Содержание к диссертации
Введение
1. Разработка метода аналитического исследования систем мониторинга водно-химического режима 17
1.1. Организация водных режимов электростанций 17
1.1.1. Описание водно-химического режима 17
1.1.2. Регулирование параметров водно-химического режима 21
1.2. Принципы организации химического контроля водного режима 22
1.3. Содержание принципиальной схемы химического контроля 25
1.4. Определение автоматизированной системы управления водно-химическим режимом 28
1.4.1. Автоматизированное управление на ТЭС 28
1.4.2. Автоматизированное управление ВХР 30
1.4.3. Определение АСУ ВХР 31
1.5. Информационно-управляющие аспекты при проектировании АСУ ВХР 34
1.5.1. Этапы проектирования
1.5.2. Управление 39
1.5.3. Информационное управление 41
1.6. Структура целей АСУ ТП при управлении ВХР 43
1.6.1. Глобальные цели АСУ ТП 43
1.6.2. Закономерность целеобразования 44
1.6.3. Методики целеобразования 46
1.6.4. Методики структуризации целей 48
1.6.5. Методика учета среды и целеполагания 52
1.7. Разработка концепции моделирования процессов управления ВХР 55
1.8. Выводы 58
2. Разработка нечеткой модели для оценки качества питательной воды 60
2.1. Задачи управления технологическими процессами в паровых котлах 60
2.1.1. Барабанный паровой котел 60
2.1.2. Прямоточный паровой котел 62
2.2. Содержательное описание водно-химического режима 64
2.3. Формализация параметров водно-химического режима 69
2.3.1. Параметры водно-химического режима 69
2.3.2. Нечеткие интервальные оценки 73
2.4. Формальная модель системы управления ВХР 79
2.4.1. Задача моделирования 79
2.4.2. Нечеткая модель регрессионного анализа 82
2.5. Планирование эксперимента с нечеткой моделью регрессионного анализа 86
2.6. Выводы 90
3. Идентификация нечетких коэффициентов нечеткой модели регрессионного анализа 92
3.1. Постановка задачи нечеткой идентификации 92
3.2. Метод нечеткой идентификации 97
3.3. Алгоритм решения задачи нечеткой идентификации 100
3.4. Программное приложение для решения задачи идентификации 107
3.5. Выводы 111
4. Оптимизация управления водно-химическим режимом 113
4.1. Формализация задачи нечеткой оптимизации 113
4.1.1. Концепция нечеткой оптимизации 113
4.1.2. Требования к системе принятия оптимальных решений 115
4.1.3. Формулировка задачи нечеткой оптимизации 118
4.2. Определение экстремума функции нечетких переменных 120
4.3. Градиентный метод определения нечеткого экстремума 124
4.3.1. Алгоритм метода 124
4.3.2. Оценка градиента нечеткой функции 130
4.4. Ситуационная модель принятия решений 132
4.5. Выводы 139
Заключение 141
Список источников 144
- Информационно-управляющие аспекты при проектировании АСУ ВХР
- Содержательное описание водно-химического режима
- Программное приложение для решения задачи идентификации
- Определение экстремума функции нечетких переменных
Информационно-управляющие аспекты при проектировании АСУ ВХР
Во втором разделе произведен анализ ВХР для различных типов котлов и сделан вывод, что организация ВХР сходна для различных способов производства электрической энергии и тепла. Управление автономными автоматическими системами регулирования, контроль и общее управление выполняется технологом-оператором и другим обслуживающим персоналом в рамках подсистемы АСУ ТП ВХР. Выполнено содержательное описание ВХР, разработана структурная схема ВХР, определены и формально описаны векторы входных воздействий, конструктивных параметров (вектор состояний) и выходных параметров ВХР. Предложено задание параметров векторов входных воздействий, состояний и выходных параметров ВХР в виде нечетких интервалов. Разработана концептуальная модель системы управления ВХР в виде функции выходов и в виде функции переходов. Разработана нечеткая модель регрессионного анализа, позволяющая определять нечеткие значения компонента вектора состояний ВХР в зависимости от нечетких значений вектора входных параметров. Определены необходимые условия существования нечетких оценок коэффициентов, а также условия нечеткого однозначного определения оценок неизвестных коэффициентов нечеткой модели регрессионного анализа. В третьем разделе диссертационной работы разработан метод идентификации нечетких коэффициентов нечеткой модели регрессионного анализа. Модель, устанавливающая зависимость между нечеткими значениями каждого компонента вектора параметров ВХР и входными параметрами ВХР, содержит неизвестные нечеткие коэффициенты. Метод нечеткой идентификации представляет собой модификацию известных методов теории планирования экспериментов с применением описания параметров модели в виде нечетких интервалов и задания выходных параметров на вербальном уровне. Идентификация нечетких коэффициентов модели производится с применением критерия минимизации отклонений нечетких значений параметра ВХР от его выборочных (измеренных) нечетких значений. Метод нечеткой идентификации предусматривает вербальное описание параметров ВХР и введение а-уровневых нечетких множеств на нечетком множестве параметров состояния ВХР. Это позволило получить систему нечетких описаний ситуаций ВХР в виде набора эталонных ситуаций, каждой из которых может быть соотнесено правило управления, связанное с выбором нечетких значений входных параметров ВХР. В четвертом разделе разработана концепция нечеткой оптимизации, отличающаяся применением методов искусственного интеллекта и направленная на выявление закономерностей управления ВХР. Поставлена задача нечеткой оптимизации, введен критерий оптимальности в виде нечеткой функции, представляющей собой нечеткое расширение четкой функции. Разработан градиентный метод определения нечеткого экстремума. Для нахождения нечеткого экстремума нечетких функций разработан алгоритм исследования гиперповерхности функции посредством проведения изменений и оценок результатов, как нечетких интервалов, в различных точках пространства состояний ВХР. Разработан метод оценки градиента нечеткой функции.
Для решения задачи нечеткой оптимизации ВХР разработана ситуационная модель системы принятия решений (СПР), функциональное назначение которой - логический вывод решения на основе данных анализа текущих значений компонент вектора конструктивных параметров ВХР и выборе значений вектора входных параметров.
Ситуационная модель принятия решений представляет собой модель классификации, которая на основе обработки знаний специалистов отображает соответствие между наборами нечетких переменных, характеризующих состояние ВХР и параметрами управления. Заключение содержит основные результаты работы. В приложении приведены документы, подтверждающие практическую значимость и достоверность результатов, полученных в диссертационной работе.
Результаты работы внедрены на Невинномысской ГРЭС, при выполнении в Таганрогском государственном радиотехническом университете госбюджетной НИР «Разработка и исследование методов аналитического синтеза интеллектуальных систем принятия решений и многокритериального управления в условиях неопределенности на основе современных информационных технологий», а также в учебном процессе.
Научные и практические результаты, полученные в диссертации и изложенные в статьях, монографии, использованы при подготовке и чтении лекций по дисциплине «Компьютерные производственные технологии», «Моделирование систем», «Автоматизированные информационно-управляющие системы», при постановке лабораторных работ на кафедре систем автоматического управления Таганрогского государственного радиотехнического университета.
Экономический эффект от внедрения пятьсот сорок тысяч рублей. Основные результаты докладывались и обсуждались на межрегиональной НТК «Развитие социального партнерства в сфере трудовых отношений» (г. Ставрополь, 2001 г), международной конференции «Новые технологии в управлении, бизнесе и праве» (г. Невинномысск, 2001), второй НПК «Молодежь, наука, реальность» (г. Невинномысск 2002), НПК «Студенческая весна - 2003» (г. Невинномысск, 2003), всероссийской НТК «Информационные технологии в науке, технике, производстве» (г. Нижний Новгород, 2003), всероссийской межвузовской НТК студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2003» (г. Москва, 2003), региональной НТК «Компьютерная техника и технологии». (г.Ставрополь, 2003), НПК «Проблемы востребованности будущих специалистов на рынке труда» (г. Невинномысск, 2003), международной научной конференции «Динамика процессов в природе, обществе и технике: информационные аспекты» (г. Таганрог, 2003), третьей международной конференции «Новые технологии в управлении, бизнесе и праве» (г. Невинномысск, 2003), международной научной конференции «Анализ и синтез как методы научного познания» (г. Таганрог, 2004), седьмой Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления», (г. Таганрог, 2004).
Содержательное описание водно-химического режима
Химический контроль в периоды пуска энергоблоков осуществляется в случайные моменты времени. Обычно, при первом пуске энергоблоков качество питательной воды не соответствует требованиям содержания продуктов коррозии и кислоты. Ставится задача минимизации общего срока пускового периода. Однако, пусковой период может затянуться, что зависит от многих факторов, одним из которых является опыт технологов-операторов. Поэтому существует необходимость в рамках автоматизированной системы управления водно-химическим режимом (АСУ ВХР) разрабатывать и внедрять интеллектуальные системы, позволяющие формализовать и обобщать знания специалистов (технологов-операторов, диспетчеров) [53].
В практике управления водно-химическим режимом существует понятие принципиальной схемы химического контроля [4, 6, 16].
Принципиальная схема химического контроля разрабатывается специалистами и учитывает особенности оборудования, а также условия его эксплуатации. Для эффективной реализации химического контроля принципиальная схема химического контроля должна быть обеспечена необходимыми средствами ведения химического контроля. Содержанием принципиальной схемы химического контроля является совокупность сведений о точках отбора проб, графике отбора, объеме контроля и методах анализа отбираемых проб. Сформулируем следующие принципы создания систем мониторинга и управления химико-технологическими процессами [49, 51, 54]: - использование теплотехнических параметров, влияющих на качество ВХР в принятии решений об управлении водно-химическим режимом; - установка наиболее надежных и простых приборов автоматического химического контроля в наиболее уязвимых местах пароконденсатного тракта; - разработка программных модулей для ввода и вывода из ЭВМ данных диагностического сменного и дневного лабораторного контроля, а также программных модулей поддержки принятия решений технологом-оператором; - внедрение АСУ ВХР, подключенной к необходимых приборам автоматического химического контроля (АХК); - максимально возможное использование имеющегося на ТЭС парка приборов и помещений АХК; - создание тренажеров, предназначенных для оперативного персонала и моделирующих возможные нарушения ВХР, их причины и методы устранения; - проектирование базы данных по конкретной ТЭС, позволяющей определить узкие места ВХР и разработать стратегию их ликвидации с использованием систем автоматического химико-технологического мониторинга (САХТМ). Принципиальная схема химического контроля предоставляет множество S сведений о точках отбора проб К, графике отбора F, объеме контроля V и методах анализа отбираемых проб М. Под объемом контроля V={Viiv2,..., VN] понимают перечень определяемых показателей vl} 1= качества рабочей среды. В объем контроля V включаются все нормируемые показатели. Те показатели, которые не входят в нормы, но наблюдение, за которыми необходимо для уточнения представлений о характере протекания физико-химических процессов и влияния на эти процессы режимных условий, называются контролируемыми. К числу контролируемых показателей относят также показатели, которые не вошли в перечень нормируемых. Они не могут войти в этот перечень, например, потому, что для их не установлены количественные пределы из-за отсутствия методов воздействия на величину этих показателей.
Перечень нормируемых показателей остается неизменным на протяжении всего периода действия норм одного режима и может быть изменен только при пересмотре этих норм. В отличие от нормируемых показателей перечень контролируемых показателей изменяется во времени в соответствии с поставленными задачами получения информации, которая необходима для оперативного решения задач, а также набора статистических данных по управлению водно-химическим режимом.
Точки отбора проб К={кі,кз,...,км} - это места взятия пробы из аппарата или трубопровода с необходимыми приспособлениями для отбора.
График отбора F устанавливает периодичность взятия проб на анализ. График отбора разрабатывается исходя из характера изменения концентрации примесей в контролируемой среде и целевого назначения химического контроля. Если концентрация примесей изменятся быстро и ее повышение представляет собой угрозу нарушений водного режима, то следует перейти к непрерывному контролю. Непрерывный химический контроль осуществляется автоматически. Дня этого применяют приборы-анализаторы.
Например, применяют непрерывный контроль турбинного конденсата, для того чтобы своевременно обнаружить аварийный присос охлаждающей воды, который может наступить в любой момент времени. Брать же несколько раз пробы раствора фосфата натрия, который находится в расходном баке, нет никакой необходимости; достаточно взять пробу однократно, чтобы проверить концентрацию раствора после того, как он приготовлен. График контроля в этом и подобных случаях, очевидно, будет определяться периодичностью приготовления новой порции рабочего раствора.
Программное приложение для решения задачи идентификации
Достижения перечисленных выше целей требует, прежде всего, решения задач, связанных с получением и обработкой различного рода информации, установления всех видов информационных и других видов связей как на предприятии, так и вне предприятия.
Для того чтобы структурировать цели АСУ ТП, вычленить задачи, необходимые для решения, определить структурные единицы предприятия, способные решить найденные задачи, необходимо применить метод структурирования целей.
При проектировании автоматизированных систем одной из основных задач является задача формулирования цели системы [64]. Это достаточно сложная, трудноформализуемая задача, решению которой в методологии системного анализа уделяется особое внимание.
В работах, посвященных разработке методов системного анализа существуют методы, формализующие структуру и функции информационно-управляющих систем исходя из структурирования целей объекта управления, функций подсистемам и элементов объекта управления. Рассмотрим эти методы и поставим задачу модернизации существующих методов структуризации целей АСУ ТП применительно к задачам автоматизированного управления ВХР.
Парадигма открытой системы и закономерности целостности (эммерджентности), иерархической упорядоченности, эквифинальности, сформулированная в работах Л. фон Берталанфи [66, 67], позволили использовать для решения задач управления объектами понятие цели, как побуждение к деятельности. Определены закономерности целеобразования с учетом взаимодействия внешних и внутренних факторов объекта. Это стало основой для разработки методик структуризации целей и функций автоматизированного управления.
Концепции, опирающиеся на активность компонентов объекта, рассматривают целеобразование, организацию процессов коллективного формирования целей, как побуждение к действию, способствующее повышению эффективности деятельности активных элементов. Для должного понимания цели в АСУ ТП ТЭС необходимо сформулировать достаточно полные определения целей и функций объекта управления (технологических процессов, агрегатов, систем управления, лиц принимающих решения), а также и элементов внешней среды. Следует сформировать структуру целей и функций для АСУ ТП.
Полезность структуризации целей состоит также и в том, что руководители предприятия и руководители подразделений получают рекомендации о необходимости усиления внимания к тем или иным видам деятельности, производственным участкам, функциям управления, о целесообразности перераспределения финансовых, материальных, кадровых и иных ресурсов.
Структура целей и выполняемых функций - основа для разработки организационной структуры ТЭС, АСУ ТП ТЭС. Первая методика прогнозов развития, формирование и анализ структур целей - методика ПАТТЕРН [68] (аббревиатура PATTERN - Planning Assistance Through Technical Evaluation from Relevant Number - помощь планированию посредством относительных показателей технической оценки), позволяла выполнять работы по прогнозированию и перспективному планированию на различных предприятиях и на общегосударственном уровне в США. Для понимания процессов формирования целей АСУ ТП ТЭС при исследовании функционирования ТЭС и последующем проектировании АСУ ТП следует знать закономерности процессов и закономерности целеобразования, методики структуризации целей и автоматизированные диалоговые процедуры. Для АСУ ТП всегда можно выделить некоторый предельный уровень целей функционирования, который характеризуется закономерностью эквифинальности. Предельный уровень целей для АСУ ТП связан с целями функционирования ТЭС, связан с системой ценностей общества, формами существования внешней среды и целями личностей, задействованных в процессе функционирования ТЭС и системы управления. При проектировании АСУ ТП необходимо учитывать сложившуюся на данный момент систему ценностей. Необходимо определить локальные и глобальные критерии, задача согласования которых, может быть разрешима только при применении формальных и неформальных моделей, методов активизации интуиции и опыта специалистов. При подобном подходе исследования функционирования ТЭС можно достаточно полно определить цель-идеал, что и будет проявлением закономерности эквифинальности. Дальнейшая детализация цели-идеала осуществляется с применением методики структуризации, анализа вариантов структур целей и выполняемых функций на предприятии. Методики целеобразования. На основе методики ПАТТЕРН была создана система МВО-Прогноз [69] в Министерстве электротехнической промышленности СССР. Дерево целей системы МВО -Прогноз отражало цель развития, основные направления деятельности министерства, области его научных и практических интересов по всем уровням. В методике ПАТТЕРН определены классы критериев оценки относительной важности, взаимной полезности, состояния и сроков разработки, которые используются и в других методик. Эти классы являются основой при определении системы оценок составляющих структур целей. Однако в методике ПАТТЕРН и в других методиках, разработанных на ее основе, не уделяется внимание разработке принципов и приемов структуризации целей. В нашей стране были впервые разработаны принципы и приемы формирования первоначального варианта структуры целей (дерева целей), составляющие которого подлежали оценке и анализу. Ю.И. Черняк предложил принципы формирования дерева целей [57, 70]: - концепцию соответствия двух шкал развития сложных систем пространственной шкалы и временной; - принцип выделения составляющих на верхнем уровне структуры дерева целей для решения новых, неисследованных проблем; - принцип «пирамидки», помогающий понять, что выделяемые ветви дерева целей характеризуют объем области цели; - ряд других приемов и признаков [71], нашедших широкое применение в практике формирования структур целей при разработке отраслевых автоматизированных систем.
Определение экстремума функции нечетких переменных
Основная задача моделирования процессов управления ВХР состоит в поиске моделей, обладающих наибольшей полнотой, адекватностью реальным водно-химическим процессам [75]. При разработке концепции моделировании следует учесть всю совокупность факторов, как самого водно-химического процесса, так и факторов управления технологическим процессом (ВХР). Требования системного подхода к решению задач моделирования ВХР будут удовлетворены только тогда, когда по возможности большее количество факторов, влияющих на состояние и динамику ВХР, будут учтены в модели.
Процессы ВХР нелинейные, нестационарные и обладают последействием. Еще американский ученый Форрестер сделал вывод о необходимости широкого применения нелинейных систем для обеспечения адекватности процессов моделирования с применением аппарата дифференциальных уравнений [76]. Однако моделирование с применением аппарата дифференциальных уравнений процессов ВХР не обеспечивает требования полноты модели и не позволит получить аналитические результаты из-за ограничений возможностей математического аппарата. В лучшем случае можно говорить о прогнозировании устойчивости, поиске закономерностей динамических изменений.
При моделировании процессов ВХР следует выделить отдельно модели химических процессов, которые не являются предметом исследований данной работы. Будем считать, что реакции вводимых химических реагентов дают известные качественные результаты.
Особо при моделировании процессов ВХР выделим процессы принятия решений по управлению ВХР. Данное моделирование требует применения эвристических подходов, основанных на задании параметров процесса с применением экспертных оценок, применения экспертных решений и оценки их последствий с помощью средств искусственного интеллекта. Как показала практика применения подобных подходов в других технических системах [33, 34, 37, 38], это дает хорошие результаты, т.к. позволяет наряду с традиционными математическими подходами применить «объективизацию» субъективных знаний экспертов и тем самым решать трудно формализуемые задачи.
Состояние ВХР будем рассматривать, как комплексную характеристику (интенсиональное состояние), в котором присутствуют зависимости параметров ВХР от множества внешних и внутренних факторов. Состояние ВХР зададим в виде вектора конструктивных параметров B={Bi, В2,...»ВГ}, где Bj, (i=l,2,...,г) компоненты вектора В, которые могут быть как векторными, так скалярными величинами. Компонентами вектора В являются: - концентрация компонент газообразных, твердых и жидких примесей (см. приложение 1), определяемая показаниями приборов анализаторов, кондуктометров, кислородомеров, водородомеров, кремнемеров и др, результатами анализа проб; - состояние оборудования; параметры обслуживающего персонала (количественные и качественные). В качестве компонентов В( компоненты вектора В могут принимать и другие параметры, влияющие на решение задач обеспечения требуемых параметров ВХР. Известно [77] определение математической модели как упрощенного отображения существенных сторон реальной системы, выраженное в математической форме и позволяющее математически описать правило (оператор) преобразования входных X сигналов в выходные Y: Y=W(X), где W - некоторая математическая модель системы. При моделировании процессов ВХР под символом W(.) будут пониматься математические действия (решение функциональных уравнений), а также правила принятия управляющих решений. Оператор W - совокупность математических и логических операций, устанавливающих соответствия между параметрами входных воздействий и выходными параметрами ВХР. Параметры входных воздействий представим вектором входных параметров X—{Хі,Х2).«»Хт}, каждая компонента которого может быть либо векторной, либо скалярной величиной. В качестве компонент вектора X рассматриваются действия технологов-операторов и обслуживающего персонала, а параметрами вектора X являются количественные оценки совершаемых действий. Вектор выходных параметров Y-{Yi,Y2v»Yk} содержит выходные параметры объектов управления ВХР, а также компоненты из вектора конструктивных параметров В, т.к. они также определяют показатели ВХР. Управление ВХР это перевод параметров вектора В из точки B,t фазового пространства, в такую точку фазового пространства, в которой будет с известной степенью гарантировано требуемое состояние параметров ВХР. Разработка правил перевода из одной точки фазового пространства в другую точку - задача управления ВХР, решаемая в значительной степени экспертным путем с применением программных компонент АСУ ТП ТЭС. Моделирование ВХР сводится к поиску правил изменения компонент векторов В и Y, которые задаются в в виде соответствий p=(X,B,F), \1=(Х;3,Ф), где ф - соответствие, определяющее значение вектора В в зависимости от значений вектора X и значений вектора В, F - график соответствия р. Соответствие \/ определяет значение вектора Y в в зависимости от значений вектора X и вектора В, Ф - график соответствия у. Таким образом, концепция моделирования процессов ВХР в целом сводится: - к определению понятий входных воздействий, состояний (вектора конструктивных параметров), выходных параметров, формального их описания, определения аналитических зависимостей их изменения (или табличного задания); - формализации функциональных и информационных связей между компонентами оборудования ВХР, а также службами, технологами-операторами и обслуживающим персоналом; формализации условий функционирования оборудования, обеспечивающего ВХР; - формального задания соответствий (р и \/, идентификации графиков F и Ф, а также выполнения формализации векторов X, В, и Y. Выполнение формализации ВХР позволяет принять решение о структуре подсистемы управления ВХР в структуре АСУ ТП ТЭС.
Похожие диссертации на Разработка моделей и методов исследования технологических процессов в электроэнергетике с применением нечетких оценок параметров
