автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Разработка и исследование систем автоматического управления тепломассообменными процессами отделения выпаривания производства аммиачной селитры

«о

"Сг>

, с=

3 "Ч

Національний технічний університет України

“Київський політехнічний інститут”

ОЛІЙНИК Сергій Юрійович

¿0/ / УДК 661.25

Розробка та дослідження систем автоматичного керування тепломасообмінними процесами відділення випарювання виробництва аміачної селітри

Спеціальність 05.13.07 - Автоматизація технологічних процесів

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Київ-1998

Дисертацією є рукопис Роботу виконано на кафедрі автоматизації теплоенергетичних процесів Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут” (НТУУ "КПГ)

Науковий керівник: кандидат технічних наук,

доцент кафедри АТЕП НТУУ "КПГ Мовчан Анатолій Павлович.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор,

Романенко Віктор Демидович Навчально-науковий комплекс "Інститут прикладного системного аналізу", заступник директора по навчальній роботі;

кандидат технічних наук, доцент кафедри автоматизації технологічних процесів Українського державного університету харчових технологій Ельперін Ігор Володимирович.

Провідна організація: Інститут проблем математичних машин та систем НАН України, відділ систем автоматизації технологій та обладнання, м.Київ.

Захист дисертації відбудеться "2%"_______1998р. о 14.30 на

засіданні спеціалізованої ради Д 026.002.04 при Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут” за адресою : 252056, Київ, пр.Перемоги, 37, корпус 18, аудиторія 432.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут” за адресою : 252056, Київ, пр.Перемоги, 37.

Відгуки на автореферат просимо надсилати на ім'я вченого секретаря спеціалізованої ради за зазначеною адресою

Автореферат розіслано _______1998 р.

Учений секретар спеціалізованої ради кандидат технічних наук, професор

Л.С.Ямпольський

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ.

Метою роботи є розробка математичних моделей, методів та засобів для синтезу і реалізації систем керування теяломасообмінними процесами відділення випарювання виробництва аміачної селітри.

Для досягнення цієї мети:

- виконано дослідженім відділення випарювання як об'єкта автоматичного управління та розроблено математичні моделі процесів;

- розроблено та досліджено методи та алгоритми синтезу регуляторів з показниками якості не гірше, ніж задані;

- розроблено модифікацію опгимізаційного методу Хука-Дживса;

- запропоновано критерій оцінки якості функціонування САК об'єктом, що працює па різних режимах;

- розроблені методи реалізовано у вигляді проблемно-орієнгованої програмної системи (ІІС);

- досліджено роботу пристрою для вимірювання концентрації плаву аміачної селітри за температурою кристалізації речовини.

Автор захищає.

1. Математичні моделі тепломасообміїших процесів відділення випарювання виробництва аміачної селітри.

2. Метод аналітичного синтезу лінійного регулятора, що забезпечує показники якості роботи системи не гірше, ніж задані, і містить в собі функціональне перетворення матриць з використанням отриманих співвідношень, за допомогою яких задаються час регулювання та ступінь затухання.

3. Методику розв'язання задачі параметричного синтеза регулятора довільної структури, в якій для завдання показників якості роботи використовуються еталонна модель.

4. Модифікацію метода Хука-Дживса для мінімізації функції багатьох змінних.

5. Методику одержання еталонної моделі, що містить в собі процедуру апроксимації об'єкту лінійною структурою і аналітичний синтез регулятора стану з показниками якості не гірше заданих.

6. Пристрій для вимірювання температури кристалізації речовини, конструкція якого для підвищення точності вимірювання доповнена ємністю з еталонною речовиною.

Актуальність досліджень. Основним показником роботи виробництва аміачної селітри є кількість готового продукгу відповідної якості. Порушення норм технічного регламенту призводить до значного недоотримання продукції, знижує агрохімічну ефективність

добрив. Процес випарювання грає вирішальну роль у формуванні якісних показників продукції. Тут мають місце і значні витрати енергії. Дотримання норм технічного регламенту можливе тільки за умови використання сучасних систем автоматичного керування.

В сфері автоматизації та управління хімічним або теплоенергетичним виробництвом ситуацію, яка склалася, можна охарактеризувати слідуючими моментами:

1. Нерівномірна робота підприємств галузі, що обумовлена несвоєчасністю поставок енергоносіїв та сировини і призводить до зниження ефективності виробництва.

2. Різке підвищення вартості приборів та засобів автоматизації, що робить дуже важким проведенім модернізації виробництва з мстою підвищенім якості функціонування систем керування за рахунок використання нових пристроїв.

Зважаючи на це актуальним є підвищення ефективності роботи відділення випарювання за рахунок вдосконалення існуючих систем і засобів автоматизації.

Методи досліджень. В роботі використовувались методи динамічного програмування, послідовних наближень, нелінійного програмування; основні положення теорії матричного обчислення.

Наукова новизна. Отримані і досліджені математичні моделі тепломасообмінних процесів відділеній випарювати виробництва аміачної селітри. Розроблено метод аналітичного синтезу лінійного регулятора, що забезпечує показ-ники якості роботи системи не гірше, ніж задані. Досліджено роботу методів нелінійного програмування при розв'язанні задачі параметричного синтезу, запропоновано модифікацію методу оптимізаиії Хука-Дживса, що дозволяє в 2-3 рази збільшити швидкість збіжності алгоритму. Для оцінки якості роботи САК об'єктом зі змінними параметрами запропоновано адитивний інтегральний критерій якості.

Практична цінність. Розроблені інженерні методики та алгоритми аналітичного синтезу систем з часом регулювання та ступенем затухання не гірше, ніж задані, та параметричного синтезу регуляторів з еталонною моделлю дозволяють отримувати САК з будь-яким комплексом показників якості її робота. Створена ПС може використовуватись для досліджеїшя та синтезу систем керуваїпія для переважної більшості технологічних об'єктів промисловості.

Підвищена точність роботи вимірювача температури кристалізації за рахунок використання в його конструкції еталонного калібруючого елементу.

Реалізація роботи. Розроблені методики синтезу, програма та датчик концентрації використані при впровадженні АСУ ТП виробництва аміачної селітри на Череповсцькому ВО "Азот". ПС була впроваджена у складі АРМ персоналу ЦТАВ на Київській ТЕЦ-5. ПС

з

також була використана при виконанні державної наукової роботи “Сучасні методи створення систем комплексної автоматизації технологічних процесів”, де за її допомогою були розраховані параметри САУ сушіння деревини.

Методики синтезу регуляторів та ПС використовуються в учбовому процесі кафедри автоматизації теплоенергетичних процесів в курсах “Моделювання та оптимізація систем керування” та “Комп'ютерне проектування АСУ ТИ”.

Апробація роботи. Основні положення роботи обговорювались та доповідались на наукових конференціях “Комп'ютерні системи управління хіміко-технологічними процесами” (Київ, 1989), “Інтелектуалізація систем керування” (Баку, 1991), “Системний аналіз, моделювання і керування складними процесами і об'єктами на базі ЕОМ” (Ташкент, 1991), "Нові комп’ютерні технології САПР і АСУ в промисловості, енергетиці та будівництві" (Алушта, 1997), наукових семінарах кафедри АТЕП Національного технічного університету України "КІН".

Публікації. За результатами досліджень опубліковано 8 друкованих робіт.

Структура і обсяг. Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку літератури та додатку. Основний зміст роботи викладений на 145 сторінках, враховуючи 34 рисунки і 5 таблиць. Список використаних літературних джерел містить в собі 104 найменування.

У вступі обгрунтована актуальність теми, приведена загальна характеристика роботи.

У першому розділі досліджені технологічні особливості виробництва аміачної селітри як об'єкта управління, проаналізовано стан автоматизації відділення випарювання, сформульовано задачі досліджень.

У другому розділі розроблені і перевірені на адекватність математичні моделі тепломасоо-бмішіих процесів відділення випарювання Череповецького ВО “Азот". Наведені результати моделювання.

У третьому розділі для визначених класів моделей розроблені і досліджені методики та алгоритми аналітичного і параметричного синтезу систем керування, в яких забезпечується задана якість керувати та компенсується вплив неконтролюємих варіацій параметрів системи на якість її роботи.

У четвертому розділі поданий докладний опис програмної системи синтезу регуляторів, до складу якої ввійшли всі запропоновані у роботі алгоритми синтезу. Наведені результати впровадження системи автоматичного керування відділенням випарювання. Подані приклади використання запропонованих методик та алгоритмів синтезу для розрахунків систем керування в енергетиці і процесом сушіння.

В кінці роботи сформульовано основні висновки за одержаними результатами.

В додатках наведені тексти проірамішх модулів, результати експериментальних досліджень, допоміжні розрахунки та таблиці. Подані також документи про впровадження результатів дисертаційної роботи.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ.

В дисертаційній роботі розроблена автоматична система керування відділенням випарювання виробництва аміачної селітри.

Проведені дослідження і аналіз технологічних особливостей відділення випарювання показали, що всі апарати з точки зору їх динамічних властивостей можуть бути поділені на три групи: лінійні (парозволожувач та повітряпідігрівач), нелінійні (донейтралізатори, нелінійність обумовлена датчиком рН-метрії) та зі змінними параметрами (підігрівач розчину селітри та комбінований випарний апарат), відповідні властивості яких обумовлені значними стрибкоподібними змінами навантаження (40-100% від номіналу) з частотою 1-5 разів за добу внаслідок різної кількості працюючих грануляторів (від 1 до 3). Апарати першої та другої групи виконують допоміжну роль, їх моделі відомі в літературі, задача синтезу полягає в забезпеченні належної якості функціонування САК. Апарати третьої групи визначають енерговитрати, обумовлюють якість готової продукції. Через те, що описані в літературі математичні моделі тепломасообмінних процесів не можуть бути використані при синтезі, необхідна розробка відповідних моделей, які потребують і відповідних характеристик систем керування, і методів їх синтезу. Крім того, для якісної роботи системи керування процесу випарювання у виробництві аміачної селітри до її складу повинен входити точішй та надійний вимірювач концентрації селітри, відомі розробки якого не відповідають вимогам і потребують вдосконалення.

Проведений аналіз особливостей процесів зі змінним навантаженням показав, що вони є нелінійними, проте, на основі теореми диференційного обчислення про середнс та неперервної залежності рішень диференційних рівнянь в області їх стійкості, нелінійна модель може бути замінена системою диференційних або диференційно-різницевих рівнянь. Розв'язання такої системи повинно бути близьким до процесу в заданих ділянках.

Процес випарювання згідно технологічної схеми виробництва АС-72 відбувається в дві стадії, причому перша здійснюється за допомогою підігрівача та сепаратора, а друга -комбінованого випарювального апарату. Умови роботи відділення грануляції, наступного за відділенням випарювання, потребують фіксованих величин навантаження: 20, 40 та 60 т/годину, які відповідно змінюють коефіцієнти математичної моделі. Для першої стадії ма-

о

тематична модель була отримана анатітико-експериментальним методом у вигляді дифе-реіщійних рівнянь у часткових похідних для кожного режиму навантаження, для 20 т/год

+ 1.47x10“3 х^|^ = 0.0620п ш

ді дх п ’ (1}

для 40 т/год

для 60 т/год

+ 2.94x10“3 х^|^ = 0.0626л (2)

сі дх ’

+ 4.42 х 1(Г3 х = 0.062П

51 дх ’

де 0ас - температура розчину аміачної селітри;

Од - витрати гріючої пари.

В зв'язку з великою складністю процесів тепломасообміну у комбінованому випарному апараті математичну модель другої стадії можливо отримати тільки експериментальним методом. Аналіз процесів тепломасообміну та експериментальних даних дозволив обрати апроксимаційну структуру, динамічні властивості якої відповідають комбінованому випарному апарату. Передавальна функція

мапр (Р)

К X е"рХапр

апр

(ТапрР+1)" ; <4)

де Капр, Тапр, іапр - коефіцієнт підсилення, постійна часу та час запізнення;

п - порядок апроксимаційної структури.

Залежність коефіцієнтів апроксимаційного поліному (4) від навантаження - О обрано у вигляді

Кяр=К0-КРхО;

' Тапр = Т0 — Тр х О; ^

^апр = т0 - тр х в;

де з індексом 0 позначені значення параметрів, що відповідають нульовому навантаженню, а з індексом р - коефіцієнти пропорційності.

Тобто, для одержання математичної моделі другої стадії необхідно розв'язати задачу:

І = ТУе,:2 -> тіп , п = 1,2,...

^ 1 к0,кр,т0>тр>г0гр,п ; (6)

Уексі.і Уапрі,і

де Уже іУапр - експериментальний перехідний процес та перехідний процес в аирокси-маційній моделі при одиничній вхідній функції.

Параметр п з (6) змінюється дискретно. Тому задача була розв'язана в два етапи. На першому етапі методом перебору був визначений порядок апроксимаційного поліному вигляду (4) з постійним коефіцієнтом підсилення, який задовольняє розв'язанню оптимізаційної задачі:

З т

1 = 2.2Леі,і ) тіп * п = 1,10 ;

¡ = -| ]=0 Тапр>Твпр>п

Т > 0: X >0. (7)

' апр — ‘'апр —

Обмеження на змінні пошуку не досягаються, тому задача може розв'язуватись методами безпошукової оптимізації. Така постановка задачі не є коректною, проте в зв'язку з тим, що математична модель є лише проміжним ланцюгом при синтезі системи керування, похибка у визначенні порядку не призведе до фатальних наслідків.

На другому етапі розв'язувалася задача безумовної оптимізації (6) при фіксованому п.

Таким чином була знайдена модель другої стадії, яка у просторі станів має вигляд

х= -

( 1 "і ... (84-0.61

І 26 - 0.22 Ц

,,х»Пя=їїйо¡хи(*-(8-0-07бЄ)) . (5)

Адекватність моделей стадій випарювання була перевірена шляхом експериментальних досліджень при різному навантаженні. Порівняння розрахункових характеристик з експериментальними даними (максимальна похибка не перевищує 10%) дозволяє зробити висновок про можливість використання моделей для аналізу функціонування та синтезу систем керування.

Для синтезу систем керувати лінійними неперервними об'єктами в роботі був одержаний метод аналітичного синтезу, який забезпечує час регулювання Трег та ступінь затухання ці перехідних процесів не гірше, ніж задані Тдта цуд.

Постановка задачі:

З

X(t) = AX(t) + BU(t);

X є £2X c R"; U єПи c Rm ;Tper < Тд; у < уд;

cO

І = f (xT(t) x Q x X(t) + UT(t) x R x U(t))dt -> min

0 U(X)e£2u

де X та U вектори стану та управління;

Q та R - матриці вагомості.

Метод грунтується на описаному в літературі дробово-лінійному перетворенні об'єкту

(А + L х і) .. В

F =

г

Н = -г '

(10)

І - одинична матриця;

г, Ь - коефіцієнти перетворення .

Властивості перетворення (10):

- відображає межі кола з центром (0,-Ь) з радіусом г на комплексній площині в одиничне коло з центром у початку координат;

- управління, що задовольняє розв'язанню задачі синтезу дискретного оптимального регулятора

Хп+1 =РХП+Си„ ; (11)

ип=КХп ; (12)

І = І (xT(j)Qx(j) + UT(i)RU(j)) m in 1=0 и

(13)

забезпечує мінімум критерію з (9).

Для розв'язати задачі встановлено .математичні залежності між часом регулювання та отупінню затухання і заданою областю розташування особистих значень замкненої системи з неперервним об'єктом.

л

1 + sin(arctg------------)

2 X 71 /

ІП(1)

г =-----— X

1 + sm(arctg----------)

v ' 2 X 7t ' J

Оптимальне управління знаходиться методом послідовних наближень.

Запізнювання сигналів, яке практично завжди наявне у реальних системах, може бути враховане методом еквівалентної системи.

В зв'язку з тим, що практично важливі випадки синтезу САК - лінійні об'єкти високого порядку, які неповністю спостерігаються чи неповністю керуються; нелінійні об'єкти або регулятори - можуть бути виконані тільки з використанням пошукових процедур, чимала частина роботи присвячена розробці методів параметричного синтезу. Математичне формулювання задачі у загальному вигляді при використанні регулятора стану:

Для аналізу роботи методів параметричної оптимізації був сформульований тестовий приклад, якому відповідає переважна більшість практичних задач:

Х(0 = ф(,ІІ); и = и(К,Х,т);

X є £2Х сг 1?" ; 1) є Ои а ; К є Пк с Я1*; І - І(Х(1),и(0)-> тіл

К ЄПК

(15)

де £2х, Пи, їік- припустимі замкнені області зміни параметрів;

Я", Яр, ІУ - евклідові простори з відповідними вимірами п, р, сі;

К визначає параметри системи керування.

При використанні регулятора виходу задача приймає вигляд

Х(1) = фС,и); V = д(Х,ІІ); и = и(К,У,г);

X є йх с ; У сР";

и є Пц с Рр ; К єОк сРй;

І = І(У(ї),и(1)) тій

(іб)

X (і) = А X (І) + В І) (і - т)

ит¡п; кх < итіп

и = КХ ; итіп < КХ < итах

,итах; КХ > итах

(X Т0 X + и тї* и )сі І -> т іп

к

о

Для проведення процедури .моделювання на ЕОМ неперервний об'єкт керування перетворюється в дискретну форму за умови періодичного квантування з достатньо малим періодом Ь:

X

п + 1

F = І + А х G

F х X n + Н х Un

Н = G х В

G=l xh-

Axh2 А2 xh3

А! xh

2!

З!

М!

‘+...

Запізнювання управляючих сигналів моделюється на ЕОМ шляхом затримки сигналу на відповідну кількість тактів квантування. Цільовою функцією у задачі виступає інтегральний критерій якості роботи САК, який при моделюванні замінюється сумою

і = ¿(xT(n)ox(n) + u4n)RU(n))-> min

n=0 К

(18)

Детальне дослідження цільової функції у випадках різних моделей об'єкту керування та різних законах керування по вигляду ліній рівня та часткових похідних показав, що вона відноситься до класу погано організованих функцій зі швидкою зміною її значень. Наприклад, при зміні аргумента від 0 до 4 значення часткової похідної може змінюватись у межах від 0.001 до їх 10°°. Отже, градієнтні методи непридатні для використання при параметричному синтезі. Серед методів нульового порядку за допомогою ЕОМ на основі аналізу траєкторій руху змінних від початкових до оптимальних значень детально досиджувались методи: Хука-Дживса, сімплексний, Пауелла, з елементами випадкового пошуку, тощо.

В зв'язку з тим, що жоден з методів не відповідав вимогам швидкої збіжності, була розроблена авторська модифікація методу Хука-Дживса. Вона полягає в адаптації робочого кроку по кожному напряму пошуку в залежності від змінної пошуку і має вигляд

к(і+и =

arg min HKS/1); V = {l,2,...,s}; L c V;

Kl

rank K v = s; rank K L < s;

k ¡,n +1 = k i,„ + h x А |<л x r,; і є V

А .

і, n

1 ,

к . І < 1 , і, п І

; г, є {- 1,0,1}

к . і, к . > 1 . і І і, п

де в - кількість параметрів, які (інтимізуються;

Ь - множина індексів підпросторів оптимізації;

Ь - шаг пошуку змінної.

г, визначається на етапі базисного пошуку і е індикатором руху пошуку.

З порівняльного аналізу випливає, що авторська модифікація методу Хука-Дживса стосовно задачі параметричного синтезу має значно кращі характеристики, ніж інші методи. Тобто в переважній більшості випадків знаходиться кращий результат за меншу кількість обчислень цільової функції.

Використання еталоішої моделі дозволяє значно поширити можливості розробника при синтезі САК. Тоді слід використовувати замість критерію якості (18) критерій вигляду

І = ї (Ет(п)ОЕ(п) + и»І*и(п)) -> т ІП , ,20)

п = 0 к

де Е - вектор відмінностей між вихідними сигналами в еталошгій моделі і реальній САК.

Е(п) - У еіалмі(п)-У розраі(п) .

Вибір значень <3 та Я в критерії (20) не представляє ускладнень.

Деякі проблеми виникають при формуванні еталонної моделі. У роботі запропонована структура еталонної моделі у складі еквівалентного об'єкту, регулятора стану і ланки зсуву, та універсальна методика визначеїшя її параметрів. Вона може бути записана як послідовність розв'язання задач:

1. Пошук еквівалентного об'єкту (розв'язання подібне до знаходження математичної моделі другої стадії).

2. Аналітичний синтез САК для еквівалентного об'єкту з часом регулювання та ступішпо затухання не гірше, ніж задані (згідно викладеної раніше методики).

Параметричний синтез з еталонною моделлю було використано для розрахунків систем керування донейтралізаторами плаву аміачної селітри.

Використання традиційних підхідів до синтезу систем керування об'єктами зі змінними параметрами не дозволяє забезпечити належну якість роботи. Тому в дисертації були розроблені і досліджені методики та алгоритми оптимального синтезу регуляторів з відповідними показниками якості. Виконано порівняння різних підходів, пов'язаних з синтезом систем з заданим запасом стійкості, малочутливих та систем з усереднювально-оптимальшш регулятором.

Розв'язання задачі синтезу регулятора з часом регулювання та ступенем затухання не гірше, ніж задані, може бути використане для синтезу регулятора з ступенями стійкості гі та коливності т не гірше, ніж задані Т|до„ та Шдоп- Постановка задачі

X(t) = AX(t) + BU(t); X є Qx с Rn; U є Qy с Rp; m < тдоп; л ä J]aon;

oO

I = {(xT(t) x Q x X(t) + UT(t) x R x U(t))dt -> min

о U(x) sQu

Відмінність алгоритму синтезу полягає в тому, що L та г з (14) обчислюються за отриманими співвідношеннями, які залежать від ступенів стійкості та коливності, що потрібні. Відповідно підібрані показники якості дозволяють системі залишатись стійкою при досить значній зміні характеристик об'єкту.

Для розв’язання задачі синтезу САК об'єктом, шо працює на М різшіх режимах запропоновано критерій якості функціонування САК. Для М відрізків потрібно мати М моделей об'єкта. В межах відрізку об'єкт зважається стаціонарним.

Xi(t) = A¡xXi(t) + ¿Bux4(t-4|), і = 1,2..........................М (2|)

Для цих М різних об'єктів повинен бути спроектований один регулятор з постійними параметрами системи керування. Ним, наприклад, може бути регулятор стану

и = К х X

який є усереднювально оптимальним. В такому випадку можна використати глобальний критерій якості:

М М

•і = Е (P¡ х l¡)» 0 < p¡ < 1 ; X p¡ - 1 (22)

І=1 І=1

де I¡ - квадратичний критерій якості вигляду (18) або інший для і-ого режиму;

p¡ - ваговий коеффіціснт для різних робочих точок або режимів об'єкту.

Іноді має місце ситуація, коли вимоги до якості управління об'єктом на різних

режимах відрізняються. Це може бути пов'язано з тим, що при цьому режимі значно

зростають витрати енергії, погіршується екологічний стан навколишнього середовища та

інше. В цьому випадку пропонується така модифікація критерію якості (22).

М

•і = Е (2, X p¡ X І.), 0 < р, < 1 (23)

І=1

Додатковий множник z¡ дозволяє врахувати особливі вимоги і-ого режиму. Якщо їх немає, то z¡= 1, коли є, то z¡/l. Потрібну величину додаткового множника встановлює розробник з урахуванням всього комплексу вимог до САК.

Введення критерія якості у задачу параметричного синтезу дозволяє отримувати регулятор з постійними коефіцієнтами для керування об'єктом, що працює на різних режимах.

Моделювання перехідних процесів в замкненій системі підтвердило, що запропоновані методики синтезу дозволяють отримувати закон керування з якостями, не гірше ніж задані.

В дисертаційній роботі значне місце присвячено автоматизації процесу випарювання.

САК температури одноконтурні, реалізовані на пневматичних регуляторах ПР3.31. Параметри настройок були розраховані методом параметричного синтезу з використанням еталонної моделі, як єдино можливим у даному випадку. Параметри p¡ критерію (35) були визначені по частоті роботи обладнання на відповідних режимах за рік

і мають значення: для 60 т/год - 0.1, для 40т/год - 0.65, для 20 т/год - 0.25. В зв'язку з тим, що при навантажешіі 60 т/год умови роботи системи керування найбільш несприятливі (найнижча концентрація аміачної селітри на вході) додатковий множник z для цього режиму дорівнює 2, для інших режимів - 1.

Контур стабілізації температури плаву після другої стадії функціонує в супервізорному режимі. Завдання розраховується ЕОМ на основі визначеної датчиком концентрації плава аміачної селітри після другої стадії.

Основний недолік існуючих САК процесом довиларювання полягає в відсутності надійних вимірювачів концентрації селітри, у зв'язку з чим виникає задача вдосконалення конструкції пристрою для вимірювання концентрації по температурі кристалізації. З метою підвищення точності та надійності роботи розроблена конструкція відбірного пристрою, в склад якої введена ємність з еталонною речовиною, що має температуру плавління, близьку до температури кристалізації речовини, що досліджується; а вимірювальна частина з'єднується з поплавцем і має можливість пересування. Послідовне визначення на кожному циклі охолоджеїшя-нагріву температур кристалізації-плавлешш дослідної та еталошюї речовин дозволяє суттєво збільшити точність роботи пристрою і, відповідно, якість роботи системи керування.

Оригінальність конструкції захищена авторським свідоцтвом.

Запропоновані алгоритми синтезу були реалізовані у вигляді проблемно-орієнтованої програмної системи. ПС розроблена на мові програмування високого рівня

Турбо-Паскаль 7.0 для комп'ютерів тішу ІВМ РС і може використовуватись для синтезу та дослідження САК.

Тільки за допомогою ПС було можливо виконати синтез системи керування процесом сушіння, в якій реалізовано релейно-імпульсний закон керування на базі спеціалізованого обладнання.

Керування процесом сушіння реалізовано за допомогою двох блоків: формування розбіжності та імпульсного. Блок формування розбіжності в залежності від різниці між завданням та виходом об’єкту реалізує функцію:

Р=5ІЄп(г-У) .

Імпульсний блок керує роботою виконавчого механізму. Блок вмикається при наявності сигналу розходжеїшя між виходом об’єкту керувати та завданням з скважніспо імпульсів, яка визначається як

т

в =

+ т.

І м п п

де Тімп - час імпульсу, а Тп - час паузи. Робота системи керування однозначно описується двома параметрами: часом імпульсу та скважніспо, оптимальні значення яких і було знайдено.

ОСНОВНІ ВИСНОВКИ ТА РЕЗУЛЬТАТИ.

1. Виконаний аналіз функціонування відділення випарювання з різними технологічними схемами у виробництві аміачної селітри. Виділено три типи об'єктів у відділенні випарювання: лінійні, нелінійні (причиною нелінійності є датчик рН-метрії) і зі змінними параметрами, у яких характеристики залежать від навантаження і процесу утворення накипі. Для них на змістовному рівні сформульовано задачі синтезу САК з заданими показниками якості. Встановлено, що для розробки АСУ ТП необхідно одержати математичні моделі процесів; розробити методи і алгоритми синтезу систем управління з заданими показниками якості; вдосконалити пристрій контролю концентрації плаву.

2. Розроблені аналітико-експериментальна модель процесу підігріва розчину аміачної селітри у вигляді диференційних рівнянь у часткових похідних і експериментальна модель процесу довипарювання плаву у вигляді рівнянь у просторі станів зі змінними коефіцієнтами, що залежать від навантаження. Максимальне відхилення розрахункових даних за моделями від експериментальних не перевищує 10% на всіх режимах роботи обладнання.

3. Розроблений метод аналітичного синтезу лінійного регулятора з показниками якості (час регулювання і ступінь затухання) не гірше, ніж задані. Метод містить в собі дробово-лінійне перетворення об'єкту за отриманими математичними залежностями з наступним синтезом оптимального управління методом послідовних наближень.

4. Розроблена модифікація метода Хука-Дживса, що полягає в адаптації робочого кроку

за кожним напрямом пошуку в залежності від змінної пошуку. Для підвищення

надійності роботи алгоритма метод доповнений процедурою інтервалів, що змінюються. Запропонована методика забезпечує збіжність з широкої області початкових значень параметрів, які настроюються, і дозволяє в 2-3 рази підвищити швидкість збіжності метода при розв'язанні задачі параметричного синтезу.

5. Розроблено адитивний інтегральний критерій оцінки роботи системи управлішія

об'єктом, що працює на різних режимах. Введення критерій в процедуру

параметричного синтезу дозволяє визначити параметри настройки регулятора для випадку об'єкта зі змінними параметрами. З метою забезпечення необхідної якості управління до складу критерія вводиться еталонна модель. Запропонована методика отримання і алгоритм роботи еталонної моделі для довільного об'єкта управління.

6. Запропоновані методи та алгоритми аналітичного і параметричного синтезу доведені до програмної реалізації. За її допомогою були розраховані параметри систем управління відділенням випарювання, впроваджені у складі АСУ ТП виробництва аміачної селітри.

7. Програмна система впроваджена в дію у складі АРМ персоналу на Київській ТЕЦ-5. Використана для розрахунків і корекції настроєк регуляторів температури пари після пароперегрівачів і рівня конденсата у ПВТ. Застосована в межах державної НДР "Сучасні методи створення систем комплексної автоматизації технологічних процесів" для розрахунів параметрів САК сушіння деревини; впроваджена в учбовий процес кафедри АТЕП НТУУ "ІШ1".

8. Створена конструкція пристрою, що реалізує термоірафічний метод вимірювання концентрації і містить в собі камеру з еталонною речовиною з відомою температурою кристалізації для виконання калібрування датчика на кожному циклі вимірювань, що дозволяє підвищити їх точність. Новина пристрою захищена авторським свідоцтвом. Доведено, що використання пристрою у складі САК випарювання другої стадії для визначення корекції регулятору температури плаву аміачної селітри по концентрації плава, яка виміряна датчиком, підвищує якість роботи системи управління.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ.

Основні положення дисертації викладено в роботах:

1. Мовчан А.П., Огородник Е.А., Олейник С.Ю. Автоматическое управление отделением упаривания в производстве аммиачной селитры.//Современные компьютерные системы управления для агропромышленного комплекса / под ред А.В.Гриненко.-Киев, 1991.-с.43-52.

Автором розроблено математичну модель, запропоновано структуру управління процесом випарювання.

2. Мовчан А.П.,Булгаков А.Б., Олейник С.Ю. Нечеткий алгоритм распознавания ситуации в термографическом анализе расплава селитры .//Труды Всесоюзной конференции "Интеллектуализация систем управления"-Баку,1991.-с.21.

Автором розроблено алгоритм розпізнавання та відбраковки термоірам у випадку доповнення пристрою камерою з еталонною речовиною.

3. Мовчан А.П., Олейник С.Ю. Синтез САУ с полюсами в заданной области./ЛГруды Первой Всесоюзной конференции "Системный анализ, моделирование и управление сложными процессами и объектами на базе ЭВМ "-Ташкент, 1991.-е. 12.

Автором розроблено методику синтезу систем з заданими показниками якості.

4. Мовчан А.П., Олійник С.Ю. Задача оптимального синтезу систем керування об'єктами енергетики, що працюють в умовах змінної потужності./ЯІаукові вісті Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут". Серія теплоенергетики,-Київ ,1997,-с.89-94.

Автором запропоновано критерій оцінки якості систем керування об'єктами, що працюють в умовах змінної потужності

5. Мовчан А.П., Ковриго Ю.М., Мисак В.Ф., Олійник С.Ю. Оптимальний параметричний синтез систем керування тепловими об'єктами.//Наукові вісті Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут". Серія теплоенергетики,-Київ,1997.-с.69-73.

Автором розроблено модифікацію методу оіітимізації Хука-Дживса.

6. Мовчан А.П., Ковриго Ю.М. Олейник С.Ю. Автоматизированное проектирование систем управления объектами с переменными параметрами.//Труды конференции "Новые компьютерные технологии САПР и АСУ в промышленности, энергетике и строительстве "-Алушта,1997.-c.4-7.

Автором розроблена програмна реалізація методик та алгоритмів розрахунків систем керування об'єктами зі змінними параметрами.

7. Мовчан А.П., Олейник С.Ю. Система автоматического управления процессом выпаривания в производстве аммиачной селитры.//Труды конференции "Новые компьютерные технологии САПР и АСУ в промышленности, энергетике и строительстве "Алушта, 1997.-c.30-31.

Автором запропоновано структуру двоконтурної системи керування процесом випарювання.

8. A.c. 1557497 СССР. Устройство для измерения температуры кристаллизации вещества /А.П.Мовчан, Е.А.Огородник, В.В.Журавлев, С.Ю.Олейник. - 1990. - бюл. №14.

Автором розроблено конструкцію пристрою для вимірювання температури кристалізації речовини.

АНОТАЦІЯ.

Олійник С. Ю. Розробка та дослідження систем автоматичного керування тепломасооб-мінними процесами відділення випарювання виробництва аміачної селітри - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.07-автоматизація технологічних процесів - Національний технічішй університет України “КПІ “, Київ, 1998.

Дисертацію присвячено питанням автоматизації відділення випарювання виробництва аміачної селітри. У роботі отримано математичні моделі тешіомасообмінних процесів відділення випарювати. Одержано метод аналітичного синтезу систем керування з показниками якості не гірше, ніж задані. Для розв'язання задачі параметричного синтезу запропоновано модифікацію методу оптимізації Хука-Дживса. Використання при синтезі еталонної моделі дозволяє задовольнити відповідну' якість роботи системи керування. Запропоновані методи синтезу досліджені і доведені до програмної реалізації. У роботі також розроблено і досліджено пристрій для вимірювання температури кристалізації речовини, який використано для вимірювання концентрації плаву аміачної селітри.

Ключові слова: аміачна селітра, випарювання, математична модель, синтез, оптимізація, показник якості.

АННОТАЦИЯ

Олейник С. Ю. Разработка и исследование систем автоматического управления тепломассообменными процессами отделения выпаривания производства аммиачной селитры -Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.13.07 - автоматизация технологических процессов - Национальный технический университет Украины “КПИ Киев, 1998.

Диссертация посвящена вопросам автоматизации отделения выпаривания производства аммиачной селитры. В работе получены математические модели тепломассообменных процессов отделения выпаривания. Разработан метод аналитического синтеза систем управления с показателями качества не хуже, чем заданные. Для решения задачи параметрического синтеза предложена модификация метода оптимизации Хука-Дживса. Использование при синтезе эталонной модели позволяет обеспечить соответствующее качество работы системы управления. Разработанные методы синтеза исследованы и доведены до программной реализации. В работе также разработано и исследовано устройство для измерения температуры кристаллизации вещества, которое использовано для измерения концентрации плава аммиачной селитры.

Ключевые адова: аммиачная селитра, выпаривание, математическая модель, синтез, оптимизация, показатель качества.

THE SUMMARY

Oliynyk S. Y. Development and research of systems of automatic control heatmassexchange by processes of branch of evaporation of manufacture of ammoniac saltpeter - Manuscript.

The dissertation on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science on a speciality 05.13.07 - automation of technological processes - National technical university of Ukraine “ Kiev polytechnical institute “, Kiev, 1998.

The dissertation is devoted to questions of automation of branch of evaporation of manufacture of ammoniac saltpeter. In work the mathematical models heatmassexchange of processes of branch of evaporation are received. The method of analytical synthesis of control systems with parameters of quality is developed, than given not worse. For the decision of a task of parametrical synthesis the updating of a method of optimization Hook-Gives is offered. Use at synthesis of reference model allows to ensure the appropriate quality of work of a control system. The developed methods of synthesis are investigated and are lead up to program realization. In work also is developed and the device for measurement of temperature crystallization of substance is investigated which is used for measurement of concentration solution of ammoniac saltpeter.

Key words: ammoniac saltpeter, evaporation, mathematical model, synthesis, optimization, parameter of quality.