Математическое моделирование и разработка моделей компенсации запаздывания для систем управления процессами полимеризации тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.18, кандидат технических наук Ситников, Евгений Александрович

• Ситников, Евгений Александрович
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Ситников, Евгений Александрович

Ведение.

Глава 1 Анализ подходов к созданию программного обеспечения систем управления технологическими процессами и методик управления при наличии запаздывания и возмущений.

1.1 Эффективность предприятия и комплексная интеграция.

1.2 Обзор интегрируемых систем оперативного сбора информации и управления.

1.2.1 Характеристики SCADA-систем.

1.2.1.1 Функциональные возможности.:.

1.2.2 Технические характеристики.

1.2.3 Открытость систем.

1.2.4 Интеграция многоуровневых систем автоматизации.

1.3 Математическое описание динамических систем в пространстве состояния.

1.4 Влияние запаздывания на переменные состояния.

1.4.1 Временные свойства систем с запаздыванием.

1.4.2 Устойчивость систем с запаздыванием.

1.4.3 Об исследовании точности систем с запаздыванием.

1.5 Методы регулирования объектов с запаздыванием.

1.5.1 Рекомендации по выбору систем регулирования объектов.

1.6 Постановка задачи диссертационного исследования.

Выводы.

Глава 2 Методики синтеза моделей компенсатора запаздывания и оптимальной системы управления.

2.1 Критерии управления объектами при наличии запаздывания.

2.2 Построение модели компенсатора запаздывания.

2.2.1 Модель компенсации по способу Смита.

2.2.2 Построение модели компенсатора запаздывания в пространстве состояния при наличии возмущений.

2.2.3 Моделирование эффективности модели компенсации запаздывания при наличии помех.

2.3 Модели основанные на повышении порядка уравнения.

2.3.1 Аппроксимацию звена чистого запаздывания рядом Паде.

2.3.2 Аппроксимацию звена чистого запаздывания апериодическими звеньями.

2.4 Синтез управления в пространстве состояния без учета возмущений с использованием упредителя Смита.

2.5 Оптимальная стабилизация в пространстве состояния при наличии возмущений.

2.5.1 Синтез оптимального управления с учетом возмущения.

2.5.2 Устранение ошибки в установившемся состоянии процесса.

2.6 Устойчивость и точность системы управления.

2.7 Параметрическая идентификация системы с запаздыванием с использованием полиномиальных рядов.

2.8 Особенности конструирования системы управления.

Выводы.

Глава 3 Исследование математических моделей объектов с запаздыванием

3.1 Обобщенная методика выбора математической модели технологического процесса.

3.2 Промышленные технологические объекты с запаздыванием.

3.3 Процессы полимеризации, математические модели, влияние запаздывания.

3.3.1 Классификация химических реакторов.

3.3.2 Технологическое и аппаратурное оформление процессов растворной полимеризации.

3.3.3 Качественные показатели технологических процессов.

3.3.4 Кинетика процесса полимеризации.

3.3.5 Реактор идеального перемешивания.

3.3.6 Каскад реакторов идеального перемешивания.

3.3.7 Молекулярно массовое распределение при протекании реакции полимеризации.

3.3.8 Причины возникновения запаздывание в реакторе.

3.4 Действие возмущений на динамическую систему с запаздыванием.

3.5 Постановка задачи и методов исследования.

Выводы.

Глава 4 Математическое и программное обеспечение автоматизированной системы управления процессом полимеризации.

4.1 Постановка задачи управления.

4.2 Синтез математического обеспечения.

4.2.1 Математическая модель процесса.

4.2.2 Параметрическая иден i ификация.

4.2.3 Синтез оптимального управления.

4.3 Разработка программного обеспечения системы управления процессом полимеризации.

4.3.1 Разработка алгоритмического обеспечения.

4.4 Интеграция программного обеспечения разработанного в Matlab в АСУТП.

4.5 Промышленные испытания и эффективность системы управления.

4.6 Рекомендации по использованию полученных результатов.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Математическое моделирование и разработка моделей компенсации запаздывания для систем управления процессами полимеризации»

Актуальность темы. Одним из перспективных путей повышения эффективности технологических процессов на предприятиях является совершенствование систем автоматического управления ключевыми стадиями, а также разработка и внедрение единой системы сбора данных и оперативного диспетчерского управления информационно-управляющей системы предприятия (SCADA), охватывающей все стадии производства.

Однако, несмотря на наличие стандартных пакетов стабилизации и управления, ощущается недостаток в разработке методов синтеза систем управления для объектов с запаздыванием, связанных с решением задач оптимизации, использующих стационарную линейную динамическую математическую модель объекта управления в пространстве состояния.

Применение моделей компенсации запаздывания и эффективной методики идентификации параметров объекта позволит в значительной мере повысить эффективность системы управления. Поэтому разработка математического и программного обеспечения адаптивных систем управления на основе моделей компенсации, устраняющих влияния запаздывания и неконтролируемых возмущений, способных настраиваться на меняющиеся условия производства и интегрироваться в современные SCADA системы, решает задачи совершенствования управления и повышения качества выпускаемой продукции.

Необходимость решения конкретных задач автоматизации для широкого класса объектов с запаздыванием в условиях наличия возмущений и параметрической неопределенности свидетельствует об актуальности данной работы.

Диссертационная работа выполнена в рамках научного направления Воронежского государственного технического университета - "Вычислительные системы и программно-аппаратные электротехнические комплексы".

Цель и задачи исследования. Целью работы является исследование и разработка моделей компенсации запаздывания, алгоритмов параметрической идентификации и оптимальной стабилизации, программного обеспечения системы автоматического управления и синтез программного обеспечения, реализующего оптимальное управление в пространстве состояния (на примере процесса полимеризации) и его интеграция в SCADA системы.

Объектом исследования является квазистационарная линейная динамическая система с запаздыванием (полимеризационная батарея реакторов в производстве синтетического каучука).

В соответствии с поставленной целью сформулированы следующие основные задачи исследования:

1. Выполнить научный анализ современных распределенных информационных систем управления и методов интеграции программных продуктов, созданных во внешней среде разработки, в современные SCADA системы. Обобщить анализ современного состояния исследований в области применения методов компенсации эффекта запаздывания в задачах управления технологическими процессами.

2. Разработать математические модели компенсации запаздывания, параметрической идентификации и оптимального управления с устранением ошибки в установившемся состоянии.

3. Разработать алгоритмы и программные средства с обеспечением их совместимости с современными интегрируемыми системами управления.

4. На основе анализа полученных результатов, работоспособности программного обеспечения дать предложения по практическому использованию разработанных методов, алгоритмов и программ.

Методы исследований. В работе использованы методы теории моделирования и управления динамическими объектами.

Научная новизна работы. В диссертационной работе получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:

- многомерная модель компенсации запаздывания, особенностью которой является учет возмущений в канале управления, малая чувствительность к рассогласованию параметров модели объекта в контуре управления;

- модель и алгоритм параметрической полиномиальной идентификации, основанный на использовании полиномиальных рядов, позволяющий упростить процедуру идентификации при наличии запаздывания;

- адаптивная модель компенсации запаздывания с идентификацией параметров объекта управления;

- модель и алгоритм оптимального управления с устранением ошибок в установившемся состоянии на основе корректировки, используя идентифицированные параметры модели объекта управления.

Практическая ценность. Разработан пакет прикладных программ в системе компьютерной математики и программирования Matlab 6.5, реализующий модель компенсации запаздывания, алгоритмы оптимальной стабилизации и полиномиальной идентификации.

Результаты работы апробированы в НПП «Центравтоматика» и рекомендованы к использованию при проектировании систем управления нефтехимических производств.

Апробация результатов. Основные результаты диссертационной работы докладывались на V Международной электронной научной конференции "Современные проблемы информатизации" (Воронеж, 2000); Международной научной конференции "Математические методы в технике и технологиях" (Санкт-Петербург, 2000); ХХХХ научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, научных работников, аспирантов и студентов (Воронеж, 2000); VI Международной открытой научной конференции "Современные проблемы информатизации в непромышленной сфере и экономике" (Воронеж,

2001); VII Международной открытой научной конференции "Современные проблемы информатизации в технике и технологиях" (Воронеж,

2002); XXXXII научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, научных работников, аспирантов и студентов (Воронеж, 2002); VIII Международной открытой научной конференции "Современные проблемы информатизации в технике и технологиях" (Воронеж, 2003); Региональной научно-технической конференции "Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве" (Воронеж, 2003); IX Международной открытой научной конференции "Современные проблемы информатизации в системах моделирования, программирования и телекоммуникациях" (Воронеж, 2004).

Публикации. Основное содержание диссертационной работы отраженно в 13 печатных работах, в том числе 2 без соавторов. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежит: в [37; 38; 40; 53; 57] - основные принципы компенсации запаздывания, в [41] - разработка модели компенсации запаздывания, в [58; 59; 60] - методика построения программных средств системы управления, в [39] - алгоритм параметрической полиномиальной идентификации, в [42] - алгоритм расчета настроек оптимального регулятора.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения. Работа изложена на 151 страницах, содержит 57 рисунков, 102 библиографических наименований.

Заключение диссертации по теме «Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ», Ситников, Евгений Александрович

Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований:

1. На основании выполненных исследований разработана многомерная модель компенсации запаздывания в пространстве состояния для квазистационарных объектов, особенностью которой является учет возмущений в канале управления и малая чувствительность к рассогласованию параметров модели объекта в контуре управления. Разработан алгоритм получения прогнозируемого состояния, основанный на применении данной модели компенсации.

2. Разработана модель и алгоритм параметрической полиномиальной идентификации, основанные на использовании полиномиальных рядов, позволяющие упростить процедуру идентификации при наличии запаздывания, а также комбинированная адаптивная модель компенсатора запаздывания с идентификацией параметров объекта управления.

3. Получена модель и алгоритм оптимального управления с устранением ошибки в установившимся состоянии управляемого пропроцесса, обеспечивающие оптимальное значение заданного критерия качества.

Разработан пакет моделирования, который может использоваться как при проектировании АСУ для объектов с запаздыванием нефтехимических производств, так и для получения оптимальных настроек в процессе эксплуатации.

Разработан пакет прикладных программ в системе компьютерной математики и программирования Matlab 6.5, реализующий модель компенсатора запаздывания, алгоритмы оптимальной стабилизации и полиномиальной идентификации. Произведен средствами имитационного моделирования в Matlab 6.5 анализ устойчивости, точности и чувствительности к рассогласованию параметров модели и объекта управления синтезированной системы управления, что показало ее эффективность по сравнению с АСУ, использующими упредитель Смита.

Заключение

В диссертационной работе решена актуальная задача разработки математических моделей и алгоритмов компенсации запаздывания (для стационарных и квазистационарных объектов), параметрической идентификации и оптимального управления в пространстве состояния, а также апробации разработанных моделей при создании математического и программного обеспечения систем управления процессом растворной полимеризации.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Ситников, Евгений Александрович, 2004 год

1. Автоматизация настройки систем управления.//Под ред. Ротача

2. B.Я. М.: Энергоатомиздат. 1984.

3. Автоматическое определение молекулярного веса каучуков СКД и СКИ-3. -Каучук и резина. 1969. №8. с.50-54. Анищенко B.C. Сложные колебания в простых системах. М.: Наука, 1990. С.321.

4. Ахиезер Н. И. Лекции по вариационному исчислению. М., Гостехиздат, 1955.

5. Ашимов А.А. Системы автоматического управления с изменяющийся конфигурацией для объектов с запаздыванием Ал маты: Галым, 1995 Г.-628 с.

6. Богомолов М.А., Испирьян Э.И., Лебедев В.Ф., Плутес B.C., Подольский Т.С. Автоматизированная система управления процессом полимеризации бутадиена в растворе// Автоматизация химических производств: Сборник ОКБ А N5 М.: НИИТЭХИМ, 1972.1. C. 78-84.

7. Бунин В., Анопренко В., Ильин А., Салова О., Чибисова Н., Якушев A. SCADA системы: проблема выбора // Современные технологии автоматизации. 1999. № 4. С. 4-20.

8. Ванько В.И., Ермошина О.В., Кувыркин Г.Н. Вариационное исчисление и оптимальное управление. Учебник для вузов М: МГТУ им. Баумана, 2001г. - 480 с.

9. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. М.: Наука, 1964. - 576с. Гельфанд И. М., Фомин С. В. Вариационное исчисление. - М., Наука, 1969.-496 с.

10. Говорухин В.Н., Цибулин В.Г. Компьютер в математическом исследовании: Учебный курс. СПб.: Питер, 2001, 188 с.

11. Гультяев А. Визуальное моделирование в среде MATLAB: Учебный курс. СПб.: Питер, 2000, - 346 с

12. Турецкий X. Анализ и синтез систем управления с запаздыванием. Пер. с польского. М.: Машиностроение, 1974.

13. Данилов А.И. Компьютерный практикум по курсу "Теория управления": Simulink-моделирование в среде MATLAB /Под ред. А.Э. Софиева: Учебное пособие. -М.: МГУИЭ, 2002. 128 с.343.

14. Деруссо П.М. и др. Пространство состояний в теории управления. -М.: Наука, 1970.

15. Дудников Е.Г., Балакирев А.С., Цирлин A.M., Вариационные методы оптимизации управляемых объектов, М., Энергия, 1976, с.448.

16. Дудников Е.Г., Казаков Ю.И., Софиев А.Э, и др. Автоматическое управление в химической промышленности, М., Химия, 1987, 368с.

17. Дудников Е.Г.,Балакирев А.С., Цирлин A.M. и др. Построение математических моделей химико-технологических объектов, М., Химия, 1970, с.311.

18. Дьяконов В., Круглов В. MATLAB. Анализ, идентификация и моделирование систем. Специальный справочник. Спб.: Питер, 2002.-448 с.

19. Дьяконов В.П. MATLAB 6: Учебный курс. СПб.: Питер, 2002. 296

20. Дьяконов В.П. Справочник по применению системы PC MatLab. М.: Наука, Физматлит, 1993, 112 с.

21. Дьяконов В.П., Абраменкова И.В. MATLAB 5.0/5.3. Система символьной математики. М.: Нолидж, 1999, - 341 с.

22. Ермоленко В. Применение нечеткой логики в микроконтроллерном управлении // Радиолюбитель. Ваш компьютер. 1997. № 3. С. 13-17.

23. Иванов В.А., Чемоданов В.К., Медведев B.C. Математические основы теории автоматического регулирования. М.: Высшая школа, 1973.

24. Калман Р.Е. Об общей теории систем управления // 1-й Международный конгресс ИФАК: Тр./ АН СССР.-М., 1961. Т.2.

25. Кафаров В.В., Дудоров А.А. Моделирование процессов полимеризации. -Итоги науки и техники. Сер.: Процессы и аппараты химической технологии л.9. М.:ВИНИТИ. 1981. с.87-174.

26. Кирпичников П.А., Аверко-Антонович Л.А., Аверк-Анотонович Ю.О. Химия и технология синтетического каучука. М.:Химия. 1970- 159с.

27. Кирчевская Ю.И, и др. Влияние микро примесей на процесс литиевой полимеризации Тем. обз. М. 1982. - 49 с.

28. Клиначёв Н. В. теория систем автоматического регулирования: Учебно-методический комплекс. Offline версия 1.0. - Тула, Челябинск, 2002. - 381 файла.

29. Коладзе В.А. Адаптивная АСУ полимеризацией низкомолекулярных каучуков с использованием ММР // Применение микро-ЭВМ в управляющих и вычислительных системах в промышленности синтетического каучука, тез. докл. Всесоюзн. совещания М:

30. ЦНИИТ Энефтехим. 1985. С. 60

31. Колмановский В.Б., Носов В.Р. Устойчивость и периодические режимы регулируемых систем с последействием. М.: Наука, Главная редакция физико-математической литературы, 1981.

32. Краснов JI. М., Макаренко Г. И., Киселёв А. И. Вариационное исчисление. М., Наука, 1973. 172с.

33. Куцевич И. В, Григорьев А. Б. Стандарт ОРС путь к интеграции разнородных систем Электронный ресурс. / Средства и системы компьютерной автоматизации. -Электрон, дан.- М., [2003]. Режим доступа: http://w\vw.asutp.ru/?p=600094. - Загл. с экрана.

34. Куцевич Н. SCADA-системы, или муки выбора Электронный ресурс. / Средства и системы компьютерной автоматизации. — Электрон. дан- М., [2003]. Режим доступа: http://www.asutp.ru/?p=600055. - Загл. с экрана.

35. Лебедев В.Ф., Предкин Н.И. Выбор оптимального режима для изотермического реактора дегидрирования// Автоматизация химических производств. 1964. N3-4. С. 32-37.

36. Лебедев В.Ф., Ситников Е.А, рудников С.С. Оптимальные системы управления объектами с запаздыванием в условиях помех// Техника машиностроения. -2002. N5. С. 92-94.

37. Лебедев В.Ф., Ситников Е.А. Идентификация систем с запаздыванием с использованием полиномиальных рядов // Системы управления и информационные технологии: Межвуз. сб. науч. тр. Воронеж: ЦЧКИ, 2002. С. 61-66.

38. Литюга А. М., Клиначёв Н. В., Мазуров В. М. Теоретические основы построения эффективных АСУ ТП: Конспект лекций. -Offline версия 1.0. Тула, Челябинск, 2002. - 693 файла.

39. Лукас В.А. Введение в fuzzy управление. Екатеринбург. Изд-во УГГГА, 1997.-36с.

40. Любашин А.Н. Интегрированные системы автоматизации для отраслевых применений Электронный ресурс. / Средства и системы компьютерной автоматизации. -Электрон, дан М., 2003. -Режим доступа: http://www.asutp.ru/?p=600113. - Загл. с экрана.

41. Нейдорф Р.А., Волков Р.В. Имитационное моделирование в задачах разработки АСУТП // Промышленные АСУ и контроллеры. 2003. № 5. С. 32-34.

42. Основы теории автоматического управления: Учебник /JI.H. Ще-лованов, Г.С. Антонова, Е.М. Доронин.- Спб.: изд. СПГУТ, 2002. 356с.

43. Островский Г.М. Алгоритмы оптимизации химико-технологических процессов.М. .-Химия. 1978.-296с.

44. Панько М.А. и др. Сравнительный анализ классического и нечеткого ПИД-алгоритмов. Теория и практ. функц. АСУ ТП // Сб. научи. трудов. М.: МЭИ. 1998. С. 28-38.

45. Первозванский А.А. Курс теории автоматического управления -М.: Высшая школа, 1986.

46. Перлин Б.А. Исследование на модели нелинейных регуляторов для стабилизации концентрации па выходе полимеризационного реактора в производстве СК.- Автоматизация. 1976. №6. с. 13-15.

47. Плутес B.C. Разработка и исследование оптимальных систем автоматического регулирования объектов производства СК: Дисс. канд. тех. наук. Воронеж. 1961. -156 с.

48. Плутес B.C., Будников С.С., Ситников Е.А. Расчет границ устойчивости САР объектов с запаздыванием // Современные проблемы информатизации: Сб. тр. IV Междунар. электронной науч. конф. Воронеж: ВГПУ, 1999. С. 40.

49. Плутес B.C., Корякин В.В. Синтез оптимальной автоматической системы для объекта с запаздыванием// Автоматизация химических производств: Сборник ОКБ А N1 М.: НИИТЭХИМ, 1967.1. С. 28-34.

50. Подвальный СЛ. Моделирование промышленных процессов полимеризации.-М.: Химия, 1979

51. Подвальный C.JI., Лебедев В.Ф., Ситников Е.А, Будников С.С.

52. Разработка оптимальных систем управления объектами с за-ф паздыванием в условиях помех// Системы управления и информационные технологии: Межвуз. сб. науч. тр. Воронеж: ВГТУ, 2001. С. 4-8.

53. Ф открытой науч. конф. Воронеж: ВЭПИ, 2001. С. 57-58.

54. Подвальный С.Л., Ситников Е.А., Дорофеев В.И., Будников • С.С. Алгоритм построения линий равного значения критерияв плоскости настроек // Математические методы в технике и технологиях: Сб. тр. Междунар. науч. конф. СПб.: Лониис,2000. С. 29.

55. Подольский Т.С., Лебедев В.Ф., Сафонов Е.А., Лукьянович А.П. Автоматическое регулирование процесса полимеризации в производстве синтетическою каучука СКД-1 с помощью ЭВМ // Сб. Автоматизация химических производств: № 24, -М.: НИИТЭХИМ, 1975.

56. Попов Е.П. Теория линейных систем автоматического регулирования и управления М.: Высшая школа, 1989.

57. Рей У. Методы управления технологическими процессами. Пер. с англ.-М.: Мир, 1983.-368с.

58. Ротач В.Я. Теория автоматического управления теплоэнергетическими процессами. -М.: Энергоатомиздат, 1985.-296с.

59. Ротач В.Я. Расчет настройки промышленных систем регулирования М.; Госэноргоиздат, 1961

60. Рыльков А.А. Автоматизация непрерывного процесса растворной полимеризации бутадиена и стирола: Дисс. . канд. тех. наук. -Воронеж. 1996.-179 с.

61. Сигаева Н. Н., Усманов Т. С., Будтов В. П., Спивак С. И., Мона-ков Ю. Б. Распределение центров полимеризации диенов на лан-танидных системах по каталитической активности // Высокомо-лек. соед: Серия А. 2000. т.42. № 1. - С. 112-117.

62. Ситников Е.А. Идентификация объектов управления с использованием полиномов // Системы управления и информационные технологии: Межвуз. сб. науч. тр. Воронеж: ЦЧКИ,2001. С. 48-53.

63. Ситников Е.А. Нечеткая идентификация и управления объектамис запаздыванием // Современные проблемы информатизации в технике и технологии. Сб. трудов VIII международной открытой научной конференции Воронеж: ЦЧКИ, 2003. С. 61-62.

64. Ситников Е.А. Применимость методов идентификации линейных динамических систем по их частотному и временному отклику // Современные проблемы информатизации в технике и технологии: Сб. тр. VII Междунар. открытой науч. конф. — Воронеж: ЦЧКИ, 2002. С. 22.

65. Ситников Е.А. Управление объектами с запаздыванием на основенечеткой идентификации // Новые технологии в научных иссле• дованиях, проектировании, управлении, производстве. Труды региональной научно-технической конференции Воронеж: ВГТУ, 2003.С. 73.

66. Смит О. Дж. Автоматическое регулирование. М. Физматгиз. 1962.- 124с.

67. Стрельников В.П. Прикладные нечеткие системы М.: Мир, 1993. - 368 с.

68. Стронер П., Сердик О.В. Управляющие системы UNICON для подземных хранилищ газа // Автоматизация в промышленности.• 2003. №3. С. 56-57.

69. Усманов С. М., Гатауллин И. К., Усманов Т. С., Спивак С. И. Монаков Ю. Б. Моделирование методом Монте-Карло кинетики ионно-координационной полимеризации диенов// Вестник Херсонского ГТУ. -2001. № 3(12). С. 275-279.

70. Усманов Т. С., Гатауллин И. К., Усманов С. М., Спивак С. И. Монаков Ю. Б. О решении обратной задачи формирования молеку-лярно-массовых распределений при ионно-координационной по• лимеризации //Доклады РАН. 2002. т.385. № 3. - С. 368-371.77,78.