автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Управление и моделирование процессов сушки риса с использованием нечетких регуляторов

Л г • РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

! ИНСТИТУТ МАШИНОВЕДЕНИЯ им. Л.Л. БЛАГОНРАВОПЛ

. О / >

На правах рукописи экз. №

НГУЕН ДЫК ТХАНГ

УПРАВЛЕНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ СУШКИ РИСА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НЕЧЕТКИХ РЕГУЛЯТОРОВ

Специальность 05.13.16 Применение вычислительной техники,

на1емзппескнх методов н математического моделировании в наупгих нсследовашмх.

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических 1мук

МОСКВА - 1998

Работа выполнена в Инсппуге Машиноведения им. A.A. Благонравова РАН 0

Научный руководитель: Доктор технических наук, профессор В.Р. Носов

Официальные оппоненты: Доктор технических наук, профессор P.E. Статннков

кандидат технических наук, доцогт К.' 'Федоров

Ведущая организация: Российский уипвераггст дружбы народов

Затцита состоится -//'• асйл 1998г. в А/ часов на заседашш Специализированного Совета К003.42.02 при Инсттуте Машиноведения 1ш. Благонравова A.A. Российской Акадсшш Наук по адресу: Москва, Малый Харитоньмвкий переулок, д.4. С диссертацией можно ознакомтггьс« в библиотеке Инсппута Машиноведения РАН.

Автореферат разослан " ¿ ¿ .'i/7<:V^V 1998г. Ученый секретарь специалшнрованного Совета

- I

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. В настоящее врем» экономика СРВ развивается достаточно быстро. Сельское хозяйства является первым фронюм на пут рыночных реформ. Продовольственной Государственной Программой СРП предусматривается довести к 2000г. сбор зерна до 30 мил. тонн/год. Это позволит улучппггь структуру гпгганш населения за счет увеличешш потребления продуктов животноводства. Вьетнам стал третьим в мире экспортером риса с количеством около 2 мил. топит од.

В связи с сезонностью зернового производства возникает необходимость хранения запасов зерна для их использования на различные нужды в течение года н более. Несмотря на недостаток зерна из зерновых продуктов в мире, еще значительная часть их в период хранения гибнет. Так по данным РАО, убыль в массе зерновых продуктов после уборки по разным причинам достигает 10-15%. Во Вьетнаме по данным Института Послеуборо'шых Технолопгй, эти потери достигают -22%. Одним га основных нлГтравлешгй рсалтацин Продовольственно!"! Государственной Программы Вьетнама является борьба за экономию, сократите потерь и повышение качества сельскохозяйственной продукции путем широко!« внедрения прогрессивных технологий производства, переработки и хранения их. В области хранения риса, сушка играет важную роль.

Во Вьетнаме собирают 3 урожая. Влажность риса изменяется в зависимости от сезона способом продолжительности уборки. Влажность риса колеблется от 20 до 35%, а для шелушения требуется влажность около 13-14%. Поэтому задача создания регулятора процессов сушки риса рециркуляционной сушилке является весьма актуальной.

в Постановка задач». На основе анализа различных моделей и методов управления процессом сушки риса, разработать новые методы управления сушкой риса с использованием теории нечетких регуляторов. Провести матеиатическое моделирование предложенных регуляторов.

Метод исследования. В работе использовались различные разделы теории управления, теории нечетких множеств и регуляторов, методы математического моделировашм.

Научная новизна:

- Проведен анализ построения систем управления сушкой риса.

- Предложена новая методика построения системы управления сушкой риса на основе теории нечетких регуляторов.

- Проведено математтпсское моделирование предложенных регуляторов.

Практическая значимость состоит в разработке на основе математических моделей РЬ-регуляторов пригодных для использования на практике; методов расчета и анализа характеристик алгоритмов. Результаты внедряются в ряде лаборатории ШГГ.

Апробация работы

Материалы диссертации были доложены в 1997г. на научном семинаре лаборатории "Автоматизация производственных процессов" ИМАШ РАН. Основные результаты опубликованы в препринте и 1-й статье.

Структура диссертации: Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и литературы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальноеи. |емы диссертационной работы, сформулированы цель и основные задачи исследовании, приведены основные тучные положении, коюрыс вносятся на защиту.

О.первой [лаве дало описание сушки риса - сушкой называется процесс удаления из риса вода, в результате чего в ней увеличивается относительное содержите сухой част К процессу сушки относятся передача теплоты от агента сушки к поверхности зерна риса, испарение влаги и перенос ее с поверхности риса в окружающую среда. Это есть процессы теиловлатообмена, а также внугренний теиловлагоперенос.

- Методы сушки риса включают конвективные, кондуктивные, вакууи-сушку, тепловые лучи (радиационные). Основные закономерности процесса сушки рнса описываются тиснением температуры, влажности, времени.

- Техника и технология сушки риса. Во Иьстнаме н в мире используются несколько гипов сушилок. Особенно подробно в диссертации описание рециркуляционной сушилки, коюрая широко распроораняегся во Вьетнаме, в России и т.д.

- Ош1сана технико-экономическая эффективность современных установок сушки риса.

Бо ^пуюй главе излагаются истоды построения систем управления процессами сушки рнса па основе матсмашчсских моделей.

Од1шм из основных методов построения систем управления сушкой рнса является метод математическою моделирования. Моделирование это такой способ изучения явлений, при ко юром вместо реального процесса или явления исследуют дуюй процесс называемый моделью. Наиболее часто для построения систем управления сушкой риса непользуются следующие модели

-- Модель одномерной кинетики сушки

(1)

Граничные условия в общей случае для зада'Ш (1) имеют вид:

(2)

» -ЯЛГ еЛ

Начальные условия при т =0 имеют вид:

и(х,0)-Г,(х), Т(х,0)^2(х)

(3)

Модели с сосредоточенными параметрами

= - uU)^.{20ul-32ul +124)

Л g C3P3 с3й

= 0> )s wxpum (5)

dw

Л

— = AWcxp(-fo) dl

dw

— = M^ - )exp(l - *т)

c/w Л

. Л (A+Btf

- Эмпирические формулы и критерий качества

p(*,:v,J,0spMd (7)

00

J J|p(*.>\ PaodF^^J»/-* min ко

Анализ приведенных в диссертации математических моделей токазывает, что системы управления, построенные на основе математических юделей либо сложны и дороги, либо имеют низкое качество. В свази с этим за госледние 20 лет в инженерной практике возникло новое направление в юстроении систем управления- построение таких систем на основе теории »четких множеств и лоппс.

В тре|ьсн 1Л.1ВС излагаются основы тории нечетких переменных и их применения в задачах управления и, в частости, для управления сушкой риса. В теории нечетких множеств для описаштя принадлежности млемеша х к множеству Л используется функция принадлежности т(х) 0<

Рис. I. Функция принадлежности нечеткой переменной х

Использование нечетких переменных в качестве входных п выходные ентналов в системах управления позволяет создавать принципиально новые (>с|уля1оры начинаемые нечеткими 11111 Н.-регуляюрами. Наиболее часто II-ретуляторы используются для ретулнрования ЗЬЧО-снстем. Система сушки риса являются как раз Л^О-сисюмоГц что позволяет использовать для них II.-регуляторы.

Стандартные II, 11Д НИ; 11ИД- регуляторы описываются формулами:

Ошибка регулирования е(() ~ у(<) - у

П-регулятор и(<)- ¿с(')

ПД-регулятор «(í)--- -кс(1) кц е (8)

I

ПИ-регулатор ц((М'Ь №

о

/

ГШД-регулятор и(г)-- -ке(1)-кс1е{1)

О

По аналогии с такими регуляторами вводя 1с« И.-регуляюры. Пусть ошибка е(|) и управления и(1) являются нечеткими переменными. Тотда IX-регуляторы описываются следующим образок)

Пропорциональный КЬ-регулятор:

Если ошибка «(г) положтггельпа, То управление «(/) отрицательно; (И)

Если ошибка е(<) отрицательна, То >ттравлеш|е и(е) положительно.

П.-регулятор тпш ГШ:

Если опшбка c(t) положительна

и изменение ошибки re положительно, То уменышпь значение выхода регулятора т{к ) • 0; Если ошибка e(i) отрицательна

и irwciiemie¿штивки re отрицательно. То увеличить значение выхода регулятора ги{к):- 0. FI.-регулятор типа 11Д:

Еслиотттнбка e(t) положительна

и изменение ошибки re положительно. То выход регулятора отрицателен и{к) < 0; Если ошибка <?(f) отрицательна

и изменашс ошибки re отрицательно, То выход регулятора полозюгтелен и(к) -¡О. Далее в работе проведено моделирование некоторых потов FL-регуляторов при различных способах дефадзификатцш, т.е. при различных способах посгроештя функции принадлежности выхода и(к) в зависимости от функции принадлежности ошибки с(Л-).

В качестве объекта моделирования использовалась система, изображенная на рис. 2 и 3.

с(1)

- Регулятор Cn(s>

Р*1

0,(5)=--G,(,)=.----

1 + Ps Pi Т pis + s*

Рис.2. Замкнутая система реагирования.

Рис. 3. Возмущенная система регулирования

Некоторые результаты моделирования приведены на рис.4

Рис. 4. Вход (слева) н выход (справа) для возмущенной системы в порядка замкнутой РЬ-регуляторон для уровней возмущений 0, 1, 2, 3.

Процесс сушки риса можно описать как йШОсистему. Регулируете* одна теременная- влажность риса р(г) с помощью изменения количества тодаваеыого воздуха у(/). Иногда меняется не только количество подаваемого воздуха, но и его температура. Такое управление более трудно реализовать технически и мы будем рассматривать только первый способ управления путем вменения количества подаваемого воздуха. Кроме тою, имеется еще одна |>орма управления путем перекачки зерна из оного силоса в другой. Основной (елью такой перекачки является не сам процесс сушки, а выравнивание поля шажностн зерна во всем объеме сушащегося риса, но н непосредственно на !лажноеть зерна он не влияет и поэтому его можно исключить из дальнейшего рассмотрения. Далее даже после хорошего перемешивания риса в процессе 1ерекачки, его влажность не является одинаковой по всему объему. Поэтому >ссьма естественно юворшь о влажности риса как о некоторой нечеткой тсреыешюй р(/). Важнейшей задачей при этом является задача построения функции принадлежности тА(р) влажности риса. Футосцию принадлежности тА (р) можно построить, используя показания датчиков влажности. В любом шальном сушильном агрегате имеется некоторое количество датчиков ишжности, ксйЪрое будем считать равным п. Пусть в некоторый момент !ремеш1 "к" показания лих датчиков равны ),Р2 (*)>•■•.По этим кжазаншы определяем множество А возможных значений нечеткой 1еремешюй влажности р следующий образом. Будем ечтать, что р лежит ■ феделах рпш < р ртал, где

Ртш " тт[Р1(*1Р2(*^".Р«(*)]-д1 к

Ртш = тахЬ^Рг^-¿2 С)

к

Здесь Л| и Л2 - два параметра, которые можно менять при создании РЪ->егуля гора сушки.

Далее ш пер вал &>тт.Ртах) разбивается на некоторое число Ы юдшггсрвалов вида (р*.Р* + 1 ] Ро~Ртт Ры = Ртах- Дм каждого такого юдюггервала [р,,Р/,1] определяем те показания датчиков р„(*), которые юпадают внутрь подшпервала ¡]. Кроме того определяем относительный

юъем риса, который соответствует этим датчикам

Таким образом получается примерная картина функции принадлежности т,кг(р) Затеи ступешттая функция сглаживаете« и норм1фуется к

единице. При -пом получается окончательна» функция принадлежности т^(р) нечеткой перемешюй влажности риса в снлосе. Конечно, 1фоцесс построеши функции принадлежности р) не «веется однозна'ишм. Он зависит 01 процедур сглаживали», выбора параметров Л[ и Л2 и количества N подингервалов. При этом могут получаться разные функции принадлежности р). Ог их адскватносш реальной влажности рнса будет зависеть скорость процесса сушки, но эта зависимость не является очень существенной. При достаточно большом ¡вменении функций принадлежности процесс сушки рис; все же будет осуществляться.

Кроме датчиков влажности имекися также и датчики темперагуры рнса. Непосредствешюго участия в процессе сушки риса датчики температуры не пришшают и используются как ограничители в процессе с упеки. До тех пор пока температура рнса не превосходит предельного значения можне

увеличивать температуру и колтество подаваемого в силос горячего воздуха Такова й18С-сис1еиа сушки риса.

Входной нерешенном в этой системе является кошпество подаваемогс воздуха, а выходной переменной - нечеткая переменная влажность риса. Дале« для регулировки процесса сушки используется одш( из трех описанных выше РЬ-ретуляторов.

Наиболее создание РЬ-регулятора сушки риса состоит из следующие этапов.

1. Определение основных конструктивных элеиентоп системы сушки риса

- количество и местоположение датчиков влажности и температуры;

- количество вентиляторов, их расположение и пределы регулироваюи;

- технические характеристики устройств регулирования и т.д.

2. Определение требований к процессу сушки:

- требуемая конечная влажность риса;

- возможные допуски по изменению влажности риса в объеме;

- требуемая температура рнса в процессе сушки и ее допуски;

- желательные ограничения на электропотребленне.

3. Выбор типа и определите структуры ГЪ-регулятора:

- определение функции принадлежности нечеткой переменно; влажности риса р;

- выбор тина ИЬ-рсгулятора;

- определение поверхности отклика Н.-регулятора;

- выбор метода дефадзификацнн;

- выбор способа реализации ЬТ-регулятора;

- натематическос моделирование РЕ-регулятора.

4. Реализация Г'Ь-рсгуляюра.

5. Опытная эксплуатация и уточнение характернеппе РЪ-регулятора. Дале< проведено моделирование процесса сушки рнса. Для згою рассматривало процесс сушки, который описывается уравнением с возмущениями

^ ■ .Vexp( I n{i), j . (10)

Функции прннадасжносш iiciciKoii переменной влажности риса р(т) [ршшналась в виде

m.^I'M-i--^—]2 (II)

\ Л J

Здесь р„(1л( значение переменной "влажность", получаемое из решения ;нсгеиы уравнений (10)

Д- некоюрая постоянна».

Ретулыапа компьютерною моделирования приведены на рнс. 6 и 7

Рис.6 Моделирование процесса сушки риса при малых возмущениях, уровень 0 cool Beie 1 вуе | требуемой влажности риса pJud

Рнс. 7 Моделнроватше процесса сушки рнса при больших возмущениях, уровень 0 соответет вуег требуемой влажное™ рнса pi(jJ

На рнс.6 приведены результаты иоделнровапти при отсутствии озмущеннй </(т) п п(т), а на рнс. 7 при наличии значительных возмущений. Ц» птх рисунков видно, что П.-регулятор вполне справляется с поставленной сред ним задачей. Од1тако окончательный вывод о качестве Н.-рсгулгтра ожст быть сделать только после его испытаний в производственных условиях а реальной оборудовании.

Заключенно.

Проведен анализ существующих систем управления процессами сушки рис» на основе математических моделей.

Изложены основы теории нечетких регуляторов (И .-регуляторов). Предложена и обоснована методика построения Н.-рауля торов процессов сушки рнса.

Проведено математическое моделнроватше процессов сушки рнса с использованием 1"1.-регуляторов.

1. Nguyen DuvDue, Nguyen Due Uumg: Nahi en cuu va thiet ke he Xay xat 2.5 т/са. Chvong trrih 20A. 1990

2. Носов. B.P., Нгуен Дык Тхаиг: Управление процессами сушки риса М:ИМА1Л. РАН. 1996

0 '1 J 1