На правах рукописи

Шабалов Александр Александрович

РАЗРАБОТКА ИНФОРМАЦИОННОГО И АЛГОРИТМИЧЕСКОГО

ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПРОБЛЕМНО-ОРИЕНТИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ

УПРАВЛЕНИЯ ВЫБРОСАМИ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ

Специальность 05.13.01- Системный анализ, управление и

обработка информации

(в технике и технологиях)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2009

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения» (ГУАП)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Коршунов Геннадий Иванович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Коновалов Александр Сергеевич кандидат технических наук, доцент Аблязов Владимир Иванович

Ведущая организация: Холдинговая компания «Ленинец», Санкт-Петербург.

Защита диссертации состоится «28» апреля 2009 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.233.02 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения» по адресу: 190000, Санкт-Петербург, ул. Большая Морская, 67, ГУАП.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ГУАП

Автореферат разослан « » марта 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор Л.А. Осипов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Важной проблемой экологии является защита атмосферы от выбросов загрязняющих веществ (ЗВ). Данная проблема особенно актуальна для больших промышленных городов, где ЗВ оказывают негативное влияние на здоровье, благосостояние и продолжительность жизни людей, приводят к развитию необратимых для природы последствий.

Актуальность проблемы защиты атмосферы подчеркивается в соответствующей нормативно-законодательной базе, в частности в федеральном законе от 30 марта 1999 г. N 52-ФЗ "О санитарноэпидемиологическом благополучии населения" и в федеральном законе от 04.05.1999 N 3-ФЗ "Об охране атмосферного воздуха".

Научные основы анализа распространения ЗВ в атмосфере были заложены трудами отечественных ученных: Берлянда М.Е., Щербакова А.Ю., Ландсберга Г.Е., Бузало Н.С., Гаргер Е.К., Марчука Г.И. В работах Сольницева Р.И. была предложена концепция, структура и основные подходы к построению замкнутой системы управления (ЗСУ) концентрацией ЗВ, выбрасываемых производственными предприятиями в атмосферу.

Дальнейшее развитие это направление получило в работах российских ученых Сольницева Р.И., Коршунова Г.И., Грудинина В.П.

Результаты исследования существующих решений показали, что важной проблемой реализации системы управления качеством атмосферы является недостаточная проработка практически применимых алгоритмических средств обеспечения сбора и анализа информации мониторинга атмосферы, а также модели переноса ЗВ в атмосфере. Для реализации эффективной системы управления необходима разработка и исследование математических моделей, методов анализа и применение построенных на основе моделирования средств мониторинга и принятия решений, осуществляющих оперативные измерения концентрации ЗВ в условиях непрерывно изменяющихся параметров атмосферы и генерирующих управляющее воздействие.

Таким образом, разработка проблемно-ориентированной системы управления концентрацией ЗВ в выбросах промышленных предприятий и обеспечивающих ее работу информационных и алгоритмических средств является актуальной и представляет научную задачу, имеющую важное теоретическое и прикладное значение.

Цель диссертационной работы состоит в повышении эффективности управления концентрацией загрязняющих веществ в выбросах производственных объектов посредством разработки информационного и алгоритмического обеспечения замкнутой системы управления, исследования процессов обработки информации, эффективности и качества управления.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе установлены следующие задачи:

1. Разработка уточненной математической модели переноса ЗВ в атмосфере, как объекта управления ЗСУ концентрацией ЗВ.

2. Анализ математических моделей систем управления с точки зрения пригодности для управления выбросами ЗВ, исследование эффективности и качества управления.

3. Разработка алгоритма поиска координат максимума концентрации ЗВ в атмосфере для летательного аппарата (ЛА).

4. Разработка алгоритма сбора и обработки информации мониторинга по критерию предельно допустимых концентраций (ПДК) для поддержки принятия управленческих решений.

5. Разработка математической модели системы управления очистными агрегатами для управления очисткой газовоздушной смеси от нескольких ЗВ.

Методы исследования. Основой исследования является методология системного анализа, теория систем автоматического управления, аналитические и численные методы математического моделирования.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

1. Разработана уточненная математическая модель переноса ЗВ в атмосфере, как объекта управления ЗСУ концентрацией ЗВ, представленная в виде передаточной функции, позволяющая осуществлять управление концентрацией ЗВ в реальном времени.

2. На основе анализа выбрана и проблемно ориентирована математическая модель системы управления выбросами ЗВ, отличающаяся от базовой введением в регулятор дополнительных компенсирующих связей, обеспечивающих минимизацию эффекта «интегрального насыщения» и необходимое качество управления при изменяющейся величине транспортной задержки переноса ЗВ в атмосфере.

3. Разработан алгоритм поиска координат максимума концентрации ЗВ в атмосфере для ЛА, позволяющий осуществлять поиск координат и значения максимума концентрации ЗВ летательным аппаратом в широком диапазоне параметров атмосферы при различных формах факела.

4. Разработан алгоритм сбора и обработки информации мониторинга по критерию ПДК, обеспечивающий коррекцию измерительных данных, необходимых для поддержки принятия управленческих решений.

5. Разработана математическая модель системы управления очистными агрегатами, обеспечивающая требуемое качество управления очисткой газовоздушной смеси от нескольких ЗВ.

Практическая ценность. Разработанные в диссертационной работе информационные и математические модели и алгоритмы позволяют успешно реализовать аппаратно-программный комплекс (АПК) защиты атмосферы.

Практические результаты диссертационной работы использованы в разработках ООО "НПФ "Торэкс"; НП "ИТЦ "Аэрокосмический" для ОАО "РУСАЛ" филиал "Бокситогорский глинозем"; Международного института инжиниринга в экологии и безопасности жизнедеятельности при ГУАП, а также внедрены в учебный процесс кафедры «Инноватика и управление качеством» в Санкт-Петербургском государственном университете аэрокосмического приборостроения (ГУАП).

Внедрение результатов диссертационной работы позволяет снизить выбросы ЗВ в атмосферу для ТЭЦ, работающей на сланцах в 1,5-2 раза, не снижая показатели выработки основного продукта. Экономический эффект от внедрения разработанного информационного и алгоритмического обеспечения ЗСУ составляет более 12 млн. рублей в год.

Положения, выносимые на защиту:

1. Уточненная математическая модель переноса ЗВ в атмосфере, как объекта управления ЗСУ концентрацией загрязняющих окружающую среду веществ.

2. Результаты моделирования и анализа эффективности и качества управления проблемно-ориентированной системы управления выбросами ЗВ.

3. Алгоритм поиска координат максимума концентрации ЗВ в атмосфере для ЛА.

4. Алгоритм сбора и обработки информации мониторинга по критерию ПДК для поддержки принятия управленческих решений.

5. Математическая модель системы управления очистными агрегатами.

Апробация работы. Основные положения, защищаемые идеи, теоретические положения, научные и практические результаты работы докладывались и обсуждались на международной конференции «Instrumentation in Ecology and Human Safety 2007», St. Petersburg 2007; на Десятой Научной сессии ГУАП, Санкт-Петербург, 2007; на Одиннадцатой Научной сессии ГУАП, Санкт-Петербург, 2008.

Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 6 печатных работах, из них 3 статьи в ведущих научных журналах, рекомендованных ВАК, а также в материалах международной конференции «Instrumentation in Ecology and Human Safety 2007», St. Petersburg 2007; в Сборнике докладов Десятой Научной сессии ГУАП, Санкт-Петербург, 2007; в Сборнике докладов Одиннадцатой Научной сессии ГУАП, Санкт-Петербург, 2008.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов и заключения. В конце каждого раздела сформулированы выводы.

Общий объем рукописи составляет 155 страниц, в том числе 5 таблиц, 50 рисунков и список используемых источников из 137 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении сформулирована цель работы, обоснованы актуальность и важность исследуемой темы, кратко описано содержание работы.

Представлены полученные в диссертационном исследовании результаты, выносимые на защиту.

В первом разделе рассмотрена концепция замкнутой системы управления выбросами ЗВ, осуществлен синтез требований к ЗСУ, разработана информационная модель АПК ЗСУ.

Концепция замкнутой системы управления выбросами ЗВ производственными предприятиями рассматривает взаимодействие человека, производственной деятельности и экологии, как сложную замкнутую систему, в которой происходит преобразование потоков ресурсов в энергию, отходы и продукт производства. В соответствии с данной концепцией под действием управляющего воздействия производится преобразование сырья в энергию и отходы, которое может быть выражено следующим уравнением:

где P – продукт, t – время, R – сырье, E – энергия, W – отходы, множество операций над данными, D – множество выходных данных.

Отличительной особенностью данной концепции от существующих является непрерывное автоматическое управление концентрацией ЗВ, измеряемой непосредственно в факеле. Рассмотренная концепция лишена недостатков, присущих существующим решениям: отсутствия реализации автоматизированной программно-аппаратной обратной связи в цепи управления, необходимости значительного времени на выработку управляющего воздействия, влияния «человеческого фактора» на процесс управления.

На основе рассмотренной концепции сформулированы требования и разработана информационная модель АПК ЗСУ, обеспечивающего процессы преобразования первичной информации от измерительных систем в оперативные и структурные данные для управления АПК ЗСУ выбросами ЗВ.

Информационная модель проблемно-ориентированной системы управления выбросами ЗВ в атмосферу представляет собой модульную структуру, состоящую из модулей различного назначения с возможностью их подключения к системе управления в режиме реального времени. Формат и тип данных, используемых при передаче информации между модулями, и структура запросов-обращений строго регламентированы, что обеспечивает необходимую надежность системы управления, потенциал повышения качества управления и гибкость конфигурирования. Предусмотрены возможности криптографии, предотвращающие несанкционированный доступ и вмешательство в работу АПК. Модулям системы управления назначены уровни приоритета от 0 до 3 с целью более эффективного использования вычислительных ресурсов и обеспечения работы системы управления в реальном времени. Модулем 0-го уровня является ядро системы управления, обеспечивающее сопряжение между собой подключенных к ней модулей более высокого уровня, а также передачу данных между модулями.

Модули 1-го уровня обеспечивают непрерывный контроль и управление концентрацией ЗВ, автоподстройку параметров контуров управления и коммутацию измерительной информации. Модули 2-го уровня обеспечивают сбор, обработку, хранение и систематизацию измерительной информации, расчет траектории движения ЛА и координат точек пространства, в которых должны быть произведены измерения. Модули 3-го уровня обеспечивают прогнозирование динамики атмосферы, загрязненности местности, а также обработку и визуализацию информации, необходимой для управления АПК и поддержки принятия управленческих решений. Информация модулей 3-го уровня отображается на экране оператора в виде картографических изображений с нанесенными на них текущими и прогнозными изображениями распространения ЗВ в атмосфере, расположения измерительных систем и другими параметрами.

Разработанная информационная модель АПК ЗСУ выбросами промышленных предприятий обладает, в отличие от известных решений, следующими особенностями:

предотвращает выброс в атмосферу производственным предприятием ЗВ выше установленных ПДК норм, при этом обеспечивает возможность производства максимума основного продукта;

минимизирует влияние «человеческого фактора» в процессе управления;

обладает возможностью гибкой конфигурации и подстройки под любую проблемную область в зависимости от типа и сложности решаемых задач;

осуществляет управление на основе оперативных и точных данных о концентрациях ЗВ, измеренных в точке их максимального значения – непосредственно в факеле;

обеспечивает эффективное управление очистными агрегатами, позволяет продлить ресурс их работы, минимизировать затраты электроэнергии и расходных средств.

Критерием эффективности управления является непрерывное поддержание концентраций ЗВ в выбросах производственного предприятия на уровне, не превышающем установленного значения ПДК.

Во втором разделе представлено информационное и математическое обеспечение ЗСУ выбросами ЗВ.

Подраздел 2.1 включает в себя обзор, анализ и систематизацию моделей распространения ЗВ в атмосфере, а также разработку уточненной модели переноса ЗВ в атмосфере, как объекта управления ЗСУ.

К модели распространения ЗВ в атмосфере, как объекту управления ЗСУ, установлены следующие требования: возможность интеграции в ЗСУ как самостоятельного модуля, обеспечение высокого быстродействия вычислительных процессов, отсутствие сложных математических преобразований, наличие функции «вход-выход».

Существующие модели распространения газообразных примесей в атмосфере в процессе их анализа разделены на группы:

1) эмпирико-статистические модели, основанные на функциях математической статистики и гауссовой функции;

2) математические модели, основанные на решении уравнений гидродинамики и транспортно-диффузионных уравнений;

3) физические модели (в аэродинамических трубах);

4) модели на основе комплексного подхода: сравнительного анализа результатов натурных экспериментов с результатами физического и численного моделирования с последующим построением моделей распределения ЗВ в атмосфере.

Проведенный анализ существующих моделей выявил их ограничения при применении в ЗСУ выбросами ЗВ. Эмпирико-статистические модели, вследствие их прогностического характера, могут использоваться только как вспомогательные или для оценки степени загрязнения местности.

Математические модели сложны в практической реализации и требуют непрерывного измерения большого количества трудноизмеримых параметров атмосферы. Физическое моделирование в аэродинамических трубах требует создания миниатюрной модели исследуемой местности и, ввиду ограничений, не может воспроизводить физические процессы атмосферы с заданной точностью и скоростью. Комплексный подход обладает всеми вышеперечисленными недостатками. Приведенные модели способны решать задачи прогнозирования загрязнения местности, но не пригодны для построения ЗСУ. Поэтому для ЗСУ предложена уточненная модель переноса ЗВ в атмосфере, удовлетворяющая поставленным требованиям. Уточненная модель разработана на основе модели Сольницева Р.И., выведенной из уравнения турбулентной диффузии и конвекции для одномерного потока, имеющей вид:

где Y2(p) – изображение функции концентрации ЗВ в точке измерения, Кt – коэффициент преобразования массы ЗВ при переносе в атмосфере, зависящий от метеоусловий; T – постоянная времени инерционных процессов переноса ЗВ, – время переноса количества ЗВ от источника до точки измерения, Y1(p) изображение функции концентрации ЗВ у источника.

В разработанной уточненной модели величина времени задержки переноса ЗВ – представлена уравнением:

где r – расстояние от источника ЗВ до точки измерения, vv – средняя скорость ветра на высоте факела (H).

Значение Кt определяется по формуле:

ЗВ у источника, y, z – значения коэффициентов горизонтальной и вертикальной диффузии соответственно, Kp – коэффициент поглощения ЗВ окружающей средой.

Полное уравнение уточненной модели переноса ЗВ в атмосфере от источника ЗВ до точки измерения имеет вид:

Разработанная уточненная модель переноса ЗВ в атмосфере имеет точность, сопоставимую с моделью Паскувилла-Бриггса, но в отличие от нее учитывает время на перенос ЗВ, поглощение ЗВ окружающей средой и инерционные процессы атмосферы.

В подразделе 2.2 представлена математическая модель системы управления очистными агрегатами, посредством которой осуществляется перераспределение управляющего воздействия между очистными агрегатами разного типа и обеспечивается эффективная очистка газовоздушной смеси от нескольких ЗВ в зависимости от соотношений концентраций ЗВ, «цены»

газоочистки, качества топлива и режима работы котла.

Укрупнено модель может быть описана следующей системой уравнений:

где u – величина суммарного управляющего сигнала, ufi – величина управляющего сигнала, подаваемая на i-ый очистной агрегат, максимальное значение управляющего сигнала для i-го очистного ufimax агрегата, Kok коэффициент, управляющий мощностью котла.

В подразделе 2.3 рассмотрена математическая модель ЗСУ, состоящая из следующих звеньев и их математических моделей:

1. Модель процесса переноса ЗВ с выхода котла до устья трубы:

U*(p) изображение функции управляющего воздействия.

2. Модель процесса преобразования массы ЗВ в составе факела при переносе от источника до точки измерения:

3. Модель процесса измерительного преобразования величины ЗВ:

где 2 – время измерительного преобразования, зависящее от принципа действия и конструкции используемого измерительного преобразователя.

4. Модель процесса формирования, накопления, обработки и передачи измерительных данных представлена выражением:

где 3 – суммарное время, затрачиваемое на процессы формирования, накопления, обработки, преобразования и передачи данных измерения ЗВ, изображение функции ошибки возмущения, вычисляемой по формуле:

Z(p) где Y*20(p) – изображение функции допустимой концентрации ЗВ на расстоянии r от устья трубы при определенных погодных условиях и параметрах функционирования предприятия (всегда меньше ПДК).

5. Управляющее воздействие, подаваемое на очистной агрегат, представлено выражением:

6. Модель процесса газоочистки представлена выражением:

На основе моделей звеньев построена полная модель ЗСУ. Передаточная функция ЗСУ по отношению к возмущению X(p) имеет вид:

X( p) (1T p)(1T p)(1T p)(1T p)(1T p)K1K2 K3 K4 K8 (K5 K6 pK7 / p)e p( 1 2 3 ) Рассмотренная модель представляет модульную систему, обеспечивающую гибкость в подборе параметров блоков при адаптации ЗСУ, ее масштабировании и модернизации.

К ЗСУ установлены следующие требования к показателям качества управления: длительность переходного процесса – не более 25 мин, величина перерегулирования – не более 20% в среднем за сутки и не более 600% в случае разового выброса продолжительностью не более 20 мин.

Третий раздел посвящен разработке и исследованию процессов обработки информации проблемно-ориентированной ЗСУ выбросами ЗВ.

На основе уравнения (14) модели ЗСУ посредством полунатурного моделирования исследованы процессы обработки информации ЗСУ в различных режимах работы, имитирующих реальные условия. В результате моделирования определены параметры управления, обеспечивающие требуемую устойчивость, качество управления и динамические характеристики для наиболее типичных для Санкт-Петербурга погодных условий. Результаты проведенного моделирования показали, что при скорости ветра 4 м/с время, необходимое ЗСУ для минимизации выброса и приведения концентрации ЗВ в соответствие с нормами ПДК, составляет не более 15 минут.

На рисунке 1 представлены результаты моделирования работы ЗСУ при различных значениях величины K1, имитирующей количество ЗВ в топливе до момента его высвобождения (посредством химических реакций) при сжигании топлива. Полученные данные подтверждают стабильность и необходимое качество управления ЗСУ при использовании предполагаемого топлива – сланцев с содержанием серы 0,5 2%.

Рисунок 1 Графики функции z при ступенчатом изменении входного На рисунке 2 представлены результаты моделирования работы ЗСУ при различных значениях величины транспортной задержки 1, имитирующей время, необходимое на перемещение количества ЗВ от источника загрязнения до точки измерения. Установлено, что ЗСУ обеспечивает требуемое качество управления при величине от 0 до 180 секунд и соответствующей ей скорости ветра от 2 до 10 м/с.

Рисунок 2 Графики функции z при ступенчатом изменении входного Результаты исследования модели ЗСУ выявили существенный недостаток данной модели – снижение устойчивости ЗСУ в условиях динамически изменяющейся величины транспортной задержки. Для решения данной проблемы в диссертационной работе предположено дополнить модель ЗСУ так называемым предиктором Смита или ПИД-регулятором с автоподстройкой параметров.

модифицированной модели ЗСУ, подтверждающие, что предложенные методы значительно увеличивают качество управления и устойчивость ЗСУ.

Предиктор Смита сокращает зависимость устойчивости системы управления от величины транспортной задержки, при этом его использование не требует усложнения модели системы управления. Блок автоподстройки на основе нечеткого управления позволяет одновременно сократить влияние транспортной задержки и величину перерегулирования, причем построение более точной модели управления, учитывающей большее количество факторов, позволяет осуществлять более гибкое управление с более высокими показателями качества. Блок автоподстройки на основе нечеткого управления разработан на базе метода Мамдами. Используемые в методе правила получены на основе экспертных оценок, функции принадлежности построены на основе полученных опытным путем данных.

Рисунок 3 Графики функции z при изменяющемся значении величины транспортной задержки 1 при работе ЗСУ с предиктором Смита (1), с блоком автоподстройки параметров ПИД-регулятора (2) и без них (3) Во второй части раздела представлена структура и исследована работа двухконтурной ЗСУ, предназначенной для одновременного управления концентрацией нескольких ЗВ, выбрасываемых одним предприятием.

Двухконтурная ЗСУ представляет собой замкнутую систему управления, реализованную из двух независимых контуров, дополненных блоками компенсации воздействия параллельных контуров, взаимовлияющих на объекты управления. В частности, осуществлено исследование процессов обработки информации в модели системы управления концентрациями SO2 и NOx. Результаты проведенного моделирования подтверждают работоспособность двухконтурной системы управления, обеспечивающей эффективную очистку газовоздушной смеси от нескольких ЗВ в условиях изменяющихся параметров атмосферы и взаимного влияния контуров управления.

В четвертом разделе представлено алгоритмическое и методическое обеспечение средств поддержки принятия решений в ЗСУ выбросами ЗВ.

В подразделе 4.1.1 разработан алгоритм поиска координат максимума концентрации ЗВ в атмосфере для ЛА и алгоритм сбора и обработки информации мониторинга по критерию ПДК для принятия управленческих решений.

Алгоритм поиска координат максимума концентрации ЗВ в атмосфере для ЛА основан на методах математического программирования. Алгоритм представляет собой задачу многомерной оптимизации, в которой ограничениями являются продолжительность полета ЛА и траектория полета ЛА, а критерием оптимальности – минимизация времени поиска координат максимума концентрации ЗВ. Задача многомерной оптимизации решается путем ее сведения к последовательности задач одномерной оптимизации.

Полагается, что в плоскости XOY поле ветра однородно, в процессе одного цикла измерения направление и скорость ветра, а так же иные параметры атмосферы квазистационарны, функция распределения ЗВ в пространстве унимодальная. Алгоритм поиска координат максимума концентрации ЗВ в атмосфере состоит из двух этапов. На первом этапе производится расчет траектории факела для вычисления траектории полета ЛА. На втором этапе производится поиск координат и величины максимума концентрации ЗВ непосредственно в факеле.

Расчет траектории факела производится по алгоритму:

1.1 Производится пролет летательного аппарата по нормали к направлению движения факела. На высоте 60 м ЛА осуществляет поочередное измерение концентрации ЗВ датчиками с заданным интервалом.

Строится приближенная функция распределения концентрации ЗВ на данной высоте, находятся координаты ее максимума (xml1, yml1, zml1). Высота 60 м выбрана с целью минимизировать влияние приземистых воздушных потоков, а также фоновой концентрации ЗВ, накапливающихся у поверхности вследствие эффекта отражения и создаваемой автомобильным транспортом.

1.2 На высоте 90 м ЛА производятся измерительно-вычислительные операции аналогичные пункту 1.1, определяются координаты максимума концентрации ЗВ (xml2, yml2, zml2).

1.3 Через полученные координаты локальных максимумов концентрации ЗВ на высотах 60 м и 90 м проводится прямая:

где n – номер итерации, dz – шаг.

Вдоль прямой, описываемой системой уравнений (15), производится одномерный поиск координат максимума концентрации ЗВ (xm, ym, zm).

1.4 Рассчитывается угол подъема факела ( ) по формуле:

где H0 – высота трубы.

Область поиска ограничивается следующей системой уравнений:

где xL, yL, zL – верхняя граница зоны поиска, xR, yR, zR – нижняя граница зоны поиска, h – величина, учитывающая возможные погрешности, – отклонение ветра относительно в рассматриваемый период времени в левую и правую строну, соответственно.

1.5 Определяются координаты траектории факела в плоскости XOY, для чего измеряется скорость и направление ветра на высоте Н0 с периодичностью ds.

Координаты количества вещества (xi, yi, zi), перенесенного на расстояние ri, рассчитываются в соответствии с системой уравнений:

где ri – расстояние от источника ЗВ, определяемое по формуле:

где ti – время, необходимое для переноса количества вещества на расстояние ri, определяется по формуле:

Данные координаты могут быть загружены в ЛА и использованы в качестве траектории его полета, если траектория факела является относительно прямолинейной. Если ЛА работает в автономном режиме, координаты траектории полета могут быть вычислены в самом ЛА по системе уравнений:

где pi – коэффициент полиномиального уравнения, описывающего траекторию движения факела в плоскости XOY.

Поиск координат максимума ЗВ в факеле осуществляется по алгоритму:

2.1 ЛА, зайдя на рассчитанный курс, начинает производить измерения поочередно всеми датчиками с заданной периодичностью. После каждого измерения вычисляется скорость роста функции концентрации ЗВ:

Если скорость роста концентрации ЗВ превышает порог vq, то период между измерениями уменьшается пропорционально скорости изменения концентрации ЗВ, пока не достигнет заданного значения. На основе полученных данных строится приближенная функция распределения концентрации ЗВ в пространстве. Определяются приблизительные координаты расположения максимального значения концентрации ЗВ.

2.2 ЛА делает второй заход. При подлете к расчетной точке координат максимума концентрации ЗВ поочередно производятся измерения концентрации ЗВ датчиками с увеличенной периодичностью. Определяются координаты расположения максимального значения концентрации ЗВ с заданной точностью.

Разработанный алгоритм был апробирован в среде Matlab в условиях близких к реальным. Результаты вычислительного эксперимента подтвердили способность ЛА под управлением разработанного алгоритма находить координаты максимума концентрации ЗВ в атмосфере за время, не превышающее 10% максимальной продолжительности полета ЛА. Точность определения координат составляет не более 15 м.

Коррекция измерительных данных осуществляется в соответствии с алгоритмом сбора и обработки информации мониторинга по критерию ПДК:

1) Корректируется значение концентрации ЗВ с учетом скорости ЛА и ветра:

где qdi – значение концентрации ЗВ измеренной i-ым датчиком, vLA скорость полета ЛА, t – время измерения, знак в знаменателе зависит от направления полета ЛА: по или против ветра.

2) Рассчитывается среднее значение концентрации ЗВ для каждой из трех перекрывающихся областей от трех датчиков, осуществивших измерение в данном интервале времени:

3) Определяется максимальное значение концентрации ЗВ qm0 методом последовательного перебора значений qrxi.

4) Определяются координаты максимума концентрации ЗВ (xm0, ym0, zm0), путем сопоставления i-го участка, в котором расположено значение qm0, реальным координатам.

5) Корректируется значение концентрации ЗВ с учетом соответствия заложенных в ЛА координат реальному месторасположению в момент измерения:

6) Осуществляется нормирование концентрации ЗВ по значению ПДК:

где qn – концентрации ЗВ для высоты Н в относительных единицах, qН-ПДК – величина ПДК для высоты подъема факела, на которой находится максимум концентрации ЗВ, qПДК – величина ПДК для приземистого слоя.

Разработанные алгоритмы использованы в системе управления ЛА «Орлан-К» с установленной на него измерительной системой из нескольких датчиков SO2 и NOx. К датчикам концентрации ЗВ установлены следующие требования: чувствительность датчика должна находиться в пределах 0,05 1500 единиц ПДК ЗВ.

В подразделе 4.1.2 представлен протокол передачи данных между измерительными системами и центром управления, обеспечивающий передачу следующей информации:

измерительных данных, синхронизированных с GPS, для вычисления с заданной точностью координат максимума концентрации ЗВ;

фотоизображений для обеспечения ручной коррекции курса ЛА;

данных о состоянии ЛА, необходимых для управления ЛА;

данных о состоянии измерительной системы и процессе измерения.

В подразделе 4.2 разработан алгоритм коммутации измерительной информации, осуществляющий ее первичную обработку и обеспечивающий на основе метеоданных и данных о достоверности измерений автоматическую коммутацию измерительной информации от нескольких измерительных систем или подмену недостаточно достоверных или отсутствующих данных расчетными.

В подразделе 4.3 представлена структура программно-аппаратного интерфейса ЗСУ и интерпретации информации, объединяющего в нескольких 2D или 3D слоях информацию о рельефе местности, распределении ЗВ в пространстве, текущем и прогнозном значении степени загрязненности местности, а также информацию о расположении ЛА и данных о работе предприятия. Предложенный программно-аппаратный интерфейс позволяет осуществлять управление процессом сбора измерительной информации, анализа загрязнения местности и управления очистными агрегатами.

В заключении приведены основные результаты, полученные в диссертационной работе.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В диссертационной работе достигнута заявленная цель, поставленные задачи решены. Результатом исследования является разработанное информационное и алгоритмическое обеспечение, реализованное в АПК управления концентрацией ЗВ, обеспечивающее более эффективное, по сравнению с существующими решениями, управление концентрацией ЗВ в выбросах производственных предприятий.

Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Осуществлен сравнительный анализ и систематизация моделей распространения ЗВ в атмосфере с точки зрения эффективности их применения в ЗСУ. Разработана уточненная модель переноса ЗВ в атмосфере, как объекта управления ЗСУ концентрацией загрязняющих окружающую среду веществ, представленная в виде передаточной функции, позволяющая осуществлять управление концентрацией ЗВ ЗСУ в реальном времени с учетом широкого спектра факторов, влияющих на перенос ЗВ в атмосфере.

многоконтурных систем управления выбросами ЗВ. На основе анализа результатов моделирования процессов обработки информации ЗСУ проведено исследование устойчивости, качества управления и динамических характеристик ЗСУ, осуществлен выбор параметров звеньев, обеспечивающих снижение эффекта «интегрального насыщения» и необходимое качество управления в соответствии с требованиями в условиях динамически изменяющейся величины транспортной задержки. Результаты моделирования подтвердили известные экспериментальные данные и обоснованность выбора параметров звеньев ЗСУ.

3. Разработан алгоритм поиска координат максимума концентрации ЗВ в атмосфере для ЛА. Разработанный алгоритм позволяет осуществлять поиск координат и значения максимума концентрации ЗВ летательным аппаратом в широком диапазоне параметров атмосферы при различных формах факела.

4. Разработан алгоритм сбора и обработки информации мониторинга по критерию ПДК для принятия управленческих решений. При помощи разработанного алгоритма осуществляется коррекция значения координат расположения и значения максимума концентрации ЗВ с учетом скорости ветра и ЛА, а так же соответствия заложенных в ЛА координат его реальному месторасположению в момент измерения.

5. Разработана математическая модель системы управления очистными агрегатами, обеспечивающая эффективную очистку газовоздушной смеси от нескольких загрязняющих веществ в зависимости от их концентрации, качества топлива и режима работы котла.

Результаты практической реализации диссертационной работы подтверждены актами внедрения.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Коршунов Г.И. Шабалов А.А. Обеспечение качества замкнутой системы управления «Природа-техногеника» // Научно-технические ведомости СПбГТУ. 2008. №3(56). С.169-175. (из Перечня ведущих рецензируемых научных журналов ВАК).

2. Сольницев Р.И., Коршунов Г.И., Шабалов А.А. Моделирование замкнутой системы управления «Природа техногеника» // ведущих рецензируемых научных журналов ВАК).

3. Шабалов А.А. Замкнутая многоконтурная система управления предприятий // Журнал научных публикаций аспирантов и докторантов.

2008. №2. С.164-167. (из Перечня ведущих рецензируемый научных журналов ВАК).

4. Шабалов А.А. Сравнительный анализ и требования к математическим моделям распространения промышленных выбросов в атмосфере // Труды Пятой Международной конференции «Приборостроение в экологии и безопасности человека» (ПЭБЧ'07)/ Под редакцией проф.

Сольницева Р.И. - СПб.: ГУАП, 2007. С.265-270.

5. Шабалов А.А. Моделирование процесса распространения загрязняющих веществ // Научная сессия ГУАП: Сб. докл.: В 3 ч. Ч.1.

Технические науки / ГУАП. СПб, 2007. С.131-133.

6. Шабалов А.А. Методика поиска в атмосфере координат максимума концентрации вещества // Научная сессия ГУАП: Сб. докл.: В 3 ч. Ч.1.

Технические науки/ ГУАП. СПб, 2008. С.200-2004.

Формат 60х84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная.

Отпечатано в редакционно-издательском центре ГУАП 190000, Санкт-Петербург, ул. Б. Морская,