CC BY
103
Суликова В.А.
Кумертауский филиал Оренбургского государственного университета
E-mail: [email protected]
АЛГОРИТМ НЕЧЕТКОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ВАРКИ СТЕКЛА
В данной статье предложен алгоритм нечеткого управления процессом варки стекла, построена математическая модель стекловаренной печи, произведен анализ преимуществ и недостатков системы управления с ПИД-регуляторами, четкими и нечеткими регуляторами.
Ключевые слова: нечеткое управление, стекловаренная печь, технологический процесс варки стекломассы, логические регуляторы, программная реализация
Главной проблемой существующей автоматизированной системы управления варки стекломассы является отсутствие целостной системы управления технологическим процессом, морально устаревшая база средств КИПиА, несовершенство регулирования процесса на ПИД-регуляторах, отсутствие архива о ходе технологического процесса.
В данной статье предлагается алгоритм нечеткого управления процессом варки стекла, состоящий из преобразования входных переменных нечеткого логического регулятора в его выходные переменные с помощью следующих взаимосвязанных процедур:
- преобразования нечётких множеств входных физических переменных нечёткого регулятора, получаемых от измерительных датчиков с объекта управления в безразмерные переменные;
- обработки логических высказываний относительно безразмерных входных и выходных переменных нечеткого регулятора;
- преобразования выходных безразмерных переменных нечеткого регулятора в физические управляющие переменные.
Определение управляющих воздействий состоит из четырёх основных этапов (рис 1):
Управление объектом осуществляется нечётким регулятором, управляющим регулируемой величиной «Т». При отклонении регулируемой
величины от заданного значения регулятор, воздействуя на регулирующий орган, задает значение управляющего воздействия «и».
Анализ структуры и процедуры регулирования существующих нечётких регуляторов показывает, что можно значительно повысить быстродействие нечётких регуляторов и точность их работы:
- Модернизировать процедуру фаззифи-кации.
- Модернизировать процедуру обработки базы правил блока нечёткого логического вывода.
- Модернизировать процедуру дефаззифи-кации.
Определим диапазоны для качественного регулирования объекта. Стекловаренная печь разбита на пять зон регулирования температуры, в каждой зоне свой диапазон температур, показания которой снимаются со свода и дна печи. Отклонения для всех зон составляет +- 5 °С от номинала.
Для первой зоны диапазон регулирования температуры для свода и дна соответственно:
1450 - 1455 - 1460 °С и 1105 - 1110 - 1115 °С;
для второй зоны:
1535 - 1540 - 1545 °С и 1155 - 1160 - 1165 °С;
для третьей зоны:
1595 - 1600 - 1605 °С и 1195 - 1200 - 1205 °С;
для четвёртой зоны:
Рисунок l. Структура нечеткого логического регулятора
1550 - 1555 - 1560 °С и 1230 - 1235 - 1240 °С;
для пятой зоны:
1455 - 1460 - 1465 °С и 1170 - 1175 - 1180 °С.
Зададим для диапазонов количество термов и определим длины отрезков на числовой оси для каждого терма. Так как для всех зон регулирования температуры диапазоны и требования к качеству регулирования одинаковы то количество термов будет неизменно для всех зон. Для качественного регулирования температуры необходимо разбить каждый диапазон на девять термов при этом, чем ближе к номинальному значению температуры, тем короче будет отрезок числовой прямой включённой в терм и точнее настройка.
Для первой зоны температура свода:
S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9
t°C
1445 1450 1452 1453,5 1454,5 1455,5 1456,5 1458 1460 1465
Для первой зоны температура дна:
M(t)
D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9
t°C
1100 1105 1107 1108,5 1109,5 1110,5 1111,5 1113 1115 1120
Для второй зоны температура свода:
Для второй зоны температура дна: ' м(»)
D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9
t°C
1150 1155 1157 1158,5 1159,5 1160,5 1161,5 1163 1165 1170
Для третей зоны температура свода:
Для третей зоны температура дна:
Для четвертой зоны температура свода: 174 ВЕСТНИК ОГУ №3 (164)/март2014
M(t)
S1
S2
S3
S4
S5
S6
S7
S8
S9
t°C
1545 1550 1552 1553,5 1554,5 1555,5 1556,5 1558 1560 1565
Для четвертой зоны температура дна:
Для пятой зоны температура свода:
M(t)
S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9
t°C
1450 1455 1457 1458,5 1459,5 1460,5 1461,5 1463 1465 1470
Для пятой зоны температура дна:
D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9
t°C
1190 1195 1197 1198,5 1199,5 1200,5 1201,5 1203 1205 1210
Определим диапазоны регулирования давления и зададим количество термов и их длину на числовой оси.
Диапазон регулирования давления в газовом пространстве печи:
(X + 30) - (X + 38) - (X + 46) mm.W.c., где Х атмосферное давление, измеренное за пределами газового пространства печи.
Термы для давления в газовом пространстве печи:
В качестве среды реализации предлагаемого нечеткого регулятора выбрана инструментальная среда программирования контроллеров Concept фирмы Schneider Electric.
Программа, реализующая нечёткий регулятор на основе булевых функций, представлена на языке FBD. Заблуждаются не потому, что не знают, а потому, что думают, что знают. Она состоит: из пяти блоков фаззификации для температуры со свода печи по одному для каждой зоны, пяти блоков фаззификации для темпера-
туры со дна печи, блока фаззификации для давления; шести блоков реализующих базу правил нечёткого логического вывода, пять для температуры по одному на каждую зону, один для давления; шесть блоков дефаззификации пять для температуры по одному для каждой зоны, один для давления; блока определяющего весовые коэффициенты каждой зоны в общем регулировании температуры; блока центрального вывода управляющих сигналов.
Программа реализует нечёткий регулятор для управления заслонкой регулирующей расход газа на горение по изменению десяти входных параметров температуры дна и свода всех пяти зон и отдельно для управления заслонкой регулирующей давление в газовом пространстве печи по изменению двух входных величин атмосферное давление и давление в печи.
На вход блоков фаззификации ТЭ и ТБ поступают, с температурных датчиков расположенных на своде и донном основании печи, значения температур каждой зоны. На вход блока фаззификации РР поступают, с датчиков давления-разряжения расположенных один в газовом пространстве печи один в цеху за пределами газового пространства печи, значения давления в печи и за ее пределами. Фаззификаторы переводят точные значения в нечеткий формат. Значения двух параметров представленные в нечётком формате с каждого блока фаззификации, поступают на вход блока базы правил, отдельного для каждой зоны. В блоке базы правил заданы правила, на основе которых происходит выбор термов выходных величин «Х1», «Х2», «Х3», «Х4», «Х5» и «У». Нечеткие значения этих величин поступают на вход дефаззификатора, который преобразует их в четкие выходные величины «Х1», «Х2», «Х3», «Х4», «Х5» и «У».
Блоки фаззификации ТБ_1, ТБ_2, ТБ_3, ТБ_4, ТБ_5, ТЭ_1, ТЭ_2, ТЭ_3, ТЭ_4, ТЭ_5, РУР_Р используемые в программе являются программируемыми на языке БТ блоками ЭББ.
В каждом блоке фаззификации заданы девять термов для входной величины. Блок выявляет принадлежность входного чёткого значения одному из заданных термов. На выходе получаем булевы значения, свидетельствующие о принадлежности входного значения одному из заданных термов.
На рисунке 3 представлена логическая схема алгоритма фаззификации.
Программная реализация базы правил нечёткого логического вывода представлена на языке 8Т блоками ЭРБ: БЬ_И8Ь1, БЬ_И8Ь2, БЬ_И8Ь3, БЬ_ШЬ4, БЬ_ШЬ5 и БЬ_и8ЬРЭ листинг программы (см. приложение А).
Входными значениями блока: БЬ_и8Ь1 являются термы двух входных величин температуры свода и дна первой зоны; БЬ_и8Ь2 являются термы двух входных величин температуры свода и дна второй зоны; БЬ_И8Ь3 являются термы двух входных величин температуры свода и дна третьей зоны; БЬ_И8Ь4 являются термы двух входных величин температуры свода и дна четвёртой зоны; БЬ_И8Ь5 являются термы двух входных величин температуры свода и дна пятой зоны; БЬ_и8ЬРЭ являются термы двух входных величин атмосферного давления и давления в печи.
В блоке БЬ_и8Ь1 заданы правила, на основе которых происходит выбор одного из двадцати девяти термов VI, У2, У3 и т. д. выходной величины Х1. Каждый из двадцати девяти термов соответствует определённому углу поворота заслонки: от + 40 до - 40 градусов от изначально установленного положения.
Шаг регулировки составляет в диапазоне: от 0 до + 22 и от 0 до - 22 градуса два градуса; от + 22 до + 30 и от - 22 до - 30 четыре градуса; от + 30 до + 40 и от - 30 до - 40 десять градусов. Выходное значение этого блока выбранный по определённым правилам терм поступает на
-ВІ 1 35 ( 1 )
ТЭ1
Р2
РЗ
Р4
РЕ
РЄ
Р7
Р8
РЭ
1_1_34 { 2 )
Т01
Р2
РЗ
Р4
РЕ
те
Р7
Р8
РЭ
Рисунок 2. Блок фаззификации реализованный в ББО
вход дефаззификатора В1_М2. Для блоков БЬ_ШЬ2, БЬ_ШЬ3, БЬ_ШЬ4, БЬ_ШЬ5 правила организованы аналогичным образом.
В блоке БЬ_и8ЬРЭ (изображен на рис. 5) заданы правила, на основе которых происходит выбор одного из девяти термов выходной величины «У». Каждый из девяти термов соответствует определённому углу открытия заслонки: от + 8 до - 8 градусов от изначально установленного положения. Выходное значение этого блока выбранный по определённым правилам терм поступает на вход дефаззификатора В1ЕЛ2РВ.
Блоки дефаззификации В1_ЕЛ2 (изображён на рис. 6) и позволяют из терма пришедшего на их вход получить четкое значение положение заслонки.
Значения, поступающие с блоков дефаззификации В1_ЕЛ22 и В1_ЕЛ24, имеют вес по 15%
в общем регулировании. Значение, поступающее с блока дефаззификации DI_FAZ3, имеет вес 60% в общем регулировании, листинг программы (см. приложение А). Блок задания весовых коэффициентов RUD реализованный в FBD представлен на рисунке 7.
Условия функционирования программы реализующей нечёткий регулятор на основе булевых функций: на компьютере установлена программа инструментальной среды разработки промышленных контролеров CONCEPT ®, поддерживаемые операционные системы Windows NT/2000/XP, поддерживаемые программируемые контроллеры Quantum, Momentum, Atrium, Premium и SIMATIC S7-400.
Построив математическую модель стекловаренной печи в программе MatLab 6.5, можно
<^cona.usiow v^>
Рисунок З. Логическая схема фаззификации
ГВ1_1_17 { 3 )
В1_ иБ1_2
Э1 VI
32 У2
83 УЗ
Э4 У4
Э5 У5
зе V©
Э7 \п
Э 8 У8
39 УЭ
ОТ У10
02 VII
03 У12
04 VI3
05 VI4
06 VI5
07 VI©
08 VII
09 V^Э V20 У21 У22 У23 У24 V25 V26 У27 V2B У2Э
Рисунок 5. Блок условий БЬ_и8ЬРВ реализованный в ББО
РВI___1__28 (23 )
яио
іт 7
1 N2
ІГМЗ
ІГ44
1Ы5
■Ог
Рисунок 4. Блок условий БЬ_иБЬ реализованный в ББО
Рисунок 7. Блок задания весовых коэффициентов ЯиБ реализованный в ББЬ
Рисунок 6. Схема логической дефаззификации
проанализировать преимущества и недостатки системы управления с четкими и нечеткими регуляторами.
На графике из рисунка 8 видно, что хотя классические ПИД-регуляторы справляются с задачей регулирования, всё же выход объекта управления системы с нечётким контроллером имеет меньшее перерегулирование и время переходного процесса.
Время регулирования, определяется как время, при достижении которого выходная величи-
на достигает границ диапазона 95-105% и больше не выходит за них. С чётким регулятором время регулирования составляет 51,2 с, с нечётким регулятором время регулирования составляет, 41,8 с. Таким образом, нечёткий регулятор имеет на 9,4 с меньшее время переходного процесса.
Из рисунка 9 видно, что выход объекта управления системы с нечётким регулятором имеет значительно меньшее перерегулирование, количество колебаний и время переходного процесса. Это доказывает, что классический ПИД-
'№)
( ' N 'Л с ІЕ. ЧЁТКИ * рЕггт гором
\ \ \
\
с 1 ■■"ДД — * * — г - 1 * ”■ * ™ 1 1 \ ,, „ “" * —
1 1 1 с п» 1 Д-РЕ ГУ/Й ПОРОМ
1 1 1
1 1 1 !
1 1 1 (сек
т? * 0 1 5 2 0 2 3 0 3 5 4 0 4 5 5 0 55 6 0 6 5 7 75 80 а 5 9 0 5 5
Рисунок 8. Переходные процессы регулирования давления в стекловаренной печи с четким и нечётким регуляторами
Рисунок 9. Переходные процессы регулирования температуры в стекловаренной печи с четким и нечётким регуляторами
регулятор не справляется должным образом с регулированием среды с инерционными задержками, такими как варка стекломассы. Для стекловаренной печи имеет быть более предпочтительным система управления температурой с нечётким регулятором.
Проанализировав переходный процесс регулирования температуры в стекловаренной печи с нечётким регулятором, убеждаемся в правильности синтеза рассматриваемой системы, заметим маленькую динамическую ошибку 24,8% и время регулирования 9,44 мин.
24.12.2013
Список литературы:
1. Каяшев А. И., Муравьева Е. А., Габитов Р. Ф. Scada-система на основе многомерного четкого логического регулятора для управления цементной печью. Вестник УГАТУ. Уфа: УГАТУ, 2010 Т. 14, №4 (39). С. 119-2. 2.
2.. Ю.А. Гулоян. Технология изготовления стекла и стеклоизделий. В.:Владимириздат, 2003 - 274с.
3. В. Денисенко. ПИД-регуляторы: принципы построения и модификации М.:Энергоиздат 2002 - 29с
4. Руководство пользователя. Система управления процессом. SIMATIC WinCC. Siemens 2003 - 34 c.
5. Бутт Л.М. Полляк В.В. Технология стекла. Стройиздат М. 1971г. 368с;
6. Справочник по производству стекла / под ред. И.И. Китагородского и С.И. Сильвестровича. - М.: Стройиздат, 1963. -т. 2. - с. 643 - 655
7. Zadeh L.A. Fuzzy sets. - Information and Control. 1965, №8, p.338-353.
Сведения об авторах:
Суликова Валентина Александровна, ассистент кафедры производства строительных материалов, изделий и конструкций Кумертауского филиала Оренбургского государственного университета
E-mail: [email protected]
