Э.А., Лозовой Ю.Д. Производство алюминия в электролизерах с верхним токоподводом. -М.: Металлургия, 1976. 160 с.

72. Bruce A. Murtagh. Advanced Linear Programming: Computation and practice, McGraw-Hill International Book Company, 1981

73. Hassan M. Singh M.G. A hierarchical computational structure of near optimal decentralized control. IEEE Trans. SMC, July 1978

74. Haupin W. "Bath properties". The International Course in Process Metallurgy of Aluminum. Trondheim. June 03-07.1996.

75. Lothar von Collatz. Funktionalanalysis und numerische Mathematik. Die Grundlehren der mathematischen Wissenschaft \ Band 120, Springler-Verlag, 1964

76. N. R. Draper, H. Smith. Applied Regression Analysis (second edition), John Wiley & Sons, Inc., 1981

77. Singh M. A two level hierarchical control. North Holland Publishing Co. 1977.