Введение к работе
Актуальность темы. В соответствии с экономической программой всемерного улучшения благосостояния общества особый интерес приобретает выпуск товаров народного потребления, в том числе фарфоро-фаянсовых изделий и продукции производства строительных материалов, расширение ассортимента и объема выпуска, а также улучшение качества, необходимого для удовлетворения потребностей народа.
Президентом и правительством Республики Узбекистан приняты постановления, предусматривающие количественное и качественное развитие как в целом по стране, так и в соответствующих регионах фарфоро-фаянсовой отрасли и промышленности строительных материалов. Народнохозяйственные задачи в этом направлении могут быть решены на базе внедрения новых научно-технических достижений, современных математических методов и ЭВМ.
Совершенствование производственных процессов, лучшее» использование материальных ресурсов, увеличение выпуска про- -дукции. улучшение ее качества и повышение эффективности всего производства требуют разработки и внедрения комплекса новых эффективных инструментальных средств управления техническими системами на основе методов математического моделирования.
В фарфоро-фаянсовой отрасли и в промышленности строительных материалов научно-технические исследования в этом направлении еще отстают от таковых в других отраслях, например, в производстве абразивов и стекольной промышленности. Предприятия фарфоро-фаянсовой отрасли и промышленности строительных материалов оснащены, лишь контрольно-измерительными приборами, которые дают исходную информацию о состоянии исследуемого процесса, но не могут изменять его в требуемом направлении.
Качественно новое, эффективное ведение сложных процессов фарфоро-фаянсового производства и производства строительных материалов, в том числе обжига, немыслимо без применения специальных научно-технических разработок. Они связаны с глубокими исследованиями методов и алгоритмов моделирования, а также способов и процедур идентификации, " управления и оптимизации параметров объекта по реальным критериям оценки. '
Целью исследования являются создание концептуальных принципов, развитие теоретических основ и обоснование методологии, методов и моделей оптимального управления непрерывно-действующими техническими системами (НДТС) на примере технологических объектов управления (ТОУ). - процессов политого обжига Фарфоро-фаянсовых изделий и строительных материалов, а также разра-
ботка эффективных вычислительных алгоритмов и комплексов программ, обеспечивающих уменьшение относительных производственных потерь от брака и снижения сортности изделий. .При этом путем теоретического обобщения и исследования ряда прикладных проблем достигается решение важной народнохозяйственной задачи в области совершенствования управления сложными техническими системами.
В рамках сформулированной основной цели поставлены и решены следующие малоизученные задачи исследования:
1. Обоснование методологического подхода в рамках системного анализа к построению комплекса методов и моделей оптимального управления непрерывно-действующими (НД) техническими системами на примере ТОУ и процессов политого обжига фарфоро-фаянсовых изделий и строительных материалов с целью повышения их качества последних.
2. Реализация теоретико-множественного подхода к исследовании количественных и качественных показателей функциональной структуры НД ТОУ и создание на его основе статических и динамических моделей оптимального управления туннельными печами в общем цикле управления протекающими в них процессами обжига.
-
Разработка методик построения оптимальных планов нахождения параметров настроек систем автоматического регулирования с комплексным учетом управляющих параметров.
-
Разработка метода самоорганизации динамических и статических состояний функциональной системы НД ТОУ на основе предложенного обобщенного критерия оптимального управления при недостаточной оприорной информации.
-
Разработка вычислительных методов и программных средств решения задач управления на основе комплекса разработанных моделей.
Для достижения сформулированной цели и решения поставленных задач выполнено следующее:
исследованы теоретические и прикладные вопросы управления НДТС в рамках выделенного класса объектов управления; '
проанализированы состав и структура входных и выходных параметров, а также особенности возмущающих воздействий. предопределяющих принципы функционирования НДТС и рациональные подходы к моделированию процессов и оптимальному управлению;
предложены и исследованы критерии оптимального управления НДТС обеспечивающие уменьшения относительных потерь от брака и повышение сортности продукции;
исследованы ли; г.ческие характеристики НДТС с целью нахождения условий обеспечения устойчивости режима политого о б ж га;
разработаны методики определения оптимальных параметров настройки систем автоматического регулирования (САР), реализации рототабельного центрального композиционного планирования (РЦКП) второго порядка и проведения пассивного эксперимента;
разработаны методы и алгоритмы модульного и иерархи--^ ческого построения адекватных моделей многоуровневых сложных НДТС;
разработаны нелинейные и линейные многоуровневые модели, р адекватно отображающие, реальные особенности и- специфику исследуемого производства;
разработаны методы и алгоритмы построения самоорганизующейся математической модели НДТС, основанные на использовании свойств аддитивности метода самоорганизации в условиях неполноты априорной информации;
разработана методика применения планирования эксперимента при поиске оптимальных параметров процесса политого обжига фарфоро-фаянсовых изделий и строительных материалов;
разработаны многопараметрические и многоуровневые моде-; ли и алгоритмы идентификации выделенного класса объектов уп-, равления;
разработаны алгоритмы метода.случайного поиска с нелинейной тактикой к задачам оценки параметров линейных и нелинейных моделей и алгоритмы генерации случайных чисел на сфере.
Объектом исследования является класс многоуровневых НДТС на примере туннельных печей в совокупности с протекающими в них непрерывно-дискретными технологическими процессами (НДТП) политого обжига фарфоро-фаянсовых изделий и производство строительных материалов, методы построения системы оптимального управления на основе- разработки соответствующего комплекса статических и динамических моделей.
Методы исследования. Проведенные теоретические и прикладные исследования базируются на использовании аппапата современной теории управления, в частности, мєтодое моделирования сложных систем, теории оптимизации, методов иерархического управления, декомпозиции и агрегирования. , а также на проведении практических экспериментальных расчетов на ЭВМ.
Новые научные результаты и основные положения, вносимые на публичную защиту:
конструктивная методология и системное исследование НДТС на примере туннельных печей в неразрывной связи с протекающими в них технологическими процессами политого обжига Фар-форофаянсовых изделий и производства строительных материалов;
критерии целевого управления, динамические и статические характеристики, многоуровневые корреляционные зависи-
мости, математические модели и структура системы управления НДТС на примерах исследуемого класса объектов;
методы и алгоритмы иерархического и модульного построения моделей многоуровневых сложных НДТС;
модели и алгоритмы анализа и оптимального управления НДТС исследуемого класса объектов.
Методологическая новизна работы связана с использованием нового формализованного подхода, позволяющего расширить класс реальных задач, обеспечить комплексность и сбалансированность решений и их интеграцию с другими задачами управления.
Достоверность сформулированных в диссертации научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается согласованностью результатов теоретических и экспериментальных исследований, выполненных с использованием современных методов и средств, а также положительными итогами внедрения.
Практическая ценность работы выражается в создании мето-доло:ии и обосновании комплекса разработанных методов и математических моделей, эффективных алгоритмов и программных средств оптимального управления НДТС на примере туннельных печей и про- текающих в них процессов политого обжига фарфоро-фаянсовых изделий и строительных материалов, обеспечивающих относительное сокращение производственных потерь . от брака и повышение сортности продукции.
Найденные оптимальные режимы работы сложной многопараметрической НДТС позволяют снизить процент относительных потерь от брака и достичь повышения сортности выпускаемых изделий с 33% до 19%, а в некоторых случаях до 13%, что существенно отличается от обычной ситуации на реальном объекте управления.
Предложенные методы, модели и алгоритмы могут быть использованы при модификации систем управления процессами обжига и разработке соответствующих новых автоматизированных систем управления ТС.
Направление работы определено темой НИР кафедры "Высшая математика" N 1 ТГТУ - "Теория вероятностей и математическая статистика". (Гос.регистрация N 01827025470) и темой кафедры "Теоретическая механика" ТАСИ "Разработка оптимальной системы управления для НДТП". (Гос регистрация N 01897204527), входящими в координационный план MB и ССО Республики Узбекистан.
Реализация результатов. Полученные результаты по разработке методологических основ супервизорного режима управления каш ни использование в практике Ташкентского, Кувасаиского фарфоровых и Самаркандского. Джуминского, Ак-Дарьинского, Ишты-хапского кирпичных заводов республики. Установленная технико-экономическая эффективность внедрения результатов исследо-
вания только для одной туннельной пе':н соответствующих заводов составляет 33,243 тыс.руб. (по ценам 1990г.) в год; число туннельных печей составляет не менее трех.
Результаты работы могут быть использованы проектными институтами, занятыми разработкой и решением задач по проектированию туннельных печей и систем их управления для фарфоро-фаянсового производства и промышленности строительных материалов. Кроме того, основные результаты, полученные в диссертации, могут быть включены в учебные программы ВТУЗОВ по общим ! и специальным курсам "Прикладная математика", "Автоматизация I производственных процессов", "Адаптивные системы", "Математическое моделирование и оптимизация систем".
Апробацця работы. Результаты диссертационной работы доложены на II, III,IV Всесоюзных научно-технических конференциях "Математическое, алгоритмическое и техническое обеспечение АСУ ТП" (Ташкент, 1983, 1985, 1988 гг.), на VIII Всесоюзной научно-технической конференции "Информационно-измерительные системы" (1987г.), на Всесоюзном совещании "Проблемы управления-89" (Москва, 1989), на международной конференции "Современные проблемы алгоритмизации" (Ташкент, 1991г.), на Международном симпозиуме (Ташкент, 1994г.), на IV Всесоюзном симпозиуме (Новосибирск. 1989г.), на II Республиканской конференции,"Методические и прикладные аспекты систем автоматизированного проек--тирования и управления в отраслях народного хозяйства" (Ташкент, 1985г.), на V Республиканской научно-технической конференции молодых ученых (1983г.). на научно-теоретической конференции профессорско-преподавательского состава ТГТУ (1981-1995 гг.), на постоянно действующем семинаре кафедры "Высшая математика" N 1 ТГТУ (1981-1995 гг.), на технических советах фарфорового завода г.Ташкента (1985, 1987 гг.), г.Кувасая (1986, 1988 гг.), на технических советах кирпичных заводов г.Самарканда, г.Джумы. г.Иштыхана (1986-1994 гг.), на объединенном научном семинаре отделения N 3 (Управление в технических системах), лаборатории "Моделирование сложных систем" отделения' Н--2 Института кибернетики, лаборатории "Аддитивные системы", "Автоматизация системных исследований" НИИ системных исследований НПО "Кибернетика" АН Республики Узбекистан -(1996г.). на постоянно действующем научном семинаре кафедры "МОВАС" ТашГУ (1996г.), на постоянно действующем научном семинаре при САНИИРИ (1996г.) и на объединенном научном семинаре кафедр "Информатике", "Высшая математика" и "Управление систем электросвязи" ТЭИС (1996г.).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 33 работы, в тем числе 2 монографии, в которых страчено содєр-
жание выполненных исследований.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов по главам, заключения по работе, списка использованной литературы и приложений.
