автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Разработка и применение для технологических объектов многовариантных структур с приобъектно-пересчетными моделями

РГ6 од

' ИЮИ металлУРгически" институт

^ * 1 имени Серго Орджоникидзе

На прав4х рукописи ТАРАБОРИНА Елена Николаевна

РАЗРАБОТКА И ПРИМЕНЕНИЕ ДЛЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ МНОГОВАРИАНТНЫХ СТРУКТУР С ПРИОБЪЕКТНО-ПЕРЕСЧЁТНЫМИ МОДЕЛЯМИ

Специальность 05.13.07 «Автоматизация технологических процессов и производств»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новокузнецк — 1993

Работа выполнена в Сибирском металлургическом институте на кафедре автоматизации производств и исследований и на кафедре систем информатики и управления.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор В. П. Авдеев.

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Л. П. Мышляев.

Официальные оппоненты: доктор технических наук А. Е. Кошелев;. кандидат технических наук В. И. Носырев.

Ведущая организация — Западно-Сибирский металлургический комбинат.

Защита состоится «

/УА- » С/ЮМ (Я 1993 г. на заседании специализированного совета К 063.99.02 по присуждению ученой степени кандидата технических наук в Сибирском металлургическом институте по адресу: 654080, г. Новокузнецк Кемеровской обл., ул. Кирова, 42, СМИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СМИ.

Автореферат разослан «

» ¿.С-С1}<Я 199 г.

Ученый секретарь специализированного совета

К 063.99.02, кандидат технических наук, доцент А. И. ПЕТРАЧКОВ.

общая ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Данная диссертационная работа является выполняемой в течение длительного периода составной частью и н -7 9. грац к онного направления "Многовариантные структуры, средства и системы в пауке, образовании и прошшлен-ности" (МсС -направления ). В его рашах сделаны разнообразные разработки с застой ряда докторских и кандидатских диссертация. Тен не менее, Еодутал роль остается га производственно-исслэдова-теяьсгая-ст систеиаш па базе иатуряо-модельных блоков, сердцевиной которых слугат действуйте иатурнке ( реальные ) обт-зкты в тесном сопряжении с п9р?счзтнни? моделяш?.

Приобъектно-пересчётние математические мо д е л и СШО - класс приобъектных моделей, опирещихся на пс-рос'-ютное отобр? г'енио «Теистического функционирования объектов в оценки реализаций с условно и з м о и б н-ц-н.м и воздействиями и характеристикам этих гэ объектов. Именно тага« лрпсФюктшэ модели, работоспособные только з прямой ш-форкациошюм сопряиэтш с саиими объектами, условимся с о к р а-п б л н о называть пересчЗтяиаи моделями.

Талого рода миоговарканткыо стругауры - Функциональные, ал-гсритьлческие, технические - охвативгэт системы автоматического рэг?Л!00В«гш!з с мбдедвшш компенсаторсмя запаздываний типа Сш-та, госсталоЕ^елько-прогнозирует» систеш управления, гибкие АСУ со встроенной трепа^йрно - сбучаюиши и испытательно - нала-дочшла подо истерии, лабораторные установки с ретроспективным сгрэсчзишч «дол£ро2,ап*-гм и юяшдеэшвп систем гсфокого назначая. Отметим, *!то роль спорных вариантов Усгут выполнять не тсп-ько натурам, го н шдохонш сбгекты (з тси числе слохнью ма-•хеиатачзскиэ юдозфс пзрссчбтным гсспро:к1с-дгн1?зи £зрй«шмых *о-адяс-гший вокруг спорных регикоз мсд^й'реааннз "в больше.

" Шгэкзлогшясз езидетельствуз: в пользу диссертационной проработки р а с с н а т р и., в а о м о й проблемы в связи с прсемствзинш Езлохекизм и развитием выполненных с участием автора эволюционных разработок з триединство "ретроспективное пе-ресчотное моделирование, натурно-;,аде льнш блоки и натурно-математическое моделирование, многовариантнь© структуры приобъектно- пересчётного типа".

Настоящая работа выполнена согласно разделам к о м п л е-

к с н о й тематики:!) целевой программы Ыинвуза "Шталл"; 2) целевой программ "Проблемы научно-технического развития Кузбасса"; -3) создание и развитие АСУ Запсибметкомбината и Кузмет-комбината; 4) проектирование и внедрение АСУТП доменной печи N5 Черметкомбината; 5) договоров по содружеству СМИ с рядом академических, вуаозеких и проектно-конструкторских организаций.

Дедью диесертацли является обобщенное развитие и, вместе с тем, прикладная конкретизация приобъектно-пересчётных математических коделей в составе автоматизированных обучающих, испытательных и производственных систем с многовариантной структурой (на примере доменной печи, конвертерной плавки стали и блока тепловых регенераторов для получения кислорода ). В ориентации на зту двухаспектную цель поставки и репйи ряд взаимосвязанных задач диссертационной работы, состоящих в следующем:

- наведение содергкательных "мостиков" меоду известны;® мэто-дами натурного, полуна^урного, физике-математического моделирования, с одной стороны, к последовательными разработками по ретроспективному пересчетиому и в целом натурно-математическому моделированию, с другой стороны; ■ ■ •

- формирование базовых и конкретизированных катурно-ыодель-ных блоков, приобъектных моделируш; '.< подсистем и обобщающих их многовариантшх структур с я«>реечб1'ш*..а моделями;

- функциональная, одгорихикческся к техническая детализация приобъектного испытательно-наладочного кош такса и приобъектного тренажера в производственном и лабораторном исполнении;

- конкретизация и использование многовариактных структур с гаресчйтными моделями применительно к АСУТП доменного и кислородно-конвертерного производства, а таг-жэ в связанной с этим учебной деятельности.

Основы выполнения работы. Ведущей вдеей послужил принцип многовариантности в' глнкретизировакном представлении, когда роль 'опорного варианта -выполняет глкой -либо действующей технологичесглй объект, а гибкое вартпнтооб -разевание вокруг него осуществляется посредством приобъектно пе-ресч&тньк математических моделей. Из научных дисциплин особо выделены теория комбинированного моделирования, структурная теория алгоритмов и теория прогнозирующего управления. Важная роль отведена металлургическим технологиям и производственному

шыту, притом с их по сути прямым включением в шоговариантные структуры приобъектно-пересчётного типа.

Научная новизна диссертации: 1). Обобщенное представление на-урно-модельних блоков, ретроспективного и в целом натурно-мате-втического моделирования, встроенных испытательных стендов и ренахёров в классе многовариантных структур приобъектно-:ересчётного типа. 2). Основным вариантообразуюцнм редством по отношению к реальным объектам определены приобъек -но - пересчётные математические модели с вариантностью по воз-;ействиям и по самим преобразующим операторам. 3). Развит комби-ировашшй мет о д построения двухуровневых (с даптацией) пересчётных моделей по результатам разностно-о разложения известных детерминированных соотношений . : разностной идентификации с иепользовани-м специально отобранных данных нормальной эксплуатации в сочетали с нанесением пробных сигналов на прогнозируемые режимы рабоче-о управления. 4). МногоЕариантиыз структуры с приобъектно-пе~ «счйтными моделям проработаны как база создания и функцко-ирования глС;сих систем автоматизации производственного и, осо-¡енио, триединого научно - образовательно - производственного наз-:ачешш.

Практическая ценность. • Сделанные разработки напрямую связаны перспективным обновлен;!?!! штекерной деятельности, особенно по 'ирокой реализации конкурентоспособных ЛСУТП со строенными тренажёрами и испытательными стендами. В этом плане та сформирован ряд изобретательских решений, клгачая приобъектные моделирующие и обучавшие установи!, прогно-ируюшие системы управления с пересчётно - модельной компенсацией опаздываний. М н о г о в а р и а н т н о с т ь по самой природе декватна учебно-исследовательскому процессу и потому на данном ути целесообразно сосредоточить коллективные усилия всех преподавателей, специалистов по образовательной науке.

Реализация результатов. Вшкэотмеченные научно-прикладные и рагсгические достижения воплощены в лабораторных и роизводственных системах управления применительно ; доменной печи,конвертерной плавке стали и тепловым регенераторам ля получения кислорода. Долевой экономический эффект на ичкое участке автора составил около двухсот тысяч рублей по урсу. 1990 года. Он достигнут благодаря сокращению с р о-

к о в разработки и освоения новых систем автоматизации с их на.-дёжными испытаниями и наладкой на баз? приобъектных моделирующих установок, а также благодаря повышению качества технологического регулирования с приобъектно - пересчётной компенсацией запаздываний.

Апробация работы. Основополагающие представления и конкретные результаты диссертации докладывались и обсуждались на 11 конференциях и семинарах, включая: Всесоюзный научно-практический семинар "Прикладные аспекты управления сложными системами" /Кемерово, 1983/; Республиканскую научно-техническую конференцию "Автоматизация производственных процессов в отраслях тяхЭдой промышленности Казахстана / Караганда, 1985 /; Всесоюзную научно-практическую конференцию- "Моделирование процессов в шахт -ных и доменных печах" /Свердловск, 1988/; Всесоюзную научно-практическую конференцию "Социально-экономические проблемы достижения коренного перелома эффективности развития« производственных сил Кузбасса /Кемерово, Ш23/; Всесоюзную конференцию "Новые информационные технологии и математическое моделирование в образовании" /Вологда, 1991/.

Публикации. По рассматриваемым разработкам опубликовано 16 статей, .докладов и тезисов ссобшэий, 1 учебное пособие, сделано 2 изобретения (-.с непосредственным учглтиэи автора ).

Объбм рукописи. • Диссертация сс-згс-к1 из ВЕедепи ( общего представления работы ), глав, заключения, списка литературы

(164 наименования ), прилоагшия и содержит: 1-13 страниц основного текста, 71 рисунок. : .

Предмет защиты и личный вклад автора. Ешгасятся на защиту базовые и конкретизированные м а о г о в а р и а н т н ы е структуры с приобъектно - пересчет и им и моделями <ПВД,включая соответствующее представление натурно-модельных блоков, ретроспективного пересчйткого и в целом натурно-математического моделирования, приобъектных испытательно-наладочных комплексов, и приобъектных тренажёров, пересчет-но-модель ных компенсаторов запаздываний в прогнозирующих системах управления. Защищается .комбинированный метод построения двухуровневых( с адаптацией ) ПМ с разностным р а вложением детерминированных соотношений и разностной идентификацией действующих объектов. В аспекте практических приложений защищаются к о н-

к р е т н ы е П М и содержащие их прогнозирующие системы управления применительно к доменной печи, конвертерной плавке стали и блоку тепловых регенераторов для полу -чения кислорода. Личный вклад автора заключается в долговременном участии на всех стадиях становления и развития МвС-направления, особенно его подразделов с опорой на ПМ и их разнообразные приложения. Наряду с производственно-исследовательской работой, автор подчёркивает учебно-исследовательскую деятельность под девизом "Многовариантность".

чСОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1 .Теоретические оскови разработки и применения многовариактных структур с приобъектно-пересчатными моделями. Первая глава состоит из четырех разделов, посвященных аналитическому обзору и обоснованию направления работы, формированию натурно-модельных блоков и способу 1.эал1:зации натурно-математического моделирования, приобъектным моделирующим системам, многовариантным алгоритмическим структурам с обобщенном схем перзсчётного моделирования. (В кратком представлении эта и последующие главы отражены как бы выборочно, сделав упор на принципиальных и недостаточно освещенных в публикациях аспектах исследования).

Сначала проведено общее "классификационное" рассмотрение структурного подхода ( рис. 1 ), а затем более детально проанализировали работы по натурному, подунатурному, математическому и объединяющему их натурно-математическому моделированию, идентификации объектов управления, пострознию испытательно-наладо -чнмх и сбучакцих (комплексов.

Пород:» н а т у р н о о н о д в л и р о в а н и е (Ш) на-пряг-т» ото;;д*стелякгг с- чзгурним экспериментом кош-дательного назна-тл::и. Sro сякякэа одпооюроняза трактовка Ш по сравнению дата с вводной кошфвтлзировянкой кггсси&вацией В. А. Езникова, согласно которой кмуряаэ мэдел:ирзт. аниз >:::.:?сгпот прокзеодствонниЯ зкспертйнт, обобщенно натурных данных п производственного опыта. Притом обобщение эгапсрт/онталыгой и рабочей информации предполагает разнообразную (по сути икогозариэятнун ) последующую детализации его рэзультатов, особенно в кр>ггериалыюя форда с опорой на теории подобия. Оправданным представляется предлагаемое здесь оп!«?-деление: натурное моделирование - это комплексное получение, сбоб!гч?-ние и вариантное воспроизведение натурных данных обычного и экспериментального функционирования непосредственно интерзсутгго ki-

Структура-обобщенное надгльког. преЗатоЬАеяив санотилньи струк-твр ряЗа различных ©ймхто^систени их сйстоЬмы* «стен,те, сгроттира как токоЬо«,онв trpuKTvpa непосребстЬёниочего-Аибо

ТГРЗиа^'.СЕЫе СИСТЕЧ'1 с UHîEr.c^c,' topua:itut!x crptixiyp c3üCfO с5ц£*ос1»с«т«исо pei'o^kTùra (SCAÖIKO- сЗмсЬоризиткопз рсьяльтоги)

f>pí) (fOi'Miiptiba-wM cí!ji:r-J

С^цеБсрмоктого роддътсггэ

системы с fciftsi р к15с Í'C¡piíú^t'-N< crpy;rjp/iíM fci^p^înt »Uiörwx ßc№,\»tat&y

РрЯ $.:j.4*pi)Jjí< IW клОСИД Ь^гЯСЛТНЫ*, ptiU-'bTtrtCill

Системы с мкгегро'.^еп Ёориангну* стренгу . ИВС СИСТЕМЫ*

Ссно5опбАагс^ай кокцегцыя интеграции Ьаряаитких еграктор

Рис.1. Исходные понятия и прбЗстсЬления структурного поЗхоЗа

урного объекта, либо' подобного ему натурного о б т/в кт г-анало г а. ©ответственно, натурно - матем"этическое м о -; е л и р о в а н и е ( НММ ) трактуется как системное триединст-о обычного функционирования натурных объектов, управляемого на-урного или полунатурного эксперимента на них и многовариантного ^тематического моделирования приобъектно-пересчётного типа. Упрощенной версией 1Ш слу-тат ретроспективное пере-чбтное моделирование ( РПМ ), заключающееся в тборе, сжатии, хранении и воспроизведении характерных (информа-иепых ) участков последовательностей натурных данных с пересчётам отображением в оценки вариантных реализаций. Принципиальное ■тлтиие ИММ и РПН от по л у натурного моделиро-¡ а н и я ( IIID.Í ) проистечет преаде всего из того, что в последам натурнио звенья выполняют только исследовательские функции в олном сопряжении с »сдельными звеньями. В составе яэ fflffif и РПМ атурные объекты ( к примеру, промышленные технологические агрега-ы) продолжаю? выполнять свои рабочие функции как элементы реально ;еГ.ствуюют систем, возможно в сочетании с нанесением специальных 'кспзрнкентзяышх воздействий. Со структурных позиций НММ и РПМ :арактеризуются существенно параллельной композицией атурного и модельного ( см.схемы натурно-модельных блоков ), а Ш - существенно последовательной композицией на-■урного и модельного. Естественным представляется сделанное з а -: л га ч о и и е о коренном соответствии KCJ и РШ перспективным i а р а л л е л ь и ы м технология м информационно-ка-'ертального содержания, имея в виду и широкое освоение т р и е д и; и х астсматкй'фовскных систем научного, cCprcorarsjüüoro и про -[зводственного назначения.

Существенно паралд-зхьзая глшоггаш lmypricro :i модельного в .•остано Eií, ?ПМ, натурчо-лэд$лькгс блоков, Есемазэвктелыго-прог-:o3i!py»-jjix смзтеы улразгеша кацехэка" на объединённое ) о р м и р о в а н и е м я о г л х (ьжяхуи - №Ti) в ы х о д -i ы х результатов ¡лтеризльпса и мфрмащюннсй природы. Гри этом основополагающая роль отводится спорному натурному объек-у. В русле {¿вС-направления такого рода разработки обобщены i класс приобъектно - нерасчетных мяоговариантных ярукгур, средств и систем (ПлМвС). Наглядное отображение их при-¡едено на рис. 2а и. 26.

Основополагающей реализацией ЩМвС являются, конечно, н.а т у-

КЛАСС МвС ПРИОБЪЕКТНО-ПЕРЕСЧЁТНОГО ТИПА

а) М6С приоВъектно-лерасчётного типа с оЗним опорным объектом А1, его вариантными по ЬозЗвйст&ияи прио^ъ&ктно-пьрасчётными мпйе.-лями В", многими Вариантными бхоЗными бозЗейст&иями У1,У"...,УН и соот&етст&ующими им многими быхоЭными Ьариантны-ий результатами Сокращенно: ПпМвС, приоБъектно-пере- '

счётная МвС.

V1

у"

А1

У

в

—>

— У"

V"

V

5'

уН

Рис.2а. 05щая схема ПпМвС

.5) ИбС прио5ъактио - пераечёт+юго типа с оЗним опорным ооъотом А* его Вариантными по преобразованиям приоЗъешш-псребчётными • ноЗелями Ъ*,..., общим. Сходным Воз'Эейетбием Vх и сеотктстба-ющими различным пресЕраьобаниям многш^Выхобиыын барпштш-■ми результатами У1, У". Со! 'чра ценно I ТГп И ьС., при объект»! о-пе-рагчетназ МйС с ооиуш ЬхоЭом/

Рис.25. Общая схема ПпМвС-

р но - модельные блоки ( НМБ ), каждый из • которых объединяет в себе действующий НВ - натурный блок ( натурный объект вместе со специальными информационно-измерительными средствами ) и его лй приобъектно-пересчётные математические модели ( пм, гш ) с вариантностью по воздействиям и преобразующим операторам. Такого рода НМБ ( рис.3 ) присуща многовариантность , а именно: первый ( опорный ) вариант соотносится с сагам НЕ, ^второй - с НБ в сопряжении с Ш и третий - с НБ в сопряжении с Ж По аналогии число вариантов гибко наращивается в зависимости, например, от необходимого числа различных модельных входных векторов, вырабатываемых производственными, испытательными и учебны»,м управляющими система; 31.

Из обширной проблематики формирования ШВ в массе ПпМвС осо- ' бо выде.гони зад а ч и к о м б и н и р о в а и н о г о построения ГШ с привлечением известных детерминированных соотношений, специальны,! выделением информативных участков рабочих данных и нанесением пробных сигналов на прогнозируемое рабочие ре- • гины функционирования обтскгов управления. При йлрмудировко и ро-шепии соотгйтствуюащ задач учитывалась п р е о м отвеяно-с т ь ПМ по отношении и 1: широко известным м о т а л л у р г и-ч е с к и м разработка.!.!, включая: разностт-й динамический анализ Готдиба и р'^ностнуп. Формулу Воскобойникова для доменных печой; разностный ( по цг;кггм ) метод расчета пихты конвертерной плангл ста':н в проставлении Туркэничэ; формул.! пересчета результатов технологических игмеронн;*. на нормальный условия й представлении Кптоипцюго-Г«сп$гэвичз; разнообразные корректировочное таблиц!.' р. ппстругдгах и справочтс*'»» иротаводстгониого иазкачешяг.

Приоритет отдяи двухуровнев и м Ш и ПМ ( рис. 4 ), что хорошо согласуется с рыпенпзванншя! н таат раз работами, а такта с разнообразным ироническим ошяом и требованиями построения современных систем управления. Выделение разностного поресчетного оператора естественным образом приводит к развит!:«! комбинированного м е т о д а построения двухуровневых Ш с оно -р~й па разностное р а в л о г. о н и о детерминированных соотноиэний я на р а з постную- и д о н т и Ф к и а ц и в действующих объектов по рабочим и экспериментальным. данным, В табл. 1 приведены формульные записи харасторних для т ч н о л о -г и ч о с к х объектов двухуровневых пересчет« тдехой в ориентации на условно обособленную одну выходную величину.' При„

V* ,1

Vй "Т-

Vй р-

Нб

лм

ЛЛ

пм

У

г

«■им

Рис.3. Общая схема натурна-моЗельиого блока НМБ:

НБ-натирным блок (реальный опорный объект); ПМ-пгресчётная моЗаль с вариантностью по «»Вайствкдп-. (Ж)<-пересч'4тная моЗгдь с вариант- • ностью ро преоБразорсшиям; Ул, йеистЬитйльные бхоЗные и шхоЗныг Векторы НБ-, У"Дй-натурные банные оУА,УАпри наличии различных источников МА неполноты и помехоискажённости измерений; Унч-Еь«ой-нок бектор натурно-мебельных банных с пересчете» Yк на разницу межЗи Vм и моЗелъным ВхоЗним-£екторсм Vм; Vм-ЕыхоЭноД Ьгктср натурно-мо-Зальных банных, о переспелой У" па разница мажба фактическими и бариантко заданными (желаемыми) характеристиками преобразующего оператора Нб.

Г*

Vй

Vй

г

8У

пм

гГ

к"

г

I

'г

___I

О)

г! ¡1.

ун

•а.

<см

■е?

к

^им

«-, v .у'"

V

Рис. 4. ОБщее^пребста&ление ЗЬухароЬнебон ПМ и конкретный пример пм С с Ьыб&А£нием из а Ч» запазЗыбаюцего ■ оператора

'разностной пересчётный оператор с вариантностью по Бо&Оаист-РЦЯМ> Ч'ь-настроечно-иЗенти^щирающий (,с аЗаптацией) оператор; к. - параметрические, (коэффициентные.) и страктирно-параметрические настройки.

Конкретизация ПМ и ПМ в одномерном представлении

( По акалсгии формируются мнсгомерныа приобъектно-перасч'ёткые'моЭеы! с полными Ьактороми V=[Vt,y2,...,vj и Y ■= [ Y^Yj,...^])

'„'^ Разностный пересчётами оператор f" Настроечно-иЭентифициракщии оператор

1 (ia) Принято i-Зискргтнез сргмя или псряЗкоёьм номер техноАстгсксго цикла W-x^S ^ «6) °Ч» j\ 1 Vj "'"-CHCTOHTti Зля комплекса условии

г сга) S-комплексной пграменног [f.] Г«;*] т£ т* v ЗоёзЗочкой помечены ЕазоБые значения

3 У-Ъ+а-е^-фтУ. (за) 1

h Y*«)- Y^i) + Е f4(L)[vfCD-^(L)]. - (4а) sea)=l£a4)4v;(i)[6YK(L)-bt(L-i)Sv,,H(i)Kt С45) Sv2Hci)=V*a}-v*a-i); SYfa)=YtHcD-Yea-i)l («) Лиоэ 5V^(t)-npoöHce БозЗеиет&иг,а L) со! (4-г)

5 Y^-Yfa + ^Q-, - (5а) SY^c-SYja-Ota^f 1 '(55) ЗЛО = [i - expC-ütCO/TjCi))], (5г) D*(i) - „срезка" T'(i) = [^(O/itCi)] целее, (53) Äi(i)-iüar Зискретизации бремени, Ct(i),Cy,(L)-6eco6bie коэффициенты & разностном разложении Эетерминиро&онных соотношений .

интерпретации, например, формул 1а, 16 под У1 понимается количество кислородного дутья на конвертерную плавку, а под У£ - процент -ное содерзкание углерода в стали конца плавки. Для доменной же пета это означает, соответственно, среднесуточные значения основности-шихты и содержания серы в передельном чугуне.

Задача разностного разложения детерминированных соотношений имеет смысл для комплексных технологических показателей типа основности и теплового эквивалента шихты, рудной нагрузки на углерод кокса, теплового состояния низа доменной печи, а также для балансовых формул расчёта шихти и выходных результатов Функционирования технологических объектов. Уста-и о в л е к о сходство этой задачи применительно к построению Ш с проработанной ранее задачей перехода от названных детерминированных соотношений к динамичесглм показател^эквивалентных возмущений С ДПЭВ ), по которым имеется ряд диссертаций и публикаций (в том числе с участием автора ) и потому сочли допустимым только краткое освещение таких материалов.

Длл т и п и ч н и х детерминированных соотношений б виде дрой и о-рац и опальной Фтшодш

■РСХ)-Р1(Ю/РМ). СП

р^сх^-ьху^сх♦ $^.ех)!"1, (г)

где X есть либо вектор У , либо вектор У , либо общий вектор [УД] ; £Х - вариации ( ирг-ргифия ) вектора X ; К^Х), Г^СХ)-- исходные многочлены числителя и онам-зпателя; - , ^ - варьированные ( в приращениях ) многочлены числителя и знаменателя дроб -но-рациональной функции;

эвристически получено разностное разложение ( с введенной X"» Х% ЬХИ, Х^Х'+ЕХЧ&Х.", X* - базовое -„имение X конкретного технологического регаша') в гаазшишойиой Форыэ

5 ехг, 6X1}. ' <3)

Предельная опибка из-ва прзйебрекения членами разложения болэс высокого порядка характеризуется выражением

Ь 2ЩЩ 5,0) г I 1 ЧгСУРгСХ8) I 1 „V

^(х'Н т« *

в которое входят эффекты второго порядка малости по сравнению с (3; при условии иг(-)/Р1(Х,;1 < I ' и ||г(-)/Р,СХ*)1< 1. Для обес-спечен™ достаточно высокой точности относительные

вариации должны быть существенно меньше единицы, к примеру в пределах одной десятой. Это достигается установлением (адаптацией) базового значения X* и, соответственно, базовых значений (X*), ^(Х ) в зависимости от особенностей каждого технологического режима. Конкретизация (3),в частности,для вариаций рудной нагрузки даёт 8рнма\ &* ' Г 6м - Бн (Км-Кн)(1--У7кн)-Кн(Укм-У/кН)1

Основное назначение разностного разложения детерминированных соотношений заключается в формировании своего рода свёртывающего подоператора переечбтных моделей. Дальнейаее их пополнение и "привязка" к реальным процессам осуществляется посредством постановки и решения идентификационной задачи. Бри этом упор сделан на комплексное формирование и н -формативных реализаций натурных данных. Наряду с о т -бором аналогов спланированных воздействий по ходу нормальной эксплуатации технологических агрегатов используется нанесение 'пробных сигналов на специально прогнозируемые рабочие режимы. Развит способ разностной идентификации ПМ по информативным реализациям натурных данных с их, соответственно, разностным представлением по схеме

то = хн<1)-х°а),х-[та (6)

х°анхп{^,м,х"(1)х-к-е*)}. (?)

Здесь под л°(1) понимается о ц е п о ч я и Л вектор данных для какого I -го дискретного отсчёта, причЗм оценки носят у с л о вн ы, й характер по логике "что было 6«, если ..." К примеру, если __ Си не осуществляли вредило Отаблжкругпез управление или не наносили пробных сигналов. Прогнозный Х"(1) и сгдагашшй л (I) векто -ры данных допускают (по природе ИМ) ке только оценивание по преды -стории, но и по буддам отрезам рядов натурных данных, то есть вполне возможен двухсторонний прогноз ( типа интерполяции ) и двухстороннее сглаживание, кассированный временной сдвиг £ следует выбирать с учетом предельных значений инерционности и запаздывания в идентифицируемых каналах конкретного обгегаа. Предполагается, 1 что условные реализации У°(1) имитируют вариантные модельные воздействия Ум(1) , а условно соответствует УнмСО. Отсюда Еытекают особенности идентификации и проверки адекватности пересчётных моделей по сравнению с гораздо более привычными контролирующими и прогнозирующими моделями. Для обработки

натурных данных в разностном представлении приспособлены алгоритмы идентификации кривых разгона при'наличии помех и рекуррентной идентификации зависимостей.

Глава 2. Ыноговариантные структуры с приобъектно-пересчэтныш моделями в испытательно-наладочных и обучающих комплексах. Вторая глава содержит три раздела, связанные с конкретизацией приобъектного испытательно-наладочного комплекса, приобъектного тренажёра человека-оператора, лабораторного испытательно-наладочного и обучающего комплекса.

Практический опыт, показал, что производственные потери в пусконаладочный период и сроки эффективного освоения автоматизированных систем могут быть в значительной мере (полтора-три раза) сокращены за счёт введения стадии натурно - модельных испытаний. В отличие от известных полунатурных и натурных испытаний в предлагаемом (на базе 1Ш) способе настраиваемая управляющая система замыкается не на действующий-— объект или его полную модель, а на частичную приобъегано-пересчот-ную модель в сопряжении с нормально работающим технологическим агрегатом и е организационном взаимодействии ,с производственным персоналом.

На рис. S изображала типовая многовариантная структура, поасняэдая алгер;яш1Чзокуо и техническую сторону натурно-модельных иапьтакпй, а такх-э реализации приобъектных тренаайров и разлит» лаборатории; установок о шроким «сподьво-ванием производственных дшпшх. Особо привлекает возшаяоеть п а-р.а л л е л ь и о г о кзщдашы,сравнительного анализа и освоения сразу н е с к о л ь к и х управлавдх систем.При необходимости.осуществляются экспериментальные возденет-, вин на натурные* объокгы удраг,лош:л, ш^.ор'лщюкно-изкерительныо и р-эгулирующм устройства-и сам промаводап-вешай» персонал. Необходимое! для всего этого прзпкздпоо обоспечоние доведено до д стальных и н г: е и о р и ч х р о и е н и й с их подробным описанием в диссертации.

Принципиальной является структурная классификация тренажеров на автономные (относительно обособленные от натурных систем), квазивстроенные (с преимущественно однонаправленным информационным сопряжением с натурными системами) и встроенные (с разнообразным активным взаимодействием с натурными системами вплоть до всестороннего включения таких тренаж рое в их

1

V1

^ V 6

4 5 —-«НХг8-

и. 7

и1

$им

В?"

и"

V;1

-Г9

г^Нг

Рис.5. Устройство приойъ&ано-пересч&тного моЗелирс&анм-а; (-объест «прабиения й состава Зенстбающея системы; 2,3 - блоки измерения; 4,б-зВенья зоЗерязсн на интервал бремени V; 5,0-настра-ибаемыа мебели объекта „Ь'приращениях"; 7-Блох аЗаптибнои ибенпкрикацтг, 9-Н-ая ипра6м№'4ая_система йиспытыбаемым алгоритмом иди обучаемым человеком, М «И,N.

ЯнОГС^ыСОрОЧНЬй 0Т1Ю£ИТйШШ4 Сцгнки

среЗнего расхода ^ерроморганца

«\"Чо,в8 +.1,01) с^.

^__

9 м Нвигр «а*«

ИногсЬиборэчный отнктелыил ацвихн кргЗлг'оЗа^дав стоясмкя (МсггаЗан*«

5 7 Э I! пдяЫ

Рис.6. Пример оЗнои на реализаций боспроизбевения испытываемых алгоритмов расчета &шссьнрерромарготю 5 сопостаолении с оейстЬакзщеи системой: о—о-матирные Заиные иа ЗетЬшОцбн скетемьт, баншяа порам.ольного гермчетнога моЬалирсйскйя о!:1?* бариомоЬ олгооитма.

состав). Автономные тренажёры получили большое распро странение и им посвяпрны многие публикации. Совершенно иное поло жение с квазиветроенными и, тем более,- встроенными тренажйрами, хотя потребность в них представля -ется бесспорной. Сделаны поэтому соответствующие рааработ к и , не отрицающие, разумеется, автономных тренажёров со своей сферой рационального применения в комплексе "автономные квазивстроенные-встроенные тренажеры".

Опирающаяся на ЕпМвС встроенная (в частности, ква зивстроенная) автоматизированная т р е и а х ё р н о - о б у ч а ю щ а я систем (ВАТОС) в общем представлении включает: 1). Много вариантную комплексную модель предмета изучения, которая "содер зкит" в себе типопредстаЕительшй натурный обгект в сопряжении < разнообразными приобъектно-пересчётныш моделями и гибкою базу натурных данных. 2). Многоваришшше адаптивные модели нормативной ] фактической деятельности обучаемых и обучающих. 3). Многовариантну1 адаптивную организуюяую и направляющую (е какой-то мере и управлявшую) систему учебно-исследоЕательекого процесса. 4). МногоЕариант-ную систему всесторонней интеграции образовательной, научной i производственной деятельности. Применительно к такого рода ВАТОС поставлены и решены, по крайней мере,в первом приближении и н к < н е р н u е задачи их методического, алгоритмического и тез нического обеспечения с вироким привлечением всего арсенала разра боток по МвС-направлении.

Лабораторные автоматизированные установки ( АЛУ ] к ваз и встроен н ого типа характеризуется наличием eue циальных блоков связи с натурной системой, записи i ¡.осдроизведения натурных данных, форм и pont h и я комбинированных натурно-котельных яаивих с жвэошми свойсз вами, м н о г о в а р и а н т и о г о пересчёт и ого и «произведения объектов и результатов конкретной деятельности технологического, метрологического, испытатедьно'-каладочного « управленческого .содержания. Учитывая значэдельнуи инерционность и -запаздывания технологических процессов предусмотрено д в у х т е м-повое 'пересчётноа моделирование", когда анализ ситуации и выработка решений производится в реальном масштабе времени (как в на -турной оистеие)-, воспроизведение соответствующих .им воамолньв результатов - в ускоренном/масштабе времени. Такого типа АЛУ р е а л и з о в а н а -в оперативном дистанционном "сочленении" с до -

ганной печью. По другим же агрегатам (сталеплавильным, произ-одотва кислорода) построены АЛУ с ретроспективным пере -чётным моделированием по характерным (информативным) участкам ря-;ов натурных данных.

Натопленный опыт использования вышеохарактерированных трена-йров и АЛУ 'подтверждает их реалистичность и целесо -бразность конкурентоспособного тиражирования. В плане дальнейшего азвития актуальным является к о м п л е к с и р о в а н и е при-бъектно-пересчётного и физического (предметного) моде-ирования, особенно при освоении первичных датчиков,.регулирующих рганов и важнейших функций деятельности, по "стыкованию" информа-ионных.и материально-энергетических элементов реальных систем. резмерньЯ вэ уклон в сторону чисто 'компьютерно-о математического моделирования "уводит" обучаемых, да и самих Зучающих от многих коренных реалий. Поэтому трзнахёры и АЛУ с и з и ч о с к и и и аналога' к и натурных агрегатов и сре-зтв автоматикл хизнепно необходимы в составе мяоговари-н т и и х патурно-фигико-математических комплексов.

• Глава 3. г&оговаркзяттл структур» с приобъектно-пересч§гны?я1 эдедями п создании и >!.упкшгоппроватт АС.УТП В третьей главе, эстояцей из трех разделов, полонены материалы в сеязи с восстано-теельно-прогиозпрукя"«! системами автоматизированного управления ишенительно к дмяшиоД печи, конвертерпой плавке стали и блоку ?нловых регенераторов кислородного производства. Заострим н и м а н и е на том, что тшмго рода системы по своей сути п и о g га т с я я а П к, непосредственно включает их в себя а к б а з о-в ы е о в е н ь я, а ке- только при выполнении испи-иельно-наладочш.яс и треназйрпо-обучагаддх функций. В связи с ¡следними вновь обратимая к рис. 5 совместно с рис. 6, пя в виду их о б щ н о с т ь по отнопениа и к доменным печам, тепловым регенераторам, и шгым технологическим объектам, а не толю к кислородным конвертерам. В частности, 'трёхвар и энные кривые, подобные рис. 6, получены для всех рас -м а т р и в а е м ы х ЛСУТП.

Пересчётная модель каналов регулирования «энного процесса структурно отражена в комплексе табл.1. |3(!фициенты оценены посредством Формирования аналогов, ступен-.тых воздействий (рис.7) и применения пробных сигналов. В о с с -аяовительно-прогнозирующий (ВП) ^iro -

а,эо

1,60

-ыцу- ясо-ла-ю)

РшЦцилг

\juho)

Р

-1 ,1_■_■ ■ ■

5 9 (3 (7 .л

г! 25 47 Бреня,[ч] . 851(0» &51ач)-о|2[аяа-7И$1а-1)3 51(1)

2! 25 2? Время,[ч]

(С привязкой к Бьяюсги чагина кз 1П)

Рис.7. КнЗаятификация рояшногс оператора пересчётной ноЭелм покопала яраЗная нагрузка К -соЭержаиие кремния 6чнгвно 5!."

0,3

-0,2.

<3

а гг

С.1

I

пи. г

. I

г

Si.il

0.3

I

щ

£1*

1}

Г"!

ОД

Г1

I

I Ы I

. I ,

5дм

п

1 I .

JI

I

о,г од о,б да 1,о

Кремш С чзгвке -

с,ог о,оз о.сз 5,% . Сера Вчвгеме

|(,?0

X

а

е-

«о/а

к

I

<1"ОЛ0

ЛСН

¡1 \ м

- „...ЗаЗоитЯ*

О (0 го 50 40 Быпаск

Рис.б.Сопостабление В5ух берштй управления & система „РаЗноя нагрузка" ^ г« асу »"Не "^а^тнчеекка (Цатврные) Занмме при ручной ыпрабленим; $1*«» 5мя-4ы»оаиы*{ыичииы пересчётиото маЗаАироЬакяа 8ссстаноВкте»ь-но-прогноэираигцегв алгоритма. «правления.

>—■_I

ритм "Рудная нагрузка" с обратной связью по химсоставу чугуна по -вышает степень стабильности хода печи в пределах от 7 до 25%. Производственно-исследовательским персоналом особо отмечена полезность ретроспективного и оперативного пересчетного моделирования с наглядным сопоставлением результатов двух -трёх вариантов управления (рис.8).

Идентификация ¡каналов регулирования конвертерной плавки стала зделана в основном посредством нанесения пробных воздействий на прогнозируемые режимы рабочего управления. При использовании г еньев ПМ типа первой строки табл. 1 расчёты ведутся по итерационной схеме (с хорошей сходимостью за 2-5 тактов), конкретизированный ВП-алгоритм расчёта пихты и ферросплавов даёт повышение точности расчётов от 5 до ZQZ по сравнению с ручным управлением и в сопоствлении с балансо-во-статиетическими методами. Другие показатели приведены на рис.6. Зправедливо и сказанное по доменной печи.

В ходе разработка!, испытания и наладки вышеназванных ВП-систем, а также для блока тепловых регенераторов, убеди-г е л ь н о показана эвристичность и эффективность широ -raro применения РПМ, НШ и в целокг натурно - модель -я о г о подхода. Примерно в полтора - три раза сокращаются сроки зоздания и освоения ЛСУТИ. Затраты на реализации для них и в их зостаЕе натурно - модельных тренажароз и испытательных стендов н-э яравкгаюг одной пятой от затрат на чисто рабочую систему.

ЗАШЗЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ ■ ' ' • • многое а р и а н т н о с т ь является одним из коренных свойств природных и инженерных систем , зтоль г® важнмч как надежность, гибкость и точность." Класс ¿ноговариантных структур с приобъектно - перосчётными матема-гическими моделями внутренне адекватен актуальной проблематике конструктивной интеграции образовательной, испытательной и производственной деятельности применительно " дейст'Еуюздм технологическим объекта а , зшпочая доменные печи, конвертерные агрегаты и блоки тепловых регенераторов для получения кислорода. ' Данная сфера исследований ¡уддается в коллективном творчестве с разумным пропорниокировзяи-5м усилий на построение контролирууних и прогнозирую®« »/од^'яп технологических объектов ( процессов, явлений, комплексов ), че»г/ тосвявзно больпинство трудов,и на построение r а ч о о t о ? шю

своеобразии» приобъектно-пересчётных моделей для этих юг объектов, чему уделяется явно недостаточное внимание вплоть до настоящего времени. Имеет смысл согласованно наращивать всё разнообразие моделей, ибо этого требуют сами'реаль -ные ситуации и современные научные принципы.

Основные результаты диссертационной работы характеризуются следующим образом:

1.Осуществлено п реемствениое представление эволюционных разработок в триединстве, "ретроспективное переечётное моделирование, натурно-модельные блоки и натурно-математическое моделирование, шоговаришшшэ структуры приобъектно-нерасчётного типа".

2. Главным вариантообразу ю.щ и м с роде тв о м по отношению к действующим -реальный объект а ¡. определены приобъектно - пересчитана ттекатичесшю модели ( сокращённо, пересчётные модели ) с вариантностью по воздейся вия м и по самим п р е о б р а а у ю ц и м оператора!

З-Развит к о м б и н н.р о в а н н ы й и в т о д построена двухуровневый с .адаптацией ) пересчбтных моделей пс результатам разностного разложения известных детерминированных соотношений и разностной и д е н т л ф и к а ц и и с шюльвовацием специально отобранных дашшх нос мальной эксплуатации -в сочетании с канесеикзи пробных 'гоздайстшЛ на прогнозируемые* рззашы рабочего управления.

4.1&ого5ар1Шткые структуры о приобгекпга-игресчётрш! моделями проработана и а к баз а гседагш и фушацкгяиросашш технологических скитом атаомагкзацш.! со в о т р о е и н и м и или,по крайней гсрз, кнфопмациошю сэцрдаЗшшш ( квззшгхреошош ) . тренаг-ёрами, кэдодярукащшй устаковга^ п непитательно-нападочпнкн комплексами.

5. иэтоднчзские, алгоркгллчзжю и зиобротатсльсщю ревения ь классе шоговариантных структур приобгактно-пэресч-Зтного типа еоплошзиы в лабораторных и п р о м ы и л е н н ы х системах управления приманотельпо к доменной печи, конвертер ной плавко стали и блоку тепловых регенераторов для получения кислорода.

Долевой эконошгчесюш эффект составил около двухсот тнояч рублей по курсу 1090 года. Наряду с производственно-исследовательской работой особо подчёркивается учебно-исследова-

тельская деятельность на основе м н о г о в а р и а н т п о г о натурно - модельного воспроизведения сбгаютз и процессов изучения с преекственностыэ от простого к сложному.

Пэ теме диссертации наиболее суЕ^ственикгд представляется следукгие публикации:

1. Авдеев В. П., Зельцер С. Р. ,Тараборина Е.Н. Способ реализации натурно-математичвамго моделирования // Пав. пугсв. Тарная металлургия. 1080.- N2. - С. 128-132.

2. Криволапопа Л. И., Сульман Л. А., Сухапов Е. Л., Тараборина Е. Я Исследование алгоритмов оцлшзания динамических показателей эквивалентных возмусеки.1 шагового per я» доменного процесса //Изв. вузов. ЧЗрнал металлургия. 1960. - N12. С. Ш-115.

3. Управляемый фильтр. Д. с. KQ59263 ( СССР ). Опубл. в В. К. U34 1982г. /Авлеев В. П., 1'к-зллеп Л П., Сульман Л. А. , Тараборина Е. К и др.

i. Интерполирующий фильтр. Д. с. Н1030053 ( СССР ). Опубл. в Б. И. HS7 1983 г. / Авдеев В. П., Мшляоь Л. П., Щэмейвз ПН. , Тараборина Е. II.

5. Авдеев 3. П. , Зэльц-эр С. Р. , Сульм&и Л» А., Тараборина Е. II Натурно-математическое моделирование при создания и функционировании систем автоматизации доменного процесса // Всесспз. научи, -технич. конф. "1<одел1ровалке процессов в сахтиых л доменных почах" : Тез. до кл. -Свердловск, 1088.

6. прнЕолзпова Л. К., Тараборина Е. IL 0 иэтодгаю построения дина-пг-:эс!"тх показателей зшшалягтюк ЕозмуганиЯ // !!зв. вузов. ЧЗрная иэтадлургил. 1990. -N12.- С.С-З-СО.

?. Авдеев & П. Л&пляев Л. П. .Тсрайоркна П. II Обобщение к развитие гаогозаряантннх структур // 1?зв. »усов. 1Вригя металлургия. Ю91. - НО.-С. 93-100.

8. Лвдсоз Е. П., Дьячко А. Г., Мьпияев Л. П., Тараборина Е. II Автою-тизировакгид системы с мнсговерналткоЛ структурой : Учебное пособие,-Новокузнецк: Сибметинстнтут, 1991.- 80 с. •

3. Авдеев а II, Кулаков С. íi , Lteiziea JL Я , Тараборина Е. Я Нату-рпо-математическое моделирование в обучаю^« системах //Есесосзн. кон 1». "Новые ¡шформзционныэ технолог;«» н штештичэское моделирование в образовании": Тез. докх - Вологда, 1091.

rJIc-íE.v-.'b'f», лот ЮЛ К, 100.4г., за«.Э22ЬЗ, тярДОО, гОъеи 1 no-i. ¿vr~l