автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Разработка и исследование интеллектуальной компьютерной системы управления энергоблоком теплоэлектростанции

Введение

Глава 1. Состав и структура интеллектуальной компьютерной системы управления энергоблоком

1.1 Краткие технологические сведения

1.2 Некоторые задачи АСУ ТЭС

1.3 Иерархическая структура управления

1.4 Некоторые особенности формулировки задач

1.5 Программный комплекс МО оптимизации и принятия решений

1.6 Технические постановки задач 37 Выводы к главе 1.

Глава 2. Алгоритмическое обеспечение ИКС управления котлоагрегатом

2.1 Основные сведения из непараметрического оценивания

2.2 Математические постановки задач идентификации и управления

2.3 Алгоритмы технической диагностики

2.4 Модели многомерных объектов без памяти

2.5 Непараметрические модели линейных динамических процессов

2.6 Многоканальные непараметрические регуляторы и их анализ

2.7 Алгоритмы управления и оптимизации статических объектов

Выводы к главе 2.

Глава 3. Численные исследования непараметрической модели и регулятора ЛДС

3.1 Численные исследования непараметрической модели

ЛДС невысоких порядков

3.2 Численные исследования непараметрической модели

ЛДС при идентификации объектов высоких порядков

3.3 Численные исследования работы непараметрического регулятора ЛДС при управлении объектами невысокого порядка

3.4 Численные исследования работы непараметрического регулятора ЛДС при управлении объектами высокого порядка

Выводы к главе 3.

Глава 4. Система управления качеством сжигания угля в котлоагрегате

4.1 Восстановление вероятностных характеристик входных и выходных переменных котлоагрегата по реальным данным

4.2 Восстановление регрессионных характеристик входных - выходных переменных котлоагрегата

4.3 Система управления качеством 112 Выводы к главе 4. 116 Заключение 117 Литература 118 Приложение

Актуальность проблемы. Проблема совершенствования управления промышленным производством обусловлена тем, что одно из наиболее перспективных направлений его развития тесно связано с использованием информационных технологий управления: Сегодня совершенно ясно, что коренное решение этой проблемы невозможно без широкого использования средств вычислительной техники (СВТ). В последнее десятилетие темпы освоения СВТ значительно возросли, а главное, существенно повысилась эффективность ее использования для управления современными промышленными предприятиями. На этом пути возникли новые задачи, решение которых требует развития исследований по новым направлениям теории и практики разработки систем управления.

Чем же обусловлено такое состояние дела? Во-первых, и это самое простое, значительно расширилась область применения СВТ, появилось большое разнообразие задач, требующих своего решения с помощью современных методов. Во-вторых, возникли задачи, математические постановки которых не укладываются в традиционные рамки, а поэтому и требуют для своего решения развитие новых методов. Одним из важнейших факторов, побудивших к поискам новых подходов, явилось наличие недостаточной априорной информации об исследуемом объекте для математической постановки задачи. В настоящее время накоплен большой опыт моделирования динамических систем на основе, определенных каким-то образом, параметрической структуры модели или класса моделей. В частности, задача идентификации в узком смысле сводится к оцениванию параметров, которые характеризуют динамику процесса. Подобный подход к решению задач идентификации достаточно широко изучен и включает в себя множество исследованных алгоритмов.

Однако проблема идентификации и управления линейными динамическими системами (ЛДС) сохраняет свою актуальность в случае, когда параметрический класс моделей процессов не известен. А эта ситуация часто встречается при разработке конкретных систем автоматизации. В этом случае естественно задачи идентификации и управления статическими и линейными динамическими системами рассматриваются в условиях непараметрической неопределенности, т.е. когда не известна параметрическая структура исследуемого процесса (В.П. Живоглядов, А.В.Медведев, В.Я.Катковник, А.И.Рубан, А.В.Лапко, А.А.Иванилов, С.Н.Чайка, Н.А.Сергеева).

Работа посвящена созданию комплексной компьютерной системы управления теплоэлектростанцией (ТЭС). Причем, основным объектом управления взят энергоблок, ключевым звеном которого является котельный агрегат. Создание компьютерной системы управления котельным агрегатом также является - комплексной задачей, включающей в себя подсистемы технической диагностики, регулирования и оптимизации технологического процесса горения угля. Учитывая недостаток априорных связей об исследуемом процессе, в работе разрабатываются модификации соответствующих алгоритмов на основе теории непараметрических адаптивных систем, а также вопросы их практического применения. Все это вместе взятое имеет своей целью повышение эффективности работы энергоблока, что и обусловливает актуальность работы.

Цель работы состоит в разработке структуры компьютерной системы управления основным производством ТЭС и, в частности, ее основным объектом •— энергоблоком. На этом пути необходимо было решить следующие задачи: сформулировать комплекс технических задач диагностики, управления качеством и оптимизации технологического процесса; разработать модификации соответствующих адаптивных алгоритмов, обеспечивающих обучаемость компьютерных систем; провести численное исследование непараметрических моделей и алгоритмов управления и оптимизации; осуществить экспериментальную проверку компьютерной системы оптимизации процесса сжигания угля в котельном агрегате энергоблока.

Методы исследования. В работе используются методы системного анализа, теории автоматического регулирования и управления, теории идентификации и распознавания образов, математической статистики, теории адаптивных и обучающихся систем, методов статистического моделирования.

Научная новизна. Основные научные результаты диссертационной работы состоят в следующем:

• даны технические и математические постановки задач технической диагностики состояния оборудования и технологического процесса, управления и оптимизации процесса сжигания угля в котельном агрегате;

• предложены модификации обучающихся непараметрических алгоритмов технической диагностики;

• разработаны конкретные непараметрические модели и регуляторы для линейных динамических процессов;

• предложен способ двухконтурного аналого-цифрового управления энергоблоком;

• разработаны различные схемы накопления информации и непараметрические алгоритмы управления качеством;

• предложены на основе численного исследования способы настройки различных непараметрических алгоритмов обучения.

Практическая ценность. Разработанная в диссертации структура иерархической системы управления положена в основу создания комплексной интеллектуальной компьютерной системы управления основным производством Красноярской ГРЭС-2. Система оптимизации процесса сжигания угля в котельном агрегате ПК-14-2 прошла предварительную экспериментальную проверку и позволит не только оптимизировать технологический процесс, но и сократить в 5-6 раз потери от "пережега" и "недожега" угля, что позволит получить значительный экономический эффект. Разработанное алгоритмическое обеспечение и схемные решения при создании интеллектуальной компьютерной системы управления энергоблоком могут широко использоваться на предприятиях энергетики, а также и в других отраслях промышленности.

На защиту выносятся:

1. Двухконтурная аналого-цифровая схема регулирования по различным каналам управления энергоблоком;

2.Адаптивные алгоритмы технической диагностики состояния оборудования и классификации технологических режимов;

3.Модификации непараметрических алгоритмов регулирования линейных динамических процессов;

4.Конкретные алгоритмы управления и оптимизации с использованием различных вариантов накопления информации;

5.Способ настройки непараметрических алгоритмов управления качеством, соответствующие различным производственным ситуациям.

Апробация работы. Основные результаты диссертации были представлены и докладывались на: IX Международном симпозиуме по непараметрическим и робастным методам в кибернетике (Красноярск, 1997г.), Межрегиональной конференции "Проблемы информатизации региона" (Красноярск, 1999г.), на Международной конференции "Интеллектуальные системы и информационные технологии управления" (Псков, 2000г.), IV Международном симпозиуме "Интеллектуальные системы"(Москва, 2000г.), научных семинарах кафедры Системного анализа и исследования операций (CAA, 1998-2000гг.), научных семинарах НИИ Систем управления, волновых процессов и технологий (1998-2000гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ. Личный вклад соискателя состоит в постановке задач оптимизации режимов работы энергоблока, разработке модификаций алгоритмов диагностики, моделирования, управления и оптимизации дискретно-непрерывных процессов, а также схемы их численного исследования.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 124 страниц. Библиография содержит 87 названий.

Результаты работы могут быть применены при создании комплексных компьютерных систем управления основным производством ТЭС и ее отдельными объектами, а также и на других предприятиях энергетической отрасли.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Ротач В.Я. Теория автоматического управления теплоэнергетическими процессами. - М.: Энергия, 1989.-308с.

2. Рыжкин В.Я. Тепловые электрические станции. -М.: Энергия. 1967. 400с.

3. Арзамасцев Д.А., Бартоломей П.И., Холян A.M. АСУ и оптимизация режимов энергосистем. М.: Высшая школа, 1983. -208с.

4. Мелентьев Л.А. Системные исследования в энергетике. -М.: Наука, 1979.-312с.

5. Побожей А., Парфенов А., Жердев О. АСУ ТП Нижневартовской ГРЭС // Современные технологии автоматизации. 1999. №3. С.48-60.

6. Коробкин Н., Лопаткин Б., Липчук В. Универсальная система автоматизированного управления тепловыми агрегатами // Современные технологии автоматизации. 1998. №2. С.58-63.

7. Липаев В.В. Проектирование математического обеспечения АСУ (системотехника, архитектура, технология).-М.: «Сов. Радио», 1977.-412с.

8. Волков В.И., Казаков Б.В., Медведев A.B. Диалоговая система оптимизации и принятия решений для управления производственным комплексом с непрерывным характером технологического процесса. -Красноярск: Препринт ВЦ СО АН СССР № 14, 1985.-35с.

9. Гроп Д. Методы идентификации систем. М.: Мир, 1979.-283с.

10. Льюнг Л. Идентификация систем, М.: Наука, 1991.-421с.

11. Сейдж Э.П., Меиса Д.Л. Идентификация систем управления. М.: Мир, 1974.-387с.

12. Эйкхофф П. Основы идентификации систем управления. М.: 1975.-412с.

13. Цыпкин Я.3. Основы информационной теории идентификации. М.: Наука, 1984.-421с.

14. Катковник В.Я. Непараметрическая идентификация и сглаживание данных. -М.: Наука, 1985.-415с.

15. Parzen Е. On Estimation of a Probability Density, Function and Mode // IEEE Transactions on Information Theory, vol. Pami-4, №6, 1982.- p. 663-666.

16. Живоглядов В.П., Медведев A.B. Непараметрические алгоритмы адаптации.- Фрунзе: Илим, 1974. -147с.

17. Живоглядов В.П., Медведев A.B. Непараметрические стохастические алгоритмы управления и поиска экстремума // Автоматика и вычислительная техника.- Рига: Знание, №2, 1973.- С. 16-20.

18. Заде Л. Чезоер Ч. Теория линейных систем.- М.: Наука, 1970.-589с,

19. Катковник В.Я. Линейные оценки и стохастические задачи оптимизации.-М.: Наука, 1976. -437с.

20. Крамер Г. Математические методы статистики.- М.: Мир, 1975.-821с.

21. Медведев A.B. Непараметрические системы адаптации.- Новосибирск: Наука, 1983.-173с.

22. Медведев А.В. Непараметрические оценки плотности вероятности и ее производных // Автоматизация промышленного эксперимента.- Фрунзе: Илим, 1973,- С. 22-31.

23. Медведев А.В. Об идентификации линейных динамических систем // Алгоритмы и программы в системах обработки экспериментальных данных.- Фрунзе: Илим, 1975.- С. 14-26.

24. Medvedev A.V. Identification and control for linear dynamic systems of unknown order. // Optimization Techniques IFIP Technical Conference / Berlin Heidelderg - New-York: Springer - Verlag, 1975. - p. 48-55.

25. Medvedeva N.A. Nonparametrical Estimation of Statistical Characteristics in Problem of Modeling. Proceeding of the international Conference « Computer Data Analysis and Modeling, Minsk: BSU, 1995. - p. 89-93.

26. Medvedeva N.A. Nonparametric Modeling Algorithm's of Dynamic Processes// CDAM: Proceedings of Fifth international Conference, V. 2: Minsk, BGU, 1998.-p. 5-10.

27. Иванилов А.А. Алгоритмы идентификации и управления для ЛДС в условиях непараметрической неопределенности: Дис.канд. техн. Наук/ ТПЧ, Томск, 1986.-148с.

28. Медведева Н.А. Непараметрические модели и регуляторы // Известия Вузов. Физика. 1995. № 9. С. 124-129.

29. Надарая Э.А. Непараметрические оценки плотности вероятности и кривой регрессии,- Тбилиси: Тбил. ун-т, 1983.-286с.

30. Надарая Э.А. Об оценке регрессии // Теория вероятностей и ее применение. Т9, вып. 1, 1964.- С. 157-159.

31. Надарая Э.А. Непараметрические оценки кривой регрессии // Труды ВУ АНГрССР.- Тбилиси: вып. 5, 1965.- С. 56-68.

32. Надарая Э.А. Замечания о непараметрических оценках плотности вероятности и кривой регрессии // Теория вероятностей и ее применение. Т. 15, вып. 1, 1970.-С. 139-142.

33. Обучающиеся алгоритмы в системах управления и обработки информации. Под ред. Медведева А.В.- Новосибирск: Наука, 1978.-237с.

34. Лапко А.В., Медведев А.В. Непараметрическая оценка многомерной плотности вероятности.- ГФАП, 1975.-№ 1100-1213.

35. Лапко А.В., Медведев А.В. Непараметрические алгоритмы восстановления неизвестных зависимостей.- ГФАП, 1976.-№ 1100-1853.

36. Куликовский Р. Оптимальные адаптивные процессы в системах автоматического регулирования.- М.: Наука, 1967.-423с.

37. Дмитриев Ю.Г., Тарасенко Ф.П. Об оценивании функционалов от плотности вероятности и ее производных// Теория вероятностей и ее применение,- Вып. 18, №3, 1973.- С. 662-668.

38. Дмитриев Ю.Г., Тарасенко Ф.П. Об использовании априорной информации при оценивании линейных функционалов от распределений //Математическая статистика и ее приложения.- Томск: ТГУ, вып. 4, 1976.-С.52-62.

39. Дмитриев Ю.Г., Тарасенко Ф.П. О непараметрическом оценивании функционалов// Труды VI Конгресса ИФАК по стохастическому управлению.- Будапешт: 1974.-С. 49-56.

40. Добровидов A.B. Непараметрическая оценка оптимального байесовского риска в задачах фильтрации случайных сигналов// Автоматика и телемеханика, 1971. № 10. С. 56-61.

41. Добровидов A.B. Об одном алгоритме непараметрической оценки случайных многомерных сигналов // Автоматика и телемеханика, № 2, 1971,-С. 121-129.

42. Епанечников В.А. Непараметрическая оценка многомерной плотности вероятности// ТВ и П, 1969. Т. XIV. С. 156-161.

43. Заварин А.Н. О вероятностных моментах непараметрической оценки функции регрессии // Автоматика и телемеханика, №4, 1985.- С. 57-68.

44. Иванилов A.A. Алгоритмы идентификации и управления для линейных динамических систем в условиях непараметрической неопределенности: Дис. .канд. техн. наук/ ТПИ, Томск, 1986. -148с.

45. Иванилов A.A. Об алгоритмах идентификации линейных систем с запаздыванием // Стохастические системы управления,- Новосибирск: Наука, 1978,- С. 109-119.

46. Конаков В.Д. Непараметрическая оценка плотности распределения вероятностей // Теория вероятностей и ее применение. Т. 17, вып. 2, 1972.-С. 377-379.

47. Кошкин Г.М., Симахин В.А., Тарасенко Ф.П. Об одной оценке сложной функции распределения и линии регрессии // Материалы IV научной конференции по математике и механике.- Томск: ТГУ, 1974.- С. 135-136.

48. Кошкин Г.М. Об одном подходе к исследованию функционалов от условных распределений при статистической неопределенности // Автоматика и телемеханика, №8, 1978.- С. 53-65.

49. Первозванский A.A. Математические модели в управлении производством,- М.: Наука, 1975.-739с.

50. Пугачев B.C. Теория случайных функций. М.: Физматгиз, 1960.-827с.

51. Рубан А.И. Идентификация стохастических объектов на основе непараметрического подхода // Автоматика и телемеханика, № 11, 1979.-С. 106-117.

52. Рубан А.И. Идентификация и чувствительность сложных систем.- Томск: ТГУ, 1982.-351с.

53. Руднев А.П. Исследование не параметрических алгоритмов идентификации динамических объектов // Системы управления.- Томск:ТГУ, 1977.-С.58-72.

54. Сейдж Э.П., Мелса Д.Л. Идентификация систем управления.- М.: Наука, 1974.-571с.

55. Сергеев В.Л. Об одном классе адаптивных непараметрических алгоритмов идентификации // Обучающиеся алгоритмы в системах управления и обработки информации.- Новосибирск: Наука, 1978, с. 111-119.

56. Современная теория систем управления. Под ред. Леондеса К.Т., пер. с англ. под. ред. ЦыпкинаЯ.З.-М.: Наука, 1970.-597с.

57. Современные методы идентификации систем. Под ред. Эйкхоффа П., пер. с англ. под. ред. ЦыпкинаЯ.З.-М: Мир, 1983.-412.с.

58. Срагович В.Г. Теория адаптивных систем.- М.: Наука, 1976.-417с.

59. Тарасенко Ф.П. Непараметрическая статистика.- Томск: ТГУ, 1976.-385с.

60. Тарасенко Ф.П. Основы системного анализа.- Томск: Изд-во НТЛ, 1997.-396с.

61. Фельдбаум A.A. Основы теории оптимальных автоматических систем.- М.: Наука, 1966.-63 6с.

62. Фомин В.Н., Фрадков А.Л., Якубович В.А. Адаптивное управление динамическими объектами.- М.: Наука, 1981.-471с.

63. Цыпкин Я.З. Адаптация и обучение в автоматических системах.- М.: Наука, 1968.-428с.

64. Янушевский Р.Т. Теория линейных оптимальных многосвязных систем управления.- М.: Наука, 1973.-511с.

65. Лапко A.B. Непараметрические методы классификации и их применение. -Новосибирск: Наука. 1993. 152с.

66. Lunze J. Robust Multivariable Feedback Control. New York London: Prentice Hall, 1989.-375p.

67. Глускер Б.Н., Таран O.E. Носов Б.И. Обработка технологии пуска энергоблока мощность 300 Мват с котлом ТГМП-114 Костромской ГРЭС на скользящем давлении // Теплоэнергетика. 2000. №5. С.59-62.

68. Каминский В.П. О совершенствовании системы прогнозирования состояния и объемов ремонта экранов котла // Теплоэнергетика. 2000. №4. С.34-38.

69. Мань Н.В. Робастная настройка многосвязных систем управления по «мягкой» степени колебательности // Теплоэнергетика. 2000. №2. С.48-52.

70. Мань Н.В. Оптимизация многосвязных систем управления с помощью методов нелинейного программирования // Теплоэнергетика. 1998. №10. С.48-52.

71. Михлевский A.A. Информаилонно-управляющая система парового котла // Современные технологии ароматизации. 1997. №4. с.26-32.

72. Кирсанов Ю.А. Математическое моделирование тепловых процессов в регенеративном воздухоподогревателе // Теплоэнергетика. 1999. №1 с.51-54.

73. Зюх В., Пилюгин A.B., Голуб А.Ф., Мирошниченко С.А. Реконструкция и модернизация АСУ ТП Новгородской ТЭЦ // Теплоэнергетика. 1999. №10. С.40-46.

74. Биленко В.А., Деркач H.H., Никушевич A.A. Разработка и внедрение систем регулирования основных параметров котла в составе АСУ ТП энергоблока 500 МВт Рефтинской ГРЭС. // Теплоэнергетика. 1999. №10. С.2-8.

75. Гуртовцев A.JI. Комплексная автоматизация энергоучета на промышленных предприятиях и хозяйственных объектах // Современные технологии автоматизации. 1999. №3. С.48-60.Список трудов автора

76. Данилов В.В., Славин B.C., Паныпин А.Б. Концепция энергосберегающей, экологически чистой системы городского теплоснабжения. Препринт НИИ СУВПТ, Красноярск: НИИ СУВПТ, 1998. С. 14.

77. Паныпин А.Б. Об информационных технологиях управления ТЭС. Проблемы информатизации региона. ПИР 99: Тез. докл. V Всероссийской научно-практической конференции./ Под ред. Е.А.Вейсова, В.И.Подшивалова. Красноярск: НИИ СУВПТ, 1999. С. 172-173.

78. Паныпин А.Б. Об разработке интеллектуальной компьютерной системы управления ТЭС. Вестник НИИ СУВПТ, вып. I. Красноярск: 1999.

79. Кузнецова О.В., Паныпин А.Б. Компьютерная система управления качеством работы энергоблока. Вестник НИИ СУВПТ, вып. I. Красноярск: 1999.

80. Паньшин А.Б. Некоторые задачи совершенствования управления ТЭС. Вестник НИИ СУВПТ, вып. И. Красноярск: 1999. С. 113-127.

81. Кирик Е.С., Паньшин А.Б. Непараметрические алгоритмы в информационных технологиях технической диагностики. Вестник НИИ СУВПТ, вып. II. Красноярск: 1999. С. 83-96.

82. Кузнецова О.В., Паньшин А.Б., Пупков А.Н., Сергеева H.A. Непараметрические модели и регуляторы в информационных технологиях управления. 4.1. Вестник НИИ СУВПТ, вып. II. Красноярск: 1999. С. 128150.

83. Кузнецова О.В., Паньшин А.Б., Пупков А.Н., Сергеева H.A. Непараметрические модели и регуляторы в информационных технологиях управления. 4.2. Вестник НИИ СУВПТ, вып. II. Красноярск: 1999. С. 151167.

84. Красноштанов А.П., Паньшин А.Б. Идентификация многосвязных объектов в реальных условиях. Вестник НИИ СУВПТ, вып. II. Красноярск: 1999. С. 192-205.

85. Качан Я.В., Кузнецова О.В., Медведев A.B., Панынин А.Б. О задачах моделирования и оптимизации процессов горения угля в котлоагрегате. Труды IV международного симпозиума "Интеллектуальные системы". Москва: МГТУ, 2000.