Задачи управления производствами и способы их решения с учетом экологических факторов Текст научной статьи по специальности «Математика»

УДК 632.15.66.013

С.И. Сидельников, канд. техн. наук, доц.,

(48762) 6-12-50, [email protected]

(Россия, Новомосковск, РХТУ им. Д.И. Менделеева)

ЗАДАЧИ УПРАВЛЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВАМИ И СПОСОБЫ ИХ РЕШЕНИЯ С УЧЕТОМ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ

Определены задачи управления химическими производствами на каждом уровне иерархии. Показаны варианты решения этих задач в условиях рыночной экономики. Рассмотрены ситуационные советующие системы поддержки принятия решений, нечеткие системы управления и оптимальные системы организационного управления.

Ключевые слова: система поддержки принятия решений, экологическая безопасность, нечеткое управление, сети Петри.

Системный анализ химических предприятий показал, что они как организационно-технологическая система со сложным внутренним взаимодействием и взаимодействием с внешней средой часто оказывают негативное воздействие на природную окружающую среду.

Причинами загрязнения водной и воздушной окружающей среды являются: человеческий фактор; нарушение регламентных режимов ведения технологических процессов; несовершенство технологий и систем управления ими. При этом анализ ряда производств показал, что на каждом уровне иерархии системы есть определённый потенциал управления, способный обеспечить уменьшение загрязнения окружающей среды при сохранении основных технико-экономических показателей производств.

Проведена классификация задач управления производствами на химических предприятиях на каждом уровне иерархии с учетом экологических факторов (рис.1).

В рамках первого класса задач сформулирована многокритериальная задача координационного управления взаимосвязными компонентами предприятия, реализованная в рамках ситуационно-советующей системы поддержки принятия решений (ППР) управления стоками и выбросами предприятия. Эта задача обусловлена идентичностью загрязняющих веществ в результате деятельности ряда производств и, соответственно, вариативностью управления, обеспечивающего выпуск продукции заданного качества и количества при нормализации выбросов и сбросов в зависимости от складывающейся как рыночной, так и экологической ситуации. При этом на основе информации из локальных экспертных систем, функционирующих на среднем уровне иерархии управления и из центральной лаборатории, по имитационным моделям, оценивается состояние окружающей среды промплощадок и в целом предприятия. Система принятия решений в зависимости от потребности рынка, времени года и состояния окружаю-

щей среды генерирует возможные сценарии реализации управляющих решений, направленные, например, на перераспределение нагрузки цехов загрязнителей и/или изменение расхода оборотной воды в цехах. По результатам согласованных решений со средним уровнем иерархии определяется оптимальное решение, обеспечивающее экологическую безопасность при сохранении производственных показателей промплощадок.

Рис.1. Задачи управления производствами на химических предприятиях с учетом экологической безопасности

На втором уровне иерархии сформулирована многокритериальная задача ситуационного управления стоками и выбросами отделениями и цехами. На основании мониторинга сточных вод и оценки по моделям их состояний в режиме реального времени необходимо обеспечить упреждающие управляющие решения. Эти решения должны обеспечить: выпуск продукции заданного качества; количество продукции (цеховая нагрузка) согласовывается с верхнем уровнем управления предприятием в соответствии с обеспечением экологической безопасности предприятия; нормализации качества и количества сбросов и выбросов. Зачастую эта задача требует решения с учётом множества технологических параметров в условиях не только количественного, но и качественного их описания, при наличии множества альтернатив управления. Автоматизация подобных производств реализуется с помощью многокритериальных ситуационных советующих систем поддержки принятия решений (СППР), обобщающих опыт экспер-

336

тов с учётом экологических требований к загрязнению окружающей среды [1]. При этом главной задачей создания нечёткой системы вывода решений является сопоставление описаний ситуаций на объекте управления с условиями истинности нечётких продукций и определение последовательности просмотра и анализа этих продукций при выводе решений. В зависимости от способа решения этой задачи СППР делятся на два класса: модели «ситуация — действие» и «ситуация — стратегия управления — действие»

(С-СУ-Д) [2].

В системах С-СУ-Д множества альтернатив управления формально реализуются на основе нечеткой ситуационной сети [3], представляющий собой нечёткий взвешенный граф переходов по эталонным ситуациям или на основе модифицированной нечеткой сети Петри (МНСП) [4]. Эталонные ситуации описываются множеством признаков, определяющих состояние объекта управления, в которых принимается управляющее решение. СППР по нечеткой ситуационной сети реализована для управления стоками производства аммиачной селитры и колоны ректификации производства метанола [5].

Следует отметить, что системы, реализованные на основе нечеткой ситуационной сети, при выполнении процедуры принятия решения не имеют возможности визуально контролировать динамику процесса принятия решений, что в свою очередь не всегда на интуитивном уровне понятно лицу, принимающему решение (ЛПР). В то же время при исследовании этих систем на этапе моделирования есть сложности с проверкой корректности построенной системы и получаемых решений. Отмеченные недостатки в той или иной степени устраняются с применением математического аппарата - нечётких сетей Петри, в которых нечёткий логический вывод определяется явно — перемещением метки по сети. Так же сети Петри имеют в своем составе формальные методы проверки модели принятия решений. В модифицированной НСП позиции и переходы относятся к нескольким типам [4], при этом формально МНСП определяется множеством

Сг = рЛОЛт)

где Р=РЗиР^ PSnPR=0, Т=ТаиТ$, TаnTS=0.

Дадим некоторые пояснения. Признаки, определяющие эталонные ситуации на объекте управления, сопоставляются с позициями первого типа РсР, причём каждая позиция Р^оР моделирует один терм из терм-множеств каждого признака, описывающего данную ситуацию. Позиции второго типа сопоставляются множеству решений R, таким образом,

что каждая позиция Р^оР моделирует один терм из терм-множеств RkcR управляющего воздействия. Переходы первого типа Ta<^T, моделируют продукции «ситуация - решение» и нагружаются степенями предпочтения ал этих решений, а переходы второго типа Т^Т моделируют события, свя-

337

занные со сменой состояний объекта управления в результате принятия соответствующего решения. 'хТ* —(0, 1) - входная функция переходов Т. Оа:Та'*Р—(0, 1) - выходная функция переходов Т01. f —(0, 1) -

входная функция переходов Т. О5 :Т хР—(0, 1) - выходная функция переходов Т. 1=1 5 и 1а, О =О 5 и О а. Л = (Л1,Л2,... ,Лп) - вектор значений порога срабатывания переходов, при этом Лje[0,1](Vjе(1,2,...,и}). Начальная т0 и текущая т. маркировка, когда метки находятся в Р позициях, в общем случае могут быть нечёткими и определяются текущей ситуацией, в которую переходит объект управления, как в результате неконтролируемого возмущающего воздействия, так и возмущениями по управлению, осуществляемых на основе матриц решений. Либо текущая т. маркировка определяет управляющее Rj решение, когда метки находятся в Р позициях. Начальная маркировка определяется маркировкой одной из определённых заранее эталонных ситуаций с наибольшей степенью близости к текущей нечёткой ситуации на объекте.

В рамках третьего класса задач, решение которых возложено на нижний уровень иерархии систем управления, сформулированы локальные задачи оптимального управления и регулирования для непрерывных и периодических производств с учетом экологических факторов.

В связи с переменными потребностями рынка в продукции предприятия и с учетом принятых управленческих решений, обеспечивающих экологическую безопасность производства, нагрузка на производственные участки оказывается переменной. В этих условиях ставится задача разработки и создания оптимальных систем регулирования нелинейными объектами химической технологии, функционирующих в условиях значительных переменных нагрузок. Решение этой задачи нашло свое отражение в разработке нечетких систем регулирования. Предложен и реализован нечеткий регулятор, обеспечивающий заданные показатели качества переходного процесса на нелинейных объектах в различных точках его статической характеристики а, следовательно, в рабочем диапазоне изменения возмущений. Структурная схема системы регулирования представлена на рис. 2. Закон, реализуемый регулятором, может быть записан в форме

~ ~ t

= k -е^) + k. ) • dt. (1)

о

Входами регулятора являются задание s и переменная регулирования у, по которым рассчитывается ошибка рассогласования . Положение рабочей точки объекта определяется регулятором по значению переменной у. Нечёткие коэффициенты к и зависят от положения рабочей точки объекта в данный момент времени, т.е. являются функцией переменной у, т.е. к = /1( у), кi = f2( у) и заданы через нечёткое отношение. Их величина рассчитывается на основе композиционного правила нечёткого

логического вывода, заложенного в соответствующем контуре. Эта зависимость представляет собой кривую, форма которой однозначно определяется формой статической характеристики объекта.

г—-----------------------;_

I |"Ч_' I

I к Нечеткий

регулятор

^_[

___________________J

Рис. 2. Модель автоматической системы регулирования с нелинейным объектом и нечётким ПИ-регулятором

В то же время для ряда объектов химической технологии необходимо было разработать оптимальные системы регулирования, обеспечивающие «безопасную» стратегию управления в динамике. Типичным представителем этого класса объектов являются тепловые объекты. Причем в некоторых из них необходимо, наряду с поддержанием максимально высоких температур в статике, реализующих заданную производительность установок, обеспечить разные показатели качества регулирования в динамике, обеспечивающие экологическую безопасность производства, в зависимости от знака ошибки рассогласования. Как правило, это медленное нагревание объектов (-e(t)) при минимальных динамических отклонениях и быстрое, при необходимости, охлаждение (+e(t)). В рамках этой задачи разработан нечеткий регулятор, с переменными коэффициентами, обеспечивающий переменные показатели качества в зависимости от знака ошибки рассогласования, т.е. k = f1(e), ~ = f2(e). Закон, реализуемый, например, ПИ- регулятором идентичен по форме (1). База правил, определяющая изменение коэффициентов нечеткого регулятора, формируется продукциями вида: «Если е есть Аъ то k есть Д», где А\, Д соответственно терм-множества лингвистических переменных «ошибка рассогласования» и «коэффициент пропорциональности». Таким образом, изменение параметров регулятора определяется по знаку ошибки рассогласования. Структурная схема нечеткого регулятора представлена на рис. 3.

Рис. 3. Структура нечеткого ПИ-регулятора

Для объектов химической технологии с экстремальными нестационарными характеристиками с учетом эколого-экономического критерия ставится задача разработки экстремальных систем управления, причем с поддержанием рабочей точки на некотором удалении от экстремума. Такая стратегия управления обеспечивает минимизацию отходов, сбросов и выбросов производства. Кроме того, многие объекты обладают инерционностью, что ограничивает применение с ними традиционных типов экстремальных регуляторов, таких как автоколебательные системы, системы с запоминанием экстремума, с принудительной коммутацией и модулирующим воздействием. Разработан нечеткий экстремальный регулятор, учитывающий инерционность объекта управления и поддерживающий рабочую точку на некотором удалении от экстремума (6). Исследования проводились на модели реактора пиролиза природного газа производства ацетилена. Входная величина - соотношение природного газа и кислорода, выходная - концентрация ацетилена в газах пиролиза. База знаний функционирования нечёткого экстремального регулятора определяется следующими правилами:

П1 - Если «производная» «положительная», то «приращение соотношения» «увеличить»;

П2 - Если «производная» «нулевая», то «приращение соотношения» «не менять»;

П3 - Если «производная отрицательная», то «приращение соотношения уменьшить».

Описанные нечеткие системы регулирования реализованы в производстве ацетилена.

Для периодических процессов определены две задачи.

Первая формулируется как задача разработки систем логического управления организацией функционирования периодических производств, обеспечивающих различные дисциплины и режимы взаимодействия аппа-

ратурных стадий. Решение этой задачи нашло свое отражение в создании оптимальных систем управления организацией функционирования производством поливинилхлорида на основе сетей Петри. За счет разработки алгоритмов логического управления в виде сети Петри, удалось решить проверку их корректности для систем со сложным процессно-аппаратурным оформлением. Применение различных дисциплин обслуживания аппаратов и аппаратурных стадий позволило оптимизировать различные режимы их взаимодействия.

Вторая формулируется как задача разработки информационно-управляющей системы оптимизации состава рецептуры получения продуктов и режимов ведения процессов с учетом экологических факторов. Данная задача решена для производства суспензионного поливинилхлорида (ПВХ) Новомосковской акционерной компании «Азот». Оптимизация состава рецептуры и режимов функционирования ПВХ способствует улучшению качественных показателей ПВХ и увеличение его выхода, что, в свою очередь, приводит к уменьшению отходов производства.

Поставленные задачи управления и рассмотренные варианты их решения позволяют реализовать существующий потенциал управления промышленными площадками, обеспечивающий уменьшение загрязнения окружающей среды на разных уровнях иерархии управления химического предприятия.

Список литературы

1. Сидельников С.И. Комплексное решение задачи управления загрязнением окружающей среды на химических предприятиях // Датчики и системы. №10. 2009. С.3.

2. Мелихов А.Н., Берштейн Л.С., Коровин С.Я. Ситуационные советующие системы с нечёткой логикой. М.: Наука, 1990. 272 с.

3. Сидельников С.И. Применение модели объекта для прогнозирования его состояния по результатам управляющих решений // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. №3. 2009. С.53.

4. Сидельников С.И., Бобрик Д.С. Моделирование принятия решений нечёткими сетями Петри // Вестник Международной академии системных исследований: Информатика, Экология, Экономика. Том. 12. М.: МАСИ. 2010. С.44.

5. Сидельников С.И., Голиков С.В. Разработка ситуационной советующей системы управления стоками колоны ректификации // Известия вузов. Химия и химическая технология. Иваново. Том 52. № 6. 2009. С.123.

6. Способ экстремального регулирования с поддержанием рабочей точки инерционного объекта на заданном расстоянии от экстремума: пат. № 2298821 Рос. Федерация.

7. Сидельников С.И. Модели и алгоритмы логического управления химико-технологическими системами. Новомосковск: Изд-во НИ

РХТУ, 2011. 118с.

8. Вент Д. П., Сидельников С. И., Лопатин А. Г. Оптимизация процесса получения суспензионного поливинилхлорида // Химическая технология. №8. 2004. С.23.

S. I. Sidelnikov

MANAGE PRODUCTIONS AND HOW TO ADDRESS THEM, TAKING INTO ACCOUNT ENVIRONMENTAL FACTORS

Chemical management tasks are defined at each level of the hierarchy clearer. Shows the options for addressing these challenges in a market economy. Consider situational decision support system sovetuûsih, fuzzy optimal system management and organizational management.

Key words: decision support system, environmental security, fuzzy control, Petri

nets.

Получено 07.03.12

УДК 62-503.5

А.В. Соболев, канд. техн. наук, доц., зав. кафедрой, (48762) 4-76-98, AlexSobolev75 @mail.ru (Россия, Новомосковск, РХТУ им. Д.И. Менделеева), Ю.В. Соболева, соискатель, [email protected] (Россия, Новомосковск, РХТУ им. Д.И. Менделеева)

К ВОПРОСУ О СИНТЕЗЕ ФИЛЬТРОВ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ РЕГУЛИРОВАНИЯ

Рассмотрен подход к синтезу фильтров энергосберегающих САР, обеспечивающих разделение каналов управления и подавление каждым из контуров регулирования определенной доли возмущающего воздействия.

Ключевые слова: энергосберегающая система регулирования, фильтры, настройка регуляторов, передаточная функция.

Значительная часть технологических процессов современных химических производств требует для своей реализации существенных затрат топливно-энергетических ресурсов. Однако запасы повсеместно используемых в настоящее время видов сырья и топлива весьма ограничены, что начинает лимитировать непрерывный рост мощностей предприятий химической промышленности. В создавшейся ситуации вместе с проблемой замены традиционных видов энергии новыми возникает проблема экономии