Введение к работе
Актуальность темы исследования При разработке новых и совершенствовании существующих технологических процессов разработчики во многих случаях недостаточно уделяют внимания рациональному использованию энергии. По данным докладов Европейской комиссии ООН уровень полезного расходования энергоресурсов составляет 42%, а конечного использования топлива - 16%. В целом около 15% всей потребляемой промышленностью мощности расходуется на цели электротермии.
Обострение энергетических проблем и вызванное этим сложное экономическое положение многих отечественных предприятий диктуют необходимость поиска новых путей решения задач рационального использования энергетических ресурсов. Поэтому в энергоемких отраслях промышленности остро стоят вопросы оптимизации производственных процессов и оптимального управления ими по энергетическим показателям.
Задача оптимального ресурсосберегающего управления энергоемкими процессами нагрева в технологическом оборудовании и создания системы управления с использованием несложных и доступных по цене микропроцессорных устройств, которые наряду с традиционными функциями автоматического регулирования могут в реальном масштабе времени синтезировать управляющие воздействия, минимизирующие затраты энергии в динамических режимах, является актуальной. Применение подобных систем в промышленности позволит не только сократить энергозатраты на 10-30%, но и продлить срок эксплуатации технологического оборудования, а также позысить качество выпускаемой продукции.
В современной теории оптимального управления актуальной задачей является разви-че нового математического аппарата, позволяющего описывать объекты на множестве состояний функционирования (МСФ) и решать задачи оптимизации простыми микропроцессорными управляющими устройствами в реальном времени. С применением нового математического аппарата проведен полный анализ ресурсосберегающего оптимального управления рядом технологических энергоемких объектоз на МСФ, а также получены алгоритмы и программы синтеза управляющих воздействий.
Цель работы заключается в разработке теоретических и методологических аспектов решения задач ресурсосберегающего оптимального управления процессами нагрева в технологическом оборудовании на примере промышленных электропечей сопротивления. Достижение этой цели предполагает решение следующих задач: вы-
полнить полный анализ оптимального управления (ОУ) на МСФ для объектов, описываемых дифференциальными уравнениями первого порядка, при минимизируемых функционалах затраты энергии и расход топлива; разработать алгоритмы синтеза энергосберегающего управления процессами нагрева на МСФ; исследовать вопросы идентификации моделей нелинейных объектов и возможности аппроксимации их комбинацией линейных дифференциальных уравнений первого и второго порядка; создать аналитическую модель разогрева промышленных электропечей сопротивления для оценки потерь тепла в окружающую среду; разработать алгоритм и программу, реализующие решение дифференциального уравнения нестационарной теплопроводности при несимметричных граничных условиях; разработать систему оптимального энергосберегающего управления процессами нагрева в технологическом оборудовании.
Методы исследования, используемые в работе - это методы математического моделирования, анализа и синтеза ОУ на МСФ, численные методы решения нелинейных дифференциальных уравнений и уравнений в частных производных, а также методы моделирования процессов управления на ЭВМ и проведение исследований в лабораторных и производственных условиях.
Обоснованность научных результатов. Достоверность и новизна научных положений и выводов подтверждена и обоснована с помощью классических методов анализа и синтеза оптимального управления. Полученные теоретические результаты подтверждены в ходе лабораторных и промышленных испытаний системы энергосберегающего управления процессом нагрева технологической установки отжига магнитопроводов ТОМ-1.
Научная новизна работы состоит в следующем.
-
Сформулированы и доказаны леммы о классах функций ОУ на МСФ, синтезирующих переменных базовой задачи, существовании решения ЗОУ, в том числе для моделей, представляемых дифференциальными уравнениями с разрывной правой частью.
-
Решена задача идентификации нелинейного объекта и сделано описание его динамики дифференциальными уравнениями с разрывной правой частью. В результате получена модель, описывающая процессы нагрева в объекте на МСФ.
-
Сформулирована задача энергосберегающего управления на МСФ, разработан алгоритм ее решения и получены программы управления процессами нагрева в объекте, модель динамики которого описывается дифференциальными уравнениями с разрывной правой частью.
Теоретическая и практическая значимость заключается в следующем.
-
Разработаны алгоритмы идентификации процессов нагрева моделями в форме дифференциальных уравнений с разрывной правой частью ( «зонными» моделями), которые могут быть использованы для широкого класса нелинейных объектов.
-
Получена возможность применять созданную аналитическую модель разогрева промышленных электропечей на стадии проектирования системы энергосберегающего управления, т.к. она не содержит параметров, корректируемых по экспериментальным данным.
-
Применение системы энергосберегающего управления процессами нагрева в технологической установке отжига магнитопрово-дов ТОМ-1 позволяет снизить затраты энергии на 5-15%, увеличить срок службы ТЭНов. Система может использоваться для оптимального управлений другими энергоемкими объектами.
-
На базе предложенных алгоритмов анализа и синтеза оптимального управления на МСФ разработан пакет прикладных программ, предназначенный для оперативного синтеза оптимальных управляющих воздействий. Пакет является составной частью экспертной системы энергосберегающего управления динамическими объектами.
Апробация работы. Материалы работы доложены на III и IV научных конференциях молодых ученых и студентов ТГТУ, 1996, 1997 гг.; IV и V Всероссийских конференциях "Повышение эффективности средств обработки информации на базе машинного моделирования", Тамбов: ТВВАИУ, 1995, 1997 гг.; получено свидетельство №950464 об официальной регистрации программы "Программа для ЭВМ: Экспертная система "Энергосберегающее управления динамическими объектами" (EXPSYS)".
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 12 работах, список которых приведен в конце реферата.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, списка использованной литературы и приложений.