автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Управление технологическим процессом температурного отжига трансформаторной стали на основе аппарата нечеткой логики



На правах рукописи

ии-- ■

КУДИНОВ Иван Юрьевич

УПРАВЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ ТЕМПЕРАТУРНОГО ОТЖИГА ТРАНСФОРМАТОРНОЙ СТАЛИ НА ОСНОВЕ АППАРАТА НЕЧЕТКОЙ ЛОГИКИ

Специальность: 05.13.06-Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 ЩДР 2009

Воронеж - 2009

003463761

Работа выполнена в ГОУВПО «Липецкий государственный технический университет»

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Погодаев Анатолий Кирьянович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Бурковский Виктор Леонидович;

кандидат технических наук Назаркин Олег Александрович

Ведущая организация Институт проблем управления

им. В.А. Трапезникова РАН, г. Москва

Защита состоится «20» марта 2009 г. в 1530 часов в конференц-зале на заседании диссертационного совета Д 212.037.03 ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет» по адресу: 394026, г. Воронеж, Московский просп., 14.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ' ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет»

Автореферат разослан « У-5» февраля 2009 г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Автоматизация технологических процессов в черной металлургии, как правило, приносит значительный экономический эффект. Особенно заметен выигрыш от автоматизации в тех случаях, когда требуются стабилизация параметров существующих технологических процессов, повышение гибкости производства, улучшение условий труда. Стабилизация нескольких выходных переменных в одном объекте с помощью нескольких взаимосвязанных управляющих переменных является довольно сложной задачей управления. Ее сложность существенно возрастает, если управляющие воздействия являются двухпозиционными.

К такому классу объектов относятся колпаковые печи СГВ-16-20 листопрокатного цеха. В каждой печи три релейных регулятора отключают или подключают напряжения к нагревателям, поддерживающим температуру отжига трансформаторной стали в трех зонах, близкую к заданной температуре, изменяющейся по программе. Кроме того, изменяются во времени динамические характеристики печи, а управления действуют со значительным запаздыванием, достигающим трех и более минут. В рамках традиционных импульсных и релейных систем автоматического регулирования не представляется возможным учесть все особенности объекта и добиться требуемой точности программной стабилизации температуры отжига.

Эффективное управление в условиях нестационарности, исключительной сложности и слабой изученности технологических процессов, протекающих в печах отжига, возможно на основе качественного моделирования и создания на его основе нечёткого регулятора - алгоритма стабилизации температуры отжига, обладающего способностью настраиваться на меняющиеся условия производства.

Поэтому разработка нечеткого адаптивного алгоритма стабилизации температуры с высокой точностью, обеспечивающей требуемое качество отжига трансформаторной стали, является актуальной задачей.

Работа выполнена в рамках госбюджетной темы "Методы и модели искусственного интеллекта" и хоздоговорной работы с ОАО "Черметавтоматика" № 04001 "Разработка алгоритма управления температу рным режимом отжига трансформаторной стали в колпаковых печах электрического сопротивления" на кафедре информатики в соответствии с основным научным направлением ГОУВПО «Липецкий государственный технический университет» «Методы и модели искусственного интеллекта» и поддержана фантом РФФИ по проекту 06-08-00227.

Цель и задачи исследования. Разработка нечеткого адаптивного алгоритма стабилизации температуры отжига в трёх зонах колпаковой электрической печи. Для достижения поставленной цели должны быть решены следующие задачи:

- определение типа релейно-импульсного управления температурным режимом отжига трансформаторной стали;

- разработка нечеткого алгоритма программной стабилизации температуры отжига;

- разработка алгоритма адаптации нечеткого регулятора температуры;

- создание программного обеспечения системы стабилизации температуры отжига в колпаковых печах.

Методы исследования. В работе использованы методы математического моделирования, параметрической и структурной идентификации, адаптивных систем, случайного поиска, теории нечетких множеств и генетические алгоритмы оптимизации.

Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:

- методология имитационного исследования нечётких систем управления, отличающаяся использованием нечёткой разностной модели в качестве объекта и генетического алгоритма в качестве регулятора и позволяющая определить тип релейно-импульсного управления, обеспечивающий требуемую точность регулирования температуры отжига стали;

- нечеткий многопозиционный регулятор, отличающийся квазиоптимальным по быстродействию и точности законом управления, способным за минимальное время и с минимальным отклонением от задания приводить температуру отжига к допустимой области;

- нечеткий широтно-импульсный регулятор, отличающийся вырабатываемой управляющей импульсной последовательностью, позволяющей удерживать температуру отжига в допустимых пределах;

- нечеткий комбинированный регулятор, реализующий функции многопозиционного и широтно-импульсного регуляторов и отличающийся возможностью за минимальное время приводить температуру отжига к заданному диапазону и удерживать её там в течение продолжительного времени;

- алгоритм адаптации, отличающийся способностью настраивать параметры комбинированного регулятора на основе количественных характеристик качества процессов регулирования, обеспечивающих высокую точность стабилизации температуры отжига.

Практическая значимость работы. Предложенные в работе нечеткие регуляторы могут быть реализованы в составе автоматизированных систем управления различными тепловыми процессами.

Разработанный программный эмулятор может быть использован для построения нечетких моделей и имитационных исследований систем управления.

Реализация и внедрение результатов работы. На основании проведенного диссертационного исследования в рамках хоздоговорной работы с ОАО «Черметавтоматика» было разработано программное обеспечение АСУТП высокотемпературного отжига в листопрокатном цехе № 2 ОАО «НЛМК», которое включало нечёткий адаптивный регулятор, используемый для программной стабилизации температуры отжига в 24 электрических колпаковых печах.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на следующих конференциях и семинарах: II Международной научной конференции "Научный потенциал мира" (Днепропетровск, 2005), научной конференции студентов ЛГТУ (Липецк, 2005), научном семинаре "Методы и модели искусственного интеллекта" Липецкого регионального отделения Российской ассоциации искусственного интеллекта (Липецк, 2003), Всероссийской научно - технической конференции "Электроэнергетика, энергосберегающие технологии" (Липецк, 2004,2006),

Всероссийской научно — технической конференции "Искусственный интеллект в XXI веке" (Пенза, 2004), Всероссийской научно-технической конференции 'Теория и практика производства листового проката" (Липецк, 2005), Международной научно - технической конференции "Современная металлургия нового тысячелетия" (Липецк, 2005, 2006), Международной научно-технической конференции "Славя-новские чтения. Сварка XXI век" (Липецк, 2004).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 22 научные работы, в том числе 4 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце реферата, лично соискателю принадлежат: [5, 7, 10, 14, 19] - нечеткая разностная модель теплового режима отжига и алгоритм ее решения; [3, 8, 16] - программный эмулятор, содержащий алгоритм структурной и параметрической идентификации нечетких разностных моделей; [1, 6, 15, 17, 18] - имитационные исследования системы стабилизации; [2,4, 9,11 - 13,20 -22] - нечеткий регулятор температуры отжига и алгоритм адаптации.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 109 наименований и приложения. Основная часть работы изложена на 127 страницах, содержит 40 рисунков и 14 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели и задачи исследования; раскрыты научная новизна и практическая ценность, приведены результаты апробации и реализации теоретических и практических исследований.

В первой главе осуществляется анализ и выбор методов моделирования и управления процессом отжига в колпаковых печах СГВ-16-20 (рис. 1), предназначенного для придания ферромагнитных свойств листовой стали.

Температура отжига в трех зонах печи у\, у2> уз, обогреваемых тремя электрическими нагревателями Нь Н2, Нз, поддерживается тремя автономными двухпозиционными регуляторами Рь Р2, Рз близкой к заданной у°(/), представляющей собой функцию времени и зависящей от марки стали.

Управления действуют с запаздыванием, достигающим

Рис. 1. Схема колпаковой печи СГВ-16-20

трех и более минут. Каждое управление //,(/), помимо температуры у,0) в основной /'-й зоне, оказывает заметное влияние на температуру в остальных зонах, т.е. управления являются взаимосвязанными. Автономность контуров двухпо-зиционного регулирования и запаздывание неизбежно приводят к значительным и незатухающим колебаниям температуры с ошибками е1 (0 = у0 (/) - у, (/), / = 1, 2,..., Т, превышающими принятую допустимую величину е° = 10°С (рис. 2).

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 Í, мин

||l! iÍ 15 16 17 '.мин

Рис. 2. Графики регулирования температуры отжига при у0 = 600 °С

Причем частота колебаний при у1 = 1150 °С гораздо выше (примерно в 2 раза), чем при/1 = 600 °С, т.е. колпаковая печь является нестационарным объектом.

Анализ методов математического моделирования показывает, что в этих условиях для описания нестационарной динамики тепловых процессов печи отжига целесообразно использовать нечёткие разностные модели, которые обладают невысокой чувствительностью к помехам и погрешностям измерения и легко настраиваются на изменения динамических характеристик установки с помощью алгоритмов обучения.

Для стабилизации температуры отжига предлагается регулятор, который определяет моменты включения и выключения нагревателей с учетом качественных характеристик ошибки и скорости ошибки процесса регулирования.

Существующие методы моделирования и релейного управления тепловыми объектами не обеспечивают требуемого качества регулирования, что подтверждает актуальность цели и сформулированных задач исследования.

Во второй главе проводится имитационное исследование системы управления, в которой объектом является нечёткая разностная модель динамики тепловых режимов печи отжига, а регулятором - поисковый алгоритм, минимизирующий ошибку регулирования. В результате исследования был найден тип релейно-' импульсного управления, обеспечивающего требуемую ошибку регулирования.

Представление печи отжига как объекта с сосредоточенными параметрами, описываемого линейными дифференциальными или разностными уравнениями, оказывается неприемлемым. Так, принятое в линейных системах допущение о постоянстве запаздывания не выполняется для больших инерционных технологических объектов, к числу которых относятся печи отжига. В рассматриваемых

условиях целесообразно использовать нечёткую разностную TSK (Takagi, Sugeno, Kang) - модель, которая после проведения структурной и параметрической идентификации с требуемой точностью описывает нестационарную и нелинейную динамику теплопередачи на довольно значительных интервалах времени.

Нечеткую разностную TSK - модель динамики тепловых режимов печи отжига как объекта первого порядка запишем в виде трех групп продукционных правил, именуемых подмоделями M¡, каждая из которых определяет выход у¡(t) :

: если -1) есть Y°, если y2(l -1) есть У*, если уг(1 -1) есть Y^. то у". (/) - asoj + £<Д(г -1) + ¿¿6'><(í - ■' 9 =ПГ, 7=ГЗ.

Входные управляющие переменные м;(<-/) принимают два значения О или 1 и действуют с запаздыванием 1 = 3,6. Переходя к новым обозначениям переменныхx(t) = (x¡(f),x2(t),...,x]6(t)) = (р,(/-1),Ш-1),узС~ 1),/('), Ht-3),..., и3(/ — 6)), нечетких множеств X¡j = Y¡j, X\j = Г2j,= Y3j и коэффициентов

Q Q Л Л fifi

линейных уравнений с0 } = a0j, c¡ j = ап,..., с3 j = Ъъ ¡, приведем правила (1) к формализованному виду

R" : если *,(/) есть X*, x2(t) есть x^t) есть X".,

(2)

«о ^(0 = +

/=1

Нечеткие множества Л^, /,/=1,3 характеризуются колоколообразными функциями принадлежности Xfj(xj, d^j), зависящими от шести компонентов вектора d. Теперь запишем правые части правил в векторной форме

y*j{t) = clj+x{f)Tc), j = 1,2,3, где х(/) = (x¡ (/),x2(/),....,x¡6 (/)) - входной вектор. Выход j-й подмодели, содержащей два правила, вычисляется по формуле (?) = р ^ (0 + (О, которую можно привести к следующей векторной форме:

ур) = с]хр), (3)

где Xj(/)(OfiyX, (t),.6(/)) - расширенный входной вектор; cj(í) = (c¿j,c0j,c11j,c12y,...,c1'6j,c126j), 7 = 1,2.3 -вектор коэффициентов разностного уравнения.

Исходя из анализа аналитической формы TSK- модели (3) и необходимости её идентификации, можно сформулировать задачи определения коэффициентов линейных уравнений c¡, параметров функций принадлежности dj количества правил fjj и порядка г, s разностного уравнения, для решения которых требуются четыре алгоритма параметрической и структурной идентификации.

Алгоритмы параметрической идентификации служат для определения ко

эффициентов линейных разностных уравнений с = (с^с*,с|,с*,..., с|6,с,26)

и параметров функций принадлежности /', ]=\ 3.

Поскольку вектор коэффициентов линейных разностных уравнений с является линейным относительно выхода (3), то для их нахождения используется рекуррентный метод наименьших квадратов

Определение параметров функций принадлежности (I - это задача минимизации интегрального критерия - средней относительной модульной ошибки

(4)

I 1=1

Учитывая интегральный характер критерия (4), для его минимизации применялся генетический алгоритм Ч'Л в котором многократно повторяются операторы скрещивания, мутации и редукции.

Работа алгоритмов параметрической идентификации завершается, если для каждого выхода _у;(/) подмодели = 1,2,3, выполняются условия адекватности

^ = \ ¿( I У]«) - >/') 11 У {Я) * Л У/ = 1, 2, 3 (5)

или существенно до величины ДУ^ снижается скорость сходимости нау-й итерации

ДУ = У - У'"1 < ДУ3, (6)

где 0,03 и ДУ^ = 0,003 - верхние допустимые значения критериев У, и ДУ.

Структурная идентификация нечёткой разностной модели заключается в определении количества правил я* и порядка гр разностных уравнений в каждой подмодели Мь] = 1, 2, 3. Алгоритм % определения количества правил щ заключается в последовательном увеличении щ на 1 последующем пересчёте функций принадлежности в и, + 1 правилах. Алгоритм определения порядка s^ разностных уравнений нечеткой динамической модели (3) заключается в увеличении на единицу сначала гу> потом затем гр потом и т.д.

Для построения и идентификации нечётких разностных моделей и исследования нечётких систем управления был разработан программный эмулятор, в состав которого входили процедуры построения нечёткой разностной модели, перечисленные алгоритмы параметрической и структурной идентификации, критерии оценки точности идентификации. С помощью программного эмулятора может быть сконструирован алгоритм, организующий взаимодействие, порядок запуска и завершения алгоритмов идентификации.

Кроме того, программный эмулятор даёт возможность создавать нечёткие системы управления на основе полученных нечётких моделей и имеющихся поисковых алгоритмов (рекуррентного метода наименьших квадратов и генетического алгоритма) и выполнять имитационные исследования этих систем.

После идентификации с помощью программного эмулятора была получена нечёткая разностная модель динамики тепловых режимов печи отжига, состоящая из шести правил (по два на каждую из трёх подмоделей). Критерии

= 0,008, J1 = 0,011, J3 = 0,006, рассчитанные по формуле (4), удовлетворяют условиям адекватности (5). Таким образом, эту нечеткую модель можно считать пригодной для описания динамики тепловых режимов печи отжига трансформаторной стали. Для определения типа релейно-импульсного управления печами отжига было проведено имитационное исследование, схема которого (рис. 3) содержит нечеткую разностную 7ХАТ - модель в качестве объекта, генетический алгоритм (ГА), выполняющий функции регулятора, и критерий J для оценки точности стабилизации расчетной температуры у^) в трёх зонах.

т

ГА Нечёткая ш

ГЖ-модель т

т

J Критерий

«у, С)

Программный ЭМУЛЯТОР /(0

Рис. 3. Схема имитационного исследования

Суть имитационного моделирования заключается в следующем: в моменты времени / = 1,2,...,Т с помощью ГА определяются импульсные последовательности ¡/'(г), / = 1,2, 3, при которых рассчитанные по нечеткой модели значения температуры в трёх зонах у,(1) минимизируют критерий

ЛП = ¿£¿(1/(0-^01//(')).

Наилучшие результаты J{т) = 0,0045 (рис. 4) были получены при г" = 19 и У(/) = 600 °С. На этом и многих других графиках процессов регулирования, полученных в результате имитационного моделирования можно выделить два характерных временных интервала процесса управления.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 /.мин

Рис. 4. Расчетные процессы регулирования температуры отжига

На первом интервале устанавливается режим максимального охлаждения (все нагреватели отключены): выходная температура с достаточно высокой скоростью приводится к допустимой области [у0 - е , у0 + е°] и по мере вхождения в неё за счёт включения нагревателей скорость температуры падает до минимума, чтобы избежать перерегулирование. Тем самым реализуется квазиоптимальный по быстродействию и точности закон управления.

На втором интервале вырабатывается импульсная последовательность, удерживающая выходную температуру в допустимой области и напоминающая широтно-имлульсное управление.

Таким образом, требуется разработать квазиоптимальный по быстродействию и точности регулятор

и, (0 = ^(0,^,(0),

именуемый как многопозиционный регулятор и действующий при значительной ошибке регулирования <?(/) й Д а также широтно-импульсный регулятор

4(0 = ^2^(0^,(0), удерживающий ошибку регулирования в допустимой зоне еД0е О. Последовательность запуска и взаимодействие этих регуляторов организует комбинированный регулятор.

В третьей главе осуществлялась разработка многопозиционного, широт-но-импульсного и комбинированного нечётких регуляторов.

Многопозиционный регулятор оперирует с интервалами изменения ошибки регулирования е,(<) и ее скорости ие,(0- Диапазон изменения ошибки е, (0 разбивается на шесть основных нечетких интервалов, характеризующих ее отклонение относительно области О. Диапазон изменения скорости ошибки иг, также разбивается на шесть нечетких интервалов.

Лингвистические значения переменных е, (I) и ъе,^), используемые в многопозиционном регуляторе, имеют трапецеидальные функции принадлежности, изображенные на рис. 5. Теперь сформулируем три основных принципа квазиоп-

Е

А® Ш № ИЕ

РЫЕ

РЕ РБ РМ РВ

У ^У^Х /Г ЮС У1

е,,°С

А'В М5 I

PNMS

/РБ РМ_ РВ

Л

4 8 12 16 Щ°С/МИН

Рис. 5. Функции принадлежности, характеризующие величину ошибки е; (а) и её скорость ие, (б)

тимального по быстродействию и точности управления, вырабатываемого многопозиционным регулятором, для трёх видов ошибки: направленной к области Д направленной в противоположные стороны от О и находящейся на границе или внутри области О.

1. При движении ошибки по направлению к области £) управление должно обеспечить такое снижение скорости, чтобы в области Б произошёл плавный без перерегулирования переход к широтно-импульсному управлению. Для этого рекомендуется поддерживать следующие значения пар «ошибка - скорость ошибки»: Ш1~ Р5 или РМ\РМ- КБ или Ш), N5- РБ или РМ {РБ - Ж или ИМ). Если скорость в каком - либо интервале ошибки станет выше или ниже рекомендуемой, то необходимо соответствующим образом изменить управление.

2. Движение ошибки от О означает, что положительная (отрицательная) ошибка имеет положительную (отрицательную) скорость. Для снижения положительной (отрицательной) ошибки, изменяющейся с положительной (отрицательной) скоростью следует включить (отключить) нагреватель.

3. Если ошибка с большой отрицательной (положительной) скоростью входит допустимую зону Д то необходимо отключить (включить) нагреватель, чтобы уменьшить величину выбега ошибки за пределы £>.

Запишем правила нечеткого многопозиционного регулятора в формализованном виде

: если е, (/) есть и е, (/) есть и , то и,{1)-.= Vе (/), (7)

где [/е(0= {1,0, «(/-!)}, 9 = Ш,'= 1,2,3, Е е Т] , и Е е

Функции принадлежности-Б®, (е'^) (соответственно г)£*,(г>е,й^;")) зависят от вектора параметров ^ трапецеидальной функции принадлежности.

В широтно-импульсном регуляторе подлежат определению импульсные последовательности и(п), удерживающие температуру отжига в области Д

Отметим некоторые особенности процессов регулирования, которые необходимо учитывать при построении широтно-импульсного регулятора. Во-первых, качество процесса регулирования можно охарактеризовать ошибкой

с,(0">'°(')->',(') и скоростью ее изменения ис, (0 = е, (?) -е,(/-1). Во-вторых, широтно-импульсное управление определяется для каждого нагревателя индивидуально и осуществляется в области Д образуемой двумя подобластями с лингвистическими метками ИЕ (отрицательная допустимая ошибка) и РЕ (положительная допустимая ошибка) с функциями принадлежности, приведенными на рис. 5.

Управляющие импульсы для

широтно - импульсного регулятора

п Г1 Iй Г и(п)

] - - -

2 - 1 1 0

3 1 3 4 0 1 0 0

4 1 2 3 0 0 1

5 2 3 5 0 0 1 0 1

6 2 2 4 0 1 0 1

7 3 2 5 1 0 1 0 1

8 2 1 3 0 1 1

9 3 1 4 0 1 1 1

10 1 - 1

Значение скорости изменения выхода или ошибки иеДО в области £>(г) также должно быть ограничено и иметь следующие лингвистические значения: А'М - среднее отрицательное; МБ - малое отрицательное; РБ - малое положительное; РМ— среднее положительное. Такое ограничение обусловлено тем, что при больших скоростях не удается реализовать широтно-импульсное управление. При известном и и и(п) из таблицы в предыдущий момент (/ - 1) опишем процедуру определения параметров широтно-импульсного регулятора в текущий момент времени /. Если скорость ошибки ие/ убывает (возрастает), т.е. характеризуется значением ММ (РМ), то происходит увеличение (снижение) температуры и следует уменьшить (увеличить) п на величину сШ, равную 1.

Если скорость ошибки ме, мала и изменяется в пределах Ж, РБ, при ошибке е,, равной РБ и N8 соответственно, то величина п остается неизменной, т.е. сШ = 0.

Если скорость ошибки и<?, незначительно убывает N8 (возрастает) РБ, в соответствующих диапазонах ошибки е„ равных МЕ и РЕ, то следует уменьшить (увеличить) п на величину ¿¿V, равную 1. Теперь запишем правила широтно-импульсного регулятора в компактной форме

Кпр2: если е, (0 есть Е''2, х>е, (г) есть ьЕ°р1, то и, (() := п. (/ -1) + ¿¿Vе, 9 = Ц5 (8) Блок-схема алгоритма комбинированного регулятора приведена на рис. 6. В блоках 3-8 реализуется многопозиционный, а в блоках 10 - 16 - широтно-импульсный регулятор. Блок 17 - счетчик времени /, начиная с момента начала отжига Блоком 18 отмечено присутствие алгоритма адаптации, необходимость которого подтверждается результатами анализа процессов регулирования.

Проверка работоспособности алгоритма управления проводилась на двух постоянных и равных 600 °С и 1150 °С значениях температуры отжига ур(1). В обоих случаях имеет место перегрев и заметное нарушение симметричности автоколебаний с ошибкой е,(/) = УМ-^ЛО» достигающей -30 °С.

Некоторое улучшение качества процессов регулирования У1(1),У2(0 после / = 80 и заметное улучшение качества у2(1), уз(Л после I = 96 было достигнуто, когда менялись интервалы ошибок еп,еп и е14,е]5. Следовательно, имеется возможность настройки многопозиционного регулятора (МПР) или адаптации параметров / = 1,2,3, у = 1,4, улучшающей качество процессов регулирования. Вместе с тем нуждается в уточнении и широтно-импульсный регулятор " (ШИР), воздействующий на температуру отжига.

В четвертой главе выбираются критерии качества и формулируется задача адаптации, разрабатываются алгоритм адаптации и программное обеспечение АСУТП печами отжига.

Для оценки качества колебательных процессов на некотором интервале времени ]^к-\)т,кт\ к = 1.....1,1т = Т используются критерии, полученные усреднением по /'-му выходу положительной е*({) = .у°(0~>',(г) ^ 0

/*(*) = Л" IX« (9)

/=(*-1)г

и отрицательной е~(1) = у°(0~ У)(0 <0 ошибки

',-(*) = — 2>Д'), (Ю)

где т^, - промежутки времени, когда выполняются условия е+(/) >0 и е'(1)<0. Сформулируем задачу адаптации. Пусть известны допустимые значения

Г =5, /+ =5 критериев /,"(&) и ¡*(к), время наблюдения т, процессы регулирования у ¡{г) на < е [(Л — 1)т, Ат] и вычислены критерии Ц(к), 1*{к), ¿= 1,2,3, к = 1,/ по формулам (9)-(10). Требуется разработать алгоритм адаптации

(ец{к +1 ),Щ]{к +1 )> = /(/)), г = 1,2,3,; = 2Д / е [(А - 1)т,*г],

определяющий такие параметры (£ +1), г) е^ (к +1) при которых процесс регулирования на интервале \кх, (к + 1)т] обладал бы более высоким качеством, чем на предыдущем.

Алгоритм адаптации составляют нечеткие правила, определяющие параметры комбинированного регулятора, а также условия и способы запуска нечетких правил. Алгоритм адаптации, уточняющий параметры еу, ьеи комбинированного регулятора, реагирует на значения критериев // и . Пределы изменения каждого критерия 1~ и I* можно разбить на три нечетких интервала NВ, ММ, Ж и Р5, РМ, РВ, соответственно. Пусть нечеткие множества Ав принимают лингвистические значения МБ, ММ, Ж, а нечеткие множества Вь - значения РБ, РМ, РВ. Тогда получим нечеткие правила, связывающие значения и 1* с параметрами е1}

/?,9: если /Г есть Ав, I* есть 5е, то е';(к+ 1) := е*(к) ± аЧ(к),ье?(к+ 1) :=уе:'(к)±ъа'!(к), (И)

где е](к) = {еа{к),..., ец{к)), = (ие,>(А),..., Ыц[к))- векторы параметров с

приращениями а?(&) е{ах,ад/,аг}, и а," (А) е {0,ш?,юаЛ/,иад} в 0-м правиле.

Все процессы двухпозиционного регулирования температуры отжига, нарушающие технологические условия (/,+ > /+,/~ < можно разбить на 5 типов, каждому типу соответствует свой набор нечетких правил:

Тип 1. Колебания температуры отжига у. всегда выше заданной у" и соответственно ниже нуля ошибка е. и < Г (7,+ =0):

/?': если Г есть ЫВ, I* = 0, то ием(£ +1) := ЩА(к) + иав; (12)

Я*: если I: есть ММ, I* = 0, то\х^(к+1)г=\х14(к)+иам, щ3(k+l)=щ-í(k)+va1S. (13)

Тип 2. Колебания температуры отжига у1 всегда ниже заданной у" и соответственно выше нуля ошибка е: и Г </,+,(/,~ = 0):

Я] : еслиI, = 0,1* естьРМ,то шД+1):=\ха(к)-~иом, ие; 2 (&+1) := ое; 2 (&) - ио^; (14) Я*: если 1~ = 0,1* есть РВ,то ие„(А + 1)?=ие/1(Л)-оа8. (15)

Тип 3. Колебания с преобладанием положительного отклонения у, относительно задания у0 или отрицательной ошибки е, и | |> I*: В.]: если 1~ есть ИВ, I* есть Р5, то и<?,4(& + 1) := ъе,4(к) + х>а.м; (16)

Яса : если 1~ есть ИМ, естьР£,то \хп(к+\) г= ие.Д^+ш^, и?л(/:+1).-иг.3(^)+иа;.(17)

Тип 4. Колебания с преобладанием отрицательного отклонения у1 относительно задания у" или положительной ошибки е, и /,+ >|/,Г|: К] : если!;естьШ, I* естьРМ,то ие„(к+\)?= ш,( -ио^-, иед(А+1);=ие,2(&)-ису (18) Яга: если есть Лг5, I* есть РВ, то иеп(к + 1):= иеа(к) - иам. (19)

Тип 5. Колебания с близкими по величине отрицательными и положительными отклонениями^, относительно задания у" ,{1^ Ц: Я9а : если 1~ есть ИВ, I* есть РВ, то е^(к + \):~ еп(к) + ам,

еа (к +1) := <?,3 (к) + а5,е/4(к + 1):=е/4(к)-а3,е^к + 1):=е15(.к)-ам; (20) Я™: если /Г есть ИВ, Г есть РМ, то е,5(к + \):=еп(к) + аи,

еп{к +1) •= е13(к) + ах, е,4 (* +1) := е,4(к)-а$, е(5(к +1) := е,}{к)- (21)

Я'а': если Ц естьИМ, I* есть РВ,то е:1(к) := еп(к -1) + аг5,

е(3(к +1) := е,3 (к) + ах, е,4 (к +1) := е,4 (к) - а „, е15 {к +1) >= е15(к) ~ ам; (22) Я? : если 1~ есть ИМ, // есть РМ, то еа(к +1) := е12(к) + а$,

еп (к +1) := е13 (к) + ен (к +1)е14 (к) - е15 (к +1) := е,5 (к)-а5. (23) Первая опытная проверка алгоритма управления, оснащенного алгоритмом адаптации (12)-(23), проводилась при У(/) = 600 °С в течение 180 минут. Управляющие параметры еи и ие,/ при необходимости уточнялись алгоритмом адаптации через интервал времени г = 20 мин. После одного часа работы алгоритму адаптации удалось существенно приблизить средние значения температуры в зонах к заданному значению у° = 600 °С (рис. 7).

540 *бЬ "Ъ Yo 73 'so *8J 90 *93 К» 103 "lío " tlj"~ t, мин

"jiá-'-ffiO" b-foj--®iO-QO-Oa-O:0O:O"--:.......

u¡- —О О: ОО'ОО; О Ф-О О О О'------- О —. - - 0 -.'-

«¿ли' ШВЯЯЯ 10S 110 4} 130 мин

Рис. 7. График регулирования температуры при y\t) = 600 °С

Для сравнения в интервале времени t е [60, 120] приведём средние модульные ошибки регулирования

^ = i I / о - у, (01, i=1,2, з,

max min ^rain

существующей системы управления/^ = 13,20, = 14,73=9,52 и нечеткого адаптивного регулятора /м = 3,03, l'f = 4,78, = 3,42 . Последние более чем

в три раза ниже, что подтверждает эффективность разработанного регулятора.

На рис. 8 изображена информационная схема подсистемы управления температурой отжига, выполняющей сбор и первичную переработку информации (ППИ), поступающей от датчиков температуры Д1, Д2,..., ДЗ, реализацию найденных адаптивным нечётким регулятором релейно-импульсного управления, воздействующего на контакторы Кь К2, ..., К24, которые отключают или подключают электрическое напряжение к нагревателям печей.

Рис. 8. Информационная схема подсистемы управления температурой

14

Программа адаптивного нечёткого регулятора, состоящего из алгоритма адаптации (АА) и комбинированного регулятора, была выполнена на языке ST в среде разработки UNITY и установлена на трёх контроллерах Schneider Electric Premium TSX P57 304, осуществляющих стабилизацию температуры отжига в 24 электрических колпаковых печах и входящих в состав АСУТП высокотемпературного отжига в листопрокатном цехе № 2 ОАО «НЛМК».

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В диссертационной работе решена актуальная задача программной стабилизации температуры отжига трансформаторной стали в электрических колпаковых печах. Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований:

1. Построена нечеткая разностная 7Ж-модель, позволяющая быстро настраиваться на меняющиеся характеристики технологического процесса и с требуемой точностью описывать динамику тепловых режимов печи отжига.

2. Разработаны алгоритмы параметрической и структурной идентификации коэффициентов линейных разностных уравнений, параметров функций принадлежности, количества правил и порядка разностных уравнений и организующий алгоритм, определяющий и реализующий последовательность их выполнения.

3. Создан программный эмулятор для построения и идентификации нечетких разностных моделей, с помощью которого проведена параметрическая и структурная идентификация, позволившая обеспечить требуемую точность нечёткой модели динамики тепловых режимов печи отжига по температуре во всех трех зонах печи.

4. Проведено имитационное исследование нечёткой системы стабилизации температуры отжига, позволившее определить тип релейно-импульсного управления температурным режимом отжига стали, обеспечивающий требуемую точность регулирования температуры.

5. Разработан нечеткий многопозиционный регулятор, позволяющий за минимальное время привести температуру к заданному значению, в окрестности которого достигает минимума скорость изменения температуры.

6. Разработан нечеткий широтно-импульсный регулятор, вырабатывающий импульсные последовательности, обеспечивающие требуемую точность регулирования температуры отжига.

7. Разработан нечеткий комбинированный регулятор, состоящий из многопозиционного и широтно-импульсного нечётких регуляторов и реализующий управление, оптимальное по быстродействию и точности.

8. Проведено имитационное исследование адаптивной системы программной стабилизации температуры отжига, подтвердившее необходимость разработки алгоритма параметрической адаптации нечёткого комбинированного регулятора.

9. Разработан нечёткий алгоритм параметрической адаптации, состоящий из продукционных правил и отличающийся способностью на основании анализа процессов регулирования определять и уточнять параметры комбинированного регулятора.

10. Программа нечёткого адаптивного регулятора использована в системе автоматической стабилизации температуры отжига трансформаторной стали в 24-х колпаковых печах листопрокатного цеха №2 на ОАО «НМЛК».

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах: Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Определение закона управления сложным тепловым объектом / Ю.И. Кудинов, И.Ю. Кудинов, H.A. Архипов, С.А. Суслова // Промышленные АСУ и контроллеры. 2004. - № 12. - С. 23-27.

2. Кудинов Ю.И., Кудинов И.Ю., Келина А. Ю. Адаптивный нечеткий регулятор температуры отжига стали в электрической колпаковой печи // Промышленные АСУ и контроллеры. 2005. - № 9. - С. 37-40.

3. Кудинов Ю.И., Иванченко К.С., Кудинов И.Ю. Программный комплекс для построения и идентификации нечетких моделей // Промышленные АСУ и контроллеры. 2006. - № 12. - С. 39-42.

4. Кудинов Ю.И., Кудинов И.Ю. Построение адаптивного нечеткого комбинированного регулятора в многосвязных системах // Проблемы управления. 2006. - № 5. — С. 12-18.

Статьи и материалы конференций

5. Применение эволюционного алгоритма для идентификации нечеткой модели / Ю.И. Кудинов, И.Ю. Кудинов, H.A. Архипов, М.И. Полухина, А.Ю. Келина // Системы управления и информационные технологии: науч.-техн. журнал. М., 2004,-№2.-С. 15-18.

6. Оптимальная стабилизация температуры отжига стали в электрической печи / Ю.И. Кудинов, И.Ю. Кудинов, H.A. Архипов, С.А. Суслова // Электроэнергетика, энергосберегающие технологии: сб. докл. Всерос. науч.-техн. конф. - Липецк: ЛГТУ, 2004.4.2. - С. 9 - 14.

7. Построение нечеткой динамической модели сложного теплового объекта / Ю.И. Кудинов, И.Ю. Кудинов, А.Ю. Келина, С.А. Суслова // Славяновские чтения. Сварка XXI век: сб. тр. Междунар. науч.-техн. конф. - Липецк: ЛЭГИ, 2004.-С. 538-543.

8. Кудинов Ю.И., Кудинов И.Ю. Программный комплекс для построения и исследования нечетких динамических моделей// Искусственный интеллект в XXI веке: сб. ст. II Всерос. науч.-техн. конф. - Пенза, 2004. - С. 73-76.

9. Кудинов Ю.И., Кудинов И.Ю., Келина А.Ю. Комбинированный регулятор температуры отжига трансформаторной стали // Теория и практика производства листового проката: сб. науч. тр. Всерос. науч.-техн. конф. - Липецк: ЛГТУ, 2005. 4.2 - С. 148-153.

10. Построение и идентификация нечеткой модели многосвязного объекта / Ю.И. Кудинов, И.Ю. Кудинов, А.Ю. Келина, С.А. Суслова // Вести высших учебных заведений Черноземья. - Липецк: ЛГТУ, 2005. -№1. - С. 35-39.

11. Кудинов Ю.И., Кудинов И.Ю. Синтез нечеткой релейной адаптивной системы управления // Научный потенциал мира: материалы И Междунар. науч. конф. - Днепропетровск, 2005. Т.17. - С. 61-64.

12. Кудинов Ю.И., Кудинов И.Ю., Ландина C.B. Разработка алгоритма управления температурным режимом отжига трансформаторной стали // Отчет по НИР № 04001, ном. гос. per. 0120.0 505865. ЛГТУ, 2005. - 152 с.

13.Кудинов Ю.И., Кудинов И.Ю. Нечеткий адаптивный регулятор для многомерных тепловых объектов. Свидетельство отраслевой регистрации разработки (программы для ЭВМ) №5770. - Зарегистрировано 26.02.06 в Отраслевом фонде алгоритмов и программ Федерального агентства по образованию.

14. Кудинов Ю.И., Кудинов И.Ю. Построение нечеткой модели динамики тепловых режимов печи отжига // Современная металлургия начала нового тысячелетия: сб. тр. Междунар. науч.-техн. конф. - Липецк: ЛГТУ, 2006. Ч.З. - С. 87-92.

15. Кудинов И.Ю., Кузнецов Л.А. Эмулятор автоматизированной системы управления температурным режимом отжига трансформаторной стали // Свидетельство об отраслевой регистрации разработки (программы для ЭВМ) № 5771. - Зарегистрировано 26.02.06 в Отраслевом фонде алгоритмов и программ Федерального агентства по образованию.

16. Кудинов Ю.И., Кудинов И.Ю. Программный комплекс для построения нечетких моделей // Свидетельство об отраслевой регистрации разработки (программы для ЭВМ) № 5768. - Зарегистрировано 26.02.06 в Отраслевом фонде алгоритмов и программ Федерального агентства по образованию.

17. Кудинов Ю.И., Погодаев А.К., Кудинов И.Ю. Имитационное исследование системы управления температурой отжига // Энергетика и энергоэффективные технологии: сб. докл. Междунар. науч.-техн. конф., посвященной 50-летию ЛГТУ. - Липецк: ЛГТУ, 2006. 4.1. - С. 104 - 109.

18. Кудинов Ю.И., Погодаев А.К., Кудинов И.Ю. Имитационное моделирование системы управления температурой отжига // Современная металлургия начала нового тысячелетия: сб. тр. Междунар. науч.-техн. конф. - Липецк: ЛГТУ, 2006. Ч.Ш. - С. 77-81.

19. Кудинов Ю.И., Кудинов И.Ю., Суслова С.А. Нечёткие модели динамических процессов: монография. - М.: Научная книга, 2007. - 184 с.

20. Кудинов Ю.И., Кудинов И.Ю. Разработка нечеткого адаптивного регулятора // Вести высших учебных заведений Черноземья. 2007. -№ 2 (8). - С. 70-75.

21. Кудинов Ю.И., Кудинов И.Ю. Алгоритм адаптации нечеткого регулятора температуры // Вести высших учебных заведений Черноземья, 2007 - № 3 (9). - С. 63-68.

22. Кудинов Ю.И., Кудинов И.Ю., Келина А.Ю. Программные средства нечеткой адаптивной стабилизации температуры для контроллеров ШНАЙДЕР ЭЛЕКТРИК /У Технические и программные средства систем управления, контроля и измерения: тез. докл. Всерос. конф. с междунар. участием. - М.: ИПУ РАН, 2008.-С. 102-103.

Подписано в печать 19.02.2009. Формат 60x84/16. Бумага для множительных аппаратов. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 90 экз. Заказ №

ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет» 394026 Воронеж, Московский просп., 14.

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ ПЕЧИ ОТЖИГА КАК ОБЪЕКТА УПРАВЛЕНИЯ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Описание и анализ электрических печей отжига трансформаторной стали.

1.2. Обзор методов анализа и синтеза релейных систем.

1.3. Обзор методов идентификации динамики тепловых объектов.

1.4. Постановка задачи исследования.

2. ИМИТАЦИОННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ СТАБИЛИЗАЦИИ ТЕМПЕРАТУРЫ ОТЖИГА.

2.1. Построение нечёткой разностной TSK- модели.

2.2. Алгоритмы параметрической идентификации нечёткой модели.

2.3. Алгоритмы структурной идентификации нечёткой модели.

2.4.Организующий алгоритм идентификации.

2.5. Программный эмулятор для построения нечетких моделей и исследования систем управления.

2.6. Определение типа релейно - импульсного управления.

2.7. Выводы по второй главе.

3. РАЗРАБОТКА НЕЧЁТКОГО РЕГУЛЯТОРА ТЕМПЕРАТУРЫ ОТЖИГА.

3.1. Особенности стабилизации температуры отжига.

3.2. Разработка многопозиционного регулятора.

3.3. Разработка широтно-импульсного регулятора.

3.4. Разработка комбинированного регулятора.

3.5. Анализ процессов регулирования.

3.6. Выводы по третьей главе.

4. АДАПТАЦИЯ НЕЧЕТКОГО РЕГУЛЯТОРА И ЕГО РЕАЛИЗАЦИЯ В

СИСТЕМЕ СТАБИЛИЗАЦИИ ТЕМПЕРАТУРЫ ОТЖИГА В КОЛПАКОВЫХ ПЕЧАХ.

4.1. Определение параметров адаптации.

4.2. Постановка задачи адаптации.

4.3. Алгоритм адаптации параметров комбинированного регулятора

4.4. Параметрическая адаптация комбинированного регулятора.

4.5. Техническая и программная реализация системы стабилизации температуры отжига трансформаторной стали.

4.6. Выводы по четвёртой главе.

Актуальность работы. Автоматизация технологических процессов в черной металлургии, как правило, приносит значительный экономический эффект. Особенно заметен выигрыш от автоматизации в тех случаях, когда требуется стабилизация параметров существующих технологических процессов, повышение гибкости производства, улучшение условий труда. Стабилизация нескольких выходных переменных в одном объекте с помощью нескольких взаимосвязанных управляющих переменных является довольно сложной задачей управления. Ее сложность существенно возрастает, если управляющие воздействия являются двухпозиционными.

К такому классу объектов относятся колпаковые печи СГВ-16-20 листопрокатного цеха. В каждой печи три релейных регулятора отключают или подключают напряжения к нагревателям, поддерживающим температуру отжига трансформаторной стали в трех зонах, близкую к заданной температуре, изменяющейся по программе. Кроме того, меняются во времени динамические характеристики печи, а управления действуют со значительным запаздыванием, достигающим трех и более минут. В рамках традиционных импульсных и релейных систем автоматического регулирования не представляется возможным учесть все особенности объекта и добиться требуемой точности программной стабилизации температуры отжига.

Эффективное управление в условиях нестационарности, исключительной сложности и слабой изученности технологических процессов, протекающих в печах отжига, возможно на основе качественного моделирования и создания на его основе нечёткого регулятора - алгоритма стабилизации температуры отжига, обладающего способностью настраиваться на меняющиеся условия производства.

Поэтому разработка нечеткого адаптивного алгоритма стабилизации температуры высокой точностью, обеспечивающей требуемое качество отжига трансформаторной стали, является актуальной задачей.

Связь с государственными программами. Диссертационная работа выполнялась в рамках госбюджетной темы "Методы и модели искусственного интеллекта" и хоздоговорной работы с ОАО "Черметавтоматика" № 04001 "Разработка алгоритма управления температурным режимом отжига трансформаторной стали в колпаковых печах электрического сопротивления" на кафедрах информатики и прикладной математики Липецкого государственного технического университета и поддержана грантом РФФИ по проекту 06-08-00227.

Цель работы. Разработка нечеткого адаптивного двухпозиционного алгоритма стабилизации температуры отжига трёх зонах колпаковой электрической печи. Для достижения цели должны быть решены следующие задачи:

- определение типа релейно-импульного управления температурным режимом отжига трансформаторной стали;

- разработка нечеткого алгоритма программой стабилизации температуры отжига;

- разработка алгоритма адаптации нечеткого регулятора температуры;

- создание программного обеспечения системы стабилизации температуры отжига в колпаковых печах.

Методы исследования. В работе использованы методы математического моделирования, параметрической и структурной идентификации, адаптивных систем, случайного поиска, теории нечетких множеств и генетические алгоритмы оптимизации.

Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:

- методология имитационного исследования нечётких систем управления, отличающаяся использованием нечёткой разностной модели в качестве объекта и генетического алгоритма в качестве регулятора и позволяющая определить тип релейно-импульсного управления, обеспечивающий требуемую точность регулирования температуры отжига стали;

- нечеткий многопозиционный регулятор (МПР), отличающийся способностью за минимальное время приводить температуру к допустимым пределам с небольшим перерегулированием;

- нечеткий широтпо - импульсный регулятор (ШИР), отличающийся возможностью удерживать температуру отжига в допустимых пределах;

- нечеткий комбинированный регулятор, реализующий функции МПР и ШИР и отличающийся возможностью за минимальное время приводить температуру отжига к заданному диапазону и удерживать её там в течении продолжительного времени;

- алгоритм адаптации, отличающийся способностью настраивать параметры комбинированного регулятора с целью обеспечения высокого качества стабилизации температуры отжига.

Практическая значимость работы. Предложенные в работе нечеткие регуляторы могут быть реализованы в составе автоматизированных систем управления различными тепловыми процессами.

Разработанный программный эмулятор может быть использованы для построения нечетких моделей и имитационных исследований систем управления.

Реализация и внедрение результатов работы. На основании предложенной методики построения нечеткого адаптивного регулятора температуры в многосвязных тепловых объектах совместно с ОАО "Черметавтоматика" было разработано и внедрено программное обеспечение системы стабилизации температуры на 24 электрических колпаковых печах отжига в листопрокатном цехе №2 ОАО "НЛМК".

Результаты диссертационной работы также используются в учебном процессе ЛГТУ при подготовке инженеров по специальности "Прикладная информатика".

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на II Международной научной конференции "Научный потенциал мира" (Днепропетровск - 2005 г.), на научной конференции студентов ЛГТУ (Липецк -2005 г.), на научном семинаре "Методы и модели искусственного интеллекта"

Липецкого регионального отделения Российской ассоциации искусственного интеллекта (Липецк — 2003 г.), на Всероссийской научно - технической конференции "Электроэнергетика, энергосберегающие технологии" (Липецк - 2004, 2006 г.), на Всероссийской научно - технической конференции "Искусственный интеллект в XXI веке" (Пенза - 2004 г.), на Всероссийской научно-технической конференции "Теория и практика производства листового проката" (Липецк -2005 г.), на Международной научно - технической конференции "Современная металлургия нового тысячелетия" (Липецк - 2005, 2006 г.), на Международной научно-технической конференции "Славяновские чтения. Сварка XXI век" (Липецк-2004 г.).

Публикации. Основные результаты исследования опубликованы в печати в 22 научных работах. В том числе, 4 работы опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК.

В работах, опубликованных в соавторстве, лично соискателем в [5, 7, 10, 14, 19] получены нечеткая разностная модель теплового режима отжига и алгоритм ее решения, в [3, 8, 16] разработан программный эмулятор, содержащий алгоритм структурной и параметрической идентификации нечетких разностных моделей. В работах [1, 6, 15, 17, 18] проведены имитационные исследования системы стабилизации, а в [2, 4, 9, 11 - 13, 20 -22] разработаны нечеткий регулятор температуры отжига и алгоритм адаптации.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложения. Основная часть работы изложена на 127 страницах машинописного текста, содержит 40 рисунков и 14 таблиц. Список литературы включает 109 наименований. Приложение на 9 страницах включает 1 таблицу и 4 рисунка.

4.6. Выводы по четвертой главе

1. Проведено имитационное исследование адаптивной системы программной стабилизации температуры отжига, подтвердившее необходимость создания алгоритма параметрической адаптации нечеткого комбинированного регулятора.

2. Определены критерии оценки качества регулирования и сформулирована задача параметрической адаптации.

3. Разработан алгоритм адаптации, отличающийся способностью настраивать параметры комбинированного регулятора на основе количественных характеристик качества процессов регулирования, обеспечивающие высокую точность стабилизации температуры отжига.

4. Проведена параметрическая адаптация нечеткого комбинированного регулятора, подтвердившая высокую эффективность регулятора и алгоритма адаптации.

5. Разработано техническое и программное обеспечение системы стабилизации температуры отжига в 24 колпаковых печах листопрокатного производства на ОАО «НЛМК».

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе решена актуальная задача программной стабилизации температуры отжига трансформаторной стали в электрических колпаковых печах. Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований:

1. Построена нечеткая разностная ГЖ-модель, позволяющая быстро настраиваться на меняющиеся характеристики технологического процесса и с требуемой точностью описывать динамику тепловых режимов печи отжига.

2. Разработаны алгоритмы параметрической и структурной идентификации коэффициентов линейных разностных уравнений, параметров функций принадлежности, количества правил и порядка разностных уравнений и организующий алгоритм, определяющий и реализующий последовательность их выполнения.

3. Создан программный эмулятор для построения и идентификации нечетких разностных моделей, с помощью которого проведена параметрическая и структурная идентификация, позволившая обеспечить требуемую точность нечёткой модели динамики тепловых режимов печи отжига по температуре во всех трех зонах печи.

4. Проведено имитационное исследование нечёткой системы управления системы стабилизации температуры отжига, позволившее определить тип ре-лейно-импульсного управления температурным режимом отжига стали, обеспечивающий требуемую точность регулирования температуры.

5. Разработан нечеткий многопозиционный регулятор, позволяющий за минимальное время привести температуру к заданному значению, в окрестности которого достигает минимума скорость изменения температуры.

6. Разработан нечеткий широтно-импульсный регулятор, вырабатывающий импульсные последовательности, обеспечивающие требуемую точность регулирования температуры отжига.

7. Разработан нечеткий комбинированный регулятор, состоящий из многопозиционного и широтно-импульсного нечётких регуляторов и реализующий управление, оптимальное по быстродействию и точности.

8. Проведено имитационное исследование адаптивной системы программной стабилизации температуры отжига, подтвердившее необходимость разработки алгоритма параметрической адаптации нечёткого комбинированного регулятора.

9.Разработан нечёткий алгоритм параметрической адаптации, состоящий из продукционных правил и отличающийся способностью на основании анализа процессов регулирования определять и уточнять параметры комбинированного регулятора.

10. Программа нечёткого адаптивного регулятора использована в системе автоматической стабилизации температуры отжига трансформаторной стали в 24-х в колпаковых печах листопрокатного цеха №2 на ОАО «НМЛК».

1. Автоматическое управление металлургическими процессами. Учебник для вузов / Под ред. A.M. Беленького. — М.: Металлургия, 1989. - 384 с.

2. Андронов А.А., Хайкин С.Э. Теория колебаний. -М.: ОНТИ, 1937.

3. Бритов Г.С., Резник JT.K. О динамике нечетких дискретных систем // Автоматика и телемеханика, 1987. № 8. - С. 185 - 188.

4. Бромберг П.В. Устойчивость и автоколебания импульсных систем регулирования. М.: Оборонгиз, 1963.

5. Ван Трис Г. Синтез оптимальных нелинейных систем. - М.: Мир, 1964.- 123 с.

6. Вознюк JI.JL, Иваненко В.И., Караченец Д.В., Свердан M.JT. Синтез оптимального по быстродействию управления для объектов второго порядка // Известия АН СССР. Техническая кибернетика, 1963. № 6. - С. 72 - 77.

7. Востров М.В. Применение метода фазовой плоскости для исследования нелинейных дискретных систем // Известия АН СССР. ОТН. Энергетика и автоматика, 1961. -№3.~ С. 31-45.

8. Вышнеградский И.А. О регуляторах непрямого действия // Известия СПб Практического технологического института, 1878. С. 1 - 48.

9. Гольдфарб JI.C. О некоторых нелинейностях в системах регулирования // Автоматика и телемеханика, 1947. Т. 8, № 5. - С. 349 - 383.

10. Гольдфарб J1.C. К вопросу о теории вибрационных регуляторов регулирования // Автоматика и телемеханика, 1948. Т. 9, № 6. - С. 413 - 431.

11. Гольдфарб J1.C. Метод исследования нелинейных систем регулирования, основанный на принципе гармонического баланса // В кн. Основы автоматического регулирования. Теория. / Под ред. В.В. Солодовникова. М.: Маш-гиз, 1954.-723 с.

12. Турецкий X. Анализ и синтез систем управления с запаздыванием. М.: Машиностроение, 1974. 328 с.

13. Долголенко Ю.В. Устойчивость и автоколебания релейной системырегулирования с запаздыванием // Автоматика и телемеханика, 1952. Т. 13, № 2.-С. 109- 120.

14. Долголенко Ю.В. О влиянии нечувствительности на динамику релейной системы непрямого регулирования // Известия ОТН АН СССР, 1954. — № 3. -С. 3-23.

15. Долголенко Ю.В. Скользящие режимы в релейных системах непрямого регулирования // Труды Второго всесоюзного совещания по теории автоматического регулирования. М.-Л.: АН СССР, 1955.-Т.1.-С.421 -438.

16. Захаров В.И., Ульянов С.В. Нечёткие модели интеллектуальных промышленных регуляторов и систем управления. Часть IV. Имитационное моделирование // Известия РАН. Техническая кибернетика, 1994. №5. - С. 168 — 210.

17. П.Казаков И.Е., Доступов Б.Г. Статистическая динамика нелинейных автоматических систем. М.: Физматгиз, 1962. - 332 с.

18. Корнеев В.В., Гареев А.Ф., Васютин С.В., Райх В.В. Базы данных. Интеллектуальная обработка информации. М.: Нолидж, 2000. - 352 с.

19. Королёв Н.А. О компенсации запаздывания в релейной системе // Автоматика и телемеханика, 1961. Т.22, № 5. - С. 605 - 612.

20. Крылов Н.М., Боголюбов Н.Н. Введение в нелинейную механику. К.: Изд-во АН УССР, 1937.

21. Кудинов Ю.И. Нечеткие системы управления // Известия АН СССР. Техническая кибернетика, 1990, № 5. - С. 196 - 206.

22. Кудинов Ю.И. Нечёткие модели вывода в экспертных системах // Известия РАН. Теория и системы управления, 1997. № 5. - С. 75 - 83.

23. Кудинов Ю.И. Синтез нечеткой системы управления // Известия РАН. Теория и системы управления, 1999. № 1. - С. 166 - 172.

24. Кудинов Ю.И., Венков А.Г., Келина А.Ю. Моделирование технологических и экологических процессов (монография). Липецк: ЛЭГИ, 2001. - 131 с.

25. Кудинов Ю.И., Архипов Н.А. Идентификация нечетких моделей с помощью генетического алгоритма // Сборник научных трудов семинара «Методы и модели искусственного интеллекта». Липецк: ЛГТУ, 2003. - С. 34 - 43.

26. Кудинов Ю.И., Дорохов И.Н., Пащенко Ф.Ф. Нечеткие регуляторы и системы управления // Проблемы управления, 2004. №3. - С. 2 - 14.

27. Кудинов Ю.И., Полухина М.И. Нейро нечёткие архитектуры на основе импликации // Информационные технологии моделирования и управления. Международный сборник научных трудов. Выпуск №12. - Воронеж: Научная книга, 2004.-С. 92 - 98.

28. Кудинов Ю.И., Кудинов И.Ю., Архипов Н.А., Полухина М.И., Келина А.Ю. Применение эволюционного алгоритма для идентификации нечеткой модели // Системы управления и информационные технологии, 2004. № 2. - С. 15-18.

29. Кудинов Ю.И., Кудинов И.Ю., Архипов Н.А., Суслова С.А. Определение закона управления сложным тепловым объектом // Промышленные АСУ и контроллеры, 2004. № 12. - С.23-27.

30. Кудинов Ю.И., Кудинов И.Ю. Программный комплекс для построения и исследования нечетких динамических моделей.// Сборник статей II Всероссийской научно-технической конференции «Искусственный интеллект в XXI веке». Пенза, 2004. - С. 73-76.

31. Кудинов Ю.И., Кудинов И.Ю., Келина А. Ю. Адаптивный нечеткий регулятор температуры отжига стали в электрической колпаковой печи // Промышленные АСУ и контролеры, 2005. № 9. - С. 37-40.

32. Кудинов Ю. И., Кудинов И. Ю., Келина А. Ю., Суслова С. А. Построение и идентификация нечеткой модели многосвязного объекта // Вести высших учебных заведений Черноземья. Липецк: ЛГТУ, 2005. -№1. - С. 35-39.

33. Кудинов Ю.И., Кудинов Й.Ю. Синтез нечеткой релейной адаптивной системы управления // Материалы II Международной научной конференции «Научный потенциал мира». Том 17. Днепропетровск, 2005 - С. 61-64.

34. Кудинов Ю.И., Кудинов И.Ю., Ландина С.В. Разработка алгоритма управления температурным режимом отжига трансформаторной стали // Отчет по НИР № 04001, ном. гос. per. 0120.0 505865. ЛГТУ, 2005. 152 с.

35. Кудинов Ю.И., Кудинов И.Ю. Построение адаптивного нечеткого комбинированного регулятора в многосвязных системах // Проблемы управления, 2006. -№ 5. -С. 12-18.

36. Кудинов Ю.И., Иванченко К.С., Кудинов И.Ю. Программный комплекс для построения и идентификации нечетких моделей // Промышленные АСУ и контроллеры, 2006. № 12. - С. 39-42.

37. Кудинов Ю.И., Кудинов И.Ю., Суслова С.А. Нечёткие модели динамических процессов. -М.: Научная книга, 2007. 184 с.

38. Кудинов Ю.И., Кудинов И.Ю. Разработка нечеткого адаптивного регулятора // Вести высших учебных заведений Черноземья, 2007. №2 (8) - С. 70-75.

39. Кудинов Ю.И., Кудинов И.Ю. Алгоритм адаптации нечеткого регулятора температуры // Вести высших учебных заведений Черноземья, 2007 №3 (9) -С. 63-68.

40. Кулебакин B.C. К теории автоматических вибрационных регуляторов для электрических машин // Теоретическая и экспериментальная электротехника, 1932. — № 4. — С.З — 21.

41. Курейчик В.М. Генетические алгоритмы. Состояние. Проблемы. Перспективы //Известия РАН. Теория и системы управления, 1999. № 1. - С. 144-160.

42. Лицын Н.М. Релейное регулирование линейно асимметричных объектов//Автоматика и телемеханика, 1961.-Т. 22, № 11.-С. 1493- 1497.

43. Лурье А.И. Об устойчивости автоколебаний регулируемых систем // Автоматика и телемеханика, 1948. Т. 9, № 1. - С. 361 - 362.

44. Малышев Н.Г., Берштейн JI.C., Боженюк А.В. Нечеткие модели для экспертных систем в САПР. — М.: Энергоатомиздат, 1991. 136 с.

45. Неймарк Ю.И. О периодических режимах и устойчивости релейных систем // Автоматика и телемеханика, 1953. Т. 14, № 5. - С. 556 - 569.

46. Неймарк Ю.И. Динамические системы и управляемые процессы. М.: Наука, 1978.-336 с.

47. Павлов А.А. Синтез некоторых оптимальных по быстродействию релейных систем методом фазового пространства // Известия АН СССР. ОТН. Энергетика и автоматика, 1959. № 8. - С. 123 - 134.

48. Павлов А.А. Динамика быстродействующих релейных сервомеханизмов с запаздыванием // Известия АН СССР. ОТН. Техническая кибернетика, 1963. -№ 1.-С. 172- 180.

49. Павлов А.А. Синтез релейных систем, оптимальных по быстродействию (метод фазового пространства). М.: Наука, 1966. - 392 с.

50. Понтрягин Л.С., Болтянский В.Г., Гамкрелидзе Р.В., Мищенко Е.Ф. Математическая теория оптимальных процессов. -М.: Физматгиз, 1961. 391 с.

51. Попов Е.П. Приближенное, исследование автоколебаний и вынужденных колебаний нелинейных систем // Известия АН СССР. ОТН, 1954. № 5. — С. 3-38.

52. Попов Е.П. Теория нелинейных систем автоматического регулирования и управления. М.: Наука, 1979. - 256 с.

53. Поспелов Г.С. Динамические характеристики релейных следящих систем. Часть I. // Известия АН СССР. Техническая кибернетика, 1965. № 3. - С. 181 - 186.

54. Прикладные нечеткие системы / Под ред. Т. Тэрано, К. Асаи, М. Сугено. -М.: Мир, 1993.-368 с.

55. Растрыгин JI.A. Статистические методы поиска. М.: Наука, 1968. - 376 с.

56. Саридис Д. Самоорганизующиеся стохастические системы управления. -М.: Наука, 1980.-400 с.

57. Славин А.А. Анализ автоколебаний в некоторых релейных системах // Автоматика и телемеханика, 1965. Т. 26, № 10. - С. 1870 - 1879.

58. Славин А.А. Об одном виде несимметричных автоколебаний в релейной системе // Автоматика и телемеханика, 1965. Т. 26, № 11. - С. 2039 - 2043.

59. Срагович В.Г. Адаптивное управление. М.: Наука, 1981. - 384 с.

60. Срагович В.Г. Теория адаптивных систем. М.: Наука, 1976. - 319 с.

61. Суслова С.А. Идентификация динамики технологических процессов на основе моделей нечёткой логики / Дисс. канд. техн. наук, Воронеж: ВГТУ, 2007.- 166 с.

62. Теверовский В.И. О периодическом режиме релейной системы с изменяющимся «чистым» запаздыванием // Автоматика и телемеханика, 1966. -Т.27, № 1.-С. 87-94.

63. Теодорчик К.Ф. Типы движений управляемых реле сервомеханизмов // Журнал технической физики, 1938. Т. 8, № 10. - С. 960 - 967.

64. Техническая кибернетика. Теория автоматического регулирования. Книга 3. Часть II. Теория нестационарных, нелинейных и самонастраивающихся систем автоматического регулирования / Под ред. В.В. Солодовникова. — М.: Машиностроение, 1969. — 367 с.

65. Усков А.А., Кузьмин А.В. Интеллектуальные технологии управления. Искусственные нейронные сети и нечеткая логика. М.: Горячая линия — Телеком, 2004. - 143 с.

66. Фельдбаум А.А. Оптимальные процессы в системах автоматического регулирования // Автоматика и телемеханика, 1953. Т. 14, № 6. - С. 712 - 728.

67. Фсльдбаум А.А. О синтезе оптимальных систем с помощью фазового пространства// Автоматика и телемеханика, 1955. Т. 16, № 2. - С. 129 - 149.

68. Чжан Жень-вей. Синтез релейных систем по минимуму интегральных квадратических отклонений // Автоматика и телемеханика, 1961. Т.22, № 12. — С.1601-1607.

69. Цыпкин Я.З. Об устойчивости периодических режимов в релейных системах автоматического регулирования // Автоматика и телемеханика, 1953. -Т.14,№5.-С. 639-646.

70. Цыпкин Я.З. Теория релейных систем автоматического регулирования. -М.: Гостехлитиздат, 1955. 456 с.

71. Цыпкин Я.З. Об устойчивости релейных автоматических систем "в большом" // Известия АН СССР. ОТН. Техническая кибернетика, 1963. № 3. -С. 121 - 135.

72. Цыпкин Я.З. Основы информационной теории идентификации. М: Наука, 1984.-320 с.

73. Цыпкин Я.З., Попков Ю.С. Теория нелинейных импульсных систем. -М.: Наука, 1973.

74. Цыпкин Я.З. Релейные автоматические системы. -М.: Наука, 1974.

75. Ali Y.M., Zhang L. A methodology for fuzzy modeling of engineering systems //Fuzzy Sets and Systems, 2001. -№ 118. P. 181 - 197.

76. Bastian A. Identifying fuzzy models utilizing genetic programming // Fuzzy Sets and Systems, 2000. № 113. - P. 333 - 350.

77. Braae M., Rutherford D.A. Theoretical and linguistic aspects of fuzzy logiccontroller// Automatica, 1979. V. 15. - P. 553 - 577.

78. Chang S.S.L., Zadeh L.A. On fuzzy mapping and control // IEEE Trans. Syst. Man and Cybern., 1972. V. SMC - 2. - P. 30 -34.

79. Choi B.-J., Kwak S.-W., Kim B.K. Design and stability analysis of single -input fuzzy logic controller // IEEE Transactions on Systems, Man and Cybernetics -Part b: Cybernetics, 2000. V.30, № 2. - P. 303 - 309.

80. Chou J.-H., Chen S.-H. Stability analysis of the discrete Takagi Sugeno fuzzy models with time-varying consequent uncertainties // Fuzzy Sets and Systems, 2001.-№ 118.-P. 271 -279.

81. Crogala E., Pedrycz W.On identification in fuzzy systems and application in control problems // Fuzzy Sets and Systems, 1981. № 6. - P. 73 - 83.

82. Herrera F., Lozano M., Verdegay J.L. A learning process for fuzzy control rules using genetic algorithms // Fuzzy Sets and Systems, 1998. № 100. - P. 143 -158.

83. Houkowsky A. Die Regulierung der Turbinen // Zeitschrift des VDI, 1896. -V.40, № 30. P. 839 - 846, 871 - 877.

84. Jang J. S.R. ANFIS: Adaptive - Network - Based Fuzzy Inference System // IEEE Transactions on Systems Man and Cybernetics, 1993. - V. 23, № 3. - P. 665 -685.

85. Krautwig F. Stabilitatsuntersuchungen an unstetigen Reglern dargestellt an Hand einer Kontaktnachlaufsteuerung // Archiv fur Elektrotechnic, 1941. V.25, № 2.-P. 117- 126.

86. Mamdani E. Advances in the linguistic synthesis of fuzzy controllers // Int. J. Man-Machine Studies, 1976. № 8. - P. 669 - 678.

87. Natalis F. Die selbsttatige Regulierung 'der elektrischen Generatoren. -Braunschweig, 1908.

88. Pedrycz W. Identification in fuzzy systems // IEEE Trans. Syst. Man and Cybern., 1984. V. SMC - 14, № 2 . - P. 361 -366.

89. Pedrycz W. Numerical and application aspects of fuzzy relational equations //Fuzzy Sets and Systems, 1983. -V. 11. P. 1 - 13.

90. Pfarr A. Der Reguliervorgang mit indirect wirkendem Regulator // Zeitschrift des VDI, 1899. V.43, № 50, 51. - P. 1553 - 1556, 1559- 1594.

91. Sugeno M. An introductory survey of fuzzy control // Information and Science, 1985. № 36. - P. 59 - 83.

92. Sugeno M. On stability of fuzzy systems expressed by fuzzy rules with singleton consequents // IEEE Transactions on Fuzzy Systems, 1999. № 7. - P. 201 -224.

93. Sugeno M., Kang G.T. Fuzzy modeling and control of multilayer incinerator // Fuzzy Sets and Systems, 1986. № 18 - P. 329 - 346.

94. Sugeno M., Yasukawa T.A. A fuzzy logic - based approach to qualitive modeling // IEEE Transactions on Fuzzy Systems, 1993. - V. 1, № 1. - P. 7 -31.

95. Takagi Т., Sugeno M. Fuzzy identification of systems and its applications to modeling and control // IEEE Transactions on Systems Man and Cybernetics, 1985. V. SMC - 15. - P. 116 - 132.

96. Tanaka K., Sugeno M. Stability analysis and design of fuzzy control system // Fuzzy Sets and Systems, 1992. № 45. - P. 135 - 156.

97. Tong R.M. Some properties of fuzzy feedback systems // IEEE Transactions on Systems Man and Cybernetics, 1980. V. SMC - 10. - P. 327 -330.