Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний університет “Львівська політехніка”

Спеціальність 05.09.03 - Електротехнічні комплекси та системи

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

Багатокритеріальна оптимізація режимів електротехнологічного комплексу «дугова сталеплавильна піч - електропостачальна мережа»

Паранчук Ярослав Степанович

Львів 2006



Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Національному університеті “Львівська політехніка” Міністерства освіти і науки України

Науковий консультант:

Заслужений діяч науки і техніки України, доктор технічних наук, професор Лозинський Орест Юліанович, завідувач кафедри електроприводу та автоматизації промислових установок Національного університету “Львівська політехніка”

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Бешта Олександр Степанович, завідувач кафедри електроприводу Національного гірничого університету, м. Дніпропетровськ;

доктор технічних наук, професор Герасимяк Ростислав Павлович, професор кафедри електромеханічних систем з комп'ютерним управлінням Одеського національного політехнічного університету;

член-кореспондент НАН України, доктор технічних наук, професор Рєзцов Віктор Федорович, заступник директора з наукових питань Інституту відновлюваної енергетики, м. Київ

Провідна установа:

ВАТ “Український науково-дослідний інститут силової електроніки “Перетворювач” (відділ систем управління) Міністерства промислової політики України, м. Запоріжжя.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного університету “Львівська політехніка” (м. Львів, вул. Професорська, 1).

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Коруд В.І.



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Одним з основних напрямків успішного розвитку економіки України і зростання її конкурентоспроможності є підвищення ефективності енерговикористання, реалізація політики енергозбереження та зменшення енергоємності виробництва. Провідна роль в успішному виконанні державної програми енергозбереження України відводиться чорній металургії і її складовій частині - електрометалургійному комплексу, як одній з найбільш енергоємних галузей.

В електрометалургійному та машинобудівному комплексах України експлуатуються дугові сталеплавильні печі (ДСП) ємністю від 1.5 до 100 тон. Їх продукція характеризується високою енергоємністю, яка є відчутно вищою за цей же показник у таких країнах як США, Німеччина, Японія, Швеція. Характерною ознакою розвитку електросталеплавлення на сучасному етапі є інтенсифікація електричного режиму (ЕР) дугових печей, яка розвивається швидкими темпами і є одним з найважливіших напрямків підвищення ефективності всього електросталеплавильного виробництва. Але, зважаючи на динамічний нелінійний та несиметричний характер навантаження ДСП, зазначена тенденція інтенсифікації загострює проблему електромагнітної сумісності дугової печі та електропостачальної мережі (ЕПМ).

Зважаючи на це, а також приймаючи до уваги сьогоденний дефіцит і зростання цін на енергоносії і складність ДСП як об'єкта керування, задача комплексного підвищення ефективності процесу електросталеплавлення у контексті поліпшення як техніко-економічних показників дугової печі, так і електропостачальної мережі, є актуальною, важливою і водночас складною науково-прикладною проблемою.

Вирішити її можна лише розглядаючи дугову піч та електромережу як єдину складну систему - електротехнологічний комплекс (ЕТК) “дугова сталеплавильна піч - електропостачальна система” (ДСП-ЕПМ). У напрямку комплексного підвищення показників ефективності роботи такого комплексу у дисертаційній роботі проводиться розробка теоретичних засад проектування систем багатокритеріального адаптивного керування електричними режимами сталеплавлення в дугових печах на основі узагальнених функціоналів мети керування, що комплексно враховують багатофакторність поточних вимог до показників і зовнішніх умов функціонування ДСП та ЕПМ.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Вибраний напрямок досліджень здійснено у відповідності з Комплексною державною програмою енергозбереження України від 10.02.97 р., в рамках Державної науково-технічної програми “Екологічно чиста енергетика та ресурсозберігаючі технології” (розділ 4.1. “Ресурсозберігаючі екологічно чисті процеси і технології в металургії та ливарному виробництві” та 4.8. “Високоефективні енергозберігаючі енерготехнологічні та електромеханічні системи), що затверджена у 1996 р., а також у відповідності з напрямками наукових досліджень Національного університету “Львівська політехніка”.

Викладені у дисертації результати отримані у процесі виконання науково-дослідної роботи за завданням Державного комітету України з питань науки і технологій ДК “Метал” (держреєстрація №0194U029565), а також держбюджетних науково-дослідних робіт за завданням Міністерства освіти та науки України: ДБ7/ЕС (держреєстрація №0193U040357), ДБ7/ЕС (держреєстрація №0194U029588), ДБ7 “Вектор” (держреєстрація №0196U000178), ДБ7/”ВЕЕС” (держреєстрація №0198U007856), ДБ7/ВСЖ (держреєстрація №0198U002358), ДБ ”Ощадність” (держреєстрація №0101U000875), ДБ ”Критерій” (держреєстрація №0103U001364) та ДБ ”Оптимум” (держреєстрація №0105U000607), котрі виконувалися упродовж 1993-2006 рр. і в яких автор був відповідальним виконавцем.

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є розроблення системних і схемотехнічних рішень та алгоритмів керування для реалізації оптимальних режимів комплексу “дугова сталеплавильна піч - електропостачальна мережа” та створення математичних і цифрових моделей для синтезу керуючих впливів та аналізу ефективності системи керування режимами.

Поставлена мета вимагала розв'язання таких задач:

· обґрунтувати та розробити багатофункціональну ієрархічну структуру координатно-параметричної системи оптимального керування та локальні підсистеми швидкодійного автономного пофазного регулювання координат ЕТК ДСП-ЕПМ;

· теоретично обґрунтувати та розробити системотехнічні та алгоритмічні рішення для усунення чи значного послаблення взаємозв'язків між фазними каналами регулювання локальних підсистем, за яких реалізуються автономні процеси регулювання координат в багатоконтурній структурі системи автоматичного керування (САК) режимами ЕТК ДСП-ЕПМ;

· теоретично обґрунтувати універсальну аналітичну методику побудови характеристик режимних координат та оцінки інтегральних показників ефективності багатоконтурних САК режимами ЕТК “дугова сталеплавильна піч - електропостачальна мережа”;

· обґрунтувати координатний базис та створити математичні і цифрові моделі систем живлення та регулювання координат електричного режиму комплексу ДСП-ЕПМ у миттєвих координатах для вирішування задач параметричного синтезу оптимального керування та аналізу ефективності розроблених рішень;

· розвинути теоретичні основи синтезу оптимального керування режимами електросталеплавлення в ДСП на основі узагальнених критеріїв електроенергетичної, електротехнологічної ефективності та електромагнітної і екологічної сумісності;

· теоретично обґрунтувати та розробити схемотехнічні та алгоритмічні рішення, методики синтезу та аналізу ефективності багатокритеріального оптимального керування режимами компенсації реактивної потужності комплексу ДСП-ЕПМ;

· обґрунтувати і розробити системотехнічні і схемні рішення та методики синтезу оптимального керування режимами локальних підсистем комплексу ДСП-ЕПМ;

· провести на діючих дугових сталеплавильних печах та створених моделях експерименти з дослідження ефективності розроблених рішень та сформулювати на основі отриманих результатів рекомендації стосовно їх практичного використання.

Об'єктом дослідження в роботі є процеси в електротехнологічному комплексі “дугова сталеплавильна піч - електропостачальна мережа”.

Предметом дослідження є розроблення шляхів оптимізації динамічних електричних режимів комплексу “дугова сталеплавильна піч - електропостачальна мережа”.

Методи досліджень. У процесі розроблення моделей синтезу оптимального керування, синтезу та аналізу локальних підсистем використовувалися методи теорії систем автоматичного керування та регулювання; методи теорії оптимальних систем; методи теорії ймовірності; принципи теорії нечітких множин; метод генетичного алгоритму та експериментальні дослідження на діючих ДСП. Для створення математичних та цифрових моделей режимів комплексу ДСП-ЕПМ використовувалися методи аналізу лінійних та нелінійних електричних кіл, методи теорії комплексних змінних, методи математичної статистики, метод гармонічного аналізу, чисельні методи розв'язування систем диференціальних та алгебричних рівнянь.

Наукова новизна одержаних результатів

1. Розвинуто теоретичні засади синтезу багатокритеріального оптимального керування режимами електросталеплавлення в дугових сталеплавильних печах. На відміну від однокритеріальної оптимізації це дало змогу із загальносистемних позицій синтезувати оптимальне керування режимами ЕТК ДСП-ЕПМ за критеріями електроенергетичної і електротехнологічної ефективності та електромагнітної і екологічної сумісності.

2. Вперше виконано синтез компенсатора перехресних зв'язків і запропоновано закон формування сигналу керування за відхиленням напруги дуги від напруги уставки підсистеми регулювання положення електродів для реалізації незалежних пофазних процесів регулювання координат ЕР. Ці рішення усувають причину виникнення перехресних зв'язків чи зводять ефект їх негативної дії до мінімуму, що забезпечує вищу динамічну і статичну точність регулювання електричного режиму.

3. Вперше теоретично обґрунтовано універсальну методику розрахунку характеристик режимних координат та оцінки показників інтегральної ефективності електросталеплавлення в ДСП, яка забезпечує побудову характеристик ДСП, оцінку інтегральних показників якості функціонування та синтез вектора керування як одно-, так і багатоконтурних систем автоматичного регулювання (САР) координат електричного режиму ЕТК ДСП-ЕПМ з координатними та параметричними керуючими впливами.

4. Вперше виконано синтез багатокритеріальних оптимальних режимів комплексу ДСП-ЕПМ на основі математичної моделі повної системи живлення ДСП та регулювання режимних координат. Отримані за такого підходу ефективні машинні модулі, котрі адекватно відображають нелінійні несиметричні стохастичні процеси в силових колах системи живлення дуг та САК режимами комплексу, адаптовані до вирішування задач параметричного синтезу та аналізу режимів при їх багатокритеріальній оптимізації. Використання цих модулів дає змогу проводити зазначений синтез для ДСП будь-яких типорозмірів, для різних інтервалів і періодів та технологій сталеплавлення.

5. Вперше теоретично обґрунтовано універсальну аналітичну модель гармонічного складу струмів шунтового реактора (ШР) статичного тиристорного компенсатора реактивної потужності (СТК). У порівнянні з відомою вона забезпечує аналіз форми кривої струму при його регулюванні з використанням як сполученої послідовно з шунтовим реактором тиристорної групи, так і паралельних тиристорно-реакторних груп (ТРГ).

6. Розвинуто теоретичні засади параметричного синтезу оптимальних локальних підсистем регулювання режимних координат ЕТК ДСП-ЕПМ, які на відміну від відомих методик синтезу враховують стохастичний характер процесів у силовому колі та дугових проміжках печі і нестаціонарний характер зміни їх параметрів. За їх використання отримується вища динамічна та статична точність регулювання режимних координат, а також вища ефективність керування за вибраним функціоналом чи критерієм якості.

7. Вперше запропоновано теоретичні засади оптимізації режимів дворівневої системи керування режимом споживання реактивної потужності (РП) комплексу ДСП-ЕПМ, а також багатокритеріальної оптимізації режимів комплексу на основі принципу зонного керування. За їх використання розширюються функціональні можливості САК з адаптації режимів до зовнішніх умов та поточних вимог до показників роботи комплексу та підвищується ефективність багатокритеріальної оптимізації режимів.

Практичне значення одержаних результатів

1. Розроблені у роботі схемотехнічні та алгоритмічні рішення для оптимізації режимів окремих локальних підсистем ЕТК ДСП-ЕПМ дають змогу підвищити електроенергетичну та електротехнологічну ефективність процесу сталеплавлення та поліпшити показники якості електроенергії на шинах підключення ДСП до електромережі. Дослідження їх ефективності на дуговій печі №1 типу ДСП-3 Бориславського експериментального ливарно-механічного заводу показали підвищення динамічної точності регулювання режимних координат, підвищення продуктивності печі на 3-5%, зменшення питомих витрат електроенергії на 2-5%, рівня споживання реактивної потужності на 6-8% та зменшення коефіцієнта несиметрії навантаження ДСП на 6-9%. Отримані методики синтезу стратегій керування використані для оптимізації режимів наведення та спінювання шлаку на печах №1 і №2 типу ДСП-100И6 Молдавського металургійного заводу (м.Рибниця, Молдова) та печі типу ДСП-25Н2 №6 ЕСПЦ-4 заводу “Красный Октябрь” (м.Волгоград, Росія). Підтверджений економічний ефект від їх впровадження у 1989 році склав 247509 руб.

2. Створено ефективні машинні модулі для синтезу оптимального керування і аналізу інтегральних характеристик режимів та показників комплексу. Отримані за їх використання задаючі впливи системи автоматичного керування електричним режимом реалізовані у директивному графіку оптимального керування електротехнологічними режимами дугової печі типу ДСП-50 ВАТ Електрометалургійний завод “Дніпроспецсталь” (м. Запоріжжя), що дало змогу на 2.5-3.5% підвищити середню потужність дуг і на 2-3% поліпшити коефіцієнт потужності навантаження.

3. Практичне використання отриманих у роботі рішень для реалізації принципу зонного керування, динамічної стабілізації та симетрування режимів ЕТК ДСП-ЕПМ дало змогу зменшити втрати електроенергії в елементах системи живлення дуг, підвищити продуктивність печі з одночасним зменшенням питомих витрат електроенергії, амплітуди коливань та відхилення напруги електромережі.

4. Отримані в роботі схемні та алгоритмічні рішення для зменшення коефіцієнта спотворення синусоїдності струмів ШР СТК на основі використання паралельних ТРГ придатні також для ефективного використання в інших застосуваннях, зокрема у схемах пуску потужних асинхронних електроприводів, у замкнених системах регулювання швидкості асинхронних електроприводів, в тиристорно-регульованих джерелах живлення зварювальних дуг тощо, у процесі функціонування яких необхідна висока швидкодія регулювання координат ЕР у поєднанні з належним рівнем електромагнітної сумісності з електропостачальною мережею. Ці рішення рекомендовані до практичного впровадження при проектуванні нових і модернізації існуючих статичних тиристорних компенсаторів реактивної потужності типу ТКРН для мереж 35кВ на ВАТ НДІ “Перетворювач” (м. Запоріжжя).

5. Створена підсистема оптимального керування режимом споживання реактивної потужності ДСП дає змогу зменшити коливання та відхилення напруги мережі, а також зменшити коефіцієнт несиметрії та коефіцієнт потужності навантаження дугової сталеплавильної печі, і, як наслідок, зменшити втрати активної енергії в лінії. За її застосування у багатьох випадках відпадає необхідність у використанні в схемах живлення ДСП спеціальних технічних засобів для поліпшення показників якості електроенергії, зокрема фільтро-компенсуючих пристроїв, СТК чи інших. Ці схемні рішення враховані у Рекомендаціях щодо модернізації систем компенсації реактивної потужності на підстанціях “Львівобленерго”.

6. Розроблені рішення з реалізації автономного пофазного регулювання положення електродів дають змогу підвищити динамічну точність стабілізації координат ЕР. Проведені на печах №1 та №2 типу ДСП-3 ВАТ “Нововолинський ливарний завод” і печі №1 типу ДСП-3 Бориславського експериментального ливарно-механічного заводу дослідження їх ефективності показали зменшення на періоді розплавлення шихти питомих витрат електроенергії у середньому на 3-5% і на 4-5% - часу розплавлення твердої шихти, а також зменшення амплітуди коливань напруги ЕПМ на шинах під'єднання ДСП.

7. Запропонована в роботі методика побудови характеристик та оцінки інтегральних показників роботи ДСП є універсальною і придатна для інженерного синтезу та аналізу ефективності оптимальних стратегій керування режимами багатоконтурних САК

ЕР дугових печей різного типорозміру і реалізації довільних критеріїв оптимальності.

Розроблені рішення пройшли перевірку на створених цифрових моделях, а також на діючих дугових печах і повністю готові до їх широкого практичного використання на дугових сталеплавильних печах трифазного струму будь-якого типорозміру.

Результати роботи використовуються у навчальному процесі в лекційних курсах “Автоматизація типових технологічних процесів”, “Комп'ютерне дослідження електромашинно-вентильних систем”, “Моделювання електроприводів”, “Системи керування електроприводами”, “Інтелектуальні системи керування”, “Основи синтезу електромеханічних систем” та “Якість електроенергії”, а також у лабораторному практикумі і курсовому проектуванні для студентів напрямку 6.0922 “Електромеханіка” та у дипломному проектуванні спеціалістів і магістрів спеціальності 7(8).092203 “Електромеханічні системи автоматизації та електропривод” Національного університету “Львівська політехніка”.

Особистий внесок здобувача. Основні ідеї та розробки, що викладені у дисертації і які виносяться на захист, належать авторові. У наукових працях, написаних у співавторстві, автору належать: [1] - розроблення принципів функціонування, структура, синтез і дослідження режимів швидкодійних підсистем регулювання струмів та потужності дуг; [3,8,10,20,26,31,36,40] - постановка задач досліджень, розроблення моделей синтезу оптимального керування, принципи керування, схемотехнічні рішення; [28, 30, 42-46] - обґрунтування принципів регулювання та керування, розроблення структури САК, розрахунок характеристик, опрацювання результатів досліджень; [32] - розроблення теоретичних засад оптимального стохастичного адаптивного керування ЕР ДСП, структурна схема САК; [38] - розроблення бази правил нечіткого регулятора, обґрунтування координати, за якою формується база правил, частково реалізація нечіткого регулятора; [29, 37] - розроблення методики застосування методу генетичного алгоритму для знаходження оптимальної залежності штучної зовнішньої характеристики (ШЗХ) печі та складових вектора керування системи, виконання досліджень та опрацювання результатів; [9, 22, 24, 35] - розроблення математичних та цифрових моделей режимів ЕТК ДСП-ЕПМ та моделей окремих структурних елементів, методика модельних досліджень, виконання досліджень; [25] -теоретичне обґрунтування і створення універсальної методики побудови характеристик та аналізу інтегральних показників ефективності керування ЕР ДСП; [39, 41] - принцип та алгоритм керування, схемні рішення.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи та результати досліджень доповідалися, обговорювалися та отримали схвальний відгук на: International AMSE Conference Applied Modeling & Simulation AMS'93, Алушта, 1993 р.; “Электроплавка литья” ZHIGULY ELSTEEL'94, Тольятти, Россия, 1994 р.; І-й Международной конф. по электротехнологии, Суздаль, Россия, 1994 р.; на десятьох Міжнародних наук.-техн. конф. “Проблеми автоматизованого електроприводу. Теорія та практика”, Харків-Алушта, 1994-2003 рр.; на чотирьох (з 1-ї по 4-у) Міжнародних наук.-техн. конф. “Математичне моделювання в електротехніці й електроенергетиці”, Львів, 1995-2003 рр.; Міжнародній наук.-техн. конф., присвяченій 150-річчю від дня народження І. Пулюя, Львів, 1995 р; на дев'ятьох (з 2-ї по 10-у) Міжнародних конф. з автоматичного управління “Автоматика-95”-“Автоматика-2003”, 1995-2003 рр.; Наук.-техн. конф., присвяченій 100-річчю від дня народження Тихона Губенка, Львів-Славськ, 1996р.; 2-й, 3-й, 4-й та 5-й Міжнародній наук.-практ. конф. “Проблеми економії електроенергії”, Львів, 1997-2003 рр.; III-й та IV-й Международной конф. по электромеханике и электротехнологии МКЭЭ, Россия, 1998-2000 рр.; 2-й та 3-й Спільній українсько-польській школі-семінарі “Актуальні проблеми теоретичної електротехніки: Наука і дидактика”, Польща, Україна, 2000 та 2001 рр.; Міжнародній наук.-техн. конф. “Математичне моделювання як засіб мінімізації енергоспоживання в електротехнічних системах”, Львів-Шацьк, 2001 р.; двох Міжнародних наук.-техн. конф. “Проблемы создания новых машин и технологий”, Кременчук, 2001 та 2003 рр.; Міжнародній наук.-техн. конф. “Проблеми сучасної електротехніки”, Київ, 2002 р.; двох Міжнародних наук.-техн. конф. “Автоматизація виробничих процесів", Хмельницький, 2002 та 2003 рр.; трьох Міжнародних наук.-техн. конф. “Силова електроніка та енергоефективність”, Харків-Алушта, 2002-2004 рр.; 2-й Міжнародній наук.-техн. конференції “Інформаційна техніка та електромеханіка”, ІТЕМ-2003, Луганськ, 2003 р.; International Conference EPQU'03 “Electrical Power Quality and Utilization”, Krakow, Poland, 2003 р.; VII Міжнародній наук.-техн. конф. “Контроль і управління в складних системах, КУСС-2003”, Вінниця, 2003 р.; “Форум гірників-2003”, Дніпропетровськ, 2003 р.; Наук.-практ. конф. “Проблеми електромеханічних систем у гірничо-металургійному комплексі”, Дніпропетровськ, 2004 р.; V Міжнародній наук.-техн. конф. “Ефективність та якість електропостачання промислових підприємств”, Маріуполь, 2005; семінарах “Моделі та методи комп'ютерного аналізу електричних кіл та електромеханічних систем” Наукової ради НАН України з комплексної проблеми “Наукові основи електроенергетики”, Львів, 1998, 2002 рр. та науково-технічних конференціях Національного університету “Львівська політехніка” у 1992-2005 рр.

Публікації. За основними результатами виконаних у дисертаційній роботі досліджень опубліковано у співавторстві одну монографію, 58 публікацій (з них 23 одноосібних) у журналах, збірках наукових праць, матеріалах науково-технічних конференцій та отримано 7 патентів на винаходи. З цього числа публікацій, у наукових фахових виданнях опубліковано 40 наукових праць, з них 19 одноосібних.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, шести розділів, висновків по роботі, списку використаних джерел із 274 найменувань на 28 сторінках та 9 додатків на 9 сторінках з актами, що підтверджують ефективність, використання і впровадження результатів роботи. Повний обсяг роботи - 375 сторінок, у тому числі 295 сторінок основної частини та 73 рисунки і 8 таблиць на окремих 43 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність та доцільність розв'язання проблеми, висвітлено її зв'язок з науковими програмами та темами, сформульовано мету та задачі досліджень, а також подано новизну та практичне значення отриманих результатів.

У першому розділі розглянуто системотехнічні аспекти та технологічні особливості плавлення високоякісних сталей і прецизійних сплавів в ДСП трифазного струму, проведено аналіз ефективності існуючих САК процесом електросталеплавлення та регулювання його режимних координат, а також подається характеристика показників якості електроенергії в мережах з ДСП та сучасних технічних засобів їх регулювання.

З техніко-економічної точки зору задачі оптимізації процесу керування загалом і регулювання збурень ЕР ДСП нерівнозначні. Синтез та реалізація оптимального керування з точки зору підвищення продуктивності та зменшення питомих витрат електроенергії є у два-три рази ефективнішим за розроблення рішень на якісну стабілізацію координат ЕР. Але ці задачі є нерозривними і повинні розв'язуватися з врахуванням зазначених вище пріоритетів, бо якісна стабілізація координат на рівні синтезованих оптимальних значень додатково підвищує ефективність оптимального керування.

Обґрунтовано доцільність вирішування проблеми підвищення ефективності електросталеплавлення та зниження інтенсивності негативних взаємовпливів режимів ДСП та ЕПМ на основі комплексного системного підходу, за якого ДСП та ЕПМ розглядаються як єдина складна електротехнологічна система, вектор керування якої отримується з умови реалізації екстремуму узагальненого функціонала мети керування їх режимами.

В основу розроблення відповідних такому підходу рішень покладено пріоритетне подавлення завад у джерелі їх виникнення, за якого дія розроблюваних рішень повинна скеровуватися перш за все на усунення причини виникнення негативних впливів, а не формування функціональних можливостей САК на усунення наслідків цих впливів. Тому першочергові рішення повинні скеровуватися на максимально можливу (чи лише до певного оптимально-компромісного значення) стабілізацію режимних координат (напруги, струму чи потужності дуг, реактивної потужності печі чи інших), мінімізацію спотворення синусоїдності струмів дуг, зменшення несиметрії навантаження печі і т.п.

Зазначені підходи повинні реалізуватися шляхом створення ієрархічних багатофункціональних адаптивних систем оптимального керування режимами ЕТК та автономних швидкодійних підсистем якісної стабілізації режимних координат динамічного процесу електросталеплавлення в ДСП. Синтез керування таких систем повинен диктуватися як поточним перебігом технологічного процесу плавлення сталей і сплавів, так і зовнішніми умовами та оперативними вимогами до показників функціонування ЕТК ДСП-ЕПМ.

Другий розділ присвячений розробленню ієрархічної багатоконтурної САК режимами ЕТК ДСП-ЕПМ, системотехнічних рішень на усунення перехресних взаємовпливів та реалізації автономних процесів регулювання координат локальних підсистем, а також створенню універсальної методики оцінки багатокритеріальної ефективності режимів запропонованої структури САК режимами ЕТК ДСП-ЕПМ.

Розширення функціональних можливостей САК режимами комплексу ДСП-ЕПМ запропоновано реалізувати шляхом швидкодійного регулювання у широкому діапазоні координат та параметрів системи живлення дуг за відповідними законами. Розроблену за такого підходу ієрархічну багатоконтурну структуру координатно-параметричної системи керування режимами комплексу ДСП-ЕПМ.

Для регулювання режимів у цій структурі крім традиційної електромеханічної (електрогідравлічної) підсистеми регулювання положення електродів ПСРПЕ, включено швидкодійну електричну підсистему регулювання певної режимної координати печі ПСРРКП: струму дуги І_д, потужності дуги Р_д, РП печі Q тощо, яку складають давач ДРКП, задавач ЗРКП та регулятор РРКП відповідної режимної координати ДСП і блок регулювання індуктивного опору БРІОД дроселя Др. Підсистема регулювання режимної координати мережі ПСРРКМ (напруги, РП, коефіцієнта потужності навантаження) реалізована на основі розробленого статичного регульованого джерела реактивної потужності, який складають конденсаторна батарея КБ, шунтовий реактор, струм якого регулюється тиристорно-реакторною групою ТРГ, а її САК - це давач ДРКМ, задавач ЗРКМ та регулятор РРКМ режимної координати мережі. На верхньому рівні цієї ієрархічної САК синтезується загальносистемний вектор керування, складовими якого у загальному випадку є уставка за напругою дуги ПСРПЕ, напруга пічного трансформатора (ПТ), ШЗХ печі, що задається залежністю та сигнал завдання регульованої координати електропостачальної мережі.

Основною метою реалізації параметричного впливу ПСРРКП є оперативне формування бажаної ШЗХ печі і відповідних їй штучних електричних та робочих характеристик ДСП. Така структура САК відноситься до класу складних багатовимірних багатозв'язаних стохастичних динамічних систем. Координатні та параметричні керуючі впливи взаємозв'язані і вимагають узгодження загальносистемної мети керування та часткових критеріїв якості, а також розроблення рішень на усунення наявних перехресних взаємозв'язків.

Для компенсації перехресних зв'язків запропоновано включити також в структуру САК компенсатор перехресних зв'язків, який повинен забезпечити діагональність матриці за задаючими впливами системи у будь-який момент часу, або наближення до одиничної у статиці при відповідних налаштуваннях варіативних параметрів одномірних регуляторів координат.

Зважаючи на діагональність матриці регуляторів, необхідною умовою діагональності матриці і граничного співвідношення є розрахунок передавальної функції динамічного компенсатора перехресних зв'язків за виразом.

Діагональна матриця, що отримується із шляхом заміни на нуль всіх її недіагональних елементів. За цим виразом у роботі розраховано матричну передавальну функцію компенсатора перехресних зв'язків для ПСРПЕ розмірністю (33) і отримано перехідні функції для окремих її елементів.

Як інший спосіб усунення взаємозв'язків між струмовими виходами через САК режимами ПСРПЕ, запропоновано вилучити струм дуги з формування сигналу керування, тобто замінити чинний в існуючих САК диференційний закон на регулювання положення електродів за законом відхилення напруги дуги від заданого значення.

Для запропонованої структури САК режимами ДСП з комбінованим координатно-параметричним керуванням створено універсальну методику розрахунку електричних і робочих характеристик дугової печі у відносних одиницях та аналізу інтегральних показників багатокритеріальної ефективності її функціонування.

Залежності природної та штучних зовнішніх характеристик ДСП (рис.4,а), що є базовими при отриманні залежностей відповідних природних і штучних електричних та робочих характеристик печі, за цією методикою розраховуються за таким виразом:

- характеристичні нормовані параметри силового кола (СК) дугової печі ( - опори силового кола живлення дуг ДСП);

- закон регулювання індуктивного опору дроселя для формування бажаної ШЗХ печі, що подається розв'язком відносно рівняння:

Характеристичні параметри СК печі та однозначно визначають вигляд будь-якої характеристики печі. Бажані залежності ШЗХ печі отримуються у процесі синтезу вектора оптимального керування режимами комплексу.

Ефективність реалізації певного вектора керування системи оцінюється за значеннями математичного сподівання та дисперсії z-тої режимної координати чи показника якості керування для j-го закону регулювання (зміни параметра ) за такими виразами:

Статична залежність режимної координати печі, техніко-економічного показника чи функціонала мети керування від напруги на стовпі дуги для певного j-го закону регулювання індуктивного опору дроселя ПСРРКП; - функція щільності розподілу ймовірності процесу.

Для отримання задовільної точності розрахунку і запропоновано наближувати реальні розподіли процесів рядом Еджворта з першими чотирма моментами.

У третьому розділі отримано системотехнічні характеристики та параметри декомпозиції САК режимами споживання електричної енергії та її перетворення в технологічну теплоту плавлення металу, а також запропоновано математичні моделі синтезу оптимального керування цими режимами.

Системотехніка оптимального керування та регулювання електричних та технологічних координат полягає у відповідній адаптації структури і параметрів системи, при цьому частина керуючих рішень розробляється на етапі створення ЕТК, а частина - на етапі його технологічного функціонування. В останньому випадку йдеться про розроблення прикладних керуючих програм оперативного синтезу оптимальних задаючих впливів та параметрів для окремих локальних підсистем і їх елементів, які направлені на вирішування задач, що диктуються поточними електричними, технологічними, виробничими, енергетичними, економічними чи іншими умовами функціонування ЕТК ДСП-ЕПМ.

Обґрунтовано, що найефективнішими системами керування режимами і регулювання координат є адаптивні експертні системи з алгоритмами екстремального керування інтегральним показниками якості функціонування ЕТК ДСП-ЕПМ і синтезу керуючих впливів для реалізації багатокритеріальної багатопараметричної оптимізації.

На основі розробленої структурної схеми багатовимірного процесу електросталеплавлення в ДСП обґрунтовано, що керування цим процесом необхідно розглядати як задачу, рішення якої полягає в оптимізації функціоналу при виконанні множини умов Y_iИY; B_iИB; N_iИN; M_iИM; T_iИT, t_iИt, де Y_i, B_i, N_i, M_i, T_i - поточні значення інтегральних характеристик координат режимів та техніко-економічних показників динамічного процесу електросталеплавлення; И - множина знаків відношення {?, ?, =, …}.

Для керування простором станів комплексу, що подається простором локальних рішень, запропоновано локальні задачі, що реалізуються алгоритмами оптимізації режимів ЕТК ДСП-ЕПМ за такими частковими критеріями: А₀ - максимізація потужності дуг; А₁ - мінімізація дисперсії струмів дуг; А₂ - мінімізація питомих витрат електроенергії; А₃ - мінімізація ціни тонни переробленої сталі; А₄ - мінімізація дисперсії потужності дуг; А₅ - мінімізація дисперсії РП печі; А₆ - стабілізація напруги мережі; А₇ - мінімізація втрат потужності в елементах системи живлення дуг; А₈ - симетрування навантаження печі; А₉ - мінімізація коефіцієнта спотворення напруги та струму мережі; А₁₀ - оптимізація режимів ДСП на інтервалах обмеження максимуму навантаження; А₁₁ - мінімізація коефіцієнта інтенсивності нагріву стін та склепіння печі.

Для параметричної оптимізації ієрархічної багатокоординатної САК режимами

ЕТК ДСП-ЕПМ запропоновано використати децентралізований підхід. Для його реалізації виділено чотири рівні декомпозиції, кожен з яких подається відповідними структурними компонентами, і виконано декомпозицію задач аналізу та синтезу. При такому підході спрощується процедура синтезу та налагодження сепаратних локальних підсистем та САК режимами комплексу загалом, а також реалізація оперативного адаптивного оптимального керування за частковими критеріями якості, що підпорядковані загальносистемній меті керування режимами комплексу ДСП-ЕПМ.

Проведено аналіз загальних математичних аспектів опису моделей прийняття оптимальних рішень і запропоновано формалізовані методики оперативної багатопараметричної оптимізації на основі Парето-рішень багатокритеріальної стратегії знаходження оптимально збалансованого співвідношення між значеннями інтегральних характеристик та техніко-економічних показників двох складних композиційних підсистем - ДСП та ЕПМ. Запропоновано моделі отримання оптимальних керувань системи за багатьма критеріями згідно положень Соболя-Статникова, які ґрунтуються на врахуванні наявної додаткової інформації про важливість часткових критеріїв оптимальності чи на запропонованих експертних методиках оцінки їх важливості.

Синтез оптимально-компромісного керування електротехнологічним процесом на інтервалах обмеження максимуму навантаження ДСП у другій половині періоду прорізання колодязів, але до наступлення періоду обвалів шихти, чи під час прорізання колодязів у підваленій шихті запропоновано виконувати на основі виділення головного критерію серед прийнятих для синтезу керування:

Для врахування за цією моделлю одночасно з вирішуванням пріоритетної задачі підтримання максимально допустимого навантаження печі інших характеристик процесу електроспоживання та електроперетворення, зокрема реалізації режиму оптимального споживання реактивної потужності печі, мінімізації дисперсії струмів чи потужності дуг, запропоновано модель синтезу оптимального керування на основі послідовних уступок, за якої отримується допустиме відхилення (k-1)-го часткового критерію оптимальності від мінімального значення.

Для оптимізації режиму на періоді окислення розплаву, на якому часткові критерії оптимальності повинні бути підпорядковані стратегії дотримання оптимального графіка зміни температури розплаву, запропоновано використання моделі, що ґрунтується на умові рівності часткових критеріїв оптимальності: за припущення, що, чи моделі на основі їх квазірівності: за умови, що, у якій за критерій, що мінімізується, прийнято критерій А₄ - мінімум дисперсії потужності дуг.

З метою отримання оптимально-компромісного вектора керування режимами ЕТК ДСП-ЕПМ в умовах невизначеності чи неповної інформації, запропоновано ряд моделей синтезу, що ґрунтуються на алгоритмах експертної оцінки економічної, технологічної, енергетичної чи іншої ситуації на певних періодах електросталеплавлення. Числові міри важливості часткових критеріїв отримуються на основі запропонованих методик опрацювання експертних оцінок. Тоді багатокритеріальна багатопараметрична оптимізація на основі оптимальних за Парето рішень синтезується на основі адитивного узагальненого функціоналу мети керування.

Вектор вагових коефіцієнтів = запропоновано отримувати на основі опрацювання матриці експертних оцінок важливості s часткових критеріїв з врахуванням вектора коефіцієнтів компетентності експертів ( кількість експертів), що зводиться до такої ітераційної процедури обчислень: де. За виконання умови вектор подаватиме групове рішення про значення вагових коефіцієнтів адитивного функціоналу (8) з врахуванням компетентності експертів.

Для отримання вектора вагових коефіцієнтів для періодів проплавлення колодязів і обвалів шихти, запропоновано використовувати модель на основі бальної шкали важливості критеріїв у вигляді числових оцінок попарних пріоритетів між кожною парою вибраних часткових критеріїв оптимальності:, де - сума елементів i-го рядка утвореної матриці експертних оцінок розміром, що подає сумарну важливість i-го часткового критерію.

Як універсальну у сенсі використання для синтезу оптимального вектора на будь-якому інтервалі плавки в умовах малої чи недостатньої інформації про важливість часткових критеріїв оптимальності запропоновано модель, що ґрунтується на опрацюванні за відповідною методикою матриці з коефіцієнтами, які подають відносні відхилення оптимального значення k-го критерію від його значення, яке отримується при оптимальному рішенні для l-го критерію, тобто, а вектор вагових коефіцієнтів функціоналу (8) отримується за відповідною експертною процедурою на основі коефіцієнтів цієї матриці.

Четвертий розділ присвячений створенню математичних та цифрових моделей ЕТК ДСП-ЕПМ та його елементів у миттєвих та усереднених координатах. За координатний базис при створенні моделей вибрано метод вузлових напруг. Метою розв'язання поставленої задачі у зазначеному вище обсязі та рівні деталізації є виконання з достатньою ступінню точності розрахунків електромагнітних та електромеханічних процесів, а також забезпечення можливості розв'язання всього комплексу задач аналізу і частково синтезу розрахунковим шляхом, оминаючи етап дорогих експериментальних досліджень. Показано електричну схему комплексу, на основі якої створено математичну модель режимів комплексу ДСП-ЕПМ (ФКК - фільро-компенсуючі кола).

Математичну модель режимів магнітно-тиристорного перетворювача напруги (МТПН) описано такою системою матрично-векторних рівнянь.

Розроблено математичну та цифрову моделі трифазної системи дуг, яка у миттєвих координатах адекватно відтворює динамічні характеристики та режими, що виникають у дугових проміжках за неперервної дії випадкових збурень, і одночасно з цим реалізує регулювання усереднених значень її параметрів та координат у замкненій системі. Відтворення особливостей, характеристик, параметрів і режимів трифазної системи дуг і мережі навантаження печі у розробленій математичній моделі режимів ЕТК ДСП-ЕПМ виконується в окремому структурному елементі моделі “мережа навантаження - трифазна система дуг” - МН+Д. На цьому рисунку - нелінійні активні опори; - власні і М_АВ, М_ВС, М_СА - взаємні індуктивності мережі навантаження МН; БОЕД - блок обчислення ЕРС дуг; БОПМН - блок обчислення параметрів МН; БФЗ - блок формування збурень. Для її функціонування отримано математичні моделі динамічних вольт-амперних характеристик (ДВАХ) дуг, що відповідають різним технологічним періодам плавки, створено алгоритм ідентифікації режимів обривів дуг, коротких замикань та керування процесом їх відпрацювання, розроблено стохастичну методику синтезу процесів випадкових флуктуацій довжин дуг на основі отриманих на печі функцій спектральної густини збурень, що дало змогу адекватно відтворювати в моделі дуг процеси зміни координат ЕР на рівні миттєвих та усереднених значень у різних технологічних періодах плавки.

Для дослідження режимів регулювання струмів шунтового реактора СТК розроблено математичні та цифрові моделі реакторної частини СТК при сполученні віток ШР у трикутник та зірку, що подаються системами диференціальних рівнянь електричної рівноваги та логічних рівнянь керування станом тиристорних ключів.

Дослідження адекватності створеної математичної та цифрової моделі режимів ЕТК ДСП-ЕПМ виконано шляхом порівняння математичних сподівань та дисперсій режимних координат, отриманих на діючій ДСП та моделі її режимів, як генеральних сукупностей даних на основі критерію Барлетта. Результати статистичного опрацювання експериментальних та модельних осцилограм показали, що отримані значення критеріїв для різних технологічних періодів плавлення в печі ДСП-100Н3А є меншими за відповідні їх табличні значення для 5%-го рівня значимості, що підтверджує адекватність створеної моделі режимів електротехнологічного комплексу ДСП-ЕПМ.

П'ятий розділ присвячений розробленню та дослідженню схемних, системотехнічних та алгоритмічних рішень для оперативної оптимізації режимів динамічного функціонування ЕТК ДСП-ЕПМ. Відчутного поліпшення динамічної та статичної точності регулювання процесу електроспоживання досягнуто завдяки розробленню нових ефективних рішень, направлених на одночасне поліпшення показників якості регулювання напруг (довжин) та струмів дуг по незалежних каналах, тобто в окремих локальних автономних підсистемах ієрархічної САК режимами ЕТК ДСП-ЕПМ, а саме в ПСРПЕ та швидкодійній електричній ПСРРКП, у якій регульованою координатою є струми дуг (ПСРСД). Проведені на цифровій моделі та діючій печі ДСП-3 дослідження ефективності реалізації в ПСРПЕ регулювання довжин дуг за законом відхилення напруги на стовпі дуги від заданого значення показали покращання динамічної та статичної точності на 5-6%.

У процесі виникнення та відпрацювання випадкових параметричних та координатних збурень має місце неперервна зміна у широких межах параметрів об'єкту керування цих підсистем: сталої часу СК печі та коефіцієнта передачі МТПН за індуктивним опором. Адаптацію ПСРРКП до зазначених параметричних змін виконано на основі принципів нечіткого керування з оптимізацією динамічних режимів за критерієм мінімуму квадрата похибки регулювання її режимної координати.

Ідентифікацію розмитих зон A_j запропоновано виконувати на основі контролю напруги на стовпі дуги . Синтез сигналу керування створеного фаззи ПІ-регулятора режимної координати (струму дуги) виконується за створеною базою правил.

Дослідження ефективності запропонованого способу нечіткого зонного керування режимів печі ДСП-6 зі синтезованим фази ПІ-регулятором показали, що дисперсія струмів дуг у порівнянні з типовим ПІ-регулятором струму дуги зменшується на 4-6% та 10-12% для періоду проплавлення колодязів та періоду окислення відповідно.

Однією з головних задач керування процесом електросталеплавлення в ДСП є реалізація рівномірного процесу введення електроенергії у плавильний простір, за якого забезпечується максимально допустима швидкість нагріву шихти та розплаву і досягається оптимальна з точки зору якості сталі температура перегріву металу в кінці плавки. Для реалізації цього запропоновано два варіанти структур САК ЕР, що реалізують швидкодійне регулювання потужності дуг, та методику синтезу оптимального керування за критерієм мінімуму її дисперсії. Показано статичні характеристики потужності дуги, що отримуються у запропонованій САК.

Показано отримані на цифровій моделі процеси зміни струмів І_дj(t) і потужностей Р_дj(t) дуг для однакової реалізації процесів збурень (j=A,B,C), що відповідають початку періоду наведення шлаку для =0.98 МВт, а у табл. 1 - зведено отримані у цих експериментах середні по фазах значення дисперсій потужності і струмів дуг, реактивної потужності печі та напруги електромережі для типової САК ЕР печі ДСП-6 та запропонованої структури керування електричним режимом зі швидкодійною підсистемою регулювання потужності дуг ПСРПД.

Для реалізації задачі оптимізації режиму споживання РП комплексу запропоновано структуру дворівневої системи керування режимом споживання РП ЕТК ДСП-ЕПМ, на нижньому рівні якої функціонує підсистема оптимального регулювання реактивної потужності ДСП. На рис.16 показано функціональну схему двоконтурної САК ЕР ДСП з підсистемою регулювання реактивної потужності ПСРРП печі, для якої як один з доцільних варіантів синтезу оптимального керування запропоновано функціонал виду.

Таблиця 1

Показники функціонування досліджуваних структур САК ЕР печі ДСП-6

Показники Досліджувані структури	109, Вт2	кА2	1011, вар2	В2
Двоконтурна структура САК ЕР зі швидкодійною ПСРПД	0.5725	0.491	0.1548	50.25
Одноконтурна структура САК ЕР на базі серійної САР потужності дуг типу АРДМ-Т	6.339	1.055	0.2185	82.29

Показано, що розв'язок адитивного функціоналу якості (12) подає оптимальне значення формуючого коефіцієнта ^о, яке відповідає мінімуму дисперсії напруги ЕПМ. На рис.18 показано розрахункові осцилограми САК ЕР печі ДСП-6 з ПСРРП: струмів І_дj(t) дуг, реактивної потужності Q_j(t) печі та напруги мережі U_мj(t) для задаючих впливів системи, що відповідають оптимізації режимів печі за двома критеріями оптимальності:, що реалізується при ^о=1.25 і при ^о=0.95. Результати статистичного опрацювання отриманих процесів зміни координат ЕР САК з ПСРРП для різних критеріїв оптимальності і САР типу АРДМ-Т зведено у табл. 2.

Таблиця 2

Інтегральні показники печі ДСП-6 при оптимізації ЕР за різними критеріями

№	Показники	д, В	В2	кA	кА2	Мвар	Мвар2	д, МВт	В2
	Структура, критерій, задаючий вплив
1	Двоконтурна,, о=0.95	100.13	506.1	10.25	0.798	1.182	0.0202	0.965	31.2
2	Двоконтурна,, о=0.55	100.13	505.8	12.1	0.328	1.391	0.0236	1.101	48.4
3	Двоконтурна,, о=1.25	100.14	506.0	9.24	1.264	1.062	0.0159	0.885	36.8
4	АРДМ-Т, =100В	100.13	505,9	14.22	6.000	1.286	0.127	1.251	167.4
5	АРДМ-Т, =115В	115.17	508,5	11.48	7.832	0.947	0.114	1.127	182.3

Аналіз отриманої залежності (рис.19) показує, що мінімальні значення дисперсії напруги мережі досягаються для коефіцієнтів та уставках U_д.уст<100В.

Запропоновано моделі синтезу оптимального керування за комплексним критерієм максимальної ефективності використання електричної енергії для структури САК з ПСРСД. Так для періоду основного розплавлення шихти запропоновано модель оптимізації за критерієм мінімуму питомих витрат електроенергії згідно функціоналу ( - уставка за струмом дуги ПСРСД при формуванні ШЗХ печі з ділянкою), що функціонально ув'язує потужності Р_д дуг, електричних Р_ев та теплових Р_тв втрат.

Синтезувати згідно (13) вектор керування системи необхідно із врахуванням обмежень на значення середньої потужності дуг, струмів дуг та їх дисперсії (граничні значення потужностей, струмів та дисперсії струмів дуг, що диктуються зовнішніми умовами функціонування комплексу). У табл. 3 зведено показники функціонування печі ДСП-6 на періоді розплавлення шихти при номінальному навантаженні і роботі САР потужності дуг типу АРДМ-Т (характеристика 1, рис.20) і оптимальному згідно (13) режимі при функціонуванні двоконтурної САК з ПСРСД (характеристика 4).

Таблиця 3

Показники функціонування досліджуваних структур САК ЕР печі ДСП-6

Показники	W, кВтгод/т		кА	кА2	МВт	кВт2	В2
Структура САК ЕР, задаючі впливи
Одноконтурна (САР потужності АРДМ-Т); 150.7В; 106В	528	0.82	13.57	5.94	1.233	229	157.9
Двоконтурна САК з ПСРСД: 165.8В 128В; 13.2кА; (	480	0.87	11.41	4.57	1.281	165	148.8

Для синтезу оптимального керування процесом електросталеплавлення на цьому періоді за критерієм максимуму електричної ефективності при роботі двоконтурної САК режимами комплексу ДСП-ЕПМ запропоновано також модель на основі узагальненого адитивного функціоналу, частковими критеріями оптимальності якого є усереднені на інтервалах стаціонарності активна потужність дуг, потужність електричних втрат та потужність теплових втрат.

При керуванні за цим функціоналом максимум електричної ефективності зростає на 18%, середня потужність дуг - на 3,5%, а дисперсія струмів дуг зменшується в середньому в 1.8 рази і в 1.2 рази - дисперсія напруги електромережі.

Показано залежність узагальненого адитивного функціоналу мети керування режимами комплексу ДСП-ЕПМ для використання на періодах проплавлення колодязів та обвалів шихти, що дає змогу отримати оптимальне керування на основі нормованих часткових критеріїв, що враховують як показники електричної ефективності, так і показник динаміки режиму електроспоживання.

Для вирішення проблеми симетрування фазних навантажень печі запропоновано структуру системи адаптивного оптимального керування режимами комплексу ДСП-ЕПМ за критерієм мінімуму коефіцієнта несиметрії.

Оптимальний за цим критерієм ефективності закон керування струмів дуг реалізується на основі ПСРСД, сигнал завдання якої оперативно обчислюється у блоці формування штучної зовнішньої характеристики БФШЗХ печі. Загальносистемний вектор керування апріорно синтезується на поточний інтервал плавки підсистемою вищого рівня за відповідною моделлю і задається на виході блоку задання вектора керування БЗВК (варіативні коефіцієнти залежності ШЗХ печі).

Запропоновано методику оцінки коефіцієнта несиметрії навантаження фаз печі, що ґрунтується на отриманій залежності.

Процедуру обчислення коефіцієнта несиметрії за цією методикою реалізовано у розробленому давачі коефіцієнта несиметрії ДКН навантаження фаз печі. На кожному i-му інтервалі стаціонарності процесу, екстремальний регулятор ЕР виконує корекцію параметра ШЗХ печі на дискрету _i у напрямку мінімізації значення коефіцієнта.

...