Содержание к диссертации
ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И АББРЕВИАТУРЫ 4
ВВЕДЕНИЕ 6
1 СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОКАМЕРНЫМИ ПЕЧАМИ 14
1.1 Камерные печи 14
1.2 Оптимальное управление печами 20 КЗ Аппаратно - программные средства систем управления 27 1.4 Постановка задачи исследования 37
2 АНАЛИЗ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕГО УПРАВЛЕНИЯ 39
2Л Постановки задач управления 39
2.2 Задачи идентификации 50
2.3 Анализ задач оптимального управления 56
2.3.1 Полный анализ оптимального управления 57
2.3.2 Прямые и обратные задачи оптимального управления 59
2.3.3 Программная стратегия. Виды функций оптимального управления 61
2.3.4 Позиционная стратегия устойчивость систем оптимального управления
2.3.5 Модифицированный алгоритм энергосберегающего егулирования
Выводы по разделу 84
3 СИНТЕЗ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕГО УПРАВЛЕНИЯ 85
3.1 Задачи синтеза оптимального управления 85
3.2 Алгоритмическое обеспечение и структуры систем энергосберегающего управления
3.3 Проектирование систем энергосберегающего управления 100
Выводы по разделу 102
4 РЕАЛИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ ОПТИМАЛЬНОГО ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕГО УПРАВЛЕНИЯ
4.1 Разработка системы энергосберегающего управления
4Л-1 Идентификация моделей электрокамерных печей
4Л ,2 Анализ нечеткого регулирования
4.2 Аппаратно - программные средства
4.3 Энергосберегающее управление электрокамерной печью
4.4 Энергосберегающее управление группой электрокамерных ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ
ЛИТЕРАТУРА
ПРИЛОЖЕНИЯ
Приложение 1. Текст программы для микроконтроллера
Приложение 2, Технические средства
Приложение 3- Сетевое оборудование
Приложение 4, Акты внедрения
Введение к работе
Для промышленных предприятий, использующих энергоемкие тепловые аппараты, затраты на электроэнергию относятся к числу основных и становятся сопоставимыми с затратами на сырье. Основными энергоемкими объектами на многих промышленных предприятиях являются электрокамерные печи, используемые для термообработки различных материалов. Особенностями этих печей как объектов оптимального управления являются: большая энергоемкость, циклический характер режима работы, меняющегося в зависимости от плановых заданий, разная продолжительность включенного состояния, частые замены объема и вида обрабатываемого материала, изменения заданного значения температуры в зависимости от вида загружаемого материала, наличие возмущений, вызываемых открыванием дверцы печи. Основные затраты энергии электрокамерных печей связаны с начальным разогревом печи и догревом до требуемой температуры после открывания дверцы. Для энергосберегающего . управления динамическими режимами печей требуется значительный объем входной информации, которая не остается постоянной на временном интервале управления, а претерпевает существенные изменения как в планируемые, так и в случайные моменты времени.
Применяемые на практике системы управления электрокамерными печами не учитывают рассмотренных особенностей- Требуется создание систем, которые способны постоянно отслеживать вид и параметры модели динамики объекта, выбирать оптимальные режимы в любых встречающихся на практике состояниях функционирования. Такие системы способны обеспечить более высокие показатели качества переходных процессов по сравнению с обычными- Поэтому создание систем энергосберегающего управления электрокамерными печами, которые учитывают изменения состояний функционирования в процессе эксплуатации и обеспечивают требуемый уровень качества продукции, является своевременной и актуальной задачей.
Теоретические исследования показывают, что при оптимальном управлении нагревом уменьшение затрат энергии в динамических режимах может достигать от 10 % до 30 % по сравнению с традиционным. Кроме того, для энергосберегающего управления характерно более плавное протекание тепловых процессов, это ведет к повышению долговечности и безопасности эксплуатации оборудования.
Актуальность темы исследования. Одним из главных сдерживающих факторов широкого внедрения оптимального энергосберегающего управления электрокамерными печами является отсутствие алгоритмов синтеза в реальном масштабе времени управляющих энергосберегающих воздействий, которые учитывают частую смену исходных данных и могут быть реализованы простыми бортовыми микропроцессорными устройствами. Данная работа посвящена разработке методов, моделей и алгоритмов для решения задач анализа и синтеза оптимального управления электрокамерными печами и созданию системы энергосберегающего управления, обеспечивающей управление динамическими режимами печей с минимумом затрат энергии. Поэтому энергосберегающее управление электрокамерными печами является своевременной и актуальной задачей.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи.
L Сформулировать и решить задачи анализа и синтеза энергосберегающего управления динамическими режимами электрокамерных печей с учетом возможных изменений производственных ситуаций.
2. Разработать модели динамики для электрокамерных печей, удовлетворяющие требованиям точности и пригодные для оперативного решения задач энергосберегающего управления при изменениях заданий,
объема и вида загружаемого материала и других производственных ситуаций.
3. Сформулировать и решить задачи анализа и синтеза энергосберегающего управления динамическими режимами электрокамерных печей для различных ситуаций.
4. Разработать обобщенный алгоритм энергосберегающего управления печами, который сочетает методы синтезирующих переменных и нечеткой логики и обеспечивает решение задач синтеза энергосберегающих управляющих воздействий в реальном времени.
5. Разработать систему энергосберегающего управления электрокамерными печами, позволяющую экономить электроэнергию в динамических режимах.
6. Наполнить базу знаний результатами полного анализа оптимального управления динамическими режимами электрокамерных печей, внести результаты энергосберегающего управления камерными печами в базу данных.
7. Сформулировать задачи и разработать алгоритмическое обеспечение системы оптимального энергосберегающего управления группой электрокамерных печей с использованием промышленной сети Ethernet,
Методы исследования, используемые в работе: математическое моделирование» анализ и синтез оптимального управления на множестве состояний функционирования, системный анализ.
Научная новизна работы. Сформулирован и решен комплекс задач оптимального управления, который учитывает возможные режимы работы и изменения состояний функционирования электрокамерных печей, в т.ч. разогрев печи, стабилизацию температуры, устранение отклонений от заданной величины. Разработаны модели динамики электрокамерной печи, учитывающие изменения заданий, объем и вид загружаемого материала, продолжительность состояния печи с открытой дверцей. Модели удовлетворяют требованиям точности и позволяют решать задачи энергосберегающего управления в реальном времени. Исследованы задачи управления динамическими режимами электрокамерной печи и группой электрокамерных печей для различных ситуаций с использованием аппарата нечетких множеств. Предложен алгоритм синтеза в реальном времени энергосберегающих управляющих воздействий с учетом состояния функционирования печи, допустимых энергозатрат и ограничений на качество продукции.
Практическая значимость. Разработаны программные модули для оперативного проектирования алгоритмического обеспечения системы энергосберегающего управления электрокамерными печами.
Разработана система энергосберегающего управления в реальном времени группой электрокамерных печей. В системе реализуется алгоритм управления, сочетающий методы синтезирующих переменных и нечеткой логики. Применение данной системы с разработанными алгоритмами управления обеспечивает снижение затрат энергии в динамических режимах работы печи в среднем на 10-11%.
Реализация работы. Результаты внедрены на ФГУП Тамбовский завод "Октябрь", ОАО "Тамбовполимермаш", ОАО АРТИ Завод, Тамбовский завод "Электроприбор" и ОАО "Тамбовгальванотехника". Материалы исследований используются при подготовке инженеров по специальности 210201 «Проектирование и технология радиоэлектронных средств» и магистров направления 210205 «Информационные технологии проектирования электронных средств».
Апробация работы. Основные результаты работы представлялись и обсуждались на следующих конференциях: II Всероссийская (VII Тамбовская межвузовская) научно-практическая конференция ТГУ (сентябрь, 2003 г,), VIII научная конференция ТГТУ (декабрь, 2003 г.) IX научная конференция ТГТУ (апрель, 2004 г,), Всероссийская научно-техническая конференция г. Самара (июнь 2004 г.).
Публикации, По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка цитированной литературы, содержащего 122 источника, и приложений. Содержание диссертации изложено на 146 страницах машинописного текста, включая 50 рисунков и 4 таблицы.
В первой главе "Системы управления электрокамерными печами" рассмотрены основные характеристики электротермического оборудования, классификация современных методов нагрева. Дается краткое описание электрокамерных печей, приводятся особенности их функционирования, анализируются факторы неопределенности, влияющие на вид и параметры оптимального управления. Рассмотрены структурные схемы систем оптимального управления с программной и позиционной стратегиями. Дан краткий обзор систем энергосберегающего управления, приведены сведения об отечественных и зарубежных программно - аппаратных средствах, применяемых в системах промышленной автоматизации, в том числе SCADA-системах и CASE-средствах. Приведены постановки задач оптимального управления, учитывающие возможные состояния функционирования, рассмотрены алгоритмы, используемые для оперативного синтеза энергосберегающего управления с учетом факторов неопределенности.
Показаны отсутствие алгоритмического обеспечения для энергосберегающих систем управления динамическими режимами в широком диапазоне исходных данных и актуальность энергосберегающего управления камерными печами.
Сформулированы цель и задачи диссертационной работы.
Во второй главе "Анализ энергосберегающего управления" исследуются задачи оптимального управления (ЗОУ) динамическими режимами камерных печей с учетом изменяющихся условий, рассматриваются модели процессов динамики, анализируются компоненты исходных данных ЗОУ, относящиеся к категориям детерминированных и нечетких,
К прямым относятся задачи: проверка существования решения ЗОУ; определение вида функции оптимального управления (ОУ) или синтезирующей функции; расчет траектории изменения оптимального управления; расчет оптимальной траектории вектора фазовых координат; оценка значения минимизируемого функционала и экономии энергозатрат по сравнению с традиционным управлением; исследование влияния изменения значений компонентов массива исходных данных ЗОУ на энергозатраты.
Применительно к тепловым аппаратам решаются следующие обратные задачи: определение исходных данных, при которых решение ЗОУ существует; обеспечение требуемого запаса практической устойчивости замкнутой системы управления с позиционной стратегией; определение значения массива исходных данных, при котором минимизируемый функционал будет не выше требуемого.
Для выполнения полного анализа ОУ на множестве состояний функционирования используются принцип максимума и метод синтезирующих переменных.
Для систем управления с позиционной стратегией рассмотрены задачи обеспечения устойчивости,
В третей главе "Синтез энергосберегающего управления " на основе полученных в главе 2 результатов полного анализа ЗОУ на множестве состояния функционирования рассматриваются задачи синтеза энергосберегающего управления.
Наибольший интерес для практики представляют задачи синтеза управляющих воздействий в реальном времени с использованием программной и позиционной стратегий.
При программной стратегии задача синтеза ОУ в реальном времени решается непосредственно микропроцессорным управляющим устройством.
Разработка алгоритмического обеспечения для системы энергосберегающего управления решается в автоматизированном режиме проектировщиком.
При рассмотрении всего комплекса задач управления электрокамерными печами выделяются следующие основные режимы работы:
- энергосберегающий разогрев печи до заданной температуры к требуемому моменту времени;
- стабилизация температуры в печи;
- устранение существенных отклонений регулируемой величины от требуемой с минимумом затрат энергии;
режим перехода от разогрева к стабилизации, позволяющий исключить значительное скачкообразное изменение управляющего воздействия.
В четвертой главе "Реализация систем оптимального энергосберегающего управления" рассматриваются практические аспекты энергосберегающего управления электрокамерными печами.
При идентификации моделей динамики использованы экспериментальные данные, содержащие термограммы при различных вариантах загрузки (догрузки) и длительности открытой дверцы печи. Результаты исследований внесены в базу данных, которая позволяет решать задачи анализа и синтеза энергосберегающего управления.
Управление тепловыми режимами группой электрокамерных печей осуществляется системой энергосберегающего управления» в которую входят: блок синтеза цели, виртуальный датчик, экспертная система с базой знаний, база данных, блоки задач, алгоритмов, принятия решений, выработки управлений, исполнения управления и прогноза результатов управления.
В системе используется обобщенный алгоритм, в котором сочетаются методы синтезирующих переменных и нечеткой логики.
Для централизованного управления тепловыми режимами в печах предусмотрена возможность объединения программно - аппаратной У платформы в промышленную сеть Ethernet, а также выход в глобальную сеть Internet. Это позволяет передавать данные о работе группы печей или участка термообработки на единую базу данных с возможностью не только постоянного визуального контроля и накопления данных, но и изменения или корректировки процесса термообработки в режиме удаленного доступа.
В приложения вынесены описания технических средств, тексты программ для микроконтроллера управляющего устройства и акты внедрения.
