Разработка оптимальных алгоритмов управления процессом получения алюминия по заданным критериям тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.01, кандидат технических наук Турусов, Сергей Николаевич

• Турусов, Сергей Николаевич
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Турусов, Сергей Николаевич

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ СПОСОБОВ ПРОИЗВОДСТВА АЛЮМИНИЯ.

1.1. Способы производства алюминия.

1.2. Электролитическое производство алюминия.

1.3. Постановка задачи автоматизированного оптимального управления процессом получения алюминия.

1.4. Выводы.

2. АНАЛИЗ СПОСОБОВ СИНТЕЗА СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ СЛОЖНЫМИ МНОГОСВЯЗНЫМИ ОБЪЕКТАМИ.

2.1. Анализ методов синтеза сложных многосвязных систем.

2.2. Моделирование физических процессов современного электролизного производства.

2.3. Топологический метод синтеза сложных систем.

2.4. Выводы.

3. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ АЛЮМИНИЯ НА ЭЛЕКТРОЛИЗЕРАХ С

ВЕХНИМ ТОКОПОДВОДОМ.

3.1. Разработка С-графа процесса получения алюминия.

3.2. Структурная идентификация процесса получения алюминия.

3.3. Получение математической модели процесса получения алюминия.

3.4. Выводы.

4. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА ОПТИМАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОЛИЗЕРОМ ПО ДВУМ КРИТЕРИЯМ.

4.1. Обоснование выбора метода оптимального управления электролизером.

4.2. Разработка алгоритма оптимального управления для напряжения электролизной ванны.

4.3. Разработка алгоритма оптимального управления для количества выливаемого алюминия из электролизной ванны.

4.4. Выбор закона управления по двум критериям.

4.5. Разработка алгоритма оптимального управления по двум критериям.

4.6. Выводы.

5. АДАПТИВНАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОЛИЗЕРОВ С

ВЕРХНИМ ТОКОПОДВОДОМ.

5.1. Технические средства АСУТП в алюминиевой промышленности.

5.2. Адаптивная автоматизированная система управления процессом электролиза.

5.3. Принципы организации оптимального управления технологическим корпусом и цехом по производству алюминия.

5.4. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка оптимальных алгоритмов управления процессом получения алюминия по заданным критериям»

1.Актуальность темы

С 1996 г. алюминиевая промышленность России подвергалась серьезным испытаниям в рамках конъюнктуры мирового рынка. С успехом выдержав их, алюминиевая промышленность России доказала свою высокую устойчивость и конкурентноспособность.

Проблема конкурентноспособности заключается в технологической конкуренции Запада и России, поэтому совершенствованию технологии производства алюминия уделяется большое внимание. Уровень технологического производства определяется областью совершенствования технологии с самообжигающимися анодами Содерберга, с обожженными анодами, технологии АПГ (автоматическая подача глинозема) и т.п.

Главным объектом электролизного производства является электролизер, оптимизация процессов в котором влияет на технико - экономические показатели завода в целом.

Важное значение в решении проблем конкурентноспособности выделяется энергетическому фактору. Однако в сегодняшних условиях доля затрат на электроэнергию достигает мирового уровня в силу несовершенства энергосберегающих технологий и не всегда продуманной тарифной политики. Применение технологии по оптимизации процессов электролиза позволяет уменьшить количество затрачиваемой электроэнергии на тонну металла.

Существенно влияет на себестоимость алюминия - количество производимого металла на единицу электроэнергии, сырья. Увеличение удельного количества производимого металла за счет оптимизации процессов электролиза повышает конкурентноспособность завода, увеличивает его прибыль. 5

Использование методов оптимизации совместно с технологией АПГ существенно улучшает экологическое состояние на заводе и близлежащих территориях за счет уменьшения выбросов в окружающую среду вредных веществ.

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

Управление процессами электролизного производства необходимо осуществлять в оптимальном режиме, с учетом нескольких критериев качества. В диссертационной работе рассматривается разработка теории оптимального управления процессом получения алюминия по двум критериям: минимум напряжения на электролизере, максимум выливаемого металла.

2.Цель диссертационной работы

Синтез многосвязной системы управления, обеспечивающей оптимальное управление отдельным электролизером по двум выбранным критериям оптимальности: максимум количества выливаемого алюминия из электролизера при минимуме напряжения питания электролизной ванны, с учетом существующих ограничений на технологические параметры.

З.Основные задачи работы

К основным задачам диссертационной работы относятся:

- исследование процесса электролиза на отдельном электролизере для идентификации объекта управления;

- решение задачи структурной идентификации объекта управления топологическим методом; 6 решение задачи параметрической идентификации объекта управления методом регрессионного анализа; разработка алгоритма оптимального управления электролизером по двум выбранным критериям оптимальности: максимум количества выливаемого алюминия из электролизера при минимуме напряжения питания электролизной ванны, с учетом ограничений на технологические параметры;

- обоснование выбора алгоритма управления по двум критериям;

- разработка принципа адаптивного управления процессом электролиза.

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:

- LINDO, MATLAB 5.2 использовались для решения задач линейного программирования симплекс-методом;

- на MATHCAD 7 производился расчет коэффициентов регрессионной модели.

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; 7 в разработке методики параметрической идентификации, основу которой составляет метод регрессионного анализа; в разработке регрессионной модели напряжения электролизера; в разработке регрессионной модели количества выливаемого металла из электролизной ванны; в разработке алгоритма оптимального управления по выбранному критерию оптимальности - минимум напряжения электролизера; в разработке алгоритма оптимального управления по выбранному критерию оптимальности - максимум выливаемого металла из электролизера; в разработке алгоритма оптимального управления по двум выбранным критериям оптимальности - максимальное количество выливаемого алюминия из электролизера при минимальном напряжении электролизной ванны. б.Положения выносимые на защиту постановка задачи синтеза системы управления процессом электролиза на отдельном электролизере; методы синтеза сложной многосвязной системы управления процессом электролиза алюминия на отдельном электролизере; метод синтеза алгоритма управления процессом электролиза на отдельном электролизере: максимальное количество выливаемого алюминия из электролизера при минимальном напряжении электролизной ванны; метод реализации алгоритма многокритериального оптимального управления по двум критериям. 8

7.Практическая ценность

Исследования автора выполнялись в рамках госбюджетной тематики "Топологические методы идентификации и синтеза систем управления многосвязными объектами" (код ГАСНТИ 10В02), выполняемой в Братском государственном техническом университете по направлению "Топологическая теория синтеза и идентификации многосвязных объектов управления"

Использование топологических методов в решении задач синтеза системы управления процессом электролиза позволяет перейти на новый качественный уровень в исследовании и проектировании систем электролизного производства.

Топологический подход совместно с классическими методами позволяет разработать математические модели, интересующих процессов, и разработать многокритериальный алгоритм оптимального управления объектом.

В диссертационной работе разработана методология синтеза системы оптимального управления сложным многосвязным объектом - электролизером. Эта методология позволила решить задачу многокритериально^^ оптимального управления отдельным электролизером, что улучшает технико-экономические показатели как электролизера, так и цеха в целом.

Результаты работы дают основания для построения адаптивной автоматизированной системы управления электролизером на базе современных технических средств АСУТП.

Проведенная работа показывает возможность применения этой методологии для автоматизации других объектов электролизного производства. Следующим шагом должна быть оптимизация процессов корпуса, оптимизация процессов цеха и реализация алгоритмов оптимального управления заводом для улучшения технико-экономических показателей. 9

8.Апробация работы

Основные результаты работы докладывались на научно-технических конференциях Братского государственного технического университета (20 научно-техническая конференция — Братск, 1999; 21 научно-техническая конференция - Братск, 2000)

9.Публикации

По теме диссертаций опубликовано 7 работ, в том числе 4 статьи, 3 тезиса докладов.

Ю.Структура и объем диссертационной работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и трех приложений. Объем диссертации составляет 142 страницу основного текста, 20 рисунков, 11 таблиц. Список литературы содержит 76 -наименований.

Заключение диссертации по теме «Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)», Турусов, Сергей Николаевич

Выводы.

1 .Современные средства АСУТП позволяют измерять технологические параметры с достаточной точностью для разработки алгоритмов по оптимальному управлению процессами, протекающими в электролизном производстве. Достоинством современных измеряющих средств АСУТП является направленность их на совместное использование с ЭВМ.

2. Наличие необходимых средств АСУТП при разработке алгоритмов по адаптивному управлению позволяет создать адаптивную автоматизированную систему управления процессами, протекающими в электролизерах с верхним токоподводом.

3.Электролизному производству необходимо оптимальное управление не только отдельным электролизером, но и корпусом и, в конце концов, электролизным цехом.

-122

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

1. Определена задача автоматизированного оптимального управления электролизером.

2. На основе предложенного топологического метода разработан С-граф процесса электролиза, получена матрица системы, характеризующая функциональные зависимости технологических параметров, решена задача структурной идентификации процессов напряжения электролизера и количества выливаемого металла.

3. При помощи метода регрессионного анализа решена задача параметрической идентификации процессов напряжения электролизера и количества выливаемого металла.

4. Задача нахождения оптимального значения процессов электролиза была сведена к задаче линейного программирования, с использованием симплекс-метода.

5. Разработан алгоритм оптимального управления по двум выбранным критериям: максимум количества выливаемого алюминия из электролизера при минимуме напряжения питания электролизной ванны, с учетом существующих ограничений на технологические параметры.

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

- 123

7. На базе алгоритма оптимального управления была разработана адаптивная автоматизированная система управления электролизером с верхним токоподводом.

124

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Турусов, Сергей Николаевич, 2000 год

1. Абрамов Г.А.,Ветюков М.М.,Гупало И.П.Костюков A.A.,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 ВН.; 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.,Цыплаков A.M. О некоторых причинах преждевременного ремонта алюминиевых электролизеров // Цветные металлы. 1981. №12. С. 67-69.

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

9. Вавилов А.А.,Имаев Д.Х.,Родионов В.Д. и др. Машинные методы расчета систем автоматического управления. Л.:ЛЭТИ, 1978. - 114 с.п. Вагнер Г. Основы исследований операций, т. 1. М., «Мир», 1972,т. 2-3. М., 1973

10. Воронов A.A. Основы теории автоматического управления. Особые линейные и нелинейные системы. 2-е изд., перераб. М.:Энергия, 1980.-312 с.

11. Громыко А.И., Шайдуров Г.Я. Автоматический контроль технологических параметров алюминиевых электролизеров.// Красноярский университет, 1984. 235 с.126

12. Дробнис В.Ф., Гефтер С.Э. Технология и обслуживание анода алюминиевого электролизера с верхним токоподводом. М.: Металлургия, 1966. - 96 с.

13. Е.Н.Панов, Г.Н.Васильченко, С.В.Даниленко, А.Я.Карвацкий, И.Л.Шилович, М.Ф.Боженко;Под общей редакцией Б.С.Громова. Тепловые процессы в электролизерах и миксерах алюминиевого производства. М.: Издательский дом "Руда и металлы", 1998. - 256 с.

14. Зайченко Ю.П. Исследование операций. Киев, Издательское объединение «Вища школа», 1975. -321с.

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

16. 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.

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

18. 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.

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

20. Казаков И.Е. Статистическая теория систем управленияв пространстве состояний. М.: Наука, 1975, 432 с.

21. Калман Р., Фалб.П., Арбиб. М, Очерки по математической теории систем. М.: Мир, 1971. 400 с.

22. Кафаров В.В., Дорохов И.Н. Системный анализ процессов химической технологии. М.: Наука, 1979. - 399 с.127

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

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

25. Коробов М.А.,Дмитреев A.A. Самообжигающиеся аноды алюминиевых электролизеров. М.:Металлургия, 1972. - 206 с.

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

27. Красовский A.A. Системы автоматического управления полетом и их аналитическое конструирование. М.: Наука, 1973, 558 с.

28. 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.

29. 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.

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

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

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

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

34. Мелса Дж. Программы в помощь изучающим теорию линейных систем управления. М.: Машиностроение, 1981.-200 с.128

35. Молчанов А.Ю. Производство алюминия в электролизерах с верхним токоподводом. г.Братск, 1993. 146 с.

36. Мэзон С., Циммерман Г. Электронные цепи, сигналы и системы. М.: Изд-во иностр. Лит. 1963. - 619 с.

37. Орурк И.А. Новые методы синтеза линейных и некоторых нелинейных динамических систем. Л.: Наука, 1965. - 206 с.

38. Пискунов A.B. Синтез многосвязной системы управления процессом электролиза алюминия методом структурных графов.// Диссертация на соискание 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 A.B. 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.so. Райцын Т.М. Синтез САУ Методом направленных графов. Л.: Энергия; 1970.-94 с.

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

43. Румшинский Л.З. Элементы теории вероятностей. М.: Наука,1976. -240 с.

44. Сачков В.Н. Введение в комбинаторные методы дискретной математики. М.,: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1982.-384.

45. Солодов A.B. Методы теории систем в задаче непрерывной линейной фильтрации. М.: Наука, 1976. 262 с.

46. Солодовников В.В., Бирюков В.Ф., Тумаркин В.И. Принцип сложности в теории управления. М.: Наука, 1977. - 340 с.129

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

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

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

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

51. Табак Д., Куо Б. Оптимальное управление и математическое программирование. М.: Наука, 1975, 279 с.

52. 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.

55. Турусов С.Н., Стрелков B.C. Структурная идентификация процесса получения алюминия на электролизерах ОАО'Ъратский 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//Цветные металлы. 1992. №10.С.28-31бб.Чаки Ф. Современная теория управления. М.: Мир, 1975,424 с.130

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

58. Чернецкий В.И., Дидук Г.А., Потапенко A.A. 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 H. Tonerde und Aluminium, 1953, Bd 2.

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

66. Paoloni A.J. du Four Electrique, 1951, №1.-131