Синтез многосвязной системы управления экологическим состоянием воздушного бассейна в промышленной зоне города тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.01, кандидат технических наук Михайлов, Юрий Андреевич

• Михайлов, Юрий Андреевич
• кандидат технических наук
• 1998

Оглавление диссертации кандидат технических наук Михайлов, Юрий Андреевич

Введение.

Глава 1. Анализ экологического состояния воздушного бассейна на примере городов Иркутской области и постановка задачи синтеза системы управления экоситуацией

1.1. Состояние атмосферного воздуха в городах Иркутской области

1.2. Мониторинг загрязнения природной среды.

1.3. Постановка задачи синтеза системы управления экоситуацией.

1.4. Выводы.

Глава 2. Проблемы синтеза многосвязной системы управления экоситуацией

2.1. Актуальность задачи синтеза систем многосвязного управления.

2.2. Анализ методов синтеза систем управления

2.3. Основы метода синтеза систем управления с использованием структурных графов

2.4. Методика синтеза многосвязной системы управления экоситуацией

2.5. Выводы.

Глава 3. Синтез структуры и разработка математической модели многосвязной системы управления экоситуацией

3.1. Экологическое состояние воздушного бассейна как объект управления

3.2. Разработка модели многосвязной системы управления экоситуацией

3.3. Определение размерности матрицы произведения.

3.4. Выводы.

Глава 4. Синтез и реализация алгоритма управления экоситуацией

4.1. Синтез алгоритма управления экоситуацией

4.2. Реализация алгоритма управления экоситуацией

4.3. Анализ результатов синтеза

4.4. Рекомендации по использованию результатов синтеза.

4.5. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Синтез многосвязной системы управления экологическим состоянием воздушного бассейна в промышленной зоне города»

Под загрязнением атмосферы понимается изменение ее состава в результате наличия в ней примесей. Антропогенная деятельность оказывает все возрастающее негативное влияние на состав атмосферы. Воздушные потоки часто несут целые шлейфы вредных соединений, распространяющихся на значительные расстояния. Это приводит к ухудшению атмосферных свойств, что губительно сказывается на жизнеспособности биосферы.

Сосредоточение на территории Иркутской области крупных экологически опасных промышленных производств, использование отсталых технологий, отсутствие эффективного очистного оборудования привели к возникновению районов с неблагополучной экологической ситуацией, в число которых входят города: Ангарск, Братск, Зима, Иркутск, Усолье-Сибирское, Шелехов, Черемхово.

Из-за наличия на территории области таких метеорологических Факторов, как температурные инверсии, большая повторяемость штилей и слабых ветров, туманов и преобладание незначительных осадков, способствующих накоплению примесей, потенциал загрязнения атмосферы значительно возрастает.

Наиболее напряженная экологическая обстановка сложилась в г. Братске. Город относится к крупным промышленным узлам Восточной Сибири,в нем расположены крупнейшие предприятия различных отраслей, сосредоточенные на незначительной территории. Ряд веществ, присутствующих в атмосфере г. Братска, обладает эффектом суммирования токсического действия. В результате фотохимических процессов в воздушной среде образуется сложная гамма вредных соединений, состав которых изучен недостаточно.

Решением Правительства России г. Братск отнесен к разряду зон экологического бедствия. Сложившаяся экологическая ситуация в Иркутской области, и, в частности, в г. Братске, требует принятия срочных мер по снижению атмосферного загрязнения.

Существующие в мировой промышленной практике способы очистки атмосферного воздуха можно разделить на две основные группы:

- использование газоочистного оборудования:

- выбор технологических режимов функционирования промышленных предприятий при неблагоприятных погодных условиях, затрудняющих рассеивание вредных примесей в атмосфере.

Применение этих способов приведет лишь к частичному восстановлению равновесного экологического состояния воздушного бассейна в городах с высокой концентрацией промышленных объектов.

Одной из задач комплексного исследования окружающей воздушной среды является разработка способов контроля и управления реальным экологическим состоянием приземного слоя атмосферы, определяемым естественными метеорологическими и геофизическими параметрами, а также антропогенными возмущениями от промышленных предприятий.

Настоящая диссертационная работа посвящена решению актуальной проблемы очистки воздушного бассейна в зонах экологического бедствия путем направленного локального изменения состояния атмосферных параметров с помощью технических устройств.

Цель диссертационной работы: проведение синтеза многосвязной системы управления С СУ), обеспечивающей поддержание экологического состояния приземного слоя атмосферы в городах с высокой концентрацией промышленных объектов на уровне стандартного санитарного состояния.

В процессе синтеза многосвязной системы управления экологической обстановкой использовались основные положения физики приземного слоя атмосферы, методы теории систем многосвязного управления. теории автоматического регулирования и управления, теории графов, матричного исчисления, а также аппарат цепных дробей. Некоторые результаты работы получены с помощью моделирования на ЭВМ.

Научная новизна работы:

- разработана формализованная методика синтеза многосвязной системы управления экологическим состоянием воздушного бассейна;

- экологическое состояние приземного слоя атмосферы в зонах антропогенной нагрузки предлагается рассматривать как многосвязный объект управления с распределенными параметрами:

- предложен метод аналитического синтеза алгоритма управления экологическим состоянием воздушного бассейна:

- предложен метод реализации алгоритма управления экологическим состоянием воздушного бассейна.

Решены частные вопросы, возникшие в процессе синтеза многосвязной системы управления экологическим состоянием воздушного бассейна: выведена Формула порядка матрицы произведения: предложен способ понижения порядка матричного уравнения системы: предложен способ исключения неустойчивых звеньев из структуры системы.

Положения, выносимые на защиту:

- постановка задачи синтеза системы управления экологическим состоянием приземного слоя атмосферы в зоне антропогенной нагрузки;

- методика синтеза многосвязной системы управления экологическим состоянием воздушного бассейна;

- результаты исследования экологического состояния воздушного бассейна в промышленной зоне города как многосвязного объекта управления с распределенными параметрами;

- метод аналитического синтеза алгоритма управления экологическим состоянием воздушного бассейна;

- метод реализации алгоритма управления экологическим состоянием воздушного бассейна.

Исследования автора выполнялись в рамках госбюджетной тематики "Топологические методы идентификации и синтеза систем управления многосвязными объектами" (код ГАСНТИ 10В02), выполняемой в Братском индустриальном институте по направлению "Теория, методы и средства автоматизации систем переработки информации и управления".

Результаты диссертационной работы позволили оценить возможность организации управления экологическим состоянием воздушного бассейна, они могут служить теоретической основой для решения задач экологической безопасности г. Братска, согласно Постановлению Правительства РФ от 23.04.1994г. N 376 "Федеральная целевая программа неотложных мер по улучшению состояния окружающей среды, санитарно-эпидемиологической обстановки и здоровья населения г. Братска", а также построения системы территориального управления экоситуацией.

Результаты проведенных теоретических исследований используются в учебном процессе Братского индустриального института.

Основные положения и результаты исследований докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях Братского индустриального института С14 научно - техническая конференция - Братск, 1993: 17 - Братск, 1996: 18 - Братск, 1997: 19 - Братск, 1998).

Выполняемые на базе Братского индустриального института научные разработки, связанные с практическими приложениями предлагаемой методики по управлению экологическим состоянием воздушного бассейна, экспонировались на следующих выставках: 4-й международной универсальной выставке-ярмарке (Братск, 13-16 Февраля 1996г.): выставке-ярмарке "Наука, образование и новые технологии" (Иркутск, 10-13 апреля 1996г.): Братской универсальной ярмарке (Братск, 16-21 декабря 1997г.). За рубежом: в составе экспозиции Братского индустриального института - "Разработка методов управления воздушным бассейном промышленных зон городов" - Англия, апрель 1994г.: в составе экспозиции Иркутской области - "Организация экологического мониторинга в зонах промышленных выбросов (система управления экологическим состоянием воздушного бассейна промышленных городов)" - г. Сеул (Корея), декабрь 1994г.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы.

Заключение диссертации по теме «Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)», Михайлов, Юрий Андреевич

14. Основные результаты диссертации опубликованы в 9-ти печатных работах и могут быть использованы при разработке и исследовании сложных систем управления.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполненная работа соответствует области исследования,определенной в паспорте специальности под шифром 05.13.01.

Целью автора являлось проведение синтеза многосвязной системы управления, осуществляющей локальное поддержание экологического состояния приземного слоя атмосферы в городах с высокой концентрацией промышленных объектов на уровне стандартного санитарного состояния.

Основные научные положения и результаты диссертационного исследования:

1. Обоснована необходимость синтеза системы управления экологическим состоянием воздушного бассейна в зонах расположения крупных промышленных предприятий.

2. Разработана формализованная методика синтеза многосвязной системы управления экологическим состоянием воздушного бассейна, основанная на топологической теории синтеза систем.

3. Сформулирована концепция управления экологическим состоянием воздушного бассейна: искусственное локальное поддержание величины напряженности электростатического поля в области допустимых значений позволит снизить содержание вредных примесей в атмосфере до уровня предельно-допустимых концентраций, а также оказать благотворное влияние на процессы жизнедеятельности организмов.

4. Искусственное локальное воздействие в желаемом плане на направление и величину напряженности электростатического поля предлагается осуществлять по следующим основным каналам:

- потенциал ионосферы-напряженность электростатического поля;

- влажность воздуха - проводимость воздуха - напряженность электростатического поля;

- уровень радиационного Фона - проводимость воздуха - напряженность электростатического поля;

- интенсивность промвыбросов в точке их выхода - проводимость воздуха - напряженность электростатического поля;

5. Получена в общем виде математическая модель алгоритма управления экологическим состоянием воздушного бассейна, содержащая как операторы, так и сигналы объекта.

6. Предложен метод аналитического синтеза алгоритма управления экологическим состоянием воздушного бассейна.

7. В результате аналитического синтеза получена в общем виде математическая модель алгоритма управления экологическим состоянием воздушного бассейна, не содержащая сигналов объекта, что является ее преимуществом.

8. Предложен метод реализации алгоритма управления экологическим состоянием воздушного бассейна.

9. Разработаны рекомендации по использованию результатов синтеза, где, в частности, предлагается ряд технических средств для направленного локального воздействия на атмосферные параметры.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Михайлов, Юрий Андреевич, 1998 год

1. Автоматизированное проектирование систем автоматического управления / Под ред. В. В. Солодовникова. - М.: Машиностроение, 1990. - 335 с.

2. Алпатов Ю. Н. Синтез систем управления методом структурных графов. Иркутск: Изд-во Иркут. ун-та, 1988. - 184 с.

3. Алпатов Ю. Н., Казьмин С. Н., Михайлов Ю. А. Определение закона управления экологическим состоянием в промышленной зоне города // Тез. докл. XIV науч.-техн. конференции Братского индустриального института. Братск, 1993. - с. 114.

4. Алпатов Ю. Н., Михайлов Ю.А. Воздушный бассейн как многосвязный объект управления // Математика в ВУЗе: Труды международной научно-методической конференции. СПб.: СПбГУПС, 1998. - с.191-192.

5. Алпатов Ю. Н., Михайлов Ю.А. Математическое моделирование процесса загрязненности атмосферы в зонах антропогенного возмущения // Тез. докл. XIX науч.-техн. конференции Братского индустриального института. Братск, 1998. - с. 66.

6. Алпатов Ю.Н., Михайлов Ю.А. Определение размерности матриц при умножении // Тез. докл. XVIII науч.-техн. конференции Братского индустриального института. Братск, 1997. - с. 20-21.

7. Алпатов Ю. Н., Михайлов Ю. А. Синтез алгоритмов управления многоконтурных многосвязных систем // Тез. докл. XVIII науч.-техн. конференции Братского индустриального института. Братск, 1997. -с. 15-17.

8. Алпатов Ю. Н., Михайлов Ю.А. Синтез системы управления состоянием воздушного бассейна в промышленных зонах городов /У Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ: Межвуз. темат. сб. тр. СПб.: СПбГАСУ, 1996. - с. 26-34.

9. Алпатов Ю. Н., Михайлов Ю.А. Система управления воздушным бассейном в промышленных зонах городов // Тез. докл. XVII науч.-техн. конференции Братского индустриального института. Братск, 1996. -с. 151-152.

10. Алпатов Ю.Н., Ходарев Н.И., Казьмин С.Н. Принцип косвенного контроля состояния воздушного бассейна в промышленных зонах // Изв. вузов, "Электромеханика" N2, 1992, с. 114-120.

11. Анго А. Математика для электро- и радиоинженеров. М.: Наука, 1964. - 772 с.

12. Атмосфера / Справочник. J1.: Гидрометеоиздат, 1991.512 с.

13. Беллерт С., Возняцкий Г. Анализ и синтез электрических цепей методом структурных чисел. М.: Мир, 1972. - 332 с.

14. Берж К. Теория графов и ее применения.- М.: Изд-во иностр. лит., 1962. 319 с.

15. Берлянд М.Е. Прогноз и регулирование загрязнения атмосферы. JI.: Гидрометеоиздат, 1985. - 272 с.

16. Бессекерский В. А. Динамический синтез систем автоматического регулирования- М.: Наука, 1970. - 768 с.

17. Бессекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. Изд. 3-е, испр. М.: Наука, 1975. - 767 с.

18. Воронов А. А. Основы теории автоматического управления: Особые линейные и нелинейные системы. Изд. 2-е, перераб. - М.: Энергоиздат, 1981. - 304 с.

19. Гантмахер Ф. Р. Теория матриц. М.: Наука, 1988. - 552 с.

20. Дехтяренко П.И., Коваленко В.П. Определение характеристик звеньев систем автоматического регулирования. М.: Энергия, 1973. - 120 с.

21. Дидук Г. А. Методы теории матриц и их применение для исследования и проектирования систем управления: Учеб. пособие. Л.: СЗПИ, 1986. - 83 с.

22. Имянитов И. М., Чубарина Н. В. Электричество свободной атмосферы. Л.: Энергия, 1965. - 180 с.

23. Климат Братска / Под ред. Ц.А. Швер, В. Н. Бабиченко. -Л.: Гидрометеоиздат, 1985. 166 с.

24. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров: Пер. с англ. М.: Наука, 1984. - 831 с.

25. Лайхтман Д. Л. Физика приземного слоя атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1970. - 341 с.

26. Малышенко В.С., Каплунов Ю. В., Красавин А.П., Харионов-ский А. А. Научно-технические достижения в области охраны окружающей среды: Обзор. М.: ЦНИЭИуголь, 1992. - 47 с.

27. Методы автоматизированного проектирования нелинейных систем / Под ред. Ю. И. Топчеева. М.: Машиностроение, 1993. - 575 с.

28. Методы анализа и синтеза сложных автоматических систем / Под ред. П. И. Чинаева. М.: Машиностроение, 1992. - 304 с.

29. Михайлов Ю.А. К выбору алгоритма управления чистотой воздушного бассейна в индустриальных центрах // Тез. докл. XIX науч.-техн. конференции Братского индустриального института. Братск, 1998. - с. 66-67.

30. Михайлов Ю.А. Методика синтеза систем многосвязного управления с распределенными параметрами // Тез. докл. XIX науч.-техн. конференции Братского индустриального института. Братск, 1998. - с. 67.

31. Многосвязные системы управления / Под ред. М. В. Меерова. М.: Наука, 1990. - 264 с.

32. Нагорный Л. Я. Моделирование электронных цепей на ЦВМ. -Киев: Техн1ка, 1974. 360 с.

33. Оре 0. Теория графов. М.: Наука, 1968. - 242 с.

34. Райцын Т.М. Синтез систем автоматического управления методом направленных графов. Л.: Энергия, 1970. - 96 с.

35. Соколов Н. И. Аналитический метод синтеза линеаризованных систем автоматического регулирования- М.: Машгиз, 1966. - 120 с.

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

37. Солодовников В. В., Плотников В. Н., Яковлев А.В. Основы теории и элементы систем автоматического регулирования. М.: Машиностроение, 1985. - 536 с.

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

39. Сольницев Р.И. Автоматизация проектирования систем автоматического управления: Учеб. пособие.- М.: Высш. шк.,1991. 334с.

40. Сучилин А.М. Применение направленных графов к задачам электротехники. Л.: Энергия, 1971. - 128 с.

41. Теоретическое и экспериментальное исследование характеристик гамма-полей в зонах тектонических разломов. Отчет о научно-исследовательской работе. Братск, 1990. - 64 с.

42. Теория автоматического управления / Под ред. А.С. Шаталова. М.: Высш. школа, 1974. - 673 с.

43. Техническая кибернетика. Теория автоматического регулирования. В 3-х т. / Под ред. В.В. Солодовникова.- М.: Машиностроение, т. 1. — 768 е., т.2.- 680 е., 1967; т.З, ч.1.- 608 с. и ч.2.- 368 е., 1969.

44. Топчеев Ю. И. Атлас для проектирования систем автоматического регулирования: Учеб. пособие для втузов.- М.: Машиностроение, 1989. 752 с.

45. Фельдбаум А.А., Бутковский А. Г. Методы теории автоматического управления. М.: Наука, 1971. - 623 с.

46. Хинчин А. Я. Цепные дроби. М.: Наука, 1978. - И2 с.

47. Хованский А. Н. Приложение цепных дробёй и их обобщений к вопросам приближенного анализа. М.: Мир. 1973. - 368 с.

48. Цыпкин Я. 3. Основы теории автоматических систем. М.: Наука, 1977. - 559 с.

49. Черкашин Г. Н., Бахшалиев А.Ш., Черкашин А.Г. Синтез сложных систем. Киев: Техн1ка, 1991. - 126 с.

50. Экологическая обстановка в Иркутской области в 1995г. Государственный доклад. Иркутск: Иркутский областной комитет по охране окружающей среды и природных ресурсов Госкомэкологии России, 1996. - 191 с.