Разработка и исследование новых методов управления в технических системах

Министерство науки и высшего образования 
Российской Федерации
Уральский федеральный университет
имени первого Президента России Б. Н. Ельцина

В. Г. Лисиенко, Ю. Н. Чесноков, А. В. Лаптева

РАзРАботкА и иссЛедоВАНие 
НоВых методоВ упРАВЛеНия 
В техНиЧеских системАх

Монография

Под общей редакцией 
д-ра техн. наук, проф. В. Г. Лисиенко

Екатеринбург
Издательство Уральского университета
2019

УДК 681.5
ББК 32.812
          Л63

Рецензенты: 
Дружинин Г. М. д-р техн. наук, проф., директор по науке и технике научно-
исследовательского института металлургической теплотехники (ОАО 
«ВНИИМТ»);
Зобнин Б. Б. д-р техн. наук проф. кафедры информатики Уральского госу-
дарственного горного университета

 
Лисиенко, В. Г.
Л63    Разработка и исследование новых методов управления в технических 
системах : монография / В. Г. Лисиенко, Ю. Н. Чесноков, А. В. Лаптева ; 
под общ. ред. д-ра техн. наук, проф. В. Г. Лисиенко. — Екатеринбург : 
Изд-во Урал. ун-та, 2019. — 136 с.

ISBN 978-5-7996-2687-7

В монографии представлены новые методы управления и регулирования в ряде 
технических систем, разработанные под руководством или с участием авторов. 
В частности, уделено внимание ряду систем, связанных с металлургическим произ-
водством (черная, цветная металлургия) и энергетикой, возможностям реализации 
углеродной политики. Материал монографии является оригинальным, особенно 
в части, связанной с научной и практической деятельностью авторов и их коллег.
Монография представляет интерес для проектных и исследовательских орга-
низаций и предприятий, связанных с вопросами управления в технических систе-
мах. Полезна студентам и аспирантам вузов.

Библиогр.: 95 названий. Рис. 31. Табл. 9.

УДК 681.5
ББК 32.812

ISBN 978-5-7996-2687-7 
© Уральский федеральный
 
     университет, 2019

Оглавление

Предисловие ........................................................................................... 5

Глава 1. Краткий обзор работ по математическому моделированию ...... 6

Глава 2. Углеродный след и углеродная политика на примере 
предприятий черной металлургии ......................................................... 13
2.1. Использование триады: доменная печь, кислородный  
конвертер, электродуговая печь для уменьшения  
углеродного следа ......................................................................... 13

2.2. Оценка возможности реализации углеродной политики 
в российских регионах .................................................................. 21

2.3. Региональная углеродная политика ............................................. 24

Глава 3. Способ выплавки стали в энергометаллургическом цикле 
с использованием высококалорийного газа ........................................... 32
3.1. Основные особенности способа выплавки .................................. 32
3.2. Расчетные соотношения ............................................................... 38

Глава 4. Анализ устройств и методов управления при дроблении 
рудных материалов ............................................................................... 44
4.1. Некоторые данные о конусных дробилках .................................. 44
4.2. Процесс дробления на предприятии «ЭРДЕНЭТ»  
на примере АСУ ТП Монгольской народной республики ......... 60

4.3. Особенности конструкции гранулометра .................................... 65

Глава 5. Вопросы моделирования и алгоритмизации в процессе 
огневого рафинирования меди .............................................................. 69
5.1. Автоматизация и оптимизация процесса огневого  
рафинирования меди .................................................................... 69

5.2. Особенности процессов получения анодной меди. Задача 
оптимизации ................................................................................. 70
5.3. Оценка возможности оптимизации состава шихты анодной  
плавки черновой меди методом математического  
планирования ................................................................................ 74

В. Г. Лисиенко, Ю. Н. Чесноков, А. В. Лаптева

5.4. Теоретические вопросы и экспериментальный метод определения 
времени отсечки воздуха на окислительной стадии огневого 
рафинирования меди .................................................................... 88

Глава 6. Эмиссия СО2 в процессе огневого рафинирования меди ......... 98
6.1. Цветная металлургия и эмиссия диоксида углерода ................... 98
6.2. Химические соотношения процесса ...........................................102
6.3. Вычисления эмиссии диоксида углерода ...................................105

Глава 7. Сравнение зонального метода моделирования теплообмена 
излучением с методом конечных объемов на примере расчета  
нагрева непрерывной заготовки в кольцевой печи ...............................110
7.1. Условия и объект моделирования ...............................................114
7.2. Результаты сравнения ..................................................................115

Глава 8. Тренажер-эмулятор адаптивной системы управления 
температурой на базе муфельной электропечи в программной 
среде Matlab ........................................................................................119

Заключение ..........................................................................................125

Библиографический список .................................................................126

Предисловие

Д

анная монография посвящена рассмотрению ряда актуальных 
вопросов в различных энерготехнологических процессах: 
в черной и цветной металлургии, энергетике, при разработке 
измерительных устройств.
Особо хочется подчеркнуть творческую связь авторов с рядом учебных 
и исследовательских организаций. Конечно, в первую очередь, это 
альма-матер — Уральский федеральный университет имени первого 
Президента России Б. Н. Ельцина, УГМК, Уральский центр энергосбережения 
и экологии и др.
Авторы приносят глубокую благодарность соавторам по ряду разра-
боток: С. Г. Супрунову, Е. Ю. Воронцову, д-ру экон. наук В. П. Ануфри-
еву, д-ру техн. наук В. П. Жукову, канд. физ.-мат. наук А. Г. Дудорову, 
старшему преподавателю С. И. Холоду, канд. техн. наук Н. Н. Поно-
мареву. Большая благодарность руководству Института радиоэлектро-
ники и информационных технологий, руководству УрФУ и всем со-
трудникам за постоянную помощь и поддержку.

Глава 1.  
краткий обзор работ  
по математическому моделированию

В 

этой главе дано краткое обобщение работ и исследований, 
проведенных в основном под руководством В. Г. Лисиенко. 
Более подробные данные можно получить в серии работ «Со-
вершенствование и повышение эффективности энерготехнологий 
и производств» [1–8].
Прежде всего отметим детальное развитие теории факельных про-
цессов с применением новых методов расчета и математического 
моделирования, использованием специально сконструированного 
координатного стенда, на опытном стенде НИИ металлургической 
теплотехники ВНИИМТ, на действующих печах, в том числе с при-
менением скоростной киносъемки, стендов для испытания форсунок 
и газомазутных горелок с определением параметров создаваемых струй 
и факелов, определением реактивной тяги, скоростных и концентра-
ционных характеристик струй, создаваемых горелками.
Особое внимание уделялось математическому моделированию те-
плофизических процессов в рабочем пространстве плавильных, нагре-
вательных печей и энергетических установок различного назначения.
Так, созданный под руководством В. Г. Лисиенко динамический зо-
нально-узловой метод моделирования радиационного и сложного вы-
сокотемпературного теплообмена (ДЗУ-метод) успешно развивался. 
Получили развитие методы интегрированного энергоэкологического 
анализа процессов с определением технологических топливных чисел 
(ТТЧ), технологических экологических чисел (ТЭЧ), технологических 
парниковых чисел (ТПЧ), с использованием этих методов для анализа 
целого ряда процессов: в металлургии, цементном производстве, сте-
кловарении. Эти методы применены в структурированной и дисси-
пативной форме. Оценена динамическая энергоемкость продукции 

Разработка и исследование новых методов управления в технических системах

предприятий и ВВП. Приведена оценка топливно-ценовых эквивалентов 
при энергоэкологическом анализе. Разработана и проанализирована 
модель производственной деятельности с помощью закона 
интероптимальности прибыли. Выполнено сравнение типовых методик 
оценки экологического ущерба от загрязнения окружающей среды 
с методикой оценки риска. Разработан медико-инженерный подход 
при оценке риска.
Продолжалось развитие самих зональных методов расчета (метод 
дискредитации по направлению для определения угловых коэффициентов 
излучения (взаимных поверхностей излучения), алгоритм 
прогрессивного уточнения оценки, геометрический критерий для 
априорной оценки погрешности, алгоритм бинарного разбиения пространства. 
Создан уточненный метод определения степени черноты 
газовой смеси CO2 и H2O.
Получили развитие теория тепломассобменных эффективностей 
(КПД) процессов, теория факельных процессов. В рамках динамического 
зонального метода выполнен детальный тепломассобменный 
анализ. Создана методология энерготехнологической и физической 
электромагнитной волновой совместимости.
Проведены внедренческие работы, тесно увязанные с математическим 
моделированием процессов на доменных печах (модельные методы 
экспертных систем), прогнозные оценки и расчеты производства 
высокофосфористого чугуна с прямым легированием редкоземельными 
элементами. Создан компьютерный тренажер для повышения 
оценки квалификации персонала, предложен способ замены кокса 
каменным углем, вдувание в доменную печь увлажненной угольной 
пыли. Разработан способ выплавки стали в замкнутом энергометал-
лургическом цикле.
Излучательные свойства жидких металлов исследовались на специальной 
установке с защитной атмосферой, с применением метода 
экзоэлектронной эмиссии. Уточнены методы параметрической 
идентификации динамических объектов с использованием системы 
MATLAB. Оценено влияние зоны нечувствительности на характер переходных 
процессов.
Разработаны новые типы магнитных подшипников и проведен анализ 
переходных характеристик в объекте управления «электромагнит-ротор».
На крупнейших отражательных печах отработаны параметры тепловых 
режимов с учетом длины факела, тепловых нагрузок, обогащения 

В. Г. Лисиенко, Ю. Н. Чесноков, А. В. Лаптева

дутья кислородом, использования сводового отопления. В отражательной 
печи для плавки огарка применены современные методы расчета 
теплообмена, скоростных характеристик, засоренности печного пространства 
частицами огарка и даны соответствующие рекомендации.
Приведены детальные исследования теплообмена в печах цветной 
металлургии — автогенной плавки меди с учетом особенностей 
сульфидного факела (печи КФП, взвешенной плавки, печи Ванюкова). 
Применительно к печи Ванюкова выполнено совместное решение 
теплообменности гидродинамических задач и даны рекомендации 
по дополнительному использованию природного газа над ванной 
печи.
Разработаны устройства для определения плотности пульпы для золотодобывающих 
шахт. Применен метод расчета и даны рекомендации 
по конструированию трубчатых печей нефтяной и газовой промышленности.

Большой объем работ проведен на нагревательных и термических 
печах. Это разработка и использование факельно-сводового отопления, 
струйно-факельного отопления, импульсного отопления, электрогазовых 
горелок, горелок-реформаторов, инжекционных горелок, 
плоскопламенных горелок на мазуте.
Осуществленное совместно с УрФУ и НИИ металлургической те-
плотехники (ОАО «ВНИИМТ») математическое моделирование про-
цессов нагрева труб и трубных заготовок в секционных печах Север-
ского трубного и Первоуральского новотрубного заводов подготовило 
научную основу для реконструкции этих печей. На реконструирован-
ных печах достигнуто снижение удельных расходов топлива на 15–
20 %, увеличена производительность печей на 20–30 % и снижена эмис-
сия оксидов азота. Метод был испытан в Институте технологий газа 
(США) с положительным результатом и в настоящее время получил 
во всем мире широкое распространение с аббревиатурой DFI-method 
(Direct Flame Impingement Heating).
За рубежом этот метод получил и дополнительное развитие, связан-
ное с использованием для процессов горения кислорода вместо воз-
духа. Это так называемый DFI-Oxyfuel method. При этом повышается 
температура горения, а главное, это приводит к почти полному исчез-
новению в продуктах сгорания токсичных оксидов азота.
Исследования струйно-факельного отопления проведено на ла-
бораторной печи в Институте технологий газа (США, Чикаго). Ме-

Разработка и исследование новых методов управления в технических системах

тод DFI — Direct Flame Impingement Method далее стал применяться 
на многих агрегатах (США, Германия и др.).
На термических печах Первоуральского новотрубного завода вне-
дрены:
· прогрессивные режимы термообработки труб,
· непосредственное измерение температуры металла,
· управление газодинамикой рабочего пространства печей,
· усовершенствованный метод импульсного отопления печей.
На кольцевых печах Северского трубного завода для увеличения 
срока службы установлена ребристая подина. Исследованы шлаки 
кристаллизатора МНЛЗ. На ВСМПО разработаны и широко исполь-
зуются печи для правки крип-отжига крупногабаритных титановых 
листов, находящих широкое применение и в нашей стране, и за рубе-
жом (печи КРИП).
Приведен сравнительный анализ электронагрева и газового нагре-
ва в основном применительно к нагреву титановых и алюминиевых 
сплавов. Приведен детальный анализ различных типов реформации 
природного газа, включая термохимическую рекуперацию с исполь-
зованием цикла Майсоценко.
Усовершенствован метод расчета доменных воздухонагревателей 
и регенераторов, в том числе создан и внедрен на секционных печах 
новый тип струйного рекуператора, создан оригинальный метод рас-
чета этой новой конструкции.
Проанализированы конструкции пластинчатых рекуператоров. 
Проведен анализ процесса центробежной грануляции расплавов 
и сконструирован гранулятор новой конструкции. Разработан спо-
соб сушки бумаги на бумагоделательном цилиндре и система обнару-
жения лесного пожара.
Большой объем работ проведен по созданию математических моде-
лей, алгоритмов и методов расчета целого ряда процессов, в том чис-
ле усовершенствована методика выбора регуляторов и определения 
их настроек с построением кривых переходных процессов и нахож-
дением корней характеристических уравнений, применением разра-
ботанной методики модального синтеза, программного обеспечения 
MATLAB и SIMULINK.
Разработан новый детерминированный регулятор. Развита теория 
и структура трехуровневых АСУ ТП (ТАСУ ТП). Развиты и исполь-
зованы алгоритмы нечеткой логики в реальных проектах: управление 

В. Г. Лисиенко, Ю. Н. Чесноков, А. В. Лаптева

электроподвижным составом монорельсовой дороги и в процессе авто-
клавного выщелачивания бокситов. Развит метод модального синтеза 
цифровых систем управления динамическими объектами с практиче-
скими приложениями (при применении электродвигателей постоян-
ного тока): ковш экскаватора, луч антенной системы в инерциальном 
пространстве.
При моделировании объектов с распределенными параметрами ис-
пользован обобщенный термодинамический подход. Оценены уравне-
ния и расширены примеры неравновесности самоорганизации (в рам-
ках синергии) для сложных объектов.
Усовершенствована техническая и динамическая структура АСУ ТП 
термообработки железорудных окатышей с использованием матема-
тических моделей и параметрической идентификацией.
Создан и применен на ряде ГОКов способ дистанционного опре-
деления размеров окатышей и дробленой руды с использованием так 
называемого «гранулометра» (телевизионной установки с компьютер-
ной обработкой данных). В том числе опробован при дроблении мед-
ной руды на предприятии «Эрденет» в Монголии.
Развиты экспертные системы управления доменным процессом 
(логические, логико-количественные, модельные), а также и агрега-
том ПЖВ. Созданы соответствующие тренажеры. Проанализировано 
использование угольного топлива в доменной печи (новый способ).
Исследована гидродинамика шлакового расплава металлом при про-
дувке в канале металлургического реактора с движущимся металлом.
Разработан ряд новых уточненных методов определения темпера-
тур в рабочем пространстве печей, в том числе совместно с фирмой 
Сименс. Методы использованы на сталеплавильных, стекловаренных 
и нагревательных печах. Создан метод расчета и проведен анализ те-
плообмена в МГД-генераторе. Проанализированы методом матема-
тического моделирования температурные поля лопаток газовых тур-
бин при нанесении жаростойких покрытий.
Разработанный высокоточный ИК-пирометр с цифровой обработ-
кой сигнала («Термоскоп») изготавливается и применен более чем 
на 100 предприятиях. Создано устройство для отбора проб сажистого 
углерода из высокотемпературного пламени промышленных печей. 
Разработана безынерционная отсосная термопара.
Применительно к сталеплавильным разработаны: методы управ-
ления плавкой, процессом горения, метод акустической диагности-

Разработка и исследование новых методов управления в технических системах

ки расплавов. Приведена детальная диагностика и идентификация 
тепловых динамических характеристик в рабочем пространстве ста-
леплавильных печей.
Применительно к агрегатам цветной металлургии использован ре-
зонансный метод управления в печах вакуумного дугового переплава, 
проведено моделирование и оценка параметров дуги, разработан метод 
контроля и регулирования межэлектродного промежутка в процессе 
вакуумной дуговой плавки. Создана автоматизированная система ди-
агностики и управления качеством продукции в процессе непрерыв-
ного скоростного литья заготовок.
При производстве алюминия выполнена работа по созданию авто-
матизированной системы управления газоочистными установками. 
Создана новая система управления тепловым режимом в комплексе 
«печь автогенной плавки — котел-утилизатор» и даны рекомендации 
по улучшению показателей печи Ванюкова. Проанализирована воз-
можность формирования типовой работы целого ряда проходных на-
гревательных печей с применением оптимального автоматизированного 
управления и динамической оптимизацией процесса нагрева 
движущегося металла. При этом эффективно использовались зональные 
методы математического моделирования, метод экспресс-оценки 
температурных режимов и оптимального расходования топлива. Применительно 
к приходным термическим печам создана система регулирования 
газоплотности рабочего пространства и система непосредственного 
измерения температуры металла. Разработано устройство 
комбинированного акустико-аэродинамического теплового контроля.
Способ нагрева бунтов проката применен на нагревательных печах 
с выкатным подом. Для кольцевых нагревательных печей были разработаны 
новые методы управления нагревом заготовок и режимом горения 
топлива.
Создан зондовый пирометр ЛЧ для бесконтактного измерения 
температур в рабочем пространстве печей и камер сгорания. Применительно 
к камерной термической печи с импульсным отоплением 
усовершенствована система автоматизированного управления и предложены 
рациональные графики термообработки. Усовершенствованный 
детерминированный адаптивный регулятор был применен 
и в электрической печи сопротивления; режимы оптимального управ-
ления применены к печам камерного типа, это привело к уменьшению 
окалинообразования и к обезуглероживанию.

В. Г. Лисиенко, Ю. Н. Чесноков, А. В. Лаптева

Совместно с НИИ металлургической теплотехники — ВНИИМТ 
внедрена АСУ комплексом термоупрочнения арматуры.
Оценена возможность снижения брака в процессах изготовления 
топливных таблеток тепловыделяющих элементов ядерных реактивов 
(ТВЭЛы). Применительно к вентиляции в шахтах широко внедрена 
система автоматизации и температурной стабилизации струйно-фа-
кельных воздухонагревателей взамен применяемых водяных не надеж-
ных в работе калориферов.
В работах [1–8] рассматривалась система удаленного мониторин-
га и управления.