Алгоритмические и программные средства оценки состояний и параметров в системах управления технологическими процессами прокатки
На основании выполненного анализа структуры технологического процесса прокатки на реверсивных обжимных и балочных прокатных станах, характеризующихся высоким темпом технологического процесса прокатки и повышенными требованиями к точностным характеристикам измерительных и расчетных данных и сформулированной задачи оптимизации режимов управления этими объектами обоснована целесообразность… Читать ещё >
Алгоритмические и программные средства оценки состояний и параметров в системах управления технологическими процессами прокатки (реферат, курсовая, диплом, контрольная)
Содержание
- 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ЗАДАЧИ. ФОРМУЛИРОВАНИЕ ТРЕБОВАНИЙ К
- АЛГОРИТМИЧЕСКОМУ И СПЕЦИАЛЬНОМУ ПРОГРАММНОМУ ОБЕСПЕЧЕНИЮ ИНФОРМАЦИОННЫХ ПОДСИСТЕМ И ПОДСИСТЕМ ИДЕНТИФИКАЦИИ В
- АСУТП ПРОКАТНОГО ПРОИЗВОДСТВА
- 1. 1. Исследование обобщенной структуры технологического процесса прокатки и задача оптимального управления реверсивным обжимным прокатным станом
- 1. 2. Анализ состояния задачи, классификация и выбор методов оценки состояний и параметров работоспособных в реальном масштабе времени в системах управления прокатного производства
- 1. 3. Постановка задачи
- 2. ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМИЧЕСКИХ И ПРОГРАММНЫХ МОДУЛЕЙ ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЙ
- 2. 1. Анализ вычислительных свойств алгоритмов рекуррентной оценки сигналов выполненных на основе фильтра Калмана-Бьюси
- 2. 2. Некоторые условия сходимости линейной оптимальной оценки состояний и субоптимальные процедуры фильтрации
- 2. 3. Алгоритмы субоптимальной фильтрации для скалярных систем
- 2. 4. Исследование свойств сходимости для упрощенных алгоритмов оценивания
- 2. 5. Результаты моделирования, эффективность и программная реализация алгоритмов фильтрации
- 2. 6. Выводы
- 3. ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМИЧЕСКИХ И ПРОГРАММНЫХ СРЕДСТВ ИДЕНТИФИКАЦИИ
- 3. 1. Структура и функциональные особенности организации подсистемы программ идентификации в АСУТП прокатного производства
- 3. 2. Организация и основные характеристики пакета программ стратегической идентификации
- 3. 3. Алгоритмические особенности организации вычислительного процесса в некоторых задачах стратегической идентификации
- 3. 4. Алгоритмические особенности реализации процесса вычислений в модулях оперативной идентификации
- 3. 5. Программная реализация и сравнительная эффективность модулей идентификации
- 3. 6. Выводы
- 4. ПРИМЕНЕНИЕ ПРОГРАММНЫХ СРЕДСТВ И МОДУЛЕЙ ИДЕНТИФИКАЦИИ В
- АСУТП ОБЖИМНЫХ И БАЛОЧНЫХ ПРОКАТНЫХ СТАНОВ
- 4. 1. Подсистема прикладных программ идентификации характеристик сигналов объекта и параметров моделей процессов по данным, полученным в ходе промышленного эксперимента
- 4. 2. Некоторые алгоритмические особенности организации сбора и обработки информации в подсистеме программ идентификации
- 4. 3. Результаты исследований некоторых информационных сигналов АСУТП процессами прокатки с помощью программных средств ПСП ИХПМ
- 4. 4. Результаты исследований алгоритмов измерения длины балочной заготовки
- 4. 5. Исследование локальных адаптивных моделей энергосиловых параметров процесса прокатки
- 4. 6. Выводы
Основными направлениями экономического и социального развития СССР на 1981;1985 годы и на период до 1990 года" предусматривается дальнейший экономический прогресс общества, глубокие качественные сдвиги в материально-технической базе на основе ускорения научно-технического прогресса, интенсификации общественного производства, повышения его эффективности.
В том числе в черной металлургии производство фасонных и высокоточных профилей проката должно быть увеличено в 1,5−2,5 раза СI].
В этой связи особо важное значение приобретает разработка и внедрение высокоэффективных автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП) на вновь строящихся и реконструируемых объектах, в том числе на реверсивных обжимных и балочных прокатных станах (РБС).
Особое расположение обжимных станов — в начале всего прокатного производства — выдвигает на первый план задачу обеспечения максимальной их производительности за счет оптимизации загрузки оборудования, сокращения простоев и снижения отходов металла. Не менее важно обеспечить заданное качество проката. Получение высококачественных заготовок на обжимных станах (отсутствие наружных и внутренних дефектов, точное соблюдение геометрических размеров проката и др.) позволяет на. последующих переделах избежать многих дорогостоящих операций по зачистке, вырубке металла, существенно снизить отходы металла, а также обеспечить рациональный раскрой [2]. Поэтому применение новых высокоэффективных технологий, позволяющих сократить число переделов до получения готового продукта, требует значительного увеличения точности полупродукта, выпускаемого обжимными и заготовочными станами [2], что в свою очередь является ключевым местом для получения высокоточного проката на балочных станах и в частности на универсальном балочном стане Нижнетагильского металлургического комбината (УБС НТМК).
Автоматизированный комплекс по прокатке широкополочных балок с мощным блюмингом 1500 и полунепрерывным универсальным балочным станом является примером тому, как большой народнохозяйственный эффект, требуемое качество, широкий сортамент проката и производительность указанных станов стало возможным обеспечить лишь при функционировании АСУТП [3,4]. Особенно весом вклад АСУТП в управление такими технологическими процессами, как прокатка в универсальных клетях УБС со скоростью 10,5 м/с при заданной точности позиционного управления +0,05 мм, осуществляемая по жестким или корректируемым программам прокаткирациональный раскрой проката и оптимизация процесса нагрева металла [ 3].
Эффективность функционирования АСУТП с УВМ в значительной степени определяется возможностями и характеристиками общего и функционального (специального) программного обеспечения (ПО), стоимость которого проявляет тенденцию к непрерывному росту. Так по данным, приведенным в [5−10], затраты на разработку систем общего и специального программного обеспечения возросли в настоящий момент до 80 $ от общей стоимости самой АСУТП.
Причем в динамике затрат на разработку общего и специального программного обеспечения (СПО) наблюдается устойчивый рост затрат на создание СП0 [5,8, II] .
В связи с увеличением затрат на проектирование и разработку алгоритмического и программного обеспечения АСУТП, а также существенным увеличением числа разрабатываемых АСУТП, количество которых в XI пятилетке возрастет более чем в два раза, особую актуальность приобретают вопросы исследования и разработки широкого набора типовых алгоритмических и программных модулей и средств обеспечения эффективного выполнения основных функций АСУТП [5,8, 12,13], позволяющих уменьшить время проектирования и разработки алгоритмического и функционального программного обеспечения, наиболее полно использовать возможности технических средств АСУТП.
Обсуждаемые выше вопросы актуальны для большинства АСУТП металлургической промышленности, создаваемых на базе программируемых устройств автоматики и тем более для АСУТП прокатного производства, включая АСУТП РБС, где можно выявить достаточно общий круг задач, которые значительным, а порой и определяющим образом влияют на эффективность функционирования данной АСУТП и вполне поддаются выделению в самостоятельные программные, алгоритмические модули и подсистемы. К таким задачам прежде всего относятся задачи реализующие информационные и близкие к ним функции АСУТП, т. е. измерения и первичной обработки текущей или экспериментальной информациипостроения математических моделей технологических процессов и регулируемых параметров с целью оптимизации процессов управления как в реальном, так и в фоновом режиме функционирования данной АСУТП — контроля за недопустимым изменением технологических параметровобобщенной оценки и прогноза состояний автоматизированного технологического комплекса (АТК) и его оборудованияформирования и выдачи данных оперативному персоналу АСУТП или АТК и некоторые другие.
Причем наличие широкого набора типовых алгоритмических, программных модулей и подсистем на основе достаточно развитой методологии проектирования ПО АСУШ [14−19,21,22], совместно с средствами автоматизированного проектирования СПО [I9−22J, позволит не менее чем в три раза сократить сроки и стоимость разработки таких систем [12].
Однако в настоящее время, несмотря на достаточно высокий уровень развития общего программного обеспечения систем с УВМ типов АСВТ-М и ОМ ЭВМ [9,10,23], современных теоретических и прикладных проблем управления [24−44], уровень функционального программного обеспечения и его алгоритмической части в смысле существования проблемно-ориентированных на решение указанных выше задач АСУТП типовых наборов программных и алгоритмических модулей, их унификации и применимости в тех или иных условиях АСУШ одного класса и тем более в АСУТП различных классов оставляет желать лучшего.
Кроме того, при применении ряда известных математических методов обработки информации и идентификации [29−33, 37,38,42−46] в системах реального времени (СЕВ), в частности в АСУТП РБС, как правило возникает ряд трудностей тесно связанных с решением вопросов теоретической и алгоритмической проработки вариантов реализации этих методов [25,26,34,43], выявлением возможностей их программной или аппаратной реализации [18−20,46] и, как правило, с выполнением значительного объема отладочных работ, что зачастую сдерживает построение высокоэффективных систем прямого цифрового управления электроприводами основного прокатного оборудования, оптимизирующего управления режимами обжатий, скоростными режимами, синхронизацией скоростей и др. для рассматриваемого класса объектов.
Приведенное выше тесно связано со специфическими для каждого объекта условиями получения информации, особенностями имеющихся средств измерительной и вычислительной техники, уровнем развития ее программного обеспечения, и конечно с целевыми функциями возлагаемыми на данную АСУТП.
Объектом исследования дирсертационной работы является алгоритмическое и специальное программное обеспечение информационных подсистем современных АСУТП с УВМ прокатного производства, в том числе АСУТП реверсивных обжимных и балочных прокатных станов, характеризующихся высоким темпом протекания технологического процесса и повышенными требованиями к точностным и надежностным показателям.
Целью работы является исследование и разработка комплексов эффективных алгоритмических и программных средств обработки информации и идентификации, работоспособных в системах с ограниченными временными и пространственными ресурсами, позволяющих уменьшить время создания алгоритмического и специального программного обеспечения информационной части АСУТП, включая подсистемы идентификации и управления в АСУТП прокатного производства.
Новыми научными результатами и основными положениями, выносимыми на защиту, являются: а/ обсуждаемый, с единых позиций подход к рассмотрению проблем обработки информации и идентификации в АСУТП прокатного производства на основе математических методов теории оптимального оценивания, который может быть использован на всех этапах проектирования алгоритмического и специального программного обеспечения АСУТП для: построения подсистем сбора и обработки информации, построения подсистем идентификации характеристик сигналов и параметров моделей процессов работоспособных в реальном масштабе времени (РМВ), построения подсистем контроля за измерительными или получаемыми косвенным путем технологическими параметрами процесса прокатки, разработки цифровых контуров управления АСУТП с адаптивным идентификатором в цепи обратной связи, построения подсистем обработки данных научно-технического эксперимента работоспособных в реальном масштабе времени функционирования объекта с целью совершенствования как технологического процесса, так и процессов управления, автоматизации процесса создания специального программного обеспечения, путем его компоновки из предлагаемых наборов программных модулейб/ методика построения последовательности коэффициентов в. усиления алгоритмах оценки состояний с оптимальными и субоптимальными свойствами сходимости, позволяющая уменьшить время реализации полученных алгоритмов за счет построения последовательности коэффициентов усиления фильтра в явном видев/ методы и теоремы выбора «упрощенной» последовательности коэффициентов усиления фильтра, обеспечивающие несмещенность и асимптотическую среднеквадратическую оптимальность оценок при их минимальной вычислительной сложностиг/ алгоритм сглаживания измерительных данных, обобщающий процедуру текущего среднегод/ алгоритмы рекуррентной оптимальной оценки параметров типа метода апостериорной вероятности и наименьших квадратов с улучшеной вычислительной эффективностью, определяемой примерно в 1,5 п операций умножения в вещественных числах, где Празмерность задачи идентификации, что позволяет применять разработанные программные модули получения этих оценок в адаптивных системах управления с ограниченными временными, пространственными и вычислительными ресурсамие/ алгоритмическое и программное обеспечение подсистемы программ идентификации характеристик сигналов и параметров моделей, позволяющей в реальном времени функционирования объекта управления или в ходе промышленного эксперимента производить начальную настройку контуров управления, изучать характеристики измерительных каналов и сигналов от датчиков объекта, а также выявлять математические взаимосвязи между отдельными параметрами объектаж/ алгоритмическое и программное обеспечение библиотеки программных модулей рекуррентной оценки состояний и параметров систем в АСУ работоспособных в реальном масштабе времениз/ разработка и исследование локальных адаптивных математических моделей давления на горизонтальные и вертикальные валки главной универсальной клети балочного прокатного стана, а также разработка локальных моделей давления для калибров клети блюминга 1500 НТМК.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка использованных источников и приложений.
Основные результаты, полученные в диссертационной работе, заключаются в следующем:
1. На основании выполненного анализа структуры технологического процесса прокатки на реверсивных обжимных и балочных прокатных станах, характеризующихся высоким темпом технологического процесса прокатки и повышенными требованиями к точностным характеристикам измерительных и расчетных данных и сформулированной задачи оптимизации режимов управления этими объектами обоснована целесообразность разработки и включения в состав математического обеспечения АСУТП прокатного производства алгоритмических и программных средств (подсистем, модулей и библиотек) стратегической и оперативной оценки состояний и параметров, обеспечивающих повышение эффективности разработки и синтеза алгоритмического и программного обеспечения АСУТП процессами прокатки на базе УВМ с ограниченными временными и пространственными ресурсами.
2. Разработаны структура, функции, алгоритмическое и программное обеспечение подсистемы программ идентификации характеристик сигналов и параметров моделей (ПСП ИХП), ориентированной на применение в АСУТП современных обжимных и балочных прокатных станов, выполненных на базе УВМ типов АСВТ-М и СМ ЭВМ.
Подсистема идентификации включает уровни стратегической идентификации, оперативной идентификации, сбора и обработки информации, и реализуется с помощью трех достаточно унифицированных для АСУТП с УВМ указанных типов пакетов прикладных программ простой или сложной структуры.
3. Для выполнения функций уровня стратегической идентификации в составе ПСП ИХП разработан пакет прикладных программ стратегической идентификации, реализующий задачи исследования статистических свойств информационных сигналов, а также задачи исследования и оценки коэффициентов моделей управления регрессионными методами. Данный пакет обеспечивает изучение и выбор структуры и параметров математической модели управления из имеющейся совокупности до десяти структур моделей линейного и условнолиней-ного вида в процессе ввода АСУТП в эксплуатацию или во время проведения промышленных экспериментов непосредственно на объекте.
4. Для реализации функций уровня оперативной идентификации разработано алгоритмическое и программное обеспечение пакета прикладных программ простой структуры — библиотеки модулей реку-рентной оценки параметров моделей в АСУТП с улучшенной вычислительной эффективностью для процедур оптимального оценивания. Причем вычислительная сложность «ускоренных» рекуррентных методов идентификации типа апостериорной вероятности или метода наименьших квадратов не превосходит 1,5 м² умножений выполняемых в вещественных числах, где п — размер задачи идентификации. Последнее позволяет применять предлагаемые модули оперативной идентификации в АСУТП прокатного производства непосредственно в расчетной части контура прямого цифрового управления процессами прокатки.
5. Для реализации функций уровня сбора и обработки информации разработано алгоритмическое и программное обеспечение библиотеки модулей оценки состояний с оптимальными, субоптимальными и экспоненциальными свойствами в скорости сходимости оценок по ним. Указанные наборы модулей ориентированы на решение задач фильтрации, экстраполяции и сглаживания наиболее распространенных форм аналоговых сигналов от датчиков АСУТП.
6. Для алгоритмов линейной рекуррентной фильтрации разработана методика синтеза процедур оценивания с оптимальными и субоптимальными последовательностями коэффициентов усиления. При этом последовательности коэффициентов усиления фильтров определяются в явном виде в зависимости от номера шага оценивания, что обеспечивает уменьшение вычислительной сложности соответствующих алгоритмов и подпрограмм фильтрации.
7. Результаты исследований свойств сходимости «упрощенных» алгоритмов линейной фильтрации типа стохастической аппроксимации сформулированы в виде трех теорем, в которых показана несмещенность и среднеквадратическая сходимость оценок получаемых с помощью указанных, минимальных с точки зрения вычислений, процедур.
8. Как следствие из теорем получен и исследован достаточно простой алгоритм обобщающий процедуру текущего среднего на случай степенной модели (формы) сигнала.
9. С помощью разработанного автором математического обеспечения ПСП ИХП в промышленных условиях исследованы основные свойства помех, сопутствующих процессу измерений сигналов в каналах АСУТП с УВМ процессами прокатки балочной заготовки, изучен ряд алгоритмов и условий измерения длины балки, а также выбрана структура, изучена сходимость и динамика оперативных оценок коэффициентов локальных математических моделей усилий в клетях блюминга и универсального балочного стана, являющихся основой для построения расчетной части контуров оптимизации технологических режимов процесса реверсивной прокатки в адаптивной АСУТП.
10. Показано, что предельная для данных условий прокатки точность вычисления длины балки примерно в 0,4 $ для легких профилей и -1,5 $ для тяжелых профилей проката вызвана разбросом текущих значений языков заготовки от их средних величин определяемых данным типоразмером. Установлено, что для достижения указанной точности в определении длины балочной заготовки основополагающим является не только своевременное и надежное определение захвата и выброса металла из валков, а и периодическое, в каждом текущем пропуске, уточнение цены деления датчика импульсов с учетом начальной (предыдущей) ее оценки, полученной по данным прокатки предыдущей заготовки.
11. Установлено, что в виде локальных адаптивных математических моделей усилий на горизонтальные и вертикальные валки главной универсальной клети балочного стана, а также для локальных моделей усилий в калибрах клети блюминга могут быть использованы зависимости представляющие собой линейную часть разложения в окрестности рабочей области устойчивой прокатки данного профилеразмера основного выражения для давления металла на валки записанного в относительных единицах через данные тестового или предыдущего пропуска процесса реверсивной прокатки.
Показано, что практически необходимую скорость сходимости (2−4 шага вычислений) оценок поэффициентов локальных математических моделей усилий при их настройке или коррекции возможно обеспечить применением рекуррентных оптимальных методов средне-квадратического оценивания используемых непосредственно в контуре адаптивного идентификатора. При этом предлагаемые алгоритмы и программы «ускоренных» вычислений по ним удовлетворяют пространственным и временным ограничениям характерным для рассматриваемого класса систем и объектов управления.
12. Разработанные алгоритмическое и программное обеспечение в виде подсистемы программ идентификации характеристик сигналов и параметров моделей, библиотек программных модулей статистической обработки данных и оперативных методов оценивания, внедрено в составе информационно-управляющей системы универсальной группой клетей балочного стана Нижнетагильского меткомбинатавошло в виде библиотек и отдельных модулей в состав специального программного обеспечения АСУТП с Ш М-7000 Лукомокой ГРЭС и Киевской теплоэлектроцентрали $ 5- вошло в состав «Библиотек программных модулей сбора и обработки мнформации, моделирования и управления в АСУТП черной металлургии», представляет основное содержание «Пакета прикладных программ и алгоритмов обнаружения, оценки параметров и состояний в АСУ» и «Библиотеки программ и алгоритмов рекуррентной оценки параметров систем в АСУ, подпрограммы матричной алгебры», переданных в отраслевой фонд программ и алгоритмов МИНПРИБОРа ПКБ АСУ и ГосФАЛ.
Результаты работ также использованы при проектировании нескольких АСУТП процессами прокатки в черной и цветной металлургии.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
Список литературы
- МАТЕРИАЛЫ ХШ съезда КПСС, М., Политиздат, 1981. 223 с.
- АВТОМАТИЗАЦИЯ технологических процессов в прокатном производстве. Под ред.Б.Б.ТИМОФЕЕВА и В.И.ПОПЕЛЬНУХА. М., Металлургия, 1979. 176 с. с ил.
- ТИМОФЕЕВ Б .Б., ПОПЕЛЬНУХ В.И., ПАРШИН В.А. и др. АСУ ТП в сортопрокатном производстве. Доклад на У1 Международной конференции стран СЭВ и СФРЮ по автоматизации в черной металлургии, №-ШГОРМАТГК, Будапешт, 1979.
- ЦЕХ по производству широкополочных двутавровых балок с универсальным балочным станом. М., ЦНИИТЭИ ЧМ, 1978.
- АРХАНГЕЛЬСКИЙ В. И. Зарубежный опыт по созданию и промышленному применению АСУ ТП прокатки. Сб. «АСУ технологическими процессами в прокатном производстве», под ред.Б. Б. Тимофеева и В. И. Архангельского. Киев, Техника, 1975, с.7−13 с ил.
- АРХАНГЕЛЬСКИЙ В. И. Опыт создания и применения АСУ ТП в прокатном производстве, Киев, УКРНИИТИ, 1976.
- АРХАНГЕЛЬСКИЙ В. И. Тенденции развития АСУ ТП прокатки за рубежом. Сб. «Автоматизация станов горячей прокатки», под ред. Б. Б. Тимофеева и В. И. Архангельского. Киев, Киевский институт автоматики им. ХХУ съезда КПСС, 1980, с.10−18.
- ТРАХТЕНГЕРЦ Э. А. Программное обеспечение автоматизированных систем управления, М., Статистика, 1974, 288 с,
- ЛИПАЕВ В.В., КОЛИН К.К., СЕРЕБРОВСКИЙ Л. А. Математическое обеспечение управляющих ЦВМ. М., Советское радио, 1972.
- ГУРОВА Л.И., САХАРОВ С. С. Прикладные программы. М., Статистика, 1980. 180 с. с ил.
- ГИЛЕВ Ю.М., ЛЕРНЕР А.Б., МОГИЛЕВСКИЙ С.М., СТОЛЯРЧУК Л. А. Технология индустриального производства программного обеспечения. «Управляющие системы и машины 11, 1983, № 4с.65−70 с ил.
- Автоматизированные системы управления технологическими процессами. Справочник под ред. Б.Б.ТИМОФЕЕВА. Киев, «Техника», 1983. 351 с. с ил.
- СКУРИХИН В.И., ДУБРОВСКИЙ В.В., ШИФРИН В.Б.
- АСУ ТП. Предпроектная разработка алгоритмов управления. Киев, «Наук.думка», 1980. 295 с. с ил. 16. СБИТНЕВ А.И., ВОЛКОВ Ю.Д.
- Методологические основы проектирования математического обеспечения АСУ ТП. Сб. «Программное обеспечение управляющих ЭВМ Киев, Киевский институт автоматики имени ХХУ съезда КПСС, 1980, с.19−27 с ил.
- СШТНЕВ А. И. Структурная орг-анизация и проектирование программного обеспечения АСУ ТП. «Управляющие машины и системы», JE 5, 1982, с. 38−42.
- ТИМОФЕЕВ Б.Б., АРТЕМЮК Б.Т., УШАКОВ В. А. Синтез управляющих алгоритмов АСУ ТП на основе модульной организации. «Управляющие системы и машины», 1981, № 3, с.36−40.
- ЗАЙЦЕВ В.Г., ЕГИЗАРЯН В. Т. Способ автоматизированного проектирования программного обеспечения АСУ ТП. «Управляющие системы и машины», 1979, № 6, с.35−40.
- ЗАЙЦЕВ В.Г., ЕГИЗАРЯН В. Т. Оперативное редактирование программ при автоматизированном проектировании программного обеспечения АСУ Ш. «Управляющие системы и машины», 1981, № 3, с.41−43.
- АЙЗЕНБЕРГ А.Б., ВИНОКУРОВ В.Г., КОСТЕЛЯНСКИЙ В.М. и др. Аг-регативная система программного обеспечения М 7000 АСВТ-М. «Управляющие системы и машины», 1976, № 6, с.93−98.2427