Принципы создания и разработка автоматизированных систем управления технологическими процессами: Модели, методы, решения

— 2. Системный подход к проектированию АСУТП.173.

— 3. Экономическая эффективность АСУТП.176.

— 4. Надежность АСУТП.178 шва IV. ИНФОРМАЦИОННОЕ, МАТЕМАТИЧЕСКОЕ И ПРОГРАММ.

ОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ АСУТП.183 г-1.

Введение

183 г-2. Информация в АСУТП.183 г-3. Математическое обеспечение АСУТП.186 г-4. Программное обеспечение АСУТП.187 г-5. Некоторые аспекты построения баз данных и операционных систем.198 шва V. ИМИТАЦИОННЫЕ СТЕНДЫ И ТРЕНАЖНО-МОДЕЛИРУЮ.

ИЕ КОМПЛЕКСЫ.213.

1.

Введение

213.

2. Структура имитационных стендов и тренажно-моделирующих комплексов 214 -3. Информационное обеспечение имитационных стендов и тренажноаделирующих комплексов.219.

— 4. Математическое обеспечение имитационных стендов и тренажнозделирующих комплексов.230.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ тава VI. ИССЛЕДОВАНИЕ, ОПТИМИЗАЦИЯ И УПРАВЛЕНИЕ ПРО-ЕССОМ ГИДРОФОРМИЛИРОВАНИЯ ПРОПИЛЕНА ПРОИЗВОДСТ БУТИЛОВЫХ СПИРТОВ И 2-ЭТИЛГЕКСАНОЛА.249.

— 1. Технологические схемы процесса гидроформилирования.249.

— 2. Математическая модель ХТС отделения гидроформилирования .254.

— 3. Критерии эффективности.255.

— 4. Исследование ХТС отделения гидроформилирования.256.

— 5. Математические модели реакторов гидроформилирования пропилена.260.

1. Реактор с внешним теплообменом.262.

2. Реактор с внутренним теплообменом.267.

— 6. Исследование устойчивости реакторов гидроформилирования.268.

— 7. Исследование математических моделей реакторов гидроформилирова.

1я.274.

— 8. Экспериментальное исследование реакторов гидроформилирования.280.

— 9. Анализ управляемости реакторов гидроформилирования с внутренним и ешним теплообменом.291.

— 10. Оптимизация режимов работы реакторов.295.

1. Каскад реакторов смещения.295.

2. Каскад реакторов вытеснения.299.

— 11. Выбор и исследование системы автоматического управления реактором 309.

1. Анализ и синтез нелинейных систем автоматического регулирования. 314.

2. Анализ и синтез системы оптимального управления.318.

1−12. Системный анализ ХТС отделения гидроформилирования.346 шва VII. ИССЛЕДОВАНИЕ, ОПТИМИЗАЦИЯ И УПРАВЛЕНИЕ.

РЕГАТОВ СИНТЕЗА АММИАКА.378.

I-1. Постановка задачи.383.

1−2. Оптимизация режимов стадий агрегата.387.

1−3. Алгоритмы управления и программы оптимизации.399 шва VIII. ИССЛЕДОВАНИЕ И УПРАВЛЕНИЕ АГРЕГАТА МЕТАНО.

V.407 шва IX. ИССЛЕДОВАНИЕ И УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССОМ АБСОРБ.

ЙИ-ДИСТИЛЛЯЦИИ СОДОВОГО ПРОИЗВОДСТВА.432.

ВКЛЮЧЕНИЕ.443 ггература.445.

— 5.

Интенсивное развитие промышленности поставило ряд требований к проектированию новых производств. Безотходность производства, технологическая и энергетическая замкнутость, требуют глубокой проработки вопросов управления на качественно новом уровне.

Современный подход к созданию новых автоматизированных технологических процессов сформировал ряд требований к проектированию «интеллектуальных» АСУТП. Объединение теории систем и теории управления, ЭВМ и многого другого для создания современных и перспективных АСУТП только начинает появляться в научно-технических и справочных публикациях. Поэтому новые методы проектирования современных и перспективных АСУТП обуславливает актуальность представленной диссертации.

В диссертации излагаются основные проблемы создания современных и перспективных АСУТП с позиций общей теории систем, рассматриваются «методы интеллектуализации», свойства управляемости и наблюдаемости, а также их связь с технологическими и конструктивными параметрами, формулируются основы кибернетического исследования математических моделей технологических процессов и систем, методы синтеза определенного класса систем наблюдения и управления. Приведены основные идеи и принципы математического моделирования АСУТП, а также создания имитационных стендов и тренажно-моделирующих комплексов.

Рассматриваемая в диссертации методология проектирования АСУТП, стендов и тренажеров, на основе системного подхода, включающая программно-алгоритмическое обеспечение и комплекс технических средств, обеспечивает оптимизацию технико-экономических показателей, а также профессиональную подготовку операторов-технологов.

Повышение эффективности использования современных технических средств и профессиональных возможностей оператора-технолога АСУТП /как человеко-машинной системы/ в предлагаемых АСУТП удается достичь за счет увеличения степени интеллектуальности на основе использования экспертных систем и систем принятия решений, что стало в последние годы основной темой большинства работ по математической теории систем, а также позволяющих значительно расширить функции, реализуемые АСУТП.

Развивая в диссертации данную методологию автор дает в распоряжение инженеров-исследователей и проектировщиков научно-обоснованную стратегию системного исследования и формализованный подход к решению задач создания АСУТП.

Повышение эффективности использования технических средств и профессиональных возможностей оператора-технолога АСУТП /как человеко-машинной системы/ в современных и перспективных АСУТП предполагается достичь за счет увеличения степени интеллектуальности АСУТП, имитационных стендов и тренажно-моделирующих комплексов. Это стало возможным в связи с тем, что в последние годы особое внимание уделяется исследованиям, направленным на изучение психофизиологических механизмов операторской деятельности и разработке методов диагностики, прогнозирования и коррекции состояния оператора-технолога. Нейрокибернетические исследования позволяют выявить общие закономерности процессов организации переработки информации и управления в нервной системе, которая представляет высший уровень управления и связи в организме человека и обеспечивает деятельность оператора и поддержания достижимого в конкретных условиях оптимального функционального состояния. Это непосредственно касается проблемы созидания гармонической среды обитания оператора-технолога.

Применение при нейрокибернетическом подходе к оценке и прогнозированию состояния оператора-технолога методологических принципов собственно кибернетики обеспечивает своеобразие такого подхода по сравнению с традиционно используемыми методами. Можно считать, что нейрокибернетический подход к проблеме оператора-технолога позволяет выделить в ней новое «актуальное пространство». Учитывая использование нейрокибернетикой понятийного и математического аппарата собственно кибернетики, в рамках которой наиболее полно разработаны подходы и методы решения задач идентификации и прогнозирование состояния применительно к любым сложным системам, то становится ясной целесообразность нейрокибернетического подхода, позволяющего с новой точки зрения взглянуть на проблему функционального состояния оператора-технолога в современных и перспективных АСУТП. Полученные результаты позволили наметить перспективы создания и использования систем диагностики и прогнозирования функционального состояния для оценки состояния оператора-технолога с учетом его индивидуально-психологических особенностей. Использование методов искусственного интеллекта /создание экспертных систем и систем принятия решений в составе АСУТП, стендов и тренажеров/ позволяет значительно усложнить и расширить функции, реализуемые АСУТП.

Диссертация состоит из предисловия, 9-ти глав и списка литературы.

В первой главе излагаются основные проблемы искусственного интеллекта как основы создания и развития современных и перспективных АСУТП. Рассматриваются методология построения АСУТП и роль человеческого фактора в управлении. Приводятся роль и место экспертных систем и систем принятия решения в создании АСУТП.

Во второй главе рассматриваются основные вопросы системного анализа, приводятся исследования, в которых формулируется новый подход к совместному проектированию технологических процессов и систем автоматического управления. Показано кибернетическое исследование математических моделей и рассматриваются исследования важнейших динамических свойств — управляемости и наблюдаемости. Вводятся новые понятия, позволяющие определять физическую сущность сложных систем на стадии проектирования, методы и алгоритмы анализа, в основу которых положены управляемость, наблюдаемость и устойчивость систем.

Общая задача системного анализа формулируется как задача определения структуры и параметров системы, наиболее полно удовлетворяющих заданному критерию эффективности, с одновременным выполнением тех условий при которых возможно требуемое функционирование замкнутой системы. Для линейных и нелинейных систем, а также систем с запаздыванием разработан структурный синтез оптимальных систем управления и систем наблюдения, которые позволяют реализовать нормальные и пуско-остановочные режимы.

Разработаны алгоритмы минимизации количества управляющих входов и декомпозиции на управляемые подсистемы, а также алгоритм определения минимальной реализации.

В третьей и четвертой главах рассмотрены вопросы проектирования АСУТП. Приведен, современный подход к созданию информационного, математического и программного обеспечения АСУТП, а также вопросы системного проектирования технического обеспечения с использованием микро, мини, и мего-мини ЭВМ и программных систем Лисп, Пролог, Рефал и других, позволяющих нетрадиционным способом реализовать представление декларативных знаний, представление правил и задание управляющей структуры /зависимой или независимой/.

В пятой главе приводятся решения ориентированные на рассмотрение вопросов создания имитационных стендов и тренажно-моделирующих комплексов, их структуры, информационному, математическому, и программному обеспечению, позволяющих наиболее полно моделировать условия работы оператора-технолога и проводить обучение оператора-технолога инструктором-методистом и осуществлять контроль действий обучаемого, а также на типовые структуры и основные функциональные подсистемы АСУТП на базе многомашинных микропроцессорных распределенных вычислительных систем с модульной структурой.

Шестая глава содержит описание исследований технологических процессов и систем некоторых промышленных производств. В каждом случае показаны все основные этапы системного анализа, приведены результаты расчетов, конкретные примеры реализации.

В главах седьмой, восьмой и девятой приводятся решения по практической реализации вопросов связанных с исследованием, оптимизацией и управлением технологических процессов производств бутиловых спиртов и 2-этилгексанола, агрегатов синтеза аммиака и метанола, а также процесса абсорбции-дистилляции содового производства.

Подробный разбор методов и алгоритмов, изложенных в диссертации, позволит продемонстрировать возможности методологических основ системного анализа и современной теории управления.

Основные результаты.

1. Рассмотрены научно-технические проблемы управления ХТП и ХТС. формулированы основные концепции, вытекающие из современных принципов гализы ХТС и синтеза САУ и общей теории систем.

2. Предложены формы представления математических моделей ХТС со гационарной и нестационарной структурой в виде динамических и логико-янамических моделей для ХТС с сосредоточенными и распределенными араметрами. Рассмотрены вопросы построения таких моделей, проверкиекватности и коррекции их по экспериментальным данным. На основе теории травляемости и наблюдаемости разработан метод кибернетического исследования атематических моделей ХТС. Определены требования, которым должны довлетворять математические модели, используемые для выбора систем травления. Предложены методы и алгоритмы определения управляемости и на-иодаемости ХТС, топологический, на основе структурных матриц, алгебры эгики, матриц управляемости и наблюдаемости, матриц чувствительности,^{композиционный,} а также с учетом погрешностей, обусловленных точностью гносительного допуска (при расчетах на ЭВМ) и точностью определения элементов атриц. Разработан общий алгоритм исследования ХТС, состоящий из:

— алгоритма расчета ХТС,.

— алгоритма линеаризации математической модели ХТС,.

— алгоритма анализа устойчивости ХТС.

3. Предложены методы системного анализа ХТО. во временной и частотной эласти, разработан общий алгоритм системного анализа ХТ1.

4. Предложен новый подход к расчету элементов матрицы закона управления, эеспечивающего переходные процессы в системе с заданным качеством.

5. Разработан метод структурного синтеза САУ для ХТС с запаздыванием, ТС с распределенными параметрами и нестационарных ХТС. Разработан метод груктурного синтеза многоуровневых САУ для ХТС с измененной структурой.

6. Предложен метод определения оптимальных значений параметровтойчивой системы оценки состояния ХТС.

7. Использование математического аппарата теоретической части эзволило разработать алгоритмы исследования ХТС и управления, которые огут быть успешно применены при автоматизированном проектировании систем травления агрегатов химической технологии,.

8. Созданы математические модели ряда промышленных химико—хнологических процессов и систем. На основе системного анализа ХТС и синтеза тстем управления были разработаны и внедрены конструктивные ихнологические изменения аппаратов и их технологических режимов, а также тстемы автоматического управления для Ангарского и Салаватского гфтехимических комбинатов со значительной экономической эффективностью.

9. Результаты математического моделирования и исследование тех-элогических режимов и конструктивных параметров вновь проектируемых инструкций реакторов гидроформилирования пропиленаанализ и синтез ХТС и АУ отделения гидроформилирования пропилена крупнотоннажных производств.

— 444утиловых спиртов и 2-этилгексанола, переданы в виде рекомендаций для ооектирования и внедрены на Пермском заводе оргсинтеэа.

10. Исследование и оптимизация агрегатов аммиака позволило определить тгимальные технологические режимы, разработать алгоритмы и программыализации, а также разработать систему оптимального управления, которые тедрены на Северодонецком и Черкасском производственном объединении «Азот» .

11. Результатом системного анализа ХТС агрегата метанола явилась эедложенная структура технологической схемы и АСУ ТП для Северодонецкого О «Азот» и Новочеркасского завода синтетических продуктов.

12. Получена минимальная реализация динамической модели процесса) сорбции-дистилляции производства соды, на основе которой разработана система ггимального управления концентрационным и тепловым режимом, которая дрена на Лисичанском содовом заводе.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.