Адаптивная система интеллектуального управления параметрами технологических процессов в пищевой промышленности Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК 681.51

М. С. ПЕШКО П. М. ШКАПОВ

Омский государственный технический университет

Московский государственный технический университет им. Н. Э. Баумана

АДАПТИВНАЯ СИСТЕМА ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ ПАРАМЕТРАМИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ_

В работе рассматривается адаптивная система интеллектуального управления параметрами технологических процессов, разработанная с применением аппарата нечеткой логики. Рассмотрена постановка задачи исследования, метод ее решения и результаты производственных исследований системы.

Ключевые слова: интеллектуальная система управления, технологический процесс, объект управления, нечеткий регулятор, база правил.

Эффективность технологических процессов производства пищевой продукции существенно зависит от технологических режимов процесса, условий окружающей среды и опыта специалистов-технологов, управляющих ходом процесса. Большое значение придается ресурсо- и энергосберегающим технологиям, что, как правило, приводит к необходимости учета внешних условий при выборе технологических режимов процесса [1].

При автоматизации управления технологическими процессами в современных условиях недостаточно управлять отдельными технологическими параметрами процесса с использованием традиционных регуляторов, что является наиболее распространенным подходом в практике создания автоматизированных систем управления технологическими процессами [2].

Современная автоматизированная система управления должна обеспечивать адаптацию процесса при изменении условий функционирования (внешних условий) и основываться на базе знаний экспертов-технологов, используя их накопленный практический и научный опыт. Задача создания таких систем в настоящее время актуальна и требует поисков решений.

Рассмотрим построение адаптивной системы управления объектом пищевого производства с использованием сформулированных выше принципов. Объект управления характеризуется управляемыми выходами У(у1, у2... у ) и входами управления и(и1, и2... ит). Заданное состояние объекта определяется уставками.

Зависимость динамических параметров объекта управления от внешних параметров окружающей среды С(д1, д2 ... д.) обусловливает необходимость смены уставок параметров процесса при изменении параметров внешней среды в целях оптимизации управляемого процесса. Детерминированное описание названных связей, как правило, отсутствует, од-

нако имеется практический опыт управления объектов у специалистов-технологов представляющий из себя рекомендации по режимам параметров технологического процесса У от внешних условий его осуществления С. Этот опыт составляет базу экспертных знаний. Сформулируем базу экспертных знаний в виде следующих правил:

ЕСЛИ параметры окружающий среды С,

ТО режим технологического процесса У

Стратегия управления определяется набором подобных правил, при составлении которых учитывается эффективность функционирования объекта управления по комплексу показателей. Однако при формулировании системы нечеткого управления на основе представленных стратегий необходимо получать значение об обратной связи в виде текущих значений параметров технологического процесса, но уже в представлении, как входных параметров системы и, и в заключении формулировать управляющие воздействия на исполнительные механизмы У для достижения и поддержания необходимых режимов технологического процесса. Тогда базу экспертных знаний можно представить следующими правилами:

ЕСЛИ параметры окружающий среды С

И параметры технологического режима и,

ТО управляющие воздействия на исполнительные механизмы У

База нечеткого регулятора определенная полным набором правил представляет ситуационное описание поведения системы, в виде заданных технологом управляющих воздействий, на технологические параметры процесса в условиях изменяющихся внешних условий осуществления.

При построении системы интеллектуального управления на основе описанных принципов необхо-

Рис. 1. Объект управления

Рис. 2. Структура нечеткого регулятора

димо решить задачу фазификации описаний параметров технологического процесса, внешних условий и управляющих воздействий; сформулировать базу правил на основе систематизации экспертных знаний; выполнить нечеткий вывод и осуществить дефа-зификацию для выходов системы управления.

Результатом работы алгоритмов управления с использованием такой системы является автоматическая адаптация выходов объекта управления при изменении параметров внешней среды, что обеспечивает эффективность функционирования объекта управления в конкретных условиях.

Для процесса поддержания параметров микроклимата технологического процесса характерны множественные связи между выходными величинами процесса и внешними влияющими факторами. Эти связи можно учесть, рассматривая систему автоматического регулирования. Общая схема автоматизации параметров микроклимата технологических помещений представлена на рис. 1.

Технологический процесс протекает в закрытом помещении и характеризуется температурой воздуха T(t) в помещении, влажностью воздуха M(t) и качеством воздуха ( на примере концентрации CO2) Q(t). Сочетание перечисленных параметров в основном определяет объем и качество продукции, а также энергетические затраты на осуществление процесса.

Накопленный опыт показывает, что при изменении внешних условий (внешняя температура Toшt(t) и содержание углекислого газа в атмосфере) для получения оптимального результата по комплексу показателей — «выход продукции, ее качество и суммарные энергозатраты на процесс» необходимо изменять режимы Т, М, О. Причем аналитическое описание этой связи не представляется возможным. Но при этом на основании накопленного опыта можно сформулировать правила управления по описанному выше шаблону.

Для реализации правил управления в системе используется нечеткий регулятор (рис. 2), осуществляющий выбор управляющих значений на исполнительные механизмы каждого из регулируемых параметров (Т, М, О) при изменении внешних возмущений (Gl(t) и С2^)) от окружающей среды и параметров процесса.

На вход нечеткого регулятора поступает информация о состоянии внешней среды: значение температуры воздуха внешней среды Тош1 (возмущение значение концентрации углекислого газа внешней атмосферы Оои1 (возмущение С2^)) и текущие значения параметров технологического процесса — температура воздуха T(t), влажность воздуха M(t) и концентрация С02 О(t). Сигналы информации формируются соответствующими датчиками. Значения перечисленных физических величин подверга-

Таблица 1

База правил нечеткого регулятора

T/M/Q

ЬП

sp

bp

bbp

Тш=П И Qout=z

Упр. T

Op

Op

Упр. M

Op

Op

St

а

Упр. Q

Ор

Ор

Ор

Ор

То^ = ЬП И Qout = z

Упр. Т

-

Ор

Упр. М

.ЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧ'

Ор

Ор

St

а

чччччччччччччччччччччч

-ччччччччччччччччччччччч-

Упр. Q

а

а

а

а

а

St

шшшшшт

Tout = z И Qout = z

.......................

Упр. Т

Ор

Ор

Ор

St

Упр. М

ччччччччччччччччччччччч

Ор

-ччччччччччччччччччччччч

Упр. Q

а

St

Ор

Ор

Ор

Ор

Ор

Ор

То^=п И Qcut=p

Упр. Т

Ор

Ор

St

а

Упр. М

Ор

Ор

Упр. Q

а

а

а

а

St

Ор

Ор

Ор

То^ = Ьп И Qout=P

Упр. Т

Ор

а

Упр. М

Ор

Ор

St

а

Упр. Q

Ор

Tout = z И Qout = P

Упр. Т

Ор

Ор

Ор

Упр. М

Ор

Упр. О

Ор

Ор

Ор Ор Ор

П

z

р

18'-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-и

О 1 2 3 4 5 6 7 „ 8 9 10 11 12 13

о)

Рис. 3. Графики температуры воздуха: а — сплошная линия — в технологическом помещении; пунктирная — определенная правилами системы интеллектуального управления; б — график наружной температуры воздуха

ются фазификации в соответствии с принятыми лингвистическими переменными:

— «Наружная температура» ( Ьп — температура заниженная; п — температура пониженная; z — температура номинальная);

— «Наружное содержание углекислого газа» (г — содержание С02 номинальное; р — содержание С02 повышенное).

— «Температура воздуха в технологическом помещении» (п — пониженная; 8П — немного пониженная; z — номинальная; — немного повышенная; р — повышенная; Ьр — завышенная);

— «Влажность воздуха в технологическом помещении» (п — пониженная; 8П — немного пониженная; z — номинальная; 8р — немного повышенная);

Рис. 4. График изменения влажности воздуха в технологическом помещении — сплошная, определенная правилами системы интеллектуального управления — пунктирная

850

: 8оо

к) о.

650

-13

-14

! ;

-УД А \/ V/ д ^ г/\ —- ■ 1 д

\ V Г ./

7....... ........ ......... ........ ......... "/..... ........ \/

750 /.......

700

10 11 12 13

-15

В-

-16

-17

........ ......... ........

5)

10

11 12

13

Рис. 5. Графики изменения концентрации С02 в технологическом помещении: а — сплошная линия — текущая концентрация С02; пунктирная — определенная правилами системы интеллектуального управления; б — график наружной температуры воздуха

— «Концентрация C02 в технологическом помещении» (Ьп — заниженное; п — пониженное; — немного пониженное; z — оптимальное; — немного повышенное; р — повышенное; Ьр — завышенное; ЬЬр — значительно завышенное);

Для описания связи между лингвистическими и физическими величинами разработаны функции принадлежности [3] на основе косвенного метода построения с использованием знаний технолога процесса.

Выходами модели нечеткого регулятора являются лингвистические переменные:

— «Упр. Т» (с1 — закрывать; st — стоп; ор — открывать);

— «Упр. М» (с1 — закрывать; st — стоп; ор — открывать);

— «Упр. О» (с1 — закрывать; st — стоп; ор — открывать).

Нечеткий вывод осуществляется с использованием разработанной базы правил нечеткого регулятора, представленной в табл. 1 и макси-минного метода (шт-шах).

После выполнения дефазификации нечетких значений нечеткий регулятор формирует управляющие воздействия по трем каналам: температуры (Т), влажности (М) и концентрации С02 (О), определяющие режимы технологического процесса с использованием метода центра тяжести (СоС).

В производственных условиях были проведены исследования адаптивной системы интеллектуального

управления параметрами микроклимата технологического процесса. На рис. 3 — 5 представлены графики изменения параметров микроклимата процесса в течение 8-часовой рабочей смены. Так, можно наблюдать, как при изменении наружной температуры воздуха система непрерывно адаптирует параметры к новым условиям функционирования процесса, обеспечивая его эффективность по заданным базой правил критериям технолога. Эти свойства системы подтвердили и другие результаты исследований.

Таким образом, описанная система интеллектуального управления является адаптивной и позволяет повысить уровень автоматизации управления за счет автоматизации интеллектуальных функций технолога, ведущего процесс в условиях внешних возмущений окружающей среды. Включая в базу правил нечеткого регулятора только тщательно отобранные и проверенные опытом правила, интеллектуальная система реализует уровень управления, соответствующий, по меньшей мере, среднему квалификационному уровню технолога.

Библиографический список

1. Муратов, В. Г. Автоматизированное управление микроклиматом в технологических процессах пищевых производств : дис. ... канд. техн. наук : 05.13.07 / Муратов Виктор Георгиевич. — Одесса, 1984. - 200 с.

2. Благовещенская, М. М. Информационные технологии систем управления технологическими процессами / М. М. Благовещенская, Л. А. Злобин. — М. : Высш. шк., 2005. — 768 с.

3. Пешко, М. С. Задача фазификации параметров процесса вегетации при построении нечеткого регулятора / М. С. Пешко, А. В. Федотов // Омский научный вестник. Сер. Приборы, машины и технологии. — 2013. — № 2(120). — С. 290 — 293.

ПЕШКО Михаил Сергеевич, ассистент кафедры автоматизации и робототехники Омского государ -

ственного технического университета. Адрес для переписки: [email protected] ШКАПОВ Павел Михайлович, доктор технических наук, профессор (Россия), заведующий кафедрой теоретической механики Московского государственного технического университета им. Н. Э. Баумана. Адрес для переписки: [email protected]

Статья поступила в редакцию 13.04.2015 г. © М. С. Пешко, П. М. Шкапов

УДК 625.768.1

И. А. ТЕТЕРИНА

Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия,

г. Омск

РЕЗУЛЬТАТЫ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ

ИССЛЕДОВАНИЙ СИСТЕМЫ

ВИБРОЗАЩИТЫ ДОРОЖНОЙ

УБОРОЧНО-ПОДМЕТАЛЬНОЙ

МАШИНЫ НА БАЗЕ

ТРАКТОРА МТЗ-80_

В статье отражены результаты экспериментальных исследований дорожной уборочно-подметальной машины на базе трактора МТЗ-80 в различных режимах работы. Представлены значения и дан сравнительный анализ среднеквадратических значений корректированного виброускорения на корпусе ДВС, полу кабины и сиденьи оператора дорожной уборочно-подметальной машины при уборке территории от снега с использованием подметального оборудования.

Ключевые слова: вибрация, виброускорение, виброзащита, дорожные уборочно-под-метальные машины.

Вибрация, возникающая в ходе работы дорожной уборочно-подметальной машины, негативно воздействует не только на саму машину, ускоряя износ деталей и снижая тем самым сроки эксплуатации, но и на оператора, оказывая вредное воздействие на организм, заключающееся в ухудшении функционального и физиологического состояния человека [1, 2].

Наряду с грузовым автомобилем, самоходным шасси, одним из видов машин, на которых базируется спецоборудование, является трактор. В Российской Федерации и странах ближнего зарубежья в качестве базовой машины часто используется трактор МТЗ-80.

Машины этой модели широко применяют в коммунальном хозяйстве городов как для патрульной скоростной снегоочистки в составе транспортной колонны, так и для одиночной уборки дорог, площадей и тротуаров от мусора и свежевыпавшего снега.

Комплектование базовой машины возможно следующим спецоборудованием:

— плужно-щеточным;

— щеткой с приводом;

— плужным отвалом;

— навесным оборудованием погрузчика;

— роторным;

— водяным резервуаром на прицепном шасси;

— разбрасывающим оборудованием;

— водяной и гидравлической системами.

На рис. 1 представлен объект экспериментальных исследований — дорожная уборочно-подметальная машина на базе трактора МТЗ-80.

Базовая машина оборудована цилиндрической щеткой с приводом и навесным оборудованием погрузчика. В зимний период времени дорожная уборочно-подметальная машина (ДУПМ) снимает отвалом верхний снежный слой, затем с помощью щетки сгребает остатки снежных осадков. В летний период плужным отвалом сгребается мусор, оставшийся на дорожном покрытии грунт, а также формируются кучи. Универсальность использования позволяет ДУПМ считать ее всесезонной [3].

Цель проведенных испытаний: определить уровень вибрации на рабочем месте оператора в рабочем режиме ДУПМ.

Для достижения поставленной цели было необходимо решить следующие задачи:

1. Определить параметры, которые будут взяты для изучения уровня вибрации на рабочем месте человека-оператора ДУПМ.