автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Управление тепловыми и энергетическими процессами на основе нечеткой логики

На правах рукописи

СОЛОВЬЕВ ВЯЧЕСЛАВ АЛЕКСЕЕВИЧ

УПРАВЛЕНИЕ ТЕПЛОВЫМИ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ НА ОСНОВЕ НЕЧЕТКОЙ ЛОГИКИ

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

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Томск - 2004

Работа выполнена в ГОУ ВПО "Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет"

Научный консультант -доктор технических наук,

профессор Светлаков Анатолий Антонович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук профессор доктор технических наук профессор доктор технических наук профессор

Замятин Николай Владимирович Онищенко Георгий Борисович Пантелеев Василий Иванович

Ведущая организация —

"Институт автоматики и процессов управления" дао РАН (г.Владивосток)

Защита состоится " 9 " декабря 2004 г. в 1515- часов на заседании диссертационного совета Д212.268.02 при Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники по адресу: 634034, г.Томск, ул. Белинского, 53.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники по адресу: г.Томск, ул. Вершинина, 74.

Автореферат разослан

2004 г

Ученый секретарь диссертационного совета

Д 212.268.02 д.т.н., ст.н.с. —" А.Я.Клименко.

3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность: Тепловые и энергетические процессы являются основой функционирования большого числа технических установок, используемых в различных сферах народного хозяйства. К их числу могут быть отнесены разного типа котлоагрегаты, пиролизные установки, коксохимичекие установки и т.п. Повышение технико-экономических показателей производственных установок для достижения их главной цели - интенсификации производства требует постоянного совершенствования систем управления процессами, происходящими в них.

Совершенствование отдельных узлов и элементов систем управления не всегда благоприятно сказывается на качестве характеристик технической установки в целом, что обуславливается как ограничениями других элементов системы, так и свойствами самой системы. Поэтому задачу улучшения технических характеристик производственных установок необходимо решать комплексно: с использованием новых принципов построения систем управления, новых методов анализа и синтеза, новых аппаратных решений. Такой комплексный подход позволит раздвинуть рамки имеющихся ограничений и обеспечить улучшение характеристик данных установок.

Кроме того, ряд параметров, характеризующих тепловые процессы (сортность топлива, влажность сырья, плотность его укладки и т.п.) может быть описан только качественными характеристиками, влияние которых должно быть учтено при комплексном решении задачи улучшения технических характеристик промышленных установок.

Поэтому улучшение характеристик промышленных установок, получение выходного продукта которых базируется на использовании тепловых и энергетических процессов за счет повышения их эффективности, надежности, расширения функциональных возможностей, рассматриваемого в данной работе как задача, имеющая важное народнохозяйственное значение. Для ее решения сформулирована научная проблема создания теоретических основ построения и средств реализации подобных промышленных установок на основе разработки новых способов управления и принципов построения систем управления с исследованием их динамических и статических характеристик.

Исследование и совершенствование систем управления тепловыми и энергетическими процессами успешно ведутся в нашей стране и за рубежом. Большие достижения в этой области имеют Московский энергетический университет, Уральский и Новосибирский государственные технические университеты, ИМАШ РАН, СибНИИЛП и др.

Вопросы создания и проектирования современных систем управления котлоагрегатами отражены в работах Плетнева Г.П., Клюева A.C.,

Куртис И.В., Москаленко А.А.. При этом

[оутжмнш зидйШ 11)^ jMfflfr

laxe-

лей качества систем управления осуществлялось с помощью традиционных методов. Неполнота математического описания котлоагрегата как объекта управления, обусловленная линеаризацией и аппроксимацией характеристик его элементов, наличие сложных взаимосвязей между параметрами котлоагрегата не позволяет в полной мере достичь высокой эффективности управления такой установкой.

Исследованию и совершенствованию систем управления другого класса теплотехнических установок, реализующих технологические процессы пиролиза, посвящены работы Козлова К.В., Прокопенко В В., Ключникова А.Д, Кузьмина В.Н., Попова С.К., Шаркова В.И., Сапотниц-кого С.А., Холькни Ю.И. и др. Этими учеными были разработаны новые устройства, позволяющие выполнять технологический цикл процесса пиролиза древесины с использованием современных достижений науки и техники, разработаны технологии быстрого высокотемпературного пиролиза, созданы ретортные производства больших масштабов. Однако вопросам управления процессом пиролиза, особенно в мобильных углевыжи-гательных печах, до последнего времени уделялось недостаточно внимания. Отсутствие надлежащего управления является одним из основных факторов, обуславливающих низкое качество получаемого продукта - древесного угля, и как следствие невысокий выход (до 40% в лабораторных условиях) конечного продукта. Таких образом задача глубокого исследования процесса пиролиза с позиции его управляемости и создания высокоэффективных технологических процессов является актуальной.

Использование классических подходов при построении систем управления такими установками ограничивается сложностью математического описания объекта управления (известные модели плохо приспособлены для анализа и синтеза систем автоматического управления), а также нестационарностью процессов, протекающих в установках, и трудностью описания ряда параметров объекта управления количественными характеристиками.

В 1965 году профессор Калифорнийского университета Лотфи Заде сформулировал новый математический подход, опубликовав работу "Fuzzy Sets" в журнале Information and Control. Данная работа заложила основы моделирования интеллектуальной деятельности человека и явилась начальным толчком к развитию новой математической теории. Дальнейшие работы Л.Заде, Е Мамдани, М. Сугено, Р.М Тонга и др заложили прочный фундамент новой теории и создали предпосылки для внедрения ее методов нечеткого управления при реализации систем управления в различных областях науки и техники.

Однако известные примеры использования принципов нечеткого управления ориентированы в основном на разработку и исследование экспертных систем, а работы, связанные с применением этих принципов для технических_объектов единичны. Это связано с рядом обстоятельств. Ма-

тематическое описание нечетких систем управления имеет нетрадиционный характер и сложно, известные модели этих систем слабо приспособлены для анализа и синтеза. Широкие возможности нечетких принципов управления недостаточно изучены - они часто воспринимаются как избыточные и создающие проблемы для их рационального использования

Поэтому представляется актуальным проведение комплексных исследований для определения возможностей построения нечетких систем управления теплотехническими установками. Полученные результаты должны привести к более интенсивному внедрению нечетких систем управления технологическими процессами, соответствующему их потенциальным возможностям.

В диссертации обобщены результаты работы, проводившейся в течение ряда лет на кафедре «Электропривода и автоматизации промышленных установок» ГОУ ВПО «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет» под руководством и при непосредственном участии автора. Основные результаты были получены в ходе исследований, выполнявшихся в рамках программы «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям развития науки и техники».

Цель работы: создание теоретических основ проектирования и средств реализации теплотехнических установок на основе разработки новых способов управления и принципов построения систем управления на базе нечеткой логики с исследованием их динамических и статических характеристик.

Достижение указанной цели обеспечивается постановкой и решением следующих основных задач исследования:

- разработка математического аппарата для проектирования нечетких систем управления теплотехническими установками, включая развитие методов анализа и синтеза;

- создание математического описания пиролизных теплотехнических установок мобильного типа с учетом специфики использования функционально-необходимых элементов установки;

- разработка и научное обоснование новых способов управления пи-ролизными теплотехническими установками мобильного типа и принципов построения систем управления ими;

- разработка методов синтеза нечетких систем управления тепловыми процессами;

- создание программно-аналитических средств автоматизации проектирования теплотехнических установок;

- исследование статических и динамических характеристик разработанных нечетких систем управления теплотехническими установками;

- разработка технических устройств, обеспечивающих реализацию предложенных способов управления теплотехническими установками;

- создание и внедрение в народное хозяйство образцов разработанных систем управления теплотехническими установками и средств их проектирования.

Методы исследования. Научные исследования диссертационной работы основывались на теории дифференциальных уравнений, включая методы переменных состояния и операторный метод, математическом аппарате теории нечетких множеств, методах теории автоматического управления, методах имитационного моделирования и программировании. Проверка теоретических расчетов и алгоритмов управления теплотехническими установками осуществлялась экспериментальными методами на физических макетах.

Экспериментальные исследования подтвердили полученные основные теоретические положения.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

1. Принципы проектирования систем управления параметрами теплотехнических установок на базе аппарата теории нечетких множеств, обеспечивающие анализ и синтез систем управления по условиям воспроизведения требуемых динамических характеристик.

2. Разработанные математические модели пиролизных теплотехнических установок мобильного типа, адекватно отражающие их специфические свойства.

3. Обоснование и научное доказательство возможности использования для систем управления теплотехническими установками различных подходов реализации регуляторов по нечеткому принципу, в зависимости от структуры систем управления, обеспечивающих улучшение статических и динамических характеристик данных систем.

4. Методы синтеза параметров нечеткого логического регулятора (НЛР) по прямым показателям качества системы управления теплотехнической установкой; комплекс программно-аналитического обеспечения для анализа и синтеза систем управления с нечеткими регуляторами, их расчета и проектирования.

5. Комплекс теоретических и экспериментальных исследований, подтверждающих основные теоретические положения, адекватность математических моделей и эффективность предложенных процедур синтеза.

6. Разработанные и запентованные технические решения по теплотехническим установкам, их элементам, способам управления теплотехническими и энергетическими установками, обеспечивающие реализацию предложенных принципов построения нечетких систем управления.

Научная новизна работы заключается в том, что впервые выполнена и решена научная проблема разработки теоретических основ построения и средств реализации теплотехнических установок путем разработки новых способов управления и принципов построения систем управления на базе нечеткой логики.

В частности:

1. Разработан математический аппарат для проектирования нечетких систем управления теплотехническими установками, в рамках которого развиты программно-аналитические методы анализа и синтеза предложенных способов управления.

2. Разработано математическое описание пиролизных теплотехнических установок для всех способов управления и режимов работы в виде совокупности статических и динамических моделей, нелинейных и линеаризованных, с учетом и без учета нечеткости параметров объекта управления.

3. Теоретически обоснованы запатентованные способы управления теплотехническими установками и основанные на них принципы построения систем управления.

4. На основании аналитических, численных и экспериментальных исследований статических и динамических характеристик выявлены основные закономерности процессов в предложенных нечетких системах управления теплотехническими и энергетическими установками.

5. Разработаны метод синтеза НЛР по прямым показателям качества системы регулирования теплотехническими установками и методика оптимизации распределения функций принадлежности для блоков фаззифи-кации и дефаззификации НЛР.

Практическая значимость полученных результатов и выводов связана с достигнутым улучшением статических и динамических характеристик систем управления теплотехническими установками и созданием средств, достаточных для реализации теоретических положений:

- созданы методики проектирования систем управления теплотехническими установками;

- разработаны функционально необходимые нечеткие регуляторы, обеспечивающие реализацию различных принципов нечеткого управления;

- обеспечено повышение точности регулирования, расширение функциональных возможностей систем управления, повышение энергоэффективности теплотехнических и энергетических установок;

- разработанные методики и программно-аналитическое обеспечение нечетких регуляторов обеспечивают повышение производительности труда при проектировании и исследовании систем управления;

- запатентовано 10 технических решений на устройства, способы управления и структуры систем управления теплотехническими и энергетическими установками;

- разработаны новые алгоритмы управления пиролизными теплотехническими установками, обеспечивающие повышение качественных показателей установок и увеличение выхода продукта процесса пиролиза.

Реализация работы. Основные результаты работы получены и внедрены в ходе выполнения госбюджетных и хоздоговорных НИР, выпол-

нявшихся по заказам предприятий г. Комсомольска-на-Амуре и Хабаровского края, в рамках гранта Правительства Хабаровского края и связанных с разработкой систем управления тепловыми и энергетическими процессами на основе мягких вычислений. Программное обеспечение, созданное на основе разработанного математического аппарата, было внедрено для разработки углевыжигательных мобильных установок для производства древесного угля на комсомольской дистанции гражданских сооружений ДВЖД и на Комсомольской ТЭЦ-3 при модернизации систем управления параметрами котлоагрегата.

Материалы диссертации, касающиеся математических моделей нечетких систем управления, методов синтеза нечетких регуляторов, программного обеспечения, используются в учебных дисциплинах «Искусственный интеллект в задачах управления» и «Интеллектуальные системы управления электроприводами» для студентов специальностей 2101 и 1804 ГОУ ВПО «Комсомольский-на Амуре государственный технический университет».

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и получили одобрение на Всесоюзной научно-практической конференции " Электромагнитное совмещение силовых полупроводниковых преобразователей" (г. Таллин, 1984г.); международной научно-практической конференции «Информационные технологии в образовании, управлении и промышленности» (г. Комсомольск-на-Амуре, 1996 г.); II Всероссийской научно-технической конференции «Информационные технологии в электротехнике и электроэнергетике» (г. Чебоксары, 1998 г.); международной научной конференции «Нелинейные науки на рубеже тысячелетий» (С.-Петербург, 1999 г.); международной научной конференции «Методы и средства управления технологическими процессами» (г. Саранск, 1999 г.); международном симпозиуме «Научное и научно-техническое обеспечение экономического и социального развития Дальневосточного региона» (г. Комсомольск-на-Амуре, 1999 г.); международной научно-технической конференции «Синергетика 2000. Самоорганизующиеся процессы в системах и технологиях», (г. Комсомольск-на-Амуре, 2000 г.); II Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Энергетика: управление, качество и эффективность использования энергоресурсов» (г. Благовещенск, 2000 г.); межрегиональной научно-практической конференции «Роль науки, новой техники и технологий в экономическом развитии регионов» (г. Хабаровск, 2001 г.); международной научно-технической конференции «Электромеханические преобразователи энергии» (г. Томск, 2001 г.); 10- International Symposium "Short-circuit currents in power system" (Lodz, 2002); региональной научно-практической конференции "Проблемы учета и управления потреблением энергоресурсов и воды" (г. Хабаровск, 2003); региональной научной конференции «Нелинейная динамика и прикладная синергетика» (г. Комсо-

мольск-на-Амуре, 2003 г.); международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы лесного комплекса» (г. Брянск, 2003 г.); международной научно-технической конференции «Электроэнергетика, электротехнические системы и комплексы» (г. Томск, 2003 г.); научно-технических семинарах электротехнического факультета Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета, 1986-2003г.;

Созданные макетные образцы пиролизных углевыжигательных установок демонстрировались на международной специализированной выставке "Российские наукоёмкие технологии и техника" в г. Харбине (КНР) (1996г.); региональных выставках в г.г. Хабаровск, Комсомольск-на-Амуре (1996,1998г.г.) и были отмечены грамотами.

Публикации. По результатам исследований, отражённых в диссертационной работе, опубликована монография, 60 научных работ, в том числе 10 патентов и авторских свидетельств Российской Федерации.

Личный вклад автора в совместно опубликованных работах заключается в той их части, которая представлена в настоящей диссертации, а именно: в разработке математических моделей, в развитии методов и методик анализа и синтеза, создании экспериментальных установок и проведении экспериментальных исследований, разработке алгоритмов управления и программного обеспечения.

Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка из 237 наименований и 6 приложений. Она содержит 294 страницы машинописного текста и 133 рисунка.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выполненной работы, сформулированы ее цель и задачи исследований, а также полученные результаты, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрены два класса теплотехнических установок, получение выходного продукта которых базируется на использовании тепловых процессов — котлоагрегаты и пиролизные углевыжигательные печи. Показано, что для систем управления установками первого класса ограничительными факторами, препятствующими достижению высоких статических и динамических показателей, являются: неполнота математического описания объекта управления, обусловленная линеаризацией и аппроксимацией характеристик его элементов; наличие сложных взаимосвязей между параметрами установки; не стационарность параметров объекта управления;

Кроме выше указанных факторов в углевыжигательных установках мобильного типа системы управления слабо ориентированы на повышение количественных показателей выхода готового продукта, что обусловлено

отсутствием математического описания этих установок с точки зрения управляемости процессом. Характерной особенностью теплотехнических установок обоих классов является то, что ряд параметров систем управления ими может быть описан только качественными характеристиками, что сказывается на выходных показателях установки.

Выше отмеченные особенности теплотехнических установок для повышения эффективности их функционирования и достижения высоких качественных показателей заставляют наряду с традиционными методами управления использовать новые пути в построении систем управления ими. К числу таких путей может быть отнесен и - бурно развивающейся в последние годы - подход, основанный на использовании аппарата нечеткой логики.

Рассмотрены потенциальные возможности нечетких систем управления, позволяющие ослабить влияние указанных ограничивающих факторов. С единых методологических позиций выполнен обзор современного состояния нечетких систем управления технологическими процессами, включая структуры систем управления, принципы построения нечетких логических регуляторов, а также технические решения по реализации регуляторов. Выявлены пути совершенствования нечетких систем управления теплотехническими установками, сформулированы задачи исследования и определены подходы к их решению.

Рассмотрена и приведена классификация нечетких систем управления, в основу которой положен принцип «слабого звена», являющегося источником неопределенности, а также место включения и тип используемого НЛР.

Для теплотехнических установок второго класса показано, что эффективная автоматизация управления требует усовершенствования, как конструкторско-технологических параметров устройств пиролиза древесины, так и способов управления протеканием процесса, предполагая при этом разработку методик и алгоритмов управления в реальном масштабе времени с учетом технологических ограничений и функциональных возможностей.

Ограниченность применения аппарата нечеткой логики для систем управления теплотехническими установками частично связано с нерешенностью до настоящего времени ряда теоретических проблем, что приводит к необходимости проведения представленных в данной работе соответствующих научных исследований, результатом которых является создание инструментария для проектирования нечетких систем управления теплотехническими установками.

Во второй главе рассмотрены принципы построения нечетких систем управления теплотехническими установками первого класса, включая развитие методов синтеза НЛР.

В соответствии с рассмотренной классификацией нечетких систем управления одним из вариантов реализации таких систем является включение НЛР в дополнительный контур управления. Целесообразность такого включения диктуется как существенной линеаризацией дифференциальных уравнений, описывающих объект управления рассматриваемого класса, так и нестабильностью ряда параметров (плотность, давление, теплоемкость пара, коэффициент теплоотдачи), что часто требует ручной подстройки традиционно используемых регуляторов.

В задачу дополнительного корректирующего контура входит выработка вспомогательного управляющего воздействия, совместное действие которого с корректирующим сигналом основного регулятора обеспечивает требуемое качество динамических характеристик объекта регулирования. Поскольку основной контур регулирования представляет собой линеаризированную структуру, то при синтезе алгоритма управления нечетким корректирующим трактом желательно использовать известные из теории управления методы. В качестве последних могут быть использованы: метод параллельной коррекции (на основе желаемой передаточной функции параллельного корректирующего звена определяются основные параметры нечеткого корректора, а затем с помощью итерационного моделирования его алгоритм изменяется в сторону достижения желаемого качества регулирования), методы оптимального управления (на основе выбранного интеграла качества для линеаризированной структуры системы определяется требуемый вид управляющего воздействия, из него выделяется составляющая, нереализуемая традиционным регулятором, по которой и находятся основные параметры нечеткого корректора).

Задача синтеза нечеткого корректора переходит в область логических заключений и сводится к: выбору входных лингвистических переменных на основе анализа поведения замкнутой линеаризированной системы в оптимальном режиме; назначению для каждой из лингвистических переменных набора термов; выбору для каждого из термов аппроксимирующего нечеткого множества; созданию базы правил корректора на основе анализа совокупности значений «входные переменные - управление», полученной для оптимального режима; принятию адекватного механизма нечеткого вывода и выбору эффективного метода преобразования полученного нечеткого управления в «четкий» выходной сигнал.

При синтезе нечеткого регулятора целесообразно использовать алгоритм вывода по Мамдани, как наиболее простой и интуитивно очевидный.

База знаний (БЗ) нечеткого регулятора формируется в виде продукций (множество управляющих правил), связывающих лингвистические значения входных и выходных переменных и оценивается на оптимальность с помощью таких показателей, как полнота и непротиворечивость правил управления.

Применение предложенного принципа построения нечетких систем управления для локальной системы управления температурой перегретого пара котлоагрегата обеспечило достижение, по крайней мере, трех положительных результатов: уменьшило время реакции СУ температурой на внешнее возмущение; снизило величину динамической ошибки (падение температуры уменьшается примерно на 30 %); сделало СУ слабо чувствительной к изменению параметров ручной подстроки регуляторов.

Использование НЛР в прямом канале регулирования СУ тепловыми процессами требует учета ряда обстоятельств. Характерным режимом работы СУ теплотехническими установками является режим стабилизации одного из параметров системы. При этом система должна обеспечивать астатический закон регулирования при отработке возмущающих воздействий. Непосредственное использование НЛР, реализованного по алгоритму Мамдани с общеизвестными принципами построения не обеспечивает получение желаемого результата, поскольку наличие НЛР Мамдани в прямом канале управления приводит к появлению статической ошибки при отработке возмущающего воздействия.

Применение в качестве регулятора НЛР, построенного по алгоритму Сугено является более предпочтительным, так как данный алгоритм вывода позволяет реализовать регулирование одновременно по нескольким законам. При этом переключение законов происходит в зависимости от величины входного сигнала. Выбор типа закона регулирования и его параметров необходимо производить на основе экспериментальных данных об управлении заданным технологическим объектом, а также на основе общей теории управления. Отсутствие ограничения выходной функции НЛР с алгоритмом вывода по Сугено в отличие от регулятора типа Мамдани вынуждает включать на его выходе нелинейное звено ограничения.

Эффективность управления нечетких систем, реализованных по предложенной структуре, существенно зависит от числа функций принадлежности (ФП) в блоках фаззификации и дефаззификации, их вида и распределения их по диапазону изменения соответствующего параметра. Число функций принадлежности для обеспечения относительно невысокой алгоритмической сложности НЛР и сравнительно высоких качественных характеристик системы регулирования целесообразно ограничивать семью функциями.

Задача выбора вида функций принадлежности, распределения их по диапазону изменения входной координаты обычно возлагается на эксперта проектирующего НЛР и носит существенно субъективный характер. Для ослабления влияния субъективных факторов проектирования НЛР предложен метод оптимизации распределения функций принадлежности регулятора по диапазону изменения его входной координаты.

Полагая, что динамика нечеткой системы управления тепловыми процессами описывается системой нелинейных дифференциальных уравнений вида:

*(<) = А(0х(1 - г) + В(0и(0 + - в) + Н(х(0),

где Л({) — матрица системы, В(Х) — матрица управления, 0(() — матрица возмущений, х({) — координаты состояния системы, - сигнал управления^ (() - возмущающее воздействие, г- величина запаздывания, обусловленная внутренними параметрами объекта управления, - величина запаздывания, обусловленная внешними возмущающими воздействиями, Н(к(ф-составляющая, обусловленная нелинейными свойствами объекта регулирования, а НЛР, построенный по алгоритму Мамдани, описывается с помощью

продукционных правил типа (случай с n-мерным входом и одномерным выходом):

Посылка: Е ;X/ естьАт/1 ... и х„ есть Ат„;

Правило: Если X; есть А ¡и ... и Хц, есть А л то и есть В ,

Вывод: и есть В,

[Х1,Х2,»;Х„]Г —х - вектор входного сигнала,

и — скалярная величина сигнала управления, .А', является универсумом для каждой лингвистической переменной х„ а II — соответственно и.

Записав выражение нечеткого выходного множества В через его функцию принадлежности и функции принадлежности входных лингвистических переменных при условии, что нечеткие подмножества В' имеют

вид:

словии, что неч / \ [1.

где дискретные численные значения выходного сигнала, можно показать, что выходной сигнал НЛР будет описываться выражением:

Обозначив:

формулу определения выходного сигнала НЛР (сигнала управления) преобразуем к виду:

Таким образом, в случае полноты и непротиворечивости БЗ, НЛР может быть описан в виде произведения двух функций, определяемых видом и распределением по диапазону регулирования функций принадлежности и выбранным алгоритмом нечеткого вывода.

Положив вектор Л - const, синтез НЛР можно свести к оптимальному распределению функций принадлежности при их фиксированном числе.

Поскольку вид ФП и их распределение по диапазону регулирования описываются логическими элементами, то синтез НЛР осуществляется на основе математико-логического подхода с применением универсальной шкалы, предложенной Поспеловым А.Д. При этом задача синтеза сводится к отысканию такого вида и формы ФП, которые при выше приведенных допущениях обеспечивали бы, на основании принятого алгоритма нечеткого вывода, требуемый вид управляющего воздействия.

При известном управляющем воздействии и заданном входном сигнале регулирования, задача будет заключаться в нахождении желаемой функции отображения. Для поиска данной функции отображения введем ряд ограничений.

1. Реализация желаемого закона управления осуществляется по одному входному сигналу НЛР. Второй входной сигнал НЛР может быть учтен впоследствии, как корректирующий.

2. Переходная характеристика системы является непрерывной и многократно дифференцируемой функцией.

В качестве функции отображения предложено использовать функцию управления желаемого вида: <p = u(-t), что соответствует прохождению сигнала управления через структуру НЛР в обратном направлении.

Принцип построения оптимально распределенных функций принадлежности наглядно иллюстрируется рис. 1.

Данный алгоритм оптимизации распределения функций принадлежности НЛР реализован в виде программного обеспечения.

Важным условием эффективного функционирования НЛР является построение непротиворечивой и оптимально полной БЗ. При этом зачастую, адекватность БЗ зависит от величины среза объема выборки экспертных оценок, что является в большинстве случаев взаимоисключающим фактором.

у'

ч> / л 1 ¡\

к / 1 \ 1 1 X | А ч \ N \ А Рг ! \ I \ 1 \ I \ 1 \ \| \ х

Рис.1 Координатная система отображения функций принадлежности. •

Учитывая тот факт, что тепловые процессы характеризуются непрерывными и монотонными временными зависимостями и желаемый вид данных зависимостей для конкретного объекта регулирования по известному его упрощенному математическому описанию практически всегда известен, можно предложить несколько иной метод формирования БЗ НЛР, заключающийся в следующем.

Полагаем что: 1) динамические показатели выходной координаты синтезируемой замкнутой СУ нам известны и 2) переходная характеристика этой координаты является монотонной непрерывной и сколь угодно раз дифференцируемой. Задачу синтеза НЛР для данного класса систем управления сформулируем следующим образом:

Пусть желаемая нечеткая замкнутая автоматизированная СУ описывается соотношением вида

Г = ,Г)»

где X, У— лингвистические значения нечетких входных и выходных переменных; Fж - нечеткий оператор, заданный в виде набора управляющих правил типа ' » если Хесть А и У есть В, то У есть С

Принимая во внимание принцип последовательной коррекции, объект регулирования для таких систем, может быть представлен или в виде

К = -?„(/,{/),>

или в виде звена второго порядка

У = ^(К,К,С/)„

при этом - нечеткий оператор, записанный в виде управляющих правил,

и — лингвистическое значение нечеткой переменной управления на входе объекта регулирования.

Цель синтеза по известным нечетким операторам рж и - найти нечеткий оператор регулятора который обеспечит требуемое качество динамических характеристик автоматизированной СУ.

Лингвистический подход формирования оптимального оператора желаемой СУ можно сформулировать, исходя из утверждений: чем больше рассогласование между задающим воздействием Xи выходным значением У, тем больше должна быть величина изменения этого рассогласования или, что равнозначно, тем выше должна быть скорость изменения выходной переменной У, но с противоположным знаком. При этом не выдвигается никаких ограничений ни на количество терм-множеств лингвистических переменных, ни на их вид и их распределение по всему диапазону изменения переменной.

Из вышеприведенного утверждения следует, что для реализации алгоритма синтеза НЛР необходимо иметь информацию как об ошибке желаемой СУ, так и о ее производной. При известной динамической характеристике выходной координаты желаемой СУ и известном входном воздействии такую информацию получить несложно. Но данной информации для реализации алгоритма недостаточно. Поскольку переходную характеристику выходной координаты СУ, а, следовательно, и ее ошибку (е = х-у) можно представить последовательностью участков разгона и торможения, плавно переходящих один в другой, на которых производная имеет различный знак, то в конечном итоге выделение терм-множеств входной и выходной лингвистических переменных приводит к возникновению противоречия. Для исключения данного противоречия вводится информация о второй производной ошибки желаемой СУ. Алгоритм синтеза НЛР будет сводиться к следующему:

Координатная плоскость, на которой изображены кривые в({), ё ({), е"(() и Х({) в относительных единицах, разбивается на зоны в следующем порядке. Из точек пересечения кривой с осью абсцисс восстанавливаем перпендикуляр до пересечения с кривой е(() и из полученных точек проводим прямые параллельные оси абсцисс (см. рис.2.). Из точек, соответствующих максимумам кривой е"((), восстанавливаем перпендикуляры до пересечения с кривой ё (I) и из полученных точек проводим линии параллельные оси абсцисс.

Затем из точек псрсссчсния прямых к.- к4 с кривыми ошибки системы и ее производной ё ({) проводим прямые ¡¡, 1}, ... параллельные оси ординат. Таким образом, на координатной плоскости прямыми формируется сетка, на основании которой определяется нечеткий оператор •/Г»,. . Так, например, для зоны, отмеченной на рис.2, знаками (*,**) строка нечеткого оператора будет выглядеть следующим образом (табл.2.3):

Рис. 2. Диаграмма формирования правил нечеткого регулятора

Таблица 2.3

База знаний строки нечеткого оператора

Здесь Ы - отрицательное большое; sn - отрицательное малое; sp - положительное малое; mр - положительное среднее; 1р — положительное большое, или в виде строки правил:

Если е есть Ы u e есть тр тоХесть sp (*);

Если е есть sp u e есть sn то Хесть sp (**);

Такой подход позволяет автоматически производить выбор количества терм-множеств лингвистических переменных, а также определить диапазоны их изменения.

Аналогично может быть построен и нечеткий оператор объекта регулирования Fo. В этом случае формирование нечеткого оператора регулятора Fp сведется к следующему. Для произвольно выбранных значений Xи Ув наборе находим У; затем, используя полученное значение У и ранее принятое значение У, а также набор соотношений Ро, находим значение и. Таким образом, получаем один параметр соотношения Повторяя вышеописанные действия с остальными значениями лингвистических переменных X и У, определяем весь набор параметров нечеткого оператора F.

Использование такого подхода к проектированию НЛР не исключает возможности получения БЗ, не удовлетворяющей условию непротиворечивости наполняющих ее правил. Непротиворечивость управляющих правил системы обычно трактуется как отсутствие правил, имеющих сходные посылки и различные или взаимоисключающие следствия, при этом, степень непротиворечивости /-го и к-го правил оценивается выражением

с;к = | и<>4 (£,) Л/^ (£,))-иС«4 («2))1.

С целью автоматизации процесса синтеза НЛР по прямым показателям качества, а также исключения графоаналитических приемов построения и придания исследовательских функций при реализации и использовании данного метода разработан программный комплекс, работающий в среде МаЛаЪ.

В третьей главе рассмотрены принципы построения нечетких взаимосвязанных систем управления теплотехническими установками. .

Традиционные методы исследования детерминированных взаимосвязанных систем управления технологическими процессами сводятся к обеспечению требуемых показателей качества каждой из локальных систем управления и компенсации взаимовлияния локальных каналов управления.

Однако такие методы реализации детерминированных взаимосвязанных систем управления не дают желаемого результата, по крайней мере, в трех случаях когда:

- требуемую компенсирующую связь невозможно физически реализовать (например, порядок числителя передаточной функции компенсирующей связи больше порядка знаменателя);

- построение компенсирующей связи ведет к существенному усложнению аппаратной реализации взаимосвязанной системы;

- невозможно полностью учесть внутренние свойства объекта регулирования, через который осуществляется взаимосвязь (например, неоднородность структуры, неравномерность распределения деформации по сечению, качественное описание параметров взаимосвязи и т.п.).

Если векторно-матричное уравнение взаимосвязи системы представить в виде

где I - вектор параметров в правой части уравнения, описывающий взаимовлияние каналов регулирования друг на друга через объект регулирования,

и учесть свойства объекта регулирования, то, в общем случае, необходимо считать, что вектор / неизвестен и может изменяться по неопределенному закону. Для конкретных систем управления обычно известно множество Ь, которому принадлежат возможные значения / е 2.. Уравнение можно заменить на дифференциальное включение вида:

х е РЦ,х,Ь)

Поскольку различные точки множества и как возможные реализации / не равноправны, то множество X можно считать нечетким. Воспользовавшись правилом обобщения Заде, по которому функция /(г,х,/) считается продолжающейся на семейство множеств Ж, в правой части имеем нечеткое множество, и решение такого нечеткого дифференциального включения следует искать через множества уровня а.

Таким образом, задача компенсации взаимовлияния каналов регулирования друг на друга через объект регулирования выносится в область нечеткого управления. Данный класс взаимосвязанных систем управления можно отнести к слабо нечетким системам регулирования, .и сущность компенсации будет сводится не к аппаратной реализации корректирующего устройства, обеспечивающего требуемую функциональную зависимость сигнала компенсации, а к лингвистической аппроксимации нечетких алгоритмов управления.

Определение. Под нечеткой взаимосвязанной системой будем понимать управляемую систему вида {(7,(Х„ У), Г), где {(г,(Х„ У)}, 1=1,Л' совокупность локальных подсистем с входами X, и выходами У, , заданных с помощью матриц нечетких отношений Л„ осуществляющих отображение вида Я, :иХ1 х!/,. ->[0,1]. Здесь и„ , {/^-универсальные множества входных

и выходных локальных подсистем, а Г - описание структуры взаимосвязанной системы.

Используя матричное представление нечетких множеств в нечетко структурированных системах, выражение для выходной координаты локальной системы регулирования можно записать в виде

В данном выражении |к;| - матрица (вектор-строка) нечетких значений на входах I -й локальной системы управления; ¡Гд^Ц - матрица нечеткого отношения, описывающего функционирование собственно локальной систе-

мы управления (без влияния других систем); - матрица (вектор-

строка) нечетких значений на входах остальных локальных систем управления; - матрица нечеткого отношения, описывающего влияние остальных локальных подсистем на I -ю.

Задача построения НЛР должна сводиться к реализации отображения вида

/.^(5) -**•<£/),

где - лингвистическая переменная, и - пространство управляющих воздействий. Необходимо отметить, что поиск нечеткого отображения должен осуществляться при заданном критерии точности компенсации ошибки системы от взаимовлияния каналов и ограничении на алгоритмическую сложность, представленную соотношениями

ттЩКи/)ох] = ЩК<и/)<>х] ЧхеБ

В приведенном выражении С - алгоритмическая сложность вычислений, / - критерий точности компенсации ошибки взаимосвязи, К— аналитическое описание взаимосвязанной системы управления.

Эффективность предложенной методики построения нечетких взаимосвязанных систем управления технологическими процессами оценивалась для трех различных типов детерминированных взаимосвязанных систем управления. Взаимосвязанной нечеткой системы управления узлом горения барабанного котлоагрегата, которая относится к классу взаимосвязанных систем с односторонним воздействием; нечеткой взаимосвязанной системой управления с перекрестными связями; системой управления температурой перегретого пара котлоагрегата, относящейся к классу взаимосвязанных систем управления с заданным соотношением параметров. Реализация нечетких взаимосвязанных систем управления связана со структурным и параметрическим синтезом нечеткого логического контроллера. Выявлено, что для локальных каналов СУ НЛР целесообразно выполнять в соответствии с алгоритмом вывода по Сугено, а НЛР канала взаимосвязи — согласно алгоритму Мамдани.

Предложенная методика позволила синтезировать нечеткие взаимосвязанные системы управления, обладающие расширенными функциональными возможностями, без снижения динамических показателей локальных СУ. При этом обеспечивается универсальность настройки регуляторов и упрощается реализация корректирующих связей. Взаимовлияние каналов друг на друга практически отсутствует даже без принятия специальных мер по оптимизации функций принадлежности и БЗ НЛР.

В четвертой главе получено математическое описание второго класса теплотехнических установок - пиролизных углевыжигательных установок мобильного типа в виде совокупности математических моделей для разных видов установок и с различной степенью детализации. Это - модели нелинейные и линеаризованные; в форме переменных состояния и передаточных функций; статические и динамические; с учетом реального соотношения параметров установки и типа сырья. Полученная совокупность моделей позволяет решать задачи анализа и синтеза СУ пиролизными установками, как традиционными методами, так и с использованием нечеткого подхода.

При получении математических моделей пиролизных углевыжига-тельных установок мобильного типа использовался метод электрических схем замещения и дифференциальное уравнение состояния среды БиоФурье. Линеаризация исходных уравнений осуществлялась на основании следующих шести допущений: 1) источником тепла является все дно камеры, причем тепловой поток равномерен по всей площади; 2) объектом суг-ливания является сплошной деревянный куб, при этом коэффициент теплопроводности остается величиной постоянной; 3) плотность среды (древесины) в процессе не изменяется; 4) удельная теплоемкость среды также постоянна; 5) внутренние источники тепловыделения отсутствуют; 6) все поверхности находятся в идеальном тепловом контакте (отсутствуют контактные термические сопротивления).

Разработка математического описания осуществлялась для разработанных и запатентованных пиролизных установок двух типов: с пассивным и активным способами управления. Способы управления и реализующие их технические средства направлены на повышение процента выхода готового продукта при сохранении высоких показателей качества.

Можно выделить следующие базовые принципы, заложенные в запатентованных пиролизных установках: управление изменением термического сопротивления теплового потока за счет изменения пространственного положения теплоизолирующих штор; управление пространственным положением в углевыжигательной камере контейнеров с сырьем.

На рис.3 приведена структурная схема пиролизной установки с пассивным способом управления.

Сравнение результатов моделирования по полученным динамическим моделям пиролизных установок (рис.4) с экспериментальными кривыми показало адекватность описания характера изменения кривых на основных участках процесса пиролиза древесины с погрешностью, не превышающей 10%.

Рис. 3. Структурная схема пиролизной установки

Для максимизации выхода древесного угля управление процессом пиролиза необходимо организовать таким образом, чтобы исключить интервалы «томления» древесины, стимулирующие выход жидких фракций, а также избежать резких перегревов, которые вызывают рост образования парогазовой смеси. Это требование трансформируется в необходимость формирования желаемой временной температурной зависимости, определяющей конкретные температурные режимы на различных этапах протекания процесса пиролиза.

0 5 10 15 I. час

Рис. 4. Динамические характеристики пиролизной установки

Однако, учитывая, что на температурный режим процесса пиролиза оказывают влияние ряд нестационарных факторов (влажность древесины, плотность укладки в контейнере, тип древесины и т. п.), а также инерцион-

ность теплового процесса, целесообразно задаться двумя кривыми, в ходе процесса, как показано на рис. 5. определяющими максимальный и минимальный возможные уровни температур. Очевидно, что область, расположенная между двумя температурными кривыми, будет являться желаемой областью состояния системы, обеспечивающей достижение заданных показателей качества.

Для поддержания теплового режима пиролизной установки, который обеспечит нахождение тепловой системы в желаемой температурной

зоне, необходимо достаточно адекватно прогнозировать ее поведение с учетом множества вомуща-ющих факторов внешней и внутренней среды. Для реализации выше отмеченного условия и с учетом значительной

0 2 4 6 8 Ю 12 14 16 1В

Рис. 5. Кривые желаемого состояния теплового процесса пиролиза: 1- максимальная граница температур;

2 - минимальная граница температур;

3 - идеальное состояние системы

инерционности процесса пиролиза предложено два способа управления пиролизными установками, суть которых сводится к прогнозированию состояния теплового поля установки и выработке соответствующего корректирующего воздействия, обеспечивающего или изменение интенсивности теплового потока, или изменение пространственного положения контейнеров с древесиной.

В первом варианте алгоритм применения корректирующего воздействия для обеспечения необходимого качества регулирования при минимальной сложности математического аппарата прогнозирования поведением тепловой системы следующий:

- для конкретных граничных условий, выбранных из условия наихудшего состояния тепловой системы, в плане температурного перегрева рассчитываем наиболее желательную величину перерегулирования;

- снижаем максимальную границу и поднимаем минимальную границу на величину перерегулирования, определяя тем самым псевдоблагоприятную температурную область.

Такое управление позволит по факту достижения температурой «фиктивных» максимальной и минимальной границ интервала допустимых температур избежать выхода температуры (при реальном перерегулировании) из наиболее благоприятного диапазона.

Второй способ управления связан с использованием принципа упреждающей коррекции. В этом случае система управления содержит в памяти тепловую модель системы и производит коррекцию реальной установки по предварительному расчету, выполненному на модели. При этом алгоритм управления сводится к: опросу датчиков параметров установки; оценке, полученных данных с датчиков; расчету поведения системы по данным тепловой модели в памяти системы управления (расчет выполняется с упреждением на интервал времени, равный времени температурного запаздывания всей установки); внесение корректирующего воздействия в случае прогнозируемого выхода тепловой системы из зоны благоприятного протекания процесса.

Апробация предложенных способов управления пиролизными установками с помощью моделирования и на экспериментальной установке продемонстрировала эффективность этих способов управления (система входит в благоприятную температурную область практически за два шага коррекции), а экспериментальные данные показали, что выход древесного угля увеличился на (20 -5- 25)%.

Для ослабления влияния нестационарности параметров углевыжига-тельной установки предложено использовать нечеткий подход при построении СУ установками. Отличительной особенностью НЛР, входящего в СУ установкой, является наличие как минимум трех входов и одного выхода. На два входа НЛР должны подаваться сигналы, пропорциональные температуре пода и свода установки соответственно, что определяется как принципом построения системы управления процессом пиролиза, так и конструктивными возможностями установки. На его третий вход подается сигнал, пропорциональный производной температуры свода печи, так как температура у свода печи наиболее подвержена влиянию возмущающих воздействий. При синтезе НЛР использовались методы, рассмотренные во второй главе настоящей работы, а при анализе нечеткой системы регулирования рассматривался НЛР как с алгоритмом вывода по Мамдани, так и с алгоритмом вывода по Сугено.

Исследования нечетких алгоритмов управления пиролизными установками с привлечением разработанного математического описания установок показали, что значительно снижается чувствительность СУ к изменению параметров (при изменении соотношения Т:т в 100 раз температура при прокаливании угля в печи изменяется в пределах 5 °С, в то время как в системе без НЛР - на 30 °С);

Подтверждена работоспособность и эффективность предложенного метода оптимизации блоков фаззификации и дефаззификации НЛР. Выяв-

лено, что нечеткий регулятор, синтезированный по предложенному методу, обладает робастными и адаптивными свойствами, что позволяет оптимизировать переходные процессы при изменении параметров объекта регулирования или окружающей среды.

Проиллюстрирована работоспособность метода оптимизации НЛР при реализации последнего по алгоритму вывода по Сугено. При этом выявлена более высокая эффективность систем управления с использованием таких регуляторов. -

Пятая глава посвящена разработке современных принципов управления нечеткими системами.

Для снижения трудоемкости синтеза параметров НЛР предложено использовать аппарат нейронных сетей. Основанием для такого подхода является универсальность вычислительных возможностей нейронных сетей, которая позволяет для любого алгоритма синтезировать реализующую его нейронную сеть. В данном случае НЛР будет обладать адаптационными свойствами и его можно представить в виде двухуровневой структуры, нижний уровень которой будет составлять непосредственно сам регулятор, а верхний — обучаемая нейронная сеть. При этом основной задачей нейронной сети является формирование в процессе обучения функций принадлежности и правил базы знаний.

Из большого многообразия алгоритмов оптимизации нейросетей для НЛР целесообразно использовать алгоритм обратного распространения, так как он обладает сравнительно незначительной сложностью и высокой точностью решения. Он позволяет нечеткой системе обучаться на данных, полученных в ходе эксперимента или моделирования. Согласно данному алгоритму входные и выходные векторы используются для обучения сети до тех пор, пока она не сможет достаточно точно аппроксимировать функцию, объединяющую входные и выходные векторы.

Исследования нечетких систем управления с такими регуляторами на примере системы регулирования расхода топлива котлоагрегата показали, что при обеспечении примерно одинаковых динамических показателей выходного параметра существенно сокращаются машинно-временные затраты на настройку регулятора, а сам процесс синтезе НЛР автоматизируется.

Для систем управления тепловыми технологическими процессами сравнительно высокой сложности и в тех случаях, когда необходимо обеспечить высокую точность регулирования, рекомендуется применять модальный принцип управления. Использование данного принципа управления позволяет получить желаемую форму переходного процесса, а также реализовать требуемый функционал качества. Однако при этом необходимо учитывать, что применение модального управления влечет за собой: - жесткую привязанность параметров регулятора к параметрам системы

и, как следствие, непредсказуемость работы системы управления при изменении параметров системы;

- неудовлетворительную работу системы управления при воздействии внешних возмущений;

- зачастую невозможность «наблюдения» всех координат системы.

Неудовлетворительную работу системы управления при воздействии внешних возмущений можно решить введением компенсационного канала, а невозможность «наблюдения» всех координат системы решается построением наблюдающего устройства. Но это повышает сложность проектирования и синтеза модального регулятора, приводит к увеличению количества звеньев в системе управления и снижает надежность ее работы.

Кроме того, жесткая привязанность параметров регулятора к параметрам системы приводит к тому, что при недостаточной точности математического описания объекта управления, при не учете звеньев с малыми постоянными времени или при каких-то других видах аппроксимации в системах, построенных по принципам модального управления с использованием наблюдателя, число параметров регулятора, подлежащих корректировке, становится значительным, из-за чего процесс настройки регулятора оказывается весьма трудоемким и требует высокой профессиональной подготовки обслуживающего персонала.

Для ослабления влияния выше указанных недостатков модального регулятора предложено последний реализовать на нечеткой основе. На рис.6 приведена функциональная схема системы с нечетким модальным регулятором (НМР)*

Обозначениям, приведенным на рисунке соответствуют: «модель» -модель объекта управления; W(p) - передаточная функция объекта; НМР -нечеткий модальный регулятор; НС — нейронная сеть; и- управляющее воздействие; е - ошибка регулирования; у - выход системы; f, - желаемая характеристика переходного процесса; 8- ошибка регулирования; x управляющее воздействие НМР.

т

-► аяип

Рис.6. Функциональная схема системы с нечетким модальным регулятором

При синтезе параметров НМР из условия достижения системой асимптотической устойчивости и заданном функционале качества, заданном равенством

где Ч'.Ч'- некоторые непрерывные функции, искомое управление вида:

имеет решение только при неизменных значениях как параметров объекта, так и параметров модели. Однако, используя адаптационные свойства НМР, данное управление может быть реализуемо и при изменяющихся параметрах системы. При этом для усиления адаптационных свойств НМР последний может быть снабжен корректирующей НС, в функцию которой входит коррекция как вида функций принадлежности регулятора, так и изменение параметров базы знаний.

Моделирование системы управления двух массовым объектом регулирования, построенной по предложенному принципу нечеткого модального управления подтвердило ее эффективность. При изменении параметров объекта регулирования и модели (коэффициента жесткости, постоянных времени) на 5 15% параметры переходных характеристик системы изменялись на 25 * 30% при использовании традиционного модального регулятора и оставались практически без изменения при использовании

Положительные результаты достижимы и в случае использования нечеткого подхода при построении систем управления, реализуемых по подчиненному принципу регулируемых координат. В данном случае не только снижается чувствительность системы к изменению ее параметров, но и ослабевает ее негативный фактор, связанный со снижением быстродействия системы при росте числа контуров регулирования При этом обеспечивается универсальность настройки НЛР, реализуемого по алгоритму вывода по Сугено.

Нечеткие принципы управления эффективно работают и при решении задач оптимизации технологических режимов электротехнических систем. В частности, минимизация потерь электроэнергии в системах электроснабжения при условии изменения во времени нагрузки потребителей.

Исследования, проведенные в течение ряда лет в городском энергохозяйстве г. Комсомольска-на-Амуре под непосредственным руководством автора показали, что:

НМР.

- суммарная величина относительных годовых потерь энергии в распределительной сети низкого напряжения находится на уровне 4 -К 5% от электроэнергии, поступающей в сеть. При этом основными потерями в сети (свыше 90 % всех потерь) являются ее потери в понижающих трансформаторах;

- величина потерь в понижающих трансформаторах существенно

(в 1,3 4 раза) превышает те минимальные потери, которые могут иметь место в них.

Основными причинами увеличения потерь в трансформаторах являются:

- существенная неравномерность графиков нагрузки городских потребителей, связанная как с суточной, так и с сезонной цикличностью ее изменения;

- низкая загруженность трансформаторов, особенно трансформаторов большей мощности. Максимальные коэффициенты нагрузки, определенные в период зимнего максимума для отдельных типов трансформаторов 400 кВт), не превышают 0,4.

Низкая загрузка трансформаторов обусловлена существующей методикой проектирования трансформаторных подстанций (111) распределительных сетей. Мощность устанавливаемых трансформаторов определяется по максимальной ожидаемой мощности нагрузки в конце 15- или 25-летнего периода с учетом предполагаемого его роста по экспоненциальному закону. Поэтому в каждой сети имеется значительное число новых трансформаторных подстанций, нагрузка которых далека от максимальной расчетной, что приводит к снижению коэффициентов нагрузки этих трансформаторов и их КПД.

Для снижения величины непроизводственных потерь трансформаторной подстанции предложено использовать двухступенчатое регулирование мощности трансформаторных подстанций. С этой целью предлагается ТП комплектовать двумя трансформаторами разной мощности. При этом включение трансформаторов на нагрузку определяется по текущему значению потребляемой мощности, исходя из условия минимизации потерь. Когда мощность нагрузки не превышает мощности то на нагрузку включается трансформатор, имеющий меньшую мощность. Когда же нагрузка превышает нагрузку Р|, при которой КПД трансформаторов, включается на нагрузку трансформатор большей мощности, а трансформатор меньшей мощности отключается. И, наконец, когда мощность нагрузки превышает номинальную мощность трансформатора меньшей мощности примерно на 10 15 %, (конкретная величина определяется из условия равенства потерь при работе большего трансформатора и потерь при одновременной работе двух трансформаторов на ту же нагрузку), при этом потери в трансформаторе большей мощности становятся больше, чем потери при распределении этой же нагрузки между двумя трансформаторами, в

работу включается дополнительно трансформатор меньшей мощности и нагрузка распределяется между двумя трансформаторами.

Реализация алгоритма управления по нечеткому принципу обеспечило работу трансформаторной подстанции на каждом участке нагрузки в зоне с КПД, близким к максимально возможному, повысило надежность работы трансформаторов, практически свело на нет возникновение конфликтных ситуаций при переключении трансформаторов.

Показано, что для решения задач управления данного класса целесообразно использовать НЛР с алгоритмом вывода по Мамдани, а количество функций принадлежности ограничить шестью, причем для повышения точности регулирования желательно использовать функции принадлежности в форме Гаусса.

В приложении приведены: данные по постановке экспериментов; вычисление вспомогательных параметров, использованных при расчетах в основной части диссертации; листинги программного обеспечения; результаты модельных исследований; акты о внедрении результатов диссертационных исследований.

Заключение

В результате проведенных исследований цель разработки теоретических основ проектирования и средств реализации теплотехнических установок на основе разработки новых способов управления и принципов построения систем управления на базе нечеткой логики с исследованием их динамических и статических характеристик достигнута.

При этом получены следующие результаты:

1. Разработаны нечеткие СУ теплотехническими установками, обладающие совокупностью положительных свойств и снимающими ограничения, связанные с неточностью математического описания объекта управления, а также с невозможностью описания ряда параметров количественными характеристиками.

2. Обоснованы принципы построения и разработаны функционально необходимые нечеткие регуляторы, обеспечивающие реализацию различных принципов нечеткого управления, повышение точности регулирования, расширение функциональных возможностей систем управления, повышение энергоэффективности теплотехнических и энергетических установок. .

3. Разработано математическое описание пиролизных установок мобильного типа в различных формах - нелинейное и линеаризованное, в форме переменных состояния и передаточных функций, с учетом реального соотношения параметров установки и типа сырья, для статических и динамических режимов, которое адекватно отражает процессы в них и позволяет решать задачи анализа и синтеза СУ пиролизными установками, как традиционными методами, так и с использованием нечеткого подхода.

4. Создан математический аппарат, включающий развитие прямых методов синтеза нечетких систем управления теплотехническими установками применительно к разработанным способам управления и структурам СУ, обеспечивающих заданные динамические характеристики и оптимизацию режимов работы с учетом ограничений, обусловленных неполнотой математического описания.

5. Предложена и реализована концепция программного сопровождения выполненных научных исследований на основе универсальной среды программирования Matead с созданием соответствующего программного обеспечения, которое позволяет автоматизировать процесс проектирования нечетких СУ теплотехническими установками, обеспечивает наглядное представление полученных теоретических результатов и преемственность в теоретических исследованиях.

6. Разработаны и запентованы технические решения по теплотехническим и энергетическим установкам, их элементам, способам управления ими, которые позволяют реализовать предложенные структурные схемы нечетких СУ, обеспечивая практическое использование полученных теоретических результатов.

7. Результаты экспериментальных исследований подтвердили адекватность разработанных математических моделей СУ теплотехническими установками и функционально-необходимых НЛР, эффективность предложенных методов и методик синтеза нечетких СУ и возможность применения разработанного математического аппарата для проектирования СУ теплотехническими установками.

8. Практическая значимость проведенных исследований подтверждается внедрением их основных результатов в промышленность.

Публикации автора по теме диссертации

Монография:

1. Соловьев В.А. Управление тепловыми и энергетическими процессами на основе нечеткой логики.- Владивосток: Дальнаука, 2003.-181 с.

Статьи:

2. Латышко В.Д., Соловьев ВА, Халютин Ю.А. Повышение динамической точности системы регулирования скорости электропривода постоянного тока с силовым корректирующим звеном // Изв.ЛЭТИ.- 1979, вып. 251.-С. 91-98.

3. Латышко В.Д., Соловьев В.А., Халютин Ю.А Применение силового корректирующего звена для повышения статической и динамической точности вентильных преобразователей //Сб. научн. тр. Электромагнитное совмещение силовых полупроводниковых преобразователей. — Таллин: Изд -во АН ЭССР, ин-т термофизики и электрофизики, 1981. - С. 46 — 55.

4. Использование аппарата нечетких множеств при построении экспертной системы для оперативно-диспетчерского управления ТЭЦ / Соловьев В.А., Гринфельд Г.М., Краев В.Н., Легенкин B.C., Суздорф В.И. // Информационные технологии в образовании, управлении и промышленности : Тез. докл. международной научно - практической конференции.- Комсомольск-на-Амуре, 1996. - С. 45

5. Соловьев В.А., Владыко А.Г. Оперативное диспетчерское управление при нечеткой исходной информации // Проектирование технологических комплексов: Сб. науч. тр. НИИ КТ. - Хабаровск: Изд.-во ХГТУ, 1998. с. 78-87.

6. Соловьев В.А., Владыко А.Г. Робастный подход к синтезу системы автоматического регулирования паровых котлов барабанного типа // Информационные технологии в электротехнике и электроэнергетике: Материалы II всерос. научно-техн. конф. - Чебоксары, 1998. с.74 - 77.

7. Соловьев В.А., Владыко А.Г., Легенкин B.C. Применение нечеткой логики в устройствах регулирования энергетическими объектами // Электроэнергетика и энергосберегающие технологии: Межвуз. сб. науч. тр. - Владивосток: Изд - во ДВГТУ, 1998. - с.125 - 133.

8. Гринкруг М.С., Соловьев В.А., Ткачева Ю.И., Балаганский Д.Г. Оптимизация параметров оборудования и применение регулирования в распределительных сетях низкого напряжения с целью сокращения потерь электроэнергии // Методы и средства управления технологическими процессами: Материалы докл. III междунар. конф. — Саранск, 1999. - С. 176 — 177.

9. Гринкруг М.С., Соловьев В.А., Ткачева Ю.И., Балаганский Д.Г. Снижение потерь электроэнергии в сетях низкого напряжения путем оптимизации параметров трансформаторных подстанций // Повышение эффективности и надежности систем электроснабжения. Межвуз.сб. научн. тр. -Хабаровск: Изд - во ДВГУПС, 1999. - С. 123 - 127.

10. Соловьев В.А., Владыко А.Г. Использование адаптивно-нейронных нечетких структур при синтезе систем управления сложными технологическими объектами //Методы и средства управления технологическими процессами: Сб. тр. III междунар. науч. конф. - Саранск: Изд - во МГУ, 1999.- с.29О- 294.

11. Соловьев В.А., Владыко А.Г. Применение мягких вычислений к построению моделей нелинейных систем // Нелинейные науки на рубеже тысячелетий: Материалы междунар. научной конф. -С.-Петербург, 1999. с. 67.

12. Соловьев В.А., Легенкин B.C., Владыко А.Г. Разработка каскадной цифровой системы регулирования температуры перегретого пара в условиях неполноты информации // Научное и научно-техническое обеспечение экономического и социального развития Дальневосточного региона: Материалы докл. междунар. Симпозиума. -Комсомольск-н/А, 1999. - с. 57-58.

13. Бакаев В.В., Рубцов Ю.В., Соловьев В.А. Мобильная углевыжи-гательная пиролизная установка //Лесная промышленность. - 2000. - №1. — С. 20 -22.

14. Бакаев В.В., Соловьев В.А. К вопросу разработки математической модели тепловых процессов в углевыжигательных установках //Вестник Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета: Вып. 2. Сб. 1. Прогрессивные технологии в машиностроении: Ч 3: Сб. научн. тр. - Комсомольск-н/А, 2000. - С. 88- 99.

15. Гринкруг М.С., Соловьев В.А., Ткачева Ю.И., Балаганский Д.Г. Выбор рациональных параметров электрических подстанций низкого напряжения с учетом иррационального роста потребляемой мощности // Энергетика: управление, качество и эффективность использования энергоресурсов: Материалы докл. II Всероссийской научно-техн. конф. с международным участием. - Благовещенск, 2000, С. 103 — 104.

16. Гринкруг М.С., Соловьев В.А., Ткачева Ю.И., Балаганский Д.Г. Трансформаторная подстанция низкого напряжения с двухступенчатым регулированием мощности для уменьшения энергопотерь //Вестник Ком-сомольского-на-Амуре государственного технического университета: Вып. 2. Сб. 1. Прогрессивные технологии в машиностроении: Ч 4: Сб. научн. тр. - Комсомольск-н/А, 2000. - С. 12 - 15.

17. Соловьев В.А., Гринкруг М.С., Ткачева Ю.И., Поповский А.В. Выбор трансформаторов понижающих подстанций промышленных предприятий из условия минимизации энергопотерь // Электротехнические системы и комплексы. Межвуз. сб. научн. тр. вып.5. - Магнитогорск: Изд - во МГТУ,2000.-С.78-83.

18. Бакаев В.В., Рубцов Ю.В., Соловьев В.А. Современные информационные технологии в проектировании установок для глубокой переработки древесины // Роль науки, новой техники и технологий в экономическом развитии регионов: Материалы докл. межрегиональной научно-практ. конф. - Хабаровск: Изд-во ХГТУ, 2001.- С. 185 - 188.

19. Владыко А.Г., Кабалдин Ю.Г., Соловьев В.А., Черный СП. К вопросу синтеза нечетких регуляторов систем электропривода подач //Нелинейная динамика, фракталы и нейронные сети в управлении технологическими системами: Сб. статей под ред. докт. техн. наук, проф. Кабал-дина Ю.Г. - Владивосток: Дальнаука, 2001. - С. 179-183.

20. Гринкруг М.С., Соловьев В.А., Ткачева Ю.И., Балаганский Д.Г. Анализ энергопотерь и изучение возможности энергосбережения в городских сетях низкого напряжения // Энергосбережение в городском хозяйстве, энергетике, промышленности: Материалы докл. III Российской научно-техн. конф..- Ульяновск, 2001. - С. 45 — 46.

21. Использование нечетких регуляторов во взаимосвязанных системах электропривода. / Соловьев В.А., Владыко А.Г., Дерюжкова Н.Б., и др. // Труды III международной (XIV Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу АЭП- 2001 (Нижний Новгород 12 -14 сентября) /Под ред. СВ. Хватова. Нижний Новгород: "Вектор - ТиС". С. 60-62.

22. Кабалдин Ю.Г., Соловьев В.А., Дерюжкова Н.Е., Биленко СВ. Управление технологическим оборудованием на основе искусственного интеллекта // Вестник машиностроения. - 2001.- № 11. — С. 17 -21.

23. Нейросетевые технологии решения траекторных задач ЧПУ металлорежущими станками / Дерюжкова Н.Е., Кабалдин Ю.Г., Соловьев В.А., Суздорф В.И. // Нелинейная динамика, фракталы и нейронные сети в управлении технологическими системами : Сб. статей под ред. докт. техн. наук, проф. Кабалдина Ю.Г. - Владивосток: Дальнаука, 2001 — С. 163 -169.

24. Нечеткое управление системами автоматизированного электропривода. / Соловьев В.А., Владыко А.Г., Суздорф В.И., Черный СП. // Электромеханические преобразователи энергии: Материалы докл. между-нар. научно-техн. конф. - Томск. - 2001. - С. 79 —80.

25. Соловьев В.А , Владыко А.Г. Современные аспекты синтеза моделей самоорганизующих систем управления энергетическими объектами // Самоорганизующиеся процессы в системах и технологиях: Материалы докл. междунар. научн. конф. Синергетика 2000.- Комсомольск-на-Амуре. -2001.-С. 277-280.

26. Соловьев В.А., Косицын В.Г., Черный СП. К вопросу использования нечетких логических регуляторов в системах управления электроприводами // Электротехнические системы и комплексы: Межвуз. сб. науч. тр..- Магнитогорск: МГТУ, 2001. - Вып. № 6. - С130 -134.

27. Соловьев В.А., Суздорф В.И., Поповский А.В. Проектирование АСУ водогрейных котлов на базе TRACE MODE // Приборы и системы управления, контроль, диагностика. - 2002.- №1. - С. 75 -77.

28. Соловьев В.А., Владыко А.Г., Черный СП. Интеллектуальные регуляторы в системах электроприводов // Вестник КнАГТУ, Вып 3, Сб. 1. Прогрессивные технологии в специальном машиностроении и строительстве: сб. научн. трУ Редкол. Ю.Г. Кабалдин (отв. Ред.) - Комсомольск-на-Амуре, 2002, с 76 -79.

29. Соловьев В.А., Бакаев В.В., Черный СП. Система управления установкой пиролиза древесины с элементам // Информатика и системы управления, 2< <

30. V. Solovjev, M. Grinkrug, Y. Tkacheva. Application of fuzzy control in adjusting system of low voltage power transformer substation with the purpose oftime reduction of emergency current's weep. //10- International Symposium "Short-circuit currents in power system".- Lodz, 2002. s. 171-176

31. Кабалдин Ю.Г., Соловьев В.А., Суздорф В.И., Владыко А.Г. Совместное согласованное управление электроприводом подачи на базе унифицированного нечеткого регулятора // Вестник КнАГТУ, Вып 3. Нелинейная динамика, фракталы и нейронные сети в управлении технологическими системами // Сб. научн. тр./Редкол. Ю.Г. Кабалдин (отв. Ред.) -Комсомольск-на-Амуре, 2002.- С. 89-94

32. Соловьев В.А., Гринкруг М.С., Ткачева Ю.И. О возможности экономии электроэнергии в понижающих трансформаторных подстанциях среднего напряжения // Тез. докл. н.-т. конференции "Электроснабжение, электрооборудование, энергосбережение". - Новомосковск, 2002.- 63-65

33. Соловьев В.А., Гринкруг М.С., Ткачева Ю.И. Исследование возможности экономии электроэнергии в понижающих трансформаторах подстанции 6/0,4 кВ, обслуживающих жилые районы // Сб. трудов н.- практ. конф. "Электрификация железнодорожного транспорта - техника и технологии нового поколения".- Хабаровск, 2002.- 124-129

34. Соловьев В.А., Косицын В.Г. Синтез систем управления с нечетким Модальным регулятором // Информатика и системы управления, 2002, №2,- 82-88

35. Соловьев В.А., Гринкруг М.С., Ткачева Ю.И. Принципы снижения потерь электроэнергии в распределительных сетях низкого напряжения. // Материалы региональной н.-практ. конф." Проблемы учета и управления потреблением энергоресурсов и воды". - Хабаровск, 2003.- С.47-49

36. Мягкие вычисления траекторных задач в металлообработке./ Кабалдин Ю Г., Соловьев В.А., Суздорф В.И., Дерюжкова Н.Е., Огай К.Т.// Материалы науч. конф. «Нелинейная динамика и прикладная синергетика» /Ред. кол.: Ю.Г. Кабалдин и др - Комсомольск-на-Амуре: ГОУВПО «КнАГТУ», 2003.- 174-176.

37. Соловьев В.А., Васильченко С.А., Гнедин П.А. Нелинейная силовая коррекция быстродействующих систем управления // Материалы науч. конф. «Нелинейная динамика и прикладная синергетика» /Ред. кол.: Ю.Г. Кабалдин и др. - Комсомольск-на-Амуре: ГОУВПО «КнАГТУ», 2003.- 178-182.

38. Соловьев В.А., Черный СП. Нелинейная коррекция динамических процессов углежжения // Материалы науч. конф. «Нелинейная динамика и прикладная синергетика» /Ред. кол.: Ю.Г. Кабалдин и др. - Комсомольск-на-Амуре: ГОУВПО «КнАГТУ», 2003.-185 -187.

39. Соловьев В.А., Бакаев В.В., Черный СП., Рубцов Ю.В. Повышение эффективности процесса пиролиза в мобильных углевыжигатель-ных установках // Актуальные проблемы лесного комплекса: Сб. научных трудов.- Брянск, 2003.- 127 -130.

40. Соловьев В.А., Гринкруг М.С. Ткачева Ю.И. Выбор трансформаторов понижающих подстанций городских сетей низкого напряжения с учетом сезонных колебаний нагрузки // Материалы междунар. н.-т. конференции "Электроэнергетика, электротехнические системы и комплексы ". -Томск, 2003.- 287-289.

41. Соловьев В.А. Кончин А.В. Алгоритм и программная реализация синтеза НЛР по прямым показателям качества // Сб. научн. трудов междунар. науч.-т. конф. «ЭЭЭ-2003». - Комсомольск-на-Амуре.- 2003. - 55 -59.

42. Соловьев В.А., Гнедин П. В., Васильченко С А. Цифровая модель комбинированного источника питания // Сб. научн. трудов междунар. на-уч.-т. конф. «» ЭЭЭ-2003. -Комсомольск-на-Амуре.-2003.- 135-142.

43. Соловьев В.А., Косицын В.Г., Черный СП., Иванкова Е.П. Оптимизация распределения функций принадлежности при синтезе нечеткого регулятора для систем управления тепловыми процессами // Информатика и системы управления, 2003, №1.- 73-82.

44. Кончин А.В., Соловьев В.А. Алгоритм синтеза нечеткого логического регулятора по прямым показателям качества //Информатика и системы управления, 2003, №2 - 94 - 100.

Изобретения и программы:

45. Алхимов П.В., Владыко А.Г., Соловьев В.А. "МоШсопЬтк" // Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2000611311

46. А.с. № 1332283 СССР, МКИ О 05 В 6/10. Устройство регулирования тока /Васильченко С.А., Горячев В.Ф., Латышко В.Д., Соловьев В.А. (СССР). - № 4013020; Заявлено 21.01.86; Опубл. 23.08.87. Бюл. № 31.-6с.

47. А.с. № 1628173 СССР, МКИ Н 02 Р 5/06. Электропривод постоянного тока./ Васильченко С.А., Латышко В.Д., Мурашко А.П., Соловьев В.А. (СССР). - № 4363851; Заявлено 26.10.87; Опубл. 15.02.91. Бюл. № 6. -6 с.

48. Пат. 2151342 РФ, МКИ Б 22 О 5/00. Устройство для регулирования температуры пара котлоагрегата / Соловьев В.А., Владыко А.Г., Ле-генкин В.С (Россия). - № 99102392/06; Заявлено 04.02.99; Опубл. 15.04.01. Бюл. № 15.-Зс.

49. Пат. 2151785 РФ, МКИ С 10 В 49/04. Углевыжигательная печь /Соловьев В.А., Рубцов Ю.В., Бакаев В.В. (Россия). - № 98121494/06; Заявлено 24.11.98; Опубл. 20.11.00. Бюл. 47. - Зс.

50. Пат. 2179776 РФ, МКИ Н 05 В 6/10. Способ снижения потерь электроэнергии в сетях низкого напряжения //Гринкруг М.С, Соловьев ВА, Ткачева Ю.И., Поповский А.В. (Россия). - № 2000105315/09; Заявлено 03.03.00; Опубл. 20.02.02. Бюл. №8. - Зс.

51. Патент № 2224344 РФ, МКИ Н 02 J 3/00 Способ снижения потерь электрической энергии в сетях низкого напряжения и устройство для его осуществления // Гринкруг М.С., Соловьев В.А., Ткачева Ю.И., Поповский А.В. (Россия) - № 2002108625/09; Заявлено 04.04.02; Опубл. 20.02.04. Бюл. № 5.

52. Соловьев В.А., Гринкруг М.С., Ткачева Ю.И., Балаганский Д Г. // Оптимизация работы трансформаторных подстанций: Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 990597.

53. Пат. РФ №2186084, МКИ С 10 В 49/04. Способ получения угля в углевыжигательной печи, углевыжигательная печь и контейнер для угле-выжигательной печи // Соловьев ВА., Бакаев В.В., Зайцев A.M., Мокриц-кий Б Л., Рубцов Ю.В.

54. Пат. РФ № 2187534, МКИ С 10 В 49/04. Способ получения древесного угля // Соловьев В.А., Бакаев В.В., Мокрицкий Б.Я., Рубцов Ю.В.

55. Пат. РФ № 2190658, МКИ С 10 В 49/04. Углевыжигательная печь // Соловьев ВА., Бакаев В.В., Мокрицкий Б.Я., Рубцов Ю.В.

56. Патент РФ № 2228348 С1 МПК С 10 В 53/02 1/04 Углевыжига-тельная печь // Соловьев В.А., Рубцов Ю.В., Черный СП. (Россия). - № 2002131600. Заявлено 25.11.2002. Опубл. 10.05.2004 Бголл. № 13,13 с.

57. Соловьев В.А., Гринкруг М.С., Ткачева Ю.И., Копцов А.С. Выбор оптимальных трансформаторов в понижающих трансформаторных подстанциях низкого напряжения при проектировании электрораспределительных сетей // Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2003610900.

58. Соловьев В.А., Гринкруг М.С., Ткачева Ю.И., Копцов А.С. Определение мощностей трансформаторов понижающей трансформаторной подстанции и режимов ее работы, соответствующих минимуму потерь энергии в ней, при сезонном регулировании мощности трансформаторной подстанции // Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2003610899.

59. Соловьев В.А., Гудим А.С., Черный СП. Программа оптимизации распределения функций принадлежности нечеткого регулятора при заданных показателях качества системы управления // Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2003612124.

60. Соловьев В.А. Кончин А.В. Программа синтеза параметров НЛР по прямым показателям качества.- Свидетельство об официальной регистрации-программы для ЭВМ № 2004610573,- 46 с.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Соловьев Вячеслав Алексеевич

Управление тепловыми и энергетическими процессами на основе нечеткой логики

Подписано к печати 28.10.04. Формат 60x84/16. Бумага типографская № 3, печать офсетная. Усл. печ. л. 2,3, уч.-изд. л. 2,4. Тираж 100. Заказ 18345. Полиграфическая лаборатория ГОУ ВПО «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет». 681013, г. Комсомольск-на-Амуре, пр. Ленина, 27

№22 2 5 6

РНБ Русский фонд

2005-4 20479

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. НЕЧЕТКАЯ ЛОГИКА В СИСТЕМАХ УПРАВЛЕНИЯ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ.

1.1. Особенности математического описания систем управления тепловыми технологическими процессами.

1.2. Основные понятия и классификация нечетких систем управления технологическими процессами.

1.3. Математические основы описания систем управления технологическими объектами на основе нечеткой логики

1.4. Принципы построения НЛР.

1.5. Выводы по главе.

ГЛАВА 2. АНАЛИЗ И СИНТЕЗ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ТЕПЛОВЫМИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ

ПРОЦЕССАМИ С НЛР.

2.1. Нечеткое управление по дополнительному каналу.

2.1.1 .Модель объекта управления.

2.1.2. Синтез нечеткого регулятора.

2.2. Системы управления с НЛР в прямом канале управления

2.2.1. Модель объекта управления.

2.2.2. Синтез нечеткого регулятора.

2.2.3. Анализ нечеткой системы регулирования.

2.3. Оптимизация распределения функций принадлежности НЛР

2.4. Синтез НЛР по прямым показателям качества.

2.5. Повышение быстродействия систем управления тепловыми процессами.

2.6. Выводы по главе.

ГЛАВА 3. НЕЧЕТКИЕ ВЗАИМОСВЯЗАННЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ

ПРОЦЕССАМИ.

3.1. Общие положения.

3.2. Взаимосвязанная нечеткая система управления узлом горения барабанного котлоагрегата.

3.2.1. Синтез НЛР.

3.2.2. Анализ взаимосвязанной нечеткой системы.

3.3. Нечеткие взаимосвязанные системы управления с перекрестными связями.

3.4. Нечеткие взаимосвязанные системы управления с заданным соотношением параметров.

3.5. Выводы по главе.

ГЛАВА 4. АНАЛИЗ И СИНТЕЗ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

НЕСТАЦИОНАРНЫМИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ В ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИХ УСТАНОВКАХ ПИРОЛИЗНОГО ТИПА.

4.1. Общие положения.

4.2. Математические модели управления тепловыми процессами мобильной углевыжигательной установки.

4.3. Динамика тепловых процессов углевыжигательной установки.

4.4. Математическая модель углевыжигательной установки с активным способом управления.

4.5. Динамическая модель тепловых процессов углевыжигательной установки с активным способом управления.

4.6. Разработка принципов и алгоритмов управления нестационарными технологическими процессами углевыжигательных установок.

4.6.1. Синтез алгоритма управления процессом пиролиза в установке с пассивным способом регулирования теплового потока.

4.6.2. Синтез алгоритма управления процессом пиролиза в установке с активным способом регулирования теплового потока.

4.7. Анализ и синтез нечетких систем управления нестационарными тепловыми процессами.

4.7.1. Синтез НЛР системы управления процессом пиролиза в установке с пассивным способом регулирования теплового потока.

4.7.2. Исследование системы с нечетким регулятором по алгоритму вывода Мамдани.

4.7.3.1. Синтез НЛР для углевыжигательной установки по алгоритму вывода Сугено при использовании метода отображения.

4.7.4. Исследование режимов работы системы с нечетким регулятором по алгоритму вывода Сугено

4.7.5. Синтез НЛР системы управления процессом пиролиза в установке с активным способом регулирования теплового потока.

4.7.8. Выводы по главе.

ГЛАВА 5. ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕПЛОВЫХ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СОВРЕМЕННЫХ НЕЧЕТКИХ

ТЕХНОЛОГИЙ.

5.1. Синтез параметров НЛР на основе нейросетевых технологий

5.2. Принципы построения систем управления тепловыми процессами на основе нечеткого модального управления

5.3. Особенности синтеза HJIP для систем электропривода

5.4. Нечеткая СУ переключением трансформаторов понижающих подстанций

5.5. Выводы по главе.

Тепловые и энергетические процессы являются основой функционирования большого числа технических установок используемых в различных сферах народного хозяйства. К их числу могут быть отнесены разного типа котлоагрегаты, пиролизные установки, коксохимичекие установки и т.п. Повышение технико-экономических показателей производственных установок при достижении их главной цели - интенсификации производства требует постоянного совершенствования систем управления процессами, происходящими в них.

Совершенствование отдельных узлов и элементов систем управления не всегда благоприятно сказывается на качество характеристик технической установки в целом, что обуславливается как ограничениями других элементов системы, так и свойствами самой системы. Поэтому задачу улучшения технических характеристик производственных установок необходимо решать комплексно: с использованием новых принципов построения систем управления, новых методов анализа и синтеза, нового аппаратного решения. Такой комплексный подход позволит раздвинуть рамки имеющихся ограничений и обеспечить улучшение характеристик.

Кроме того, ряд параметров, характеризующих тепловые процессы (сортность топлива, влажность сырья, плотность его укладки и т.п.) может быть описан только качественными характеристиками, влияние которых должно быть учтено при комплексном решении задачи улучшения технических характеристик промышленных установок.

Поэтому в данной работе выделена проблема улучшения характеристик промышленных установок, получение выходного продукта которых базируется на использовании тепловых и энергетических процессов за счет повышения их эффективности, надежности, расширения функциональных возможностей, имеющая важное народнохозяйственное значение, на основании которой сформулирована научная проблема разработки теоретических основ построения и средств реализации таких промышленных установок на основе разработки новых способов управления и принципов построения систем управления с исследованием их динамических и статических характеристик.

Исследование и совершенствование систем управления тепловыми и энергетическими процессами успешно ведутся в нашей стране и за рубежом. Большие достижения в этой области имеют Московский энергетический университет, Уральский и Новосибирский государственные технические университеты, ИМАШ РАН, СибНИИЛП и др.

Вопросы создания и проектирования современных систем управления котлоагрегатами отражены в работах Плетнева Г.П., Клюева А.С., Куртис И.В., Москаленко А.А. При этом достижение заданных показателей качества систем управления осуществлялось с помощью традиционных методов. Неполнота математического описания котлоагрегата как объекта управления, обусловленная линеаризацией и аппроксимацией характеристик его элементов, наличие сложных взаимосвязей между параметрами котлоагрегата не позволяет в полной мере достичь высокой эффективности управления такой установкой.

Исследованию и совершенствованию систем управления другого класса теплотехнических установок, реализующих технологические процессы пиролиза, посвящены работы Козлова К.В., Прокопенко В.В., Ключникова А.Д., Кузьмина В.Н., Попова С.К., Шаркова В.И., Сапотницкого С.А., Холькни Ю.И. и др. Этими учеными были разработаны новые устройства, позволяющие выполнять технологический цикл процесса пиролиза древесины с использованием современных достижений науки и техники, разработаны технологии быстрого высокотемпературного пиролиза, созданы ретортные производства больших масштабов. Однако вопросам управления процессом пиролиза, особенно в мобильных углевыжигательных печах, до последнего времени уделялось недостаточно внимания. Отсутствие управления является одним из основных факторов, обуславливающих низкое качество получаемого продукта - древесного угля, и как следствие невысокий выход (до 40% в лабораторных условиях) конечного продукта. Таких образом задача глубокого го исследования процесса пиролиза с позиции его управляемости и создания высокоэффективных технологических процессов является актуальной.

Использование классических подходов при построении систем управления такими установками ограничивается сложностью математического описания объекта управления (известные модели плохо приспособлены для анализа и синтеза систем автоматического управления), не стационарностью процессов, протекающих в установках, трудностью описания ряда параметров объекта управления количественными характеристиками.

В 1965 году профессор Калифорнийского университета Лотфи Заде сформулировал новый математический подход, опубликовав работу "Fuzzy Sets" в журнале Information and Control. Данная работа заложила основы моделирования интеллектуальной деятельности человека и явилась начальным толчком к развитию новой математической теории. Дальнейшие работы Л.Заде, Е.Мамдани, М. Сугено, P.M. Тонга и др. заложили прочный фундамент новой теории и создали предпосылки для внедрения ее методов нечеткого управления при реализации систем управления в различных областях науки и техники.

Отсутствие в отечественной и зарубежной технической литературе достаточного количества работ, обобщающих теоретические и практические сведения по технических установкам, получение выходного продукта которых базируется на использовании тепловых и энергетических процессов, в том числе с применением аппарата мягких вычислений, сдерживает их развитие и внедрение в производство.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ. Целью работы является разработка теоретических основ проектирования и средств реализации теплотехнических установок на основе разработки новых способов управления и принципов построения систем управления на базе нечеткой логики с исследованием их динамических и статических характеристик.

Достижение указанных целей обеспечивается постановкой и решением следующих основных задач исследования:

- разработка математического аппарата для проектирования нечетких систем управления теплотехническими установками, включая развитие методов анализа и синтеза;

- создание математического описания пиролизных теплотехнических установок мобильного типа с учетом специфики использования функционально-необходимых элементов установки;

- разработка и научное обоснование новых способов управления пиро-лизными теплотехническими установками мобильного типа и принципов построения систем управления ими;

- разработка методов синтеза нечетких систем управления тепловыми процессами;

- создание программно-аналитических средств автоматизации проектирования теплотехнических установок;

- исследование статических и динамических характеристик разработанных нечетких систем управления теплотехническими установками;

- разработка технических устройств, обеспечивающих реализацию предложенных способов управления теплотехническими установками;

- создание и внедрение в народное хозяйство образцов разработанных пиролизных теплотехнических установок.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. Научные исследования диссертационной работы основывались на теории дифференциальных уравнений, включая методы переменных состояния и операторный метод, математическом аппарате теории нечетких множеств, методах теории автоматического управления, методах имитационного моделирования и программировании. Проверка теоретических расчетов и алгоритмов управления теплотехническими установками осуществлялась экспериментальными методами на физических макетах.

Экспериментальные исследования подтвердили полученные основные теоретические положения.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ, ВЫНОСИМЫЕ НА

ЗАЩИТУ.

1. Принципы проектирования систем управления параметрами теплотехнических установок на базе аппарата теории нечетких множеств, обеспечивая анализ и синтез систем управления по условиям воспроизведения требуемых динамических характеристик.

2. Разработанные математические модели пиролизных теплотехнических установок мобильного типа адекватно отражающие их специфические свойства.

3. Обоснование и научное доказательство возможности использования для систем управления теплотехническими установками различных подходов реализации регуляторов по нечеткому принципу, в зависимости от структуры систем управления, обеспечивающих улучшенные статические и динамические характеристики систем управления.

4. Методы синтеза параметров нечеткого регулятора по прямым показателям качества системы управления теплотехнической установкой; комплекс программно-аналитического обеспечения для анализа и синтеза систем управления с нечеткими регуляторами, их расчета и проектирования.

5. Комплекс теоретических и экспериментальных исследований подтверждающих основные теоретические положения, адекватность математических моделей и эффективность предложенных процедур синтеза.

6. Разработанные и запентованные технические решения по пиролиз-ным теплотехническим установкам, их элементам, способам управления теплотехническими и энергетическими установками, обеспечивающие реализацию разработанных принципов построения нечетких систем управления.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА работы заключается в том, что впервые выполнена и решена научная проблема разработки теоретических основ построения и средств реализации теплотехнических установок путем разработки новых способов управления и принципов построения систем управления на базе нечеткой логики.

В частности:

1. Разработан математический аппарат для проектирования нечетких систем управления теплотехническими установками, в рамках которого развиты программно-аналитические методы анализа и синтеза предложенных способов управления.

2. Разработано математическое описание пиролизных теплотехнических установок для всех способов управления и режимов работы в виде совокупности статических и динамических моделей, нелинейных и линеаризованных, с учетом и без учета нечеткости параметров объекта управления.

3. Теоретически обоснованы запатентованные способы управления теплотехническими установками и основанные на них принципы построения систем управления.

4. На основании аналитических численных и экспериментальных исследований статических и динамических характеристик выявлены основные закономерности процессов в предложенных нечетких системах управления теплотехническими и энергетическими установками.

5. Разработаны метод синтеза нечеткого логического регулятора по прямым показателям качества системы регулирования теплотехническими установками и методика оптимизации распределения функций принадлежности для блоков фаззификации и дефаззификации нечеткого логического регулятора

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ полученных результатов и выводов связана с достигнутым улучшением статических и динамических характеристик систем управления теплотехническими установками и созданием средств, достаточных для реализации теоретических положений:

- созданы методики проектирования систем управления теплотехническими установками;

- разработаны функционально необходимые нечеткие регуляторы, обеспечивающие реализацию различных принципов нечеткого управления;

- обеспечено повышение точности регулирования, расширение функциональных возможностей систем управления, повышение энергоэффективности теплотехнических и энергетических установок;

- разработанные методики и программно-аналитическое обеспечение нечетких регуляторов обеспечивают повышение производительности труда при проектировании и исследовании систем управления;

- запатентовано 10 технических решений на устройства, способы управления и структуры систем управления теплотехническими и энергетическими установками;

- разработаны новые алгоритмы управления пиролизными теплотехническими установками, обеспечивающие повышение качественных показателей установок, увеличение выхода продукта процесса пиролиза.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и получили одобрение на Всесоюзной научно-практической конференции " Электромагнитное совмещение силовых полупроводниковых преобразователей" (г. Таллин, 1984г.); международной научно-практической конференции «Информационные технологии в образовании, управлении и промышленности» (г. Комсомольск-на-Амуре, 1996 г.); II Всероссийской научно-технической конференции «Информационные технологии в электротехнике и электроэнергетике» (г. Чебоксары, 1998 г.); международной научной конференции «Нелинейные науки на рубеже тысячелетий» (С.-Петербург, 1999 г.); международной научной конференции «Методы и средства управления технологическими процессами» (г. Саранск, 1999 г.); международном симпозиуме «Научное и научно-техническое обеспечение экономического и социального развития Дальневосточного региона» (г. Комсомольск-на-Амуре, 1999 г.); международной научно-технической конференции «Синергетика 2000. Самоорганизующиеся процессы в системах и технологиях», (г. Комсомольск-на-Амуре, 2000 г.); II Всероссийской научнотехнической конференции с международным участием «Энергетика: управление, качество и эффективность использования энергоресурсов» (г. Благовещенск, 2000 г.); межрегиональной научно-практической конференции «Роль науки, новой техники и технологий в экономическом развитии регионов» (г. Хабаровск, 2001 г.); международной научно-технической конференции «Электромеханические преобразователи энергии» (г. Томск, 2001 г.); 10-International Symposium "Short-circuit currents in power system" (Lodz, 2002); региональной научно-практической конференции "Проблемы учета и управления потреблением энергоресурсов и воды" (г. Хабаровск, 2003); региональной научной конференции «Нелинейная динамика и прикладная синергетика» (г. Комсомольск-на-Амуре, 2003 г.); международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы лесного комплекса» (г. Брянск, 2003 г.); международной научно-технической конференции «Электроэнергетика, электротехнические системы и комплексы» (г. Томск, 2003 г.); научно-технических семинарах электротехнического факультета Комсо-мольского-на-Амуре государственного технического университета, 19862003г.;

РЕАЛИЗАЦИЯ РАБОТЫ Основные результаты работы получены и внедрены в ходе выполнения госбюджетных и хоздоговорных НИР, выполнявшихся по заказам предприятий г. Комсомольска-на-Амуре и Хабаровского края, в рамках гранта Правительства Хабаровского края и связанных с разработкой систем управления тепловыми и энергетическими процессами на основе мягких вычислений. Программное обеспечение, созданное на основе разработанного математического аппарата, было внедрено для разработки углевыжигательных мобильных установок для производства древесного угля на комсомольской дистанции гражданских сооружений ДВЖД и на Комсомольской ТЭЦ-3 при модернизации систем управления параметрами котлоагрегата.

Материалы диссертации, касающиеся математических моделей нечетких систем управления, методов синтеза нечетких регуляторов, программнотехнической конференции с международным участием «Энергетика: управление, качество и эффективность использования энергоресурсов» (г. Благовещенск, 2000 г.); межрегиональной научно-практической конференции «Роль науки, новой техники и технологий в экономическом развитии регионов» (г. Хабаровск, 2001 г.); международной научно-технической конференции «Электромеханические преобразователи энергии» (г. Томск, 2001 г.); 10-International Symposium "Short-circuit currents in power system" (Lodz, 2002); региональной научно-практической конференции "Проблемы учета и управления потреблением энергоресурсов и воды" (г. Хабаровск, 2003); региональной научной конференции «Нелинейная динамика и прикладная синергетика» (г. Комсомольск-на-Амуре, 2003 г.); международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы лесного комплекса» (г. Брянск, 2003 г.); международной научно-технической конференции «Электроэнергетика, электротехнические системы и комплексы» (г. Томск, 2003 г.); научно-технических семинарах электротехнического факультета Комсо-мольского-на-Амуре государственного технического университета, 19862003г.;

РЕАЛИЗАЦИЯ РАБОТЫ Основные результаты работы получены и внедрены в ходе выполнения госбюджетных и хоздоговорных НИР, выполнявшихся по заказам предприятий г. Комсомольска-на-Амуре и Хабаровского края, в рамках гранта Правительства Хабаровского края и связанных с разработкой систем управления тепловыми и энергетическими процессами на основе мягких вычислений. Программное обеспечение, созданное на основе разработанного математического аппарата, было внедрено для разработки углевыжигательных мобильных установок для производства древесного угля на комсомольской дистанции гражданских сооружений ДВЖД и на Комсомольской ТЭЦ-3 при модернизации систем управления параметрами кот л о агрегата.

Материалы диссертации, касающиеся математических моделей нечетких систем управления, методов синтеза нечетких регуляторов, программного обеспечения, используются в учебных дисциплинах «Искусственный интеллект в задачах управления» и «Интеллектуальные системы управления электроприводами» для студентов специальностей 2101 и 1804 ГОУ ВПО «Комсомольский-на Амуре государственный технический университет».

Созданные макетные образцы пиролизных углевыжигательных установок демонстрировались на международной специализированной выставке "Российские наукоёмкие технологии и техника" в г. Харбине (КНР) (1996г.); региональных выставках в г.г. Хабаровск, Комсомольск-на-Амуре (1996, 1998г.г.) и были отмечены грамотами.

ПУБЛИКАЦИИ. По результатам исследований, отражённых в диссертационной работе, опубликована монография, 60 научных работ, в том числе 10 патентов и свидетельств Российской Федерации.

СТРУКТУРА РАБОТЫ. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка из 237 наименований и 6 приложений. Она содержит 275 страниц машинописного текста и 133 рисунков.