Размещено на http://www.allbest.ru/

ОДЕСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Нечітка система управління процесом виробництва клінкера

Спеціальність 05.13.07 - Автоматизація технологічних процесів

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Михайленко Владислав Сергійович

Одеса - 2006

Дисертація є рукописом

Робота виконана в Одеській національній академії зв'язку ім.О.С. Попова. Міністерства транспорту і зв'язку України на кафедрі інформатизації та управління

Науковий керівник:

кандидат технічних наук, доцент Харабет Олександр Миколайович, Одеський національний політехнічний університет, доцент кафедри автоматизації теплоенергетичних процесів

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Кондратенко Юрій Пантелійович, Миколаївський гуманітарний університет їм. Петра Могили, професор кафедри інтелектуальних інформаційних систем

кандидат технічних наук, доцент Світий Іван Миколайович, Одеська національна академія харчових технологій, доцент кафедри автоматизації виробничих процесів

Провідна установа: Науково-виробнича корпорація "Київський інститут автоматики", НАН України і Держпромполитики України

Захист відбудеться "23" лютого 2006 р. у 13.30 годин на засіданні спеціалізованої вченої ради Д.41.052.01 в Одеському національному політехнічному університеті за адресою: 65044, м. Одеса, пр. Шевченко, 1,тел. 288 - 205

З дисертацією можна ознайомитися в науковій бібліотеці Одеського національного політехнічного університету за адресою: 65044, м. Одеса, пр. Шевченко, 1.

Автореферат розісланий "20" січня 2006 р.

Вчений секретар Спеціалізованої Вченої Ради Д.41.052.01 кандидат технічних наук, професор Ю.С. Ямпольский

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Цемент та бетон і залізобетон, що з нього виготовляються, є основними матеріалами, які використовуються у найрізноманітніших галузях будівництва. Сучасна будівельна техніка висуває все більші вимоги до в'яжучих матеріалів. При цьому, поряд з вимогами до якості цементу, невпинно зростає потреба у його кількості, що стимулює будівництво цементних заводів і підготовку вчених - фахівців у даному виді діяльності.

У галузь розробки систем автоматизації цементних заводів значний внесок зробили вчені М.В. Алєксандров, І.Б. Гінзбург, Я.Е. Гельфанд, В.В. Кафаров, В. Дуда та ін. На думку вчених, ефективність технології і якість цементу можуть бути значно поліпшені, якщо удосконалити системи управління ключовими елементами цементного виробництва - технологічними процесами приготування сировинної суміші і випалу клінкера. Численні дослідження у галузі автоматизації технологічних процесів виробництва клінкера дозволяють зробити висновок, що завдання побудови ефективних алгоритмів управління процесами сумішоутворення і випалу є актуальним. Тут виникає ряд труднощів, пов'язаних із складністю одержання оперативної і достовірної інформації про фізико - хімічні властивості сировинних матеріалів і з різноманіттям та складністю хімічних процесів, які протікають при випалі в обертових печах, що приводить до невизначеності.

Аналіз подібних задач показує, що висококваліфіковані оператори, накопичуючи знання та уміння з управління складними об'єктами, найчастіше одержують вихідний продукт із високими показниками якості, чого не може забезпечити традиційна система управління, яка функціонує в умовах невизначеності. Для використання досвіду експертів, які описують властивості складного об'єкта і його динамку засобами природної мови, доцільно застосувати апарат нечітких множин і нечіткої логіки. Значний внесок у дану наукову область внесли вчені Л. Заде, І. Мамдани, А. Сугено, Р. Беллман, А. Коффман, Д.О. Поспєлов, А.М. Борисов, О.М. Меліхов, Л.С. Берштейн, Р.А. Алієв, А.П. Ротштейн та ін. Таким чином, вирішення задачі удосконалення систем регулювання шляхом розробки нечітких алгоритмів керування виробництвом клінкера в цементній промисловості є досить перспективним.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основою для підготовки дисертації стала науково - дослідницька робота (НДР.) кафедри інформатизації та управління ОНАЗ ім. О.С. Попова, проведена за держбюджетною темою: "Використання нечіткої логіки в системах управління", реєстраційний код 01044004258, а також програми теоретичної підготовки та експериментальних досліджень кафедри автоматизації теплоенергетичних процесів ОНПУ.

Мета і задачі дослідження

Метою дослідження є підвищення ефективності управління технологічним процесом виробництва клінкера шляхом застосування нечітких моделей і алгоритмів.

Задачі наукового дослідження:

аналіз останніх наукових досягнень в галузі автоматизації основних технологічних процесів у цементній промисловості;

дослідження ефективності діючих систем управління процесами виробництва сировинних сумішей і випалу клінкера в обертових печах;

аналіз технологічних процесів виробництва клінкера з метою виявлення факторів, що впливають на ухвалення рішення експертом - оператором в умовах неповноти інформації;

розробка нечітких моделей і принципів керування вібраційними дозаторами сировинних матеріалів і випалювальною піччю;

дослідження та апробація у виробничих умовах нечітких систем управління ключовими технологічними процесами.

нечіткий алгоритм модель клінкер

Об'єктом дослідження є автоматичні системи управління технологічними процесами приготування сировинних сумішей і випалу клінкера в цементному виробництві.

Предметом дослідження є нечіткі моделі та алгоритми управління процесами приготування сировинних сумішей і випалу клінкера.

Методика дослідження. При вирішенні завдань дисертаційного дослідження використовувалися: для аналізу ефективності традиційних законів регулювання в технологічних процесах цементного виробництва - теорія автоматичного керування; при розробці нечітких моделей керування процесами приготування сировинної суміші і її випалу - апарат теорії нечітких множин і нечіткої логіки, експериментальні й експертні методи оцінки властивостей сипучих матеріалів.

Наукова новизна отриманих результатів полягає у розвитку теоретичного додатка нечіткого моделювання в галузі управління технологічними процесами виробництва клінкера. Новими є такі наукові результати:

одержали подальший розвиток кусочно-лінійні і сплайн-функції належності, які дозволяють визначити ступінь істинності значень терм - множин, що відповідають методикам розрахунку процесів порціювання сировинної суміші;

одержала подальший розвиток структура нечіткого задатчика для систем дозування, що визначає вплив, який задає нечіткому регуляторові, у вигляді термів, і це поліпшує якість керування при дистанційному режимі роботи оператора в процесі приготування сировинної суміші;

удосконалена структура нечіткої автоматичної системи випалу клінкера з уведенням додаткового каналу керування для подачі додаткового матеріалу NаF з метою зниження впливу лугів на хімічний склад клінкера;

уперше запропонована методика визначення хімічного складу сировинних матеріалів у місцях видобутку і передачі цієї інформації із супутникової системи навігації GPS на виробництво;

уперше визначені ознаки збурюючих впливів, які впливають на технологічні процеси виробництва клінкера з погляду експертів. Це дозволяє віднести дані процеси до класу об'єктів, що функціонують в умовах невизначеності;

уперше запропоновані правила нечіткого умовного висновку для управління технологічними процесами дозування сировинних матеріалів і випалу клінкера, що імітують дії експертів - технологів і які дозволяють одержати перехідні процеси з задовільними показниками якості;

уперше розроблені таблиці лінгвістичних правил для контурів нечіткої адаптації в системах виробництва сировинної суміші і її випалу в печі, що застосовуються у корекції баз знань нечітких регуляторів при значній зміні параметрів об'єкта і, тим самим, забезпечують бажані характеристики перехідних процесів.

Практичне значення отриманих результатів. Використання нечіткої автоматизованої системи керування процесом виробництва клінкера на Вінницькому заводі "Аналог" дозволило стабільно одержувати сировинну суміш необхідного хімічного складу і, як наслідок, клінкер заданої якості. Якість отриманого клінкера поліпшено на 16% у порівнянні з клінкером, виготовленим при застосуванні традиційної системи управління. Зменшився простій технологічного устаткування, викликаний недоліками традиційної САУ, а також мінімізовані витрати коригувального матеріалу.

Запропоновані моделі і програми, розроблені для реалізації, впроваджені у навчальний процес ОНАЗ ім. О.С. Попова.

Особистий внесок здобувача полягає у розробці нових нечітких моделей управління на основі аналізу існуючих методів моделювання технологічних процесів в умовах невизначеності. Автор брав участь у виробничих іспитах, що дозволило уніфікувати розроблені методики з використанням пакетів прикладних програм для впровадження нечітких систем керування. Основні результати, що виносяться на захист, опубліковані в 9 наукових працях: у роботі [1] зроблено порівняльний аналіз математичних підходів, що дозволяють створювати моделі руху сипучих матеріалів у процесах дозування; у роботі [2] зроблено етап фаззифікації лінгвістичних змінних, які застосовуються при створенні таблиць лінгвістичних правил систем нечіткого висновку; у роботі [3] розроблено базу правил системи нечіткого висновку для процесів дозування; у роботі [4] запропоновано структуру нечіткої системи керування випалом клінкера в обертовій печі; у роботі [5] зроблено аналіз алгоритму Мамдані на прикладі управління системою дозування; у роботі [6] запропоновано структуру експертної системи з прогнозування аварійних ситуацій на виробництві; у роботі [7] зроблено аналіз збурюючих факторів, що впливають на ефективність управління процесами дозування сипучих матеріалів; у роботі [8] розроблено лінгвістичну модель процесу дозування сипучого матеріалу; у роботі [9] описано структуру нечіткої автоматичної системи дозування сипучих матеріалів.

Наукова апробація результатів роботи. Основні положення і результати роботи доповідалися та обговорювалися автором на міжнародних і всеукраїнських науково - практичних конференціях: Всеукраїнській науково - практичній конференції "Оптимізація управління, інформаційні системи і комп'ютерні технології" (м. Одеса, УАЕК, 1999); міжнародній науково - практичній конференції молодих вчених "Молодь третього тисячоліття" (м. Одеса, ОДПУ, 2000); міжнародній науково - технічній конференції "Енергозбереження й автоматизація в промисловості і сільському господарстві" (м. Кіровоград, КНТУ, 2004); науково - практичної конференції "Автоматизація і поштовий зв'язок" (м. Одеса, ОНАЗ, 2004).

Публікації. Результати дисертації викладені в 9 публікаціях, у тому числі в 7 журналах і збірниках зі спеціального переліку ВАК України.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків і чотирьох додатків. Загальний обсяг дисертації складає 203 сторінки, з яких 173 сторінок основного тексту, 7 додатків. Дисертація містить 85 рисунків, 15 таблиць і посилання на 108 літературних джерел.

Основний зміст роботи

У вступі розкрито актуальність роботи, визначені об'єкт, предмет і цілі дослідження, сформульовані завдання дослідження і методи їх досягнення.

Визначено наукову новизну і практичну цінність роботи, подані відомості про практичне значення отриманих результатів, апробації і публікації.

У першому розділі досліджено сучасний стан АСУТП виробництва клінкера, проведено аналіз діючих способів виробництва клінкера. Виділено ключові ділянки виробництва, від ефективності керування якими залежить якість вихідного матеріалу - клінкера. Це технологічні процеси приготування двохкомпонентної сировинної суміші і випалу клінкера в обертовій печі. Від ефективності керування цими процесами залежить хімічний склад клінкера, який є визначальним у процесі виробництва цементу необхідної марки.

Розглянуто канали збурень, що впливають на ключові технологічні процеси виробництва цементу. Зроблено систематизацію найбільш негативних збурюючих впливів, визначено їх діапазон змін і виявлені лінгвістичні ознаки, що дозволяють, з погляду експертів - технологів, побудувати лінгвістичні моделі складних технологічних об'єктів.

Детально розглянуто методи коректування хімічного складу сировинних сумішей, проведено їх порівняльний аналіз і зроблено висновок про перевагу методу коректування за коефіцієнтом насичення (КН).

Розглянуто традиційний підхід до керування процесом сумішоутворення, який заснований на припущенні про стабільний склад основних хімічних елементів (СаО і SiО₂) у вапняку і глині. Система автоматичної стабілізації здійснює дозування сировини живильниками 1 і 2. Далі сировинний матеріал переміщується стрічковими транспортерами 4 у шаровий барабанний млин 5. Аналіз функціонування типової системи керування дозволив виявити ряд недоліків, викликаних тим, що при використанні вапняку і глини з інших місць видобутку або інших зон кар'єру, процентний вміст основних хімічних елементів у сировині (СаО і SiО₂) може варіюватися в межах від 5 до 15 %, що за умов стабілізації витрат дозованих матеріалів, контрольованих витратовимірами (FT), приводить до незадовільного хімічного складу сировинної суміші, що визначається в лабораторії (QR) - (6).

Відповідно, необхідно робити коректування хімічного складу сировинної суміші, що приводить до перевитрати додаткового матеріалу з живильника 3 і зміні завдання g регуляторам витрати (FC).

Детально розглянуто процеси випалу клінкера в обертовій печі з виявленням основних температурних зон (рис.1).

Визначено основні збурювальні фактори, які впливають на якість клінкера. До них можна віднести: наявність лугів у сировинній суміші, характер руху сировини, коливання температур у зонах печі, флуктуацію розмірів частинок сировини, відхилення вмісту основних хімічних елементів у сировинній суміші. З метою компенсації несприятливих впливів запропоновано додатковий керуючий вплив - додавання у суміш фтористого натрію NaF.

У другому розділі розглядаються наукові підходи до моделювання сипучих матеріалів у процесах дозування і конструювання живильників. Проаналізовано напрямки наукових досліджень вітчизняних і закордонних вчених в галузі дозування сипучих матеріалів, відзначено, що рух частинок при витіканні з бункера носить характер складної структурної деформації. Вивчено фізичні основи процесів, що супроводжують витікання сипучих матеріалів з вихідних отворів живильників за методиками Є. Дженіке, Ю. Відінєєва, В. Каталимова та ін.

Рис. 1. Основні температурні зони випалювальної печі

Здійснено критичний розгляд гіпотез про те, що витрата матеріалу залежить від висоти шару в бункері і зовсім не залежить від розмірів випускного отвору, а також про те, що швидкість витікання не залежить від висоти шару, за умови, що форма бункера циліндрична. На основі аналізу експериментальних результатів зроблено висновок про те, що на появу динамічного своду (рис.2. а, б) і, відповідно, зміну витрати, впливають фізико-механічні характеристики СМ, форма і розміри корпуса живильника, а також зовнішні збурення і технологічні фактори.

а) б) в)

Рис. 2 Характер руху сипучого матеріалу в циліндроконічних бункерах: а - сводоутворення; б - витікання з трубоутворенням; в - масове витікання СМ

Для аналізу діючої системи регулювання розглядаються основні характеристики регульованого апарату, отримані в експериментальних умовах.

Регульований апарат є вібраційним живильником (ВЖ) із стрічковим транспортером, встановленим під випускним отвором. На функціонування регульованого апарату впливають фактори, представлені на рис.3.

Рис. 3 Схема регульованого апарату (РА)

На вхід живильника з бункера надходить сировинний матеріал, збуджений впливом M, а з вихідного отвору випливає потік Q_вх1 що, переміщуючись на стрічці транспортера, подається у млин. На сипучий матеріал, що знаходиться в живильнику, діють такі збурення:

зміни гранулометричного складу R;

зміни відносної вологості матеріалу щ_від, %;

зміна насиченості повітрям щ_{г, %};

зміна твердості частинок Т;

здатність частинок до вібраційного ущільнення К_в;

стрибки напруги, що подається на двигун транспортера U, V тощо.

Вивчення поведінки сипучих матеріалів при дії на них збурень, дозволяє прийняти за найбільш несприятливі такі збурення: зміна гранулометричного складу, зміна відносної вологості матеріалу і здатність до вібраційного ущільнення. Отримано передатні функції об'єкта за каналами збурення і регулювання. Доведено, що найбільш несприятливим є збурення за каналом "зміна вібраційного ущільнення матеріалу - витрата матеріалу". Діючі на виробництві САР з типовими ПІ - регуляторами не можуть компенсувати дане збурення повністю. Показано також, що найбільш ефективний із використаних регуляторів - ПІД також не забезпечує необхідні значення критеріїв якості перехідних процесів (рис.4). Для більш глибокої компенсації несприятливих збурень необхідне перенастроювання регуляторів. Ця операція у виробничих умовах вимагає зупинки процесу приготування суміші, що спричиняє певні збитки.

На рис.4. показана трьохконтурна система управління процесом приготування двохкомпонентної сировинної суміші. Типові регулятори W_p1 (s) і W_p2 (s) одержують завдання Z_СаО, Z_{SiO2 -} для підтримки встановленої витрати, виходячи з інформації про наявність у вапняку і глині основних хімічних сполук - СаО і SiО₂. Регулятори працюють за принципом відхилення, між ними встановлена ланка зв'язку W_св1 (s), що забезпечує необхідне співвідношення компонентів сировини. Нове значення пропорцій знаходиться за допомогою ланки зв'язку W_св2 (s). На цей елемент надходить інформація від хімічної лабораторії, що робить аналіз сировинної суміші.

У випадку відхилення вмісту головних хімічних компонентів від заданих, у пристрої W_св2 (s) відбувається перерахунок співвідношень вапняку і глини. По дана схема є кращою із тих, які пропонує традиційний підхід, але і вона має ряд недоліків, які полягають у тому, що не відбувається попереджувальний облік змін у основних каналах збурення. Це пояснюється тим, що регулятори налаштовано за ідеальною математичною моделлю.

Рис. 4. Система управління співвідношенням витрат компонентів цементної сировини

Таким чином, для підвищення ефективності автоматизованого управління процесом виробництва сировинної суміші необхідний пошук нових наукових підходів, здатних вирішити існуючі протиріччя.

Разом з тим, досвідчений оператор справляється з подібними завданнями в режимі дистанційного управління краще, ніж традиційна САР, однак, на відміну від системи регулювання, оператор - експерт не може працювати в умовах зосередження уваги тривалий час.

Знання експерта легше за все формувати у вигляді словесних інструкцій, або правил, що описують ознаки стану матеріалу і вибір необхідного керуючого рішення. У даній ситуації теорія нечіткого моделювання виявляється найбільш конструктивною, оскільки за останнє десятиліття на її основі було вирішено сотні практичних задач управління і прийняття рішень в умовах невизначеності.

Постановка наукової задачі:

Позиція класичної теорії автоматичного управління затверджує, що оптимальне управління може бути записано:

Ф₀: F U (1)

де F - простір входів;

U - простір керуючих впливів;

Ф₀ - закон керування для систем автоматичної стабілізації

Якщо ж розгляд задачі проводити в області нечітких відношень типу:

де f ₁^*, f '₁^{* -} терми вхідної змінної та її похідної;

u^*₁ - терм керуючого впливу. Заміняючи нечітке відношення виду (2) його апроксимацією, можна одержати закон управління Ф₀.

Нехай модельований технологічний процес визначається сукупністю нечітких множин P (U) = {X₁,…,X_n} на U і сукупністю нечітких множин

P (V) = {Y₁,…,Y_n} на V, при цьому

X_i = { (x, (x)) }; Y_i = {{y, (y)) }, (3)

де U і V - кінцеві вхідний і вихідний простори моделювання об'єкту.

Технологічний процес описується нечітким рівнянням

Y_i= X_i R, i=, (4)

де R - нечітке бінарне відношення на U V.

Нечітке відношення R представлено у вигляді сукупності керуючих правил із структурою ЯКЩО X_i ТО Y_i.

Досвідчений оператор технологічного процесу, що є експертом, при дистанційному керуванні режимами сумішоутворення і виробництва клінкера, враховує коливання перехідних процесів, міру енергії, витраченої на керування, а також такі невраховані складові, як тривалість безремонтного періоду експлуатації устаткування і засобів автоматики, недопущення небезпечних викидів газів і пилу, забезпечення мінімального рівня шуму тощо.

У третьому розділі для вирішення поставленої задачі - підвищення ефективності управління процесом сумішоутворення, запропонована нечітка комбінована САУ (рис.5), що забезпечує задані показники якості процесу регулювання при дії в нечітких умовах. На початковому етапі визначені лінгвістичні змінні і нечіткі множини:

N _{i (}i=); N_сj (j = ); E_e (e = ); (5)

E_cq (q=); U^e_r (r=); Uⁿ_k (k =)

На рис.7 показано, що для збурення n (t) і швидкості його зміни n' (t), обумовленої диференціатором Р, впливу що компенсує u_n (t), помилки e (t) і швидкості її зміни e' (t) і керуючого впливу u_e (t) вищевказані нечіткі множини визначені за допомогою лінгвістичних перемінних, що складаються з термів: (ДМ - дуже мале, М - мале, С - середнє, В - велике, ДВ - дуже велике):

N₁ = ДМ= ⁽n_m (t), (n_m (t))); N₂ = М = (n_m (t), (n_m (t)));

N₃ = С = (n_m (t), (n_m (t))); (6)

N₄ = В = (n_m (t), (n_m (t))); N₅ = ДВ= (n_m (t), (n_m (t)));

N _iN; i = ; n (t) F,

де N - універсальна множина збурень; n_m (t) - поточне значення впливу, що збурює, у визначений момент часу (n_m (t)) - функція належності поточного значення збурювання до даної нечіткої множини n_m (t)

F - блок фаззифікації; D - блок дефаззифікації.

Рис. 5. Схема нечіткої комбінованої системи управління

Аналогічним чином прийнятою мовою визначаються нечіткі множини для швидкості зміни (похідній) збурення

N_cj = ⁽n'_m, (n_m (t))), j = 1, 2,…, n₂, n₂ = 5, (7)

Помилки і швидкості її зміни

E_e = ⁽e_m, (e_m (t))), e = 1, 2,…, n₃, n₃=5; (8)

E_cq = (e'_m, (e'_m (t))), q = 1, 2,…, n₄, n₄=5; (9)

Керуючого впливу (виходу) регулятора

U^e_r = (u^e_m, (u_m (t))), r = 1, 2,…, n₅, n₅ = 5, (10)

Впливи, що компенсує, (виходу компенсатора)

Uⁿ_k = (uⁿ_m, (uⁿ_m (t))), k = 1, 2,…, n₆, n₆ = 5. (11)

У представлених вираженнях масштабування величини визначається:

n_m (t) = k_n n (t); n'_m (t) = k_n n ' (t); uⁿ_m (t) = k_u u_n (t); (12)

e_m (t) = k_e e (t); e'_m (t) = k_e e' (t); u^e_m (t) = k_u u_e (t), (13)

де e (t) = g (t) - y (t), e' (t) = (e (t)), (14)

k - масштабний коефіцієнт.

На основі накопиченої апріорної інформації, досвіду керування технологічним процесом і якісними міркуваннями були складені (у вигляді висловлень) такі правила нечіткого алгоритму компенсатора:

ЯКЩО n (t) ДВ, І n' (t) С, ТО u ^{n (}t) В, ІНАКШЕ

ЯКЩО n (t) С, І n' ⁽t) В, ТО u ^{n (}t) С тощо.

Правила нечіткого регулятора складені у вигляді таких висловлень (терми помилки: НМ - негативно мала, ПВ - позитивно велика):

ЯКЩО e (t) НМ, І e' (t) М, ТО u (t) ДМ, ІНАКШЕ

ЯКЩО e (t) ПВ, І e' (t) С, ТО u (t) В і т.д. Апробація запропонованої системи дозволила одержати задовільні перехідні процеси (рис.6).

Рис. 6. Перехідні процеси нечітких комбінованих САУ (НКСАУ) за каналом завдання: 1 - НКСАУ дозування вапняку; 2 - НКСАУ дозування глини

Альтернативою нечіткій системі управління процесом приготування суміші, яка одержує оперативну інформацію про хімічний склад від рентгенівського аналізатора, є нечітка супервізорна система, переваги якої полягають у тому, що її функціонування можливе без застосування дорогого устаткування для хімічного аналізу сировинних матеріалів. Система може бути використана в якості "порадника" операторові при дистанційному керуванні. Нечітка експертна система розроблена з урахуванням якісної інформації про родовище сировинних матеріалів.

Хімік - технолог, знаючи родовище дозованих матеріалів і номер зони, у яких цей матеріал видобувається, а також хімічний склад сировинних матеріалів у цих зонах, може вказати необхідне співвідношення витрат для одержання сировинної суміші необхідного хімічного складу. Оскільки хімічний склад сировинних матеріалів у кар'єрах розподілений нерівномірно, те кожне родовище поділяється на п'ять зон (терм - множин), а число родовищ у даному випадку дорівнює трьом: Уваровське, Лиманське, Удобенське.

При побудові баз знань у вигляді таблиць лінгвістичних правил (ТЛП) для знаходження експертного висновку застосовуються такі правила нечіткої продукції, наприклад:

Правило 1: ЯКЩО вапняк із Уваровського родовища І проба взята з другої зони видобутку, ТО вміст СаО малий;

Правило 2: ЯКЩО глина з Лиманського родовища І проба взята з четвертої зони, ТО вміст SiО₂ великий.

На о снові розроблених ТЛП поради операторові видаються у такому вигляді:

Якщо вміст СаО у вапняку НМ, І вміст SiО₂ у глині НМ, ТО корекція співвідношення потоків С (середня).

Структура нечіткої системи управління (рис.7), має недолік, який полягає у тому, що завдання регуляторові оператор задає в чіткій формі, що в ситуаціях, які вимагають швидкого ухвалення рішення, ускладнює вибір необхідного вихідного значення управління. Для удосконалення системи прийняття рішень пропонується використовувати пристрій, що задає, з нечіткими завданнями. У такому випадку на пристрої, що задає, необхідне значення витрати матеріалу може бути представлене у вигляді термів з функціями належності трикутного і Z - подібного типу.

При використанні лінгвістичного задатчика розглядаються такі передумови:

Нехай входом замкнутої системи є задаючий вплив g, що надходить на позитивний вхід порівняльного пристрою (компаратора), а на негативний вхід такого подається вихід об'єкта y = x, тоді

e = g - x, (15)

де е - помилка керування. Лінгвістичний опис нечіткого компаратора отримає вигляд:

e^* = C^л (x^*, g^*), (16)

де C^{л -} ТЛП із входами x^*, g^*; ^* - позначення прийняте, коли лінгвістична змінна приймає значення відповідного терма. Базові змінні x^л і g^л набувають таких значень: (ДМ, М, С, В, ДВ)

На основі виразів (15) - (16) визначаємо лінгвістичний опис компаратора, що подається у вигляді ТЛП.

У четвертому розділі проводиться аналіз діючих САУ випалу клінкера в умовах дії неконтрольованих збурень і відсутності достовірної інформації про хімічні реакції, що протікають у печі. Вивчено досвід роботи операторів випалювальних печей і запропонована адаптивна нечітка система регулювання температури клінкера в зоні випалу печі (рис.8).

При розробці нечіткого адаптивного алгоритму розглядаються чотири нечіткі множини E_i (i =); E'_j (j = ); U_l (і =); U^a_k (k =), де E_i, E'_j, U_l, U^a_{k -} відповідно нечіткі множини помилки, швидкості зміни помилки, управління й адаптації управління.

Зазначені множини визначені для відповідних лінгвістичних термів, наприклад:

U^*₁ = ДM= (u, ₁ (u)); U^*₂ = M = (u, ₂ (u));

U^*₃ = C = (u, ₃ (u)); (17)

U^*₄ = В = (u, ₄ (u)); U^*₅ = ДВ = (u, ₅ (u)),

де U^*_{l (}і =) - лінгвістичний терм, що відповідає лінгвістичної змінній (керування) нечіткої множини U_l; _l (u) - функція належності нечіткої множини U_l. На рис.7: k - масштабні коефіцієнти; Р - диференціатор; F - блок фаззифікації; D - блок дефаззифікації діючий за методом центру ваги.

Рис. 7. Схема нечіткої адаптивної системи управління

Аналогічним чином визначені нечіткі множини для швидкості зміни помилки:

E'_j = (e'_m, _j (e'_m)), j = 1,5; (18)

адаптації управління:

U^a_k = (u^a, _k (u^a)), k = 1,5; (19)

помилки управління:

E_i = (e _m, _i (e _m)), i = 1,6. (20)

Число лінгвістичних термів помилки на один більше кількості інших термів внаслідок того, що для помилки додані терми НН (негативний нуль) та ПН (позитивний нуль) замість терма Н (нульовий). У вираженнях масштабування величини e_m та е'_m визначені в такий спосіб:

e_m = k_e e; e'_m = k_e e'. (21)

Доведено, що введення додаткових термів НН (негативний нуль) і ПН (позитивний нуль) у ЛП "помилка керування" сприяє більш точному знаходженню ступеня істинності помилки. Введення блоку ТЛПА (адаптації), у якому відбувається лінгвістичний аналіз показників якості перехідного процесу та на основі продукційних висновків відбувається вибір коригувального правила (керуючого впливу), що приводить до поліпшення показників якості перехідних процесів регулювання, та як наслідок, одержанню клінкера заданого складу, наприклад:

ЯКЩО відхилення g^* Велике (В) І час регулювання t_p^* В, ТО перехідний процес незадовільний і необхідний ДВ адаптація ІНАКШЕ, ЯКЩО відхилення g^* М (мале) І час регулювання t_p^* М, ТО перехідний процес задовільний тощо.

Як відзначалося вище, процедура адаптації управління полягає у коректуванні певного правила з ТЛП основного контуру нечіткого регулятора, який привів до поточної незадовільної реакції об'єкта управління. Розглянемо цю процедуру докладніше. Допустимо, що певно правило з ТЛП основного контуру нечіткого регулятора стало причиною поточного незадовільного (по ТЛП контуру нечіткої адаптації) виходу об'єкта. Нечіткий опис цього правила складає тензор:

R^а _n-k = E_{n - k} E '_{n - k} U_{n - k}, (22)

де E_{n - k} = F{e_{n - k}}; E' _{n - k} = F {e' _{n - k}}; U_n-k = F {u_{n - k}};

n - індекс поточного часу опитування; k - час регулювання визначається з динаміки об'єкта; F - оператор переходу від чіткої змінної до нечіткої.

Поточна незадовільна реакція об'єкта була встановлена деяким правилом із ТЛП контуру адаптації, нечіткий опис якого складає тензор:

R_n^a = E_n E_n' U^a_n. (23)

Очевидно, що незадовільне правило має бути замінене скоректованим:

R = E_n-k E' _n-k U^н, де U^н = F {u_n-k+ u^a_n}. (24)

Таким чином, у ТЛП основного контуру буде занесено нове правило, що для поточних параметрів об'єкта керування важливіше. Для вирішення питання адаптації управління, що відповідає незадовільному правилу, стає доцільним використання чіткого значення U^а_n у відповідно до такого алгоритму

u⁰ = u_n + u^a_n, (25)

де u_n = D {U_n}; u^a_n = D {U^a_n}; D - оператор переходу від нечіткої змінної до чіткої.

Використовуючи запропоновані вище підходи, у спеціалізованому пакеті fuzzyTECH були апробовані ТЛП1 основного контуру регулятора і ТЛП 2 контуру нечіткої адаптації (рис.8).

Рис. 8. Програма нечіткого адаптивного управління (НАУ) температурою клінкера в зоні підігріву, виконана в пакеті fuzzyTECH (демо-версія)

Перехідні процеси регулювання показані на рис.9. Значення основних показників якості: = 0,75; T_p=125 с; Т₁ = 1 C⁰ підтверджують ефективність розробленої системи НАУТП. Експериментальні дослідження показали, що запропонований підхід - нечітке адаптивне управління успішно застосовується і при управлінні процесами сумішоутворення.

Впровадження нечіткої системи управління процесом виробництва клінкера на Вінницькому заводі "Аналог" дозволило, за результатами хімічного аналізу, одержати клінкер такого складу, який цілком задовольняє ДЕРЖСТУ 5382-73. У порівнянні з хімічним складом клінкера отриманого традиційним способом, використання нечітких систем управління привело до поліпшення якості клінкера на 16 %.

Рис. 9. Перехідні процеси нечіткої системи без адаптації (1) і нечіткої адаптивної системи (2) з каналом збурення

Висновки

У дисертаційній роботі реалізовано нове вирішення наукового завдання удосконалення АСУТП виробництва клінкера, що діє в умовах невизначеності. У ході виконання роботи були таки наступні наукові і практичні результати.

1. На основі результатів аналізу АСУТП, які застосовуються у виробництві клінкера на цементних заводах, встановлено, що існуючі традиційні системи автоматики діють неефективно в умовах відсутності повної і достовірної інформації. Завдання управління складними об'єктами в умовах невизначеності можуть бути вирішені шляхом застосування теорії нечітких множин.

2. Для розробки нечітких математичних моделей управління ключовими технологічними ділянками - процесами приготування сировинної суміші і випалу клінкера визначені лінгвістичні ознаки (зі сплайн - типами функцій належності) збурюючих впливів, що робить найбільш несприятливі впливи на об'єкт управління.

3. На основі теорії нечітких множин вперше розроблено таблиці лінгвістичних правил (нечіткі бази знань) для систем нечіткого керування процесами приготування двохкомпонентної сировинної суміші і випалу клінкера, що здійснюють точну імітацію дій висококваліфікованих операторів при керуванні при дистанційному режимі.

4. Одержали подальший розвиток нечіткі адаптивні системи управління, у яких були запропоновані нові нечіткі бази знань для контуру адаптації з правилами лінгвістичної оцінки показників якості перехідних процесів регулювання і знаходження, внаслідок цього змінюючих правил для основного контуру регулювання, що дозволяє одержувати бажані перехідні процеси при значних змінах значень параметрів об'єкта управління.

5. Удосконалена АСУТП випалу клінкера шляхом введення нового каналу регулювання "додавання NaF", що сприяє компенсації впливу лугів на хімічний склад клінкера і, як наслідок, поліпшує його якісні характеристики.

6. Розроблено методику, на основі теорії нечітких множин, визначення хімічного складу сировинних матеріалів у місцях видобутку, що сприяє створенню експертної системи з підтримки схвалення рішення оператором.

7. Здійснено вибір технічних засобів автоматизації для впровадження нечіткої САУ і розроблена мнемосхема процесу випалу в SCADA - системі, що дозволяє використовувати комп'ютерну систему управління обертовою піччю. Запропонована система керування пройшла перевірку на Вінницькому заводі "Аналог", що підтвердило працездатність і ефективність системи. Це дозволяє рекомендувати нечітку САУ виробництва клінкера для застосування на цементних заводах України і країн СНД.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Козак Ю.А., Михайленко В.С. Теоретическое обоснование применения нечеткого моделирования для описания сложных объектов управления. // Збірник наукових праць КГТУ. - 2004. - Вып.14. - С.292 - 302.

2. Козак Ю.А., Михайленко В.С. Нечеткое управление системой приготовления сырьевой смеси в цементном производстве. // Збірник наукових праць КГТУ. - 2004. - Вып.15. - С. 193 - 198.

3. Козак Ю.А., Михайленко В.С., Харабет А.Н. Применения нечеткого моделирования в технологических процессах дозирования сыпучего материала // Вісник ЧГТУ. - 2004. - №2. - С.32-35.

4. Козак Ю.А., Михайленко В.С. Нечеткое управление сложными технологическими процессами в компьютерно - интегрированных системах. // Холодильна техніка і технологія. - 2005. - № 3 (95). - С.83-86.

5. Михайленко В.С. Нечеткие контролеры в системах автоматезированного управления. // Холодильна техніка і технологія. - 2004. - № 3 (98). - С.79-82.

6. Михайленко В.С., Харабет А.Н. Развитие методов контроля и диагностики на основе применения экспертных систем. // Науковий вісник ОДПУ. - 1999 - №7 - С.109 - 112.

7. Михайленко В.С., Харабет А.Н. Нечеткая математическая модель как способ изображения неопределенного состояния сыпучего материала. // Оптимізація управління, інформаційні системи і комп'ютерні технології: Роботи УАЭК - 1999. - Вып.1. - С. 206 - 210.

8. Харабет А.Н., Михайленко В. С Пример лингвистической модели автоматического дозатора сыпучего материала. // Збірник наукових статей міжнародної науково - практичної конференції молодих учених "Молодь третього тисячоліття". - Одеса: ИСЦ, 2000. - Том 3. - С.183 - 190.

9. Харабет А.Н., Михайленко В.С. Нечеткое математическое моделирование как средство учета неопределенности сыпучего материала при создании дозатора. // Роботи ОПУ. - 2000. - Вып.3 (12) - С.110 - 116.

Анотоції

Михайленко В.С. Нечітка система управління процесом виробництва клінкера. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.07 - Автоматизація технологічних процесів. - Одеський національний політехнічний університет, Одеса, 2006.

Дисертаційна робота присвячена удосконаленню діючих автоматизованих систем управління процесами виробництва клінкера в цементній промисловості.

Для підвищення ефективності АСУТП здійснена розробка нечітких моделей і алгоритмів керування, що враховують інтуїцію і знання експертів - операторів і технологів процесів готування сировинної суміші і випалу клінкера. Запропоновано таблиці лінгвістичних правил для нечітких регуляторів і блоків нечіткої адаптації в нечітких автоматизованих системах керування процесами виробництва клінкера, що приводить до підвищення якості управління та одержання сировинної суміші і клінкера заданих хімічних складів.

Запропоновано нову методику, на основі теорії нечітких множин, визначення процентного складу вапняку і глини в місцях видобутку, що сприяє ефективному управлінню системою дозування сировинних матеріалів у режимі порадника.

Основні наукові положення були апробовані в цехах приготування сировинної суміші і випалу клінкера на Вінницькому заводі "Аналог".

Ключові слова: сировинна суміш, клінкер, нечіткі системи управління, таблиці лінгвістичних правил, нечіткий регулятор.

Mikhailenko V.S. Fuzzy control system over the process of producing clinker. - Manuscript.

This dissertation is done for getting academic of technical science, specialization 05.13.07 - Automation of technological process - Odessa National Polytechnic University, Odessa, 2006.

The thesis is about perfecting of current automation control system over the clinker producing in cement industry.

For rising the effect of automation control system of technological process it was accomplished elaboration of fuzzy models and algorithms considering intuition and knowledge of expert - operators and technologists during the process of making raw materials mixture and firing clinker.

Linguistic rules tables for fuzzy regulators and block for fuzzy adaptation in automated control system over producing clinker are suggested to rise the quality of control and receiving raw materials mixtures and demanded chemical structure of clinker.

One the basis of theory about fuzzy sets it is suggested a new method for determining the percent composition of limestone and clay in the places of mining - that promotes and effective control system over dosaging raw materials on - line. The effect of new scientific approach suggested by the author was proved at Vinnitsa factory "Analog" making raw materials and firing clinker.

Key words: row materials, clinker, fuzzy control system, linguistic rules tables, fuzzy regulator.

Михайленко В.С. Нечеткая система управления процессом производства клинкера. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.07 - Автоматизация технологических процессов. - Одесский национальный политехнический университет, Одесса, 2006.

Автоматизация технологических процессов производства клинкера в цементной промышленности связана с управлением сложными многосвязными объектами в условиях неопределенности и отсутствием достоверных и оперативных данных о физико - химических реакциях, протекающих в сырьевых материалах и обжиговой печи.

Одним из возможных путей усовершенствования, с целью повышения эффективности АСУТП, является применение теории нечетких множеств и нечеткой логики, математический аппарат которой способен учитывать опыт и знания высококвалифицированных операторов. Нечеткие автоматизированные системы управления осуществляют формирование управляющих сигналов на основе стратегий, заданных лингвистическими таблицами (базами) правил, при входных информационных сигналах количественного и качественного характера, что позволяет производить компенсацию наиболее неблагоприятных возмущений, действующих случайным образом.

Целью диссертационной работы является повышение эффективности технологического процесса производства клинкера путем применения нечетких моделей и алгоритмов управления.

Для достижения поставленной цели проведено исследование особенностей технологических процессов производства клинкера с выявлением ключевых элементов данного производства - процессов приготовления сырьевой смеси и обжига клинкера, от эффективности управления которыми зависит качество (химический состав) клинкера. Анализ возмущающих воздействий, оказывающих влияние на ключевые стадии, позволил выявить основные факторы и признаки таковых, с точки зрения экспертов, и осуществить их фаззификацию. Изучение действия традиционных АСУТП продемонстрировало ряд недостатков, вызванных неполнотой математических моделей сложных технологических объектов, не учитывающих флуктуацию физико - химических свойств сырьевых материалов и химические процессы в обжиговой печи. В процессе решения задач по повышению уровня автоматизации были получены следующие научные результаты: определены типы функций принадлежности (сплайн - функции) и их количество, позволяющие получить степень истинности технологических значений, удовлетворяющих методикам расчета процессов порционирования; в действующей структуре нечеткой автоматической системы управления обжига клинкера, предложен дополнительный канал управления, для регулирования добавочного материала NаF, с целью снижения влияния щелочей на химический состав клинкера, что значительно улучшает прочностные характеристики цемента; разработана структура нечеткого задатчика для систем дозирования сырьевых материалов, определяющего задание нечеткому регулятору в виде терм - множеств, что значительно улучшает качество управления при дистанционном режиме работы оператора в процессе приготовления сырьевой смеси; предложен метод, на основе теории нечетких множеств, определения процентного состава сырьевых материалов в местах добычи и передачи этой информации по спутниковой системе навигации GPS на производство, что позволяет использовать супервизорный режим управления в процессах приготовления сырьевой смеси; осуществлена разработка баз правил для систем нечеткого управления технологическими процессами дозирования сырьевых материалов и обжига клинкера, позволяющих производить точную имитацию действий экспертов-технологов и, соответственно, получить сырьевую смесь требуемого химического состава; разработаны таблицы лингвистических правил для контуров нечеткой адаптации в системах производства сырьевой смеси и ее обжига в печи, производящих коррекцию баз правил нечетких регуляторов при значительном изменении значений параметров объекта и, тем самым, обеспечивающих желаемые характеристики переходных процессов.

Использование нечеткой автоматизированной системы управления процессом производства клинкера на Винницком заводе "Аналог" позволило стабильно получать сырьевую смесь требуемого химического состава и, как следствие, клинкер заданного качества. Качество полученного клинкера улучшено на 16%, по сравнению с клинкером, произведенным при использовании традиционной системы управления. Предложенные модели и программы, разработанные для их реализации, внедрены в учебный процесс ОНАС им.А.С. Попова.

Размещено на Allbest.ru

...