Разработка и исследование системы автоматического управления технологическим процессом химводоочистки на теплоэлектроцентрали с использованием аппарата нечеткой логики

Скачать 261.73 Kb.

Название	Разработка и исследование системы автоматического управления технологическим процессом химводоочистки на теплоэлектроцентрали с использованием аппарата нечеткой логики
страница	1/2
Дата публикации	24.03.2015
Размер	261.73 Kb.
Тип	Автореферат

100-bal.ru > Право > Автореферат

1 2

На правах рукописи

Гаврилов Филипп Александрович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ

СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ ХИМВОДООЧИСТКИ НА ТЕПЛОЭЛЕКТРОЦЕНТРАЛИ

С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АППАРАТА НЕЧЕТКОЙ ЛОГИКИ

Специальность 05.13.06 –

Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени

кандидата технических наук

Самара – 2006

Работа выполнена на кафедре «Автоматика и управление в технических системах» Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования Самарский государственный технический университет.
НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ
Заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Рапопорт Эдгар Яковлевич.
ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:
Доктор технических наук, профессор Лившиц Михаил Юрьевич.
Кандидат технических наук, доцент Галицков Константин Станиславович
ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ –

ООО «Акватехнология» (г. Самара).
Защита диссертации состоится 27 декабря 2006 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.217.03 ГОУ ВПО Самарский государственный технический университет по адресу г. Самара, ул. Галактионовская, 141, корпус 6, аудитория 28.
Отзывы на автореферат просим направлять по адресу: 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244, главный корпус, на имя ученого секретаря диссертационного совета.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Самарского государственного технического университета по адресу: г. Самара, ул. Первомайская, 18.
Автореферат разослан ___ ноября 2006 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета

Д 212.217.03

кандидат технических наук Н.Г. ГУБАНОВ
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Проблема автоматизации процессов химической очистки воды на тепловых электрических станциях (ТЭС) является актуальной вследствие следующих обстоятельств:

1. Технологический процесс химической подготовки воды в существенной степени является определяющим для эффективной работы основного оборудования теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) и теплосетей, что, в частности, свидетельствует о высокой социальной значимости данного технологического процесса. Качество химической подготовки воды является одним из наиболее значимых факторов, непосредственно формирующих основные характеристики систем электро- и теплоснабжения населения и промышленных предприятий.

2. Оборудование подпитки теплосети весьма громоздко, рассредоточено на большой площади химического цеха и частично за его пределами, что затрудняет организацию эффективного управления процессом вручную.

3. Технологический процесс химической подготовки воды относится к классу дискретно-непрерывных процессов, а при большой протяженности транспортных потоков принятие оперативных решений без автоматизированного и рационального распределения информации затруднительно.

4. Наличие потоков, содержащих агрессивные компоненты, требует непрерывного контроля состояния запорно-регулирующей арматуры и трубопроводов.

В настоящее время, несмотря на довольно высокий уровень автоматизации технологических процессов на тепловых электрических станциях, существует ряд процессов, где влияние человеческого фактора является определяющим из-за технологических особенностей объекта и сложностей, возникающих при применении классических методов теории управления. Как следствие, невозможно избежать влияния ошибочных действий оператора на процесс химводоподготовки, что может приводить к перерасходу химреагентов и подпиточной воды, а также повысить риск возникновения аварийных режимов. С другой стороны, качество управления в значительной степени определяется опытом оператора по эксплуатации объекта, в частности, в некоторых ситуациях отчасти интуитивные решения, принятые оператором в нетривиальных ситуациях, оказываются наиболее верными. Таким образом, при решении задачи автоматического управления подпиткой теплосети необходимо основываться как на технологических требованиях предъявляемых к процессам химической очистки воды и режимам работы, так и на опыте операторов, эксплуатирующих объект в течение длительного срока и обладающих необходимыми знаниями о возможных неопределенностях, возникающих в процессе работы объекта.

В представленной диссертации решается задача построения системы автоматического управления процессом химической подготовки воды с помощью нечеткой логики – метода современной теории интеллектуальных систем. Применение нечеткой логики позволяет в условиях ограниченности и неопределенности информации о характеристиках объекта управления наиболее полно использовать знания эксплутационного персонала в процессе управления. Данные знания используются в виде логико-лингвистических аппроксимаций формальных моделей объектов управления.

Целью диссертационной работы является решение научно-технической задачи по разработке алгоритмов нечеткого управления группой параллельно работающих объектов на примере управления фильтрами блока подпитки теплосети ТЭЦ.

В соответствии с поставленной целью в работе решаются следующие основные задачи:

1. Структурный синтез нечеткого регулятора для группового управления рядом параллельно работающих объектов;

2. Разработка методики формирования базы продукционных правил для управления группой объектов;

3. Разработка и исследование методики параметрического синтеза нечеткой системы управления на основе пассивного эксперимента;

4. Разработка и опытно-промышленная апробирование системы нечеткого управления работой группы фильтров блока подпитки теплосети ТЭЦ.

Основными методами исследования являются методы теории нечетких множеств, компьютерного моделирования и экспериментальных исследований объектов и систем управления.

Научная новизна и значимость заключается в следующих полученных результатах:

1. Разработана математическая модель режимов функционирования фильтра блока подпитки теплосети на ТЭЦ, сформулированная в терминах нечеткой логики;

2. Разработана универсальная база продукционных правил для нечеткого управления группой параллельно работающих фильтров системы химводоочистки, инвариантная к количеству управляемых объектов;

3. Предложена методика структурно-параметрического синтеза нечеткой системы управления работой блока фильтров установки подпитки теплосети, построенная на основе применения параметризуемых функций принадлежности, обеспечивающих соответствие вырабатываемых управляющих воздействий эталонным образцам.

Практическая полезность диссертации заключается в следующих результатах:

1. Полученные в диссертации выводы и рекомендации позволяют решить ряд важных практических задач по совершенствованию работы блока подпитки теплосети на ТЭЦ.

2. В результате применения нечетких регуляторов режимов работы фильтров системы химводоочистки на ТЭЦ могут быть синтезированы алгоритмы управления, не уступающие по своему качеству решениям принимаемым квалифицированным оператором при управлении режимами работы фильтров установки подпитки теплосети.

3. Предложенные в диссертационной работе методики могут быть непосредственно использованы в целях инженерного проектирования систем нечеткого управления группой параллельно работающих объектов не только применительно к системам химводоподготовки, но и для других технологических процессов.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационных исследований использованы в рамках внедрения автоматизированной системы управления химическим цехом ТЭЦ Волжского автозавода в виде реализованных на типовых аппаратно-программных технических средствах алгоритмов управления блоком подпитки теплосети, а также в учебном процессе для студентов специальностей 220201 «Управление и информатика в технических системах» и 220301 – «Автоматизация технологических процессов и производств» в Самарском государственном техническом университете.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

- Десятая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов. Москва: МЭИ. 2004 г.

- Всероссийской конференция молодых учёных, Новосибирск: НГТУ, 2003 г.

- Научно-практическая конференция «Проблемы развития централизованного теплоснабжения». Самара 2004 г.

- Шестой международный симпозиум «Интеллектуальные системы» INTELS’2004 . Россия, Саратов: СГТУ., 29 июня – 2 июля 2004 г.

- Работа по данной тематике была награждена медалью министерства образования и науки Российской Федерации за лучшую научную студенческую работу по итогам открытого конкурса на лучшую научную работу студентов по естественным, техническим и гуманитарным наукам в вузах Российской Федерации. Приказ №1190 от 9 марта 2004 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка и двух приложений. Основной текст изложен на 100 страницах, содержит 41 рисунок, 5 таблиц. Библиографический список включает 75 наименований.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Математическая модель режимов функционирования фильтра блока подпитки теплосети на ТЭЦ, сформулированная в терминах нечеткой логики;

2. Методика формирования универсальной базы продукционных правил для нечеткого управления группой параллельно работающих фильтров установки подпитки теплосети на ТЭЦ, инвариантной к количеству управляемых фильтров;

3. Методика структурно-параметрического синтеза нечеткой системы управления работой блока фильтров установки подпитки теплосети, построенная на основе применения параметризуемых функций принадлежности, обеспечивающих соответствие вырабатываемых управляющих воздействий эталонным образцам;

4. Результаты компьютерного моделирования и промышленного внедрения системы нечеткого управления работой блока фильтров подпитки теплосети на ТЭЦ.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В диссертации рассмотрен следующий комплекс теоретических и прикладных вопросов.

Во введении показана актуальность темы, сформулирована цель работы, дана общая характеристика, показана научная новизна и практическая значимость полученных результатов, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе обосновывается актуальность проблемы подготовки значительных объемов подпиточной воды для систем теплоснабжения с открытым водоразбором, и необходимость её решения путём построения соответствующих систем автоматического управления. Описаны методы химической очистки воды для систем теплоснабжения, приведено описание объекта управления, сформулирована задача управления и предложены пути её решения.

Установка, осуществляющая процесс химической очистки воды для подпитки теплосети состоит из нескольких Н-катионитных фильтров, предназначенных для умягчения воды.

При истощении фильтра проводят его регенерацию. В процессе работы фильтра и перед его регенерацией проводят взрыхление водой. Цель взрыхления заключается в устранении уплотненностей катионитного слоя для снижения гидравлического сопротивления фильтра и обеспечения свободного доступа воды и регенерационного раствора к зернам катионита.

Нагрузка на блок, состоящий из 6 фильтров определяется текущим расходом воды. Поэтому, в зависимости от требуемой производительности блока, число одновременно работающих фильтров определяется требованием их номинальной нагрузки.

Решение по переключению фильтра из одного состояния в другое в настоящий момент принимается оператором, то есть управление распределением нагрузки на блок фильтров ведется в ручном режиме, что снижает оперативность и точность принятия решений.

Задачей автоматического управления является определение момента переключения фильтра в одно из возможных состояний (работа, резерв, взрыхление) таким образом, чтобы достигался заданный расход воды на блок и соблюдался требуемый режим на каждом конкретном фильтре блока, другими словами должна решаться задача распределения нагрузки между фильтрами блока, совместно с задачей стабилизации общего расхода воды на блок.

Поставленная задача является нетривиальной из-за сложности объекта регулирования. При её решении применение классического подхода затруднительно из-за больших сложностей возникающих при идентификации объекта, описании его математической модели и отсутствия четких правил переключения фильтров. Оператор, в ситуации такой неопределенности, исходя из текущего состояния объекта и опыта эксплуатации, по существу, интуитивно принимает решения по управлению их работой. Поэтому целесообразно применить к решению поставленной задачи методы интеллектуального управления как инструмента позволяющего качественно использовать знания об объекте в форме логико-лингвистических изъяснений и задействовать весь накопленный опыт эксплуатации объекта при разработке алгоритма принятия решения. Из всех систем интеллектуального управления наиболее подходящими к решению поставленной задачи являются системы основанные на использовании нечеткой логики вследствие следующих причин:

1. Данный метод является наиболее подходящим для моделирования действий опытного оператора.

2. Наличие богатого опыта эксплуатации объекта управления и как следствие возможность использовать в качестве исходной базы знаний управленческие решения для реальных ситуаций, складывавшихся на протяжении продолжительного времени.

Во второй главе решается задача построения классического нечеткого регулятора для управления фиксированным количеством параллельно работающих объектов, а так же разработана методика формирования универсальной базы правил для управления группой параллельно работающих фильтров. Задача определения момента переключения фильтра интерпретируется в качестве задачи классификации, заключающейся в отнесении объекта, заданного вектором информативных признаков к одному из заранее определенных классов. На основе анализа режимов работы фильтров характеризуемых расходами воды через фильтр и экспертных оценок, определены следующие термы лингвистической переменной «режимы работы фильтра»:

1. A1: «Расход ниже минимально допустимого» – меньше 150 м³/ч;

2. A2: «Расход ниже номинального» – 100-200 м³/ч;

3. A3: «Расход номинальный» – 150-300 м³/ч;

4. A4: «Расход выше максимально допустимого» – больше 250 м³/ч.

Для формирования нечеткой модели объекта управления принимаются стандартные трапециевидные функции принадлежности.

,	(1)
,	(2)

(3)

(4)

Совокупность функций (1)-(4) дает нам модель режимов функционирования фильтра в терминах нечеткой логики (см. рис. 1).

Рисунок 1 – Модель режимов функционирования фильтра в терминах нечеткой логики
Для данных моделей были разработаны нечеткие регуляторы двух основных типов: Мамдани и Сугено для фиксированного количества работающих фильтров. Количество работающих фильтров в каждый момент времени принято равным трём, что является достаточным для моделирования максимально возможного количества сочетаний разных режимов работы фильтров. Сочетания режимов соответствующих (1) и (4) исключены как не встречающиеся на практике. Решение по переключению фильтра принимается исходя из сочетания режимов всех работающих в данный момент фильтров блока и описывается продукционными правилами. Каждое продукционное правило записывается в виде «если … то …».

Для системы типа Мамдани сформулировано 46 продукционных правил. Операция дефаззификации для системы Мамдани проводилась по методу «наибольшее из максимумов» как наиболее подходящего для решения задач классификации.

В качестве метода дефаззификации в системах типа Сугено применяется метод «средневзвешенное». Применение данного метода позволяет участвовать в принятии окончательного решения нескольким правилам, и сократить количество правил относительно системы типа Сугено.

Результаты моделирования на ЭВМ представленные в четвертой главе, позволили сделать вывод о работоспособности нечетких систем обоих типов применительно к задаче автоматического распределения нагрузки между фильтрами блока при фиксированном количестве работающих фильтров. Однако в связи с тем, что на практике количество работающих фильтров непостоянно, для каждого количества работающих фильтров должна быть разработана своя база продукционных правил, что резко усложняет задачу проектирования регулятора и приводит к необходимости создания такой базы правил, в которой их количество не зависит от количества управляемых объектов.

При разработке методики формирования универсальной базы правил для нечеткого управления группой параллельно работающих объектов было проведено исследование объекта управления и изучен опыт эксплуатации блока фильтров на протяжении длительного времени. По результатам исследования сделан вывод, что все возможные сочетания режимов работы фильтров можно условно разделить на три группы, отличающихся количеством различаемых режимов работы фильтров:

- первая группа – все фильтры работают в одном режиме;

- вторая группа – различаются два различных режима работы фильтров;

- третья группа – различаются три различных режима.

На основании такого разбиения формулируется универсальная база, состоящая из 11 правил, охватывающих все возможные сочетания режимов работы фильтров и независящая от количества работающих фильтров:

	(5)
	(6)
	(7)
	(8)
	(9)
	(10)
	(11)
	(12)
	(13)
	(14)
	(15)

Здесь параметр x – вектор расходов через работающие фильтры x=(x₁,x₂,..,x_W), W – количество работающих фильтров, N – количество термов лингвистической переменной «режимы работы фильтров»,

– операция нечеткого «И»;

– операция нечеткого «ИЛИ»

Сформулированный алгоритм можно записать при помощи матрицы коэффициентов, где строка обозначает номер правила, а столбец – проверяемый режим работы (первый столбец – «Ниже минимально возможного», второй – «ниже номинального», третий – «Номинальный», четвертый – «Выше максимально допустимого»). Описанная матрица выглядит следующим образом:

(19)

При помощи матрицы р условие нахождения фильтра в одном из проверяемых состояний записывается следующим образом:

(20)

где i,m - элемент матрицы располагаемый в i-ой строке, m-ом столбце. В (20) проверяемые состояния входят в сумму по j с множителем единица, а нежелательные состояния – со множителем нуль. Если фильтр находится только в нежелательном состоянии, то сумма по j, а, следовательно и произведение по i будет равно нулю и проверяемое правило не будет влиять на значение функции принадлежности

.

Проверка того, что в каждом из проверяемых состояний находится хотя бы один фильтр при помощи матрицы р может быть записана в виде выражения:

(21)

Здесь, чтобы исключить из проверки состояния, которые не проверяются в данном правиле, им заведомо присваивается признак «есть фильтры в данном состоянии», поскольку значение скобки

(22)

для них будет равно единице, а значит и значение суммы по i. Для проверяемых состояний значение (22) обратится в нуль и результат суммы по i будет зависеть от того находится ли хотя бы один фильтр в проверяемом состоянии, что и требовалось.

Далее путем выполнения операции нечеткого И двух выражений (20) и (21) получаем универсальную формулу, описывающую базу нечетких правил:

(23)

Далее рассчитываются степени принадлежности к каждому из четырех возможных классов («отключить», «подвзрыхлить», «игнорировать», «включить»), путем нахождения максимального значения выражения (23) для каждого из классов:

Операции «взрыхление» – терм B₁ – соответствуют правила (5), (6), (9), (11), (14):

(24)

«Отключению» – терм B₂ – соответствуют правила (10), (12), (15):

(25)

«Игнорировать» – терм B₃ – правило (7):

(26)

«Включению» – терм B₄ – соответствуют правила (8) и (13):

(27)

Заключительной операцией в нечётком управлении является процедура преобразования нечеткого вывода в физическую переменную – дефаззификация. В качестве решения выбирается терм B_i с максимальной степенью принадлежности из выражений (24) – (27) :

(28)

В целях реализации предлагаемой базы правил, необходимо разработать методику соответствующей коррекции типовых форм функций принадлежности.

1 2

Добавить документ в свой блог или на сайт