Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Проблемы управления технологическими процессами переработки природного сырья 16
1.1. Рациональное использование природного сырья в химической технологии 16
1.2. Особенности многостадийных производственных процессов 18
1.3. Теоретические основы методов анализа сложных структур 22
1.4. Базовые принципы управления технологическими объектами
1.4.1. Анализ особенностей объектов управления 26
1.4.2. Основные подходы к построению систем управления 29
1.4.3. Оптимальное управление в сложных технологических системах.
1.5. Типовые задачи управления химико-технологическими процессами 36
1.6. Постановка целей и задач исследования 43
1.7. Основные результаты первой главы 48
ГЛАВА 2. Иерархическое управление многомерными технологическими системами 50
2.1. Процессы централизации и децентрализации управления промышленными объектами 50
2.2. Структуризация и постановка задачи декомпозиции 54
2.3. Формализация задачи разбиения на подсистемы 58
2.4. Оценка времени решения задачи управления 63
2.5. Эффект декомпозиции в многомерных системах 66
2.6. Направления исследования иерархических систем 70
2.7. Основные результаты главы 73
ГЛАВА 3. Теоретические основы построения систем децентрализованного управления
3.1. Определения условий построения систем управления. 75
3.2. Декомпозиция системных задач управления 80
3.3. Выбор методов децентрализованного управления
3.3.1. Методы декомпозиции в иерархических системах 87
3.3.2. Реализация метода неявной декомпозиции 90
3.3.3. Особенности и анализ процедуры принятия решения в методе явной декомпозиции 93
3.4. Структурная декомпозиция и динамические задачи управления 96
3.4.1. Динамическое программирование в управлении многостадийными технологическими процессами 97
3.4.2. Методологические основы декомпозиции во времени 101
3.4.3. Анализ задачи идентификации ситуаций 105
3.4.4. Формализация и использование декомпозиции во времени
3.5. Способы решения задачи оптимального управления 112
3.6. Основные результаты третьей главы 113
ГЛАВА 4. Обоснование выбора методов решения экстремальных задач 115
4.1. Экстремальные задачи в теории исследования операций 115
4.2. Поисковые методы решения экстремальных задач
4.2.1. Аппроксимация как методология решения задач 119
4.2.2. Метод аппроксимирующего программирования 121
4.2.3. Эффективность алгоритмов и выбор методов оптимизации
4.3. Разработка и исследование алгоритмов иерархического управления 128
4.4. Многокритериальная оптимизация при управлении сложными технологическими системами
4.4.1. Выбор способов решения многокритериальных задач 133
4.4.2. Существенные факторы в характеристике системы 138
4.5. Закономерности построения моделей технологических процессов.. 142
4.5.1. Постановка задачи 143
4.5.2. Алгоритм аппроксимации экспериментальных данных 144
4.5.3. Анализ качества модифицированных моделей 148
4.6. Основные результаты главы 154
ГЛАВА 5. Построение системы управления многостадийным производством кобальта 156
5.1. Систематизация способов переработки ископаемой руды 156
5.2. Перспективные схемы очистки кобальтовых растворов 161
5.3. Анализ процесса очистки многокомпонентных растворов 165
5.4. Постановка задачи управления производственным процессом 167
5.5. Построение моделей многостадийного процесса 170
5.6. Анализ динамических процессов в каскаде реакторов непрерывного действия 175
5.7. Способы реализации оптимального управления процессом очистки кобальтовых растворов 1 5.7.1. Вычислительные особенности методов управления многостадийными процессами 177
5.7.2. Анализ структурных схем и выбор методов управления 180
5.8. Основные результаты пятой главы 186
ГЛАВА 6. Системное исследование процессов химической технологии активированных углей 188
6.1. Тенденции производства и потребления активированных углей 188
6.2. Основные подходы к переработке ископаемых углей 191
6.3. Постановка задачи оптимального управления 194
6.4. Методы оценки качества углеродных адсорбентов
6.4.1. Теоретические основы адсорбции и особенности структуры пористых материалов 196
6.4.2. Исследование пористой структуры активированных углей 202
6.4.3. Обоснование метода расчёта параметров микропористой структуры 207 6.5. Анализ способов переработки природного сырья в промышленный
уголь 210
6.6. Примеры синтеза технологий производства активных углей 216
6.6.1. Производство сорбентов в многоканальных печах активации .216
6.6.2. Многостадийная схема производства активированных углей 219
6.6.3. Эффективное использование отходов и реактивация углей 221
6.7. Основные результаты главы 223
ГЛАВА 7. Построение системы управления процессами термообработки в производстве активированных углей 226
7.1. Выбор сырья и основные стадии производства сорбентов 226
7.2. Математическое моделирование стадий при реализации иерархического управления
7.2.1. Моделирование процесса сушки 230
7.2.2. Моделирование подсистемы карбонизации 234
7.2.3. Методика построения модели процесса активации
2 7.3. Иерархическая структура системы управления 240
7.4. Разработка системы управления каскадом печей
7.4.1. Постановка задачи 243
7.4.2. Реализация управления стадиями сушки и карбонизации 245
7.4.3. Оптимальное управление стадией активации
7.5. Синтез системы взаимосязанного управления 253
7.6. Основные результаты главы 257
ГЛАВА 8. Проблематика и решение задачи управления многомерными термопроцессами 259
8.1. Комплексное автоматизированное управление печами активации .259
8.1.1. Анализ задачи управления многоканальной печью 259
8.1.2. Структуризация объекта управления. 263
8.1.3. Концепция построения подсистем автоматизации 266
8.1.4. Автоматизация процесса выгрузки и качество продукта 269
8.2. Разработка системы управления многоэлементным объектом 274
8.2.1. Постановка задачи управления совокупностью оборудования .274
8.2.2. Обобщённые характеристики совокупности 275
8.2.3. Обоснование выбора критерия оптимальности 278
8.2.4. Вывод математической модели совокупности
8.3. Реализация оптимального управления совокупностью 285
8.4. Основные результаты восьмой главы 287
Практическое обоснование работы 289
Основные результаты работы 290
Библиографический список
- Базовые принципы управления технологическими объектами
- Оценка времени решения задачи управления
- Реализация метода неявной декомпозиции
- Многокритериальная оптимизация при управлении сложными технологическими системами
Введение к работе
Актуальность работы. В рамках общей концепции долгосрочного развития РФ происходит изменение объективных условий функционирования промышленных организаций, связанное с ростом их размеров и сложности, возникает необходимость модернизации процессов переработки сырья, оптимальной координации элементов производства, совершенствования структуры систем управления. Актуальным является комплексный анализ производственного цикла предприятий, научно обоснованный подход к построению интеллектуально ёмких систем автоматизированного управления в химической и смежных отраслях промышленности.
В диссертации систематизированы результаты теоретических и экспериментальных разработок автора в области исследования технологических систем высокой сложности в рамках распределённых автоматизированных систем управления (АСУ) с иерархической структурной организацией. В качестве объекта исследования принят ряд химико-технологических процессов многостадийного производства промышленного продукта из ископаемого сырья. При разработке и эксплуатации объектов выделенного класса – сложных технологических систем (СТС) возникает необходимость учёта их специфических свойств, существенное значение приобретают экономические факторы, повышенное внимание к экологии производства, требуется пересмотр методологии решения проблемных задач на основе комплексного подхода к созданию интегрированных АСУ. Возможность получения новых механизмов межуровневого взаимодействия в децентрализованных иерархических системах является основой создания единого информационного пространства предприятий, ведёт к интенсификации производства.
Исходные положения проблем управления структурно и технологически сложными системами изложены в работах Д. Мако, М. Месаровича и др. Существенный вклад в развитие методов оптимизации сложных систем с использованием методов декомпозиции внесли Дж. Лэсдон, В.И. Цурков и др. Теоретические начала построения организационных систем опираются на информационную теорию иерархических систем и теорию кооперативных игр (Ю.Б. Гермейер, Н.Н. Моисеев и др.). Моделированию и оптимизации химико-технологических процессов (ХТП) посвящены работы В.В. Кафарова, В.М. Володина, В.С. Балакирева, В.П. Мешалкина и др. Непрерывные процессы химической технологии отличаются высокой степенью автоматизации, однако, в условиях узкой специализации применяемого оборудования и высокой материало- и энергоёмкости, позволяют разрабатывать новые научные подходы к их интенсификации и автоматизации. В большей степени подобное характерно для не типовых химико-технологических процессов. Специфика моделирования и управления СТС до настоящего времени не выделена как самостоятельная сфера, преобладают подходы, базирующиеся на использовании традиционных АСУ, отличающихся разобщенностью отдельных уровней и контуров управления. Исследование возможностей и расширение областей применения декомпозиционного подхода и, в частности, методов явной декомпозиции, к синтезу открытых систем иерархически-взаимосвязанного управления производственными комплексами, к настоящему времени не нашли широкого применения во многих отраслях промышленности. Разработка научно-теоретических и методологических основ создания децентрализованных иерархических высокотехнологичных систем со сложным взаимодействием элементов требует дополнительного изучения и расширения сферы их использования на практике.
В основе подхода автора диссертационной работы к управлению СТС переработки природного сырья лежит обоснованное целенаправленное выделение подсистем, их анализ и моделирование, разработка методики эффективной реализации метода явной декомпозиции для синтеза взаимосогласованных управляющих подсистем. В диссертационной работе проводится исследование экологически направленных многостадийных производственных процессов очистки от примесей и производства активированных углей. Обобщённый научный подход к построению систем автоматизированного управления позволяет модернизировать процессы производства качественных продуктов с использованием новых информационных технологий, получить синергетический эффект на основе закономерностей взаимодействия элементов СТС. Задача поиска общих закономерностей при анализе и синтезе методов управления сложными технологическими процессами в химической и смежных отраслях промышленности – одна из наиболее актуальных задач научных исследований.
Диссертационная работа выполнялась в соответствии с федеральной целевой научно-технической программой “Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники на 2002 – 2006 годы” по направлению “Каталитические системы и технологии”; федеральной целевой программой “Интеграция науки и высшего образования России на 2002 – 2006 годы” (постановления Правительства РФ от 21.08.2001; от 05.09.2001).
Автор выражает благодарность проф. В.М. Володину за плодотворные научные консультации и содействие в проведении работы.
Целью диссертационной работы является интенсификация производственного цикла промышленных предприятий по переработке природного сырья, что предполагает решение важной научной проблемы создания методов и алгоритмов управления сложными технологическими процессами на основе иерархически-взаимосвязанных систем автоматизации, имеющей важное хозяйственное значение.
Названная цель определила постановку следующих задач:
выявления способов повышения интенсификации систем управления многостадийными производственными процессами;
учёта особенностей многостадийных процессов в химической технологии и ограниченной исходной информации при разработке методов построения их комплексных математических моделей;
выбора существенных связей и факторов с помощью особенностей метода явной декомпозиции и формирования способов повышения интенсивности функционирования выделенных подсистем;
обоснования условий интенсификации процессов переработки природного сырья, и модернизации многофункциональных схем получения высококачественного стандартизованного продукта;
разработки и реализации алгоритмов управления технологическими объектами как составными частями производственного цикла промышленных предприятий, имеющими в своём составе сложные по функциональному назначению и комплексным параметрам структуры со специфическими свойствами;
интеграции существующих систем автоматизированного управления с новыми решениями оптимизационных задач на основе использования предлагаемых средств измерений, управления и информационных технологий для внедрения в практику технологических предложений и разработанных принципов, методов и алгоритмов.
Методы исследования основаны на положениях теории моделирования и идентификации технологических процессов, теории выбора и принятия решений, общей теории систем и системного анализа в управлении, методах химической кибернетики.
Научная новизна работы состоит в создании методов и алгоритмов иерархического управления сложными технологическими системами и включает:
выявление условий иерархичности, открытости, взаимосогласованности и избирательности, определяющих возможности систематизации и разработки способов автоматизированного управления сложными технологическими системами;
обоснование уровней декомпозиции системы управления и реализацию итерационного многоуровневого процесса разбиения сложной системы для реализации управления с меньшими затратами и получения решений, близких к оптимальным;
построение аппроксимационных моделей многостадийных химико-технологических процессов, позволяющих получать устойчивые решения в условиях ограниченной исходной информации;
создание методов согласования решения локальных задач с внутриуровневыми конфликтами и оптимумом на границе области допустимых решений при введении аппроксимаций в ограничениях и целевых функциях;
формирование требований к объектам управления в химической и смежных отраслях промышленности с помощью выявленных основных классификационных признаков сложных технологических систем.
Достоверность научных положений, рекомендаций и выводов обеспечивается использованием фундаментальных законов ведения физико-химических процессов, корректным применением математических методов анализа таких процессов и синтеза систем управления, результатами численных и экспериментальных исследований.
Практическая ценность работы определяется решением следующих задач:
определены факторы образования технологического ресурса и обоснование возможностей интенсификации работы производственных систем в химико-технологических производствах;
предложены алгоритмы унификации метода явной декомпозиции при управлении сложными технологическими системами с учётом выбранных связей, особенностей локальных задач и процедуры их взаимосогласованного решения;
предложены математические модели, позволившие построить сложные системы управления активацией углеродосодержащих материалов и очисткой от примесей рудного сырья в условиях ограниченной выборки исходных данных;
обосновано повышение эффективности управления очисткой рудного сырья с помощью математических моделей этих процессов, построенных по данным анализа многокомпанентных растворов;
разработана и реализована система управления производством активированных углей в каскаде вращающихся печей с согласованием работы подсистем по нагрузке, позволяющая повысить эффективность управления;
решена задача автоматизированного управления печами с двигающимся вертикальным слоем по материальным газовым и тепловым потокам на базе применения современных математических методов и информационных технологий;
материалы диссертации использованы в учебном процессе при чтении лекций в МГУИЭ, при выполнении курсовых работ, дипломном проектировании, исследовательских программах.
Практическая ценность подтверждена внедрением разработанных методик и алгоритмов управления в ОАО «Сорбент» г. Пермь, ОАО «Электростальский химико-механический завод», НПО «Химавтоматика», использованием на опытном производстве «Института проблем нанотехнологий РАЕН» г. Пермь и применением при проектировании цеха активированных углей в Сирийской Арабской Республике.
На защиту выносятся следующие новые результаты, полученные автором:
обобщенный подход, определяющий возможности интеграции и взаимного согласования функций подсистем, позволяющий интенсифицировать работу средств автоматизации управления сложными технологическими процессами переработки природного сырья;
схема взаимосогласованного управления взаимосвязанными подсистемами с реализацией алгоритмов явной декомпозиции и аппроксимацией сложных алгоритмических зависимостей при оптимизации многостадийных процессов с однородными и неоднородными стадиями;
метод построения математической модели сложного многомерного объекта управления с учётом технологических ограничений на число экспериментальных данных и высоких требований по качеству многоассортиментной продукции;
методика управления многоэлементными объектами на основе анализа совокупности с выработкой управляющих решений, направленных на рост эффективности и увеличение срока службы технологического оборудования.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийских научно-технических конференциях «Математические методы в химии» (Тула, 1993) и «Информационные системы и модели в научных исследованиях, промышленности и экологии» (Тула, 2007); Международных конференциях: «Методы кибернетики химико-технологических процессов» (Москва, 1994), «Математические методы в химии и химической технологии» (Тверь, 1995), «Инженерная защита окружающей среды» (Москва, 2000, 2002), «Математические методы в технике и технологиях» (Смоленск, 2001); «Системный анализ в проектировании и управлении» (Москва, 2006), «Индустриально-инновационное развитие – основа устойчивой экономики Казахстана» (Шымкент, 2006); Международной конференции по химической технологии «Химическая технология» (Москва, 2007); Научно-технической конференции МГАХМ, (Москва, 1995); Международной студенческой школе-семинаре «Новые информационные технологии» (Москва, 2000).
Публикации. По результатам исследований, представленных в диссертационной работе, опубликовано 50 научных работ, 13 из которых в журналах, рекомендованных ВАК, две монографии. Автору принадлежат систематизация, разработка и практическое обоснование использования методов иерархического управления сложными промышленными объектами, 19 работ написано лично автором, остальные выполнены в соавторстве, многие с В.М. Володиным.
Объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, восьми глав, заключения и списка литературы. Она содержит 291 страницу машинописного текста, 12 таблиц, 54 рисунка, библиографию из 265 наименований.
Базовые принципы управления технологическими объектами
Под системой в самом широком смысле будем понимать объективное единство закономерно связанных друг с другом каких-либо объектов, процессов или явлений [35]. Это понятие конкретизируем при рассмотрении основных свойств системы: - система как совокупность элементов состоит из подсистем разного уровня сложности; - системам присуще наличие определённых связей между элементами и (или) их свойствами, а также структурной и архитектурной организации; - существование свойств, присущих системе в целом, но не свойственных ни одному из её элементов в отдельности; - свойства системы зависят от свойств элементов, но не определяются ими полностью. Понятие элемента как минимального компонента системы (рис. 1.4) не является абсолютным и однозначно определённым, поскольку исследуемая система может расчленяться существенно различными способами и говорить о её элементах можно лишь применительно к одному из вариантов разбиения. Элемент системы определён как структурная единица, способная к относительно самостоятельной реализации заданной цели функционирования.
Термин технологическая система (ТС) отождествлен в работе с понятием ТП и связан с преобразованием определённого исходного сырьевого продукта в конечный продукт с заданными свойствами и качеством. Конкретика ТП определяется видом сырья, его составом, свойствами и качественными характеристиками, а также конечным продуктом, его потребительскими и (или) эксплуатационными свойствами. Важным свойством ТП является управляемость, которая предполагает возможность реализации информаци 23 онного воздействия выхода на вход. Управление ТП осуществляется с целью приведения его к определённому поведению или состоянию, путём компенсации внешних возмущений и (или) отклонений на выходе.
Отличие ТС от технической обусловлено комплексным рассмотрением вопросов, связанных с разработкой, производством, эксплуатацией, утилизацией и управлением всеми этапами производства продукции с учётом социальных, экономических, стратегических и других аспектов. Поведение ТС при определённых условиях будем рассматривать как поочерёдное изменения её статических состояний, а динамическую задачу сведём к последовательности статических задач расчёта параметров технологического режима.
С учётом свойств ТС в качестве основной задачи управления будем рассматривать задачу управления в статике в следующей формулировке F(x, и, у) - max, usU (1.1) U = {u: g(x,u,y) = 0, /z(x,z/,j/) 0}, где x, и, у - векторы возмущающих воздействий, управлений и выходов ТС; F - заданная скалярная функция, отождествляемая с критерием оптимальности технологического режима; U - множество допустимых состояний ТС; g, h - заданные векторно-значные функции, соответствующие математической модели ТС и ограничениям на технологические параметры. Задачу (1.1) будем рассматривать как частный случай обобщённой задачи управления поведением ТС вида F(x,u,y,t) — max , u{t)eU (1.2) U = {и : g(x,u,y,t) = О, h(x,u,y,t) О}, где t - время; u{i) — динамическое управление; U - множество допустимых законов изменения траекторий для u(t).
Если предположить, что в задаче (1.2) изменение возмущений x(t) имеет характер кусочно-постоянной функции, то в период Т, сохранения постоянного значения x(t) = const, она будет эквивалентна задаче (1.1). Данное допущение правомерно, поскольку основные возмущающие воздействия в ТС возникают при изменении показателей качества сырья, либо при изменении нагрузок, которые устанавливаются как правило на длительный срок.
Комплексный подход к задаче анализа производств по переработки сырья, как уже отмечалось, приводит к необходимости введения понятия - СТС и выделения следующих наиболее характерных признаков таких объектов: - большие масштабы по числу элементов и объёму выполняемых функций, что обусловливает иерархическую организацию; - сложность и многообразность поведения; - нерегулярный, статистически распределяемый во времени характер возникновения внешних возмущающих воздействий; - наличие подсистем с конкурирующими целями функционирования; - многообразие связей между элементами и подсистемами; - взаимосвязь и взаимовлияние технологических и экономических аспектов функционирования; - большое число факторов, определяющих поведение системы, сложные, многообразные и нелинейные функциональные взаимосвязи между ними; - большое число ограничений на допустимое функционирование; - возникновение качественно новых свойств, отсутствующих у элементов и подсистем, обусловленных количественным ростом последних (свойство эмерджентности).
Существуют различные определения сложных систем [36], при этом в качестве отличительных признаков, как правило, указывается только количественный состав их структурных элементов. В то время, как состав и способ организации системы, особенности её математического описания, существующие взаимные связи между элементами, наличие субъективных факторов в функционировании системы бывают не учтены. В настоящей работе СТС позиционирована с точки зрения способа организации системы, её поэлементного состава, целей функционирования как объекта в целом так и подсистем, математического описания, существующих взаимосвязей между элементами, наличия субъективных факторов в функционировании системы. Следствием предложенного подхода является вывод о возможности эффективного управления данными объектами лишь при разделении на подсистемы с последующей реализацией локальных управляющих функций и их взаимосогласования при управлении иерархической системой.
Эффективным инструментом исследования СТС является методология системного подхода [17, 37, 38]. Она предполагает возможность всестороннего анализа, как на уровне отдельных элементов, так и на уровне системы в целом. Степень детализации определяется конкретными задачами исследования, при этом достигают эффекта совместного анализа исследуемого объекта на микро- и макроуровнях. Логико-математическим исследованием систем, обобщением системных понятий, законов и методов в разных предметных областях занимается системология актуальная для постановки и решения задач исследования СТС [39, 40].
Оценка времени решения задачи управления
Способы поиска новых технических решений при помощи морфологического анализа как инструмента системного подхода в научных исследованиях обоснованы Ф. Цвикки [77, 78]. А.И. Половинкин предложил методы поискового проектирования и конструирования, используемые для улучшения физических принципов действия и технических решений [62, 79, 80]. Вопросы интенсификации технологических процессов на физическом уровне исследованы в работе Г. А. Кардашева [81]. Новые направления системного анализа для интенсификации ХТП нашли своё отражение в монографии И. Н. Дорохова [82].
Интенсификация технологических процессов направлена на увеличение их экономической эффективности в результате целенаправленного влияния на производительность оборудования, поиска технологических ресурсов, сокращения затрат материалов и энергии, повышения качества продукции и эффективности автоматического управления. Постановку задач интенсификации в работе будем трактовать как совершенствование существующего технологического процесса, оборудования и систем автоматизации. При этом в результате системного анализа технологических процессов будем определять основные условия наличия технологического ресурса модернизации на основе выявления и ранжирования недостатков.
СТС переработки природного сырья характеризуются наличием выделяемых стадий обработки; переменным составом сырья; высокими требованиями к качеству продукции. Обобщённая схема управления для технологического процесса формализована в виде: входное управляющее воздействие - входное вещество — вещество на выходе (рис. 1.7). На схеме обозначены Х;(а//), УііРіі) вектора входных потоков с заданными свойствами и выходных потоков с требуемыми свойствами. Технологические стадии не соединены материальными потоками, что дает возможность выбора операций подготовки сырья, подразумевает наличие рециклов. Подобная схема позволяет выделить в технологической линии результирующую стадию, определяющую конечную продукцию с обусловленными экономическими и технологическими критериями воздействий, а также формирует иерархическую структурную организацию.
Интенсификация функционирования сложных объектов требует специальных подходов и методов создания систем автоматизированного управления. Принципы новых задач информационных и автоматизированных систем управления (АСУ) [83] подразумевают поиск и постановку на производстве новых задач оптимального управления, которые могут оправдать затраты на создание систем управления СТС переработки сырья.
АСУ нового поколения, основанные на достижениях в области компьютерных и сетевых технологий, широко внедряются на предприятиях с непрерывным технологическим циклом. Относительно благополучные с точки зрения автоматизации нефтеперерабатывающая, нефтехимическая, металлургическая и т.п. отрасли [84], вкладывают существенные инвестиции в развитие средств автоматизации и управления производством, что особенно харак 45 терно для типовых процессов в рассматриваемых отраслях. В тоже время, разделение средств промышленной автоматизации на системы, действующие в рамках отделов, управлений, служб (применительно к терминологии ГОСТ 34.003-90 [85], рассматриваемые как АСУП), и автоматизированные системы мониторинга и управления технологическими установками и процессами -АСУТП в ряде случаев оказывает отрицательное влияние на развитие производства. Множество реализаций автоматизированных систем (АС) от различных производителей, разнородный состав программных АС, фрагментарное внедрение и локальное использование АС для частных задач управления, дистанцирование средств решения задач автоматизированного управления предприятием и ТП делает актуальным постановку и комплексное решение задач автоматизированного управления процессами переработки природного сырья с использованием интеллектуально ёмких систем управления.
Интенсификация внедрения средств автоматизации, интеграция подсистем АСУТП и АСУП первостепенны для современного производства [86, 87], ведут к формированию единого информационного пространства [88]. Сочетание разных видов интеграции: организационной, функциональной, информационной, программной и технической обеспечивает гибкость производственной системы; её оперативность при смене видов выпускаемой продукции, корректировке производственных заданий; повышение управляемости предприятия [89]. При этом функциональная интеграция обеспечивает единство локальных целей функционирования, согласованность функций и критериев эффективности всех компонентов, требует разработки общей функциональной структуры системы, её декомпозиции на компоненты, устанавливает для каждого компонента: критерий эффективности, модели функционирования, процедуры обработки данных, функциональные и информационные связи между компонентами.
Управление современными СТС на основе АСУ с использованием традиционных методов и принципов малоэффективно и требует использования качественно новых методов и подходов. Теория управления «большими сие 46 темами» основана на системном принципе исследования и использует методы, учитывающие поведение отдельных элементов системы, их взаимосвязь, а также факторы, характеризующие систему в целом. Декомпозиция подразумевает построение математических моделей СТС и организацию управления по отдельным направлениям или задачам. В процессе производственной деятельности каждая из подсистем реализует собственную функцию цели, отражающую её интересы, которая может не совпадать с общей целью функционирования системы. Данное свойство является важнейшей характеристикой СТС, отличающей их от традиционных объектов управления, и выдвигает требования к алгоритмам взаимосвязанного решения задач как одного, так и разных уровней иерархии. В тоже время исследование закономерностей взаимодействия элементов системы позволяет добиться высокого синергети-ческого эффекта [90].
Одну из наиболее значимых проблем, связанных с синтезом и функционированием систем управления СТС, представляет выработка оптимальных управленческих решений с учётом текущей ситуации в объекте и ограничений на возможности принятия решений. При этом традиционные итерационные алгоритмы выработки решений неэффективны, поскольку требуют реализации большого количества итераций, что характерно для поиска оптимума многомерной и сложной задачи при наличии многочисленных и различных по типу ограничений. Теория принятия оптимальных решений в условиях неопределённости исходной информации, применительно к системам управления сложными объектами, также ещё не получила должного развития.
Реализация метода неявной декомпозиции
Методы и основные принципы управления СТС сформулированы и конкретизированы в работе для многостадийных процессов переработки сырья в химической технологии. Теоретической основой исследования являются методы декомпозиции, реализуемые в системах управления с учётом поведения как взаимосвязанных подсистем, так и элементов других уровней иерархии [99]. Первым шагом в построении систем автоматизированного управления явился анализ с целевым выделением объектов класса СТС и формирование правил их разбиения на подсистемы, описанные в гл. 1, 2.
Для унификации методик необходимо сформулировать определённые требования и условия применения тех или иных алгоритмов управления. Исследования существующих АСУ и анализ технологических составляющих производственных цепочек позволили конкретизировать применительно к ним известные условия, направленные на повышение экономической эффективности, экологической безопасности, модернизацию и интенсификацию технологических процессов.
Условие иерархичности. Система автоматизированного управления технологическими объектами, относящимися к классу СТС, должна строиться как многоуровневая с интеграцией взаимосвязанных уровней иерархии в условиях развивающегося производства, возможного обновления элементов системы управления. Подобный принцип в настоящее время является неотъемлемой частью всех производственных систем и тесно связан с понятием системности. Как объект управления, так и АСУ должны отвечать требованиям целостности, структурированности и целенаправленности. Реализация принципа иерархичности приводит к необходимости: первоочередного определения глобальной цели функционирования системы; многоуровневой декомпозиции структурных и функциональных подсистем; управления на основе иерархии математических моделей объектов управления. Необходимость решения общего комплекса задач автоматизированного управления на базе взаимосвязанных моделей подсистем, а не путем их простого технического сопряжения, является главным следствием данных формулировок.
Условие иерархичности использовано при создании всех описанных в работе систем управления и является отправной точкой исследований.
Условие открытости. Для интенсификации процессов и повышения эффективности системы управления СТС должна быть открыта в смысле возможности изменения способов воздействия на её элементы и изменения отдельных характеристик этих элементов. В рамках этого условия объекты управления образуют открытую периодически обновляемую динамическую систему, активно взаимодействующую с производственной средой. Условие открытости тесно связано с понятием гибких производств [100] в смысле изменения характеристик используемого сырья и марок выпускаемой продукции, какими и являются производства активированных углей (гл. 6).
При управлении проектами, например, широкое распространение приобретает метод декомпозиции работ по структуре WBS (Work Breakdown Structure) [101], который представляет способ описания целей и задач путём декомпозиции в терминах иерархически взаимосвязанных результатов и пакетов работ, выполнение которых необходимо для реализации проекта. Каждый элемент WBS есть некоторый нормированный объём работ, в общем объёме, а также затрат, связанных с достижением целей проекта. WBS использует до шести уровней: три верхних предназначены для предоставления информации заказчику, а три нижних - для детализации данных, предназначаемых исполнителю. Глубина детализации WBS зависит от размера и сложности проекта и обеспечивает чёткую формализацию целей и результатов выполняемых работ. Преимущества использования WBS состоят в возможности построения описания всего объёма работ, нацеленного на достижение конечных результатов проекта. При этом все элементы описаний поддаются измерению и учёту, позволяют выстроить иерархию результатов и сконструировать механизм объединённой оценки выполнения проекта по объёму работ и стоимости.
Отметим, что подобные способы организации управляющих систем позволяют вносить изменения только на стадии проектирования и внедрения, модернизация существующих управляющих конструкций в большинстве случаев не предусмотрена и требует нового проектирования со значительными затратами на разработку принципиально новых подходов. Открытые комплексы с интегрированными подсистемами имеют определённые перспективы использования с точки зрения повышения эффективности управления. Обоснованием условия открытости в данной работе являются найденные способы интенсификации производственных процессов. Применение новых методов анализа растворов в процессе переработки кобальтосодержаще-го сырья позволило на основе корректировки математических моделей повысить выход целевого продукта (гл. 5). Предложенные подходы к автоматизированному управлению высокопроизводительными печами активации привели к выходу производственных процессов на новый качественный уровень (гл. 8).
Условие избирательности. При построении автоматизированных систем управления в СТС должны быть найдены или введены наиболее существенные связи смежных элементов и уровней, влияющие на глобальную функцию системы. Именно декомпозиционный анализ позволяет учитывать наиболее существенные связи в многоуровневой системе с последующим их согласованием с целью создания АСУ нового качества, обеспечивающих снижение общих затрат на управление.
Эффективность разбиения сложных структур на подсистемы обоснована в гл. 2, где приведена структуризация задачи декомпозиции. Выводы о необходимости выбора определённых связей должны формулироваться в каждом конкретном производственном процессе с учётом технологических требований и в ряде случаев требуют привлечения экспертов и использования методов экспертного анализа.
Условие взаимосогласованности. Наиболее существенные связи смежных элементов и уровней иерархической системы должны быть взаимосогласованы в рамках решения глобальной задачи управления. При этом на любом уровне иерархии требования к системе допустимо рассматривать как ограничения на выбор возможностей на нижестоящих уровнях.
Вопросы согласованного управления в активных производственных системах возникают в первую очередь по причине наличия у подсистем собственных целей функционирования и обусловлены, в частности различиями темпов наступления отслеживающих событий в различных звеньях техноло 79 гических линий, а, в большей степени, между уровнями иерархии; различиями масштабов старения средств автоматизации управления и промышленного оборудования; изменениями характеристик сырья и полупродуктов и т.п. [102]. Затраты на ежегодное обновление современных информационных систем объективно необходимое в современных условиях несоизмеримы с затратами на частую смену технологического, измерительного и исполнительного оборудования, кабельного хозяйства и т.п.
Взаимосогласованное управление стадиями производства активного угля в каскаде печей реализовано в предложенной экономически обоснованной технологической схеме (гл. 7). Модернизация действующей системы управления проведена в условиях автоматизированного информационного взаимодействия функций внутриуровневых и межуровневых контуров управления.
Основные этапы построения автоматизированных систем иерархически-взаимосвязанного управления при наличии у системы технологического ресурса модернизации приведены на рис. 3.1. Этап исследование объекта управления детализован на рис. 2.11.
Многокритериальная оптимизация при управлении сложными технологическими системами
Для формализации принципа управления с декомпозицией во времени введём М - множество ситуаций, учитываемых в задаче (3.23), допускающей разбиение на / подмножеств М , k = 1,2,.../, каждому из которых соответствует определённая типовая ситуация. Текущую ситуацию соотнесём с определённым множеством Mfo k = 1,2,.../, задачу (3.23) заменим на эквивалентную, соответствующую типовой ситуации для Mk- Разбиение М на подмножества основано на формировании системы признаков типовых ситуаций, в качестве которых выступают количественные оценки вектора х.
Допустим, что выделяемые типовые ситуации не имеют пересечений Mkr\Mj=0, к = 1,2,.../, у = 1,2,.../, k j, (3-24) и в процессе управления СТС имеют место только типовые ситуации, что на практике исключение, т.к. они пересекаются только по отдельным признакам. Тогда в задаче должны быть учтены все типовые ситуации, по которым имеет место пересечение. На основе сопоставления и создания системы отличительных признаков отдельных типовых ситуаций будем соотносить текущую ситуацию с типовой, тогда отсутствие типовой ситуации означает принадлежность текущей к пересекающимся типовым.
Задача координации в общем случае сформулирована как задача определения отличительных признаков текущей ситуации, принадлежащих различным типовым, с последующим объединением пересекающихся ситуаций d = 0, а(=0, j = l,2,..l; рсеМк, c = l,2,..JV, k = \,2,..J = = d+l,_6fc=l, aj=k, j = l,2,..i, (3-25) M = UM,, 7=1,2,..7, по где d, bkc и aj вспомогательные переменные, используемые в качестве индикаторов; рс — с-й признак ситуации; М - множество переменных, учитываемых в модифицированной задаче управления; Mj — пересекающиеся множества типовых ситуаций, для которых а -ф- О.
При отсутствии пересекающихся признаков задача сводится к последовательному перебору систем признаков типовых ситуаций с целью отыскания системы, полностью совпадающей с признаками текущей ситуации. Сформулируем данную задачу N d = 1 = bkc - max, к = 1,2,.../, М = М . (3.26) і к к С=\ Л Решением (3.26) является к = к , для которого сумма значимых при N знаков типовой ситуации ]Г bfcc максимальна. Соответственно, множество с=\ учитываемых переменных модифицированной задачи управления — М . к Задача второго уровня имеет вид /( / ,Щ У і) - max XJGX, икєМк, у t є Y, (3.27) где /, к - номера текущей и типовой ситуаций / є {l,2,. ..N}, к Є {1,2,.../}.
Таким образом, предложенный способ решения задачи (1.2) охарактеризован как метод декомпозиции во времени или декомпозиции по типовым ситуациям и рассмотрен как способ проектирования исходной задачи в подпространство эквивалентных подзадач для конкретных ситуаций (3.26) -(3.27), или проектирование множества допустимых решений исходной задачи U на подмножества Uk, к — 1,2,.../. Система управления, реализующая данный метод, позиционирована как децентрализованная во времени.
В качестве примера использования метода декомпозиции во времени рассмотрим задачу управления каскадом химических реакторов (стр. 36), аналогичная прикладная задача очистки кобальтовых растворов рассмотрена в гл. 5. Процесс извлечения целевого продукта проводят в последовательно соединённых однотипных химических реакторах путём его избирательной абсорбции, либо повышения концентрации в растворе, за счет связывания сопутствующих примесей. В первом случае используется свойство селективного растворения целевого продукта абсорбентом, во втором — осуществляется химическая реакция, в которой примеси, сопутствующие продукту, образуют соли, выпадающие в осадок. Реакторы являются однотипными, их математические модели одинаковы, и полная модель каскада представляет их совокупность, в которой учтены связи между реакторами. Задача управления в общем виде сформулирована следующим образом CN(щ, і -1,2,-.., N) — max, / = 1,2,... N, ui (3.28) Q) = Сзад, С{ C , —j- - /{{C q Uj), at где С/, CV - концентрации продукта на выходе і-го реактора и конечная; СЗад, С - заданная и допустимая концентрации; qf — расход реагента. В рассмотренном ТП, при обработке бедных растворов минимальная концентрация примесей достижима уже на первых стадиях при низкой концентрации целевого продукта в разбавленном растворе, тогда степень извлечения целевого продукта зависит от работы других звеньев металлургического производства. Изменение расхода и концентрации раствора на входе гидрометаллургического отделения можно отождествить с конкретной типовой ситуацией с целью организации эффективного управления с возможностью изменения координат рециклов. В случае учёта только типовых ситуаций без их комбинаций, сформулируем задачу координации С0 є Cj = к = 1, і = 1; С0 є Со = = 2, / = 1,2; С0 є С? = k = N,i = 1,2,...N. (3"29)
