Теория и практика систем автоматизации управления на базе натурно-модельного подхода

Теория и практика систем автоматизации управления на базе натурно-модельного подхода

Руководитель научной школы – Л. П. Мышляев, доктор технических наук, профессор, Заслуженный изобретатель РФ, Лауреат Государственной премии СССР, премии Совета Министров СССР, премии Правительства РФ, премии Ленинского комсомола.

Становление научной школы «Теория и практика систем автоматизации управления на базе натурно-модельного подхода» началось практически одновременно с открытием кафедры автоматизации и механизации в 1959 году. Основатель кафедры и научной школы д.т.н., профессор Пётр Модестович Масловский ещё во времена работы на Кузнецком металлургическом комбинате проводил исследования по автоматизации мартеновских печей и созданию по тем временам самых современных систем автоматизации. За эти работы П. М. Масловский в составе творческого коллектива в 1947 году получил Государственную премию СССР в области науки и техники.

Следующий этап развития научной школы в 1965-1972 годы связан с описанием металлургических процессов – мартеновского, доменного, конвертерного – на основе кибернетических представлений с привлечением методов математической статистики. Использование методов математической статистики к описанию реальных процессов выявило ряд принципиальных ограничений на сферу применения этих методов. А это в свою очередь подтолкнуло к разработке целого класса методов так называемого активного получения данных с постановкой специальных исследовательских экспериментов. Большой вклад в научные достижения школы в этот период внесли первые аспиранты кафедры автоматизации В. П. Авдеев, В. Ф. Евтушенко и С. А. Дубровский, в последующем защитившие кандидатские и докторские диссертации, а также ассистент, в последующем к.т.н., доцент Т. М. Гулевич. В это же время проводились работы по описанию металлургических процессов на базе физико-химических закономерностей процессов. В дальнейшем это направление было развито профессором, д.т.н. В. П. Цымбалом, создавшим свою научную школу. Основными результатами деятельности за этот период были публикации статей в научно-технических журналах, в основном в «Известия ВУЗов. Черная металлургия», а также в трудах научно-технических конференций.

С начала 1970 годов деятельность научной школы начала выходить за рамки теоретических исследований и охватывала практически важные для металлургических предприятий вопросы создания систем автоматизации управления крупными технологическими агрегатами, такими, например, как доменная печь и большегрузные кислородные конвертеры для выплавки стали, а также технологические комплексы металлургических переделов. И здесь стало недостаточно только построения моделей процессов, потребовалась разработка всех видов обеспечения систем управления и, в первую очередь, алгоритмического обеспечения. Теоретические разработки этого направления имели достаточно жесткие предпосылки их эффективного применения и были малопригодны для создания промышленных систем управления. В тесном содружестве с сотрудниками ведущих вузов страны, академических институтов, а также работниками металлургических комбинатов были заложены основы практической алгоритмизации управления сложными объектами в условиях существенной неопределенности. В этих работах участвовали со стороны кафедры автоматизации молодые аспиранты В. А. Столяр, В. И. Верёвкин, С. Р. Зельцер, С. Ф. Киселёв, Л. П. Мышляев под руководством доцента В. П. Авдеева, работники комбинатов А. Е. Кошелев, Ю. А. Сарапулов, В. И. Соловьёв, И. П. Строков, а также сотрудники Московского института стали и сплавов (МИСиС) и Института проблем управления АН СССР С. В. Емельянов, С. К. Коровин, А. С. Рыков, Уральского политехнического института Е. Л. Суханов, Ю. Г. Ярошенко, Днепропетровского металлургического института А. К. Тараканов и др. Были созданы базовые структуры алгоритмов управления объектами с существенными запаздываниями, на которые получены авторские свидетельства на изобретения: АС СССР № 699490 «Регулятор», 1979 год, коллектив авторов: С. В. Емельянова, В. П. Авдеев, С. К. Коровин, Л. П. Мышляев и др; АС СССР № 815713 «Прогнозирующий регулятор», 1980 год, коллектив авторов: С. В. Емельянов, С. К. Коровин, В. П. Авдеева Л. П. Мышляева и др. Эти структуры послужили основой для создания целого пакета (около 50) изобретений по системе управления и алгоритмов управления объектов агломерационного и сталеплавильного производства.
      В этот период были внедрены и первые системы автоматического управления. На Западно-Сибирском металлургическом комбинате системы автоматического дозирования шихты доменной плавки, увлажнения агломерационной шихты, управления кислородно-конвертерной плавкой стали. На Карагандинском металлургическом комбинате системы прогнозирования теплового состояния доменной плавки, коррекции массы кокса доменной шихты и регулирования теплового состояния доменной печи влажностью комбинированного дутья.
      За разработку и внедрение автоматизированной системы управления конвертерной плавкой стали ККЦ №2 Западно-Сибирского металлургического комбината А. Е. Кошелев, Л. П. Мышляев, М. В. Петрунин были удостоены в 1979 году престижной премии Ленинского комсомола в области науки и техники.

Наряду с алгоритмами регулирования разрабатывались алгоритмы фильтрации (сглаживания), прогнозирования нестационарных сигналов и процессов и идентификации объектов в составе систем управления. Особенность этих алгоритмов состояла в том, что в отличие от классических результатов Винера, Калмана, Колмогорова, Райбмана, Льюнга и др. они разрабатывались как элементы системы управления с явным учетом прямых и обратных управляющих связей, объема априорной информации и требований к показателям качества управления.
      Конкретизация общих структур алгоритмов фильтрации, идентификации, прогнозирования и регулирования осуществлялась для объектов агломерационного, доменного, кислородно-конвертерного, мартеновского и прокатного производства.
      На основе отмеченных разработок было защищено более двух десятков кандидатских диссертаций, в том числе В. А. Столяром, В. И. Веревкиным, Л. П. Мышляевым, Ю. А. Сарапуловым, А. Е. Кошелевым.

Очередной этап развития научной школы (период 1980–1990-е годы) связан с интеграцией отдельных результатов в цельный научно-технический комплекс для исследований, разработки, испытания и наладки многоцелевых систем управления с многовариантной структурой. К числу основных научных достижений в этот период следует относить принципы, методы, алгоритмы и системы:

• восстановительно-прогнозирующего управления объектами с существенными запаздываниями;
• натурно-математического моделирования сложных систем управления в условиях неопределенности о моделях объектов и действующих на них возмущений;
• базовые многовариантные структуры и их конкретизации для различных классов нестационарных систем;
• многоканальные активные системы управления, в полной мере учитывающие особенности поведения человека в процессе управления.
• пакет из более чем 100 изобретений, включая зарубежные патенты;
• издание 2-х монографий и более чем 200 научных публикаций в научно-технических журналах и трудах конференций;
• внедрение систем автоматизации управления на Западно-Сибирском, Кузнецком, Карагандинском, Днепродзержинском, Череповецком, Старо-оскольском металлургических комбинатах.

      За этот период защищены докторские диссертации: В. П. Авдеевым в Уральском политехническом институте и Л. П. Мышляевым в Московском институте стали и сплавов, а также 20 кандидатских диссертаций. За создание теории и практическое воплощение теоретических результатов в промышленность члены научной школы удостоены премий государственного значения:

• Премия Совета Министров СССР 1981 года в области науки и техники за комплекс научно-технических разработок по автоматизации управления металлургическим производством и внедрение его на Западно-Сибирском металлургическом комбинате – В. П. Авдеев, Л. П. Мышляев, В. И. Соловьёв, Ю. А. Сарапулов.
• Государственная премия 1989 года в области науки и техники за создание автоматизированных систем с многовариантной структурой для управления производственными комплексами – В. П. Авдеев, Л. П. Мышляев, В. И. Соловьёв, Ю. А. Сарапулов.
• В. П. Авдеев, Л. П. Мышляев и В. И. Соловьёв удостоены почётного звания «Заслуженный изобретатель РСФСР».

      Интенсивно развивалось сотрудничество не только с ведущими научными и образовательными, но и проектно-конструкторскими организациями – Центральным НИИ комплексной автоматизации (г. Москва), НПО «Промавтоматика» (г. Кемерово), Центральным проектно-конструкторским бюро (г. Москва), НИИ «Черметавтоматика» (г. Москва) и его подразделением в г. Караганда. Совместно с ними были разработаны и внедрены десятки систем автоматизации на отечественных металлургических предприятиях, проданы восемь лицензий на системы автоматизации в доменном производстве заводов Индии.
      В 90-х годах особенность деятельности научной школы заключалась в создании новых структур в научно-образовательных организациях. В. Ф. Евтушенко создал факультет информационных технологий в Новокузнецком филиале Кемеровского государственного университета. Л. П. Мышляев – кафедру технической кибернетики этого факультета, В. И. Веревкин – кафедру автоматизации в Новокузнецкой государственной педагогической академии, А. Е. Кошелев возглавил экономико-технологический факультет этой академии.

В начале 2000-х годов был создан Научно-исследовательский центр систем управления, который возглавил Л. П. Мышляев. Задачей этого центра являлось не только проведение научно-исследовательских, но и проектно-внедренческих работ для вновь строящихся и реконструируемых промышленных предприятий. Новые социально-экономические условия потребовали и разработку новых подходов к построению и анализу систем управления широким классом объектов, а также создание научных основ и прикладных методов ускоренного внедрения такого рода систем. За относительно короткий период с 2000 по 2010 годы были созданы новые и развиты известные теоретические положения в русле натурно-модельного подхода:

• Системы управления с целенаправленно изменяемой структурой объектов.
• Совместный синтез объектов управления и управляющих систем.
• Планирование ускоренного создания промышленных комплексов.
• Прогнозирование состояний и выходов объектов в системах управления.
• Идентификация объектов сложной структуры в системах управления.
• Управление объектами с технологической обратной связью (с рециклом).

      По результатам этих исследований и их внедрения защищены докторские диссертации В. Ф. Евтушенко, Е. И. Львовой, А. А. Ивушкиным, а также семь кандидатских диссертаций.
      Основные результаты освещены в монографиях: Системы автоматизации на основе натурно-модельного подхода, Наука, 2006 г.; Методы идентификации промышленных объектов в системах управления, Кузбассвузиздат, 2007 г.; Теория и практика прогнозирования в системах управления, Российские университеты, 2008 г. Опубликовано более 60-ти статей в научно-технических изданиях. Прикладные результаты изложены в монографиях: «Автоматизация углеобогатительных фабрик», «Системы автоматизации углеобогатительных фабрик», «Проектирование углеобогатительных фабрик нового поколения» и «Автоматизированные системы технологических комплексов угольных шахт и углеобогатительных фабрик», которые изданы в СибГИУ.
      За комплекс научных и технических разработок членам научной школы Л. П. Мышляеву, А. А. Ивушкину, С. Ф. Киселеву, К. Г. Венгеру присуждена премия Правительства Российской Федерации 2009 г. в области науки и техники «Современные системы автоматизации управления обогатительными фабриками и технологическими комплексами угольных шахт нового поколения».
      Научная школа в 2004 году признана лучшей научной школой Кузбасса.

За последние годы научной школой выполнено более 20 грантов, из них наиболее значимые:

• 8 грантов Российского фонда фундаментальных исследований;
• грант Минобразования по кооперации вузов и промышленных предприятий в рамках проекта № 2010-218-02-174 по Постановлению Правительства РФ от 09.04.2010 г. № 218.

      Сформированы основные научные принципы и положения:

• оценивания и управления структурой материалов на основе представлений нелинейной динамики;
• подобия систем управления;
• анализа и синтеза систем управления со структурным разнообразием. В этом русле развиты методы динамического программирования для условий неопределенности, синтеза систем управления с физической моделью, идентификации структур.

      Теоретические разработки доведены до конкретных проектных решений и использованы при создании систем автоматизации управления предприятиями угольной отрасли. Разработаны информационное, техническое, алгоритмическое и программное обеспечения, выполнены пуско-наладочные работы и сданы в эксплуатацию системы автоматизации управления 35-ти промышленных предприятий.
      За последнее время разработаны и внедрены в учебный процесс:

• Автоматизированный учебно-исследовательский обучающий комплекс, объединяющий автоматизированные лабораторные установки, принатурные тренажёры, методические разработки, для повышения эффективности усвоения материала дисциплин информационно-измерительной технологии.
• Учебно-исследовательская система автоматизации управления энергогенерирующего комплекса для учебных дисциплин по теории управления, моделированию систем управления, автоматизации управления технологическими процессами и производствами.

      Ведётся организационная работа по подготовке кадров высшей квалификации: Л. П. Мышляев – председатель, В. Ф. Евтушенко – ученый секретарь, А. А. Ивушкин – член диссертационного совета по защите докторских и кандидатских диссертаций по специальностям 05.13.06 «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность), 05.13.10 «Управление в социальных и экономических системах», 05.13.18 «Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ».
      Л. П. Мышляев – редактор раздела «Информационные технологии и автоматическое управление в черной металлургии» журнала «Известия ВУЗов. Черная металлургия», профессора Л. П. Мышляев, В. Ф. Евтушенко и А. А. Ивушкин – члены редакционных коллегий и организационных комитетов Всероссийских научно-практических конференций.
      Достижения научной школы неоднократно отмечались на Международной выставке «Уголь России и майнинг»:

• Гран-При 2012 г. за углеобогатительную фабрику нового типа;
• Золотая медаль 2009 г. за автоматизированный комплекс подготовки и подачи воздуха в шахту;
• Золотая медаль 2009 г. за автоматизированный комплекс сухого обогащения угля;
• Золотая медаль 2012 года за автоматизированный энергогенерирующий комплекс;
• Золотая медаль 2013 г. за систему автоматизации управления углеобогатительной фабрикой «Матюшинская»;
• диплом первой степени 2001 г. за разработку технологических решений по строительству и автоматизации обогатительной фабрики «Антоновская»;
• диплом 2 степени 2002 г. за разработку учебно-исследовательского комплекса «Системы автоматизации управления и подготовки кадров от квалифицированных рабочих до докторов наук».

      Монографии научной школы отмечены:

• диплом фонда развития отечественного образования 2007 г. за книгу «Методы идентификации промышленных объектов в системах управления»;
• диплом Администрации Кемеровской области 2006 г. за книгу «Системы автоматизации производственного назначения».

      Объём выполненных научной школой фундаментальных и прикладных научно-исследовательских работ с 2000 года превышает 180 млн. руб. и составляет одну треть от объёма работ, выполненных университетом.