Введение к работе
Актуальность темы. Научно-технический прогресс должен быть нацелен на радикальное улучшение использования природных ресурсов, сырья, материалов, топлива и энергии на всех стадиях производства.
Наличие крупномасштабного металлургического производства диктует необходимость, наряду с введением в строй новых мощностей, использования ранее освоенных на основе технического перевооружения, реконструкции, внедрения новейших достижений науки и передового опыта. Наряду с проблемой получения слитков высокого качества перед черной металлургией стоят конкретные задачи по экономии и рациональному использованию топливно-энергетического потенциала. Снижение расхода топлива на 1% в отрасли на нагрев металла приводит к экономии примерно I млн. т.у.т. в год, а увеличение' выхода годного металла на 1$ экономит дополнительно 1,5 млн.т. черных металлов.
'Управление процессами теплообмена оптимальным образом дает возможность сократить непроизводительные потери энергии, обеспечить наибольшую производительность оборудования, получить с максимальным быстродействием (качеством) требуемые технологические характеристики (например, заданное температурное распределение по сечению слитка, либо заготовки). Динамика процессов в этих задачах описывается дифференциальными уравнениями в частных производных и обыкновенными дифференциальными уравнениями.
Решение задач оптимального управления ведется с середины 50-х годов. Значительный вклад в теорию данного вопроса внесен в работах Л.С.Помрягина, Н.Н.Красовского, Р.Габасова, Ф.М.Кирилловой, Р.Беллмана, А.И.Егорова, К.Л.Лурье, В.А.Троцкого, К.Л.Лионса, Т.К.Сиразетдинова и др. Общеизвестны следующие методы оптимального управления: принцип максимума, метод моментов, динамическое программирование, метод финитного управления.
исторически сложилось так, что отмеченные методы широко используются при построении оптимальных теплотехнологий нагрева металла (работы Э.М.Гольдфарба, И.С.Ибряева, Э.С.Гескина, Ю.И.Ро-зенгарта, В.Г.Лисиенко, В.М.Ольшанского, А.И.Іарднбахіша, А.Г.Бут-ковского, С.А.Малого, Ю.Н.Андреева и др.).
В последнее время в работах А.И.Пааасюка, В.И.Панасека, В.А.Якубовача, Л.Ф.Зеликиной и др. разработан.метод магистральной оптимизации.* Использование аппарата этой теории нашло эффективное применение при решении многих прикладных задач оптимального управления, в том числе задач оптимального управления электроприводом.
Однако для оптимального упраалешя тепловыми процессами метод асимптотической магистральной оптимизации не нашел своего применения. Учитывая, что магистральная теория дает достаточно простую схему определения основной части оптимального процесса, целесообразно обобщить некоторые результаты этой теории на случай вадач построения оптимальных гедлогехнологий.
Кроме того, использование аппарата магистральной теории в задачах управления процессами нагрева металла обусловлено тем, что время нагрева металла часто оказывается много больше минимально необходимого. В этом случае появляется возможность декомпозиции задачи оптимального управления, так как изменение . фазовых координат происходит на достаточно большом интервале времени. Среди траекторий нагрева металла можно выделить такие, которые стремятся к магистрали с увеличением времени нагрева. При этом нахоадение в окрестности магистрали или совпадение в ней дает минимум функционала качества.
Исходя из достаточно простой схемы определения основной части оптимального процесса при реализации магистральной теории, а также важности проблем, связанных с технологическим процессом нагрева стали, представляется весьма актуальной разработка метода асимптотической оптимизации применительно к задачам теплообмена.
Цель работы заключается в создании теоретических основ (метода и алгоритмов) асимптотической оптимизации применительно к задачам расчета оптимальных технологий нагрева металла, а такае внедрение новых ресурсосберегающих теплотехшлогических режимов в нагревательных пзчах.
'А.И.Цанасюк, В.М.Панасюк. Асимптотическая магистральная оптимизация управляемых систем. - Мн.: Наука и техника, 1986. -2Э6 с.
Научная новизна работы состоит в следующем. Ра&работан метод асимптотической оптимизации решения задач теоретической теплотехники, ориентированных на построение эффективных ресурсосберегающих технологий.
Получены обобщения теорем о магистрали для систем с распределенными и сосредоточенными параметрами. Даны схемы построения магистралей и изучена структура магистрального множества. Изучены свойства магистральных режимов.
Разработана методика расчета оптимальных технологий нагрева металла в печах различных типов.
Получены оригинальные алгоритмы оптимального управления нагревом тел при различных технологических ограничениях, условиях теплообмена, критериях качества, геометрических типоразме- . pax.
Даны новые закономерности о структуре оптимального процес- са нагрева.
Разработаны новые технологии нагрева стали в кольцевых и проходных печах.
Разработано программное обеспечение для решения задач построения оптимальных теплотехнологий.
Практическая и теоретическая ценность работы. Разработанные алгоритмы показали свою эффективность. Так, например, здесь полностью решена задача, которая сформулирована в работе , но решение ее там не было получено. При некоторых предположениях показано, что возможно получить заданное распределение температуры в теле за определенное (конечное) время (наиточнейший нагрев) , что является вакньм при разработке режимов нагрева металла для конкретных условий. Асимптотическая (магистральная) оптимизация предполагает декомпозицию исходной задачи на более простые подзадачи, одна из которых является задачей определения магистрали. Эта задача оказывается задачей математического программирования, что при наличии свойства управляемости на магистрали позволяет определить оптимальные управления только в результате ее решения без использования традиционных методов оптимизации. Это в итоге существенно упрощает решение задачи оптимального управления в той области изменения независимых переменных, где
Берщанскии Я.М. Некоторые особенности поведения оптимальных траектории в задачах,линейных по управлению //Автоматика и телемеханика. - 1985. - № 10. - С.169-172
оптимальные решения (значения зависимых переменных) принадледат магистральному множеству (магистрали). Зтог аффект оказывается доминирующим в том случае, если мера области, на которой рассматриваются решения системы, достаточно валика. Доказана возможность эквивалентной замены функционала качества другим, более простым, что приводит, о учетом использования асимптотических свойств задачи управления, к ее решению. Применение же принципа максимума для этих задач наталкивается на известную трудность -необходимо решать соответствующую краевую задачу, которая связана с задачей выбора начальных значений сопряженных переменных. Описанный способ решения позволяет обойти эту трудность.
Прикладное значение имеют результаты по расчету режимов нагрева металла (наиточнейший нагрев) с внутренним источником теплоты; алгорнпш, позволяющие наибыстрейшим образом получать заданное распределение температуры в металле; результаты по расчетам режимов нагрева металла с минимальным окислением, обезуглероживанием, расходом топлива (газа). Практическую ценность представляет собой методика решения задач построения оптимальных тешютехнологий, а также рекомендации по их внедрению в автоматизированных системах управления технологическим процессом нагрева и разработанное программное обеспечение. Ваяны о практической точки зрения полученные экономичные режимы работы-кольцевых и проходных печей, реализация схем сжигания топлива с недостатком воздуха-окислителя в высокотемпературных зонах печи. - Разработанный подход к расчету оптимального нагрева металла позволяет исследовать тепловые режимы работы нагревательных печей при любой их производительности, шаге раскладіш заготовок на поду печи и может быть перенесен на нагревательные устройства других конструкции.
Результаты исследований могут быть использованы научно-исследовательскими и проектными организациями ШШШ "Теплопроект" (г.Москва), БНИШТ (г.Екатеринбург), Институтом черной металлургии (г.Москва), "Стальпроект" (г.Москва), Укргипромез (г.Днепропетровск), Гипромез (г.Москва).
Практические к теоретические результаты диссертации могут быть использованы теплотехническими службами, отделами металлургических а машиностроительных предприятий, занимающихся npod-
лемами эксплуатации, автоматизации проектирования нагревательных печей.
Некоторые теоретические разработки включены в учебные пособия, используются при вьшолнении лабораторных, курсовых и диплрм-ных проектов. Таким образом внедрены в учебный процесс.
Реализация и внедрение работ» в промышленности. Основные результати, приведенные в диссертационной работе, прошли опытно-промышленное опробование на Днепровском мет&щгургическом комбинате, Белорусском металлургическом заводе.
В производство внедрены температур'но-тешгавые режимы кольцевой печи стана 250 и режимы нагрева непрерывно-литых заготовок в печи с шагающими балками и шагающими подом мелкосортного стана 320/150.
Суммарный долевой экономический эффект от внедрения разработок за счет снижения удельного расхода топлива, окалинообра-зования, обезуглероживания, улучшения качества металла составляет 850,286 тыо.руб. (в отарах ценах).
Апробация работы.Материалы диссертации докладывались и обсуждались: на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава БГПА в І985-І99І гг.і на ХП объединенном семинаре "Прикладная информатика автоматизированных систем проектирования, управления, программированной эксплуатации", Калининград, І987 г.; на Мевдународном съезде и коллоквиумах "Математическая оптимизация. Теория и применения", Айзенах, ГДР, 1986, 1988, 1989 гг., на Всесоюзной научно-технической конференции "Актуальные проблемы моделирования и управления системами с распределенными параметрами", Одесса, 1987 г.; на Второй Всесоюзной научной конференции "Проблемы энергетики тешіотехно-логии", Москва, 1987 г.; на объединенном семинаре по проблемам управлення (Институт'математики АН EGGP - БелгОсукиверситет им. В.И.Ленина), Мййся, 1988 г.; на семинаре института проблем управления, Москва, 1988 г.; на секции Всесоюзной школы, посвященной проблемам оптимизации, Ижевск-, 1989 г.; На Республиканской научно-технической конференции "Повышение эффективности использования топливно-энергетических ресурсов в черной металлургии", Днепропетровск, 1989 г.; на Международной научной сессии ВМіДО, София, НРБ, 1989 г.; на 10-й Всесоюзной теплофизи-
ческой школа, Тамбов, 1990 г., на Всесоюзной научно-технической конференции "Современное состояние, проблемы и перспективы энергетики и технологии в энергостроении", Иваново, 1989 г.; на Всесоюзном научно-техническом совещании "Интенсификация тепловых, массообменных и физико-химических процессов в металлургических агрегатах"', Свердловск, 1989 г.; на Международном конгрессе "Оптимальное управление в механических системах", Москва, 1992 г. Автор-защищает:
асимптотический подход к расчету ресурсосберегающих технологий нагрева заготовок в печах различных типов;
математические модели, теоретические и практические результаты нагрева сплошных, круговых цилиндров, неп^ерывнолитых заготовок в кольцевых и проходных печах;
методику репения задач управления процессами теплообмена при различных технологических ограничениях и критериях качества;
алгоритмы но получению технологий для рассматриваемых типовых условий нагрева;
результаты по идентификации математических моделей процессов теплообмена, окисления и обезуглероживания стали;
способы тепловой обработки стальных заготовок;
способы создания малоокислительной атмосферы в проходных печах;
основы ресурсосберегающей технологии и внедрение ее в производство.
Публикации материалов. Основное содержание и результаты диссертационной работы отражены в 43 печатных работах, в том числе двух монографиях.
Объем и структура работы. Диссертация представлена на 328 страницах машинописного текста, содержит 10 рисунков, 12 таблиц, состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 210 наименований, а также приложения на 26 страницах.
