автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Разработка методов оптимального проектирования систем управления технологическими процессами

• АБШСКЙЙ ГССШИЛЗЕгШЫй йНШЕШЫЙ УНИВЬРСИГЕГ

На правах руксгсгс;:

Багдасарян Заграи ВаглнакоЕич;

'h¡T~

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ОПТШМБНОГО 1ГГОЖИР03ЛБШ СИС'ГЗЛ УПРАВлШШ ТЖИОЛОШЧЕСЖ.Ш ПРОЦЕССАМИ

Od, 13« 12 - cîicTGi'ii аа™С1:атпзировакпого проектирование

АВТОРЕ^ Е PAT

диссертации на соискание уюиой степени кандидата технических наук

Еревел - 1992

Работа выкушена з Институте проблем шформатики и автоматизации падении наук Армении и ЕрГУ и Кироваканског: педагогическом институте

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор Аракелян А.Л.-

йТящиалыше оппоненты: доктор физико-математических

наук, профессор Даниелян Э.А.

кандидат технических наук, доцент Ариенакян Р0В.

Ведущая организация: НПО "Полимерклеи"

Защита диссертации состоится в 13 ~~ ч. на заседании специализированного совета Д 055.03.01 Армянского государственного инженерного университета, по адре 375009 Ереван-9, ул.Теряна 105.

G диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Армлнсксг государственного инженерного-университета.

Автореферат разослан " 13 " IS г.

Учении секретарь специализированного совета Д 055.03,01, кандидат технн-

ческих наук, доцент Э.Х,

ОйДАЕ ХЛРЖТЕРИСТ11КА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования для развития методов проектирования систем управления технологическими процессами (СУТП) состоит з следующем:

I. Проблема решения задач автоматизированного проектирования СУТП связана с полнил и четким описанием делец её функционирования и составом решаемых вопросов, касаощпхся управления технологическим процессом»

Эта проблема решается посредством выбора количественных критериев качества, характеризующих СУТП и подразделяющихся на внутренние и внешне параметры. При этом выбор критериев качества должен удовлетворять следующим требованиягк

a) система критериев качества должна в полной мере характеризован качество СУТП*,

б) качество СУТП должно отражаться на каждом из его показателей;

b) показатели качества должны удовлетворять требованию однозначности

Среди параметров, влияющее на критерии качества СУТП необходимо выделить параметры, имеющие неопределенную природу, Неопределенность в задачах проектирования СУТП обусловлена недостаточной надоыюстно и количество:.: пи$ор:лащш, на основе которой разработчики осуществляют выбор решения. Моено выделить следующие, наиболее часто встречао-щиеся в;щы неопределенности:

а) нооцределенность, генерированная общим числом модулей, из которые проектируется СУТП методом агрегатирования;

б) неопределенность, связанная с ограничениями по стоимости оборудования, времени измерения, обработка результатов измерения и управления технологическим процессом;

в) неопределенность, вызванная недостатком опыта и знаний разработчиками факторов, влияющих на технологический процесс и недостаточной изученностью процесса управления;

г) неопределенность, обусловленная неточным знанием некоторых параметров критериев эффективности (например, принадлежности функции распределения, описывающей критерий эффективности некоторому классу функций распределения).

До настоящего времени проблема учета неопределенных параметров, влияющих на процесс проектирования СУШ, не потеряла своей актузль-ности, несмотря на то, что уже имеется достаточное число работ, в которых приводятся результаты, связанные с оптимизацией и проедтиро-

ванном систем управления.

Изучение задач проектирования СУТП, цршзедшоз в данной работ; лризвано восполнить шлющийся пробел б данной области, что и обоск< визает актуальнесть исследования.

Проблемы оптимальней? о проектирования СУТИ л оитшааьнсго управления технологически:.; процессом тесно связаны с оптнмпза^еп характеристик и процессов, ородн которих ватное значение имеют вопроси:

а) разработки математических «одолей и методов работк с нзлп да* решения задач оптимального проектирования и упрашюпия;

б) разработки, создания и внедрения автоматизированных человеко-кшгашшх систем проектирования с учет су требования по падемлости об октов управления;

в) разраоотки, создания и ыюдренця средств и систем управления технологическими процессами, обеспечивающими сбор и обработку дшны с целью использования последних для автоматизации управления тзхно-л огичс с кими пр оцо с с ами«

Рассмотрение задачи проектирования СУТП как задачи лрти.ртия ре тений к сведение проблемы оптимального синтеза СУТП к задаче многокритериальной оптимизации в условиях детерминированности и неопреде ленлости обеспечивает широкие возможности для применения теории ста тистпческпх решающих (рункцни з решении проблемы сштеза СУТП.

Применение алгоритмов вмбора овтимальнкх релейи2 в задачах синтеза СУТП объясняет актуальность исследований, проведенных в работе для развития теории оитимизации характеристик СУТП и технологически: процессов.

Объект последования. Ссзэктсм нссяодсьанпя является комплекс nporpaBSEHi средств управления технологически.; процес сом.

Цель •работы. Целью работы является разработка методов:

а) оптимального проектирования СУТП;,

б) оптимального управления технологическим прои,ессом;

'в) оптимизации параметров СУТП в условиях неопределенности;

г) программной реализация задач проектирования и её применения для разработки. СУТП-

Метели лослзловачия, Исследование методов проектирования СУТП производится с помощью ашэраха теории исследования операции.

Научная новизна. Научная новизна работы заключается в разработке принципов оптимальности в задачах проектирования СУТП в /слова®: неопределенности и многокритернальностп.

/

1. Разработала с ер;,; авизованная модель СУТП и на основе этого разработана модель задачи оптимального проектирования аппаратурных н программных средств управления технологически!» процессом посредством е^ представления при помощи задачи принятия решений«

2. Разработаны алгоритмы оптимизации структуры, ссстава модулей, характеристик, параметров управления технологически.! процессом.

3. Разработаны алгоритмы и получены расчетные фохжулы для вычисления оптимальных решений р задачах проектирования СУТП.

4. Методы оптимального проектирования СУТП реатизованы в АСУ ТП производства кислот.

Птсттпчеекая ценность. Решение поставленных в работе проблем обеспечило возможность:

а) проведения оптимизации . программных средств СУТП;

б) оптимизации алгоритмов управления технологическими процессами;

в) алгоритмической к програмкной реализации и промышленной апробации методов оптимизации в автоматизированной системе управления технологическим процесса.':.

РеялпзЕ'чя р^бо^ы. Работа выполнялась з раыках научно-исследовательских работ:

а) "Исследование и разработка системы математических моделей и алгоритмов управления селективностью многоцелевых технологических процессов";

б) "разработка и внедрение автоматизированной системы управления производством уксусной кислоты".

Апробация работы. Результаты диссертации докладывались на Всесоюзном совещании "Теория и практика разработки и внедрения АСУ ТП на базе микропроцессорной техники"»

Результаты работы приведены в [I] и отражены в [2-5] .

Структура работы. Работа состоит из пяти глав» Глава I является вспомогательной к последующим главам. В главе 2 рассматривается методология проектирования СУТП- Глава 3 посвящена вопроса.! моделирования технологического процесса. В глазе 4 приводятся алгоритмы реализации принципов оптимальности. В главе 5 рассматривается пример п р о г р а и и н о 2 реализации методов проектирования СУТП.

Главы имеют озаглавленные пункты, имеющие двойную нумерацию» Первое число в нумерации пунктов означает номер данного пункта, а второе - номер подпункта этого пункта» Иногда употребляется и третье число для обозначения подпунктов. Ввиду наличия сквозных ссылок на формулы, в каждой главе формулы нумеруются отдельно с указанием главы.

13 главе I "Спета :коа ^Сследовьь^е и ггросял^ровехи.е снегами ущ? ьлек'ся Технслоглчески!.; продйсзо:." щжьчцугсл и'Л'одоааг.ля оитииоилис го прсе1гг;:р02&ш:я С.УТП.

ВЫ изучается тах.-:е свойства СУТЛ с системна.-: лсауцЛ к иин; лшззу представить о^сать хлоолиму ош'ыашюге сч:.йчгии п быть рос лизуемоЛ на

В По 2 рассматривается ксацешихя спт.&яы10го проектирований СУ основанная на систашом подходе в мотодах теории исследования опор-:. ' цлй. Раса; стрекана в зтоп цункть .методы поаьолш? разработать па^ин но-ориентироваяные алгоритма оцтяьальпого проектирования СУШ

Прахэдеаи требования, которым догииш удовлетворять ыизишо н внутренние параметры СУШ и рассмотрена всы.:о;ппссть применения теор исследования операциН для игмиишоЦ ¡.оамизедии ттои-етачоской кодели её отдельных подсистем«

В Не3 приводятся основные особенности технологического процесс с точка зрения построения его математической модели, а кмешо:

а) рассматривается факторы, который влляот на состояния технологического црсцссса с различили природу (детерминированность, неопределенность, стохастичность, управляемость и неуправляемость);

б) "рассматривается факторы, которые отражает состояние технолог-, чзского процесса я явится результат о: 5 применения ушеороэ г. а)»

Расеостренный в и,3 пс.-гяод к списании; технологического процесс позволяет представить его формальную :.:атс1лэзкчес«1й модель, а жеш - технологический процесс представляется в аде

ОС--< { X/,}\ 1:1,■ -,п,' { XIл];:// • >пг'{ X.?./}«--/,•• -Л3'

[^^....^'[¿¡¡м-'К

где

- множество ъходних управляемых детерминирована

факторов;

• /Х2/, ]-!>■■'' пг - множество входных коухфшшшис факторов; Х^' ) !,• - •) и^ " множество входпих случайных факторов; у- ¡ - 1 - гп ~ множество гцходнше факторов; ¿'а i - Ь'-) К - множество ответных упраззи«№: воздействии« к - кнСлОСТЕС олсмэнтов (устройств), входящих в состав тохнич~с них средств к реализующих технологический дрсцосс; г; - иночество состоянии технологического процесса.

Гн4 иоеввдев п}-.ойко:.;е оптжатъного проектирования СУТИ и приз дптся ¡сласс^рихация. Далее шорг.улпру^тся отдачи проектирования СУШ; сбодгс№э к задаче стел-истичеоксго режения и ссотсанл* ь ело,1

п

{

JL.'iaVÙ T.: j'i'iiVJ':'■!<-'■ J;..^.- С '

a) ...„.i <?( , t, • • -, f" ) , , (? ¡C'J,i ' ' ' '' (/,, /,; Ç CT (', .-ci,:......., ,,......v,._. . :.-

P< 'ùtc.u 0./Л?, /= /,• ■ ■ i< ;

V') кадс.^Оглагс.. ¡:и 4(C,0', ..,C"J ,

Гла>;а г 'мл;i :¡4Ó-;¡ лгл op j/;c <ллдм_.о до :

лр.лпрлхъ о;.:'iii.;íi.'ibuj. задала:: .:рс^::л.:рс СЛл. гдхеа-

адту СУТИ :í ^облила -о р^едлл съцд.тел к з^ра-х .лло.: :..-..дд cí-.oü .¿/игп^и:.

Далее рл:;:ддт] .льется if с;.:.у; :дхлди зддачл вде'ерл о ;д:.....чд ..'.л

вариалта ОУТи задачи принятия рела:д:и с леиторяс.; ^;:х..:j.. iu::r-

рдла» Tauoú иодаод д здд-:"^ ьг.ссра оптимального

сновал том, что лш».о, j-p.iK.^«'. -JíCi; ¡xmoh::e, ста:к.:в>^ол с

í.íoctko onpoj:ô.no:i;i,h tpkwo одо ваддалта, t:ci'cr:*_ удол л.л:хрил :'д др.---

dOüL'Hiijji >upruwu..yi 'i'ÂUonu'uv-HîKU'C тесдосса с „aс:

ca в лтсдисео ./лраьдолля.

ыплл-альлоо ifpc^xiuixuxuie обуоло: лс:д:с;д... есД'Ъ ::■-

процесса i;, еледогат&льхо, Г7рд,,едалллат интерес vVc г /л.;: сд-ддндд .. п.I задана убавлендк, съодс.&д :; задаче от:хдотдлесдсл-:

решения. Обоснованием таксон повода к задаче yixaujivH.:- явл^-тея вероятности1 ai хароктср изменения состояния т^ддслса.и.д^л'до ¡re дсад. рлерму^рровлиля зтем ¡гунк1:'-. и; чмя virp.влился у:::лодс;ллх хлд .д цосеод пезвдмхт рд:.;т:> ирсРл-д.у дрегрдир авали:: СУ'Гд с tct.:.. ó. '••... обеспечения ьсапол'лссхг. jwua:.-':;;^сахТ'Л.., реал::з,>лд::л .рг.радлс-дне в условия:: лодитор UU;U;P0)U':¡;;CCT¡: д. ou^ia.-orc ~з..ллдд:д а с j , ■— идя теллс^сг^чседсдо ¡редиса.

Та ни.; с:;рсЗ<:::, нрндлдил ''лляладвдоеии л лддчел нр^едл дл.л

СЛ'П ÍÍUJIÍO ср,бр:.;ул.:розат.ъ елоддмдад сор..зол.

Задача выбора рад.хдатлдлго b~iu?ht; С/и; с ^лд..: .._..* д~л интишаи^и: Hi(X,'0 - уж^ск^.^.--,-, Нг^Х,'// -■ '}) - стоимость; j|í,í'\Vf ) - r- ¡-¡ ^ ( X , H) - ;.-j.¿:c-jt j, в: ^ X ({)].. J У" Н(0.0\--'0'} i-¿- .......•: . /......:л с^.

п 'i ' г.\\ I 'I I' 1

r.C.-Vil Ci "/ЗДаЧаТВ ' ope:; v > • • • \J • ; ; j !

вероятность выбора варианта СУШ за! к шагов, то математическое ожидание потерь г I

Н(Х.У)=$Н(Х,В°)с1'РШХ,У)>

' ' & I

где «С«. - мнскесаво альтернативных решений, которому принадлежит « чательное решение о выбранном варианте СУТП, 6°с=: ^ Тогда полс;глв ;

определи отношение частичного упорядочения на У следующим < разом: решающая функция у равномерно лучше, чем решающая функции У >3 бс™ !

\/(Х. у'] БСЗХ X II

, у') хотя бы для рдного _Х<£ А . ;

/ Класс У'*решеющкх функции называется полним, если для вояко: У ^существует такой У*, что ^равномерно .лучше, чем У Следовательно, задачу выбора можно ввести к построению полного и са решающих функции.

Глава 3 посвящена моделирование техкологичес1:ого процесса т примере процесса производства кисло? с целью решения задали: техкс гической подготовки производства. |

В л.1 получены статистические додели, определяющие селектив! выходы Ст - С3 кислот в зависимости; от температуры, содержания лг кой фракции в шихте и времени пребывания в реакционной зоне.

Регрессионные модели получены ,|у1Я уксусной, муравьиной и прс оновой кислот. Вопросы моделировании технологического процесса рг сматривались, например, в работа?:(2,3,4} Однако, до настоящего 1 менп проблема решения этих задач не результаты п. I в некоторой степени В п.2, посвященном определению газового ¡бензина по статистическим получены статистические модели выхо: и цропионовой) в зависимости от еле,)

потеряла своей актуальности, восполняют этот пробел, селективнсстл процесса _окисле оделял в промышленных условия ха кислот (муравьиной, уксуснс дующих параметров технслогичес го процесса: температуры, состава шреты и расхода шихтъи Опыты ре лизованы по схеме полного факторногр эксперимента.

На основе модели технологического процесса разработаны алгор мы управления селективностью процесса окисления газового бензина.

Активный эксперимент, на основ|з которого в работе получены р грессиснные модели технологическогс| процесса, является с одной ст ронн эффективным способом моделирования. Однако, с другой сторонн его применение в большинстве практических случаев не представляет

возможным, что и обусловило пйлучел^о в п. 2 статпсткчсскж моделей ^;:ходср продуктов окисления гровсго бензина методе:,! Грандона.

Результаты и. 2 получены Ь целью восполнить имеющийся в настся-время игосЬл :> области мсдотирования тохиолсютоского процесса производств* кислот в прсмищхрнпкх условиях па основе использования дайны;;, полученных посродстгф проведения пассивного эксперимента.

Т;иик; образом, в глазе 3; приведены результаты разработки статистических моделей, слредсляжх селективные выходы г-пелог:

а) на основе активного зкейор^ента:

- уксусной :

-- О■ 3.:>'-1,:?'Л2,-Щ.О.СЛз.-ОАЧ•

- муравьиной I

- 113,1с-о.оог, * о, а >

- ПрОПНСНОЕСй |

У- -$(• + + №¿1 + V* О -

С Ь г, г г - /, 5 •

гдо ;

■Я, - температура в ссродана реактора ¿1 — расход шихты з реактерр, т/ч:

содержанке легкой фракции в ыихте,

б) на ооаеззз пассивного эксперимента:

- уксусной ;

- муравьиной |

= +о. г?*** 121^2-с.огг,гц -

-нр.оинонсгси , , 'у ■■>

Глава 4 посвящена алгоритмической реализации принципов оптимальности задач проектирования

СУТП.

В п.I приводится модифицированный метод сканирования, основанный на выборе лагов посредством применены! чисел Оиббсначи и ого применение к решекпэ задачи выбора оптимального варианта СУТП в условник детерминированности,, ;

П. 2-3 посвящены заделе оптшагьного выбора параллельно работающее микрезичкелнтельных устройств. Приводится постановка задачи для глухгои, когда критерий оф^ектпвнеетп может быть аддитивной, мульти-плпкттньной или ад.т,итквкс-стспспнсп функцией. Для. каждого из трех ;лучаов получены системы уравнений (на основе применения истода мно-:а:телеп Догра-1ма), ооеспечнвскщпо возможность вычисления оптимального г-попия. ;

Рассматривается применение полученных результатов к построек оптимальных решений в задаче выбора ыгкровшпслЕтолкшх устройств

П.:4 посвящен решению задачи поиска оптимального содержания I лот при известных регрессионных уравнениях. Задача поиска предстг ляется как задача интегрирования системы дифференциальных уравнен которые являэтся непрерывным аяатогга; дискретного атгорптыа гргщн него метода поиска,. В качестве решения задача оптинизацги наЗдепг точка, являющаяся стационарной точкой системы уравнений.

Далео, вопрос о существовании; экстремума целевой функции рош ся анализом устойчивости решения системы дЕфферехщиальных уравнен

Глава 5 посвящена применению результатов оптимального проект рования СУТП Б решении задачи создания АСУ ТП производства кислот в НПО "Налрзт", что подтверждено актоа внедрения.

ПЛ~2 посвящены назначению АСУ ТП$ где ошсываются икформацз ные функции и цель создания АСУ ТП!с еыводс^ цолэЕой функции педе темы автоматизированного управления реакторный! отделением.

В ш-З рассмотрены требовал ил к АСУ ТП (структуре, функциям, средствам зщиты ст внешних воздействий, информационному обоспзчс и прогргхшо-дкнгвистнчэсксму обеспечению)»

Объем работы-. Диссертационная; работа состоит из введения, яд глав, заключения, списка использованных источников из 75 нааманоЕ ней и 2 приложении. Основная часть¡работы изло-ена на 143 странии ¡.{ашиношеного текста, содержит 27 таблиц и II рисунков»

Основные результаты работы

)

1« Рассмотрены свойства спстег.1 с точки зрения рек'ония просшг автоматизированного проектирования!, характеризующие СУТП и отлачг щие их от других систем* ]

2. Приведена схема оптимального проектирования СУТП, разрабс ны требования, которым дол.эда отвечать СУТП (информационному, фу± снальноау, прстраьашс-лингвистичсскому и тзЕннческсму обеспечена

3. Приведена формулировка задачи оптимального проектирована СУШ, рассматриваемой как сложная "Ьистема и характеризуемой вныш и внутренними параметрами. |

Рассмотрены принципа оптимальности в задачах проектирования

4« Сформулированы задачи: ; « выбора рационального варианте; СУТП в условиях дотерминпрова тп и неопределенности; ;

« выбора оптимального варианта ;СУТП, рассматриваемой как заде.

i II

i I

принятия решений с векторной функцией выигрыша;

- управления, как задачи ¡выработки статискического решения;

« выбора оптимального варианта СУТП, рассматриваемой как задача матем атнче ског о програмшр ования.

5о Разработаны статистические модели , определяющие селективные еыходы кислот (уксусной, муравьиной и протоновой) „

Приведены матрицы планирования эксперимента для каздой модели.

6» Разработан алгоритм управления селективностью процесса окисления газового бензина по г,юдолям, определяющим максимальный выход кислот (уксусной, муравьиной л црошоновой).

7. Разработаны статистические модели выходов продуктов окисления газового бензина (как емзеи углеводородов) методом Брандона.

8. Разработаны алгоритмы реализации принципов оптимальности задач проектирования СУШ и обеспечивающие возможность решения задач:

- Еыбора оптимального варианта СУТП в условиях детерминированности и неопределенности^ ¡

- оптимального выбора параллельно работающих шкровычислительных устройств для встраивания в информационно-измерительные системы»

9. Рассмотрены методы решения задач, оптимизации для случаев.» когда целевая функция является:

а) аддитивной;

б) мультипликативной» • 7

в) аддитнвно-степэнной. j

10. Приведены результаты программной реализации методов, разработанных в главах 1-4 на примере АСУ ТП производства кислот, а именно:

а) описаны информационные1 функции системы;

б) функции, необходимые для выработки управляющих систем;

в) ц;ль создания АСУ ТП;

г) факторы, влияющие на выход кислот.

11. Рассмотрены требования и реализация:

- структуры АСУ ТП в цел су.;

- функций АСУ.ТП; ;

- технических параметров АСУ ТП;

- видов обеапечения. j

I

Основные положения диссертационной работы опубликованы в следующих работах

I. Аракелян А»А., БагдаЬарян В0В. Планирование эксперимента и

теория каденнсстк. Издание АГИУ, 1930 г 46 с*

2. Багдасарян «» Статистические модаяа селективного выхода кислот. Известия АН Армении, серия Технических наук.' Т»43(. 5, г. с«233-236, ;

3. Багдасарян В.В. Составление; математических моделей вродес получения кислот в зависимости се регамов в зоне реакции, Извести* АН Армении, серия технических наук.! Т«44, й 2, 1591, с.70/73.

4» Багдасарян В.З., Пубарян Т«К., Нубарян МвА., Басекщщ фѻ Управление селективность?} окисления углеводородов с помощью микрсг цессорной техники» Приборы, средства автоматизации и системы управ ния» Бынуск 3» Теория и практика раз работы и внедрения АСУ ТН на базе микропроцессорной техники* М., ЦШИГЭ приборостроения, 1986. 1

5« Багдасарян 3.»В., Нубарян Т.К., Басекцян О,С» Статистически модели селективного окисления парафиновых углеводородов до мококар боновых кислот. Армянский химический ¡курная. Т039, }Ь II, Изд,АН Ар ССР, 1986, с.675-679.

•I >■ С. л I' " ;

//7/ • .0/1 !