Учреждение образования
«БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ»
УДК 663.52-007.5
УЛЬЯНОВ
Николай Иванович
МОДЕЛИРОВАНИЕ, ИДЕНТИФИКАЦИЯ И АВТОМАТИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССОМ ПРОИЗВОДСТВА
ВЫСОКОКАЧЕСТВЕННОГО СПИРТА
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
по специальности 05.13.06 – Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)
Минск, 2011
Работа выполнена в учреждении образования «Белорусский государственный технологический университет»
Научный руководитель: , кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры автоматизации производственных процессов и электротехники учреждения образования «Белорусский государственный технологический университет»
Официальные оппоненты: , доктор технических наук, профессор, проректор по научной работе учреждения образования «Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники»
, кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры автоматизированных систем управления производством учреждения образования «Белорусский государственный аграрный технический университет»
Оппонирующая организация: Учреждение образования «Белорусский национальный технический университет»
Защита состоится 23 июня 2011 г. в 1400 часов на заседании совета по защите диссертаций Д 02.15.01 при учреждении образования «Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники» г. Минск, ул. П. Бровки, 6, корп. 1, ауд. 232, e-mail: *****@***by, тел. (8-017) .
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке учреждения образования «Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники».
Автореферат разослан «18» мая 2011 г.
Ученый секретарь
совета по защите диссертаций
к. т.н., доцент 
П.
КРАТКОЕ ВВЕДЕНИЕ
Важнейшими задачами для предприятий, работающих в жестких условиях рыночной экономики, являются интенсификация производства, повышение качества продукции и снижение энергетических затрат на основе всемирного применения достижений научно–технического прогресса.
Современный этап развития потребительского рынка характеризуется увеличением спроса на высококачественную продукцию. Этим, в частности, обусловлено добавление в СТБ 1334–2003 «Спирт этиловый ректификованный из пищевого сырья» марок «Люкс», «Элита», «Крышталь супер-люкс» и «Полесье», которые отличаются жесткими ограничениями по содержанию нежелательных примесных компонентов (эфиров, альдегидов, сивушных спиртов).
Производство пищевого ректификованного этилового спирта является одним из крупнотоннажных производств в микробиологической и пищевой промышленности. Пищевой ректификованный этиловый спирт получают путем брагоректификации спиртовой бражки, вырабатываемой из крахмалосодержащего сырья.
В производстве ректификованного спирта технологические процессы брагоректификации спиртосодержащей жидкости являются наиболее энергоемкими и оказывают существенное влияние на качество готовой продукции. Поэтому актуальны проблемы повышения и стабилизации качества выпускаемой продукции, а также снижения ресурсо - и энергозатрат в процессах ректификации. Один из путей решения этих задач – создание высокоэффективных и высоконадежных систем автоматизированного управления.
Технический прогресс предъявляет повышенные требования к системам управления промышленными объектами. Одновременно увеличиваются и возможности средств управления, особенно в связи с широким применением вычислительной техники и созданием адаптивных автоматизированных систем управления сложными технологическими объектами.
Одной из важных задач является создание математической модели работы промышленных ректификационных колонн в динамическом режиме и использование теоретических разработок по оптимизации технологических режимов. Глубокое изучение статических и динамических режимов в процессах ректификации позволяет строить совершенные математические модели и использовать их при проектировании автоматизированной системы управления технологическим процессом. Следует отметить, что в настоящее время моделирование этих процессов в основном охватывает статические режимы. Задачи исследования динамических режимов остаются практически не решенными.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Связь работы с крупными научными программами (проектами) и темами
Тема научной работы соответствует научному направлению кафедры автоматизации производственных процессов и электротехники учреждения образования «Белорусский государственный технологический университет». Работа проводилась в рамках госбюджетной темы ГБ 26–141 «Разработка методов анализа и синтеза, алгоритмов, программного обеспечения и создания высокоэффективных систем автоматизации на основе современных информационных технологий и программно–аппаратных комплексов» и хоздоговорной темы ХД 2004–21 «Оптимизация организационной и информационной систем управления перерабатывающих организаций концерна «Белгоспищепром» с разработкой автоматизированной системы коммерческого учета и контроля производственных ресурсов организаций и АРМ их учета», время выполнения с 01.10.2004 по 30.06.2007 г., номер госрегистрации 200559.
Цель и задачи исследования
Целью работы является разработка системы автоматического управления (САУ) технологическим процессом (ТП) брагоректификации, которая обеспечивает высокое качество и экономию энергоресурсов в условиях широкого диапазона изменений нагрузок на аппараты и соответствующего тренда массо - и теплообменных режимов.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Исследовать специфику тепло - и массообменных процессов в колоннах брагоректификационной установки (БРУ) и разработать методы математического описания парожидкостного равновесия и массопередачи.
2. Разработать методики моделирования и идентификации процесса ректификации многокомпонентных смесей как объекта управления (ОУ), обеспечивающие надежную сходимость вычислений при моделировании разделения спиртовых смесей на брагоректификационной установке.
3. Построить динамическую модель управления колоннами брагоректификационной установки для различных режимов нагрузки и орошения колонн.
4. Осуществить синтез структурной схемы адаптивной системы автоматического управления (АСАУ), обеспечивающей эффективное управление колоннами брагоректификационной установки в условиях действия неконтролируемых параметрических возмущений по коэффициенту передачи объекта управления.
5. Провести анализ синтезированной адаптивной системы автоматического управления в условиях действия реальных возмущений и изменения нагрузки на объект управления в сравнении с типовыми промышленными системами автоматического управления.
Объектом исследования является технологический процесс производства ректификованного спирта. Предметом исследования являются модели, алгоритмы идентификации и управления технологическим процессом брагоректификации спиртосодержащей жидкости.
Положения, выносимые на защиту
1. Аналитическая динамическая модель процесса многокомпонентной ректификации методом «от тарелки к тарелке» и ее редуцированный аналог с запаздыванием по каналу управления.
2. Методика идентификации процесса, которая отличается от уже известных тем, что не требует большого объема вычислений, и основана на идентификации параметров модели, полученной аналитическим путем, с сохранением структуры модели, позволяющая аппроксимировать аналитическую модель, состоящую из более семидесяти составляющих, динамической моделью второго порядка с запаздыванием.
3. Адаптивная система автоматического управления, синтезированная с использованием функции Ляпунова – Красовского для основного канала управления колоннами БРУ, обладающая свойством инвариантности к неконтролируемым возмущениям по коэффициентам передачи объектов управления.
Личный вклад соискателя
Все результаты разработаны и реализованы лично автором. Научный руководитель принимал участие в постановке задачи и определении возможных путей решения.
Апробация результатов диссертации
Основные положения диссертационной работы и отдельные ее разделы докладывались и обсуждались на международных научно-технических конференциях «Автоматический контроль и автоматизация производственных процессов» (Минск, 2006), «Организационно-техническое управление в межотраслевых комплексах» (Минск, 2007), на научно-технических конференциях студентов и аспирантов БГТУ в 2006 – 2011 гг., на научно-технической конференции в Варшавском технологическом университете (Польша, 2009).
Опубликованность результатов диссертации
По результатам диссертационного исследования опубликовано 9 печатных работ: 7 статей в научных журналах, 2 тезиса докладов на международных конференциях. Подана заявка на патент Республики Беларусь.
Общий объем публикаций по теме диссертации, соответствующих пункту 18 Положения о присуждении ученых степеней и присвоении ученых званий в Республике Беларусь, составляет 2,2 авторских листа.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из перечня условных обозначений, введения, общей характеристики работы, четырех глав с выводами по каждой главе, заключения, библиографического списка и семи приложений.
В первой главе проведено исследование процесса ректификации спиртовых смесей как объекта управления. Во второй главе разработана аналитическая динамическая модель процесса многокомпонентной ректификации методом «от тарелки к тарелке» и получен ее редуцированный аналог с запаздыванием по каналу управления. Третья глава посвящена идентификации технологического процесса производства ректификованного спирта. В четвертой главе на основе разработанных аналитических динамических моделей тепло - и массообмена и результатов идентификации синтезируется адаптивная система управления с позиции управления качеством продукта и экономии энергоресурсов в производстве ректификованного спирта. В приложениях приведены коэффициенты передачи и постоянные времени тепло - и массообменного процесса брагоректификации, результаты хроматографического анализа спиртосодержащих смесей БРУ, графики переходных процессов в типовых САУ при изменении задания, реакции типовых САУ на возмущение, функции чувствительности выходной координаты и критерия качества управления типовых САУ, реализация системы управления технологическим процессом брагоректификации в SCADA-системе TRACE MODE, акты внедрения в производственные и учебные процессы, справка о возможном практическом использовании результатов исследования.
Общий объем диссертации составляет 163 страницы, из которых 91 страница основного текста. Работа также включает 44 рисунка на 20 страницах, 9 таблиц на 4 страницах, библиография из 190 источников на 13 страницах, включая 10 собственных публикаций автора, 7 приложений на 35 страницах.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснованы актуальность работы и практический интерес, который представляет диссертация для спиртовой промышленности.
В общей характеристике работы отражена ее связь с крупными научными программами (проектами) и темами, определены цель и задачи исследования, объект и предмет исследования, представлены основные положения, выносимые на защиту.
Первая глава посвящена исследованию процесса ректификации спиртовых смесей как ОУ. В результате проведенного анализа показано, что ТП брагоректификации имеет сложное аппаратурное оформление и как ОУ является многофакторным, многомерным, многосвязанным, характеризуется большим количеством переменных. Технологическое разбиение при построении моделей и систем управления позволит снизить размерность задач и рассматривать каждую колонну как отдельный ОУ [1–A].
Показано, что существующие методы математического описания массопередачи требуют большого объема вычислений и значительных временных затрат, что затрудняет их использование в режиме реального времени. В связи с этим возникает необходимость разработки нового, более простого метода математического описания массопередачи.
Показано, что методики моделирования многокомпонентной ректификации, разработанные для применения в нефтехимической
, химической отраслях промышленности, для спиртовой промышленности не применялись. Поэтому возникает необходимость в адаптации таких методов для расчета разделения спиртовых многокомпонентных смесей.
Анализ существующих систем и методов автоматического управления БРУ подтверждает, что в настоящее время в действующих производствах этилового спирта отсутствуют средства эффективного управления качеством целевого продукта и интенсификации ТП. Отсутствует учет следующих особенностей БРУ как ОУ: существенного транспортного запаздывания, высокого уровня неконтролируемых возмущений, что требует разработки адаптивной системы управления, которая позволит учесть указанные особенности. Установлена необходимость исследования типовых законов с упредителем Смита для объектов данного класса, синтеза адаптивных систем управления подобными объектами на основе функции Ляпунова – Красовского.
Показано, что существует необходимость в разработке методики идентификации, которая, в отличие от известных, не требует большого объема вычислений, и основана на идентификации параметров модели, полученной аналитическим путем, с сохранением структуры.
Наряду с технологическими решениями экономии энергии целесообразно снижение энергопотребления за счет динамического перераспределения потоков тепла и массы внутри колонн с использованием АСАУ.
Анализ современного состояния исследований и уровня автоматизации ТП брагоректификации показал, что в опубликованных ранее исследованиях отсутствует обобщенный критерий для оценки качества управления БРУ в динамических режимах.
Во второй главе разработана аналитическая математическая модель динамики тепло - и массообменного процесса на тарелке колонны БРУ. В этой модели наряду с массообменными явлениями учтена теплопередача процесса брагоректификации.
Общий коэффициент массопередачи определен по формуле
, (1)
где S – эффективная площадь тарелки;
byi – частный коэффициент массоотдачи в паровой фазе;
mi – коэффициент, учитывающий равновесие в системе «этиловый спирт – вода»;
bxi – частный коэффициент массоотдачи в жидкой фазе.
Для повышения точности расчета коэффициента массопередачи предлагается следующая модель расчета коэффициентов массоотдачи
, (2)
, (3)
где βyi – коэффициент массоотдачи в паровой фазе;
βxi – коэффициент массоотдачи в жидкой фазе;
i – номер тарелки;
Gi – мольный расход пара;
Li – мольный расход жидкости;
α1, α2, α3, α4, α5 – настроечные коэффициенты.
В диссертации предложен метод математического описания парожидкостного равновесия многокомпонентной спиртованной смеси, который позволяет более точно идентифицировать ОУ за счет линеаризации кривой парожидкостного равновесия [2–A].
Определены передаточные функции тарелки для каждого канала связи между приращениями входных и выходных параметров. Наибольший интерес представляют два канала: «расход пара – концентрация легколетучего компонента (ЛЛК) в жидкости» и «расход пара – концентрация ЛЛК в паре». Полученные передаточные функции по указанным каналам имеют вид [2–A]
, 
, (4)
где Θ0G,i-1, Θ0G,i, М0i, L0i+1 – стационарные значения;
;
.
Рассмотрена процедура определения передаточных функций части колонны БРУ, включающей две тарелки. Полученные передаточные функции для части колонны БРУ, зависящие от фиксированных значений настроечных коэффициентов α, с переменными параметрами имеют следующий вид для номинального режима производительности установки:
а) для бражной колонны (БК) при α1=1,03, α2=1,67, α3=2,33, α4=8,32, α5=60,54
; (5)
б) для эпюрационной колонны (ЭК) при α1=0,16, α2=1,62, α3=6,24, α4=2,12, α5=2582
; (6)
в) для ректификационной колонны (РК) при α1=0,013, α2=0,59, α3=5,25, α4=0,98, α5=85
; (7)
Получены динамические модели (5), (6), (7) с переменными параметрами. Выявлены переменные параметры в виде настроечных коэффициентов α и предложены методы для их оценки.
Анализируя параметры полученных передаточных функций, можно отметить, что значительно различаются они лишь по величине коэффициента передачи. Если коэффициент передачи модели при номинальном режиме производительности БРУ взять в качестве номинального (Kн), тогда коэффициент передачи модели при максимальном режиме производительности будет Kмакс » 0,68Kн, а для модели при минимальном режиме производительности – Kмин » 1,56Kн. Таким образом, для различных интервалов квазистационарности ОУ наблюдаются существенно отличающиеся коэффициенты передачи. Это обусловливает применение цепи адаптации коэффициента усиления в САУ.
Так как размерность аналитической динамической модели соответствует количеству тарелок в колоннах БРУ, а их несколько десятков, то предложен метод редуцирования аналитической динамической модели процесса ректификации в колонне БРУ. Аналитическую модель динамики тепло - и массообменного процесса в колонне можно представить цепочкой апериодических звеньев с разными коэффициентами. На рисунке 1 представлена структурная схема аналитической модели динамики тепло - и массообменного процесса для бражной колонны БРУ [5–A, 6–A, 7–A].
В таблице 1 приведены коэффициенты передачи и постоянные времени тепло- массообменного процесса для каждой тарелки бражной колонны БРУ трех режимов производительности.
Метод редуцирования позволяет представить аналитические динамические модели моделями апериодического звена второго порядка и звена запаздывания.
K1…K29 – коэффициенты передачи; Т1...Т29 – постоянные времени;
u – входная величина; y – выходная величина
Рисунок 1 – Структурная схема аналитической модели динамики
тепло - и массообменного процесса
Таблица 1 – Коэффициенты передачи и постоянные времени тарелок БК
Максимальный режим производительности БРУ | Номинальный режим производительности БРУ | Минимальный режим производительности БРУ | |||
Ki | Ti | Ki | Ti | Ki | Ti |
0,18 | 0,08 | 0,20 | 0,08 | 0,27 | 0,09 |
0,19 | 0,08 | 0,25 | 0,08 | 0,29 | 0,09 |
0,21 | 0,08 | 0,30 | 0,08 | 0,31 | 0,09 |
0,25 | 0,08 | 0,35 | 0,08 | 0,37 | 0,09 |
0,27 | 0,08 | 0,40 | 0,08 | 0,44 | 0,09 |
0,29 | 0,10 | 0,45 | 0,09 | 0,51 | 0,10 |
0,33 | 0,10 | 0,50 | 0,09 | 0,58 | 0,10 |
0,36 | 0,10 | 0,55 | 0,09 | 0,64 | 0,10 |
0,39 | 0,10 | 0,60 | 0,09 | 0,71 | 0,10 |
0,42 | 0,10 | 0,65 | 0,09 | 0,78 | 0,10 |
0,52 | 0,16 | 0,70 | 0,09 | 0,85 | 0,11 |
0,60 | 0,16 | 0,75 | 0,09 | 0,91 | 0,11 |
0,70 | 0,19 | 0,80 | 0,09 | 0,99 | 0,11 |
0,75 | 0,20 | 1,00 | 0,09 | 1,00 | 0,11 |
0,80 | 0,20 | 1,00 | 0,09 | 1,30 | 0,11 |
0,90 | 0,26 | 1,00 | 0,09 | 1,35 | 0,11 |
1,05 | 0,27 | 1,00 | 0,10 | 1,35 | 0,15 |
1,50 | 0,27 | 1,00 | 0,11 | 1,35 | 0,16 |
1,90 | 0,28 | 1,40 | 0,12 | 1,36 | 0,17 |
1,90 | 0,28 | 1,50 | 0,13 | 1,37 | 0,18 |
2,40 | 0,09 | 1,60 | 0,14 | 1,38 | 0,19 |
2,51 | 0,10 | 1,70 | 0,15 | 1,40 | 0,20 |
2,54 | 0,13 | 1,90 | 0,20 | 1,45 | 0,30 |
2,60 | 0,16 | 2,00 | 0,25 | 1,50 | 0,35 |
3,82 | 0,20 | 2,80 | 0,30 | 1,60 | 0,40 |
4,89 | 0,23 | 2,90 | 0,35 | 1,79 | 0,45 |
5,16 | 0,26 | 3,32 | 0,40 | 2,48 | 0,55 |
5,24 | 0,29 | 3,45 | 0,45 | 2,66 | 0,80 |
5,28 | 0,33 | 3,50 | 0,50 | 2,73 | 0,90 |
Передаточные функции редуцированной модели, зависящие от фиксированных значений настроечных коэффициентов α, для каждой колонны БРУ (по концентрации этилового спирта) при номинальном режиме производительности имеют вид [5–A, 7–A]:
а) для бражной колонны при α1=1,03, α2=1,67, α3=2,33, α4=8,32, α5=60,54
; (8)
б) для эпюрационной колонны при α1=0,16, α2=1,62, α3=6,24, α4=2,12, α5=2582
; (9)
в) для ректификационной колонны при α1=0,013, α2=0,59, α3=5,25, α4=0,98, α5=85
. (10)
Анализ полученных передаточных функций для различных режимов производительности БРУ показал, что наблюдаются существенно отличающиеся коэффициенты передачи, которые необходимо учитывать при синтезе системы управления.
В связи с присутствием переменных параметров в аналитических динамических моделях тепло - и массообменного процесса брагоректификации представляется необходимым разработка методики экспериментальной идентификации ТП.
Третья глава посвящена идентификации ТП производства ректификованного спирта. Разработана методика идентификации, в которой использован один из вариантов компенсационного метода. Важным элементом системы идентификации является модель ОУ, имеющая возможность изменения параметров. При построении моделей ОУ применен метод структурного моделирования, который предполагает приведение операторной схемы исследуемого объекта к виду детализированного структурного изображения, состоящего из элементарных звеньев. Выходной сигнал каждого элементарного звена вычисляется по рекуррентному уравнению, которое в случае линейной интерпретации имеет вид [3–A]
yn » byn-1 + Axn + Bxn-1, (11)
где yn – выход звена в текущий момент;
yn-1 – выход звена в предыдущем интервале;
хn – вход звена в текущий момент;
хn-1 – вход звена в предыдущем интервале;
b, А, В – коэффициенты уравнения, вычисляемые по формулам, полученным с использованием прямого и обратного преобразования Лапласа с учетом линейной аппроксимации возмущающего воздействия на входе звена.
В самонастраивающейся системе идентификации показателем эффективности является функционал вида
, (12)
где Т – интервал квазистатики объекта;
e(t) – ошибка.
На основании разработанных аналитических моделей и полученных переходных характеристик, а также учета особенностей ОУ и использования методики идентификации с применением настраиваемой модели, определена последовательность шагов при осуществлении экспериментальных исследований в следующем порядке. Предварительно ТП ректификации в производстве этилового спирта приводится к состоянию, близкому к стационарному. С этой целью выдерживаются постоянными расходы бражки и пара, отборы сивушных паров, сивушных спиртов и ректификованного спирта, давление низа и верха колонн в течение 1–2 ч. Затем наносится возмущение величиной 15–20 % шкалы расходомера в сторону увеличения подачи пара и осуществляется стабилизация процесса в течении 0,5–1,0 ч. Далее вносятся возмущения по подаче пара в сторону уменьшения от первоначального уровня величиной 10–15 % шкалы расходомера, и осуществляется стабилизация процесса на интервале времени 0,5–1,0 ч.
Так как аналитическая модель представлена в виде апериодического звена второго порядка, то при выборе структуры модели ОУ использовалось апериодическое звено второго порядка. Также дополнительно были исследованы структуры моделей ОУ с использованием типовых звеньев или их комбинаций: апериодическое звено первого (А1) и третьего (А3) порядков; колебательное звено (КЗ). В качестве меры ошибки между выходами объекта и модели (при одинаковых входах), определяющей точность настройки модели, использовалась относительная среднеквадратическая погрешность d
, (13)
где N – число выборочных значений выходов объекта y(t) и модели yм(t).
Проверка гипотезы существенности уменьшения функции ошибок при увеличении числа параметров от p до q может быть сведена к вычислению величины функции ошибок h
, (14)
где k – число выборочных значений выходов;
Еq, Ер – Еq – взаимно независимые случайные величины, имеющие распределение c2 с k – q и q – p степенями свободы соответственно.
Экспериментальные исследования основных каналов управления проводились на наиболее модернизированном производстве ректификованного спирта на БРУ косвенного действия в Республике Беларусь, соответствующем современным технологиям брагоректификации, – Богушевском спиртзаводе РУП «Витебский ЛВЗ». Исследования проводились согласно предложенным методикам расчета и идентификации с применением существующих технических средств автоматики и лабораторных средств контроля.
По результатам экспериментальных исследований получены следующие модели ОУ (при номинальном режиме производительности БРУ) со значениями величин d и h, характеризующими точность настройки и адекватность моделей, рассчитанных по формулам (13) и (14):
1) для бражной колонны БРУ
а) А1: 
; δ=0,016;
б) А2: 
; δ=0,008; h=6,16 при А1→А2;
в) КЗ: 
; δ=0,010; h=4,25 при А1→КЗ;
г) А3: 
; δ=0,013; h=1,46 при А2→А3;
2) для эпюрационной колонны БРУ
а) А1: 
; δ=0,068;
б) А2: 
; δ=0,018; h=106,18 при А1→А2;
в) КЗ: 
; δ=0,035; h=10,87 при А1→КЗ;
г) А3: 
; δ=0,046; h=3,34 при А2→А3;
3) для ректификационной колонны БРУ
а) А1: 
; δ=0,029;
б) А2: 
; δ=0,005; h=60,95 при А1→А2;
в) КЗ: 
; δ=0,015; h=12,73 при А1→КЗ;
г) А3: 
; δ=0,021; h=1,25 при А2→А3.
Экспериментальная проверка результатов идентификации показала, что данная методика позволяет получить адекватную математическую модель ОУ, отражающую, в отличие от ранее известных моделей аналогичного типа, наличие изменяющихся во времени параметров ОУ, что вынуждает использовать адаптивную систему управления.
Экспериментальным путем подтверждены разработанные аналитические математические модели. Отклонение коэффициента усиления, постоянных времени экспериментальной модели от коэффициента усиления, постоянных времени аналитической модели не превышает 10 %.
Анализ параметров моделей ОУ показывает, что значительно отличаются они лишь по величине коэффициента передачи. Если коэффициент передачи модели по эксперименту №1 бражной колонны взять в качестве номинального (Kн), тогда коэффициент передачи модели по эксперименту №2 будет K»0,64Kн, а для модели по эксперименту №3 – K»1,4Kн.
Наиболее интересным, практически значимым и экспериментально подтвержденным результатом является то, что систему, состоящую из более семидесяти тарелок, удалось аппроксимировать динамической моделью второго порядка с запаздывание.
Установлено изменение коэффициента передачи исследуемого ОУ с существенным транспортным запаздыванием на интервале порядка ± 40 %, что требует (с учетом модели) синтезирования системы автоматического управления, обеспечивающей компенсацию транспортного запаздывания и адаптацию к изменяющимся параметрам ОУ.
Анализируя полученные математические модели, можно отметить, что они имеют бóльшие величины транспортного запаздывания, поэтому для увеличения качеств регулирования можно применить системы управления с упредителем Смита.
В четвертой главе на основе разработанных аналитических динамических моделей тепло - и массообмена и результатов идентификации синтезируется адаптивная система управления с позиции управления качеством продукта и экономии энергоресурсов в производстве ректификованного спирта. Для оценки качества управления БРУ в динамических режимах и экономии энергоресурсов использовался обобщенный критерий (I(q,t)) вида [5–A]
, (15)
где t – время;
x1(t) – массовая концентрация альдегидов в пересчете на уксусный в безводном спирте, мг/дм3;
x1d – допустимая массовая концентрация альдегидов в пересчете на уксусный в безводном спирте, мг/дм3;
x2(t) – массовая концентрация сивушного масла в пересчете на безводный спирт, мг/дм3;
x2d – допустимая массовая концентрация сивушного масла в пересчете на безводный спирт, мг/дм3;
x3(t) – массовая концентрация сложных эфиров в пересчете на уксусно-этиловый эфир в безводном спирте, мг/дм3;
x3d – допустимая массовая концентрация сложных эфиров в пересчете на уксусно-этиловый эфир в безводном спирте, мг/дм3;
x4(t) – объемная доля метилового спирта в пересчете на безводный спирт, %;
x4d – допустимая объемная доля метилового спирта в пересчете на безводный спирт, %;
x5(t) – массовая концентрация свободных кислот (без СО2) в пересчете на безводный спирт, мг/дм3;
x5d – допустимая массовая концентрация свободных кислот (без СО2) в пересчете на безводный спирт, мг/дм3;
x6(t) – объемная доля этилового спирта, %;
x6m – минимальная объемная доля этилового спирта, %;
x7(t) – массовый расход бражки, кг/ч;
x7n – номинальный массовый расход бражки, кг/ч;
x8(t) – температура бражки на входе в БРУ, ºС;
x8n – номинальная температура бражки на входе в БРУ, ºС;
u11(t) – массовый расход пара в БК, кг/ч;
u12(t) – массовый расход пара в ЭК, кг/ч;
u13(t) – массовый расход пара в РК, кг/ч;
u21(t) – температура в кубе БК, ºС;
u22(t) – температура в кубе ЭК, ºС;
u23(t) – температура в кубе РК, ºС;
d11, d12, d13, d14, d15, d21, d31, d32, c11, c22, c33, с44, с55, с66 – весовые коэффициенты.
Для отдельных колонн и соответствующих им входных и управляющих параметров использовался частный интегральный среднеквадратичный критерий (S(t)) вида
, (16)
где Т – интервал квазистационарности объекта;
yзад – задание системе управления;
yвых – выходная координата объекта (концентрация ЛЛК);
– скорость изменения управляющего воздействия (разность заданного и текущего значения расхода пара);
b – весовой коэффициент.
В связи с установленной варьированностью технологических параметров использовались функции чувствительности выходной координаты САУ и критерия качества управления вида
, (17)
, (18)
где nyij – функция чувствительности АСАУ по выходной координате (yвых);
рj – j-параметр объекта управления;
i – номер структурной схемы САУ;
nSij – функция чувствительности АСАУ по критерию качества управления.
Для оценки значимости функций чувствительности nyij и nSij использовались интегральные среднеквадратичные оценки вида
, (19)
, (20)
где Yyij(t), YSij(t) – интегральные среднеквадратичные оценки функций, соответственно nyij и nSij;
Т – интервал рассмотрения функций.
Анализ систем управления на базе ПИД-регулятора и упредителя Смита показывает, что в условиях существенной нестационарности объекта рассматриваемые структуры обладают значительными величинами чувствительности выходной координаты и критерия качества управления к изменениям коэффициента передачи объекта. Кроме того, реальные изменения коэффициента передачи в ту или иную сторону приводят к резкому сужению зон заданного качества в области параметров регуляторов вплоть до выхода САУ на границу устойчивости. Это вызывает необходимость синтеза АСАУ со свойствами инвариантности к изменениям коэффициента передачи ОУ.
Осуществлен синтез АСАУ для основного канала управления качеством спирта и экономии энергоресурсов с использованием функции Ляпунова – Красовского [3–A].
Динамика участка канала управления, включающего ОУ и усилитель с перестраиваемым коэффициентом передачи KС(t), описывается уравнением
, (21)
где y(t) – выходная координата объекта;
U(t – t) – управляющее воздействие;
ai – постоянные коэффициенты;
K(t) – переменный коэффициент передачи объекта.
Модель ОУ, используемая в упредителе Смита, описывается уравнением
, (22)
где yм(t) – выходная координата модели;
ai, Kм – постоянные коэффициенты модели.
Изменение K(t) ОУ должно компенсироваться изменением переменного коэффициента KС(t). Ставится задача синтеза алгоритма самонастройки коэффициента KС(t), обеспечивающего устойчивость движения объекта относительно движения модели. При этом предполагается, что справедлива гипотеза квазистационарности [3–A, 4–A].
Синтез АСАУ выполнен следующим образом. Обозначим ошибку рассогласования между выходными координатами модели и объекта через e(t)
. (23)
Вычитая (22) из (21), получим уравнение относительно координатного рассогласования e(t)
. (24)
Введем следующее обозначение: 
– параметрическое рассогласование. Если система, описываемая уравнением (24), наблюдаема, то ее можно привести к нормальному виду, введя обозначения
.
С учетом введенных обозначений представим выражение (24) в виде
, (25)
где 
; 
; 
.
Алгоритм адаптации может быть определен из условия устойчивости движения объекта относительно движения модели. Для решения задачи применим метод Ляпунова – Красовского и составим следующую функцию
, (26)
где Р – постоянная положительно определенная симметричная матрица размерности 
;
– положительные числа.
Из уравнения (26) видно, что V является положительно определенным и удовлетворяет всем требованиям теоремы . Полная производная по времени от V для решений системы (25) имеет вид
. (27)
С учетом того, что матрица А для объекта является гурвицевой, имеет место равенство
, (28)
где Q – положительно определенная матрица.
После выполнения промежуточных преобразований слагаемых уравнения (27) с учетом (28), выражение (27) примет вид
. (29)
Устойчивость процесса перестройки KC(t) будет обеспечена, если 
. 
будет отрицательно определенной всюду, если, как видно из (29), соблюдаются условия
, (30)
(31)
Для выполнения условия (30) достаточно, чтобы было справедливо равенство
. (32)
На практике функция управления U(t) ограничена, поэтому всегда можно выбрать такой коэффициент 
, что условие (31) выполняется.
Из уравнения (32) получим алгоритм перестройки KС(t)
. (33)
Полученный алгоритм (33) физически реализуем. На рисунке 2 представлена структурная схема АСАУ с упредителем Смита, реализующая алгоритм (33) [3–A, 4–A].
Система управления технологическим процессом брагоректификации на основе синтезированных адаптивных систем реализована в SCADA системе Trace Mode.
Исследование эффективности АСАУ в сравнении с типовыми промышленными САУ показало необходимость применения АСАУ с эталонной моделью для управления качеством этилового спирта и экономии энергоресурсов в технологическом процессе его ректификации.
Ожидаемый экономический эффект от внедрения результатов исследования в производство составит 470,16 млн. р. в год. Качество управления БРУ с позиции управления качеством и экономии энергоресурсов тем лучше, чем меньше величина критерия (15). До применения разработанных АСАУ в управлении БРУ величина обобщенного критерия равна 1,75, а с применением разработанных АСАУ – 1,30. Анализируя полученные значения величин обобщенного критерия качества управления БРУ (I(q,t)), можно утверждать, что применение разработанных АСАУ в управлении БРУ позволяет улучшить качество управления в динамических режимах на 26 % [5–A, 8–A, 9–A].
ОР – основной регулятор; KС – усилитель с перестраиваемым коэффициентом усиления; ОУ – ОУ с временным запаздыванием t; БЗ – блок задержки; МОУ – модель ОУ без
запаздывания; УМ – умножитель сигналов; ∫ – интегратор; 1/λ1 – усилитель с коэффициентом усиления; ВУ – вычислительное устройство, вычисляющее сумму; БП – блок подстройки; УС – упредитель Смита; yзад(t) – вход ОУ; увых(t) – выход ОУ; ум(t) – выход модели ОУ
Рисунок 2 – Структурная схема АСАУ, синтезированная с использованием функции Ляпунова – Красовского
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Основные научные результаты диссертации
1. Разработана аналитическая модель динамики тепло - и массообменного процесса на тарелке колонны БРУ, учитывающая теплопередачу процесса брагоректификации. Динамические модели содержат переменные параметры, зависящие от настроечных коэффициентов α, которые оказывают влияние на численные значения модели. При расчете моделей динамики применялся метод математического описания парожидкостного равновесия спиртовой смеси, позволяющий более точно идентифицировать объект управления за счет линеаризации кривой парожидкостного равновесия [1–A, 2–A, 6–А, 7–А].
2. Предложен метод редуцирования аналитической динамической модели процесса ректификации в колонне БРУ, который дает возможность представить аналитические динамические модели моделями апериодического звена второго порядка и звена запаздывания, что позволило получить передаточные функции для расчета показателей качества процесса ректификации и упростить разработку АСАУ [5–А, 7–А].
3. Разработана методика идентификации процесса, которая в отличие от уже известных не требует большого объема вычислений, и основана на идентификации параметров модели, полученной аналитическим путем, с сохранением структуры. Идентификация позволила получить адекватную математическую модель объекта управления, отражающую наличие изменения параметров ОУ во времени [3–A, 4–A].
4. Экспериментальным путем подтверждена адекватность разработанных аналитических моделей. Отклонения коэффициента усиления, постоянных времени экспериментальной модели от коэффициента усиления, постоянных времени аналитической модели не превышают 10 %. Доказано, что для различных интервалов квазистационарности ОУ имеют место существенно отличающиеся коэффициенты передачи по основному каналу управления колоннами БРУ: «вход: расход пара – выход: концентрация этанола в полупродуктах (готовом продукте)». Практически значимым, экспериментально подтвержденным результатом, является то, что систему, состоящую из более семидесяти составляющих, удалось аппроксимировать динамической моделью второго порядка с запаздыванием [3–A, 7–А].
5. Для оценки качества управления БРУ в динамических режимах и экономии энергоресурсов предложены обобщенный и частные интегральные среднеквадратичные критерии. Первый позволяет оценить качество продукта и экономию энергоресурсов всей БРУ. По частным критериям, сформированным по массовому выходу спирта, оценивается качество динамических процессов на основе типовых контуров САУ, а также самонастройки АСАУ [5–A].
6. Предложена методика синтеза АСАУ ОУ с изменяющимися во времени параметрами и бóльшим транспортным запаздыванием, обеспечивающая заданное качество выхода и снижение потребления энергоресурсов [3–A, 4–A].
7. Разработанная АСАУ в сравнении с типовыми контурами САУ обеспечивает эффективное функционирование системы управления в условиях действия неконтролируемых возмущений, существенного транспортного запаздывания и изменения динамических параметров объекта [3–A, 4–A].
8. Разработана система управления колонной, включающая новый измерительный контур. Закончено техническое и предложено программное обеспечение для SCADA системы Trace Mode [10–A].
9. Ожидаемый экономический эффект от внедрения результатов исследования в производство составит 470,16 млн. р. в год, что достигается за счет экономии природного газа и увеличения выпуска высококачественного спирта. Установлено, что применение разработанных адаптивных систем автоматического управления позволяет улучшить качество управления БРУ в динамических режимах на 26 % [5–A, 8–A, 9–A].
Рекомендации по практическому использованию результатов
1. На базе разработанной АСАУ качеством продукта и экономии энергоресурсов предложено устройство для управления процессом брагоректификации (заявка на патент Республики Беларусь № а от 01.01.2001) [10–A].
2. Дан анализ возможности использования математической модели и АСАУ качеством продукта и экономии энергоресурсов на стадии ректификации в производстве пищевого ректификованного этилового спирта управлением технического и информационного обслуживания РУП «Витебский ЛВЗ». В результате установлено уменьшение расхода греющего пара для обогрева бражной колонны на 10 %, повышение крепости бражного дистиллята, увеличение производительности отделения брагоректификации.
3. Результаты диссертационного исследования внедрены в учебный процесс учреждений образования «Белорусский государственный технологический университет» и «Могилевский государственный университет продовольствия», в лекционный курс дисциплин «Моделирование объектов и систем управления отрасли» и «Теория автоматического управления» для студентов, обучающихся по специальности 1-53 01 01 – «Автоматизация технологических процессов и производств» [1–A – 10–A].
4. Эффективность результатов исследований подтверждена практическим применением при решении реальных производственных задач. Адаптивная система автоматического управления, синтезированная с использованием разработанной математической модели, внедрена на РУП «Витебский ЛВЗ» филиал Богушевский спиртзавод, РУП «Климовичский ЛВЗ» филиал Грудиновский завод пищевых продуктов.
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ СОИСКАТЕЛЯ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
Статьи в научных журналах
1–А. Ульянов, процесса производства спирта как объекта управления / // Труды БГТУ. Сер. VI. Физ.-мат. науки и информ. – 2006. – Вып. XIV. – С. 163–166.
2–А. Ульянов, основных каналов управления процессом брагоректификации и разработка их динамических моделей / // Труды БГТУ. Сер. VI. Физ.-мат. науки и информ. – 2007. – Вып. XV. – С. 118–121.
3–А. Ульянов, адаптивной системы управления процессом брагоректификации / , // Труды БГТУ. Сер. VI. Физ.-мат. науки и информ. – 2008. – Вып. XVI. – С. 108–112.
4–А. Ульянов, в брагоректификации / , И. Ф. Кузьмицкий // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. – 2008. – № 4. – С. 62–67.
5–А. Ульянов, расчета разделения спиртовых смесей и оценка качества системы управления / , // Труды БГТУ. Сер. VI. Физ.-мат. науки и информ. – 2009. – Вып. XVII. – С. 82–86.
6–А. Ульянов, аналитической динамической модели процесса брагоректификации / , // Bioagrotechnica systems engineering. –2009. – Vol – P. 111–117.
7–А. Ульянов, аналитических моделей динамики тепло - и массообменного процесса ректификации / , // Труды БГТУ. Сер. VI. Физ.-мат. науки и информатика. – 2011. – Вып. XIХ.–С. 85–89.
Тезисы докладов на научных конференциях
8–А. Ульянов, системы управления технологическим процессом ректификации / // Автоматический контроль и автоматизация производственных процессов: мат.-лы докладов Междунар. науч.-технич. конф. – Минск, 6–8 июня 2006 / Белорус. гос. технол. ун-т; редкол.: [и др.]. – Минск, 2006. – С. 44–45.
9–А. Ульянов, управления процессом брагоректификации при производстве ректификованного спирта / // Организационно-техническое управление в межотраслевых комплексах: мат.-лы докладов II Междунар. науч.-технич. конф. – Минск, 20–21 ноября 2007 / Белорус. гос. технол. ун-т; редкол.: И. М. Жарский [и др.]. – Минск, 2007. – С. 392–395.
Патенты и заявки на изобретения
10–А. Устройство для управления процессом брагоректификации: заявка на патент Респ. Беларусь / , ; заявитель – Белорус. гос. технол. ун-т. – № а ; заявл. 04.06.2009; положительное решение от 01.01.2001.
РЭЗЮМЭ
Ульянаў Мікалай Іванавіч
Мадэляванне, ідэнтыфікацыя і аўтаматычнае кіраванне працэсам вытворчасці высакаякаснага спірта
Ключавыя словы: рэктыфікацыя, масаабмен, масаперадача, дынамічная мадэль, канал кіравання, транспартнае зпазненне, узрушэнне, алгарытм адаптацыі, саманастройка, параметрычная адчувальнасць, нестацыянарны аб'ект, упрэдзіцель, аптымізацыя, сігнал распасавання.
Мэта работы – тэарэтычнае і эксперыментальнае абгрунтаванне пабудовы сістэмы кіравання працэсамі рэктыфікацыі.
Метадалогія і метады выкананага даследавання. Агульная метадалогія працы прадугледжвае спалучэнне тэарэтычных і эксперыментальных даследаванняў, якія грунтуюцца на выкарыстанні тэорыі кіравання, метадаў матэматычнага апісання паравадкаснай раўнавагі і масаперадачы ў шматкампанентных сумесях, матэматычным апараце рашэння ураўненняў матфізікі.
Выкананы аналіз асаблівасцяў тэхналагічнага працэсу рэктыфікацыі ў вытворчасці этылавага спірту як аб'екта кіравання (АК). Даказана, што ў калонах асноўным перспектыўным каналам аўтаматычнага кіравання якасцю прадукта і эканоміі энергарэсурсаў з'яўляецца «уваход: расход пара – выхад: канцэнтрацыя этылавага спірту ў паўпрадуктах (гатовым прадукце)».
Распрацавана методыка атрымання аналітычнай дынамічнай мадэлі рэктыфікацыі шматкампанентных спіртаваных сумесяў.
Вызначана, што для розных інтэрвалаў назірання аб'ект кіравання мае істотна розныя каэфіцыенты перадачы па канале кіравання.
Абгрунтавана неабходнасць прымянення адаптыўных сістэм, якія змяшчаюць кампенсатар транспартнага зпазнення Сміта.
Даказана, што сінтэзаваная АСАК мае ўласцівасць інварыянтнасці да некантраляваных узрушэнняў па каэфіцыенце передачы АК.
Вырашаны задачы параметрычнага сінтэзу і аналізу АСАК для тэхналагічнага працэсу рэктыфікацыі этылавага спірту.
У выніку прымянення АСАК якасцю прадукта і эканоміі энергарэсурсаў можа быць павышана прадукцыйнасць аддзялення рэктыфікацыі, палепшана якасць спірту, паніжаны расход пара і зменшаны страты спірту з бардай і лютэрнай вадой.
Вынікі даследаванняў могуць знайсці прымяненне на спіртавых вытворчасцях пры стварэнні АСК ТП.
РЕЗЮМЕ
Моделирование, идентификация и автоматическое управление процессом производства высококачественного спирта
Ключевые слова: ректификация, массообмен, массопередача, динамическая модель, канал управления, транспортное запаздывание, возмущение, алгоритм адаптации, самонастройка, параметрическая чувствительность, нестационарный объект, упредитель, оптимизация, сигнал рассогласования.
Цель работы – теоретическое и экспериментальное обоснование построения системы управления процессами ректификации.
Методология и методы проведенного исследования. Общая методология работы предусматривает сочетание теоретических и экспериментальных исследований, которые базируются на использовании теории управления, методов математического описания парожидкостного равновесия и массопередачи в многокомпонентных смесях, математическом аппарате решения уравнений матфизики.
Выполнен анализ особенностей технологического процесса ректификации в производстве этилового спирта как ОУ. Доказано, что в колоннах БРУ основным перспективным каналом автоматического управления качеством продукта и экономии энергоресурсов является «вход: расход пара – выход: концентрация этилового спирта в полупродуктах (готовом продукте)».
Разработана методика получения аналитической динамической модели ректификации многокомпонентных спиртованных смесей.
Установлено, что для различных интервалов наблюдения объект управления имеет существенно отличающиеся коэффициенты передачи по основному каналу управления.
Обоснована необходимость применения адаптивных систем, содержащих компенсатор транспортного запаздывания Смита.
Доказано, что синтезированная АСАУ обладает свойством инвариантности к неконтролируемым возмущениям по коэффициенту передачи ОУ.
Решены задачи параметрического синтеза и анализа АСАУ для технологического процесса ректификации этилового спирта.
В результате применения АСАУ качеством продукта и экономии энергоресурсов может быть повышена производительность отделения брагоректификации, улучшено качество спирта, снижены затраты греющего пара, уменьшены потери спирта с бардой и лютерной водой.
Результаты исследований могут быть применены на спиртовых производствах при создании АСУ ТП.
THE RESUME
Mikalai I. Ulyanav
Modeling, identification and automatic control of process of manufacture of high-quality alcohol
Keywords: rectification, mass exchange, mass transfer, dynamic model, the channel of management, transport delay, indignation, algorithm of adaptation, self-adjustment, parametrical sensitivity, non-stationary object, predictor, optimization, a signal of a mismatch.
The purpose of work – theoretical and experimental substantiation of construction of a control system of processes rectification.
Methodology and methods of the research. The general methodology of work provides a combination of theoretical and experimental researches which are based on using of the theory of management, methods of the mathematical description steam liquid balance and mass transfer in multicomponent mixes, the mathematical device of the decision of the equations mathematical physics.
The analysis of features of technological process of rectification in manufacture of alcohol as object of management is executed. It is proved, that in columns of installation of rectification to the basic perspective channels of automatic control quality of a product and economy of power resources is «the input: the charge steam – an output: concentration of alcohol in by-products (a ready product)».
The technique of reception of analytical dynamic model of rectification multicomponent mixes is developed.
It is established, that for various intervals of supervision the object of management has essentially distinguished factors of transfer on the basic channel of mana-gement.
Necessity of application of the adaptive systems containing the equalizer of transport delay of Smith is proved.
It is proved, that synthesized adaptive control system possesses property of invariance to uncontrollable indignations on factor of transfer of the object of management.
The results of parametrical synthesis and the analysis of an adaptive control system for technological process of rectification of alcohol are received.
As a result of application of an adaptive control system by quality of a product and economy of power resources productivity of branch of rectification can be increased, quality of alcohol is improved, expenses heating steam are reduced, and losses of alcohol are reduced.
Results of the researches can be applied at the enterprises of the alcoholic industry for creation of the automated control system.
Научное издание
УЛЬЯНОВ НИКОЛАЙ ИВАНОВИЧ
МОДЕЛИРОВАНИЕ, ИДЕНТИФИКАЦИЯ И АВТОМАТИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССОМ ПРОИЗВОДСТВА ВЫСОКОКАЧЕСТВЕННОГО СПИРТА
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
по специальности 05.13.06 – Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)
Подписано в печать Гарнитура «Таймс». Уч.-изд. л. 1,3 | Формат 60х84 1/16. Печать ризографическая. Тираж 60 экз. | Бумага офсетная. Усл. печ. л. Зак. |
Издатель и полиграфическое исполнение: Учреждение образования
«Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники»
ЛИ № 000/0494371 от 01.01.2001. ЛП № 000/0494175 от 01.01.2001.
г. Минск, ул. П. Бровки, 6.
