Разработка моделей функционирования, алгоритмов идентификации и управления взаимосвязанных систем (на примере современных магистральных газопроводов)

В последние годы перед всеми отраслями народного хозяйства поставлены большие и сложные задачи по совершенствованию управления производством и повышению его эффективности. Создание эффективных автоматизированных систем управления сложными объектами требует тщательного экспериментального исследования их, построения адекватных математических моделей, формулировки критериев оптимизации и методов расчета оптимальных режимов функционирования. Современный уровень развития науки и техники, связанный с ростом сложности технологических задач, привлекает большое внимание специалистов, занимающихся созданием обобщенных математических моделей, универсальных алгоритмов для автоматизации расчета режимов функционирования объектов сложной системы [35,52,53,54,57,74-]. В настоящее время не существует достаточно общего определения сложной системы [21,72,74,83,106]. Поэтому исследователи в зависимости от типа объекта исследования вводили то или иное понятие сложной системы, которое может быть удачно применено только для рассматриваемого объекта. К характерным особенностям сложных систем можно отнести следующие: наличие большого числа взаимосвязанных между собой элементоврасчленение системы на подсистемы, а подсистемы на отдельные взаимосвязанные элементымногомерность системымногокритериальностьмногообразиектурыиерархичность и единство целей дл всей системы [19, 21,47,51,55,72,97 ] .

Большой вклад в развитие теории управления сложными объектами и системного анализа внесли советские и зарубежные ученые [ 1,13,14,22,29,34,47,50−59,70−74,83,97,105 ]. Научно-обоснованные теоретические и прикладные исследования их нашли практическое применение в различных областях народного хозяйства. Результаты их разработок использованы также и в данной диссертационной работе, в которой исследуются объекты сложных многониточных взаимосвязанных систем с распределенными параметрами и систем с многоступенчатой иерархической структуры соединения элементов применительно к реальным условиям систем дальнего транспорта газа.

Выский. темп развития систем дальнего транспорта газа нашей страны также непосредственно связан с именами ученых [1,2,7,16, 31,38,60,73,85,92,99,107], чьи исследования и научно-технические результаты являются основой для разработки обобщенных математических моделей функционирования, создания алгоритмов идентификации и управления многониточными системами магистральных газопроводов.

Многониточные взаимосвязанные системы с распределенными параметрами, которые описываются дифференциальными уравнениями в частных производных, могут быть применены в различных областях энергетической системы страны и характеризуются: многосвязан-ностьюналичием неконтролируемых и плохоконтролируемых параметров на входе и выходе элементовизменением характеристик по неизвестной причинесложными зависимостями в узлах примыкания между элементамираспределенностью параметров и т. д. Построение систем автоматизированного управления подобными сложными объектами связано с исследованием рассматриваемого комплекса, получением информации об управляемом элементе, подсистемах и системе в целом, оценкой их параметров и технологических характеристик [1,11,14,22,32,50,66,87,105] .

Построение адекватных математических моделей многониточных систем с распределенными параметрами является основной проблемой для решения той или иной задачи управления сложными процессами и для него используются экспериментальные данные по входным и выходным переменным, конкретизация взаимосвязанности, условий примыкания и балансовых соотношений между соседними элементами системы. Более эффективными|для экспериментального изучения зависимости параметров и взаимосвязанности элементов являются методы теории вероятностей и математической ота-тистики [13,24,33,58,69,78,79,82,91,98] .

При этом современные требования, предъявляемые к исследованиям взаимосвязанных систем, обусловливают постановку и решение научно-технических задач, которые связаны о реальными запросами производства. Традиционные научно-технические исследования таких систем начинаются с разработки общих математических моделей и алгоритмов, их реализацией на ЭВМ, а затем рассматриваются вопросы внедрения результатов в народном хозяйстве. Кроме того, теоретические и прикладные исследования не всегда взаимообусловлены, что затрудняет непосредственное внедрение полученных результатов. Поэтому представляют как научно-технический, так и производственный интерес исследования взаимосвязанных систем, всемерно приближенные к реальным условиям, как по постановке задач, так и по исходной информации, используемой для их решения.

К таким системам могут быть отнесены многониточные взаимосвязанные системы газопроводов с распределенными параметрами и системы с многоуровневой иерархической структурой соединения элементов, для которых представляют большой интерес исследования моделей, разработка алгоритмов функционирования и идентификации параметров, а также оптимизации и управления. Указанные системы имеют прямую связь с современными действующими и проектируемыми магистральными газопроводами и обслуживающими их компрессорными станциями.

— 5.

Целью настоящей работы является:

— разработка обобщенной дискретной математической модели и вычислительного алгоритма функционирования многониточных взаимосвязанных систем с распределенными параметрами, описывающих стационарные и динамические процессы в современных системах дальнего транспорта газа;

— разработка и обоснование алгоритма идентификации параметров рассматриваемой системы с распределенными параметрами на основе метода стохастической аппроксимации применительно к системам дальнего транспорта газа;

— разработка обобщенной математической модели и алгоритма расчета функционирования и управления иерархической системой, описывающей состояние современных компрессорных станций при произвольных соединениях элементов и режимах их работы;

— разработка и практическая апробация в реальных условиях следующих комплексов программных средств: а) расчета функционирования многониточной системы газопроводов при произвольном их соединении при стационарном и нестационарном режимахб) идентификации параметров многониточных взаимосвязанных систем с распределенными параметрами с использованием информации, поступающей с реально действующего магистрального газопроводав) расчета параметров систем, описывающих состояние компрессорной станции с целью анализа функционирования элементов и синтеза состояния системы, отвечающих требуемым качествам на входе и выходе при минимальных энергозатратах;

— внедрение полученных результатов исследований на конкретных объектах.

Научная новизна исследований:

1. Разработаны математическая модель и алгоритм расчета параметров функционирования многониточных взаимосвязанных систем с распределенными параметрами применительно к реальным производственным условиям современных систем дальнего транспорта газа. В силу общности постановки задачи как по геометрии расположения элементов системы, так и по внутренним и внешним условиям, предложенные решения могут быть непосредственно использованы в расчетах функционирования реально действующих магистральных газопроводов, а также при создании их новых структур, соответствующих качеству функционирования с новыми техническими требованиями к эксплуатации.

2. Предложены математические модели и алгоритмы идентификации параметров многониточных взаимосвязанных систем с распределенными параметрами при статическом и динамическом режимах функционирования при задании исходной информации с реально действующего магистрального газопровода. При этом нет необходимости рассматривать модели эквивалентных трубопроводов, так как используемый метод расчета позволяет находить параметры идентификации для каждого отдельно взятого трубопровода независимо от сложности соединения элементов системы при произвольных внутренних условиях, а также условиях на входе и выходе системы.

3. Предложены математические модели и алгоритм расчета функционирования систем газоперекачивающих агрегатов при произвольных их соединениях и режимах работы применительно к условиям функционирования реально действующих современных компрессорных станций. Это позволяет выполнить требуемые расчеты анализа и синтеза систем, режимов работы ее элементов, обеспечивающих наилучшее функционирование системы с требуемым качеством на входе и выходе.

Для математического моделирования и разработки алгоритмов расчета задач функционирования, идентификации, анализа и синтеза рассматриваемых систем применен аналитический аппарат математического описания процессов, широко используемый в теоретических и прикладных исследованиях, а также численные методы решения краевых задач для параболических систем, методы стохастической аппроксимации и математического анализа, которые используются в сочетании с вычислительным экспериментом на современных ЭВМ.

Практическая ценность работы. Результаты исследований приняты к внедрению и внедрены на объектах Мингазпрома СССР в промышленных объединениях «Средаэтрансгаз», «Тюменгазпром», которыми приняты следующие разработки:

— «Методика расчета и анализа на ЭВМ газодинамических параметров линейной части магистральных газопроводов с отводами и подкачками при стационарном и нестационарном режимах транспорта газа» .

— «Исследование газодинамических параметров и технико-экономических показателей компрессорных станций и линейной части магистральных газопроводов (КСЛМГ)» .

— «Газодинамические расчеты параметров нестационарного движения жидкости и газа в сложных многониточных нефтегазопроводах» .

Результаты исследований вошли в дополнительную тематику ГКНТ при Совете Министров СССР «Разработать и внедрить в Среднеазиатском производственном объединении по транспортировке и поставке газа (П/0 «Средаэтрансгаз») пакет прикладных программ системы автоматизированного проектирования газотермодинамических расчетов для повышения эффективности проектирования и эксплуатации магистральных газопроводов и сдать в Государст.

— 8 венный фонд алгоритмов и программ" .

Апробация работы. Основное содержание работы было доложено и обсуждено: на научно-техническом совете ВНПО «Союзгазавтоматика» (Москва, 1978;1980 гг.) — на УП Всесоюзном семинаре по комплексам программ математической физики (Ташкент, 1983 г.) — на республиканском семинаре-совещании по созданию автоматизированных систем управления производством (Ташкент, 1973 г.) — на производственно-техническом совете ВПО «Тюменгазпром» (Тюмень, 1983 г.) — на производственно-техническом совете ПО «Средазтранс-газ» (Ургенч, 1980;1984 гг.) — на городских конференциях молодых ученых АН УзССР (Ташкент, I972-I98I гг.) — на семинарах лабораторий «Оптимизации систем газоснабжения на ЭВМ» УзНПО «Кибернетика» АН УзССР (Ташкент, 1972;1984 гг.) — на семинаре кафедры «Аэрогидродинамика» Ташкентского политехнического института им. А. Р. Беруни (Ташкент, 1982;1984 гг.).

Публикация. Научно-технические результаты исследований, отраженные в диссертации, опубликованы в 10 научных работах [ 2,3, 4,40,41,42,43,44,45,84j .

Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованной литературы и приложений.

основные вывода.

1. Разработаны модели' и алгоритмы расчетов функционирования многониточных взаимосвязанных систем с распределенными параметрами с учетом общей структуры соединения элементов, имеющий место в реальных условиях функционирования систем дальнего транспорта газа. Машинными экспериментами, расчетами реальных систем, сопоставлением с данными фактических наблюдений на функционирующих системах показана высокая достоверность и надежность результатов расчета на ЭВМ.

2. Разработаны модели и алгоритмы идентификации параметров многониточных взаимосвязанных систем с распределенными параметрами, которые позволяют получить достоверные и надежные результаты в условиях использования исходной информации с реально функционирующих систем дальнего транспорта газа. Методы расчета функционирования и идентификации параметров многониточных систем, позволяющие получить решения с высокой приемлемой для производственных условий точность, разработаны впервые и развивают алгоритмические решения, использующие положения теории нелинейных разностных схем и стохастической аппроксимации для систем дальнего транспорта газа.

3. Разработаны модели и алгоритмы расчета функционирования, идентификации параметров и оптимального управления сложными иерархическими системами, применительно к современным магистральным газопроводам с любой сложной структурой соединения агрегатов и комбинацией условий на входе и выходе. Реализация моделей и алгоритмов расчета в условиях функционирования современных компрессорных станций показала высокую достоверность результатов анализа и синтеза систем и управления по минимуму суммарных энергозатрат при заданных технологических ограничениях.

4. Модели и алгоритмы, разработанные в работе, апробированные в широких машинных экспериментах и реализованные в реальных производственных условиях, могут быть непосредственно использованы в практических целях. Разработанные комплексы унифицированных программных средств могут быть приложены в соответствующем математическом обеспечении автоматизированных систем проектирования и управления современными магистральными газопроводами.

5. Результаты научно-технических исследований, проведенных в работе, получили реальное внедрение в производство в условиях среднеазиатских систем транспорта газа и систем транспорта газа в северных условиях, что свидетельствует об общности математических моделей, алгоритмов и программных средств расчета на ЭВМ, пригодных для решения научно-технических и производственных задач в достаточно общей постановке. Экономический эффект от внедрения результатов исследований в народное хозяйство по актам внедрения составляет двести тысяч рублей в год.