Разработка оптимальных структур подсистем управления материальными потоками в АСУ ТП водообработки

Качество управления потоками воды, воздуха, ила, осадков, суспензий и пульп в современных трёхуровневых иерархических АСУ ТП систем водообра-ботки (СВО) во многом определяет точность отработки управляющих воздействий и, соответственно, качество управления технологическими участками на верхних уровнях иерархии. В АСУ ТП СВО подсистемы управления материальными потоками играют роль нижнего высокочастотного каскада. Их несовершенство вызывает нестабильность потоков, которая снижает эффективность режимов работы многих технологических агрегатов и сооружений, что, в конечном итоге, приводит к существенному перерасходу дорогостоящих реагентов и электроэнергии.

Поэтому экономически обоснованный выбор этих нижних высокочастотных каскадов должен производиться обязательно с учётом влияния их работы на качество управления технологическими показателями, стабилизируемыми среднечастотными подсистемами АСУ ТП, формирующими сигналы изменений задания подсистемам управления потоками, а также с учётом энергоёмкости управления и качества стабилизации потоков.

Задача синтеза подобных подсистем в СВО включает в себя две автономно решаемые подзадачи: выбора способа реализации управляющего воздействия и выбора оптимальной структуры подсистемы. К настоящему времени известны результаты лишь отдельных попыток решения первой подзадачи и фактически не исследована зависимость эффективности управления СВО от возможных структур подсистем, вследствие чего до сих пор отсутствует научно эбоснованная методика их синтеза. Поэтому настоящая работа посвящена преимущественно решению второй из упомянутых выше подзадач. Её актуальность связана с тем, что развитие и совершенствование АСУ ТП и СВО, по-шшение их эффективности и улучшение эксплуатационных характеристик не юзможны без проведения специальных исследований по разработке оптимальных структур управления материальными потоками и, соответственно, математических моделей и алгоритмов управления.

Работа выполнялась в соответствии с индивидуальным планом обучения в аспирантуре МГСУ и планами НИР кафедры Автоматизации инженерно-строительных технологий в рамках межвузовской научно-технической программы «Строительство» (научное направление 7.1 — Совершенствование систем водо-, газо-, теплои энергосбережения населённых пунктов, зданий и сооружений).

Цель работы — разработка научно обоснованной методики синтеза оптимальных структур подсистем автоматизированного и автоматического управления материальными потоками в АСУ ТП СВО.

Для достижения поставленной цели:

— изучены структуры, характеристики и особенности декомпозиции задачи синтеза систем управления потоками, выполняющих в составе иерархических АСУ ТП СВО роль подсистем нижнего высокочастотного каскада, на автономно решаемые подзадачи выбора оптимального технического обеспечения управления и структурного синтеза подсистемы;

— исследованы условия частотной декомпозиции математической модели подсистемы управления материальными потоками на высокочастотную и сред-нечастотную части, разработаны математические модели этих частей и их линейные приближения с учётом свойств применяемых на аэрационных и водонапорных станциях насосных агрегатов, воздуходувных машин и систем технологического контроля;

— разработана методика оценки точности управления потоком, учитывающая параметры управляемого технологического процесса водообработки, воздуходувок, насосов, регулируемого электропривода, воздухопроводной и гидравлической сетей и характеристик возмущающих воздействий при оптимальных параметрах контуров управления;

— предложен и исследован характеристический показатель эффективности одноконтурной или каскадной структуры подсистемы управления математическими потокамиразработана методика структурного синтеза этих подсистем для САПР АСУ ТП СВО, основанная на использовании этого характеристического показателя;

— разработаны алгоритмы непосредственного цифрового управления технологическими параметрами аэрации и система оптимального распределения потоков между параллельно работающими аэротенками;

— экспериментально проверены основные научные результаты.

В перечисленных исследованиях и разработках были использованы методы линейного синтеза управления, нелинейного программирования при параметрической оптимизации систем, методы теории случайных процессов, методы оптимального моделирования факторных экспериментов и методы математического моделирования технологических процессов и электроприводов, работающих в нестационарных условиях по воздействием случайных возмущений.

Научной новизной обладают следующие основные результаты выполненных исследований:

• математические модели подсистем управления потоками воды и воздуха в качестве нижнего уровня иерархической АСУ ТП СВО, способы частотной декомпозиции этих моделей и линейные математические описания их высокочастотной и среднечастотной частей;

• экспоненциально-степенная аппроксимация частотных характеристик подсистемы управления потоком, аналитическое описание зависимости параметров аппроксимации от параметров нагнетателя, линейной модели управляемого объекта, схемы технологического контроля и характеристик возмущений;

• метод определения дисперсии колебаний управляемых параметров технологических процессов водообработки и участвующих в них материальных потоках воды, воздуха и суспензий;

• критерий целесообразности каскадной структуры подсистемы управления потоками и основанная на его применении методика структурного синтеза подсистемы на стадии проектирования АСУ ТП СВО- • принцип координации работы агрегатов водообработки и разработанные на его основе способы оптимального распределения нагрузки между параллельно работающими аэротенками.

Практическая значимость разработанной методики синтеза подсистем управления потоками в АСУ ТП СВО состоит в том, что она позволяет в каждом конкретном случае определить экономически рациональный способ реализации управляющих воздействий, технические средства и структуру подсистем управления потоками воды и воздуха. Предварительные ориентировочные расчёты показывают, что использование полученных результатов позволит не только повысить технико-экономические показатели работы станций водообработки за счёт снижения более чем на 15% затрат электроэнергии, но и существенно сократить сроки и стоимость НИР и ОКР для проектируемых систем.

На основе полученных практических результатов для научно-производственных фирм и проектных организаций подготовлены рекомендации по выбору способов и технических средств автоматического управления потоками при очистке природных и сточных вод. Эти же результаты используются в учебном процессе при подготовке в МГСУ инженеров по специальностям: 21.02 — Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами в строительстве, 29.08 — Водоснабжение, водоотведение, рациональное использование и охрана водных ресурсов, 29.13 — Механизация и автоматизация строительства.

Результаты исследования отображены в 9 публикациях автора, докладыва-(шсь и обсуждались на 13-й международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях — ММТТ-2000» (секция «Информатизация технических систем и процессов», г. Санкт-Петербург, 2000 г.), 54-й междуна-юдной конференции молодых учёных «Актуальные проблемы современного строительства» (г. Санкт-Петербург, 2000 г.), 2-й и 3-й научно-практических конференциях молодых учёных, аспирантов и докторантов МГСУ «Строительство сформирование среды жизнедеятельности» (г. Москва, 1999, 2000 г. г.) научно-практической конференции «Строительство и экология» (г. Пенза, 1999 г.), заседаниях Учёного Совета факультета «Механизация и Автоматизация строительства» и научных семинарах кафедры Автоматизации инженерно-строительных технологий МГСУ.

Автор выражает глубокую признательность заведующему кафедрой Автоматизации инженерно-строительных технологий МГСУ, доктору технических наук, профессору, академику РАЭН, МАИ и МАНЭБ А. А. Рульнову за общее и научное руководство работой.

На основании результатов исследований и практических разработок на защиту выносятся следующие основные положения:

1. Задача синтеза подсистемы автоматического управления потоком, как нижнего высокочастотного каскада АСУ ТП СВО, должна быть расчленена на две автономно решаемые подзадачи: выбора способа реализации управляющего воздействия на поток воды или воздуха (дросселирования потока с помощью запорного регулирующего органа или изменения скорости вращения рабочего колеса электропривода нагнетателя — насосного агрегата или воздуходувной машины) и научно-обоснованному выбору оптимальной структуры подсистемы. Первая из этих подзадач на примере автоматизации оборотных водоохлаж-дающих систем частично исследована на кафедре АИСТ МГСУ ранее и поэтому настоящая работа посвящена в основном решению второй подзадачи.

2. Частотная декомпозиция математической модели подсистемы автоматического управления потоком позволяет выделить высокочастотную и сред-нечастотную части модели. Параметры линейной аппроксимации высокочастотной части зависят от параметров нагнетателей, воздухопроводной или гидравлической сетиматематическое описание этой зависимости формализовано по результатам факторного эксперимента, поставленного на нелинейной модели.

— 93. Линейная модель среднечастотной части включает: линейную модель канала управляющего воздействия технологического процесса, управляемого среднечастотной подсистемой АСУ ТП СВОключ, замыкающийся с частотой дискретного аналитического контролязвено, запаздывания на время обработки и анализ пробформирователь управления.

4. Квадратичные амплитудо-частотные характеристики (АЧХ — квадраты модулей передаточных функций) высокочастотной и среднечастотной частей линеаризованной модели подсистем управления потоками имеют колоколо-образную формуих можно аппроксимировать произведением экспоненциальной и степенной функций частоты, коэффициенты которых однозначно определяются параметрами высокочастотной и среднечастотной частей.

5. Математическое описание выявленной колоколообразной формы отмеченной в п. 4 зависимости получено обработкой результатов исследований частотных характеристик моделей, что позволило получить систему аналитических соотношений, по которым рассчитываются оценки дисперсий колебаний расхода и технологического показателя при оптимальной настройке обеих частей подсистемы.

6. Результаты научных исследований и разработок, защищающие положения 2−5, являются теоретической базой методики выбора целесообразной структуры подсистемы управления потоком. Эта методика предписывает последовательность вычислительных процедур, на заключительной стадии которой вычисляется характеристический показатель (линейная комбинация указанных выше дисперсий для сравниваемых вариантов структуры), по знаку которого принимается заключение о целесообразной структуре.

Результаты работы, помещённые в настоящем разделе, могут быть сформулированы следующим образом.

1. Исследования и разработанная на их основе методика структурного синтеза применены при разработке подсистем управления материальными потоками для АСУ ТП биологической очистки сточных вод в аэротенках с пневматической системой аэрации, т. е. процесса, получившего наибольшее распространение на городских станциях водоотведения в нашей стране и за рубежом.

2. Разработанная идеализированная математическая модель процесса, с помощью которой графо-аналитическим методом исследованы статические характеристики аэротенка, сформулирована и решена задача его статической оптимизации при изменяющихся расходе и составе очищаемых сточных вод.

3. На основе полученных результатов математического моделирования определены условия выбора оптимальной структуры подсистемы управления подачей сжатого воздуха в аэротенкидоказана экономическая целесообразность применения для рассматриваемого технологического процесса варианта структуры, предусматривающей дополнительный каскад обратной связи по расходу воздуха.

4. Разработана подсистема управления оптимальным распределением материальных потоков между параллельно работающими аэротенками, обеспечивающая минимальные затраты электрической энергии на очистку путём координации кислородных режимов в аэротенках с режимами работы воздуходувной станции с учётом изменяющейся общей нагрузки системы по количеству обрабатываемых сточных вод.

5. Исследованы особенности применения в АСУ ТП на станциях аэрации систем непосредственного цифрового управления и на примерах регулирования кислородного режима в аэротенках по концентрации растворённого кислорода и активного ила по концентрации взвешенных твёрдых веществ в жидкости показана возможность существенного повышения качества выхо.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе содержится новое решение актуальной задачи синтеза подсистем управления материальными потоками в АСУ ТП СВО, что имеет существенное значение для развития и совершенствования автоматизации технологических процессов на городских аэрационных и водопроводных станциях. Разработанная и научно-обоснованная в диссертации методика выбора оптимальных структур управления потоками в системах очистки природных и сточных вод даёт инженерам, разработчикам и проектировщикам совокупность новых знаний, представлений и навыков, позволяющих создавать современные экономически эффективные системы автоматизации с более высокими потребительскими свойствами и в более короткие сроки.

Новизна решения заключается в том, что впервые задача управления материальными штоками в технологических системах очистки природных и сточных вод рассматривается с учётом всех показателей экономической эффективности, непосредственно связанных с себестоимостью водообработки.

Полученные основные результаты могут быть сведены к следующему:

1. Исследованы свойства технологических процессов водообработки как объектов управления, анализ которых позволил установить, что несовершенство и низкое качество работы подсистем управления потоками воды, воздуха, ила, суспензий и пульп (нижних высокочастотных каскадов в составе современных многоуровневых АСУ ТП СВО) вызывают неточность отработки управляющих воздействий на всех уровнях иерархии и приводят к значительному перерасходу дорогостоящих реагентов и электрической энергии.

2. Установлено, что экономически обоснованный выбор структуры нижних высокочастотных каскадов в многоуровневых АСУ ТП СВО должен производиться обязательно с учётом влияния их работы на качество управления основными технологическими показателями, стабилизируемыми средне-частотными подсистемами, формирующими сигналы изменения заданий подсистемам управления материальными потоками, а также с учётом энергоёмкости управления и качества стабилизации расходов.

3. Разработана и исследована нелинейная математическая модель подсистемы управления материальным потоком, учитывающая её взаимодействие с другими подсистемами АСУ ТП СВО и позволяющая осуществлять перебор вариантов и выбор оптимальных структур управления в зависимости от характеристик конкретных объектов.

4. Доказана возможность применения экспоненциально-степенной аппроксимации квадратов амплитудно-частотных характеристик высокочастотной и среднечастотной частей линейной модели подсистем управления материальными потоками с помощью регулируемого электропривода управляемых нагнетателей.

5. Разработано математическое описание связи параметров частотных характеристик высокочастотной части подсистемы управления потоком с параметрами воздуходувных машин и насосных установок, автоматизированного электропривода, воздухопроводной и гидравлической сетей и характеристик возмущений при оптимальных параметрах настройки контуров управления.

6. Разработана методика структурного синтеза подсистем управления материальными потоками и обоснована целесообразность ее применения в САПР и создании новых и модернизации действующих АСУ ТП СВО.

7. Достоверность результатов исследований и эффективность использования на практике разработанной методики доказана на примере автоматизации и управления процессом очистки сточных вод в аэротенках-смесителях с пневматической системой аэрации, решение задачи которой методами математического моделирования позволило разработать новый способ автоматического управления процессом в режиме НЦУ, позволяющий значительно повысить качество обработки воды и уменьшить эксплуатационные расходы.

8. Практические рекомендации, обобщившие результаты проведенных исследований, применяются в работах ряда научно-производственного цен.