Система автоматичного управління процесом холодної листопрокатки на безперервних станах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Донецький національний технічний університет

УДК 621.658.012.531

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Система автоматичного управління процесом холодної листопрокатки на безперервних станах

05.13.07 - автоматизація технологічних процесів

Борисов Олександр Олексійович

Донецьк 2006

Загальна характеристика роботи

автоматизація процес холодна листопрокатка

Актуальність теми. Реконструкція цехів безперервної холодної листопрокатки з метою виробництва продукції, що задовольняє сучасним вимогам автомобільної, електротехнічної, харчової, машинобудівної, електронної й інших галузей народного господарства, є найважливішою задачею металургійної промисловості України. Модернізація безперервних прокатних станів дозволить українським підприємствам ефективно конкурувати зі світовими виробниками, що особливо актуально при членстві України у ВТО, тому що значення якості продукції на зовнішніх ринках під впливом розвитку технологій неухильно зростає.

У даний час сформовані устояні напрямки в області удосконалення механічного обладнання прокатних станів, спостерігається певний прогрес у розвитку технологій його виробництва. Разом з тим фахівці в області прокатки сьогодні визнають незаперечним той факт, що без ефективної системи автоматичного управління прокатним станом одержати якість металевого листа, що задовольняла б сучасним вимогам, неможливо. Це, у першу чергу, пов'язано з необхідністю узгодження роботи декількох клітей, що впливають одна на іншу через металеву штабу.

Значний прогрес у розвитку систем управління прокатними станами досягнуто завдяки дослідженням Богаєнка, Брайтона, Дружиніна, Кузнєцова, Тимошенка, Едвардса і багатьох інших фахівців.

Однак модернізація систем автоматичного управління безперервною прокаткою на базі удосконалення алгоритмів управління залишається істотним резервом у забезпеченні найвищих техніко-економічних показників листопрокатного виробництва. Складність і багатозв'язність даного об'єкта управління визначають різноманітність підходів до його математичного опису і управління, а прогрес у даних питаннях можливий тільки на базі аналізу наявних рішень. Цей факт приводить до того, що ряд українських металургійних працюють над удосконаленням систем автоматичного управління безперервними станами холодної прокатки підприємств із залученням закордонних фірм. Однак, усвідомлюючи залежність від розробок закордонних фахівців і внаслідок дорожнечі їхніх послуг, багато українських підприємств удосконалюють виробництво на базі розробок вітчизняних фахівців. Це визначає актуальність робіт зі створення нових систем автоматичного управління процесом холодної прокатки на базі останніх досягнень теорії прокатки і теорії оптимального управління. Удосконалення математичного опису динаміки безперервної прокатки з погляду автоматизації, методів управління безперервним станом і створення таких систем, які б, з огляду на специфічні особливості безперервного стана, підвищували ефективність його функціонування і якість продукції, є важливою науковою задачею.

Таким чином, є актуальною задача системного дослідження технологічного процесу безперервної листопрокатки як об'єкта управління, удосконалення його математичного опису з погляду автоматизації, синтезу алгоритмів оптимального управління і розробки структури системи автоматичного управління на базі сучасних досягнень і вимог в області автоматизації.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Напрямок дисертаційних досліджень пов'язаний з темами НДР ДонНТУ № Н-3-2001 "Розробка методів автоматизованого проектування цифрових систем контролю, управління і телекомунікацій" і № Н-15-05 "Сучасні методи дослідження динамічних процесів у системах контролю, управління і телекомунікацій", у яких здобувач приймав участь як виконавець.

Метою роботи є підвищення якості листопрокатної продукції безперервного стана холодної прокатки шляхом удосконалення системи автоматичного управління технологічним процесом прокатки й оптимізації режимів роботи стана.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні основні задачі:

1. Дослідити особливості технологічного процесу холодної прокатки металевого листа, визначити впливи управлінь і збурень.

2. Розробити математичну модель безперервного прокатного стана як об'єкта автоматичного управління.

3. Виконати моделювання й аналіз динаміки основних параметрів процесу прокатки для формалізації задачі управління безперервним станом.

4. Розробити систему автоматичного управління технологічним процесом холодної листопрокатки на основі сучасних методів, що застосовуються у системах автоматичного управління об'єктами даного класу.

5. Проаналізувати і розвинути методи управління безперервним станом з урахуванням нестаціонарності процесів, в умовах зміни інформації про параметри процесу прокатки і їх взаємовплив.

6. Розробити структуру ієрархічної системи й алгоритм управління на базі багатокритеріальної оцінки якості управління.

Об'єктом досліджень є технологічний процес холодної листопрокатки на безперервних станах металургійних виробництв.

Предметом досліджень виступають системи автоматичного управління технологічним процесом безперервної холодної листопрокатки.

Методи дослідження. При розробці моделі об'єкта використано методи системного аналізу, декомпозиції й аналізу результатів експериментів. Синтез системи управління виконано методами сучасної теорії автоматичного управління, простору станів, оптимального й адаптивного управління, декомпозиції й агрегування, самоорганізації моделей. При дослідженні динаміки об'єкта управління і якості САУ використано методи математичного і комп'ютерного моделювання.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Досягнуто подальший розвиток багатозв'язної динамічної моделі технологічного процесу безперервної холодної листопрокатки, що відрізняється від відомих тим, що з метою підвищення адекватності реальним процесам у прокатному стані вона базується на запропонованому нелінійному рівнянні динаміки прокатки, що зв'язує кутові швидкості валків суміжних клітей, товщини листа і міжклітьові натяги, а також тим, що процес прокатки розглядається як об'єкт управління з перемінним запізнюванням.

2. Розроблена нова лінійна двозв'язна модель окремої кліті прокатного стана з урахуванням динаміки натискного пристрою, орієнтована на методи сучасної теорії оптимізації динамічних систем, і одержала подальший розвиток методика синтезу в просторі станів відповідної адаптивної дискретної системи управління з двомірним регулятором, що забезпечує максимальні показники вирівнювання листа з урахуванням експлуатаційних змін технологічних параметрів процесу прокатки.

3. Уперше запропоновано багатозв'язний регулятор основних параметрів процесу безперервної прокатки, що дозволяє оптимально погодити кутові швидкості валків суміжних клітей. Обґрунтована трирівнева структура системи автоматичного управління багатоклітьовим прокатним станом як нелінійним об'єктом, що використовує на верхньому рівні запропонований нелінійний багатозв'язний регулятор, на другому - розроблений алгоритм управління окремими клітями як лінійними двомірними об'єктами, а на нижньому - стандартні алгоритми локальних підсистем натискних пристроїв і головного приводу.

4. Здійснено подальший розвиток методів управління на верхньому рівні, що реалізують формування агрегованих показників якості автоматичної системи і самоорганізацію еталонної моделі управління на базі багатокритеріальної оцінки регулювання процесу прокатки.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджується коректним використанням математичного апарату, аналізом наявних результатів експериментальних досліджень у виробничих умовах, апробацією роботи на наукових конференціях і практичним використанням.

Наукове значення роботи полягає у розвиненні уявлень щодо особливостей процесу прокатки металевої штаби, удосконаленні математичної моделі прокатного стана з погляду автоматизації, обґрунтуванні методів управління і структури ієрархічної системи автоматичного управління.

Практичне значення отриманих результатів:

1. Розроблено комп'ютерну модель і програмне забезпечення для моделювання технологічного процесу безперервної холодної листопрокатки, що дозволяють дослідити динамічні режими стана по різних каналах управлінь і збурень, застосовувати при побудові і дослідженні систем управління розглянутим об'єктом методи сучасної теорії управління.

2. Виконано синтез алгоритмів оптимального й адаптивного управління клітями прокатного стана як двозв'язними об'єктами.

3. Розроблено алгоритми агрегованої оцінки якості управління прокатним станом, самоорганізації моделі управління на базі багатокритеріальної оцінки якості регулювання процесу прокатки, управління безперервним станом в умовах зміни інформації про параметри процесу прокатки і їх взаємовплив.

4. Розроблено трирівневу систему автоматичного управління безперервним станом з нелінійним багатозв'язним регулятором міжклітьових натягів на верхньому рівні і структура програмного забезпечення на базі запропонованих алгоритмів управління.

Результати роботи використано науково-виробничим центром технологій управління “Квантум” (м. Маріуполь) при розробці проекту автоматичної системи управління безперервним станом цеху холодної прокатки Маріупольського металургійного комбінату ім. Ілліча, відділом автоматизації технологічних процесів науково-виробничого товариства “ДОНІКС” (м. Донецьк), а також у науково-дослідній і навчальній роботі кафедри “Автоматика і телекомунікації” ДонНТУ.

Особистий внесок здобувача. Особисто здобувачем запропоновано нелінійне рівняння динаміки прокатки, багатозв'язна динамічна модель технологічного процесу безперервної холодної листопрокатки, лінійна двозв'язна модель окремої кліті прокатного стана, методика синтезу в просторі станів адаптивної дискретної системи управління з двомірним регулятором, багатозв'язний регулятор основних параметрів процесу прокатки, трирівнева структура системи автоматичного управління багатоклітьовим прокатним станом, методи формування агрегованих показників якості автоматичної системи і самоорганізації моделі управління на базі багатокритеріальної оцінки регулювання процесу прокатки.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційних досліджень повідомлені, обговорені й одержали схвалення на Міжнародній конференції по управлінню “Автоматика - 2002” (Донецький національний технічний інститут, м. Донецьк, 2002 р.), на Міжнародній конференції по управлінню “Автоматика - 2003” (Севастопольський національний технічний університет, м. Севастополь, 2003 р.), на Міжнародній конференції по управлінню “Автоматика - 2005” (Харківський національний технічний університет, м. Харків, 2005 р.).

Публікації. За результатами дисертації опубліковані 10 друкованих праць, у тому числі 7 у фахових виданнях, затверджених ВАК України, і 3 у тезах доповідей на науково-технічних конференціях.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, п'яти розділів і висновків, викладених на 164 сторінках машинописного тексту, ілюстрованого 41 рисунком. Робота містить 2 таблиці, список використаної літератури з 131 найменування і 3 додатки.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету дослідження, наведено основні наукові положення і практичні результати роботи, що виносяться на захист.

У першому розділі - “Сучасний стан питання й основні задачі дослідження”, розглянуто технологічні схеми, сортамент і склад обладнання безперервної прокатки, основні фактори, що впливають на геометричні параметри прокату, причини подовжньої різнотовщинності штаби і способи її зменшення, виконано аналіз сучасного стану питання і проблеми управління безперервним станом, як багатозв'язним об'єктом управління, сформульовано сучасні загальні вимоги до побудови систем автоматичного регулювання технологічного процесу прокатки, мету, задачі і методи досліджень.

Встановлено, що одним з головних показників якості прокату є ступінь його подовжньої різнотовщинності, задача мінімізації якої представляє найбільшу практичну складність. При цьому, товщиною листа управляють шляхом зміни розчинів між валками за допомогою натискних пристроїв і шляхом зміни натягів листа, що залежать від кутових швидкостей валків . На основі системного аналізу виділені основні збурення, що впливають на процес холодної прокатки: варіація профілю підкату і подовжнього натягу, розподіл напруг по ширині підкату, знос валків і ексцентриситети валкової системи.

Технологічно до основних контрольованих параметрів прокатки варто відносити: - товщину штаби, - натяг штаби, - розчин між валками, - зусилля прокатки, - кутову швидкість валка (двигуна), - лінійну швидкість прокату, - струм двигуна головного привода (при двозонному регулюванні - струми збудження й якоря).

Встановлено, що відмінною рисою прокатного стана є неможливість прямого виміру товщини листа безпосередньо в осередку деформації, тому часто використовують пружні властивості системи валки-кліть для непрямого виміру товщини штаби, що дозволяє виключити транспортне запізнювання. Даний метод засновано на тім, що при незмінному положенні натискного пристрою відхилення тиску металу на валки пропорційне відхиленню товщини штаби на виході з кліті.

Аналіз положень теорії подовжньої прокатки, результатів експериментальних досліджень на діючих станах, відомих моделей і рівнянь, показав наявність деяких протиріч у математичних описах процесів пластичної деформації металу і кінематики прокатки, що відзначається в останніх публікаціях фахівців у цій області. З особливостей процесу безперервної прокатки, як об'єкта управління, зроблено висновок, що даний технологічний процес є складним і багатозв'язним, а відомі багатозв'язні динамічні моделі, що визначають підхід до автоматизації, вимагають подальшого розвитку і поліпшення адекватності реальним процесам у стані. Даний факт визначає необхідність виконати системний аналіз технологічних особливостей безперервного стана на базі вивчення теоретичних положень прокатного виробництва й узагальнення експериментальних досліджень; розробити багатозв'язну математичну модель процесу безперервної прокатки, орієнтовану на методи сучасної теорії управління; дослідити на моделі перехідні процеси по основних каналах управління прокаткою і визначити принципи автоматичного управління об'єктами даного класу; розробити структуру ієрархічної системи управління і методику оптимального управління на базі сучасної теорії систем автоматичного управління багатозв'язними об'єктами; розробити методи удосконалення системи управління, що враховують специфічні властивості прокатного стана як об'єкта управління.

У другому розділі - “Розробка математичної моделі процесу безперервної листопрокатки як об'єкта управління”, розглянуто кінематику безперервної листопрокатки і досліджено процес пластичної деформації металу, з метою виявлення основних закономірностей прокатки для створення її феноменологічної моделі. На базі системного аналізу наявних теоретичних і експериментальних досліджень, запропоновано відповідні рівняння і моделі динаміки процесу безперервної прокатки з погляду автоматизації, що розвивають відомі багатозв'язні динамічні моделі, і розроблено узагальнену математичну модель багатоклітьового прокатного стана. Відмінною рисою запропонованого рівняння динаміки прокатного стана є відображення взаємозв'язку між всіма основними параметрами процесу прокатки в суміжних клітях: товщиною підкату , товщиною листа на виході i-ї кліті , кутовою швидкістю i-ї і i+1-ї кліті, міжклітьовим натягом .

Відомі багатозв'язні динамічні моделі прокатного стана засновані на лінійному рівнянні, що відображує пропорційну залежність похідної міжклітьового натягу від різниці лінійних швидкостей штаби на вході i+1-ї і виході i-ї кліті, що залежать від відповідних кутових швидкостей валків і .

У роботі показано, що міжклітьовий натяг залежить не тільки від кутових швидкостей валків суміжних клітей і , але і від товщини підкату і товщини листа на виході i-ї кліті , тобто обтиснення в ній. Запропоновано уточнене рівняння динаміки процесу безперервної прокатки:

,

де - комплексний коефіцієнт, пропорційний модулю пружності прокатуваного металу, поперечному січенню штаби і довжині міжклітьового проміжку. Рівняння засноване на законі суцільності і твердженні про подібність процесів у осередках деформації суміжних клітей при однакових відносних обтисненнях у них, що має місце на практиці. При відмінності відносних обтиснень у клітях рівняння уточнюється.

Аналіз даного рівняння і схеми прокатки дозволяє зробити висновок, що міжклітьове запізнювання, яке визначає узгодження роботи натискних пристроїв суміжних клітей і представляє відношення довжини міжклітьового проміжку до лінійної швидкості штаби в ньому, є перемінною величиною, що залежить від товщини підкату - основного збурення для прокатного стана. Таким чином, прокатний стан можна класифікувати як нелінійний об'єкт із перемінним запізнюванням.

У третьому розділі - “Синтез дискретних систем автоматичного управління кліттю прокатного стана”, розглянуто методи синтезу дискретної локальної системи автоматичного регулювання натягу штаби у міжклітьовому проміжку, показано можливість лінеаризації динамічної двозв'язної моделі окремої кліті, розроблена її феноменологічна модель, що відповідає Р-канонічній структурі двомірної системи, синтезовано лінійно-квадратичний регулятор і оцінено його ефективність.

Встановлено, що регулювання товщин і натягів штаби може здійснюватися за допомогою незалежних систем автоматичного регулювання товщини (САРТ) і систем автоматичного регулювання натягу (САРН), однак більш досконалим є комплексне регулювання за допомогою двозв'язної системи управління кліттю, що враховує взаємовплив даних параметрів прокатки. Двомірна система управління визначає розробку відповідної двозв'язної моделі локальної кліті як об'єкта управління.

Задача синтезу алгоритма оптимального управління натягом штаби полягає у формуванні такого вектора перемінних управління , котрий переводить дискретну систему, що представлена стандартною системою рівнянь

,

,

де - вектор стану розмірністю (n1), - вектор виходу (координат управління) розмірністю (m1), - вектор впливів управління розмірністю (r1), - вектор впливів, що збурюють, розмірністю (k1), A, B - відповідно матриця динаміки і входу об'єкта, W - матриця передачі збурень розмірністю (nk), C - матриця виходу об'єкта розмірністю (mn), у кінцевий стан і мінімізує квадратичний критерій якості

,

де S - симетрична ненегативно визначена матриця вагових коефіцієнтів розмірністю (nn), S 0;

Q - симетрична ненегативно визначена матриця вагових коефіцієнтів перемінних стану розмірністю (nn), Q 0;

R - симетрична позитивно визначена матриця вагових коефіцієнтів вхідних перемінних розмірністю (rr), R > 0.

Рішенням задачі оптимізації за допомогою зворотного зв'язку по стану є вектор управління

,

де Р - симетричне, позитивно визначене рішення матричного рівняння Ріккаті:

.

Показано, що для окремої кліті, як двомірного об'єкту, можлива лінійна постановка задачі управління. Враховуючи, що система регулювання товщини мінімізує різнотовщинність на виході і-ї кліті, а швидкість і-го двигуна відносно i+1-го постійна, рівняння динаміки міжклітьового натягу можна записати у вигляді лінійного операторного рівняння

,

і задача може бути вирішена в просторі параметрів стану.

Розроблено відповідну двомірну модель у вигляді канонічної структури для стандартизації підходу до управління. Модель спрощена практично без утрати її адекватності реальному процесу з урахуванням того, що при збільшенні моменту прокатки внаслідок збільшення товщини підкату швидкість привода падає по визначеному закону, однак це падіння швидкості, у тім чи іншому ступені, відповідає закону управління, що передбачає визначене зменшення швидкості.

Виходячи з вищевикладеного і моделі, двозв'язну модель кліті представлено у вигляді рівнянь:

,

що для переходу до канонічної структури приймають форму:

.

Вираження, що відповідає Р-канонічній структурі, має матричну форму:

.

Рівняння стану, відповідні даній моделі:

Визначення матриць і векторів для одномірних об'єктів досить високого порядку не представляє труднощів при використанні програмного забезпечення для наукових і інженерних розрахунків - MatLab. За його допомогою здійснюється перехід від передаточної функції до рівняння стану безперервної системи в просторі станів, а потім до рівняння стану дискретної системи, або здійснюється перехід до дискретної системи безпосередньо від системи.

Моделювання двозв'язної системи показало, що використання в системах автоматичного управління кліттю двомірних регуляторів дозволяє зменшити різнотовщинність листопрокату на 15-20 % у порівнянні з одномірними.

У четвертому розділі - “Розробка системи автоматичного управління прокатним станом як багатозв'язним об'єктом”, виконано синтез алгоритму розрахунку обтиснень при багатопрохідній прокатці, обґрунтовано методи управління безперервним станом як багатозв'язним об'єктом, розроблено контур адаптації системи управління кліттю, розглянуто методи управління обтисненням штаби з урахуванням перемінного міжклітьового запізнювання.

Виходячи з вираження (1), запропоновано наступні способи управління двигунами головного приводу прокатного стана:

- кутова швидкість двигуна кожної наступної кліті змінюється щодо швидкості двигуна попередньої кліті відповідно до вираження (1), а швидкість першої кліті незмінна;

- у залежності від товщини підкату істотно змінюється тільки швидкість двигуна першої кліті, а швидкості двигунів усіх наступних клітей задовольняють умові (1);

- кутова швидкість проміжного двигуна головного привода є незмінною, а зміни швидкостей попередніх і наступних двигунів задовольняють умові (1) і мають різний знак.

Виконано аналіз даних способів управління і показано істотні переваги другого з них:

- транспортне запізнювання в міжклітьових проміжках, починаючи з другої кліті, тут на відміну від інших способів інваріантне щодо збурення товщини листа на вході стана, що дозволяє досить просто реалізувати систему компенсації ексцентриситету валків у суміжних клітях;

- значно спрощується задача верхнього рівня, тому що збурення товщини листа на вході стана майже не проходить у наступні кліті;

- значно зменшуються вимоги до динамічних характеристик систем головного приводу і натискних пристроїв, починаючи з другої кліті, що дозволяє знизити вартість технологічного обладнання;

- підвищується надійність роботи системи управління за рахунок спрощення алгоритмів і зменшення обсягів обчислень.

Таким чином, пропонується максимально подавляти збурення товщини вхідного листа вже першою кліттю стана, а не "виправляти" різнотовщинність у всіх наступних клітях. У них досягається тільки необхідне обтиснення листа і придушуються відносно високочастотні складові його різнотовщинності, що не можуть бути придушені системою регулювання через обмеження, визначені її швидкодією, і які незначно впливають на міжклітьові натяги, внаслідок інтегруючих властивостей каналу натягу.

Встановлено, що деякі параметри стана в процесі тривалої роботи механічного обладнання зазнають певних змін. Тому система управління кліттю повинна бути адаптивною до змін параметрів процесу. Зокрема, у системі (2) коефіцієнти є умовно-постійними. Для якісної роботи системи управління вони повинні налаштовуватися відповідно змінам технологічних параметрів прокатного стана.

Таким чином, виникає задача адаптивного управління, у якій поведінка об'єкта залежить від вектора

,

де - множина можливих значень , що визначає клас припустимих збурень коефіцієнтів . Вектор квазістаціонарний: постійний чи змінюється повільніше динамічних процесів в об'єкті і змін зовнішніх впливів.

Синтезовано алгоритм адаптивного управління, що має дворівневу структуру: алгоритм регулювання 1-го (основного) рівня, що залежить від вектора параметрів регулятора, і алгоритм 2-го рівня, що змінює (налаштовує) вектор параметрів регулятора таким чином, щоб забезпечити досягнення мети управління при невідомому . Алгоритм 2-го рівня використовує величини, що вимірюються чи обчислюються на основі вимірів, не залежать від і забезпечують для мету управління.

Розглянуто задачу забезпечення бажаного режиму безперервного стана, що задається за допомогою моделі

,

де - вектор стану моделі, - вектор впливів управління. При цьому мета управління: , де - помилка системи.

Знайдено вираження для матриць коефіцієнтів регулятора, що налаштовуються:

де , - квадратні матриці відповідних розмірів.

У п'ятому розділі - “Синтез алгоритмів самоорганізації системи на базі багатокритеріальної оцінки якості управління”, розроблено алгоритм формування агрегованих показників якості управління прокатним станом на базі багатокритеріальної оцінки, запропоновано методи і моделі формування стратегії управління верхнього рівня з урахуванням агрегованої оцінки управління, розроблено алгоритм управління прокатним станом на базі самоорганізації моделей управління і поліпшення прогнозів, запропоновано структуру програмного забезпечення системи управління прокатним станом.

Показано, що основні труднощі при оцінці управління по декількох критеріях зв'язані з численністю факторів, що впливають на цю оцінку, різнорідністю критеріїв оцінки, неможливістю приведення до єдиної шкали виміру, необхідністю урахування взаємного впливу факторів, ситуацій на “ваги” критеріїв, розпливчастості категорій існуючих оцінок. Як показники, що характеризують управління виробництвом прокату, як правило, виступають геометричні і фізико-механічні параметри прокату, енергосилові витрати на виробничий процес, продуктивність безперервного стана, інтенсивність зносу механічних вузлів, надійність роботи обладнання і т.п.

Пропонується принцип оцінки ефективності управління (рейтингу стратегії управління) з урахуванням взаємовпливу факторів на базі виділення сильно зв'язаних груп, поділу частот обробки інформації з груп з виділенням групового аргумента (показника, аспекта) і адаптивного розподілу “ваг” групових аспектів в оцінках реальних ситуацій. Відповідно до цього принципу, задача оцінки ефективності управління ставиться в такий спосіб:

1. На базі окремих, прогнозних і статистичних оцінок якості управління складаються матриці даних, що відображують вплив визначених факторів на ефективність управління і враховуються при реалізації стратегії управління (знаходження зв'язків між показниками і факторами взаємовпливу, формування відповідних матриць є окремою задачею, рішення якої повинно базуватися на знайдених залежностях теорії і практики безперервної прокатки).

2. За даними кореляційного аналізу оцінюється ступінь зв'язку між факторами і формується кореляційна матриця зв'язаності.

3. У матриці зв'язаності аргументовано виділяються групи сильно зв'язаних факторів, що обумовлюють механізм впливу цієї групи на реалізацію управління.

4. Для зв'язаних груп даних визначаються окремі аргументовані аспекти внутрішньої сутності явищ, що відображають інтегрований вплив групи виділених параметрів на ефективність управління.

5. На базі агрегованих оцінок (аспектів) формується критерій оцінки стратегії управління (рейтинг) за сукупністю факторів.

Показано, що для ефективного регулювання процесу прокатки необхідні не тільки нові моделі, але й прогнозування, що забезпечує створення моделі безпосередньо в процесі управління на конкретному стані для додання їй властивостей самоорганізації у розумінні пристосування до нових умов і збереження адекватності при необхідному ступені вірогідності прогнозів. Однак, при традиційному підході до побудови регресійних моделей вони стають надто громіздкими, швидко втрачають адекватність унаслідок нестаціонарності процесу прокатки і виявляються непридатними для практичного використання.

Пропонується підхід, в основу якого покладено принцип несуперечливого цілеспрямованого еволюціонування єдиної системи “процес прокатки - система управління”. За цим принципом закладається здатність системи до самоорганізації моделі й алгоритма управління, цілеспрямованого руху до оптимуму на базі безперервного одержання нової інформації про зміни параметрів процесу прокатки й адаптації алгоритма управління до нових умов. За даним підходом прогноз представляється у вигляді ієрархічного дерева з роздільним прогнозуванням складових на базі поділу рухів на “швидкі” та “повільні” і оцінкою вірогідності з урахуванням адаптивних “ваг” локальних прогнозів. Для цього в прогнозованому процесі виділяються тренди з накладеними (аддитивними) перешкодами, спектр частот яких відповідає ієрархічному рівню прогнозу.

Структура моделі прогнозування процесу прокатки, що базується на даному підході включає: масиви факторів процесу прокатки і показників , що підлягають прогнозуванню, , де - число кроків на інтервалі спостереження; модуль самоорганізації моделі з параметрами ; модуль МСМП - самоорганізації моделі виправлень до коефіцієнтів моделі ; модуль МУП - обліку виправлень коефіцієнтів при прогнозуванні процесу і коефіцієнтів ; модуль МПК - прогнозів комп'ютера; модуль МСП - суб'єктивного прогнозу оператора стана на базі минулого досвіду і самонавчання; модулі упередження, що моделюють розбіг у часі вироблених прогнозів на інтервал прогнозування для порівняння їх з майбутніми значеннями реальних вихідних величин процесу (об'єкта); модуль МАП - адаптації прогнозів при неузгодженості прогнозних даних моделей і реальних показників процесів; модуль МОПК - обробки й узгодження прогнозів комп'ютера; модуль МОМП обробки математичних прогнозів для різних детермінованих основ (трендів), розділених по періодах прогнозування; модуль МСОП - спільної обробки прогнозів для здійснення загального прогнозу на заданий інтервал.

Формування системи критеріїв селекції (добору) моделей базується на багатозначній некоректній математичній задачі, що включає етапи формування змістовних вимог до моделі, перекладу їх у формалізовані критерії, вибору регуляризуючих функціоналів для одержання єдиної моделі оптимальної складності.

Як критерій добору використовується критерій мінімуму зсуву на навчальній N_A і перевірочній N_B вибірках вихідних даних:

де N=N_A+N_B ; С_t^A, C_t^B- окремі моделі, отримані на вибірках N_A і N_B.

У висновку сформульовані наукові результати і практична значимість виконаної роботи. У додатках приведені документи про використання результатів дисертаційної роботи, дані експериментів, проведених у умовах промисловості, і листінги програм для моделювання безперервного прокатного стана.

Висновок

У дисертаційній роботі дано теоретичне обґрунтування і нове рішення наукової задачі побудови системи автоматичного управління безперервним станом холодної листопрокатки.

Виконані дослідження дозволили отримати наступні наукові і практичні результати:

1. Аналіз особливостей функціонування безперервного стана холодної прокатки дозволив визначити властивості даного об'єкта управління, що є основою для побудови математичної моделі процесу подовжньої листопрокатки. Встановлено, що безперервний стан варто класифікувати як багатозв'язний нелінійний об'єкт із перемінним запізнюванням.

2. Запропоновано уточнене нелінійне рівняння динаміки основних параметрів прокатки в міжклітьовому проміжку і на його базі розроблена комплексна багатозв'язна модель прокатного стана, що враховує перемінні запізнювання і динаміку натискних пристроїв.

3. Показано можливість лінеаризації математичної моделі окремої кліті прокатного стана, розроблено Р-канонічну структуру двозв'язної моделі кліті, досліджена ефективність управління кліттю як за допомогою двох незалежних систем регулювання натягу і товщини, так і за допомогою більш досконалої двозв'язної системи управління кліттю.

4. Запропоновано багатозв'язний нелінійний регулятор для прокатного стана, що дозволяє погодити швидкості валків суміжних клітей, і методи урахування перемінних запізнювань у стані.

5. Запропоновано спосіб управління безперервним станом, коли в залежності від товщини підкату істотно змінюється тільки швидкість двигуна першої кліті, а швидкості двигунів усіх наступних клітей задовольняють сформульованій умові. Завдяки такому способу управління збурення товщини підкату на вході стана найменш проходить у наступні кліті, що дозволяє значно знизити вимоги до динамічних характеристик систем головного привода і натискних пристроїв, починаючи з другої кліті, а також досить просто реалізувати систему компенсації ексцентриситету валків у суміжних клітях, тому що тут транспортне запізнювання в міжклітьових проміжках, починаючи з другої кліті, інваріантно щодо збурення товщини підкату на вході стана.

6. Розроблено алгоритм адаптивного управління кліттю, який забезпечує бажану динаміку процесу безперервної прокатки, що задається відповідною моделлю, і має дворівневу структуру: алгоритм регулювання основного контуру (алгоритм 1-го рівня), що залежить від вектора параметрів регулятора, і алгоритм контуру адаптації (2-го рівня), що налаштовує вектор параметрів регулятора таким чином, щоб забезпечити досягнення мети управління при невідомому векторі параметрів стану. Робота алгоритму 2-го рівня заснована на підстроюванні коефіцієнтів регулятора, що налаштовуються, при їхньому відхиленні від "ідеальних".

7. Розроблено метод формування агрегованих показників якості управління прокатним станом на базі багатокритеріальної оцінки факторів виробництва.

8. Розроблено алгоритми управління прокатним станом на базі прогнозування технологічного процесу і структура програмного забезпечення системи управління прокатним станом із самоорганізацією моделі управління на базі агрегованої оцінки якості регулювання.

Основні результати дисертаційної роботи опубліковані в наступних публікаціях

1. Бессараб В.I., Борисов О.О. Проблеми автоматизації процесу холодної листопрокатки // Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія: Обчислювальна техніка та автоматизація, випуск 38. -Донецьк: ДонНТУ, - 2002. - С.7-12.

2. Борисов А.А., Мокрый Г.В. Математическая модель процесса непрерывной листопрокатки как объекта управления // Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія: Обчислювальна техніка та автоматизація, випуск 48. - Донецьк: ДонНТУ, - 2002. - С.92-100.

3. Борисов О.О., Попов В.О. Моделювання безперервного стана і основи управління ним як багатозв'язним об'єктом // Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія: Обчислювальна техніка та автоматизація, випуск 64. - Донецьк: ДонНТУ, - 2003. - С.31-37.

4. Борисов А.А. Разработка двумерной системы управления клетью непрерывного листопрокатного стана. // Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія: Електротехніка та енергетика, випуск 67. - Донецьк: ДонНТУ, - 2003. - С.195-198.

5. Бессараб В.I., Борисов О.О. Синтез адаптивної системи управління безперервним листопрокатним станом// Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія: Обчислювальна техніка та автоматизація, випуск 74. - Донецьк: ДонНТУ, - 2004. - С.8-13.

6. Борисов О.О. Автоматичне управління безперервним прокатним станом як багатозв'язним об'єктом // Вісник національного технічного університету “ХПІ”, випуск 55. -Харків: НТУ “ХПІ”, - 2005. - С. 99-105.

7. Мокрий Г.В., Борисов О.О. Розробка алгоритмів верхнього рівня управління в системах автоматичного регулювання процесу листопрокатки // Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія: Обчислювальна техніка та автоматизація, випуск 88. - Донецьк: ДонНТУ, - 2005. - С.30-37.

8. Борисов А.А., Мокрий Г.В. Математическая модель процесса непрерывной листопрокатки как объекта управления // Матеріали Міжнародної конференції з управління “Автоматика - 2002”. - Донецьк: ДонНТУ, - 2002. -Т.1. - С.25.

9. Борисов А.А. Модель непрерывного прокатного стана и управление им как многосвязным объектом// Материалы 10-й Международной конференции по автоматическому управлению. - Севастополь: СевНТУ, - 2004. - С. 10-11.

10. Борисов О.О. Автоматичне управління безперервним прокатним станом як багатозв'язним об'єктом // Матеріали 12-ї Міжнародної конференції з автоматичного управління. - Харків: Вид-во НТУ “ХПІ”, - 2005. - С. 77.

Анотація

Борисов О.О. Система автоматичного управління процесом холодної листопрокатки на безперервних станах. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.07 - “Автоматизація технологічних процесів”. - Донецький національний технічний університет, м. Донецьк, 2006 р.

У дисертаційній роботі запропоновано нове рішення наукової задачі автоматичного управління багатозв'язним об'єктом - технологічним процесом холодної листопрокатки на безперервних станах металургійних виробництв. Запропоновано рівняння динаміки прокатки і на його базі одержала подальший розвиток багатозв'язна динамічна модель процесу прокатки. При цьому прокатний стан розглядається як нелінійний об'єкт з перемінним запізнюванням, а окрема кліть як лінійний двозв'язний об'єкт управління. З урахуванням декомпозиції процесу на технологічні модулі розроблена трирівнева система автоматичного управління безперервним станом з локальними системами управління натискними пристроями й головним приводом на нижньому рівні, двозв'язними адаптивними системами управління локальними клітями на другому рівні, та запропонованим багатозв'язним регулятором на верхньому рівні. Система враховує нелінійність об'єкта управління й перемінні міжклітьові запізнювання. Одержав подальший розвиток алгоритм верхнього рівня, що реалізує самоорганізацію моделі управління на базі багатокритеріальної оцінки якості регулювання технологічного процесу безперервної прокатки.

Ключові слова: технологічний процес листопрокатки, математична модель, багатозв'язна система, багатомірна система, простір станів, оптимальне управління, адаптивна система управління, динамічна оптимізація моделі, самоорганізація системи, багатокритеріальна оцінка.

Аннотация

Борисов А.А. Система автоматического управления процессом холодной листопрокатки на непрерывных станах. Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.07 - “Автоматизация технологических процессов”. - Донецкий национальный технический университет, г. Донецк, 2006 г.

В диссертационной работе дано новое решение научной задачи автоматического управления многосвязным объектом - технологическим процессом холодной листопрокатки на непрерывных станах металлургических производств. Предложено уравнение динамики прокатки и на его базе получила дальнейшее развитие многосвязная динамическая модель процесса прокатки. При этом прокатный стан рассматривается как нелинейный объект с переменным запаздыванием, а отдельная клеть как линейный двухсвязный объект управления. С учетом декомпозиции процесса на технологические модули разработана трёхуровневая система автоматического управления непрерывным станом с стандартными локальными системами управления нажимными устройствами и электродвигателями главного повода на нижнем уровне, двухсвязными адаптивными системами управления локальными клетями на втором уровне, и предложенным многосвязным регулятором на верхнем уровне. Система учитывает нелинейность объекта управления и переменные межклетевые запаздывания. Получил дальнейшее развитие алгоритм верхнего уровня, реализующий самоорганизацию модели управления на базе многокритериальной оценки качества регулирования технологического процесса непрерывной прокатки.

Значение работы заключается в разработке:

1. Многосвязной динамической математической модели многоклетевого непрерывного стана холодной листопрокатки, основанной на дифференциальных уравнениях описания физико-механических процессов, отличающейся от известных тем, что она базируется на предложенном нелинейном уравнении динамики прокатки, связывающем угловые скорости валков смежных клетей, обжатия и межклетевые натяжения, а также тем, что технологический процесс прокатки рассматривается как объект управления с переменным запаздыванием.

2. Линейной двусвязной модели отдельной клети прокатного стана с учётом динамики нажимного устройства, ориентированной на методы современной теории оптимизации динамических систем.

3. Методики синтеза в пространстве состояний дискретной системы управления с двумерным регулятором на базе обобщенного квадратичного критерия качества, обеспечивающей максимальные показатели выравнивания листа.

4. Алгоритма адаптивного управления клетями стана, который обеспечивает желаемую динамику процесса непрерывной прокатки и имеет двухуровневую структуру: алгоритм регулирования основного контура, зависящий от вектора параметров регулятора, и алгоритм контура адаптации, настраивающий вектор параметров регулятора таким образом, чтобы обеспечить достижение цели управления при неизвестном векторе параметров стана.

5. Многосвязного регулятора основных параметров процесса непрерывной прокатки, позволяющего оптимальным образом согласовать угловые скорости валков смежных клетей.

6. Иерархической системы автоматического управления многоклетевым прокатным станом как многосвязным объектом.

7. Алгоритма управления верхнего уровня, реализующий самоорганизацию модели управления на базе многокритериальной оценки качества регулирования технологического процесса, и структуры программного обеспечения иерархической системы управления прокатным станом, обеспечивающей формирование оптимальной модели управления по нескольким критериям оптимизации.

Ключевые слова: технологический процесс прокатки, математическая модель, многосвязная система, многомерная система, пространство состояний, оптимальное управление, адаптивная система управления, динамическая оптимизация модели, самоорганизация системы, многокритериальная оценка.

Annotation

Borisov А.А. The automatic control system by a process of cold strip rolling on continuous mills. Manuscript.

Thesis for a candidate's degree by speciality 05.13.07 - “Automation of the technological processes”. - Donetsk national technical university, Donetsk, 2006.

In candidate's degree the new solution of a scientific problem of automatic control the multivariable object - technological process cold strip rolling on continuous mills of metallurgical manufactures is given to operation. The equation dynamic of rolling is offered and on its base the multivariable dynamic model of the process of rolling has received further development. Thus the rolling mill is considered as the nonlinear object with variable delay, and separate cage as the linear two-connected control object. In view of decomposition of the process on technological units the three-level system of automatic control of a continuous mill with standard local control systems of screw-down structures and electric motors of a main occasion on a lower layer, two-connected adaptive control systems local cages at the second level, and offered multivariable regulator on a top level is developed. The system takes into account nonlinearity of the control object and variable delay. Has received further development the algorithm of a top level realizing selforganizing of control model on the basis of a multicriteria estimation of a regulator performance of a technological process of continuous rolling.

Keywords: a technological process of rolling, mathematical model, multicoupling system, multidimensional system, state space, optimum control, adaptive control system, dynamic optimization of model, selforganizing of the system, multicriteria estimation.

Размещено на Allbest.ru