Синтез многосвязной системы управления процессом электролиза алюминия методом структурных графов

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

1.1. Актуальность работы.

Россия устойчиво занимает второе место в мире по производству первичного алюминия. Так, при общем объеме мирового производства в 1996 г. 20 844 тыс. тонн на долю России приходится 2871 тыс. тонн, или 13,8% [52].

Уровни загрузки мощностей российских алюминиевых заводов превышают аналогичные мировые показатели на 5 — 7%.

Обращает на себя внимание то обстоятельство, что из 11 отечественных производителей два (Братский и Красноярский алюминиевые заводы) являются крупнейшими в мире, обладая мощностями в 814 и 786 тыс. тонн соответственно.

На фоне всеобщего спада производства в России нельзя не отметить стабильные объемы производства первичного алюминия и даже некоторый их рост, за исключением 1994 — 1995 годов — периода действия так называемого Брюссельского (1994 г.) меморандума о взаимопонимании, в соответствии с которым крупные страны-производители алюминия в целях подъема мирового рынка алюминия, во избежания обвального падения цен и разрушения экономики согласились ввести ограничение действующих мощностей по производству алюминия. В этот период Россия, как и другие ведущие страны-производители алюминия, временно снизила свои производственные мощности. Так, в пиковый период действия меморандума (июнь 1994 г.) мощности были сокращены на 282 тыс. тонн, в декабре 1994 г. — на 204 тыс. тонн [52].

Производство алюминия в России в 1996 г. увеличено по отношению к 1995 г. на 3%.

Российскую алюминиевую промышленность характеризует высокая 5 конкурентоспособность, тесная интеграция в мировой рынок и экспортная направленность.

В 1993 г. Россия вышла на первое место в мире по экспорту первичного алюминия и к 1996 г. ушла вперед, поставляя 2455 тыс. тонн алюминия (против 1841 тыс. тонн у Канады и 1129 тыс. тонн у Австралии, занимающие второе и третье места соответственно).

В настоящее время в СНГ 20% алюминия выпускается на электролизерах с боковым подводом тока, 60% - на электролизерах с верхним подводом тока и только 20% - на современных ваннах с обожженными анодами на силу тока 160, 175 и 255 кА.

Проблемы по защите окружающей природной среды, улучшению условий труда, повышению технико-экономических показателей работы определяют необходимость модернизации и реконструкции основной части алюминиевых заводов России.

Как показывает мировой опыт и отечественная практика наибольший эффект достигается при коренной реконструкции серий электролиза, заключающейся в переходе на технологию предварительно обожженных анодов. Однако такая реконструкция по удельным, капитальным затратам приближается к уровню капитальных вложений на новое строительство.

В связи с этим широко используется способ, заключающийся в модернизации действующей технологии путем усовершенствования отдельных узлов электролизеров и компонентов ошиновки, применения эффективных АСУ ТП, «сухой» анодной массы и газоочистных систем «сухого типа». Это направление реконструкции электролизных серий требует капитальных затрат в 2−3 раза меньше первого.

Электролиз алюминия относится к категории вредных производств.

Данному технологическому процессу присущи следующие опасные и вредные производственные факторы: 6.

— вредные вещества;

— тепловое излучение;

— электрический ток;

— электромагнитные поля;

— шум и вибрация;

— перемещаемые грузы и изделия;

— движущиеся машины и механизмы.

Задача автоматизации заключается в том, что необходимо минимизировать человеческий фактор в процессе регулирования и управления процессом электролиза. Это обусловлено необходимостью длительного постоянного контроля за технологическими параметрами. Применение АСУ ТП должно снизить себестоимость продукции за счет уменьшения отчислений в фонд зарплаты и снижения затрат на производство — расход сырья, электроэнергии и др.

Другая сторона внедрения автоматики — уменьшение времени работы персонала во вредных условиях производства, таких как воздействие паров фтора, высоких температур.

Настоящая диссертационная работа посвящена решению актуальной проблемы оптимального управления объектом — электролизером при условии поступления оперативной информации о выходных показателях процесса электролиза. Критерием оптимальности служит максимум выхода по току при ограничениях на управление.

1.2. Цель диссертационной работы.

Синтез многосвязной системы управления (СУ), обеспечивающей оптимальное управление электролизером по выбранному критерию оптимальности — максимум выхода по току, при ограничениях на управление. 7.

1.3. Основные задачи работы.

К основным задачам диссертационной работы относятся:

— исследование процесса электролиза алюминия как объекта управления;

— разработка топологической модели объекта управления электролизера;

— обоснование выбора закона управления;

— разработка математической модели электролизера в стационарном режиме;

— разработка алгоритма оптимального управления электролизером по выбранному критерию оптимальности — максимум выхода по току.

1.4. Методы исследования.

В процессе синтеза многосвязной системы управления процессом электролиза алюминием использовались методы теории систем многосвязного управления, методы теории графов, методы статистического моделирования и первичной обработки данных, матричного исчисления, топологии, симплексный метод.

Результаты работы получены с помощью программного пакета MATLAB 5.2 и специализированного программного средства для оптимизации линейных и нелинейных функций — Optimization Toolbox.

1.5. Научная новизна и вклад в разработку проблемы.

Научная новизна работы заключается в следующем:

— процесс электролиза алюминия предлагается рассматривать как многосвязный объект управления;

— разработана формализованная методика синтеза многосвязной системы 8 управления процессом электролиза алюминия;

— предложен метод аналитического синтеза алгоритма управления процессом электролиза алюминия;

— предложен способ формирования аналитической модели электролизера непосредственно по топологической модели процесса электролиза;

— обоснован выбор закона управления процессом электролиза;

— разработана математическая модель электролизера в стационарном режиме;

— разработан алгоритм оптимального управления электролизером по выбранному критерию оптимальности — максимум выхода по току.

1.6. Положения, выносимые на защиту.

На защиту выносятся следующие положения:

— постановка задачи синтеза системы управления процессом электролиза алюминия;

— методика синтеза многосвязной системы управления процессом электролиза алюминия;

— результаты исследования электролизера как многосвязного объекта управления;

— метод синтеза алгоритма управления процессом электролиза алюминия;

— метод реализации алгоритма оптимального управления электролизером по выбранному критерию оптимальности — максимум выхода по току.

1.7. Практическая ценность.

Исследования автора выполнялись в рамках госбюджетной тематики «Топологические методы идентификации и синтеза систем управления 9 многосвязными объектами» (код ГАСНТИ 10В02), выполняемой в Братском государственном техническом университете по направлению «Теория, методы и средства автоматизации систем переработки информации и управления».

Результаты диссертационной работы позволили оценить возможность организации оптимального управления процессом электролиза алюминия по выбранному критерию оптимальности — максимум выхода по току, с дальнейшей реализацией алгоритма управления на АСУ ТП внедряемых на БрАЗе.

Настоящие исследования служат основой для дальнейшего развития многосвязной системы управления процессом электролиза алюминия и позволят вести оптимальное управление процессом по другим критериям оптимальности, например: экономия сырья, повышение сортности алюминия, экономия электроэнергии. С увеличением информации об объекте управления, существует возможность выбора другого канала управления для реализации оптимального управления электролизером.

Предложенный способ формирования аналитической модели системы управления непосредственно по ее топологической модели позволит ускорить процесс синтеза многосвязных систем управления на ЭВМ, так как при этом отпадает необходимость в перемножении символьных данных.

1.8. Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались на научно-технических конференциях Братского индустриального института (18 научно-техничская конференция—Братск, 1997; 19-Братск, 1998; 20-Братск, 1999).

1.9. Публикации.

По теме диссертации опубликовано 6 работ, в том числе 5 статей, 1 тезис докладов.

1.10. Структура и объем диссертационной работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и четырех приложений. Она изложена на 140 страницах основного текста, 14 рисунков, 4 таблицы, 4 приложения.

Выводы.

1. Разработана структурная схема системы управления процессом электролиза алюминия. В автоматической системе оптимизации управление ведется по модели при условии поступления оперативной информации о выходных показателях процесса электролиза. Критерием оптимальности служит максимум выхода по току при ограничениях на управление. На основании полученных данных с объекта управления определяются оптимальные значения управляемых переменных, которые поддерживаются системой постоянными.

2. Для реализации разработанной системы управления на практике, предложена распределенная двухуровневая система АСУ ТП, применяемая на БрАЗе.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. На основе исследования процесса электролиза алюминия определены основные параметры процесса, выявлены их взаимосвязи, где выбраны наиболее существенные связи.

2. Рассмотрен метод структурно-параметрического анализа систем автоматического управления, формализующий в отличие от известных методов процедуру синтеза на основе разработанной топологической модели структурно-функционального представления системы.

3. Разработана топологическая модель процесса электролиза алюминия.

4. Разработана аналитическая модель процесса электролиза алюминия.

5. Предложен новый способ формирования матричного уравнения системы управления непосредственно по С-графу.

6. Для проведения идентификации объекта обоснован и разработан метод понижения размерности пространства факторов, сохраняющих точность модели, что позволяет целесообразно подойти к организации исследования объекта. Указанный прием понижения факторного пространства позволяет значительно сократить множество пространства состояний для исследования, что сокращает время вычислительных операций.

7. Обоснован закон управления процессом электролиза алюминия и определено необходимое количество сигналов процесса для проведения идентификации объекта управления.

8. Разработан алгоритм определения оптимальных управляющих воздействий на объект, на основе которого разработана система управления процессом электролиза алюминия, предназначенная для управления электролизером в стационарном режиме.