CC BY
109
УДК 519.715
С.В. Куранов, В.А. Иващенко, О.А. Крайнов ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СИСТЕМЫ НЕЧЕТКОГО ВЫВОДА ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ СТЕКЛОМАССЫ В ВАННОЙ ПЕЧИ
Предложен подход к повышению точности измерения уровня стекломассы в ванной печи, в основу которого положена система нечеткого вывода. Использование данного подхода при управлении технологическим процессом варки стекла обеспечивает существенное повышение его качественных показателей.
Технологический процесс, варка стекла, автоматизированное управление, система нечеткого вывода, продукционная база правил
S.V. Kuranov, V.A. Ivaschenko, O.A. Krainov USING FUZZY INFERENCE FOR ENHANCING THE ACCURACY OF GLASS LEVEL MEASUREMENT IN A TANK FURNACE
An approach is offered to improve the accuracy of the molten glass level measurement in a tank furnace, which is based on a system of fuzzy inference. Using this approach for the process control system, allows a significant increase in the quality of its performance.
Process, cooking glass, automatic control, fuzzy inference system, product rule base
Введение
При управлении сложным производством возникает проблема получения точной информации с датчиков различной природы. Однако не все существующие датчики соответствуют предъявляемым им требованиям по быстродействию, помехозащищенности и другим показателям, в том числе точности измерений.
Так, качество стекла сильно зависит от постоянства поддержания нужного уровня стекломассы в ванной печи, которое непосредственно зависит от точности показаний датчика уровня стекломассы. В то же время за счет таких факторов, как изменение давления в ванной печи, меняющегося непрерывно за счет влияния внешних условий, данные, снимаемые с датчика уровня стекломассы в ванной печи, имеют значительные колебания или броски [1]. При этом фактический уровень стекломассы не меняется, а регулятор начинает отрабатывать возмущения, что приводит уже к фактическим отклонениям уровня.
1. Актуальность повышения точности измерения уровня стекломассы в ванной печи
В ванной печи в основном применяются четыре типа датчиков уровня стекломассы:
1. Устаревший электроконтактный датчик, с помощью которого снимаются показания в дискретные моменты времени. При его использовании возможны ошибки из-за налипания стекломассы на электрод.
2. Распространенный в настоящее время поплавковый датчик снимает показания постоянно. На его показания оказывают влияние характеристики контура давления и вязкость стекломассы (состав шихты). Также возможно налипание стекломассы.
3. Современный радиоактивный датчик. Его недостатки аналогичны недостаткам поплавкового датчика, но влияние изменения давления на его показания выражено в меньшей степени. Состав стекломассы оказывает влияние на показания датчика лишь за счет изменения своих отражающих свойств.
4. Оптический датчик имеет недостатки, присущие радиоактивному датчику.
При неудачном выборе места установки оптического и радиоактивного датчиков возможно возникновение сильных погрешностей измерений за счет температурной деформации ванной печи.
Все виды датчиков рассчитаны на использование чистой стекломассы, что на практике не всегда достижимо (могут иметь место включения различного происхождения) как в варочной, так и в студочной частях ванной печи.
Как видно, ни один из существующих типов датчиков уровня стекломассы не отвечает в полной мере требованиям точности измерения ее уровня. Однако точность измерения уровня стекломассы можно повысить за счет применения нескольких датчиков уровня, объединяя их показания. Применять при этом метод нахождения среднего арифметического представляется нецелесообразным ввиду того, что факторы, искажающие показания, могут оказывать подобное влияние на данные, снимаемые со всех датчиков, участвующих в измерении. При этом применение этих методов существенного повышения точности измерения в таких условиях не даст.
Формально приближенное значение уровня стекломассы можно выразить соотношением
к = к1 х + к2х2 +... + кпхп, где хь х2, ..., хп - показания соответствующего датчика; к1, к2, ..., кп - поправочные коэффициенты,
п
характеризующие степень достоверности показания датчика в данный момент; к е (0,1), ^ к1 = 1.
1=1
Таким образом, определение значения уровня стекломассы в ванной печи сводится к нахождению поправочных коэффициентов.
2. Подход к повышению точности измерения уровня стекломассы в ванной печи
Для определения поправочного коэффициента предлагается использовать систему нечеткого вывода. Применение системы нечеткого вывода позволяет использовать субъективные знания экспертов, что является эффективным при решении плохо формализуемых задач [2]. Подсистема нечеткого вывода при опросе одного датчика приведена на рис. 1.
Изменение давления за период Л Г
Отклонение показания датчика от среднего значения за период ЛГ
Рис. 1. Система нечеткого вывода Этапы нечеткого вывода приведены на рис. 2.
Система нечеткого вывода имеет две входные лингвистические переменные: «Отклонение от среднего значения с датчика за период Д7», «Изменение давления за период Д7»; выходную переменную «Степень достоверности значения датчика».
Рис. 2. Этапы нечеткого вывода
В качестве функции принадлежности нечетких переменных принята трапецеидальная функция (рис. 3).
Степень адекватности показания датчика
X1 X2 X3 Значения параметров
нечетких переменных
Рис. 3. Функции принадлежности входных переменных
В роли термов лингвистических переменных выступают следующие характеристики: высокая степень соответствия - H (англ. high — высоко), средняя - A (англ. average — неизвестно), низкая -L (англ. low — низко).
Нечеткая база правил содержит набор нечетких продукционных правил:
Правило 1. Если «Отклонение от среднего значения показания датчика за период AT» H и «Изменение давления за период AT» H, то «Степень достоверности значения датчика» L.
Правило 2. Если «Отклонение от среднего значения показания датчика за период AT» A и «Изменение давления за период AT» H, то «Степень достоверности значения датчика» L.
Правило 3. Если «Отклонение от среднего значения показания датчика за период AT» L и «Изменение давления за период AT» H, то «Степень достоверности значения датчика» A.
Правило 4. Если «Отклонение от среднего значения показания датчика за период AT» A и «Изменение давления за период AT» H, то «Степень достоверности значения датчика» L.
Правило 5. Если «Отклонение от среднего значения показания датчика за период AT» A и «Изменение давления за период AT» A, то «Степень достоверности значения датчика» A.
Правило 6. Если «Отклонение от среднего значения показания датчика за период AT» A и «Изменение давления за период AT» L, то «Степень достоверности значения датчика» H.
Правило 7. Если «Отклонение от среднего значения показания датчика за период AT» L и «Изменение давления за период AT» H, то «Степень достоверности значения датчика» A.
Правило 8. Если «Отклонение от среднего значения показания датчика за период AT» L и «Изменение давления за период AT» A, то «Степень достоверности значения датчика» H.
Правило 9. Если «Отклонение от среднего значения показания датчика за период AT» L и «Изменение давления за период AT» L, то «Степень достоверности значения датчика» H.
Фаззификация входных переменных осуществляется в соответствии с представленными на рис. 3 функциями их принадлежности. Численные значения параметров этих переменных для ванной печи ЛТФ-1 ОАО «Саратовстройстекло» приведены в табл. 1.
На этапе агрегирования подусловий вычисляется степень истинности каждого из правил нечеткого вывода. Правила со степенью истинности больше 0 считаются активными и используются в дальнейших вычислениях.
В качестве функции принадлежности выходной нечеткой переменной принята прямоугольная функция.
Таблица 1
Численные значения параметров входных переменных для ванной печи ЛТФ-1 ОАО «Саратовстройстекло»
Входные переменные Xi X2 хз
Отклонение от среднего значения с датчика за период Л Г, % <0,5 0,5..1 >1
Изменение давления за период ЛГ, % <1 1..2 >2
Результатом активизации для прямоугольной функции принадлежности будет четкое значение для каждого правила из нечеткой базы правил, и поэтому этап аккумулирования заключений фактически отсутствует.
На этапе дефаззификации определяется четкое значение выходной нечеткой переменной, выражающее оцененную степень достоверности показания датчика с помощью метода центра тяжести для одноточечных множеств.
Для проверки работы алгоритма скорректирована действующая программа управления ванной печью ЛТФ-1 ОАО «Саратовстройстекло». Так как непосредственно оценить повышение точности измерения уровня стекломассы невозможно ввиду отсутствия эталонного уровнемера, то оценка эффективности изменения производилась по косвенным параметрам, таким как общее снижение брака, увеличение количества листового стекла высшего качества, более равномерная работа загрузчиков и визуальное отсутствие отклонения. Визуально обнаружить отличия в работе оборудования не удалось, заметной разницы в работе загрузчиков также не выявлено.
Результаты апробации предложенного подхода к повышению точности измерения уровня стекломассы в ванной печи на ОАО «Саратовстройстекло» показали, что его использование обеспечивает высокую точность измерительной информации. Ввиду нетребовательности к вычислительным ресурсам он применим в самых простых автоматизированных системах управления технологическим процессом варки стекла.
В табл. 2 приведены результаты сравнения разбраковок в течение двух недель до изменения рабочей программы управления ванной печью ЛТФ-1 ОАО «Саратовстройстекло» и двух недель после этого.
Как видно из таблицы, имеет место снижение брака стекла марки М1, характеризуемого малым количеством дефектов (не более одного дефекта минимального размера на лист стекла) в среднем на 4 %.
Таблица 2
Сравнение разбраковок стекла по маркам до и после изменения программы управления ванной печью ЛТФ-1 ОАО «Саратовстройстекло»
Порядковый номер дня 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Среднее значение
До изменения программы управления ТП варки стекла
Брак в процентах 23 17 19 14 26 30 33 25 16 20 24 28 23 20 22,71
Выход стекла марки M1 в процентах 60 64 67 69 59 57 53 59 69 58 56 57 62 58 60,57
После изменения программы управления ТП варки стекла
Брак в процентах 19 16 21 25 15 18 24 24 14 12 17 20 22 17 18,85
Выход стекла марки M1 в процентах 61 64 59 59 67 63 55 58 71 73 64 62 58 63 62,64
Заключение
Предложена система нечеткого вывода, обеспечивающая повышение точности измерения уровня стекломассы в ванной печи за счет снижения влияния на технологический процесс варки стекла помех от внешних, искажающих результаты измерений.
Данная система может быть использована при построении АСУ технологическим процессом варки стекла.
Система апробирована на тестовых данных, полученных с ОАО «Саратовстройстекло».
ЛИТЕРАТУРА
1. Макаров Р.И. Управление качеством листового стекла (флоат-способ) / Р.И. Макаров,
B.В. Тарбеев, Е.Р. Хорошева. М.: Изд-во АСВ, 2002. 192 с.
2. Куранов С.В. Нечеткое моделирование в проектировании АСУ ТП варки стекла /
C.В. Куранов, Д.Ю. Петров, В.А. Иващенко // Математические методы в технике и технологиях -184
ММТТ-22: сб. тр. XXII Междунар. науч. конф.: в 11 т. Т. 11: Летняя Школа молодых ученых / под общ. ред. д.т.н., проф. В.С. Балакирева. Иваново: Изд-во Иванов. гос. хим.-технол. ун-та, 2009.
С. 272-275.
Куранов Сергей Владимирович -
аспирант кафедры «Системотехника» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Sergei V. Kuranov -
Postgraduate
Department of Systems Engineering, Gagarin Saratov State Technical University
Иващенко Владимир Андреевич -
доктор технических наук, ведущий научный сотрудник Института проблем точной механики и управления РАН, г. Саратов
Vladimir A. Ivaschenko -
Dr. Sc., Leading Researcher
Institute of Precision Mechanics and Control,
Saratov
Крайнов Олег Алексадрович -
ведущий инженер по автоматизации
технологических процессов
ОАО «Саратовстройстекло», г Саратов
Oleg A. Krainov -
Leading Engineer
in Technological Processes Automatization JSC «Saratovstroysteklo», Saratov
Статья поступила в редакцию 15.07.12, принята к опубликованию 06.11.12
