Поиск

Полнотекстовый поиск:
Где искать:
везде
только в названии
только в тексте
Выводить:
описание
слова в тексте
только заголовок

Рекомендуем ознакомиться

'Документ'
Информационные технологии - область науки, техники и производства, охватывающая исследования теоретических и методических основ, разработку и создани...полностью>>
'Автореферат'
Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный социально-экономичес...полностью>>
'Автореферат'
Во-первых, современные международные отношения находятся на новой стадии развития, многие характеристики которой принципиально отличают ее от предыду...полностью>>
'Документ'
Районная научно-практическая конференция проводится с целью выявления одаренных детей, лучших исследовательских работ для представления на конкурс ис...полностью>>

Основы построения автоматизированных систем иерархически-взаимосвязанного управления сложными технологическими процессами переработки природного сырья (2)

Главная > Автореферат
Сохрани ссылку в одной из сетей:

На правах рукописи

Мокрова Наталия Владиславовна

ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ ИЕРАРХИЧЕСКИ-ВЗАИМОСВЯЗАННОГО УПРАВЛЕНИЯ СЛОЖНЫМИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ

ПЕРЕРАБОТКИ ПРИРОДНОГО СЫРЬЯ

Специальность:

05.13.06 – автоматизация и управление технологическими

процессами и производствами (промышленность)

Автореферат
диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Москва – 2010

Работа выполнена в Московском государственном университете инженерной экологии

Научный консультант: доктор технических наук, профессор

Володин Виктор Михайлович.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Юркевич Евгений Владимирович;

доктор технических наук, профессор Дорохов Игорь Николаевич;

доктор технических наук, профессор Большаков Александр Афанасьевич.

Ведущая организация: ФГУП ИРЕА Государственный ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский институт

химических реактивов и особо чистых химических веществ, г. Москва.

Защита состоится « 20 » мая 2010 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.145.02 при Московском государственном университете инженерной экологии по адресу: 105066, г. Москва, ул. Старая Басманная, 21/4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета инженерной экологии.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 105066, г. Москва, ул. Старая Басманная, 21/4.

Автореферат разослан «___» _________ 2010 г.

Ученый секретарь совета

д.т.н., проф. Латышенко К.П.



ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В рамках общей концепции долгосрочного развития РФ происходит изменение объективных условий функционирования промышленных организаций, связанное с ростом их размеров и сложности, возникает необходимость модернизации процессов переработки сырья, оптимальной координации элементов производства, совершенствования структуры систем управления. Актуальным является комплексный анализ производственного цикла предприятий, научно обоснованный подход к построению интеллектуально ёмких систем автоматизированного управления в химической и смежных отраслях промышленности.

В диссертации систематизированы результаты теоретических и экспериментальных разработок автора в области исследования технологических систем высокой сложности в рамках распределённых автоматизированных систем управления (АСУ) с иерархической структурной организацией. В качестве объекта исследования принят ряд химико-технологических процессов многостадийного производства промышленного продукта из ископаемого сырья. При разработке и эксплуатации объектов выделенного классасложных технологических систем (СТС) возникает необходимость учёта их специфических свойств, существенное значение приобретают экономические факторы, повышенное внимание к экологии производства, требуется пересмотр методологии решения проблемных задач на основе комплексного подхода к созданию интегрированных АСУ. Возможность получения новых механизмов межуровневого взаимодействия в децентрализованных иерархических системах является основой создания единого информационного пространства предприятий, ведёт к интенсификации производства.

Исходные положения проблем управления структурно и технологически сложными системами изложены в работах Д. Мако, М. Месаровича и др. Существенный вклад в развитие методов оптимизации сложных систем с использованием методов декомпозиции внесли Дж. Лэсдон, В.И. Цурков и др. Теоретические начала построения организационных систем опираются на информационную теорию иерархических систем и теорию кооперативных игр (Ю.Б. Гермейер, Н.Н. Моисеев и др.). Моделированию и оптимизации химико-технологических процессов (ХТП) посвящены работы В.В. Кафарова, В.М. Володина, В.С. Балакирева, В.П. Мешалкина и др. Непрерывные процессы химической технологии отличаются высокой степенью автоматизации, однако, в условиях узкой специализации применяемого оборудования и высокой материало- и энергоёмкости, позволяют разрабатывать новые научные подходы к их интенсификации и автоматизации. В большей степени подобное характерно для не типовых химико-технологических процессов. Специфика моделирования и управления СТС до настоящего времени не выделена как самостоятельная сфера, преобладают подходы, базирующиеся на использовании традиционных АСУ, отличающихся разобщенностью отдельных уровней и контуров управления. Исследование возможностей и расширение областей применения декомпозиционного подхода и, в частности, методов явной декомпозиции, к синтезу открытых систем иерархически-взаимосвязанного управления производственными комплексами, к настоящему времени не нашли широкого применения во многих отраслях промышленности. Разработка научно-теоретических и методологических основ создания децентрализованных иерархических высокотехнологичных систем со сложным взаимодействием элементов требует дополнительного изучения и расширения сферы их использования на практике.

В основе подхода автора диссертационной работы к управлению СТС переработки природного сырья лежит обоснованное целенаправленное выделение подсистем, их анализ и моделирование, разработка методики эффективной реализации метода явной декомпозиции для синтеза взаимосогласованных управляющих подсистем. В диссертационной работе проводится исследование экологически направленных многостадийных производственных процессов очистки от примесей и производства активированных углей. Обобщённый научный подход к построению систем автоматизированного управления позволяет модернизировать процессы производства качественных продуктов с использованием новых информационных технологий, получить синергетический эффект на основе закономерностей взаимодействия элементов СТС. Задача поиска общих закономерностей при анализе и синтезе методов управления сложными технологическими процессами в химической и смежных отраслях промышленности – одна из наиболее актуальных задач научных исследований.

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с федеральной целевой научно-технической программой “Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники на 2002 – 2006 годы” по направлению “Каталитические системы и технологии”; федеральной целевой программой “Интеграция науки и высшего образования России на 2002 – 2006 годы” (постановления Правительства РФ от 21.08.2001; от 05.09.2001).

Автор выражает благодарность проф. В.М. Володину за плодотворные научные консультации и содействие в проведении работы.

Целью диссертационной работы является интенсификация производственного цикла промышленных предприятий по переработке природного сырья, что предполагает решение важной научной проблемы создания методов и алгоритмов управления сложными технологическими процессами на основе иерархически-взаимосвязанных систем автоматизации, имеющей важное хозяйственное значение.

Названная цель определила постановку следующих задач:

  • выявления способов повышения интенсификации систем управления многостадийными производственными процессами;

  • учёта особенностей многостадийных процессов в химической технологии и ограниченной исходной информации при разработке методов построения их комплексных математических моделей;

  • выбора существенных связей и факторов с помощью особенностей метода явной декомпозиции и формирования способов повышения интенсивности функционирования выделенных подсистем;

  • обоснования условий интенсификации процессов переработки природного сырья, и модернизации многофункциональных схем получения высококачественного стандартизованного продукта;

  • разработки и реализации алгоритмов управления технологическими объектами как составными частями производственного цикла промышленных предприятий, имеющими в своём составе сложные по функциональному назначению и комплексным параметрам структуры со специфическими свойствами;

  • интеграции существующих систем автоматизированного управления с новыми решениями оптимизационных задач на основе использования предлагаемых средств измерений, управления и информационных технологий для внедрения в практику технологических предложений и разработанных принципов, методов и алгоритмов.

Методы исследования основаны на положениях теории моделирования и идентификации технологических процессов, теории выбора и принятия решений, общей теории систем и системного анализа в управлении, методах химической кибернетики.

Научная новизна работы состоит в создании методов и алгоритмов иерархического управления сложными технологическими системами и включает:

  • выявление условий иерархичности, открытости, взаимосогласованности и избирательности, определяющих возможности систематизации и разработки способов автоматизированного управления сложными технологическими системами;

  • обоснование уровней декомпозиции системы управления и реализацию итерационного многоуровневого процесса разбиения сложной системы для реализации управления с меньшими затратами и получения решений, близких к оптимальным;

  • построение аппроксимационных моделей многостадийных химико-технологических процессов, позволяющих получать устойчивые решения в условиях ограниченной исходной информации;

  • создание методов согласования решения локальных задач с внутриуровневыми конфликтами и оптимумом на границе области допустимых решений при введении аппроксимаций в ограничениях и целевых функциях;

  • формирование требований к объектам управления в химической и смежных отраслях промышленности с помощью выявленных основных классификационных признаков сложных технологических систем.

Достоверность научных положений, рекомендаций и выводов обеспечивается использованием фундаментальных законов ведения физико-химических процессов, корректным применением математических методов анализа таких процессов и синтеза систем управления, результатами численных и экспериментальных исследований.

Практическая ценность работы определяется решением следующих задач:

  • определены факторы образования технологического ресурса и обоснование возможностей интенсификации работы производственных систем в химико-технологических производствах;

  • предложены алгоритмы унификации метода явной декомпозиции при управлении сложными технологическими системами с учётом выбранных связей, особенностей локальных задач и процедуры их взаимосогласованного решения;

  • предложены математические модели, позволившие построить сложные системы управления активацией углеродосодержащих материалов и очисткой от примесей рудного сырья в условиях ограниченной выборки исходных данных;

  • обосновано повышение эффективности управления очисткой рудного сырья с помощью математических моделей этих процессов, построенных по данным анализа многокомпанентных растворов;

  • разработана и реализована система управления производством активированных углей в каскаде вращающихся печей с согласованием работы подсистем по нагрузке, позволяющая повысить эффективность управления;

  • решена задача автоматизированного управления печами с двигающимся вертикальным слоем по материальным газовым и тепловым потокам на базе применения современных математических методов и информационных технологий;

  • материалы диссертации использованы в учебном процессе при чтении лекций в МГУИЭ, при выполнении курсовых работ, дипломном проектировании, исследовательских программах.

Практическая ценность подтверждена внедрением разработанных методик и алгоритмов управления в ОАО «Сорбент» г. Пермь, ОАО «Электростальский химико-механический завод», НПО «Химавтоматика», использованием на опытном производстве «Института проблем нанотехнологий РАЕН» г. Пермь и применением при проектировании цеха активированных углей в Сирийской Арабской Республике.

На защиту выносятся следующие новые результаты, полученные автором:

  • обобщенный подход, определяющий возможности интеграции и взаимного согласования функций подсистем, позволяющий интенсифицировать работу средств автоматизации управления сложными технологическими процессами переработки природного сырья;

  • схема взаимосогласованного управления взаимосвязанными подсистемами с реализацией алгоритмов явной декомпозиции и аппроксимацией сложных алгоритмических зависимостей при оптимизации многостадийных процессов с однородными и неоднородными стадиями;

  • метод построения математической модели сложного многомерного объекта управления с учётом технологических ограничений на число экспериментальных данных и высоких требований по качеству многоассортиментной продукции;

  • методика управления многоэлементными объектами на основе анализа совокупности с выработкой управляющих решений, направленных на рост эффективности и увеличение срока службы технологического оборудования.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийских научно-технических конференциях «Математические методы в химии» (Тула, 1993) и «Информационные системы и модели в научных исследованиях, промышленности и экологии» (Тула, 2007); Международных конференциях: «Методы кибернетики химико-технологических процессов» (Москва, 1994), «Математические методы в химии и химической технологии» (Тверь, 1995), «Инженерная защита окружающей среды» (Москва, 2000, 2002), «Математические методы в технике и технологиях» (Смоленск, 2001); «Системный анализ в проектировании и управлении» (Москва, 2006), «Индустриально-инновационное развитие – основа устойчивой экономики Казахстана» (Шымкент, 2006); Международной конференции по химической технологии «Химическая технология» (Москва, 2007); Научно-технической конференции МГАХМ, (Москва, 1995); Международной студенческой школе-семинаре «Новые информационные технологии» (Москва, 2000).

Публикации. По результатам исследований, представленных в диссертационной работе, опубликовано 50 научных работ, 13 из которых в журналах, рекомендованных ВАК, две монографии. Автору принадлежат систематизация, разработка и практическое обоснование использования методов иерархического управления сложными промышленными объектами, 19 работ написано лично автором, остальные выполнены в соавторстве, многие с В.М. Володиным.

Объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, восьми глав, заключения и списка литературы. Она содержит 291 страницу машинописного текста, 12 таблиц, 54 рисунка, библиографию из 265 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении основное внимание уделено проблемам управления структурно- и технологически сложными многостадийными промышленными процессами переработки природного сырья, отмечено влияние на становление теоретических основ методов управления информационной теории иерархических систем, химической кибернетики, системного анализа. Поставлена сложная и актуальная задача научных исследований, состоящая в поиске и анализе общих закономерностей в построении и функционировании взаимосогласованных систем иерархического управления. Выделены цели и задачи диссертационной работы, проанализированы способы их решения. Объектом исследования приняты экологически обоснованные СТС переработки природного сырья в химической промышленности с иерархической организацией структурных единиц. Особое место в ходе научного исследования отведено многостадийным процессам, как широко распространённым в высокотехнологичных отраслях промышленности.

В первой главе на основе анализа особенностей многостадийных процессов и использования промышленных средств автоматизации поставлена задача иерархически-взаимосвязанного управления СТС как определённым классом объектов управления. Отличие технологической системы от технической обусловлено комплексным подходом к разработке, производству, эксплуатации, утилизации и управлению всеми этапами производства продукции с учётом социальных, экономических, стратегических, экологических и других аспектов. СТС позиционирована с точки зрения способа организации, поэлементного состава, целей функционирования как объекта в целом, так и подсистем, математического описания, взаимных связей между элементами, наличия субъективных факторов. Особое внимание обращено на эффективное управление СТС, которое возможно лишь при разделении управляющих функций между подсистемами.

Принятые понятия и определения позволили выделить характерные черты СТС многостадийной переработки сырья:

  • большие масштабы по числу элементов и объёму выполняемых функций, приводящие к иерархической организации;

  • сложность поведения и многообразие связей между элементами;

  • нерегулярные статистически распределённые во времени внешние возмущающие воздействия;

  • наличие у подсистем конкурирующих целей функционирования;

  • взаимосвязь и взаимовлияние технологических и экономических аспектов функционирования;

  • большое число факторов, определяющих поведение объекта управления, и ограничений на допустимое функционирование;

  • возникновение качественно новых свойств, отсутствующих у элементов и подсистем, обусловленных их количественным ростом.

Обобщённая задача оптимального управления поведением СТС

(1)

где х, u, y – векторы возмущающих воздействий, управлений и выходов ТС; F глобальная целевая функция СТС; U – множество допустимых состояний ТС; g, h – функции математической модели и ограничений; t – время.

Задача (1) для многостадийных процессов с учётом возникновения основных возмущающих воздействий при изменении показателей перерабатываемого сырья, неизменных на длительный срок, и кусочно-постоянной функции x(t) поставлена в виде

(2)

где i, N – индекс и число подсистем; fi – локальные целевые функции.

Особенности рассматриваемых СТС, высокая размерность и сложность задачи управления (2) затрудняют её решение в среде автоматизированной системы управления с соблюдением эксплуатационных требований относительной оперативности и точности, а, следовательно, эффективной организации управляющих функций. В связи с этим разработаны специальные подходы и методы решения аналогичных задач, в целях интеграции существующих и построения новых систем автоматизированного управления СТС.

Проанализированные задачи оптимального управления объектами различной степени сложности в качестве подзадач систем автоматизированного управления производственными комплексами позволили обобщить принципы управления. Специфика СТС делает неэффективными системы одноцелевого управления с централизованной структурой в связи с неопределённостью критериев, параметров моделей, ограничений и других характеристик. С другой стороны фрагментарное внедрение средств автоматизации и их использование для решения частных задач не приводит к возможному интегрированному эффекту в области управления производствами. Конкретика синтеза эффективных систем управления основана на наличии технологического резерва интенсификации, который подразумевает направленное воздействие на производственные процессы на физическом уровне, совершенствование структуры производимой продукции и используемого сырья, комплексную и гибкую автоматизацию производства, совершенствование организации и управления.

Научные исследования проведены автором с позиции определения способов интенсификации процессов, повышения эффективности систем автоматизированного управления. Во внимание приняты целостность и иерархическое строение открытых систем большой размерности, высокая сложность и многофункциональность поведения многообразных активных подсистем, имеющих и реализующих локальные целевые функции, обусловливающие эмерджентность.

Во второй главе по результатам исследований и данным вычислительных экспериментов обоснована целесообразность использования иерархического управления промышленными объектами класса СТС.

Анализ централизованных и распределённых систем позволил автору предложить иерархическую структуру системы управления производством углеродных сорбентов, представленную на рис. 1. Отдельные технологические операции и подпроцессы объединены в блоки обеспечения стадий: подготовки сырья, гранулирования, экструдирования, сушки, активации, очистки и утилизации, контроля и упаковки готовой продукции. В состав технологических блоков входят группы однотипных аппаратов. На верхнем уровне функционирует автоматизированная система на базе вычислительного комплекса для выбора номенклатуры адсорбентов, используемых видов сырья и полуфабрикатов. На среднем уровне – информационно-управляющая система согласования стадий технологического процесса. На нижнем уровне – системы автоматического контроля и регулирования параметров процесса.

Рис. 1. Иерархическая блочно-модульная система



Скачать документ

Похожие документы:

  1. Основы построения автоматизированных систем иерархически-взаимосвязанного управления сложными технологическими процессами переработки природного сырья (1)

    Автореферат
    Защита состоится « 20 » мая 2010 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.145.02 при Московском государственном университете инженерной экологии по адресу: 105066, г.
  2. Управление затратами. Концепция «бережливого производства» Введение

    Документ
    Сложившиеся тенденции перехода к рыночной экономике, а также характер протекания мирового кризиса в нашей стране выявил несовершенство хозяйственного механизма большинства отечественных предприятий.
  3. Учебно-методический комплекс дисциплины опд. Ф. 09. «Управление системами и процессами» (код и наименование)

    Учебно-методический комплекс
    Выписка из Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по специальности 151001 (120100) «Технология машиностроения» по дисциплине ОПД.
  4. Ii «Показатели качества, контроль, статистическое регулирование технологических процессов; системы управления качеством» Павлодар

    Документ
    к выполнению лабораторных, практических, самостоятельных работ (СРС, СРСП) студентами и магистрантами специальностей 160140 «Стандартизация и сертификация»,
  5. Управление и экономика предприятий электроэнергетики

    Документ
    История управленческой мысли насчитывает уже несколько тысячелетий — ее истоки относят к IV тысячелетию до н.э. Однако более или менее систематизироваться и теоретизироваться менеджмент начал лишь в начале ХХ в.

Другие похожие документы..