Адаптивна система автоматичного керування флотаційним процесом з істотним запізнюванням

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

“ХАРКІВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

УДК 62-83-52

Адаптивна система автоматичного керування флотаційним процесом з істотним запізнюванням

Спеціальність 05.09.03 - електротехнічні комплекси та системи

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Ле Мінь Фионг

Харків 2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Харківській державній академії міського господарства Міністерства освіти і науки України.

Захист відбудеться “ 15 ” березня 2001 р. о 14:30 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.050.04 в Національному технічному університеті “Харківський політехнічний інститут” за адресою: 61002, м. Харків, вул. Фрунзе, 21.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету “Харківський політехнічний інститут” .

Автореферат розісланий “ 30 ” січня 2001 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Осічев О.В.

АНОТАЦІЇ

Ле Мінь Фионг. Адаптивна система автоматичного керування флотаційним процесом з істотним запізнюванням.

Рукопис. Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.09.03 - електротехнічні комплекси і системи. Харківська державна академія міського господарства. Харків, 2000 р.

Синтезовано оптимальну структуру електромеханічної адаптивної системи автоматичного керування процесом флотації на вуглезбагачувальній фабриці. Розроблено математичну модель процесу. Визначено критерій ефективності процесу керування розділовим апаратом. Запропоновано алгоритм одноканального екстремального регулятора, який мінімізує затрати на нишпорення при дрейфі статичної характеристики об'єкту керування. Розроблено алгоритм двоканального екстремального крокового регулятора, оснований на послідовному симплексному методі пошуку оптимуму критеріальної функції. Обґрунтовано необхідну величину кроку квантування керуючих впливів за часом. Для досягнення розрахункового значення в умовах наявності істотного запізнювання була виконана його компенсація шляхом прогнозування показників датчиків на один цикл виміру вперед. Показано, що для прогнозування якості кінцевих продуктів найбільш придатною є прогнозна модель експонентного згладжування з адаптацією трекінг-сигналом. Визначено кількісні оцінки ефективності функціонування систем автоматичного керування.

Ключові слова: адаптивне керування, процеси поділу, математичне моделювання, запізнювання інформації, критерій ефективності, алгоритм пошуку, екстремальний регулятор.

Ле Минь Фыонг. Адаптивная система автоматического управления флотационным процессом с существенным запаздыванием.

Рукопись. Диссертация на соревнование ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.09.03 - электротехнические комплексы и системы. Харьковская государственная академия городского хозяйства. Харьков, 2000 г.

Произведен синтез оптимальной структуры адаптивной системы автоматического управления процессом флотации на углеобогатительной фабрике. Разработана математическая модель процесса на основе уравнений математической физики, описывающих массовые диффузионные процессы со сносом. Применение в модели аппарата цепей Маркова позволило адекватно представить процесс разделения компонентов как в статике так и в динамике. Учет в статистическом выражении для коэффициента разделения только значений расходов реагента-вспенивателя и реагента-собирателя позволил остальные входные воздействия ввести детерминированными физическими соотношениями.

Определена общая структура иерархического построения систем управления: нижний - системы стабилизации основных технологических параметров; средний - управление отдельным аппаратом по качественным показателям конечных продуктов; верхний - управление группой однородных аппаратов по качественным показателям конечных продуктов всего отделения.

Определен критерий эффективности процесса управления разделительным аппаратом. Установлено, что наиболее целесообразным есть применение критерия компромиссного вида, который учитывает качество обоих конечных продуктов разделения. Коэффициенты критериальной функции необходимо периодически переопределять соответственно требованиям потребителя к качеству конечного концентрата и изменением свойств исходного сырья.

Предложен алгоритм одноканального экстремального регулятора, минимизирующий потери на рыскание при дрейфе статической характеристики объекта управление в вертикальном направлении. Разработан алгоритм двухканального экстремального шагового регулятора, основанный на последовательном симплексном методе поиска оптимума унимодальной критериальной функции.

Обоснована необходимая величина шага квантования управляющих воздействий по времени, которая обеспечивает устойчивое функционирование системы управление в условиях реально действующих возмущений. Для достижения расчетного значения в условиях наличия существенного запаздывания была выполнена его компенсация путем прогнозирования показателей датчиков на один цикл измерения вперед. Показано, что для прогнозирования качества конечных продуктов наиболее пригодной есть прогнозная модель экспонентного сглаживания с адаптацией трекинг-сигналом.

Показано, что групповое управление параллельно работающими флотационными аппаратами может быть осуществлено только путем оснащения всего флотационного отделения одной адаптивной системой управления, использующей критерий эффективности, учитывающий зольности суммарного концентрата и суммарных отходов отделения.

Определены количественные оценки эффективности функционирование систем автоматического управления для типичных производственных условий. Установлено, что реализация предложенных двухканальних систем автоматической оптимизации по сравнению с режимом стабилизации качества конечных продуктов позволяет увеличить эффективность процесса разделения для отдельного аппарата в среднем на 7 %, для группы аппаратов - на 5 %.

Определены принципы реализации систем управления с использованием современной элементной базы.

Результаты проведенных исследований систем управления всех уровней показывают, что эффективность применения этих систем зависит также от величины возмущений по нагрузке и качеству исходного сырья. Поэтому представляется целесообразным, наряду с реализацией систем автоматического управления, проводить мероприятия по стабилизации этих возмущений.

Ключевые слова: адаптивное управление, процессы разделения, математическое моделирование, запаздывание информации, критерий эффективности, алгоритм поиска, экстремальный регулятор.

Le Min Fiong. Adaptive system of automatic control of process of division with essential delay.

The Manuscript. Dissertation on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science on a speciality 05.09.03 - electrotehnical complexes and systems. The Kharkov state academy of municipal economy. Kharkov, 2000.

The synthesis of optimum structure of adaptive system of automatic control of process of division is made. The mathematical model of process is developed. The general(common) structure of hierarchical construction of control systems is determined. The criterion of efficiency of process of management of the dividing device is determined. The algorithm of a single-channel extreme regulator effectively working at drift of the static characteristic of object of management is offered.

The algorithm of a two-channel extreme step-by-step regulator based on a consecutive simplex method of search of an optimum of function is developed. The necessary size of a step of quantization of managing influences on time is proved. For achievement of settlement value in conditions of presence of essential delay his indemnification was executed by forecasting parameters of gauges for one cycle of measurement forward. Is shown, that for forecasting quality of final products most suitable is model of smoothing with adaptation by a treking-signal. The quantitative ratings of efficiency functioning of systems of automatic control for typical industrial conditions are determined.

Keywords: adaptive management, processes of division, mathematical modeling, delay of the information, criterion of efficiency, algorithm of search, extreme regulator

флотація марков автоматичний

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В умовах кардинальних перетворень, які відбуваються в українській економіці в останні роки, пов'язаних з переходом до ринкового регулювання, паливно-енергетична промисловість країни вимагає підвищення ефективності використання первинної досить дорогої сировини. У вугільній промисловості через погіршення якісного складу вугілля, що добувається в шахтах, викликаного необхідністю розробки шарів складної будівлі і підвищеної зольності з більш глибоких обріїв і збереженні основними споживачами вугілля (металургійне виробництво та енергетика) високих вимог до якості палива, одним зі шляхів підвищення ефективності використання первинної сировини є розробка систем автоматичного керування основними виробничими процесами на вуглезбагачувальних фабриках, оптимізуючих процес розділу цієї сировини на високоякісний вугільний концентрат і відходи. Оптимізація процесу вугільної флотації - одного з таких процесів, на основі викладеного, здобуває дуже важливе значення, тому що усяке відчутне підвищення його ефективності в масштабі країни виливається в тисячі тон додаткового вугільного концентрату.

Теоретичні й експериментальні дослідження процесу флотації, проведені раніше, дали свої позитивні результати - розроблені і впроваджені високопродуктивні флотаційні машини, що оснащені рядом електроприводів і локальних систем керування. Подальше удосконалювання процесу зв'язане з розробкою системи його загальної комплексної автоматизації на основі системного підходу. Однак ряд питань, що мають принципове значення при створенні таких систем керування, розроблено ще не досить. Зокрема, вибір критеріїв ефективності в більшості робіт носять евристичний характер і не є прямим наслідком поставлених техніко-економічних цілей, у результаті чого в даний час співіснують десятки різних критеріїв і алгоритмів для оперативного керування процесом. Слабко розроблене питання керування процесом в умовах значного запізнювання інформації в каналах керування. Крім того, існуючі математичні моделі об'єкту керування далеко неповно описують динаміку реальних фізичних процесів, що не дозволяє з їх допомогою достовірно аналізувати питання керування об'єктом.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Обраний напрямок досліджень пов'язаний з планами НДР кафедри електропостачання міст Харківської державної академії міського господарства, що виконувалися відповідно до програми 5.1.6 “Ресурсозберігаючі електромеханічні системи”, затвердженої Державним комітетом України з питань науки і техніки (наказ №15 від 01.03.1993).

Мета і задачі дослідження. Метою дослідження є розробка оптимальної адаптивної електромеханічної системи автоматичного керування процесом флотації на вуглезбагачувальній фабриці для забезпечення максимальної економічної ефективності цього процесу.

Для досягнення цієї мети в дисертації вирішувалися такі задачі:

- розробити удосконалену математичну модель процесу флотації з використанням математичного апарату ланцюгів Маркова, яка адекватно відображає поведінку об'єкту керування в статиці та динаміці при дії на нього основних керуючих і обурюючих впливів;

- обґрунтувати критерій ефективності процесу управління з врахуванням економічних та технологічних показників роботи флотаційної машини;

- розробити адаптивну електромеханічну систему автоматичної оптимізації керування окремою флотаційною машиною і визначити ефективність її застосування в умовах дії основних обурюючих впливів і наявності запізнювання інформації в каналах керування;

- розробити адаптивну електромеханічну систему автоматичної оптимізації керування флотаційним відділенням у цілому і визначити її ефективність за тих самих умов;

- провести дослідження розроблених систем керування шляхом постановки чисельних експериментів на ЕОМ;

- визначити принципи реалізації розроблених систем керування з використанням сучасної елементної бази.

Об'єктами дослідження в дисертаційній роботі прийняті адаптивні електромеханічні системи автоматичного керування процесом флотації на вуглезбагачувальній фабриці.

Предметами дослідження в дисертаційній роботі є дві удосконалені двоканальні екстремальні електромеханічні системи автоматичного керування, які використовують послідовний симплексний метод пошуку оптимуму унімодальної критеріальної функції.

Методи дослідження. У роботі використовувалися різні методи як теоретичних , так і експериментальних досліджень. Побудова математичної моделі об'єкту проводилася на основі рівнянь математичної фізики і спеціальних розділів теорії ймовірностей. Обробка експериментальних даних здійснювалася методами статистичної обробки. Аналіз і синтез систем керування проводився на базі основних положень і розділів теорії електроприводу, автоматичного керування та особливостей процесів збагачення з застосуванням системного підходу. Всі етапи дослідження проводилися з використанням ЕОМ з особистим програмним забезпеченням, а також використанням пакетів MATCAD 2000, STATISTICA 5.5a, AUTOCAD 2000.

Наукова новизна одержаних результатів:

- удосконалено ймовірнісно-статистичну математичну модель процесу флотації на основі апарата ланцюгів Маркова, яка максимально використовує апріорну інформацію про фізику процесу та забезпечує в динаміці зв'язок якісно-кількісних показників кінцевих продуктів збагачення з основними керуючими й обурюючими впливами;

- одержав подальший розвиток критерій ефективності компромісного виду для процесу керування флотаційним розділовим апаратом, який враховує якість двох кінцевих продуктів - вугільного концентрату і відходів, за рахунок періодичного перевизначення по нових співвідношеннях коефіцієнтів критеріальної функції відповідно до частоти зміни обурюючих впливів (властивостей вхідної сировини) і вимог споживача до якості вугільного концентрату ;

- вперше розроблено алгоритм функціонування одноканального екстремального регулятора електроприводом дозатора реагенту-спінювача, який мінімізує втрати управління на нишпорення при істотному дрейфі статичної характеристики об'єкту керування у вертикальному напрямку;

- створено структурну схему адаптивної електромеханічної системи автоматичного керування окремим флотаційним апаратом, яка представляє собою двоканальну екстремальну систему, що використовує в якості керуючих впливів питомі витрати реагенту-спінювача і реагенту-збирача;

- розроблено принципово новий алгоритм функціонування двоканального екстремального крокового регулятора електроприводами дозаторів реагенту-спінювача і реагенту-збирача, грунтованого на послідовному симплексному методі пошуку оптимуму унімодальної критеріальної функції;

- створена методика компенсації інформаційного запізнювання шляхом прогнозування показників датчиків на один цикл виміру вперед на моделі експонентного згладжування з адаптацією трекінг-сигналом, яка забезпечує можливість зменшення величини кроку квантування керуючих впливів за часом до величини, достатньої для стійкого функціонування одноканального та двоканального екстремальних регуляторів в умовах дії основних збурювань;

- розроблена адаптивна система автоматичного керування групою однорідних флотаційних апаратів, яка представляє собою двоканальну екстремальну систему, що використовує запропонований критерій ефективності, враховуючий зольності сумарного вугільного концентрату і сумарних відходів відділення з компенсацією індивідуальних особливостей окремих апаратів відповідними настроюваннями систем стабілізації першого рівня ієрархії.

Практичне значення одержаних результатів полягає в наступному:

- розроблена математична модель процесу флотації доведена до рівня конкретного обчислювального алгоритму мовою Turbo Basic і дозволяє на стадії проектування оцінювати динамічні властивості різних систем керування, а також визначати ефективність реалізації цих систем при широкому діапазоні зміни обурюючих і керуючих впливів;

- створено програмне забезпечення для реалізації синтезованих алгоритмів керування на мікропроцесорній техніці - однокристальній ЕОМ;

- розроблені адаптивні електромеханічні системи автоматичної оптимізації керування , алгоритми та обчислювальні програми використані в Харківській державній академії міського господарства для учбового процесу в курсах “Автоматизований електропривід”, “Теорія автоматичного управління” та “Застосування ЕОМ в електроенергетиці” для студентів спеціальності 6.090.603.

Особистий внесок здобувача. Основні дослідження за темою дисертації виконані автором особисто, зокрема:

[1] - розроблена структурна схема системи керування флотаційною машиною, визначені параметри екстремального регулятора, поставлена задача компенсації запізнювання, обумовленого часом виміру показників вихідних продуктів, шляхом прогнозування значень цих показників;

[2] - запропонована методика визначення критерію ефективності системи керування флотаційним процесом, яка дозволяє відслідковувати безупинні зміни умов виробництва і ринку і забезпечувати виробнику найбільший економічний ефект;

[3] - розроблено обчислювальний алгоритм математичної моделі процесу флотації, адекватної реальному об'єкту в широкому діапазоні динамічних режимів;

[4] - запропонована методика компенсації інформаційного запізнювання в системах управління шляхом прогнозування показів датчиків вихідних сигналів процесу флотації на один цикл виміру вперед на моделі експонентного згладжування з адаптацією трекінг-сигналом ;

[5] - приведені результати чисельних експериментів на ЕОМ по моделюванню поведінки систем керування в динаміці.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідались на щорічних науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу Харківської державної академії міського господарства (Харків, 1998-2000 р.), на 7 і 8 міжнародних науково-технічних конференціях “Проблеми автоматизованого електроприводу. Теорія і практика” (Крим, Алушта, 1999-2000 р.).

Публікації. За результатами досліджень опубліковано 5 робіт, з яких 4 статті у науково-технічних журналах і 1 теза доповіді на науково-технічній конференції.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, 4 розділів, додатків. Повний обсяг дисертації 160 сторінок, з них 25 іллюстрацій на 22 сторінках, 5 таблиць на 5 сторінках, 2 додатка на 18 сторінках, список з 83 використованих джерел на 7 сторінках.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі обґрунтовується актуальність теми дисертації, сформульовано її мету та перераховано наукові положення, що виносяться на захист, стисло подано основний зміст роботи.

У першому розділі зроблено аналіз сучасного стану автоматизації процесу вугільної флотації та ідентифікації цього процесу, як об'єкту управління.

Процес вугільної флотації є виробництвом, без комплексної автоматизації якого не можливо забезпечити істотне підвищення ефективності роботи збагачувальної фабрики в цілому. Це обумовлюється ймовірністним характером змін характеристик вхідної сировини, що надходить на збагачення; великою кількістю факторів, що впливають на кінцеві результати збагачення; високою продуктивністю сучасного устаткування і безперервністю матеріальних потоків; значною вартістю вхідної сировини. Облік розроблювачами різних особливостей об'єкту керування в тому чи іншому об'ємі привів до виникнення різних підходів до побудови відповідних систем керування. Значний внесок у теорію і практику керування процесом флотації внесли дослідження, проведені В.А.Бунько, К.П.Власовим, А.Н.Марютою, Л.Г.Мелькумовим, В.З.Козіним, В.И.Салигою, О.Н.Тихоновим та іншими.

Виходячи з особливостей об'єкту керування і з огляду на структуру технологічної схеми сучасних збагачувальних фабрик, виділено наступні три рівні ієрархії структури системи керування процесом флотації: 1 - стабілізація основних технологічних параметрів; 2 - керування окремою флотаційною машиною; 3 - керування групою паралельно працюючих флотаційних машин.

Аналіз літературних даних показав, що для дослідження ефективності керування на всіх рівнях ієрархії необхідна математична модель процесу флотації, яка дозволяє аналізувати динаміку впливу основних керуючих технологічних параметрів і обурюючих впливів на якісно-кількісні показники кінцевих продуктів.

Найбільш обґрунтованим є використання моделей, максимально враховуючих теоретичні відомості про закономірності реальних процесів. Така модель, що використовує для опису процесу розділення математичний апарат ланцюгів Маркова, відома. Однак обсяг врахованих в ній перемінних є недостатньо повним. Істотним недоліком цієї моделі є також відсутність в ній обліку такого важливого параметру, як витрата реагенту-збирача, який багатьма дослідниками рекомендується використовувати в якості додаткового керуючого впливу. Недоліком моделі є і надмірне спрощення фізики процесу через неврахування дифузійних складових як у ланцюзі транспорту, так і в ланцюзі поділу. Крім того в моделі відсутній облік реально існуючих запізнювань інформації, викликаних особливостями використовуваних вимірювальних приладів. Усе це приводить в остаточному підсумку до перекручування результатів імітаційного моделювання систем автоматичного керування, досліджуваних з використанням цієї моделі (зокрема до перекручування динаміки зміни координат системи), або до неможливості дослідження, наприклад, двоканальних структур.

Викладені обставини стримують створення систем, що сприяють подальшому росту ефективності роботи флотаційного відділення.

Другий розділ присвячений розробці більш досконалої математичної моделі об'єкту керування. При її створенні основними перемінними були прийняті: об'ємна продуктивність по вхідній пульпі , ; зміст у вхідній пульпі твердого компоненту , ; питомі витрати реагенту-спінювача , і реагенту-збирача , , зольність вхідної сировини , % , рівень пульпи в камерах , м. Робочий простір флотаційної машини в ході моделювання умовно розділявся на дві зони: верхню і нижню , кожна з яких по напрямку руху пульпи у свою чергу поділялася на частин. У межах кожної частини параметри моделі вважаються постійними. Приймається також припущення про те, що вхідна сировина складається з визначених кількостей зольного і незольного компонентів. Тоді процес, що відбувається в збагачувальному апараті, з метою більш адекватного опису, можна представити у виді суперпозиції двох марківських ланцюгів, що описують:

1) процес транспорту і взаємодиффузію з розвантаженням компонентів, що не спливли, у нижній зоні;

2) процес поділу компонентів між зонами з взаємодиффузіею і розвантаженням компонентів, що спливли, з верхньої зони.

Інтерпретуючи перехід масової системи з одного стану в інший, як передачу сигналу від одного вузла до іншого з визначенням коефіцієнту передачі, ланцюги Маркова представлено у виді графів (див. рис. 1).

Для визначення ланцюгів Маркова задаються перехідні ймовірності для -ї частини і початкові стани цих частин у -й момент часу . Тоді кількість визначеного компонента в -й частині в -й момент часу визначається з рівняння:

, (1)

при початковому розподілі цього компоненту по всіх частинах, що задається матрицею-рядком

, (2)

де - математичне чекання кількості компоненту в -й частині в початковий момент часу.

Тоді умови стохастичного марківського процесу для -х частин будуть мати вид:

для ланцюга транспорту

; (3)

для ланцюга поділу компоненту

; ; (4)

для ланцюга поділу компоненту

; . (5)

Для мережних частин ланцюга транспорту умова (3) буде іншою:

. (6)

Числові значення параметрів моделі були визначені за результатами промислових експериментів. Виходячи зі значної вартості проведення нових експериментів на діючих флотаційних машинах, були використані відомі дані експериментів на вуглезбагачувальній фабриці Дніпродзержинського коксохімічного заводу та ЦОФ Суходольська на шостикамерній флотаційній машині МФУ2-63, проведені інститутом “УкрНДІвуглезбагачення”. Перевірка адекватності розробленої моделі реальному об'єкту в статичних режимах проводилася шляхом зіставлення результатів чисельного моделювання на ній і даних промислового експерименту при зміні всіх контрольованих перемінних за допомогою дисперсії розбіжності експериментальних та модельних значень перемінних і . Остаточно були отримані наступні результати: і . Адекватність моделі динамічним режимам перевірялася по кривим розгону. У третьому розділі вибрано критерій ефективності і синтезовано адаптивні системи керування флотаційним відділенням.

Одним з найбільш важливих моментів, що визначають структуру систем автоматичної оптимізації, є вид використовуваного критерію ефективності, що встановлює ступінь відповідності поведінки системи меті керування. В даний час найбільшу питому вагу в собівартості концентрату складають витрати на вхідну сировину. Тому ціль керування флотаційним процесом може бути сформульована у виді - одержання максимальної кількості товарного продукту заданої якості. Для досягнення поставленої мети розроблено цілий ряд критеріїв різного виду. Однак використання навіть кращого з них не забезпечує оптимального співвідношення якості і кількості корисного продукту в змісті його продажної ціни в умовах безупинних змін умов виробництва.

Як критерій керування в роботі був обраний відомий критерій виду

, (7)

враховуючий якість обох кінцевих продуктів - вугільного концентрату та відходів, а також задану якість концентрату . Коефіцієнти і в (7) знаходилися шляхом рішення системи рівнянь, складеної між значеннями критерію в трьох точках -

, і ,

де - збільшення якісного показника, рівне абсолютної погрішності його виміру в системі і - максимальне відхилення якісного показника , що допускається покупцем:

; (8)

. (9)

; (10)

. (11)

На рис.2 приведені графіки залежностей , отримані при одній і тій же якості вхідної сировини для двох варіантів якості концентрату - та .

Аналіз даних рис. 2 свідчить про те, що варіація параметрів оптимального режиму керування при наявних змінах умов виробництва і ринку є істотною і тому використання критерію виду (7) з постійними коефіцієнтами для процесу флотації є неприпустимим.

Аналіз результатів обчислювальних експериментів при використанні кращого відомого алгоритму екстремального регулятора показав, що:

- дрейф екстремуму критерію ефективності до значень близьких до приводить до виникнення в системі стійкого режиму автоколивань навколо екстремальної точки з великим кроком , що істотно збільшує втрати на нишпорення і, отже, знижує ефективність керування;

- величина кроку квантування керуючого впливу за часом не дозволяє відслідковувати дрейф екстремуму функції мети при дії істотного гармонійного збурювання, внаслідок чого в системі настає відмовлення.

З метою усунення першого недоліку в роботі сформульований оригінальний алгоритм функціонування екстремального регулятора

;

; (16)

,

Зменшення мінімальної можливої величини кроку квантування керуючого впливу за часом можливо тільки за рахунок компенсації запізнювання, обумовленого часом виміру якісних показників вихідних продуктів, шляхом прогнозування їх значень. Обґрунтовано необхідну величину кроку квантування керуючих впливів за часом , що забезпечує стійке функціонування системи керування в умовах реально діючих збурювань. Для досягнення розрахункового значення в умовах наявності істотного запізнювання синтезовано алгоритм компенсації інформаційного запізнювання шляхом прогнозування показників датчиків зольності концентрату і зольності відходів на час одного виміру (300 ). Показано, що для прогнозування якості кінцевих продуктів найбільш придатною є прогнозна модель експонентного згладжування з адаптацією трекінг-сигналом.

У роботі показано, що при оцінці якості ведення процесу збагачення вугілля критерієм виду (7), залежність його від вхідних сигналів має екстремальний характер. При цьому критеріальна функція є унімодальною і досягає экстремума в зоні припустимих значень перемінних з істотним дрейфом статичної характеристики як у горизонтальному, так і у вертикальному напрямках навіть при однаковій якості вхідної сировини. Отже, оптимальний з погляду одержання максимальної кількості концентрату заданої якості режим розподілу може бути забезпечений тільки двоканальною системою керування.

З огляду на умови функціонування досліджуваного об'єкта - дрейф экстремума критеріальної функції в залежності від характеристик вхідної сировини і наявність високого рівня збурювань, як алгоритм функціонування двоканального екстремального регулятора був прийнятий послідовний симплекс-метод, що використовує регулярний симплекс, розміри якого в процесі пошуку змінюються по заздалегідь відомому законі. У дисертації розроблено оригінальний алгоритм зміни розміру симплекса зі збереженням його регулярності, що враховує знак критеріальної функції на етапі пошуку і число кроків на етапі спостереження, при якому залишається невідкинутої хоча б одна з попередніх вершин.

На підставі викладеного, функціональну схему двоканальної електромеханічної системи автоматичної оптимізації окремої флотомашини має вид, приведений на рис. 3.

Сумарні результати чисельних експериментів на розробленій математичній моделі функціонування синтезованої двоканальної системи (варіант 1) та одноканальної системи (варіант 2) при різних видах збурень приведені в таблиці 1.

З аналізу даних таблиці видно, що застосування двоканальної системи автоматичної оптимізації з використанням модифікованого симплекс-методу дозволяє збільшити ефективність керування в середньому на 7 % у порівнянні з одноканальною структурою керування..

Сучасні діючі і проектовані збагачувальні фабрики є високопродуктивними підприємствами, що забезпечують переробку великих обсягів сировини. Типові технологічні схеми таких фабрик передбачають поділ поступаючої сировини між декількома паралельно працюючими однорідними апаратами, що утворюють відділення. Це обумовило необхідність визначення структури керування групою розділових апаратів однакового призначення.

Очевидним рішенням у цьому випадку є оснащення кожного з паралельно працюючих апаратів розробленою вище двоканальною системою автоматичної оптимізації. Однак, зважаючи на те, що при сучасних технологічних схемах процесу флотації зміна заданих значень питомих витрат реагенту-спінювача і реагенту-збирача можливо тільки на стадії підготовки вхідної пульпи в цілому на відділення, групове керування паралельно працюючими флотаційними апаратами може бути здійснено тільки шляхом оснащення всього флотаційного відділення однією адаптивною системою керування, що використовує критерій ефективності виду (7), який враховує зольності сумарного концентрату і сумарних відходов відділення. Функціональна схема системи автоматичної оптимізації групою флотаційних апаратів на основі викладеного має вид, приведений на рис. 4.

Дані математичного моделювання показали, що застосування двоканальної системи автоматичної оптимізації з використанням модифікованого симплекс-методу дозволяє збільшити ефе-ктивність групового керування в середньому на 5 % у порівнянні з раніше відомою структурою керування.

У четвертому розділі зроблено вибір принципової схеми системи керування асинхронним електроприводом дозаторів реагентів, що представляє собою слідкуючу систему з негативним зворотним зв'язком по швидкості. Приведена схемна реалізація на базі однокристальної микроэвм усіх запропонованих у роботі алгоритмів обробки інформації й алгоритмів видачі керуючих впливів. Результати математичного моделювання показали, що бажаним значенням точності виміру зольності концентрату є величина % абс, а зольності відходів % абс.

ВИСНОВКИ

У дисертації наведене теоритичне узагальнення і нове вирішення наукової задачі, що виявляеться в розробці оптимальної адаптивної електромеханічної системи автоматичного керування процесом флотації на вуглезбагачувальній фабриці, яка в прикладному плані забезпечує максимальну економічну ефективність цього процесу. Основними результатами дисертації являються.

1. Обґрунтування можливості підвищення економічної ефективності розділових процесів методом флотації реалізацією двоканальної адаптивної системи екстремального керування, структура якої будується по ієрархічному принципу, що дозволяє здійснювати автоматизацію процесу поетапно, починаючи з відносно простих електромеханічних систем керування нижнього рівня, де реалізовані системи стабілізації основних технологічних параметрів і закінчуючи системою верхнього третього рівня, яка оптимізує якісно-кількістні показники групи розділових апаратів у цілому.

2. Здійснення доробки математичної моделі процесу флотації на основі рівняння Фоккер-Планка-Колмогорова ґрунтуючись на максимальному використанні апріорних свідчень про природу процесу, який відноситься до класу масових дифузійних процесів зі зносом. Застосування при складанні моделі апарату ланцюгів Маркова дозволило наочно представити динаміку фізичного процесу поділу компонентів у ванні флотомашини і досить просто зв'язати якісно-кількісні показники кінцевих продуктів збагачення з основними керуючими і обурюючими впливами.

3. Підтвердження адекватності нової моделі динаміці і статиці реального фізичного процесу, що свідчить про коректність прийнятих співвідношень.

4. Визначення раціонального переліку систем керування першого рівня ієрархії. Такими системами є системи стабілізації питомої витрати реагента-спінювача на кубічний метр вхідної пульпи , стабілізації реагента-збирача на тону твердого у вхідній пульпі і стабілізації рівня пульпи в камерах флотомашини.

5. Визначення критерію ефективності процесу керування флотаційним розділовим апаратом. Установлено, що найбільш доцільним є застосування критерію компромісного виду, що враховує якість обох кінцевих продуктів поділу. Виведено математичні співвідношення для коефіцієнтів критеріальної функції, по яким необхідно їх періодично змінювати відповідно вимог споживача до якості кінцевого концентрату і мінливими властивостями вхідної сировини.

6. Запропонований алгоритм, який реалізовано одноканальним екстремальним регулятором, мінімізуючим втрати на нишпорення при істотному дрейфі статичної характеристики об'єкту керування у вертикальному напрямку.

7. Визначення, що найбільш ефективним керуванням для флотаційного апарату вцілому є реалізація двоканальної екстремальної системи, що використовує як керуючі впливи питомі витрати реагенту-спінювача та реагенту-збирача .

8. Розроблення алгоритму двоканального екстремального крокового регулятора, заснований на послідовному симплексному методі пошуку оптимуму унімодальної критеріальної функції. Обґрунтовано необхідну величину кроку квантування керуючих впливів за часом, що забезпечує стійке функціонування системи керування в умовах реально діючих збурювань. Для досягнення розрахункового значення цього кроку квантування в умовах наявності істотного запізнювання виконана компенсація інформаційного запізнювання шляхом прогнозування показників датчиків на один цикл виміру вперед.

9. Визначення кількісних оцінок ефективності функціонування електромеханічних систем автоматичного керування для типових виробничих умов. Установлено, що реалізація запропонованих двоканальних систем автоматичної оптимізації в порівнянні з режимом стабілізації якості кінцевих продуктів дозволяє збільшити ефективність процесу поділу для окремого апарата в середньому на 7 %, для групи апаратів - на 5 %.

10. Встановлення, що групове керування паралельно працюючими флотаційними апаратами повинно здійснюватися тільки шляхом оснащення усього флотаційного відділення однією адаптивною системою керування, що використовує розроблений критерій ефективності, який враховує зольності сумарного концентрату і сумарних відходів відділення. При цьому індивідуальні особливості окремих апаратів доцільно компенсувати відповідними настроюваннями систем стабілізації першого рівня ієрархії.

Результати проведених досліджень систем керування всіх рівнів показали, що ефективність застосування цих систем залежить також від величини збурювань по навантаженню і якості вхідної сировини. Тому представляється доцільним, поряд з реалізацією систем автоматичного керування, проводити заходу щодо стабілізації цих збурювань.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Абраменко И.Г., Ле Минь Фыонг, Власов К.П. Синтез системы экстремального управления технологическими процессами с существенным запаздыванием// Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика. Спец. выпуск Вестник ХГПУ.- Харьков: ХГПУ.- 1998.- C.113-114. (Перелік №1. Бюл. ВАК України № 4- 1999 - С.40).

2. Абраменко И.Г., Ле Минь Фыонг, Власов К.П. Методика определения критерия эффективности для систем автоматической оптимизации флотационными разделительными процессами// Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика. Вестник ХГПУ.- Харьков: ХГПУ.- 1999.- Вып №61.- C.118-119. (Перелік №1. Бюл. ВАК України № 4- 1999 - С.40).

3. Ле Минь Фыонг. Разработка математической модели разделительного обогатительного апарата// Інтегровані технології та єнергозбереження. Щоквартальний науково-практичний журнал.- 2000.- № 2.- C.44-49. (Перелік №1. Бюл. ВАК України № 4- 1999 - С.44).

4. Абраменко И.Г., Ле Минь Фыонг. Компенсация времени запаздывания в каналах измерения информации электромеханических систем// Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика. Вестник ХГПУ.- Харьков: ХГПУ.- 2000.- Вып №113.- C.280-281. (Перелік №1. Бюл. ВАК України № 4- 1999 - С.40).

Размещено на Allbest.ru

...