Введение к работе
Актуальность темы исследования. Повышение качества готовой продукции и экономия энергоресурсов отнесены к числу важнейших научно-технических проблем 21 века. Об этом свидетельствуют такие документы как Распоряжение правительства Российской Федерации № 2446-р от 27 декабря 2010 г., утвердившее госпрограмму «Энергосбережение и повышение энергоэффективности на период до 2020 г.» и Концепция всеобщего управления качеством (TQM), согласно которой эффективная термообработка материалов должна обеспечивать «качество, встроенное в готовый продукт» с ориентацией на конкретный, а не среднестатистический технологический процесс. Данное обстоятельство продиктовано тем, что в настоящее время до 80 - 90% тепловой энергии, потребляемой промышленностью, расходуется на термообработку, которая в подавляющем большинстве случаев является финишной операцией, во многом определяющей качество готовой продукции, а ошибки, допущенные при её исполнении (и особенно по управлению), относятся к числу дорогостоящих и непоправимых.
Проблема управления процессами в технологических установках термообработки материалов (ТУТМ) состоит в том, что они относятся к классу мно-госвязных,инерционных, нестационарных и нелинейных с распределенными параметрами объектов управления с большой инерционностью. Тем не менее, регулирование параметров, характеризующих процесс термообработки обычно производится одномерными пропорционально-интегрально-дифференциальными (ПИД)-регуляторами, то есть линейными средствами управления без компенсации взаимного влияния регулируемых параметров.
Отсюда низкое качество управления и, как следствие, - увеличение доли брака в составе готовой продукции и неоправданные энергозатраты. Например, в цементной печи из-за большой погрешности регулирования, неточной и нестабильной компенсации взаимного влияния регулируемых параметров имеет место (20 -^ 30) процентов потерь тепловой энергии и (14 -^ 21) процент брака. По этой же причине при прокалке цеолитосодержащих катализаторов (26 -^ 37) процентов сырья идет в непригодную к использованию по прямому назначению «мелочь» и (20 -^ 26) процентов составляют тепловые потери.
Анализ работ, посвященных автоматизации сложных процессов термообработки материалов в ряде отраслей промышленности, показывает, что потенциальные возможности многомерных ПИД- и нечетких регуляторов (HP) по снижению погрешности регулирования и компенсации взаимного влияния контуров регулирования в упомянутых системах управления и, на этой основе, повышение качества готовой продукции и уменьшение потерь тепловой энергии практически исчерпаны. По точности логическое управление, реализованное на HP, уступает ПИД- управлению процессами не только в нелинейных, но и в ли-
нейных многосвязных объектах управления. Поэтому возникла необходимость в разработке концепции, моделей, методов и алгоритмов логического управления указанными процессами в нефтехимии, производстве стройматериалов, взрывчатых веществ и др., позволяющих повысить качество управления процессами термообработки за счет воплощения опыта и знаний экспертов предметной области в корректные управляющие алгоритмы и программы.
Степень разработанности темы. Управление технологическим процессами (в том числе и термообработки) с помощью методов классической теории автоматического управления освещены в работах К. А. Пупкова, Н. Д. Епугова, Ю. М. Келима, С. Г. Емельянова, В. Ю. Харченко, В. А. Демченко, М. Г. Зотова, В. Ф. Комиссарчика, В. Б. Колмановского, В. Р. Носова, С. А. Горбаткова, Д. П. Кима, И. В. Мирошника, Д. В. Кнеллера, Р. Дорфа , Г. Бергера, P. Lahti-nen, A. Leva, С. Сох, A. Ruano, К. Ang и др. Попытки скомпенсировать время чистого запаздывания в процессах термообработки с помощью предиктора Смита наталкиваются на трудности реализации динамического звена чистого запаздывания с необходимой точностью. Предложения ряда авторов моделировать такие звенья приближениями Паде первого или второго порядков (Ф. И. Хасмамедов, В. И. Гостев и др.) наряду с упрощением реализации снижают точность аппроксимации, что приводит к снижению качества регулирования.
Поэтому для управления процессами термообработки материалов стали использовать нечеткие регуляторы. Системы управления технологическими процессами на основе HP нашли должное отражение в работах Л. А. Заде, Э. Мамдани, Цукамото, Ларсена, Сугено, С. Осовского, В. В. Круглова, А. В. Леоненкова, И. А. Мочалова, Н. П. Деменкова, Б. Г. Ильясова, В. И. Васильева, А. П. Веревкина, А. Г Лютова, Р. А. Мунасыпова, К. Ф. Тагировой, Н. Г. Ярушкиной, С. Д. Штовбы, А. А. Ускова и др. Однако, большая погрешность регулирования HP не позволяет с необходимой точностью компенсировать взаимное влияние контуров регулирования, что является одной из причин того, что использование HP в системах управления не привело к существенному снижению доли брака и энергозатрат при термообработке материалов.
В отличие от HP, в которых входные и выходные переменные интерпретируются совокупностью накладывающихся друг на друга нечетких термов с треугольной, трапецеидальной и т. д. формами функции принадлежности, в четких логических регуляторах (ЧЛР), в том числе и многомерных (МЧЛР), для этих целей используются термы с прямоугольной формой функции принадлежности без взаимного наложения на универсальной числовой оси. Поскольку эксперты предметной области при эксплуатации сложных установок термообработки регулируемые, регулирующие и задающие параметры мысленно заменяют совокупностью интервалов, внутри которых для них все реальные значения упомянутых параметров имеют одинаковый приоритет (в терминологии
нечеткой логики им соответствует функция принадлежности, равная единице), то МЧЛР ближе к человеческому мышлению и естественному языку. В силу этого они располагают большими возможностями для построения алгоритмов управления, адекватных реальному многосвязному технологическому процессу термообработки материалов. Поэтому целесообразность их использования в качестве регуляторов в системах управления указанными процессами, а также с учетом социальной и экономической значимости термообработки материалов для современного общества, становится очевидной.
Приведенные доводы, а также недостаточная изученность МЧЛР в составе систем управления многосвязными объектами позволяют считать, что разработка управляющих систем процессами термообработки материалов на основе МЧЛР является актуальной научной проблемой, решение которой позволит существенно повысить производительность, снизить расход энергоресурсов и повысить качество материалов, подвергаемых термообработке.
Цели и задачи. Повышение качества автоматизированного управления сложными промышленными технологическими установками термообработки на основе использования многомерных четких логических регуляторов и оценка эффективности разработанных управляющих систем.
Для достижения поставленной цели потребовалось сформулировать и решить следующие основные задачи:
1. Разработать концепцию управления процессами термообработки, отно
сящимися к классу многосвязных, инерционных, нестационарных и нелиней
ных объектов с распределенными параметрами, обеспечивающую повышение
точности логического управления технологическими параметрами (соответ
ствует п. 3 паспорта специальности).
-
Построить модели: логического вывода в системах продукционных правил (ПП) МЧЛР, используемых для управления процессами в установках термообработки материалов как многосвязными объектами автоматизации, точность которых инвариантна к сложности антецедентов ПП; оптимального температурного профиля, а также имитационную модель установок термообработки материалов (соответствует п. 6 паспорта специальности).
-
Разработать методы автоматизированного логического управления процессами термообработки материалов на основе МЧЛР и формирования комбинации управляющих воздействий, обеспечивающей минимальное отклонение текущих значений взаимосвязанных параметров от их номинальных (соответствует п. 3 паспорта специальности).
-
Разработать алгоритмы: модельно-предикторного управления (МПУ) многосвязными технологическими процессами термообработки материалов с учетом их распределенности; логического управления процессами термообработки с адаптацией длительности технологических стадий многосвязного про-
цесса превращения сырья в готовый продукт к его химическому составу и другим параметрам (соответствует п. 15 паспорта специальности).
-
Построить многовариантную общую структуру автоматизированной системы управления установками термообработки материалов, основанную на концепции представления их регулируемых, регулирующих и задающих параметров совокупностью четких термов (соответствует п. 5 паспорта специальности).
-
Проверить адекватность разработанных моделей, точность алгоритмов и методик, а также оценить их технико-экономическую эффективность (соответствует п. 15 паспорта специальности).
Научная новизна
1. Новизна концепции управления процессами термообработки, относя
щимися к классу многосвязных, инерционных, нестационарных и нелинейных
объектов с распределенными параметрами заключается в представлении регу
лируемых, регулирующих и задающих переменных совокупностью ненаклады-
вающихся на универсальной числовой оси четких термов, являющихся по своей
логической природе аргументами двузначной логики, количество и ширина ко
торых определяется точностью регулирования, производительностью микро
процессора многомерного четкого логического регулятора и диапазоном изме
нения регулируемых параметров, что позволяет:
свести логическое управление установками термообработки материалов к отработке системы продукционных правил, антецеденты которых представляют собой функции двузначной логики;
расширить управляющие функции регулятора путем использования в антецедентах продукционных правил не только термов входных и выходных переменных, но и дискретных входных и выходных переменных объекта управления;
построить стабильно функционирующий в широком диапазоне изменения параметров и с заданной точностью, определяемой шириной четких термов, компенсатор взаимного влияния регулируемых параметров многосвязного объекта.
2. Новизна предложенных моделей: логического вывода в системах про
дукционных правил МЧЛР для управления технологическими установками
термообработки материалов заключается в сведении антецедентов продукци
онных правил к функциям двузначной логики, что обеспечивает независи
мость точности регулирования от сложности структуры антецедентов продук
ций; оптимального температурного профиля заключается в аналитической ин
терпретации воздействия температуры и её динамики в режиме реального вре
мени на эксплуатационные и качественные характеристики материалов, под
вергаемых термообработке, что приводит к снижению доли брака в готовой
продукции и энергозатрат; имитационной модели процессов термообработки заключается в представлении математической модели, лежащей в её основе, последовательно соединенными элементарными звеньями, с моделью источника тепловой энергии в виде адиабатического диффузионного факела, что способствует повышению адекватности описания физических процессов.
-
Новизна методов: автоматизированного логического управления многосвязными процессами термообработки материалов на основе МЧЛР заключается в компенсации взаимовлияния контуров регулирования, функцией, интерпретированной совокупностью четких термов; формирования комбинации управляющих воздействий, заключается в совмещении экспериментов на объекте термообработки материалов и его имитационной модели, что позволило определить их сочетание, обеспечивающее минимальное отклонение параметров технологического процесса от номинальных значений.
-
Новизна предложенных алгоритмов: управления процессами термообработки материалов заключается во введении предиктора с интерпретацией управляющих воздействий совокупностью четких термов, что позволило за счет упрощения процедуры логического вывода и дефаззификации повысить точность регулирования технологических параметров установок термообработки материалов и на этой основе повысить качество готовой продукции и снизить энергозатраты; логического управления термообработкой материалов заключается в адаптации длительности технологических стадий процесса превращения сырья в готовый продукт к химическому составу и другим параметрам материалов через их теплоемкость, позволяющего снизить долю брака в составе готовой продукции и потери тепловой энергии.
-
Новизна многовариантной общей структуры автоматизированной системы управления установками термообработки материалов заключается в возможности реализации МЧЛР в зависимости от требований объекта управления в четырех вариантах: на основе anytime- или steptime-алгоритмов, ситуационных подпрограмм, а также модельно-предикторного управления с интерпретацией управляющей функции совокупностью четких термов.
Теоретическая и практическая значимость работы Теоретическая значимость работы заключается в следующем: 1. Предложена концепция логического управления многосвязными инерционными, нестационарными, нелинейными с распределенными параметрами объектами термообработки материалов, основанная на интерпретации регулируемых, регулирующих и задающих переменных совокупностью ненаклады-вающихся на универсальной числовой оси четких термов, являющихся по своей логической природе аргументами двузначной логики, что позволило управление установками термообработки материалов свести к отработке системы продукционных правил с антецедентами в виде функций двузначной логики. При-
чем количество и ширина термов определяется точностью регулирования, производительностью микропроцессора многомерного четкого логического регулятора и диапазоном изменения регулируемых параметров.
-
Разработаны модели: логического вывода, точность которых инвариантна к сложности структуры антецедентов продукционных правил МЧЛР; оптимального температурного профиля установок термообработки с аналитической интерпретацией воздействия температуры и её динамики в режиме реального времени на эксплуатационные и качественные характеристики материала, подвергаемого термообработке; имитационная модель установок термообработки на основе математической модели с последовательно соединенными элементарными звеньями с моделью источника тепловой энергии в виде адиабатического диффузионного факела, что способствует повышению адекватности описания физических процессов.
-
Разработаны методы: автоматизированного логического управления параметрами установок термообработки материалов с учетом взаимовлияния контуров регулирования, основанный на интерпретации компенсационной функции совокупностью четких термов; формирования комбинации управляющих воздействий, заключающийся в совмещении экспериментов на объекте термообработки материалов и его имитационной модели, что позволило определить их сочетание, обеспечивающее минимальное отклонение параметров технологического процесса от номинальных значений.
-
Построены алгоритмы: управления процессами термообработки материалов на основе предиктора с интерпретацией управляющих воздействий совокупностью четких термов; логического управления термообработкой материалов с адаптации длительности технологических стадий процесса превращения сырья в готовый продукт к химическому составу и другим параметрам материалов через их теплоемкость.
5. Общая многовариантная структура автоматизированной системы
управления установками термообработки материалов заключается в возможно
сти реализации МЧЛР в зависимости от требований объекта управления в че
тырех вариантах: на основе anytime- или steptime-алгоритмов, ситуационных
подпрограмм, а также модельно-предикторного управления с интерпретацией
управляющей функции совокупностью четких термов.
Практическая значимость работы определяется следующими положениями:
1. Система управления многосвязными технологическими установками термообработки материалов, реализованная на МЧЛР, позволила повысить точность регулирования температуры в автоклаве для тепловлажностной обработки шлакоблоков с (17 ^- 20) до (7 -^ 10)С и упростить процедуру построения компенсатора взаимного влияния регулируемых параметров.
2. Использование четких термов в составе модельно-предикторного
управления позволило расширить горизонт предсказания изменения направле
ния и величины регулируемых параметров, что позволило на (5 -^ 6) процентов
повысить экономическую эффективность процесса крекинга нефтепродуктов.
-
Применение разработанного МЧЛР на основе ситуационных подпрограмм для управления процессами тепловлажностной обработки шлакоблоков в автоклаве позволяет снизить долю брака на (7 -^ 8) процентов и уменьшить энергозатраты на (13 -^ 14) процентов.
-
Разработанные алгоритмы и программная реализация многомерных четких логических регуляторов внедрены в: процесс прокалки цеолитосодержащих катализаторов крекинга нефтепродуктов Ишимбайского завода катализаторов (акт о внедрении № 12 от 10 декабря 2012 года); SCADA-систему управления автоклавом для термообработки шлакоблоков фирмы «Спецстройматериалы» в г. Кумертау (акт о внедрении от 11 декабря 2012 года).
Кроме того, результаты диссертационной работы, внедрены в учебный процесс: филиала Уфимского государственного нефтяного технического университета (УГНТУ) в г. Стерлитамаке (дисциплины направления 220700 «Автоматизация технологических процессов и производств»); филиала Оренбургского государственного университета в г. Кумертау (дисциплины направления 270106 «Производство строительных материалов, изделий и конструкций»).
Методология и методы исследования. Основные положения диссертации основаны на методологии логического (нечеткого и четкого), а также модельно-предикторного управления. В ходе выполнения диссертационной работы использовалась теория интеллектуальных систем управления на основе многомерных нечетких логических регуляторов, автоматического регулирования, ситуационного управления, нейронных сетей с обратной связью, МЧЛР, методы математического и имитационного моделирования, а также теория и пакеты SCADA-систем.
Положения, выносимые на защиту
1. Концепция управления сложными многосвязными, инерционными, нестационарными и нелинейными процессами в технологических установках термообработки материалов на основе МЧЛР с компенсацией взаимного влияния контуров, состоящая из семи положений и основанная на интерпретации его регулируемых, регулирующих и задающих переменных совокупностью не-накладывающихся на универсальной числовой оси четких термов, являющихся по своей логической природе аргументами двузначной логики, что позволило свести логическое управление к отработке системы продукционных правил с антецедентами в виде функций двузначной логики, расширить область применения и повысить точность регулирования, вследствие чего улучшилось качество готовой продукции и снизились энергозатраты. При этом количество и
ширина термов определяется точностью регулирования, производительностью микропроцессора МЧЛР и диапазоном изменения регулируемых параметров.
2. Модели: логического вывода, обеспечивающие инвариантность точно
сти регулирования к сложности структуры антецедентов продукционных пра
вил МЧЛР, что приводит к повышению качества готовой продукции и сниже
нию энергозатрат; оптимального температурного профиля установок термооб
работки с аналитической интерпретацией воздействия температуры и её дина
мики в режиме реального времени на эксплуатационные и качественные харак
теристики материала, подвергаемого термообработке; имитационная модель
установок термообработки на основе математической модели с последователь
но соединенными элементарными звеньями с моделью источника тепловой
энергии в виде адиабатического диффузионного факела, что способствует по
вышению адекватности описания физических процессов.
3. Методы: автоматизированного логического управления сложными
многосвязными процессами термообработки материалов с компенсацией влия
ния контуров регулирования, основанный на интерпретации компенсирующей
функции совокупностью четких термов; формирования комбинации управ
ляющих воздействий, заключающийся в совмещении экспериментов на объекте
термообработки материалов и его имитационной модели, что позволило опре
делить их сочетание, обеспечивающее минимальное отклонение параметров
технологического процесса от номинальных значений.
4. Алгоритмы управления процессом термообработки материалов на ос
нове предиктора с интерпретацией управляющих функций совокупностью чет
ких термов и логического управления многосвязными объектами термообра
ботки материалов с косвенной адаптацией длительности технологических ста
дий процесса превращения сырья в готовый продукт к химическому составу и
другим параметрам материалов через их теплоемкость.
5. Общая многовариантная структура автоматизированной системы
управления установками термообработки материалов, позволяющая реализо
вать МЧЛР в зависимости от требований объекта управления в четырех вариан
тах: на основе anytime- или steptime-алгоритмов, ситуационных подпрограмм, а
также модельно-предикторного управления с интерпретацией управляющей
функции совокупностью четких термов.
6. Результаты внедрения и исследования эффективности моделей, мето
дов и алгоритмов, реализованных на МЧЛР, в системы управления промыш
ленными технологическими многосвязными установками термообработки ма
териалов.
Степень достоверности и апробация работы. Достоверность основных положений диссертационной работы подтверждается сравнением результатов экспериментов и тестирования разработанных моделей, алгоритмов и программ
с известными аналогичными решениями. Результаты диссертационной работы регулярно докладывались и обсуждались на конференциях, из которых наиболее значимыми являются: Всероссийская научно-техническая конференция «Большая нефть: реалии, проблемы, перспективы» (Россия, Татарстан, Альметьевск, 2002); Научно-практическая конференция «Нефтепереработка и нефтехимия» (Уфа, 2003, 2005 гг.); VIII - XIV Международные конференции «Компьютерные науки и информационные технологии» (2006-2012 гг.); VII, IX, X международные симпозиумы «Интеллектуальные системы» (2006, 2010, 2012 гг.); IV Международная научно-практическая конференция «Интегрированные модели и мягкие вычисления в искусственном интеллекте» (Коломна, 2007); Всероссийская научно-техническая конференция «Проблемы управления и автоматизации технологических процессов и производств» (Уфа, 2010); Всероссийская научно-практическая конференция «Автоматизация и управление технологическими и производственными процессами» (Уфа, 2011); I и II Международные конференции «Информационные технологии и системы» (Челябинск, 2012, 2013); V международная научно-техническая конференция «Инфо-коммуникационные технологии в науке, производстве и образовании» (Кисловодск, 2012); XVII Байкальская Всероссийская конференция «Информационные и математические технологии в науке и управлении» (Иркутск-Байкал, 2012).
Связь исследований с научными программами. Исследования в данном направлении выполнялись в период с 1998 по 2001 гг. на кафедре технической кибернетики и с 2010 по 2013 гг. на кафедре вычислительной техники и защиты информации Уфимского государственного авиационного технического университета в рамках следующих программ: Государственной научно-технической программы Правительства Республики Башкортостан по теме НИР «Исследование и разработка систем контроля, диагностики и управления сложными техническими объектами и их внедрение на предприятиях машиностроения и нефтедобычи Республики Башкортостан» в 2006-2007 гг.; Государственной научно-технической программы Правительства Республики Башкортостан по теме НИР «Инновационные информационные и телекоммуникационные технологии, системы контроля и управления сложными техническими объектами на предприятиях РБ» в 2011-2012 гг.; Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» по теме НИР «Разработка методологических и теоретических основ проектирования и исследования интеллектуальных самоорганизующихся систем контроля и управления сложными динамическими объектами различной физической природы в условиях неопределенности, риска и развития критических ситуаций» в 2009-2013 гг.; грант РФФИ на тему «Исследование и проектирование интеллектуальных систем управления сложными техническими и технологическими объектами на основе гибридных технологий» в 2011-2013 гг.
Публикации. Основные результаты диссертационной работы отражены в 153 работах, все по теме диссертации, в том числе в 17 статьях, опубликованных в рецензируемых научных журналах, входящих в перечень ВАК, 2 монографиях, 5 патентах на изобретение, 17 свидетельствах об официальной регистрации программ для ЭВМ и в 3 учебных пособиях, используемых в учебном процессе студентов УГАТУ.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 363 наименований, изложенных на 367 страницах машинописного текста, содержит 152 рисунка и 12 таблиц. Объем приложения составляет 20 страниц.
