Моделирование и оптимизация класса многофакторных процессов в условиях временного дрейфа (на примере процесса линтерования)

Хлопок имеет большое значение для народного хозяйства нашей страны. Нет ни одной отрасли народного хозяйства, где бы ни применяли хлопок или продукты его переработки.

В решениях партии и правительства по экономическому и социальному развитию СССР на период до 1990 года предусмотрено увеличение производства хлопка-сырыа на 3−4% и доведение его среднегодового производства до 9,2 — 9,3 млн. тонн /I/.

С возникновением и развитием электронно-вычислительной техники стало практически реальным решение широкого круга задач, связанных с математическим моделированием, алгоритмизацией и оптимальным управлением сложными технологическими процессами в различных отраслях народного хозяйства, в том числе и в хлопкоочистительной промышленности.

С увеличением доли хлопка-сырца машинного сбора, характеризующегося повышенной засоренностью, проблема повышения качества его переработки все острее ставится перед хлопкоочистительной промышленностью. Получение выходного продукта с высокими качественными показателями является важнейшей проблемой этой отрасли народного хозяйства.

В связи с этим большое значение приобретает разработка теоретических и прикладных вопросов построения, реализации и промышленного исследования автоматизированных систем управления процессами первичной обработки хлопка-сыриа.

В регламентированном процессе первичной обработки хлопка-сырца одним из основных технологических процессов является процесс линверования хлопковых семян. Учитывая, что хлопковый линт является ценным сырьем для текстильной, ватной и химической промышленности, возникает задача организации управления процессом линтерования в строгом соответствии с требованиями технологического регламента.

Дальнейший прогресс в этой области зависит от разработки и внедрения высокоэффективных систем автоматического управления, работающих в оптимальных режимах. Разработка системы оптимального управления процессом линтерования хлопковых семян требует решения ряда задач и, в первую очередь, задач, связанных с математическим моделированием процесса.

В настоящее время появилось много научных разработок, касающихся проблем моделирования разделительных процессов в различных отраслях промышленности (химической, металлургической, пищевой). Однако работ, посвященных исследованиям линтерных агрегатов, как объекта управления на основе современных математических методов, весьма немногочисленны. Имеющиеся экспериментальные данные по процессу линтерования в производственных условиях также весьма скудны. Все это обусловлено наличием определенных трудностей, связанных со спецификой процессов первичной обработки хлопка-сырпа.

Подобные задачи должны быть решены при неполном знании механизма изучаемых явлений, в услови&с сложного влияния одновременно большого количества независимых переменных на величину параметра оптимизации.

Это заставляет искать пути, позволяющие обеспечить принятие решений, близких к оптимальным. Один из таких путей связан с использованием современных математических методов планирования экспериментов.

При планировании эксперимента очень часто приходится сталкиваться с источниками неоднородное гей непрерывного типа. Эти источники вызывают непрерывное изменение свойств объекта — дрейф его выходных параметров во времени.

Часто действие неуправляемых факторов выражается в виде аддитивного дрейфа, т. е. смещения поверхности отклика без ее деформации, а сама функция дрейфа имеет достаточно «плавный» характер и может быть представлена полиномом невысокой степени.

В связи с этим, задачи математического моделирования и оптимизации многофакторьых процессов в условиях временного дрейфа являются своевременными и актуальными.

Настоящая работа выполнена в рамках целевой комплексной научно-технической программы 0.Ц.026 «Автоматизация управления технологическими процессами, производствами, машинами, станками и оборудованием с применением мини-ЭВМ и микро-ЭВМ на 1981;1985 годы», утвержденной постановлением ГКНТ СССР и Госпланом СССР от 12.12. 80 года № 473/249 (приложение N2 2).

Объект исследования. В качестве объекта исследований выбран процесс линтерования хлопкоочистительного производства.

Целью работы является исследование вопросов математического моделирования в условиях временного дрейфа, оптимизация и разработка системы оптимального управления процессом линтерования.

Методы исследования базируются на аппарате теории планирования эксперимента, теории вероятностей и математической статистики, вычислительной математики и теории автоматического управления.

Научная новизна заключается в следующем:

— проведен анализ методов планирования эксперимента и критериев эффективности планов;

— выбраны планы в задачах многофакторного эксперимента в условиях неоднородностей типа неуправляемого дрейфа;

— проведен спланированный эксперимент согласно планам ортогонального планирования и полного факторного эксперимента в условиях временного дрейфа;

— определен порядок дрейфа, а также исключение его влияния, путем планирования эксперимента «ортогонально дрейфу» ;

— разработана и исследована математическая модель процесса;

— решена задача многокритериальной оптимизации;

— произведен синтез системы оптимального управления процессом линтерования с комплексом технических средств.

Практическая ценность. Полученные в диссертационной работе результаты могут быть использованы при синтезе оптимальных систем управления для объектов с временным дрейфом выходных характеристик.

Внедрение результатов работы. Разработанные математические модели и алгоритмы оптимизации использованы при синтезе системы оптимального управления процессом линтерования, которая принята к внедрению Дальвёрзинским хлопкоочистительным заводом. Предложенный режим ведения процесса и система оптимального управления позволяют снизить засоренность и сохранить природные качества хлопкового лин-га, уменьшить опушенность хлопковых семян, а также увеличить производительность по хлопковому линту.

Разработанное устройство контроля качественных параметров процесса линтерования позволяет вести непрерывный контроль за ходом технологического процесса.

Ожидаемый экономический эффект от внедрения результатов работы на одном типовом хлопкоочистительном заводе составляет 29,2 тыс. рублей в год.

Результаты опытно-промышленной эксплуатации внедренных оптимальных режимов ведения процесса линтерования дают основание рекомендовать ее для внедрения и на других хлопкоочистительных заводах, которых в СССР насчитывается более ста шестидесяти.

Диссертационная работа посвящена вопросам моделирования и оптимизации многофакторных процессов в условиях временного дрейфа и состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографии и приложений .

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались автором и обсуждались на: П Всесоюзной межвузовской научно-технической конференции «Математическое, алгоритмическое и техническое обеспечение АСУТП (Ташкент, 1980 г.) — П Всесоюзном семинаре «Методы синтеза и планирования развития структур сложных систем (Ташкент, 1981 г.) — Республиканской научно-техническсй конференции по электроавтоматическому управлению и регулированию производственных процессов (Ташкент, 1975 г.) — Всесоюзной научно-технической конференции «Теория устройств и систем с распределенными параметрами» (Уфа, 1976 г.)» ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Ташкентского Политехнического института (1973;1983 гг.) — научно-технической конференции «Автоматизация с применением электро-технических устройств и автоматизированное управление производственными процессами в отраслях народного хозяйства (Ташкент, 1978 г.) — Республиканской конференции молодых ученых и специалистов «Актуальные проблемы в области общественных, естественных и технических наук» (Самарканд, 1978 г.) — Всесоюзной конференции «Измерение и контроль при автоматизации производственных процессов (Барнаул, 1982 г.) — б-ой Всесоюзной межвузовской конференции «Теория и методы расчета нелинейных цепей и систем» (Ташкент, 1982 г.) — 9-й республиканской школы молодых ученых и специалистов по АСУ и автоматизации проектирования (Ташкент, 1984 г.) — объединенном научнои семинаре лабораторий института кибернетики с ВЦ УзНПО «Кибернетика» АН УзССР (Ташкент, 1984 г.).

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 15 научных работах.

В первой главе диссертационной работы даются технологические особенности и основные параметры процесса с точки зрения задач моделирования и управления. Определены основные задачи и цель исследования.

Рассмотрены и проанализированы известные методы математического моделирования непрерывных технологических процессов. В результате проведенного анализа было выявлено, что на данном уровне знаний сущности процесса линтерования и внутренних физико-механических закономерностей наиболее подходящим инструментом исследования являются экспериментально — статистические методы для разработки математических моделей и оптимизации исследуемого процесса.

На: основе предварительного изучения и анализа априорной информации о процессе, произведены формализация параметров и выбор основных управляемых переменных процесса.

Во второй главе рассмотрены задачи и методы планирования эксперимента в применении к процессу линтерования. Дан анализ математического аппарата планирования эксперимента и в частности планирования эксперимента в условиях неуправляемого временного дрейфа, а также критериев эффективности планов при решении задач моделирования и оптимизации многофакторных процессов в хлопкоочистительной промышленности. Важным вопросом при экспериментальном определении параметров математической модели является определение структуры и точности получения оценок параметров, а также вопрос корректности постановки экспериментов на объекте.

Было выявлено, что свойства объекта управления изменяются заранее непредвиденным образом. Происходит произвольный дрейф характеристик объекта во времени из-за действия неуправляемых факторов. Для выявления дрейфа параметров оптимизации был проведен промышленный эксперимент на действующем объекте с последующей обработкой полученных экспериментальных данных.

Третья глава посвящена разработке и исследованию математической модели процесса. Произведен выбор и расчет уровней варьирования основных управляемых переменных процесса с тем, чтобы при исследовании охватывался максимально возможный диапазон режимов.

Эффективность экспериментального исследования в значительной степени зависит от методики проведения эксперимента. Поэтому для получения математической модели по всем параметрам оптимизации был организован спланированный эксперимент согласно планам ортогонального планирования и применения полного факторного эксперимента в условиях непрерывного дрейфа характеристик объекта во времени. Был определен порядок дрейфа, а также исключение его влияния (элиминирование дрейфа) путем планирования эксперимента «ортогонально» к дрейфу и построение математической модели с учетом неуправляемого временного дрейфа. В работе приводится статистический анализ полученных математических моделей, а также проверка на адекватность моделей реальному процессу. Произведен дисперсионный анализ математических моделей с временным дрейфом характеристик.

Б четвертой главе рассматриваются вопросы оптимизации, определяющие эффективность работы объекта управления. Для решения оптимизационной задачи использованы методы нелинейного программирования, в частности, градиентные методы. Методом «крутого восхождения» произведена оптимизация и планирование опытов для функций отклика с дрейфом характеристик, а также массы семенного валика.

На основе анализа требований, предъявляемых к процессу линте-рования, произведен выбор критерия оптимальности. Выбранный критерий представляет собой компромиссную задачу. Компромиссная задача заключается в минимизации засоренности хлопкового линта, поврежденное ти и опушенности хлопковых семян с соблюдением позиционных ограничений, накладываемых на технологические переменные процесса. Дается решение оптимизационной задачи методом сканирования. Данный метод предусматривает последовательный просмотр значений критерия оптимальности независимых переменных и нахождения среди них такой, в которой критерий оптимальности имеет минимальное значение.

Пятая глава диссертационной работы посвящена разработке системы оптимального управления процессом линтерования хлопковых семян. Структура системы оптимального управления строится на принципах минимизации числа ступеней и с учетом простых связей меаду подсистемами и элементами общей схемы. Произведен синтез оптимального управления технологическим процессом линтерования хлопковых семян, с передачей всех функций управления на ЭВМ.

Выбор комплекса технических средств для системы оптимального управления решен с учетом всего комплекса средств сбора, накопления, передачи, обработки и отображения информации.

В данной главе нашло отражение разработка специализированного преобразователя первичной информации для определения плотности семенного валика в процессе линтерования хлопковых семян.

В этой же главе даны результаты промышленных испытаний и технико-экономический эффект от внедрения системы оптимального управления процессом линтерования.

В приложении даны расчеты экономической эффективности от внедрения системы оптимального управления процессом линтерования и акт принятия к внедрению результатов работы.

Диссертационная работа выполнена в Узбекском ордена Трудового Красного Знамени Научно-производственном объединении «Кибернетика» Академии Наук УзССР.

Выводы по главе У.

1. Разработана система оптимального управления технологическим процессом линтерования с использованием комплекса вычислительных устройств, который обеспечивает высокую эффективность работы объекта управления на основе разработанных математических моделей и алгоритмов управления.

2. Выбран комплекс технических средств для системы оптимального управления с учетом всего комплекса средств сбора, накопления, передачи, обработки и отображения информации.

3. Разработан специализированный преобразователь первичной информации для определения плотности семенного валика в процессе линтерования.

4. Проведены промышленные испытания, разработанных на основе математических моделей и оптимальных режимов ведения процесса линтерования. Технико-экономическая эффективность от внедрения оптимальных режимов ведения процесса и оптимальной системы управления линтерованием составляет 29,2 тыс. руб. в год по одному типовому хлопкоочистительному заводу.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

I. Проведен анализ процесса линтерования. Установлено, что данный процесс характеризуется сложностью, наличием большого числа неконтролируемых возмущений и недостаточной изученностью. В этих условиях наиболее эффективным средством построения математической модели процесса является экспериментально-статистический метод.

2. На основе предварительного изучения и анализа априорной информации, произведены формализация параметров и выбор основных технологических управляемых переменных процесса, а также выбор и расчет уровней варьирования с тем, чтобы при исследовании охватывался максимально возможный диапазон изменения режимов.

3. Проведен анализ методов планирования эксперимента и критериев эффективности планов. Показано, что для решения большинства задач достаточно ограничиться полиномом второго порядка. Рассмотрены задачи планирования многофекторрого эксперимента в условиях неоднородноегей типа неуправляемого дрейфа, характеризующего непрерывное изменение свойств объекта во времени.

4. Показано, что свойства объекта управления претерпевают временной дрейф. Для выявления дрейфа параметров оптимизации проведен промышленный эксперимент с последующей обработкой полученный экспериментальных данных.

5. Проведен спланированный эксперимент согласно планам ортогонального планирования и полного факторного эксперимента в условиях временного дрейфа характеристик объекта. Определен порядок дрейфа, а также исключение его влияния (элиминирование дрейфа), путем планирования эксперимента «ортогонально дрейфу» .

6. Разработана и исследована математическая модель процесса на основе экспериментального исследования. Произведен статистический анализ и даны результаты дисперсионного анализа математической модели с временным дрейфом характеристик.

7. Рассмотрены критерии эффективности разделительных процессов. Сформулированы требования к критериям эффективности. Проведена локальная оптимизация с использованием градиентных методов. Исходя из уловий увеличения выхода целевого продукта, улучшения качественных показателей, выбран компромиссный критерий оптимального управления.

8. Поставлена и решена задача многокритериальной оптимизации, предусматривающая минимизацию засоренности хлопкового линта, поврежденноети и опушенности хлопковых семян с соблюдением позиционных ограничений, накладываемых на технологические переменные процесса.

9. Разработаны система оптимального управления с использованием комплекса вычислительных устройств и специализированный преобразователь первичной информации для определения плотности семенного валика в процессе линтерования.

10. Проведены промышленные испытания, разработанных на основе математических моделей оптимальных режимов ведения процесса линтерования. Технико-экономическая эффективность от внедрения оптимальных режимов введения процесса и оптимальной системы управления линтерованием составляет 29,2 тыс .руб. в год по одному хлопкоочистительному заводу.