Автоматизація процесів управління енергоємними технологічними процесами
Вантажиться...
Дата
2026
Науковий керівник
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
КПІ ім. Ігоря Сікорського
Анотація
Гутовський Д.В. Автоматизація процесів управління енергоємними технологічними процесами. — Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 151 «Автоматизація та комп'ютерно-інтегровані технології» (галузь знань 15 «Автоматизація та приладобудування»). — Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» Міністерства освіти і науки України, Київ, 2026.
Дисертаційна робота присвячена розв'язанню науково-прикладної задачі підвищення енергоефективності випалу цементного клінкеру за рахунок розроблення інтелектуальної системи автоматизованого керування тепловим режимом комбінованої пічної системи в умовах використання альтернативного палива зі змінними характеристиками. У ролі представницького матеріалу для альтернативного палива в роботі досліджується оптоволоконний кабель від безпілотних літальних апаратів — побічний продукт збройної агресії російської федерації проти України, що накопичився в обсягах десятків тисяч кілометрів і досі не має ефективних шляхів утилізації. Питома енергоємність вітчизняного цементного виробництва на 15–25 % перевищує середньоєвропейські показники, тому навіть незначне зниження питомих витрат теплової енергії в одному технологічному переділі дає суттєвий ефект у масштабах галузі. Перешкодою для масштабного застосування альтернативного палива є виражена стохастична варіативність його теплотехнічних характеристик: коефіцієнт варіації нижчої теплоти згоряння для досліджуваного оптоволоконного кабелю сягає 10–25 %, що значно ускладнює стабілізацію температури зони спікання при використанні класичних ПІДрегуляторів. Існуючі промислові системи керування орієнтовані на стабільне паливо й передбачають корекції за непрямими параметрами; адаптація до змінного складу палива у замкненому контурі реального часу здебільшого відсутня. Саме це обумовило коло задач дисертаційного дослідження. Метою роботи є підвищення енергоефективності випалу цементного клінкеру шляхом розроблення інтелектуальної системи автоматизованого керування тепловим режимом комбінованої пічної системи «декарбонізатор — обертова піч — холодильник», здатної компенсувати збурення від нестабільності характеристик альтернативного палива у режимі реального часу. Об'єктом дослідження є технологічний процес випалу клінкеру в комбінованій пічній системі цементного виробництва за умов застосування альтернативного палива зі змінними теплотехнічними характеристиками. Предметом дослідження є методи й засоби автоматизованого керування тепловим режимом та енергоспоживанням комбінованої пічної системи, побудовані на поєднанні комбінованих регуляторів з випереджувальною компенсацією, нечіткої логіки, спостерігачів стану та нейромережевого прогнозування. Для вирішення поставлених задач використано: методи математичного моделювання та обчислювального експерименту — для побудови моделей тепломасообміну в пічній системі; методи теорії автоматичного керування — для синтезу комбінованих регуляторів та аналізу стійкості; методи нечіткої логіки — для побудови підсистеми оперативного оцінювання теплотехнічних характеристик палива; методи машинного навчання (рекурентні нейронні мережі архітектури LSTM) — для короткострокового прогнозування температурного режиму; методи багатокритеріальної оптимізації — для розв'язання задачі координованого розподілу теплового навантаження; лабораторні методи (бомбова калориметрія, термогравіметричний аналіз) — для характеризації зразків альтернативного палива. Наукова новизна одержаних результатів полягає у такому. Уперше розроблено математичну модель горіння палива зі стохастично змінною калорійністю, яка враховує мультиплікативний характер збурень і дозволяє кількісно оцінити вплив варіативності теплотехнічних характеристик альтернативного палива на температурний режим пічної системи з похибкою не більш ніж 3 % при варіаціях нижчої теплоти згоряння до ±20 %. Удосконалено метод синтезу комбінованих регуляторів теплового режиму пічної системи через введення каналу випереджувальної компенсації збурень від нестабільності характеристик палива, що, на відміну від традиційних підходів, забезпечує зменшення коливань температури зони спікання на 47–57 % порівняно з базовим ПІД-регулятором. Уперше запропоновано нечітку систему оперативної оцінки енергетичних властивостей альтернативного палива за непрямими показниками (насипна густина, вологість, розмір частинок, тип полімерної оболонки), що, на відміну від лабораторних методів, дозволяє адаптувати параметри керування з затримкою менш ніж 5 с замість години-двох на лабораторний аналіз. Набуло подальшого розвитку застосування рекурентних нейронних мереж архітектури LSTM для короткострокового прогнозування температурного режиму обертової печі: запропоновано архітектуру з двома прихованими шарами (64 та 32 нейрони), що враховує оцінку калорійності альтернативного палива у вхідному векторі ознак та забезпечує середньоквадратичну похибку прогнозу 9,8 °C на горизонті 15 хв. Удосконалено алгоритм координованого керування розподілом теплового навантаження між пальниками печі та декарбонізатора через адаптацію коефіцієнта розподілу до характеристик палива методом оптимізації з ковзним горизонтом, що забезпечує зниження питомої витрати тепла на 5 % і максимальне термічне заміщення до 35–40 % при збереженні якості клінкеру. Практичне значення одержаних результатів. Розроблені алгоритми, нечітка база правил, навчена нейромережева модель та структура комбінованих регуляторів утворюють завершений програмно-алгоритмічний комплекс, придатний до інтеграції з наявними промисловими SCADA/DCS-системами через стандартизовані інтерфейси (OPC UA, Modbus TCP). Запропоновані рішення можуть бути використані на цементних заводах України для зниження питомих витрат теплової енергії, розширення частки альтернативного палива в паливному балансі та утилізації полімервмісних відходів військового походження. Матеріали роботи придатні до використання у навчальному процесі при викладанні дисциплін «Автоматизація технологічних процесів» та «Інтелектуальні системи управління». У першому розділі проаналізовано стан проблеми автоматизації енергоємних технологічних процесів. Показано, що цементне виробництво є одним із найбільш енергоємних промислових процесів (3000–4200 кДж/кг клінкеру), а потенціал енергозбереження української цементної промисловості становить 15–25 %. Обґрунтовано придатність оптоволоконного кабелю від FPVдронів як альтернативного палива: обсяги накопичення оцінено у 50–150 тис. км, калорійність — 18–28 МДж/кг залежно від типу оболонки. Виявлені прогалини в наявних дослідженнях визначили завдання роботи. У другому розділі розроблено комплекс математичних моделей тепломасообміну в комбінованій пічній системі: одновимірну модель теплообміну в обертовій печі, модель декарбонізації з кінетикою за моделлю «стискаючого ядра» та модель горіння палива зі стохастично змінною калорійністю. Параметри ідентифіковано за промисловими даними, адекватність підтверджено за критерієм Фішера. Встановлено динамічні характеристики каналів управління: постійна часу каналу печі становить 1200 с при транспортному запізненні 540 с. У третьому розділі синтезовано комбіновані регулятори теплового режиму, що поєднують ПІД-регулятори зворотного зв'язку з каналом випереджувальної компенсації збурень від змінної калорійності палива (оптимальний коефіцієнт 0,73). Розроблено адаптивний регулятор співвідношення «паливо–повітря» з корекцією за вмістом кисню та алгоритм координованого управління розподілом теплового навантаження на принципі ковзного горизонту. Запаси стійкості становлять 52° за фазою та 8,9 дБ за амплітудою. У четвертому розділі розроблено інтелектуальну підсистему оцінювання та прогнозування: нечітку систему оцінювання калорійності палива типу Мамдані (45 правил), розширений фільтр Калмана та алгоритм об'єднання оцінок за мінімумом дисперсії, що забезпечує похибку оцінювання 6,9 % із затримкою близько 45 с. LSTM-модель прогнозування температури зони спікання (64 та 32 нейрони), навчена на 260 000 промислових записах, дає похибку прогнозу 9,8 °C на горизонті 15 хв. У п'ятому розділі виконано комплексне імітаційне моделювання системи. У номінальному режимі (TSR = 15–35 %) середньоквадратичне відхилення температури зони спікання зменшується на 47–57 %, а частка часу перебування температури в допустимому діапазоні зростає з 52–78 % до 89–96 %. Підтверджено робастність при екстремальних змінах калорійності (±60 %) та в нештатних ситуаціях. Економічний ефект — 86,3 млн грн/рік, скорочення викидів CO₂ — 31 789 т/рік (10,0 %). Структура та обсяг. Дисертація складається з анотацій українською та англійською мовами, переліку умовних позначень і скорочень, вступу, п'яти розділів, загальних висновків, списку використаних джерел та додатків. Повний обсяг — 159 сторінок, з них 142 сторінки основного тексту. Робота містить 8 рисунків, 28 таблиць, список використаних джерел зі 132 найменувань та 3 додатки.
Опис
Ключові слова
автоматизація, цементна піч, обертова піч, декарбонізатор, альтернативне паливо, оптоволоконний кабель, FPV-дрон, енергоефективність, комбінований регулятор, випереджувальна компенсація, нечітка логіка, фільтр Калмана, рекурентна нейронна мережа, LSTM, прогнозувальне керування, координоване керування, термічне заміщення, стохастичне збурення, automation, cement kiln, rotary kiln, calciner, alternative fuel, fibreoptic cable, FPV drone, energy efficiency, combined regulator, feedforward compensation, fuzzy logic, Kalman filter, recurrent neural network, predictive control, coordinated control, thermal substitution rate, stochastic disturbance
Бібліографічний опис
Гутовський, Д. В. Автоматизація процесів управління енергоємними технологічними процесами : дис. … д-ра філософії : 151 Автоматизація та комп’ютерно-інтегровані технології / Гутовський Дмитро Васильович. – Київ, 2026. – 167 c.