CC BY
27
Интернет-журнал «Науковедение» ISSN 2223-5167 http ://naukovedenie.ru/ Том 7, №4 (2015) http ://naukovedenie. ru/index.php?p=vol7-4 URL статьи: http://naukovedenie.ru/PDF/45TVN415.pdf DOI: 10.15862/45TVN415 (http://dx.doi.org/10.15862/45TVN415)
УДК 681.5:691.1:674.8:510.6
Сергеев Сергей Сергеевич
ООО «Газпром добыча Оренбург» Россия, Оренбург1 Приборист КИПиА E-mail: sssergev@mail.ru
Тугов Виталий Валерьевич
ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный университет»
Россия, Оренбург
Заведующий кафедрой «Системного анализа и управления»
Кандидат технических наук Доцент
E-mail: sau@unpk.osu.ru РИНЦ: http://elibrary.ru/ author_items.asp?authorid=454933
Управление процессом изготовления композитного материала на основе древесных органических отходов с использованием аппарата нечёткой логики
1 460018, г. Оренбург, ГСП, пр. Победы, 13, ауд. 14107
1
Аннотация. В ходе изучения проблемы управления процесса изготовления стенового композитного бруса из древесных отходов с использованием аппарата нечёткой логики была построена модель процесса изготовления стенового бруса с позиции черного ящика, определенны основные входные и выходные параметры процесса, а также возмущающие воздействия. Исследован процесс как объект управления, а также его структура, с учётом особенностей управления установкой. Разработана структура процесса и записано нечёткое уравнение, описывающее технологический процесс.
Авторами составлено уравнение показателя качества идентификации с использованием аппарата нечёткой логики, а также в общем виде составлено нечёткое уравнение процесса изготовления стенового бруса с использованием аппарата нечёткой логики, и определен показатель качества идентификации модели управления.
Для решения задачи идентификации нечёткой модели авторами предлагается использовать метод логического исследования, а также метод экспертной оценки, который заключается в том, что на основе технологии управляемого процесса формируются нечёткие множества и определяется структура нечёткого отношения.
Рассмотрены вопросы использования аппарата теории нечётких множеств на уровне оптимального управления сложными технологическими процессами.
С помощью нечёткого отношения авторами составлено уравнение описывающее процесс изготовления стенового строительного бруса.
Ключевые слова: композитный материал; идентификация модели; нечёткие отношения; нечёткая модель; управление; стеновой брус.
Ссылка для цитирования этой статьи:
Сергеев С.С., Тугов В.В. Управление процессом изготовления композитного материала на основе древесных органических отходов с использованием аппарата нечёткой логики // Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Том 7, №4 (2015) http://naukovedenie.ru/PDF/45TVN415.pdf (доступ свободный). Загл. с экрана. Яз. рус., англ. DOI: 10.15862/45ГУШ15
В настоящее время только незначительную часть древесных отходов используют на технологические нужды главным образом в гидролизной и целлюлозно-бумажной промышленности, при производстве древесноволокнистых и древесностружечных плит, а также некоторых видов строительных материалов и топливных гранул. Остальные отходы уничтожаются без всякой пользы [1, 2, 3]. На рисунке 1 представлена динамика образования древесных отходов и прогнозируемый рост к 2015 году, из которого видно, что их количество динамично возрастает с каждой пятилеткой.
Рисунок 1. Динамика образования древесных отходов (составлено автором)
В то же время более полное использование отходов для нужд строительства, как основного потребителя продукции из древесины, способствовало бы повышению эффективности ее использования, сокращению дефицита различных строительных материалов и повышению их качества, снижению расходов - вот далеко не полный перечень факторов, которые определяют сегодня важность и актуальность проблемы определения модели процесса изготовления [4, 5].
Несмотря на то, что обозначенная проблема не нова для промышленности, ее решение на сегодня еще далека от завершения. Это связанно с объективными трудностями, возникающими из-за недостаточной изученности процессов и отсутствием адекватных моделей, которые можно использовать при решении задач управления процессом изготовления стенового бруса.
И поэтому на данное время мало работ, посвященных разработке систем автоматического управления процессом изготовления стенового бруса из древесных органических отходов. Большое количество информационных параметров, характеризующих качество ведения процессов подготовки древесных отходов, и сложность различных взаимосвязей между ними, делают задачу управления не только сложной, но и зачастую непосильной. Связано это не только со сложностью процесса, но и с секретами технологий.
Проведённый анализ показал, что на практике полностью отсутствуют автоматизированные системы управления качеством процесса, а их роль возложена на обслуживающий персонал установок.
Основная задача процесса изготовления стенового бруса диктуется отсутствием адекватных моделей, поскольку существует большой объем, неформализуемой информации, которая сказывается на качестве управления процессом и в полной мере не учитывается традиционными математическими моделями. К такой информации относится:
• опыт операторов-технологов;
• состояние технологических агрегатов;
• различные неконтролируемые возмущения и т.д.
Возможность использования этой информации в управлении процессом изготовления композитного стенового бруса с использованием аппарата нечётких множеств является важным направлением повышения эффективности АСУ.
Несмотря на то, что методам построения систем регулирования с использованием теории нечётких множеств посвящено множество работ, вопросы использования аппарата теории нечётких множеств на уровне оптимального управления сложными технологическими процессами в вышеуказанных работах не рассмотрены.
В работах Кинга и Мамдани [6], Остергарда [7], Резерфорда и Картера [8], Джансена [9], Картера и Хагю [10] разобраны вопросы применения нечётких алгоритмов при управлении различными промышленными объектами, в их числе деревообрабатывающие установки, химические реакторы, теплообменники и др. Результаты рассмотренных работ подтверждают перспективность использования нечётких алгоритмов регулирования.
Учитывая актуальность проблемы процесса изготовления композитного стенового бруса из древесных отходов, и исходя из детального обзора состояния автоматизации управления, ставится цель разработать систему управления, в значительной степени лишённой недостатков, свойственных уже разработанным и внедренным системам.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: исследовать процесс как объект управления, его структуру, выявить особенности управления установкой, разработать структуру и записать нечёткое уравнение, описывающее технологический процесс.
Общая схема процесса изготовления стенового бруса представлена на рисунке 2. Наиболее важным этапом является процесс прессования, так как на этом этапе происходит формирование основных свойств бруса: прочность, теплопроводность, однородная плотность, и др.
Подготовленная смесь из смесителя подаётся в зону прессования, где смесь спрессовывается, и путем припрессовывания каждого последующего уплотненного брикета к предыдущему получают непрерывную профилированную заготовку, затем заготовку подвергают нагреву и от полученной непрерывной профилированной заготовки отделяют изделия требуемой длины.
Дробилка
Сушка
Смеситель
Прессование
Сушильная печь
Охлаждающий Стеновой
радиатор брус
Рисунок 2. Блок-схема процесса изготовления стенового бруса (составлено автором)
В процессе работы установки задача управления процессом усложняется также в результате того, что состав смеси и её свойства изменяются зачастую непредвиденным образом, возмущая нормальное протекание процесса.
С учетом этих особенностей процесса, в целях более наглядного представления его как объекта управления, рассмотрим процесс изготовления стенового строительного бруса с позиции черного ящика определив входные ^ Хп, выходные ^ Тп и возмущающие параметры установки.
Входными параметрами ^ Хп являются:
Х1 - влажность древесных частиц;
Х2 - дисперсность спрессованной смеси;
Хз - усилие прессования подготовленной смеси;
Х4 - время термообработки спрессованной массы;
Х5 - размер частиц древесных органических отходов;
Хб - соотношение органических отходов и вспомогательных веществ;
Х7 - время прессования подготовленной смеси;
Хв - порода древесных органических отходов;
Х9 - соотношение пород частиц в подготовленной смеси;
Выходными параметрами У Уп являются:
У1 - стеновой строительный брус из древесных органических отходов с определенными качествами;
Выделим из входных параметров возмущающие воздействия, к ним отнесем параметры управление по которым или не возможно в принципе, или не целесообразно по различным причинам.
Возмущения разделим на контролируемые У и неконтролируемые У ^п , в зависимости от того, поддаются они изменению или контролю, или нет.
У 2
Соответственно к числу основных внешних контролируемых возмущений У п относятся:
21 - размер частиц древесных органических отходов;
22 - соотношение органических отходов и вспомогательных веществ;
23 - время прессования подготовленной смеси.
К числу внешних неконтролируемых возмущений У*'?п относятся: & - порода древесных органических отходов; & - соотношение пород частиц в подготовленной смеси.
Модель процесса изготовления стенового строительного бруса с позиции черного ящика показана на рисунке 3.
Рисунок 3. Модель процесса изготовления стенового строительного бруса из древесных отходов с позиции черного ящика (составлено автором)
Отказ от классических методов построения математических моделей для описания процесса изготовления стенового бруса, продиктован сложностью, а часто и не возможностью формализации всей математической информации, необходимой для нее. Кроме этого, ограничения, накладываемые на качество получаемого строительного бруса, чаще всего имеют неопределенный характер и являются скорее нечёткими, чем вероятностными. Этот пример хорошо прослеживается в рассматриваемой статье. Поясним это конкретным примером.
На выходе из пресс-станка, качество получаемого строительного бруса зависит от множества параметров смеси: от размера частиц древесных органических отходов, времени прессования, влажности древесных частиц, усилия прессования, количественного отношения органических отходов и вспомогательных веществ, породы древесины, состава и количественного отношения неорганической смеси бруса, времени спрессовывания, времени схватывания смеси и т.д. Естественно, что математическую зависимость качества стенового бруса от указанных параметров, получить практически невозможно, да и не целесообразно из-за её сложности, поэтому допустимы неточности её описания.
Кроме того, изменение во времени качественного состава древесной смеси, и количественного соотношения опилок, связующих и вспомогательных веществ, определяют индивидуальную стратегию управления в рамках утверждённого регламента, связанную с субъективной интерпретацией процесса.
В процессе производства строительного композитного бруса из древесных отходов изменяется порода древесных частиц, а также их дисперсность и влажность и соответственно изменяются физико-химические свойства, что делает подаваемое сырьё неоднородным во времени на протяжении всего периода производства. Эти возмущения, в течение определённого промежутка времени, соответственно приводят к необходимым изменениям в режимах управления, что и определяет индивидуальную стратегию управления процессом и задаёт режимные параметры качества переходного процесса систем регулирования. Эти обстоятельства обусловливают использовать для управления процессом теорию нечётких множеств Л. Заде [11, 12].
Основными входными параметрами У Хп являются: влажность древесных частиц (X!), дисперсность спрессованной смеси (Х2), усилие прессования подготовленной смеси (Хз) и время термообработки спрессованной массы (Х4), управление которыми способствуют получению требуемого качества выходных параметров У Уп процесса, в частности: стенового строительного бруса из древесных органических отходов (У1).
Предполагая, что входные параметры хг (г = 1,п) и выходные у) (] = 1,т) точно не измеряются, а представляются нечёткими значениями, в виде нечётких множеств, и с учетом независимости выходных параметров, уравнение, описывающее процесс изготовления стенового строительного бруса с помощью нечёткого отношения, записывается в виде:
у} = (х + х2 +...(+Хп + Л)...), (1)
где х с Х1 (г = 1, п), у} с Уз (у = 1, т).
Здесь Хг = {хц, Хг2, ..., Хгкг), У) = {у)1, У)2, ■■■, у) - соответственно совокупность нечётких множеств, определенных на входных и выходных пространствах хг (г=1,п) и у) (]=1,т); Я -нечёткое отношение, связывающее входные параметры с выходными параметрами.
Перейдя к функциям принадлежности, запишем уравнение (1) в виде:
ц у(у}) = тах х(Х1); тах Ц ^(Х2);...
... тах тШ(Цхи (Хп X ЦЛ (Х1, Х2, - Хп , У} ))}
(2)
Следовательно, для уравнения (2) задача идентификации, заключается в оценке нечёткого отношения:
л = {Л1, Л2,...Лт} (3)
Нечёткое отношение (3) описывает рассматриваемую систему в виде нечётких множеств на основе использования входных и выходных «наблюдений».
Задача идентификации нечёткой модели рассматривалась неоднократно, но впервые её обозначил Тонг [13]. При известном ряде модели, он рассматривает идентифицируемую модель как ряд управляющих правил. Другими словами задача идентификации нечёткой модели сводится к задаче идентификации управляющих правил. Для её решения используем следующие данные: чтобы написать правила необходимо качественное знание об управляемом процессе, а также нечёткая интерпретация существующих математических уравнений или входных - выходных данных процесса. Решая последний случай используем метод логического исследования, в основе которого лежит выбор такого набора данных, который можно сравнить с множеством данных, т.е. входных - выходных пар. Затем производится наблюдение за данными, которые составляются на основе заданной совокупности, с учетом различных правилам, для конкретного класса моделей. При достижении высокого соответствия между правилом и данными, то это правило включают в состав модели и находится в ней до тех пор, пока не найдется другое, лучшее правило противоречащее ему [13, 14].
Отметим, что рассмотренный метод чаще всего используют для модели с простой структурой, например, один вход и два выхода. Сложный химико-технологический процесс изготовления стенового композитного бруса, характеризуется большим числом различных параметров, зависящих от множества факторов. И поэтому, для выстраивания набора данных или нечётких множеств нужно исследовать их огромное количество, что требует значительных затрат интеллектуального труда.
Чтобы избежать сложных математических исследований предлагается использовать метод экспертной оценки «наблюдений», который заключается в том, что на основе технологии управляемого процесса формируются нечёткие множества и определяется структура нечёткого отношения. Затем находятся нечёткие отношения Я- (¡=1,ш), которые описываются нечёткими логическими правилами.
Е- (¡=1,ш) можно определит как декартово произведение входных и выходных пространств объекта управления [11, 12, 14, 15]:
К. = х х Х х... х хй х у (4) И, соответственно более подробно:
К = и Я]к (5)
Мк] = тах(^я1,^я2,..., ) (6) где к = кх х к2 х...х кп, Я]к = ^ х х2к2 х...х х у.
= ^К* (Х1), к2 (Х2),..., Ц^ , ^ (Уу )) • (7)
Таким образом, выбирая минимальное идентификационное множество, находим различные Е- (¡=1,ш), состоящее из «наблюдений» нечётких множеств.
Так как на практике очень сложно определить эталонное отношение Е-' (] = 1,m), то вводится показатель р для оценки качества идентификации модели, который находится как разность между выходами нечёткой модели и наблюдаемыми значениями объекта управления:
Р = £\Ц у' (У у) -Ц Уу ( Уу)\ (8)
где Ц (У,) и Цу (у,) - функции принадлежности нечётких множеств
уу У уу ^
у ■ (у = 1, т; уу с У ■), наблюдаемых на объекте, и у у (у = 1, т), полученных по модели. Таким образом, показатель р можно определить как расстояние Е- и Rj:
р ЯК =Е 1 Ц К Х2,..., у у) -Ц Я( ^ Х2,..., у})\ (9)
, у у у
где Rj - нечёткое отношение, которое адекватно описывает процесс.
Таким образом, в качестве идентифицируемых множеств х^ (1 = 1, п) и у ■ (у = 1, п)
1 ^ 3
выбирают множества с минимальным р '. В частном случае для рядов нечётких множеств,
К, К
показатель качества идентификации модели р ' минимален, если степень нечёткости
К, К
минимальна.
В ходе изучения проблемы управления процесса изготовления стенового композитного бруса из древесных отходов с использованием аппарата нечёткой логики, была построена модель процесса изготовления стенового бруса с позиции черного ящика, определенны основные входные и выходные параметры процесса, а также возмущающие воздействия. Составлено в общем виде нечёткое уравнение процесса изготовления стенового бруса с
Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Том 7, №4 (июль - август 2015)
http://naukovedenie.ru publishing@naukovedenie.ru
использованием аппарата нечёткой логики, и определен показатель качества идентификации модели управления. Использование нечёткой логики позволит не только достичь более легкого управления системой, но и позволит повысить качество продукции и производительность, а также снизить расходы и уровень брака, сократить издержки и повысить эффективность использования древесных ресурсов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Сергеев С.С., Тугов В.В. Постановка задачи оптимизации процесса изготовления стенового бруса. Современные информационные технологии в науке, образовании и практике. Материалы Х всероссийской научно-практической конференции. - Оренбург: ООО ИПК «Университет», 2012. - 374378 с.
2. Сергеев С.С., Тугов В.В. Многомерная оптимизация профиля строительного бруса по теплопроводности и прочности. Компьютерная интеграция производства и ИПИ-технологии / Сборник материалов VI Всероссийской научно-практической конференции. - Оренбург: ООО ИПК «Университет», 2013. - 365-369 с.
3. Сергеев С.С., Тугов В.В., Тарасов В.Н. Оптимальное управление процессом изготовления стенового магнезитового бруса на базе древесных органических отходов.Вестник Самарского государственного технического университета. Серия «Технические науки». - 2012. - №4(36). - 206-214 с.
4. Сергеев С.С., Тугов В.В. Системный анализ процесса изготовления стенового бруса на базе древесных органических отходов. Современные информационные технологии в науке, образовании и практике. Материалы IX всероссийской научно-практической конференции (с международным участием). - Оренбург: ООО «КОМУС», 2010. - 294-295 с.
5. Сергеев С.С., Тугов В.В. Автоматизация процесса изготовления стенового бруса. Компьютерная интеграция производства и ИПИ-технологии / Сборник материалов V Всероссийской научно-практической конференции. - Оренбург: ИП Осиночкин Я. В., 2011. - 550-553 с.
6. King P.G., Mamdani E.H. The Application of Fuzzy Control System to Industrial Process., Automatica, 1977, p. 235 - 242.
7. Ostergaard G.G. Fuzzy-Logic Control of a Heat Exchanger Process. Publ. No 7601, EPEDT University of Denmark, 1976.
8. Carter L.A., Rutherford D.A. A Heuristic Adaptive Controller for a Sinter Plant. IFAC Symp. on Automation in Mining, Met and Met Proccessing, Johannesburg, 1976.
9. Jensen J.H. Application for Fuzzy-Logic Control, Publ. No 7607, EPEDT University of Denmark, 1976.
10. Carter L.A., Hague M.J. Fuzzy Control of Raw Mix Permeability at a Sinter Plant. QMC, London, 1976.
11. Заде Л.А. Понятие лингвистической переменной и его применение к принятию приближенных решений. пер. с англ.-М.: Мир, 1976. - 165 с.
12. Заде Л.А. Основы нового подхода к анализу сложных систем и процессов принятие решений. В сб.: Математика сегодня. М., 1974. - 165 с.
13. Tong R.M. Synthesis of Fuzzy Models for and Industrial Process - Some Recent Result, 1978, p. 143 - 162.
14. Сергеев С.С., Тугов В.В. Разработка алгоритма идентификации нечётких отношений в модели процесса изготовления стенового бруса из древесных отходов / Системы управления и информационные технологии. Издательство «Научная книга».- 2015. №2 (60). - 27-31с.
15. Орловский С.А. Проблемы принятия решений при нечёткой исходной информации. - М.: Наука, 1981, с. 41 - 59.
Рецензент: Статья рецензирована членами редколлегии журнала.
Sergeev Sergey Sergeevich
Limited Lliability Company «Gazprom Dobycha Orenburg LLC»
Russia, Orenburg E-mail: sssergev@mail.ru
Tugov Vitaly Valerevich
Federal State Educational Government-financed Institution of Higher Professional Education
«Orenburg State University» Russia, Orenburg E-mail: sau@unpk.osu.ru
Management of the process of making a composite material based on organic waste wood using fuzzy logic unit
Abstract. In the course of studying the problem of the control of the manufacturing process of the composite timber wall from wood waste using the apparatus of fuzzy logic model was built wall timber manufacturing process from the perspective of the black box, the definition of basic input and output parameters of the process and disturbance variables. The process as object of management, as well as its structure, taking into account the characteristics of the control unit. The structure of the process and recorded fuzzy equation describing the process.
The authors compiled the equation quality index identification apparatus using fuzzy logic, as well as generally composed fuzzy equation wall beam fabrication process using the apparatus of fuzzy logic, and determine a quality management model identification. To solve the problem of identification of fuzzy model, the authors proposed to use the method of logical investigation, as well as the method of peer review, which is based on technology that managed the process of forming fuzzy sets and fuzzy relations is determined by the structure.
The questions of the use of the theory of fuzzy sets at optimal control of complex technological processes.
With fuzzy relationship authors compiled equations describe the manufacturing process of the construction of the wall timber.
Keywords: the composite material; model identification; fuzzy relations; fuzzy model; management; wall beams.
REFERENCES
1. Sergeev S.S., Tugov V.V. Postanovka zadachi optimizatsii protsessa izgotovleniya stenovogo brusa. Sovremennye informatsionnye tekhnologii v nauke, obrazovanii i praktike. Materialy Kh vserossiyskoy nauchno-prakticheskoy konferentsii. -Orenburg: OOO IPK «Universitet», 2012. - 374-378 s.
2. Sergeev S.S., Tugov V.V. Mnogomernaya optimizatsiya profilya stroitel'nogo brusa po teploprovodnosti i prochnosti. Komp'yuternaya integratsiya proizvodstva i IPI-tekhnologii / Sbornik materialov VI Vserossiyskoy nauchno-prakticheskoy konferentsii. - Orenburg: OOO IPK «Universitet», 2013. - 365-369 s.
3. Sergeev S.S., Tugov V.V., Tarasov V.N. Optimal'noe upravlenie protsessom izgotovleniya stenovogo magnezitovogo brusa na baze drevesnykh organicheskikh otkhodov.Vestnik Samarskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. Seriya «Tekhnicheskie nauki». - 2012. - №4(36). - 206-214 s.
4. Sergeev S.S., Tugov V.V. Sistemnyy analiz protsessa izgotovleniya stenovogo brusa na baze drevesnykh organicheskikh otkhodov. Sovremennye informatsionnye tekhnologii v nauke, obrazovanii i praktike. Materialy IKh vserossiyskoy nauchno-prakticheskoy konferentsii (s mezhdunarodnym uchastiem). - Orenburg: OOO «KOMUS», 2010. - 294-295 s.
5. Sergeev S.S., Tugov V.V. Avtomatizatsiya protsessa izgotovleniya stenovogo brusa. Komp'yuternaya integratsiya proizvodstva i IPI-tekhnologii / Sbornik materialov V Vserossiyskoy nauchno-prakticheskoy konferentsii. - Orenburg: IP Osinochkin Ya. V., 2011. - 550-553 s.
6. King P.G., Mamdani E.H. The Application of Fuzzy Control System to Industrial Process., Automatica, 1977, p. 235 - 242.
7. Ostergaard G.G. Fuzzy-Logic Control of a Heat Exchanger Process. Publ. No 7601, EPEDT University of Denmark, 1976.
8. Carter L.A., Rutherford D.A. A Heuristic Adaptive Controller for a Sinter Plant. IFAC Symp. on Automation in Mining, Met and Met Proccessing, Johannesburg, 1976.
9. Jensen J.H. Application for Fuzzy-Logic Control, Publ. No 7607, EPEDT University of Denmark, 1976.
10. Carter L.A., Hague M.J. Fuzzy Control of Raw Mix Permeability at a Sinter Plant. QMC, London, 1976.
11. Zade L.A. Ponyatie lingvisticheskoy peremennoy i ego primenenie k prinyatiyu priblizhennykh resheniy. per. s angl.-M.: Mir, 1976. - 165 s.
12. Zade L.A. Osnovy novogo podkhoda k analizu slozhnykh sistem i protsessov prinyatie resheniy. V sb.: Matematika segodnya. M., 1974. - 165 s.
13. Tong R.M. Synthesis of Fuzzy Models for and Industrial Process - Some Recent Result, 1978, p. 143 - 162.
14. Sergeev S.S., Tugov V.V. Razrabotka algoritma identifikatsii nechetkikh otnosheniy v modeli protsessa izgotovleniya stenovogo brusa iz drevesnykh otkhodov / Sistemy upravleniya i informatsionnye tekhnologii. Izdatel'stvo «Nauchnaya kniga».- 2015. №2 (60). - 27-31s.
15. Orlovskiy S.A. Problemy prinyatiya resheniy pri nechetkoy iskhodnoy informatsii. -M.: Nauka, 1981, s. 41 - 59.
