Введение к работе
Актуальность: Тепловые и энергетические процессы являются основой функционирования большого числа технических установок, используемых в различных сферах народного хозяйства. К их числу могут быть отнесены разного типа котлоагрегаты, пиролизные установки, коксохимичекие установки и т.п. Повышение технико-экономических показателей производственных установок для достижения их главной цели - интенсификации производства требует постоянного совершенствования систем управления процессами, происходящими в них.
Совершенствование отдельных узлов и элементов систем управления не всегда благоприятно сказывается на качестве характеристик технической установки в целом, что обуславливается как ограничениями других элементов системы, так и свойствами самой системы. Поэтому задачу улучшения технических характеристик производственных установок необходимо решать комплексно: с использованием новых принципов построения систем управления, новых методов анализа и синтеза, новых аппаратных решений. Такой комплексный подход позволит раздвинуть рамки имеющихся ограничений и обеспечить улучшение характеристик данных установок.
Кроме того, ряд параметров, характеризующих тепловые процессы (сортность топлива, влажность сырья, плотность его укладки и т.п.) может быть описан только качественными характеристиками, влияние которых должно быть учтено при комплексном решении задачи улучшения технических характеристик промышленных установок.
Поэтому улучшение характеристик промышленных установок, получение выходного продукта которых базируется на использовании тепловых и энергетических процессов за счет повышения их эффективности, надежности, расширения функциональных возможностей, рассматриваемого в данной работе как задача, имеющая важное народнохозяйственное значение. Для ее решения сформулирована научная проблема создания теоретических основ построения и средств реализации подобных промышленных установок на основе разработки новых способов управления и принципов построения систем управления с исследованием их динамических и статических характеристик.
Исследование и совершенствование систем управления тепловыми и энергетическими процессами успешно ведутся в нашей стране и за рубежом. Большие достижения в этой области имеют Московский энергетический университет, Уральский и Новосибирский государственные технические университеты, ИМАШ РАН, СибНИИЛП идр.
Вопросы создания и проектирования современных систем управления котлоагрегатами отражены в работах Плетнева Г.П., Клюева А.С.,
Куртис И.В., Москаленко А.А.. При этом доушжшпш зпдаиньЦ ЛДДЦфате-
I ЯОС НАЦИОНАЛ**»!
1 БИБЛИОТЕКА |
1 ysjgffj
лей качества систем управления осуществлялось с помощью традиционных методов. Неполнота математического описания котлоагрегата как объекта управления, обусловленная линеаризацией и аппроксимацией характеристик его элементов, наличие сложных взаимосвязей между параметрами котлоагрегата не позволяет в полной мере достичь высокой эффективности управления такой установкой.
Исследованию и совершенствованию систем управления другого класса теплотехнических установок, реализующих технологические процессы пиролиза, посвящены работы Козлова К.В., Прокопенко В В., Ключникова А.Д, Кузьмина В.Н., Попова С.К., Шаркова В.И., Сапотниц-кого С.А., Холькни Ю.И. и др. Этими учеными были разработаны новые устройства, позволяющие выполнять технологический цикл процесса пиролиза древесины с использованием современных достижений науки и техники, разработаны технологии быстрого высокотемпературного пиролиза, созданы ретортные производства больших масштабов. Однако вопросам управления процессом пиролиза, особенно в мобильных углевыжи-гательных печах, до последнего времени уделялось недостаточно внимания. Отсутствие надлежащего управления является одним из основных факторов, обуславливающих низкое качество получаемого продукта - древесного угля, и как следствие невысокий выход (до 40% в лабораторных условиях) конечного продукта. Таких образом задача глубокого исследования процесса пиролиза с позиции его управляемости и создания высокоэффективных технологических процессов является актуальной.
Использование классических подходов при построении систем управления такими установками ограничивается сложностью математического описания объекта управления (известные модели плохо приспособлены для анализа и синтеза систем автоматического управления), а также нестационарностью процессов, протекающих в установках, и трудностью описания ряда параметров объекта управления количественными характеристиками.
В 1965 году профессор Калифорнийского университета Лотфи Заде сформулировал новый математический подход, опубликовав работу "Fuzzy Sets" в журнале Information and Control. Данная работа заложила основы моделирования интеллектуальной деятельности человека и явилась начальным толчком к развитию новой математической теории. Дальнейшие работы Л.Заде, Е Мамдани, М. Сугено, Р.М Тонга и др заложили прочный фундамент новой теории и создали предпосылки для внедрения ее методов нечеткого управления при реализации систем управления в различных областях науки и техники.
Однако известные примеры использования принципов нечеткого управления ориентированы в основном на разработку и исследование экспертных систем, а работы, связанные с применением этих принципов для техническихобъектов единичны. Это связано с рядом обстоятельств. Ма-
тематическое описание нечетких систем управления имеет нетрадиционный характер и сложно, известные модели этих систем слабо приспособлены для анализа и синтеза. Широкие возможности нечетких принципов управления недостаточно изучены - они часто воспринимаются как избыточные и создающие проблемы для их рационального использования
Поэтому представляется актуальным проведение комплексных исследований для определения возможностей построения нечетких систем управления теплотехническими установками. Полученные результаты должны привести к более интенсивному внедрению нечетких систем управления технологическими процессами, соответствующему их потенциальным возможностям.
В диссертации обобщены результаты работы, проводившейся в течение ряда лет на кафедре «Электропривода и автоматизации промышленных установок» ГОУ ВПО «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет» под руководством и при непосредственном участии автора. Основные результаты были получены в ходе исследований, выполнявшихся в рамках программы «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям развития науки и техники».
Цель работы: создание теоретических основ проектирования и средств реализации теплотехнических установок на основе разработки новых способов управления и принципов построения систем управления на базе нечеткой логики с исследованием их динамических и статических характеристик.
Достижение указанной цели обеспечивается постановкой и решением следующих основных задач исследования:
разработка математического аппарата для проектирования нечетких систем управления теплотехническими установками, включая развитие методов анализа и синтеза;
создание математического описания пиролизных теплотехнических установок мобильного типа с учетом специфики использования функционально-необходимых элементов установки;
разработка и научное обоснование новых способов управления пи-ролизными теплотехническими установками мобильного типа и принципов построения систем управления ими;
разработка методов синтеза нечетких систем управления тепловыми процессами;
создание программно-аналитических средств автоматизации проектирования теплотехнических установок;
исследование статических и динамических характеристик разработанных нечетких систем управления теплотехническими установками;
- разработка технических устройств, обеспечивающих реализацию
предложенных способов управления теплотехническими установками;
- создание и внедрение в народное хозяйство образцов разработанных систем управления теплотехническими установками и средств их проектирования.
Методы исследования. Научные исследования диссертационной работы основывались на теории дифференциальных уравнений, включая методы переменных состояния и операторный метод, математическом аппарате теории нечетких множеств, методах теории автоматического управления, методах имитационного моделирования и программировании. Проверка теоретических расчетов и алгоритмов управления теплотехническими установками осуществлялась экспериментальными методами на физических макетах.
Экспериментальные исследования подтвердили полученные основные теоретические положения. Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
-
Принципы проектирования систем управления параметрами теплотехнических установок на базе аппарата теории нечетких множеств, обеспечивающие анализ и синтез систем управления по условиям воспроизведения требуемых динамических характеристик.
-
Разработанные математические модели пиролизных теплотехнических установок мобильного типа, адекватно отражающие их специфические свойства.
-
Обоснование и научное доказательство возможности использования для систем управления теплотехническими установками различных подходов реализации регуляторов по нечеткому принципу, в зависимости от структуры систем управления, обеспечивающих улучшение статических и динамических характеристик данных систем.
4. Методы синтеза параметров нечеткого логического регулятора
(НЛР) по прямым показателям качества системы управления теплотехни
ческой установкой; комплекс программно-аналитического обеспечения для
анализа и синтеза систем управления с нечеткими регуляторами, их расче
та и проектирования.
-
Комплекс теоретических и экспериментальных исследований, подтверждающих основные теоретические положения, адекватность математических моделей и эффективность предложенных процедур синтеза.
-
Разработанные и запентованные технические решения по теплотехническим установкам, их элементам, способам управления теплотехническими и энергетическими установками, обеспечивающие реализацию предложенных принципов построения нечетких систем управления.
Научная новизна работы заключается в том, что впервые выполнена и решена научная проблема разработки теоретических основ построения и средств реализации теплотехнических установок путем разработки новых способов управления и принципов построения систем управления на базе нечеткой логики.
В частности:
-
Разработан математический аппарат для проектирования нечетких систем управления теплотехническими установками, в рамках которого развиты программно-аналитические методы анализа и синтеза предложенных способов управления.
-
Разработано математическое описание пиролизных теплотехнических установок для всех способов управления и режимов работы в виде совокупности статических и динамических моделей, нелинейных и линеаризованных, с учетом и без учета нечеткости параметров объекта управления.
-
Теоретически обоснованы запатентованные способы управления теплотехническими установками и основанные на них принципы построения систем управления.
-
На основании аналитических, численных и экспериментальных исследований статических и динамических характеристик выявлены основные закономерности процессов в предложенных нечетких системах управления теплотехническими и энергетическими установками.
-
Разработаны метод синтеза НЛР по прямым показателям качества системы регулирования теплотехническими установками и методика оптимизации распределения функций принадлежности для блоков фаззифи-кации идефаззификацииНЛР.
Практическая значимость полученных результатов и выводов связана с достигнутым улучшением статических и динамических характеристик систем управления теплотехническими установками и созданием средств, достаточных для реализации теоретических положений:
- созданы методики проектирования систем управления теплотехниче
скими установками;
- разработаны функционально необходимые нечеткие регуляторы,
обеспечивающие реализацию различных принципов нечеткого управления;
обеспечено повышение точности регулирования, расширение функциональных возможностей систем управления, повышение энергоэффективности теплотехнических и энергетических установок;
разработанные методики и программно-аналитическое обеспечение нечетких регуляторов обеспечивают повышение производительности труда при проектировании и исследовании систем управления;
запатентовано 10 технических решений на устройства, способы управления и структуры систем управления теплотехническими и энергетическими установками;
- разработаны новые алгоритмы управления пиролизными теплотехническими установками, обеспечивающие повышение качественных показателей установок и увеличение выхода продукта процесса пиролиза.
Реализация работы. Основные результаты работы получены и внедрены в ходе выполнения госбюджетных и хоздоговорных НИР, выпол-
нявшихся по заказам предприятий г. Комсомольска-на-Амуре и Хабаровского края, в рамках гранта Правительства Хабаровского края и связанных с разработкой систем управления тепловыми и энергетическими процессами на основе мягких вычислений. Программное обеспечение, созданное на основе разработанного математического аппарата, было внедрено для разработки углевыжигательных мобильных установок для производства древесного угля на комсомольской дистанции гражданских сооружений ДВЖД и на Комсомольской ТЭЦ-3 при модернизации систем управления параметрами котлоагрегата.
Материалы диссертации, касающиеся математических моделей нечетких систем управления, методов синтеза нечетких регуляторов, программного обеспечения, используются в учебных дисциплинах «Искусственный интеллект в задачах управления» и «Интеллектуальные системы управления электроприводами» для студентов специальностей 2101 и 1804 ГОУ ВПО «Комсомольский-на Амуре государственный технический университет».
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и получили одобрение на Всесоюзной научно-практической конференции " Электромагнитное совмещение силовых полупроводниковых преобразователей" (г. Таллин, 1984г.); международной научно-практической конференции «Информационные технологии в образовании, управлении и промышленности» (г. Комсомольск-на-Амуре, 1996 г.); II Всероссийской научно-технической конференции «Информационные технологии в электротехнике и электроэнергетике» (г. Чебоксары, 1998 г.); международной научной конференции «Нелинейные науки на рубеже тысячелетий» (С.-Петербург, 1999 г.); международной научной конференции «Методы и средства управления технологическими процессами» (г. Саранск, 1999 г.); международном симпозиуме «Научное и научно-техническое обеспечение экономического и социального развития Дальневосточного региона» (г. Комсомольск-на-Амуре, 1999 г.); международной научно-технической конференции «Синергетика 2000. Самоорганизующиеся процессы в системах и технологиях», (г. Комсомольск-на-Амуре, 2000 г.); II Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Энергетика: управление, качество и эффективность использования энергоресурсов» (г. Благовещенск, 2000 г.); межрегиональной научно-практической конференции «Роль науки, новой техники и технологий в экономическом развитии регионов» (г. Хабаровск, 2001 г.); международной научно-технической конференции «Электромеханические преобразователи энергии» (г. Томск, 2001 г.); 10- International Symposium "Short-circuit currents in power system" (Lodz, 2002); региональной научно-практической конференции "Проблемы учета и управления потреблением энергоресурсов и воды" (г. Хабаровск, 2003); региональной научной конференции «Нелинейная динамика и прикладная синергетика» (г. Комсо-
мольск-на-Амуре, 2003 г.); международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы лесного комплекса» (г. Брянск, 2003 г.); международной научно-технической конференции «Электроэнергетика, электротехнические системы и комплексы» (г. Томск, 2003 г.); научно-технических семинарах электротехнического факультета Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета, 1986-2003г.;
Созданные макетные образцы пиролизных углевыжигательных установок демонстрировались на международной специализированной выставке "Российские наукоёмкие технологии и техника" в г. Харбине (КНР) (1996г.); региональных выставках в г.г. Хабаровск, Комсомольск-на-Амуре (1996,1998г.г.) и были отмечены грамотами.
Публикации. По результатам исследований, отражённых в диссертационной работе, опубликована монография, 60 научных работ, в том числе 10 патентов и авторских свидетельств Российской Федерации.
Личный вклад автора в совместно опубликованных работах заключается в той их части, которая представлена в настоящей диссертации, а именно: в разработке математических моделей, в развитии методов и методик анализа и синтеза, создании экспериментальных установок и проведении экспериментальных исследований, разработке алгоритмов управления и программного обеспечения.
Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка из 237 наименований и 6 приложений. Она содержит 294 страницы машинописного текста и 133 рисунка.
