авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Система управления энергозатратами для технологических процессов на основе нечетких алгоритмов (на примере автоматизации технологических установок в молочно-консервной промышленности)

На правах рукописи

КОЛЯЗОВ Константин Александрович СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ЭНЕРГОЗАТРАТАМИ ДЛЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ НА ОСНОВЕ НЕЧЕТКИХ АЛГОРИТМОВ (на примере автоматизации технологических установок в молочно-консервной промышленности) Специальность 05.13.06 – Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (в промышленности)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Уфа – 2010

Работа выполнена на кафедре систем управления в филиале Московского государственного уни верситета технологий и управления (МГУТУ) в г. Мелеузе Научный руководитель д-р техн. наук, проф.

Каяшев Александр Игнатьевич Официальные оппоненты д-р техн. наук, проф.

Атрощенко Валерий Владимирович, зав. каф. оборудования и технологии сва рочного производства Уфимского государ ственного авиационного технического уни верситета доктор технических наук, просс канд. техн. наук, доц.

Кирюшин Олег Валерьевич, доц. каф. автоматизации технологических процессов и производств Уфимского госу дарственного нефтяного технического уни верситета ор онов Дмитрий Владимирович Ведущая организация ГОУ ВПО «Альметьевский государственный нефтяной институт»проблем управления Рос сийской академии наук им. Трапезникова (ИПУ

Защита диссертации состоится «» декабря 2010 г. в _ часов на заседании диссертационного совета Д–212.288. при Уфимском государственном авиационном техническом университете по адресу: 450000, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. К. Маркса,.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета

Автореферат разослан «_» 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д-р техн. наук, проф. В.В. Миронов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. На качество молочной продукции существенное влияние оказывает влажность исходного сырья – молока. Даже незначительное снижение этого показателя заметно нейтрализует негативное влияние окружающей среды и жизнедеятельности микроорганизмов на технологические процессы в мо лочно-консервной промышленности и, как следствие – повышает сроки хранения готовой продукции.

Однако удаление влаги из молочных продуктов сопряжено с большими энер гозатратами. Например, в технологическом процессе выпаривания молока при низ ком давлении, который в молочной промышленности считается наиболее распро страненным и сложным, количество затраченной энергии нелинейно возрастает, примерно, удваиваясь на каждые (5–10 %) выпаренной влаги.

В многовековой борьбе за экономию энергии при производстве молокопро дуктов высокого качества наиболее эффективным, но вместе с тем и трудоемким оказалось ручное управление, когда человек, хорошо владеющий процессом, непо средственно введен в контур регулирования значениями технологических парамет ров. Попытки использовать для этих целей ПИ- и ПИД-регуляторы из-за нестабиль ности параметров сырья, нелинейности, многомерности и неопределенности биохи мических явлений, протекающих в технологических аппаратах по переработке мо лока, не обеспечивают требуемого качества регулирования. Кроме того, ряд техно логических процессов в молочно-консервной промышленности до сих пор не имеет точных математических моделей, что затрудняет использование наиболее рента бельных и широко распространенных классических систем регулирования. Такая же тенденция проявляется и по отношению к технологиям тепловой обработки молока, которые, как правило, имеют нелинейные математические модели высокого поряд ка. Но именно они зачастую являются наиболее энергозатратными и определяют уровень развития отрасли в целом и поэтому наиболее актуальны для автоматиза ции. Совершенно очевидно, что в подобных случаях целесообразно использовать нечеткое регулирование.

Обзор средств и способов управления технологическими процессами в молоч но-консервной промышленности показывает, что нечеткие алгоритмы применяются, в основном, для поддержания на определенном уровне значения технологических параметров и практически не используются для экономии энергозатрат. Хотя в дру гих отраслях (энергетика, машиностроение, химическая промышленность, предпри ятия стройматериалов и др.) нечеткое регулирование для решения подобных задач применяется с 70-х годов 20 века. Это подтверждается работами таких авторов как Л. А. Заде, Е. А. Мамдани, Цукамото, С. Осовского, В. В. Круглова, А. В. Леоненко ва, И. А. Мочалова, Н. П. Деменкова, Б. Г. Ильясова, В. И. Васильева, А. П. Верев кина, В. Ц. Зориктуева, Р. А. Мунасыпова, А. Г. Лютова и др. Несмотря на большое количество публикаций по нечетким регуляторам, специфика нечеткого управления технологическими процессами в молочно-консервной отрасли, и особенно в части энергосбережения, не нашла должного освещения.

Таким образом, задача оперативного управления снижением затрат энергии на базе нечетких алгоритмов, учитывающей особенности технологических процессов и производств в молочно-консервной промышленности является актуальной научной задачей, решение которой способствует снижению себестоимости молочных про дуктов без привлечения дополнительных крупномасштабных инвестиций.

Целью диссертационной работы является снижение затрат энергии за счет разработки системы управления на основе нечетких алгоритмов с автоматической модификацией системы продукционных правил на примере технологического про цесса выпаривания молочных продуктов.



Для достижения цели в диссертационной работе поставлены и решены следующие основные задачи:

1. Разработать нечеткий алгоритм и на его основе систему продукционных правил, модификация которой в режиме реального времени обеспечивает снижение энергозатрат в процессе выпаривания молочных продуктов при поддержании в них приемлемого содержания влаги.

2. Для проверки соответствия построенной системы продукционных правил задачам снижения энергозатрат в вакуум-выпарном аппарате и повышения качества готовой продукции построить имитационную модель управления технологическим процессом выпаривания молочных продуктов.

3. На базе нечеткого регулятора с лингвистической обратной связью и авто матической модификацией системы продукционных правил разработать алгоритм управления, обеспечивающий повышение качества готовой продукции и снижение потребления энергии вакуум-выпарным аппаратом за счет уменьшения времени от клика его системы управления.

4. Разработать интеллектуальную систему управления процессом выпарива ния молочных продуктов, реализующую нечеткое управление снижением затрат энергии и обеспечивающую приемлемое качество готовой продукции при вариации в широких пределах химических и биохимических показателей исходного сырья.

5. Провести экспериментальные исследования процесса выпаривания мо лочных продуктов на реальном вакуум-выпарном аппарате с последующей оценкой уменьшения погрешности регулирования и затрат энергии от внедрения алгоритмов нечеткого управления.

Методы исследования. Для решения поставленных в работе научных задач использовались: теория нечетких множеств, автоматизированных систем управле ния технологическими процессами (АСУ ТП), математического и имитационного моделирования, а также баз данных и знаний.

Достоверность и обоснованность полученных в диссертационной работе теоретических результатов и формулировок обеспечивается корректным примене нием аппарата математического и имитационного моделирования и теории нечетких множеств. Достоверность предложенных методов подтверждается результатами, полученными путем проведения экспериментальных исследований на реальном технологическом процессе молочно-консервной промышленности.

Научная новизна исследований заключается в следующем:

1. Новизна предложенных нечеткого алгоритма и системы продукционных правил для управления технологическим процессом выпаривания молочных про дуктов состоит в обеспечении снижения затрат энергии при стабилизации в режиме реального времени на минимальном уровне основного показателя качества готовой продукции – влажности.

2. Новизна построенной имитационной модели процесса выпаривания мо лочных продуктов на основе нечетких алгоритмов заключается в использовании её для управления снижением потребления энергии вакуум-выпарным аппаратом и по вышения качества производимого продукта путем автоматической модификации в реальном времени системы продукционных правил нечеткого регулятора.

3. Новизна разработанной системы регулирования расхода пара состоит в том, что она построена на базе нечеткого регулятора с лингвистической обратной связью с автоматической модификацией системы продукционных правил, позво ляющая, по сравнению с традиционными нечеткими алгоритмами управления про цессом выпаривания, снизить время отклика программы на изменение расхода энер гии и повысить качество молочных продуктов.

4. Новизна предложенной автоматизированной системы управления сниже нием затрат энергии в процессе выпаривания молочных продуктов заключается в автоматической настройке нечетких алгоритмов управления снижением затрат энер гии в процессе выпаривания и сохранении качества производимых молочных про дуктов при широкой вариации параметров сырья, основанной на данных, получае мых в режиме реального времени.

5. Новизна экспериментального исследования процесса выпаривания молоч ных продуктов на реальной технологической установке состоит в установлении фактов снижения погрешности и расхода энергии за счет уменьшения времени от клика алгоритма управления на основе нечеткого регулятора с лингвистической об ратной связью.

На защиту выносятся следующие основные положения:





1. Алгоритмы и способные к модификации системы продукционных правил для управления технологическим процессом выпаривания молочных продуктов, обеспечивающих снижение энергозатрат и повышение качества готовой продукции в режиме реального времени.

2. Имитационная модель нечеткого регулирования расхода пара, используе мая в процессе выпаривания молочных продуктов для снижения энергозатрат и по вышения качества готовой продукции.

3. Система управления на базе нечеткого регулятора с лингвистической об ратной связью и автоматической модификацией системы продукционных правил, в которой благодаря снижению времени отклика нечеткого алгоритма на изменение затрат энергии при выпаривании молочных продуктов с минимальным содержанием влаги, снижен расход энергии, потребляемой вакуум-выпарным аппаратом.

4. Интеллектуальная система управления процессом выпаривания молочных продуктов на базе программируемого контроллера, реализующего нечеткий алго ритм управления снижением затрат энергии и автоматическую настройку вакуум выпарного аппарата на производство качественных молочных продуктов из сырья, биохимические характеристики которого изменяются в широком диапазоне.

5. Результаты экспериментальных исследований на реальной технологиче ской установке для выпаривания молочных продуктов, подтверждающие снижение затрат энергии и погрешности регулирования, благодаря использованию нечеткого регулятора с лингвистической обратной связью, автоматической модификацией сис темы продукционных правил и минимизированным временем отклика.

Практическая значимость полученных результатов и их реализация 1. Внедрена система управления снижением затрат энергии в процессе вы паривания молочных продуктов, обеспечившая повышение качества управления технологическим процессом и позволившая снизить затраты энергии на 15 % и по лучить экономический эффект в размере 714 тыс. рублей в год на один технологиче ский аппарат.

2. Основные результаты диссертационной работы внедрены в технологиче ский процесс Мелеузовского молочно-консервного комбината и в учебный процесс филиала Московского государственного университета технологии и управления г. Мелеуза (лабораторный практикум по дисциплине «Автоматизация технологиче ских процессов» для студентов специальности 220301).

3. Получен патент на полезную модель № 51242 «Самонастраивающаяся система автоматического управления нестационарным технологическим объектом».

Апробация работы. Результаты исследования и основные его положения докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры информационных технологий и систем управления (филиал Московского государственного университета техноло гий и управления (МГУТУ) в г. Мелеузе, 2005–2010 гг.) и получили положитель ную оценку на следующих конференциях и симпозиумах, проводимых различными академическими учреждениями и высшими учебными заведениями России:

– X Международной научно-практической конференции «Стратегия развития пищевой промышленности», (Москва, 27–28 мая, 2004);

– VI международной конференции «Северэнерготех-2005» (23–25 марта 2005 г., Ухта);

– Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы химической технологии и подготовки кадров» (28–29 сентября 2006 г. Стерлита мак);

– на расширенном семинаре кафедр «Информационные технологии и системы управления», «Технологии и машины пищевых производств», «Машины и аппараты пищевых производств» в филиале Московского государственного университета тех нологий и управлений в г. Мелеузе (март, 2010).

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 15 работах, в том числе в виде 2 научных статей в рецензируемых изданиях из спи ска ВАК, 1 патент и 12 – в сборниках материалов конференций.

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 170 стра ницах машинописного текста и включает в себя введение, четыре главы основного материала, заключение, 44 рисунка, библиографический список из 167 наименова ний на 17 страницах и приложение.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационного исследо вания, сформулирована цель работы, описана структура и дан краткий обзор рабо ты, изложены основные научные результаты, выносимые на защиту, раскрыта науч ная новизна и практическая значимость полученных результатов.

В первой главе приведен анализ технологического процесса выпаривания молочных продуктов. Установлено, что для систем регулирования расхода пара су ществует необходимость формирования в режиме реального времени задающих воздействий, обеспечивающих снижение затрат энергии.

В качестве объекта управления выбран процесс выпаривания сгущенного мо лока в калоризаторе, поскольку в пищевой промышленности он является одним из основных потребителей энергии. Схема двухкорпусной вакуум-выпарной установки циркуляционного типа непрерывного действия для сгущения цельного и обезжи ренного молока, а также для выпаривания сыворотки представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Схема двухкорпусной вакуум-выпарной установки циркуляционного типа непрерывного действия:

1 — калоризатор;

2 — пароотделитель;

3 — термокомпрессор;

4 — продуктовый циркуляционный насос;

5 — промежуточный бак с мешалкой;

6 — насос для подачи сгущенного молока на сушку Анализ технологического процесса показывает, что поддерживать постоянную температуру молока в корпусе вакуум-выпарной установки в режиме реального времени является трудно реализуемой задачей. Это связано с тем, что молоко явля ется «живым» сырьем, химический состав которого меняется от сезона к сезону. В процессе получения, хранения, транспортировки и переработки молоко также может изменять свои свойства под воздействием целого ряда факторов: температуры ок ружающей среды, жизнедеятельности организмов и др. Учесть все эти факторы при производстве молочных продуктов не представляется возможным. Поэтому приме няемые в настоящее время в молочно-консервной промышленности типовые ПИ-, ПИД-регуляторы не обеспечивают должного качества управление процессом выпа ривания молочных продуктов. Следует отметить, что применяются они в основном для поддержания на заданном уровне таких параметров как температура, давление и расход.

В ходе анализа существующих систем управления процессами выпаривания молочных продуктов установлено, что наилучшим способом снижения затрат энер гии является прямое регулирование расхода пара, при котором, к тому же, достига ется стабильно высокая производительность установки и требуемое качество гото вого продукта. Задачей систем регулирования в этом случае является формирование задающих воздействий, обеспечивающих уменьшение расхода пара без потери ин тенсивности протекания процесса и снижения качества конечного продукта.

Проведенный обзор методов реализации нечетких регуляторов в молочно консервной промышленности показывает, что, по сравнению с типовыми ПИД регуляторами, они позволяют обеспечить более высокое качество управления, отли чаются простым алгоритмом синтеза и могут успешно использоваться в процессах тепловой обработки молочных продуктов.

Анализ средств управления показал, что для достижения наилучшего резуль тата при синтезе нечеткой системы управления в молочно-консервной промышлен ности целесообразно использовать нечеткий регулятор с автоматической модифика цией системы продукционных правил, моделирующей действия человека-оператора (эксперта).

Во второй главе разработан нечеткий алгоритм и на его основе нечеткий ре гулятор с лингвистической обратной связью, система продукционных правил кото рого модифицируется в режиме реального времени.

Опытным путем определены условия, при которых калоризатор работает наи более интенсивно. Установлено, что уровень, до которого в аппарате с вертикаль ными трубками некипящая жидкость заполняет трубки, имеет большое влияние на интенсивность процесса, которая характеризуется величиной коэффициента тепло передачи.

Рисунок 2 – График зависимости коэффициента теплопередачи от степени заполнения вакуум-аппарата – коэффициент теплопередачи, max – максимальный коэффициент теплопередачи, hур – высота заполнения трубки, hтр – высота трубки.

На рисунке 2 приведены графики, иллюстрирующие интенсивность теплопе редачи в зависимости от наполнения и концентрации жидкости в вакуум-аппарате, из которых следует, что наибольший коэффициент теплоотдачи достигается при за полнении от 0,3 до 0,6 высоты Н вертикальных трубок. Многочисленные экспери ментальные исследования подтверждают, что калоризаторы работают наиболее эф фективно при наполнении трубок примерно от 1/3 до 1/2 H. При этом оптимальное заполнение трубок h0 = Н/3.

Величина коэффициента теплопередачи в вакуум-аппарате играет решающую роль для достижения высокой интенсивности процесса выпаривания и снижения по терь энергии. Поскольку граница раздела жидкой и газообразной фазы продукта яв ляется нечеткой, то технически невозможно непосредственно измерить или регули ровать высоту заполнения трубок в процессе работы вакуум-выпарного аппарата.

Также невозможно в режиме реального времени измерять коэффициент теплопере дачи аппарата. Поэтому добиться высокого коэффициента теплопередачи возможно за счет оперативного регулирования отношения расхода пара к расходу сырья, так как именно это отношение влияет на степень заполнения трубок аппарата. При ус ловии поддержания постоянного расхода сырья, главным параметром остается рас ход пара. Таким образом, единственным способом достижения максимума коэффи циента теплопередачи, помимо совершенствования конструкции аппарата, являет ся прямое регулирование расхода теплоносителя Fпар.

В процессе производства молочных продуктов наряду со снижением энергоза трат, необходим автоматический контроль за качеством готовой продукции. Основ ным параметром качества при выпаривании является влажность. Для связи расхо да энергии с влажностью введен коэффициент эффективности энергозатрат Кэт:

Fпар K эт =, (1) ( 1 ) где – влажность готового продукта, 1 – влажность сырья, Fпар – расход пара.

Влажность готового продукта определяется по формуле:

c [1 + с ( T0 T )] Fсырья = 1, (2) п [1 + п ( T0 T )] Fпрод где с и п – соответственно плотность сырья и готовой продукции при температуре T0;

с и п – температурный коэффициент объемного расширения сырья и готовой продукции.

Выражение (1) с учетом (2) принимает вид:

Fпар п [1 + п ( T0 T )]Fпрод K эт =. (3) 1 ( п [1 + п ( T0 T )]Fпрод c [1 + с ( T0 T )]Fсырья ) Коэффициент эффективности энергозатрат представляет собой количество энергии, затраченной на выпаривание единицы влажности. Чем ниже Кэт, тем выше эффективность использования энергии. Соответственно для снижения затрат энер гии необходимо стремиться к уменьшению данного коэффициента.

Из-за сложности физических процессов в калоризаторе до сих пор не удается разработать строгую математическую модель для минимизации расхода энергии при выпаривании молочных продуктов. Для решения этой весьма важной для молочно консервной промышленности задачи в диссертационной работе были проведены экспериментальные исследования, на основе которых построена функция зависимо сти температуры выпаривания от расхода греющего пара и расхода продукта, пред ставленная на рисунке 3.

Рисунок 3 – Зависимость влажности () от температуры (Т) и расхода пара (Fпар) в калоризаторе На основании этих исследований установлена зависимость коэффициента эф фективности энергозатрат Кэт от расхода пара при различных значениях температу ры выпаривания. На рисунке 4 представлена зависимость Кэт от расхода пара при оптимальной температуре выпаривания (50 °С).

Рисунок 4 – Зависимость Кэт от расхода пара при T=50°С Из него следует, что существует режим работы вакуум-выпарного аппарата, при котором коэффициент эффективности энергозатрат, а, значит, и расход энергии имеют минимальное значение. Для управления вакуум-выпарным аппаратом с ми нимальным значением Кэт предложено ввести три лингвистические переменные:

«Температура», «Расход пара» и «Влажность». С этой целью кривая на рисунке разбита на 9 зон, границы которых определяются точками перегиба зависимости температуры Т от расхода пара в калоризаторе.

Рисунок 5 – Зависимость "Температура-расход пара" в калоризаторе при Кэт=0, В работе предложен метод автоматической модификации продукционных правил, основанный на алгоритме выделения зон в режиме реального времени по графику на рисунке 5 и последующем изменении в соответствии с количеством вы деленных зон функций принадлежности термов лингвистических переменных. С этой целью в процессе работы выпарной установки управляющая программа выде ляет точки перегиба функции изменения температуры в зависимости от изменения расхода пара, которые в дальнейшем становятся границами новых зон. Затем каж дой зоне ставятся в соответствие термы лингвистических переменных «Температу ра», «Расход пара» и «Влажность». Строятся функции принадлежности упомянутых лингвистических переменных. Так как зависимость "Температура–расход пара" но сит нелинейный характер, то область значений каждой переменной разбивается на следующие неравные интервалы:

1 t 46 / 2 для t [45 ;

47,7 ] ;

t [47,5 ;

48 ] ;

1 t 47,75 / 0,25 для t [47,75 ;

48,25 ] ;

1 t 48 / 0,25 для t [48 ;

49 ] ;

1 t 48,5 / 0,5 для t [48,75 ;

49,25 ];

(4) ( t ) = 1 t 49 / 0,25 для t [49 ;

50 ] ;

1 t 49,5 / 0,5 для t [49,6 ;

50,4 ] ;

1 t 50 / 0,4 для t [50 ;

51] ;

1 t 50,5 / 0,5 для t [50,5 ;

52,5 ].

1 t 52 / 2 для Кривая на рисунке 5 разбита на зоны, в пределах которых она имеет постоян ный угол наклона к оси «Расход пара». Центр каждой зоны по оси температур на ри сунке 6 является центром термов функции принадлежности лингвистической пере менной «Температура». Аналогичным образом строятся функции принадлежности термов для лингвистических переменных «Расход пара» и «Влажность».

Рисунок 6 – Функции принадлежности термов лингвистической переменной «Температура» Управление вакуум-выпарным аппаратом осуществляется следующей систе мой продукционных правил:

1) Если T это TA и Кэт – это Квыс, то Fпар – это FA;

2) Если T это TB и Кэт – это Квыс, то Fпар – это FB;

B 3) Если T это TC и Кэт – это Квыс, то Fпар – это FC;

4) Если T это TA и Кэт – это Кср, то Fпар – это FB;

(5)..........

20) Если T это TА и Кэт – это Книз, то Fпар – это FА;

..........

36) Если T это TK и Кэт – это Кон, то Fпар – это FK.

Количество правил равно произведению количества термов по расходу пара на количество термов по коэффициенту эффективности. Таким образом, общее ко личество правил равно 36. Лингвистическая переменная «Влажность» используется во второй системе продукционных правил:

Если – это A, то Fпар – это FA;

1) Если – это B, то Fпар – это FB;

2) Если – это C, то Fпар – это FC;

3) Если – это D, то Fпар – это FD;

4) Если – это E, то Fпар – это FE;

5) (6) Если – это F, то Fпар – это FF;

6) Если – это G, то Fпар – это FG;

7) Если – это H, то Fпар – это FH;

8) Если – это К, то Fпар – это FК.

9) Обе системы продукционных правил составлены таким образом, что в каждый момент времени срабатывает только одно правило в каждой из систем. Значение температуры получено по механизму нечеткого вывода Е. А. Мамдани.

В третьей главе выполнен синтез нечеткого регулятора с лингвистической обратной связью и динамической модификацией системы продукционных правил (рисунок 7), а также проведена оценка его быстродействия. Его особенностью явля ется отсутствие четкого сравнивающего устройства, которое для нечеткого регуля тора является функционально избыточным, поскольку предназначено для сравнения непрерывных величин, тогда как в нечетких регуляторах используются термы лин гвистических переменных, то есть конечное, а не бесконечное число фиксирован ных значений этих величин.

Регулируемая величина Т с помощью фаззификатора (ФЗ) преобразуется в лингвистическую переменную «Температура» с термами ТA, ТB, ТC, ТD, ТE, ТF, ТG, ТH, ТK, которые подаются на вход нечеткого регулятора (СП). Аналогичным преобразо ваниям подвергается параметр. Следует отметить, что абсциссы вершин равнобед ренных треугольников равны четким фиксированным значениям регулируемой ве личины, подаваемым в виде соответствующих уставок на вход фаззификатора. На регулируемый клапан подачи пара (ИО) поступает четкое значение управляющего воздействия B, соответствующее вычисленному дефаззификатором (ДФ) расходу пара, подаваемого на объект управления (ОУ).

Логическая схема алгоритма функционирования предлагаемого нечеткого ре гулятора, включая процедуру сравнения в нечетком формате текущего значения Т с её фиксированными значениями, представлена на рисунке 8. Фактическая длитель ность цикла сканирования предложенного нечеткого регулятора зависит от двух об Рисунок 7 – Структурная схема регулятора температуры в выпарном аппарате с лингвистической обратной связью стоятельств: на сколько часто в процессе работы нечеткого регулятора условия, со держащиеся в операторах условного перехода, бывают истинными (частота сраба тывания оператора условного перехода) и в какой последовательности размещены символы действия этих операторов. Отсюда нетрудно выявить стратегию размеще ния операторов условного перехода в структуре логической схемы алгоритма на ри сунке 8 с целью получения наибольшего быстродействия нечеткого регулятора с лингвистической обратной связью. Быстродействие нечеткого регулятора будет наибольшим (время отклика наименьшее), если операторы условного перехода в его логической схеме алгоритма функционирования будут размещены слева направо в порядке убывания их частоты срабатывания.

Рисунок 8 – Схема алгоритма функционирования нечеткого регулятора Применительно к логической схеме алгоритма это означает, что оператор с первым условием должен обладать наибольшей, а оператор со вторым по последо вательности условием – наименьшей частотой срабатывания. Количество условий соответствует количеству продукционных правил и равно 36.

На реальных технологических установках весьма трудоемко с приемлемой по грешностью настроить базу правил нечеткого регулятора с лингвистической обрат ной связью. Отсюда возникла необходимость в разработке имитационной модели нечеткого управления процессом выпаривания с целью быстрого и точного опреде ления частоты срабатывания правил и корректности составления системы нечетких продукционных правил для конкретной технологической установки. Под коррект ностью в данном случае понимается система нечетких правил, в которой в любой момент времени только одно правило имеет истинную условную часть.

По результатам работы имитационной модели в режиме реального времен оп ределяется порядок расположения продукционных правил, обеспечивающий наи большее быстродействие нечеткого регулятора. Эти данные использовались для реализации системы регулирования в пакете программ SIMATIC Manager V5.4. Па кет включает в себя несколько подпрограмм для работы с контроллерами фирмы Siemens.

Произведен сравнительный анализ переходных процессов регулирования расхода пара (рисунок 9,а) и температуры (рисунок 9,б) для вакуум-выпарного ап парата с ПИД- и нечетким регуляторами. Эксперименты проводились на автомати зированном рабочем месте оператора, реализованном на компактной панели модели MP 277-10 Touch.

а б Рисунок 9 – Переходный процесс расхода пара (а) и температуры (б) в калоризаторе (верхние кривые для ПИД-, а нижние – для нечетких регуляторов) Анализ полученных кривых показывает, что нечеткий регулятор обеспечива ет более плавное регулирование, чем ПИД-регулятор. Вследствие большой ампли туды колебания температуры в выпарном аппарате при использовании ПИД регулятора интенсивность протекания технологического процесса снижается, из-за чего в среднем на 10 % по сравнению с нечетким регулятором (рисунок 10) повыша ется расход пара на поддержание одной и той же температуры.

Рисунок 10 – График зависимости расхода пара F установки по выпариванию молока с ПИД- (верхний график) и нечетким (нижний график) регуляторами В четвертой главе рассмотрены прикладные аспекты реализации програм много обеспечения для управления технологическим процессом выпаривания мо лочных продуктов на базе контроллера Siemens S313C с использованием пакета SIMATIC Manager. Осуществлен выбор технического и программного обеспечения максимально соответствующего поставленной цели – снижению затрат энергии за счет разработки интеллектуальной системы управления на базе нечеткого регулято ра на примере технологического процесса выпаривания молочных продуктов.

Рисунок 11 – Алгоритм управления процессом выпаривания На рисунке 11 представлен алгоритм управления процессом выпаривания молочных продуктов. Его особенностью является наличие блоков автоматической модификации и коррекции базы продукционных правил. Эти блоки работают совме стно с основной программой и порядок расположения правил в них корректируется в режиме реального времени.

На основе универсальной структуры АСУ ТП разработана интеллектуальная система управления процессом выпаривания молочных продуктов, позволяющая со кратить расход энергии и снизить влажность в молочных продуктах. Построен ин терфейс АРМ оператора (рисунок 12), максимально удовлетворяющий требованиям к системам автоматизированного контроля в молочно-консервной промышленности.

Рисунок 12 – Главная мнемосхема системы управления процессом выпаривания Совместная реализация в единой оболочке SCADA-системы, включающей программы управления процессом выпаривания молочных продуктов и снижением затрат энергии, а также функции автоматической настройки системы продукцион ных правил, позволяет реализовать универсальную интеллектуальную систему управления процессом выпаривания молока со снижением затрат энергии.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 1. На основе нечеткого алгоритма управления процессом выпаривания молоч ных продуктов построена система продукционных правил с расположением продук ций в порядке убывания их весовых коэффициентов, позволившая за счет снижения времени отклика нечеткого регулятора, уменьшить расход энергии.

2. Построена имитационная модель нечеткого управления процессом выпари вания, подтверждающая снижение энергозатрат в вакуум-выпарном аппарате. Ана лиз работы нечеткого регулятора для процесса выпаривания на имитационной моде ли позволил упростить его синтез и реализовать автоматическую настройку нечет кого алгоритма непосредственно в процессе работы вакуум-выпарной установки.

3. На базе нечеткого регулятора с лингвистической обратной связью и авто матической модификацией продукционных правил разработана система управления процессом выпаривания молочных продуктов, обеспечивающая в режиме реального времени стабилизацию влажности готового продукта и снижение отклика системы управления на изменение расхода энергии, что позволило сократить затраты по газу на 10 %, а по электроэнергии на 8 %.

4. Разработана универсальная интеллектуальная система управления процес сом выпаривания молока, в которой реализована SCADA-система, содержащая сле дующие программы: управления вакуум-выпарным аппаратом на основе нечеткого регулятора с автоматической модификацией системы продукционных правил;

сни жения затрат энергии для выпаривания молочных продуктов;

настройки в режиме реального времени вакуум-выпарного аппарата для работы с молочными продукта ми, значительно отличающимися по химическим и биологическим показателям.

5. Экспериментально на вакуум-выпарном аппарате установлено, что нечет кий регулятор с лингвистической обратной связью и динамической настройкой сис темы продукционных правил позволяет выдерживать заданный температурный ре жим с погрешностью ±0,5 °C, а его быстродействие оказывает значимое влияние на экономию энергии в процессе выпаривания молочных продуктов. Экономический эффект от внедрения в систему управления расходом энергии в вакуум-выпарном аппарате нечеткого регулятора с динамической модификацией системы продукци онных правил составил 714 тыс. руб. в год.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ Рецензируемые журналы из списка ВАК 1 Синтез модели объектов управления пищевой промышленности с использо ванием нечеткой логики / К. А. Колязов, А. В. Воробьева, Н. И. Шиянова // Автома тизация в промышленности. 2007. №7. С. 55–57.

2 Применение нечетких регуляторов при производстве сгущенного молока / А. Н. Мамцев, К. А. Колязов, Н. И. Шиянова // Молочная промышленность. 2007.

№8. С. 70–71.

Патенты 3 Пат. на полезную модель, РФ. № 51242. Самонастраивающаяся система ав томатического управления нестационарным технологическим объектом / Е. А. Муравьева, К. А. Колязов, Г. А. Каяшева. // Бюл. изобр. 2006. №03.

В прочих изданиях 4 Нечеткие последовательностные уравнения в системах управления энерго сбережением на технологических установках пищевой промышленности / Г. А. Каяшева, К. А. Колязов // Северэнерготех-2005 : матер. VI Междунар. конф.

Ухта : УГТУ, 2005. Ч. 1. С. 119–123.

5 Продукционная модель знаний нечетких регуляторов на основе последова тельных уравнений для энергосберегающих технологий в молочной промышленно сти / Г. А. Каяшева, К. А. Колязов // Северэнерготех-2005 : матер. VI Междунар.

конф. Ухта : УГТУ, 2005. Ч. 1. С. 28–32.

6 Имитационные модели систем управления на основе нечетких регуляторов с модификацией блока продукционных правил / К. А. Колязов // Северэнерготех 2005 : матер. VI Междунар. конф. Ухта : УГТУ, 2005. Ч. 1. С. 85–87.

7 Динамическая модель выпарного аппарата для снижения влажности мо лочных продуктов / К. А. Колязов // Стратегия развития пищевой промышленности :

матер. XI Междунар. науч.-практ. конф. М. : МГУТУ, 2005. Т. 3. С. 60–63.

8 Нечеткий регулятор с лингвистической обратной связью для управления процессами в вакуум-выпарной установке для производства товарного молока с за данной влажностью / Е. А. Муравьева, К. А. Колязов, Г. А. Каяшева // Стратегия развития пищевой промышленности : матер. XI Междунар. науч.-практ. конф. М. :

МГУТУ, 2005. Т. 3. С. 64–67.

9 Нечеткая система управления для минимизации расхода энергии в техноло гических процессах пищевой промышленности / К. А. Колязов // Стратегия развития пищевой промышленности : матер. XI Междунар. науч.-практ. конф. М. : МГУТУ, 2005. Т. 3. С. 117–121.

10 Применение нечетких регуляторов для экономии энергии в технологиче ских процессах выпаривания молочных продуктов / К. А. Колязов // Актуальные проблемы химической технологии и подготовки кадров : матер. Всерос. науч.-практ.

конф. Стерлитамак : 2006. С. 359–363.

11 Разработка имитационной модели нечеткого регулятора / К. А. Колязов // Инновации в интеграционных процессах образования, науки, производства : матер.

Всерос. науч.-практ. конф. Мелеуз : 2007. С. 493–497.

12Нечеткая модель технологического процесса выпаривания молочных про дуктов / К. А. Колязов, Н. И. Шиянова // Пищевая наука, инженеринг и технологии 2009 : матер. Междунар. конф. Пловдив : UFT, 2009. Т. LVI, ч. 2. С. 291–294 (Статья на англ. яз.).

13Процесс выпаривания молока как технологический объект управления / К. А. Колязов, Н. И. Шиянова // Пищевая наука, инженеринг и технологии 2009 :

матер. Междунар. конф. Пловдив : UFT, 2009. Т. LVI, ч. 2. С. 61–64 (Статья на англ.

яз.).

14Разработка нечеткого алгоритма для обработки параметров процесса выпа ривания молочных продуктов / К. А. Колязов, А. И. Каяшев // Инновации в интегра ционных процессах образования, науки, производства : матер. Междунар. науч. практ. конф. Уфа : Вагант, 2010. Ч. I. С. 258–260.

15Энергосберегающая система управления на основе нечеткого алгоритма / К. А. Колязов, А. И. Каяшев // Энергоэффективность и энергобезопасность на пред приятиях промышленности и жилищно-коммунального хозяйства : тр. Всерос.

науч.-практ. сем. Уфа : АН РБ;

Гилем, 2010. С. 119–123.

Диссертант К. А. Колязов КОЛЯЗОВ Константин Александрович СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ЭНЕРГОЗАТРАТАМИ ДЛЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ НА ОСНОВЕ НЕЧЕТКИХ АЛГОРИТМОВ (на примере автоматизации технологических установок в молочно-консервной промышленности) Специальность 05.13.06 – Автоматизация и управление техноло гическими процессами и производствами (в промышленности) АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Подписано к печати 15.11.2010. Формат 60х84 1/16.

Бумага офсетная. Печать плоская. Гарнитура Times New Roman.

Усл. печ. л. 1,0. Усл. кр. – отт. 1,0. Уч.-изд. л. 0,9.

Тираж 120 экз. Заказ № 106.

ГОУ ВПО Московский государственный университет технологий и управления филиал в г. Мелеузе Центр оперативной полиграфии 453850, Мелеуз, ул. Смоленская,

 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.