Введение к работе
Актуальность исследования
Эффективность работы систем автоматического управления технологическими процессами определяется как структурным построением, так и программно-аппаратной реализацией. Быстрое развитие электронной и вычислительной техники позволяет реализовать новые принципы управления, более эффективные алгоритмы. Это позволяет значительно повысить качество управления, но требует новых подходов к синтезу и реализации структур управления.
Анализ отечественной и зарубежной литературы, патентов и технической документации показал, что при разработке и реализации САУ технологическими процессами, как правило, используются линейные (линеаризованные) структуры управления. В настоящее время аппаратура управления даже таких известных фирм как Siemens, Mitsubishi и т.д. основана на линейном управлении, а библиотеки программных модулей содержат, в основном, модули для построения линейных или простейших релейных регуляторов.
Современный уровень развития вычислительной техники позволяет реализовать методы оптимального управления, адаптивные системы, использовать при регулировании математические модели. Использование современных математических методов управления и необходимых для их реализации технических решений позволяет значительно, иногда многократно, повысить основные параметры САУ — быстродействие, точность, диапазон регулирования.
Причины, препятствующие разработке таких систем:
Необходимость создания достоверной математической модели объекта управления.
Отсутствие методик практического использования теории оптимального управления для синтеза структур САУ.
Сложность синтеза адаптивных каналов в системах оптимального управления в связи с тем, что такие системы существенно нелинейны.
Многообразие синтезированных на основе теории оптимального управления структур, предполагает использование при реализации нестандартные аппаратно-программные блоки.
Практически полное отсутствие методик настройки нелинейных систем.
Повышение качества регулирования за счет разработки алгоритмов управления на основе современного математического аппарата и их реализация актуальны для решения технологических задач в любой отрасли. Особенно это актуально для специальных объектов, в которых существуют дополнительные технологические ограничения на работу САУ, а параметры объекта управления нестационарны и существенно влияют на процесс управления, при этом параметры, как правило, сложно или невозможно определить расчетным или экспериментальным путем.
К таким объектам относятся, например, системы управления дрессировочными станами, в которых коэффициенты передачи объекта меняются в десятки раз и зависят от химического состава полосы, коэффициента трения в очаге деформации, неравнометности рекристаллизационного отжига, скорости, температуры и т.д. На CAPO, которая поддерживает относительное обжатие (вытяжку) полосы, накладываются дополнительные ограничения, связанные с исполнительными механизмами (НУ), измерением параметров, требование стабилизации давления в клети.
Актуальность синтеза структуры и реализации CAPO определяется двумя факторами:
Дрессировка является операцией, позволяющей улучшить механические
свойства. Способность металла к глубокой вытяжке при последующей штампов-
ке определяется качеством поддержания оптимального относительного обжатия по длине полосы, то есть качеством работы CAPO.
Методы синтеза алгоритмов и структур CAPO явились основой создании САУ различными специальными объектами.
Универсальность предложенных подходов к синтезу структур, в том числе, с использованием алгоритмов оптимального и адаптивного управления, регулирования на основе математических моделей, комбинированных методов была подтверждена при разработке САУ по договорам, выполняемым НПО «Уралчерме-тавтоматика» более, чем на 500 предприятиях.
Объект исследования - методы синтеза структур и реализации САУ специальными технологическими объектами (на основе исследования САУ дрессировочными станами).
Предмет исследования — развитие методов синтеза и реализации структур САУ специальными технологическими объектами.
Глобальная цель работы
Развить методы синтеза структур САУ с использование современного математического аппарата. Разработка программно-аппаратных решений и методов настройки параметров для реализации этих структур.
Локальные цели работы
Получить новые знания в виде структур управления специальными технологическими объектами. Провести практическую реализацию этих структур и предлагаемых технических решений.
Задачи исследования
-
Анализ проблематики САУ специальными технологическими процессами с выходами на пакет научных прототипов на основе систем автоматизации дрессировочных станов.
-
Критика существующих прототипов на уровне структур и алгоритмов их функционирования.
-
Разработка пакета структурных и алгоритмических моделей.
-
Разработка алгоритмов и структур CAPO на основе теории оптимального управления^
-
Синтез адаптивных каналов в CAPO.
-
Синтез алгоритмов и структур инвариантного управления на дрессировочных станах.
-
Практическая реализация разработанных алгоритмов и структур CAPO.
-
Использование методов синтеза алгоритмов CAPO для разработки различных САУ специального назначения
-
Структурный анализ.
-
Анализ технико-экономической эффективности принятых решений.
Методы исследований.
Теоретические исследования проводились на базе системного анализа, теории автоматического управления, теории оптимального управления, теории адаптивных и самонастраивающихся систем, математического моделирования, теории электропривода, теории прокатки.
Реализация, оптимизация и испытания САУ проводились в лабораторных и промышленных условиях с использованием математического и физического моделирования, схемотехнических и программных решений.
Научная новизна.
1. Предложен пакет прототипов по проблеме синтеза и реализации структур САУ дрессировочными станами, отличающийся тем, что предложенный пакет
включает методики расчета и математическое описание объекта управления, способы измерения параметров и выбора канала воздействия.
-
Проведен анализ пакета прототипов, отличающийся тем, что исследованы математические основы синтеза алгоритмов прототипов и связанные с этим недостатки, а также рассмотрено влияние технологических ограничений, параметров объекта управления и характера входных возмущений на структуру САУ.
-
Разработан пакет проектов по развитию методов синтеза и реализации CAPO, отличающийся тем, что при синтезе алгоритма и структуры управления учтены особенности дрессировочного стана как объекта управления, а также использованы современные математические методы.
-
Проведено моделирование и проектирование CAPO, отличающиеся синтезом на основе теории оптимального управления с использованием адаптивной модели дрессировочного стана.
-
Впервые на основе теории оптимального управления осуществлен синтез алгоритма и структуры CAPO.
-
Впервые разработан пакет алгоритмов и структур самонастраивающихся CAPO.
-
Впервые разработаны алгоритмы и структуры CAPO, инвариантные к изменению входной толщины.
-
Проведено апробирование предлагаемых методов синтеза структур и реализации САУ при проведении более чем 350 НИР и ОКР, в том числе CAPO на 8 дрессировочных станах. Проведен технико-экономический анализ эффективности предложенных решений.
Положения, выносимые на защиту.
I. Пакет научных прототипов, учитывающий особенности дрессировочного стана как объекта управления. В литературе такого пакета нет.
-
Методология исследования и математического описания объекта управления, формирование требований к построению CAPO с учетом технологических ограничений и особенностей технологического процесса. Создание математической модели дрессировочного стана как объекта управления.
-
Метод синтеза алгоритмов и структур CAPO на основе теории оптимального управления и теории адаптивных систем.
-
Алгоритм и структура CAPO, построенные по принципу оптимального управления.
-
Метод синтеза алгоритмов работы адаптивных CAPO с активной и пассивной самонастройкой.
-
Пакет алгоритмов и структур самонастраивающихся CAPO.
-
Алгоритм работы CAPO инвариантной к изменению входной толщины.
-
Промышленные образцы разработанных CAPO и анализ эффективности их использования.
-
Использование методологии синтеза алгоритмов и структур CAPO на других специальных объектах.
Практическая ценность и реализация результатов диссертационного исследования состоит в том, что использование предлагаемых методов синтеза систем регулирования позволило разработать и реализовать более 200 типов САУ технологическими процессами. Разработаны программно-аппаратные средства для реализации разработанных САУ. На основе этих исследований созданы методические материалы, стандарты и руководства, обязательные при разработке САУ в НПО УЧМА.
Разработаны методические указания по проведению наладочных работ и оптимизации параметров при внедрении САУ оптимального управления, при косвенном определении параметров объекта управления на основе адаптивной математической модели, при минимальном времени наладочных работ.
Разработанные САУ внедрены на предприятиях различных отраслей. Значительная часть разработок САУ проведена для зарубежных заказчиков из более, чем 30 стран, в том числе Великобритании, Германии, Франции, Швеции. По итогам 2010 года НПО УЧМА стало лучшим экспортером Свердловской области.
Использование структур САУ, разработанных на основе предложенных методов, позволило получить параметры САУ, как правило, существенно превосходящие аналоги. Разработки удостоены золотых медалей на международных выставках в Вене, Женеве, Брюсселе, Париже, Международной золотой звезды качества, премий Правительства РФ и Евросоюза.
За непосредственное участие и научное руководство разработками автор награжден премиями им. Татищева - де Геннина (2001г.), им. Черепановых (2012г.), ведомственными и правительственными наградами.
Апробация и публикация работ.
Материалы диссертации докладывались более чем на 40 конференциях, семинарах, симпозиумах. Разработки защищены 51 авторским свидетельством и патентом, в т.ч. 13 по открытым разработкам.
Основное содержание диссертации отражено в 350 отчетах по НИР и ОКР и ряде статей.
Личное и творческое участие автора.
В диссертации изложены результаты исследований, полученные автором самостоятельно, а также в качестве научного руководителя коллектива специалистов. При этом лично автору принадлежит выбор направления исследований, постановка задач, определение методологии исследований, руководство анализом и обобщением экспериментальных данных, руководство и непосредственное участие в синтезе структур САУ, руководство внедрением головных образцов САУ на промышленных объектах.
Структура диссертационного исследования представлена на рис.1
Заказ
I Логика развития отрасли
ПРОГРАММА 1. Анализ проблемы синтеза САУ дрессировочными станами
ПРОГРАММА 3. Синтез алгоритмов и структур CAPO
Проект 3.1 Синтез CAPO на основе теории оптимального управления
Проект 3.3 Синтез CAPO с инвариантным управлением
ПРОГРАММА 4. Техническая реализация и лабораторные исследования CAPO
Проект 4.1 Измерение и фильтрация сигнала относительного обжатия
Проект 4.2 Выбор структуры и техническая реализация CAPO
Проект 4.3 Исследование адаптивных CAPO в лабораторных условиях
ПРОГРАММА S. Внедрение и исследование САУ на промышленных объектах
Проект 5.1 Исследование работы CAPO при промышленной эксплуатации на дрессировочных станах.
Проект 5.2 Использование методов синтеза алгоритмов CAPO на других специальных объектах.
5.2.1
5.2.2
ПРОГРАММА б. Организация корпоративного инновационного менеджмента
Проект 6.1 Менеджмент инновационной деятельности предприятия
Проект 6.2 Планирование и контроль выполнения инновационных программ
Проект 6.3 Коммерциализация инновационной деятельности
ПРОГРАММА 7 Оценка эффективности принятых решений
Проект 7.1 Социально-экономическая эффективность принятых решений
Проект 7.2 Технические результаты проведенных исследований
+ Выполненный заказ | Новые знания, алгоритмы и структуры
Рис. 1 Структура диссертационного исследования
(Проекты 2.1- системно-структурная модель синтеза алгоритмов управления, проект 2.2 -алгоритмическая модель синтеза CAPO, 2.3 - создание математической модели процесса дрессировки, 2.4 - выбор и распределение регулирующих воздействий, 2.5 - выбор режима работы НУ, определение условий инвариантности. Подпроекты: 1.1.1 - дрессировочный стан как объект управления, 1.1.2 - современное состояние автоматизации дрессировочных станов, 1.2.1 -каналы управления, 1.2.2 - структуры CAPO, 1.2.3 - адаптивные каналы в CAPO, 1.3.1 - создание математической модели процесса дрессировки, 1.3.2 - выбор канала управления, 1.3.3 -синтез структуры CAPO, 1.3.4 - синтез адаптивных каналов в CAPO, 1.3.5 - синтез CAPO, инвариантных к изменению входной толщины, 3.2.1 - синтез CAPO с пассивной самонастройкой, 3.2.2 - синтез CAPO с замкнутым циклом самонастройки, 3.2.3 - компенсация влияния возмущений на процесс адаптации. 5.2.1 - Синтез структуры и реализация САУ ГЦН АЭС, 5.2.2 -Синтез структуры и реализация САУ синхронным электроприводом для ЦИПЛ г.Уси, Китай)
