Научная статья на тему 'Повышение эффективности обработки информации при регистрации контролируемых параметров в системах автоматического управления'

Повышение эффективности обработки информации при регистрации контролируемых параметров в системах автоматического управления Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
193
17
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — И. M. Килимник, Д. С. Ярымбаш

Предложена методика динамической обработки дискретных данных, которая сокращает объем входной информации, обеспечивает вычислительную эффективность и точность описания, позволяет повысить качество автоматического управления. Представлена ее реализация для температурных измерений в мундштуке пресса и измерений токов индукторов в системе автоматического управления режимами электрообогрева при прессовании заготовок подовых и доменных блоков.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — И. M. Килимник, Д. С. Ярымбаш

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

The method of dynamic analysis of the digital data is proposed. The input data compression, the numerical computation efficiency, the mathematical transformation accuracy and the high quality of automatic control. Implementation of this method for the temperature measuring data of pulp press die and current measuring in the heating inductor in the automatic-control system of the pulp pressing electric heating regime of the bottom and the blast-furnace graphite block production are presented.

Текст научной работы на тему «Повышение эффективности обработки информации при регистрации контролируемых параметров в системах автоматического управления»

В po6omi запропоновано nidxid до ршення проблеми розпод1лення задач в обчислювальних мережах, що мають cmалi характеристики використання pecypcie. Наводиться опис та результати дocлiджeння характеристик переборного алгоритму точного вирШення задачi. Запропоновано cnociб побудови систем планування роз-noдiлeння pecypciв, що забезпечуе задану ятсть обслуго-вування задач.

This paper presents approach to solving problem of tasks distribution among computing environments with stable resources usage characteristics. Exact enumeration algorithm proposed for solving distribution problem. Algorithm's characteristics investigation also presents. Method for constructing resource distribution planning systems with fixed quality of service invented.

УДК 621.365.5

И. M. Килимник, Д. С. Ярымбаш

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ ПРИ РЕГИСТРАЦИИ КОНТРОЛИРУЕМЫХ ПАРАМЕТРОВ В СИСТЕМАХ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ

Предложена методика динамической обработки дискретных данных, которая сокращает объем входной информации, обеспечивает вычислительную эффективность и точность описания, позволяет повысить качество автоматического управления. Представлена ее реализация для температурных измерений в мундштуке пресса и измерений токов индукторов в системе автоматического управления режимами электрообогрева при прессовании заготовок подовых и доменных блоков.

ВВЕДЕНИЕ

На современном этапе развития промышленности Украины основные фонды промышленных предприятий требуют обновления и модернизации. Это обуславливает настоятельную потребность внедрения новых инновационных разработок в области технологии, нового технологического оборудования и средств автоматизации производственных процессов. Эффективность систем автоматизации технологических процессов зависит как от задач, решаемых этими системами, так и от качества информации, используемой для решения. Поэтому, особое внимание должно уделять разработке новых подходов, обеспечивающих повышение качества автоматического управления энергоемкими технологическими процессами, в том числе, на предприятиях металлургической и электродной промышленности.

Одним из основных требований, предъявляемых к электродной продукции, следует считать высокий уровень качества при минимальной себестоимости, обеспечивающий ее конкурентоспособность и спрос на внутреннем и внешнем рынках.

Основным оборудованием на предприятиях графитового производства являются энергоемкие элект-

© Килимник И. М., Ярымбаш Д. С., 2007

ротермические установки, поэтому затраты на электроэнергию сопоставимы с затратами на сырье и оказывают существенное влияние на себестоимость готовой продукции. При производстве подовых и доменных блоков применяются массивные мундштуки для прессов с усилием от 3500 до 6300 кН, оборудованные системами индукционного электрообогрева с автоматическим регулированием температурных режимов прессования. Они, как объекты управления, характеризуются большой потребляемой мощностью, значительной долей времени работы в динамических режимах, частой сменой исходных данных, что необходимо учитывать при расчете управляющих воздействий.

Существенным фактором, который определяет качественный уровень заготовок подовых и доменных блоков, является соблюдение технологического температурного режима прессования. Нестабильность температурного поля мундштука и заготовки приводит к повышению удельной доли брака, перерасходу сырья и электроэнергии на дополнительные туры прессования заготовок.

Для обеспечения стабильности температурных режимов на рабочей поверхности мундштука пресса повышаются требования к качеству управления при синтезе системы оптимального управления его электрообогревом. Анализ и синтез таких систем управления -достаточно сложный, так как технологическая структура «индукторы - мундштук - угольно-графитовая масса» должна рассматриваться в виде объекта с распределенными параметрами, который описывается дифференциальными уравнениями в частных производных. Это обуславливает потребность в новых подходах к обработке сигналов в системах автоматизации электрообогрева мундштука пресса при прессовании

заготовок подовых и доменных блоков, так как известные методы и алгоритмы [1, 2] не учитывают ряд особенностей, таких как дискретность данных, наличие скачков и разрывов при регистрации температур в мундштуке и токов в индукторах. Поэтому следует считать актуальной задачу повышения точности обработки динамических массивов исходной информации, адаптированной к автоматическому управлению температурными режимами прессования в режиме реального времени.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Целью работы является разработка новых подходов, обеспечивающих повышение точности и эффективности при математической обработке динамической исходной информации по температурным и токовым измерениям в процессе прессования заготовок доменных и подовых блоков, улучшение качества автоматического управления электрообогревом мундштука пресса.

Tmrn, - лока

пературы; Ip 7тах /п

действующие значения теку-

1 1

щих, максимальных и минимальных токов в индукторах; индексы i = 1, 2, 3, 4 - соответствуют геометрическим областям индукторов захода и калибра, мундштука и угольно-графитовой массы и j = 1, 2 - относятся к областям индукторов калибра и захода, соответственно.

В работе [3] обоснован высокоэффективный подход, позволяющий преобразовать систему уравнений (1) с граничными условиями III и IV рода к системе обыкновенных дифференциальных уравнений:

{F(Qh k,Q'h k,Qj + i k,Qj_ i, k, Fe) = 0 1 < k < n - 1, 1 = 1, 2,

61, 0 и n 6к.т(Fe)1, 0 и n 6' 1, 0 и n = 6'к.т(Fo)1, 0 и n

(3)

(4)

МАТЕРИАЛ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

В соответствии с работой [3] технологическая система «индукторы - мундштук - угольно-графитовая масса», как объект управления с распределенными параметрами, может быть представлена системой дифференциальных уравнений в частных производных:

Р г) = ь В + щ + рр,, ),

г = 1, 2,3, 4, , = 1, 2, (1)

где в., /,-, Го - относительные температуры, токовые нагрузки и критерий Фурье, которые определяются соотношениями вида:

6 =

T i(т) - Tmin i

T - T

max; min-

J = T

W - Tmin

Fe =

maxj Tminj

це 3) • т

(2)

с(6з)- р(6з)• ^

Ь - линейный дифференциальный оператор Лапласа; В - нелинейный оператор, учитывающий зависимость теплофизических свойств объекта от температуры; р, -относительная удельная тепловая мощность; т - время; 5псм - площадь поперечного сечения мундштука; А, с, р - коэффициент теплопроводности, удельная теплоемкость и плотность, соответственно; Тг, Т х ,

где Вк.т(Го),, 0 и п, В'к.т(Го),, 0 и п - значения относительных температур и скоростей их изменения в контрольных точках характерного поперечного сечения мундштука пресса под индуктором (£ = 0) и над рабочей поверхностью калибра (£ = п); п - число зон в характерных поперечных сечениях мундштука пресса.

Таким образом, с учетом (3), (4) для управления электрообогревом по входным дискретным целочисленным значениям температур контрольных точек при их регистрации в динамических массивах данных, преобразованных в режиме реального времени в соответствующие значения критерия Фурье {Го.}. £ = уаг, необходимо обеспечить отображение множеств {В }. непрерывными функциями с мно-

к. тг,,, 0 ип г £ I = уаг

жеством значений - {В„„,( Го,■ ). „ }. г и непре-

I К.'П г',, 0 и п> г £ I = уаг 1

рывными производными с множеством значений -{В' кт( Го,).„ }. г .

I к.т^ и,, 0 и п'г £ I = уаг

Для температурной коррекции токовых нагрузок индукторов калибра и захода в процессе прессования заготовок доменных и подовых блоков достаточно применить метод наименьших квадратов [1] к локальной кубической полиномиальной аппроксимации относительных токовых нагрузок и температур мундштука в характерных сечениях под индукторами по критерию Фурье (2):

J (Fet )j = iFol\

l = 0

i g I = var

6и.к(For)1 = X П1,1FOl\

p = 0

i g I = var

, 1 = 1, 2.

Так как функции J = J(Fo) и 0И к = 0И к(Fo) можно рассматривать, как параметрические, то следует считать определенными функции вида

Jj = J^V j = 1 2.

При этом среднее значение относительной погрешности для относительной токовой нагрузки не превышает 1,1 % - для индуктора калибра и 2,1 % - для индуктора захода.

По методике, предложенной в работе [4], для отображения исходной информации температурных измерений заменим дискретные множества данных непрерывными функциями сплайн - интерполяции следующим образом:

ект( Fo) = Р/( Fo) = ч>0( Ь Ж Га{) + Ф 1( Ь)/(Fol + 1) + + ф2(Ь)(Fol + 1 - Fol1 + Фз(Ь)(Fol + 1 - Fol, + 1, (5)

с базисными полиномами Эрмита [1]

Фо( t ) = ( 2t + 1 )•( 1 - t2 ), ф2( t) = t •( 1 - t)2,

Ф1(t) = (3 - 2 • t)• t2, ф3(t) = (t- 1 )• t2,

Fo - Fûj

где t = -на отрезках Fo, < Fo < Fo, + ,.

For + 1 - For 1

При определении неизвестных производных функции сплайн-интерполяции Xi = Pf(Foi )', Xi + 1 = Pf( Foi + 1 )' потребуем, чтобы выполнялись следующие условия минимальной кривизны [1] в дифференциальной форме:

Pf( Fot )" = 0, Pf(Fot + 1)" = 0, (6)

или в тождественной интегральной форме

I -1 Fo

minj(^) = UFO;+1

i = 0

Pf

( FO - For ^F Oi+1 - F

dFo

совместно с условиями интерполяции [1]:

S; ( Pf( Fo)); , о и „ = {6

к-т;, j, о иn }i g I = var^

Foo < Fo! < ... < For

(7)

Таким образом, сплайн-интерполяция базисными полиномами Эрмита (5)-(7) позволяет в режиме реального времени с высокой точностью преобразовывать массивы дискретных целочисленных значений температур в непрерывные функции (5) с непрерывными производными (рис. 1).

Однако, эта методика обладает рядом существенных недостатков, так как объем информации динамически возрастает пропорционально времени и такту ее ре-

гистрации. Следует также обратить внимание на низкую достоверность при определении значений скоростей температур в контрольных точках (рис. 1, б), обусловленную целочисленным представлением информации и необходимостью аппаратного ограничения ее разрядности (при регистрации температур в контрольных точках мундштука пресса - тремя знаками).

Поэтому требуется последующая аппроксимация непрерывной функции (5) на базисе тригонометрических функций, что уже было успешно апробировано и реализовано авторами в работе [4] для автоматической системы регистрации токов и напряжений в короткой сети печей графитации.

С учетом того, что процессы электрообогрева и теплопередачи в мундштуке пресса при прессовании заготовок подовых и доменных блоков являются циклическими, то в ортонормированных базисных функциях

v(ra) = sin (та), cos (та),..., sin (ита), cos (ита)) (8)

вводится критериальная функция аргумента Fo вида:

®(P1,P2Fo) = (pt • FoP2).

Аппроксимация непрерывной функции сплайн-интерполяции (5) на базисе (8) имеет вид

Af(Fo) = £ arvr(Р1, Р2, Fo) (9)

r = 1

с непрерывными производными порядка n

Af n)(Fo) = £ агуГп)(Р1, P2, Fo), n > 1,

r = 1

где неизвестные коэффициенты аппроксимации {ar}r g r определяются из достаточного условия

Fo,

шт(ф( Af))= j

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Pf(Fo) - £ arVr(P1,P2, Fo)

r = 1

dFo

или соответствующих ему необходимых условий вида

Г3ф(Af)/dar = 0, r g R ] r , (10) 1 дф( A/)/dP1,2 = 0

которые представляют собой систему линейных алгебраических уравнений относительно {ar }r g r и нелинейных уравнений относительно {Р1 2}.

При различных турах прессования в результате обработки динамических данных регистрации температур над рабочей поверхностью мундштука было установ-

2

0.62 9* oi еоэо

0.31 0.315 0.32 0.325 0.33

Критерий Фурье, o.e. а)

0.31 0.315 0.32 0.325 0.33

Критерий Фурье, o.e. ■■■<>■■■ Сплайн-интерполяция экспериментальных данных ООО Кусочно-полиномиальная сплайн-аппроксимация — • —• Локальная аппроксимация базисными функциями (8)

б)

Рисунок 1 - Локальная обработка измерений критериальной температуры рабочей поверхности калибра мундштука: а - критериальная температура, б - критериальная скорость изменения температуры

лено, что при аппроксимации их сплайн-интерполяции базисными полиномами Эрмита (5) достаточно ограничиться только третьими гармоническими составляющими относительно критериальной функции времени

та(Р1,р2Го) = Р^2

в массиве базисных функций (8). Вектор коэффициентов {Р1 2} с достаточной для управления точностью определяется уже на начальных шагах регистрации для каждого технологического цикла, включающего заполнение массного цилиндра, подпрессовку массы и прессование заготовок подовых или доменных блоков. Поэтому размерность вектора {аг} К не

превышает К = 5, что более чем на порядок, уменьшает объем исходной информации, необходимой для расчета управляющих воздействий.

По результатам обработки температурных измерений при прессовании заготовок доменных и подовых блоков по методике (8), (10) и сплайн-аппроксимации [1, 5] (рис. 1) следует отметить, что оба подхода обеспечивают практически одинаковую точность, как по значениям контрольных температур (средние значения относительной погрешности - 0,83 % и 0,76 %), так и скоростей их изменения (среднее значение относительной невязки не превышает 2,8 %). При этом методика (8), (10) обеспечивает вычислительную эффективность в 5-7 раз выше по сравнению с методикой [5].

0.7 >0.68

'0.66

0.64

0.62

0.6

0.58

0.56

yiJIJIIII #H- V \ -И-

н- i- / \

у нА t / V

ЬЙ- -н \ fr 1 \

f -н\ -t /

f

"0.3 0.31 0.32 0.33 0.34 0.35

Критерий Фурье , o.e.

а)

0.36

0.37

0.38

Рисунок 2 - Сшивка локальных участков обработки критериальной температуры рабочей

поверхности калибра мундштука: а - критериальная температура, б - критериальной скорость изменения температуры

В процессе прессования заготовок подовых и доменных блоков данные по измерениям температур и токов поступают последовательно через заданный такт, и их обработка происходит в режиме реального времени для определенного локального временного интервала (рис. 1, а). При этом возникает необходимость «сшивки» результатов по методике (8), (10) на смежных интервалах времени по критерию коллокации вида

(|Роц) -ЛЦР°{2)|'РГО + + \ЛГ( )- ЛГ( Гог2)|.рГго<б, VII е II пУг2 е 12 п {Го^о^}, (11)

где рго и рГго - весовые коэффициенты, 8 - точность коллокации.

Вычислительная эффективность «сшивки» локальной аппроксимации (8), (10) по критерию (11) соответствует методике [5], но при этом обеспечивается неразрывность, как температурной зависимости (рис. 2, а), так и ее скорости с установленной степенью точности 8 (рис. 2, б).

ВЫВОДЫ

Предложена методика динамической обработки данных измерений для циклических процессов на основе комбинации методов сплайн-интерполяции полиномами Эрмита и аппроксимации на тригонометрическом базисе (8) с необходимыми условиями (10). Эта методика при одинаковом уровне вычислительной

Г. П. Коломоец: ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ПРОГРАММЫ «АНАЛИЗАТОР СЕТЕЙ ETHERNET» ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА ВОЗНИКНОВЕНИЯ КОЛЛИЗИЙ В

погрешности с известными подходами позволяет более, чем на порядок, сократить объем входных данных для системы автоматического управления электрообогревом мундштука, повысить вычислительную эффективность обработки входных данных температурных измерений в 5-7 раз. Таким образом, можно существенно снизить требования, предъявляемые к аппаратным средствам автоматизированной системы управления по вычислительным ресурсам и объему памяти, повысить качество управления электрообогревом прессового оборудования, качество заготовок доменных и подовых блоков и сократить производственные затраты.

ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК

1. Математика и САПР. Кн. 2. Вычислительные методы. Геометрические методы / Под ред. Волкова Н. Г. - М.: Мир, 1989. - 260 с.

2. Шелевицький I. В. Методи та засоби сплайн-технологи обробки сигнал1в складноТ форми - Кривий Р1 г: бвропейський ушверситет, 2002. - 304 с.

3. Андриенко П. А., Ярымбаш А. С. Особенности моделирования температурного состояния технологической системы как объекта управления // Електромашино-будування та електрообладнання. - Одесса, 2006. -№ 66. - С. 291-293.

4. Ярымбаш С. Т., Ярымбаш А. С., Тютюнник А. В. Особенности контроля электрических параметров, мощности и энергопотребления во время кампании графи-

тации в печах переменного тока // Вюник Кремен-чуцького державного пол1техшчного ушверситету. -Кременчук, 2006. - Вип. 3 (38), частина 1. - С. 91-95.

5. Ярымбаш А. С,, Тютюнник О, В., Загруный О, Л. Моделирование температурных режимов электротехнологической системы «индукторы - мундштук» на подготовительном этапе тура прессования // Электротехника и электроэнергетика. - Запорожье: ЗНТУ, 2006. - № 1. - С. 56-60.

Надшшла 27.01.07

Запропонована методика динам1чноЧ обробки дискрет-них даних, яка скорочуе об'ем вх1дноЧ тформацп, забез-печуе розрахункову ефективтстъ i точтстъ опису, дозволяв тдвищити якiстъ автоматичного керування. Представлена ïï реалiзацiя для температурних вимi-рюванъ у мундштущ пресу i вимiрюванъ струмiв тдук-торiв у системi автоматичного керування режимами електрообiгрiву при пресувант заготовок подових та доменних блокiв.

The method of dynamic analysis of the digital data is proposed. The input data compression, the numerical computation efficiency, the mathematical transformation accuracy and the high quality of automatic control. Implementation of this method for the temperature measuring data of pulp press die and current measuring in the heating inductor in the automatic-control system of the pulp pressing electric heating regime of the bottom and the blast-furnace graphite block production are presented.

УАК 004,7

Г. П. Коломоец

«

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ПРОГРАММЫ АНАЛИЗАТОР СЕТЕЙ ETHERNET» ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА ВОЗНИКНОВЕНИЯ КОЛЛИЗИЙ В КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЯХ ETHERNET

Выполнено исследование построенной с помощью программы «Анализатор сетей Ethernet» модели сети и ее сравнение с разработанной моделью возникновения коллизий в сегменте с двумя рабочими станциями. Выявлено хорошее соответствие для зависимости времени возникновения первой коллизии от длины сегмента, однако обнаружены некоторые ограничения программы.

ВВЕДЕНИЕ

Технология Ethernet используется в компьютерных сетях уже более 30 лет и сегодня является самой распространенной технологией локальных сетей. За это время скорость передачи данных посредством этой технологии возросла в 1000 раз. При этом для большин-

© Коломоец Г. П., 2007

ства современных реализаций Ethernet остаются едиными формат пересылаемых кадров и используемый метод доступа к среде передачи - метод множественного доступа с обнаружением несущей и детектированием коллизий (CSMA/CD) [1]. Характерной чертой этого метода является возникновение коллизий (столкновений кадров разных рабочих станций) в совместно используемой несколькими рабочими станциями передающей среде и обработка этих коллизий. Поскольку от интенсивности коллизий зависит производительность сети, исследованию метода доступа CSMA/CD и процесса возникновения коллизий посвящено достаточно много работ [2, 3].

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.