Алгоритм решения многокритериальных задач при производстве алюминия тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.01, кандидат технических наук Стебенькова, Юлия Юрьевна

• Стебенькова, Юлия Юрьевна
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Стебенькова, Юлия Юрьевна

ВВЕДЕНИЕ.

1. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОИЗВОДСТВА АЛЮМИНИЯ.

1.1. Анализ процесса производства алюминия.

1.2. Анализ методов синтеза сложных многосвязных систем.

1.3. Математическая модель процесса производства алюминия.

1.4. Выводы.

2. РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ПРОИЗВОДСТВА АЛЮМИНИЯ.

2.1. Синтез алгоритмов управления процесса производства алюминия симплекс-методом.

2.2. Методы решения задач многокритериальной оптимизации.

2.3. Многокритериальные модели оптимизации.

2.4. Выводы.

3. СИНТЕЗ ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ УПРАВЛЕНИЯ (метод свертки).

3.1. Методика синтеза оптимальных алгоритмов.

3.2. Разработка метода оптимизации процесса управления по двум критериям при пересекающихся множествах параметров.

3.3. Выбор оптимальных параметров вектора управления.

3.4. Моделирование и исследование процессов оптимального управления по двум критериям.

3.5. Выводы.

4. РАЗРАБОТКА УПРАВЛЯЮЩЕГО КОНТУРА ОПТИМАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ.

4.1. Разработка структуры подсистемы оптимального управления.

4.2. Исследование подсистемы оптимального управления в условиях БрАЗа.

4.3. Рекомендации по внедрению системы.

4.4. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Алгоритм решения многокритериальных задач при производстве алюминия»

1. Актуальность темы

В настоящее время совершенствованию технологии производства алюминия уделяется большое внимание. Главным объектом электролизного производства является электролизер, оптимизация процессов в котором влияет на технико-экономические показатели завода в целом.

Важным в решении проблем конкурентоспособности является энергетический фактор, кроме этого существенно влияет на себестоимость алюминия количество производимого металла на единицу электроэнергии. Применение технологии по оптимизации процессов электролиза позволяет уменьшить количество затрачиваемой электроэнергии на тонну металла и увеличить удельное количество производимого металла, тем самым повышая конкурентоспособность завода и увеличивая его прибыль.

Управление процессами электролизного производства необходимо осуществлять в оптимальном режиме, с учетом нескольких критериев качества.

При решении конкретной задачи оптимизации исследователь прежде всего должен выбрать математический метод, который приводил бы к конечным результатам с наименьшими затратами на вычисления. Выбор того или иного метода в значительной степени определяется постановкой оптимальной задачи, а также используемой математической моделью объекта оптимизации.

Особый интерес представляют задачи многокритериальной оптимизации.

В диссертационной работе предлагается метод векторной оптимизации по двум критериям при пересекающихся множествах параметров. В качестве критериев были выбраны: минимум напряжения на электролизной ванне; максимум количества производимого металла. Данный метод позволяет уменьшить область пространства, которая образована ограничениями на технологические параметры, тем самым, позволяя сократить область решений. Кроме этого данный метод позволяет при наименьших затратах на вычисление найти решение задачи оптимизации.

2. Цель диссертационной работы

Целью диссертационной работы является разработка метода оптимизации вектора оптимального управления по двум критериям при производстве алюминия.

3. Основные задачи работы

Достижение поставленной цели предполагает решение следующих задач:

- структурной идентификации объекта управления топологическим методом;

- параметрической идентификации объекта управления;

- разработки алгоритма оптимального управления производством алюминия по двум критериям при пересекающихся множествах параметров;

- выбора оптимальных параметров управления при векторном представлении критериев;

- моделирование и исследование процессов оптимального управления по двум критериям в векторном пространстве;

- выбора контура оптимального управления процессом производства алюминия;

- исследование подсистемы оптимального управления в условиях БрАЗа и разработка рекомендаций по внедрению подсистемы.

4. Методы исследования

В диссертационной работе использовались методы теории управления сложными многосвязными объектами, теории графов, матричного исчисления, линейной алгебры, регрессионного анализа и первичной обработки данных, топологии; симплекс-метод.

Результаты работы получены с помощью следующих программных пакетов: MatLab 6.0, Maple 6.0, Excel'2000.

5. Научная новизна и вклад в разработку проблемы

Научная новизна работы заключается в следующем:

- в использовании топологических методов при структурной идентификации процесса электролиза на отдельном электролизере;

- в разработке алгоритма оптимального управления производством алюминия по двум критериям при пересекающихся множествах параметров;

- в моделировании и исследовании процессов оптимального управления по двум критериям в векторном пространстве;

- в разработке подсистемы оптимального управления в условиях БрАЗа;

6. Положения, выносимые на защиту

- постановка задачи оптимизации процесса управления производством алюминия по двум критериям при пересекающихся множествах параметров;

- разработка алгоритма оптимального управления производством алюминия;

- реализация алгоритма многокритериального оптимального управления производством алюминия по двум критериям.

7. Практическая ценность

Исследования автора выполнялись в рамках госбюджетной тематики: "Топологические методы идентификации и синтеза систем управления многосвязными объектами" (код ГРНТИ 27.19.19), выполняемой в Братском государственном университете (БрГУ) по направлению "Топологическая теория синтеза и идентификации многосвязных объектов управления". Данное направление исследований проводилось по заказу Братского алюминиевого завода.

8. Апробация работы

Основные результаты работы докладывались на научно-технических конференциях Братского государственного технического университета (23 научно-техническая конференция - Братск, 2002, 24 научно-техническая конференция - Братск, 2003), а также на международных научно-технических конференциях в г. Новочеркасске (2000 г.) и г. Уфе (2001), на кафедре БрГУ «Информатика и прикладная математика», в журнале «Вестник» ИрГТУ.

9. Публикации

По теме диссертаций опубликовано 11 работ, в том числе 5 статьи, 6 тезисов докладов.

10. Структура и объем диссертационной работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы. Объем диссертации составляет 115 страниц основного текста, 12 рисунков, 5 таблиц. Список литературы содержит 80 наименований.

Заключение диссертации по теме «Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)», Стебенькова, Юлия Юрьевна

4.4. Выводы

1. Разработана структура подсистемы оптимального управления. Разработана функциональная модель цикла управления.

2. Разработанная подсистема была исследована в условиях БрАЗа. Разработана схема алгоритма управления процессом производства алюминия.

3. Разработаны рекомендации по внедрению данной подсистемы управления процессом электролиза. В качестве реализующей технологии предложена технология «клиент-сервер»

108

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

1. Проведена структурная и параметрическая идентификация процесса электролиза на отдельном электролизере по выбоанным параметрам:

2. Проведен синтез алгоритмов управления процесса производства алюминия с использованием симплекс-метода.

3. Проанализированы существующие методы многокритериальной оптимизации.

4. Разработан метод векторной оптимизации процесса управления по двум критериям при пересекающихся множествах параметров.

5. Разработан алгоритм оптимального управления по двум выбранным критериям

6. В результате проведенных исследований на электролизерах с верхним токоподводом были определены необходимые для процесса синтеза системы управления технологические параметры, их значения.

7. На базе алгоритма оптимального управления была разработана структура подсистемы оптимального управления процессом производства алюминия. г

109

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Стебенькова, Юлия Юрьевна, 2006 год

1. Абрамов Г.А.,Ветюков М.М.,Гупало И.П.,Костюков А.А.,Ложкин Л.Н. Теоретические основы электрометаллургии алюминия. - М.: Металлургиздат, 1953.-583 с.

2. Алгоритмический нелинейных систем управления.// Нелепин Р.А.Камачкин A.M., Туркин И.И.Шамберов В.Н.; под ред. Р.А.Нелепина; ЛГУ. Л.: Изд-во ЛГУ, 1990.

3. Алпатов. Ю.Н Синтез систем управления методом структурных графов. -Иркутск, Изд-во Иркут.ун-та, 1988 . -144с.

4. Алпатов Ю.Н., Турусов С.Н. Адаптивная система управления электролизером с верхним токоподводом. // Экология. Образование. Здоровье./ Труды международной научно-практической конференции.-Иркутск, 2000, 6 с.

5. Алпатов Ю.Н., Турусов С.Н., Краснятов И.П. Этап структурной идентификации процесса получения алюминия, реализуемый топологическим методом. //Труды Братск, индустр. ин-та: Материалы XXI научно-техн. конференции. Братск, 2000, 7 с.

6. Барковский В.В.,Захаров В.Н.,Шаталов А. Методы синтеза систем управления. М.; Машиностроение, 1969. - 323 с.

7. Бажанов А.Е.,Дынкин М.Е.Дыплаков A.M. О некоторых причинах преждевременного ремонта алюминиевых электролизеров // Цветные металлы. 1981. №12. С. 67-69.

8. Берж К. Теория Графов и ее применение. М.: Изд-во иностр. лит. 1962. -319 с.

9. Ю.Бессонов Е.Ю., Иванов В.Т., Крюковский В.А. и др. Модели магнитного поля алюминиевого электролизера.//Цветные металлы. 1989. №10. С. 53-56.11 .Беляев А.И. Электролит алюминиевых ванн. М.: Металлургиздат,1961.

10. Беляев. А.И. Металлургия легких металлов. М.: Изд-во "Металлургия", 1970,368 с.

11. Бояревич В.В. Магнитогидродинамические волны границы раздела и распределение возникающего тепла, обусловленного динамическим взаимодействием токов в алюминиевом электролизере // Магнитная гидродинамика. 1992. №4.С.47-55.

12. Бояревич В.В.Далис Х.Э.,Миллере Р.П. и др. Математическая модель для расчета параметров алюминиевого электролизера/ЯДветные металлы. 1988 .№7. С.63-66.

13. Быков Ю.М. Основы обработки информации в АСУ химических производств: Теория и расчет информационных подсистем. Л.: Химия, 1986.- 152 с.

14. Вавилов А.А.,Имаев Д.Х.,Родионов В.Д. и др. Машинные методы расчета систем автоматического управления. Л.:ЛЭТИ, 1978. - 114 с.

15. Вагнер Г. Основы исследований операций, т. 1. М., «Мир», 1972,т. 2-3. М., 1973

16. Воронов А.А. Основы теории автоматического управления. Особые линейные и нелинейные системы. 2-е изд., перераб. М.:Энергия, 1980.312 с.

17. Громыко А.И., Шайдуров Г.Я. Автоматический контроль технологических параметров алюминиевых электролизеров.// Красноярский университет, 1984. 235 с.

18. Зубов В.И. Теория оптимального управления. Л.: Судостроение., 1966, 351 с.

19. Иванов В.Т., Крюковский В.А., Щербинин С.А. и др. Совместный расчет электрического и магнитного полей алюминиевого электролизера.// Цветные металлы. 1989. №3.С.59-63.

20. Ильинский Н.Ф.,Цаценкин В.К. Приложение теории графов к задачам электромеханики. -М.: Энергия, 1968. -232 с.

21. Изимов М.У.,Турусов С.Н., Бочко С.Б. Анодный эффект при электролизе криолит-глиноземных расплавов.//Труды Братск, индустр. ин-та: Материалы XX научно-техн. конференции. Братск, 1999, 2 с.

22. Кадрищев В.П.,Минцис М.Я. Измерение и оптимизация параметров алюминиевых электролизеров. Челябинск., издательство "Металл", 1995 -135 с.

23. Казаков И.Е. Статистическая теория систем управления в пространстве состояний. М.: Наука, 1975, 432 с.

24. Калман Р., Фал б. П., Арбиб. М, Очерки по математической теории систем. -М.: Мир, 1971.400 с.г ЗО.Кафаров В.В., Дорохов И.Н. Системный анализ процессов химической технологии. М.: Наука, 1979. - 399 с.

25. Кенинг Г., Блекуэлл В. Теория электромеханических систем. М.: Л.: Энергия , 1965. - 423 с.

26. Козлов В.Н., Куприянов В.Е., Зазовский B.C. Вычислительные методы синтеза систем автоматического управления. Л.: ЛГУ, 1989.

27. Коробов М.А.,Дмитреев А.А. Самообжигающиеся аноды алюминиевых ц электролизеров. М. Металлургия, 1972. - 206 с.

28. Костюков А.А., И.Г.Киль и др. Справочник металлурга по цветным металлам. -М.: Изд-во"Металлургия", 1971. 560 с.

29. Красовский А.А. Системы автоматического управления полетом и их аналитическое конструирование. -М.: Наука, 1973, 558 с.

30. Крутилин Д.А. Разработка алгоритмического и программного обеспечения для синтеза систем управления топологическим методом. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. -Братск. 1999-27с.

31. Крюковский В.А. Разработка научных основ и технологии производства алюминия на электролизерах большой мощности: Атореф. дис.докт.техн.наук (в форме научного доклада). -СПб., 1992. 42с.

32. Летов A.M. Динамика полета и управление. М.: Наука, 1969, 359 с.

33. Математическая теория оптимальных процессов./ Л.С.Понтрягин, В.Г.Болтянский, Р.В. Гамкрелидзе и др. М.: Наука. 1969., 384 с.

34. Мелихов А.Н. Ориентированные графы и конечные автоматы. Наука, 1971.-416с.

35. Меликянц Р.В., Штерн В.И. Опыт внедрения систем автоматического контроля и управления типа "Алюминий". М.: ЦНРШЦветмет, 1971, - 98 с.

36. Мелса Дж. Программы в помощь изучающим теорию линейных систем управления. -М.: Машиностроение, 1981. 200 с.fc 43.Молчанов А.Ю. Производство алюминия в электролизерах с верхним токоподводом. г.Братск, 1993. 146 с.

37. Мэзон С., Циммерман Г. Электронные цепи, сигналы и системы. М.: Изд-во иностр. Лит. 1963. -619 с.45.0рурк И.А. Новые методы синтеза линейных и некоторых нелинейных динамических систем. Л.: Наука, 1965. - 206 с.

38. Пискунов А.В. Синтез многосвязной системы управления процессом электролиза алюминия методом структурных графов.// Диссертация насоискание ученой степени кандидата технических наук.- Братск. 1999 140 с.

39. Потемкин В.Г. Система MATLAB. Справочное пособие. М.:Диалог -МИФИ, 1997.-350 с.

40. Поцелуев А.В. Статический анализ и синтез сложных динамических систем. -М.: Машиностроение, 1984.

41. Пугачев B.C. Теория случайных функций и ее применение к задачам автоматического управления. М.: Физматгиз, 1962, 884 с.

42. Райцын Т.М. Синтез САУ Методом направленных графов. JL: Энергия; 1970.-94 с.

43. Римский Г.В., Таборовец В.В. Автоматизация исследований динамических систем. Минск: Наука и техника, 1978. - 33 с.

44. Румшинский JI.3. Элементы теории вероятностей. М.: Наука,1976. -240 с.

45. Сачков В.Н. Введение в комбинаторные методы дискретной математики. -М.,: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1982.384.

46. Солодов А.В. Методы теории систем в задаче непрерывной линейной фильтрации. -М.: Наука, 1976. 262 с.

47. Солодовников В.В., Бирюков В.Ф., Тумаркин В.И. Принцип сложности в теории управления. М.: Наука, 1977. - 340 с.

48. Солодовников В.В., Семенов В.В., Немель М., Недо Д. Расчет систем управления на ЦВМ. М.: Машиностроение, 1979. - 660 с.

49. Составители М.Сингх, А.Титли. Системы: декомпозиция, оптимизация и управление. М.: Машиностроение, 1986. - 496 с.

50. Справочник металлурга по цветным металлам. Производство алюминия./ Под ред. Ю.В.Баймакова и Я.Е.Конторовича. М.: Металлургиздат, 1971. -560 с.

51. Сучилин A.M. Применение направленных графов к задачам электроники. -Л.: Энергия, 1971.-128 с.

52. Табак Д., Куо Б. Оптимальное управление и математическое программирование. -М.: Наука, 1975, 279 с.61 .Ту Ю. Современная теория управления. М.: Машиностроение. 1971, 472 с.

53. Турусов С.Н. Симплекс метод как математический аппарат для алгоритмов оптимального управления процессами электролизного производства. // Экология. Образование. Здоровье./ Труды международной научно-практической конференции.- Иркутск, 2000, 4 с.

54. Турусов С.Н., Стрелков B.C. Применение MATLAB системной идентификации объекта управления.//Труды Братск, индустр. ин-та: Материалы XX научно-техн. конференции. Братск, 1999, 2 с.ч

55. Турусов С.Н., Стрелков B.C. Структурная идентификация процесса получения алюминия на электролизерах ОАО"Братский алюминиевый завод".//Труды Братск, индустр. ин-та: Материалы XX научно-техн. конференции. Братск, 1999, 2 с.

56. Фрейберг Я.Ж.,Шилова Е.И.,Щербинин Э.В. Определение оптимальной формы рабочего пространства ванны алюминиевого электролизера/ЛЦветные металлы. 1992. №10.С.28-31бб.Чаки Ф. Современная теория управления. М.: Мир, 1975,424 с.

57. Чернецкий В.И. Анализ точности нелинейных систем управления. М.: Машиностроение, 1969, 346 с.

58. Чернецкий В.И., Дидук Г.А., Потапенко А.А. Математические методы и алгоритмы исследования автоматических систем. Л.: Энергия, 1972, 372 с.

59. Чхартишвили Г.С.,Чхартишвили Л.П.,Клюкин К.Г. Цифровое моделирование динамических задач в АСУТП// Сб.научн. тр./Моск.энерг.ин-т. -М.: МЭИ, 1975, вып.243.

60. Юдин Д.Б., Гольштейн Е.Г. Задачи и методы линейного программирования транспортного типа. М., «Наука», 1969.

61. Юрков В.В., Манн В.Х., Пискажова Т.В., Никандров К.Ф. и др. Модель процесса электролиза алюминия.// Технико-экономический вестник. 1999. №13. С.11-15.

62. Эйкхофф П. Основы идентификации систем управления. Оценивание параметров и состояния.//под ред. Н.С. Райбмана. М.: Мир, 1975. - 676 с.

63. Янко Э.А., Лозовой Ю.Д. Производство алюминия в электролизерах с верхним токоподводом. М.: Металлургия, 1976. - 160 с.

64. Fulda W.,Ginsberg Н. Tonerde und Aluminium, 1953, Bd 2.

65. Haupin W. "Bath properties". The International Course in Process Metallurgy of Aluminium. Trondheim. Yune 03-07.1996.

66. Paoloni A.J. du Four Electrique, 1951, №1.

67. Турусов С.Н. Разработка оптимальных алгоритмов управления процессом получения алюминия по заданным критериям.// Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук.- Братск.2000 142 с.

68. Стебенькова Ю.Ю. Оптимальное управление по двум критериям на примере гидролиза алюминия. Труды Братского государственного технического1.университета. Том1. - (Естественные и инженерные науки - развитию регионов). - Братск: БрГТУ, 2002 - 230 с.