Введение к работе
Актуальность темы. Создание на научной основе систем управления технологическими процессами, протекающими в системах машинных агрегатов (СМА), объединенных в организационно-технологические комплексы, их последовательная декомпозиция по иерархическим уровням и интеграция в единую систему сбора и обработки данных и оперативного управления повышают эффективность технологического процесса и качество выпускаемой продукции. Характерной особенностью технологических процессов, происходящих в СМА, являются высокая производительность и, как следствие, большие объемы перерабатываемой продукции. Отсюда вытекает актуальность задачи повышения эффективности управления непрерывными процессами в СМА, успешное решение которой позволяет повысить качество выпускаемой продукции и уменьшить расход сырьевых ресурсов.
Сложность решения этой задачи обусловлена неточностью отображения бесконечномерного пространства состояний управляемого процесса на конечномерное пространство состояний управляющего процесса, определяемого конечным набором измерительных и исполнительных устройств. Следствием этого являются приближенность математических моделей, по которым синтезируется управление; наличие в объекте управления временного запаздывания, обусловленного конечным временем распространения возмущений в среде, где протекает управляемый процесс; возникновение в объекте управления режимов, возбуждаемых нестационарными внешними возмущениями, возникающими из-за неоднородности параметров среды.
Научная проработка темы диссертационной работы велась в рамках комплексных целевых научно-технических программ межотраслевого (МНТК «Текстиль», «Текстиль России») и отраслевого (Мин-текстильмаш, Минсредмаш) значения. Прикладные задачи, решаемые в диссертационной работе, выполнялись в рамках хоздоговорных работ в соответствии с планами НИР и ОКР. «НИЭКИПМАЩ» (г. Пенза), ООО «КУЗТЕКСТИЛЬМАШ» (г. Кузнецк), «KRENHOLM KETRUSE AS» (г. Нарва).
Целью работы являются повышение качества управления непрерывными процессами в системах машинных агрегатов на основе системного подхода с использованием иерархического подчиненно-координирующего управления, оптимизации режимов работы машинных агрегатов, реализации принципа регулирования по отношению, а также разработка методов и средств автоматизации, дающих большой экономический эффект и имеющих важное народнохозяйственное значение.
Задачи исследовании.
1 Выявить основные причины, снижающие эффективность управ
ления непрерывными технологическими процессами в СМА, и опре
делить пути ее повышения.
2 Разработать научно обоснованный подход к построению иерар
хических систем управления, используемых в системах автоматиза
ции распределенных организационно-технологических комплексов
на основе теории иерархических систем, экспериментальных ис
следований, теоретического анализа и математического моделирова
ния процессов, протекающих в СМА.
-
Построить математические модели машинных агрегатов, их систем и происходящих в них процессов, позволяющие рассматривать систему машинных агрегатов как объект упраапения, установить причины, вызывающие возникновение неблагоприятных режимов работы объекта, и наметить пути, устраняющие возникновение таких режимов.
-
Осуществить верификацию разработанных математических моделей с использованием современных методов оценивания и идентификации, включающих в себя рекуррентные методы, настраиваемые модели и динамические нейронные сети.
-
Определить целевые функции для локальных задач управления и провести оптимизацию режимов работы машинных агрегатов с использованием методов нелинейного и динамического программирования, вариационных методов и принципа максимума.
-
Провести синтез и анализ систем управления для СМА на основе подчиненно-координирующего управления в рамках системного подхода с декомпозицией задач управления в соответствии с принятой иерархией.
7 Внедрить результаты теоретических и экспериментальных исследований в производство.
Методы исследования. Поставленные задачи решались на основе методов современной теории управления, статистических методов оценивания и идентификации, методов параметрической оптимизации, динамического и нелинейного программирования, вариационных методов, численных и экспериментальных методов и средств вычислительной техники.
Достоверность полученных результатов и выводов подтверждена путем математических доказательств, цифрового моделирования, экспериментальных исследований и практической реализацией разработанных систем управления.
Научная новизна работы состоит в создании научных основ и методов построения автоматизированных систем управления непрерывными технологическими процессами, протекающими в машинных агрегатах, разработке алгоритмов контроля и управления такими системами, ориентированных на современные технические средства, заключается в создании комплекса математических, методологических и алгоритмических решений и определяется следующими положениями:
-
Получена многоуровневая иерархическая структура СМА, учитывающая территориально-агрегатный принцип ее построения и отвечающая условиям подчиненно-координирующего управления.
-
Разработаны и исследованы математические модели в конечномерном пространстве состояний для рассматриваемого класса объектов, базирующиеся на общей теории систем.
-
На основе анализа параметров временных рядов, генерируемых СМА в процессе ее нормальної! эксплуатации, доказано существование в СМА режимов возбуждаемых нестационарными внешними возмущениями и плохо управляемых по входу. Установлено, что при возникновении таких режимов вследствие ухудшения условия устойчивости, управляемости, наблюдаемости и адаптируемости СМА снижается эффективность работы систем управления.
-
В соответствии с принятой иерархией построения СМА выбраны целевые функции для отдельных подсистем. Проведена оптимизация режимов работы машинных агрегатов с использованием мето-
дов нелинейного и динамического программирования, вариационного исчисления и принципа максимума.
-
Предложен принцип регулирования по отношению регулируемой величины к заданию в системах стабилизации массоэнергети-ческих параметров рабочих процессов, протекающих в системе машинных агрегатов, в значительной степени компенсирующий неблагоприятное воздействие нестационарных внешних возмущений.
-
Разработаны метод и алгоритм оптимально-адаптивного управления для неустойчивых и плохо управляемых объектов с запаздыванием с использованием прогнозирующе-настраиваемой модели, выполняющей в контуре оптимального управления функции компен-' сатора запаздывания, а в контуре адаптивного управления - функции настраиваемой модели.
Практическая значимость работы заключается в разработке современных научно обоснованных методов и средств управления непрерывными технологическими процессами, протекающими в системах машинных агрегатов, в частности автоматизированными поточными линиями по переработке хлопка.
-
Введенная иерархия СМА позволила на основе подчиненно-координирующего управления провести рациональную декомпозицию глобальной задачи управления на ряд подзадач, упростить программно-аппаратное обеспечение, формализовать анализ и синтез систем, сократить затраты на проектирование и повысить надежность их работы.
-
Математическое моделирование процессов, протекающих в СМА, и последующая идентификация параметров математических моделей дали возможность определить критерий эффективности работы машинных агрегатов, обоснованно подойти к решению задач оптимального управления, выявить основные факторы, влияющие на стабильность протекания технологических процессов.
-
Проведенная оптимизация режимов работы машинных агрегатов уменьшила энергозатраты на поддержание рабочих процессов, снизила информационную поддержку процессов управления и повысила их устойчивость.
-
На основе синтеза систем управления машинными агрегатами предложен принцип регулирования по отношению, стабилизирующий протекание технологических процессов в условиях нестацио-
нарных внешних возмущений, а также разработан оптимально-адаптивный регулятор, обеспечивающий высокое качество процессов управления и, как следствие, значительно уменьшающий коротковолновую и длинноволновую неровноту конечного продукта (холст, лента). Реализация результатов работы.
-
Разработаны и внедрены в «НИЭКИПМАШ» (г. Пенза) многоканальная информационно-вычислительная система контроля технологических параметров текстильных машин и стенд для испытания вентильных электроприводов.
-
Внедрены на «KRENHOLM KETRUSE AS» (г. Нарва) система управления непрерывной поточной линией «кипа-лента», включающая в себя позиционную подсистему регулирования производительности и оптимально-адаптивную систему стабилизации номера кардной чесальной ленты, АРМ инженера-технолога по подготовке исходного сырья для переработки.
-
В ООО «КУЗТЕКСТИЛЬМАШ» (г. Кузнецк) приняты к внедрению подсистема управления производительностью кипного питателя АП-18М, подсистема регулирования производительности трепальной машины МТБ-1 и система регулирования производительности поточных линий.
-
В НПО «ПЕНЗХИММАШ» внедрен развальцовочный стенд с регулируемым ограничением крутящего момента.
-
Разработанные математические модели технологических процессов в виде методик, алгоритмов и программ используются в «НИЭКИПМАШ», ООО «КУЗТЕКСТИЛЬМАШ», ОАО «МАЯК», НПФ «КРУГ», ООО «АВТОМАТИКА » при проектировании и испытаниях нового оборудования.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Иерархическая организация систем машинных агрегатов, учитывающая территориально-агрегатный принцип ее построения и отвечающая условиям подчиненно-координирующего управления.
-
Математические модели рассматриваемого класса объектов, базирующиеся на общей теории систем и методе пространства состояний, обеспечивающие условия управляемости, наблюдаемости, устойчивости и минимальной реализации закономерностей, связывающих входные воздействия с выходными величинами.
/
-
Результаты параметрической идентификации управляемых процессов, протекающих в машинных агрегатах, устанавливающие снижение эффективности работы систем управления за счет возникновения режимов, возбуждаемых нестационарными внешними возмущениями и плохо управляемых по входу.
-
Алгоритмы оптимального управления непрерывными процессами, протекающими в системах машинных агрегатов.
-
Принцип регулирования по отношению массо-энергетических параметров управляемых процессов, в значительной степени компенсирующий неблагоприятное воздействие нестационарных внешних возмущений.
-
Метод оптимально-адаптивного управления объектами с транспортным запаздыванием, работающими в неустойчивых и плохо управляемых режимах, основанный на использовании прогнозиругоще-настраиваемой модели.
-
Результаты практического использования методов и средств управления СМА.
Апробация работы. Основные результаты докладывались и обсуждались на международных, всесоюзных и всероссийских конференциях, совещаниях и семинарах. К их числу относятся Всесоюзная конференция «Пути повышения эффективности использования современных текстильных машин и оборудования» (г. Пенза, 1982); Всесоюзная конференция «Основные направления в развитии оборудования для хлопкопрядения» (г. Пенза, 1984); Всесоюзная конференция «Основные направления и меры по ускорению научно-технического прогресса в создании хлопкопрядильного оборудования» (г. Пенза, 1985); Всесоюзная конференция «Перспективы развития оборудования хлопкопрядильного производства, повышение его технологического уровня и конкурентоспособности» (г. Пенза, 1988); Всесоюзный семинар «Опыт работы по снижению шума и повышению надежности при создании и эксплуатации технологического оборудования» (г. Пенза, 1989); Всесоюзный семинар «Проблемы создания, освоения и внедрения современных автоматизированных прядильных производств» (г. Пенза, 1990); Межреспубликанская конференция «Повышение эффективности средств обработки информации на базе математического и машинного моделирования»
(г. Тамбов, 1993); Международная научно-техническая конференция «Проблемы управления точностью автоматизированных производственных систем» (г. Пенза, 1996); X Международная конференция «Математические методы в химии и химической технологии» (г. Тула, 1996); Международная научно-техническая конференция «Информационные технологии в моделировании и управлении» (г. Санкт-Петербург, 1996); Юбилейная научно-техническая конференция Санкт-Петербургского государственного университета технологии и дизайна (г. Санкт-Петербург, 2000); 4 Международная научно-практическая конференция «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики, экономики и права» (г. Сочи, 2003); Международная научно-техническая конференция «Проблемы автоматизации и управления в технических системах» (г. Пенза, 2004), а также научно-технические конференции Пензенского государственного университета и Пензенского технологического института.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 50 печатных работ, в том числе монография, 4 учебных пособия, получено 15 авторских свидетельств и 2 патента РФ на изобретения.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, заключения, списка литературы из 250 наименований, 3 приложений, содержит 312 страниц основного текста, 156 рисунков и 11 таблиц.
Похожие диссертации на Методы и средства управления непрерывными процессами в системах машинных агрегатов
