Система автоматичного управління технологічним процесом переробки вугілля у піролізний газ

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

СИСТЕМА АВТОМАТИЧНОГО УПРАВЛІННЯ ТЕХНОЛОГІЧНИМ ПРОЦЕСОМ ПЕРЕРОБКИ ВУГІЛЛЯ У ПІРОЛІЗНИЙ ГАЗ

Червинський Володимир Володимирович

Донецьк-2005

Анотація

Червинський В.В. Система автоматичного управління технологічним процесом переробки вугілля в піролізний газ. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.07 - “Автоматизація технологічних процесів”. - Донецький національний технічний університет, м. Донецьк, 2005 р.

У дисертаційній роботі запропоновано нове рішення наукової задачі автоматичного управління технологічним процесом переробки вугілля у піролізний газ методом напівкоксування з застосуванням топок з циркулюючим киплячим шаром як багатозв'язним багатомірним об'єктом. Запропонована дворівнева структура системи автоматичного управління з оптимальними локальними системами управління (ЛСУ) технологічними модулями і координатором, що погоджує роботу ЛСУ. Для синтезу САУ з використанням методів сучасної теорії управління і нейромережного управління розроблена математична модель об'єкта управління в частотній області і у просторі станів з урахуванням декомпозиції ТП на технологічні модулі. В алгоритм координатора, як системи управління верхнього рівня, закладено метод передбачення взаємодій, локальне управління здійснюється за узагальненим квадратичним критерієм якості. Для компенсації збурювань, нелінійностей і експлуатаційних змін параметрів об'єкту запропоноване використання нейромережних коригувальних елементів. Розроблено структуру розподіленої системи управління ТП на основі сучасної елементної бази з застосуванням промислових мережних технологій.

Ключові слова: технологічний процес переробки вугілля в піролізний газ, багатозв'язна багатомірна система, простір станів, оптимальне управління, нейронна мережа, математична модель, розподілена система управління, промислова мережева технологія.

Аннотация

Червинский В.В. Система автоматического управления технологическим процессом переработки углей в пиролизный газ. Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.07 - “Автоматизация технологических процессов”. - Донецкий национальный технический университет, г. Донецк, 2005 г.

В диссертационной работе дано новое решение научной задачи эффективного автоматического управления многосвязным многомерным химико-тепловым объектом - технологическим процессом переработки углей в пиролизный газ методом полукоксования на установках с циркулирующим кипящим слоем. Разработанная система автоматического управления является двухуровневой и построена с применением методов оптимального и интеллектуального управления. Для решения поставленной задачи разработки системы управления технологическим процессом переработки углей в пиролизный газ предложена распределенная структура системы автоматического управления с локальными системами оптимального управления (ЛСУ) технологическими модулями и координатором, согласующим работу ЛСУ нижнего уровня. Для синтеза системы управления, ориентированного на использование методов современной теории управления и методов нейросетевого управления, разработана новая динамическая математическая модель рассматриваемого ТП на основе физико-химических уравнений, описывающих основные протекающие в объекте процессы, в виде передаточных функций и в пространстве состояний с учетом декомпозиции ТП на технологические модули. Установлены диапазоны изменения параметров ТП в рабочем стационарном режиме, произведена линеаризация нелинейных зависимостей, входящих в математическое описание объекта управления, получены модели в отклонениях. В основе функционирования координатора, являющегося ядром системы управления верхнего уровня, заложен принцип предсказания взаимодействий, локальное управление осуществляется по обобщенному квадратичному критерию качества. Для компенсации возмущений, нелинейностей и эксплуатационных изменений параметров объекта предложено применение нейросетевых корректирующих элементов, используемых согласно принципу параллельного нейросетевого управления.

Разработан программный комплекс, позволяющий провести: моделирование объекта управления с целью получения его динамических характеристик; исследование влияния структуры нейронных сетей на качество функционирования самообучающихся корректирующих нейросетевых элементов системы управления; моделирование системы управления рассматриваемым технологическим процессом с целью оценки качества управления. Разработаны структура и алгоритм функционирования распределенной системы управления ТП на основе современной элементной базы с применением промышленных сетевых технологий. Построена коммутационная модель взаимодействия структурных единиц распределенной системы управления посредством промышленной шины Profibus. Произведено исследование влияния временных характеристик элементов автоматизации на функционирование САУ в целом. Предложены рекомендации по выбору скоростных параметров шины. Проведено технико-экономическое обоснование применения разработанной системы управления установкой с ЦКС по переработке углей в пиролизный газ.

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. На сьогоднішній день одним з перспективних напрямків розвитку паливно-енергетичного комплексу України є комплексна переробка вугілля як хімічної сировини, оскільки наша держава має на своїй території великі запаси цих корисних копалин. При цьому одним з важливих аспектів цього напрямку є одержання висококалорійного піролізного газу, як основного продукту напівкоксування вугілля.

Аналіз існуючих технологічних схем довів, що найбільш перспективною є схема одержання піролізного газу методом напівкоксування вугілля внутрішнім способом за допомогою коксозольного залишку із застосуванням установок з циркулюючим киплячим шаром (ЦКШ). Застосування даної схеми, у порівнянні з іншими схемами, дозволяє підвищити питомий вихід піролізного газу, збільшити повноту переробки вугілля, поліпшити екологічні й економічні показники.

На даний момент представлений технологічний процес знаходиться в стадії розробки, пілотні установки досліджуються в Науково-технічному центрі вугільних енерготехнологій НАН України і Міненерго України та у Донецькому національному технічному університеті. Застосування подібних установок у більш широкому плані обмежено через відсутність сучасної ефективної системи управління, без якої експлуатація даної технологічної схеми практично неможлива.

Існуючі методи побудови систем управління окремими технологічними модулями, що у сукупності представляють даний технологічний процес, а також наявні математичні моделі не розглядають установку як об'єкт управління з взаємозалежною структурою із безліччю прямих, зворотних і перехресних зв'язків, тобто управління здійснюється по окремих каналах без взаємного узгодження і коректування, що обумовлює у статичних і динамічних режимах відхилення значень параметрів ТП від бажаних.

Таким чином, постає задача дослідити вплив багатозв'язності і багатомірності на динаміку і якість об'єкта і системи управління, розробити математичну модель, що враховує ці обставини, створити систему автоматичного управління з урахуванням особливостей даного об'єкта, яка дозволить підвищити ефективність функціонування розглянутого технологічного процесу.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Напрямок дисертаційних досліджень пов'язаний з темами НДР ДонНТУ № Д 3-04 (№ держ. реєстрації 0104U004058) “Розробка екологічно чистої технології комплексної переробки низькосортного вугілля й органічних відходів” і № Д 13-01 (№ держ. реєстрації 0101U001108) “Обґрунтування ефективних модулів прогресивних технологій переробки бурого вугілля України”.

Мета і задачі дослідження -- підвищення ефективності технологічного процесу переробки вугілля у піролізний газ на установках з циркулюючим киплячим шаром за рахунок розробки системи автоматичного управління, що забезпечує максимальний питомий вихід піролізного газу, за умови збереження його якісного складу, і підтримку технологічних параметрів процесу на заданому рівні.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні основні задачі:

дослідити особливості технологічного процесу переробки вугілля у піролізний газ на установках із ЦКШ і установити параметри процесу, завдяки яким здійснюється ефективне управління;

розробити математичну модель технологічного процесу переробки вугілля у піролізний газ на установках із ЦКШ, перевірити її адекватність;

розробити систему автоматичного управління технологічним процесом переробки вугілля у піролізний газ на установках із ЦКШ на основі сучасних методів, які застосовуються у цифрових системах управління багатомірними багатозв'язими об'єктами;

розробити структуру і алгоритм функціонування розподіленої системи управління технологічним процесом переробки вугілля у піролізний газ на установках із ЦКШ, які орієнтовані на застосування сучасних промислових мережних технологій і технологічної елементної бази;

оцінити економічну ефективність від використання запропонованих науково-технічних рішень.

Об'єктом досліджень є технологічний процес переробки вугілля у піролізний газ методом напівкоксування на установках з циркулюючим киплячим шаром.

Предметом досліджень виступають системи автоматичного управління технологічним процесом переробки вугілля у піролізний газ методом напівкоксування на установках з циркулюючим киплячим шаром.

Методи дослідження. При розробці моделі об'єкта використовувалися методи декомпозиції і простору станів. Синтез САУ виконано з використанням методів сучасної теорії управління (оптимального управління і передбачення взаємодій) і методів нейроуправління. При дослідженні якості системи управління і динаміки об'єкта управління використовувалися методи математичного моделювання.

Наукова новизна отриманих результатів.

Дістала подальшого розвитку динамічна математична модель технологічного процесу переробки вугілля у піролізний газ на установках з циркулюючим киплячим шаром, заснована на фізико-хімічних рівняннях опису процесів, що протікають, яка відрізняється від відомих тим, що технологічний процес розглядається як багатозв'язний багатомірний об'єкт управління в просторі станів з урахуванням його декомпозиції на технологічні модулі й орієнтована на методи сучасної теорії динамічних систем.

Вперше розроблена дворівнева система оптимального управління технологічним процесом переробки вугілля у піролізний газ на установках із ЦКШ, що використовує метод передбачення взаємодій на верхньому рівні і узагальнений квадратичний критерій якості для локальних підсистем, що забезпечує в стаціонарному режимі максимальний питомий вихід піролізного газу, за умови збереження його якісного складу, і підтримку технологічних параметрів процесу на заданому рівні.

Вперше розроблені адаптивні коригувальні елементи системи управління технологічним процесом переробки вугілля у піролізний газ на установках із ЦКШ на основі нейрорегуляторів рівнобіжного типу і нелінійних нейроспостерігачів, які забезпечують компенсацію нелінійностей, експлуатаційних змін параметрів технологічного процесу і розширення робочого діапазону допустимих відхилень параметрів.

Дістали подальшого розвитку алгоритм реалізації управління і структура розподіленої системи управління, орієнтовані на хіміко-теплові об'єкти даного класу, на базі сучасних промислових мережних мікропроцесорних технологій автоматизації, які відрізняються тим, що враховують часові характеристики промислової шини і розподіл задач управління між локальними і координуючою підсистемами.

Практичне значення отриманих результатів:

Розроблено алгоритм і програмне забезпечення для математичного моделювання технологічного процесу переробки вугілля у піролізний газ, які дозволяють досліджувати динамічні режими ТП по різних каналах управління і застосовувати при побудові і дослідженні систем управління розглянутим об'єктом методи сучасної теорії управління.

Створено цифрову багатозв'язну систему оптимального управління технологічним процесом переробки вугілля у піролізний газ з використанням методів інтелектуального управління, яка орієнтована на застосування сучасних засобів автоматизації.

Розроблено програмний комплекс для дослідження якісних характеристик системи управління, а також оцінки впливу часових параметрів промислової шини на функціонування розподіленої системи управління ТП переробки вугілля у піролізний газ.

Запропоновано типову структуру технічних засобів для реалізації розподілених систем управління об'єктами даного класу на основі сучасної мікропроцесорної інтелектуальної елементної бази і промислових мережних технологій.

Результати роботи використані при розробці проекту “Реконструкція 1-ої черги Слов'янської ТЕС з установкою 125 МВт із котлами ЦКШ” у Донецькому проектно-розвідувальному і науково-дослідному інституті “Теплоелектропроект”; при розробці проектів автоматизації складних хіміко-теплових об'єктів на ВАТ "Авдіївський коксохімічний завод"; у науково-дослідній роботі й у навчальному процесі кафедри “Автоматика і телекомунікації” ДонНТУ.

Особистий внесок здобувача. Автором особисто розроблені математичні моделі технологічного процесу переробки вугілля у піролізний газ на установках із ЦКШ і його складових технологічних модулів, що представлені у вигляді передатних функцій і в просторі станів; дворівнева система управління розглянутим ТП як багатозв'язним багатомірним об'єктом; алгоритм оптимального управління ТП із використанням нейронних мереж для корекції управляючих впливів; структура і алгоритм для розподіленої системи управління установкою із застосуванням промислових мережних технологій.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційних досліджень повідомлені, обговорені і одержали схвалення на наступних конференціях: на Міжнародній конференції з управління “Автоматика - 2003” (Севастопольський національний технічний університет, м. Севастополь, 2003 р.); на II науково-практичній конференції “Донбас-2020: Наука і техніка - виробництву” (Донецький національний технічний університет, м. Донецьк, 2004 р.); на Міжнародній конференції з управління “Автоматика - 2004” (Національний університет харчових технологій, м. Київ, 2004 р.); на Міжнародній конференції з управління “Автоматика - 2005” (Харківський національний технічний університет, м. Харків, 2005 р.).

Публікації. За результатами дисертації опубліковані 10 друкованих праць, у тому числі 5 у наукових виданнях, затверджених ВАК України, і 3 у тезах доповідей на науково-технічних конференціях.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, п'яти розділів і висновку, викладених на 162 сторінках машинописного тексту, ілюстрованого 72 рисунками. Робота містить 12 таблиць, список використаної літератури з 148 найменувань і 4 додатки на 38 сторінках.

2. Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульована мета, перераховані основні наукові положення і практичне значення, які виносяться на захист.

У першому розділі - “Стан питання, основні цілі і задачі дослідження” розглянута як складна взаємозалежна структура технологічна схема одержання піролізного газу методом напівкоксування на установках з циркулюючим киплячим шаром,, виявлені її особливості; викладена характеристика технологічного процесу переробки вугілля у піролізний газ як об'єкта управління; виконано аналіз існуючих систем управління об'єктів даного класу, обґрунтовано прийнятий напрямок розробок, мета і задачі дослідження.

Основною метою розглянутого технологічного процесу є максимальний вихід піролізного газу на умовну одиницю палива (вугілля), за умови підтримки заданого якісного складу газу.

Попередньо підсушене і розмелене до фракцій визначеної величини вугілля подається до піролізеру. У піролізері відбувається напівкоксування вугілля внутрішнім способом, тобто тепло надходить від теплоносія - коксозольного залишку безпосередньо до часток обігрітого вугілля, таким чином забезпечуючи найбільшу поверхню взаємодії і, отже, більш високий відсоток вихіду піролізного газу.

Частина напівкоксу в суміші з КЗЗ за допомогою тракту повернення КЗЗ подається до топки, де відбувається його спалювання в киплячому шарі (КШ), частина відводиться на енергетичні потреби. Як дуття використовується повітря, яке спрямовується під ґратки киплячого шару і до L-клапана. Швидкість і тиск повітря підтримуються таким чином, щоб спалені частки палива за допомогою пневмотранспорту подавалися через зону сепарації до піролізеру і через тракт повернення КЗЗ - знову до топки (рециркулюючий КЗЗ). Передбачено також подачу вугілля безпосередньо до киплячого шару. Розподіл потоків коксозольного залишку, летючої золи і газоподібних продуктів згоряння відбувається в циклонах зони сепарації. Донна зола виводиться з нижньої зони топки, летюча - у циклоні тонкого очищення.

На сьогоднішній день системи управління подібними хіміко-тепловими технологічними процесами, розроблені на основі класичних методів синтезу, не задовольняють вимогам за багатьма параметрами ефективності управління.

З аналізу установки як об'єкту управління можна зробити висновок, що розглянутий технологічний процес є складним, багатомірним, багатозв'язним з великою кількістю прямих, перехресних і зворотних зв'язків. Виділено основні задачі, які повинна вирішувати система управління установкою в стаціонарному режимі за рахунок підтримки значень параметрів технологічних режимів у заданих межах і компенсації збурювань: забезпечення максимального питомого виходу піролізного газу завдяки підтримці температури процесу напівкоксування на заданому рівні, визначеному для кожної марки вугілля; забезпечення оптимального режиму згоряння палива; підтримка екологічних показників.

Зазначені обставини підкреслюють актуальність питання і обґрунтовують тему дисертаційної роботи. Проведений аналіз дозволив визначити напрямок розробок і сформулювати мету і задачі досліджень.

У другому розділі - “Математична модель і дослідження динаміки об'єкта управління”, розроблена математична модель технологічного процесу переробки вугілля у піролізний газ методом напівкоксування з циркулюючим киплячим шаром у частотній області і в просторі станів.

Відповідно до розподілу установки на ділянки і на основі аналізу техніко-технологічних особливостей були отримані рівняння матеріального і теплового балансів.

Розроблено принципи моделювання технологічного процесу переробки вугілля у піролізний газ як хіміко-теплового об'єкта. Запропоновано експериментально-аналітичний метод для побудови математичної моделі. Розглянутий технологічний процес як складний багатомірний багатозв'язний об'єкт із розподіленими параметрами за допомогою методу декомпозиції було розбито на три технологічних модулі (локальних об'єкти) різної розмірності з зосередженими параметрами.

Розроблено нелінійні динамічні моделі ТМ у вигляді системи нелінійних диференціальних рівнянь. Отримано спрощені лінеаризовані математичні моделі ТМ у вигляді диференціальних рівнянь і передатних функцій.

Встановлено діапазони зміни параметрів ТП у робочих режимах, отримані моделі у відхиленнях.

Розроблені математичні моделі дозволили дослідити динамічні процеси в установці з переробки вугілля у піролізний газ, установити якість перехідних процесів, визначити канали взаємозв'язку, вхідні і вихідні координати.

Результати моделювання і експериментальних досліджень дозволили представити установку з переробки вугілля у піролізний газ як багатомірний багатозв'язний об'єкт управління.

Структури моделей окремих "елементарних" фізичних процесів, використаних при розробці комплексної моделі ТП переробки вугілля у піролізний газ, мають а основі експериментальні дослідження динамічних режимів хіміко-технологічних процесів на Авдіївському коксохімічному заводі.

Розроблено моделі окремих ТМ у просторі станів. Отримано комплексну модель усього об'єкта як сукупність моделей ТМ із урахуванням їх взаємозв'язку й взаємовпливу в просторі станів. При цьому об'єкт управління описується у векторно-матричній формі в вигляді лінійних диференціальних рівнянь стану:

(2)

де i - номер ТМ; x_i(k) - вектор стану i-го ТМ розмірністю (n_i1);

u_i(k) - вектор управляючих впливів i-го ТМ розмірністю (r_i1);

z_i(k) - вектор входів i-го ТМ розмірністю (l_i1); A_i - матриця динаміки i-го ТМ розмірністю (n_in_i);

В_i - матриця управління i-го ТМ розмірністю (n_ir_i);

E_i - матриця взаємозв'язку i-го

ТМ розмірністю (n_il_i),

і рівняннями виходу

(3)

де y_i(k) - вектор керованих координат i-го ТМ розмірністю (m_i1);

С_i - матриця виходу i-го ТМ розмірністю (m_in_i);

D_i - матриця входу i-го ТМ розмірністю (m_ir_i);

Вектор входів z_i є лінійною комбінацією перемінних стану трьох ТМ:

(4)

Компоненти векторів, що входять до рівнянь (2) - (4), для технологічних модулів виглядають наступним чином:

ТМ 1. Вектор стану: х₁₍₁₎ = М_Ш - М_Шs; х₂₍₁₎ = T_Ш - T_Шs; х₃₍₁₎ = U_p - U_ps; х₄₍₁₎ = T_КЗЗ - T_КЗЗs; х₅₍₁₎ = Р - Р_s; х₆₍₁₎ = ; х₇₍₁₎ = G_КЗЗ - G_КЗЗs. Вектор управляючих перемінних: u₁₍₁₎ = G_В1 - G_В1s; u₂₍₁₎ = G_П1 - G_П1s; u₃₍₁₎ = G_П2 - G_П2s; u₄₍₁₎ = G_ВАП - G_ВАПs. Вектор виходів: y₁₍₁₎ = G_КЗЗ - G_КЗЗs; y₂₍₁₎ = Т_КЗЗ - Т_КЗЗs; у₃₍₁₎ = Р - Р_s; у₄₍₁₎ = . Вектор входів: z₁₍₁₎ = G_НК2 - G_НК2s; z₂₍₁₎ = T_НК2 - T_НК2s.

ТМ 2. Вектор стану: х₁₍₂₎ = М_Н - М_Нs; х₂₍₂₎ = T_НК - T_НКs. Вектор управляючих перемінних: u₁₍₂₎ = G_В2 - G_В2s. Вектор виходів: у₁₍₂₎ = G_НП - G_НПs; у₂₍₂₎ = T_НК - T_НКs. Вектор входів: z₁₍₂₎ = G_КЗЗ - G_КЗЗs; z₂₍₂₎ = T_КЗЗ - T_КЗЗs

ТМ 3. Вектор стану: х₁₍₃₎ = G_НК2 - G_НК2s; х₂₍₃₎ = T_НК2 - T_НК2s. Вектор управляючих перемінних: u₁₍₃₎ = G_НП1 - G_НП1s. Вектор виходів: y₁₍₃₎ = G_НК2 - G_НК2s; y₂₍₃₎ = T_НК2 - T_НК2s. Вектор входів: z₁₍₃₎ = G_НК - G_НКs; z₂₍₃₎ = T_НК - T_НКs.

Після проведеного моделювання окремих ТМ і технологічного процесу взагалі стає зрозуміло, що в цілому протікання перехідних процесів має затяжний характер, взаємовплив окремих параметрів процесу обумовлює зміну одних параметрів при управлінні іншими.

Розроблений математичний опис дозволяє формалізувати аналіз і синтез багатомірної багатозв'язної системи управління технологічним процесом переробки вугілля у піролізний газ на основі методів сучасної теорії управління.

У третьому розділі - “Синтез ієрархічної системи оптимального управління технологічним процесом переробки вугілля у піролізний газ на установках із ЦКШ”, проведено синтез дворівневої системи оптимального управління ТП із використанням нейромережевих коригувальних елементів.

Технологічний процес як об'єкт управління можна уявити у вигляді трьох взаємозв'язаних технологічних модулів, для кожного з яких ставляться задачі управління за локальними критеріями. Уся система управління має ієрархічну дворівневу структуру. Нижній рівень представлений локальними системами управління (ЛСУ). Щоб досягти глобальної мети управління - максимальний питомий вихід піролізного газу, ЛСУ підкоряються вищестоящій системі, що використовується для координації управляючих впливів окремих ЛСУ й завдання робочих режимів.

Загальний підхід до задачі оптимального управління технологічним процесом переробки вугілля в піролізний газ полягає в наступному:

ЛСУ побудовані на базі оптимальних регуляторів, задачею проектування яких є відшукання такого оптимального управління u_i(k) з вектора перемінних стану х_i(k), при яких приймає мінімальне значення функціонал:

(5)

де S_i - симетрична ненегативно визначена матриця вагових коефіцієнтів розмірністю (n_in_i);

Q_i - симетрична ненегативно визначена матриця вагових коефіцієнтів перемінних стану розмірністю (n_in_i);

R_i - симетрична позитивно визначена матриця вагових коефіцієнтів управляючих впливів розмірністю (r_ir_i);

Рішенням задачі оптимізації за допомогою негативного зворотного зв'язку по стану є

,(6)

де Р_i - симетричне, позитивно визначене рішення матричного рівняння Ріккати:

(7)

Таким чином, локальне управління здійснюється за узагальненим квадратичним критерієм якості.

Система управління другого рівня базується на методі передбачення взаємодій, що забезпечує для системи, яка складається з N підсистем (N = 3 по кількості ТМ) мінімізацію функціонала:

(8)

Координуючим вектором є , де - вектор множників Лагранжа. Алгоритм другого рівня поліпшує компоненти координуючого вектора при використанні значення вектора з попередньої ітерації в стаціонарній точці, за наступним координаційним алгоритмом:

(9)

Таким чином, метод полягає в мінімізації N незалежних лагранжианів L_i для заданих величин і .

Проведений аналіз управляємості і спостережності ТМ - необхідних умов синтезу регуляторів стану довів, що всі ТМ є повністю спостережуваними і керованими.

Вибір кроку дискретизації здійснюється виходячи зі співвідношення:

(10)

де Т_min - мінімальна постійна часу в системі.

Вагові коефіцієнти матриць Q_i і R_i, що входять у (5) і (8), обрані на основі вимог до показників перехідних процесів і обмежень, що накладаються на відхилення від стаціонарних значень відповідних змінних.

Оскільки в ТМ змінні стану доступні виміру не в повному обсязі, то потрібно їхнє відновлення за допомогою спостерігачів. Для цього проведено синтез редукованих спостерігачів Люнбергера.

Синтез координатора і алгоритму глобального оптимального управління ТП зроблено на основі принципу передбачення взаємодій, запропонованого Такахарою. При цьому використовується схема (рис. 4), у якій всі ієрархічні обчислення здійснюються поза контуром управління, а результати обчислень приводять до зміни коефіцієнтів підсилення зворотних зв'язків, що входять до контуру управління.

Локальне управління в даному випадку визначається зі співвідношення

(11)

де s_i (k) - вектор розімкнутого контуру компенсації,

(12)

Розробка оптимальної дворівневої системи управління технологічним процесом переробки вугілля у піролізний газ на установках із ЦКШ припускає використання регуляторів з фіксованими коефіцієнтами передач, що є неефективним для компенсації варіацій параметрів об'єкта управління. Крім того, синтез САУ проводився для спрощеної лінеаризованої моделі об'єкта, у якій не були враховані нелінійності об'єкта (у розглянутій системі є нелінійності, обумовлені характеристиками процесів горіння, хімічних перетворень і апаратних затримок), що приводить до зниження ефективності реальної САУ. Компенсація зазначених недоліків можлива за допомогою схем рівнобіжного нейромережного управління.

Нейрорегулятор рівнобіжного типу використовується для коректування вхідного управляючого сигналу u_1, який є вихідним сигналом звичайного регулятора. Коректування виконується таким чином, щоб вихідний сигнал об'єкта управління у як можна точніше відповідав заданому опорному сигналу r. Задача нейрорегулятора рівнобіжного типу полягає в тому, щоб підкоректувати управляючий вплив u₁, якщо він не забезпечує гарного результату.

Навчання нейрорегулятора здійснюється за алгоритмом зворотного поширення. Оскільки навчання нейронної мережі є покроковим, кожен крок навчання виробляється в дискретні моменти часу цифрової системи управління об'єктом. Ініціалізація мережі виконується виходячи з умов мінімального коригувального впливу нейрорегулятора на основний регулятор, навчання виробляється безпосередньо в процесі функціонування системи управління. У такий спосіб реалізується адаптивність системи управління на основі самопогодження нейрорегулятора до параметрів об'єкта, що змінюються.

,(13)

де u₁(k) - вихід оптимального регулятора; u₂(k) - вихід нейронної мережі, що мінімізує функцію витрат:

,(14)

де е - помилка на виході; w - вагові коефіцієнти.

Оскільки лінеаризована модель розглянутого об'єкта є неточною, функціонування реальної системи управління з застосуванням лінійного спостерігача буде відрізнятися від бажаного. Як коригувальний пристрій спостерігача запропоновано використання нейронної мережі. Коректування оцінки виконується з використанням нейронної мережі за наступною схемою:

(15)

де - вихід нейронної мережі, яка навчена таким чином, що помилка виходу мінімізується.

Навчальне правило будується на основі алгоритму зворотного поширення, що забезпечує мінімізацію квадратичної помилки, яка задається виразом

(16)

Якщо визначити вихідну частину нейронної мережі як

,(17)

а розглядати як бажаний вихід мережі під час її тренування, то величина , що задається (16), буде мати вигляд:

(18)

Для визначення оптимальної структури усіх використаних у системі управління нейронних мереж було проведене дослідження впливу їхніх параметрів на якість функціонування коригувальних нейроелементів. У результаті досліджень було визначене оптимальне сполучення таких параметрів нейронних мереж, як кількість схованих шарів, кількість нейронів у кожному шарі і функції активації нейронів.

Для розробленої дворівневої системи оптимального управління технологічним процесом переробки вугілля у піролізний газ, яка представлена на рис. 8, проведено моделювання динамічних процесів. При цьому досліджувалися показники якості синтезованої системи -- такі як точність, перерегулювання, час протікання перехідного процесу і його коливальність.

У четвертому розділі - “Розробка розподіленої системи управління установкою з ЦКШ з переробки вугілля у піролізний газ на основі мережних промислових технологій”, запропоновано варіант побудови розподіленої системи управління установкою на основі промислової шини Profibus, алгоритм функціонування розподіленої системи управління, що реалізує дворівневу систему оптимального управління з корегувальними нейроелементами; розроблено комунікаційну модель взаємодії ведучих і ведених пристроїв системи автоматизації установки, досліджені часові характеристики розподіленої системи управління.

Установка має розподілену структуру, є складним багатозв'язним об'єктом і конструктивно розбита на п'ять технологічних ділянок. Кожна ділянка оснащена датчиками і виконавчими органами. В основному це датчики температури, подачі повітря, витрачання потоку і аналізатори складу газоподібних продуктів згоряння, виконавчі органи - приводи і заслінки подачі вугілля і повітря.

Передбачається використання двох специфікацій Profibus, реалізованих спільно на одній шині: Profibus-DP і Profibus-FMS.

Протокол Profibus-DP призначений для високошвидкісної передачі даних на рівні приводів і датчиків. На цьому рівні контролери, обмінюються даними зі своїми периферійними пристроями через швидкий послідовний зв'язок.

Протокол Profibus-FMS призначений для рішення задач взаємодії на верхньому (цеховому) рівні і промисловому (field) рівні ієрархії промислових зв'язків.

Для організації зв'язку з датчиками і виконавчими пристроями, що є веденими DP-пристроями, на нижніх (польових) рівнях управління використовується AS-інтерфейс.

Другий рівень - локальні системи управління (ЛСУ) технологічними модулями, що виконані на автономно працюючих програмувальних логічних контролерах (ПЛК), підключених до шини Profibus. Дані пристрої класифікуються як ведучі DP-пристрої класу 1 (DPM1). Підключення пристроїв AS-інтерфейсу до шини Profibus здійснюється через комутаційні модулі. Вони працюють як незалежні підсистеми, кожна з яких складається з одного ведучого пристрою і стосовних до нього ведених пристроїв. Кожний ведучий пристрій, може читати вхідні чи вихідні образи. Записувати дані у відомий DP-пристрій може тільки один ведучий пристрій (який задається при конфігуруванні).

Головний контролер системи, на базі якого виконаний координатор, обробляє інформацію, що надходить від ЛСУ і безпосередньо від датчиків і видає на ЛСУ координуючі та опорні сигнали. Головний контролер зв'язаний із ЛСУ за протоколом Profibus-DP.

Третій рівень - людино-машинний інтерфейс. До нього входить комп'ютер оператора із системою обробки даних, контролю і візуалізації технологічного процесу і програматори для конфігурування контролерів. Комп'ютер оператора підключений до головного контролера по мережі Industrial Ethernet, а також має підключення до шини Profibus за протоколом FMS. Програматори виконані на базі персональних комп'ютерів. Пристрої третього рівня належать до ведучих DP-пристроїв класу 2 (DPM2).

Для запропонованої структури розподіленої системи управління установкою розроблено алгоритм, що реалізує синтезовану дворівневу систему оптимального управління з коригувальними нейромережними елементами. Алгоритм містить у собі послідовності запитів датчиків Д_i(j) (i - номер датчика j-го ТМ), обробки даних і обчислень, вироблених ПЛК ЛСУ, запитів і обчислень, вироблених координатором, видачі їм координуючих сигналів на ПЛК ЛСУ, видачі локальними СУ управляючих сигналів на виконавчі механізми ВМ_i(j) (i - номер ВМ j-го ТМ).

На основі запропонованого алгоритму розроблена комунікаційна модель взаємодії елементів розподіленої системи управління установкою з переробки вугілля у піролізний газ. Розглянуто архітектуру протоколу Profibus DP, виявлені особливості організації канального рівня протоколу Profibus, визначені часові параметри канального рівня шини Profibus, для ведучих пристроїв, визначені функції користувача протоколу Profibus. Розроблено структури моделей ведучих пристроїв DP-master і відомих DP-slave пристроїв у вигляді ієрархічної структури модулів як базис для побудови моделі розподіленої системи управління. Внутрішня структура кожного модуля визначається машиною станів у відповідності з принципами роботи відповідного рівня протоколу Profibus. Опис усієї розподіленої структури управління як сукупності пристроїв DP-Master і DP-Slave виробляється клонуванням моделей протоколу роботи цих пристроїв з наступним створенням модульної змінної для кожного типу пристроїв.

Для оцінки впливу часових затримок, внесених елементами автоматизації, на характеристики замкнутої системи управління проведено моделювання взаємодії елементів розподіленої системи управління на базі шини Profibus при реалізації дворівневого оптимального алгоритму управління установкою з ЦКШ з переробки вугілля у піролізний газ.

Сутність часових затримок, обумовлених алгоритмом функціонування канального рівня протоколу Profibus, пояснюється з часової діаграми. При цьому були прийняті наступні позначення: Т - період дискретності цифрової системи управління; Т_У - час обходу маркерним кільцем усіх ведучих пристроїв, який обумовлює цикл управління розподіленої системи управління; Т_І - час збору інформації - опитування всіх датчиків; Т_ОБi (i =1,2,3 - порядкові номери ПЛК ЛСУ, i = 0 - ПЛК СУ другого рівня) - час обробки інформації, що надходить від датчиків, проведення обчислень відповідно до закладеного алгоритму і формування управляючих впливів; Т_ВУi - час видачі управляючих впливів, від і-ої підсистеми управління; _{y1 y11} - часова затримка виміру відповідного датчика; _{u1 u5} - часова затримка видачі управляючого впливу, на відповідний виконавчий механізм.

Аналіз результатів моделювання дозволив оцінити вплив часових затримок, що вносяться в систему управління процесами передачі даних по шині і їхньою обробкою в контролерах, на якість системи управління і розробити рекомендації з вибору тривалості циклу управління.

Кількісний склад розподіленої системи управління і результати моделювання обумовлюють вибір швидкості шини 93,75 Кбіт/с

У п'ятому розділі - “Техніко-економічна ефективність запропонованих рішень. Упровадження результатів роботи”, зроблено техніко-економічне обґрунтування ефективності розробленої системи управління установкою з переробки вугілля у піролізний газ, був проведений розрахунок очікуваного економічного ефекту від упровадження системи управління установкою, приведено наукові і практичні результати роботи, що одержали упровадження у різних галузях.

У висновку сформульовані наукові результати і практичне значення виконаної роботи. У додатках приведені документи про впровадження і використання результатів дисертаційної роботи; методики проведення експериментальних досліджень і обробки експериментальних даних; листінг програмного комплексу.

Висновок

У дисертаційній роботі запропановано нове рішення наукової задачі автоматичного управління технологічного процесу переробки вугілля у піролізний газ методом напівкоксування на установках з циркулюючим киплячим шаром як багатомірним багатозв'язним хіміко-тепловим об'єктом. Застосування розробленої системи управління для об'єктів даного класу дозволить поліпшити якісні і кількісні показники основного продукту технологічного процесу - піролізного газу, підвищити ефективність функціонування технологічного процесу за рахунок підтримки на заданому рівні основних параметрів процесу, знизити експлуатаційні витрати, зменшити трудомісткість ремонту і обслуговування.

Виконані дослідження дозволили отримати наступні наукові і практичні результати:

1. Проведений аналіз статичних і динамічних характеристик, що відбивають властивості технологічного процесу переробки вугілля у піролізний газ на установках з ЦКШ, дозволив розглядати ТП як багатомірний багатозв'язний об'єкт із зосередженими параметрами.

2. Виконано декомпозицію розглянутого ТП на технологічні модулі. Розроблено математичні моделі технологічних модулів і ТП в цілому в частотній області. Отримано комплексну модель об'єкту в просторі станів.

3. Зроблено моделювання отриманої моделі. Досліджено перехідні процеси по основних каналах управління. Структура моделі заснована на експериментальних дослідженнях родинних технологічних процесів у промислових умовах.

4. На основі сучасної теорії оптимального управління, теорії керуючих ієрархічних систем і методів інтелектуального управління, з використанням опису об'єкта в просторі станів, розроблено метод синтезу дворівневої ієрархічної системи оптимального управління ТП переробки вугілля у піролізний газ на установках з ЦКШ за узагальненим квадратичним критерієм якості з застосуванням коригувальних елементів на основі схем рівнобіжного нейронного управління.

5. Запропоновано структуру розподіленої системи управління установкою з ЦКШ з переробки вугілля у піролізний газ, що реалізує розроблений алгоритм управління, на основі сучасної мікропроцесорної елементної бази і мережних промислових технологій.

6. Розроблено модель взаємодії основних елементів розподіленої системи управління установкою з ЦКШ по переробці вугілля у піролізний газ, яка дозволяє досліджувати вплив протоколу шинної технології на якість функціонування системи управління. У результаті досліджень вироблені рекомендації по вибору швидкісних характеристик використовуваної промислової мережі типу Profibus при умові мінімального впливу внесених нею затримок на алгоритм управління установкою з ЦКШ по переробці вугілля у піролізний газ.

7. Проведене техніко-економічне обґрунтування застосування розробленої системи управління установкою з ЦКШ по переробці вугілля у піролізний газ підтвердило ефективність застосування розроблених рішень.

вугілля газ автоматичний управління

Основні результати дисертаційної роботи опубліковані в наступних публікаціях

1. Бессараб В.И., Мокрый Г.В., Червинский В.В. Разработка структуры математической модели процесса газификации угля на установках с циркулирующим кипящим слоем. // Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія: Обчислювальна техніка та автоматизація, випуск 64: - Донецьк: ДонНТУ. - 2003. - С. 16 - 23.

2. Бессараб В.И., Червинский В.В., Попов В.А. Модель процесса газификации угля в пространстве параметров состояний // Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія: Обчислювальна техніка та автоматизація, випуск 74: - Донецьк: ДонНТУ. - 2004. - С. 47 - 53.

3. Червинський В.В., Бессараб В.І. Ієрархічна система оптимального управління установкою з газифікації вугілля методом напівкоксування з циркулюючим киплячим шаром // Автоматика. Автоматизация. Электротехнические комплексы и системы №2 (14). - Херсон: Изд. ХНТУ. - 2004.- С. 187 - 192.

4. Бессараб В.И., ЧервинскийВ.В., Хорхордин А.В. Применение нейроконтроллеров для локальных САУ технологического процесса газификации угля на установках с ЦКС// Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія: Обчислювальна техніка та автоматизація, випуск 88: - Донецьк: ДонНТУ. - 2005. - С. 6-11.

5. Бессараб В.И., ЧервинскийВ.В. Синтез нейронаблюдателя для локальной оптимальной САУ топочного модуля установки с циркулирующим кипящим слоем // Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія: Обчислювальна техніка та автоматизація, випуск 90: - Донецьк: ДонНТУ. -2005. - С. 55-61.

6. Червинський В.В., Бессараб В.І. САУ технологічного процесу газифікації вугілля на установках з циркулюючим киплячим шаром // Матеріали ІІ науково-практичної конференції “Донбас-2020: Наука і техніка - виробництву”. - Донецьк: ДонНТУ. - 2004.- С. 656-660.

7. Бессараб В.И., Червинский В.В. Оптимальная САУ топки с циркулирующим кипящим слоем // Материалы шестого международного научно-практического семинара “Практика и перспективы развития партнерства в сфере высшей школы”. - Донецк: - 2005. ДонНТУ- С. 241-247.

8. Бессараб В. И., Турупалов В. В., Червинский В. В. Математическая модель процесса газификации угля на установках с циркулирующим кипящим слоем // Материалы 10-й Международной конференции по автоматическому управлению. - Севастополь: Вид-во СевНТУ - 2004. - С. 23.

9. Червинский В.В. Синтез системы управления технологического процесса газификации угля на установках с циркулирующим кипящим слоем // Матеріали 11-ої міжнародної конференції по автоматичному управлінню. - Том 2. - Київ: НУХТ - 2004. - С. 67.

10. Червинский В.В., Хорхордин А.В., Жукова Н.В. Распределенная система автоматического управления установкой по газификации угля с циркулирующим кипящим слоем // Матеріали 12-й міжнародної конференці з автоматичного управління. - Харків: Вид-во НТУ “ХПІ” - 2005. - С. 71-72.

Особистий внесок автора у публікаціях: [1] - розподіл технологічного процесу газифікації вугілля на технологічні вузли, аналіз локальних об'єктів управління, ранжирування перемінних; [2] - математичні моделі окремих технологічних модулів процесу газифікації вугілля в просторі станів; [3] - моделювання оптимальної САУ технологічного процесу газифікації вугілля, зміни і доповнення в математичних описах локальних об'єктів управління; [4] - синтез і моделювання оптимальної САУ з нейрорегулятором для ТП газифікації вугілля; [5] - синтез і моделювання оптимальної САУ с спостерігачем Люнбергера для ТП газифікації вугілля; [6] - декомпозиція задач управління установкою з переробки вугілля; [7] - синтез спостерігача стану для топки з ЦКШ, моделювання САУ зі спостерігачем, аналіз отриманих результатів; [8] - розробка структурної декомпозиції технологічного процесу газифікації вугілля, побудова математичної моделі в алгебраїчних і диференціальних рівняннях і в просторі станів; [10] - формування розподіленої структури САУ ТП газифікації вугілля, аналіз і вибір промислової шини і елементів автоматизації установки.

Размещено на Allbest.ru

...