Введение к работе
Актуальность проблемы. Важной проблемой для ^химических — предприятий - с многоассортиментным'непрерывным и дискретно-непрерывным характером производства является способность гибко с высокой степенью маневренности и минимальными затратами ресурсов автоматически перестраиваться на выпуск новой продукции и переработку новых видов сырья, быстро приспосабливаться к изменениям состава сырья, состояния технологического оборудования, спроса и рыночных цен на готовую продукцию и к неритмичности поставок сырья и отгрузки продукции.
Решение указанной проблемы находится в стадии развития. При этом необходимо решить целый ряд новых теоретических и практических задач не свойственных для предприятий с фиксированным ассортиментом выпускаемой продукции.
Разработанные академиком В.В.Кафаровым принципы и методы кибернетической организации и стратегия системного подхода позволили ему и ученым его школы создать научные основы оптимального функционирования многоассортиментных химических производств (МАХП).
Оптимальное функционирование МАХП при этом обеспечивается принятием правильных решений по соответствующему изменению целей, стратегии, алгоритмов и систем управления в сложных производственно-экономических ситуациях с учетом технологических, экономических, социальных и экологических критериев и ограничений.
Реализация указанных направлений исследований обеспечит повышенную живучесть и конкурентноспособность химических предприятий с многоассортиментным непрерывным и дискретно-непрерывным характером производства.
В этой связи развитие концепции кибернетической организации и систематическое изложение принципов и стратегии, а также разработка новых методов,численных алгоритмов и систем управления МАХП в условиях неопределенности исходной информации и целей функционирования является актуальной.
Диссертационная работа выполнялась в соответствии с координационным планом научно-исследовательских работ АН СССР по направлению "Теоретические основы химической технологии" на 1981-1985г.г. и на 1986-1990 г.г.; целевой комплексной НТП
- в -
0.Ц.047 "Автоматизация в отраслях народного хозяйства на базе микропроцессорной техники машин, оборудования и технологических процессов во всех звеньях производства" на период 1985- 1990г.г.; целевой комплексной НТО 0.80.02"Создать и ввести в эксплуатацию системы автоматизированного производства и управления в народном хозяйстве на основе интеграции автоматизированных систем управления различного уровня, применения вычислительной техники и микропроцессорных средств" на период 1985-1990г.г.; государственной НТП "Ресурсосберегающие и экологически чистые процессы в металлургии и химии". Направление "Малотоннажные химические производства" на период 1990-1995Г.Г. и межвузовской НТП"Теоретические основы химической технологии" на период 1990-1995г.г. Цель работы:
развитие методологических основ кибернетической организации непрерывных и дискретно-непрерывных мношссортиментных химических производств;
разработка теоретических принципов и стратегии гибкого управления иерархическими многоуровневыми многослойными МАХИ в условиях неопределенности исходной информации и целей функционирования;
разработка методов глобальной и многокритериальной оптимизации для решения задач гибкого управления МАХП в условиях низкочастотных возмущений;
создание теоретических основ, разработка моделей, методов и численных алгоритмов решения задач прогнозирования, планирования и оперативного управления МАХП в условиях нечеткой неопределенности;
развитие теоретических основ, разработка моделей, методов и алгоритмов управления технологическими процессами МАХП, функционирующими в условиях неопределенности статистической и нестатистической природы;
разработка программно-математического обеспечения, экспертных систем и диалоговых процедур принятия решений для создания гибких систем управления МАХП;
разработка и внедрение, на основе полученных теоретических и практических результатов, алгоритмов и систем управления многоассортиментными химическими производствами.
Методы исследования. В работе использовались и развиты различные разделы системного анализа, теории исследования операций и
- э -
искусственного интеллекта, современной теории управления, методов
математического программирования и моделирования и химической
кибернетики.-
Научная новизна работы заключается в следующем:
развиты методологические основы кибернетической организации непрерывных и дискретно-непрерывных многоассортиментных химических производств. Классифицированы возмущающие и управляющие воздействия, цели, производственно-экономические ситуации, критерии функционирования и задачи кибернетической организации МАХП;
предложены основные принципы и разработана стратегия, позволяющая в конкретной производственно-экономической ситуации стратифицировать и решать задачи гибкого управления МАХП в условиях неопределенности исходной информации и целей функционирования;
развит метод и разработаны модифицированные алгоритмы глобальной оптимизации на основе ^-преобразования, с использованием которых и нечетких штрафных функций изучен и решен широкий класс задач математического программирования, включая невыпуклые, не--дифференцируемые задачи и задачи смешанно-целочисленной оптимизации;
предложен новый подход к построению множества Парето-опти-мадьных решений для задач многокритериальной оптимизации с позиций теории нечетких множеств. Разработаны принципы выбора компромиссных решений, диалоговые процедуры, а также численные методы и алгоритмы построения полного множества Парето;
созданы теоретические основы (.сформулирована общая и частные математические задачи, разработаны модели, методы и алгоритмы) для решения задач гибкого управления МАХП в условиях неопределенности, включая задачи технико-экономического, оптимального календарного и оперативно-календарного планирования;
развиты принципы, подходы и методы управления технологическими процессами МАХП, функционирующими в условиях неопределенности статистической и нестатистической природы. Предложен новый подход к созданию адаптивных систем управления комбинированного типа, использующий принципы построения адаптивных систем с эталонной моделью и самонастраивающихся регуляторов. Для учета нелинейности и нестационарности технологических процессов в МАХП предложен комбинированный метод оценки нечетких отношений и разработаны методы и алгоритмы идентификации и адаптации нечетких отношений.
Практическая ценность и реализация результатов работы. Про-
веденные в работе теоретические исследования, предложенные принципы и стратегия явились методологической основой повышения эффективности функционирования широкого класса непрерывных и дискретно-непрерывных многоассортиыентных химических производств в условиях неопределенности исходной информации и целей функционирования.
Разработано программно-математическое обеспечение методов глобальной и многокритериальной оптимизации в условиях нечеткой неопределенности, позволяющие решать широкий класс задач "состав-свойства", планирования и оперативного управления МАХП в условиях низкочастотных возмущений.
Разработано программно-математическое обеспечение, включающее базы знаний и данных, для решения задач долгосрочного прогнозирования многассортиментных химических производств в условиях конкретных производственно-экономических ситуаций.
Разработан комплекс алгоритмов и программ для целей управления и проектирования цифровых адаптивных и нечетких систем управления технологическими процессами МАХП, функционирующими в условиях неопределенности статистической и нестатистической природы.
Разработаны структуры объектно-ориентированных программно-технических комплексов на базе микропроцессорной техники, реализующих адаптивные и нечеткие алгоритмы управления, которые могут найти широкое использование при разработке систем управления химико-технологическими процессами в условиях неопределенности.
Программно-математическое обеспечение, реализующее методы глобальной и многокритериальной оптимизации передано в НИЩемент, НПО "Композит" и НПО "ИРЕА", где используется для решения широкого класса задач планирования и управления многоассортиментными химическими производствами.
Адаптивные и нечеткие алгоритмы переданы в АО НИИ "Центрпрог-раммсистем" г.Тверь, НПО "Промавтоматика", Воронежское ОКБА НПО "Химавтоматика", НПО НИОПиК, где используются для целей проектирования систем управления, и внедрены в промышленную эксплуатацию на Азербайджанском и Оренбургском газоперерабатывающих заводах и Новомосковском ПО "Азот".
Результаты исследований составили материал трех учебных пособий, ваписанных с участием автора, и используются при изучении курсов "Системы оптимального функционирования гибких автоматизированных химических производств" и "Использование принципов ис-
- Б -
кусственного интеллекта в системах управления гибкими химическими производствами", которые читаются студентам специальности 251804 в F'XTY~ т.Д".И".МевделееваТ
Аппробащя работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на 4 международных и 30 Всесоюзных, республиканских и Всероссийских конференциях, в том числе: на Всесоюзных конференциях по математическому моделированию сложных химико- технологических систем (Таллин,1982 г.; Одесса, 1985 г.; Казань,1988 г.); по математическому, алгоритмическому и техническому обеспечению АСУ ТП (Ташкент, 1980 г. и 1988 г.); по автоматизации и роботизации в химической промышленности (Тамбов, 1988 г.); по созданию и внедрению систем автоматического и автоматизированного управления технологическими процессами (Москва,1986 г.); по химии и технологии цемента (Черкесск, 1988 г.); по новым процессам, оборудованию и гибким производственным системам для многономенклатурных химических производств (Днепропетровск, 1985 г.); по микропроцессорным комплексам для управления технологическими процессами (Грозный. 1989 г.); по системному анализу и совершенствованию хозяйственного механизма предприятий (Свердловск, 1990 г.); по гибким производственным системам химического профиля (Ленинград,1988 г.); по математическим методам в химии (Тула, 1993 г.); по динамике процессов и аппаратов химической технологии (Ярославль, 1994 г.); по методам кибернетики химико-технологических процессов (Москва, 1984 г. ,1987 г., 1989 г., 1994 г.); на международных конференциях по автоматизированному проектированию, управлению и роботехнике (Санкт-Петербург, 1993 г.); по конструированию химического оборудования и автоматизации (ХИСА, Прага, 1993 г.); по автоматизации химических процессов и производств ( Чехия, 1994 г.).
Публикации. Результаты, отражающие содержание диссертационной работы, изложены в 75 публикациях.
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов, списка цитируемой литературы и приложения.