автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Ресурсосберегающее оптимальное управление технологическим оборудованием химических производств

.г-

На правах рукописи

КАПИТОНОВ ИГОРЬ ЕВГЕНЬЕВИЧ

РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩЕЕ ОПТИМАЛЬНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ОБОРУДОВАНИЕМ ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ

Специальность 05.13.07 - Автоматизация технологических процессов и производств (промышленность)

Автореферат

диссертации иа соискание ученой степени кандидата технических наук

Тамбов - 1997

Работа выполнена в Тамбовском государственном техническом университете.

Научные руководители: доктор технических наук, заслуженный деятель науки и техники РФ, профессор Муромцев Юрий Леонидович; 1 кандидат химических наук, доцент Жуков Николай Павлович.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,профессор Дмитриев Геннадий Андреевич; кандидат технических наук, профессор Коптев Андрей Алексеевич.

Ведущее предприятие: Всесоюзный научно-исследовательский и проектно-технологический институт по использованию технихи и нефтепродуктов в сельском хозяйстве (ВИИТИН), г.Тамбов

Защита диссертации состоится . 1997 года в^часов на

заседании специализированного совета К064.20.01 Тамбовского государственного технического университета, 392620 г.Тамбов, ул.Ленинградская, 1, ауд. 60. С диссертацией можно познакомиться в библиотеке Тамбовского государственного технического университета Отзывы на диссертацию в 2-х экземплярах, заверенные гербовой печатью, просьба направлять по адресу: 392620, г.Тамбов, ул. Советская, 106,ТГТУ.

Автореферат разослан "^"....7^... 1997 г.

Ученый секретарь

специализированного совета,

Доцент 1 В.М.Нечаев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИС ТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы: На планете постоянно уменьшаются запасы высокоэнергетических материалов и растет стоимость энергии. Использование альтернативных методов получения энергии (солнечные, приливные электростанции и т.п.) в настоящий момент требует значительно более высоких затрат по сравнению с традиционными методами. Во многих случаях затраты на мероприятия но энергосбережению значительно ниже (в отдельных случаях на порядок) затрат на дополнительное получение энергии. Для снижения энергозатрат на производстве широко используются технологические методы и методы оптимального управления.

Реализация технологических способов энергосбережения заключается в использовании прогрессивных технологических проектов, как принципиально новых, так и незначительно улучшающих традиционные. Внедрение этих методов в первую очередь связано с успехами отраслевых наук соответствующих отраслей и требует на этапе разработки больших материальных затрат.

Методы оптимального управления заключаются в использовании высокоэффективных способов управления объектами. Показатели рабогы производственных и энергетических объектов могут быть значительно улучшены ¡а счет управления, минимизирующего энергетические и сырьевые затраты. Вместе с тем абсолютное большинство существующих автоматизированных систем управления технологическими процессами и подвижными объектами не в состоянии решать задачи синтеза оптимального управления в реальном времени при изменяющихся условиях функционирования.

В связи с этим возрастает необходимость создания высокоэффективных систем оптимального управления динамическими объектами с использованием критериев энергосбережения.

Цель работы: создание методов и алгоритмов оптимального управления динамическими объектами и процессами химических производств, разработка систем оптимального управления, использующих критерии энергосбережения.

Научная новизна: получены новые алгоритмы, позволяющие находить оптимальное по энергосбережению управление при соблюдении технологических ограничений и изменяющихся условиях работы. Предложены математическая модель и способ оптимального управления по критерию минимума затрат энергии электромагнитным аппаратом вихревого слоя и процессом диффузионной сварки.

Практическая ценность: Осуществлена алгоритмическая и программная реализация методов оптимального управления с соблюдением технологических ограничений, позволяющая осуществлять оптимальное по энергосбережению управление в реальном времени. Разработаны программные средства расчета управляющих воздействий и фазовых координат управляемого объекта, динамика которого описывается дифференциальными уравнениями второго порядка. Разработан способ оптимального управления. Созданы системы оптимального управления по критерию энергосбережения и критерию быстродействия.

Апробация работы: Основные положения диссертации докладывались и обсуждались па Всесоюзной конференции "Информационные технологии и системы ", Воронеж. 199."! г.; Первой областной научно-техническая конференция "Вопросы региональном

экологии",Тамбов, 1993 г.; XXI научной конференции, ТГТУ, Тамбов, 1996 г.

Публикации: По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, в том числе 2 свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ.

Объем и структура работы: Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка использованной литературы из 158 наименований и приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность данной работы, сформулирована ее цель, указаны научная новизна и практическая значимость работы, а также основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведен литературный обзор работ, посвященных методам решения задач оптимального управления. Показано, что за последние годы коренным образом изменился подход к анализу и расчету процессов химической технологии, к анализу работы химических агрегатов, цехов и управления ими. Методы оптимизации стали необходимой составной частью технологических расчетов не только с целью выбора оптимального решения при создании того или иного процесса, но и с целью оптимального управления этим процессом. Базой для систематизации методов математического моделирования служит кибернетика.

В результате проведенного обзора литературы показано ,что большое значение приобретает создание алгоритмов решения задач оптимального управления, основанных на малотрудоемких вычислительных процедурах. Эта проблема решения оптимального управления наиболее актуальна для совмещенного синтеза, который

предполагает синтез оптимальных управлений непосредственно в процессе функционирования объекта. В настоящее время не существует адаптивных алгоритмов оптимального управления динамическими объектами на множестве состояний функционирования ;

Поэтому сформулирована цель настоящей работы как разработка системы, методов и алгоритмов оптимального ресурсосберегающего управления объектами химической технологии, использующих критерии оптимизации по минимуму затрат энергии и расхода топлива.

Во второй главе рассмотрены вопросы моделирования оптимального управления динамическими объектами на множестве состояний функционирования (МСФ) при использовании различных стратегий управления. Введение неременной состояния Ь и множества ее значений Н принципиально важно для анализа и синтеза систем управления с учетом реальных условий эксплуатации. Характер'изменения неременной Ь аналогичен изменению состояния системы массового обслуживания, которое определяется числом требований, находящихся в системе, или состоянию резервированной системы при отдельных отказавших элементах. Введение МСФ позволяет исследовать систему на возможность выявления ранее неизвестных свойств. Анализу и синтезу систем на МСФ присущи новые этапы:

1) вводится множество и граф состояний функционирования системы;

2) разрабатывается обобщенная модель системы;

3) определяются вероятности состояний функционирования и значения эффективностей функционирования в этих состояниях;

4) исследуются качественные свойства системы в каждом отдельно взятом или наиболее вероятных состояниях функционирования;

5) исследуются качественные свойства системы с учетом возможных изменений состояний функционирования н процессе эксплуатации;

6) решается задача синтеза по критерию максимальной эффективности па множестве состояний функционирования.

Рассматриваемые во второй главе задачи оптимального управления решаются в предположении использования программной Snj, и позиционной Snj стратегий управления. Применение позиционной стратегии позволяет учесть неточное задание начальных значений фазовых координат z(t о),влияние внешних возмущающих воздействий, неточную реализацию управления и т.д. Если на интервале управления меняются параметры объекта, то рассматривается задача адаптивного управления. Для учета изменений любых атрибутов ЗОУ рассматриваются стратегии управления на множестве состояний функционирования.

При решении задачи оптимального управления на МСФ, в зависимости от характера использования информации- u*(t) о значениях переменной h lia интервале времени t=[to;t|l] различают следующие с тратегии управления на МСФ :

a) S к (корректируемая),если u*(t) , te[t0;th] учитывает действительное значение h(t) в текущий момент времени t ;

о) S„K (некорректируемая),если полученное при t<f0 управление и*(') учитывает возможные траектории Ii( ')=(h(t),leT) и в зависимости от изменений значений heH на интервале te[tu;tkj управление не псресчитывается;

и) SK„ (комбинированная),если при t<t0 управление и* определяется с учетом возможных изменений h в пределах некоторого подмножества Н0сН, причем h(t0)eH(b полученное управление не корректируется в зависимости от изменений h пока h(t)sHo.

В третьей главе приводятся результаты полного анализа >пфгосберегающего оптимального управления fia МСФ для динамических объектов, описываемых моделью двойного интегратора. Из

«

большого числа задач оптимального управления выделяется задача с закрепленными концами и фиксированным интервалом времени управления. Применительно к объекту двойного интегрирования задача энергосберегающего оптимального управления математически записывается следующим образом: объект

г, =М2>М),

переводится из начального состояния в конечное

при наличии ограничений на управление VI ^1,11(0 е[и„;ии], и минимизируемом функционале •к

1=

'О

здесь »г!*" начальное и конечное значения соответственно фазовой координаты; ии,и„- нижняя и верхняя границы управления; функции гЦ) и

В диссертационной работе рассматриваются два вида функционалов: затраты энергии

•к "о

и расход топлива

1, = («('); 1«як)= [|и(0|си.

Требуется определить управление и (0,которое удовлетворяет перечисленным условиям и ограничениям и доставляет минимум функционалу 1э или 1Т.

Сформулирована и доказана . теорема об определении вида оптимального управления на множестве состояний функционирования. Если в задаче оптимального управления линейным объектом

/. = Аг(1) + Ви(^ собственные значения матрицы А вещественные и для рассматриваемого функционала управление и*(')(в случае его существования) единственно, то для случая задачи двойного интегратора с моделью объекта

( . \

* -С ^ №

О 0Дг2/ чЬ.

имеем

'о

'}и(1)(1к - 1)си = и2Ч - гЧ- (П -1) • = 12.

•О

При этом поверхность области управления задается уравнениями:

г'('1) .к ь=и„- 1 (ц-о^ + и,, - 0<1*,

•о - •

г"('|) 1к

Ь="„- [ Ок-ОсК'+и. /(«к-о<и,

'» г"(>1>

причем значениям 1| , 12 соответствуют управления вида оптимального быстродействия, т.е.

и° К»* б[г"5*к], здесь ^ (1,), I (I,) - моменты переключения управления как функции 1,.

Для функционалов минимума затрат энергии и минимума расхода топлива проводится анализ оптимального управления, для чего вводятся синтезирующие переменные Ь) и Ьг:

Ь| = ^-•(ггь- гзь-2®!,)'

Ь 2 = . о ' ( Хт - Хп - 2 В ь) + • (Тл I, ~ ВI, )>

здесь

-<5),В|, =~Ь|,(ив|1 ~ "„ьХ'кь -о),

В зависимости от значений Ь] и Ь2 при использовании программной стратегии последовательно определяются условия управляемости, т.е.

0.25 ■ (Ь, + 2)2 - 2 < Ь2 < 2 - 0.25- (Ь, - 2)\ вид функции оптимального управления, значения параметров функции оптимального управления и далее- траектории изменения фазовых координат и значения функционала.

При позиционной стратегии оптимальное управление в каждый момент времени учитывает текущее состояние (позицию) процесса, определяемую нарой О'^')). В этом случае

и!,,(0 =»*<«,= <рт (М, г(Ш, < *" <: I < (к,

где И - синтезирующая функция позиционного

управления.

В четвертой главе рассмотрено алгоритмическое обеспечение применительно к задаче синтеза оптимального управления, в частности определено решение задачи оптимального управления объектом двойного интегрирования для функционалов минимума затрат энергии и минимума расхода топлива. Рассмотрены леммы о существовании и виде функций оптимального управления, о границах областей существования оптимального управления. Рассмотрен математический аппарат и синтеза оптимального управления при использовании позиционной стратегии управления. Предложена структура алгоритмов оптимального управления динамическими объектами в реальном времени при использовании программной (для критериев минимум затрат энергии и минимум расхода топлива) и позиционной (для критерия минимум затрат энергии) страте!-и й.

В пятой главе предложена система оптимального позиционного энергосберегающего управления, осуществляющая управление с помощью относительно простых микропроцессорных устройств. Система обеспечивает повышение качества управления во всем диапазоне изменения состояния функционирования объекта за счет совмещенного синтеза оптимального управления при любых изменениях атрибутов залами управления объектом - параметра объекта, границ изменения управления, конечного состояния и продолжительности интервала управления. Рассмотрены системы оптимального управления по критериям энергосбережения и критерию быстродействия. Приведены различные аспекты практической реализации результатов работы -компьютерной системы оптимального управления динамическими объектами, данные но тестированию работы программных модулей.

Для подтверждения теоретических исследований и проверки адекватности математических моделей, использованных в программах анализа и синтеза оптимального управления динамическими объектами в реальном времени на кафедре Гидравлики и теплотехники ТГГУ проведены лабораторные эксперименты на универсальных измерительных стендах с последующим компьютерным анализом полученных данных. На лабораторных установках имитировалась работа бойлеров и другого оборудования, используемого в теплоэнергетике. Проведенный по результатам экспериментов анализ позволяет сделать вывод о возможности определения оптимального управления с помощью специализированных прикладных программ и целесообразности применения оптимального управления для снижения энергетических затрат при процессах нагрева.

Для апробации системы оптимального управления в промышленных условиях использованы экспериментальные данные, полученные на аппарате вихревого слоя (ABC) ВК-150К-02 производства Полтавского завода химического машиностроения при измельчении калиевой селитры (KNO3). Электромагнитные вихревые аппараты применяют в химической промышленности для обработки жидкофазных систем, твердых сыпучих материалов, а также твердо-жидкофазных и газожидкостных систем в технологических процессах синтеза новых продуктов, реакционных, массообменных процессах, диспергирования, измельчения, смешивания, сушки, классификации, в других комбинированных или совмещенных процессах.

Вследствие низкого КПД ABC, обусловленного преобладанием реактивной составляющей потребляемой мощности, большая часть подводимой к аппарату электроэнергии переходит в тепловую энергию и вызывает значительный нагрев как рабочего тела, гак и самого аппарата.

Полная рабочая мощность аппарата BK-I50K-02 составляет 63 КВт, в то же время полезная мощность достигает лишь 7-9 КВт. Кроме, того, потребляемая мощность зависит от дисперсности измельчаемого материала. Поскольку последняя в процессе измельчения меняется, то и затрачиваемая мощность должна соответственно регулироваться. Таким образом, одним из основных направлений совершенствования конструкций аппаратов с вихревым слоем является снижение энергетических затрат, а также совершенствование системы автоматического управления технологическим процессом.

По результатам исследования динамики процесса измельчения в ABC получена модель объекта, параметры которой изменяются в процессе работы аппарата. На значения параметров влияет загрузка аппарата ферромагнитными частицами и измельчаемым веществом, рабочая температура, сила тока в обмотках аппарата. При этом минимально допустимое значение напряжения не должно быть меньше некоторого критического, также недопустим перегрев обрабатываемого материала. На рис. 1 показан состав переменных объекта управления: -входные координаты : тгмасса обрабатываемого вещества с гранулометрическим составом V|, т2-масса феррочастиц с параметрами р-плотность, 1-длина, d-диаметр;

-выходные координаты: -масса обработанного вещества с

гранулометрическим составом V2, т2-масса феррочастиц ; -оптимальное управляющее воздействие u (a,b,At,u„,iiK|,„T,I,), нижняя и„ и верхняя u„ i раницы управления;

-параметры: а,Ь-параметры объекта, длительность процесса диспергирования At, начальная То и конечная Тк температура в рабочей камере ЛВС, сила тока на аппарате I.

По полученным на опытно-промышленной установке (Рис.2) экспериментальным данным проведено компьютерное моделирование энергосберегающего оптимального управления процессом измельчения материалов в электромагнитном аппарате с вихревым слоем. Результаты численных экспериментов позволяют сделать вывод, что оптимальное управление процессом измельчения материала в ABC с использованием позиционной стратегии управления значительно снижает затраты энергии и обеспечивает достаточную гибкость регулирования. При диспергировании калиевой селитры экономия энергии может достигать 25% в динамических режимах.

mb v.

О 90 160 250 315 500 Vi

m2,p,l,d

a,b, T0,Tk ,I,At

í

m i,v2

0 90 160 250 315 500 V?

m2

u (a,b,At,u„,u,„I,T(bTk) Рис. 1. Процесс диспергирования в ABC как объект управления

, Выполнены исследования по оптимизации режимов диффузионной сварки с целью уменьшения времени процесса и затрат энергии на проведение процесса сварки. Данный процесс широко используется на Тамбовском заводе "Комсомолец". В связи с его высокой энергоемкостью показана целесообразность энергосберегающего управления процессами нагрева установки и сварки. Разработан алгоритм оптимального управления (программная стратегия) с наложением ограничений,

обусловленных технологическим процессом и особенностями изготавливаемого изделия.

I-аппарат вихревого слоя; 2-бункер исходного продукта; 3,4-редукторы; 5-циклон; 6-бункер конечного продукта; 7-блок управления; 8-переходник; 9,10-вентиляторы; 11-воздухозаборник; 12-шнековый питатель.

• • Рис.2.Схема опытно-промышленной установки

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Поставлена и решена задача оптимального ресурсосберегающего управления на множестве состояний функционирования объектами, описываемыми моделями двойного интегрирования.

2. Разработан метод позиционного управления динамическим объектом п(1 критериям минимума затрат энергии и минимума расхода топлива.

3. Разработаны эффективные алгоритмы решения задачи ресурсосберегающего управления в условиях реального времени.

4. Осуществлены программные реализации алгоритмов оптимального управления:

- программного управления объектом двойного интегрирования по критерию минимума затрат энергии;

- программного управления объектом двойного интегрирования по критерию минимума расхода топлива;

- позиционного управления объектом ^двойного интегрирования по критерию минимума затрат энергии;

5. Разработана система оптимального ресурсосберегающего управления аппаратом вихревого слоя ВК-1 50К-02 при минимуме затрат энергии и позиционной стратегии управления для процессов диспергирования различных материалов. При этом определена математическая модель объекта, проведен анализ и синтез оптимального управления на множестве состояний функционирования, выбрана стратегия управления, разработана структуры системы оптимального управления, ее алгоритмическое и программное обеспечение.

Реализация найденного оптимального управления может осуществляться с помощью простых микропроцессорных устройств, автоматических систем регулирования или прямого цифрового управления, обеспечивающего большую точность и качество управления.

6. Определены задачи для дальнейшего развития системы оптимального энергосберегающего управления технологическим процессом диффузионной сварки на Тамбовском заводе "Комсомолец".

Создание системы оптимального энергосберегающего управления и ее дальнейшее развитие повышает эффективность функционирования существующего химико-технологического оборудования, позволяет

сократить энергозатраты, а также улучшает качество управления. Применение данной системы для управления процессом диспергирования калиевой селитры в аппарате вихревого слоя ВК-150К-02 позволяет экономить до 25% электрической энергии в динамических режимах.

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ а,Ь-параметры объекта; t0,tk -начало и конец временного интервала

управления: ин,ив-нижняя и верхняя границы изменения управляющего и

воздействия: Zi'Zi" начальное и конечное значения первой компоненты вектора фазовых координат z=(z,;z2); Zi'Zj~ начальное и конечное значение второй компоненты вектора фазовых координат; I-минкмизируомый функционал; Н- множество состояний

функционирования Ii ; S- стратегия управления; ^-оптимальный вариант; L,, I., -синтезирующие переменные.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах;

1. Муромцев ЮЛ.. Орлова Л.П., Трейгер В.В., Капитонов U.E. Информационные технологии и системы. Тезисы докладов конференции) 26-29 октября).Воронеж.: 1993.-с.23-25. Интеллектуальная автоматизированная система энергосберегающего управления технологическими объектами.

2.Качкин В.Н., Капитонов М.Е. Оперативный синтез оптимального управления на множестве состояний функционирования. Математическое моделирование и оптимизация систем переменной структуры: Межвчзонскпй сборник нлушыч трудов./ Московский ihm mim. мипшносф. -М.' !()<Х9.с.4 1-45.

З.Муромцев Ю.Л., Капитонов И.Е. Оптимальное управление по критерию энергосбережения./Первая областная научно-техническая конференция "Вопросы региональной экологии". Тезисы докладов. Тамбов.: 1993. Д.Капитонов И.Е., Муромцев Ю.Л. Устройство оперативного синтеза оптимального управления объектом двойного интегрирования. / XX студенческая конференция. Тезисы докладов.ТИХМ,Тамбов.: 1992 г.

5.Грошев В.Н., Капитонов И.Е., Муромцев Ю.Л., Орлов В.В. Энергосберегающее управление динамическими объектами. / Механизация и электрификация сельского хозяйства. N 8.1994,с.26-27.

6.Свидетельство 6 государственной регистрации программы для ЭВМ N 920086 РосАПО. Капитонов И.Е. и др. Анализ и оперативный синтез оптимального управления объектом двойного интегрировании. 13 августа 1992 г.

7.Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ N 950464 РосАПО. Капитонов И.Е. и др. Экспертная система "Энергосберегающее управление - динамическими объектами". 19 декабря 1995.

8.Муромцев Ю.Л., Орлова Л.П., Капитонов И.Е. Экспертная система "Энергосберегающее управление динамическими объектами". Общие сведения,/Вестник ТГТУ.1995ЛТ .N 3-4,с.226-232.

9.Муромцев Ю.Л., Капитонов И.Е. Оптимизация управления электромагнитным аппаратом вихревого слоя с применением двойного интегратора. III научная конференция ТГТУ. Краткие тезисы докладов.Тамбов.:1996,с.173.