Тема: Модель и алгоритм поддержки адаптивного управления электрообогревом технологического оборудования атомной электростанции

Актуальность темы исследования. Атомные электростанции (АЭС) предназначены для производства электроэнергии и включают в себя комплекс систем, устройств, оборудования и сооружений. Основными преимуществами атомных электростанций являются огромная энергоемкость, возможность повторного использования расщепляющего материала (урана), снижение «парникового эффекта» по сравнению с тепловыми электростанциями.
Атомная электростанция представляет собой сложный технический комплекс, и функционирующие внутри ее подсистемы требуют автоматизации процессов управления на базе компьютерной техники. Без автоматизированных систем управления (АСУ) и систем автоматического управления (САУ) на базе микроконтроллеров и микропроцессоров люди физически не смогут справиться с задачами управления, заключающимися в обработке большого количества информации и формирования на их основе управляющих воздействий на технологический объект в масштабе реального времени. Центральным звеном АСУ и САУ является программное обеспечение (ПО), которое построено на базе моделей и алгоритмов управления, имеет практическую ценность и реализует необходимую функциональность.
При использовании жидкого натрия в качестве теплоносителя важное место в цикле занимает система поддержки адаптивного управления электрообогревом технологического оборудования атомной электростанции.
Алгоритмы управления технологическими процессами в готовых решениях, таких как ПРОТАР 120, ПАССАТ, средства автоматизации для контроля и управления электрообогревом натрия (СА СКУ ЭО), построены на похожих принципах и имеют общие недостатки. Среди основных недостатков можно выделить следующие: алгоритмы могут работать только в ограниченных режимах работы без возможности их расширения, процесс перенастройки этих алгоритмов для новой задачи очень трудоемкий и в
полной мере не осуществимый. Также следует отметить, что программное обеспечение, реализующее данные алгоритмы, не поддерживает принципы объектно-ориентированного программирования, что ограничивает
возможности модификации, повторного использования и расширяемости без изменения самой структуры программы.
При модернизации оборудования возникает необходимость в оценке возможных изменений и соответствующей корректировке математического обеспечения. Описанные в открытых источниках математические модели динамики технологических процессов (Митропольский А. Н., Цукерман И. Х., Петренко А. А., Демченко В. А.) не учитывают все существующие режимы управления и не позволяют составить целостное представление об организации управления электрообогревом технологического оборудования атомной электростанции.
Таким образом, задача разработки модели и алгоритма поддержки адаптивного управления электрообогревом технологического оборудования атомной электростанции является актуальной.
Объектом исследования является система адаптивного управления электрообогревом технологического оборудования.
Предметом исследования являются математические модели и
алгоритмы управления технологическими процессами.
Целью магистерской диссертации является разработка модели и алгоритма, которые обеспечивают поддержку адаптивного управления электрообогревом технологического оборудования атомной электростанции.
Задачи исследования. Основные задачи исследования:
• провести анализ известных математических моделей и алгоритмов управления технологическими процессами атомной электростанции;
• разработать математическую модель управления
электрообогревом технологического оборудования атомной электростанции для всех существующих режимов управления;
• разработать базовый алгоритм поддержки адаптивного управления, который может быть применен для различных технологических процессов в зависимости от изменения параметров, коэффициентов и физических величин;
• модифицировать базовый алгоритм для системы управления электрообогревом технологического оборудования атомной электростанции;
• разработать программное обеспечение поддержки адаптивного управления электрообогревом.
Методы исследования. В процессе исследования и разработки были использованы методы анализа и синтеза, обобщения, сравнения, математического моделирования, объектно-ориентированного
моделирования.
Научная новизна работы заключается в том, что:
• разработана математическая модель управления
электрообогревом технологического оборудования атомной электростанции, которая, в отличие от известных моделей, учитывает все существующие режимы управления электрообогревом;
• разработан базовый алгоритм поддержки адаптивного управления, который, в отличие от известных алгоритмов, может быть использован для разных технологических процессов в зависимости от изменения параметров, коэффициентов и физических величин;
• разработан алгоритм управления электрообогревом
технологического оборудования атомной электростанции, который, в отличие от известных, является адаптивным и обеспечивает автоматизированное управление электрическим нагревателем на основе данных о температуре технологической среды с выдачей управляющих воздействий и автоматическим изменением режима управления;
• разработано программное обеспечение поддержки адаптивного управления электрообогревом в соответствии с принципами объектно­ориентированного программирования, что дает возможность модификации, расширяемости и повторного использования.
Практическая значимость исследования. Практическая ценность заключается в разработке на основе предложенной математической модели и алгоритма управления программного обеспечения поддержки адаптивного управления электрообогревом. Разработанное программное обеспечение включено в состав опытного образца программно-технического комплекса для создания и модернизации систем контроля и управления технологическим оборудованием ПТК «УРАЛ-Атом» и успешно используется при проведении его комплексной наладки, испытаний и эксплуатации, что подтверждает акт о внедрении результатов.
Основные положения, выносимые на защиту. На защиту выносятся следующие положения:
• математическая модель управления электрообогревом технологического оборудования атомной электростанции, которая, в отличие от известных моделей, учитывает все существующие режимы управления электрообогревом;
• базовый алгоритм поддержки адаптивного управления, который, в отличие от известных алгоритмов, может быть использован для разных технологических процессов в зависимости от изменения параметров, коэффициентов и физических величин;
• алгоритм управления электрообогревом технологического оборудования атомной электростанции, который, в отличие от известных, является адаптивным и обеспечивает автоматизированное управление электрическим нагревателем на основе данных о температуре технологической среды с выдачей управляющих воздействий и автоматическим изменением режима управления;
• программное обеспечение поддержки адаптивного управления электрообогревом, которое, в отличие от известных, поддерживает принципы объектно-ориентированного программирования, что дает возможность модификации, расширяемости и повторного использования.
Апробация работы. Основные положения, выносимые на защиту, и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях:
• XV Международная научно-техническая конференция «Новые информационные технологии и системы» (г. Пенза, 2018 год);
• VI Ежегодная всероссийская межвузовская научно-техническая конференция «Информационные технологии в науке и образовании. Проблемы и перспективы» (г. Пенза, 2019 год);
• XVI Международная научно-техническая конференция «Новые информационные технологии и системы» (г. Пенза, 2019 год);
• VII Ежегодная всероссийская межвузовская научно-техническая конференция «Информационные технологии в науке и образовании. Проблемы и перспективы» (г. Пенза, 2020 год).
Публикации. Основные результаты диссертационного исследования опубликованы в 4 печатных работах, зарегистрированных в РИНЦ.
Структура и объем работы. Магистерская диссертация состоит из введения, 3 тематических глав, заключения, списка использованных источников и приложений. Общий объем работы 98 страниц, включая 29 рисунков, 3 таблицы. Список литературы изложен на 3 страницах и включает 28 источников.
Купить

В ходе магистерской диссертации были решены следующие задачи:
• проанализированы известные математические модели и алгоритмы управления технологическими процессами атомной электростанции;
• разработана математическая модель управления
электрообогревом технологического оборудования атомной электростанции, которая, в отличие от известных моделей, учитывает все существующие режимы управления электрообогревом;
• разработан базовый алгоритм поддержки адаптивного управления, который, в отличие от известных алгоритмов, может быть использован для разных технологических процессов в зависимости от изменения параметров, коэффициентов и физических величин;
• разработан алгоритм управления электрообогревом
технологического оборудования атомной электростанции, который, в отличие от известных, является адаптивным и обеспечивает автоматизированное управление электрическим нагревателем на основе данных о температуре технологической среды с выдачей управляющих воздействий и автоматическим изменением режима управления;
• разработано программное обеспечение поддержки адаптивного управления электрообогревом, которое, в отличие от известных, поддерживает принципы объектно-ориентированного программирования, что дает возможность модификации, расширяемости и повторного использования.
В ходе анализа предметной области и математических моделей технологических процессов было принято решение о создании математической модели электрообогрева технологического оборудования атомной электростанции с использованием блочного принципа, которая учитывает все существующие режимы управления и позволяет вовремя предотвратить аварийные ситуации.
В ходе исследования был выбран метод адаптивного управления, под которым будем понимать автоматическое изменение режима работы алгоритма в зависимости от изменения параметров объекта управления или действий на объект со стороны эксплуатирующего персонала.
Анализируя алгоритмы управления технологическими процессами: ПРОТАР 120, ПАССАТ, СА СКУ ЭО, - принято решение о разработке базового алгоритма поддержки адаптивного управления с возможностью его применения для различных технологических систем в зависимости от изменения параметров, коэффициентов и физических величин.
Исследованы алгоритмы на основе ПИД-регулирования, алгоритмы на основе самонастройки, алгоритмы на основе нечеткой логики и нейронных сетей. Обобщив все достоинства и недостатки каждого алгоритма, выбор был сделан в пользу алгоритма ПИД-регулирования. Его главными преимуществами являются простота понимания и реализации, как для самих разработчиков алгоритма, так и для операторов АЭС, надежность, хорошее качество управления. Для настройки коэффициентов ПИД-регулятора были проанализированы методы: Циглера-Никольса, CHR (Chein, Hrones и Reswick) и метод ручной настройки, основанной на правилах.
Как результат разработки, представлена техническая реализация, построена диаграмма классов и компонентов разработанного программного обеспечения. Проведено функциональное и экспериментальное тестирование под операционной системой Debian-10.0 в SCADA-системе. По результатам тестирования можно судить о корректности и эффективности работы модели и алгоритма в заданных условиях.В ходе магистерской диссертации были решены следующие задачи:
• проанализированы известные математические модели и алгоритмы управления технологическими процессами атомной электростанции;
• разработана математическая модель управления
электрообогревом технологического оборудования атомной электростанции, которая, в отличие от известных моделей, учитывает все существующие режимы управления электрообогревом;
• разработан базовый алгоритм поддержки адаптивного управления, который, в отличие от известных алгоритмов, может быть использован для разных технологических процессов в зависимости от изменения параметров, коэффициентов и физических величин;
• разработан алгоритм управления электрообогревом
технологического оборудования атомной электростанции, который, в отличие от известных, является адаптивным и обеспечивает автоматизированное управление электрическим нагревателем на основе данных о температуре технологической среды с выдачей управляющих воздействий и автоматическим изменением режима управления;
• разработано программное обеспечение поддержки адаптивного управления электрообогревом, которое, в отличие от известных, поддерживает принципы объектно-ориентированного программирования, что дает возможность модификации, расширяемости и повторного использования.
В ходе анализа предметной области и математических моделей технологических процессов было принято решение о создании математической модели электрообогрева технологического оборудования атомной электростанции с использованием блочного принципа, которая учитывает все существующие режимы управления и позволяет вовремя предотвратить аварийные ситуации.
В ходе исследования был выбран метод адаптивного управления, под которым будем понимать автоматическое изменение режима работы алгоритма в зависимости от изменения параметров объекта управления или действий на объект со стороны эксплуатирующего персонала.
Анализируя алгоритмы управления технологическими процессами: ПРОТАР 120, ПАССАТ, СА СКУ ЭО, - принято решение о разработке базового алгоритма поддержки адаптивного управления с возможностью его применения для различных технологических систем в зависимости от изменения параметров, коэффициентов и физических величин.
Исследованы алгоритмы на основе ПИД-регулирования, алгоритмы на основе самонастройки, алгоритмы на основе нечеткой логики и нейронных сетей. Обобщив все достоинства и недостатки каждого алгоритма, выбор был сделан в пользу алгоритма ПИД-регулирования. Его главными преимуществами являются простота понимания и реализации, как для самих разработчиков алгоритма, так и для операторов АЭС, надежность, хорошее качество управления. Для настройки коэффициентов ПИД-регулятора были проанализированы методы: Циглера-Никольса, CHR (Chein, Hrones и Reswick) и метод ручной настройки, основанной на правилах.
Как результат разработки, представлена техническая реализация, построена диаграмма классов и компонентов разработанного программного обеспечения. Проведено функциональное и экспериментальное тестирование под операционной системой Debian-10.0 в SCADA-системе. По результатам тестирования можно судить о корректности и эффективности работы модели и алгоритма в заданных условиях.
Купить