Синтез законов управления техническими объектами с использованием естественных технологических инвариантов

Актуальность темы

Современная промышленность характеризуется большим числом разнообразных производств, различающихся условиями протекания технологических процессов (ТП) и многообразием физико-химических свойств перерабатываемых веществ и выпускаемой продукции. Основным направлением ее развития является увеличение выпуска продукции и рост ее качества при одновременном снижении трудовых затрат. Наряду с другими факторами эти направления обеспечиваются путем разработки эффективных систем автоматического управления (САУ) [1−3]. Этому способствует бурное развитие как прикладных наук: теории автоматического управления (ТАУ), математического моделирования и пр., так и технических направлений: микроэлектроники, приборостроения, вычислительной техники и т. п. Они обусловливают возможность исследования, моделирования, расчёта, аппаратной реализации и внедрения этих систем в производство.

Информационно-теоретической основой аналитического обеспечения этой составляющей научно-технического прогресса современного производства являются математические модели (ММ) их основных процессов и аппаратов. Только на основе изучения их определяющих свойств и существенных особенностей можно эффективно решать задачи автоматизации каждого конкретного производства.

Особое место среди последних, в силу огромного разнообразия чрезвычайно сложных нестационарных и нелинейных ТП, обеспечивающих получение продукции, занимают химические производства [4]. Их основу составляют т.н. однородные малые химико-технологические системы (ХТС), представляющие собой технологические агрегаты, комплексы, отдельные установки или участки. Для результативной работы всего предприятия в целом необходима эффективная организация управления ТП ХТС.

Наиболее сложными для управления объектами химико-технологических производств, являются ХТС периодического действия (ХТС ПД), распространенными представителями которых являются реакторы периодического действия (РПД). Они характеризуются тем, что процессы в них протекают в широком диапазоне изменения переменных состояния (ПС), и все характерные для теплои массообмена и химической кинетики нелинейности оказывают существенное влияние, как на статику, так и на динамику таких объектов управления (ОУ) [5]. Нужно отметить, что пониженная из-за последовательного характера операций производительность и высокая чувствительность к качеству управления на финишной стадии (опасность «передозировки», проблема остаточных концентраций и пр.), предъявляют высокие требования к точности, быстродействию и надежности алгоритмов управления (АУ) процессами в РПД. Это делает особенно актуальными задачи управления именно этими ОУ.

Кроме того, многие технические объекты других производств (электротехнические, энергетические и др.) имеют весьма близкие по структуре ММ и, следовательно, особенности динамики управляемых процессов. В связи с этим актуальность проблемы синтеза эффективных законов управления (ЗУ), а в сложных случаях и АУ, ориентированных на нелинейные ММ РПД, возрастает многократно. Это обстоятельство определило, как тему диссертационного исследования в целом, так и конкретные задачи, которые были сформулированы и решены в ходе выполнения работы.

Целью диссертации является разработка и исследование эффективных ЗУ и АУ нелинейными динамическими объектами типа РПД, а также методов их синтеза. Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач, определяющих основные результаты исследований: — исследование и классификация ХТС по структурам и свойствам их ММ, а также характеру естественных нелинейных инвариантов, определяющих статические и динамические свойства их как ОУ;

— 10- разработка и сравнительное исследование эффективности законов и алгоритмов управления РПД на основе важнейших классификационных признаков;

— разработка алгоритмов синтеза ЗУ и АУ РПД на основе использования их собственных технологических, и целевых системных инвариантов как ХТС;

— разработка структуры и метода синтеза динамических вычислителей (ДВ) измерения косвенно определяемых технологических параметров управляемых процессов.

Существенные результаты диссертационного исследования:

— классификация ММ ХТС по характеру и свойствам естественных инвариантов, определяющим их свойства как ОУ;

— структура и свойства инвариантных многообразий (ИМО) как системных инвариантов, эффективно формирующих законы и алгоритмы управления РПД и ОУ с подобными ММ;

— алгоритм многоинтервального псевдопараллельного управления с естественным безударным согласованием интервалов;

— методики синтеза ЗУ и АУ процессами на основе разработанного комплекса системных целевых инвариантов;

— алгоритм динамически управляемого косвенного вычисления внутренних переменных ОУ по результатам прямого измерения технологических параметров;

— методика синтеза ДВ косвенно измеряемых технологических параметров управляемых процессов на основе экспериментального системного целевого инварианта.

Методами исследований при решении поставленных задач явились теория дифференциальных уравнений, теория устойчивости, теория многокритериальной оптимизации, методы синергетической теории управления, прикладные методы математического анализа и моделирования динамических систем.

Научная новизна выносимых на защиту результатов исследований характеризуется следующими положениями:

— классификации ММ ХТС по характеру и свойствам естественных инвариантов, определяющим их свойства как ОУ, или по другим подобным классификационным признакам не обнаружены;

— новизна системных инвариантов, определяется тем фактом, что для формирования законов и алгоритмов управления РПД они предложены впервые;

— алгоритм многоинтервального псевдопараллельного управления с естественным безударным согласованием интервалов не имеет аналогов в теории и практике управления;

— методики синтеза ЗУ и АУ процессами на основе разработанного комплекса системных целевых инвариантов построены на основе идеологии аналитического конструирования агрегированных регуляторов (АКАР) профессора A.A. Колесникова, а их новизна определяется областью приложения и особенностями ММ ОУ;

— алгоритм динамически управляемого косвенного вычисления внутренних переменных ОУ отличается от предложенного ранее профессором P.A. Нейдорфом более развитой структурой, расширяющей диапазон реализации устойчивого вычисления;

— методика синтеза ДВ косвенно измеряемых технологических параметров управляемых процессов на основе экспериментального системного целевого инварианта построена на основе идеологии АКАР профессора A.A. Колесникова, а его новизна определяется областью приложения и особенностью ММ косвенного вычисления.

Практическая ценность работы состоит в том, что предложенные законы и алгоритмы управления, а также методики их синтеза не только ориентированы непосредственно на широкий класс производственных ОУ, но и дают качественно новое решение задачи управления ими. Кроме того, полученные результаты могут быть эффективно использованы для любых других технических объектов, характеризующихся структурно подобными ММ.

Самостоятельное практическое значение имеет улучшенный алгоритм косвенного динамического измерения технологических параметров, который существенно расширяет возможности построения систем управления РПД, использующих такие трудно измеряемые переменные состояния ХТС, как концентрации.

Полученные результаты могут эффективно использоваться и в учебном процессе для иллюстрации применения теоретических методов моделирования и синергетической теории управления.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационных исследований использованы при выполнении двух проектов, разработанных на государственном уровне. В рамках научного проекта конкурса грантов 1997 года по разделу «Автоматика и телемеханика. Вычислительная техника», направлению СУ-1, «Теория автоматического управления» на тему: «Синтез математических моделей проектируемых динамических систем на основе синер-гетических концепций управления» (1998;1999 гг.) выявлены естественные технологические инварианты, присущие ММ объектов различной природы и являющие основой для проведения синергосинтеза. Для выполнения научного проекта конкурса базового финансирования фундаментальных и поисковых НИР в ДГТУ 1997 г. на тему «Разработка современной критериальной стратегии синтеза законов управления в технических системах на основе синергетической концепции» (1998;1999 г. г.) предложены методики синтеза ЗУ и АУ технологическими процессами.

Они также внедрены в проекты, реализуемые по ЕЗН в НИЛ «Процессы обработки информации и управления в технических системах» Донского государственного технического университета. Эти результаты нашли применение при создании программного и учебно-методического обеспечения специальности 210 100 «Управление и информатика в технических системах» кафедры «Автоматизация производственных процессов» .

Публикации и апробация работы. Материалы диссертации опубликованы в 10 научных работах и докладывались на следующих Международных конференциях: XXXVIII юбилейной отчетной научной конференции за 1999 год в г. Воронеже (ВГТА, 2000 г.) — II Международной научно-практической конференции «Информационные технологии в моделировании и управлении» в г. Санкт-Петербурге (СПбГТУ, 2000 г.), Международной научно-практической конференции «Теория, методы и средства измерений, контроля и диагностики «в г. Новочеркасске (ЮРГТУ, 2000 г.). Кроме того, результаты апробированы на IV и V Всероссийских конференциях студентов и аспирантов в г. Таганроге (ТРТУ, 1998, 2000 гг.), а также на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, сотрудников и студентов ДГТУ (1998 — 2000 гг.).

Перспективы развития и применения. Полученные в диссертации результаты показали правильность выбранного направления решения задач управления ТП химических производств, в частности, ХТС ПД с использованием идей и методов синергетической теории управления. Прямое использование метода АКАР позволило построить весьма эффективные алгоритмы одноинтервального управления РПД, на основе которых уже можно ставить задачу обобщения и типизации нелинейных законов для технологических объектов этого класса. Сочетание же указанного подхода с принципами построения систем с переменной структурой позволило предложить и разработать оригинальные алгоритмы многоинтервального управления. Предложенный и исследованный подход расширяет как диапазон достижимых показателей качества управления технологическими объектами рассматриваемого класса, так и диапазон сложности решаемых управлением предложенной структуры задач.

1.5. Выводы по 1 разделу.

Результатом исследований, проведенных в первом разделе диссертационной работы, являются следующие положения:

1.5.1. Из всех классов ТС особый интерес для решения задач управления представляют периодические ХТС.

1.5.2. Построение и исследование полных нелинейных математических моделей для класса периодических ХТС позволило выявить в них естественные нелинейных инварианты, присущие объектам технологической природы, без учета свойств которых невозможно формирование эффективных ЗУ.

1.5.3. Ограниченное количество таких инвариантов предполагает ограниченное количество ЗУ, обеспечивающих эффективное проведение периодического ТП в аппаратах различного типа, при различных технологиях и их целях, а значит возможность унификации ЗУ.

1.5.4. Для решения поставленной задачи необходимо: а) исследовать связь естественных и системных инвариантов управляемых периодических ТПб) выработать адекватную задаче критериальную стратегию синтеза;

— 50в) выбрать и доработать «под задачу» методологию и конкретные методы синтеза ЗУ, обладающих свойствами нелинейной динамической самоорганизации.