ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ, 2010, том 44, № 1, с. 69-77
УДК 66.011;66.023.2;66.095.86
НОВЫЕ ПОДХОДЫ К ИНТЕГРИРОВАННОМУ СИНТЕЗУ ГИБКИХ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ
© 2010 г. Д. С. Дворецкий, С. И. Дворецкий, С. В. Мищенко, Г. М. Островский*
Тамбовский государственный технический университет *Научно-исследовательский физико-химический институт им. Л.Я. Карпова, Москва
Поступила в редакцию 06.04.2009 г.
Формализованы задачи оптимизации конструктивных и режимных (управляющих) переменных при интегрированном проектировании гибких автоматизированных комплексов "химико-технологический процесс (ХТП) — система автоматического управления (САУ)" в условиях неопределенности физико-химических, технологических и экономических исходных данных. Выбор наилучшего варианта гибкого автоматизированного комплекса осуществляется путем попарного сравнения альтернативных вариантов автоматизированных комплексов по критериям, учитывающим как качество производимой продукции и показатели энерго- и ресурсосбережения, так и качество переходных процессов в САУ. Формулируется двухэтапная задача стохастической оптимизации гибких автоматизированных комплексов с "жесткими" и "мягкими" ограничениями и предлагается новый подход к ее решению. Демонстрируется пример интегрированного проектирования гибкого непрерывного процесса синтеза азопигментов и системы оптимальной стабилизации его режимов при наличии интервальной неопределенности кинетических коэффициентов химических реакций и отдельных технологических переменных.
ВВЕДЕНИЕ
Проблема совместного проектирования технологических систем и систем управления режимами их функционирования ставилась и частично решалась на протяжении многих десятилетий, начиная с Д. Уатта. Однако до настоящего времени нет законченной научной концепции и достаточно простого математического аппарата для комплексного решения этой сложной многокритериальной проблемы. Теория и методы имитационного исследования оценки эффективности функционирования автоматизированных технологических систем, выбор экономически целесообразных аппаратов и систем управления на протяжении последних десятилетий успешно развиваются научными школами академика Кафарова В.В., профессоров Девятова Б.Н., Ани-симова И.В., Островского ГМ., Бодрова В.И., Ого88-тапп 1.Е., Ноиёаз С.А., РкИкорои^ Е. и др. [1—10].
Целью интегрированного проектирования технологических процессов, аппаратов и систем автоматического управления химических производств в условиях неопределенности является обеспечение выпуска качественной конкурентоспособной продукции и соответствующего (мировым стандартам) уровня энерго- и ресурсосбережения производства при стабильной работе химико-технологических систем (ХТС). Достижение цели интегрированного проектирования возможно только при создании гибких (работоспособных) ХТС. Под гибкостью ХТС здесь понимается ее способность к управлению и сохранению своего функционального назначения при случайном изменении внутренних и
внешних неопределенных параметров в заданных интервалах. На этапе эксплуатации гибкой ХТС условия осуществления технологического процесса, задаваемые технологическим регламентом, должны выполняться независимо от случайного изменения неопределенных параметров в заданной области за счет соответствующего выбора управляющих воздействий, реализуемых в системе автоматического управления.
Стремление добиться максимальной эффективности функционирования химического процесса с точки зрения энерго- и ресурсосбережения, как правило, приводит к выбору таких конструктивных параметров реактора (аппарата, установки), при которых его динамические характеристики не удовлетворяют заданным требованиям. В этом случае для обеспечения гибкости ХТП требуется использование сложных, а следовательно, дорогостоящих систем автоматического управления. В то же время для улучшения динамических свойств ХТС и снижения стоимости системы управления часто оказывается достаточно небольших изменений в конструкции аппаратурного оформления процесса или его конструктивных параметров. При интегрированном проектировании оптимальные конструктивные параметры аппаратурного оформления ХТП, режимы его функционирования и настроечные параметры системы автоматического управления выбираются из условия разумного компромисса между эффективной работой химического процесса с точки зрения энерго- и ресурсосбережения и качеством управления (регулирования) режимами ХТП. Сложность такой задачи обусловливается неполнотой и
неточностью исходной физико-химической, технологической и экономической информации, а также необходимостью удовлетворения целого ряда требований технологического регламента производства, а именно: 1) производство должно работать без аварийных ситуаций и быть экологически безопасным, т.е. выбросы вредных веществ не должны превышать допустимых норм; 2) в ходе эксплуатации производства должны обеспечиваться заданные требования по качеству химической продукции и производительности; 3) химико-технологические процессы, осуществляемые на различных стадиях производства, должны быть экономически эффективными, т.е. некоторая мера, характеризующая их экономическую эффективность, должна принимать наибольшее или наименьшее значение (например, показатели энерго- и ресурсосбережения, прибыль, приведенные затраты и т.п.).
МЕТОДОЛОГИЯ ИНТЕГРИРОВАННОГО СИНТЕЗА ГИБКИХ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ХТС
В соответствии с разработанной нами методологией интегрированного проектирования технологических процессов, аппаратов и систем автоматического управления химических производств в условиях неопределенности итерационно решаются три основные задачи: 1) генерирование альтернативных вариантов ХТП, удовлетворяющих условиям гибкости; 2) выбор альтернативных классов и структур САУ ХТП, удовлетворяющих: а) условиям структурной наблюдаемости и управляемости; б) заданным динамическим свойствам по каналам управления; 3) оптимизация конструктивных и режимных (управляющих) переменных автоматизированного комплекса "ХТП—САУ" по векторному критерию, включающему показатели качества производимой продукции, энерго- и ресурсосбережения и другие технико-экономические показатели комплекса, а также показатели качества переходных процессов в САУ.
Выбор класса и структуры САУ осуществляется с использованием множества регулируемых (наблюдаемых) переменных и управляющих воздействий, полученных из анализа структурной матрицы уравнений динамики ХТС. При этом учитываются наблюдаемость выходных переменных ХТС, оценка затрат на разработку необходимых датчиков, приборов, возможность и точность прогноза выходных переменных по косвенным показателям, управляемость ХТС с той или иной комбинацией управляющих воздействий. Альтернативные классы и структуры САУ исследуются методом имитационного моделирования в порядке их ранжирования по критерию экономической целесообразности. Для допустимых структур САУ проводится исследование динамических показателей (регулируемости, инерционности и др.) ХТС по каналам управления
(регулирования). В том случае, если управляемые в статике ХТС имеют неудовлетворительные динамические характеристики, то производится коррекция конструктивных и режимных параметров ХТС (найденных на первом этапе), либо выбираются другие типы аппаратурного оформления ХТП [4, 11, 12].
Для решения задач синтеза энерго- и ресурсосберегающего управления нелинейными (по фазовым координатам) ХТП в замкнутой САУ нами применяются высокоэффективные методы АКОР по критерию обобщенной работы академика Кра-совского А.А. [13].
На завершающем этапе интегрированного проектирования методом имитационного моделирования осуществляется решение многокритериальной задачи оптимизации для альтернативных автоматизированных комплексов "ХТП—САУ", число которых, как правило, на этом этапе не превышает 5—10. В ходе имитационных исследований помимо вычисления оценок показателей энерго- и ресурсосбережения, экономической целесообразности также определяется техническое задание на точность и быстродействие информационно-измерительной подсистемы, алгоритмов оптимального управления, исполнительных механизмов и устройств управления, на разработку подсистем адаптации моделей и алгоритмов управления. По результатам имитационных исследований проверяется достижимость поставленных целей функционирования ХТС и осуществимость требований технического задания. В том случае, если эти требования не достижимы, осуществляется переход к новым обликам аппаратурного оформления ХТП или выбору новой структуры ХТС.
ФОРМАЛИЗАЦИЯ ЗАДАЧИ ИНТЕГРИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ГИБКИХ ХТП И СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ИХ РЕЖИМАМИ
Пусть известны структура ХТС (технологическая схема) и информация о том, что в вектор неопределенных параметров входят параметры (переменные), которые могут быть уточнены (измерены) на этапе эксплуатации ХТС. При этом в первую группу (с индексами] е /1 = (1, 2, ..., ш{)) входят "жесткие" ограничения, а во вторую группу (с индексами] е /2 = (т1 + 1, ..., т)) — "мягкие" ограничения. Последние должны выполняться с вероятностью по крайней мере не ниже заданной р^.
При интегрированном проектировании требуется определить: вариант (тип) а е А аппаратурного оформления ХТП, векторы конструктивных параметров ^а) е Б и режимных (управляющих) переменных г е Z (или оптимальных заданий регуляторам САУ), класс Ь е В, структуру А(Ь) е Ни вектор настроечных параметров «(А) е Б, при которых неза-
висимо от изменения Ъ е 2= {£,к : Ък < Ък < ЪЦ, к = 1, 2, ..., М\ усредненный критерий/(а, с1,г, Ь, к, «(А), Ъ), учитывающий как показатели энерго- и ресурсосбережения, так и качество переходных процессов в САУ, достигает оптимального значения, а другие требования технического задания на проектирова-
71
ние ХТП и САУ выполняются либо безусловно (жестко), либо с заданной вероятностью р^.
Математическая постановка задачи оптимизации при интегрированном проектировании ХТП и САУ в условиях неопределенности имеет следующий вид [5]:
f* = min f(а, d(а), b, h, s(h), z((£), £)), (1)
a, d(а), b, h, s(h), z(l)
X(a, d(а)) = maxminmaxg(a, d(а), z
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.