Сагадиева А. М.,

Казахский Национальный Исследовательский Технический Университет имени К. И. Сатпаева, Институт Информационных и Телекоммуникационных Технологий, Казахстан, г. Алматы

ОПТИМИЗАЦИЯ СИСТЕМ ПРОИЗВОДСТВА

БИОГАЗА

Аннотация: Рассматривается схема автоматической системы с оптимальным управлением. А также задачи решаемые при определении критериев оптимальности системы, задачи синтеза оптимальных систем. Рассматривается метод технологии получения биогаза из отходов сельскохозяйственного производства, что является одним из альтернативных источников энергии из возобновляемых природных ресурсов.

Ключевые слова: сельскохозяйственное производство, биогаз, оптимальное управление, критерии оптимальности

Оптимальными системами управления называют системы автоматического, автоматизированного и другого характера, которые обеспечивают выполнение своей главной функции наилучшим (оптимальным) образом, при этом обеспечивая наивысший эффект, качество и надежность в достижении цели. Эти системы могут быть как с обратными связями, так и без них (рис.1.1, а, б).

Рис. 1.1. Структурные схемы автоматической системы с оптимальным управлением:

О - объект управления; УУ - управляющее устройство; - задающее воздействие; - управление, формируемое управляющим устройством;

, , -возмущения, действующие на систему; Н1,Н2,Н3, -операторы, определяющие преобразование функций , и совместно с возмущениями в каналах связи

Управление — это сбор и обработка информации, ее анализ, диагноз и прогноз, систематизация (синтез), установление на этой основе цели; выработка решения, направленного на достижение цели; последовательная конкретизация общего решения в виде планирования, программирования, проектирования, производства и изготовления изделий (объектов), выработки конкретных или частных управленческих решений; организация деятельности для выполнения решений; контроль за этой деятельностью; сбор и обработка информации о результатах деятельности и новый цикл этого непрерывного в идеале процесса.

Оптимизация - это нахождение наибольшего или наименьшего значения какой-либо функции; выбор наилучшего (оптимального) варианта из множества возможных, направленных на оптимизацию управления.

Синтез оптимальных систем имеет ряд особенностей по сравнению с синтезом систем другого типа: во-первых, он имеет своей целью создание таких систем, у которых используются все их возможности для достижения экстремальных значений наиболее важных показателей качества управления при удовлетворении заданных требований к остальным показателям. Во- вторых, при синтезе оптимальных систем энергетические, механические и другие ограничения учитываются как факторы, определяющие возможности систем по реализации экстремальных значений заданных показателей качества управления. Экстремальное значение одного из показателей качества управления оптимальной системы реализуется только в том случае, если управляющее воздействие на объект управления и некоторые его координаты достигают ограничения и остаются определенное время ограниченными в процессе отработки задающего воздействия на систему. При оптимизации одного из качеств системы обычно накладываются ограничения на другие ее свойства. Вопрос об оптимальной системе возникает только тогда, когда потребность в выборе возможно лучшего некоторого показателя качества системы вступает в противоречие с ограниченными ее возможностями. В-третьих, качество синтезируемой оптимальной системы зависит от правильности выбора критерия оптимальности, который характеризует оптимальность управления, а достижение экстремума этого критерия является целью управления. Обоснование выбора того или иного критерия оптимальности связано с конкретными технико-экономическими условиями работы системы и в теории оптимальных систем не рассматривается.

Любой критерий оптимальности есть аналитическая оценка оптимизируемого качества системы, зависящая от ее параметров, задающего (x) и возмущающих (, , ) воздействий на нее и входного воздействия на объект управления (u ), формируемого управляющим устройством.\

Следовательно, критерий оптимальности выражается в виде функционала 1() зависящего от функции управления и, а. Оптимальное управление определяется как функция, реализующая экстремум критерия качества, то есть функционала 1(). Например, если к системе предъявляется требование максимальной точности при условии f1=f3=0, критерием оптимальности может служить интеграл

I = (1.1)

Так как выходная величина объекта y(t) связана с возмущением f2 и управлением u(t} зависимостью, определяемой системой дифференциальных уравнений объекта (или системы, процесса), то формула (1.1) может быть записана в виде

I() = (1.2)

Очевидно, что минимальная ошибка будет в системе, управляющее устройство которой формирует такое управление , при котором выполняется равенство

() = (1.3)

Такое управление и процессы управления в такой системе управления называются оптимальными. Отклонение критерия J(и) от экстремального значения может служить мерой ухудшения качества системы. Хотя оптимальная система решает задачу достижения экстремума одного критерия оптимальности, однако, принятый в качестве этого критерия функционал может представлять любую желаемую комбинацию оценок различных качеств синтезируемой системы, следовательно, в таком случае оптимизироваться будет не одно качество, а определенная их совокупность. Как правило, критерии оптимальности строятся так, чтобы цель управления достигалась при достижении минимума критерия.

Задачи синтеза оптимальных систем делятся на два класса задач:

1. Оптимизация программы управления, или определение оптимального управления u{t) как функции временя, переводящего объект управления из начального состояния в заданное и реализующего минимум критерия качества, то есть определение алгоритма управляющего устройства системы, схема которой изображена на рис.1.1, а.

2. Определение закона управления как функции фазовых координат объекта управления и(y), обеспечивающего движение объекта управления по фазовой траектории, на которой реализуется минимум критерия оптимальности, то есть определение алгоритма управляющего устройства замкнутой системы, схема которой изложена на рис.1.1,б. В настоящее время существует несколько направлений классификации оптимальных систем управления. Широко используется классификация по оптимизируемым показателям качества систем автоматического управления. При этом различают следующие типы систем:

1. Оптимальными по быстродействию называются системы управления, управляющее звено (устройство) которых формирует такое допустимое управление , которое переводит в фазовом пространстве изображающую точку объекта управления из одного заданного состояния y(t0) в другие y{t) за минимальное время (T - tо ).

2. Системы управления, оптимальные по расходу ресурсов, переводят в фазовом пространстве изображающую объект управления из начального состояния в заданную область S с минимальными затратами ресурсов.

3. Системами управления с минимальной энергией управления называются системы, которые при переводе изображающей точки объекта управления из начального положения в заданное, обеспечивают минимум функционала

(1.4)

4. Системы управления с минимальными потерями управления, переводя изображающую точку объекта управления из начального положения в заданное, минимизируют отклонение действительных координат объекта от предписанных значений.

Таким образом в качестве примера можем рассмотреть производство биогаза из сельскохозяйственных продуктов а также их отходов. К органическим остаткам и отходам сельскохозяйственного производства относятся главным образом экскременты животных и растительные материалы, в особенности солома, а также растительные остатки, если они не используются непосредственно в качестве корма. Содержащиеся в этих органических материалах компоненты в большинстве случаев могут быть вновь использованы как растительные удобрения, что позволит таким образом заменять минеральные удобрения, требующие больших затрат энергии и средств. Благодаря относительно высокой теплоте сгорания эти материалы обладают также энергетическим потенциалом, который может быть использован различными способами. Один из них — производство газа (биогаза) с высоким содержанием энергии путем анаэробного сбраживания.

При этом применение анаэробных методов сулит дополнительные преимущества с точки зрения производства сельскохозяйственной продукции и экономии энергии, так как при известных условиях позволяет экономить покупные удобрения благодаря использованию удобрительных свойств продуктов сбраживания, а также первичную энергию путем реализации энергетического потенциала растительных отходов. Те или иные цели процесса переработки отходов, определяемые требованиями охраны окружающей среды, могут быть достигнуты в результате использования как аэробного, так и анаэробного способа брожения.

Если исходный материал находится в жидком состоянии, то анаэробный способ брожения предпочтительнее в смысле эксплуатационных расходов, поскольку потребность в энергии для отдельных этапов процесса может быть покрыта за счет полученного газа и при соответствующем ведении процесса возможно дополнительное снижение затрат благодаря полезному использованию избыточного количества газа. Еще одним преимуществом анаэробного сбраживания можно считать повышенное содержание азота в конечном субстрате, что важно для питания растений (при аэробном сбраживании потери азота достигают 40%). Таким образом, для сельскохозяйственного производства анаэробный способ представляет собой альтернативу аэробному, поскольку первый связан с относительно малыми затратами энергии и небольшими потерями азота.

Список литературы:

1. Попов П.М., Ляшко Ф.Е. Оптимальное управление в ходе эволюционного развития процессов и систем: Учебное пособие. - Ульяновск: УлГТУ, 2000. - 148 с.

2. Дудорин В.И. Моделирование в задачах управления производством. - М.: Статистика, 1990. - 232 с.

3. Парамонов Ф.И. Моделирование процессов производства. - М.: Машиностроение, 1994. -232 с.

4. Вендров А.М. CASE – технологически современные методы и средства проектирования информационных систем. - М.: Финансы и статистика, 1998. - 176 с.

5. БаадерВ., Доне Е., Бренндерфер М. Биогаз: теория и практика (Пер. с нем. и предисловие М. И. Серебряного.) — М. Колос, 1982— 148 с.