Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 6
1, АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ОБЪЕКТАМИ С ЗАПАЗДЫВАНИЕМ 12
1Л. Анализ промышленных технологических объектов с запаздыванием 12
1.2. Требования, предъявляемые к системам управления технологическими объектами с запаздыванием 25
13. Обзор традиционных способов управления технологиче скими объектами с запаздыванием 35
Выводы по главе 62
2. ОСОБЕННОСТИ СИНТЕЗА АДАПТИВНЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ОБЪЕКТАМИ С ЗАПАЗДЫВАНИЕМ 64
2.1. Применение адаптивного подхода для синтеза систем управления технологическими объектами с запаздыванием 64
2.1Л. Нестабильность свойств реальных технологических объектов и систем 64
2.1.2. Особенности адаптивного подхода в управлении технологическими объектами с запаздыванием 67
Основные структуры адаптивных систем управления и классификация
2.1.4. Задачи адаптивного управления технологическими объектами
2.1.5. Особенности построения адаптивных систем управления технологическим объектами с эталонными и настраиваемыми моделями 81
2,2- Основные методы синтеза адаптивных алгоритмов для систем управления с моделями
2,3. Учет реальных условий при построении адаптивных параметрических алгоритмов 90
2.3.1. Ограничения на значения перестраиваемых параметров 90
2.3.2. Учет сигнальных возмущений 92
Выводы по главе 93
3. СИНТЕЗ АЛГОРИТМОВ АДАПТИВНОГО НАБЛЮДЕНИЯ В ЦЕЛЯХ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ПРОГНОЗА ПЕРЕМЕННЫХ СОСТОЯНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ С ЗАПАЗДЫВАНИЕМ 95
3.1. Адаптивный подход в наблюдении состояния промышленных технологических объектов 96
3.2. Синтез адаптивных алгоритмов наблюдения для объектов с запаздыванием по управлению. Построение адаптивных наблюдателей, осуществляющих прогноз состояния технологических объектов с запаздыванием в управлении или в измерительном устройстве 98 Выводы по главе Ю5
4, ПОСТРОЕНИЕ И МЕТОДИКА РАСЧЕТА АДАПТИВНО- МОДАЛЬНЫХ РЕГУЛЯТОРОВ ДЛЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ С ЗАПАЗДЫВАНИЕМ. РАЗРАБОТКА РАЦИО НАЛЬНЫХ СТРУКТУР АДАПТИВНО-МОДАЛЬНЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ДЛЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ С ЗАПАЗДЫВАНИЕМ
4.1. Адаптивный подход в управлении технологическими объектами с запаздыванием
4.2. Синтез адаптивно-модальных алгоритмов для объектов с запаздыванием по управлению
4.3. Разработка обобщенной методики синтеза и расчета адаптивно-модальных регуляторов для технологических объектов с запаздыванием по управлению 114
4.4. Синтез алгоритмов адаптивно-модального управления
для объектов с запаздыванием по переменным состояния 122
4.5. Разработка обобщенной методики синтеза и расчета адаптивно-модальных регуляторов для технологических объектов с запаздыванием по переменным состояния 130
4.6. Синтез алгоритмов адаптивно-модального управления и адаптивного наблюдения для объектов с запаздыванием в измерительных устройствах 137
4.7. Разработка рациональных структур адаптивно- модальных систем управления для технологических объектов с запаздыванием 143
4.7.1. Разработка различных модификаций адаптивно- модального регулятора для технологических объектов с запаздыванием по управлению 143
4.7.1.1. Разработка AMP для широкого класса технологических объектов с запаздыванием по управлению и в измерительных устройствах 143
4.7.1.2. Разработка AMP для широкого класса технологических объектов с запаздыванием в исполнительных устройствах(регуляторах) 146
4.7.2. Разработка различных модификаций адаптивно-модального регулятора для технологических объектов с запаздыванием по состоянию
4.7.3. Достоинства и недостатки предлагаемых рациональных структур адаптивно-модальных систем управления технологическими объектами с запаздыванием и рекомендации по их применению Выводы по главе
5. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ И ИССЛЕДОВАНИЕ АДАПТИВНЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ДЛЯ ОБЪЕКТОВ С ЗАПАЗДЫВАНИЕМ 157
5.1. Расчет систем адаптивно-модального управления, адаптивного прогноза и наблюдения для технологических объектов с запаздыванием 157
5.1.1. Расчет адаптивно-модальной системы для технологического объекта - двухемкостная гидравлическая система 157
5.1.2. Расчет адаптивно-модальной системы для технологического объекта - емкость смешения с паровой рубашкой 161
5.1.3. Расчет системы адаптивного прогноза и наблюдения для промышленного технологического трубопровода 165
5.2. Моделирование и исследование адаптивных систем управления и наблюдения для технологических объектов с запаздыванием 168
5.2.1. Моделирование адаптивно-модальной системы управления двухемкостной гидравлической системой
5.2.2. Моделирование адаптивно-модальной системы управления емкостью смешения с паровой рубашкой 169
5.2.3. Моделирование системы адаптивного прогноза для промышленного технологического трубопровода 173
Выводы по главе
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА
Введение к работе
Актуальность работы. Рост интенсивности технологических процессов, повышение требований к качеству выпускаемой продукции и минимизации затрат сырья в нефтехимическом производстве - все это предъявляет жесткие требования к системам управления технологическими объектами нефтехимии.
Большинство реальных технологических процессов в химическом производстве являются процессами с запаздыванием. Неучет запаздывания при построении системы регулирования приводит к невозможности осуществления качественного управления такими технологическими объектами. Технологические объекты химического производства отличаются существенной сложностью, нестационарностью параметров и нелинейностью. Кроме того, на технологический процесс оказывают существенное влияние неконтролируемые внешние возмущения. Все это в совокупности с запаздыванием приводит к тому, что традиционные автоматические системы не позволяют получить необходимое качество процессов управления.
К настоящему времени разработан ряд методов и рекомендаций по улучшению качества управления объектами с запаздыванием. Однако далеко не все из них учитывают реальные условия работы сложных промышленных объектов, связанные с неопределенностью, нестационарностью их параметров. Применение адаптивных систем позволяет учесть реальные условия работы промышленных объектов с запаздыванием и существенно улучшить качество управления ими.
Большой вклад в разработку адаптивных систем управления объектами с запаздыванием внесли работы ученых Е.Л. Еремина и A.M. Цыкунова и др. Однако, предложенные ими адаптивные системы труднореализуемы, так как требуют изменения традиционной системы управления (адаптивный регулятор должен заменять типовой), что далеко не всегда приемлемо в лромыш ленных условиях. Для работы таких адаптивных систем требуется измерение полного вектора состояния объекта, чего в реальных условиях достичь практически невозможно. В связи с этим актуальной является задача построения адаптивных наблюдателей, способных предоставлять информацию о трудноизмеримых переменных процесса. Адаптивные наблюдатели нужны для создания систем контроля или управления, в которых необходим прогноз переменных состояниям объекта.
Обеспечение высоких динамических показателей качества в системах управления промышленными технологическими объектами с запаздыванием может быть достигнуто путем применения в них адаптивно-модального управления. Для реализации такого вида управления в последние годы учеными Ю.А. Борцовым, Н.Д. Поляковым и В.В. Путовым были предложены устройства, называемые адаптивно-модальными регуляторами. Эти регуляторы выполняли функции адаптивной идентификации переменных состояния объекта, осуществляемой при помощи наблюдателей, оптимизации системы регулирования по переходному режиму и адаптации объекта к непредсказуемо меняющимся внешним условиям одновременно с адаптацией к желаемому (эталонному) движению.
Однако в настоящее время не осуществлен синтез адаптивно-модального управления для различных классов технологических объектов с запаздыванием. Кроме того, отсутствует методика синтеза и расчета адаптивных наблюдателей и систем адаптивно-модального управления для технологических объектов с запаздыванием. Не создана единая унифицированная структура адаптивно-модальной системы для объектов с запаздыванием, пригодная для применения в различных отраслях промышленности- Также не выявлены наиболее целесообразные схемные решения адаптивных систем управления и наблюдения, учитывающие специфику конкретного объекта. Решение этих проблем видится в разработке наиболее простых по исполнению и настройке структур адаптивно-модальных регуляторов и адаптивных наблюдателей, а также в разработке единой унифицированной структуры адаптивно-модальной системы для широкого класса технологических объектов с запаздыванием.
Таким образом, разработка и исследование адаптивных систем управления и наблюдения, а также разработка наиболее простых рациональных структур адаптивных систем и наблюдателей для технологических объектов с запаздыванием является актуальной задачей.
Цель и задачи работы. В связи с изложенным, целью диссертационной работы является:
- разработка адаптивных наблюдателей для технологических объектов с запаздыванием, прогнозирующих недоступные измерению переменные состояния объекта, с целью последующего использования получаемой информации для решения задач контроля и управления;
- разработка и исследование адаптивно-модального управления для нелинейных и нестационарных технологических объектов с запаздыванием в условиях априорной неопределенности их параметров, а также разработка рациональных структур адаптивных систем управления для объектов с запаздыванием, учитывающих специфику конкретного объекта, повышение требований к качеству управления, и пригодных для применения в различных отраслях промышленности.
В соответствии с поставленной целью определены следующие задачи исследования:
1. Анализ способов управления и наблюдения химическими объектами, исходя из требований к качеству технологических процессов.
2. Выявление типовой структуры адаптивной системы управления для широкого класса объектов с запаздыванием, пригодной для использования во многих отраслях промышленности и способной обеспечить требуемые показатели качества.
3. Синтез адаптивно-модальных систем управления различными классами технологических объектов с запаздыванием с учетом их специфики. Синтез адаптивных наблюдателей для технологических объектов с запаздыванием, осуществляющих прогноз переменных состояния и необходимых для построения систем контроля и управления.
4. Разработка обобщенных методик расчета адаптивных систем управления и наблюдения для различных классов технологических объектов с запаздыванием,
5. Разработка рациональных структур адаптивно-модальных регуляторов для технологических объектов с запаздыванием, пригодных для использования в различных отраслях промышленности.
Методы исследования. Для теоретических исследований и синтеза адаптивных систем управления объектами с запаздыванием используется аппарат векторно-матричного представления математического описания системы, метод функций А. М. Ляпунова. Для исследования динамики построенных адаптивно-модальных систем управления объектами с запаздыванием используются численное моделирование в программном пакете MATLAB и экспериментальные исследования.
Научная новизна. Впервые построены адаптивные наблюдатели, осуществляющие прогноз состояния нестационарных технологических объектов с запаздыванием. Впервые осуществлен синтез алгоритмов адаптивно-модального управления для объектов с запаздыванием. Построены адаптивные системы управления различными технологическими объектами с запаздыванием с учетом их специфики. Разработаны обобщенные методики расчета предложенных адаптивных систем управления и наблюдения различными технологическими объектами с запаздыванием. Предложены рациональные структуры адаптивно-модальных регуляторов для объектов с запаздыванием, учитывающие их специфику. Предлагаемые структуры не требуют измерения недостающих переменных состояния.
Практическая ценность. Разработанные обобщенные методики могут использоваться для расчета адаптивных систем управления и наблюдения широким классом технологических объектов с запаздыванием. Разработан ряд рациональных структурных и программных реализаций узлов адаптивных систем управления несколькими технологическими объектами химической промышленности, позволяющих улучшить качество управления такими объектами. В частности, разработана, рассчитана с использованием предлагаемых методик и промоделирована на ЭМ адаптивная система управления типовым объектом химико-технологических систем — двухемкостной гидравлической системой. Основная часть данной работы выполнялась в рамках госбюджетной и инициативной НИР.
Внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы приняты к внедрению на ОАО «Ангарская нефтехимическая компания».
Разработана структурная и программная реализация адаптивно-модального регулятора для типового объекта химической технологии - емкости смешения с паровой рубашкой.
С использованием результатов диссертационной работы осуществлен синтез и расчет параметров адаптивной системы прогноза переменных технологических трубопроводов с нефтепродуктом.
Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе по дисциплинам «Системы автоматизации и управления», «Теория автоматического управления», «Автоматизация технологических процессов и производств».
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы доложены и обсуждены па международных научно-технических конференциях «ММТТ-2000», «ММТТ-14», «ММТТ-15» и «ММТТ-16», проводимых в 2000 - 2003 годах, на пленарных и секционных конференциях профессорско-преподавательского состава Ангарской госу дарственной технической академии «Современные технологии и научно-технический прогресс», проводимых в 1998-2003 годах.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, результаты работы приняты к внедрению на промышленном предприятии химической промышленности - ОАО «Ангарская нефтехимическая компания».
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав с выводами, заключения, списка литературы из 133 наименований и приложений. Работа содержит 157 страниц машинописного текста, 6 таблиц и 39 рисунков на 25 страницах и 20 страниц приложений.
На защиту выносятся следующие основные положения;
1. Типовая структура адаптивной системы управления для широкого класса объектов с запаздыванием, которая может использоваться в различных отраслях химической промышленности.
2. Адаптивные наблюдатели для различных классов объектов с запаздыванием, обеспечивающие адаптивный прогноз недоступных для измерения выходных координат объекта.
3. Адаптивно-модальные регуляторы для объектов с запаздыванием, отличающиеся своей простотой в реализации, расчете и настройке и учитывающие специфику конкретного объекта.
4. Обобщенные методики расчета адаптивных систем управления и наблюдения для различных классов технологических объектов с запаздыванием.
5. Рациональные структуры адаптивно-модальных регуляторов для объектов с запаздыванием, ориентированные на наличие только одной измеряемой координаты объекта и пригодные для использования в различных отраслях химической промышленности.
