Разработка принципов моделирования систем и оптимальных алгоритмов управления для процесса производства алюминия

Около 80% произведенного пфвичного алюминия экспортируется из России. Во второй половине 90-х годов алюминиевая промышленность Росши подвфгалась серьезным испытаниям в рамках конъюнктуры мирового рынка С успехом выдержав их, алюминиевая отрасль России доказала свою высокую устойчивость и конкурштошособностъ. Проблема конкурентоспособности это, в пфвую очередь, проблема технологической конкуренции Запада и России, поэтому совершенствованию технологии производства алюминия уделяется большое внимание.

Основным способом производства алюминия является электролиз криолито-глинозезушых расплавов, поддержка оптимального режима которого влияет на технико-экономические показатели производства в целом. Сйтимизащта процессов электролиза позволяет уменьшить затраты на единицу массы металла. Большое значение в решении проблемы перевода процесса электролиза в оптимальный режим является поиск огаимизщионных показателей процесса Например, на себестоимость алюминия влияет количество производимого металла на единицу электроэнфпии, сырья. Увеличение удельного количества производимого металла за счет оптимизации процессов увеличивает его прибыль и соответственно, повышает конкурентоспоообность производителя алюминия.

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

Производство алюминия в России методом электролиза криолито-глиноземных расплавов является кр>тшомасштабньм, энфгоемким и достигло уже в 70-е годы более 3 млн. тонн в год. Последние 30 лет строительство алюминиевых заводов в нашей стране прекращаюсь из-за общего экономического спада, в частности из-за экологаческих проблем, связанных с этим производством. В настоящее время прирост алюминия достигается за счет интенсификжщи процесса электролиза В зависимости от территориапьного расположения, производственных мощностей, систем газоочистки и типа электролизеров приоритетность задач по охране окружающей среды для алюминиевых заводов различны Например, для Братского алюминиевого завода, оснащенного электролизерами с верхним токоподводом к самообштгающемуся аноду основной является проблеме снижения загрязняющих выбросов в атмосферу, а для Саянского, оснащенного электролизерами с обожженными анодами — это обезвреживание и утилизация отходов основного производства Уровень развития природоохраш-Етельных систем на предприятиях алюминиевой отрасли России намного ниже, чем на аналогичных зарубежных предприятиях Решение проблем по защите окружающей природной среды, улучшения условий труда, повышения технико-экономических показателей работы предприятий невозможно без модернизации и реконструкции основной части алюминиевых заводов России.

Иседедованиями процесса электролиза и разработкой моделей управления процессом электролиза занимаются многие институты, в частности, ВЬМИПИэнергопром, ВНИ№троектэлект|эомонтаж, ВАМИ, ВНИКИ «Т^етметавтоматика» ВНИИ 'Т^юектавтоматика" Автомшизированная система управления технологаческим процессом (АСУ ТП) <<Алюмишш-3>> была, разработана в начале 70-х годов, оказалась оптимальным решением проблемы автоматизации. За прошедшие 30 лет она практически не модернизировалась^ значительно перекрыв физические и моральные ресурсы Проведение экспериментальных исследований на реальных объектах сопряжено со значительными трудностями, связанными с большими трудозатратами. Поэтомурешением может быть проведение исследований на компьютерных моделях.

В диссфтационной работе разрабатываются алгоритмы поиска оптимизационных показателей, методы синтеза компонент и моделирования системы управления процессом электролиза.

Таким образом, в диссертационной работе ставятся следующие цели:

• Разработка принципов компьютерного моделирования для систем управления процессом электролиза.

• Обоснование выбора регрессионной модели при параметрической идентификации процесса электролиза.

• Использование современных прикладных пакетов для синтеза локальных компонент системы управления процессом электролиза.

• Разработка алгоритмов поддержания оптимального технологического режима процесса электролиза, обеспечивающего оптимальное управление отдельным электролизером, с учетом существующих ограничений на технологические параметры.

К основным задачам дассфтздионной работы относятся:

— использование системного подхода к моделированию системы управления процессом электролиза (структурная идентификация топологическим методом, принципы компьютерного моделирования для процесса электролиза);

— обоснование выбора рефессионной модели при параметрической вдшшфикации процесса электролиза;

— синтез локальных компонент системы управления методом структурных чисел и цепных дробей;

— разработка алгоритмов поиска ошимизационньк показателей процесса электролиза, с учетом ограничений на технологические параметры Объектом исследования является процесс электролиза алюминия криолито-глинозеашых расплавов. Предметом исследования является поиск оптимального технологического режима работы отдельного электролизера, синтез локальных компонент системы управления процессом электролиза, принципы системного подхода, и компьютерного моделирования для процесса электролиза.

В диссертационной работе использовались методы теории управления сложными многосвязными объектами, системного анализа, функционального анализа метод уравнений и аналогий, метод экспертных оценок, теории графов, матричного исчисления, линейной алгебры, рефесшонного анализа и первичной обработки данных, топологии, шмплекс-метод.

Результаты работы получены с помощью следующих программных пакетов:

— МАЛЪАВ 5.2 использовался для моделирования систем управления;

— в MAPLE 5 написаны программы синтеза локальных компонент СУ методом структурных чисел и цепных дробей;

— на MATHCAD 7 производился расчет коэффициентов регрессионной модели и соответствующих оценок.

Научная новизна работы заключается в следующем:

— в обосновании выбора метод, а рефесшонного анализа при пфаметрической идентификации,.

— в разработке алгоритмов поиска оптимизационных показателей процесса электролиза;

— в разработке программ синтеза локальных компонент СУ методом структурных чисел и цепных дробей;

— в разработке принципов компьютерного моделирования процесса электролиза.

В качестве информационных источников использованы — научные источники в виде данных и сведений из книг, журнальных статей, научных докладов и отчетов, материалов научных конференщш и семинаровg.

— сггашсшческие источники в виде отечественных и зарубежных сггашстических материалов, данных отдельных организаций, например, БрАЗа;

— официальные документы, например, ГОСТ 13 109–67.

Исследования автора выполнялись в рамках госбюджетных тематик 'Топологические методы идентификации и синтеза систем управления многосвязными объектами" (код ГРНГИ 271 919) и '^следование принципов построения и создания проблемно-ориентированных вычислитеяьньк средств, систем, сетей и 1J1111 для решения задач", выполняемых в Братском государственном техническом университете по направлению 'Топологическая теория синтеза и вдеттификации многосвязных объектов управления" .

Результаты работы могут быть использованы в различных областях прикладной деятельности человека, таких как:

— разработка, проектирование и созд ание систем автоматического управления;

— производства, в которых используется электролиз, в первую очередь, электролиз алюминия;

— моделирование сложных многосвязных систем.

Основные результаты работы докладывались на научно-технических конференциях Братского государственного технического университета (19 научно-техническая конференция — Братск, 1998; 20 научно-техническая конференция — Братск, 1999; 21 научно-текшмеская конференция.

— Братск, 2000; 22 научно-техническая конференция — Братск, 2001; Межвузовский тематический сборник трудов. Выпуск 5. — Санкт-ГЪтербург, 1999; Межвузовский тематический сборник трудов. Вщуск 6. — Санкт-Петербург, 2000; Межвузовский тематический сборник трудов. Шггуск 7. -Сдакт-Петербург, 2001; вторая международная научно-техническая конференции. — Барнаул: АГТУ, 2001).

Г1о теме диссертаций опубликовано 13 работ, в том числе 7 статей, 6 тезисов докладов.

Выводы:

1. Приведена общая структура получения оптимшшных решений зад ач управления при использовании параметрического подхода.

2. Получены ограничения, накладываемые на технологические параметры, при проектировании систем управления процессом электролиза.

3. Применительно к процессу электролиза проведена адаптация алгоритма декомпозиции задачи синтеза системы управления и USWO-алгоритма.

4. Разработаны методика разбиения управляющих параметров на три класса и алгоритм формирования упрашиющих воздействий.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Проведено доказательство корректности выбора метода рефессионного анализа для решения задачи параметрической идентификации процесса, электролиза (на примфе построения модели количества выливаемого металла).

2. Предложен шстемный подход и основные принципы моделирования системы управления процессом электролиза.

3. Цжмешттелыю к процессу электролиза проведена адаптация алгоритма декомпозиции задачи синтеза системы управлениям USWO-алгоритма;

4. Разработаны методика разбиения управляющих параметров на три класса и алгоритм формирования упржляющих воздействий.

5. Исследованы различные методы для синтеза локальных компонент систем управления (цепные дроби, структурные числа) и проведено фавнение полученных результатов.

6. Написаны профаммы синтеза, локальных компонент систем управления с использованием аппарата цепных дробей и метода структурных чисел.

7. Предлагается следующая схема использования современных прикладных пакетов для компьютфного моделировееия процессов электролиза.

— MathConnex — шстемный интефатор, служащий, во-тгервых, для интеграции различных, гфшюжший друг с другом, во-вторых для.

124 обеспечения их совместной работы с использованием: обьекпвых связей OLE2;

Excel — предварительная сяшисшческая обработка данныхMatLAB — гфоектирование, моделирование САУ;

Maple 5 — решение вспомогательных задач, в первую очередь, связанных с символьными вычислениями.