Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ПАРАЛЛЕЛЬНО-ФУНКЦИОНИРУЮЩИМИ НЕСТАЦИОНАРНЫМИ ОБЪЕКТАМИ 12
1.1. Общие аспекты и системный анализ проблемы построения систем управления сложными технологическими объектами 12
1.2. Анализ методологических аспектов математического моделирования нестационарных технологических процессов 31
1.3. Основные проблемы решения задач распределения при управлении параллельно функционирующих нестационарных технологических объектов 49
1.4.Основные выводы и постановка задачи исследования 62
ГЛАВА 2. АНАЛИЗ ПРОЦЕССА ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОГО ВЫДЕЛЕНИЯ МЕТАЛЛОВ КАК ОБЪЕКТА УПРАВЛЕНИЯ .65
2.1. Анализ современного состояния технологии и управления процессом электроэкстракции металлов (на примере производства электролитического цинка) 65
2.2. Математическое описание процесса электролиза цинка 80
ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ ОПТИМАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ ГРУППОЙ ПАРАЛЛЕЛЬНО ФУНКЦИОНИРУЮЩИХ НЕСТАЦИОНАРНЫХ
ЭЛЕКТРОЛИЗНЫХ АГРЕГАТОВ 94
3.1. Анализ объекта и общая постановка задачи управления 94
3.2.Разработка алгоритмов оптимального управления 103
3,3.Выводы по главе 124
ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ ОПТИМАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ ГРУППОЙ ПАРАЛЛЕЛЬНО ФУНКЦИОНИРУЮЩИХ НЕСТАЦИОНАРНЫХ ЭЛЕКТРОЛИЗНЫХ АГРЕГАТОВ 126
4.1. Декомпозиция задачи управления и выбор оптимального варианта организации САР технологических параметров объекта 126
4.2. Особенности реализации АСР технологических параметров с использованием нестандартных средств контроля 132
4.3.Разработка алгоритма функционирования системы оптимального управления группой параллельно функционирующих нестационарных
электролизных агрегатов 135
4.4. Выводы по главе 142
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 143
ЛИТЕРАТУРА 146
- Общие аспекты и системный анализ проблемы построения систем управления сложными технологическими объектами
- Анализ современного состояния технологии и управления процессом электроэкстракции металлов (на примере производства электролитического цинка)
- Анализ объекта и общая постановка задачи управления
- Декомпозиция задачи управления и выбор оптимального варианта организации САР технологических параметров объекта
Введение к работе
В условиях наметившегося роста производства в нашей стране за последние годы перед металлургической отраслью стоит важная задача ускорения темпов производства цветных металлов на основе широкого внедрения достижений науки и техники, совершенствования технологии и модернизации оборудования, повышения производительности труда, улучшения качества продукции и снижения затрат сырья, материалов, топлива и электроэнергии.
Ярким представителем цветных металлов, производство которого определяет технический прогресс во многих отраслях промышленности, является цинк. Электроэкстракция цинка - важнейший узел технологической схемы гидрометаллургического производства цинка, в котором получается целевой продукт - электролитный цинк и регенерируется серная кислота -основной реагент процесса. Само производство электролитического цинка относится к классу наиболее энергоемких металлургических производств.
Интенсификация и совершенствование электроэкстракции цинка является сегодня одним из важнейших направлений исследовательских работ в металлургии.
В настоящее время к основным направлениям интенсификации процесса электроэкстракции цинка из сульфатных растворов принято относить, прежде всего, совершенствование существующей технологии и создание новых мощных электролизеров с электродами большой площади, механизацию сдирки катодного осадка, разработку эффективных систем контроля и управления, позволяющих вести процесс в условиях, близких к оптимальным.
Поиск оптимальный условий ведения процессов будет успешным в том случае, если в основе его лежит правильный выбор цели оптимизации и отражающего ее критерия, а также минимальное количество влияющих факто- ров и применение развитых математических методов и современных информационных технологий.
Таким образом, при оптимизации, как правило, возникает комплекс проблем, требующих участия широкого круга специалистов по технологии, энергетике, автоматике и вычислительной технике, математике. При этом развитие этих проблем в известной мере делятся на два основных направления: технологическое и электроэнергетическое. Независимое развитие каждого из этях направлений не обеспечивает оптимальных показателей электрометаллургических установок. Поэтому основной задачей оптимизации работы мощных электрометаллургических установок, к каковым относятся установки электроэкстракции цинка, становится рациональное сочетание различных условий, направленных на повышение производительности промышленных установок с одновременным повышением качества продукции и получение высоких экономических показателей.
Организация автономного управления установкой электроэкстракциии цинка - задача с жестко ограниченными возможностями. Причина этого лежит в тесных прямых и обратных связях с предшествующим ему процессом выщелачивания. Цех электролиза получает нейтральный электролит строго определенного состава по содержанию цинка и примесей в объеме, определяющем производительность цеха по катодному цинку, и возвращает отработанный электролит на выщелачивание огарка с содержанием свободной серной кислоты эквивалентной массе цинка, выделившегося на катоде.
При условии выполнения плана по качеству и количеству электролитного цинка величина удельного расхода энергии постоянного тока (общепринятого важнейшего технико-экономического показателя электроэкстракции цинка) становится одним из важнейших показателей при организации оптимального управления.
В соответствии с общей теорией построения оптимальных систем управления, для оценки эффективности процесса необходимо выбрать из числа выходных параметров системы те, которые позволяют наиболее полно охарактеризовать эту эффективность, т.е. могут быть выбраны в качестве критериев. Обычно существует несколько конкурирующих критериев, ук-рупиенно делимые на два типа: технологические и экономические. Выбор тех или иных критериев связан со многими факторами и является, как правило, предметом глубоких системных исследований при создании систем управления технологическими процессами.
Основной особенностью организации процесса электроэкстракции цинка во многих случаях является его организация в группе параллельно функционирующих агрегатов, характеризующихся неоднородностью и нестационарностью протекаемых в них процессов. Эффективное управление такими объектами связывается с выбором и реализацией в процессе автоматизированного управления оптимальных стратегий управления (распределения управляющих параметров во времени) в условиях накладываемых на процесс возмущений и ограничений. Реализация таких систем управления связывается с выбором концепции их построения, использованием математических моделей, современных средств измерительной и вычислительной техники, а также современных информационных технологий.
Поэтому, становится чрезвычайно важным осмысление и обобщение существующих разработок в области математического моделирования и управления процессами электрометаллургических установок, а также выбор новых концепций и методов построения высокоэффективных систем управления группой нестационарных параллельно функционирующих электролизных агрегатов. Системный анализ особенностей организации и функционирования рассматриваемых технологических процессов с целью создания современных автоматизированных систем управления ими становится актуальной задачей сегодняшнего дня, от успешного решения которой зависит повышение эффективности отрасли в целом.
Целью диссертационной работы является исследование и разработка методологии и легко реализуемых в рамках АСУ ТП алгоритмов оптимального управления промышленным технологическим процессом электроэкстракции цинка.
Поставленная цель потребовала решения следующих задач:
Системный анализ основных проблем создания систем управления параллельно функционирующими нестационарными ТО, включая методологические аспекты математического моделирования ТП, и решения задач распределения при управлении параллельно функционирующих нестационарных ТО, характеризующихся эффектом последствия.
Корректная постановка и формализация задачи оптимального распределения нагрузки по электроэнергии между параллельно работающими нестационарными агрегатами электролиза при ограничениях на ее потребление.
Разработка методологии и эффективных легко реализуемых алгоритмов оптимального управления группой параллельно функционирующих нестационарных электролизных агрегатов.
Выбор метода декомпозиции задачи управления и формирования оптимального варианта организации САР технологических параметров нижнего уровня двухуровневой СУ электролизными агрегатами.
Выбор концепции и разработка структуры и алгоритма функционирования системы оптимального управления группой параллельно функционирующих нестационарных электролизных агрегатов.
Методы исследования. Проводимые исследования базировались на положениях технической кибернетики, системного анализа, методах математического моделирования сложных ТО, совокупности методов иприемов анализа и обработки информации, компьютерного моделирования функционирования сложных объектов и СУ, методах оптимизации и математической статистики.
Научная новизна работы:
Предложен новый подход к управлению группой параллельно функционирующих нестационарных технологических объектов, характеризующихся эффектом последствия, поставлена и формализована задача оптимального динамического распределения электроэнергии между параллельно работающими электролизными агрегатами при ограничениях на ее потребление.
Разработаны эффективные аналитические методы синтеза оптимальных стратегий управления (распределения параметров управления во времени) для объектов с «последствием», основанные на приближенных субоптимальных алгоритмах управления квазиразомкнутого типа. Обоснована возможность сведения процедуры идентификации сосредоточенной оценки активности системы с использованием принципиально нового метода оперативного контроля за наращиванием массы электродов на эталонных электролизных ваннах (защищен патентом на изобретение № 2241788, зарегистрирован 10.02.04).
Разработан двухуровневой алгоритм оптимального детерминированного управления параллельно функционирующими нестационарными электролизными агрегатами, основанный на принципе динамического программирования, дополненном процедурами, сужающими область допустимых состояний.
Предложен эффективный подход к декомпозиции задачи управления и выбору организации САР технологических параметров исследуемого объекта, удовлетворяющей требованиям структурной управляемости и наблюдаемости.
5. Разработана структура и алгоритм функционирования автоматизированной двухуровневой система оптимального управления группой параллельно функционирующих нестационарных электролизных агрегатов.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается результатами экспериментальных исследований, результатами вычислительных экспериментов, соответствием результатов теоретических и экспериментальных исследований.
Практическая значимость работы:
Предложены концепция и принципы построения двухуровневого алгоритма оптимального детерминированного управления параллелы-ю функционирующими нестационарными электролизными агрегатами, основанного на принципе динамического программирования, дополненном процедурами, сужающими область допустимых состояний.
Предложена эффективная и легко реализуемая в условиях промышленного объекта методология статистического исследования нестационарного объекта с целью выбора участка квазистационарности для реализации алгоритмов оптимального детерминированного управления.
Разработаны эффективные и легко реализуемые машинные методы формирования оптимальных стратегий управления (распределения параметров управления во времени) для объектов с «последствием», корректируемые в процессе функционирования СУ, и ориентированные на их реализацию в АСУ ТП.
Выбран эффективный и легко реализуемый подход к декомпозиции задачи управления и выбору организации САР технологических параметров нижнего уровня двухуровневой СУ, удовлетворяющего всем необходимым требованиям структурной управляемости и наблюдаемости.
5.Предложен принципиально новый метод автоматического контроля показателя наращивания массы электрода в процессе функционирова- ния электролитической ванны с использованием специально разработанных технических средств (защищен Патентом РФ на изобретение № 2241788). Показана возможность эффективного использования этого показателя при оптимальном управлении технологическим процессом электро-экстрации цинка.
На защиту выносятся:
Результаты системных исследований различных подходов к управлению группой параллельно функционирующих нестационарных технологических объектов и постановки задачи оптимального динамического распределения электроэнергии между параллельно работающими нестационарными электролизными агрегатами, характеризующихся эффектом последствия.
Разработанные аналитические методы синтеза оптимальных стратегий распределения параметров управления во времени для объектов с «последствием», ориентированные на их реализацию в рамках АСУ ТП, основанные на приближенных субоптимальных алгоритмах управления квазиразомкнутого типа.
Двухуровневый алгоритм оптимального детерминированного управления параллельно функционирующими нестационарными электролизными агрегатами, основанный на принципе динамического программирования, дополненном процедурами, сужающими область допустимых состояний.
Результаты разработки оптимального варианта организации САР технологических параметров нижнего уровня двухуровневой СУ исследуемым объектом, удовлетворяющего необходимым требованиям структурной управляемости и наблюдаемости.
5. Структура и алгоритм функционирования автоматизированной двухуровневой система оптимального управления группой параллельно функционирующих нестационарных электролизных агрегатов.
Апробация работы. Основные результаты проведенных в диссертации исследований были представлены и обсуждены на: Международной конференции «Информационные технологии и системы: наука и практика». - Владикавказ, 2002; Международной конференции «Информационные технологии и системы: новые информационные технологии в науке, образовании, экономике» - Владикавказ, 2003; Международной конференции «Современные сложные системы управления (HTCS'2003)» - Воронеж, 2003; на ряде научно-технических конференций профессорско-преподавательского состава, научных работников и аспирантов СКГМИ (ГТУ) в 2003-2005 годах.
Личный вклад автора. Основные научные положения, теоретические выводы и практические результаты были получены совместно с соавторами при долевом участии соискателя 75 %
Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 9 печатных работах.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Работа содержи 169 страниц машинописного текста, 22 рисунка, 2 таблицы и список литературы из 278 наименований.
Общие аспекты и системный анализ проблемы построения систем управления сложными технологическими объектами
Технологические системы (ТС) как объекты управления (подверженные различным внешним и внутренним воздействиям) требуют большого количества информации о состоянии технологического режима и необходимого количества управляющих воздействий, достаточного для перехода ТС с одного режима на другой и стабилизации последнего.
Система управления ТС должна обеспечивать сбор, переработку и представление информации о состоянии ТС, автоматическую стабилизацию заданного технологического режима, его оптимизацию, а также пуск и останов ТС. Создание систем управления сложными технологическими процессами имеет целью определение совокупности организационных и технических мероприятий, обеспечивающих передачу ряда функций по управлению процессами автоматическим устройствам (контроля, регулирования, сигнализации, защиты и др.) для обеспечения оптимального ведения процессов.
При решении современных задач автоматизации технологических объектов (ТО) возникает сложный комплекс взаимосвязанных проблем. В современных многоуровневых СУ осуществляется автоматизация сложных функций, связанных с принятием решений, исходя из цели управления в целом и критериев эффективности каждого уровня СУ, и выработкой воздействий на управляемую систему низшего иерархического уровня. Многоуровневая структура современных СУ ТС диктует необходимость максимальной формализации решений задач автоматизации на всех иерархических уровнях. Эффективность построения таких систем во многом зависит от локальных систем автоматического управления нижнего уровня, осуществляющих функции измерения, регулирования и контроля технологических параметров, характеризующих протекание технологического процесса. Поэтому проблема комплектации создаваемых СУ эффективными средствами автоматизации на нижнем уровне управления является одной из важнейших. В последнее время значительное внимание уделяется созданию универсальных унифицированных систем управления переменной структуры (CYUC) для автоматизации широкого круга технологических процессов в различных отраслях промышленности [I ].
Разработка СУ сложными ТС сегодня относится к задачам, эффективное решение которых может основываться только на объединении теоретических представлениях о конкретной технологии, теории автоматического регулирования и управления, теории информации, теории оптимальности и теории систем [2-8]. Известно большое число определений «системы», обладающих разной степенью несовершенства [9-14], однако этот термин обычно связывается с такими понятиями как элемент, структура, связь.
Задачей инженерного проектирования СУ является, в общем, разработка систем (элементов, процессов), обеспечивающих оптимальное выполнение поставленной задачи при некоторых ограничениях, накладываемых на решение [15]. Первая группа ограничений относится к методу создания, вторая - к результату, т.е. создаваемой системе.
Анализ современного состояния технологии и управления процессом электроэкстракции металлов (на примере производства электролитического цинка)
Сущность гидрометаллургического метода (наиболее распространенный метод получения цинка) заключается в обработке обожженного цинкового концентрата раствором серой кислоты с переводом сернокислого цинка в раствор с последующим электролитическим выделением из него металла [198].
Технологическая схема электролизного узла (на примере электролитного цеха ОАО «Электроцинк») приведена на рисунке 2.1. Осаждение катодного цинка производят из нейтральных очищенных растворов сульфата цинка, поступающих из выщелачивательного цеха. В качестве растворителя при выщелачивании обожженного цинкового концентрата используется отработанный электролит и кислые оборотные растворы. Однако, вместе с цинком в раствор из концентрата частично переходят железо, медь, кадмий, мышьяк, сурьма, кремнезем и другие примеси. Поэтому такие цинковые сульфатные растворы предварительно очищают от примесей и только тогда направляют в процесс осаждения на алюминиевых катодах в присутствии нерастворимых свинцовых осадков. Из сборных чанов цеха выщелачивания нейтральный раствор направляется в напорные баки (V], V2) электролитного цеха, а оттуда по распределительному желобу (4) и системе растворопроводов ( потоки 5і-5з) подается в ванн
Анализ объекта и общая постановка задачи управления
В целом процесс электроэкстракции цинка из сульфатных растворов как объект управления представляется сложной системой, состоящей из совокупности взаимодействующих элементов и частей.
Одним из центральных моментов, как отмечалось выше, при создании систем управления таким объектом на этапах научных исследований и реализации технических проектов сегодня становится развитие системного подхода (системной методологии), заключающегося в изучении системы и ее поведения в целом, как единого объекта, выполняющего определенную функцию в конкретных условиях.
При системном исследовании должны учитываться взаимодействие и взаимное влияние отдельных частей (подсистем) системы, существенные с точки зрения достижения системной заданной цели, воздействие окружающей среды и других систем, с которыми изучаемая система находится во взаимодействии или контакте.
Процесс электроэкстракции цинка из сульфатных растворов с позиций кибернетического анализа как объект управления можно изобразить в виде черного ящика, на входе и выходе которого будут информация и ресурсы (рисунок 3.1). Поскольку понятие «система» имеет очень широкий диапазон применения, любой объект может быть рассмотрен как система. Возмущающие воздействия
Параметрический анализ информационных потоков, участвующих при решении задач управления процессом электроэкстракции цинка из сульфатных растворов показал, что все они могут быть разбиты на следующие основные группы:
Декомпозиция задачи управления и выбор оптимального варианта организации САР технологических параметров объекта
Длительность интервалов постоянства ограничений, накладываемых на общую нагрузку отделения по электроэнергии и интервалов квазистационарности серий электролизеров, намного превышает длительность переходных процессов в объекте управления. Это дает возможность решить задачу управления отделением электролиза (3-3)-(3.6) (So), используя концепцию иерархического построения систем.
Вертикальная декомпозиция по временному фактору приводит к двухуровневой СУ. При этом на верхний уровень возлагается решение задач определения оптимального управления в предположении квазистационарности объекта (SB), на нижний - перевод объекта в заданное верхним уровнем состояние (SH).
Возмущениями, действия которых должны вызывать реакцию верхнего уровня СУ, является изменение нагрузки по электроэнергии э.(г), z 1,2,...,7V и изменение активности электролизных агрегатов 6 .(г), І -1,2,,..,N. Действия остальных внешних возмущений (вектор CJJ(T)) В постановке (3.3) - (3.6) должны быть скомпенсированы системами автоматического регулирования (САР) нижнего уровня.
Цели управления каждой технологической линией (S ) в течении интервала квазистационарности выражаются переменными, входящими в критерий (3.3) и ограничения (3.4) - (3.6). Можно сказать, что задача управления на интервале квазистационарности, которая должна решаться на нижнем уровне СУ, включает в себя подзадачи стабилизации и регулирования технологических параметров, от состояния которых зависит соблюдение стабильности и эффективности управления объектом в целом за счет решения задачи распределения (верхний уровень).
