Разработка и исследование системы автоматического управления технологическим процессом химводоочистки на теплоэлектроцентрали с использованием аппарата нечеткой логики тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.06, кандидат технических наук Гаврилов, Филипп Александрович

• Гаврилов, Филипп Александрович
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Гаврилов, Филипп Александрович

ВВЕДЕНИЕ.

1 Проблема построения эффективных систем управления технологическим процессом подготовки воды для подпитки теплосети ТЭЦ.

1.1 Обоснование необходимости подготовки подпиточной воды.

1.2 Технология обработки воды и сущность процесса ионного обмена.

1.3 Описание объекта исследования.

1.4 Постановка задачи управления

1.5 Способы построения систем интеллектуального управления.

1.6 Основные понятия нечеткой логики.

2 Разработка нечеткого алгоритма управления.

2.1 Построение классического нечеткого регулятора.

2.1.1 Фаззификация:.

2.1.2 Система типа Мамдани.

2.1.2.1 Алгоритм формирования правил.

2.1.2.2 Дефаззификация

2.1.3 Реализация система типа Сугено.

2.1.3.1 Алгоритм формирования правил.

2.1.4 Выводы.

2.2 Формирование универсальной базы правил.

3 Методика настройки нечеткой системы регулирования методом пассивного эксперимента

3.1 Постановка задачи оптимизации параметров нечеткого регулятора 58 4 Программная реализация.

4.1 Моделирование классического нечеткого регулятора.

4.2 Моделирование нечеткого регулятора с применением разработанной методики формирования универсальной базы правил.

4.3 Программная реализация параметрической настройки нечеткой системы регулирования.

5 Реализация на объекте

5.1 Автоматизированная система управления установкой подпитки теплосети ТЭЦ ВАЗа

5.2 Реализация нечеткого алгоритма.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование системы автоматического управления технологическим процессом химводоочистки на теплоэлектроцентрали с использованием аппарата нечеткой логики»

Актуальность работы. Проблема автоматизации процессов химической очистки воды на тепловых электрических станциях (ТЭС) является актуальной вследствие следующих обстоятельств:

1. Технологический процесс химической подготовки воды в существенной степени является определяющим для эффективной работы основного оборудования теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) и теплосетей, что, в частности, свидетельствует о высокой социальной значимости данного технологического процесса. Качество химической подготовки воды является одним из наиболее значимых факторов, непосредственно формирующих основные характеристики систем электро- и теплоснабжения населения и промышленных предприятий.

2. Оборудование подпитки теплосети весьма громоздко, рассредоточено на большой площади химического цеха и частично за его пределами, что затрудняет организацию эффективного управления процессом вручную.

3: Технологический процесс химической подготовки воды относится к классу дискретно-непрерывных процессов, а при большой протяженности транспортных потоков принятие оперативных решений без автоматизированного и рационального распределения информации затруднительно.

4. Наличие потоков, содержащих агрессивные компоненты, требует непрерывного контроля состояния запорно-регулирующей арматуры и трубопроводов.

В настоящее время, несмотря на довольно высокий уровень автоматизации технологических процессов на тепловых электрических станциях, существует ряд процессов, где влияние человеческого фактора является определяющим из-за технологических особенностей объекта и сложностей, возникающих при применении классических методов теории управления. Как следствие, невозможно избежать влияния ошибочных действий оператора на процесс химводоподготовки, что может приводить к перерасходу химреагентов и подпиточной воды, а также повысить риск возникновения аварийных режимов. С другой стороны, качество управления в значительной степени определяется опытом оператора по эксплуатации объекта, в частности, в некоторых ситуациях отчасти интуитивные решения, принятые оператором в нетривиальных ситуациях, оказываются наиболее верными. Таким образом, при решении задачи автоматического управления подпиткой теплосети необходимо основываться как на технологических требованиях предъявляемых к процессам химической очистки воды и режимам работы, так и на опыте операторов, эксплуатирующих объект в течении длительного срока и обладающих необходимыми знаниями о возможных неопределенностях, возникающих в процессе работы объекта.

В представленной диссертации решается задача построения системы автоматического управления процессом химической подготовки воды с помощью нечеткой логики - метода современной теории интеллектуальных систем. Применение нечеткой логики позволяет в условиях ограниченности и неопределенности информации о характеристиках объекта управления наиболее полно использовать знания эксплуатационного персонала в процессе управления. Данные знания используются в виде логико-лингвистических аппроксимаций формальных моделей объектов управления.

Целью диссертационной работы является решение научно-технической задачи по разработке алгоритмов нечеткого управления группой параллельно работающих объектов на примере управления фильтрами блока подпитки теплосети ТЭЦ.

В соответствии с поставленной целью в работе решаются следующие основные задачи:

1. структурный синтез нечеткого регулятора для группового управления рядом параллельно работающих объектов;

2. разработка методики формирования базы продукционных правил для управления группой объектов;

3. разработка и исследование методики параметрического синтеза нечеткой системы управления на основе пассивного эксперимента;

4. разработка и опытно-промышленная апробирование системы нечеткого управления работой группы фильтров блока подпитки теплосети ТЭЦ.

Основными методами исследования являются методы теории нечетких множеств, компьютерного моделирования и экспериментальных исследований объектов и систем управления.

Научная новизна и значимость заключается в следующих полученных результатах:

1. Разработана математическая модель режимов функционирования фильтра блока подпитки теплосети на ТЭЦ, сформулированная в терминах нечетких множеств;

2. Разработана универсальная база продукционных правил для нечеткого управления группой параллельно работающих фильтров системы химводоочистки, инвариантной к количеству управляемых объектов;

3. Предложена методика структурно-параметрического синтеза нечеткой системы управления работой блока фильтров установки подпитки теплосети, построенная на основе применения параметризуемых функций принадлежности, обеспечивающих соответствие вырабатываемых управляющих воздействий эталонным образцам.

Практическая полезность. Полученные в диссертации выводы и рекомендации позволяют решить ряд важных практических задач по совершенствованию работы блока подпитки теплосети на ТЭЦ.

В результате применения нечетких регуляторов режимов работы фильтров системы химводоочистки на ТЭЦ могут быть синтезированы алгоритмы управления, не уступающие по своему качеству решениям принимаемым квалифицированным оператором при управлении режимами работы фильтров установки подпитки теплосети.

Предложенные в диссертационной работе методики могут быть непосредственно использованы в целях инженерного проектирования систем нечеткого управления группой параллельно работающих объектов не только применительно к системам химводоподготовки, но и для других технологических процессов.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационных исследований использованы в рамках внедрения автоматизированной системы управления химическим цехом ТЭЦ Волжского автозавода в виде реализованных на типовых аппаратно-программных технических средствах алгоритмов управления блоком подпитки теплосети, а также в учебном процессе для студентов специальностей 220201 «Управление и информатика в технических системах» и 220301 - «Автоматизация технологических процессов и производств» в Самарском государственном техническом университете.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

- Десятая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов. Москва: МЭИ. 2004 г.

- Всероссийской конференция молодых учёных, Новосибирск: НГТУ, 2003 г.

- Научно-практическая конференция «Проблемы развития централизованного теплоснабжения». Самара 2004 г.

- Шестой международный симпозиум «Интеллектуальные системы» ЮТЕЬ8'2004 . Россия, Саратов: СГТУ., 29 июня - 2 июля 2004 г.

-Работа по данной тематике была награждена медалью министерства образования и науки Российской Федерации за лучшую научную студенческую работу по итогам открытого конкурса на лучшую научную работу студентов по естественным, техническим и гуманитарным наукам в вузах Российской Федерации. Приказ №1190 от 9 марта 2004 г.;

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка и двух приложений. Основной текст изложен на 100 страницах, содержит 41 рисунок, 5 таблиц. Библиографический список включает 75 наименований.

Заключение диссертации по теме «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)», Гаврилов, Филипп Александрович

Заключение

Выполненная диссертационная работа посвящена разработке нечеткого алгоритма управления распределением нагрузки между фильтрами блока подпитки теплосети, разработке универсальной базы нечетких правил для управления группой параллельно работающих объектов и методики параметрической настройки разработанного нечеткого регулятора.

В работе получены следующие основные результаты:

1. Разработан алгоритм управления включением в работу необходимого количества фильтров, обеспечивающих заданный расход воды на блок фильтров при их номинальной загрузке. Алгоритм реализован с применением аппарата нечеткой логики. Предложена модель режимов работы фильтра на базе симметричных трапециевидных функций принадлежности. Методом компьютерного моделирования показана работоспособность алгоритма для систем типа Мамдами и Сугено. Определен главный недостаток алгоритма - необходимость разработки уникальной базы правил для каждого количества работающих фильтров.

2. Предложен способ формирования универсальной базы правил, не зависящей от количества работающих фильтров. Формализован подход к записи базы правил с помощью матрицы коэффициентов участия проверяемых состояний работающих фильтров в каждом из правил.

3. Выполнен анализ режимов работы блока фильтров подпитки теплосети ТЭЦ ВАЗа в течение одного отопительного сезона с целью выявления решений, принятых оператором в процессе дистанционного управления блоком. На их основе создан эталонный набор базовых ситуаций, используемый в дальнейшем для параметрической настройки нечеткого алгоритма управления блоком фильтров.

4. Осуществлена параметрическая настройка нечеткого алгоритма управления. В процессе разработки процедуры настройки выполнен переход к описанию режима работы фильтра через несимметричные трапециевидные функции принадлежности, которые определены с помощью узловых точек минимума и максимума значений функций принадлежности соседних термов. Варьирование координатами узловых точек при соблюдении ограничений на линейную упорядоченность термов позволило получить стопроцентное совпадение решений принимаемых алгоритмом с эталонным набором решений принятых оператором.

5. С помощью специализированных пакетов компьютерного моделирования проведены вычислительные эксперименты по проверке работоспособности предложенных алгоритмов управления блоком подпитки теплосети на базе нечеткой логики, реализован алгоритм управления блоком фильтров с применением универсальной базы правил, выполнена параметрическая настройка алгоритма по эталонному набору базовых ситуаций.

6. Предложена программная реализация алгоритма автоматического управления блоком фильтров на базе языков программирования стандарта МЭК-61131.3. Система автоматического управления реализована в рамках программного обеспечения АСУ ТП участком подпитки теплосети ТЭЦ ВАЗа.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Гаврилов, Филипп Александрович, 2006 год

1. Алиев P.A., Мамедова Г.А. Идентификация и оптимальное управление нечеткими динамическими системами // Изв. АН: серия техническая кибернетика, № 6, 1993.

2. Анисимов В.Ю., Борисов Э.В. Методы достоверности реализации нечетких отношений в прикладных системах искусственного интеллекта // Изв. АН: серия техническая кибернетика, № 5, 1991.

3. Баулина А. И. Гурвич. С. М. Обработка воды на тепловых электростаниях. издательство «Энергия»., Москва. Ленинград., 1966.

4. Берштейн Л.С., Казупеев В.М., Коровин С .Я., Мелихов А.И. Параллельный процессор нечеткого вывода для ситуационных экспертных систем // Изв. АН: серия техническая кибернетика, № 5,1990.

5. Берштейн Л.С., Коровин С.Я., Мелихов А.Н., Серяев И.Е. Функционально-структурное исследование

6. Борисов А.Н., Крумберг O.A., Федоров И.А. Принятие решений на основе нечетких моделей. Примеры использования. Рига: «Зинатне», 1990.

7. Борисов А.Н., Крумберг O.A., Федоров И.П. Принятие решений на основе нечетких моделей: примеры использования // Рига, Зинатые, 1990, 184 с.

8. В. Дьяконов, В. Круглов. Математические пакеты расширения MATLAB. Специальный справочник. -Санкт-Петербург: Питер, 2001 с. 307309

9. Васильев В.И., Рсмбольд У., Аполов С.Г., Кирин Д.В. Адаптивное нейро-фаззи управление многозвенным манипулятором // Интеллектуальные автономные системы. -Уфа-Карлсруэ: УГАТУ, 1996. С. 23-27.

10. Величенко ВВ. Технический интеллект // Интеллектуальные системы. 1996. Т. I, Вып. 1-4. С. 5-18.

11. Водоподготовка. Процессы и аппараты. Под. ред. док. техн. наук, проф. О.И. Мартыновой. Учебное пособие для вузов. М.: Атомидат, 1977. 352 е.

12. Габасов Р., Кириллова Ф.М. Качественная теория оптимальных процессов. — М.:Наука, 1971.

13. Гаврил ов А.И. Перспективы применения нейросетевых технологий в системах автоматического управления // Вестник МГТУ имени Н.Э. Баумана. Приборостроение.- 1998.- №1.- С119-126.

14. Гаврил ов А.Н., Пузикова JI.A., Пылькин А.И. Последовательная процедура принятия решений о состоянии канала связи на основе проверки нечетких гипотез // Изв. АН: серия техническая кибернетика, № 2, 1994.

15. Горбань А.Н., Россиев Д.А. Нейронные сети на персональном компьютере. Новосибирск: Наука, 1996.

16. Деменков Н.П., Молчанов И.А. Нечеткая система автоматической оптимизации. Вестник МГТУ им. Баумана.

17. Елисеев П.И. Интерпретация нечетких подмножеств в задачах моделирования и управления // Изв. АН: серия техническая кибернетика, № 3,1992.

18. Елтаренко Е. А. Оценка и выбор решений по многим критериям. -М.: МИФИ, 1995.- 111с. Ларичев О. И., Мошкович Е. М. Качественные методы принятия решений: Вербальный анализ решений. М.: Наука: Физматлит, 1996. - 207с.

19. Журнал «Современные технологии автоматизации». 2005 г. № 2.

20. Заде Л. Понятие лингвистической переменной и его применение к понятию приближенных решений // В серии: Математика. Новое в зарубежной науке / Под ред. А.Н. Колмогорова, С.П.Новикова. М.: Мир, 1976.,

21. Заде Л., Дезоэр Ч. Теория линейных систем. Метод пространства состояний // Москва, Наука, 1970, 704 с.

22. Захаров В.И., Ульянов C.B. Нечеткие модели интеллектуальных промышленных регуляторов и систем управления: Научно-организационные, технико-экономические и прикладные аспекты // Изв. РАН. Техническая кибернетика.- 1992. N 5. - С. 171-196.

23. Захаров В.И., Ульянов C.B. Нечеткие модели интеллектуальных промышленных регуляторов и систем управления: Эволюция и принципы построения // Изв. РАН. Техническая.

24. Захаров В.И., Ульянов C.B. Нечеткие модели интеллектуальных промышленных регуляторов и систем управления // Изв. АН: серия техническая кибернетика, № 4,5,1993.

25. Зубов В.И. Лекции по теории управления. М.: Наука, 1975.

26. Иванов В.А. Управление производительностью группы блоков подпитки теплосети// Тезисы докладов Межрегиональной юбилейной научно-практической конференции «Перспективные проекты и технологии в энергетике».- Волгоград, 2005

27. Кофман А., Введение в теорию нечетких множеств. М.: радио и связь, 1982.

28. Красовский А. А Справочник по теории автоматического управления.- М.: Наука 1987.

29. Красовский H.H. Проблемы управляемости, наблюдаемости // Труды 2-го Всесоюзного съезда по механике. — М.: Наука, 1964. С. 77-93.

30. Круглов В. В., Борисов В.В. Искусственные нейронные сети. Теория и практика. М.: Радио и связь, 2000.

31. Куржанский А.Б. Управление и наблюдение в условиях неопределенности. -М.: Наука. 1977.

32. Леоненков A.B. Нечеткое моделирование в среде MATLAB и fuzzy TECH.- СПб.: БХВ-Петербург, 2005.- 76 с.

33. Макеев С.П., Пицык В.В., Полуденко В.А. Согласование целей развития больших технических систем с возможностями реализации их характеристик при нечеткой исходной информации // Изв. АН: серия техническая кибернетика, № 5,1991.

34. Мелихов А.Н., Бернштейн JI.C., Коровин C.JI. Ситуационные советующие системы с нечеткой логикой. М.: Наука, 1990. - 272 с.

35. Мелихов А.Н., Бернштейн JI.C., Коровин С.Я. Ситуационные соответствующие системы с нечеткой логикой. -М.: Наука, 1990.

36. Методы робастного, нейро-нечеткого и адаптивного управления: Учебник / Под ред. Н. Д. Егупова; издание 2-е, стереотипное.- М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. 744 е., ил.

37. Нгуен Минь Хай Моделирование с помощью нечетко-значной вероятностной логики // Изв. АН: серия техническая кибернетика, № 5,1993.

38. Непейвода А.Н., Кутергин В.А. Об уровнях знаний и умении в экспертных системах // Экспертные системы: состояние и перспективы / Под ред. Д.А. Поспелова. — М.:Наука, 1989. С. 30-37.

39. Нечеткие множества в моделях управления и искусственного интеллекта / Под ред. Д.А. Поспелова М.:Наука, 1986. - 311с.

40. Нечеткие множества и теория возможностей. Последние достижения / Под. ред. Р. Ягера М.: Радио и связь, 1986. - 391с.

41. Охоцимский Д.Е. К теории движения ракет // Прикл. мат. и мех. 1946. Т. 10. № 1.С. 251-272.

42. Параметрическая настройка нечеткой модели на основе пассивного эксперимента.// Вестник Самарского государ-ственного технического уни-верситета. серия «технические науки» Самара: СамГТУ №40. 2005 г., с. 184-187. Ф.А. Гаврилов, С. А. Колпащиков.

43. Поспелов Г.С. Системный анализ и искусственный интеллект // Сообщения но прикладной математике. — М.: ВЦ АН СССР, 1980.

44. Поспелов Д.А. Логико- лингвистические модели в системах управления. М.: Энергоиздат, 1981. - 231с.

45. Потюпкин А.Ю. Решение задачи идентификации нечетких систем // Изв. АН: серия теория и системы управления, № 2, 1996.

46. Прикладные нечеткие системы/ под ред. Тэрано Т., Асаи К., Сугено М- Мир, 1993.

47. Пупков К.А. О некоторых новых задачах теории и техники интеллектуальных систем // Труды 3-го Международного симпозиума «Интеллектуальные системы» / Под ред. К.А.Пупкова. М.: ООО «TBK». 1998. С. 19-23.

48. Пупков К.А. Интеллектуальные системы: проблемы теории и практики. Изв. ВУЗов. Сер. Приборостроение. 1994. №9-10. -С. 3-5.

49. Романов А.Ф., Шемакин Ю.И. Индуктивно-дедуктивный логический вывод в нечетких условиях // Изв. АН: серия техническая кибернетика, № 5, 1992.

50. Саати Т., Керне К. Аналитическое планирование. Организация систем / Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1991. - 224 с.

51. Силов В.Б. Оптимизация многокритериальных систем нечетко-условного программирования // Изв. АН: серия техническая кибернетика, № 4,1992.

52. Ситуационно-фреймовой сети эксплуатационной системы с нечеткой логикой // Изв. АН: серия техническая кибернетика, № 2, 1994.

53. Соснин П.И., Канаев О.Г., Афанасьев А.И. Процессоры обработки нечеткой информации. Саратов: Из-во Саратовского университета, 1988. - 76 с.

54. Справочник по теории автоматического управления / Под ред. А.А. Красовского. -М.: Наука, 1997.

55. Техническая кибернетика, теория автоматического регулирования / Под. ред. В.В.Солодовникова. Кн. 1: Математическое описание, анализ устойчивости и качества систем автоматического регулирования. М.: Машиностроение, 1967.

56. Тимофеев А.В. Юсупов P.M. Интеллектуальные системы управления // Изп. РАН. Тех. кибернетика. 1994. № 5. С. 209-224.

57. Ульянов С.В. Нечеткие модели интеллектуальных систем управления: теоретические и прикладные аспекты // Изв. АН: серия техническая кибернетика, № 3, 1991.

58. Чернов В.Г. Организация ввода аналитических данных в нечеткие контроллеры // Изв. АН: серия техническая кибернетика, № 5, 1994.

59. Язенин А.В. Квазиэффективные решения задач многокритериальной нечеткой оптимизации // Изв. АН: серия техническая кибернетика, № 5, 1992.

60. Bellman R.E., Giertz М. On the Analytic Formulizm of the Theory of Fuzzy Sets // Inf.Sci. 1973. № 5, P. 149-156.

61. Bellman R.E., Zadch L.A. Decision-Making in a Fuzzy Environment // Management Science.1970. № 17. P. B-14I-B-164.

62. Kalman R.E., Bertram Т.Е. Control System Analysis and Design via the Second Method of Lyapunov // J. Basic Eng. 1960. № 6. P. 96-112.

63. Narendra K.S., Parlhasarathy K. Identification and Control of Dynamical Systems Using Neural Networks // IEEE Transactions on Neural Networks. 1990. № 1. P. 4-27

64. Saaty R.W. The analytic hierarchy process- what is it and how it is used // Mathematical Modelling. 1987.- Vol. 9, N 3-5. - P. 161-176.

65. Saaty T.L. Exploring the interface between hierarchies, multiple objectives and fuzzy sets // Fuzzy Sets and Systems. -1978. Vol.1. - P. 57-68.

66. Slaib W.E., Slaib R.B. The Intelligent Arc Furnace™ Controller: A Neural Network Electrode Position Optimization System for the Electric Arc Furnace // Proc. Internat. Joint Conference on Neural Networks. 1992. P. Ill l-III 9.

67. Tong R.M. The construction and evaluation of fuzzy models.- In: Advances in fuzzy set theoiy and applications / Ed. By Gupta M.M., Ragade R.M., Jager R.R. Amsterdam: North-Holland, 1979. - P. 559-575.

68. White D.A., Sofge D.A. Editors' Preface // Handbook of Intelligent Control. Neural, Fuzzy, and Adaptive Approaches / Eds. D.A. White, D.A. Sofge. — New York: Van Nostrand Reinhold. 1992. P. XVII-XVIII.

69. Zadeh L. Fuzzy sets // Information and Control. — 1965. — №8. — P. 338-353.