Введение к работе
Актуальность работы. Характерными особенностями каталитического синтеза аммиака как объекта управления являются многомерность, внутренняя нелинейная взаимосвязь между параметрами, наличие значительного числа возмущений и нестационарное поведение, обусловленное изменением активности катализатора с течением времени.
В существующих системах управления перечисленные особенности рассматриваемого процесса учитываются частично. В условиях нестационарности динамических характеристик объекта возникает задача адаптации системы управления, одним из этапов которой является текущая идентификация каналов объекта. Для многосвязных объектов, где измеряемые выходы зависят от нескольких нестационарных каналов, проведение текущей идентификации является достаточно сложной и не решенной в полном объеме задачей. Создание эффективной системы управления возможно путем комплексного учета особенностей и свойств объекта управления на базе средств цифровой вычислительной техники, основы расчета и проектирования которых заложены в работах отечественных и зарубежных ученых Я. 3. Цыпкина, Р. Изермана, Б. Куо, Б. Виттен-марка и др.
В связи с этим разработка цифровой системы управления процессом синтеза аммиака является актуальной задачей и имеет важное прикладное значение.
Диссертационная работа выполнена на кафедре информационных и управляющих систем ГОУ ВПО ВГТА в соответствии с планом госбюджетных научно-исследовательских работ по теме «Разработка и совершенствование математических моделей, алгоритмов регулирования, средств и систем автоматического управления технологическими процессами» (№ г.р. 01.9.60 007315).
Цель работы. Синтез и моделирование многосвязной цифровой системы управления нестационарным процессом получения аммиака при наличии внешних возмущений, обеспечивающей достижение максимума выхода целевого продукта реакции.
Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи:
Разработка линейной дискретной динамической модели процесса получения аммиака как многомерного объекта управления;
Синтез управляющей части цифровой многосвязной системы управления с учетом несимметричной взаимосвязи параметров процесса и влияния внешних возмущений на температуру в каждом слое катализатора;
Определение оптимальной температуры реакции синтеза, обеспечивающей максимум выхода аммиака при различных нагрузках на реактор;
Исследование зависимости температуры в слоях катализатора от степени открытия заслонок на байпасных потоках и разработка алгоритмов функционирования автономно-инвариантной системы управления с учетом нелинейности;
Синтез адаптивной системы управления на основе разработки алгоритма текущей параметрической идентификации многосвязного несимметричного объекта управления в условиях функционирования замкнутой системы.
Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе использованы методы теории автоматического управления аналоговых и цифровых систем, линейных многосвязных систем управления, математического моделирования, структурного синтеза, идентификации и нелинейного программирования. Общей методологической основой является системный подход.
Научная новизна
Разработана дискретная динамическая модель многосвязного процесса получения аммиака, учитывающая наличие перекрестных связей в объекте и влияние внешних возмущающих воздействий;
Получены зависимости для компенсаторов перекрестных связей и возмущений на основе принципов автономно-инвариантного управления с учетом несимметричной топологии связей объекта и проведен синтез связно-комбинированной цифровой системы управления (СКЦСУ);
Предложен алгоритм расчета температуры в реакторе обеспечивающей максимум выхода целевого продукта при различных режимах работы;
Предложен алгоритм функционирования СКЦСУ с учетом нелинейной зависимости температуры в слоях катализатора от степени открытия заслонок на байпасных потоках;
Получены аналитические зависимости взаимосвязи параметров моделей замкнутой системы, многомерного объекта и регуляторов, учитывающих различные структуры дискретного описания, на основе чего разработан алгоритм текущей параметрической идентификации основных и перекрестных каналов объекта управления в условиях функционирования адаптивной замкнутой системы.
Практическая значимость работы состоит в повышении качества управления процессом получения аммиака за счет использования разработанных моделей, алгоритмов и программных комплексов. Основные теоретические результаты диссертационной работы распространяются на класс несимметричных многосвязных объектов, размерность которых не превышает рассмотренного в работе объекта.
Результаты работы экспериментально проверены на четырехполочном реакторе синтеза аммиака аксиального типа на предприятии ОАО "Минудобре-ния" г. Россошь.
Комплексы алгоритмов и программ можно рекомендовать проектным организациям для разработки оптимальных замкнутых многосвязных систем управления технологическими процессами и использования в действующих системах управления объектами в пищевой и химической промышленности.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на I Российской мультиконференции по проблемам управления (С.-Петербург, 2006 г.), Ш Научно-технической конференции «Мехатроника, автоматизация, управление» (г. С.-Петербург, 2006 г.), международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях-ММТТ-19,20,21» (г. Воронеж, 2006 г., г. Ярославль, 2007 г., г. Саратов, 2008 г.), международной научной конференции «Мехатроника, автоматизация, управление», (г. Геленжик 2007 г.), П международной научной конференции «Современные проблемы прикладной математики и математического моделирования» (г. Воронеж, 2007 г.), а также на научных конференциях профессорско-преподавательского состава и научных работников ВГТА, в 2006-2009 годах.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 19 печатных работ, из них 2 статьи в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ и 1 патент РФ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы и приложений. Материал изложен на 160 страницах, содержит 47 рисунков и 24 таблицы. Библиография включает 177 наименований.
