Методы интеллектуального управления процессами обжарки кофе

Третья глава посвящена разработке методов идентификации систем управления обжаркой кофе на основе нечеткого логического вывода, применение которых позволяет в процессе обжарки оптимизировать ее режимы. При этом на основании анализа экспериментальных исследований установлено существенное влияние продолжительности процесса обжарки кофе и температуры, при которой она производится, на физико-химические показатели готового продукта, такие как, влажность, значение рН, потеря массы кофейных зерен. Причем зависимость этих показателей от продолжительности t и температуры T обжарки пока недостаточно изучена. Для оптимизации режимов обжарки с целью повышения качества выпускаемой продукции использован метод идентификации зависимости показателя pH от продолжительности t и температуры T обжарки кофе с помощью нечеткого логического вывода. Идентификация, т. е. построение математической модели по результатам наблюдений, является важной и сложной задачей, возникающей при управлении различными объектами. Причем в современной теории идентификации все более важную роль начинают играть методы, привлекающие лингвистическую информацию при построении моделей сложных зависимостей. Одним из наиболее разработанных в инженерном отношении инструментов учета лингвистической информации является теория нечетких множеств и нечеткая логика. В диссертационной работе использовался метод двухэтапной идентификации нелинейных зависимостей с помощью нечетких баз знаний. Первый этап – структурная идентификация – представляет собой формирование нечеткой базы знаний, которая грубо отражает взаимосвязь между входами и выходом с помощью лингвистических правил «ЕСЛИ – ТО». Лингвистические правила получаются в результате экстракции нечетких знаний из экспериментальных данных. На втором этапе проводится параметрическая идентификация исследуемой зависимости путем нахождения таких параметров нечеткой базы знаний, которые минимизируют отклонение модельных и экспериментальных результатов. Типовая структура модели на основе нечеткого логического вывода показана на рис. 7. Рис. 7.. Типовая структура модели нечеткого логического вывода. Нечеткая модель содержит следующие блоки: - фаззификатор, преобразующий фиксированный вектор влияющих факторов в вектор нечетких множеств , необходимых для выполнения нечеткого логического вывода; - нечеткая база знаний, содержащая информацию о зависимости в виде лингвистических правил типа «ЕСЛИ – ТО»; - машина нечеткого логического вывода, которая на основе правил базы знаний определяет значение выходной переменной в виде нечеткого множества , соответствующего нечетким значениям входных переменных ; - дефаззификатор, преобразующий выходное нечеткое множество в четкое число . При определении зависимости показателя pH от режимных параметров t и T использовались два вида нечетких моделей – типа Мамдани и типа Сугэно, реализованные в популярном пакете прикладных программ MATLAB. Эти модели отличаются форматом базы знаний и процедурой дефаззификации. Идентифицируемая зависимость была представлена выборкой экспериментальных данных вида «входы-выход»: (Tr , t r , pH r), , (17) где Tr , t r и pH r – соответственно температура, длительность обжарки кофе и pH в -том эксперименте, причем N – объем выборки, т.е. количество выполненных экспериментов. Задача идентификации состоит в нахождении нечеткой модели , обеспечивающей минимальное значение среднеквадратической невязки: , (18) где – значение выхода нечеткой модели при значениях ее входов, заданных режимными параметрами Tr и t r . Выход нечеткой модели зависит от ее структуры – базы знаний и параметров: функций принадлежностей, реализаций логических операций, метода дефаззификации, а также коэффициентов линейных функций в заключениях правил для модели типа Сугэно. Нахождение структуры и параметров нечеткой модели, обеспечивающих выполнение требования (18) и является задачей идентификации на основе нечеткого логического вывода.. Пакеты Fuzzy Logic Toolbox и Optimization Toolbox, входящие в состав системы MATLAB, использовались для идентификации с помощью нечеткого логического вывода зависимости pH от температуры T и продолжительности обжарки кофе t, причем в качестве исходных данных для идентификации применялась обучающая выборка в форме (17). Полученные при этом графики идентифицируемой зависимости представлены на рис. 8. Отметим, что при малых обучающих выборках качество идентификации оказалось существенно выше для модели типа Мамдани. Это объясняется тем, что исходная, основанная на экспертных высказываниях, нечеткая модель уже отражает основные особенности идентифицируемой зависимости. С увеличением объема обучающей выборки лучшее качество идентификации обеспечивает модель типа Сугэно. При больших выборках точность идентификации модели типа Сугэно выше, чем для модели типа Мамдани. Однако после обучения модель типа Мамдани остается прозрачной: ее параметры – функции принадлежности – легко интерпретируются лингвистическими термами. Для моделей типа Сугэно типовое явление - сложность содержательной интерпретации ее параметров. Рис. 8. Поверхности «входы-выход»: a) нечеткой модели типа Мамдани; b) нечеткой модели типа Сугэно. Отметим, что наряду с нечеткими моделями для идентификации зависимости pH от режимных параметров обжарки использовались также традиционные полиномиальные модели. Исследования показали, что при одинаковых объемах обучающей выборки (17) ошибка идентификации для нечетких моделей значительно меньше, чем для полиномиальных. В целях повышения эффективности управления при отсутствии информации о динамике объекта разработан метод синтеза нечетких регуляторов, с учетом существующих технических и технологических ограничений. В четвертой главе решаются задачи коррекции управления по отношению к задающим и контролируемым возмущающим воздействиям, применение которой способствует повышению его качества. Рассмотрим коррекцию сигнала задания. На рис. 9 приводится функциональная схема системы управления с коррекцией сигнала задания. Рис. 9. Система управления с коррекцией сигнала задания. Как видно из рис. 9, сигнал поступает на вход специального устройства, называемого корректирующим, которое преобразует его в сигнал , фактически исполняющий роль задающего воздействия. Рассмотрим метод синтеза передаточной функции корректирующего устройства с учетом расположения доминирующих полюсов системы управления. Поскольку передаточная функция от входа до выхода, представленной на рис. 9 системы, определяется выражением , (19) где и – изображения по Лапласу сигналов и соответственно, то передаточную функцию можно выбрать так, чтобы ее числитель и доминирующие полюсы замкнутой системы взаимно сократились. Тогда в знаменателе передаточной функции (19) доминировать станут полюсы более удаленные от мнимой оси, чем те, которые удалось сократить. Вследствие этого качество переходных процессов в системе при изменениях сигнала резко повышается. Пусть , – совокупность всех доминирующих полюсов замкнутой системы, тогда синтезируемую передаточную функцию можно представить в виде , (20) где и – соответственно коэффициент передачи и постоянная времени корректирующего устройства. Отметим, что устройство с передаточной функцией (20) технически реализуемо, т.к. степень полинома ее числителя не превышает степени полинома знаменателя. Выберем значения постоянных и так, чтобы выполнялись следующие требования: ; (21) . (22) При выполнении требований (21) и (22) корректирующее устройство мало влияет как на медленно, так и на весьма быстро изменяющиеся сигналы , пропуская их практически без изменений. Зато, все остальные сигналы изменяются им таким образом, чтобы переходный процесс завершился наиболее быстро. Исходя из выражения (20) и требования (21) получим , (23) а с учетом требования (22) имеем . (24) Используя выражения (23) и (24) можно определить неизвестные параметры передаточной функции корректирующего устройства (20). Чтобы убедиться в эффективности данного устройства, построим графики АЧХ каналов передачи задающего воздействия с коррекцией и без нее, которые представлены на рис. 10 и 11. Как видно из рис. 10, применение синтезированного корректирующего устройства позволило полностью устранить резонансный пик АЧХ канала передачи сигналов , что способствует резкому уменьшению колебательности системы, без снижения ее быстродействия, т.к. значение показателя при этом остается неизменным. Согласно рис. 11, с помощью корректирующего устройства можно резко улучшить фильтрующие свойства системы по каналу передачи сигналов , т.к. у АЧХ данного канала исчезает резонансный пик, и при этом не возрастают ее значения в области низких частот. Рис. 10. АЧХ канала передачи сигналов : 1 – с коррекцией; 2 – без коррекции. Рис. 11. АЧХ канала передачи сигналов : 1 – с коррекцией; 2 – без коррекции. Повышение качества переходных процессов в системе при использовании корректирующего устройства иллюстрируется рис. 12. Рис. 12. Переходные процессы при действии единичного ступенчатого возмущения по каналу передачи сигналов : 1 – процесс с коррекцией; 2 – процесс без коррекции. Анализируя графики, представленные на рис. 12, приходим к выводу, что применение корректирующего устройства позволяет полностью устранить перерегулирование и колебательность. Отметим, что устранение колебательности особенно полезно при управлении температурой, т.к. в таких системах обычно отсутствуют устройства, обеспечивающие искусственное охлаждение объекта при превышении температурой заданного значения, а при его естественном охлаждении требуется довольно длительное время для устранения, возникшего перерегулирования. Рассмотрим теперь коррекцию управления по отношению к контролируемому возмущающему воздействию . В этом случае функциональная схема системы управления представлена на рис. 13. При решении данной задачи обычно стараются выбрать передаточную функцию корректирующего устройства так, чтобы выполнялось тождество , (25) где – передаточная функция объекта по каналу действия возмущения на выходную величину . Рис. 13. Система с коррекцией управления по отношению к возмущению . Чтобы определить условия, при которых выполняется тождество (25), получим выражение для передаточной функции , воспользовавшись следующими равенствами: ; (26) ; (27) ; (28) ; (29) , (30) где и – изображения по Лапласу выходных сигналов объекта и , обусловленных воздействиями и соответственно; и – передаточные функции объекта по каналам передачи и . Поскольку , то с учетом равенств (26) – (30) имеем . (31) Следовательно, тождество (25) выполняется, если . (32) Чтобы корректирующее звено, синтезируемое согласно выражению (32), было технически реализуемо, канал передачи объекта должен быть более инерционным, чем его канал передачи . В таком случае степень полинома числителя передаточной функции (32) не превышает степени полинома ее знаменателя. В тех случаях, когда корректирующее устройство с передаточной функцией (32) технически реализуемо, то его синтез осуществляется в два этапа. На первом этапе выбирается закон управления, т.е. определяется из тех или иных соображений тип регулятора и значения его параметров настройки. На втором этапе, когда передаточная функция регулятора уже известна, в соответствии с выражением (32) определяется передаточная функция корректирующего устройства. Однако на практике синтез корректирующих устройств на основе выражения (32) зачастую оказывается невозможным, т.к. канал объекта, по которому действует возмущение , является менее инерционным, чем канал передачи управляющих воздействий . Поэтому в таких случаях приходится искать другие способы решения задачи коррекции управления по отношению к контролируемым возмущениям. Рассмотрим один из подходов к решению данной проблемы, основанный на взаимном сокращении нулей числителя и доминирующих полюсов знаменателя передаточной функции , заданной выражением (31). В этом случае на первом этапе, когда выбирается закон управления, и определяются значения параметров настройки регулятора необходимо использовать методы расчета, базирующиеся на каком-либо из требований: (13), (14) или (15), к расположению доминирующих полюсов замкнутой системы. Целесообразность использования указанных методов объясняется тем, что они позволяют определить не только значения параметров настройки выбранного регулятора, но и расположение доминирующих полюсов , замкнутой системы. Поскольку для знаменателя передаточной функции (31) выполняются равенства , , то для взаимного сокращения нулей и доминирующих полюсов системы числитель этой передаточной функции при , также должен обращаться в нуль, т.е. , . (33) Поэтому на втором этапе синтеза корректирующего устройства его передаточная функция ищется в виде , (34) где , – параметры настройки корректирующего устройства; – заданная постоянная времени корректирующего устройства. Ввиду того, что степень полинома числителя передаточной функции (34) не превышает степени полинома ее знаменателя, то синтезируемое корректирующее устройство технически реализуемо. Так как после выполнения первого этапа синтеза расположение доминирующих полюсов системы становится известным, то согласно требованиям (13), (14) и (15) получают определенные значения входящие в них величины и . В таком случае выберем значение постоянной времени , исходя из условия , (35) выполнение которого гарантирует, что корректирующее устройство не будет существенно повышать инерционность канала передачи сигналов , т.к. это привело бы к нежелательному затягиванию возникающих при изменениях возмущающего воздействия переходных процессов на выходе системы. Пусть , тогда требования (33) можно представить в виде , . (36) В результате решения системы уравнений (36) при заданном значении определяются значения параметров настройки корректирующего устройства. Для обоснованного выбора постоянной времени целесообразно исследовать, возникающие на выходе системы управления при действии по каналу единичного ступенчатого возмущения , переходные процессы , графики которых представлены на рис. 14. Рис. 14. Переходные процессы на выходе системы управления: 1 – без коррекции; 2 – ; 3 – . Как видно из рис. 14, минимальные значения выброса и длительности переходного процесса достигаются при . Следовательно, применение разработанного метода коррекции позволяет значительно улучшить показатели качества переходных процессов в системе управления. Отметим, что разработанные методы интеллектуального управления нашли применение при создании АСУТП обжаркой кофе на предприятии пищевой промышленности ООО «КАФФА ИНДАСТРИЗ" (г. Москва), причем испытания показали, что после внедрения АСУТП процесс обжарки кофе происходит при оптимальных режимах, позволяющих экономить топливно-энергети-ческие ресурсы и сократить потери выпускаемой продукции. ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 1. Разработан метод робастного управления теплообменными процессами в ростере с использованием интегрального квадратичного критерия, эффективный в условиях информационной неопределенности относительно статистических характеристик возмущающих воздействий. 2. Разработаны методы коррекции управления по отношению к задающим и контролируемым возмущающим воздействиям. 3. Разработан метод расчета параметров настройки регуляторов в системах с неточно заданными параметрами объекта. 4. Разработан метод идентификации систем управления обжаркой кофе на основе нечеткого логического вывода с использованием модели Мамдани. 5. Разработан метод идентификации систем управления обжаркой кофе на основе нечеткого логического вывода с использованием модели Сугэно. 6. Разработан метод синтеза нечетких регуляторов, с учетом существующих технических и технологических ограничений. 7. Разработанные методы приняты к использованию в учебном процессе Российского государственного аграрного заочного университета (РГАЗУ) и предприятием пищевой промышленности ООО "КАФФА ИНДАСТРИЗ" г. Москва при внедрении АСУТП обжарки кофе. ПУБЛИКАЦИИ АВТОРА Статьи, опубликованные в периодических изданиях, рекомендованных ВАК: 1. Болдина Е.А. Коррекция управления по отношению к задающим воздействиям // Международный научный журнал. – 2010. – № 1. – С. 58–61. 2. Болдина Е.А., Солдатов В.В. Расчет параметров настройки регуляторов в системах с неточно заданными параметрами объекта // Международный научный журнал. – 2010. – № 1. – С. 61–63. 3. Болдина Е.А., Солдатов В.В., Жиров М.С. Коррекция возмущений связанных с изменениями задающих воздействий в замкнутых робастных системах управления технологическими процессами // Автоматизация в промышленности. – 2010. – № 4. – С. 15–16. Статьи, опубликованные в других изданиях: 4. Болдина Е.А., Солдатов В.В. Идентификация нелинейных функциональных зависимостей с использованием нечеткого логического вывода // Вестник Российского государственного аграрного заочного университета. –2010. – № 1. – С. 1–4. 5. Болдина Е.А., Солдатов В.В. Математическое моделирование зависимости влажности зерен кофе от продолжительности их обжарки // Вестник Российского государственного аграрного заочного университета. – 2010. – № 1. – С. 1–3. 6. Болдина Е.А. Разработка нечетких ПИД-регуляторов для управления технологическими процессами / II Ежегодная Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием. Перспективы развития информационных технологий, г. Новосибирск, 2010. Сб. науч. тр. – С. 181–187. 7. Болдина, Е. А. Особенности управления объектами с распределенными параметрами / I Всероссийская научно-практическая конференция. Интеллект. Инновации. Информация. Инвестиции. Институты. Инфраструктура, г. Москва, 2010. Сб. науч. тр. – С. 115-118. 8. Болдина Е.А., Солдатов В.В. Методы интеллектуального управления технологическими процессами АПК. – М.: МГУТУ, 2010. – 127 с.

Похожие:

	Рабоч ая учебная программа дисциплины Системы управления химико-технологическими процессами Это одна из основных дисциплин профиля, так как без знания современных систем управления технологическими процессами невозможно сознательно...		Специальные, редкие и малоизвестные рецепты кофе Сейчас известно множество рецептов приготовления кофе и кажется уже трудно придумать что-то новое. Однако можно воспользоваться старинными...
	Компания almafood s. A. рада предложить Вам кофе alta roma- 100 итальянский кофе		Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Сущность качества и управления им, основные методы управления качеством, сферы приложения методов управления качеством, сферы приложения...
	Генетика-наука о наследственности и изменчивости организмов. Генетика-... Ректор Академик го дпо рамн л. К. Мошетова), кафедра анестезиологии и реаниматологии (зав каф проф. И. В. Молчанов)		Ооо «алмафуд» 115487, Москва, Нагатинская ул., дом. 16 Окпо 84082552,... Компания almafood рада представить Вам кофе для HoReCa тм alta Roma- 100 итальянский кофе
	Развитие социальной ответственности бизнеса как инструмента совершенствования... Работа выполнена на кафедре социальной политики и управления социальными процессами Академии труда и социальных отношений		Рецептура кофейных напитков с натуральными ингредиентами. В данной... Не смотря на то, что кофе содержит кофеин и обладает возбуждающим эффектом, существует несколько рецептов с выраженным успокаивающим...
	Рабочая программа дисциплины Целью дисциплины является изучение принципов и методов аппаратного и программного обеспечения систем управления технологическим оборудованием...		Совершенствование процесса управления развитием малого бизнеса на... Диссертация выполнена на кафедре менеджмента и государственного и муниципального управления Таганрогского института управления и...
	Спортивный менеджер кто это? ФКиС в обществе и разработка механизма целенаправленного эффективного управления этими процессами. Спортивный менеджер специалист,...		Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Требования, предъявляемые к проектам. Методологические аспекты управления проектной деятельностью. Технологии и методы управления...
	Обзор современных систем управления бизнес-процессами Агапова Татьяна, математико-механический факультет, 2 курс		Вопросы к экзамену по специальности 14 Список рекомендуемой литературы 16 Методология моделирования и инструментальные средства управления бизнес-процессами 10
	Разработка и исследование моделей поведения динамических объектов... Специальность: 05. 13. 18 – Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ		Совершенствование процесса управления охлаждением заготовок мнлз в асу тп Специальность 05. 13. 06 Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (в промышленности)