Содержание к диссертации
Введение
Глава 1- Анализ экологического состояния воздушного бассейна на примере городов Иркутской области и постановка задачи синтеза системы управления экоситуацией 16
1.1. Состояние атмосферного воздуха в городах Иркутской области 16
1.2. Мониторинг загрязнения природной среды . 22
1.3. Постановка задачи синтеза системы управления экоситуацией 29
1.4. Выводы 32
Глава 2. Проблемы синтеза многосвязной системы управления экоситуацией 33
2.1. Актуальность задачи синтеза систем многосвязного управления 33
2.2. Анализ методов синтеза систем управления 36
2.3. Основы метода синтеза систем управления
с использованием структурных графов 46
2.4. Методика синтеза многосвязной системы управления экоситуацией 56
2.5. Выводы 61
Глава 3. Синтез структуры и разработка математической модели многосвязной системы управления экоситуацией 62
3.1. Экологическое состояние воздушного бассейна как объект управления 62
3.2. Разработка модели многосвязной системы управления экоситуацией 68
3.3. Определение размерности матрицы произведения...81
3.4. Выводы 85
Глава 4. Синтез и реализация алгоритма управления экоситуацией 87
4.1. Синтез алгоритма управления экоситуацией 87
4.. Реализация алгоритма управления экоситуацией 94
4.3. Анализ результатов синтеза 101
4.4. Рекомендации по использованию результатов синтеза 108
4.5. Выводы 110
Заключение 111
Литература
- Состояние атмосферного воздуха в городах Иркутской области
- Актуальность задачи синтеза систем многосвязного управления
- Экологическое состояние воздушного бассейна как объект управления
Введение к работе
Под загрязнением атмосферы понимается изменение ее состава в результате наличия в ней примесей. Антропогенная деятельность оказывает все возрастающее негативное влияние на состав атмосферы. Воздушные потоки часто несут целые шлейфы вредных соединений, распространяющийся на значительные расстояния. Это приводит к ухудшению атмосферных свойств, что губительно сказывается на жизнеспособности биосферы.
Сосредоточение на территории Иркутской области крупных экологически опасных промышленных производств, использование отсталых технологий, отсутствие эффективного очистного оборудования привели к возникновению районов с неблагополучной экологической ситуацией, в число которых входят города: Ангарск, Братск, Зима, Иркутск, Усолье-Сибирское, Мелехов, Черемхово.
Из-за наличия на территории области таких метеорологических Факторов, как температурные инверсии, большая повторяемость штилей и слабых ветров, туманов и преобладание незначительных осадков, способствующих накоплению примесей, потенциал загрязнения атмосферы значительно возрастает.
Наиболее напряженная эколо гическая обстановка сложилась в г. Братске. Город относится к крупным промышленным узлам Восточной Сибири,в нем расположены крупнейшие предприятия различных отраслей, сосредоточенные на незначительной территории. Ряд веществ, присут^ ствующих в атмосфере г. Братска, обладает эффектом суммирования токсического действия. В результате фотохимических процессов в
5 воздушной среде образуется сложная гамма вредных соединений, состав которых изучен недостаточно.
Решением Правительства России г. Братск отнесен к разряду зон экологического бедствия. Сложившаяся экологическая ситуация в Иркутской области, и, в частности, в г. Братске, требует принятия срочных мер по снижению атмосферного загрязнения.
Существующие в мировой промышленной практике способы очистки атмосферного воздуха можно разделить на две основные группы: использование газоочистного оборудования! выбор технологических режимов функционирования промышленных предприятий при неблагоприятных погодных условиях, затрудняющих рассеивание вредных примесей в атмосфере.
Применение этих способов приведет лишь к частичному восстановлению равновесного экологического состояния воздушного бассейна в городах с высокой концентрацией промышленных объектов.
Одной из задач комплексного исследования окружающей воздушной среды является разработка способов контроля и управления реальным экологическим состоянием приземного слоя атмосферы, определяемым естественными метеорологическими и геофизическими параметрами, а также антропогенными возмущениями от промышленных предприятий.
Настоящая диссертационная работа посвящена решению актуальной проблемы очистки воздушного бассейна в зонах экологического бедствия путем направленного локального изменения состояния атмосферных параметров с помощью технических устройств.
Цель диссертационной работы: проведение синтеза многосвязной системы управления (СУ), обеспечивающей поддержание экологического состояния приземного слоя атмосферы в городах с высокой концентрацией промышленных объектов на уровне стандартного санитарного состояния.
В процессе синтеза многосвязной системы управления экологической обстановкой использовались основные положения физики приземного слоя атмосферы, методы теории систем многосвязного управления, теории автоматического регулирования и управления, теории графов, матричного исчисления, а также аппарат цепнык дробей. Некоторые результаты работы получены с помощью моделирования на ЭВМ. Научная новизна работы: разработана формализованная методика синтеза многосвязной системы управления экологическим состоянием воздушного бассейна; экологическое состояние приземного слоя атмосферы в зонам антропогенной нагрузки предлагается рассматривать как многосвязный объект управления с распределенными параметрами; предложен метод аналитического синтеза алгоритма управления экологическим состоянием воздушного бассейна: предложен метод реализации алгоритма управления экологическим состоянием воздушного бассейна.
Решены частные вопросы,, возникшие в процессе синтеза многосвязной системы управления экологическим состоянием воздушного бассейна: выведена Формула порядка матрицы произведения; предложен способ понижения порядка матричного уравнения системы; предложен способ исключения неустойчивых звеньев из структуры системы.
Положения, выносимые на защиту: постановка задачи синтеза системы управления экологическим состоянием приземного слоя атмосферы в зоне антропогенной нагрузки; методика синтеза многосвязной системы управления экологическим состоянием воздушного бассейна; результаты исследования экологического состояния воздушного бассейна в промышленной зоне города как многосвязного объекта управления с распределенными параметрами; метод аналитического синтеза алгоритма управления экологическим состоянием воздушного бассейна; метод реализации алгоритма управления экологическим состоянием воздушного бассейна.
Исследования автора выполнялись в рамках госбюджетной тематики "Топологические методы идентификации и синтеза систем управления
7 многосвязными объектами" (код ГАСНТИ ЮВОЙ), выполняемой в Братском индустриальном институте по направлению "Теория, методы и средства автоматизации систем переработки информации и управления".
Результаты диссертационной работы позволили оценить возможность организации управления экологическим состоянием воздушного бассейна, они могут служить теоретической основой для решения задач экологической безопасности г. Братска, согласно Постановлению Правительства РФ от 23.04.1994г. N 37 "Федеральная целевая программа неотложных мер по улучшению состояния окружающей среды, санитарно-эпидемиологической обстановки и здоровья населения г. Братска", а также построения системы территориального управления экоситуалией.
Результаты проведенных теоретических исследований используются в учебном процессе Братского индустриального института.
Основные положения и результаты исследований докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях Братского индустриального института С14 научно - техническая конференция - Братск, 1993: 17 - Братск, 1996; 18 - Братск, 1997; 19 - Братск, 1998).
Выполняемые на базе Братского индустриального института научные разработки, связанные с практическими приложениями предлагаемой методики по управлению экологическим состоянием воздушного бассейна, экспонировались на следующих выставках: 4-й международной универсальной выставке-ярмарке (Братск, 13-16 Февраля 1996г.); выставке-ярмарке "Наука, образование и новые технологии" (Иркутск, 10-13 апреля 1996г.): Братской универсальной ярмарке (Братск, 16-21 декабря 1997г.). За рубежом: в составе экспозиции Братскго индустриального института - "Разработка методов управления воздушным бассейном промышленных зон городов" - Англия, апрель 1994г.; в составе экспозиции Иркутской области - "Организация экологического мониторинга в зонах промышленных выбросов (система управления экологическим состоянием воздушного бассейна промышленных городов)" - г. Сеул (Корея), декабрь 1994г.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы,
В первой главе проведен анализ экологического состояния воздушного бассейна на примере городов Иркутской области: дана характеристика экологического состояния атмосферного воздуха,рассмотрена структура Иркутской региональной системы экологического мониторинга СИРСЭМ).
Результаты анализа информации о состоянии окружающей среды и природных ресурсов Иркутской области позволяют заключить, что экологическая обстановка в области остается напряженной, несмотря на наметившуюся тенденцию к снижению выбросов вредных веществ в атмосферу промышленными предприятиями из-за спада производства.
Описан комплекс мероприятий по охране воздушной среды от загрязнения, предлагаемый Иркутским облкомприроды, а также рассмотрены некоторые современные способы очистки атмосферного воздуха, нашедшие применение в мировой промышленной практике. Использование существующих методов является необходимым, но не достаточным условием восстановления экологического равновесия в городах, имеющих концентрированные промышленные зоны. В завершение главы сформулированы основные задачи диссертационной работы: исследование экологического состояния воздушного бассейна в зонах антропогенного возмущения от крупных промышленных предприятий как многосвязного объекта управления: проведение синтеза алгоритма управления экологическим состоянием приземного слоя атмосферы в зонах антропогенной нагрузки.
Таким образом, предлагается осуществить синтез многосвязной системы управления, обеспечивающей локальное поддержание экологического состояния приземного слоя атмосферы в крупных индустриальных центрах на уровне стандартного санитарного состояния.
Вторая глава посвящена анализу основных проблем синтеза многосвязной системы управления зкоситуацией.
Синтез сложных многомерных многосвязных систем большой размерности является значительной проблемой, но необходимость синтеза подобных систем все возрастает, так как после решения задачи управления отдельными объектами возникает задача управления целыми комплексами объектов. Эти объекты могут значительно отличаться друг от друга по своим динамическим характеристикам, физической и технической природе.
Применение вычислительной техники для синтеза сложных систем потребовало пересмотра существующих методов синтеза. Стремление к максимальной автоматизации проектных и исследовательских работ вызывает необходимость создания новых методов синтеза сложных систем управления, специально ориентированных на использование ЭВМ.
Результаты проведенного анализа существукщих методов синтеза систем управления: операторного,частотного,корневого, вариационного, динамического программирования, топологического, а также методов автоматизированного проектирования показали, что перечисленные методы в основном ориентированы на принятие решений конструктором, включают большой объем вычислительных операций,слабо формализованы, часто имеют низкую точность и жесткую схему решения. Все это затрудняет применение вышеперечисленных методов для синтеза многосвязной системы управления экологической обстановкой. Установлено, что метод на основе структурных графов СС-графов) является в настоящее время практически единственным методом Формализованного структурного синтеза сложных систем управления.
При структурном синтезе системы предлагается вершинам С-графа поставить в соответствие операторы системы, а ветвям - параметры. Показано, что С-граФ дает более развернутую картину взаимосвязи компонент, чем структурная схема, выделяя основные функциональные звенья. Это обстоятельство является важным для синтеза.
10 Математическую модель системы, представленной С-графом, предлагается записывать в матричной форме. Данная модель представляет собой однородную систему уравнений, описывает состояние и поведение синтезируемой системы управления, содержит запись собственно структуры системы и ее связности, что позволяет проводить анализ сложных структур.
Методика синтеза многосвязной системы управления экологической обстановкой состоит из следующих основных этапов: формулирование требований к системе на основании технического задания на проектирование: анализ объекта и выбор каналов управления: построение графа связности системы: построение структурной схемы системы: построение С-графа системы: получение математической модели системы: синтез алгоритма управления: декомпозиция структуры алгоритма управления при получении сложной структуры; разработка рекомендаций по технической реализации системы. Таким образом, в главе решены следующие задачи: показана актуальность проблемы разработки методов синтеза сложных систем управления: обоснована необходимость применения метода С-графов для синтеза многосвязной системы управления экологической обстановкой: рассмотрены основы метода С-графов; разработана формализованная методика синтеза системы.
В третьей главе проведен синтез структуры и получена математическая модель многосвязной системы управления экоситуацией.
В соответствии с методикой синтеза, прежде всего сформулировано требование к системе управления экоситуацией: поддержание экологического состояния воздушного бассейна города с концентрированной промышленной зоной на уровне стандартного санитарного состояния.
Параметры, характеризующее экологическое состояние приземного слоя атмосферы, делятся на две группы:
1- Метеорологические: атмосферное давление и его пространственное изменение: температура воздуха и ее пространственное изменение; влажность воздуха; коэффициент турбулентности воздушных течений; скорость горизонтального перемещения воздуха; скорость подъема воздуха;
2. Геофизические: напряженность электростатического поля; полный вертикальный ток (потенциал ионосферы), складывающийся из токов проводимости и конвекции: проводимость воздуха; уровень радиационного Фона,
Нарушающим экологическое равновесие фактором являются выбросы промышленных предприятий, в связи с чем вводятся два дополнительных параметра: интенсивность промвыбросов в точке их выхода; интегральный уровень загрязненности воздушного бассейна.
Рассмотрены основные положения теории определяющего влияния величины напряженности электростатического поля на течение процессов в воздушной среде и состояние здоровья населения.
Сформулирована концепция управления экологическим состоянием воздушного бассейна: искусственное локальное поддержание величины напряженности электростатического поля, наиболее полно характеризующей текущее состояние объекта,в области допустимых значений снизит содержание вредных примесей в атмосфере до уровня предельно-допустимых концентраций, а также окажет благотворное влияние на процессы жизнедеятельности организмов.
Сложность объекта управления потребовала нахождения множества точек приложения управляющих воздействий. Исследование параметров приземного слоя атмосферы с точки зрения возможности прямого локального изменения их состояний доступными техническими
12 средствами выявило следующие параметры: влажность воздуха, изменение которой приведет, в свою очередь, к изменению атмосферного давления и температуры воздуха, поскольку три указанных параметра являются взаимозависимыми; уровень радиационного Фона; потенциал ионосферы; интенсивность промвыбросов в точке их выхода.
Изменение влажности воздуха, уровня радиационного Фона, интенсивности промвыбросов в точке их выхода повлечет за собой изменение проводимости воздуха, а следовательно, и величины напряженности электростатического поля.
Таким образом, искусственное локальное воздействие в желаемом плане на направление и величину напряженности электростатического поля предлагается осуществлять по следующим основным каналам: влажность воздуха - проводимость воздуха - напряженность электростатического поля: уровень радиационного фона - проводимость воздуха - напряженность электростатического поля: интенсивность промвыбросов в точке их выхода - проводимость воздуха - напряженность электростатического поля; - потенциал ионосФерыннапряженность электростатического поля. Предложенные каналы управления позволяют рассматривать экологическое состояние приземного слоя атмосферы в зонах антропогенной нагрузки как многосвязный объект управления с распределенными параметрами.
На основании установленного взаимодействия параметров системы построен граф связности, где вершинами служат параметры,а ветвями -Функциональные связи между параметрами и их направление. Входными параметрами графа связности системы являются: градиент атмосферного давления; градиент температуры воздуха; влажность воздуха; атмосферное давление; температура воздуха; уровень радиационного
13 фона; интенсивность промвыбросов в точке их выхода. В качестве выходного параметра определен интегральный уровень загрязненности атмосферы.
По графу связности разработана структурная схема системы управления. Введенные передаточные функции С операторы) отражают взаимное влияние учитываемых С наблюдаемых) в системе параметров С переменных состояния).
По структурной схеме построена изоморфная ей топологическая модель в виде С-графа. Ветви С-графа соответствуют сигналам системы и показывают направление их распространения.
На основе С-графа, в соответствии с методикой синтеза.получена математическая модель системы, представляющая собой матричное уравнение. Это уравнение представлено в виде системы однородных линейных уравнений, решение которой позволило получить модель алгоритма управления экологической обстановкой.
Поскольку экологическое состояние приземного слоя атмосферы относится к классу объектов с распределенными параметрами, наличие в полученной модели сигналов объекта делает проблематичным определение операторов алгоритма управления традиционными методами планирования факторного эксперимента. Это свидетельствует о необходимости проведения аналитического синтеза алгоритма управления экологической обстановкой. С целью сокращения объема вычислений при выполнении указанной процедуры выведена формула порядка матрицы, образующейся в результате умножения трех матриц любых размерностей.
Четвертая глава посвящена синтезу и реализации алгоритма управления зкоситуацией.
С целью аналитического выражения операторов, описывающих алгоритм управления экологической обстановкой, проведено понижение порядка матричного уравнения системы, основанное на представлении данного уравнения в виде блочных подматриц. В результате проведенных преобразований получена модель алгоритма управления экологической
14 обстановкой. Преимуществом полученной модели является отсутствие необходимости в контроле и учете параметров объекта.
Решить проблемы устойчивости и реализуемости алгоритма управления экоситуацией позволил метод декомпозиции, основанный на аппарате цепных дробей.
Результаты моделирования на ЭВМ свидетельствуют об устойчивости и технической реализуемости многосвязной системы управления экологическим состоянием приземного слоя атмосферы.
В завершение главы разработаны рекомендации по использованию результатов синтеза, где. в частности, предлагается ряд технических средств для направленного локального воздействия на атмосферные параметры.
В заключении сформулированы основные научные положения и результаты диссертационной работы.
По результатам выполненных исследований опубликованы следующее работы:
Алпатов Ю.Н., Казьмин С. Н., Михайлов Ю.А. Определение закона управления экологическим состоянием в промышленной зоне города // Тез. докл. XIV науч.-техн. конференции Братского индустриального института. - Братск, 1993. - с. 114.
Алпатов Ю. Н., Михайлов Ю. А. Синтез системы управления состоянием воздушного бассейна в промышленных зонах городов // Математическое моделирование,численные методы и комплексы программ: Межвуз. темат. сб. тр. - СПб.: СПбГАСУ, 1996. - с. 2Є-34.
Алпатов Ю. Н., Михайлов Ю.А. Система управления воздушным бассейном в промышленных зонах городов // Тез. докл. XVII науч.-техн. конференции Братского индустриального института. - Братск, 1996. -с. 151-152.
Алпатов Ю. Н-, Михайлов Ю. А. Определение размерности матриц при умножении // Тез. докл. XVIII науч.-техн. конференции Братского индустриального института. - Братск, 1997. - с. 2С^21.
Алпатов Ю. Н., Михайлов Ю- А. Синтез алгоритмов управления многоконтурных многосвязных систем // Тез. докл. XVIII науч.-техн. конференции Братского индустриального института. - Братск, 1997. -с. 15-17.
Алпатов Ю. Н., Михайлов Ю. А. Воздушный бассейн как многосвязный объект управления // Математика в ВУЗе: Труды международной научно-методической конференции. - СПб.: СПбГУПС, 1998. - с. 191-102.
Алпатов Ю. Н., Михайлов Ю.А. Математическое моделирование процесса загрязненности атмосферы в зонах антропогенного возмущения // Тез. докл. XIX науч.-техн. конференции Братского индустриального института. - Братск, 1998. - с. 66.
Михайлов Ю.А. К выбору алгоритма управления чистотой воздушного бассейна в индустриальных центрах // Тез.докл.XIX науч.-техн. конференции Братского индустриального института. - Братск, 1998. - с. 66-67.
Михайлов Ю. А. Методика синтеза систем многосвяэного управления с распределенными параметрами // Тез. докл. XIX науч.-техн. конференции Братского индустриального института. - Братск, 1998. - с. 67.
Состояние атмосферного воздуха в городах Иркутской области
По данным за 1935 год Иркутская область с населением 2.804 млн. человек (1.9% от численности жителей России) производит С 523: 6.9 - общей выработки электроэнергии России:
13.2% - синтетических смол и пластмасс;
17.3% - каустической соды: 9.1% - переработки нефти:
12.4% - экспорта древесины: 8.8% - производства пиломатериалов:
11.7% - Фанеры;
53.1% - целлюлозы:
36.0% - алюминия. Это является причиной высоких показателей по выбросам и сбросам загрязнявших веществ на единицу продукции.
Общий выброс загрязняющих веществ в атмосферу - 450 кг в год на одного жителя. Демографическая обстановка характеризуется прогрессирующим развитием следующих негативных процессов: увеличением смертности, снижением рождаемости, отрицательной миграцией в ряде районов, ростом детской смертности и патологии новорожденных. За последние 10 лет естественный прирост снизился в 4 раза С 523. Основными загрязнителями атмосферного воздуха являкггся стационарные источники выбросов загрязняющих веществ промышленных объектов и автотранспорт-Суммарно в атмосферу населенных пунктов области в 1995 году выброшено S53.3 тыс. т. вредных веществ 154 наименований, в том числе С 52]: твердых - 190.8 тыс. т. » газообразных - 662.5 тыс. т. Основная часть учтенных выбросов стационарных источников и автотранспорта сосредоточена в крупных промышленных центрах области [ 521: Ангарске - 29.32, Браггске - 13.8ХГ Якутске - 13.4%, Усолье-Сйбирском - 5.5%. На остальные населенные пункты приходится 33.IX выбросов.
Наибольшее количество выбросов от стационарных источников даюгг предприятия теплоэнергетики, химической и нефтехимической, целлюлозно-бумажной промышленности, цветной металлургии.
По данным наблюдений в 1995г., семь городов Иркутской области (Ангарск, Братск, Зима, Иркутск, Усолье-Сибирское, Шелехов, Черемхово) внесены в список городов России с наибольшим уровнем загрязнения атмосферного воздуха, что составляет 16 от общего количества городов России, внесенных в этот список Е52].
Б 1995г. уровень загрязнения атмосферы городов области оставался по-прежнему высоким. В 22 городах и поселках проводились наблюдения за содержанием в атмосферном воздухе 29 примесей, в том числе 8 тяжелых металлов. Результаты наблюдений показывают, что среднегодовые концентрации веществ превышали санитарные НОРМЫ СПЛЮ по еле душим ингредиентам [52]:
- пыли в 1.3 - 2.7 раз (Иркутск, Свирск, Усолье-Сибирское, Усть-Илимск, Черемхово, Шелехов);
- диоксиду азота в 1.2 - 2 раза(Бирюсинск, Братск, Вихоревка, Железногорск-Илимский, Иркутск. Нижнеудинск, Тайшет, Усолъе-Сибир-ское, Усть-Кут, Черемхово):
- оксиду азота в 1.5 раза (Иркутск): - сероуглероду в 1.2 - 5 раз (Братск, Байкальск):
- Формальдегиду в 1.7 - 6.7 раз (Ангарск, Братск, Зима, Иркутск, Усолье-Сибирское, Усть-Илимск» Шелехов):
- метилмеркаптану в 7.7 - 13.6 раз (Братск, Байкальск);
- бенз(а)пирену в 3.9 - 12.9 раз (Ангарск, Братск, Зима. Иркутск, Усолъе-Сибирское, Черемхово, Шелехов).
Максимальные концентрации некоторых веществ достигали следующих значений [523:
- пыль 1.2 - 6.8 ПДК в 14 городах из 22, где проводятся наблюдения (за исключением Бирюсинска, Вихоревки, Железногорска-Илим-ского, Нижнеудинска, Тайшета, Слкщянки, Тулуна);
- диоксид серы 1.2 ПДК в Черемхово:
- оксид углерода 1.2 - 7.8 ПДК во всех городах, где определялась эта примесь (за исключением Вихоревки и Саянска):
- диоксид азота 1.3 - 7.6 ГШК в 21 городе (кроме Саянска):
- оксид азота 2.3 ПДК в Иркутске;
- сероводород 1-1 - 4.5 ПДК( Ангарск, Байкальск, Братск, Зима, Усолъе-Сибирское, Усть-Илимск и пос. Мегет);
- сероуглерод 1.7-4.5 ПДК (Байкальск, Братск):
- Фенол 1.9 ПДК (Ангарск);
- растворимые твердые Фториды 3.7 - 6-3 ПДКСБратск, Шелехов);
- аммиак 2.6 ПДК (Ангарск);
- хлор 1.1 - 4-2 ПДК (Усолье-Сибирское, Байкальск, Усть-Илимск);
- хлористый водород 2.3 - 4.7 ПДК (Зима, Усолье-Сибирское);
- Фтористый водород 1.9 - 5.2 ПДК (Братск, Шелехов);
- Формальдегид 1.1 - 4.9 ПДК (Ангарск, Братск, Иркутск, Усолъе-Сибирское, Усть-Илимск, шелехов):
- Фурфурол 1.2-3 ПДК (Бирюсинск, Зима).
В 1995 году в г. Байкальске зарегистрированы 3 случая экстремально-высокого загрязнения (ЭВЗ) атмосферного воздуха метилмеркаптаном и 33 случая высокого загрязнения СВЗ) воздуха, с концентрациями от ЮЛ до 41.9 ПДК; в г. Братске-212 случаев ВЗ воздуха с концентрациями от 10.1 до 29.8 ПДК [ 523.
Наибольшая из среднемесячных концентраций бенз(а)пирена отмечена в г. Братске - 68 ПДК (уровень ЭВЗ), кроме того, здесь же зарегистрировано 6 случаев ВЗ воздуха бенэСа)пиреном до 43.9 ПДК [52]. Зафиксированы также случаи ВЗ воздуха бенэ а)пиреном в городах: Ангарске - 2 случая с максимумом 11.4 ПДК, Зиме - 7 случаев до 30.7 ПДК, Иркутске - 7 случаев до 20.1 ПДК, Усолье-Сибирском - 1 случай СИ.9 ПДК), Черемхове - 4 случая до 22.7 ПДК, Мелехове - 12 случаев до 45.4 ПДК [523.
Концентрации нормируемых тяжелых металлов в городах области не превышали санитарных норм.
Актуальность задачи синтеза систем многосвязного управления
Задача синтеза и проектирования системы управления заключается в таком выборе ее структурной схемы, параметров, характеристик и способа их технической реализации, при котором требуемые динамические и эксплуатационные свойства всей системы в целом обеспечиваются при использовании возможно более простых и надежных технических средств С 44]. Однако, синтез, имея ту же задачу, что и проектирование, предполагает решение ее прямым, предпочтительно, аналитическим путем.
Характерной особенностью современных технологических и производственных процессов как объектов управления, является наличие в них большого числа управляемых и управляющих величин, которые влияют друг на друга в том смысле, что изменение какой-либо одной из них вызывает изменение всех других. Объекты такого типа называют многосвязными объектами, а системы управления такими объектами -системами многосвязного управления [32].
Потребность в специальных методах анализа и в последующем синтезе систем управления многосвязными объектами возникла в 30-х годах настоящего столетия в связи с необходимостью регулирования параметров паровых котлов С 32]: температуры и давления пара, уровня воды в котле. Поскольку все три величины связаны между собой. регулирование каждой в отдельности без учета взаимной связи с другими не обеспечивало необходимых свойств управляемого объекта.
Идея решения задачи регулирования состояла в обеспечении независимого регулирования каждой регулируемой величины отдельно и компенсации влияния всех других величин. Это привело к возникновению так называемой теории автономного регулирования многосвязных объектов [32].
В течение длительного времени при решении задач управления объектами с большим числом управляемых величин господствовала идея автономности. 6 свое время такой подход позволил решить часть задач автономного регулирования. Но оказалось, что для большинства многосвязных объектов автономизация противоречит сущности технологического процесса, т.е. условиям нормального функционирования системы, или вообще не имеет смысла, поскольку многосвязность характеризуется тонкой и глубокой функциональной зависимостью между отдельными переменными состояния системы.
Для большинства объектов данного класса систем результаты функционирования системы зависят одновременно от всех управляемых величин и их взаимосвязи. Поэтому специфика многосвязных систем не допускает простого распространения результатов теории систем с одной управляемой величиной на многосвязные системы, а требует специального рассмотрения. Синтез таких систем не может быть осуществлен простой комбинацией исходных структурных элементов. В свою очередь, учет особенностей многосвязных систем полезен при решении ряда важнейших проблем практики автоматического управления.
Синтез сложных многомерных (т.е. имеющих несколько входных и выходных величин) многосвязных систем большой размерности является значительной проблемой, но необходимость синтеза подобных систем все возрастает, так как после решения задачи управления отдельными объектами возникает задача управления целыми комплексами объектов. Эти объекты могут значительно отличаться друг от друга по своим динамическим характеристикам, Физической и технической природе.
Примерами многосвязных систем могут служить сложные энергетические установки, системы управления сложными технологическими процессами, в целом предприятиями. К данному классу систем относится и синтезируемая система управления экологической обстановкой.
Процесс синтеза сложных систем можно представить в виде ряда последовательно выполняемых этапов Г 23. Вначале по заданным требованиям проектировщик выбирает приемлемую структуру системы управления или ее конфигурацию, а затем подготавливает данные, необходимые для синтеза. Указанный этап является творческим процессом и во многом определяется квалификацией проектировщика.
Затем выбранная структура анализируется С аналитически и экспериментально), устанавливаются характеристики системы и желаемый режим работы. Обычно полученные результаты отличаются от заданных. Для устранения этих отклонений требуется принятие решений, основанных на интуиции и опыте.
Таким образом, процесс синтеза сложных систем управления представляет собой чередование творческих и Формальных видов деятельности разработчика. Эти виды деятельности уже в настоящее время могут быть рационально распределены между человеком и ЭВМ, особенно на первых этапах синтеза, когда необходимо принимать решения в условиях минимума информации. До последнего времени основное внимание уделялось разработке систем управления технологическими процессами и предприятиями, однако вопросы автоматизации синтеза таких систем почти не рассматривались.
Экологическое состояние воздушного бассейна как объект управления
В соответствии с изложенной в главе 2 методикой синтеза, прежде всего сформулировано требование к системе управления: поддержание экологического состояния воздушного бассейна города с концентрированной промышленной зоной на уровне стандартного санитарного состояния.
Далее необходимо провести сбор и анализ информации о состоянии объекта управления, от которой во многом зависит успешность процесса синтеза системы.
Параметры, характеризующие экологическое состояние приземного слоя атмосферы, делятся на две группы С10]:
1. Метеорологические: Р - атмосферное давление и его пространственное изменение grad Р: Т - температура воздуха и ее пространственное изменение grad Т: А - влажность воздуха: Кт - коэффициент турбулентности воздушных течений; УХУ - скорость горизонтального перемещения воздуха; Vz - скорость подъема воздушных масс.
2. Геофизические: Е - напряженность электростатического поля; J - полный вертикальный ток (потенциал ионосферы), складывающийся из токов проводимости и конвекции; р - проводимость воздуха; Y -уровень радиационного Фона. Нарушающим экологическое равновесие фактором являются выбросы промышленных предприятий, в связи с чем вводятся два дополнительных параметра Е10]: F - интенсивность промвыбросов в точке их выхода; G - интегральный уровень загрязненности воздушного бассейна. Взаимодействие всех перечисленных параметров отражено в табл. 3.1.
Согласно результатам исследования С 23], на течение процессов в воздушной среде определяющее влияние оказывает величина напряженности электростатического поля (Е).
Количественные характеристики электростатических полей, сформировавшиеся за многие годы, достаточно устойчивы. Напряженность электростатических полей у поверхности земли составляет в среднем 0.13 кВ/м, отличаясь в различных точках земного шара в 5 - 10 раз. Плотность ионного тока колеблется около 2 1СМ мкА/м Е12]. При некоторых обстоятельствах возникают поля естественного или антропогенного происхождения, уровень которых на несколько порядков превышает фоновый.
Электростатические поля являются необходимым, эволюционно сложившимся условием для нормальной жизнедеятельности биологических систем. Известно, что все организмы адаптируются к существованию в определенных естественных условиях, в том числе и при постоянном воздействии атмосферно-электрических процессов. При монотонном изменении данных условий возможна адаптация к ним, однако резкие колебания какого-либо фактора, вызванные деятельностью человека, приводят к негативным последствиям і23]
