Синтез локальных систем управления объектами нефтехимии с неопределенным запаздыванием

Актуальность темы исследования. Обеспечение высоких технико-экономических показателей на нефтехимических производствах играет одно из важных значений в химической технологии. Крупнотоннажные производства нефтехимического комплекса, использующие в качестве сырья и топливно-энергетических ресурсов большие объемы нефти и природного газа, а также попутного нефтяного газа представляют собой сложные непрерывные энерго- и ресурсоемкие химико-технологические системы. Для подготовки исходных данных для проектирования указанных производств требуется применение специальных подходов, а также процедур и алгоритмов компьютерного моделирования. Тенденции современного развития нефтехимического производства неотъемлемо связаны не только с совершенствованием технологии производства, но и с уровнем автоматизации в целом. В основе промышленной автоматизации лежат многоуровневые системы управления, основной разновидностью которых является двухуровневая иерархическая структура АСУТП, на нижнем уровне которой располагаются локальные системы регулирования, контроля, сигнализации и блокировки, именно вопросы повышения устойчивости (робастности) работы этих систем рассматриваются в диссертационной работе. При автоматизации на нижнем уровне в нормальном режиме для компенсации не измеряемых возмущений в основном используются традиционные ПИД законы регулирования. Для их настройки на современном этапе используют робастный подход. Это позволяет увеличить время функционирования между двумя смежными перенастройками и увеличить надежность систем стабилизации. Важной причиной, препятствующей получению хорошего качества регулирования, является наличие запаздываний по управлению, определяемых с высокой степенью неопределенности. Степень разработанности темы исследования: Развитием отрасли нефтехимии занимались такие выдающиеся ученые, как Менделеев Д.И., Бейльштейн Ф.Ф., Марковников В.В., Энглер К., в настоящее время данный вопрос нашел отражения в научных работах Павлова С.Ю, Gates В. С., Тюряева И. Я. Наличие запаздывания всегда ведет к ухудшению качественных показателей системы (устойчивости, быстродействия, грубости) Этой особо важной проблеме было посвящено множество работ таких известных авторов в теории управления, как Х. Гурецкий, 3. Арштейн, М. Крстич, А.А. Пыркин, Б.Н. Розенвассер, О. Смит, A.M. Цыкунов, Я.З. Цыпкин, А. Манитиус, А. Олброт, В. Квон, А. Пирсон, Ж.П. Ришар, А.Б. Филимонов и другие. При решении задачи управления для объекта с запаздыванием на входе наилучшие результаты получаются, когда используется структурная схема с предиктором. Кроме того, возникают дополнительные трудности из-за параметрической неопределенности инерционных членов модели и величин запаздываний. Несмотря на большое количество публикаций (А.А. Бобцов, Р. Марино, В.О. Никифоров, П. Томей, М. Хоу, Л. Хсу, К. Ксиа, А.Г. Александров, А.Р. Гайдук и другие) открытым остается вопрос синтеза робастных ПИД законов в этих условиях. Эти проблемы усложняются для многомерных систем. Анализируя процессы нефтехимического производства, можно выделить ряд общих свойств, затрудняющих качественное управление, а именно: высокая инерционность процессов, параметрическая неопределенность, наличие запаздывания в каналах управления. Использование предиктора в таких системах с неопределенностью запаздывания по управлению становится невозможным. Цель работы. Разработать метод и методики синтеза локальных систем управления технологическими процессами нефтехимии при наличии неопределенного запаздывания на входе объекта. Идея. Было сделано предположение, на основе критерия Найквиста, используя частотную характеристику увеличить устойчивость АСР к неопределенности запаздывания, используя дополнительный параметр грубость системы. Задачи. В соответствии с указанной целью в работе поставлены, обоснованы и решены следующие задачи: 1. Анализ технологических процессов нефтехимии как объектов управления. 2. Разработка методики синтеза систем управления объектами с неопределенностью запаздывания, в рамках одноконтурной системы для процессов нефтепереработки. 3. Разработка методики обеспечения селективной инвариантности к возмущениям для систем с неопределенным запаздыванием на основе метод компенсации возмущений при помощи одноконтурной и комбинированной систем управления объектом нефтехимии. 4. Разработка методики синтеза системы управления процессами многомерного многосвязного технологического объекта с неопределенным запаздыванием. Объект исследования. Объектом исследования диссертационной работы является стадия процесса нефтепереработки с точки зрения улучшения количественных показателей качества готовой продукции. Предмет исследования. Методика синтеза систем регулирования для объектов с неопределенным запаздыванием нефтехимического производства. Научная новизна: 1. Предложена методика синтеза регуляторов, обеспечивающая компромисс между требованием быстродействия и грубости системы при наличии запаздывания в объекте, которая позволяет обеспечить качественные показатели системы, лучшие, чем обеспечивают стандартные ПИ и ПИД алгоритмы. 2. Предложена методика обеспечивающая селективность инвариантности к возмущениям при помощи одноконтурной и комбинированной систем управления объектом нефтехимии. 3. Обоснована структура построения комбинированной многосвязной системы, отличающаяся от существующих наличием следящей системы в контуре управления по возмущению, оцениваемому на основании внутренней модели, и обеспечивающая грубость по отношению к неопределенности задания запаздывания, и для которой всегда выполняются условия физической реализуемости. Теоретическая значимость 1. Предложена новая методика синтеза оптимальных настроек регуляторов, обеспечивающая устойчивость к внешним возмущающим воздействиям на объектах, обладающих неопределенностью. 2. Теоретически обосновано введение параметра грубости системы для определения построения автоматических систем регулирования на основе ПИ и ПИД законов регулирования. 3. Обосновано определение компенсационной структуры для регулирования многосвязным объектом. Практическая значимость 1. Разработаны методики синтеза регуляторов, построенных на основе ПИ и ПИД законов регулирования, обеспечивающих высокое качество робастного управления и не требующих сложной настройки, что в свою очередь приводит к улучшению качественных показателей локальных систем и экономии энергетических затрат и затрат на перенастройку ПИ-, ПИД- законов регулирования. 2. Предложен подход, позволяющий при наличии существенной неопределенности запаздывания на входе объекта парировать ограниченные возмущения на конечном и бесконечном интервалах времени. 3. Получен акт внедрения от «ООО ОКА» от 14 августа 2023 года. Методология и методы исследования. Для достижения поставленных задач использовались методы системного анализа, теории нечетких множеств, математической статистики, имитационного моделирования. При программной реализации применялись методы объектно-ориентированного программирования. Положения, выносимые на защиту: 1. Улучшение количественных показателей одноконтурной системы управления при наличии неопределенности объекта в виде переходного запаздывания, достигается за счет разработанной методики синтеза регуляторов, обеспечивающей компромисс между требованием быстродействия и грубости системы, что позволит обеспечить преимущество перед стандартными методиками расчета ПИ и ПИД регуляторов. 2. Обеспечение физической реализуемости компенсатора в сложных системах регулирования (такие как комбинированная и система связного регулирования) за счет алгоритма определения параметров компенсатора, представляющего собой замкнутую систему, состоящую из регулятора и объекта исходной одноконтурной АСР по рассогласованию между моделью и реальным объектом, что является преимуществом перед аналитическим традиционным способом расчета компенсатора. Достоверность полученных результатов подтверждена проведенным имитационным моделированием и экспериментальными исследованиями и подкреплена апробацией основных теоретических положений в статьях и докладах на научных конференциях. Полученные в диссертационной работе результаты не противоречат данным, представленным в литературе и полученным ранее другими авторами. Апробация работы. Апробация диссертационного исследования проведена на научно-практических мероприятиях с докладами: 1. Международная научная конференция «Математические Методы в Технике и Технологиях ММТТ». Минск, 26 – 30 октября 2020 года (3 доклада). 2. Международная научная конференция «Математические Методы в Технике и Технологиях ММТТ». Санкт-Петербург, 31 мая – 04 июня 2021 года (1 доклад). Личный вклад автора заключается в постановке цели и задач диссертационного исследования; анализе зарубежной и отечественной научной литературы по теме исследования, разработке теоретических моделей, получении основных теоретических и практических результатов в области синтеза систем регулирования для объектов с неопределенным запаздыванием нефтехимического производства. Публикации. Основные теоретические и практические результаты диссертации опубликованы в 31 печатной работе, в том числе в 9 статьях - в изданиях из перечня рецензируемых научных изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук (далее – Перечень ВАК), в 6 статьях - в изданиях, входящих в международную базу данных и систему цитирования Scopus. Получены две заявки на патент. Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения и библиографического списка, содержит 104 страницы машинописного текста, 42 рисунка, 5 таблиц, список литературы из 106 наименований и 3 приложения на 3 страницах.