автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Адаптивная система управления параметрами микроклимата процессов производства и хранения пищевых продуктов

На правах рукописи

Пешко Михаил Сергеевич

АДАПТИВНАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПАРАМЕТРАМИ МИКРОКЛИМАТА ПРОЦЕССОВ ПРОИЗВОДСТВА II ХРАНЕНИЯ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ

Специальность 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (в пищевой промышленности)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 4 окт 2015

Москва-2015

005563397

005563397

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Омский государственный технический университет» (ОмГТУ) на кафедре «Автоматизация и робототехника»

Научный руководитель Шкапов Павел Михайлович,

доктор технических наук, доцент

Официальные оппоненты Егоров Александр Федорович,

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Компьютерно-интегрированные системы в химической технологии» ФГБОУ ВПО «Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева», г. Москва

Шаверпи Андрей Вениаминович,

кандидат технических наук, менеджер по продукции компании ООО «ОМРОН Электронике», г. Москва

Ведущая организация ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный

университет инженерных технологий», г. Воронеж

Защита диссертации состоится «5» ноября 2015 г. в 12:00 на заседании диссертационного совета Д 212.148.02 в ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет пищевых производств» по адресу: 109316, г. Москва, ул. Талалихина, д. 33, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет пищевых производств» http://mgupp.ni.

Автореферат разослан « Ь » октября 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н., доцент

/''у /■■ / О'

Орешина М. Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В современном промышленном производстве значительное внимание уделяется автоматизации управленческих функций человека при управлении технологическими процессами и производствами. Наиболее сложными для этой задачи являются процессы, для которых отсутствует полная априорная информация о параметрах или такая информация противоречива. Типичным классом подобных объектов управления являются технологические процессы производства и хранения пищевой продукции. В настоящее время значительное развитие получили интеллектуальные системы управления, позволяющие использовать накопленный опыт экспертов по технологическому процессу для создания эффективных систем управления. Это подтверждается работами таких авторов как Д. А. Поспелов, А. П. Ротштейн, Д. Рутковская, Т. Кохонен, М. М. Благовещенская, А. Пегат, Н. П. Деменков, Р. А. Гостев, К. Асаи, А. В. Леоненков, С. Д. Штовба, С. И. Савосин, В. И. Васильев, И. М. Макаров, Р. А. Алиев, А. В. Соллогуб, В. В. Бугровский, М. Р. Васюхин, Н. Н. Ястребова и др. Однако, несмотря на значительное число работ в области интеллектуального управления, большинство из них направлены на решение частных задач, и разработка интеллектуальных систем, учитывающих технологические особенности процессов производства пищевой продукции, не нашла значительного отражения.

Таким образом, задача исследования и разработки интеллектуальной системы управления, позволяющей алгоритмизировать ручные процессы управления производством и хранением пищевой продукции с использованием профессиональных знаний и опыта технологов, является актуальной.

Степень разработанности темы исследовании. Вопросы автоматизации управления технологическими процессами в научном плане интенсивно разрабатываются в настоящее время. При этом практически отсутствует в известных библиографических источниках рассмотрение процессов производства и хранения пищевых продуктов как многосвязного объекта управления с установлением характера этих взаимосвязей и решением вопросов построения многосвязной системы автоматического управления. Не решены задачи создания адаптивных, динамически развивающихся систем управления, основанных на автоматизации управленческих функций человека-технолога и, в основном, заменяющих его при ведении рассматриваемых процессов.

Цели и задами разработки темы исследования. Целью диссертационной работы является развитие и совершенствование методов и алгоритмов управления нестационарными объектами и процессами на основе использования интеллектуальных технологий управления и нечеткой логики

В качестве основных задач исследования выделены следующие:

- разработка математической модели объекта управления с учетом присущих ему внутренних связей между параметрами технологического режима ■! внешними возмущающими факторами;

- разработка структуры и алгоритма системы нечеткого управления нестационарным технологическим процессом с многосвязным объектом управления (на примере параметров микроклимата процесса производства пищевых продуктов);

- исследование разработанной системы нечеткого управления и обоснование ее адекватности;

- разработка технических решений для реализации системы нечеткого управления процессом производства пищевых продуктов и оценка результатов опытно-промышленной эксплуатации.

Научная новизна исследования. Новые научные результаты работы предполагаются в виде:

- математических моделей процесса производства и хранения пищевых продуктов на основе представления процесса в виде многосвязной системы автоматического управления с уточнением связей между состояниями, возмущениями и выходами объекта управления;

- формализованного описания процесса фазификации с выбором и обоснованием набора лингвистических переменных и функций принадлежности параметров технологического процесса производства и хранения пищевых продуктов;

- динамической базы правил, учитывающей накопленный опыт осуществления процессов производства и хранения пищевых продуктов;

- правил логического вывода для управляющих воздействий, обеспечивающих учет условий осуществления процесса и его адаптацию к изменяющимся условиям функционирования для обеспечения эффективного производства пищевой продукции;

- модели и результатов моделирования системы нечеткого управления процессом производства и хранения пищевых продуктов.

Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретические исследования процесса производства пищевых продуктов как многосвязной системы управления методами теории автоматического управления. Разработка компьютерных моделей процесса и рекомендаций по их использованию. Построение модели процесса методами нечеткой логики и разработка алгоритма нечеткого управления процессом с динамической базой правил нечеткого вывода. Технические решения системы нечеткого управления процессом пищевого производства.

В качестве результата, обуславливающего практическую значимость работы, можно назвать:

- рекомендации по учету взаимосвязей технологических параметров процесса производства пищевых продуктов при разработке его математических моделей;

- рекомендации по выбору термов лингвистических переменных и функций принадлежности при описании процесса производства пищевых продуктов в терминах нечеткой логики;

- методика моделирования системы нечеткого управления;

- рекомендации по разработке компьютерных моделей системы нечеткого управления и методику моделирования;

- результаты исследований опытно-промышленной эксплуатации системы нечеткого управления.

Методология н методы исследования. В работе используются аналитические методы исследования, методы компьютерного моделирования и экспериментальные исследования, выполненные на натуральных объектах в производственных условиях. Для выполнения исследований использованы методы анализа и синтеза систем автоматического управления и математический аппарат теории автоматического

управления; математический аппарат нечеткой логики; методы аппроксимации и приближения; матричная лаборатория МаНаЬ; система визуального моделирования ЯтиНпк, а также методики выполнения экспериментальных исследований и обработки результатов эксперимента.

Научные положения, выносимые на защиту.

Результатом работы являются следующие основные научные положения, которые выносятся на защиту:

- метод и математические модели процесса фазификации состояния системы и управляющих воздействий с использованием предложенных функций принадлежности;

- методика синтеза динамической базы правил нечеткого вывода, основанной на изучении и обобщении опыта и знаний исследователей и технологов в рассматриваемой предметной области;

- структура регулятора и алгоритм нечеткого управления процессом производства и хранения пищевых продуктов;

- математические модели объекта управления, представляемого в виде многосвязной системы, с описанием взаимосвязей параметров объекта, управляющих воздействий и возмущений;

- методика моделирования системы нечеткого управления и разработанные модели в среде МаПаЬ;

- технические решения и практическая реализация системы нечеткого управления процессом производства пищевых продуктов с использованием программируемых контроллеров и управляющих ЭВМ.

Обоснованность и достоверность результатов обеспечивается обширным обзором исходных данных, библиографических источников и практических рекомендаций; адекватным использованием методов исследований и соответствующего математического аппарата; проверкой полученных выводов, моделированием и экспериментальным исследованием, применением компьютерных систем научных исследований.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на международной научно-практической конференции «Проблемы, перспективы и стратегические инициативы развития теплоэнергетического комплекса» (Омск, 2011 г.), 2-ой Международной научно-технической интернет-конференции молодых ученых «Автоматизация, мехатроника, информационные технологии» (Омск, 2012 г.), Первой международной заочной научно-практической конференции «Современные проблемы теории машин» (Новокузнецк, 2013 г.), 8-ом Международном симпозиуме «Фундаментальные и прикладные проблемы науки» (Москва, 2013 г.), 9-ой Всероссийской научно-практической конференции «Системы автоматизации в образовании, науке и производстве» (Новокузнецк, 2013 г.), IV Международная научно-техническая интернет-конференция молодых ученых «Автоматизация, мехатроника, информационные технологии» (Омск, 2014 г.), Общемосковском научно-методическом семинаре кафедры теоретической механики МП'У им. Н. Э. Баумана (Москва, 2015 г.), научном семинаре кафедры «Автоматизированные системы управления биотехнологическими процессами» МГУПП (Москва, 2015 г.).

Внедрение результатов диссертационного исследования. Разработанные модели и методы приняты к внедрению в производственный процесс коммерческого тепличного комплекса ООО «ОГК» (г. Омск). Материал диссертационной работы используется в учебном процессе кафедры «Автоматизация и робототехника» ФГБОУ ВПО «ОмГТУ» для студентов специальностей 220400.62 «Управление в технических системах» и 220700.62 «Автоматизация технологических процессов и производств».

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 15 статьях, в том числе 5 в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5-и глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем работы составляет 200 страниц машинописного текста, содержит 62 рисунка, 32 таблицы и список литературы из 136 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, определены цели и задачи исследования, показаны научная новизна исследования и практическая значимость полученных результатов.

В первой главе проведен анализ состояния вопроса в области систем управления технологическими процессами пищевой промышленности.

На примере обзора библиографии показан современный подход к управлению процессами пищевого производства в виде принципа РШ-регулирования для обеспечения заданных значений. В целях повышения эффективности регулирования заданными параметрами системы управления по отклонению получили развитие такие методы, как использование нелинейных коэффициентов, нечеткого управления по отклонению, повышение точности измерений в системе регулирования, нахождение оптимальных параметров линейных регуляторов в условиях информационной неопределенности относительно статических характеристик возмущающих воздействий.

В качестве примера был исследован технологический процесс созревания сыра. Основными параметрами были выделены температура воздуха в технологическом помещении, влажность воздуха и химический состав воздуха. Определены основные возмущающие факторы, влияющие на протекание технологического процесса. Проанализировано влияние каждого из параметров технологического процесса на качество получаемой продукции. Сделан вывод о существенной зависимости эффективности протекания процесса от квалификации технолога, контролирующего процесс по значительному числу влияющих факторов. Основную трудность при этом представляет выбор эффективного сочетания параметров технологического процесса на основе противоречивых требований к объему и качеству ее получения.

Недостатки традиционных алгоритмов регулирования и используемый принцип стабилизации технологических режимов процессов пищевого производства привели к попыткам совершенствования алгоритмов управления на основе усовершенствованных математических моделей. Ввиду неточности поддержания технологических параметров линейными алгоритмами, отсутствия учета внешних и

внутренних возмущающих факторов, влияющих на протекание технологического процесса, были созданы комбинированные алгоритмы работы, позволяющие частично или полностью компенсировать возмущающие воздействия внешних и внутренних факторов, используя модели частей технологического процесса. Рассматриваются алгоритмы оптимального управления микроклиматом для достижения наивысшей производительности и минимизации расходов на поддержание необходимых технологических параметров. Исследуется алгоритм снижения энергозатрат путем расчета оптимальной температуры по критерию удельной энергоемкости, повышению точности поддержания температуры, устойчивости работы системы автоматического управления и качества переходных процессов в работе.

В результате проведенного исследования были сделаны выводы о том, что в современном понятии автоматизации процессов пищевых производств наиболее распространенным подходом к автоматизации управления является использование автоматических локальных регуляторов для выдерживания заданных значений параметров технологического режима, а задача оптимизации и адаптации процесса в конкретных условиях функционирования, как правило, решается технологом, ведущим процесс, путем изменения уставок параметров режима для локальных регуляторов. Рассматривается устойчивость этих процессов, их качество и эффективность управления по тому или иному критерию. В то же время мало внимания уделяется качеству самого процесса производства и хранения (выход товарной продукции, качество продукции, длительность процесса хранения и др.). В известных работах задачи адаптации и оптимизации в системе управления процессом рассматриваются, в основном, по отношению к отдельному контуру регулирования (система отопления, система вентиляции и т.д.) по критерию затрат на функционирование соответствующей системы или по ошибке поддержания заданного параметра.

Во второй главе производится уточнение математической модели параметров микроклимата технологического помещения для производства пищевой продукции с использованием формализованного метода, в основе которого лежит физический подход с интерпретацией физических переменных, определяющих динамические качества систем. Модель должна учитывать многосвязность параметров микроклимата технологического помещения, что в большинстве известных подходов не принимается во внимание. Для этого в первом разделе был представлен объект управления в виде технологического помещения, где были выделены основные параметры микроклимата, возмущающие воздействия и управляющие воздействия.

Сформулированы принципы влияния управляющих воздействий на параметры микроклимата и влияния внешних воздействий. Приведены в качестве исходных допущения при описании процессов в условиях производства и хранения пищевой продукции в технологических помещениях.

Были получены дифференциальные уравнения (1), описывающие изменения основных параметров микроклимата процесса: температуры воздуха в технологическом помещении, влажности воздуха и химического состава воздуха (на примере концентрации углекислого газа ССЪ).

<V dt G„ Gy,fiJ

G(t) dt c°" GCO

где p - плотность воздуха (кг/м3); F - объем воздуха (м3); С - удельная теплоемкость воздуха (Дж/град • кг); к - коэффициент теплопередачи ограждающей конструкции (Дж/(м2 -с- °С)), F - площадь ограждающих конструкций (м2), T(t) -температура воздуха внутри технологического помещения (град); QnorT (t) - тепловые поступления от системы обогрева (Вт); Ти (t) - температура воздуха наружная (фад). Ссвеж (t) - расход свежего воздуха для вентиляции помещения (кг/с), Саозд-удельная теплоемкость воздуха (Дж/кгтрад), йТ - перепад температуры приточного и внутреннего воздуха в помещении (град), Gyx (t) - расход уходящего воздуха (кг/с), X(t) - абсолютная влажность воздуха в атмосфере технологического помещения (кгв0ды/кгв03дух), Хсвеж (t) - абсолютная влажность свежего воздуха (кгв0дь1/кгв03лух), Спар(0 - расход пара (кг/с), G(t) - расход воздуха системой вентиляции (кг/с), C02(t)

- абсолютное содержание С02 в атмосфере технологического помещения (кгСОг/ кгВОздух). C02CBelK.(t) - абсолютное содержание С02 в атмосфере (кгСОг/кг), oxi(t,m)

- биологический процесс, сопровождаемый выделением ССЬ в воздух технологического помещения (кгС02/с).

На основании полученной модели было произведено комплексное исследование процессов регулирования параметров микроклимата технологического процесса, что позволило построить структуру, описывающую многосвязную систему автоматического регулирования (рисунок 1).

Установлено влияние на температуру воздуха T(t) управляющего и возмущающих воздействий в виде передаточных функций (2), (3) и (4):

т(р) к,

Г(р) к2

где Т(р) - изображение Лапласа для внутренней температуры, Т„_(р) - изображение Лапласа для наружной температуры, Тт - постоянная времени; <?пост.(р) - изображение Лапласа для работы системы отопления, кг = ^ - коэффициент действия системы отопления, Ссвеж.(р) - изображение Лапласа для расхода свежего воздуха, к2 = — — С[1а,д АТ - коэффициент действия системы вентиляции.

На влажность воздуха Х(0 влияние управляющего и воздействий представлено передаточными функциями (5), (6) и (7):

И"п(р) = Щ2(Р) = №хз(р) =

Х(р) _ 1

Хсвеж(Р) (ТхР + 1)

Х(р) к3

С„ар(р) (ТхР + 1) '

Х(р) к4

возмущающих

(5)

(6) (7)

С-(р) (Тхр + 1) '

где Х(р) - изображение Лапласа для влажности воздуха внутри технологического помещения, Хсвеж (р) - изображение Лапласа для влажности свежего воздуха,

Тх=— - постоянная времени процесса увлажнения. Спар(р) - изображение

Сух.

Лапласа для расхода пара, к3 =--коэффициент преобразования по расходу пара,

Сух.

С'(р) - изображение Лапласа для расхода свежего воздуха, /е4 = Спар - коэффициент преобразования по расходу свежего воздуха.

УУп(р)

охЦ^т)

\Л/С02-з(р)

Рисунок 1 - Общая структура входных и выходных параметров

Влияние управляющих воздействий и возмущений на химический состав воздуха (на примере концентрации углекислого газа ССЬ) в технологическом помещении представлено передаточными функциями (8), (9) и (10):

С02(р) 1

(Tco2P + W

(8)

ш г л С02(Р)

^^^Ж'р^ + Ч' (9)

ш г л С02(р) nm

где С02(р) - изображение Лапласа для концентрации углекислого газа ССЬ внутри технологического помещения, С02свеж (р) - изображение Лапласа для концентрации

pv

углекислого газа С02 в свежем воздухе, ТС02 = — - постоянная времени процесса

вентиляции, G'(p) = —— - изображение Лапласа для расхода воздуха в системе с(р)

вентиляции, к5 = oxi(p,m) - коэффициент преобразования по расходу воздуха, oxi(p,m) - изображение Лапласа для выделения углекислого газа С02 биомассой, к6 = ^ - коэффициент преобразования по выделению углекислого газа биомассой.

Сделаны выводы о значимости влияния каждого из параметров на температуру воздуха, как объекта управления. Были выделены комплексные влияния на работу остальных параметров процесса. Сделаны выводы о необходимости применения специальных и сложных алгоритмов управления для обеспечения автономности управления по каждой выходной величине. Отмечено, что первостепенное значение для микроклимата имеет не столько точность поддержания значений отдельных параметров, а сколько эффективный выбор их сочетания.

Принято решение об использовании нечеткой логики в качестве основы интеллектуальной системы управления параметрами микроклимата технологического процесса, максимально учитывающей рекомендации производственников и результаты исследований технологических процессов.

В третьей главе решается задача разработки интеллектуальной системы, способной решать эвристические задачи без участия человека, принимающего решения по выбору управления. Обоснована целесообразность использования для автоматизации управления параметрами микроклимата процесса интеллектуальных технологий управления и предложена система нечеткого управления (рисунок 3), как наиболее соответствующая рассматриваемому случаю.

Определены следующие задачи, решение которых необходимо для разработки интеллектуальной системы, на базе нечеткой логики: фазификация, формулирование базы правил, определение алгоритма нечеткого вывода, дефазификация.

Решена задача фазификации управляющей информации технологического процесса. Для решения задачи используются положения, сформулированные на основе экспертных оценок, ведущих технологический процесс. Для всех параметров технологического процесса вводятся лингвистические переменные и термы. Обоснована связь между значениями физических величин технологических параметров и термами лингвистических переменных. Так для лингвистической переменной «Температура процесса» были заданы 6 термов с интервалами (таблица 1).

Для построения функций принадлежности, в условиях, ограниченных экспериментальными данными и наличием одного эксперта, был осуществлен выбор модифицированного метода Саати и определены функции принадлежности технологических параметров. Для функции принадлежности терма «эп» лингвистической переменной «Температура процесса» была получена матрица со сравнительными оценками эксперта-технолога и вычисленными остальными оценками с учетом, что матрица: диагональна, обратно симметрична и транзитивна.

Таблица 1 - Термы лингвистической переменной «Температура процесса»

Диапазон температур, °С Характеристика терма Обозначение терма

<12 Температура пониженная п

12-14 Температура немного пониженная вп

13-5-15 Температура номинальная г

14-16 Температура немного повышенная ер

15+17 Температура повышенная Р

>17 Температура завышенная Ьр

В результате расчета точек функции принадлежности и их последующей кусочно-линейной аппроксимации, были получены аналитические выражения для соответствующих участков левого плеча функции принадлежности терма «вп».

После получения и объединения описаний левого и правого плеч функции принадлежности, полная запись функции принадлежности для терма «вп» выглядит так (11):

Т <12; /1Я,(Г) = 0;

12 < Т < 12,17; ц5П(Т) = 0,687Т - 8,25;

12,17 < Т < 12,33; цт(Т) = 0,294Т - 3,466;

12,33 < Т < 12,50; ц,п(Т) = Т - 12,17;

12,50 < Г < 12,67; ц,п(Т) = 4Д87Г - 52,013;

12,67 < Т < 12,83; /^„(Г) = 1; 12,83 < Г < 13; цт(Т) = 1; аг,

13 < Г < 13,17; ц,п(Т) = 1;

13,17 <Т< 13,33; цзп(Т) = 1;

13,33 < Т < 13,50; цзп(Т) = -3,941 Т + 53,535;

13,50 < Т < 13,67; д5П(Г) = -1,062Г + 14,673;

13,67 < Т < 13,83; ц,п(Т) = -0,294Т + 4,177;

13,83 < Т < 14; цзп(Т) = -0,647Т + 9,058;

Т > 14; ^„(Г) = 0;

где Т - температура воздуха в технологическом помещении; - функция

принадлежности терма «5П».

Графическое представление в кусочно-линейном виде функции принадлежности терма «5п» приведено на рисунке 2 пунктирной линией.

С целью упрощения математического описания функции принадлежности и ее дальнейшей реализации в системах нечеткого управления была осуществлена аппроксимация полиномами Лагранжа. Так, для функции принадлежности терма «вп» была получена следующая запись (12):

Т < 12; ц5П(Т) = 0;

12 < Т < 13; д5П(Г) = а5П_, + а\п_,Т + - ДГОТ)";

13 < Т < 14; М5пШ = а5П_г - а^Г + а»т_г(Г - ДГ,П)";

Т > 14; Цт(Т) = 0;

где Г- температура воздуха в технологическом помещении; АТЖ=\Ъ - ядро нечеткого множества заданного функцией принадлежности /и„,(Т); /х„,(Т) - функция принадлежности терма <«л»; <з„,,=-2,52; а'„,./=0,27; <з2т_,=3,177; в'?ет.,=20,833; Л-/=29,947; 13,02; а„,.,=4,52; а'„,.,=0,27; =3,177; ,.,=20,833; а"№.,=29,947; а5Ям=13,02 - коэффициенты.

Графики для исходного варианта функции принадлежности и аппроксимированной зависимости представлены на рисунке 2. Обоснована эффективность описания функции принадлежности аппроксимированной зависимостью.

/У Л)

1

/ 1 1

\\

/

/. ЦГШ1.

Рисунок 2 - Функция принадлежности для терма «.ш»: пунктирная линия - кусочно-линейная характеристика; сплошная линия - аппроксимация полиномами Лагранжа

На основе анализа библиографических исследований и обобщения практического опыта были сформулированы правила, описывающие стратегию выбора эффективных параметров микроклимата технологического процесса с учетом состояния внешней среды для досгижения максимального результата (производительность, качество продукции) с наименьшими затратами. Для использования полученных правил в системе нечеткого управления, последние были преобразованы в логические выражения, построенные на основе нечеткой импликации:

1. ЕСЛИ «наружная температура» = «п» И «наружное содержание углекислого газа» = «г» И «температура процесса» = «г», ТО «Упр.Т» = «51».

2. ЕСЛИ «наружная температура» = «п» И «наружное содержание углекислого газа» = «г» И «температура процесса» = («эр» ИЛИ «р» ИЛИ «Ьр»), ТО «Упр.Т» = «С1».

3. ЕСЛИ «наружная температура» = «п» И «наружное содержание углекислого газа» = «г» И «температура процесса» =(«п» ИЛИ «вп»), ТО «Упр.Т» = «Ор».

С использованием логических выражений была разработана база правил для нечеткого регулятора, обеспечивающая адаптацию управляемого процесса при изменении внешних условий осуществления процесса и его оптимизацию по эффективности. В табличной форме база представлена на таблице 2. В верхней строке таблицы указаны термы лингвистических переменных, характеризующих технологический режим: температура процесса T(t), влажность M(t) и концентрация углекислого газа Q(t) и их термы, описывающие состояние параметра. В ячейках таблицы указаны термы лингвистических переменных, описывающих управляющие воздействия регулятора по каналам управления температурой «Упр. Т», влажностью «Упр. М» и концентрацией углекислого газа «Упр. Q»: Ор - увеличивать управление; St - не изменять управление (стоп); Cl - уменьшать управление.

Таблица 2 - База правил нечеткого регулятора

T/M/Q bn n sn 7. sp p bp bbp

Tout = п И Qout = z

Упр.Т fil Op Op St Cl ci Ici

Упр. M Op Op St Cl feues шт-

Упр. Q I Cl Cl Cl St Op op 1 Op ор

Tout = bn И Qout = z

Упр.Т «Ш* Op St Cl Cl Cl 1 С. ВШ'

Упр. M Op Op St Cl ШШш

Упр. Q Cl Cl Cl Cl Cl St Op Op

Tout = z И Qout = z

Упр.Т Op Op Op St Cl Cl

Упр. M Op St Cl Cl

Упр. Q Cl St Op Op Op Op Op Op

Tout = n И Qout = p

Упр.Т Op Op St Cl ci | ci Krnx^

Упр. M Op Op St Cl

Упр. Q Cl Cl Cl Cl St Op Op Op

Tout = bn И Qout = p

Упр.Т Hit Op St Cl Cl Cl Cl Ш

Упр. M Op Op St Cl

Упр. Q | Cl Cl Cl Cl Cl Cl St Op

Tout = z И Qout = p

Упр.Т Op Op Op I St Cl 1 Cl |ШШ§

Упр. M Op St Cl Cl

Упр. Q [ Cl Cl St Op 1 Op Op Op Op

Для решения задачи нечеткого вывода осуществлен выбор «максиминного» алгоритма нечеткого вывода, и на основе базы правил были разработаны правила нечеткого вывода (13) для управляющего воздействия: 1- М,.ЛЮ = тах{ггнп[//,(Г), //х(Т„„г)„«у(001„)]};

2- ¡и„Л^) = тах{т\п1м1{М),/1ЛТО1,1),Му(О0и1)}}; (13)

3- ^(Уа) = тах{гшп[//к(О), мЛТм),М,{Ош)]) > где ,„ - результирующая функция принадлежности лингвистической переменной управляющего воздействия; Ут, Ум, Уд - управляющее воздействия в канале управления температурой, влажность и концентрацией углекислого газа; Т, М, <2, Тои„ <2Ш„ - значение температуры, влажности, содержания углекислого газа, наружной температуры и наружной концентрации углекислого газа; }, к - термы лингвистических переменных, описывающих состояние температуры, влажности и концентрации углекислого газа; х, у - термы лингвистических переменных, характеризующих температуру окружающей среды и наружную концентрацию углекислого газа.

Обоснован выбор метода центра тяжести для процедуры дефазификации и получения управляющих значений на исполнительные механизмы. Физическая величина управляющего воздействия по каждому из каналов определяется по формуле (14):

|г< .//.(и)Лц 1/гв(и)е1и

где К, — физическая величина управляющего воздействия в канале г, т - числа правил базы знаний; и - величина управления в пределах ием,м; И - результат аккумулирования функций принадлежности термов лингвистической переменной управления.

V: =■

(14)

Предложена обобщенная структура системы нечеткого параметрами микроклимата технологического процесса (рисунок 3).

управления

Температура Т(0

Влажность МО)

Содержание С02 _Ш!)_

Наружная

температура

Тм<0

Наружное содержание С02

оиг)

Блок фазификации

База правил

Блок нечеткого вывода

МШ-МАХ

Чп,„(УТ)

Блок дефазификации

Угв^о)

се

Физические величины управляющего воздейевтия

УгМ

Уи(0

Рисунок 3 - Структура нечеткого регулятора параметрами микроклимата технологического процесса

На вход нечеткого регулятора подаются четкие значения параметров микроклимата технологического процесса и возмущения, которые затем подвергаются фазификации и приводятся к нечеткому виду. Каждый блок осуществляет свой этап нечеткого вывода. С помощью заданной базы правил и максиминного нечеткого вывода для каждого канала управления определяются результирующие функции принадлежности, которые поступают в блок дефазификации, где определяются точные значения управляющих воздействий на соответствующие исполнительные механизмы контуров регулирования.

В четвертой главе диссертации сформулированы задачи исследования системы нечеткого управления параметрами микроклимата технологического процесса. Осуществлен выбор математической лаборатории Matlab в качестве среды для моделирования системы нечеткого управления. На основе предложенного в третьей главе диссертации нечеткого регулятора разработана модель нечеткого регулятора в пакете Fuzzy Logic Toolbox. Разработано расширение для пакета Fuzzy Logic Toolbox с целью использования разработанных в данной работе оригинальных функций принадлежности типа «lagrmf». Общий вид функций принадлежности входных параметров процесса в Matlab представлен на рисунке 4.

нечеткого регулятора

Разработанная Ма^аЬ-модель системы нечеткого управления параметрами микроклимата технологического помещения основана на решениях и математических моделях настоящей работы. Модель представлена на рисунке 5.

Звенья W-T, W-M, M-Q моделируют динамику изменения температуры, влажности и концентрации углекислого газа в технологическом помещении, а звенья W-T-Q, W-M-Q - взаимовлияние параметров техно логического режима. Исполнительные устройства контуров управления моделируются связками звеньев GainT-KZRJieat; GainM-KZR_vapor, GainQ-MEO_Gfresh. Моделирование возмущений осуществляется с помощью двух сумматоров и звеньев Tout, Qout, T_Stepl-4, Q_Stepl-2.

Рисунок 5 - Matlab-модель интеллектуальной системы управления с нечетким

регулятором

Значение возмущения определяется результирующей суммой от звеньев постоянных величин Tout и Qout, характеризующих начальные возмущения, и звеньев «ступенек», изменяющих результирующее значение в заданный момент времени. Нечеткий регулятор Fuzzy Climate Control, смоделированный с использованием пакета Fuzzy Logic Toolbox, включен в модель системы в виде субмодели.

Выполнено исследование устойчивости системы нечеткого управления на примере канала температуры. Исследование выполнено с использованием абсолютного критерия устойчивости Попова, а сама система представлена в виде линейной части (исполнительный механизм, объект управления, датчик) и нелинейной (нечеткий регулятор). При исследовании учтены динамические свойства объекта управления, исполнительного механизма и датчика обратной связи.

Была получена модифицированная частотная характеристика линейной части системы (15):

_-К(Т1 + Г2)_ _]К{1-Т1Т2ш1)_

где К - суммарный коэффициент усиления линейной части; Т1 и Т2 - постоянные времени линейной части; со - частота.

Исследования доказали, что контур температуры с нечетким регулятором устойчив и демонстрирует приемлемые характеристики системы. Проведены исследования переходных процессов для управляемых параметров T(t), M(t), Q(t) технологического процесса, при изменении внешних по отношению к процессу условий (рисунок 6).

График на рисунке 6а показывает изменение наружной температуры окружающей среды, а график 66 - изменение наружной концентрации углекислого газа, которые являются возмущениями для параметров микроклимата технологического процесса.

.TOüllll v -л- > <---0--И <-.....[Т|_ > «-[л-Н

i

1,с

iQoutft) al

- ■ - I.C

JO) б)

, ^— г

J » М!0 >1

К ........... I...............

/ t,c"

а 0(1)

• t ■ - —^ . i---

V. I.C

Рисунок 6 - Графики переходных процессов в системе: (а) - график наружной температуры, (б) - график наружной концентрации углекислого газа, (в) - график температуры процесса, (г) - график влажности воздуха в технологическом помещении, (д) - график концентрации углекислого газа

В процессе исследования задавались четыре скачка наружной температуры воздуха и два скачка наружной концентрации углекислого газа С02, и затем снимались переходные процессы для управляемых параметров T(t), M(t) и Q(t) технологического процесса, возникающие при изменении внешних возмущений по отношению к процессу.

Исследования показали, что при изменении внешних условий функционирования системы обеспечивается адаптация процесса за счет

соответствующего автоматического изменения параметров технологического режима, обеспечиваемого нечетким регулятором. Качество системы нечеткого управления процессом (по требованиям теории автоматического управления) соответствует назначению системы и решаемым системой задачам.

В пятой главе диссертации разработана двухуровневая компьютерная система управления промышленным комплексом. Предложена аппаратная и программная часть для реализации системы управления. Разработано решение нечеткого регулятора на базе программируемого контроллера 81МАТ1С 87-300 и пакета РиггуСоп1го1-н-. Обоснована эффективность данного решения применительно к системе управления парамеграми микроклимата технологического процесса промышленного комплекса. Для опытно-промышленных испытаний системы нечеткого управления было разработано альтернативное решение на РС-совместимой среде (рисунок 7).

Рисунок 7 - Функциональная схема управления технологическим процессом с применением методов нечеткого управления

Предложенное решение основывается на использовании РС-совместимой системы в качестве системы верхнего уровня над промышленной системой управления технологическими параметрами, с рядом программного обеспечения. Представлены результаты испытаний системы управления на базе коммерческого производственного комплекса ООО «ОГК», расположенного в Омской области. Показаны основные элементы системы управления и их основные характеристики: датчики, исполнительные механизмы, шкаф системы управления, РС-совместимая система.

Экспериментальные исследования системы управления по стабилизации технологических параметров показали точность поддержания параметров, удовлетворительную технологическим требованиям. Значения параметров удерживались стабильными, как во время роста наружной температуры, так и при ее падении.

Так же были проведены исследования динамических свойств систем отопления и вентилирования. В процессе исследования на системы подавались единичные управляющие воздействия и затем снимались сигналы с измерительных датчиков, по значениям которых строились переходные процессы в виде трендов. Результаты испытаний подтвердили структурную адекватность предложенной математической модели объекта управления.

В результате испытаний интеллектуальной системы управления с использованием нечеткой логики на базе промышленного комплекса были получены данные в виде графиков об изменениях технологических параметров процесса, управляющих воздействий и внешних возмущений по отношению к процессу управления. Изменение температуры воздуха в технологическом помещении по отношению к наружной температуре представлено на рисунке 8.

Рисунок 8 - Графики температуры в технологическом помещении (а) - сплошная, уставки температуры (б) - пунктирная, и наружной температуры воздуха (б)

График изменения влажности воздуха в технологическом помещении представлен на рисунке 9.

Рисунок 9 - График изменения влажности воздуха в технологическом помещении

На рисунке 10 представлен график изменения химического состава воздуха (на примере концентрации ССЬ) в технологическом помещении по отношению к изменению наружной температуры воздуха.

Рисунок 10 - График изменения концентрации С02 (а) - сплошная, и уставки концентрации С02 (а) - пунктирная, в технологическом помещении по отношению к наружной температуре воздуха (б)

Результаты управления продемонстрированы с различной динамикой изменений внешних воздействий. Показан выход значений параметров технологического процесса на заданный базой правил эффективный режим работы при работе интеллектуальной системы управления. Таким образом, опытно-промышленные исследования показали, что в процессе управления параметрами микроклимата технологического процесса система интеллектуального управления на базе нечеткой логики обеспечила адаптацию параметров при непрерывно

изменяющихся внешних условиях с их стабилизацией в пределах допустимой точности управления, удовлетворяющей технологическим требованиям и позволила снизить энергозатраты на процесс производства до 10 % на одно технологическое помещение, по мнению экспертов-технологов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ II ВЫВОДЫ

В диссертационной работе на основании проведенных исследований была решена актуальная научно-техническая задача по разработке интеллектуальной системы управления параметрами микроклимата технологическим процессом производства пищевой продукции, реализованная на базе нечеткой логики, с целью обобщения накопленного опыта технолога для выбора и адаптации режимов технологического процесса относительно внешних возмущений. В процессе выполнения работы были получены следующие результаты, имеющие научное и практическое значение:

1. Обоснована целесообразность разработки интеллектуальной системы управления технологическим процессом производства и хранения пищевых продуктов, реализуемой на базе нечеткой логики с обобщением опыта технологов процесса в виде базы знаний.

2. Разработана модель параметров микроклимата технологического процесса производства и хранения пищевых продуктов, с учетом множественных взаимосвязей между параметрами процесса и управляющими сигналами. Показана целесообразность использования систем автоматического управления параметрами микроклимата с учетом многосвязности объекта управления.

3. Обоснована целесообразность использования для автоматизации управления параметрами микроклимата интеллектуальных технологий управления на базе нечеткого управления.

4. Решена задача фазификации параметров микроклимата технологических параметров процесса на основании обобщенного опыта с использованием косвенного получения экспертных оценок. Предложены оригинальные функции принадлежности, основанные на экспертных оценках по решению задачи управления технологическим процессом производства и хранения пищевых продуктов.

5. Разработаны логические правила базы знаний нечеткой системы на основе стратегий технологов по поддержанию параметров процесса с учетом различных производственных условий.

6. Разработан алгоритм нечеткого управления технологическим процессом производства пищевых продуктов для взаимного управления параметрами микроклимата процесса на основе обобщенного опыта технологов с целью получения максимального результата по различным критериям, определяемым по внешним возмущениям на технологический процесс.

7. Разработана модель системы интеллектуального управления технологическим процессом на основе нечеткого регулятора, использующего обобщенный опыт технологов в управлении процессом. Исследования модели системы нечеткого управления с целью определения

устойчивости системы, качества переходных процессов и реализации свойств адаптации системы к изменению условий осуществления процесса подтвердили наличие ожидаемых свойств и правильность предложенных решений.

8. Разработаны технические решения по внедрению в автоматизированную систему управления технологическим процессом производства пищевых продуктов системы интеллектуального управления на базе нечеткой логики. Решения представлены в промышленном исполнении с заменой центрального вычислительного элемента и опытно-промышленном - с использованием РС-совместимой среды верхнего уровня.

9. Разработано программное обеспечение для центрального ПЛК и МаНаЪ-модель для РС-совместимой среды верхнего уровня для осуществления элементов управления на базе нечеткой логики с использованием обобщенного опыта технологов по управлению технологическим процессом производства пищевой продукции.

10. Технические решения работы реализованы и приняты к опытно-промышленной эксплуатации. Результаты опытно-промышленных испытаний показали, что система обеспечивает требуемое качество управления и является адаптивной по отношению к условиям осуществления процесса с использованием накопленного опыта технологов. Система имеет возможность совершенствования алгоритма управления при накоплении нового опыта в процессе ведения процесса. Исследование системы в производственных условиях подтвердило правильность решений, предложенных в данной работе.

11.Разработанная система интеллектуального управления параметрами микроклимата технологического процесса производства пищевой продукции внедрена в ООО «ОГК» для опытно-промышленной эксплуатации.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

Статьи в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК РФ

1. Пешко, М. С. Автоматизация технологического процесса культивации съедобных грибов // Гавриш. - 2012. -№ 4. - С. 18-21.

2. Пешко, М. С. Задача фазификации параметров процесса вегетации при построении нечеткого регулятора / М. С. Пешко, А. В. Федотов // Омский научный вестник. Серия приборы, машины и технологии. - 2013. - №2 (120). -С. 290-293.

3. Пешко, М. С. Моделирование нечеткого регулятора технологического режима процесса вегетации // Омский научный вестник. Серия приборы, машины и технологии. - 2013. - №2 (120). - С. 294-298.

4. Пешко, М. С. Адаптивная система управления многосвязным объектом с использованием нечеткой логики / М. С. Пешко, А. В. Федотов // Омский научный вестник. Серия приборы, машины и технологии. - 2015. - № 1 (137). -С. 83-85.

5. Пешко, М. С. Адаптивная система интеллектуального управления параметрами технологических процессов в пищевой промышленности / М. С. Пешко, П. М. Шкапов // Омский научный вестник. Серия приборы, машины и технологии.-2015.-№2(140).-С. 118-122.

Публикации в прочих изданиях

6. Пешко, М. С. Математическая модель микроклимата / М. С. Пешко, А. С. Кабденов // Проблемы, перспективы и стратегические инициативы развития теплоэнергетического комплекса : Материалы Международной научно-практической конференции. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2011. - С. 233-235.

7. Пешко, М. С. Раскрытая математическая модель микроклимата // Молодой ученый. - 2011. - № 9 (32). - С. 42-48.

8. Пешко, М. С. Управление процессом вегетации в условиях защищенного грунта // Автоматизация, мехатроника, информационные технологии : Материалы II Международной научно-технической конференции молодых ученых. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2012. - С. 35-38.

9. Пешко, М. С. Системы управления процессами культивации в условиях защищенного грунта / М. С. Пешко, А. В. Федотов // Молодой ученый. - 2012.

- № 8(43). - С. 29-30.

10. Пешко, М. С. Управление процессом вегетации в тепличном комплексе // Молодой ученый. - 2012. - № 8 (43). - С. 31-34.

11. Пешко, М. С. Выбор функции принадлежности при нечетком управлении процессом вегетации / М.С. Пешко, А. В. Федотов // Автоматизация, мехатроника, информационные технологии : Материалы III Международной научно-технической интернет-конференции молодых ученых. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2013.-С. 85-87.

12. Пешко, М. С. Моделирование системы нечеткого управления в Matlab // Современные проблемы теории машин : Материалы I международной заочной научно-практической конференции. - Новокузнецк: Изд-во центр СибГИУ, 2013.-С. 50-56.

13.Пешко, М. С. Система нечеткого управления процессом вегетации / М.С. Пешко, А. В. Федотов // Фундаментальные и прикладные проблемы науки. Том 3 : Материалы VIII Международного симпозиума. - М.: Изд-во РАН, 2013. - С. 136-144.

14. Пешко, М. С. Применение нечеткого управления при автоматизации управления процесса вегетации // Системы автоматизации в образовании, науке и производстве : Труды IX Всероссийской научно-практической конференции.

- Новокузнецк: Изд-во центр СибГИУ, 2013. - С. 231-237.

15. Пешко, М. С. Моделирование системы нечеткого управления процессом культивации // Автоматизация, мехатроника, информационные технологии : Материалы IV Международной научно-технической интернет-конференции молодых ученых. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2014. - С. 179-183.

Печатается в авторской редакции

Компьютерная верстка О. Г. Белименко

Подписано в печать 22.09.15. Формат 60х84'Л6. Бумага офсетная. Отпечатано на дупликаторе. Усл. печ. л. 1,5. Уч.-изд. л. 1,5. Тираж 100 экз. Заказ 477.

Издательство ОмГТУ. 644050, г. Омск, пр. Мира, 11; т. 23-02-12. Типография ОмГТУ