Синтез оптимальных алгоритмов управления параметрами АСУ ТП в энергетике (на примере процесса горения в топке котлоагрегата)

Повышение эффективности и качества функционирования энергетики как отрасли народного хозяйства выдвигает на первый план, в частности, проблему формирования необходимого уровня профессиональной подготовки человека-оператора / I /. Это обуславливается следующим. Основой энергетической базы страны является энергоблок / I /. Единый, процесс производства электроэнергии на энергоблоке состоит из отдельных, относительно автономных технологических процессов, системы управления которых относятся к классу автоматизированных систем управления / АСУ ТП /.

Эффективность и качество функционирования АСУ ТП определяется, в частности, точностью поддержания / как в статическом, так и в динамическом режиме / значений технологических параметров / 2 /. Необходимая точность поддержания значений технологических параметров АСУ ТП может быть достигнута за счет совершенствования как технических средств системы управления, так и деятельности человека-оператора.

Степень совершенства деятельности человека-оператора в режиме ручного управления технологическими параметрами зависит от степени его профессиональной подготовленности / обученно-сти /, под которой понимается способность человека-оператора выполнять определенные действия с требуемыми качественными показателями и определяется наличием у человека-оператора определенных знаний, умений и навыков.

Несмотря на то, что доля ручного управления в процессе функционирования энергоблока является значительной / так, например, по данным ПО Союзтехэнерго, на энергоблоке 300 МВт степень автоматизации составляет около 50% / в настоящее время отсутствуют какие-либо правила ручного управления технологическими параметрами и человек-оператор руководствуется только личным опытом и интуицией. Это приводит к недостаточной точности поддержания значений технологических параметров, ведет к снижению эффективности и качества функционирования как отдельных технологических процессов, так и энергоблока в целом / 3 / и обуславливает актуальность проблемы разработки метода синтеза оптимальных алгоритмов ручного управления технологическими параметрами и методики обучения им.

Цель диссертационной работы состоит в разработке метода синтеза оптимальных алгоритмов ручного управления / отработка отклонений параметров от заданных значений при условии, что переходной процесс удовлетворяет требуемым качественным показателям / и методики обучения им.

Как показывает отечественный и зарубежный опыт, овладение знаниями, возникновение умений и превращение всех элементов деятельности человека-оператора в навыки происходит успешно и экономически оправдано при предварительном обучении на тренажерах. Применение тренажеров для целей обучения по сравнению с обучением на действующем оборудовании позволяет существенно повысить качество и сократить время обучения, а также избавиться от неизбежных потерь, связанных с отклонением значений технологических параметров от заданных под влиянием тренировочной деятельности / 3 /.

В режиме ручного управления технологическими параметрами человек-оператор формирует и реализует управляющее воздействие. Необходимая точность формирования и реализации управляющего воздействия возможна лишь в случае, если человек-оператор «знает» вид, в смысле выбранного критерия качества, оптимальных алгоритмов ручного управления. Последние могут быть синтезированы на основе теоретико-экспериментального метода как математического аппарата / 4 /. В соответствии со структурными особенностямитеоретико-экспериментального метода задача синтеза оптимальных алгоритмов ручного управления решается в виде двухэтапной процедуры. На первом атапе на основе идей теории оптимального управления синтезируются оптимальные алгоритмы управления / так называемые алгоритмы прототипы ручного управления / безотносительно режима функционирования системы управления: автоматический, полуавтоматический, ручной. На втором — синтезированные алгоритмы прототипы ручного управления трансформируются в оптимальные алгоритмы ручного управления, исходя из особенностей конкретного объекта управления и деятельности человека-оператора в исследуемой системе управления.

На важность второго положения и, в частности, на необходимость учета ограничения на управляющее воздействие неоднократно указывалось / 7−10 /: необходимость учета замкнутости и ограниченности области определения управляющего воздействия является спецификой прикладных задач управления / 8−10 /, а конфигурация области определения определяется конкретными техническими характеристиками органов управления / 7,10 /.

Задача синтеза систем управления, решаемая при помощи методов, относящихся к группе временных, в достаточно общем виде может быть сформулирована следующим образом / II /. Необходимо определить алгоритм управления, доставляющий экстремум функционалуJ" J Мпри дифференциальных связях ограничениях: вдоль траекторииС^ч.-ОеЕ /в-з/и граничных условиях.(oc.tci е С^ТИ-^т.

Конкретизация выражений /В-1/ * /В4/ порождает различные варианты задач. Одна из них, с учетом особенностей исследуемой системы управления / данный вопрос исследуется в первой главе /, может быть сформулирована следующим образом / 12 /.

Задача /В-5/ * /В-8/ является задачей аналитического конструирования оптимальных: регуляторов / АКОР / / 14 / в форме A.M. Летова / 7 /.

В соответствии с принятой, в теории управления концепцией решение задачи /В-5/ * /В-8/ состоит из: — решения задачи структурного синтеза / прямой задачи АКОР / -определение структуры управляющего устройства при заданной структуре объекта управления— решения задачи параметрического синтеза / обратной задачи АКОР / - определение оптимальных, в некотором смысле, настроек параметров управляющего устройства в рамках найденной структуры.

При решении задачи /В-5/ * /В-8/ приходится сталкиваться с определенными трудностями, которые связаны со следующими двумя, специфичными для задач данного класса, проблемами: — обоснованный выбор структуры оптимизируемого функционала— обоснованный выбор весовых: коэффициентов / элементы «матрицы К и число Хп / оптимизируемого функционала /В-5/.

Первая проблема обуславливается тем, что структура оптимизируемого функционала постулируется. Хотя структура каждого членаWot и Wq функционала /В-5/ имеет определенный физический смысл / 15 /, сам факт постулирования структуры в научной литературе критикуется / 16 /.

Вторая проблема связана с методами решения задачи структурного синтеза / прямой задачи АКОР /. В настоящее время при решении задачи структурного синтеза / подробный анализ методов решения приведен в первой главе / применяются: — принцип максимума— метод динамического программирования— метод введения новых переменных— численные методы.

В настоящее время при решении задачи параметрического синтеза / подробный анализ методов решения приведен в первой главе / применяются: — методы математического программирования— математическая теория планирования многофакторного эксперимента— алгебраические условия оптимальности.

Применение перечисленных методов для решения задачи параметрического синтеза / обратной задачи АКОР / преполагает необходимость привлечения численных методов.

Основные теоретические результаты диссертационной работы использованы для синтеза оптимальных алгоритмов ручного управления технологическими параметрами процесса горения и разработки методики обучения им / данный вопрос исследуется в пятой главе /. Названные алгоритмы управления и методика обучения им внедрены на учебно-тренировочном центре ТЭС Минэнерго УССР по подготовке операторов энергоблоков 300 МВт и используются в учебном процессе в классе участковых тренажеров на участковом тренажере горения. Экономический эффект от внедрения составляет 30 тыс. рублей в год. Автор защищает: — аналитический метод решения задачи структурного синтеза / прямой задачи АКОР / для линейного объекта управления со скалярным, ограниченным управляющим воздействием— метод апостериорного задания структуры оптимизируемого функционала в виде интегрального, квадратичного канонического типа— методику исследования синтезированного алгоритма управления— методику исследования синтезированной системы управления— алгоритмический метод решения задачи параметрического синтеза / обратной задачи АКОР /— метод синтеза оптимальных алгоритмов ручного управления технологическими параметрами и методику обучения им.

Диссертационная работа выполнена в процессе разработки учебно-тренировочного центра ТЭС Минэнерго УОСР по подготовке операторов энергоблоков 300 МВт.

На различных этапах выполнения диссертационной работы автор пользовался консультативной помощью сотрудников Института автоматики: Ципцюры Р. Ю., Шумилова К. А., Соболева С. К., Волынского А. Н., Дорочинской А.П.

На этапе внедрения и аппробации полученных результатов в работе принимали участие следующие товарищи: сотрудники учебно-тренировочного центра Петленко Ю. А., Гаврилюк С. Н., Гриценко А. И. — сотрудники предприятия Южтехэнерго Долгоносов Н. С., Туманов А.Г.

Автор пользуется случаем выразить всем названным товарищам свою признательность и глубокую благодарность за помощь в выполнении настоящей работы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.