Vestnik of Don State Technical UniversityVestnik of Don State Technical UniversityВестник Донского государственного технического университета1992-59801098510.12737/18276Информатика, вычислительная техника и управлениеINFORMATION TECHNOLOGY, COMPUTER SCIENCE AND MANAGEMENTИнформатика, вычислительная техника и управлениеAutomatic system of mutually invariant vector control of mixer technology state variablesАвтоматическая система взаимно инвариантного векторного управления переменными технологического состояния аппарата приготовления раствораНейдорфРудольф АнатольевичNeydorfRudolf Анатольевичran_pro@mail.ruМохсенМохаммед Неама MohsenMohammed Neamah Mohammed.naima@gmail.com2101201621012016161143153https://zh-szf.ru/en/nauka/article/10985/view
Целью данной работы является повышение эффективности автоматизации технологических процессов химической про-мышленности и родственных ей отраслей. Рассматривается типичный для отрасли процесс приготовления раствора и ре-шается задача разработки векторного закона управления, эф-фективного как в плане интенсивности или быстродействия, так и в плане взаимной инвариантности процессов управления различными технологическими переменными. Для решения этой задачи использован подход к синтезу законов управления на основе желаемых характеристик синтезируемой системы управления. При построении желаемой математической модели управляемого аппарата приготовления раствора задействована математическая модель квазиоптимального по быстродействию управления. В результате синтеза сформулирован достаточно сложный нелинейный векторный закон управления, который, однако, обеспечивает все свойства, заложенные в парадигму его построения и реализации. Выполнено имитационное моделирование многоконтурной системы автоматического управления с реализацией синтезированных законов и исследование построенной модели. Это позволило полностью подтвердить абсолютную автономность управления уровнем раствора выходного потока в аппарате, а также его концен-трацией. Кроме того, доказана независимость управляемых переменных от изменения нагрузки — расхода приготавлива-емого раствора. Полученные данные могут быть использованы на химических и родственных им производствах (пищевых, нефтеперерабатывающих и др.). Материалы и результаты представленных исследований показывают, что для эффек-тивного синтеза векторных законов управления нелинейными многосвязными объектами метод эталонных математических моделей может использоваться в сочетании с парадигмой ква-зиоптимизации быстродействия этих законов.
The work objective is to improve the automation efficiency of the technological processes of the chemical industry and the related industries. A typical for the industry solution preparation process is considered; and the task of developing a vector control law, effective in terms of both intensity or speed and cross-invariance of the management processes of various technological variables, is solved. To cope with this task, the approach to the control laws synthesis based on the desired characteristics of the synthesized control system is taken. A mathematical model of the quasi-optimal speed control is used to construct the desired mathematical model of the controlled machine for the solution preparation. The synthesis is resulted in a rather complex non-linear vector control law which, however, provides all the properties inherent in the paradigm of its creation and implementation. Simulation modeling of a multistage automatic control system with the implementation of the synthesized laws is carried out, as well as the research of the constructed model. This allows fully confirm an absolute control autonomy of the outflow solution level in the unit and of its concentration. Besides, the independence of the controlled variables from the changing load — flow fluid preparation – is established. The results obtained are intended for the implementation in the chemical technology and the related indus-tries (food processing, oil refining, etc.). The materials and the research results presented show that for an effective synthesis of the vector control laws of nonlinear multiply connected objects, the method of reference mathematical models can be applied along with the quasi-optimization speed performance of these laws.
Наряду с совершенствованием технологии автоматизация производства является ключевой составляющей развития любой промышленности: химической, микробиологической, пищевой и др. При автоматизации промышленных производств объектом автоматизации является обычно не отдельный технологический процесс или аппарат, а некий технологический модуль, комплекс или линия со сложными взаимосвязями между его агрегатами, коммуникациями, потоками и пр. Современные системы автоматизации таких комплексов должны обладать широкими функциональными возможностями, новыми техническими характеристиками. Выполнение указанных требований позволяет обеспечить высокую надежность (живучесть) элементов управления, их информативность, функциональность, быстродействие, комфортность работы оператора и пр. [1–3].Однако все перечисленные качества автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП) характеризуют не только средства и системы централизованного управления. Корни этих свойств — в так называемых локальных системах автоматического управления (ЛСАУ) [4–6]. Это обусловлено рядом причин. Во-первых, именно ЛСАУ ориентированы на работу с первичной информацией о состоянии технологического процесса. Во-вторых, они непосредственно воздействуют на исполнительные механизмы регулирующих органов управления процессом. Таким образом, именно на нижнем уровне — уровне локальных САУ формируются фундаментальные свойства АСУ ТП. К ним относится, прежде всего, быстродействие управления: очевидно, что никакая системная надстройка не повысит скорость медленно функционирующей системы, непосредственно воздействующей на объект. Постановка задачи. В настоящей статье ставится задача исследовать возможности синтеза САУ локального уровня, обеспечивающие близкое к максимальному быстродействие управления технологическим процессом.
Фёдоров, А. Ф. Системы управления химико-технологическими процессами / А. Ф. Фёдоров, Е. А. Кузьменко. - Томск : Изд-во Томского политехнического университета, 2009. - 213 с.Fedorov, А.F., Kuzmenko, E.A. Sistemy upravleniya khimiko-tekhnologicheskimi protsessami. [Chemical Tech-nological Process Control Systems.] Tomsk: Izd-vo Tomskogo politekhnicheskogo universiteta, 2009, 213 p. (in Russian).Решетняк, Е. П. Системы управления химико-технологическими процессами / Е. П. Решетняк, А. К. Алейников, А. В. Комиссаров. - Саратов : Саратовский военный институт биологической и химической без-опасности, 2008. - 416 с.Reshetnyak, Е.P., Aleynikov, A.K., Komissarov, A.V. Sistemy upravleniya khimiko-tekhnologicheskimi protses-sami. [Chemical Technological Process Control Systems.] Saratov: Saratov Military Institute of Radiological, Chemical, and Biological Defense, 2008, 416 p. (in Russian).Беспалов, А. В. Системы управления химико-технологическими процессами / А. В. Беспалов. - Москва : Академкнига, 2007. - 690 с.Bespalov, А.V. Sistemy upravleniya khimiko-tekhnologicheskimi protsessami. [Chemical Technological Process Control Systems.] Moscow: Akademkniga, 2007, 690 p. (in Russian).Бородин, И. Ф. Автоматизация технологических процессов / И. Ф. Бородин, Ю. А. Судник. - Москва : КолосС, 2004. - 344 с.Borodin, I.F., Sudnik, Y.A. Avtomatizatsiya tekhnologicheskikh protsessov. [Process Automation.] Moscow: Ko-losS, 2004, 344 p. (in Russian).Нейдорф, Р. А. Теория автоматического управления в технологических системах : учебное пособие / Р. А. Нейдорф, Н. С. Соловей. - Ухта : Институт управления, информации и бизнеса, 2005. - 212 с.Neydorf, R.А., Solovey, N.S. Teoriya avtomaticheskogo upravleniya v tekhnologicheskikh sistemakh: uchebnoe posobie. [Automatic Control Theory in technological systems: teaching medium.] Ukhta: Institute of Management, Infor-mation and Business, 2005, 212 p. (in Russian).Решетняк, Е. П. Электронный конспект лекций по дисциплине АСУТП / Е. П. Решетняк. - Саратов : СГАУ, 2009. - 213 с.Reshetnyak, Е.P. Elektronnyy konspekt lektsiy po distsipline ASUTP. [Electronic lecture notes on Automatic Pro-cess Control Systems.] Saratov: SGAU, 2009. - 213 с. (in Russian).Нейдорф, Р. А. Моделирование химико-технологических процессов на микро-ЭВМ : учебное пособие / Р. А. Нейдорф, А. В. Ситников. - Новочеркасск : НПИ, 1986. - 88 с.Neydorf, R.А., Sitnikov, A.V. Modelirovanie khimiko-tekhnologicheskikh protsessov na mikro-EVM: uchebnoe posobie. [Modeling the chemical-technological processes at the micro-computer: teaching medium.] Novocherkassk: NPI, 1986, 88 p. (in Russian).Нейдорф, Р. А. Инварианты объектов синергетического управления в химической технологии / Р. А. Нейдорф // Современная прикладная теория управления. Ч. III. Новые классы регуляторов технических систем / Под ред. А. А. Колесникова. - Таганрог : Изд-во ТРТУ, 2000. - С. 238-256.Neydorf, R.А. Invarianty ob´´ektov sinergeticheskogo upravleniya v khimicheskoy tekhnologii. [Invariants of syn-ergistic control objects in chemical technology.] Sovremennaya prikladnaya teoriya upravleniya. Ch. III. Novye klassy reg-ulyatorov tekhnicheskikh system. [Modern applied management theory. Part III. New classes of technical system regulators.] Kolesnikov, A.A., ed. Taganrog: Izd-vo TRTU, 2000, pp. 238-256 (in Russian).Математическое моделирование химико-технологических процессов : учебное пособие / А. М. Гумеров [и др.]. - Казань : Изд-во Казанского государственного технологического университета, 2006. - 216 с.Gumerov, A.M., et al. Matematicheskoe modelirovanie khimiko-tekhnologicheskikh protsessov: uchebnoe posobie. [Mathematical modeling of chemical-technological processes: teaching medium.] Kazan: Izd-vo Kazanskogo gosu-darstvennogo tekhnologicheskogo universiteta, 2006, 216 p. (in Russian).Параметрическая идентификация трудноопределимых констант математических моделей автоматизиро-ванных систем участков магистральных газопроводов / Р. А Нейдорф [и др.] // Вестник Дон. гос. техн. ун-та. - 2012. - № 2 (63), вып. 2. - С. 56-61.Neydorf, R.А., et al. Parametricheskaya identifikatsiya trudnoopredelimykh konstant matematicheskikh modeley avtomatizirovannykh sistem uchastkov magistral´nykh gazoprovodov. [Parametric identification of CAM system mathematical model hardly determinable invariables for gas main sections.] Vestnik of DSTU, 2012, no. 2 (63), iss. 2, pp. 56-61 (in Russian).Мохсен, М. Н. Синтез законов квазиоптимального управления технологическими объектами первого по-рядка [Электронный ресурс] / М. Н. Мохсен, Р. А Нейдорф // Инженерный вестник Дона. - 2015. - № 4. - Режим доступа: http://ivdon.ru (дата обращения: 15.01.16).Mohsen, M.N., Neydorf, R.А. Sintez zakonov kvazioptimal´nogo upravleniya tekhnologicheskimi ob´´ektami pervogo poryadka. [Synthesis of laws of quasioptimal control of technological objects of the first order.] Engineering Journal of Don, 2015, no. 4. Available at: http://ivdon.ru (accessed: 15.01.16) (in Russian).Нейдорф, Р. А. Нелинейное ускорение динамических процессов управления объектами первого порядка с учетом ограниченности воздействий / Р. А. Нейдорф // Вестник Дон. гос. техн. ун-та. - 1999. - С. 13-21.Neydorf, R.А. Nelineynoe uskorenie dinamicheskikh protsessov upravleniya ob´´ektami pervogo poryadka s uchetom ogranichennosti vozdeystviy. [Nonlinear acceleration of dynamic management processes by objects of the first order with the limited impact.] Vestnik of DSTU, 1999, pp. 13-21. (Upravlenie i diagnostika v dinamicheskikh sistemakh) [Management and Diagnostics in dynamical systems.] (in Russian).Синтез законов управления в технических системах : учебное пособие. Ч. 1. Инженерные методы синтеза законов управления в технических системах по эталонным математическим моделям / Р. А. Нейдорф [и др.] ; под общ. ред. Р. А. Нейдорфа, З. Х. Ягубова. - Ухта : УГТУ, 2000. - 168 с.Neydorf, R.А., et al. Sintez zakonov upravleniya v tekhnicheskikh sistemakh: uchebnoe posobie. Ch. 1. Inzhe-nernye metody sinteza zakonov upravleniya v tekhnicheskikh sistemakh po etalonnym matematicheskim modelyam. [Synthesis of control laws in technical systems: teaching medium. Part 1: Engineering methods of control laws synthesis in technical systems based on reference mathematical models.] Neydorf, R.А., Yagubov, Z.K., eds. Ukhta: UGTU, 2000, 168 p. (in Russian).Нейдорф, Р. А. Инженерные методы синтеза автоматических систем управления : учебное пособие / Р. А. Нейдорф, Н. С. Соловей ; под общ. ред. Р. А. Нейдорфа. - Ухта : УГТУ ; Ростов-на-Дону : РГАСХМ, 2004. - 255 с.Neydorf, R.А., Solovey, N.S. Inzhenernye metody sinteza avtomaticheskikh sistem upravleniya: uchebnoe posobie. [Engineering methods of synthesis of automatic control systems: teaching medium.] Neydorf, R.А, ed. Ukhta: UGTU; Rostov-on-Don: RGASKhM, 2004, 255 p. (in Russian).Нейдорф, Р. А. Эффективная аппроксимация кусочных функций в задачах квазиоптимального по быстро-действию управления / Р. А. Нейдорф // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-2000 : сб. тр. междунар. науч. конф. - Санкт-Петербург, 2000. - Т. 2. - С. 18-22.Neydorf, R.А. Effektivnaya approksimatsiya kusochnykh funktsiy v zadachakh kvazioptimal´nogo po by-strodeystviyu upravleniya. [Effective approximation of piecewise functions in problems for quasi-optimal control speed.] Ma-tematicheskie metody v tekhnike i tekhnologiyakh - MMTT-2000: sb. tr. mezhdunar. nauch. konf. [Mathematical methods in Engineering and Technologies - MMTT 2000: Proc.Int.Sci.Conf.] St. Petersburg, 2000, vol. 2, pp. 18-22 (in Russian).Neydorf, R. Synthesis of Time Quasi-Optimal Asymptotically Stable Control Laws [Электронный ресурс] / R. Neydorf // SAE International. - 2015. - 15 сентября. - Режим доступа: http://papers.sae.org/2015-01-2481 (дата обра-щения: 20.01.16).Neydorf, R. Synthesis of Time Quasi-Optimal Asymptotically Stable Control Laws. SAE International, 2015. Available at: http://papers.sae.org/2015-01-2481 (accessed: 20.01.16).