автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Развитие автоматизированной системы конвертерной плавки стали с совместным определением задающих и управляющих воздействий

о

1 о

1997

Сибирская Государственная Горно-Металлургическая Академия

На нравах рукописи

ТУРЧАНИНОВ Евгений Борисович

РАЗВИТИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ КОНВЕРТЕРНОЙ ПЛАВКИ СТАЛИ С СОВМЕСТНЫМ ОПРЕДЕЛЕНИЕМ ЗАДАЮЩИХ И УПРАВЛЯЮЩИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ

Специальность 05.13.07. "Автоматизация технологических процессов и производств"

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новокузнецк - 1997

Работа выполнена на Западно-Сибирском металлургическом комбинате и в Сибирской государственной горно-металлургической академии.

Научный руководитель: заслуженный деятель науки и техники РФ доктор технических наук, профессор В.П. Авдеев

Научный консультант: кандидат технических наук, доцент

Официальные оппоне}пы: заслуженный деятель науки и техники РФ доктор технических наук, профессор В.П-Цымбал

Ведущая организация: Кузнецкий металлургический комбинат

Защита состоится 26 марта 1997 г. в 10 час. на заседании диссертационного совета К 063.99.02 по присуждению ученой степени кандидата технических наук в Сибирской Государственной Горно-Металлургической Академии по адресу: 654007, г.Новокузнецк Кемеровской обл., ул.Кирова,'42,СибГТМА.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СибГТМА. Автореферат разослан " 25 " февраля 1997г

Ученый секретарь диссертационного совета,

Г.В.Киселева

кандидат технических наук Ю.А. Селезнев

кандидат технических наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Настоящий и обозримый на будущее период работы отечественных промышленных предприятий характеризуется существенной нестационарностью внешних и внутренних производственных условий, что предопределяет необходимость быстрого создания и внедрения гибких технологических систем, в том числе и автоматизированных систем управления, ориентированных на работу именно в таких условиях.

Ранее, при относительно стабильной работе промышленных предприятий суп. технологического управления сводилась к раздельно;,¡у решению двух задач; задачи установления технологических заданий ( включая уставки на выходные величины объекта управления, ограничения на диапазоны изменения управляющих воздействий и внутренних параметров состояния управляемого процесса ) и, собственно, задачи выбора конкреттих управляющих воздействий на технологический объект управления. Такое разделение приводило, конечно, к некоторой потере эффективности решений и в стационарных производственных условиях, но не являлось столь критичным как в нестабильной обстановке работы предприятий. Требование же гибкости ( быстрой и экономной перестраиваемости ) детально не прорабатывалось ранее в большинстве трудов но автоматизации металлургических и аналогичных им процессов. Хотя актуальность и предварительные меры адаптации технологических режимов с варьированием ограгагчений, уставок и других составляющее заданий для связанных металлургических объектов освещались в ряде прежних публикаций.

Одним из перспективных путей является алгоритмизация режимов функционирования технологических систем с совместным определением задающих ( в том числе режимных ограничений и уставок) и управляющих (в том числе программах, корректирующих, стабилизирующих ) воздействий. Именно в таком плане выполнена настоящая диссертационная работа применительно к автоматизированной системе управления конвертерной плавкой стали (сокращенно - АСУ "Плавка стали").

При этом сочетаются интервальные и однозначные оценки, фактические и скорректированные режимы-прототипы, балансовые и адаптивные приобъектно-пересчетные модели, восстановительно-прогнозирующее управление и робастные статистические алгоритмы обработки данных.

Настоящая работа выполнена согласно комплексной программы создания и развития АСУ Запсибмегкомбината, целевых программ Минвуза "Металл" и научно-технического развития Кузбасса.

Нель диссертащм: 1. Совершенствование алгоритмического обеспечения конвертерной плавки стали на основе согласованного выбора технологических заданий и управляющих воздействии. 2. Функционально-алгоритмическая структуризация АСУ " Шавка стали " во взаимосвязи с другими составляющими многоцелевого автоматизированного комплекса. 3. Построение и исследование адаптивных приобъектно-пересчетных моделей применительно к задачам алгоритмизации режимов конвертерной плавки стали 4. Формирование и последующая программная реализация типовых и специализированных алгоритмических блоков применительно к АСУ ТП кислородно-конвертерного и других циклических процессов металлургического передела.

Основы выполнения работы. Ведущей идеей послужил принцип совместного определения задающих и управляющих воздействий при создании гибких технологических систем. При этом сочетались методы восстановитель! ю-прогнозирующей алгоритмизации, натурно-математического моделировании в задачах оценивания, идентификации, рационального выбора регулирующих воздействий, исследовшшя технологических процессов и обучения персонала. Важная роль отведена металлургическим технологиям и производственном)' опыту.

Научная новизна диссертащги: 1). Развит метод алгоритмизации совместного определения задающих и управляющих воздействий на основе ретроспективной оценки условно-образцовых режимов циклических процессов посредством их перссчетного моделирования с вариацией определяющих факторов. 2). Предложен метод построения адаптивных двухуровневых пересчетных моделей с использованием соотношений материального и теплового баланса, многовыборочной робастной статистической обработки фактических данных. 3). Разработаны новые алгоритмы для пересчетного моделирования режимов кошертерной плавки стали; ретроспективного анализа процесса с выделением нормальных планок стали и расчетным определением условно-образцовых режимов; адаптации технологических заданий и расчета управляющих воздействий применительно к реальным условиям проведения плавок стали в конвертере; адаптивной идентификации каналов регулирования в замкнутом контуре методом инструментальных переменных.

Практическая ценность и реализация результатов. Предлагаемые метода и результаты алгоритмизации совместного определения задающих и управляющих воздействий связаны с перспективным направлением создания гибких технологических систем как для отдельных производственных участков, так и смежных производств металлургического передела, включая комплексы "чугун-сталь", "сталь-прокат" и другие. Доведенные до инженерного уровня алгоритмы совместного определения задающих и управляющих воздействий, пакеты программ реализованы в АСУ "Плавка стали" второго

кислородно-конвертерного цеха Запсибмепсомбината и показали достаточную работоспособность. Конкретные технические решения в виде изобретений и ращюншшзаторских предложений обеспечили выполнение различных проектных, научно-исследовательских и внедренческих работ.

Апроба1[ия работы. Основные положения работы и конкретные результаты докладывались и получили положительную оценку на Всесоюзном научно-практическом семинаре "Опыт использования распределенных систем управления технологическими процессам! и производством." / Новокузнецк, 1986 / ; VII Всесоюзной научно-технической конференции " Теория и практика кислородно-конвертерных процессов" /Днепропетровск, 1987 /; Республиканской научно-технической конференции " Применение микропроцессорной техники при автоматизации технологических процессов " / Днепропетровск, 1988 / ; Юбилейной региональной научно-практической конференции / Новокузнецк, 1990 /; П1 Международной конференции " Измерение, контроль и автоматизация производственных процессов" / Барнаул, 1994 /; Научно-техническая конференция по метрологии и автоматизации -95/ Новокузнецк, 1995; Международная научно-практическая конференция "Структурная перестройка металлургии" / Новокузнецк, 1996.

Публикации. По рассматриваемым вопросам опубликовано И статей, докладов и тезисов сообщений, получено два авторских свидетельства на изобретения.

Объем рукописи. Диссертация состоит из введения (общего пред-ставлешм работы), трех глав, заключения, списка литературы, приложения и содержит <45 страниц основного текста „ А 2 рис.

Предмет защиты и личный вклад автора. Выносятся на защиту алгоритмы совместного определения задающих и управляющих воздействий применительно к конвертерному процессу, включая алгоритмы пересчетного моделирования режимов конвертерной плавки стали, ретроспективного анализа процесса с выделением нормальных плавок стали и расчетным определением условно-образцовых режимов, адаптации технологических заданий и расчета управляющих воздействий в зависимости от конкретных реальных условий их проведения, идентификации каналов регулирования в замкнутом контуре методом инструментальных переменных. Защищается комбинированный метод построения адативных двухуровневых приобъектно-пересчетных моделей с разностным разложением соотношений материального и теплового баланса и разностной идентификацией объекта управления. Защищается способ адаптивного управления с прототипами, в роли которых принимаются ретроспективно определяемые условно-образцовые режимы конвертерных плавок. Личный вклад автора заключается в непосредственном творческом участии на всех стадиях разработки, внедрения и освоения алгоритмов программно-статического и динамического управления конвертерной плавкой стали в производстве Запсибметкомбината, алгорит-

мизации совместного определения задающих и управляющих воздействий, в постановке и решении конкретных инженерных задач построения адаптивных ириобъектно-пересчетных моделей конвертерной плавки стали, в обработке исходных данных и интерпретации полученных результатов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1 Теоретические основы алгоритмизации совместного определения задающих и управляющих воздействий. Первая глава состоит га четырех разделов, посвященных аналитическому обзору и обоснованию направления работы, содержательной постановке задач, выбору и конкретизации теоретических методов применительно к задачам работы, развитию прикладных методов алгоритмизации управления циклическими процессами, функциональной структуре АСУ "Плавка стали" на основе алгоритмизации совместного определения задающих и управляющих воздействий.

Исходя из обзора известных отечественных и зарубежных работ по автоматизации технологических процессов вообще и, особенно, в черной металлургии установлено следующее: 1) подавляющее число работ посвящено алгоритмизации технологического управления при извеспых режимных ограничениях и уставках; 2) алгоритмизация же формирования задающих воздействий, имея в виду и охгпшизацию режимных уставок, например, методом оптимума номинала, ведется, напротив, в слабой взаимосвязи с формировшшем управляющих воздействий; 3) тем самым налицо противоречие с теорией оптимального управления, когда при программировании оптимальных режимов сразу находятся траектории входных и выходных (условно включая и внутренние ) переменных объекта управления; 4) такое же противоречие имеет место и с передовым опытом технологического управления, в частности, ведения конвертерной плавки стали; 5) актуальна проблема автоматизации процессов на основе совместной оперативной выработки управляющих и задающих воздействий, как и практическая реализация соответствующих алгоритмов при совершенствовании действующих АСУТП и создании принципиально новых многоцелевых автоматизированных комплексов с объединением производственной, учебной и научно-исследовательской деятельности.

С учетом вышеотмеченного обосновано направление диссертационной работы -с рассмотрением содержательно сформулированных задач: 1 .Классификация и обработка данных о технологическом процессе. 2. Ретроспективный анализ процесса с выделением фактических нормальных режимов и расчетным определением образцовых режимов. 3.Построение адаптивных приобъектно-пересчетных моделей технологического процесса с вариантностью по воздействиям, условиям и преобразующим операторам вход - выходных каналов. 4. Адаптация интервально-задающих воздействий типа мраничений на значения первичных величин и расчетных показателей

ТОУ (технологического объекта управления ). 5. Прогнозный выбор однозначных задании ira выходные переменные и управляющие воздействия для конкретных условий функционирования ТОУ. 6. Идентификация зависимостей и обучение персонала.

Предлагаемая методика развития автоматизирсващгон системы конвертерной плавки стали с совместным определением задающих и управляющих воздействий опирается на использование общих идей теории управления, в частности, известные работы Моисеева Н.Н., Летова A.M., Красов-ского А.А. и других авторов, рассматривающих построение систем управле-Ш1Я различными объектами на основе выбора программных траекторий совместно для управляющих и выходных переменных объекгз. Притом с построением регулирующей подсистемы, предназначенной для реализации найденных программ в условиях динамических возмущений, измерительных помех и других источников неопределенности. Ориентировочная схема многовариантной системы совместного определения задающих и управляющих воздействий (МВС ОЗУВ) представлена на рис.1. Для наглядности на рис.2 воспроизведена базовая структура ПМ, работоспособной в непосредственном сопряжении с частично отображаемым ею «в вариациях» действующим реальным объектом

Основополагающая декомпозиция проблемы управления с выделением функций программирования оптимальных режимов и корректирующего регулирования возмущенного движения нашла свое отражение в предлагаемой схеме рис.1 посредством введения блоков адаптации щггервально-задающих воздействий тина ограничений, прогнозного выбора однозначно-задающих Y* и управляющих U* воздействий, регулируемого исполнения их с корректировками по отклонениям.

Формализованное описание рациональных режимов функционирования ТОУ целесообразно осуществлять в виде точечных и интервальных оценок значений технологических заданий и управляющих воздействий, причем желательно поставить их в зависимость от граничных (начальных и конечных ) условий проведения технологического процесса, тем самым позволяя гибко учитывать изменение производственных ситуаций. Такая приспосабливаемость ( адаптация ) технологических заданий и управляющих воздействий на практике, как правило, делается оперативным персоналом, но при этом часто ограничивается только личным опытом.

Использование термина интервалыю-задатощих воздействий типа ограничений О* ( W, U, Y ) в составе схемы рис. 1 продиктовано желанием дополнительно акцентировать внимание на необходимости совместного определения задающих и управляющих воздействий с целью спланированного выделения ресурсов для компенсации всегда имеющих место возмуще-шш в работе реальных объектов, с учетом достигаемой точности корректирующего регулирования, несимметричного распределения отклонений от

I

I

м

и"

II &

VЕ (\УП, и°)

№

и* У

ун^-н Ц11)

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ОБЪЕКТ УПРАВЛЕНИЯ ( ТОУ)

ПРИОБЪЕКТНО-ПЕРЕСЧЕТНАЯ МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ТОУ ( ПМ ТОУ )

ПЕРЕСЧЕТНОЕ ВОССТАНОВЛЕНИЕ РЕТРОСПЕКТИВНО-ОБРАЗЦОВЫХ ОЦЕНОК и? У* С УЧЕТОМ \УК И ОГРАНИЧЕНИЙ

уа

V»

АДАПТАЦИЯ ИНТЕРВАЛЬНО-ЗАДАЮЩИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ ТИПА ОГРАНИЧЕНИЙ О* (Ш, и, У) НА ЗНАЧЕНИЯ ПЕРВИЧНЫХ ВЕЛИЧИН И РАСЧЕТНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ТОУ

ПРОГНОЗНЫЙ ВЫБОР ОДНОЗНАЧНО-ЗАДАЮЩИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ У* И УПРАВЛЯЮЩИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ и* ДЛЯ КОНКРЕТНЫХ УСЛОВИЙ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ТОУ

►! РЕГУЛИРУЕМОЕ ИСПОЛНЕНИЕ I иф, У С КОРРЕКТИРОВКАМИ »4 ПО 0ТКЛ01ШНИЯМ И АНАЛИЗ I ЭФФЕКТИВНОСТИ

ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ВСЕЙ СИСТЕМЫ

Рис. 1 Ориентировочная схема многовариантной системы совместного определения задающих и управляющих воздействий (МВС ОЗУВ): Vе (WD, и0), Ус- действительные входные и выходные воздействия ТОУ; V11 ( Шн, и"), Ун - натурные дшиые о Vе ис), У15; Ь'р, Ур-восстановлашые ретроспективно-образцовые оценки управляющих и выходных воздействий; О* и, У) - ограничения на значения первичных в еличтш и расчетндогоказателей входных и выходных воздействий ТОУ; 0" - представленные натурными данными скорректированные управляющие воздействия.

Рис 2. Общая схема приобъектно-пересчетной модели (ПМ): - разностный пересчетный оператор с вариантностью по воздействиям; м

- настроечно-идентифицирующий (с адаптацией) оператор; к" - параметрические (коэффициентные) и структурно - параметрические настройки; V", У - натурные данные о входных и выходных воздействиях реального объекта; Vм - модельные входные воздействия; X т - крмби-нированные натурно - модельные выходные воздействия; Я - специализированная база натурных данных.

Рис. 3. Нелинейная зависимость коэффициентов пересчета по каналам "кислород дутья - углерод стали" и "кислород дутья- температура стали" от натурного (н) и модельного (м) содержания углерода стали в заключительный период конвертерной плавки.

но\пшала и несимметричного распределения цены той или иной реализации производственной ситуации. Адаптация интервально -задающих воздействий типа ограничений требует соответствующих адекватных методов ее алгоритмизации, ориентированных не только на однозначный (точечный) способ представления данных, но и указание предельных допустимых отклонений технологических переменных.

Алгоритмизация пересчетного восстановления ретроспективно-образцовых оценок задающих и управляющих воздействий напрямую связана с выбором работоспособного критерия оптимизации и соответствующей рис. 1,2 процедуры приобъектно-пересчетного моделирования производственных и технологических сшуаций, конкретизированной для определения значений переменных, входящих в выбранный критерий эффективности решений. Оценивание эффективности совместного определения задающих и управляющих воздействий осуществлялось комплексным способом, сочетающим натурно-математическое (в частности, приобъектно-пересчетное) моделирование, активный эксперимент с управляющей системой и производственный опыт (так называемая нормальная эксплуатация системы). Необходимые пересчетные соотношения получены^ исходя из приобъектно-пересчетных моделей (ПМ ) каналов регулирования ТОУ.

Приоритет в данной работе отдан двухуровневым ПМ, создаваемым в ориентации на рис.2. Конкретизируем соответствующий подход на примере обобщенных пропорционально-разностных соотношений между приращениями входных и выходных ( возможно и внутренних ) величин ТОУ. При этом операторный блок в составе ПМ характеризуется следующими формулам!:

т

SY? = z к(т5и::, Yfм = Y? + 5Y? , (1)

т=1

А,- = + "I ехр(- (2)

kta = +«;„ /(I+6;„YxhYxm)] при (¿;„yxhYxm)<o,s, w

где Y x - характеристическая выходная величина ( первичная или комплексная), используемая как таковая и как показатель состояния, определяющий нелинейность объекта; 6U * - модельно выбираемые (задаваемые) изменения ш-ой управляющей величины во входном векторе V(U,W); 5Y" - расчетное изменение I -той величины в выходном натурно-модельном векторе Y(сокращенно, выходном'модельном векторе Y* у k~Cm,a'tm,b'trn - настроечные коэффициенты, устанавливаемые для конкретного комплекса условий и уточняемые по ходу адаптивной идентификации ТОУ. В случае соответствующего описания конвертерной шавки стали

удозлетворш-ельпой оказывается такая конкретизация, когда при пересчете изменений, например, количества кислородного дутья в изменения углерода и температуры жидкой стали конечного периода продувки принимается Ух~ процентное содержание углерода, ь' ~ 50ед / (%)г, а" = -1,

а, = 1, к'с * -3- 1(Г4 , к" я2• 10"2■ По аналогии делается

количественная " привязка " выражений (1), (2), (3) ко всем остальным вход - выходным каналам основного и вспомогательного агрегатов кислородно-конвертерного производства стали.

Целесообразным является включите в алгоритмические описания ТОУ и систем управления в целом многовариантных экстраполяторов так называемого приведенного возмущения ( одномерного и многомерного ), эквивалентного по своей количественной сценке всем явно не учитываемым изменениям неконтролируемых, либо частично контролируемых определяющих факторов. Исследование основных каналов регулирования ТОУ нужно обязательно осуществлять с нанесением относительно небольших пробных воздействий на фактические и прогнозируемые режимы рабочего управления. Извлечение полезной информации из сложных рядов данных промышленного эксперимента и нормальной эксплуатации объектов опирается на многоварианшые процедуры, объединяющие традиционные и новые методы ( алгоритмы ) адаптивной идентификации в плане концепции интегрированного анализа данных и инженерного содержания вариантники.

Оперативная оценка эффективности управляющих решений на основе существующих традиционных технико-экономических показателей затруднена известными обстоятельствами (требования больших периодов усреднения, использования в них плохо кшггролируемых или совсем неконтролируемых в динамике параметров), поэтому в работе осуществлен переход к использованию разностного критерия эффективности, например, сводимого к определению расчетного изменения прибыли при производстве одной тонны готовой стали под влиянием совместных изменений задающих и управляющих воздействий. В конечном счете, отыскиваются такие варианты изменений ( приращений ) входных и выходных величин объекта управления, при которых разностный (по приращениям) критерий эффективности принимает условно-экстремальное значение ( с выполнением необходимых 01раничивающих условий).

Специально следует отмепгть неадекватность обычных точностных критериев в плане совместного определения задающих и управляющих воздействий и существенную необходимость комплексного критерия, который бы в явной форме оценивал, в том числе, и эффективность возможных изменений (вариаций, приращений) самих выходных переменных по отношению к их фактическим значениям ( а не заданным значениям, ибо они

сами являются предметом выбора ). Такого рода разностный критерий эффективности представлен приближенной формулой:

т) = £а.(|-)Я/.(0 + ЬДО^(') . (4)

(О = {*.н(0 -"н(0.^м (0).(/))} , (5)

*,('■)= . (6)

где 1- порядковый номер технологического цикла; ¿>11 т (У) - расчетные изменения управляющих воздействий; ¿¡V, - расчетные изменения выходных переменных; II'н IIй ('), V" (/') - натурные ( фактические) значения внешних, управляющих и выходных переменных ТОУ; и м Ум (;) -модельные (вернее, натурно-модельные) значения тех же переменных ТОУ;

{ф„ н (О-и н (О*■и м (О)-ф,(у!1 (<)>у м ('))}" нелинейные з^"011-

мости коэффициентов пересчета от натурных и модельных

значетам технологических переменных, представляемые, например, в таблично-формульном виде. При этом коэффициенты пересчета, в зависимости от той или иной технологической ситуации ( попадание в допустимый диапазон изменения отдельных переменных, различные сочетания возможных отклонений и т.п.), могут либо вычисляться с использованием некоторых формульных соотношений, либо задаваться постоянными величинами. В формулах (4) - (6) в целях упрощения их записи не показана названная зависимость коэффициентов пересчета от той или иной технологической ситуации, поэтому в общем случае при расчете разностного критерия эффективности обозначение коэффициентов пересчета следует производить с использованием индекса "п", например, , где п - порядковый номер технологической ситуации, изменяемый от 1 до п (п- общее число технологических ситуаций). Соответствующий критерий конкретизирован применительно к алгоритмизации совместного определения задающих и управляющих воздействий кислородно-конвертерного производства стали, включая ее обработку в ковше.

Опыт освоения многих систем автоматизации в металлургии в целом и результаты функционирования АСУ " Плавка стали ", в частности, подчеркивают острую необходимость в специальных подсистемах автоматизации испытаний, наладки, постепенного совершенствования и развития рабочих контуров АСУ ТП, подсистемах автоматизации подготовки и повышения квалификации персонала с его четким стимулированием. Именно поэтому, одним из методологических стержней данной работы, а также других аналогичных разработок, следует считать прикладную концепцию развивающихся

V»

Рис.4. Параллельно-последовательный НМБ - комплекс: НБ - натурный блок (реальный опорный объект); ПМ - приобъектно-пересчетная математическая модель с вариантностью по воздействиям; Л, Б, В, Г - индексы соединенных НМБ; Vй, УД - действительные входные и выходные воздействия натурных блоков; V", У" - натурные данные о Vя, УД при наличии различных источников неполноты и номехоискажешюстн измерений; Унм - выходные натурно-модельные воздействия с пересчетом Ун на разницу между V" и модельным Vх1 входным воздействием; V, У - прибавляемые или отнимаемые межблочные воздействия.

АСУ. ТП с многовариантной структурой, включая встроенные производственные тренажеры и испытательно-наладочные стенды. В конечном счете, это должно найти свое отражение в создании и постоянном совершенствовании, так называемых, многоцелевых автоматизированных комплексов (МАК) для конкретных агрегатов и участков в русле конструктивной интеграции производства, образования, прикладной науки. Такого рода комплексы послужат инженерной базой для совместного получения конкурентоспособной материальной и информационной продукции.

При постановке и решении вышеназванных задач следует учитывать то обстоятельство, что на практике очень часто возникает необходимость гибкого согласования работы "смежных" объектов управления, технологических участков, и, в конечном счете, смежных производств. Поэтому в зависимости от изменяющихся внешних условий, достигаемой точности регулирования отдельными ТОУ, наличия ресурсов по управлению ими, в случаях, когда выходные переменные одного ТОУ являются одновременно входными величинами другого, целесообразно ироизводать совместное оперативное уточнение технологических заданий и соответствующих управляющих воздействий одного или нескольких ТОУ с целью повышения эффективности принимаемых решений в целом. Для этого надо создавать так называемые комплексы натурно-модельных блоков ( НМБ-комплексы ) последовательного и параллельно-последовательного (рис.4.) танов. Данная ветвь многовариантного натурно-модельного подхода представляется одной из наиболее практичных в составе вариантники.

Глава2. Разработка и исследование алгоритмического обеспечения функциональных подсистем АСУ " Плавка стали". В этой главе изложены материалы:

1. Алгоритм классификации технологических режимов конвертерной плавки стали. Общей базой названного и последующих рассматриваемых алгоритмов служит метод адаптивного управления с прототипами, в роли которых приняты ретроспективно определяемые условно - образцовые режимы конвертерных шавок. С целью выделения типовых управленческих решений произведена классификация технологических режимов ведения плавки стали в конвертере по группам ( около 15 ). Результаты классификации представлены множеством типовых технологических режимов ( с выделением их подмножеств), для которых разработаны процедуры приобъектно-пересчетного моделирования и обеспечивается их удовлетворительная точность. Каждая группа, характеризуется, как правило, признаками той или иной технологической схемы выплавки, плавкой-прототипом для нее и соответствующим набором математических выражений пересчетного типа. Определение принадлежности плавки к технологической группе производится по логическим ("да"-"нет") и количественным признакам, в том числе и интервальным. Отличительными признакам! технологической схемы вы-

плавки являются: использование углеродосодержащих (кокс, уголь и т.п.) или теплосодержащих материалов ( кремнистый шлак ) в завалку или на продувке металла; скачивание шлака на продувке или подогрев лома; марка стали (низко- или высокоуглеродистая) и другие.

2. Прикладной метод построения адаптивных приобъектно-пересчетных моделей ( ПМ), включающий разностное преобразование балансовых моделей и комбинированную идентификацию по данным нор' мальной эксплуатации и производственного эксперимента. Был принят следующий порядок построения ПМ: а) составление соответствующих уравнений материального и теплового балансов конвертерной плавки; б) переход к разностным балансовым моделям; в) анализ чувствительности выходных переменных к ошибкам измерения или расчетного определения входных переменных и упрощение исходных соотношений; г) структуризация ПМ по видам входных (внешних и управляющих) переменных с целью раздельной идентификации модели по каналам внешних воздействий и управлений; д) адаптивное оценивание настроечных коэффициентов моделей и проверка их адекватности. Конкретизируем ПМ на примере разностного оценивания изменений содержания угАерода стали в заключительный

период продувки. Это делается по следующей формуле:

*._„(/)--2,8.10-4[1-ехр(-40Сн(/)См (/))]• СМ=СН+<5С, (8) *„(/) = 9,33[<^(0-Сн(/)]+8,ООЛч(0 + 2,04Л^О), (9)

кА (;) = 9,33[СА (») - Сн (/)] + В.ООЛ'д (/) + 2,04 МпА (/) > (10)

где С н (/), С м (/) - натурные и модельные значения углерода стали;

коэффициенты для конкретного комплекса условий; ЮАЬ), ), Юд 0),6НФЬ) - предполагаемые модельные изменения

(положительные или отрицательные) массы лома, массы чугуна, количества кислорода дутья и среднего положения фурмы на продувке ; 0-, Мпч и Сл, Бь, Мпл - содержание химических элементов в чугуне и ломе. ( Размерности констант, коэффициентов, входных и выходных величин условно не указаны).

В работе приведены аналогичные формулы для разностного оценивания изменений массы стали и ее температуры.

На изображенном ранее рис.3 показаны графики коэффициентов пересчета по каналам " кислород дутья - углерод стали" и "кислород дугья-температура стали" с учетом нелинейности объект а.

Адекватность ПМ проверена и подтверждена результатами разностной идентификации с использованием специального подбора близких реали-

заций, а также активным экспериментом. Такого рода проверки показали удовлетворительную точность двухуровневых ПМ с оцениванием изменений (приращений) углерода на повалке, например, со среднемодульной ошибкой не более 0.005%.

3. Алгоритмы ретроспективного анализа процесса с выделением нормальных шавок стали и пересчетным определением образцовых режимов. Определение образцовых режимов осуществлено посредством поисковой оптимизации специально отобранных плавок стали на основе их пересчетного моделирования с вариацией определяющих факторов.

Для формализованного выполнения операций пересчетного восстановления ретроспективно-образцовых оценок задающих и управляющих воздействий могут быть использованы традиционные процедуры одношаго-вой и многошаговой оптимизации, в частности, для полиномиальных моделей удовлетворительные оценки получены с использованием симплекс-поиска. Применительно к данной работе, в случае использования ПМ по типу (1), (2), опробован полнофакторный многоуровневый план процедуры поиска оптимального (рационального) варианта управляющих воздействий с последовательно уменьшающимся шагом дискретизации области поиска.

В процессе адаптации технологических заданий и управляющих воздействий производится выделение их значений, приведенных к базовым (опорным) начальным и конечным условиям, с целью прогнозирования эффектов неконтролируемых, либо частично контролируемых определяющих факторов.

Для прогнозирования динамики образцовых задающих и управляющих воздействий, с учетом эффектов всегда имеющих место неконтролируемых возмущений, предусмотрена совместная эктраполяция нестационарных приведенных технологических заданий и управляющих воздействий. Сравнительный анализ результатов различных методов автопрогноза и опыт эксплуатации АСУ " Плавка стали "для Запсибметкомбината показал существенное преимущество структурно-адаптируемой экстраполяции (в сопоставлении со ступенчатой экстраполяцией среднеквадратичное отклонение уменьшается до 4 раз).

Прогнозный выбор однозначно-задающих воздействий У* и и* производится посредством поисковой оптимизации плавки-прототипа на основе её пересчетного моделирования с вариацией определяющих факторов, причем зона поиска условно-образцовых оценок Y* и и* формируется адаптацией интервальных оценок образцовых технологических заданий и управляющих воздействий на прогнозируемые или фактические условия функционирования ТОУ. Регулируемое исполнение и*, У* осуществляется с корректировками по отклонением фактических значений контролируемых переменных от их прогнозируемых значений.

Глава 3. Последовательная реализация и ocBoeime АСУ "Плавка стали". 13 третьей главе, состоящей из пята разделов, изложены материалы в связи с многолетними инженерными разработками с постепенным переходом к совместном)' определению задающих и управляющих воздействий для условий конвертерного цеха № 2 Запсибметкомбината.

Созданная одной из первых в отрасли система служила многие годы не только для рабочих целей, но и, что даже более существенно, в качестве своего рода промышленного испытательного комплекса. Именно здесь прошли изначальную проверку идеи восстановления и прогнозирования условно .идеальных (образцовых) управлений, формализовавшие в определенной степени деятельность опытных технологов-сталеатавилыцикоз.

На базе всех последовательно создаваемых и запускаемых в эксплуатацию модификаций АСУ "Плавка стали" много внимания уделено натурно-математическим и натурным исследованиям на многократно повторяемых этапах: 1) структурно-параметрической оптимизации комплекса алгоритмического и программного оценивания, регулирования, формирования заданий и анализа эффективности решений; 2) динамической отладки и настройки технически реализованных подсистем и систем в целом; 3) проверки живучести и эффективности инженерных разработок; 4) обучения и ешмулирова-ния основного и вспомогательного персонала; 5) комплексного обсуждения результатов и выбора конкретных путей дальнейшего совершенствования разработок.

Алгоритмизация задач определения, оптимальных режимов и корректирующего регулирования возмущенного "движения" связана с выделением в АСУ " Плавка стали " соответствующих подсистем, предназначенных для формирования управляющих решений на основе информации, которая доступна до 1ичала очередного цикла процесса и выработки корректирующих задающих и управляющих воздействий, соотносимых с той дополнительной информацией, которая характеризует фактические начальные и конечные значения и динамику контролируемых переменных текущего цикла процесса.

Программно-статическое управление конвертерной плавкой стали предполагает начальный расчет интегральных значений управляющих воздействий ( масс шихтовых материалов, количества кислорода дутья ) и программ их реализации, направленных на проведение продувки при нормальном шлаковом режиме и получение металла требуемого химсостава и температуры в идеале без корректируклцих операций.

Корректирующее регулирование производится по результатам динамического контроля при использовании комплекса косвенных параметров, сопровождающих процесс и дающих необходимую информацию о ходе шлакообразования, и связано с выработкой корректирующих воздействий на положение дутьевой фурмы и режима подачи сыпучих материалов. Алго-

ритмизация динамической коррекции при расчете суммарного количества кислорода на продувку основывается на методике косвенного оценивания содержания углерода в металле с использованием информации о содержании СО и СО2 в отходящих из конвертера газах по ходу продувки.

Совместное использование алгоритмов программ]го-статического и корректирующего управления конвертерной плавкой стали позволило повысить эффективность принимаемых управляющих решений, в частности -увеличить примерно на 10% число плавок с первой повалки по сравнению с раздельным использованием как алгоритмов программно-статического управления, так и алгоритмов динамической коррекции режимов конвертерной плавки стали.

Следующим шагом постепенного развития АСУ " Плавка стали в направлении создания многовариантной системы совместного определения задающих и управляющих воздействий является комбинированное определение технологических заданий и управляющих воздействий. В частности, следует отметить такую функцию АСУ " Плавка стали " как оперативное уточнение задания (режимной уставки ) на температуру конечного периода продувки с целью компенсации эффектов контролируемых возмущений обработки и прохождения металла после его выпуска из конвертера. В дополнение обычных точностных критериев при формировании рациональных управляющих воздействий исследованы такие показатели качества управляющих решений в целом, как оценки приращения количества годной стали, снижения удельного расхода чугуна, себестоимости стали, а также уменьшения возможного числа лераизначений из одной марки стали в другую.

Характерным признаком рассматриваемой АСУ "Плавка стали" можно считать наличие нескольких структур выработки управляющих решений с ретроспективным определением и прогнозированием эффективности различных вариантов решений, явное выделение и адаптивное автопрогнозирование нестационарного приведенного возмущения, совместное (многосвязное) восстановление оценок задающих и управляющих воздействий, введение процедуры совместного перевода идеальных решений в удовлетворяющие ограничениям, структурная адаптация автоматизированной системы.

Действующая АСУ " Плавка стали" использована также как базовая часть контуров активной идентификации, регистрируя и отображая производственно-исследовательскую информацию с повышенной частотой и точностью опроса датчиков, реализуя оперативное сглаживание данных и так далее.

Необходимые гибкость, живучесть и результативность АСУ конвертерной плавкой стали были достигнуты благодаря использованию в ней достаточно развитой анализирующей системы, в которой осуществляется сопоставительный анализ эффективности управляющих решешш по отдель-

ным подсистемам и в сравнении с управляющими решсния\а1 , принимаемыми оператором-технологом, моделирование работы отдельных алгоритмов и определение сравнительной эффективности построения алгоритмического обеспечения АСУ " Плавка стати". При определении сравнительной эффективности всех вариантов построения алгоритмического обеспечешм АСУ " Плавка стали " по отношению к результатам абсолютного назначения решений технологами широко использован метод натурно-математического моделирования.

Формирование выборок осуществлялось по данным обычной эксплуатации в сочетании со специальным активным экспериментом гак, чтобы в них вошли и затрудне1шые участки работы, характеризующиеся", завышенным количеством шлака в ковшах с доменным чугуном; замусоренным скрапом и некондиционной известью с изменяющейся от плавки к плавке свойствами; расположением плавок в начале и конце службы футеровки конвертерного агрегата; отсутствием по какой-либо причине части требуемой оперативной информации и так далее.

Комбинированное моделирование и испытание алгоритмов совместного определения задающих и управляющих воздействий подтвердило их соответствие поставленным целям развития АСУ ТП по пути повышения гибкости и эффективности в существетю нестационарной производственной и внешней обстановке. Фрагменты результатов моделирования и итоговые результаты показаны на рисунках 5 и 6. Для исключения влияния на результаты моделирования динамично меняющихся цен на сырье и готовую продукцию в различные периоды работы комбината осуществлен переход к относительным единицам оценивания разностного критерия эффективности управляющих решений для условно-образцовых режимов. Для этого вычисляется отношение абсолютного значения разностного критерия к его максимально возможному изменению, причем если в качестве критерия принимается разностный показатель прибыли, то плюсовое (¿2)тах соответствует максимально возможному увеличению прибыли за счет рациональных изменений управляющих и задающих воздействий; если же критерием служит разностный показатель себестоимости продукции, то минусовое есгь максимально возможное снижение себестоимости. Численная величина устанавливается для конкретных временных интервалов с учетом фактического денежного курса.

По практическому опыту показана решающая роль натурно - модельного подхода, согласно которому натурно-математическое моделирование (НММ) трактуется как системное объединение нормального функционирования натурных объектов, управляемого натурного или полунатурного эксперимента на них и многовариантного математического моделировашм приобъектно-пересчетного типа. Каждая НММ-система включает натурно-

. Гс]

навар главки

Рис.5. Иллюстрации данных при определении модельных условно-образцовых

л-чН./^Н .'-»Н . уН

реализации входных и выходных величин: ^»^»Ч«»1«.- фактические (натурные, н) данные; - расчетные (модельные, м) данные.

чаетата, атн. ад.

0.35

о.зэ 0.25 С,23 0,15

частот«, отн. »д.

0

0 30 О 25 О 20 0.15

О.Ю 0.05

С.15 0.3 0.45 0.6 0.75 0.5 1

ва/(60)щ„

0.15 03 0,45 0,6 0,75 0.9

Рис. 6. Гистограммы распределения значений разностного (в приращениях к фактическим результатам) критерия эффективности управляющих решений для условно-образцовых режимов; а) стабильные условия работы; б) нестационарные условия работы.

модельные блоки (1ШБ) как таковые и в различных соединениях друг с другом (НМБ-комшексы). Притом компонентами НМБ служат сами натурные объекты в сопряжении с их же приобъектно-!юресчетными математическими моделяшт (Г1М), содержащими двухуровневые нелинейные операторы и спещшлъные базы натурных данных. Верхний уровень (слой) ПМ представлен так называемым настроечно-идентифищфующим (с адаптацией) атгорнгмом, а нижний - разностным (в приращениях) пересчетным алгоритмом.

Во взаимосвязи с ранее изложенным (особенно по рис. 1, 2) вновь констатируем, что структурно ПМБ характеризуются существешю параллельной композицией натурного и модельного в отличие от традиционной формы полунатурного моделирования. Натурно-модельный параллелизм НММ-систем, построенных на основе НМБ и НМБ-комплексов, позволяет успешно продвигаться по перспективному пути параллельных технологий двуединого информационно-материального содержания, имея в виду и широкое освоение систем шггегральной автоматизации с эффекшвным объединением учебной, проектной, испытательной и производственной деятельности.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Длительный опыт работы с АСУ ТП "Шавка стали" подтвердил необходимость создания систем с многовариантной структурой, включая встроенные обучающие, исследовательские и иотытательно-наладочшле блоки.

2. Многозариантные структуры, средства, системы в общем и, особенно, многовариантное натурно-математическое моделирование с формированием баз натурных данных, двухуровневых нелинейных приобъектно-пересчетных моделей, экспериментальных воздействий в приращениях к прогнозируемым рабочим режимам являются конструктивным направлением развития автоматизированных технологических комплексов,

3. Алгоритмизация с восстановлением и прогнозированием образцовых управленческих решений, включая совместное определение задающих и управляющих воздействий, и натурно-математическим моделированием содержательно соответствует реальным условиям автоматизации производства стали в кислородных конвертерах с ее обработкой в ковше.

4. Разработаны алгоритмы для приобъектно-пересчетного моделирования вариантных режимов конвертерной плавки стали; ретроспективного анализа технологического процесса с выделением нормальных плавок стали и расчетным определением условно-образцовых режимов; адаптации технологических заданий к выбора управляющих воздействий применительно к реальным условиям проведения плавок стали в конвертере; адаптивной идентификации канатов регулирования при нормальной эксплуатации с элементами специального активного эксперимента.

5. Предложен метод построения адаптивных двухуровневых пересчеты х моделей с разностным представлением соотношений материал!,ного и теплового баланса, комплексным получением и многовыборочной робает-ной статистической обработкой реальных данных.

6. Конкретизирован метод адаптивного управления с прототипами, соответственно ретроспективно определяемым условно-образцовым режимам конвертерных плавок.

7. Осуществлена функционально-алгоритмическая структуризация АСУ ИГ" Плавка стали " во взаимосвязи с другими составляющими многоцелевого автоматизированного комплекса в плане интеграции учебной, исследовательской, проектной, эксплуатационной деятельности.

8. Выполненные методические и алгоритмические ( с доведением до компьютерных программ ) разработки соответствуют разнообразным циклическим процессам черной металлургии и других отраслей.

Долевой экономический эффект составил около двухсот тысяч рублей по курсу 1990 года.

Основные публика!шн по диссертационной работе:

1. Кошелев А.Е., Вороши Н.И., Петрунин М.В., Киселева Т.В., Турчанинов Е.Б. О косвенном контроле содержания углерода в конвертерной ванне//Изв. вузов. Черная металлургия. 1981.-N12,-С. 105-110.

2. Турчанинов Е.Б., Насонов Ю.В., Щелоков Е.А. Опыт развития АСУ конвертерной плавкой // Всесоюзн. научи.-практич. семинар. "Опыт использования распределенных систем управления тёхнологическиш! процессами и производством.": Тез. докл. - Новокузнецк, 1986.

3. Волович М.И., Щеглов В.А., Зарвин Е.Я., Турчашшов Е.Б. Разработка алгоритмов управления шлаковым режимом конвертерной плавки // Изв. вузов. Черная металлургия. 1987. - N8,- С.27-31.

4. Щеглов В.А., Турчашшов Е.Б. Распознавание аномальных ситуаций шлакового режима конвертерной плавки и расчет корректирующих и управляющих воздействий // Всесоюз. научн.-технич. конф. "Теория и практика кислородно-конвертерных процессов" : Тез. докл. - Днепропетровск, 1987.

5. Турчашшов Е.Б., Киселева Т.В., Афтоманова A.B. Адаптивная коррекция технологических режимов выплавки стали // Респуб. научн.-технич. конф." Применение микропроцессорной техники при автоматизации металлургических процессов Тез. докл. - Днепропетровск, 1988.

6. Турчанинов Е.Б., Киселева Т.В., Кошелев А.Е. Адаптация технологических ограничений применительно к сталеплавильному производству // Юбил. регион, научн.-практичн. конф. "Математическое обеспечение автоматизации производственных процессов, измерений и проблемы самоорганизации": Тез. докл.-Новокузнецк, 1990.

7. Турчанинов Е.Б., Кошелев А.Е., Столяр В.А., Маринов В.К. Опыт создания и перспективы развития АСУ конвертерной плавкой стали. // Сталь. 1994. -N6.- С. 30-33.

8. Авдеев В.П., Киселева Т.В., Турчанинов Е.Б. Многовариантная система совместного определения задающих и управляющих воздействий // Изв. Вузов. Черная металлургия. 1996. -N4. - С. 82-86.

9. Авдеев В.П., Киселева Т.В., Турчанинов Е.Б. Многовариантная система совместного определения задающих и управляющих воздействий: Методические материалы. - Новокузнецк: СибГГМА, 1996. - 13 с.

10. Авдеев В.П., Кулагин Н.М., Киселева Т В., Турчанинов Е.Б. Натурно-математическое моделирование вариантного поведения реальных объектов. Вариантника: Информационный сборник 2 / Под ред. В.П. Авдеева,-Новокузнецк: изд. СибГГМА, 1996.

11. Айзатулов P.C., Киселева Т.В., Турчанинов Е.Б., Щеглов В.А. Многовариантная система задания и регулирования технологических процессов. // Международная научно-практическая конференция "Структурная перестройка металлургии": Тез докл. - Новокузнецк, 1996.

12. Киселёва Т.В., Щеглов В.А., Турчанинов Е.Б., Руденкова Е.Г. Многовариантная автоматизация на примере сталеплавильного производства. // Тезисы докладов международной конференции " Управление большими системами". - Москва: Институт проблем управления РАН, 1997. - ( в печати).

13. Адашивное регулирующее устройство. A.c. N1273878 (СССР). Опубл. в Б.И. N 34 1981г. / Соловьев В.И., Бунич А.Л., Кошелев А.Е., .БулойчикГ.Д., Буймов В.А., Петрушш М.В., Турчанинов Е.Б., Лачков В.А.

14. Система автоматического регулирования A.c. N 1300413 (СССР). Опубл. в Б И N 22 1982г. / Киселев С.Ф., Мышляев Л.П., Петрунин М.В., Московченко Т.Н., Лачков В.А., Турчанинов Е.Б.

Лицензия на издательскую деятельность ЛР № 020353, издательский код Т 18

Подписано в печать 17.02.97 Бумага писчач. Печать офсетная Уч. - изд. л. 1.57

Формат бумаги 60x80 1/16 Усл. печ. л. 1.45

Тираж 100 экз.

Заказ

Сибирская государственная горно-металлургическая академия 654007, г. Новокузнецк, ул. Кирова, 42 Издательский центр СибГГМА