авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Адаптивная система автоматического управления технологическим процессом очистки материала-сырца в производстве тротила

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

БРУСОВ ВЛАДИМИР ГЕННАДЬЕВИЧ

АДАПТИВНАЯ СИСТЕМА

АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ ОЧИСТКИ

МАТЕРИАЛА-СЫРЦА В ПРОИЗВОДСТВЕ ТРОТИЛА

Специальность 05.13.06 Автоматизация и управление

технологическими процессами и производствами

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени

кандидата технических наук

Нижний Новгород - 2006

Работа выполнена в Дзержинском политехническом институте

Нижегородского государственного технического университета на кафедре

“Автоматизация технологических процессов и производств”

Научный руководитель – д.т.н., профессор Сажин С.Г.

Официальные оппоненты:

д.т.н., профессор Кангин В.В.

к.т.н., доцент Преображенский А.В.

Ведущая организация :

Санкт-Петербургский технологический институт (Технический университет)

Защита состоится 29 ноября 2006 г. в 15 : 00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.165.12 при Нижегородском государственном техническом университете по адресу: 603600, г. Н.Новгород, ГСП - 41, ул.Минина, 24, ауд.1258

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке

Нижегородского государственного технического университета

Автореферат разослан октября 2006 г.

Учёный секретарь

диссертационного совета,

канд. техн. наук, доцент В.В.Петров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Тротил (материал) используется в горнорудной, строительной и оборонной отраслях промышленности. Объектом исследования в настоящей работе является технологический процесс (ТП) очистки материала-сырца (м-с), обеспечивающий стабильность физико-химических свойств материала (м-ла) при хранении за счёт удаления из его состава не стойких примесей. Повышение качества автоматического управления этим процессом позволит повысить его безопасность, улучшить экономические показатели производства за счёт снижения удельного расхода реагента и потерь целевого м-ла, а также снизить негативное воздействие на окружающую среду, вследствие сокращения токсичных отходов.

Цель работы заключается в создании, исследовании и реализации на производстве высокоэффективной системы автоматического управления (САУ), учитывающей специфику объекта управления (ОУ) и условий его движения.

Методы исследования. В работе использовались методы: нелинейного программирования и математического моделирования, пассивной и активной идентификации статической (SX) и динамической характеристик ОУ, кусочно-линейной аппроксимации, статистической линеаризации, корреляционного и регрессионного анализа, настраиваемой модели и другие методы исследования.

Научная новизна.

1.Предложен метод адаптации систем комбинированного управления и управляющие структуры, реализующие его. Метод основан на новом способе информационного взаимодействия разомкнутых и замкнутых контуров в системах управления и защищён авторскими свидетельствами. Он является алгоритмической основой для достаточно широкого подкласса адаптивных систем управления.



2. Для имитации объекта управления при решении задач синтеза и анализа САУ получена математическая модель (ММ) ОУ.

3. На базе нового метода адаптации выполнены структурный и параметрический синтез САУ, адекватной исследуемому ОУ и условиям его движения.

4.Показано, что использование полученной адаптивной САУ (АСАУ) обеспечивает статическую – инвариантность выхода ОУ относительно основного контролируемого воздействия, что является принципиальной основой повышения качества управления.

5.Выполнено исследование качества и устойчивости разработанной САУ, подтверждающее её высокую эффективность в смысле выбранных критериев качества и существенное расширение области устойчивости за счёт цепей адаптации.

Достоверность научных результатов. Экспериментальные исследования ОУ проводились на метрологически аттестованной измерительной аппаратуре с соответствующим классом точности. Все полученные результаты имеют допустимую погрешность. Достоверность теоретических результатов подтверждена результатами экспериментальных исследований АСАУ методом цифрового моделирования (ЦМ) и реализацией системы на производстве.

Практическая ценность. Реализация синтезированной САУ на производстве подтвердила её высокую эффективность. Кроме того, результаты работы имеют значительную степень обобщения и большое практическое значение для синтеза высококачественных АСАУ объектами управления достаточно широкого класса. Наибольший эффект может быть получен при управлении сложными объектами, т.е. нелинейными, нестационарными, функционирующими в условиях высокого уровня контролируемых (К) и неконтролируемых (НК) возмущений.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Региональном научно-техническом семинаре северокавказского научного центра высшей школы “Вопросы теории и принципы построения устройств и систем автоматизации” – Новочеркасск, 1983г., 1986г.; на Международной конференции по карбамиду – Дзержинск, 2002г.; на Международной конференции “Математические методы в технике и технологии (ММТТ-17)” – Кострома, 2004г.; на Международной конференции по энергосбережению – Гродно (Республика Беларусь), 2004г.; на молодёжной научно-технической конференции “Будущее технической науки” – Нижний Новгород, НГТУ, 2004г., 2005г.; на Международной конференции “Математические методы в технике и технологии (ММТТ-18)” – Казань, 2005г.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 36 печатных работах. По теме диссертации получено 13 авторских свидетельств и патентов, 2 свидетельства на зарегистрированные программные средства.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложений. Она содержит 175 страниц машинописного текста и включает: 35 рисунков, 17 таблиц, библиографический список из 110 наименований и 10 приложений.

На защиту выносятся:

1.Результаты идентификации рассматриваемого ТП – математическая модель исследуемого объекта управления.

2.Результаты структурного синтеза САУ.

2.1.Метод адаптации разомкнутого и замкнутого контуров САУ, основанный на новом способе информационного взаимодействия разомкнутого (РК) и замкнутого (ЗК) контуров в системах комбинированного управления.

2.2.АСАУ, адекватная исследуемому ОУ, базирующаяся на указанном методе адаптации и имеющая широкую область применения.

3.Результаты параметрического синтеза АСАУ, ориентированные на специфику исследуемого ТП, как ОУ, и обеспечивающие решение поставленной задачи высококачественной стабилизации выходной координаты объекта в заданных условиях его движения.

4.Результаты анализа САУ, характеризующие качество работы синтезированной АСАУ и её устойчивость в сравнении с управляющими структурами, близкими к ней по сложности.

Содержание работы

В первой главе выполнен анализ технологического процесса очистки материала– – сырца, как объекта управления. Показано, что исследуемый ТП является сложным ОУ, которому характерны высокие уровни К– и НК– сигнальных и параметрических возмущений. Определён выходной качественный параметр – температура затвердевания материала (). Получено адекватное, удобное для исследования, структурное представление ТП, как ОУ, в котором нашла отражение вся совокупность нестационарных входных К– и НК– воздействий, а вход и выход объекта сведены к одномерным векторам (рис.

1). Два основных входных воздействия ОУ (дозировки сырья и реагента) использованы в форме удельного расхода реагента (/), а условия движения объекта представлены вектором внешних НК– возмущений (). На основе анализа состояния проблемы автоматизации процесса обоснована актуальность создания эффективной САУ, адекватной ТП очистки м-с. Обоснован существенный потенциальный резерв экономии ТП очистки м–с за счёт повышения качества управления. Показано, что эта потенциальная экономия имеет два основных источника – в форме экономии расходов реагента и целевого м-ла. Обоснована реально достижимая удельная экономия реагента (около 11% от номинала расхода) и целевого м-ла (более 0,5% от номинальной нагрузки). Поставлена задача исследования ТП очистки м-с, как ОУ, с целью создания его ММ для синтеза эффективной САУ и её анализа на основе учёта особенностей ОУ.

Сформулирована цель, стоящая перед САУ ТП, которая заключается в обеспечении средствами управления необходимых технологических условий получения целевого м-ла с регламентированными свойствами при сокращении материальных затрат – расхода реагента и необратимых потерь целевого м-ла. Указанная цель может быть достигнута поддержанием качества целевого м-ла на возможно более близком уровне к нижней допустимой границе за счёт снижения дисперсии выходного качественного показателя м-ла. Отмечено, что решение поставленной задачи, ввиду сложности ОУ, не может быть получено на базе типовых управляющих структур и законов регулирования.

Определён перечень решаемых задач для достижения поставленной цели.

Во второй главе поставлена и решена задача определения ММ ОУ (рис.2) в форме последовательно соединённых нелинейной статической и линейной динамической ММ ОУ. Сформулирована задача идентификации SX ОУ, которая заключается в определении регрессии выходной координаты ОУ. Получена экспериментальная SX ОУ (рис.3) и проведён её анализ. Отмечены характерные особенности SX – существенные нелинейность и нестационарность. На основе анализа физико – химических процессов обосновано выделение 5 подобластей в области определения SX, две из которых [a;b]

Рис.2. Структура математической модели объекта управления

и [b;c] относятся к рабочей области. Подобласть [b;c] (с бльшими значениями входа ОУ) отнесена к области низкого качества управления, другая [a;b] – к области качества работы, достижимого при реализации высококачественной САУ. Получена

ММ SX на базе метода статистической линеаризации И.Е.Казакова. Метод заключается в замене истинной зависимости (1) нелинейного безинерционного звена (SX) приближённой зависимостью (2) между входом и выходом эквивалентного звена: Т = М[Т] + ; = + · , (1), (2)

 Статическая характеристика ОУ и ее-12

Рис.3. Статическая характеристика ОУ и ее аппроксимация

1 – область экспериментальных значений ;

2 – регрессия на (= Нр/Нм);

3 – аппроксимация регрессии.

где Т, - статическая характеристика и её оценка;

- математическое ожидание выходного сигнала эквивалентного звена;

-статистический коэффициент усиления эквивалентного звена по случайной составляющей (флуктуациям);





, - случайные составляющие выхода реального и входа эквивалентного звеньев.

Аналитическое выражение для статической модели ОУ, с учетом разбиения области её определения на подпространства:

= · + · , (3)

i ,

где , - статистические коэффициенты усиления среднего и центрированного значений (флуктуаций) входного сигнала;

i – номер подобласти области определения SX.

Коэффициенты и определяют, исходя из условия равенства соответствующих величин математических ожиданий и дисперсий нелинейного безинерционного и эквивалентного звеньев.

Обоснован выбор класса моделей для получения ММ динамической характеристики ОУ. Показана возможность использования линейной стационарной модели с сосредоточенными параметрами. Сформулирована задача определения динамической характеристики на основе экспериментальной информации. Задача заключается в определении регрессии , т.е. условного математического ожидания:

= , (4)

где и - экспериментальные реализации входной и выходной переменных;

- длительность переходных процессов.

Проведены экспериментальные исследования ОУ методом активного эксперимента. На вход объекта подавалось ступенчатое возмущение, как наиболее простое и легко реализуемое на практике, которое обеспечивает высокую точность эксперимента на низких частотах, удобство в применении и интерпретации. Результаты экспериментов, приведенные к диапазону измерителя и к единичному входному воздействию, в графической форме представлены на рис.4. Выполнен структурный и параметрический синтез динамической модели ОУ. Для этого сформирован интегральный критерий среднего эмпирического риска (5):

= / , (5)

где – критерий среднего эмпирического риска в дискретной форме;

- дисперсии отклонений выхода модели , от регрессии в каждой точке ; ; m – количество экспериментальных данных.

Определение экстремума функционала (5) проведено средствами нелинейного программирования с использованием метода Розенброка. Задача параметрической

оптимизации решена для трёх структур – инерционных звеньев 1,2 и 3-го порядков. Посредством F – статистики решён вопрос значимости усложнения модели и обоснован её минимальный порядок. Полученная динамическая модель представляет собой совокупность последовательно соединённых двух инерционных звеньев и звена запаздывания. Её передаточная функция:

, (6)

где s - комплексная переменная.

 Экспериментальная динамическая-52

Рис.4. Экспериментальная динамическая характеристика ОУ

по каналу [ ]

1 – область экспериментальных значений выхода ОУ;

2 – аппроксимация регрессии;

– расчётные значения регрессии .

Таким образом, экспериментальная ММ исследуемого ОУ получена в виде совокупности последовательно соединённых статической и динамической моделей. Статическая модель является кусочно-линейной аппроксимацией статических свойств ОУ во всей области определения. Динамическая модель получена в форме последовательно соединённых инерционного звена 2-ого порядка и звена запаздывания.

Выполнен анализ условий движения объекта. Получены характеристики основных, действующих на объект возмущений. Описаны корреляционные свойства этих возмущений. Показано, что основное К - возмущение (по дозировке материала-сырца) является низкочастотным, однако вследствие ступенчатого характера и значительной амплитуды является существенным возмущающим фактором. Обоснованы значимость и параметрический характер воздействий на исследуемый ОУ изменений концентрации неустранимой в данном ТП примеси в м-с и переменной концентрации реагента в его растворе.

В третьей главе для решения поставленной задачи управления выполнен структурный и параметрический синтез АСАУ, адекватной исследуемому ОУ и условиям его движения,. Выполнен краткий анализ основных типов АСАУ и методов адаптации. Отмечено, что общего метода структурного синтеза не существует. Известные управляющие структуры имеют как недостатки, так и достоинства, проявляющиеся в тех, или иных условиях функционирования. Исходя из сформулированной ранее задачи управления рассматриваемым ОУ, специфики ОУ и условий его движения, отмечая также существенную нестационарность ОУ, предложена общая функциональная структура адаптивной САУ (рис.5).

Рис.5 Функциональная структура АСАУ

Обозначения: Р – регулятор; ОУ – объект управления; БС – блок самонастройки;

КФ – корректирующий фильтр; Д1, Д2, Д3 – датчики; ИУ – исполнительное устройство; G, Y – заданное и текущее значения выходного параметра ОУ; U – выходной сигнал регулятора; X1 – нагрузка ОУ по материалу-сырцу; X2 – выходной сигнал корректирующего фильтра; - вектор настроек БС; X – управляющий вход ОУ; f – неконтролируемое возмущение.

Выполнен краткий анализ существующих методов адаптивного управления. Отмечено, что известные методы адаптации имеют свои достоинства и недостатки, проявляющиеся в условиях конкретных ОУ. Приведена математическая формулировка задачи управления нестационарным по SX объектом для условий рассматриваемого ОУ.

Рассматриваемая система решает задачу управления нестационарным объектом, который в общем виде можно описать дифференциальным уравнением:

, (7)

где , , - параметры объекта управления; X(t), X1(t), f(t) – входные воздействия ОУ: управляющее, основное контролируемое и совокупное неконтролируемое возмущение; y(t), - выходная переменная и её производные i- порядков.

Рассматриваемый класс нестационарных объектов характеризуется ограничениями:



Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:










 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.