Багатофункціональне математичне моделювання і оптимальне керування нестаціонарними процесами випарних установок

2. Проведений аналіз сучасного стану питань математичного моделювання і оптимального керування випарних установок показав, що:

а) одним з визначальних чинників, що впливають на роботу випарних установок, є процес накипоутворення, який обумовлює нестаціонарні властивості ВУ як об'єкта керування;

б) досліджувані математичні моделі і системи керування не забезпечують ефективного урахування процесу накипоутворення, що позначається на ефективності їх застосування;

в) впровадження у виробництво новітніх комп'ютерних технологій висуває нову проблему - створення сучасного математичного і алгоритмічного забезпечення комп'ютерних систем оптимального керування випарними установками для вирішення таких основних завдань:

ефективного урахування процесу накипоутворення;

розв'язання основних задач оптимального керування випарними установками у їх взаємозв'язку.

3. Створена нова концепція загальної системи оптимального керування випарними установками, що будується за ієрархічним принципом. Ця система передбачає розв'язання трьох основних задач оптимального керування випарними установками у їх взаємозв'язку - оптимізацію циклічності роботи випарних установок, визначення і реалізацію оптимального статичного режиму роботи установки, оптимальний перехід від одного статичного режиму роботи ВУ до другого.

4. Розроблені нові математичні моделі динамічних режимів роботи випарних установок, на основі яких вперше проведено дослідження впливу технологічних схем установок (прямотечійна, протитечійна, установка мішаної течії) на динамічні властивості ВУ при дії одних і тих самих керувань і збурень.

5. Створені нові математичні моделі статики теплових режимів випарних установок різного функціонального призначення: для теплового розрахунку установки, дослідження її статичних характеристик, оцінювання економічної доцільності використання проміжного та попереднього підігрівання упарюваних розчинів, використання в алгоритмі оптимального керування статичними режимами роботи ВУ.

6. Запропоновано критерій кількісного оцінювання процесу накипоутворення, що надає можливість урахування цього процесу при організації оптимального керування випарними установками. Розроблена спеціальна математична модель, для розрахунку запропонованого критерія.

Даний критерій має загальний характер і може бути також використаний для оцінювання стану іншого технологічного обладнання, що працює в умовах накипоутворення.

7. З метою урахування впливу на роботу випарних установок теплових режимів супутнього технологічного обладнання, що працює разом з ВУ, це обладнання запропоновано розглядати як еквівалентні теплообмінники, що належать до одного з типових видів.

Розроблені математичні моделі типових теплообмінних апаратів - прямо- і протитечійних типу “труба в трубі”, змійовикових, типу “проточна ємність”,- а також моделі трубопроводів і барометричного конденсатора.

8. Вперше проведено системний аналіз задач моделювання і керування випарними установками різних технологічних схем на множині критеріїв оптимального керування статичними і динамічними режимами їх роботи.

9. Розроблено новий узагальнений алгоритм оптимального керування статичними режимами роботи ВУ, який з метою урахування нестаціонарності процесу випарювання, передбачає адаптацію математичної моделі, за якою здійснюється пошук оптимального технологічного режиму.

10. Вперше синтезовано алгоритм оптимального проектування систем керування ВУ з урахуванням метрологічних похибок вимірювальних каналів. Застосування даного алгоритму дозволяє не тільки визначити економічну доцільність розробки системи керування випарної установки на етапі її проектування, але і обрати той її варіант, при якому забезпечується найбільша економічна ефективність від її впровадження.

Даний алгоритм має універсальний характер і може бути використаний при проектуванні систем керування інших технологічних об`єктів.

11. Розроблені нові алгоритми оптимального керування циклічністю роботи ВУ - пасивний і активний. Перший призначений для визначення оптимальної тривалості роботи періоду у циклі роботи ВУ. Другий передбачає розрахунок не тільки оптимальної тривалості робочого періоду, а й вперше дає можливість визначати оптимальні значення керувальних змінних, реалізація яких підвищує ефективність керування ВУ за інтегральними техніко-економічними показниками. Наведені умови використання розроблених алгоритмів для ВУ різних технологічних схем.

12. Впровадження у ВАТ “УкрНДІхіммаш” математичних моделей випарних установок, алгоритмів керування ними і методики оцінювання економічної ефективності систем керування ВУ дозволило підвищити точність розрахунків теплових режимів випарних установок, визначити найбільш економічні з них, оцінити на етапі проектування доцільність застосування різних технічних засобів автоматизації і систем керування в цілому.

13. Впровадження систем автоматичного контролю і керування випарною установкою для випарювання трапної води на ДСП “Чорнобильська АЕС” дозволило на 3,7% зменшити споживання нагрівальної пари і на 2,4% збільшити середню продуктивність випарної установки.

14. Математичні моделі, алгоритми і системи оптимального керування випарними установками використовуються у курсах лекцій “Ідентифікація і моделювання”, “Автоматизація типових технологічних процесів”, які читаються студентам напрямку “Автоматизація і комп'ютерно-інтегровані технології” на кафедрі “Автоматизації хімічних виробництв” Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут”, а також при виконанні студентами курсових, дипломних і магістерських атестаційних робіт.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Жученко А.І. Математичне моделювання випарних установок.- К.:

ІВЦ „Видавництво „Політехніка”, 2004.- 144 с.

2. Жученко А.І. Концепція побудови оптимальної системи керування багатокорпусними випарними установками // Автоматизація виробничих процесів.- 2000.- №2(11).- С. 25-29.

3. Жученко А. І. Математичний опис динаміки теплового режиму випарного апарата // Автоматизація виробничих процесів. - 2001. - № 1 (12). - С. 18-22.

4. Жученко А. І., Яблонський П. М. Дослідження математичної моделі випарного апарата // Наук. вісті НТУУ “КПІ”. - 2001. - № 3. -С. 29-33.

Здобувачем сформульоване завдання дослідження, розроблена методика його проведення, узагальнені результати.

5. Жученко А.І., Яблонський П.М. Дослідження динамічних властивостей випарного апарата // Наукові вісті НТУУ „КПІ”.- 2001.- №4.- С. 35-38.

Здобувачем сформульоване завдання дослідження, розроблена методика його проведення, узагальнені результати.

6. Жученко А. І. Математична модель барометричного конденсатора // Автоматизація виробничих процесів. - 2001. - № 2 (13). - С. 40-44.

7. Жученко А.І. Математичне модель динаміки теплового режиму багатокорпусних випарних установок // Автоматизація виробничих процесів.- 2003.- №2(17).- С. 32-36.

8. Жученко А. І. Математична модель багатокорпусної випарної установки як датчик стану теплообмінних поверхонь випарних апаратів // Наук. вісті НТУУ “КПІ”. - 2002. - № 6. - С. 27-32.

9. Жученко А. І., Кубрак Н. А. Математичне моделювання динамічних режимів теплообмінних апаратів типу “труба в трубі” // Наук. вісті НТУУ “КПІ”. - 2003. - № 1. - С. 21-26.

Здобувачем розроблені неперервні і дискретні математичні моделі теплообмінників типу “труба в трубі”, узагальнені результати моделювання.

10. Жученко А. І., Кубрак Н. А. Математичне моделювання динамічних режимів змійовикових теплообмінних апаратів // Автоматизація виробничих процесів. - 2003. - № 1 (16). - С. 43-47.

Здобувачем розроблені неперервні і дискретні математичні моделі змійовикових теплообмінників, узагальнені результати моделювання.

11. Жученко А. І., Кубрак Н. А. Математичне моделювання динамічних режимів типових теплообмінних апаратів // Наук. вісті НТУУ “КПІ”. - 2002. - № 5. - С. 25-29.

Здобувачем розроблені неперервні і дискретні математичні моделі динамічних режимів типових теплообмінних апаратів, узагальнені результати моделювання.

12. Жученко А.І. Задачі оптимального керування статичними режимами багатокорпусних випарних установок // Наукові вісті НТУУ „КПІ”.- 2003.- №6.- С. 34-39.

13. Жученко А.І. Математична модель статики теплового режиму випарних установок // Наукові вісті НТУУ „КПІ”.- 2004.- №4.- С. 40-46.

14. Жученко А.І. Алгоритм оптимального керування багатокорпусними випарними установками // Автоматизація виробничих процесів.- 2004.- №1(18).- С. 52-54.

15. Жученко А.І., Коморочкін К.Є. Дослідження динамічних властивостей випарних установок // Наук. вісті НТУУ “КПІ”. - 2004. - № 5. - С. 30-36.

Здобувачем сформульоване завдання дослідження, розроблена методика його проведення, запропонована математична модель, на основі якої дослідження проведене, узагальнені результати.

16. Романенко В.Д., Жученко А.І. Алгоритми оптимального керування циклічністю роботи випарних установок // Наук. вісті НТУУ “КПІ”. - 2004. - № 6. - С. 22-29.

Здобувачем проведене дослідження умов доцільності використання різних критеріїв оптимальності у залежності від технологічної схеми випарної установки, розроблені алгоритми оптимального керування циклічністю роботи.

17. Жученко А. И. Метод определения эффективности применения алгоритмов оптимизации статического режима технологического процессa // Хим. машиностроение .- 1979.- Вып. 30.- С. 64-66.

18. Жученко А.И. Алгоритм проектирования систем управления с учетом метрологических погрешностей каналов измерения и управления // Хим. машиностроение .- 1986.- Вып. 43.- С. 82-86.

19. Жученко А.И. Имитационное моделирование при проектировании систем управления технологическими процессами // Хим. машиностроение.- 1980.- Вып. 32.- С. 98-100.

20. Остапенко Ю.А., Жученко А.И. Оптимизация цикла работы непрерывно действующего технологического оборудования // Хим. технология.- 1984.- № 1.- С. 51-55.

Здобувачем запропонована методика і критерії оптимізації циклічності роботи неперервно діючого технологічного обладнання.

21. Волотовский И. Н., Жученко А. И., Кваско М. З. Статистические критерии адекватности математических моделей // Хим. технология. - 1983. - № 6. - С. 46-47.

Здобувачем обгрунтована доцільність використання статистичних критеріїв у деяких задачах аналізу адекватності математичних моделей технологічних процесів.

22. Кваско М.З., Жученко А.И. О целесообразности промежуточного подогрева в противоточных многокорпусных выпарных установках // Вестник Киев. политехн. ин-та. Хим. машиностроение и технология.- 1982.- № 19.- С. 62-64.

Здобувачем запропонована методика оцінювання доцільності проміжного підігріву у протитечійних випарних установках, а також математична модель для розрахунків.

23. Кваско М.З., Жученко А.И. Алгоритм расчета многокорпусных выпарных установок с промежуточным подогревом // Хим. машиностроение .- 1982.- № 35.- С. 79-83.

Здобувачем запропонована математична модель і алгоритм для розрахунків випарних устеновок з проміжним підігрівом упарюваного розчину.

24. Жученко А.И., Красношапка О.Н., Кушнир В.И. Метод выбора технических средств систем управления с учетом метрологических погрешностей // Вестник Киев. политехн. ин-та. Хим. машиностроение и технология.- 1987.- № 24.- С. 68-72.

Здобувачем сформульоване завдання, розроблена методика його розв'язку, узагальнені результати.

25. Жученко А.И., Кушнир В.И. Выбор технических средств систем управления с учетом метрологических погрешностей // Хим. машиностроение.- 1987.- Вып. 45.- С. 80-85.

Здобувачем сформульоване завдання, розроблена методика його розв'язку, узагальнені результати.

26. Жученко А.И. Проектирование систем оптимального управления с учетом метрологических погрешностей // Вопросы конструирования и внедрения программно-технических комплексов АСУ.- К.: ИК АН УССР, 1983.- С. 87-97.

27. Жученко А.И., Кваско М.З. Критерии останова поиска в алгоритмах оптимизации технологических процессов и их количественная оценка // Автоматизированные системы управления технологическими процессами химических производств.- К.: Киевский ин-т автоматики им. ХХУ съезда КПСС, 1984.- С. 71-74.

Здобувачем запропоновані критерії зупинки пошуку та їх кількісна оцінка.

28. Жученко А.І. Система керування багатокорпусними випарними установками // Прогрессивные технологии и системы машиностроения: Межд. сб. науч. тр.- Донецк: ДонГТУ, 2000.- Вып.11.- С. 263-267.

29. Жученко А.И. Иерархическая компьютерная система управления выпарными установками // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-16: Сб. трудов междунар. науч. конф. Т.6.- Ростов н/Д: РГАСХМ ГОУ, 2003.- С 203-204.

30. Жученко А.И. Математическое моделирование динамики теплового режима випарного аппарата // Труды междунар. науч. конф. “Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-14”.- Том 3. - Смоленск: Смоленский филиал Москов. энергетического ин-та.- 2001.- С. 7-9.

31. Жученко А.И. Математическая модель процесса выпаривания в системе оптимального управления выпарными установками // Труды междунар. науч. конф. “Машиностроение и техносфера на рубеже ХХІ века”.- Том 1.- Донецк: ДонГТУ.- 2001.- С. 139-143.

32. Жученко А.И., Кубрак Н.А. Математические модели динамики типовых теплообменных аппаратов // Труды междунар. науч. конф. “Математические методы в технике и технологиях”.- Том 3. - Тамбов: Изд-во Тамбов. гос. тех. ун-та.- 2002.- С. 114-116.

Здобувачем розроблені математичні моделі динамічних режимів типових теплообмінних апаратів, узагальнені результати моделювання.

33. Жученко А.І. Математичні моделі динамики типових теплообмінных аппаратів // Труди міжнар. наук. конф. “Автоматика-2002”.- Том 1. - Донецьк: Донец. техн. ун-т.- 2002.- С. 41-42.

АНОТАЦІЇ

Жученко А.І. Багатофункціональне математичне моделювання і оптимальне керування нестаціонарними процесами випарних установок. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.13.07 - автоматизація технологічних процесів. - Національний технічний університет України „Київський політехнічний інститут”, Київ, 2005.

Дисертація присвячена створенню багатофункціонального математичного і алгоритмічного забезпечення комп'ютерних систем оптимального керування випарними установками з урахуванням нестаціонарності процесу випарювання.

Запропонована нова концепція загальної системи оптимального керування випарними установками, що будується за ієрархічним принципом.

Розроблені математичні моделі статики і динаміки теплових режимів випарних установок, які мають різне функціональне призначення - від проектних розрахунків до використання у комп'ютерних системах керування.

Синтезовані алгоритми оптимального керування статичними режимами і циклічністю роботи випарних установок, що враховують нестаціонарність процесу випарювання.

Наведені дані про ефективність розробок.

Ключові слова: випарні установки, нестаціонарність, математичне моделювання, статичний режим, циклічність, критерії оптимальності, алгоритми оптимального керування, ефективність.

Жученко А.И. Многофункциональное математическое моделирование и оптимальное управление нестационарными процессами випарных установок. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.13.07 - автоматизация технологических процессов. - Национальный технический университет Украины „Киевский политехнический институт”, Киев, 2005.

Диссертация посвящена созданию многофункционального математического и алгоритмического обеспечения компьютерных систем оптимального управления выпарными установками с учетом нестационарности процесса выпаривания.

Проведенный анализ современного состояния математического моделирования и оптимального управления выпарных установок показал, что внедрение в производство современных компьютерных технологий выдвигает новую проблему - создание математического и алгоритмического обеспечения компьютерных систем оптимального управления выпарными установками с учетом нестационарности процесса выпаривания.

В диссертационной работе предложена новая концепция общей системы оптимального управления выпарными установками, строящаяся по иерархическому принципу.

Разработаны новые математические модели динамических режимов работы выпарных установок, на основе которых впервые проведено исследование зависимости динамических свойств установок от их технологических схем ( прямо-, противоточная или установка смешаного тока).

Построены математические модели статики тепловых режимов выпарных установок, имеющие различное функциональное назначение: для теплового расчета установок, исследования их статических характеристик, использования в алгоритме оптимального управления статическими режимами работы.

Предложен критерий количественного оценивания процесса накипеобразования, что дает возможность учесть этот процесс в системах оптимального управления выпарными установками. Разработана специальная математическая модель для расчета предложенного критерия. Данный критерий имеет общий характер и может быть также использован для оценивания состояния другого теплообменного оборудования, работающего в условиях накипеобразования.

С целью учета влияния на работу выпарных установок тепловых режимов работы технологического оборудования, работающего совместно с ними, последнее предлагается рассматривать как эквивалентные теплообменники одного из типовых видов. В диссертации разработаны математические модели типовых теплообменных аппаратов - прямо- и противоточных типа „труба в трубе”, змеевиковых, типа „проточная емкость,- а также модели трубопроводов и барометрического конденсатора.

Впервые проведен системный анализ задач моделирования и управления выпарными установками различных технологических схем на множестве критериев оптимального управления статическими и динамическими режимами их работы.

Синтезирован новый обобщенный алгоритм оптимального управления статическими режимами работы выпарных установок, который с целью учета нестационарности процесса выпаривания предполагает адаптацию математической модели, по которой осуществляется поиск оптимального технологического режима.

Впервые создан алгоритм оптимального проектирования систем управления выпарными установками с учетом метрологических ошибок измерительных каналов.

Разработаны новые алгоритмы оптимального управления цикличностью работы выпарных установок - пассивный и активный. Первый предназначен для определения оптимальной продолжительности рабочего периода в цикле работы выпарных установок. Второй предполагает расчет не только оптимальной продолжительности рабочего периода, но и впервые дает возможеость определить оптимальные значения управлений, реализация которых повышает эффективность управления выпарными установками по интегральным технико-экономическим показателям. Приведены условия применения разработанных алгоритмов для выпарных установок различных технологических схем.

Представлены результаты исследований, подтверждающие эффективность предложенных в диссертации разработок.

Ключевые слова: выпарные установки, нестационарность, математическое моделирование, статический режим, цикличность, критерии оптимальности, алгоритмы оптимального управления, эффективность.

Zhuchenko A.I. Multifunctional Mathematical Modelling and Optimal Control by Nonstationary Processes of Multiple-Effect Evaporators. - Manuscript.

This is a thesis for a doctoral degree in technical science on speciality 05.13.07 - automation of technological processes. - National Technical University of Ukraine “KPI”, Kyiv, 2005.

The dissertation is devoted to the creation of a multifunctional mathematical and algorithmical basis for the optimal control by computer systems of multiple-effect evaporators taking into account evaporation nonstationarity.

A new concept of a general optimal control system by multiple-effect evaporators built according the hierarchical principle is proposed.

Static and dynamic mathematical models of multiple-effect evaporators heat states are used to solve different problems - from project calculation up to the joint where computer control systems are developed.

Optimal control algorithms of steady states and the cycling of multiple-effect evaporators taking into account evaporation nonstationarity are synthesised.

Data on the effectiveness of this development are presented.

Key words: multiple-effect evaporators, nonstationarity, mathematical modelling, steady state, cycling, optimality criteria, optimal control algorithms, effectiveness.

Размещено на Allbest.ru