Система адаптивного управления технологическим процессом

 

Изобретение относится к системам управления технологическими процессами и может быть использовано для адаптивного управления технологическими процессами в условиях наличия неизмеряемых неуправляемых входов объекта, существенно влияющих на критерий управления. Целью изобретения является повышение качества управления. Указанная цель достигается тем, что в систему, содержащую объект управления , последовательно соединенные блок формирования корректирующих воздействий , блок формирования управляющих воздействий и блок исполнительных механизмов, а также блоки измерения показателей качества и сигналов управляемых и неуправляемых входов, введены блок классификации наблюдений, входы которого соединены с блоками измерения показателей качества, сигналов управляемых и неуправляемых входов и с задатчиком классов, и блок определения оптимальных управляющих воздействий, входы которого соединены с блоком классификации наблюдений, блоками измерения показателей качества и измерения сигналов управляемых входов и с задатчиком режимов, выход блока определения оптимальных управляющих воздействий соединен с входами блока формирования корректирующих воздействий и блока формирования управляющих воздействий.3 ил. (Л С

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 G 05 В 13/02

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР)

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (21) 4769955/24 (22) 15.12.89 (46) 15.12.92. Ьюл. М 46 (71) Научно-производственное объединение

"Черметавтоматика" (72) М.Л.Аншина, Б,В.Дашевский, E.В.Казанцева и В,С.Красильников (56) Патент США

N. 4054780, кл. 364-106, 1984, Авторское свидетельство СССР

N 1242911, кл. G 05 В 13/02, 1986. (54) СИСТЕМА АДАПТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ (57) Изобретение относится к системам управления технологическими процессами и может быть использовано для адаптивного управления технологическими процессами в условиях наличия неиэмеряемых неуправляемых входов объекта. существенно влияющих на критерий управления. Целью изобретения является повышение качества управления. Указанная цель достигается

Изобретение относится к системам управления технологическими процессами и может быть использовано для адаптивного управления технологическими процессами в условиях наличия неизмеряемых неуправляемых входов объекта, существенно влияющих на качество управления. При этом . регулирование отдельных переменных технологического процесса осуществляется локальными регулирующими устройствами.

Примером таких объектов могут быть, например, мегаллургические агрегаты: прокатные станы, сталеплавильные и доменные печи, Такие обьекть(часто имеют неизмеря. емые неуправляемые входы т,е. такие входы, сигналы которых недоступны для. Ж 1781670 А1 тем, что в систему, содержащую объект управления, последовательно соединенные блок формирования корректирующих воздействий, блок формирования управляющих воздействий и. блок исполнительных механизмов, а также блоки измерения показателей качества и сигналов управляемых и неуправляемых входов, введены блок классификации наблюдений, входы которого соединены с блоками измерения показателей качества, сигналов управляемых и неуправляемых входов и с задатчиком классов, и блок определения оптимальных управляющих воздействий, входы которого соединены с блоком классификации наблюдений, блоками измерения показателей качества и измерения сигналов управляемых входов и

c çàäàT÷èKîì режимов, выход блока onределения оптимальных управляющих воздействий соединен с входами блока формирования корректирующих воздействий и блока формирования управляющих воздействий. 3 ил.

00 прямого управления и не поддаются непосредственному измерению, Например, для обьекта — непрерывного широкополосного стана горячей прокатки полос неуправляемым неизмеряемым входом в числе других является температура сляба и ее объемное распределение. Эта температура определя- 0 ется конструкцией и режимом работы нагревательных устройств, физико-химичеСкими свойствами и размерами сляба и может, быть оценена лишь грубыми косвенными методами, т.к. слябы покрыты толстым слоем окалины и разогреты неравномерно по объему, В то же время температура сляба оказывает значительное влияние на ход прокатки и ее результаты — достижение за1781670

20

30

55 данных размеров проката и его физические свойства. Число классов неизмеряемого неуправляемого входа может определяться, например, числом нагревательных устройств с различной конфигурацией или режимом, количеством рабочих-операторов этих устройств с разной личной манерой управ. ления процессом нагрева, и т.п.

Известна система адаптивного управления, содержащая последовательно соединенные блок формирования корректирующих воздействий, блок формирования управляющих воздействий и объект управления, Недостатком этой системы является невысокое качество управления, т.к. при определении оптимальных управляющих воздействий не учитывались ни значения сигналов неуправляемых входов объекта управления, ни влияние неизмеряемых входов объекта управления.

Известно устройство для адаптивного управления технологическим процессом, принятое нами в качестве прототипа. содер-. жащее последовательно соединенные блок формирования корректирующих воздействий, блок формирования управляющих воздействий, блок исполнительных механизмов и объект управления. а также блок измерения сигналов управляемых входов, блок измерения сигналов неуправляемых входов и блок измерения показателей. качества, причем, входы блока измерения сигналов управляемых входов и блока измерения сигналов неуправляемых входов соединены с соответствующими входами объекта управления, а входы блока измерения показателей качества соединены с выходами объекта управления.

Недостатком этого устройства является невысокое качество управления, поскольку выбор управляющих воздействий осуществляется без учета влияния неизмеряемых входов объекта управления, которые оказывают существенное влияние на оптимальные значения управляемых переменных, Целью изобретения является повышение качества управления технологическим процессом.

Цель достигается за счет того,что в систему адаптивного управления технологическим процессом, содержащую последовательно соединенные блок формирования корректирующих воздействий, блок формирования управляющих воздействий и блок исполнительных механизмов, выходы которого подключены к входам блока измерения сигналов управляемых входов и к упраляемым входам объекта управления, неуправляемые входы объекта управления соединены с входами блока измерения сигналов неуправляемых входов, а выходы объекта упралвения соединены с входами блока измерения показателей качества, введен блок классификации наблюдений, первая группа информационных входов которого соединена с выходами блока измерения сигналов управляемых входов, вторая группа информационных входов блока классификации наблюдений соединена с выходами блока измерения сигналов неуправляемых входов, третья группа информационных входов блока классификации наблюдений соединена с выходами блока измерения показателей качества, и блок определения onтимальных управляющих воздействий, информационный вход которого соединен с выходом блока классификации наблюдений, первая группа информационных входов — с выходами блока измерения показателей качества, вторая группа информационных входов — с выходами блока измерения сигналов управляемых входов, выход блока определения оптимальных управляющих воздействий подключен к входам блока формирования корректирующих воздействий и ко вторым входам блока формирования управляющих воздействий, а также задатчик классов и задатчик режимов, выходы которых соединены соответственно с входами задания блока классификации наблюдений и блока определения оптимальных управляющих воздействий, при этом объект управления имеет неизмеряемые входы р классов, Одновременно блок классификации наблюдений содержит узлы, состоящие иМ первого сумматора и цепочек из второго сумматора и первого множительного элемента, два входа которого соединены с выходом второго сумматора, выходы первых множительных элементов являются выхода" ми цепочек и подключены к входам первого сумматора, число цепочек в каждом узле равно сумме числа управляемых входов, неуправляемых входов и выходов блока измерения показателей качества, число узлое равно числу р классов неизмеряемых входов объекта управления, первые входы соответ. ствующих вторых сумматоров каждого узлй объединены и образуют соответственно первую, вторую и третью грпуппу информационных входов блока классификации наблюдений, вторые входы вторых сумматоров всех узлов являются входами задания блока классификации наблюдений, выход каждого первого сумматора соединен с первыми входами первых элементов сравнения, число которых на каждый сумматор на единицу меньше числа узлов, и со вторыми входами других первых элементов срав1781670 ния показателей качества, первые входы 20

50 нения. число которых также на единицу меньше числа узлов, причем, первые входы каждого иэ этих других первых элементов сравнения подключены соответственно к выходам всех других первых сумматоров, общее число пе Ьых элементов сравнения равно удвоенному числу сочетаний из числа узлов по два, выходы первых элементов сравнения,. первые входы которых соединены с одним и тем же первым сумматором, подключены к входам элементов И, число элементов И равно числу узлов, выходы элементов И подключены к входам шифратора, выход которого является выходом блока классификации наблюдений, Кроме того, блок определения оптимальных управляющих воздействий содержит вторые множительные элементы, число которых равно числу выходов блока измеревторых множительных элементов образуют первую группу информационных входов блока определения оптимальных управляющих воздействий, вторые входы вторых множительных элементов являются входами задания блока определения оптимальных управляющих воздействий, выходы вторых множительных элементов соединены с входом третьего сумматора, .а также запоминающее устройство, адресный вход которого является информационным входом блока определения оптимальных управляющих воздействий, выход третьего сумматора подключен к первому входу второго элемента сравнения и к первому информационному входу запоминающего устройства, первый информационный выход запоминающего устройства соединен со вторым входом второго элемента сравнения, выход второго элемента сравнения соединен с входом элемета НЕ и с управляющими входами первой группы элементов ЗАПРЕТ; информационные входы которых образуют вторую группу информационных входов блока определения оптимальных управляющих воздействий, выход элемента НЕ соединен с управляющим входом запоминающего устройства и с управляющими входами второй группы элементов ЗАПРЕТ, информационные входы которых соединены со вторыми информационными выходами запоминающего устроиства, выходы первой группы элементов ЗАПРЕТ соединены со вторыми информационными входами запоминающего устройства и с первым входом группы элементов ИЛИ, вторые входы группы элементов ИЛИ соединены с выходами второй группы элементов ЗАПРЕТ. выходы группы элементов ИЛИ являются выходами блока

15 определения оптимальных управляющих воздействий, число элементов ЗАПРЕТ первой группы равно числу элементов ЗАПРЕТ второй группы, а также равно числу элементов ИЛИ и равно числу управляемых входов объекта управления.

Введение в систему блока классификации наблюдений и блока определения оптимальных управляющих воздействий, а также задатчика классов и задатчика режимов позволяет повысить качество управления за счет раздельного определения оптимальных управляющих воздействий по классам наблюдаемых величин, причем класс объединяет наблюдения, соответствующие близким значениям совокупности параметров неизмеряемых входов объекта управления, оценка близости параметров осуществляется блоком классификации наблюденийй.

Предложенная система управления инвариантна к системе уравнений, описывающих объект управления, поскольку функционирование системы управления описывается не системой уравнений, описывающих объект управления, а выбранным при проектировании системы разбиением наблюдений на классы и критерием управления. Система обеспечивает управление объектом в соответствии с выбранным критерием управления (целевой функцией от показателей качества объекта управления) так, что управляюи. воздействия на следующий временной интервал, выбор которых осуществляется в блоке 6 определения оптимальных управляющих воздействий, всегда обеспечивают минимальное значение целевой функции среди конечного числа допустимых управляющих воздействий на те= кущем временном интервале. Направление изменения управляющих воздействий— улучшение критерия управления. Система управления с использованием предлагаемого технического решения обладает выгодно отличающими ее свойствами: управление в ней осуществляется с учетом не только действующих на объект неуправляемых воздействий, но и ненаблюдаемых факторов, не теряя при этом свойств динамичности, адаптивности и устойчивости, Устойчивость системы, понимая под этим термином ограниченность приращения управляющих воздействий при ограниченном изменении входных данных (см.

/10/, стр, 12). обеспечивается тем, что при изменениях входных переменных, ограниченных одним классом, управляющие воздействия гарантированно выбираются из одного и того же класса в условиях действия

1781670 одного и того же критерия управления и, следовательно, ограничены размерами класса.

Динамичность управления следует из учета временных изменений векторов неуправляемых переменных, управляемых переменных, показателей качества и принадлежности совокупности переменных классам.

Адаптивность управления обеспечивается изменением вектора принадлежности классам в темпе с изменениями всех наблюдаемых и ненаблюдаемых входных величин.

На фиг. 1 приведена блок-схема системы; на фиг. 2 — блок-схема блока классификации наблюдений; на фиг. 3 — блок-схема блока определения оптймальных уйравляющих воздействий, Система (фиг. 1) содержит объект управления 1 с m управляемыми входами, и неуправляемыми входами, неизмеряемыми входами р классов, блок 2 измерения сигналов неуправляемых входов. блок 3 измерения сигналов управляемых входов, блок 4 измерения показателей качества с k выходами, блок 5 классификации наблюдений, блок

6 определения оптимальных управляющих воздействий, блок 7 формирования корректирующих воздействий, блок 8 формирования управляющих воздействий, блок 9 исполнительных механизмов, задатчик классов 10 и задатчик режимов 11.

Неуправляемые и входов объекта управления 1 соединены с п входами блока 2 измерения сигналов неуправляемых входов, выходы объекта управления 1 подключены к входам блока 4 измерения показателей качества, m выходов блока 3 измерения сигналов управляемых входов соединены с первой группой информационных входов блока 5 классификации наблюдений, вторая группа информационных входов блока 5 классификации наблюдений соединена с и выходами блока 2 измерения сигналов неуправляемых входов, а третья группа информационных входов блока 5 классификации наблюдений соединена с k выходами блока 4 измерения показателей качества, при этом р«(!т!+и+к) входов задания блока 5 классификации наблюдений соединены с выходами задатчика классов 10, а выход блока 5 классификации наблюдений соединен с информационным входом блока

6 определения оптимальных управляющих воздействий, Задатчик режимов 11 своими

k выходами соединен с соответствующими k входами задания блока 6 определения оптимальных управляющих воздействий, первая группа информационных входов которого соединена с выходами блока 4 измерения показателей качества, а третья группа информационных входов (m входов) с m выходами блока 3 измерения сигналов управляемых входов, m выходов блока 6 определения оптимальных управляющих воздействий подключены к m входам блока 7 формирования корректирующих воздействий и к m вторым входам блока,8 формирования управляющих воздействий, при этом

m первых входов блока 8 формирования уп5

10 задания (от номинала) по всей длине полосы, среднеквадратическое отклонение ширины полосы от задания по всей длине полосы, неизмеряемые входы; различные режимь! нагрева заготовки (сляба), характеризующиеся особенностями конструкции нагревательных устройств (например — на стане разные печи, из которых выдаются слябы на прокатку произвольным образом)

) разные бригады операторов с индивидувль50

55 равляющих воздействий соединены c ITI Bb!. ходами блока 7 формирования корректирующих воздействий, à m выходов блока 8 формирования управляющих воз15 действий соединены с соответствующими m входами блока 9 исполнительных механиз- . мов, m выходов блока 9 исполнительных механизмов подключены к m управляемым входам объекта управления 1 и к m входам

20 блока 3 измерения сигналов управляемых входов, Объектуправления представляетсобой, например, непрерывный широкополосный стан горячей прокатки стальных полос, Ко25 личество классов р зависит от ненаблюдаемых факторов, действующих на объект управления, и равно числуо различных комбинаций из всех возможных качественных значений этих факторов. Количество клас30 сов определяется, исходя из особенностей конкретного объекта управления, на стадии предварительной разработки системы.

Для объекта управления — непрерывного широкополосного стана горячей прокат35 ки — можно привести следующий упрощенный набор входных и выходных переменных: управляемые входы (два): вертикальные и горизонтальные обжатия заготовки (или

40 отклонения этих обжатий от какой-либо базы); неуправляемый вход(один): толщина заготовки (или ее отклонение от заданной, от какой-либо базы и т,п,);

45 выходы (два), толщина и ширина проката (или их отклонения от задания на прокатку): показатели качества (два), среднеквадратическое отклонение толщины полосы от

1781670

10

25

40 узлов (например, 3), выходы элементов И

55 ными особенностями ведения процесса нагрева и т,д. — всего три вида режимов, т.е.— три класса неизмеряемых входов, Для такого упрощенного набора переменных, характеризующих систему управления может быть использована целевая функция вида:

С = К1 * Z1 + К2 * Z2 > где С вЂ” значение целевой функции;

К1, К2 — коэффициенты при переменных целевой функции;

Z1 — первый показатель качества, например, среднеквадратическое отклонение толщины полосы от задания по всей длине полосы;

Z2 — второй показатель качества, например, среднеквадратическое отклонение ширины полосы от задания по всей длине

ПОЛОСЫ.

Целью управления является выпуск проката с минимальным среднеквадратическим отклонением по толщине и ширине от задания с учетом влияния неизмеряемых входов объекта управления, т.е. необходимо выдавать управляющие воздействия на исполнительные механизмы с адаптацией под текущий класс неизмеряемых входов (в зависимости оттого, как именно была нагрета заготовка перед прокаткой), Блок 5 классификации наблюдений (фиг. 2) содержит р узлов (например -3), состоящих из m+n+k (например — 2+1+2) цепочек (р — количество классов неизмеряемых входов, m — количество управляемых входов, n — количество неуправляемых входов, 3 . k — количество выходов блока измерения показателей качества) и первого сумматора

14. Каждая из цепочек содержит второй сумматор 12 и первый множительный элемент

13, Блок классификации наблюдений 5 включает в себя также. Первые элементы сравнения 15, количество которых на каждый из р узлов равно р-1, элементы И 16, число которых равно числу узлов р и шифратор 17. Таким образом, для m =2, п =1. k=2 и р= 3 блок классификации наблюдений 5 содержит (см,фиг. 3): вторых сумматоров 12—

p*(m+n+k) =3+(2+1+2) = 15, первых множительных элементов 13 — p*(m+n+k) = 3 (2+1+2) =

15, первых сумматоров 14 — р = 3, первых элементов сравнения 15 — р-(р-1) = 3*2 = 6, элементов И 16 — р = 3, шифратор 17 — 1.

B каждой из цепочек; содержащих второй сумматор 12 и первый множительный элемент 13, оба входа первого множительного элемента 13 соединены с выходом второго сумматора 12, вторые сумматоры 12 выполнены с прямым первым и инверсным вторым входами, Первые входы вторь1х "у1ЯМтароЬ 13 объединены по всем р узлаМ так, что сддтветствующие m, п, k первых входов вторых сумматоров 12 образуют, соответственна, первую, вторую и третью группы информационных входов блока 5 классификации наблюдений, Вторые входы вторых сумматоров 12 всех узлов являются входами задания блока

5 классификации наблюдений, сигналы на этих входах соответствуют эталонным значениям, соответственно, m сигналов управ ляемых входов, п сигналов неуправляемых входов и k показателей качества для всех р классов. Выходы первых множительных элементов 13 каждого узла явл",þòñÿ выходами цепочек и соединены с входами первых суматоров 14 данного узла.

Выходы первых сумматоров 14 являются выходами узлов и соединены с первыми входами первых элементов сравнения 15, количество которых на каждый из первых сумматоров на единицу меньше числа узлов (например — 2, фиг. 2), и со вторым входами других первых элементов сравнения, число которых также на единицу меньше числа узлов (например — 2), причем, первые входы каждого из этих других первых элементов сравнения подключены, соответственно, к выходам всех других первых сумматоров, общее число первых элементов сравнения равно удвоенному числу сочетаний из числа узлов по 2 (например, для трех узлов число сочетаний из 3 па 2 равно 3, число первых элементов сравнения равно 6). Выходы первых элементов сравнения, первые входы koторых соединены с одним и тем >ке первым сумматором, подключены к входам элементов 16 И, число элементов И равно числу подключены к входам шифратора 17, выход которого представляет собой шифр класса, к которому относится данное наблюдение.

Наблюдение представляет собой совокупность значений переменных системы управления — интегральных значений измеренных величин сигналов управляемых входов объекта управления, неуправляемых входов объекта управления и показателей качества системы управления, соответствующих одному и тому же временному интервалу (для объекта управления широкополосного стана горячей прокатки— интервалом является время проката одной полосы). Шифр класса, к которому относится данное наблюдение, является выходам блока классификации наблюдений.

Блок 6 определения оптимальных управляющих воздействий (фиг. 3) содержит запоминающее устройство 18, группу из 1< =1781670

20

30

40

55

2 вторых множительных элементов 19, число которых равно числу выходов блока 4 измерения показателей качества, третий сумматор 20, второй элемент сравнения 21, элемент НЕ 22, элементы ЗАПРЕТ 23 первой группы, элементы ЗАПРЕТ 24 второй группы, и группу элементов 25 ИЛИ, число элементов 23 ЗАПРЕТ первой группы равно числу элементов 24 ЗАПРЕТ второй группы, а также равно числу m управляемых входов объекта управления.

Первые входы вторых множительных элементов 19 образуют первую группу информационных входов блока 6 определения оптимальных управляющих воздействий, вторые входы вторых множительных элементов 19 являются входами задания блока

6 определения оптимальных управляющих воздействий, выходы вторых множительных элементов 19 соединен ы со входом третьего сумматора 20.

Выход третьего сумматора 20 подключен к первому входу второго элемента сравнения 21 и к первому информационному входу запоминающего устройства 18

Адресный вход запоминающего устройства 18 являетя информационным входом блока 6 определения оптимальных управляющих воздействий, первый информационный вход запоминающего устройства 18 соединен со вторым входом второго элемента сравнения 21, выход второго элемента сравнения 21 соединен с входом элемента

КЕ и с управляющими входами элементов

23 ЗАПРЕТ первой группы

Информационные входы элементов 23

ЗАПРЕТ первой группы образуют вторую группу информационных входов блока 6 определения оптимальных управляющих воздействий. Выход элемента КЕ 22 соединен с управляющим входом запоминающего устройства 18 и с управляющими входами элементов ЗАПРЕТ 24 первой группы, Информационные входы элементов ЗАПРЕТ второй группы соединены со вторыми информационными выходами запоминающего устройства и с первыми входами группы элементов 25 ИЛИ, Вторые входы группы элементов 25 ИЛИ соединены с выходами элементов 24 ЗАПРЕТ второй группы, выходы группы элементов 25 ИЛИ являются вйходами блока 6 определения оптимальных управляющих воздействий, Система работает следующим образом, Объект управления 1 (непрерывный широкополосный стан горячей прокатки) осуществляет технологический процесс, например, прокатку металла. На стан подаются нагретые заготовки (слябы). После обжатия слябов между валками клетей стана сляб вытягивается в полосу, Блок 2 измерения сигналов неуправляемых входов измеряет воздействующие на объект управления неуправляемые переменные, Блок 3 измерения сигналов управляемых входов измеряет воздействующие на объект управления управляемые переменные (выходные переменные блока 9 исполнительных механизмов). Блок 4 измерения показателя качества измеряет выходные переменные обьекта управления 1 и преобразует их в показатели качества системы управления.

Измерение сигналов блоками 2, 3, 4 осуществляется, как это принято в измерительной технике, путем преобразования измеряемой величины (как электрического сигнала, так и не электрического) в стандартный электрический сигнал и его усредения, что интегрально(по всей полосе) характеризует процесс прокатки, Блок 4 измерения показателей качества дополнительно преобразует выходные переменные объекта управления 1 в показатели качества системы управления технологическим процессом, Выходные сигналы блока 2 измерения сигналов неуправляемых входов, блока 3 измерения сигналов управляемых входов и блока 4 измерения показателей качества поступают соответственно на вторые, первые и третьи группы информационных входов блока 5 классификации наблюдений, Кроме того, выходные сигналы блока 3 измерения сигналов управляемых входов и блока 4 измерения показателей качества поступают, соответственно, на вторую и первую группы информационных входов блока 6 определения оптимальных управляющих воздействий. На входы задания блока 5 классификации наблюдений и блока 6 определения оптимальных управляющих воздействий поступают сигнал й, соответственно, от задатчика классов 10 и задатчика режимов 11, Сигналы задания задатчика классов 10 представляют собой поклассовые эталонные значения всех измеряемых входов и показателей качества объекта управления, Сигналы задания задатчика режимов 11 представляют собой коэффициенты целевой. функции при показателях качества обьекта управления, Блок классификации наблюдений 5 по состоянию всех измеряемых входов и показателей качества объекта управления системы (сигналы от блоков 2, 3 и 4) для текущего наблюдения и поклассовым эталонным зна- . чениям всех измеряемых входов и показателей качества (сигналы от задатчика классов

10) определяет номер класса, к которому относится данное наблюдение. Выбор номера класса осуществляется вычислением

1781670

30

40

50

55 расстояний в пространстве измеряемых переменных системы от точки текущего наблюдения до точек с эталонными значениями переменных и показателей качества по всем классам, и выбором номера класса, к которому относится текущее наблюдение, по минимальному из этих расстояний, Блок 6 определения оптимальных управляющих воздействий по номеру класса текущего наблюдения (сигналы от блока 5 классификации наблюдений), значениям управляемых переменных и показателей качества (сигнал от блока 3 измерения сигналов управляемых входов и блока 4 измерения показателей качества) и коэффициентам це левой функции при показателях качества (сигналы от задатчика режимов 11) вырабатывает "оптимальное .управляющее воздействие для объекта управления на следующий временной интервал, длина которого равна времени проката одной полосы, Целевая функция представляет собой функцию от показателей качества, которая является численным выражением для качества управления, Определение оптимального управляющего воздействия осуществляется по текущему значению критерия оптимальности (для текущего наблюдения) и запомненному наилучшему значению критерия оптимальности для данного класса — или выбором известного (запомненного ранее) управления, или поддержанием текущего управления. Выработанное в блоке 6 определения оптимальных управляющих воздействий управление передается на входы блока 7 формирования корректирующих воздействий и блока 8 формирования управляющих воздействий, Блок 7 формирования корректирующих воздействий по значениям оптимальных управляющих воздействий, поступающим с выхода блока 6 определения оптимальных управляющих воздействий, формирует значения корректирующих воздействий, которые с его выхода поступают на вход блока 8 формирования управляющих воздействий.

Эти значения представляют собой коэффициенты, на которые необходимо умножить значения оптимальных управляющих воздействий, чтобы получить реально допустймые значения управляющих воздействий.

Указанные коэффициенты имеют смысл ограничений, например, по технологическим режимам, по возможностям исполнительных механизмов, по соображениям техники безопасности и т,д, Блок 8 формирования управляющих воздействий для каждой управляемой переменной осуществляет умножение оптимальных управляющих воздействий (выходные сигналы блока 6 формирования оптимальных управляющих воздействий) на коэффициенты (выходчые сигналы блока 7 формирования корректирующих воздействий). Управляющие воздействия с выхода блока 8 формирования управляющих воздействий поступают на вход блока 9 исполнительных механизмов и через его исполнительные механизмы воздействуют на технологический процесс, осуществляемый обьектом управления 1.

Таким образом, после прокатки очередной полосы на выходах блоков 2, 3 и 4 формируются новые переменйые системы и соответствующие им показатели качества, Для этих значений переменных и показателей качества блок 5 классификации наблюдений по эталонным значениям переменных и показателей качества для каждого класса (поступающих с выходов задатчика классов 10) определяет номер класса, к которому относится данная полоса. Этот номер передается на информационный вход блока 6 определения оптимальных управляющих воздействий, Блок 6 по номеру класса, сигналам управляемых входов, показателям качества и коэффйциентам целевой функции для следующей полосы (поступающих с выходов задачика режимов 11) определяет уставки оптимальных управляющих воздействий для прокатки следующей полосы, Окончательное формирование уставок производится блоком 8 формирования управляющих воздействий перемножением соответствующих выходных сигналов блоков 6 и 7. Сформированные таким образом уставки подаются на входы блока 9 исполнительных механизмов и определяют режимы работы исполнительных механизмов обьекта управления 1 на время прокатки следующей полосы, После и рокатки следующей полосы процесс повторяется, причем, для каждой полосы выбирается управление, обеспечивающее поддержание или улучшение значения целевой функции. Тем самым обеспечивается адаптивное управление технологическим и роцессом.

Блок 5 классификации наблюдений (фиг. 2) работает следующим образом, Вторые сумматоры 12, первые множительные элементы 13 и первые сумматоры

14 осуществляют вычисление расстояний в пространстве переменных систем от точки текущего наблюдения до точек эталонных значений по классам, например, по формуле

1781670 где di — расстояние между точкой текущего наблюдения и точкой i- го класса с эталонными значениями измеряемых переменных;

xi, j = 1„.m — значения сигналов управляемых входов для текущего наблюдения;

f i, J = 1...m — эталонные значения управi ляемых входов для l-ro класса; у, q = 1...n — значения сигналов неуправляемых входов для текущего наблюдения;

f m+q о = 1...n — эталонные значения curi налов неуправляемых входов для I-го класса;

zg, 1 = 1„,k — значения выходных сигналов блока измерения показателей качества для текущего наблюдения;

fm+n+i, 1 = 1...k — эталонные значения

I показателей качества для i-го класса, Значения входных переменных и показателей качества объекта управления 1 для текущего наблюдения поступают на прямые входы первых сумматоров 12 для всех р узлов блока классификации наблюдений. На инверсные входы сумматоров 12 с выхода задатчика классов 10 поступают эталонные значения всех rn+n+k измеряемых переменных системы для всех р классов. Определение эталонных значений осуществляется на стадии проектирования системы путем обработки экспериментальных данных по известным алгоритмам (8). Выходной сигнал каждого из сумматоров 12 представляет собой разность измеренного и эталонного значений каждой переменной. Этот сигнал подается на оба входа соответствующего первого множительного элемента 13, который осуществляет возведение в квадрат своего входного сигнала. Выходные сигналы первых множительных элементов 13 каждого узла подаются на входы первого сумматора 14 этого же узла, Таким образом, выходной сигнал первого сумматора 14 узла, относящегося к i-му классу, имеет смысл суммы квадратов расстояний в пространстве переменных системы от точки текущего наблюдения до точки i-ro класса с эталонными значениями измеряемых переменных 1ro класса, Выходные сигналы первых сумматоров

14 всех р узлов в сочетаниях по 2 поступают нэ входы первых элементов сравнения 15, осуществляющих попарное сравнение выходных сигналов первых сумматоров 14. В ыходные сигналы первых элементов сравнения 15, первые входы которых подключены к одному и тому же первому сумматору 14, подаются на входы элементов И 16.

Каждый из первых элементов сравнения 15 срабатывает (формирует на выходе сигнал

1); если сигнал нэ его втором входе больше, ными значениями класса (, чем ко всем остальным точкам с эталонными значениями других классов. При этом на выходах других элементов И 16 будет сформирован сигнал "0", Выходные сигналы всех элементов И 16 подаются на входы шифратора 17, на выходе которого формируется код класса

1 с наименьшим расстоянием в пространстве измеряемых переменных системы от точки текущего наблюдения до точки с эталонными значениями переменных i класса, В случае, если расстояния между точкой текущего наблюдения и эталонными точками для двух классов равны и меньше расстояний между точкой текущего наблюдения и эталонными точками для всех других классов, на выходах всех элементов И 16 будет сигнал "0".,Шифратор 17 выполнен на основе таблицы, занесенной в программируемую логическую матрицу или в программируемое ПЗУ, Случай равных минимальных расстояний относится при rlpoектировании системы к одному из классов.

Конкретный вид таблицы шифратора 17 определяется на этапе проектирования систеMbl, Блок 6 определения оптимальных управляющих воздействий (см.фиг. 3) работа10

55 чем сигнал на его первом входе, т,е„если квадрат расстояния в пространстве измеряемых переменных системы от точки текущего наблюдения до точки с эталонными значениями класса (и соответствующего ему узла), соответствующего первому входу первого элемента сравнения 15, меньше, чем аналогичная величина для другого класса (и соответствующего ему узла), соответствующего второму входу этого первого элемента сравнения 15, Таким образом, если на первый вход какого-либо первого элемента сравнения 15 поступает сигнал с выхода первого сумматора i-го узла, а на второй вход того же сумматора поступает сигнал с выхода первого сумматора J-ro узла, то этот первый элемент сравнения вырабатывает выходной сигнал "1" в том случае, когда наблюдение бли>ке к.эталонному набору значений переменных i-го класса, чем к набору j-го класса, т.е. если сигнал на его первом входе меньше, чем на втором.

Сигналы с выходов первых элементов сравнения 15, первые входы которых соединены с выходом одного и того же первого сумматора 14 l-го узла, поступают на входы одного из элементов И 16, Если все входные сигналы элемента И 16 равны "1", то на его выходе тэк>ке появляется сигнал "1", Это означает, что точка текущего наблюдения в пространстве измеряемых переменных системы расположена ближе к точке с эталон17

1781670

18 ных входов блока определения оптималь- формационные выходы значения управляеных управляющих воздействий, с выходов мых переменных системы, соответствуюблока измерения показателей качества 4 щие данному классу текущего наблюдения (см.фиг. 1) поступают измеренные показате- и значению целевой функции на первом вхоли качества системы, 5 де запоминающего устройства 18. УказанНа вторые входы вторых множительных ные значения управляемых переменных элементов 19, которые являются входами системы поступают на информационные задания блока 6 определения оптимальных входы второй группы элементов ЗАПРЕТ24, управляющих воздействий, с выходов за- Второй элемент сравнения 21 осущестдатчика режимов 11 (см,фиг. 1) поступают 10 вляетсравнениезначения целевой функции коэффициенты целевой функции, Эти коэф- для текущего наблюдейия (на первом входе) фициентызависятотспецификиобъекта уп- и наилучшего ранее достигнутого значения равления и выбираются . на стадии целевой функции класса, к которому отнопроектирования системы управления для сится текущее наблюдение (на втором вхоразных режимов работы, 15 де). Если значение целевой функции . Вторые множительные элементы 19 текущего наблюдения "лучше", чем наилуч(см.фиг. 3) осуществляют умножение пока- шее из ранее достигнутых значений целевой зателей качества системы на соответствую- функции класса, к которому относится текущие им. коэффициенты целевой функции, щее наблюдение, то второй элемент сравнезначения произведений указанных величин 20 ния 21 формирует на своем выходе сигнал с выходов вторых множительных элементов "1", Например, если целевая функция по19 поступают на входы третьего сумматора строена на минимизации отклонения пока20, который суммирует значения этих про- зателей качества от заданных стандартом изведений. Таким образом, вторые множи- для технологического процесса, то лучшим тельные элементы 19 и третий сумматор 20 25 из двух значений является минимальное осуществляют вычислительные значения значение целевой функции, целевой функции для конкретной совокуп- Выходной сигнал второго элемента ности значений показателей качества систе- сравнения 21 подается на управляющие мы (для текущего наблюдения). Это входы первой группы элементов ЗАПРЕТ23 значение поступает на первый вход второго 30 и через элемент 22 — инверсно — на управля элемента сравнения 21 и на первый инфор- ющие входы второй группы элементов ЗА. мационный вход запоминающего устройст- . ПРЕТ 24 и запоминающего устройства 18. ва 18. На информационные входы первой

На адресный вход запоминающего уст-, группы элементов ЗАПРЕТ 23, которые обройства 18, который является информаци- 35 разуют вторую группу информационных . онным входом блока 6 определения входовблокаопределенияоптимальныхупоптимальных управляющих воздействий, с равляющих воздействий, с выходов блока 3 выхода блока классификации наблюдений 5 измерения сигналов управляемых входов поступает код класса, к которому относится поступают измеренные значения сигналов текущее наблюдение. В соответствии с этим 40 управляемых входов обьекта управления 1, кодом из запоминающего устройства 18 . Элементы ЗАПРЕТ 23 первой группы и считывается и выдается на его первый информа- элементы ЗАПРЕТ второй группы могут пеционный выход наилучшее достигнутое за пред- редавать на свои вь|ходы значения сигналов шествующий период наблюдений значение оптимальных управляющих воздействий. целевой функции данного класса, это значе- 45 Если на выходе второго элемента сравнения ние поступает на второй вход второго эле- 21 сформирован сигнал "1", то открываются мента сравнения 21. Начальная матрица элементы ЗАПРЕТ 23. а элементы ЗАПРЕТ оптимальных управляющих воздействий по 24 закрываются. Если на выходе второго классам переменных и соответствующий элемента 21 сформирован сигнал "0", то отвектор значений целевой функции строятся 50 крываются элементы ЗАПРЕТ 24, а элеменнаэтапепроектирования конкретнойсисте- гы ЗАПРЕТ 23 закрываются. Выходы мы управления и заносятся в запоминаю- элементов ЗАПРЕТ23 и ЗАПРЕТ24 подаютщее устройство. По мере работы системы ся на входы группы элементов ИЛИ 25. Т.к. матрица обновляется путем записи в запо- элементы первой 23 и второй 24 групп ЗАминающее устройство 18 лучших в смысле 55 ПРЕТ не могут быть открыты одновременно, установленного критерия оптимальности то на выходах элементов ИЛИ 25, которые управляющих воздействий. Одновременно являются выходами блока 6 определения в соответствии с кодом класса текущего на- оптимальных управляющих воздействий, блюдения из запоминающего устройства 18 появляются или сигналы управляемых вхосчитываются и выдаются на его вторые ин- дов обьекта управления 1 с выхода блока 3

1781670

5

20

45 га ется: измерения сигналов управляемых входов (если целевая функция текущего наблюдения "лучше", чем"наилучшая из ранее доcтигнутых для данного класса), или считанный из запоминающего устройства

18 ранее запомненный набор сигналов управляемых входов объекта управления 1, соответствующий наилучшему "ранее запомненному значению целевой функции, С выходов элементов ЗАПРЕТ 23 первой группы подэ отся сигналыка1< на входы элементов ИЛИ 25, так и на вторые инфор мационные входы запоминающего устройства 18. Запись информации с этих информационных входов в запоминающее устройство 18 осуществляется по сигналу нэ управляющем входе запоминающего устройства 18 при переходе этого сигнала из состояния "1" в состояние "0", Одновременно происходит запись в запоминающее устройство 18 сигнала с его первого информационного входа — новое наилучшее значение целевой функции для данного

: класса.

Запись новых значений целевой функции и соответствующих ей новых значений лучших для этого класса управляющих воздействий осуществляется взамен устаревшей информации по прежнему адресу — в соответствии с номером класса текущего на- 30 блюдения и кодом на информационном входе блока 6 определения оптимальных управляющих воздействий, Таким образом, в процессе функционирования системы в запоминающем устрой- 35 стве 18 блока 6 определения оптимальных . управляющих воздействий происходит постоянное накопление информации об объекте управления 1 и системе в "целом, происходит постоянное улучшение качества управления, тем самым достигается цель изобретения -. повышение качества управления технологическим процессом, Повышение качества управления дости— за счет учета влияния на процесс неизмеряемых входов объекта, например — пэраметров сырья, определяемых его технологической и редисторией (режимами, технологии на предыдущих в технологической цепочке агрегатах); — за счет постоянной коррекции оптимальных управляющих воздействий, которая осуществляется в блоке определения оптимальных управляющих воздействий; — за счет заложенной в самой структуре .. системы безусловной достижимости оптимальной точки, формируемой в блоке определения оtlтимальHых управляющих воздействий для текущего состояния объекта управления, и для класса, определяемого в блоке классификации наблюдений, — за счет исключения возможности выхода управляющих воздействий за пределы технологических ограничений выбором управляющих воздействий в блоке ф о р м и р о в а н и я у и р а в л я ю щ и х воздействий из множества допустимых управляющих воздействий.

Предлагаемая система может быть использована для адаптивного управления различными технологическими процессами и для различных объектов управления, например — в металлургии на непрерывном широкополосном стане горячей прокатки стальных полос, в нефтепереработке нэ установке каталитического крекинга и т,д.

Предлагаемая система может быть реализована на известных в автоматике датчиках, исполнительных механизмами узлах и элементах.

Блок 2 (см.фиг. 1) измерения сигналов неуправляемых входов, блок 3 измерения сигналов управляемых входов, блок 4 измерения показателей качества реализуются на обычных датчиках технологических систем контроля и управления, преобразующих электрические и неэлектрические входные сигналы в стандартные электрические сигналы. Для объекта управления — непрерывного широкополосного стана горячей прокатки такими датчиками являются, например, йзмерители усилий серии ИУМ, рентгеновские измерители толщины полос, измерители ширины проката конструкции

ВНИИМЕТМАШ. Датчики содержат средства обработки сигналов, или могут быть дополнены такими стандартными средствами, Например, современные рентгеновские измерители толщины имеют встроенные ЭВМ с программами для статических расчетов. . Блок 9 исполнительных механизмов может быть реализован на стандартных исполнительных механизмах в соответствии с типом объекта управления. Например, для непрерывного широкополосного стана горячей прокатки с двумя управляемыми входами — вертикальными и горизонтальными обжатиями заготовки —.-э качестве испол-, нительных механизмов могут быть использованы обычные электромеханические или гидронажимные устройства прокатного стана, например — беспоршневое гидронажимное устройство.

Блок 5 классификации наблюдений, блок 6 определения оптимальных управляющих воздействий, блок 7 формирования корректирующих воздействий, блок 8 фор-!

1781670

22 мирования управляющих воздействий, за- Шифратор 17 может быть сконструиро7 датчик классов 10 и задатчик.режимов 11 ван, например, на основе таблицы, занесенмогут быть реализованы на серийной элект- ной в программируемую логическую ронно-вычислительной технике, например, матрицу или в программируемое постоян,ЭВМ Электроника-60 — 15 ВУМС-28 (5), или 5 ное запоминающее устройство, например, — на отдельных серийных электронных эле- на микросхемах К573РФ2, КР556РТ4. ментах, Запоминающее устройство 18 может

Блок 7 формирования корректирующих быть реализовано, например, на микросхевоздействий может быть реализован, на- мах запоминающих устройств, таких, как пример, в виде таблицы коэффициентов, за- 10 . K155P У2, КР565РУ1А. несенной в. программируемую логическую Первый 4, второй 12 и третий 20 суммаматрицу или в постоянное запоминающее торы могут быть реализованы, например, на устройство, например, на микросхемах микросхемах сумматоров, таких, как

КР573РФ2, КР556РТ5, К155ИМ2, К155ИМ3. Инверсные. входы сумПри этом адресные входы микросхем t5 маторов могут быть реализованы, наприявляются входами блока 7 формирования мер, инверторами К155ЛН1, корректирующих вОздействий, выходы мик- Первый 15 и второй 21 элементы срав, росхем являются выходами этого блока, нения могут быть реализованы, например, Блок 8 формирования управляющих на сумматорах с прямйм" и йнверсным оховоздействий может быть реализован в виде 20 дами, осуществляющих операцию вычитанабора множительных элементов, количест- ния кодов, выход знакового разряда во которых равно числууправляемых входов сумматора является выходом элемента объекта управления, например, на умножи- . сравнения, Такие сумматоры реализуются телях серии К 1802. на обычных микросхемах сумматоров

Задатчик классов 120 может быть реа- 25 (К155ИМ2, К155ИМЗ) с инверсными входализован, например, на программных пере- ми на мйкросхемах К155ЛН1. ключателях ПП6-11Т (ОЮЗ:602.160ТУ), или Первый 13 и второй 19 множительные на запоминающих устройствах КР573РФ2, элементы могут быть реализованы, наприКР556РТ5, Такое запоминающее устройст- мер, на микросхемах умножителей серии во должно хранить набор эталонных сигна- 30 КР1.802, лов для управляемых входов, Элемент И 16 может быть реализован, неуправляемых входов и показателей каче- например, на микросхемах К155ЛИ5. Элества объекта управления для всех классов мент НЕ 22 может быть реализован, напринеизмеряемых входов. Определение этих мер, на микросхемах К155ЛН1. эталонов осуществляется на стадии проек- 35, Элементы ЗАПРЕТ первой 23 и второй тирования системы оптимального управле- 24 групп могут быть реализован, например,ния, например, по одному из известных на микросхемах К155ЛИ1, Элементы ИЛИ алгоритмов кластерного анализа, например 25 могут быть реализованы, например, на

ISODATA, алгоритм Кинга и т.д, Другой путь микросхемах К155ЛЛ1, построения эталон lblx значений — построе- 40 Экономический эффект от внедрения ние классов по результатам предваритель- предлагаемой системы образуется за счет ных исследований сырья и объекта повышения качества управления -путем увеуправления, или по оценкам экспертов, и личения объема выпускаемой продукции, вычисление средних арифметических зна- повышения качества продукции и снижения чений в каждом построенном классе. 45 затрат на ее выпуск, Например; для непрерывного шйрокоЗадатчик режимов 11 может быть реа- полосного стана горячей прокатки стальных лизован на программных переключателях, полос при внедрении указанной системы например, ПП6-11Т (ОЮ.602.160 ТУ) или на возможно достижение годового экономичезапоминающих устройствах КР556РТ5, 50 ского эффекта за счет увеличения отгрузки

КР573РФ2, хранящих набор коэффициен- потеоретическому весу: тов при переменных критериях оптимально- . Э = ТВ*(К2 — К1)*Ц вЂ” (КА + КР)*СИ— . сти. Определение этих коэффициентов КН*СР = 2000000*(0.0513 — 0,05)*100000— осуществляется на этапах проектирования (0.12+ 0,05)*100000 — 0.15*300000 = 200000 или опытной эксплуатации системы в соот- 55 руб„ ветствии с требованиями к качеству продук- где ТВ = 2000000 — объем отгрузки по теореции. Смена режимов и соответствующих им тическому весу, тонн; ,коэффициентов производится при измене- К1 = 0,05, К2 = 0,0513 — коэффициенть1 нии сортамента или типоразмера выпускае- отгрузки по теоретическому весу до и после мой продукции. внедрения системы;

1781670

Ц - 100 — цена заданного металла, рублей за тонну;

КА - 0.12, КР = 0.05 — коэффициенты отчислений на амортизацию и текущий ремонт;

КН 0.15 — нормативный коэффициент эффективности;

СР = 300000, СИ = 100000 — стоимость разработки и изготовления системы, рублей, Доля эффекта, приходящаяся на предлагаемую систему, составит 25, или 50000 рублей в год.

Формула изобретения

Система адаптивного управления технологическим процессом, содержащая по. следовательно соединенные . блок формирования корректирующих воздейст. вий, блок формирования управляющих воз. действий и блок исполнительных мехайизмов. выходы которого подключены к входам блока измерения сигналов управляемых входов и к управляемым входам объекта управления, неуправлямые входы .объекта управления соединены с входами блока измеренИя сигналов неуправляемых входов, выходы объекта управления соединены с входами блока измерения показателей качества, отличающаяся тем, что, с целью повышения качества управления объектов с неизмеряемыми входами, введены задатчик классов, задатчик режимов, блок определения оптимальных управляющих воздействий и блок классификации наблюдений. первая rpynna информационных

5 входов которого соединена с выходами бло. ка измерения сигналов управляемых входов, вторая группа информационных входов блока классификации наблюдений соедине.на с выходами блока измерения сигналов

10 неуправляемых входов, третья группа ин.формационных входов блока классификации наблюдений соединена с К выходами блока измерения показателей качества, информационный вход блока определения on15 тимальных управляющих воздействий

- соединен с выходом блока классификаций . наблюдений, первая группа информационных входов — с выходами блока измерения показателей качества, вторая группа инфор20 мационных входов — с выходами блока из.мерения сигналов управляемых входов, выход блока определения оптимальных управляющих воздействИй подключен к входам блока формирования корректирующих

25 воздействий и к группе входов блока формирования управляющих воздействий, выходы задатчика классов и задатчика режимов со. единены соответственно с входами задания блока классификации наблюдений и блока

30 определения оптимальных управляющих воздействий., 1781670

1781670

Составитель М,Анишина

Техред М.Моргентал Корректор И Ш улла

Редактор

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 4274 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5