Многокритериальный метод оптимизации процесса производства алюминия (стр. 1 )

На правах рукописи

МНОГОКРИТЕРИАЛЬНЫЙ МЕТОД ОПТИМИЗАЦИИ ПРОЦЕССА ПРОИЗВОДСТВА АЛЮМИНИЯ

Специальность 05.13.01 – «Системный анализ, управление и обработка информации»

(информатика, вычислительные машины и автоматизация; энергетика)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Братск – 2010

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Братский государственный университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

доктор технических наук, доцент

Ведущая организация: ГОУ ВПО «Иркутский государственный

университет путей сообщения»

Защита диссертации состоится «16 » апреля 2010 г. в 10 часов в аудитории 3203 на заседании диссертационного совета Д 212.018.01 при ГОУ ВПО «Братский государственный университет» Иркутская обл., 0.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Братский государственный университет».

Автореферат разослан «_18_» __февраля__2010 г.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный гербовой печатью предприятия, просим направлять ученому секретарю диссертационного совета Д 212.018.01

Ученый секретарь диссертационного совета,

к. т.н., доцент
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Повышение технико-экономических показателей работы предприятий является основной задачей, стоящей перед алюминиевыми заводами современной России. Как показывает мировой опыт, наибольший эффект по повышению эффективности работы предприятия алюминиевой промышленности достигается при коренной реконструкции серий электролиза, заключающейся в переходе на технологию предварительно обожженных анодов. Однако, такая реконструкция по капитальным вложениям приближается к уровню затрат, требуемых для строительства новых заводов. В связи с этим в России широко используется способ повышения эффективности производства, заключающийся в модернизации действующей технологии и снижении издержек производства.

Существуют два пути снижения издержек производства: снижение закупочных цен на материально-энергетические ресурсы и снижение расходов материально-энергетических ресурсов на единицу продукции. Снижение закупочных цен на сырье и материалы ограничивается их качеством и рано или поздно приведет к убыткам, т. к. потери, вызванные применением некачественного сырья и материалов, не будут компенсироваться их низкой стоимостью. Остается второй путь сокращения издержек производства – снижение удельных расходов на единицу продукции за счет оптимального управления режимом работы электролизеров. Настоящая диссертационная работа посвящена решению актуальной проблемы-оптимизации управления электролизером, целью которой является возможность снижения удельных расходов сырья и электроэнергии без уменьшения объема производимого металла.

Целью диссертационной работы является:

-  разработка математических моделей объекта управления–электролизера;

-  разработка алгоритмов оптимального управления по отдельным критериям:

-  максимальному объему производимого металла,

-  минимальному значению среднего напряжения,

-  минимальному расходу фтористого алюминия;

-  разработка алгоритма оптимального управления электролизером по обобщенному критерию оптимальности – максимальному объему производимого металла при минимальном значении среднего напряжения и минимальном расходе фтористого алюминия;

-  синтез многосвязного алгоритма управления технологическим процессом, обеспечивающего оптимальное управление электролизером по обобщенному критерию оптимальности – максимальному объему производимого металла при минимальном значении среднего напряжения и минимальном расходе фтористого алюминия.

Методы исследования. В процессе синтеза многосвязной системы управления объектом– алюминиевым электролизером использовались методы теории графов, методы статистического моделирования, анализа и первичной обработки данных. Результаты работы получены с помощью программного пакета МАТLAB 5.2. и блока «анализ данных» программного пакета MS EXCEL.

Научная новизна заключается в следующем:

-  разработана методика параметрической идентификации на основе метода пассивного эксперимента;

-  разработаны регрессионные модели количества производимого электролизером металла, значения среднего напряжения электролизера, расхода фтористого алюминия;

- разработан метод определения объема тестовых данных, необходимого для

построения математических моделей электролизера;

-  разработан алгоритм управления объектом по локальным критериям управления: максимальному объему производимого металла, минимальному значению среднего напряжения, минимальному расходу фтористого алюминия;

-  произведен синтез алгоритма управления технологическим процессом по обобщенному критерию управления – максимальному объему производимого металла при минимальном значении среднего напряжения и минимальном расходе фтористого алюминия.

Положения, выносимые на защиту:

-  постановка задачи синтеза системы управления процессом электролиза на отдельном электролизере;

-  метод синтеза обобщенного алгоритма управления процессом электролиза на отдельном электролизере: максимальное количество производимого алюминия из электролизера при минимальном значении среднего напряжения электролизной ванны и минимальном расходе фтористого алюминия;

-  метод реализации алгоритма оптимального управления по обобщенному критерию.

Практическая ценность. Исследования автора выполнялись в рамках госбюджетной тематики “Топологические методы идентификации и синтеза систем управления многосвязными объектами”, выполняемой в Братском государственном университете, и «Программы модернизации завода», внедряемой на Братском алюминиевом заводе в 2000 - 2004 году.

В диссертационной работе разработана методология синтеза системы оптимального управления сложным многосвязным объектом – электролизером. Эта методология позволит решить задачу многокритериального оптимального управления электролизером с дальнейшей реализацией алгоритма управления на АСУТП -Братск». Проведенная работа показывает возможность применения этой методологии для автоматизации любых других объектов электролизного производства.

Разработанная методология оптимального управления объектом применялась для стабилизации технологического состояния и повышения эффективности работы электролизеров корпуса №25 в период времени с 2000 по 2005 год.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на III Республиканской научно-технической конференции молодых ученых и специалистов алюминиевой и электродной промышленности (г. Иркутск, 2005г.), всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» (2006; Новосибирск), научно-практической конференции «Перспективы развития технологии, экологии и автоматизации химических, пищевых и металлургических производств» (2006; Иркутск), II международной научно-практической конференции «Металлургия легких металлов. Проблемы и перспективы» (2006; Москва).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 работ, в том числе 1 статья в изданиях, рекомендованных ВАК для кандидатских диссертаций.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, приложений. Она изложена на 141 странице основного текста, содержит 31 рисунок, 30 таблиц, 5 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении рассматривается актуальность решения проблемы оптимального управления электролизером. Целью оптимального управления является возможность снижения удельных расходов сырья и электроэнергии без уменьшения объема производимого металла.

В первой главе проводится анализ способов производства алюминия, анализ технико-экономических показателей электролизного производства, поставлена задача разработки автоматизированной системы управления процессом производства алюминия по выбранным критериям управления.

Существует два основных направления получения алюминия: электролитический и электротермический способы. Электролитический способ производства основан на электролизе глинозема, растворенного в расплавленном криолите. Этот способ позволил значительно снизить стоимость алюминия по сравнению с уже существующими и на данный момент составляет основу современной электрометаллургии алюминия.

Задача автоматизированного оптимального управления процессом производства алюминия по критериям управления сформулирована следующим образом: необходимо получить максимальное количество производимого электролизером алюминия при минимальном значении среднего напряжения на электролизной ванне и минимальном расходе фтористого алюминия.

Во второй главе рассмотрен принцип синтеза систем автоматического управления, рассмотрены топологический метод синтеза сложных систем и метод синтеза сложных систем с применением регрессионного анализа.

Полное представление о системах можно получить с помощью графов. Матричное уравнение С-графа:

A*B*Xвх=0;

где: A - матрица структуры графа; B – матрица коэффициентов (операторов) системы, порядка (n1=m), где m – число входных сигналов графа; Хвх - матрица - столбец входных сигналов графа.

Метод синтеза сложных систем с применением регрессионного анализа основывается на изучении объективно существующих связей между явлениями и позволяет оценить функциональную зависимость условного среднего значения результативного признака (Y) от факторных (х1,х2, … , хк).

Существенным достоинством данного метода является хорошо проработанный этап структурного анализа и его формализация. Поскольку в данной работе рассматривается процесс длительного цикла, имеющего большую выборку параметров, то с целью определения модели исследуемого процесса с высокой точностью воспользуемся регрессионным анализом.

В третьей главе построены математические модели процесса производства алюминия. При формировании моделей электролизера следует учесть тот факт, что процесс получения алюминия подвержен влиянию различных факторов, оценить которые порой не представляется возможным. Для того чтобы учесть все факторы, влияющие на технологический процесс, необходимо сохраняя структуру, периодически пересчитывать модель, т. е. адаптировать модель к реальным условиям производства. Периодически пересчитывая параметры модели, получим максимально приближенное к реальной ситуации регрессионное уравнение процесса.