Введение к работе
Актуальность темы исследований. На сегодняшний день нефтехимическое производство используется во многих отраслях промышленности, главным образом, включая топливную энергетику и транспорт. Для России, занимающей лидирующее место в мире по объму нефтехимической продукции, системной проблемой является разрыв между развитием рынка нефтехимической продукции и развитием российского нефтехимического производства. Анализ состояния той или иной действующей системы управления химико-технологическим комплексом (ХТК) показывает, что большинство трудностей, непосредственно связанных с функционированием и эффективным производством, порождаются несовершенством структуры управления как следствие несовершенства применяемой технологии синтеза системы. Решение данной задачи является возможным только с использованием аппарата математического моделирования и теории оптимизации.
Разработка оптимального управления ХТК в диссертационной работе рассматривалась как трхступенчатая задача оперативной оптимизации непрерывного производства:
моделирование задач оптимизации ХТК;
разработка алгоритмов решения поставленных задач;
поиск наилучшей структуры комплекса.
Следует учитывать, что в процессе поиска наилучшей структуры меняются сами модели и алгоритмы решения задач. Метод декомпозиции является довольно наглядным и широко используется в различных производствах. Однако в случае ХТК приходится иметь дело с непрерывным и постоянно превращающимся веществом. В связи с тем возникает целый ряд проблем относительно выделения относительно независимых циклов, поиска алгоритмов адаптации моделей нестационарных подсистем и т.д. В диссертационной работе оптимизационные алгоритмы базируются на основе принципа декомпозиции, которые модифицированы под реальный объект управления с учтом таких характерных его
4
особенностей, как нестационарность локальных участков комплекса и
несоответствие временных масштабов на различных уровнях управления. Вопрос
разработки наглядного алгоритма оптимизации ХТК на основе экономического
критерия с учтом критерия трудомкости, рассмотренный в рамках
диссертационной работы актуален для развития российского нефтехимического и химико-технологического производства в целом.
Целью диссертационной работы является повышение эффективности нефтеперерабатывающего производства на основе разработки алгоритмов оперативной оптимизации процессов управления.
Для достижения указанной цели в работе поставлены следующие научные задачи:
-
Определение структуры модели ХТК.
-
Применение принципа декомпозиции ХТК в классе линейных моделей.
-
Определение подсистемной структуры комплекса на основе экономического критерия, а также критериев трудомкости и точности модели;
-
Определение эффективности используемых алгоритмов.
-
Создание информационно-программного обеспечения для расчта дискретности управления, числа уровней иерархического управления и частоты адаптации при синтезе подсистемной структуры ХТК, оптимальной по экономическому критерию с учтом динамики коэффициентов регрессионного уравнения и прочих параметров.
Объектом исследования диссертационной работы является задача
оперативной оптимизации непрерывного производства на примере
нефтехимического производственного комплекса.
Предметом исследования диссертационной работы являются алгоритмы синтеза оптимальной структуры и схемы управления многоуровневым ХТК.
Методы исследований. При решении задач, поставленных в работе, был использован математический аппарат основ линейного программирования, применены методы декомпозиции линейных систем, теории автоматического управления и системного анализа.
Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:
-
Установлены связи между объемом выхода готовой продукции химико-технологического комплекса и управляющими воздействиями: составом сырья, температурой, количеством рециркулятов, позволяющие построить математическую модель комплекса.
-
Построены три вида моделей:
модель для статической оптимизации абсолютных значений материальных потоков, для которой характерна зависимость между выходными переменными потоков и входными переменными технологических установок;
модель для статической оптимизации комплекса, устанавливающая связь между входными переменными, выходными и параметрами технологических установок;
модель для определения оптимальной производственной программы комплекса, включающая определенный набор значений относительных выходов целевых компонентов технологических установок.
-
Поставлена и решена задача иерархического управления в классе линейных моделей методом декомпозиции Данцига-Вульфа.
-
Предложен метод согласования локальных автоматических систем оперативной оптимизации, позволяющий обеспечить оптимальное многоуровневое управление.
-
Разработан алгоритм коррекции критериев оптимальности локальных систем для достижения оптимального значения целевой функции комплекса.
6 Практическая значимость диссертационной работы заключается в разработке методики оперативной оптимизации производственной программы комплекса и синтеза подсистемной структуры ХТК на основе критериев эффективности, точности и трудомкости.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Способы моделирования ХТК (в переменных абсолютных выходов и относительно параметров выпуска и затрат).
-
Результаты расчтов подсистемной структуры ХТК на основе критерия точности модели и трудомкости алгоритма.
-
Модификации метода декомпозиции Данцига-Вульфа для управления L-уровневым комплексом в приложении для ХТК.
4. Метод Лагранжа и расчт блочно-диагональных структур.
Достоверность и обоснованность полученных результатов обеспечивается
корректным использованием математического аппарата и подтверждается вычислительными экспериментами.
Соответствие диссертации паспорту специальности. Диссертационная работа соответствует формуле научной специальности 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (технические науки) в областях:
Теоретические основы и методы математического моделирования организационно-технологических систем и комплексов, функциональных задач и объектов управления и их алгоритмизация.
Формализованные методы анализа, синтеза, исследования и оптимизация модульных структур систем сбора и обработки данных в АСУТП, АСУП, АСТПП и др.
Апробация результатов. Основные результаты и выводы диссертационных исследований докладывались и обсуждались на VI Всероссийской научно-
7 практической конференции «Машиностроение – традиции и инновации», VI Всероссийской конференции молодых учных и специалистов «Будущее машиностроения России» (2013), на заседаниях кафедры «Автоматизированные системы обработки информации и управления» ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН».
Реализация работы. Основные результаты использованы при разработке методических рекомендаций и реализации основных образовательных программ на кафедре «Автоматизированные системы обработки информации и управления» в ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН» по дисциплинам «Управление процессами» и «Математическое моделирование технологических процессов»; при проведении научно-исследовательских работ по федеральной целевой программе «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» и в рамках государственной поддержки молодых российских ученых и ведущих научных школ Российской Федерации. Результаты работы также предполагается использовать на предприятии ООО «Инженерно-технологический центр Технополис» (г. Москва).
Публикации по теме работы. По теме диссертации опубликовано 5 научных работ в научных журналах сборниках трудов всероссийских конференций, в том числе, 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ.
Структура и объм диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения и списка литературы. Основной текст содержит 178 страниц машинописного текста, 35 рисунков, 7 таблиц. Список литературы состоит из 101 наименования, приложения выполнены на 11 страницах.
