Информационно-измерительная система для управления эндогазогенератором

Актуальность работы. Основная роль в улучшении качества выпускаемой продукции, повышения технического уровня, производительности и надежности изделий в подшипниковой промышленности принадлежит термической обработке изделия в контролируемой атмосфере (эндогазе), которая является наиболее эффективным методом упрочнения металла. Анализ уровня автоматизации технологического процесса получения эндогаза позволяет приступить к созданию систем управления, которые разрешают не только контролировать текущие значения технологических параметров, но и управлять качеством контролируемой атмосферы (эндогаза) по критериям, которые характеризуют эффективность работы основного оборудования в целом. Создание таких систем является весьма актуальной задачей и требует создания не только математических моделей основного оборудования, измерительной информации, моделей каналов обработки измерительной информации, но и разработки новых эффективных алгоритмов управления технологическим процессом. Работа выполнялась в рамках тематического плана МЭИ (ТУ) по теме № 1 049 060 «Моделирование интеллектуальных измерительных систем управления объектами теплоэнергетики» [24]. Работа относится к приоритетному направлению развития науки и техники в области энергетики и энергосбережения и, выполнялась в рамках исполнения гранта РФФИ по проекту № 10−08−125-а.

Целью работы является повышение качества управления технологическим процессом получения эндогаза за счет применения робастных алгоритмов управления.

Для достижения цели поставлены следующие задачи:

1. Провести анализ технологического процесса, технических средств автоматизации и способов управления технологическим процессом получения эндогаза и провести количественно обоснованный выбор критерия управления эндогазогенератором;

2. Разработать математические модели элементов системы управления, включая модели измерительной информации, которые могут достоверно характеризовать критерий управления;

3. Разработать робастный алгоритм оптимального управления эндогазогенератором;

4. Разработать алгоритм робастной стабилизации стационарного режима работы эндогазогенератора;

5. Разработать алгоритм финитного управления эндогазогенератором в нестационарном режиме;

6. Разработать идентификатор динамических характеристик эндогазогенератора;

7. Исследовать метрологические характеристики идентификатора и влияние их на статическую погрешность робастной стабилизации.

Методы исследования. При решении поставленных задач использовались методы анализа качества и устойчивости из теории автоматического управления, методология проведения активного и пассивного эксперимента из теории эксперимента, новые методы математического моделирования и методы метрологического анализа функционирования микропроцессорных информационно-измерительных и управляющих систем.

Научная новизна определяется разработкой и реализацией новых подходов к решению проблем проектирования информационно-измерительных систем, функционирующих в составе АСУ ТП, и заключается в следующем:

1. Предложено новое уравнение измерения критерия управления технологическим процессом производства эндогаза, которое учитывает динамические свойства эндогазогенератора [29];

2. Предложен новый алгоритм робастной стабилизации стационарного режима работы эндогазогенератора [32];

3.Предложен новый алгоритм финитного управления эндогазогенератором в нестационарном режиме [30];

4. Предложен новый робастный алгоритм управления газогенератором, который основан на текущей идентификации знака градиента в рабочей точке процесса [45];

5. Модернизирована методика имитационного моделирования процессов управления, которая учитывает при моделировании динамические свойства измерительной информации и помехи измерения [38], [39];

6. Разработана математическая модель формирования динамической погрешности качества управления при применении робастного алгоритма управления эндогазогенератором [44];

7. Показано, что оптимальные настройки идентификатора динамических характеристик обеспечивают минимум методической динамической погрешности в режиме робастной стабилизации [44].

Степень достоверности полученных результатов обеспечивается:

1. Все модели измерительной информации проверены на адекватность по данным пассивного эксперимента, проведенного на ОАО «Волжский подшипниковый завод»;

2. Все модели динамических характеристик объекта управления проверены на адекватность по данным активного эксперимента, проведенного на ОАО «Волжский подшипниковый завод»;

3. Модели метрологических характеристик и работоспособность предложенных новых алгоритмов управления эндогазогенератором проверены на адекватность методом имитационного моделирования в условиях, наиболее приближенных к реальным, то есть в условиях действия помех измерения.

Практическая ценность работы. Предложенные модели и алгоритмы легли в основу созданной экспериментальной установки. В состав установки вошли виртуальный прибор для измерения текущих значений^ влажности эндогаза, полевой изменяемый прибор, ПЭВМ, пакет прикладных программ, обеспечивающий нормальное функционирование полевого изменяемого прибора и пакет прикладных программ для адаптации настроечных коэффициентов робастного алгоритма управления. Полевой изменяемый прибор может быть использован в системе управления как идентификатор динамических свойств объекта управления.

Соответствие паспорту специальности. Указанная область исследования соответствует паспорту специальности 05.11.16 — «Информационно-измерительные и управляющие системы (в машиностроении)», а именно: пункту 2 — «Новые методы и технические средства контроля и испытаний образцов информационно-измерительных и управляющих систем" — пункту 3 — «Методы и технические средства метрологического обеспечения информационно-измерительных систем, метрологического обеспечения испытаний и контроля, метрологического сопровождения и метрологической экспертизы информационно-измерительных систем, методы проведения их метрологической аттестации" — пункту 4— «Методы и системы программного и информационного обеспечения процессов отработки и испытаний образцов информационно-измерительных и управляющих систем" — пункту 5-«Методы анализа технического состояния, диагностики и идентификации информационно-измерительных и управляющих систем" — пункту 6- «Исследование возможностей и путей совершенствования существующих и создания новых элементов, частей, образцов информационно-измерительных систем, улучшение их технических, эксплуатационных, экономических и эргономических характеристик, разработка новых принципов построения и технических решений».

Апробация результатов работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международной конференции «Соп1то1−2005» (Москва, 2005 г.), Двенадцатой международной научно-практической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2006 г.), Одиннадцатой межвузовской научно-практической конференции молодых учёных и студентов (Волжский, 2005 г.), Межрегиональной юбилейной научно-практической конференции (Волжский, 2006 г.), Двенадцатой межвузовской научно-практической конференции молодых учёных и студентов (Волжский, 2006 г.), Всероссийской научно-практической конференции «Ресурсо-энергосбережение и эколого-энергетическая безопасность промышленных городов» (Волжский, 2006 г.), Тринадцатой межвузовской научно-практической конференции молодых ученых и студентов (Волжский, 2007 г.), Межрегиональной научно-практической конференции «Интеллектуальные измерительные системы в промышленности южного региона» (Волжский, 2007 г-), Всероссийских научно-практических конференциях «Ресурсо-энергосбережение и эколого-энергетическая безопасность промышленных городов» (Волжский, 2008, 2010 г. г.).

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Новое уравнение измерения критерия управления технологическим процессом производства эндогаза, которое учитывает динамические свойства эндогазогенератора;

2. Новый алгоритм робастной стабилизации стационарного режима работы эндогазогенератора;

3.Новый алгоритм финитного управления эндогазогенератором в нестационарном режиме;

4. Новый робастный алгоритм управления газогенератором, который основан на текущей идентификации знака градиента в рабочей точке процесса;

5. Модернизированная методика имитационного моделирования процессов управления, которая учитывает при моделировании динамические свойства измерительной информации и помехи измерения;

6. Математическая модель формирования методической динамической погрешности качества управления при применении робастного алгоритма управления эндогазогенератором;

7. Методика оптимизации настроек идентификатора по критерию минимума методические динамические погрешности качества управления.

Личный вклад автора. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежит:

— разработка оптимальных алгоритмов управления процессом производства эндогаза [28],[29],[30],[31],[32];

— модель динамической погрешности идентификации [43],[44],[45];

— математическая модель эндогазогенератора [24];

— методика имитационного моделирования алгоритмов управления [33],[34],[35],[37],[38],[39],[40],[42].

Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 19 работ, среди которых 3 в журналах перечня ВАК и 1 отчёт о НИР с государственным номером регистрации.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 90 наименований и восьми приложений. Общий объем работы составляет 227 страниц, в том числе 65 рисунков и 7 таблиц.

ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ.

Анализ технологического процесса позволил представить эндогазогенератор в виде двухёмкостного объекта управления с двумя управляющими воздействиями* и одним возмущающим параметром (см. рисунок 1.3), который находится в условиях жестких ограничений, но является стационарным случайным процессом [79]. Поэтому система управления явно относится к классу робастных и критерий управления должен с одинаковой чувствительностью реагировать на неопределённости как по каналу управления, так и по каналу возмущения. Поэтому в качестве критерия управления целесообразно выбрать технологический коэффициент полезного действия эндогазогенератора (текущая эффективность), ЭР@), который предлагается оценивать по отношению текущего значения влажности эндогаза, измеряемого влагомером, У2=(0, к текущему значению влажности, рассчитанному по математической модели эндогазогенератора, у2 (/):

У <71 эр{0 = -> шах. У2 (О.

Для обеспечения функционирования этого критерия в реальном масштабе времени экспериментальными методами получены математические модели измерительной информации (см. таблицу 2.2) и модели динамических характеристик эндогазогенератора по управляющим и возмущающим каналам распространения и преобразования измерительной информации (см. таблицу 2.4).

Предложен робастный алгоритм управления (см. главу 3), принцип работы которого заключатся в следующем. Сигналы от термопары, измеряющей температуру реторты, 7/(1:), от расходчика воздуха, Х2($) и измерителя влажности, УгэООэ подаются через соответствующие модули УСО в программируемый логический контроллер, в котором и реализуется вычисление текущего значения эффективности работы эндогазогенератора, ЭР (Х). В связи с тем, что зависимость эффективности от основного входного параметра (расход воздуха) носит экстремальный характер с дрейфом во временной области, необходимо производить периодическую идентификацию текущего положения рабочей точки статической характеристики эндогазогенератора по данным нормального функционирования.

Периодическая идентификация проводится методом наименьших квадратов, при выполнении требования наилучшего согласования текущего значения прогнозируемой эффективности с текущими значениями эффективности, вычисленной по результатам прямых измерений. Управляющее воздействие наносится с учетом знака градиента в рабочей точке.

Для максимальной эффективности работы робастного алгоритма необходимо обеспечить стабильность работы эндогазогенартора в целом. Так как при работе эндогазогенератора можно выделить два основных режима, режим разгона и режим стабилизации, то необходимо обеспечить стабильность работы генератора как в режиме разгона, так и в режиме стабилизации. Режим разгона должен обеспечить максимально быстрый разогрев реторты генератора и максимально быстрое установление необходимой влажности эндогаза. Это возможно только применением принципов финитного управления. При режиме стабилизации должно учитываться влияние температуры реторты на влажность газа.

Для проверки работоспособности и эффективности алгоритмов управления предложена методика имитационного моделирования процесса функционирования системы управления в условиях наиболее приближенных к реальным условиям работы объекта управления. Для обеспечения работы робастного алгоритма разработано техническое устройство, идентификатор динамических характеристик, и исследованы его метрологические характеристики. Также исследовано влияние настроек идентификатора на ошибку робастного управления.

Таким образом, на защиту выносятся:

1. Новое уравнение измерения критерия управления технологическим процессом производства эндогаза, которое учитывает динамические свойства эндогазогенератора;

2. Новый алгоритм робастной стабилизации стационарного режима работы эндогазогенератора;

3.Новый алгоритм финитного управления эндогазогенератором в нестационарном режиме;

4. Новый робастный алгоритм управления газогенератором, который основан на текущей идентификации знака градиента в рабочей точке процесса;

5. Модернизированная методика имитационного моделирования процессов управления, которая учитывает при моделировании динамические свойства измерительной информации и помехи измерения;

6. Математическая модель формирования методической динамической погрешности качества управления при применении робастного алгоритма управления эндогазогенератором;

7. Методика оптимизации настроек идентификатора по критерию минимума методические динамические погрешности качества управления.