Промышленные теплотехнологические и теплоэнергетические установки, как правило, являются многозонными, где в одном агрегате в отдельных зонах происходят определенные процессы или комплекс процеcсов. Примером может служить конденсационный водогрейный котел [1], в котором выделены радиационная и контактно-рекуперативная часть, или цементная вращающаяся печь, в которой можно выделить от двух (горячая и холодная часть) до семи-восьми технологических зон. Из-за взаимосвязи процессов, протекающих в таких агрегатах, задача анализа и управления имеет определенную сложность, так как любое воздействие влияет на большую часть происходящих в агрегате процессов. Систему управления такими агрегатами имеют несколько последовательно и параллельно связанных между собой контуров, использующих разнообразную информацию о состоянии объекта управления.
Создание математических моделей для подобных промышленных объектов встречает большие трудности и на сегодняшний момент не является эффективным. Это связано со следующим.
-
Из-за сложности и большого количества взаимосвязанных процессов детерминированные модели строятся с большим количеством упрощений, сильно снижающими адекватность и универсальность моделей.
-
Модель с достаточной для задач управления степенью точности описывают конкретный объект, и каждое изменение какого-либо параметра (например, свойств сырья, вида выпускаемого цемента или способа навески цепной завесы) требует уточнения модели или создания новой.
-
Существующие системы контроля агрегатов, как правило, не обеспечивают модель необходимым объемом данных. Значительная часть параметров может быть измерена с большой погрешностью или получена только в виде словесного описания. Это еще больше снижает точность детерминированных моделей.
При управлении сложными, не до конца изученными нелинейными системами, характеризующимися неполной и нечеткой информацией, часто применяются модели, построенные на основе теории нечетких множеств, где строится не модель объекта, а модель управления объектом. Такие крупные фирмы, как F.L. Smidth, Polysius, KHD, Siemens разрабатывают и применяют системы с нечеткой логикой, начиная с 1979 года. Проведенный специалистами фирмы «F.L. Smidth» (Дания) анализ эксплуатации компьютерных систем с нечеткой логикой [2], установленных для промышленных агрегатов в различных странах мира, показал:
-
Применение автоматизированных систем на основе нечеткой логики привело к экономии топлива от 2 до 4%, увеличению срока оборудования от 30 до 50% и улучшению качества выпускаемой продукции.
-
Для внедрения системы с нечеткой логикой требовалось некоторое время (около 4-6 месяцев), чтобы накопить достаточный опыт, прежде чем выработать стратегию контроля и управления.
Были выделены следующие преимущества таких систем:
-
Стратегия контроля и управления основана на практическом опыте и учитывает все особенности конкретного агрегата, так как модель основана на фактических данных его работы.
-
Не происходит замены «личности оператора» между рабочими сменами, что вносит дополнительную стабильность в работу агрегата.
-
Управляющие воздействия более плавные, и в то же время происходят раньше, чем производимые человеком-оператором.
В большинстве случаев в системах автоматизации используется алгоритм, являющийся реляционной моделью лингвистических правил и использующий вывод на основе меры возможности равенства двух нечетких множеств. Этот способ обладает рядом существенных недостатков, не позволяющих его применять для многоконтурных систем:
-
использовался стандартный нечеткий композиционный вывод;
-
количество используемых системами параметров не велико (до 8). Не представлены в качестве лингвистических переменных качественные параметры;
-
не учитывается скорость изменения контролируемых параметров;
-
не осуществляется необходимая связь нечеткой модели с существующими детерминированными ограничениями и дополнениями (например, контроль необходимого количества воздуха для горения топлива);
-
наборы контролируемых и управляющих параметров жестко фиксировались, что приводит к неработоспособности системы, если по каким-либо причинам один из регистрирующих приборов выходит из строя;
-
не осуществлялся плавный переход из одного режима работы агрегата в другой.
В работе предлагается информационная система, предназначенная для контроля и анализа многоконтурных теплоэнергетических и теплотехнологических агрегатов и определения требуемых управляющих воздействий.
Построение нечеткой модели состоит из следующих основных этапов:
1. Создание базы данных, которая включает в себя следующие элементы:
-
создание наборов контролируемых и управляющих параметров;
-
представление параметров в виде лингвистических переменных, имеющих название, множества термов, множества значений и т.д.;
-
выбор стандартных или получение новых функций принадлежности для терм - множеств параметров;
-
построение множества правил.
2. Разработка алгоритма нечеткого вывода (используются имеющиеся или разрабатывается новый с учетом специфики решаемой задачи).
Последовательность этапов нечеткого логического вывода приведена на рисунке
Последовательность этапов нечеткого логического вывода
Как правило, в системах с нечеткой логикой используется нечеткий композиционный вывод [3]. Существенным недостатком вывода является то, что он предполагает хранение матриц нечетких отношений, количество и размер которых для реальных объектов довольно велики [4]. Другой недостаток - длительное, неприемлемое в реальном управлении время вычислений для нечетких импликаций, содержащих несколько входных параметров, и высокая вычислительная сложность вывода [5].
Альтернативой обычного композиционного вывода является вывод с помощью нечетких мер, принимающих значения в интервале [0, 1]. В качестве мер используются [6-8]: мера возможности, мера нечеткого включения и мера нечеткого равенства. Суть метода в нахождении степени сходства текущей фактической ситуации и базовых правил. Результатом нечеткого вывода является выход правила, для которого значение нечеткой меры максимально. Другой способ вывода, объединение выходов всех правил, взвешенных значениями нечетких мер:
где mB′(y) - функция принадлежности выходного нечеткого множества; n - количество базовых правил; Mi - нечеткая мера близости i-го базового правила и текущей ситуации; mBi(y) - выход i-го правила.
Скорость вывода по этому методу существенно выше. Серьезным недостатком такого подхода является то, что вывод не зависит от формы функции принадлежности входных параметров и выходные значения для несколько похожих ситуаций всегда полностью идентичны, что не согласуется с интуитивными представлениями человека.
Таким образом, для учета специфики многоконтурных агрегатов разработан усовершенствованный нечеткий вывод, учитывающий большое количество входных параметров модели, а также адаптированный к свойствам параметров тепловых установок способ построения функции принадлежности.
Выбран следующий способ нечеткого вывода:
где B' - выходное нечеткое множество; A' - входное нечеткое множество; R - матрица нечеткого отношения, вычисляемая по одному из видов импликаций; i - номер правила; j - номер входного параметра; ° - операция минимаксной композиции.
С учетом рассмотренных особенностей разработана информационная система, предназначенная для контроля и анализа технологического состояния теплотехнологических и теплоэнергетических агрегатов и определения требуемых управляющих воздействий. В основе системы лежит оценка текущего теплового режима и определение необходимых воздействий для его изменения, заключающихся в управлении количеством подаваемой в агрегат теплоты, и перераспределении теплоты внутри него. Отличительной особенностью анализа является декомпозиция объекта, заключающаяся в разбивке агрегата на части (зоны), оценке теплового состояния каждой зоны, и по полученному вектору состояния определение методов перераспределения теплоты между зонами. Такой подход позволяет разделить задачи получения контрольной информации и принятия решений, что делает анализ независимым от конкретной системы контроля.
Оценка теплового состояния зон и определение управляющих воздействий по вектору состояний производится с использованием методов нечеткой логики и нечетких правил. Правила, в отличие от принятого подхода, основаны не на опыте работы операторов, а на теплотехнических и эмпирических зависимостях между параметрами процесса, анализе работы промышленных агрегатов и результатах лабораторных экспериментов. Таким образом, набор правил представляет собой нечеткую модель технологического или теплоэнергетического процесса и определяет стратегию управления.
Для использования в системе произведено дополнение нечеткого вывода, основанное на оценке соответствия нечеткого выходного множества и элементов множества термов управляющего параметра по расстоянию Хэмминга, что позволяет получать однозначный нечеткий вывод при большом числе параметров.
В результате разработанные методы на основании полученной информации о работе агрегата и заложенной стратегии управления позволяют построить модель управления многоконтурным агрегатом с целью получения рекомендаций для стабилизации его режима работы.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, ГК № 16.516.11.6146 от 07 октября 2011 года.
Рецензенты:
-
Жиляков Е.Г., д.т.н., профессор, зав.кафедрой информационно-телекоммуникационных систем и технологий, ФГАОУ ВПО НИУ»БелГУ» (Минобрнауки России), г. Белгород;
-
Беседин П.В., д.т.н., профессор по кафедре общей химической технологии, зав. кафедрой прикладной химии ФГБОУ ВПО «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова» (Минобрнауки России), г. Белгород.
Работа поступила в редакцию 25.06.2012.