автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Разработка информационного и алгоритмического обеспечения проблемно-ориентированной системы управления выбросами промышленных предприятий

Шабалов Александр Александрович

РАЗРАБОТКА ИНФОРМАЦИОННОГО И АЛГОРИТМИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПРОБЛЕМНО-ОРИЕНТИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ВЫБРОСАМИ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ

Специальность 05.13.01- Системный анализ, управление и обработка информации (в технике и технологиях)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2009

003462943

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения» (ГУАП)

доктор технических наук, профессор Коршунов Геннадий Иванович

доктор технических наук, профессор Коновалов Александр Сергеевич

кандидат технических наук, доцент Аблязов Владимир Иванович

Холдинговая компания «Ленинец», Санкт-Петербург.

Защита диссертации состоится «24» марта 2009 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.233.02 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения» по адресу: . 190000, Санкт-Петербург, ул. Большая Морская, 67, ГУАП.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ГУАП

Автореферат разослан «-7.3 » февраля 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор с

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Л. А. Осипов

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО

ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное

Разослано по списку рассылки автореферата

учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственны!! университет аэрокосмического приборостроения»

■ Диссертационный совет Д 212.233.02

Направляем Вам для ознакомления автореферат диссертации Шабалова Александра Александровича, представленной на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.01- «Системный анализ, управление и обработка информации (в технике и технологиях)», на тему: «Разработка информационного и алгоритмического обеспечения проблемно-ориентированной системы управления выбросами промышленных предприятий».

Отзыв на автореферат просим направлять по адресу: 190000, г.Санкт-Петербург, ул. Б. .Морская, 67, диссертационные советы.

(ГУАП)

ул.Большая Морская, д.67, Санкт-Петербург, 190000

Тел. (812) 571 -1522, Факс (812) 494-7018 E-mail: common @ aanet.ru ОГРН 1027810232680, ИНН/КПП 7812003110/782601001

На №

от

Защита состоится «24» марта 2009

Приложение : автореферат, 1 экз.

Ученый секретарь совета д.т.н., п о' ессо

Л.А.Осипов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Важной проблемой экологии является защита атмосферы от выбросов загрязняющих веществ (ЗВ). Данная проблема особенно актуальна для больших промышленных городов, где ЗВ оказывают негативное влияние на здоровье, благосостояние и продолжительность жизни населяющих города людей и приводят к развитию необратимых для природы последствий. Актуальность проблемы защиты атмосферы подчеркивается в соответствующей нормативно-законодательной базе, в частности в федеральном законе от 30 марта 1999 г. N 52-ФЗ "О санитарно-эпидемиологическом благополучии населения" и в федеральном законе от 04.05.1999 N З-ФЗ "Об охране атмосферного воздуха".

Научные основы анализа распространения ЗВ в атмосфере были заложены трудами отечественных ученных: Берлянда М.Е., Щербакова А.Ю., Ландсберга Г.Е., Бузало Н.С., Гаргер Е.К., Марчука Г.И. В работах Сольницева Р.И. была предложена концепция, структура и основные подходы к построению замкнутой системы управления (ЗСУ) концентрацией ЗВ, выбрасываемых производственными предприятиями в атмосферу. Дальнейшее развитие это направление получило в работах российских ученых Сольницева Р.И., Коршунова Г.И., Грудинина В.П.

Результаты исследования существующих решений показали, что важной проблемой реализации системы управления качеством атмосферы является недостаточная проработка практически применимых алгоритмических средств обеспечения сбора и анализа информации мониторинга атмосферы, а также модели переноса массы ЗВ. Для реализации эффективной системы управления необходима разработка и исследование математических моделей, методов анализа и применение построенных на основе моделирования средств мониторинга и принятия решений, осуществляющих оперативные измерения концентрации ЗВ в условиях непрерывно меняющихся параметров атмосферы и генерирующих управляющее воздействие.

Таким образом, разработка проблемно-ориентированной системы управления концентрацией ЗВ и обеспечивающих ее работу алгоритмических средств является актуальной и представляет научную задачу, имеющую теоретическое и прикладное значение.

Цель диссертационной работы состоит в повышении эффективности управления концентрацией загрязняющих веществ в выбросах производственных объектов посредством разработки информационного и алгоритмического обеспечения замкнутой системы управления, исследования процессов обработки информации, эффективности и качества функционирования объекта и процессов регулирования выбросов загрязняющих веществ.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:

1. Разработана уточненная математическая модель переноса ЗВ, как объекта управления, для построения ЗСУ концентрацией ЗВ.

2. Выполнен анализ математических моделей систем управления с точки зрения пригодности для управления выбросами ЗВ, и проведено исследование эффективности и качества управления.

3. Разработан алгоритм поиска координат максимума концентрации ЗВ в атмосфере для летательного аппарата (ЛА).

4. Разработан алгоритм сбора и обработки информации мониторинга по критерию предельно допустимых концентраций (ПДК) для поддержки принятия управленческих решений.

5. Разработана математическая модель системы управления очистными агрегатами, обеспечивающая требуемое качество управления.

Методы исследования. Основой исследования является методология системного анализа, теория систем автоматического управления, аналитические и численные методы математического моделирования.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

1. Разработана уточненная математическая модель переноса ЗВ в атмосфере, как объекта управления, представленная в виде передаточной функции, позволяющая осуществлять управление концентрацией ЗВ в реальном времени.

2. На основе анализа выбрана и проблемно ориентирована математическая модель системы управления выбросами ЗВ, обеспечивающая

требуемое качество управления в условиях изменяющейся во времени величины транспортной задержки, необходимой для переноса ЗВ в атмосфере воздушным потоком.

3. Разработан алгоритм поиска координат максимума концентрации ЗВ в атмосфере для ЛА, позволяющий осуществлять поиск координат и значения максимума концентрации ЗВ в широком диапазоне параметров атмосферы при различных формах факела.

4. Разработан алгоритм сбора и обработки информации мониторинга по критерию ПДК, обеспечивающий коррекцию измерительных данных, вычисление траектории движения ЛА, передачу в центр управления операционных данных ЛА, необходимых для поддержки принятия управленческих решеиий.

5. Разработана математическая модель системы управления очистными агрегатами, обеспечивающая требуемое качество управления очисткой газовоздушной смеси от нескольких ЗВ.

Практическая ценность. Разработанные в диссертационной работе информационные и математические модели и алгоритмы позволяют успешно реализовать аппаратно-программный комплекс (АПК) защиты атмосферы. Практические результаты диссертационной работы использованы в разработках ООО "НПФ "Торэкс"; НП "ИТЦ "Аэрокосмический" для ОАО "РУСАЛ" филиал "Бокситогорский глинозем"; Международного института инжиниринга в экологии и безопасности жизнедеятельности при ГУАП, а также внедрены в учебный процесс кафедры «Инноватика и управление качеством» в Санкт-Петербургском государственном университете аэрокосмического приборостроения (ГУАП).

Внедрение результатов диссертационной работы позволяет снизить выбросы ЗВ в атмосферу для ТЭЦ, работающей на сланцах в 1,5-2 раза, не снижая показатели выработки основного продукта. Экономический эффект от внедрения разработанного информационного и алгоритмического обеспечения ЗСУ составляет более 120 млн. рублей в год.

Положения, выносимые на защиту:

1. Уточненная математическая модель переноса ЗВ в атмосфере, как объекта управления ЗСУ концентрацией загрязняющих окружающую среду веществ.

2. Результаты моделирования и анализа эффективности и качества управления проблемно-ориентированной системы управления выбросами ЗВ.

3. Алгоритм поиска координат максимума концентрации ЗВ в атмосфере для J1A.

4. Алгоритм сбора и обработки информации мониторинга по критерию ПДК для поддержки принятия управленческих решений.

5. Математическая модель системы управления очистными агрегатами.

Апробация работы. Основные положения, защищаемые идеи, теоретические положения, научные и практические результаты работы докладывались и обсуждались на международной конференции «Instrumentation in Ecology and Human Safety 2007», St. Petersburg 2007; на Десятой Научной сессии ГУАП, Санкт-Петербург, 2007; на Одиннадцатой Научной сессии ГУАП, Санкт-Петербург, 2008.

Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 6 печатных работах, из них 3 статьи в ведущих научных журналах, рекомендованных ВАК, а также в материалах международной конференции «Instrumentation in Ecology and Human Safety 2007», St. Petersburg 2007; в Сборнике докладов Десятой Научной сессии ГУАП, Санкт-Петербург, 2007; в Сборнике докладов Одиннадцатой Научной сессии ГУАП, Санкт-Петербург, 2008.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов и заключения. В конце каждого раздела сформулированы выводы. Общий объем рукописи составляет 155 страниц, в том числе 5 таблиц, 50 рисунков и список используемых источников из 136 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении сформулирована цель работы, обоснованы актуальность и важность исследуемой темы, кратко описано содержание работы. Представлены полученные в диссертационном исследовании результаты, выносимые на защиту.

В первом разделе рассмотрена концепция замкнутой системы управления выбросами ЗВ, осуществлен синтез требований к ЗСУ, разработана информационная модель ЗСУ.

Концепция замкнутой системы управления выбросами производственных предприятий рассматривает взаимодействие человека, производственной деятельности и экологии, как сложную замкнутую систему, в которой происходит преобразование потоков энергоресурсов в энергию, отходы и продукт производства. В соответствии с данной концепцией под действием управляющего воздействия производится преобразование сырья в энергию и отходы, которое может быть выражено следующим уравнением:

Р(1)=Щ()+ Е(1)+1У{Р, Щ1,0,О},1},

где Р - продукт, I - время, Е - энергия, Л - сырье, IV - отходы, и - управляющее воздействие, I - множество входных данных, О — множество операций над данными, О - множество выходных данных.

Отличительной особенностью данной концепции от существующих является непрерывное автоматическое управление концентрацией ЗВ, измеряемой непосредственно в факеле. Рассмотренная концепция лишена недостатков, присущих существующим решениям: отсутствие реализации автоматизированной программно-аппаратной обратной связи в цепи управления, необходимости значительного времени на выработку управляющего воздействия, влияния человеческого фактора на процесс управления.

На основе рассмотренной концепции сформулированы требования и разработана информационная модель ЗСУ, обеспечивающая процессы преобразования первичной информации от измерительных систем в оперативные и структурные данные для управления АПК ЗСУ выбросами ЗВ.

Информационная модель проблемно-ориентированной системы управления выбросами ЗВ в атмосферу представляет собой модульную структуру, состоящую из модулей различного назначения с возможностью их подключения к системе управления в режиме реального времени. Формат и тип данных, используемых при передаче информации между модулями, и структура запросов-обращений строго регламентированы, что обеспечивает необходимую надежность системы управления, потенциал повышения качества управления и гибкости конфигурирования. Предусмотрены возможности криптографии, предотвращающие несанкционированный доступ и вмешательство в работу ЗСУ. Модулям системы управления назначены уровни приоритета от 0 до 3 с целью более эффективного использования вычислительных ресурсов и обеспечения работы системы управления в реальном времени. Модулем 0-го уровня является ядро системы управления, обеспечивающее сопряжение между собой подключенных к ней модулей более низкого уровня, а также передачу данных между модулями. К модулям 1-го уровня относятся модули, обеспечивающие непрерывный контроль и управление концентрацией ЗВ, автоподстройку параметров контуров управления и коммутацию измерительной информации. Модули 2-го уровня включают модули, обеспечивающие сбор и обработку измерительной информации (расчет траектории движения ЛА и координат точек пространства, в которых должны быть произведены измерения), а также ее хранение и систематизацию. К модулям 3-го уровня относятся модули, обеспечивающие прогнозирование динамики атмосферы, загрязненности местности, а также обработку и визуализацию информации, необходимой для управления АПК и поддержки принятия управленческих решений. Информация модулей 3-го уровня отображается на экране оператора в виде картографических изображений с нанесенными на них текущими и прогнозными изображениями распространения ЗВ, расположения измерительных систем и другими параметрами.

Разработанная информационная модель ЗСУ выбросами промышленных предприятий является основой АПК, обладает, в отличие от известных решений, следующими особенностями:

- возможность гибкой конфигурации и подстройки под любую проблемную область в зависимости от типа и сложности решаемых задач;

- предотвращает выброс в атмосферу производственным предприятием ЗВ выше установленных ПДК норм, при этом обеспечивает возможность производства максимума основного продукта;

- работа ЗСУ минимизирует влияние «человеческого фактора» в процессе управления;

- объектом управления ЗСУ является концентрация ЗВ, перемещающаяся от источника загрязнения до точки измерения;

- управление осуществляется на основе оперативных и точных данных о концентрациях ЗВ, измеренных в точке их максимального значения -непосредственно в факеле;

- обеспечивает эффективное управление очистными агрегатами, позволяет продлить ресурс их работы, минимизировать затраты электроэнергии и расходных средств.

Критерием эффективности управления является непрерывное поддержание концентрации ЗВ в выбросах производственного предприятия на уровне, не превышающем установленного значения ПДК.

Во второй главе представлено информационное и математическое обеспечение ЗСУ выбросами ЗВ.

П. 2.1 включает в себя обзор, анализ и систематизацию моделей распространения ЗВ в атмосфере, а также разработку уточненной модели переноса ЗВ в атмосфере как объекта управления ЗСУ.

К модели распространения ЗВ в атмосфере, как объекту управления ЗСУ, установлены следующие требования: возможность интеграции в ЗСУ как самостоятельного модуля, обеспечивать высокое быстродействие вычислительных процессов, отсутствие сложных математических преобразований, наличие функции «вход-выход».

Существующие модели распространения газообразных примесей в атмосфере в процессе их анализа разделены на следующие группы:

1) эмпирико-статистические модели, основанные на функциях математической статистики и гауссовой функции распределения;

2) математические модели, основанные на решении уравнений гидродинамики и транспортно-диффузионных уравнений;

3) физические модели (в аэродинамических трубах);

4) модели на основе комплексного подхода: сравнительного анализа результатов натурных экспериментов с результатами физического и численного моделирования с последующим построением моделей распределения ЗВ в атмосфере.

Проведенный анализ существующих моделей выявил их ограничения при применении в ЗСУ выбросами ЗВ. Эмпирико-статистические модели, вследствие их прогностического характера, могут использоваться только как вспомогательные или для оценки степени загрязнения местности. Математические модели сложны в практической реализации и требуют непрерывного измерения большого количества трудноизмеримых параметров атмосферы. Физическое моделирование в аэродинамических трубах требует создания миниатюрной модели исследуемой местности и, ввиду ограничений, не может воспроизводить физические процессы атмосферы с заданной точностью и скоростью. Комплексный подход обладает всеми вышеперечисленными недостатками. Приведенные модели способны решать задачи прогнозирования загрязнения местности, но не пригодны для построения ЗСУ. Поэтому для задач ЗСУ предложена уточненная модель переноса ЗВ в атмосфере, удовлетворяющая поставленным требованиям. Уточненная модель разработана на основе модели Сольницева Р.И., выведенной из уравнения турбулентной диффузии для одномерного потока, имеющая вид передаточной функции:

где: уг - концентрация ЗВ в точке измерения, у/ - концентрация ЗВ у источника ЗВ, К/ - коэффициент поглощения ЗВ, зависящий от метеоусловий; Т- постоянная времени инерционных процессов переноса ЗВ, т - время переноса количества ЗВ от источника до точки измерения.

В разработанной уточненной модели величина времени задержки переноса ЗВ - тпредставлена как функция времени и выражена уравнением:

Ф=г/У, (2)

где, г-расстояние от источника ЗВ, V-средняя скорость ветра на высоте факела (Я).

Значение КI найдено как соотношение:

К1=у2/у1,

при условии, что измерения концентрации ЗВ в точке се максимума ведутся непрерывно, или же по формуле:

К | — -

Я

н1

2а.1

(4)

у^ ■ 2 ■ к • V • ау • а,

где 2 - мощность непрерывного источника, К2 - коэффициент поглощения ЗВ окружающей средой.

Полное уравнение уточненной модели переноса ЗВ в атмосфере от источника ЗВ до точки измерения имеет вид:

н' \

Уг ■■

е

у^-г-я-ч-а -ог

е 2а,! -Кгг

I

1 + Тр

■е " -уг

(5)

Разработанная уточненная модель переноса ЗВ в атмосфере имеет точность, сопоставимую с моделью Паскувилла-Бриггса, но в отличие от нее учитывает время на перенос ЗВ, поглощение ЗВ окружающей средой и инерционные процессы атмосферы.

В п. 2.2 представлена математическая модель системы управления очистными агрегатами, посредством которой осуществляется перераспределение управляющего воздействия между очистными агрегатами разного типа и обеспечивается эффективная очистка газовоздушной смеси от нескольких ЗВ в зависимости от соотношений концентраций ЗВ, «цены» газоочистки, качества топлива и режима работы котла.

Укрупнено модель может быть описана следующей системой уравнений:

иА =и-и/1,и<иЛт„+иЛтк;

"/. = "-("/1+и/, +-+и/,-М < К»« + +-+"/>«х); (6)

и

где и - величина суммарного управляющего сигнала щ - величина управляющего сигнала, подаваемая на г-ый очистной агрегат,

К,,„

Щтах ~ максимальное значение управляющего сигнала для /-го очистного агрегата, К„к - коэффициент, управляющий мощностью котла.

В п. 2.3 рассмотрена математическая модель ЗСУ, состоящая из следующих звеньев и их математических моделей, выраженных в виде передаточных функций:

1. Модель процесса переноса ЗВ с выхода котла до устья трубы:

= (7)

1 + Т,р

где о - определяется по формуле:

а(0=и+уд, (8)

и - величина управляющего воздействия, у» - концентрация ЗВ на выходе котла.

2. Модель процесса преобразования массы ЗВ в составе факела при переносе ЗВ от источника до точки измерения:

Я— е^-К^г

1 -<•(-)

е - . (9)

1 + Т2р

3. Модель процесса измерительного преобразования величины ЗВ:

У:=Щр)-У2^=Т~-е-рЬ, (10)

1 + 7>

где 12 - время измерительного преобразования, зависящее от принципа действия и конструкции используемого измерительного преобразователя.

4. Модель процесса формирования, накопления, обработки и передачи измерительных данных представлена выражением:

(0 = ЯА{рУ2{№ = ■ е-'", (11)

аР

где, т3 - суммарное время, затрачиваемое на процессы формирования, накопления, обработки, преобразования и передачи данных измерения ЗВ, г - функция ошибки возмущения, вычисляемая по формуле:

г(1)=У2*~У2о\ (12)

где, у ¡а - допустимая концентрация ЗВ на расстоянии г от устья трубы при определенных погодных условиях и параметрах функционирования предприятия (всегда меньше ПДК).

5. Управляющее воздействие, подаваемое на очистной агрегат, представлено выражением:

и=(К6+Кгр+К,/р)-КгуГ. (13)

6. Модель процесса газоочистки представлена выражением:

= (14)

На основе моделей звеньев построена полная модель ЗСУ. Передаточная функция ЗСУ по ошибке регулирования г/у2о имеет вид:

=_р(\ + Т1р)-{\ + Тгр)-(\ + Т,р)-(\ + Т<р)(\ + Т!р)_

У2„ лг3■ ■/г,•/СчАГ,„■ (л:Л -I-+

Рассмотренная модель представляет модульную систему, обеспечивающую гибкость в подборе параметров блоков при адаптации ЗСУ, ее масштабировании и модернизации.

В ЗСУ установлены следующие требования к показателям качества управления: длительность переходного процесса - не более 15 мин, величина перерегулирования - не более 20%, степень затухания - не менее 0,75.

Третий раздел посвящен разработке и исследованию процессов обработки информации проблемно-ориентированной ЗСУ выбросами ЗВ.

На основе уравнения (15) модели ЗСУ посредством полунатурного моделирования исследованы процессы обработки информации ЗСУ в различных режимах работы, имитирующих реальные условия. В результате моделирования определены параметры управления, обеспечивающие требуемую устойчивость, качество управления и динамические характеристики для наиболее типичных для Санкт-Петербурга погодных условий. Результаты проведенного моделирования показали, что при скорости ветра 4 м/с время, необходимое ЗСУ для минимизации выброса и приведения концентрации ЗВ в соответствие с нормами ПДК, составляет не более 10 минут.

На рис. 1 представлены результаты моделирования работы ЗСУ при различных значениях величины К3, имитирующей количество ЗВ в топливе до момента его высвобождения (посредством химических реакций) при сжигании топлива. Полученные данные подтверждают стабильность и

необходимое качество управления ЗСУ при использовании предполагаемого топлива - сланцев с содержанием серы 0,5 2 процента.

Рис. 1. Изменение ошибки 2 при ступенчатом изменении воздействия функции Хпрн различных значениях К}.

На рис. 2 представлены результаты моделирования работы ЗСУ при различных значениях величины транспортной задержки Т], имитирующей время, необходимое на перемещение количества ЗВ от источника загрязнения до точки измерения. Установлено, что ЗСУ обеспечивает требуемое качество управления при величине Х\ от 0 до 230 секунд и соответствующей ей скорости ветра от 0 до 10 м/с.

Результаты исследования модели ЗСУ выявили существенный недостаток данной структуры - потерю устойчивости ЗСУ в условиях динамически изменяющейся величины транспортной задержки. Для решения данной проблемы в диссертационной работе предположено дополнить модель ЗСУ так называемым предиктором Смита или ПИД-регулятором с автоподстройкой параметров.

Рис. 2. Изменение ошибки г при ступенчатом изменении воздействия функции Хирк различных значениях Т|.

На рис. 3 представлены результаты моделирования модифицированной модели ЗСУ, подтверждающие, что предложенные методы значительно увеличивают качество управления и устойчивость ЗСУ. Предиктор Смита сокращает зависимость устойчивости системы управления от величины транспортной задержки, при этом его использование не требует усложнения модели системы управления. Блок автоподстройки на основе нечеткого управления позволяет одновременно сократить влияние транспортной задержки и величину перерегулирования, причем построение более точной модели управления, учитывающей большее количество факторов, позволяет осуществлять более гибкое управление с лучшим качеством. Блок автоподстройки на основе нечеткого управления разработан на базе метода Мамдами. Используемые в методе правила получены на основе экспертной оценки, функции принадлежности построены на основе полученных опытным путем данных.

Во второй части раздела представлена структура и исследована работа двухконтурной ЗСУ, предназначенной для одновременного управления концентрацией нескольких ЗВ, выбрасываемых одним предприятием. Двухконтурная ЗСУ представляет собой замкнутую систему управления, реализованную из двух независимых контуров, дополненных блоками

компенсации воздействия параллельных контуров, взаимовлияющих на объекты управления. В частности, были исследованы процессы обработки информации в модели системы управления концентрацией 802 и МОх. Результаты проведенных экспериментов подтверждают работоспособность многоконтурной системы управления, обеспечивающей эффективную очистку газовоздушной смеси от нескольких ЗВ в условиях изменяющихся параметров атмосферы и взаимного влияния контуров управления.

[ 1 ! Г

№ "татг''1..... / ч ; -г ..... |-Ну-Ч..... —:.....•;.....ч— / ......+-—1—■+—1—.+.—I—-+—■ ....у —Ч

—Н.....1—•л.....•!.....■■>,.....• .....1.....:.....)..—;............... .....:-----—»— --------------;.....(.... н

—•<.....• <..........1 — --1.....— 111111111 1 .....>■—<.....1.....:-.—}--—:—а-----:-----».....:—ч-—-1..... 111111111111111 1

1, евкум»

Рис. 3. Функция концентрации ЗВу при меняющемся значении величины транспортной задержки Т1.

В четвертом разделе представлено алгоритмическое и методическое

обеспечение средств поддержки принятия решений в ЗСУ выбросами ЗВ.

В п. 4.1.1 разработан алгоритм поиска координат максимума

концентрации ЗВ в атмосфере и алгоритм сбора и обработки информации

мониторинга по критерию ПДК для принятия управленческих решений.

Данный алгоритм основан на известных методах условной оптимизации, где

ограничением является исследуемая область пространства

пирамидоидальной формы. Критерием оптимальности является минимизация

времени поиска в условиях непрерывно меняющихся параметров атмосферы.

16

Данный критерий связан с ограниченной продолжительностью полета ЛА. Полагается, что в плоскости ХОУ поле ветра однородно, в процессе одного цикла измерения направление и скорость ветра, а так же иные параметры атмосферы квазистационарны, функция распределения ЗВ в пространстве -унимодальная. Алгоритм поиска координат максимума концентрации ЗВ состоит из двух этапов. На первом этапе производится расчет траектории факела для вычисления траектории полета ЛА. На втором этапе производится поиск координат и величины максимума концентрации ЗВ непосредственно в факеле. I

Расчет траектории факела производится по алгоритму:

1.1. Производится пролет по нормали к направлению движения факела. На высоте 60 м ЛА осуществляет поочередное измерение концентрации ЗВ датчиками с заданным интервалом. Строится приближенная функция распределения концентрации ЗВ на данной высоте, находятся координаты ее максимума (хтц, у„,ц, г,„и). Высота 60 м выбрана с целью исключить влияние приземистых воздушных потоков, а также фоновой концентрации ЗВ, накапливающегося у поверхности вследствие эффекта отражения и создаваемой автомобильным транспортом.

1.2. ЛА производятся измерительно-вычислительные операции аналогичные пункту 1.1. на высоте 90 м.

1.3. Через полученные координаты локальных максимумов концентрации ЗВ на высотах 60 м и 90 м проводится прямая:

— 1 " х = х = --Ух,

п Ъ

= -=--(х~х) + у, п = \,И, (16)

К*,-л-)2

м

где п - номер интеракции, <1г - шаг.

Вдоль прямой, описываемой системой уравнений (16), производится одномерный поиск координат максимума концентрации ЗВ (х,„, у,„, гт).

1.4. Рассчитывается угол подъема факела ((3) по следующей формуле:

Р = ¡sgtg{-

-Я.

(17)

где Но - высота трубы, г - расстояние до источника ЗВ. Область поиска ограничивается следующей системой уравнений: хь={г + Л) • СО 5<Р, хя = (г-А)-соей,

У я =

ч=Н0+(г-!,)гсо$(р) гя=Н0 + {г-к) -С08(/Т)

Г ~ 'о''тих

<Ри =<Ро-<Ро*

(18)

где )х, 21 - верхняя граница зоны поиска, хц, у и, гя - нижняя граница зоны поиска, фоь фок - максимальное отклонение ветра относительно фо в рассматриваемый период времени в левую и правую строну, соответственно, А - величина, учитывающая возможные погрешности.

1.5. Определяются координаты траектории факела в плоскостиХОУ, для чего измеряется скорость и направление ветра на высоте Но с периодичностью Координаты количества вещества, перенесенного на расстояние 5(У, рассчитываются по формуле:

х. =г( • соз(а) • бш(/?)

■ =г( ^тС^ вт^), (19)

2,.=Я0+г(- соэ(Р)

где а - азимут угла отклонения факела в плоскости ХОУ, Р - угол подъема факела, г; - расстояние от источника ЗВ, определяемое по формуле:

(20)

где и - скорость ветра, /,■ - время необходимое для переноса количества вещества на расстояние г, определяется по формуле:

1 = (21)

Данные могут быть загружены в ЛА и использованы в качестве траектории его полета. Если ЛА работает в автономном режиме, координаты траектории полета могут быть вычислены по системе уравнений (19) в самом ЛА, но значение /¡, в данном случае, корректируется с учетом скорости ЛА:

г, =Ула -п, (23)

где - скорость полета ЛА.

Поиск координат максимума ЗВ в факеле осуществляется по следующему алгоритму: :

2.1. ЛА, зайдя на рассчитанный курс, начинает производить измерения поочередно всеми датчиками с заданной периодичностью. После каждого измерения вычисляется скорость роста функции ЗВ:

(24)

ах

Если скорость роста концентрации превышает порог Ач, то период между измерениями уменьшается пропорционально скорости изменения концентрации ЗВ, пока не достигнет заданного значения. На основе полученных данных строится приближенная функция распределения концентрации ЗВ в пространстве. Определяется максимальное значение концентрации ЗВ и координаты его расположения гтса с заданной точностью.

2.2. ЛА делает второй заход. При подлете к расчетной точке координат максимума гтах поочередно производятся измерения концентрации ЗВ датчиками с уменьшенным интервалом.

Разработанный алгоритм был апробирован в среде МайаЪ в условиях близких к реальным. Результаты вычислительного эксперимента подтвердили способность ЛА под управлением разработанного алгоритма находить координаты максимума концентрации ЗВ в атмосфере за время, не превышающее 10% максимальной продолжительности полета ЛА. Точность определения координат составляет не более 15 м.

В п. 4.1.2 представлен разработанный алгоритм сбора и обработки информации по критерию ПДК, включающий сбор и обработку следующей информации от ЛА:

- сбор измерительных данных, синхронизированных с ОРЯ, для вычисления с заданной точностью координат максимума концентрации ЗВ;

- получение и передачу фотоизображения для обеспечения ручной коррекции курса ЛА;

- сбор данных о состоянии ЛА, необходимых для управления ЛА;

- возможность ЛА в автономном режиме рассчитывать траекторию своего полета, в случае потери связи с центром управления;

- коррекцию измеренных данных, полученных от ЛА, для вычисления точных координат и значения максимума концентрации ЗВ.

Коррекция измерительных данных включает в себя:

1. Коррекция значения концентрации ЗВ с учетом скорости ЛА и ветра:

Чн = 7—(25)

где ц„ - значение концентрации измеренной г-ым датчиком, I - время измерения, знак в знаменателе зависит от направления полета самолета: по или против ветра.

2. Коррекция значения концентрации ЗВ с учетом соответствия заложенных в ЛА координат реальному месторасположению:

Чо

ч„=-

-ЗН -г Н г -Н-г

ега' е ■(е+е а* ) 3. Нормирование данных по значению ПДК:

Чпдк

(26)

(27)

н

__ЧпдкЛ\ + е а' )-с2а1 (28)

Чн-пдк ~ £ '

где и - концентрации ЗВ для высоты Н в относительный единицах, Чпдк- величина ПДК для приземистого слоя, дн-пдк - величина ПДК для высоты подъема факела, в которой находится максимум концентрации ЗВ.

Разработанные алгоритмы использованы в системе управления ЛА «Орлан-К» с установленной на него измерительной системой из нескольких датчиков Б02 и МОх. К датчикам концентрации ЗВ установлены следующие требования: чувствительность датчика должна находиться в пределах 0,05 - 1500 единиц ПДК ЗВ.

В п. 4,2 разработан алгоритм коммутации измерительной информации, осуществляющий ее первичную обработку, обеспечивающий, на основе метеоданных и достоверности измерений, автоматическую коммутацию измерительной информации от нескольких измерительных систем или подмену недостаточно достоверных или отсутствующих данных расчетными.

В п. 4.3 представлена структура программно-аппаратного интерфейса ЗСУ и интерпретации информации, объединяющего в нескольких 2£> или ЗО слоях информацию о рельефе местности, распределении ЗВ в пространстве, текущем и прогнозном значении степени загрязненности местности, а также информацию о расположении ЛА и данных о работе предприятия. Предложенная структура программно-аппаратного интерфейса позволяет осуществлять управление процессом сбора измерительной информации, анализа загрязнения местности и управления очистными агрегатами.

В заключении приведены основные результаты, полученные в диссертационной работе.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В диссертационной работе достигнута заявленная цель, поставленные задачи решены. Результатом исследования является разработанное информационное и алгоритмическое обеспечение, реализованное в АПК управления концентрацией ЗВ, обеспечивающее более эффективное, по сравнению с существующими решениями, управление концентрацией ЗВ в выбросах производственных предприятий.

Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Осуществлен сравнительный анализ и систематизация моделей распространения ЗВ в атмосфере с точки зрения эффективности их применения в ЗСУ. Разработана уточненная модель переноса ЗВ в атмосфере, как объекта управления ЗСУ концентрацией загрязняющих окружающую среду веществ, представленная в виде передаточной функции, позволяющая обеспечивать высокую производительность вычислительных процессов с учетом широкого спектра факторов, влияющих на перенос в атмосфере ЗВ.

2. Разработаны и исследованы модели одноконтурных и многоконтурных систем управления выбросами ЗВ. На основании анализа результатов моделирования ЗСУ проведено исследование устойчивости, качества управления и динамических характеристик ЗСУ, осуществлен выбор параметров звеньев, обеспечивающих необходимое качество управления в соответствии с поставленными требованиями в условиях динамически изменяющейся во времени величины транспортной задержки. Результаты моделирования подтвердили известные экспериментальные данные и обоснованность выбора параметров звеньев ЗСУ.

3. Разработан алгоритм поиска координат максимума концентрации ЗВ для ЛА. Разработанный алгоритм позволяет осуществлять поиск координат и значения максимума концентрации ЗВ летательным аппаратом в широком диапазоне параметров атмосферы при различных формах факела.

4. Разработан алгоритм сбора и обработки информации мониторинга по критерию ПДК для принятия управленческих решений. При помощи разработанного алгоритма осуществляется коррекция значения максимума концентрации ЗВ с учетом реального расположения ЛА.

5. Разработана математическая модель системы управления очистными агрегатами, обеспечивающая эффективную очистку газовоздушной смеси от нескольких загрязняющих веществ в зависимости от их концентрации, качества топлива и режима работы котла.

Результаты практической реализации диссертационной работы подтверждены актами внедрения.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Шабалов A.A. Сравнительный анализ и требования к математическим моделям распространения промышленных выбросов в атмосфере // Труды Пятой Международной конференции «Приборостроение в экологии и безопасности человека» (ПЭБЧ'07)/ Под редакцией проф. Сольницева Р.И. - СПб.: ГУАП, 2007. С.265-270.

2. Шабалов A.A. Моделирование процесса распространения загрязняющих веществ // Научная сессия ГУАП: Сб. докл.: В 3 ч. 4.1. Технические науки / ГУАП. СПб, 2007. С. 131-133.

3. Сольницев Р.И., Коршунов Г.И., Шабалов A.A. Моделирование замкнутой системы управления «Природа - техногеника» // Информационно-управляющие системы. 2008. №2. С.Зб-41. (из Перечня ведущих рецензируемых научных журналов ВАК).

4. Шабалов A.A. Замкнутая многоконтурная система управления выбросами загрязняющих веществ промышленных предприятий II Журнал научных публикаций аспирантов и докторантов. 2008. №2. С.164-167. (из Перечня ведущих рецензируемый научных журналов ВАК).

5. Коршунов Г.И. Шабалов A.A. Обеспечение качества замкнутой системы управления «Природа-техногеника» // Научно-технические ведомости СПбГТУ. 2008. №3(56). С.169-175. (из Перечня ведущих рецензируемых научных журналов ВАК).

6. Шабалов A.A. Методика поиска в атмосфере координат максимума концентрации вещества // Научная сессия ГУАП: Сб. докл.: В 3 ч. 4.1. Технические науки/ ГУАП. СПб, 2008. С.200-2004.

Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Тираж 100 экз. Заказ № ВЧ

Отпечатано в редакционно-издательском центре ГУАП 190000, Санкт-Петербург, ул.Б.Морская,67

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

1 КОНЦЕПЦИЯ ЗАМКНУТОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ И ЕЕ ИНФОРМАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ.

1.1 Концепция замкнутой системы управления «Природа-Техногеника».

1.2 Синтез требований к системе управления концентрацией загрязняющих веществ в выбросах производственных предприятий и ее элементам.

1.3 Информационная модель аппаратно-программного комплекса управления концентрацией загрязняющих веществ.

1.4 Результаты и выводы к разделу 1.

2 ИНФОРМАЦИОННОЕ И МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЗАМКНУТОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ВЫБРОСАМИ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ.

2.1 Разработка и исследование математической модели распространения загрязняющих веществ в атмосфере.

2.1.1 Синтез требований к модели распространения загрязняющих веществ в атмосфере.

2.1.2 Анализ и систематизация моделей распространения загрязняющих веществ в атмосфере.

2.1.3 Разработка уточненной математической модели распространения загрязняющего вещества.

2.2 Математическая модель системы управления очистными агрегатами.

2.3 Математическая модель одноконтурной замкнутой системы управления.

2.4 Результаты и выводы к разделу 2.

3 СТРУКТУРНО-ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ МОДЕЛИ ЗАМКНУТОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ В ЗАМКНУТОЙ СИСТЕМЕ УПРАВЛЕНИЯ. 77 3.1 Требования к качеству замкнутой системы управления.

3.2 Моделирование процессов обработки информации замкнутой системой управления.

3.3 Анализ устойчивости и качества замкнутой системы управления.

3.4 Структурно-параметрический синтез модели замкнутой системы управления.

3.5 Анализ устойчивости и качества регулирования замкнутой системы управления.

3.6 Структурно-параметрический синтез модели двухконтурной замкнутой системы управления.

3.7 Исследование процессов обработки информации двухконтурной замкнутой системы управления.

3.8 Результаты и выводы к разделу 3.

4 АЛГОРИТМИЧЕСКОЕ И МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СРЕДСТВ ПОДДЕРЖКИ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ В СИСТЕМЕ УПРАВЛЕНИЯ ВЫБРОСАМИ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ.

4.1 Разработка алгоритмического обеспечения сбора, обработки и передачи измерительной информации.

4.1.1 Алгоритм поиска пространственных координат максимума концентрации загрязняющих веществ в атмосфере.

4.1.2 Протокол передачи данных между измерительной системой и центром управления.

4.2 Алгоритм коммутации информации измерительных систем.

4.3 Структура программно-аппаратного интерфейса системы управления и интерпретации информации.

4.3.1 Структура интерфейса.

4.3.2 Методика прогнозирования загрязнения местности.

Результаты и выводы к разделу 4.

Проблемы охраны окружающей среды и ее восстановления в настоящее время приняли глобальный характер и являются важными для задач современной науки. Данные проблемы связаны с возрастающей в последние десятилетия активностью антропогенной деятельности и вовлекаемыми в нее природными ресурсами. Это оказывает сильнейшее воздействие на биосферу, представляя для нее большую угрозу и делая ее все более нестабильной с все более и более непригодными для существования условиями. Одной из важнейших проблем экологии является защита атмосферы от выбросов загрязняющих веществ (ЗВ). Данная проблема особенно актуальна для больших промышленных городов, где ЗВ оказывают негативное влияние на здоровье, благосостояние и продолжительность жизни людей, приводят к развитию необратимых для природы последствий [1,2].

Необходимость разработки научно обоснованных решений управления концентрацией ЗВ в атмосфере усиливается тем, что с ростом промышленного производства усиливается загрязнение атмосферы. Развитие информационных технологий, включая значительный прогресс в создании средств измерения, обработки, передачи и хранения информации, позволяет создать автоматическую систему управления и непрерывного мониторинга концентрации ЗВ в атмосфере для задач анализа, принятия управленческих решений и контроля их исполнения.

Актуальность проблемы защиты атмосферы подчеркивается в соответствующей нормативно-законодательной базе, в частности в федеральном законе от 30 марта 1999 г. N 52-ФЗ "О санитарно-эпидемиологическом благополучии населения" (с изменениями от 30 декабря 2001 г., 10 января 2003 г.), федеральном законе от 04.05.1999 N З-ФЗ "Об охране атмосферного воздуха" (с изменениями на 31 декабря 2005 года), федеральном законе РФ от 23 ноября 1995 г. № 174-ФЗ "Об экологической экспертизе", федеральном законе от 10.01.2002 N 7-ФЗ "Об охране окружающей среды" (с изменениями на 22 августа 2004 года). В соответствии с Постановлением Правительства Российской Федерации от 02.02.2006 №60 "Об утверждении положения о социально-гигиеническом мониторинге" мониторинг за источниками антропогенного воздействия на окружающую природную среду вошел в качестве одного из важнейших элементов в государственную систему социально-гигиенического мониторинга. «Технологии мониторинга и прогнозирования состояния атмосферы и гидросферы» включены в перечень критических технологий, утвержденный распоряжением Правительства Российской Федерации от 25 августа 2008 г. № 1243-р.

Научные основы анализа распространения ЗВ в атмосфере были заложены в трудах отечественных ученных: Берлянда М.Е., Щербакова А.Ю., Ландсберга Г.Е., Бузало Н.С., Гаргер Е.К., Марчука Г.И. В работах Сольницева Р.И. была предложена концепция, структура и основные подходы к построению замкнутой системы управления (ЗСУ) концентрацией выбрасываемых производственными предприятиями в атмосферу ЗВ. Дальнейшее развитие это направление получило в работах российских ученых Сольницева Р.И., Коршунова Г.И., Грудинина В.П.

Результаты исследования существующих решений показали, что важной проблемой реализации системы управления качеством атмосферы является недостаточная проработка практически применимых алгоритмических и методических средств обеспечения, сбора и анализа информации мониторинга атмосферы, а также модели переноса ЗВ в атмосфере. Для реализации эффективной системы управления необходима разработка и исследование математических моделей, методов анализа и применение построенных на основе моделирования средств мониторинга и принятия решений, осуществляющих оперативные измерения концентрации ЗВ в условиях непрерывно изменяющихся параметров атмосферы и генерирующих управляющее воздействие.

Таким образом, разработка проблемно-ориентированной системы управления концентрацией ЗВ в выбросах промышленных предприятий и обеспечивающих ее работу информационных и алгоритмических средств является актуальной и представляет научную задачу, имеющую важное теоретическое и прикладное значение.

Цель диссертационной работы состоит в повышении эффективности управления концентрацией загрязняющих веществ в выбросах производственных объектов посредством разработки информационного и алгоритмического обеспечения замкнутой системы управления, исследования процессов обработки информации, эффективности и качества управления.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе установлены следующие задачи:

1. Разработка уточненной математической модели переноса ЗВ в атмосфере, как объекта управления ЗСУ концентрацией ЗВ.

2. Анализ математических моделей систем управления с точки зрения пригодности для управления выбросами ЗВ, исследование эффективности и качества управления.

3. Разработка алгоритма поиска координат максимума концентрации ЗВ в атмосфере для летательного аппарата (ЛА).

4. Разработка алгоритма сбора и обработки информации мониторинга по критерию предельно допустимых концентраций (ПДК) для поддержки принятия управленческих решений.

5. Разработка математической модели системы управления очистными агрегатами для управления очисткой газовоздушной смеси от нескольких ЗВ.

Методы исследования. Основой исследования является методология системного анализа, теория систем автоматического управления, аналитические и численные методы математического моделирования.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

1. Разработана уточненная математическая модель переноса ЗВ в атмосфере, как объекта управления ЗСУ концентрацией ЗВ, представленная в виде передаточной функции, позволяющая осуществлять управление концентрацией ЗВ в реальном времени.

2. На основе анализа выбрана и проблемно ориентирована математическая модель системы управления выбросами ЗВ, отличающаяся от базовой введением в регулятор дополнительных компенсирующих связей, обеспечивающих минимизацию эффекта «интегрального насыщения» и необходимое качество управления при изменяющейся величине транспортной задержки переноса ЗВ в атмосфере.

3. Разработан алгоритм поиска координат максимума концентрации ЗВ в атмосфере для ЛА, позволяющий осуществлять поиск координат и значения максимума концентрации ЗВ летательным аппаратом в широком диапазоне параметров атмосферы при различных формах факела.

4. Разработан алгоритм сбора и обработки информации мониторинга по критерию ПДК, обеспечивающий коррекцию измерительных данных, необходимых для поддержки принятия управленческих решений.

5. Разработана математическая модель системы управления очистными агрегатами, обеспечивающая требуемое качество управления очисткой газовоздушной смеси от нескольких ЗВ.

Практическая ценность. Разработанные в диссертационной работе информационные и математические модели и алгоритмы позволяют успешно реализовать аппаратно-программный комплекс (АПК) защиты атмосферы. Практические результаты диссертационной работы использованы в разработках ООО "НПФ "Торэкс"; НП "ИТЦ "Аэрокосмический" для ОАО "РУСАЛ" филиал "Бокситогорский глинозем"; Международного института инжиниринга в экологии и безопасности жизнедеятельности при ГУАП, а также внедрены в учебный процесс кафедры «Инноватика и управление качеством» в Санкт-Петербургском государственном университете аэрокосмического приборостроения (ГУАП).

Внедрение результатов диссертационной работы позволяет снизить выбросы ЗВ в атмосферу для ТЭЦ, работающей на сланцах в 1,5-2 раза, не снижая показатели выработки основного продукта. Экономический эффект от внедрения разработанного информационного и алгоритмического обеспечения ЗСУ составляет более 12 млн. рублей в год.

Положения, выносимые на защиту:

1. Уточненная . математическая модель переноса ЗВ в атмосфере, как объекта управления ЗСУ концентрацией загрязняющих окружающую среду веществ.

2. Результаты моделирования и анализа эффективности и качества управления проблемно-ориентированной системы управления выбросами ЗВ.

3. Алгоритм поиска координат максимума концентрации ЗВ в атмосфере для JIA.

4. Алгоритм сбора и обработки информации мониторинга по критерию ПДК для поддержки принятия управленческих решений.

5. Математическая модель системы управления очистными агрегатами.

Апробация работы. Основные положения, защищаемые идеи, теоретические положения, научные и практические результаты работы докладывались и обсуждались на международной конференции «Instrumentation in Ecology and Human Safety 2007», St. Petersburg 2007; на Десятой Научной сессии ГУАП, Санкт-Петербург, 2007; на Одиннадцатой Научной сессии ГУАП, Санкт-Петербург, 2008.

Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 6 печатных работах, из них 3 статьи в ведущих научных журналах, рекомендованных ВАК, а также в материалах международной конференции «Instrumentation in Ecology and Human Safety 2007», St. Petersburg 2007; в Сборнике докладов Десятой Научной сессии ГУАП, Санкт-Петербург, 2007; в Сборнике докладов Одиннадцатой Научной сессии ГУАП, Санкт-Петербург, 2008.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов и заключения. В конце каждого раздела сформулированы выводы. Общий объем рукописи составляет 155 страниц, в том числе 5 таблиц, 50 рисунков и список используемых источников из 137 наименований.

Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Разработана уточненная модель переноса ЗВ в атмосфере, как объекта управления ЗСУ концентрацией загрязняющих окружающую среду веществ, представленная в виде передаточной функции, позволяющая осуществлять управление концентрацией ЗВ ЗСУ в реальном времени с учетом широкого спектра факторов, влияющих на перенос ЗВ в атмосфере.

2. Осуществлен сравнительный анализ и систематизация моделей распространения ЗВ в атмосфере с точки зрения эффективности их применения в ЗСУ для объектов различного уровня. Разработаны и исследованы модели одноконтурных и многоконтурных систем управления выбросами ЗВ. На основе анализа результатов моделирования процессов обработки информации ЗСУ проведено исследование эффективности, качества управления и устойчивости ЗСУ, осуществлен выбор параметров звеньев, обеспечивающих снижение эффекта «интегрального насыщения» и необходимое качество управления в соответствии с требованиями в условиях динамически изменяющейся величины транспортной задержки.

3. Разработан алгоритм поиска координат максимума концентрации ЗВ в атмосфере для ЛА. Разработанный алгоритм позволяет осуществлять определение координат и значения максимума концентрации ЗВ летательным аппаратом в широком диапазоне параметров атмосферы при различных формах факела.

4. Разработан алгоритм сбора и обработки информации мониторинга по критерию ПДК для принятия управленческих решений. При помощи разработанного алгоритма осуществляется коррекция значения координат расположения и значения максимума концентрации ЗВ с учетом скорости ветра и ЛА, а так же соответствия заложенных в ЛА координат его реальному месторасположению в момент измерения.

5. Разработана математическая модель системы управления очистными агрегатами, обеспечивающая эффективную очистку газовоздушной смеси от нескольких загрязняющих веществ в зависимости от их концентрации, качества топлива и режима работы котла.

Кроме того, получены следующие практические результаты:

1. Разработана информационная модель АПК, обеспечивающего реализацию процессов сбора, хранения и преобразования первичной информации от измерительных систем в данные для управления АПК ЗСУ концентрацией ЗВ в выбросах 1111, расчет координат траектории для мобильных измерительных систем, управление очистными агрегатами и прогнозирование загрязнения окружающей среды.

2. Рассчитаны оптимальные параметры ПИД-регулятора ЗСУ, обеспечивающие устойчивость и требуемое качество управления.

3. Осуществлен структурно-параметрический синтез' модели двухконтурной ЗСУ, представляющей два независимых контура, обеспечивающих одновременное управление концентрациями Б02 и ЫОх в выбросах промышленного предприятий.

Результаты практической реализации диссертационной работы подтверждены актами внедрения и отражены в отчете по НИР «Разработка замкнутой системы управления «Природа-Техногеника» [137].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе достигнута заявленная цель, поставленные задачи решены. Результатом исследования является разработанное информационное и алгоритмическое обеспечение, реализованное в АПК управления концентрацией ЗВ, обеспечивающее более эффективное, по сравнению с существующими решениями, управление концентрацией ЗВ в выбросах производственных предприятий.

1. Сольницев Р.И. Автоматизация проектирования, систем автоматического управления: Учеб. для вузов по спец. "Автоматика и управление в технических системах". М.: Высшая школа, 1991. 335 с.

2. Сольницев Р.И. Построение замкнутых систем «Природа-техногеника» // Журнал «Открытое образование», труды ХХХШ МНТК IT+S&E'06. 2006. С. 404-408.

3. Solnitsev R.I. Creation of "Nature-technogenic" control systems on the base of information technologies // Proceedings of International conference /Instrumentation in ecology and human safety (IEHS'02). SPb.: SUAI, 2002. p. 12-17.

4. Solnitsev R.I. Human factor minimization in the "Nature-technogenic" system // Proceedings of International conference /Instrumentation in ecology and human safety (IEHS-04). SPb.: SUAI, 2004. p. 15-17.

5. Solnitsev R.I. The instrumentation in ecology and human safety // Proceedings of International conference /Instrumentation in ecology and human safety (IEHS'96). SPb.: SUAI, 1996. p.16-18.

6. Solnitsev R.I. The simulation of "Nature-technogenic" system // Proceedings of International conference /Instrumentation in ecology and human safety (IEHS-98). SPb.: SUAI, 1998. p. 8-10.

7. Solnitsev R.I., Korshunov G.I., Klotchkov I.B. The "Nature-technogenic" closed system innovational project // Proceedings of International conference /Instrumentation in ecology and human safety (IEHS-07). SPb.: SUAI, 2007. p. 15-20.

8. Solnitsev R.I. Information technologies in instrument engineering / R.I. Solnitsev: Research Instrumentation, 2001. p. 80-83.

9. П.Сольницев Р.И., Коршунов Г.И., Шабалов A.A. Моделирование замкнутой системы управления «Природа техногеника» // Информационно-управляющие системы. 2008. №2. С.36-41.

10. Рейтинговое агентство «Эксперт РА» и Всемирный фонд дикой природы (WWF) / 2007.

11. Шишкин И.А., Болотнов А.Л., Куранов В.Д., Аносова Н.Д. Модели в экологии / под ред. Н.С. Москвитиной, В.А. Батурина. Томск: Изд-во Томского ун-та, 1992. 77 с.

12. Козленко Л. Проектирование информационных систем. Этапы разработки проекта: определение стратегии тестирования и проектировании. Часть 1 //КомпьютерПресс. 2001. № 9.

13. Козленко Л. Проектирование информационных систем. Этапы разработки проекта: определение стратегии тестирования и проектирование Часть 2 // КомпьютерПресс. 2001. №11.

14. Коршунов Г.И. Управление процессами и инновациями при обеспечении качества приборов и систем. Учебно-методическое пособие. СПб.: ГУАП, 2008. 164 с.

15. Коршунов Г.И., Тисенко В.Н. Управление процессами и принятие решений. Учебно-методическое пособие. СПб.: СПбГПУ, 2008. 236 с.

16. Коршунов Г.И., Шабалов A.A. Обеспечение качества замкнутой системы управления «Природа-техногеника» // Научно-технические ведомости СПбГТУ. 2008. №3(56). С.169-175.

17. Овчинников В.Г. Методология проектирования автоматизированных информационных систем: основы системного подхода. М.: Спутник+, 2005. 284 с.

18. Черемных C.B., Семенов И.О., Ручкин B.C. Моделирование и анализ систем. IDEF технологии: Практикум. М.: Финансы и статистика, 2005. 192 с.

19. Черемных C.B., Семенов И.О., Ручкин B.C. Структурный анализ систем: IDEF-технологии. М.: Финансы и статистика, 2003. 208 с.

20. Лешек А. Мацяшек. Анализ и проектирование информационных систем с помощью UML 2.0: пер. с англ. Третье издание. М.: Вильяме, 2002. 432 с.

21. Шабалов A.A. Замкнутая многоконтурная система управления выбросами загрязняющих веществ промышленных предприятий // Журнал научных публикаций аспирантов и докторантов. 2008. №2. С. 164-167.

22. Белов И.В., Беспалов М.С., Клочкова Л.В., Павлова Н.К., Сузан Д.В., Тишкин В.Ф. Сравнительный анализ некоторых математических моделей для процессов распространения загрязнений в атмосфере // Математическое моделирование. 1999. Том 11. №7.

23. Щербаков А.Ю. Метеорологический режим и загрязнение атмосферы городов. Калинин: издательство КГУ, 1987.

24. ОНД-86. Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий. Госкомгидромет, 1987. 68 с.

25. Безуглая Э.Ю. Мониторинг состояния загрязнения атмосферы в городах. JL: Гидрометеоиздат, 1986. 200 с.

26. Белов И.В., Беспалов М.С., Клочкова JI.B., Кулешов A.A., Сузан Д.В., Тишкин В.Ф. Транспортная модель распространения газообразных примесей в атмосфере города // Математическое моделирование. 2000. Том 12. №11. С. 38-46.

27. Берлянд М.Е. Прогноз и регулирование загрязнений атмосферы. JT.: Гидрометеоиздат, 1985. 271 с.

28. Сонькин Л.Р. Синоптико-статистический анализ и краткосрочный прогноз загрязнения атмосферы. JL: Гидрометеоиздат, 1991. 224 с.

29. Каспшицки А. Статистический прогноз среднего загрязнения атмосферы // Метеорологические аспекты загрязнения атмосферы. Сборник докладов на международном симпозиуме в Ленинграде. Том 1. М.: Московское отделение Гидрометеоиздата, 1981.

30. Хюттнер Е. Объективная классификация условий диффузии в целях улучшения прогноза загрязнения воздуха // Метеорологические аспекты загрязнения атмосферы. Итоги сотрудничества социалистических стран. Л.: Гидрометеоиздат, 1981.

31. Вызова Н.Л., Клепикова Н.В., Троянова Н.И. Модель пограничного слоя атмосферы при нейтральной и устойчивой стратификации // Метеорология и гидрология. 1999. №12.

32. Софиев М.А., Софиева В.Ф. Оценка выбросов загрязняющих веществ в атмосферу по данным моделирования и измерений // Математическое моделирование. 2000. Том 12. №4. С. 20-32.

33. Ландсберг Г.Е. Климат города. Л.: Гидрометеоиздат, 1983. 248 с.

34. Берлянд М.Е. Метеорологические аспекты загрязнения атмосферы. М.: Московское отделение Гидрометеоиздата, 1981.

35. Самарская Е.А., Сузан Д.В., Тишкин В.Ф. Построение математической модели распространения загрязнений в атмосфере // Математическое моделирование. 1997. Том 9. №11. С. 59-71.

36. Beychok Milton R. Fundamentals of Stack Gas Dispersion, 4th Edition. Электронный ресурс. // Fundamentals Of Stack Gas Dispersion: [сайт]. [2008]. URL:http://www.air-dispersion.com/ (дата обращения 21.03.2008).

37. Schnelle, Jr., Karl B. and Dey, Partha R. Atmospheric Dispersion Modeling Compliance Guide. N.Y.: McGraw-Hill, 2000. 560 p.

38. Тверской П.Н. Курс метеорологии (Физика атмосферы). Л.: Гидрометеоиздат, 1962. 700 с.

39. Хргиан А.Х. Физика атмосферы. М.: Издательство МГУ, 1986. 328 с.

40. Ефимов В.А. Математическое моделирование долговременных нестационарных планетарных процессов в системе океан-атмосфера // Труды ААНИИ/ Л.: Гидрометиоиздат, 1976. Том 336. 225 с.

41. Wiener N. Extrapolation, interpolation and smoothing of stationary time series. N.Y.: The Technology Press of MIT and J. Wiley, 1949. 163 p.

42. Колмогоров A.H. Интерполирование и экстраполирование стационарных случайных последовательностей // Изв. Акад. наук СССР, серия математическая. 1941. Том 5. № 1. С. 3-14.

43. Левин Б.Р. Теория случайных процессов и ее применение в радиотехнике. М.: Советское радио, 1960. 664 с.

44. Пугачев B.C. Теория случайных функций и ее применение к задачам автоматического управления. М.: Физматгиз, 1960. 884 с.

45. Хинчин А.Я. Теория корреляции стационарных стохастических процессов: пер. с нем. // Успехи математических наук. 1938. Вып. 5. С. 42-51.

46. Бендат Дж. Основы теории случайных шумов и ее применение. М.: Наука, 1965.464 с.

47. Бендат Дж., Пирсол А. Измерение и анализ случайных процессов. М.: Мир, 1974. 464 с.

48. Бендат Дж., Пирсол А. Прикладной анализ случайных данных. М.: Мир, 1989. 540 с.

49. Бендат Дж., Пирсол А. Применение корреляционного и спектрального анализа. М.: Мир, 1982. 362 с.

50. Дженкинс Г., Ватте Д. 1) Спектральный анализ и его приложения. М.: Мир, 1971. Вып.1. 318 е.; 2) Спектральный анализ и его приложения. М.: Мир, 1972. Вып.2. 288 с.

51. Бокс Дж., Дженкинс Г. 1) Анализ временных рядов: Прогноз и управление: пер. с англ. М.: Мир, 1974. Вып.1. 405 е.; 2) Анализ временных рядов: Прогноз и управление: пер. с англ. М.: Мир, 1974. Вып.2. 197 с.

52. Марпл-мл С.Л. Цифровой спектральный анализ и его приложения: пер. с англ. М.: Мир, 1990. 584 с.

53. Лаврентьев М.А., Шабат Б.В. Методы теории функций комплексного переменного. М.: Наука, 1987. 688 с.

54. Кузнецов С.Н. Метод идентификации объекта управления на входе и выходе которого случайные процессы с переменным во времени средним значением // Журнал "Радиоэлектроники". 2002. № 3.

55. Шабалов А. А. Моделирование процесса распространения загрязняющих веществ //Научная сессия ГУАП: Сб. докл.: В 3 ч. 4.1. Технические науки / СПб.: ГУАП, 2007. С.131-133.

56. Андриевский Б.Р., Фрадков А.Л. Избранные главы теории автоматического управления с примерами на языке МАТЬАВ. СПб.: Наука, 1999. 475 с.

57. Ануфриев И.Е., Смирнов А.Б., Смирнова E.H. MATLAB 7.0 в подлиннике. СПб.: БХВ-Петербург, 2005. 1104 с.

58. Дьяконов В.П. Matlab 6.5 SP1/7 + Simulink 5/6 в математике и моделировании. М.: COJIOH-Пресс, 2005. 576 с.

59. Дьяконов В.П., Круглов В.В. Математические пакеты расширения MATLAB. Специальный справочник. СПб.: Питер. 2001. 480 с.

60. Дьяконов В.П., Круглов В.В. MATLAB. Анализ, идентификация и моделирование систем. Специальный справочник. СПб.: Питер, 2001. 448 с.

61. Иглин С.П. Математические расчеты на базе Matlab. СПб.: БХВ-Петербург, 2005. 640 с.

62. Кондратов В.Е., Королев С.Б. Matlab как система программирования научно-технических расчетов. М.: Мир, Институт стратегической стабильности Минатома РФ, 2002. 350 с.

63. Кривилев A.B. Основы компьютерной математики с использованием системы MATLAB. M: Лекс-Книга, 2005. 492 с.

64. Мартынов H.H. Matlab 7. Элементарное введение. М.: Кудиц-Образ, 2005.416 с.

65. Поршнев C.B. Компьютерное моделирование физических процессов в пакете MATLAB. M.: Горячая Линия Телеком, 2003. 592 с.

66. Поршнев C.B. MATLAB 7. Основы работы и программирования. Учебник. М.: Бином. Лаборатория знаний, 2006. 320 с.

67. Потемкин В. Г. Вычисления в среде MATLAB. M.: Диалог-МИФИ, 2004. 720 с.

68. Потемкин В. Г. MATLAB 6: Среда проектирования инженерных приложений. М.: ДИАЛОГ-МИФИ, 2003. 448 с.

69. Чен К., Джиблин П., Ирвинг A. MATLAB в математических исследованиях. М.: Мир, 2001. 346 с.

70. Доронин С. В. Автоматизированные системы управления ЭПС. Конспект лекций. Хабаровск: ДВГУПС, 2001. 74 с.

71. Поляк Б.Т., Щербаков П.С. Робастная устойчивость и управление. М.: Наука, 2002. 303 с.

72. Попов Е.П. Теория нелинейных систем автоматического регулирования и управления: учеб. пособие. 2-е изд. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1988. 256 с.

73. Сю Д., Мейер А. Современная теория автоматического управления и ее применение / пер. с англ.; под. ред. Ю.И. Топчеева. М.: Машиностроение, 1972. 544 с.

74. Ротач В.Я. Расчет динамики промышленных автоматических систем регулирования. М.: Энергия, 1973. 440 с.

75. Методы робастного, нейро-нечеткого и адаптивного управления: учебник / К.А., Пупков и др. Под общ. ред. Н.Д. Егупова. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. 744 с.

76. Обработка нечеткой информации в системах принятия решений / А.Н. Борисов и др. М.: Радио и связь, 1989. 304 с.

77. Штовба С. Д. Введение в теорию нечетких множеств и нечеткую логику Электронный ресурс. // Консультационный центр MATLAB: [сайт]. [2008]. URL: http://matlab.exponenta.ru/fuzzylogic/bookl/index.php (дата обращения 14.07.2008).

78. Штовба С. Д. Проектирование нечетких систем средствами MATLAB. М.: Горячая линия Телеком, 2007. 288 с.

79. Яхъяева Г.Э. Нечеткие множества и нейронные сети: Учебное пособие. М.:Интернет- Университет Информационных технологий: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2006. 316 с.

80. Леоненков A.B. Нечеткое моделирование в среде MATLAB и fuzzyTECH. СПб.: БХВ-Петербург, 2003. 716 с.

81. Рутковская Д., Пилинский М., Рутковский Д. Нейронные сети, генетические алгоритмы и нечеткие системы / пер. с польск. И.Д. Рудинского. М.: Горячая линия Телеком, 2006. 452 с.

82. Денисенко B.B. ПИД-регуляторы: принципы построения и модификации. Часть 1 // Современные технологии автоматизации. 2006. № 4. С. 66-74.

83. Денисенко В.В. ПИД-регуляторы: принципы построения и модификации. Часть 2 // Современные технологии автоматизации. 2007. № 1. С. 90-98.

84. Денисенко В.В. ПИД-регуляторы: вопросы реализации // Современные технологии автоматизации. 2007. № 4. С. 86-97.

85. Круглов В.В., Дли М.И., Годунов Р.Ю. Нечеткая логика и искусственные нейронные сети. М.: Физматлит, 2001. 224 с.

86. Сенигов П.Н. Теория автоматического управления: Конспект лекций. Челябинск: ЮУрГУ, 2001. 93 с.

87. Справочник по теории автоматического управления / под ред. A.A. Красовского. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1987. 712 с.

88. Цыпкин ЯЗ. Основы теории автоматических систем. М.: Наука, 1977.560 с.

89. Трифонов А.Г. Постановка задачи оптимизации и численные методы ее решения Электронный ресурс. // Консультационный центр MATLAB: [сайт]. [2008]. URL: http://matlab.exponenta.ru/optimiz/book2/ index.php (дата обращения 14.07.2008).

90. Трифонов А.Г. Optimization Toolbox 2.2 Руководство пользователя Электронный ресурс. // Консультационный центр MATLAB: [сайт]. [2008]. URL: http://matlab.exponenta.ru/optimiz/bookl/index.php (дата обращения 14.07.2008).

91. Аоки М. Введение в методы оптимизации. М.: Наука, 1977. 344 с.

92. Базара М., Шетти К. Нелинейное программирование. Теория и алгоритмы. М.: Мир, 1982. 584 с.

93. Бакушинский А.Б., Гончарский A.B. Некорректные задачи. Численные методы и приложения. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1989. 200 с.

94. Бахвалов Н.С.Численные методы. М.: Наука, 1973. 631 с.

95. Бахвалов Н.С., Жидков Н.П., Кобельков Г.М. Численные методы. М.: Наука, 1987. 598 с.

96. Васильев Ф.П. Численные методы решения экстремальных задач. М.: Наука, 1980. 281 с.

97. Волков Е.А.Численные методы. М: Наука, 1982. 248 с.

98. Гилл Ф., Мюррей У., Райт М. Практическая оптимизация: пер. с англ. М.: Мир, 1985. 509 с.

99. Дэннис Дж., Шнабель Р., Численные методы безусловной оптимизации и решения нелинейных уравнений. М.: Мир, 1988. 440 с.

100. Жиглявский A.A., Жилинкас А.Г. Методы поиска глобального экстремума. М.: Наука, Физматлит, 1991. 248 с.

101. Иглин С.П. Теория вероятностей и математическая статистика на базе MATLAB. Харьков: НТУ "ХПИ", 2006. 612 с.

102. Корн Г.А., Корн Т.М. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М.: Наука, 1973. 831 с.

103. Растригин JI.A. Статистические методы поиска. М.: Наука, 1968.376 с.

104. Самарский A.A., Гулин A.B. Численные методы. М.: Наука, 1989.430 с.

105. Сухарев А.Г., Тимохов A.B., Федоров В.В. Курс методов оптимизации. М.: Наука, 1986. 328 с.

106. Тихонов А.Н., Гончарский A.B., Степанов В.В., Ягола А.Г. Численные методы решения некорректных задач. М.: Наука, 1990. 232 с.

107. Тихонов А.Н., Леонов A.C., Ягола А.Г. Нелинейные некорректные задачи. М.: Наука, 1995. 312 с.

108. Шабалов A.A. Методика поиска в атмосфере координат максимума концентрации вещества // Научная сессия ГУАП: Сб. докл.: В 3 ч. 4.1. Технические науки / СПб.: ГУАП. 2008. С.200-2004.

109. Самарин С. Привлекательная простота SimpliciTI // Электронные компоненты. 2008. №8. С. 104-109.

110. Бертсекас Д., Галлагер Р. Сети передачи данных: пер. с англ. М.: Мир, 1989. 544 с.

111. Дуглас К. Сети TCP АР, том 1. Принципы, протоколы и структура. М.: «Вильяме», 2003. 880 с.

112. Олифер В.Г., Олифер H.A. Компьютерные сети. СПб.: Питер, 2003.960 с.

113. Семенов Ю.А. Протоколы и ресурсы Internet М.: Радио и связь, 1996. 320 с.

114. Столлингс В. Современные компьютерные сети, 2-е издание. Спб.: Питер, 2003.784 с.

115. Таненбаум Э.С. Компьютерные сети. 4-е изд. СПб.: Питер, 2003.992 с.

116. Халсалл Ф. Передача данных, сети компьютеров и взаимосвязь открытых систем: пер. с англ. М.: Радио и связь, 1995. 497 с.

117. Хелеби С., Мак-Ферсон Д. Принципы маршрутизации в Internet. 2-е издание: пер. с англ. М.: Издательский дом «Вильяме», 2001. 448 с.

118. Шиндер Д.Л. Основы компьютерных сетей. М.: Вильяме, 2002.656 с.

119. Cooper А., Reimann R., Cronin D. About Face 3: The Essentials of Interaction Design. Indianapolis: Wiley, 2007. 648 p.

120. Портянкин И.A. Swing: Эффектные пользовательские интерфейсы. СПб.: Питер, 2005. 528 с.

121. Раскин Д. Интерфейс: новые направления в проектировании компьютерных систем. СПб.: Символ-Плюс, 2005. 272 с.

122. Тидвелл Д. Разработка пользовательских интерфейсов. СПб.: Питер, 2008. 416 с.

123. Торрес Р. Практическое руководство по проектированию и разработке пользовательского интерфейса. М.: Издательский дом "Вильяме", 2002. 400 с.

124. Гультяев А., Машин В. Проектирование и дизайн пользовательского интерфейса. 2-е издание. СПб.: Корона принт, 2007. 352 с.

125. Мандел Т. Дизайн интерфейсов: пер. с англ. М.: ДМК пресс, 2005.416 с.

126. Янке Е., Эмдэ Ф., Леш Ф. Специальные функции. М.: Наука, 1968.344 с.

127. Ковеня В.М., Яненко H.H. Метод расщепления в задачах газовой динамики. Новосибирск: Наука, 1987. 304 с.

128. Замай С.С., Якубайлик О.Э. Модели оценки и прогноза загрязнения атмосферы промышленными выбросами в информационно-аналитической системе природоохранных служб крупного города: Учеб. пособие. Красноярск: Красноярский государственный ун-т., 1998. 109 с.

129. Федоренко Р.П. Итерационные методы решения разностных эллиптических уравнений // УМН. 1973.Том 28. Вып.2(170). С.121-182.

130. Марчук Г.И. Математическое моделирование в проблеме окружающей среды. М.: Наука. Гл.ред. физ.-мат. лит., 1982. 320 с.

131. Разработка замкнутой системы управления «Природа-Техногеника»: отчет о НИР / ГУАП; рук. Р.И.Сольницев; Per. № 01200901084. СПб., 2009. 148 с.