|
Український державний університет
харчових технологій
На правах рукопису
Пархоменко Іван Іванович
УДК 681.5:664.1
АВТОМАТИЗОВАНА СИСТЕМА УПРАВЛІННЯ
ДІЛЯНКОЮ ОЧИЩЕННЯ ДИФУЗІЙНОГО СОКУ
НА БАЗІ НЕЧІТКОЇ ЛОГІКИ
05.13.07 Автоматизація технологічних процесів
Автореферат дисертації
на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Київ 2002
Дисертацією є рукопис
Робота виконана в Українському державному університеті харчових технологій.
Науковий керівник: Заслужений діяч науки і техніки України, доктор технічних наук, професор Ладанюк Анатолій Петрович, Український державний університет харчових технологій, зав. кафедрою “Автоматизації та комп'ютерно-інтегрованих технологій”.
Офіційні опоненти: Заслужений діяч науки і техніки України, доктор технічних наук, професор Богаєнко Іван Миколайович, заступник генерального директора НВК “Київський інститут автоматики”; кандидат технічних наук, професор Лисенко Віталій Пилипович, Національний аграрний університет, зав. кафедрою “Автоматизації сільськогосподарського виробництва”.
Провідна установа: Одеський національний політехнічний університет, м. Одеса.
Захист відбудеться 15.05.2002 р.
О 1400 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К26.058.05 Українського державного університету харчових технологій за адресою: 01033 Київ-33, м. Київ, вул. Володимирська, 68, ауд-311.
З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Українського державного університету харчових технологій.
Автореферат розісланий 14.04.2002 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради
к. т. н., доцент Філоненко В.М.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Технологічний процес очищення дифузійного соку належить до класу складних хіміко-технологічних процесів. Даний процес є одним з основних в цукровому виробництві, який суттєво визначає його якісні та кількісні показники. Процес очищення складається із стадій, які пов'язані між собою складними відношеннями і характеризується значним ступенем невизначеності, великою розмірністю векторів вхідних збурень та координат стану, значним рівнем перешкод та інше. Застосування мікропроцесорних систем з типовими законами регулювання значною мірою підвищує якість управління процесами очищення дифузійного соку. Однак навіть ці системи не взмозі конкурувати з людиною в непередбачуваних технологічних ситуаціях, які досить часто виникають на виробництві. Крім того, нестабільність параметрів промислових агрегатів і каналів зв'язку також вносить суттєву похибку в результати управління і знижує якість кінцевого продукту. Суб'єктивне розуміння технологічного процесу, багатий виробничий досвід допомагають оператору успішно орієнтуватись в складних ситуаціях, які виникають в умовах реального виробництва.
Для того, щоб врахувати знання експертів з даної предметної області, постала проблема створення “інтелектуальної” системи автоматизованого управління, яка використовує накопичений досвід операторів-технологів при управлінні ділянкою очищення дифузійного соку. Таким чином, розробка “інтелектуальної” системи автоматизованого управління, яка використовує математичну нечітку логіку, є актуальною науковою проблемою.
Мета роботи полягає у створенні системи автоматизованого управління ділянкою очищення дифузійного соку на базі нечіткої логіки. Для розробки даної системи були створені математичні моделі, алгоритми та формалізовані методики, які забезпечили використання експертно-лінгвістичної інформації, доступної проектувальнику на попередніх стадіях створення системи.
Для реалізації програми досліджень по розробці системи було виконано наступне: сформовані принципи моделювання ділянки очищення дифузійного соку на базі нечіткої логіки; визначені фактори, які впливають на якість протікання технологічного процесу очищення дифузійного соку; представлені всі впливаючі фактори як лінгвістичні змінні з відповідними терм-розбиттями; проведена ідентифікація об'єкта другої сатурації на основі статистичних вибірок з використанням авто- та взаємокореляційних функцій; розроблені математичні моделі об'єкта другої сатурації на базі нечіткої логіки; синтезована структура нечіткого локального регулятора другої сатурації та розроблена база даних та знань для даного регулятора на основі таблиць лінгвістичних правил; проведена апробація нечіткого локального регулятора другої сатурації на моделях; розроблені моделі фазифікації та дефазифікації, що дозволили переводити з цифрової форми вхідні сигнали в лінгвістичну форму та лінгвістичні вихідні, які утворюються в результаті активізації продукційних правил “ЯКЩО-ТО”, в цифрову форму; створена база даних та знань автоматизованої системи управління ділянкою очищення дифузійного соку на основі правил-продукцій, що реалізують управління технологічним процесом в критичних ситуаціях та при реалізації локальних схем регулювання; розроблені спосіб та алгоритми управління технологічними параметрами ділянки очищення дифузійного соку на базі нечіткої логіки; створена структура автоматизованої системи управління ділянкою очищення дифузійного соку на базі нечіткої логіки; проведена дослідна апробація системи автоматизованого управління ділянкою очищення дифузійного соку на базі нечіткої логіки на Первухінському цукровому заводі.
Наукова новизна дисертаційних досліджень полягає в наступному: вперше проведений аналіз ділянки очищення дифузійного соку як об'єкта управління в нечіткому середовищі; вперше всі впливаючі фактори представлені як лінгвістичні змінні, що є необхідним для синтезу автоматизованої системи управління на базі нечіткої логіки; розроблена структура нечіткого локального регулятора другої сатурації на базі нечіткої логіки та лінгвістичного підходу і створена база даних та знань на основі таблиць лінгвістичних правил; розроблені алгоритми та спосіб управління технологічними параметрами процесу очищення дифузійного соку на базі нечіткої логіки; розроблена методика розрахунку за експертними оцінками кількісних значень якісних показників обладнання, засобів автоматизації, апаратно-схемного оформлення; розроблена структура автоматизованої системи управління ділянкою очищення дифузійного соку на базі нечіткої логіки та лінгвістичного підходу з використанням правил-продукцій для критичних ситуацій та з таблицями лінгвістичних правил для локальних схем регулювання.
Практичне значення дисертаційної роботи полягає в тому, що створена автоматизована система управління ділянкою очищення дифузійного соку на базі нечіткої логіки та лінгвістичного підходу з використанням бази даних та знань на основі правил-продукцій для критичних ситуацій та таблиць лінгвістичних правил для схем локального регулювання, яка пройшла дослідну експлуатацію на Первухінському цукровому заводі; розроблені алгоритми та спосіб управління технологічними параметрами на базі нечіткої логіки та лінгвістичного підходу з урахуванням формалізованих методик, які максимально акумулювали досвід операторів-технологів, експертів з даної предметної області; запропоновано методику розрахунку кількісних значень якісних показників обладнання та засобів автоматизації.
Апробація роботи. Основні результати досліджень доповідались і обговорювались на наукових конференціях в 1997-2001рр.: на науково-практичній конференції 27-28 листопада 1997 року "Підприємства і цехи малої потужності для переробки сільськогосподарської сировини: ефективність і особливості організації" (Полтавський кооперативний інститут); на 64-й студентській науковій конференції 14-16 квітня 1998 р. (Київ, УДУХТ); на 67-й науковій конференції студентів, аспірантів і молодих вчених 24-25 квітня 2001р. (Київ, УДУХТ); на шостій міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми та перспективи створення і впровадження нових ресурсо- та енергоощадних технологій, обладнання в галузях харчової і переробної промисловості ” (Київ, УДУХТ, 2000); на міжнародній науково-технічній конференції “Розроблення та впровадження прогресивних ресурсоощадних технологій та обладнання в харчову та переробну промисловісь” (Київ, УДУХТ, 1997); на міжнародній науково-технічній конференції “Техника и технология пищевых производств” (Могилев, 25-27 марта 1998 года); на міжнародній науково-технічній конференції 23-25 жовтня 2001 р. - “Пріоритетні напрямки впровадження в харчову промисловість сучасних технологій, обладнання та нових видів продуктів оздоровчого та спеціального призначення”( Київ, УДУХТ).
Публікації. По темі дисертації опубліковано 10 друкованих праць, в яких викладено основний зміст досліджень.
Структура і об'єм роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох розділів, списку літератури з 124 найменувань, 5 додатків. Текст викладено на 142 стор., включаючи 27 рисунків, 21 таблицю.
Основні положення, що виносяться на захист: результати досліджень властивостей ділянки очищення дифузійного соку як об'єкта управління в нечіткому середовищі; методика розрахунку за експертними оцінками кількісної величини якісних показників обладнання, засобів автоматизації та апаратно-схемного оформлення; структура нечіткого локального регулятора другої сатурації з використанням бази знань на основі таблиць лінгвістичних правил; алгоритми та спосіб по управлінню параметрами технологічного процесу очищення дифузійного соку; структура автоматизованої системи управління ділянкою очищення дифузійного соку на базі нечіткої логіки та лінгвістичного підходу; принципи синтезу бази даних та знань для автоматизованої системи управління на базі нечіткої логіки з використанням правил-продукцій для критичних ситуацій та таблиць лінгвістичних правил для схем локального регулювання.
Особистий внесок. Особисто автором розроблені наступні положення, які викладені в пункті "Основні положення, що виносяться на захист". В публікації [1] особистий внесок автора полягає в розробці структури автоматизованої системи управління ділянкою очищення дифузійного соку на базі нечіткої логіки, а також у синтезі бази даних та знань з використанням правил-продукцій для критичних ситуацій та таблиць лінгвістичних правил для контурів локального регулювання. В публікаціях у співавторстві особистий внесок полягає в наступному: отриманні результатів дослідження властивостей ділянки очищення дифузійного соку як об'єкта управління в нечіткому середовищі та аналізі задач прийняття рішень (ПР) в умовах невизначеності середовища управління [2]; розробці структурної схеми нечіткого локального регулятора другої сатурації та створенню бази даних та знань на основі таблиць лінгвістичних правил [3]; застосуванні лінгвістичного підходу до управління технологічними процесами цукрового виробництва на прикладі ділянки очищення дифузійного соку, як компоненти комп'ютерно-інтегрованої системи всього цукрового заводу [4], застосуванні продукційних правил для реалізації управління технологічними комплексами в харчовій промисловості [5], застосуванні процедур фазифікації та дефазифікації для реалізації управління параметрами технологічного процесу очищення дифузійного соку [6], застосуванні правил-продукцій при управлінні технологічним об'єктом в критичних ситуаціях [7], аналізі стану управління неперервними технологічними об'єктами з точки зору лінгвістичного підходу з застосуванням апарату нечіткої логіки [8], застосуванні методів ідентифікації для розроблення математичної моделі другого сатуратора [9], розробленні підходу до створення баз знань нечіткого локального регулятора другої сатурації [10].
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
Вступ. Показана актуальність роботи з точки зору важливості впровадження нових алгоритмів управління, які реалізують накопичений досвід операторів-технологів при управлінні технологічними процесами цукрового виробництва, та зв'язок роботи з науковими програмами Українського державного університету харчових технологій. Сформульовані мета і задача досліджень. Визначені наукова новизна та практичне значення одержаних результатів. Вказано на апробацію результатів дисертації та кількість публікацій.
Перший розділ містить аналіз особливостей процесу очищення дифузійного соку цукрового виробництва як об'єкта управління в умовах невизначеності і постановку задачі досліджень.
Продемонстровано, що процес очищення являє собою складну хіміко-технологічну систему з суттєвою невизначеністю параметрів та середовища управління. Показано, що для одержання значного ефекту очищення необхідно підтримувати технологічні параметри процесу в регламентних режимах.
Визначені ряд факторів, які мають суттєвий вплив на якісні та кількісні показники очищення дифузійного соку та цукрового виробництва в цілому. Проведено аналіз задачі прийняття рішень (ПР) в умовах невизначеності середовища управління, який показав, що для технологічного об'єкта ділянки дефекосатурації існує два види полісемії: омонімія і нечіткість.
Розглянуті основні класи систем управління технологічними комплексами, які існують в даний момент на світовому ринку та системи, які застосовуються в цукровій промисловості України. В останньому випадку аналіз показав, що найбільше застосування одержали одноконтурні стабілізуючі системи автоматичного регулювання параметрів технологічних процесів, що складають до 65-75% від загальної кількості систем. Більшість систем автоматизації по якості керування не задовольняють вимогам, що до них ставляться сьогодні.
Для визначення рівня автоматизації ділянки очищення дифузійного соку був проведений його розрахунок по методиці, в якій показником рівня автоматизації є величина, що характеризує долю праці по управлінню процесом, яка проводиться автоматично. Розрахунки показали, що існуючий рівень автоматизації ділянки очищення дифузійного соку Первухінського цукрового заводу складає лише 54% від оптимального.
Для інтенсифікації цукрового виробництва запропоновано використання методології штучного інтелекту на основі передових технологій управління виробничими процесами, зокрема - використання лінгвістичного підходу на базі нечіткої логіки. Показано, що задачу ефективного управління ділянкою очищення дифузійного соку в умовах невизначеності середовища традиційними методами управління не вдалося вирішити.
Встановлено, що основний резерв підвищення якості управління технологічними процесами визначається не типом або структурою АСУ ТП, а математичним і алгоритмічним забезпеченням, яке повинно відповідати рівню розв'язуваних технологічних задач.
На основі проведеного аналізу стану автоматизації ділянки очищення дифузійного соку та з урахуванням теорії і практики створення інтелектуальних систем, в тому числі систем на базі нечіткої логіки, була сформована задача досліджень, яка полягає у створенні автоматизованої системи управління ділянкою очищення дифузійного соку, що забезпечує підтримання технологічних параметрів в регламентних режимах за рахунок акумулювання досвіду операторів-технологів (експертів з даної предметної області) в базі знань, яка реалізує управляючі діяння при активізації відповідних продукційних правил вигляду ”ЯКЩО-ТО”.
Визначені науково-технічні основи роботи та основні напрямки досліджень.
В другому розділі здійснюється побудова ієрархічної структури моделі технологічного процесу очищення дифузійного соку на основі формалізації впливаючих факторів у вигляді нечітких множин. Фактори, що впливають на якісні показники процесу, є на сировинному, апаратно-схемному та технологічному рівнях.
Наводиться класифікація факторів, що впливають на підтримання технологічних параметрів ділянки очищення дифузійного соку в регламентних режимах. Відповідно до цієї класифікації, рівень показника М залежить від властивостей вхідної сировини, характеристик обладнання та від особливостей технологічного процесу. Тому має місце співвідношення
М = fx (x, y, z), (1)
де х – лінгвістична змінна (ЛЗ) “якість вхідної сировини”, у – ЛЗ “якість апаратно-схемного оформлення ділянки”, z – ЛЗ “якість технологічного процесу очищення дифузійного соку”.
Ієрархічна сукупність співвідношень (1 – 11) відповідає дереву виведення, яке наведено на рис.1. У вузлах дерева позначені номери формул, що відповідають різним рівням опису.
x = f(x1, x2) (2)
x1 = fx ( ,  ) (3)
у = fy (y1, y2, y3, y4) (4)
y4 = fy ( ,  ,  ,  ,  ,  ) (5)
z = fz(z1, z2, z3, z4, z5, z6, z7, z8) (6)
z1 = f z1 ( ,  ,  ,  ) (7)
z2 = f z2 (  ,  ,  ,  ,  ,  ) (8)
z3 = f z3 (  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ) (9)
z4 = f z4 ( ,  ) (10)
z5 = f z5 ( ,  ) (11)
Застосування теорії нечітких множин для вирішення практичних задач передбачає в якості першого кроку формалізацію нечітких понять і відношень, які використовуються при описі елементів задачі управління. Метод для побудови функцій належності нечітких множин за результатами опитування ОПР (особи, яка приймає рішення) використовує матрицю парних порівнянь елементів універсальної множини і для його реалізації в дисертаційній роботі виконуються наступні дії:
1) задаються лінгвістичні змінні;
2) визначаються універсальні множини, на яких задані змінні;
3) задається сукупність нечітких термів {L1, L2, …, Lm}, які використовуються для оцінки змінної х;
4) для кожного терму Lj (j =  ) формується матриця;
5) розраховуються елементи функції належності для кожного терма.
При побудові матриць парних порівнянь використовуються експертні оцінки спеціалістів (операторів-технологів) ділянки очищення дифузійного соку на таких цукрових заводах: Рокитнянський, Первухінський, Парафіївський, Цибулівський.
Для використання нечітких логічних рівнянь визначаються функції належності  всіх нечітких термів.
Побудовані функції належності не можуть бути використані, якщо вхідна змінна змінюється безперервно, тобто може приймати не тільки значення  , але й проміжні між ними.
Для того, щоб усунути це обмеження, використовується лінійна інтерполяція. Це означає, коли відомо, що
 та 
Рис.1 Ієрархічна сукупність факторів, які впливають на підтримання технологічних параметрів в регламентних режимах
то значення  , де  , знаходимо за формулою:
 (12)
Таким способом проводиться фазифікація вхідних змінних, тобто переведення вхідних сигналів з цифрової форми в лінгвістичну.
На рис.2 представлено фактор рН на 2-му сатураторі як лінгвістичну змінну:
Рис.2 Лінгвістична змінна рН 2-ї сатурації
1- функція належності для терма "значно менше";
2- функція належності для терма " менше";
3- функція належності для терма "норма";
4- функція належності для терма "більше";
5- функція належності для терма "значно більше".
У третьому розділі синтезована база знань (БЗ) на основі правил-продукцій, які мають різний пріоритет. Правила, що описують критичні ситуації, стоять вище за пріоритетом таблиць лінгвістичних правил, що реалізують локальні схеми регулювання.
Розроблений нечіткий локальний регулятор другої сатурації. На рис.3 наводиться структурна схема нечіткого локального регулятора другої сатурації з об'єктом управління. З даної структурної схеми видно, що сигнал із значенням параметра рН надходить на блок завдання нечіткого локального регулятора, де і формується розузгодження по вихідному сигналу. Далі сигнал розузгодження та швидкості зміни розузгодження надходить на ТЛП, яка генерує управляючі діяння на виконавчий механізм регулюючого органу подачі сатураційного газу на другий сатуратор. У випадку, коли заслонка подачі сатураційного газу відкрита по можливому максимуму, а значення рН тривалий час вище регламентного, то змінюється коефіцієнт співвідношення витрати вапняного молока до витрати фільтрованого соку таким чином, щоб витрата вапняного молока стала меншою. І це дозволяє вийти на регламентне значення рН на виході з другого сатуратора.
| 
