автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Разработка принципов моделирования систем и оптимальных алгоритмов управления для процесса производства алюминия

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ СПОСОБОВ УПРАВЛЕНИЯ СЛОЖНЬМИ МГОГОСВЯЗНЬМИ ОБЬЕКТАЬ/М.

1.1. Анализ методов синтеза СУ сложными многосвжными объектами.

1.2. Математические методы огатшзации процессов электролиза.

1.3. Тополошческий метод синтеза сложных систем.

1.4. Постановка задачи разработки принципов моделирования систем и опшмальньк алгоритмов управления для процесса производства алюминия.

ЕЬшоды.

2. СИНТЕЗ КОМПОНЕНТ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ I POLpCCOM

ЭЛЕКТРОЛИЗА.

21. Принципы системного подхода в моделировании систем.

2.2. С-граф процесса электролиза.

2.3. Обоснование выбора рефесшонной модели количества выливаемого металла.

2.4. Синтез компонент системы управления процессом электролиза методом цепных дробей.

2.5. Синтез компонент системы управления процессом электролиза методом стрз^оурных чисел.

ЕУводы.

3. РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПОВ МОДЕЛИЮВАНИЯ ДЖ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПРОТрССОМ ЭЛЕКТРОЛИЗА.

3.1. Моделирование систем управления сложивши объектами.

3.2. Анализ современных пакетов обработки данных и проегамрования систем автоматического управления.

3.3. Обработка экспериментальных данных.

3.4. КЬмпьютфное моделирование систем управления процессом электролиза.

Шводы.

4. РАЗРАЮТКА ОПтаМАЛЬН№ ДЛЯ ПРОЦЕССА ПРИЗВОДСТВА АЛЮМИНИЯ.

4.1. ПзрЕметрическая оптимизация решения задач управления.

4.2. Выбор офашмений при гфоекшровании систем з<правления процессом производства алюминия.

4.3. Разработка алгоритмов поиска оптимальных параметров процесса производства алюминия.

Выводы.

Около 80 % произведенного пфвичного алюминия экспортируется из России. Во второй половине 90-х годов алюминиевая промышленность Росши подвфгалась серьезным испытаниям в рамках конъюнктуры мирового рынка С успехом выдержав их, алюминиевая отрасль России доказала свою высокую устойчивость и конкурштошособностъ. Проблема конкурентоспособности это, в пфвую очередь, проблема технологической конкуренции Запада и России, поэтому совершенствованию технологии производства алюминия уделяется большое внимание.

Основным способом производства алюминия является электролиз криолито-глинозезушых расплавов, поддержка оптимального режима которого влияет на технико-экономические показатели производства в целом. Сйтимизащта процессов электролиза позволяет уменьшить затраты на единицу массы металла. Большое значение в решении проблемы перевода процесса электролиза в оптимальный режим является поиск огаимизщионных показателей процесса Например, на себестоимость алюминия влияет количество производимого металла на единицу электроэнфпии, сырья. Увеличение удельного количества производимого металла за счет оптимизации процессов увеличивает его прибыль и соответственно, повышает конкурентоспоообность производителя алюминия.

Использование методов оптимизации совместно с технологией автоматической подачи глинозема (АПГ) существенно улучшает экологическое состояние на заводе и близлежащих территориях за счет уменьшения выбросов в окружающую среду вредных веществ.

Производство алюминия в России методом электролиза криолито-глиноземных расплавов является кр>тшомасштабньм, энфгоемким и достигло уже в 70-е годы более 3 млн. тонн в год. Последние 30 лет строительство алюминиевых заводов в нашей стране прекращаюсь из-за общего экономического спада, в частности из-за экологаческих проблем, связанных с этим производством. В настоящее время прирост алюминия достигается за счет интенсификжщи процесса электролиза В зависимости от территориапьного расположения, производственных мощностей, систем газоочистки и типа электролизеров приоритетность задач по охране окружающей среды для алюминиевых заводов различны Например, для Братского алюминиевого завода, оснащенного электролизерами с верхним токоподводом к самообштгающемуся аноду основной является проблеме снижения загрязняющих выбросов в атмосферу, а для Саянского, оснащенного электролизерами с обожженными анодами - это обезвреживание и утилизация отходов основного производства Уровень развития природоохраш-Етельных систем на предприятиях алюминиевой отрасли России намного ниже, чем на аналогичных зарубежных предприятиях Решение проблем по защите окружающей природной среды, улучшения условий труда, повышения технико-экономических показателей работы предприятий невозможно без модернизации и реконструкции основной части алюминиевых заводов России.

Иседедованиями процесса электролиза и разработкой моделей управления процессом электролиза занимаются многие институты, в частности, ВЬМИПИэнергопром, ВНИ№троектэлект|эомонтаж, ВАМИ, ВНИКИ "Т^етметавтоматика" ВНИИ 'Т^юектавтоматика" Автомшизированная система управления технологаческим процессом (АСУ ТП) <<Алюмишш-3>> была, разработана в начале 70-х годов, оказалась оптимальным решением проблемы автоматизации. За прошедшие 30 лет она практически не модернизировалась^ значительно перекрыв физические и моральные ресурсы Проведение экспериментальных исследований на реальных объектах сопряжено со значительными трудностями, связанными с большими трудозатратами. Поэтому; решением может быть проведение исследований на компьютерных моделях

В диссфтационной работе разрабатываются алгоритмы поиска оптимизационных показателей, методы синтеза компонент и моделирования системы управления процессом электролиза

Таким образом, в диссертационной работе ставятся следующие цели:

• Разработка принципов компьютерного моделирования для систем управления процессом электролиза

• Обоснование выбора регрессионной модели при параметрической идентификации процесса электролиза.

• Использование современных прикладных пакетов для синтеза локальных компонент системы управления процессом электролиза.

• Разработка алгоритмов поддержания оптимального технологического режима процесса электролиза, обеспечивающего оптимальное управление отдельным электролизером, с учетом существующих ограничений на технологические параметры

К основным задачам дассфтздионной работы относятся:

- использование системного подхода к моделированию системы управления процессом электролиза (структурная идентификация топологическим методом, принципы компьютерного моделирования для процесса электролиза);

- обоснование выбора рефессионной модели при параметрической вдшшфикации процесса электролиза;

- синтез локальных компонент системы управления методом структурных чисел и цепных дробей;

- разработка алгоритмов поиска ошимизационньк показателей процесса электролиза, с учетом ограничений на технологические параметры Объектом исследования является процесс электролиза алюминия криолито-глинозеашых расплавов. Предметом исследования является поиск оптимального технологического режима работы отдельного электролизера, синтез локальных компонент системы управления процессом электролиза, принципы системного подхода, и компьютерного моделирования для процесса электролиза

В диссертационной работе использовались методы теории управления сложными многосвязными объектами, системного анализа, функционального анализа метод уравнений и аналогий, метод экспертных оценок, теории графов, матричного исчисления, линейной алгебры, рефесшонного анализа и первичной обработки данных, топологии, шмплекс-метод.

Результаты работы получены с помощью следующих программных пакетов:

- МАЛЪАВ 5.2 использовался для моделирования систем управления;

- в MAPLE 5 написаны программы синтеза локальных компонент СУ методом структурных чисел и цепных дробей;

- на MATHCAD 7 производился расчет коэффициентов регрессионной модели и соответствующих оценок.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- в обосновании выбора метод а рефесшонного анализа при пфаметрической идентификации,

- в разработке алгоритмов поиска оптимизационных показателей процесса электролиза;

- в разработке программ синтеза локальных компонент СУ методом структурных чисел и цепных дробей;

- в разработке принципов компьютерного моделирования процесса электролиза

В качестве информационных источников использованы - научные источники в виде данных и сведений из книг, журнальных статей, научных докладов и отчетов, материалов научных конференщш и семинаров; g

- сггашсшческие источники в виде отечественных и зарубежных сггашстических материалов, данных отдельных организаций, например, БрАЗа;

- официальные документы, например, ГОСТ 13109-67.

Исследования автора выполнялись в рамках госбюджетных тематик 'Топологические методы идентификации и синтеза систем управления многосвязными объектами" (код ГРНГИ 271919) и '^следование принципов построения и создания проблемно-ориентированных вычислитеяьньк средств, систем, сетей и 1J1111 для решения задач", выполняемых в Братском государственном техническом университете по направлению 'Топологическая теория синтеза и вдеттификации многосвязных объектов управления".

Результаты работы могут быть использованы в различных областях прикладной деятельности человека, таких как:

- разработка, проектирование и созд ание систем автоматического управления;

- производства, в которых используется электролиз, в первую очередь, электролиз алюминия;

- моделирование сложных многосвязных систем.

Основные результаты работы докладывались на научно-технических конференциях Братского государственного технического университета (19 научно-техническая конференция - Братск, 1998; 20 научно-техническая конференция - Братск, 1999; 21 научно-текшмеская конференция

- Братск, 2000; 22 научно-техническая конференция - Братск, 2001; Межвузовский тематический сборник трудов. Выпуск 5. - Санкт-ГЪтербург, 1999; Межвузовский тематический сборник трудов. Вщуск 6. - Санкт-Петербург, 2000; Межвузовский тематический сборник трудов. Шггуск 7. -Сдакт-Петербург, 2001; вторая международная научно-техническая конференции. - Барнаул: АГТУ, 2001)

Г1о теме диссертаций опубликовано 13 работ, в том числе 7 статей, 6 тезисов докладов.

Выводы:

1. Приведена общая структура получения оптимшшных решений зад ач управления при использовании параметрического подхода

2. Получены ограничения, накладываемые на технологические параметры, при проектировании систем управления процессом электролиза

3. Применительно к процессу электролиза проведена адаптация алгоритма декомпозиции задачи синтеза системы управления и USWO-алгоритма

4. Разработаны методика разбиения управляющих параметров на три класса и алгоритм формирования упрашиющих воздействий.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

1. Проведено доказательство корректности выбора метода рефессионного анализа для решения задачи параметрической идентификации процесса, электролиза (на примфе построения модели количества выливаемого металла).

2. Предложен шстемный подход и основные принципы моделирования системы управления процессом электролиза.

3. Цжмешттелыю к процессу электролиза проведена адаптация алгоритма декомпозиции задачи синтеза системы управлениям USWO-алгоритма;

4. Разработаны методика разбиения управляющих параметров на три класса и алгоритм формирования упржляющих воздействий.

5. Исследованы различные методы для синтеза локальных компонент систем управления (цепные дроби, структурные числа) и проведено фавнение полученных результатов.

6. Написаны профаммы синтеза, локальных компонент систем управления с использованием аппарата цепных дробей и метода структурных чисел

7. Предлагается следующая схема использования современных прикладных пакетов для компьютфного моделировееия процессов электролиза

- MathConnex - шстемный интефатор, служащий, во-тгервых, для интеграции различных, гфшюжший друг с другом, во-вторых для

124 обеспечения их совместной работы с использованием: обьекпвых связей OLE2;

Excel - предварительная сяшисшческая обработка данных; MatLAB - гфоектирование, моделирование САУ;

Maple 5 - решение вспомогательных задач, в первую очередь, связанных с символьными вычислениями.

1. Вагнер Г. Основы исследований операций, т. 1. М.: Мир, 197*2, т. 2-3. М., 1973.

2. Зубов В.И. Теория оптимального управления. Л.: Судостроение.,1966. -351 с.го. И зим ов М.У. Оптимизация проектирования информационных систем.//Труды Братск, индустр. ин-та: Материалы XIX научно-техн. конференции. Братск, 1998, 1 с.

3. Изимов М.У. Вопросы выбора оптимальных параметров многосвязанных многомерных систем управления. Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ: Межвуз. темат. сб. тр. Вып. 5/СПбГАСУ.- СПб., 1999. 1 с.

4. Изимов М.У. Использование булевых структур при моделировании С-графа. Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ: Межвуз. темат. сб. тр. Вып. 5/СПбГАСУ. СПб.,1999.-2 с.

5. Изимов М.У., Бочко С.Б. Системный подход к моделированию процессов электролиза. Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ: Межвуз. темат. сб. тр. Вып. 6/СПбГАСУ. -СПб., 2000.-2 с.

6. Изимов М.У., Бочко С.Б. Параметрическая оптимизация процессов электролиза. Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ: Межвуз. темат. сб. тр. Вып. 6/СПбГАСУ. СПб.,2000. 2 с.

7. Изимов М.У., Бочко С.Б. Использование нейросетевого подхода в исследованиях процессов электролиза. XXI научно-техническая конференция Братского государственного университета: Материалы конференции. Братск: БрГТУ, 2000. - 2 с.

8. Изимов М.У., Огнивенко А.В. Использование современных пакетов для синтеза локальных компонент систем управления. XXII научно-техническая конференция Братского государственного университета: Материалы конференции. Братск: БрГТУ, 2001. - 2 с.

9. Изимов М.У., Турусов С.Н., Бочко С.Б. Анодный эффект при электролизе криолит-глиноземных расплавов./Яруды Братск, индустр. ин-та: Материалы XX научно-техн. конференции. Братск, 1999, 2 с.

10. Ильинский Н.Ф., Цаценкин В.К. Приложение теории графов к задачам электромеханики. М.: Энергия, 1968. - 232 с.

11. Кадрищев В.П., Минцис М.Я. Измерение и оптимизация параметров алюминиевых электролизеров. Челябинск., издательство "Металл", 1995. - 135 с.

12. Казаков И.Е. Статистическая теория систем управления в пространстве состояний. М.: Наука, 1975. - 432 с.

13. Калман Р., Фал б. П., Арбиб. М, Очерки по математической теории систем. М.: Мир, 1971. - 400 с.

14. Кафаров В.В., Дорохов И.Н. Системный анализ процессов химической технологии. М.: Наука, 1979. - 399 с.зз Кенинг Г., Блекуэлл В. Теория электромеханических систем. М.: Л.: Энергия , 1965.-423 с.

15. Козлов В Н., Куприянов В.Е., Вазовский B.C. Вычислительные методы синтеза систем автоматического управления. Л.: ЛГУ, 1989.

16. Коробов М.А., Дмитреев А.А. Самообжигающиеся аноды алюминиевых электролизеров. М.: Металлурги я, 1972. - 206 с.

17. Коршунов Ю.М. Математические основы кибернетики: Учеб. Пособие для вузов. 2-е изд., перераб. и доп.- М.: Энергия, 1980. - 424 е., ил.

18. Костюков А.А., И.Г.Киль и др. Справочник металлурга по цветным металлам. М.: Изд-во"Металлургия", 1971. - 560 с.

19. Круги лин ДА. Разработка алгоритмического и программного обеспечения для синтеза систем управления топологическим методом.

20. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Братск. 1999. - 27 с.

21. Крюковский В.А. Разработка научных основ и технологии производства алюминия на электролизерах большой мощности: Автореф. дис.докт.техн.наук (в форме научного доклада). -СПб, 1992. 42 с.

22. Лазарев Ю.Ф. MatLAB 5.x. К.: Издательская группа BHV, 2000. - 384 с.

23. Мал ков В.П, Маркина М.В. Поэтапная параметрическая оптимизация. -Н. Новгород, Изд-во НН ун-та, 1999.

24. Математическая теория оптимальных процессов./ Л.С.Понтрягин, В.Г.Болтянский, Р.В. Гамкрелидзе и др. М.: Наука. 1969. - 384 с.

25. Мелихов А.Н. Ориентированные графы и конечные автоматы. Наука, 1971.-416с.

26. Меликянц Р.В, Штерн В.И. Опыт внедрения систем автоматического контроля и управления типа "Алюминий". М.: ЦНИИЦветмет, 1971. -98 с.

27. Мелса Дж. Программы в помощь изучающим теорию линейных систем управления. М.: Машиностроение, 1981. - 200 с.

28. Молчанов А.Ю. Производство алюминия в электролизерах с верхним токоподводом. Братск, 1993. - 146 с.

29. Потемкин В.Г. Система MATLAB. Справочное пособие. М :Диалог -МИФИ, 1997.-350 с.

30. Попелуев А.В. Статический анализ и синтез сложных динамических систем. М.: Машиностроение, 1984.

31. Пугачев B.C. Теория случайных функций и ее применение к задачам автоматического управления. М.: Физматгиз, 1962. - 884 с.

32. Райцын Т.М. Синтез САУ методом направленных графов. Л.: Энергия; 1970.-94 с.

33. Римский Г.В., Таборовец В.В. Автоматизация исследований динамических систем. Минск: Наука и техника, 1978. - 33 с.5?. Советов Б.Я., Яковлев С.А. Моделирование систем. М.: Высшая школа, 1998.

34. Солодов А.В. Методы теории систем в задаче непрерывной линейной фильтрации. М.: Наука, 1976. - 262 с.

35. Солодовников В.В., Бирюков В.Ф., Тумаркин В.И. Принцип сложности в теории управления. М.: Наука, 1977. - 340 с.

36. Солодовников В.В., Семенов В.В., Немель М., Недо Д. Расчет систем управления на ЦВМ. М.: Машиностроение, 1979. - 660 с.

37. Составители М.Сингх, А. Титл и. Системы: декомпозиция, оптимизация и управление. М.: Машиностроение, 1986. - 496 с.

38. Справочник металлурга по цветным металлам. Производство алюминия./ Под ред. Ю. В. Бай макова и Я.Е.Конторовича. М.: Металлургиздат, 1971. - 560 с.

39. Сучилин A.M. Применение направленных графов к задачам электроники. Л.: Энергия, 1971. - 128 с.

40. Табак Д., Куо Б. Оптимальное управление и математическое программирование. М.: Наука, 1975. - 279 с.

41. Ту Ю. Современная теория управления. М.: Машиностроение. 1971. -472 с.

42. Турусов С.Н., Стрелков B.C. Структурная идентификация процесса получения алюминия на электролизерах ОАО "Братский алюминиевый завод"./Яруды Братск, индустр. ин-та: Материалы XX научно-гехн. конференции. Братск, 1999. - 2 с.

43. Фрейберг Я.Ж., Шилова Е.И., Щербинин Э.В. Определение оптимальной формы рабочего пространства ванны алюминиевого электролизера//Цветные металлы. 1992. №10.С.28-31

44. Чаки Ф. Современная теория управления. М.: Мир, 1975. - 424 с.

45. Чернецкий В.И. Анализ точности нелинейных систем управления. М.: Машиностроение, 1969. - 346 с.

46. Чернецкий В.И., Дидук ГА, Потапенко А.А. Математические методы и алгоритмы исследования автоматических систем. П.: Энергия, 1972, -372 с.

47. Чхартишвили Г.С., Чхартишвили Л.П., Клюкин К.Г. Цифровое моделирование динамических задач в АСУТП// Сб.научн. тр./Моск.энерг.ин-т. М.: МЭИ, 1975, вып.243.

48. Юдин Д.Б., Гольштейн Е.Г. Задачи и методы линейного программирования транспортного типа. М.:Наука, 1969.

49. Юрков В.В., Манн В.Х., Пискажова Т.В., Никандров К.Ф. и др. Модель процесса электролиза алюминия.// Технико-экономический вестник. 1999. №13. С.11-15.132