CC BY
120
'Вютньк, QjrAQhOj
Уфа : УГАТУ. 2011___________________________________________________________________Т. 15, №2(42). С. 114-118
УПРАВЛЕНИЕ, ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА И ИНФОРМАТИКА
УДК 004.8:666
А. И. Каяшев, Л. Ю. Полякова, Т. В. Сазонова, Е. А. Муравьева
ЧЕТКИЙ ЛОГИЧЕСКИЙ РЕГУЛЯТОР ТЕМПЕРАТУРЫ В АВТОКЛАВЕ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ГАЗОСИЛИКАТНЫХ ШЛАКОБЛОКОВ
Предложена система регулирования температуры и давления в технологическом процессе автоклавного твердения газосиликатных шлакоблоков на основе ПИД-регулятора, в котором дискретное изменение коэффициентов передачи пропорциональной, интегральной и дифференциальной составляющих производится четким логическим регулятором, обладающим по сравнению с типовыми нечетким регуляторами большим быстродействием и меньшей погрешностью. Отклонение реальных значений температуры и давления от регламентных в технологических стадиях прогрева, выдержки и охлаждения автоклава составляет не более (2 3)%. Нелинейная зависимость температуры от времени на стадии охлаждения представлена кусочно-
линейной функцией с десятью интервалами продолжительностью по 12 мин. Ресурсосбережение; совокупность четких термов; система продукционных правил; шлакоблочная смесь; автоклавное твердение; золошлакоотходы; технологический регламент
Для производства газосиликатных шлакоблоков автоклавного твердения фирма «Спец-стройматериалы» г. Кумертау использует четыре компоненты: негашеная известь, тонкодисперсный кремнеземистый компонент (золошлакоотходы (ЗШО) Кумертауской теплоэлектроцентрали (ТЭЦ), работающей на бурых углях), газообразователь (алюминиевая пудра в виде суспензии) и вода. При этом состав вяжущих веществ и наполнителей определяет такие качества газосиликатных шлакоблоков, как теплопроводность, удельный вес, устойчивость к воздействию влаги и атмосферных явлений. Основные характеристики, которыми газосиликатные блоки отличаются от других стеновых материалов, - это экологичность, безопасность, повышенная прочность и высокие теплоизоляционные характеристики.
1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА
Производство шлакоблоков автоклавного твердения достаточно хорошо освещено в литературе [3, 5], однако вопросы управления такими производствами, использующими ЗШО теплоэлектроцентралей, работающих на бурых углях, до сих пор не нашли должного отражения в печати. Вызвано это тем, что золы содержат большое количество недожога, который необходимо отсеить. Крупные частицы недожженного бурого угля используются при топке в котельной, а просеянные ЗШО вместе с известью измельчаются в планетарных мельницах, в которых одновременно происходит высушивание за счет оставшихся частиц недожога. В свою очередь, степень измельчения, т. е. тонина по-
Контактная информация: (3473) 28-64-70
мола, влияет на качество газозолосиликатного шлакоблока, а содержание оксида железа в золах не позволяет традиционным методом изготавливать шлакоблоки, так как при достижении определенной температуры оксиды железа преждевременно кристаллизуются, что сильно ухудшает качество готовой продукции. Из-за сложности алгоритма управления производством шлакоблоков автоклавного твердения к настоящему времени его удалось реализовать только в полуавтоматическом режиме с использованием типовых нечетких регуляторов (ТНР), а информация об этих алгоритмах существует только в виде устных знаний небольшой группы экспертов фирмы «Спецстройматериалы». Кроме того, ТНР не позволяют обеспечить (главным образом из-за процедуры дефаззификации [1, 2, 4]) необходимую точность поддержания температуры и давления в стадиях функционирования автоклава. Все это говорит о целесообразности автоматизации упомянутого технологического процесса на основе четкого логического регулятора, который по сравнению с ТНР обладает меньшей погрешностью регулирования [6].
2. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Технологический регламент производства газосиликатных шлакоблоков автоклавного твердения состоит из пяти стадий: загрузка автоклава, прогрев, выдержка, охлаждение и выгрузка готового продукта. Для получения качественных шлакоблоков температура и давление в автоклаве на стадиях прогрева, выдержки и охлаждения должны изменяться по графикам, изображенным на рис. 1, с допустимым отклонением ±5%. Причем изменение температуры
в стадии охлаждения состоит из 10 временных интервалов продолжительностью 12 мин. со «своими» законами изменения температуры, в то время как давление в этой стадии уменьшается по линейному закону. Задача управления усложняется еще и тем, что длительность стадий 2^4 и законы изменения температуры и давления в автоклаве меняются в зависимости от количества вводимой добавки в шлакоблочную смесь для нейтрализации оксида железа, содержание которого в составе ЗШО Кумертау-ской ТЭЦ меняется в широких пределах.
Рис. 1. Один из шести режимов работы автоклава: ° - эксперимент; — -технологический регламент
В ходе технологических экспериментов выявлено шесть оптимальных значений нейтрализующих добавок с разной продолжительностью временных интервалов и со своим графиками изменения температуры и давления, а значит, и с различными режимами работы автоклава, при которых обеспечивается наилучшее качество шлакоблоков и минимум энергозатрат. Совершенно очевидно, что для управления упомянутыми режимами требуются отдельные регуляторы со своими коэффициентами передачи.
3. СИНТЕЗ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ АВТОКЛАВА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ГАЗОСИЛИКАТНЫХ ШЛАКОБЛОКОВ
Поскольку внутри каждой технологической стадии температура и давление во времени во
всех технологических стадиях изменяются по линейному закону (кроме изменения температуры в зоне охлаждения), то управление процессом автоклавного твердения шлакоблоков целесообразно возложить на программно-реализованный ПИД-регулятор [7], коэффициенты передачи которого автоматически устанавливаются четким логическим регулятором в соответствии с графиками, изображенными на рис. 1, для одной из шести нейтрализующих добавок в шлакоблочную смесь. Из рис. 1 следует, что по стадиям в автоклаве необходимо реализовать следующие законы изменения температуры Т(0 и давления Р(0 во времени Р.
90^ (Стадия 1);
180^ (Стадия 2);
180 -100 • (Г -10) (Стадия 3);
Т(Г) = Л60 -100 • (Г -10,2) (Стадия 4); (1)
60 - 50 • (ґ -11,8) (Стадия 12).
0,6 • ґ (Стадия 1);
1,2 (Стадия 2); (2)
10 - 5 • (ґ -10) (Стадия 3).
Р(ґ) =
В выражении (1) нелинейная зависимость температуры от времени на стадии охлаждения подвергнута кусочно-линейной аппроксимации, в результате чего внутри каждого из десяти интервалов времени, длительностью 12 мин., покрывающих эту стадию, функция Т(0 заменена соответствующим линейным отрезком. Линейность функции Р(0 внутри всех стадий работы автоклава позволяет представить ее тремя функциями (2).
Структурная схема, реализующая предлагаемую концепцию регулирования температуры в автоклаве, представлена на рис. 2. Регулятор давления имеет аналогичную структуру.
Совокупность четких термов Т1-Т12, интерпретирующих продолжительность стадий работы автоклава, изображена на рис. 3, из которого следует, что ширина терма Т составляет 2 часа, терма Т2 - десять часов, а четкие термы Т3 - Т\2 имеют одинаковую ширину, равную 12 мин. В свою очередь, линейность функции Р(0 на стадии охлаждения позволяет адекватно интерпретировать ее совокупностью трех четких термов, из которых термы Р1 и Р2 имеют такую же ширину, что и термы Т1 и Т2, а для представления стадии охлаждения по давлению достаточно одного терма Р3 с шириной 2 часа.
Рис. 2. Система регулирования температуры в автоклаве с четким логическим регулятором: ИМ -исполнительный механизм; Кп, Ки, Кд - коэффициенты передачи соответственно пропорциональной, интегральной и дифференциальной составляющих ПИД-регулятора;
Т, Тзад - фактическая и заданная температура в автоклаве, °С; АТ = Т- Тзад
Принципиальная особенность четких термов по сравнению с нечеткими состоит в их логической природе - они являются аргументами двузначной логики.
м(0.
1
0,5 --
Охлаждение
•Т12
11
12 і, час
Рис. 3. Четкие термы логической переменной Т (температура в автоклаве)
Отсюда следует, что у логической переменной Т (температура в автоклаве) на рис. 3, представленной совокупностью четких термов Т1 ^ Т12, в любой момент времени имеется только один терм, значение которого равно логической единице. Аналитически это можно представить следующим выражением:
Г1, если t., < t < t., то есть t е Т;
тп (0 = Г 1-1 (3)
[0, если ti_1 > t > ti, то есть t Й Т,
где і = (1 +12)- номер терма логической переменной Т (температура в автоклаве). Например, для терма Ті і = 1, цТ1(і) = 1 при 0 < і <2. Во всех остальных случаях ц Т1(і) = 0.
Таблица 1 Исходные данные для синтеза четкого логического регулятора температуры
Если 0 < t < 2 (Т = Т1), ТО Кп = 1,1
Ки = 3,4
Кд = 15
Если 2 < t < 10 (Т = Т2), ТО Кп = 1 Ки = 2,9 Кд = 9
Если 10 < t < 10,2 (Т = Т3), ТО Кп = 0,39 Ки = 5,5 Кд = 0,1
Если 10,2 < t < 10,4 (Т = Т4), ТО Кп = 0,37 Ки = 5,3 Кд = 8
Если 10,4 < t < 10,6 (Т = Т5), ТО Кп = 0,35 Ки = 5,1 Кд = 7
Если 10,6 < t < 10,8 (Т = Тб), ТО Кп = 0,33 Ки = 0,49 Кд = 0,1
Если 10,8 < t < 11 (Т = Т7), ТО Кп=0,31 Ки=0,47 Кд = 5
Если 11 < t < 11,2 (Т = Т8), ТО Кп = 0,29 Ки = 0,45 Кд = 4,5
Если 11,2 < t <11,4 (Т = Т), ТО Кп = 0,27 Ки = 0,43 Кд = 4
Если 11,4 < t < 11,6 (Т = Т10), ТО Кп = 0,25 Ки = 0,41 Кд = 3,5
Если 11,6 < t < 11,8 (Т = Т„), ТО Кп = 0,26 Ки = 0,42 Кд = 3,25
Если 11,8 < t < 12 (Т = Т12), ТО Кп = 0,25 Ки = 0,41 Кд = 3
Т аблица 2 Исходные данные для синтеза четкого логического регулятора давления
Если 0 < t < 2 (P = P1), ТО Кп = 2,1
Ки = 4,4
Кд = 13,5
Если 2 < t < 10 (P = P2), ТО Кп = 2,1 Ки = 3,9 Кд = 8,28
Если 10 < t < 12 (P = P3), ТО Кп = 0,49 Ки = 3,5 Кд = 0,31
Исходные данные для построения системы продукционных правил четкого логического регулятора температуры и давления представлены в табл. 1 и 2 соответственно.
Числовые значения коэффициентов Кп, Ки и Кд в табл. 1 и 2 взяты из результатов настройки ПИД-регулятора при работе с реальным объектом (автоклавом) в каждой технологической зоне. По табл. 1 и 2 построены системы продукционных правил с четкими темами, реализующие логические регуляторы температуры и давления, состоящие из 12 и 3 продукций соответственно. Например, первое продукционное правило регулятора температуры имеет вид:
Если Т = Т & Р = Л & К1,
ТО Кп = 1,1 & Ки = 3,4 & Кд =15,
где К1 - дискретный сигнал от путевого датчика «Контроль закрытия дверки автоклава».
То же самое для регулятора давления:
Если Р = Р1 & Т = Т1 & К1,
ТО Кп = 2,1 & Ки = 4,4 & Кд = 13,5.
Цикл работы автоклава инициируется подачей на блоки «Технологические часы» и «Задатчик температуры» сигнала «Автоклав загружен» (рис. 2). С первого выхода технологических часов подается сигнал на задатчик температуры, на выходе которого вырабатываетя функция Тзад = 90-і, соответствующая стадии прогрева (1). Одновременно с выхода 2 этого же блока подается команда на вход четкого логического регулятора (ЧЛР), в результате чего на его выходе выставляются значения коэффициентов для ПИД-регулятора в соответствии с табл. 1 при Т = Т1, т. е. Кп = 1,1, Ки = 3,4, Кд = 15. ПИД-регулятор вырабатывает управляющее воздействие и, которое исполнительным механизмом ИМ преобразуется в угол поворота ф вентиля, регулирующего подачу пара в автоклав.
По истечении двух часов на выходе задатчика температуры и выходах ЧЛР устанавливаются сигналы, соответствующие стадии выдержки (в табл. 1 четкий терм Т2), и в автоклаве до 10 часов с момента начала технологического цикла ПИД-регулятором поддерживается температура, равная 180 °С. При равенстве логической единице терма Т3 описанный процесс повторяется со значениями Тзад, Кп Ки и Кд, соответствующими этому терму в выражении (1) и табл. 1. Затем то же самое выполняется для остальных термов Т4^Т12 вплоть до окончания цикла работы автоклава. Аналогичным образом логический регулятор давления реализует три режима для стадий прогрева, выдержки и охлаждения, которые интерпретируются четкими термами Р^Р3 (табл. 2). Как следует из рис.1, погрешность регулирования во всех технологических стадиях не превышает (2^3)%, что приводит к повышению качества шлакоблоков и снижению их себестоимости на (20^30)%.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
По сравнению с нечеткими регуляторами четкие логические регуляторы в сочетании с ПИД-регулятором позволяют более точно и проще реализовать в широком диапазоне изменение температуры и давления во времени по заданной программе, предусмотренной технологическим регламентом процесса автоклавного твердения газосиликатных шлакоблоков. Для ПИД-регуляторов температуры и давления в автоклаве (стадии прогрева, выдержки и охлаждения) экспериментально получены приемлемые с точки зрения устойчивости регулирования и качества газосиликатных шлакоблоков значения коэффициентов передачи для пропорциональной, интегральной и дифференциальной составляющих.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Круглов В. В., Дли М. И. Интеллектуальные информационные системы: компьютерная поддержка систем нечеткой логики и нечеткого вывода. М.: Физматлит, 2002.
2. Леоненков А. В. Нечеткое моделирование в среде MATLAB и Fuzzy TECH.-СПб.: БХВ-Петербург, 2005. 736 с.
3. Чаус К. В., Чистов Ю. Д., Лабзина Ю. В. Технология производства строительных материалов, изделий и конструкций. М.: Стройиздат, 1988. 448 с.
4. Васильев В. И., Ильясов Б. Г. Интеллектуальные системы управления. Теория и практика: учеб. пособие. М.: Радиотехника, 2009. 392 с.
5. Боженов П. И. Технология автоклавных материалов. Л.:, Стройиздат, Ленингр. отд., 1978. 368 с.
6. Каяшева Г. А., Муравьева Е. А., Бауманов И. Ф. Дискретно-логическая система регулирования величины pH электролита в производстве хлора методом электролиза // Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности: Науч.-техн. журнал. М.: ОАО «ВНИИОЭНГ». 2008. № 1. С. 10-13.
7. Методы классической и современной теории автоматического управления: Учеб. в 5-ти т.; 2-е изд., перераб. и доп. Т3: синтез регуляторов систем автоматического управления / Под ред. К. А. Пупкова и Н. Д. Егупова. М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2004. 616 с.
ОБ АВТОРАХ
Каяшев Александр Игнатьевич, проф., зав. каф. автоматиз. технолог. и инф. систем фил. УГНТУ в г. Стерлитамаке. Д-р техн. наук по автоматиз. и упр. технолог. проц. и произв. Исслед. в обл. интел. упр-я.
Полякова Лариса Юрьевна, доц., зав. каф. электроснабжения пром. предприятий фил. Орен-бургск. гос. ун-та (ОГУ) в г. Кумертау. Канд. техн. наук по автоматиз. и упр. технолог. проц. и произв. (УГАТУ, 2007). Иссл. в обл. интел. упр-я.
Сазонова Татьяна Васильевна, ст. преподаватель каф. «Электроснабжение промышленных предприятий» фил. ОГУ в г. Кумертау. Дипл. инженер (УГАТУ, 2005). Исслед. в обл. интеллект. упр-я.
Муравьева Елена Александровна, доц. каф. автоматиз. технол. и инф. систем филиала УГНТУ в г. Стерлитамаке. Дипл. инженер (УГНТУ, 1998). Канд. техн. наук по автоматиз. и упр. технол. проц. И произв. (УГАТУ, 2001). Докторант УГАТУ (2010). Иссл. в обл. интел. упр-я.
