Содержание к диссертации
Основные обозначения и сокращения 6
Введение 8
1 Анализ подходов к управлению технологическим процессом приготовления
смесей 13
1J Характеристика технологического процесез 14
Компонентный состав смесей 15
Схема технологического процесса 16
Элементарные процессы, происходящие при смешении 17
L2 Анализ процесса приготовления смесей как объекта управления 20
Целевые показаіелн объекта управления 21
Управляющие параметры объекта управления 29
Параметры состояния объекта управления 33
Возмущающие воздействия, действующие па объект управления 37
1.3 Анализ существующих систем управления процессом приготовления
резиновых смесей 52
1.3 J Этапы эволюции АСУ ТП приготовления смесей 53
1.3.2 Системы поддержки принятия решений 58
Выводы по первой главе .'. 60
2 Разработка структуры системы управления процессом приготовления смесей. 62
2Л Задача разработки адаптивной системы управления процессом
приготовления резиновых смесей 62
Задачи управления процессом приготовления смесей 62
Формирование критерия оценки достижения цели управления 63
2.13 Формулирование требований к разрабатываемой системе управления.. 65
2.2 Подходы к решению задач управления 67
2.2.1 Процедура реализации свойств процесса приготовления резиновых
смесей 67
Действие возмущений на цепочку «планирование-реализация» свойств композиции 69
Разделение решения задан управления процессом 70
Этапы разработки адаптивной системы управления 73
2.3 Синтез структуры адаптивной системы управления 74
Блок" прогноза компонентных доз 74
Архив прецедентов управления 75
2.3 J Блок синтеза модели и оптимизации целевого критерия 76
23.4 Синтез адаптивной системы управления 78
2.4 Особенности структуры математической модели адаптивной системы
управления 80
Выводы по второй главе 84
3 Разработка математической модели для прогнозирования свойств резиновых
смесей 85
Анализ вариантов замен ингредиентов резиновых смесей 85
Задача построения математической модели для прогноза свойств смеси .,.. 92
Обоснование метола прогнозирования свойств полимерной композиции -.. 96
3-3-1 Особенности предметной области 97
3.3.2 Обоснование применение метода нейросетевого прогнозирования 99
3.4 Синтез струкіурьі нейросетевой модели 105
Выбор группы ингредиентов резиновой смеси для полунения прогнозирующей модели 111
Выбор значимых физико-химических параметров мягчителей 112
Влияние количества скрытых слоев на точносте, прогноза дозы мягчителен 117
Влияние количества примеров для обучения на точность прогноза 121
Влияние количества физико-химических параметров мягчителен па точность прогноза 122
4 3.4,6 Влияние наличия у сети дополнительных параметров для реализации
функции «переключения» на точность прогноза 123
3-4,7 Влияние совмещенности выходов сети на точность прогноза 124
3,4.8 Экстраполирующие свойства нейронной сети 126
3.5 Обоснование метода поиска оптимальной дозы ингредиента-заменителя с
помощью нейросетсвой модели 127
Выводы по третьей главе 129
4 Разработка математической модели для адаптации технологического режима 130
4.1 Задача построения математической модели для адаптации технологического
режима смешения 130
4.1.1 Использование косвенных показателей процесса для учета особенностей
объекта управления 130
4J .2 Анализ типов моделей для управления процессом приготовления
резиновых смесей 134
4.1.3 Постановка задачи построения математической модели для управления
технологическим режимом 141
4.2 Синтез структуры модели технологического режима 143
Анализ значимых факторов технологического режима процесса приготовления смесей 143
Формулирование требований к методу построеїшя модели 150
4,23 Синтез структуры модели технологического режима 151
4.3 Минимизация критерия оценки достижения цели управления 154
4,3 J Условия проведения эксперимента 154
4.3.2 Построение аппроксимирующих зависимостей вида «косвенный
критерий-целевые свойства» 156
4.3.3 Оптимизация технологического режима с помощью модели для
управления 159
4-4 Применение оперативной идентификации математической модели
технологического режима как элемента адаптации системы управления 161
Выводы по четвертой главе 165
5 Реализация адаптивной системы автоматического управления процессом
приготовления резиновых смесей 166
5.1 Синтез адаптивного алгоритма управления процессом приготовления
резиновых смесей 166
5.1-1 Алгоритм замены компонентов смеси 166
Алгоритм корректирования технологического режима приготовления резиновых смесей 171
Результаты тестирования алгоритма управления адаптивной системы 174
5.2 Аппаратно-программный комплекс для реализации адаптивной СУ на
предприятии шинной промышленности 177
Структурная схема адаптивной системы управления 177
Разработка рекомендаций по выбору средств для реализации адаптивной системы управления 181
5.3 Оценка экономической эффективности адаптивной системы управления
процессом приготовления резиновых смесей 1SS
Эффективность стабилизации средних значений свойств смеси 189
Эффективность сужения стандартного отклонения значений свойств
смеси 190
5.3 J Опенка затратна создание системы управления 191
Выводы по пятой главе 193
Заключение 194
Список использованных источников ; 197
Основные обозначения и сокращения
п - количество этапов ввода компонентов в смесь,
s — количество целевых показателей процесса,
Y,, - i-e значение целевого показателя процесса для j-ой заправки смеси,
Qi - i-e желаемое значение целевого показателя процесса,
&, - вес (значимость) І-го целевого показателя процесса,
Gij -массовая доля j-ro компонента, дозируемого на і-ом этапе,
m — количество компонентов в рецептуре,
Ui - І-ьш управляющий параметр технологического режима,
к - количество управляющих параметров,
Х[ - i-ый параметр состояння объекта управления,
г- количество параметров состояния,
Zjj - j-e свойство у з-го компонента смеси,
task — количество заправок в партии смесей,
V - вектор неконтролируемых возмущающих воздействий,
L - число стадий смешивания,
b - количество прецедентов в предыстории управления процессом,
bb - допустимое число возможных экспериментов,
gc —общее количество ингредиентов, участвующих в заменах,
Ngs - количество физико-химических характеристик веществ, включаемых в математическую модель для прогноза,
nv - количество заменяемых ингредиентов удаленных из смеси,
mv - количество заменяющих ингредиентов, добавленных в смесь,
^п», - максимальные значения контролируемых параметров,
%„<,«, - оптимальные значения контролируемых параметров,
F - целевой критерий управления,
Е- показатель суммарных затрат энергии [Вт*ч],
СУ — система управления,
ОУ - объект управления,
СЛУ - система автоматического управления,
АСУ — автоматизированная система управления,
ТП — тех но логический процесс,
АСУП -автоматизированная система управления предприятием,
НС — нейронная сеть,
СУБД - система управления базами данных,
УСО - устройство связи с объектом,
ШЖ — программируемый логический контроллер,
ADO - access data objects - объекты доступа к данным ф. Microsoft,
ОРС - open protocol for component object modal - унифицированный протокол доступа к технологическим данным в операционной системе Windows,
SCADA - (Supervisory Control and Data Acquisition) - программное обеспечение верхнего уровня для сбора данных и оперативного диспетчерского управления,
ДФЭ — дробный факторный эксперимент, ПО - программное обеспечение.
Введение к работе
1, Аістуальность работы. В условиях совремеїшого производства должна создаваться продукция, максимально удовлетворяющая запросам потребителей. Для реализации постоянно возрастающих требований заказчиков в производстве должны использоваться современные наукоемкие технологии» успешность применения которі.іх наряду с совершенствованием технологического оборудования и сырьевой базы существенно зависит от возможностей систем управления технологическими процессами.
Одним из основных путей улучшения качества продукции шинного производства является повышение точности изготовления полуфабрикатов. Ввиду того» что характеристики базового полуфабриката шинной промышленности - резиновой смеси — во многом определяют параметры покрышек, особое внимание следует уделять процессу приготовления резиновых смесей, it ходе которого закладывается уровень качества шин.
В существующих системах автоматического управления процессами приготовления смесей отсутствует возможность устранения ВЛИЯНИЯ СИЛЬНЫХ возмущающих воздействий» связанных с нестабильностью композиционного состава и различием параметров технологического оборудования для серийного выпуска однотипных смесей. Это является причиной существенных колебаний значений качественных показателей смесей и резин. Наиболее целесообразным, надежным и доступным решением данной проблемы в условиях действующего производства является повышение эффективности систем управления приготовлением резиновых смесей за счет расширения их возможностей по адаптации к изменяющимся условиям проведения тсхіюлогического процесса.
Периодические процессы приготовления смесей, помимо шинного производства и РТИ, широко распространен м в различных отраслях промышленности. В целом процессы имеют схожую структуру, одинаковые цели и проблемы управления. Однако па сегодняшний день отсутствует единый методологический подход к построению систем автоматического управления
процессами приготовления смесей, применение которого позволило бы значительно повысить качество продукции. Применение адаптивных АСУ ТП приготовления смесей должно позволить эффективно устранить влияние возмущений процесса и существенно сократить экономические потери от выпуска некондиционных смесей.
Недостатки существующих систем управлении. В существующих системах автоматического управления процессом приготовления резиновых смесей отсутствуют возможности устранения действия сильных возмущающих воздействий, связанных с нестабильностью композиционного состава и различием параметров технологического оборудования, используемого при переносе программы выпуска. Это является причиной сильного разброса значений качественных показателей резиновых смесей,
Целью работы является разработка методики синтеза эффективных с позиций технологических требований и качества продукции систем управления процессами приготовления многокомпонентных смесей в условиях много ас сортименти ого крупнотоннажного производства.
Основные задачи работы для достижения цели:
Исследование процесса приготовления резиновых смесей как объекта управления с целью выявления особенностей, определяющих структуру и специфику реализации систем управления.
Синтез адаптивной системы управления процессом приготовления резиновых смесей с учетом лейстпия сильных возмущений по компонентному составу и параметрам технологического оборудования.
Разработка математической молели лля решения задачи нахождения дозировок компонентов резиновой смеси в условиях проведения оперативных замен ингредиентов.
4, Разработка математической модели для оперативного управления
технологическим процессом на основе косвенных показателей качества
резиновых смесей.
5. Разработка алгоритмов функционирования адаптивной системы управления
на основе динамического синтеза математических моделей и
экспериментальное подтверждение применимости предложенных методов.
Содержание работы В первой главе составлена обобщенная схема- Показано разнообразие физико-химических элементарных процессов, протекающих при смешении компонентов резиновых смесей. Выделены наиболее сильные возмущения процесса, связанные с заменами ингредиентов, разбросом свойств сырья и зависимостью свойств смесей от индивидуальных характеристик технологического оборудования. Выявлено доминирование рецептурного способа изменения свойств смесей над технологическим способом их корректирования. Рецептурный способ характеризуется значительной погрешностью в получении заданных свойств смесей при оперативном управлении, что увеличивает их нестабильность. Показаны достаточно широкие возможности по управлению свойствами смесей и резин в ходе процесса смешения, позволяющих гибко и точно изменять свойства смесей. Проанализированы существующие системы управления процессом приготовления смесей.
Во второй главе сформулирована цель разработки адаптивной системы, предназначенной для решения задач управления. Поставлены задачи управления процессом, заключающиеся в устранении нестабильности средних значений целевых показателен смесей и уменьшении отклонений качественных характеристик от своих средних значений. Обоснован критерий оценки достижения цели управлення в виде суммы квадратов нормированных
отклонений целевых показателей процесса от заданных значении для партии заправок смесей. Определены требования к адаптивной системе управления и пути устранения действия возмущений на технологический процесс с учетом процедур создания рецептур и технологических режимов приготовления резиновых смесей. Обоснована структура адаптивной системы управления, дано описание ее функциональных блоков и связей между ними. С формул нровпны общие требования к построению математической модели для расчета управляющих воздействий, выделены 2 блока модели; прогноз свойств смеси и адаптация тєхеюлогичєского режима, которые требуют разработки математического описания,
В третьей глапе выделены основные варианты замен ингредиентов резиновых смесей, относящихся к группе контролируемых возмущений. Сформулирована задача построения математической модели для прогнозирования свойств полимерной композиции. Разработаны требования к методам построения математической модели для прогноза свойств резиновых смесей- Проведен сравнительный анализ методик построения математических моделей традиционными (регрессионным) методами и с использованием искусственного интеллекта. Выделена группа мягчителен как наиболее нестабильных компонентов шинных резин. Определены основные свойства, характеризующие действие веществ из группы мягчителен на свойства резиновой смеси с помощью метода парных сравнений. Показана эффективность решения задачи прогнозирования с применением модели, основанной на нейронной сети. Показана возможность построения прогнозирующей модели для одновременного выбора дозировок нескольких яеществ разных химических классов из одной компонентной группы,
В четвертой главе сформулирована задача построения экспериментальной математической модели для адаптации технологического режима; обосновано
использование для управления косвенного показателя качества резиновых смесей в виде суммарных затрат энергии на проведение технологического процесса. Проведен анализ используемых типов математических моделей управления процессом приготовления резиновых смесей, выделены и обоснованы наиболее перспективные типы существующих моделей для применения в адаптивной системе управления. Проведено исследование чувствительности критерия оценки достижения целей управления процессом смешения от значений свойств протекторной резиновой смеси, определено его оптимальное значение. Синтезирована модель для управления, проведена ее идентификация по данным технологического процесса приготовления серийной протекторной резиновой смеси. Показана необходимость повторной идентификации математической модели для управления при значительном изменении рецептурного состава и переносах программы выпуска на другое оборудование.
В пятой главе выделены особенности представления данных для обучения ненросетеиой модели. Выявлены особенности проведения промышленного эксперимента на технологическом оборудовании, показаны возможности уменьшения числа экспериментов. Синтезированы алгоритмы для автоматического построения модели прогнозирования свойств смесей и модели для оперативного управлення процессом смешения. Разработаны рекомендации по выбору комплекса технических средств для реализации адаптивной системы управления. Дано описание архитектуры адаптивной системы управления, реализованной на ОЛО «ЯШЗ». Приведены источники экономической эффективности адаптивной системы управления. Расчеты и фактические данные свидетельствую о высокой эффективности применения адаптивного управления для процесса приготовления резиновых смесей,
В заключении приведена общая характеристика работы, основные результаты и выводы.
