CC BY
20
шнЕРШшРЕтурсшшБЕШШЕтишшэнЕРШяэФФЕШшвютишЬ 15
УДК 517.977
Конструирование интеллектуальных микропроцессорных систем энергосберегающего управления динамическими объектами
О. А. Белоусов,
Тамбовский государственный технический университет, кафедра «Конструирование радиоэлектронных и микропроцессорных систем», доцент
Ю. Т. Зырянов,
Тамбовский государственный технический университет, кафедра «Конструирование радиоэлектронных и микропроцессорных систем», профессор
А. В. Петров,
Тамбовский государственный технический университет, кафедра «Конструирование радиоэлектронных и микропроцессорных систем», аспирант
Рассматриваются проблемы создания интеллектуальной микропроцессорной системы энергосберегающего управления динамическими объектами на примере электрических печей с применением нечёткой логики.
Ключевые слова: энергосберегающее управление, информационные технологии, конструирование интеллектуальных систем, нечёткая логика.
На многих отечественных предприятиях используется энергоёмкое оборудование, выпущенное 15-20 лет назад и ранее, замена которого на более современное в ближайшей перспективе не предусматривается по ряду причин (высокая стоимость, длительный срок окупаемости, необходимость переобучения персонала и др.). Поэтому большой интерес для таких предприятий представляет путь модернизации существующего оборудования, например, за счёт замены устаревшей системы автоматики на новые промышленные контроллеры, обеспечивающие подачу энергосберегающих управляющих воздействий на объект.
Важным резервом снижения энерго- и ресурсопотребления указанными объектами является энергосберегающее управление динамическими режимами с учётом изменяющихся состояний функционирования. Теоретические исследования [1] для отдельных объектов показывают, что при оптимальном управлении уменьшение затрат энергии (расхода топлива) составляет от 15 до 20 % по сравнению с традиционными видами управляющих воздействий. Одновременно повышается долговечность оборудования.
К энергоёмким динамическим объектам можно отнести электрокамерные печи (ЭКП), используемые для термообработки различных материалов. Для них характерны большая энергоёмкость, циклический характер режима работы, меняющийся в зависимости от плановых заданий, частая смена объёма и вида обрабатываемого материала, изменение заданного значения температуры в зависимости от вида загру-
жаемого материала, наличие возмущений, вызываемых открытием дверцы печи. Основные затраты энергии электрокамерных печей связаны с начальным разогревом печи и догревом до требуемой температуры после открывания дверцы.
Для энергосберегающего управления динамическими режимами работы печей требуется значительный объём входной информации, которая не остаётся постоянной на временном интервале управления, а претерпевает существенные изменения как в планируемые, так и в случайные моменты времени. Применяемые на практике системы управления данными печами не учитывают рассмотренных особенностей. Требуется создание систем, которые способны постоянно отслеживать вид и параметры модели динамики объекта, выбирать оптимальные режимы в любых встречающихся на практике состояниях функционирования. Такие системы способны обеспечить более высокие показатели качества переходных процессов по сравнению с обычными. Поэтому конструирование интеллектуальных микропроцессорных систем энергосберегающего управления динамическими объектами, которые учитывают изменения состояний функционирования в процессе эксплуатации и обеспечивают требуемый уровень качества продукции, является своевременной задачей.
При конструировании интеллектуальной микропроцессорной системы энергосберегающего управления с использованием информационных технологий модель задачи оптимального управления (ЗОУ) можно представить кортежем [2], содержащим обозначения модели динамики объекта управления М,
минимизируемого функционала Р, стратегии реализации оптимального управления S, ограничений и условий Og, т. е.
(1) (2)
или сокращенно
(3)
(4)
(5)
(6)
В формулах (1-5) использованы следующие обозначения: г, Z - вектор фазовых координат и допустимая область его изменения; и, и - управление и область его значений; t, % ^ - соответственно текущее время, начало и конец временного интервала управления; т - время запаздывания по каналу управления; А, В - массивы параметров модели объекта (А - при г, В - при и); J - минимизируемый функционал; f, fo, ф - функции, определяющие соответственно правую часть дифференциального уравнения модели объекта, подынтегральное выражение функционала J и значение оптимальных управляющих воздействий и* в каждый момент времени ^ R - массив исходных данных для решения ЗОУ, т. е.
(7)
В качестве минимизируемого функционала в задачах энергосберегающего управления электрическими печами обычно рассматриваются затраты энергии
Jз= Г и({)й.
(8)
При анализе и синтезе энергосберегающего управления возможны следующие случаи задания массива исходных данных (реквизитов) R.
В первом случае все компоненты массива R считаются известными, и для расчета оптимального управления (ОУ) он имеет вид
(9)
Во втором случае точные значения параметров А, В, т модели в начальный момент времени ^ неизвестны, они корректируются на начальном временном участке скорректированный массив рекви-
зитов принимает вид
В третьем случае в связи с изменившимся условиями функционирования требуется уточнить вид модели и ее параметры, которые здесь могут быть
представлены интервальными значениями или нечеткими числами, т. е.
где А3, Вз, Тз, ,к рассматриваются как нечеткие числа.
В реальных условиях эксплуатации компоненты модели ЗОУ и массива R не остаются постоянными. Это прежде всего относится к параметрам модели объекта, задаваемым концам траектории изменения вектора фазовых координат, продолжительности временного интервала управления, границам изменения управляющих воздействий и другим компонентам массива исходных данных. Изменения компонентов кортежа К и массива исходных данных R могут происходить как между временными интервалами управления, так и внутри этих интервалов. При каждом таком изменении требуется заново решать ЗОУ, так как для новых К и значений массива R оптимальное управление будет другим.
Задача оптимального управления динамическими режимами электрокамерной печи формулируется следующим образом. Задаются: вид математической модели динамики М печи, которая должна учитывать изменение температуры ДТ внутри печи (после открытия дверцы) и величину загрузки V, требования к динамическому режиму (ДР) и вид минимизируемого функционала J. При этом вид модели М и требования ДР становятся известными непосредственно перед началом процесса управления. Требуется оперативно (за допустимое время) проверить существование решения ЗОУ; если решение существует, то определить вид и рассчитать параметры функции ОУ. В противном случае определить управление, при котором динамический режим отличается от требуемого на допустимую величину, например, незначительно увеличивается временной интервал управления
В процессе реальной эксплуатации печей в зависимости от сложившейся производственной ситуации возможны следующие задачи управления динамическими режимами в них.
Задача 1. Для известной модели динамики объекта и ограничениях требуется определить оптимальное управление и* переводящее печь из начального состояния в конечное, т. е. при минимуме функционала (8).
В данной задаче массив исходных данных Rl (см. (9)) в начальный момент времени Ц полностью известен. Решение задачи 1 по данным Rl производится с помощью алгоритма, содержащегося в базе знаний системы управления. Эта задача характерна для режима разогрева печи со стандартной загрузкой, т. е. количество и вид загружаемого материла известны и соответствующие им значения параметров модели берутся из базы данных.
Задача 2. В отличие от задачи 1 здесь параметры модели требуют уточнения. Поэтому для временного интервала используется управление и^),
получаемое решением задачи 1.
По значениям и^^и^^е и г(^)=г^),
t6 [to,to+Дt] корректируются параметры модели Аь
В!, На интервале времени ^ [t0+Дt, tк] для полученной модели динамики и массива данных R2 (см. (10)) определяется и реализуется управление.
Задача 3. Решается при существенном изменении ситуации в печи, например, после открывания дверцы и увеличения или уменьшения объёма загрузки. Здесь требуется идентификация вида и параметров модели, а также коррекция времени Для этого на временном интервале с Дtl>Дt регистри-
руются траектории и1(*)=и1(^,£е и z(•)=z(t),
затем по значениям Ul(•), z(•) определяется вид модели и оцениваются её параметры.
При выборе вида модели и определении времени ^ окончания переходного процесса используется алгоритм нечёткого вывода. Затем для полученной модели массива исходных данных Rз (см. (11)) определяется и* [to+Дtl, (].
Задача 4. Данная задача решается, когда невозможно достоверно идентифицировать вид модели, её параметры или скорректировать время а также в случае, если задача оптимального управления не имеет решения для полученного массива исходных данных. В сложившейся ситуации выработка управляющих воздействий производится с использованием нечёткой логики.
В качестве исходных данных при решении задачи 4 используются вектор измеряемых величин Хизм=(Т, Токр, ДТ) и вектор величин, задаваемых оператором Хоп=(У, Тзад, ДТк), здесь Т - температура внутри камеры, Токр - окружающая температура, ДТ - изменение температуры внутри камеры, V - объём загрузки обрабатываемого материала, Тзад. - заданная оператором температура для конкретного технологического цикла, ДТк - допустимое отклонение конечной температуры. Разность температур ДТ и загрузка V рассматриваются как входные лингвистические переменные Ь =(ДТм, ДТср, ДТб) и К =(Д(м, Д(ср, Д() с термами соответственно ДТм, ДТср, ДТб - «малое отклонение», «среднее отклонение», «большое отклонение» температуры внутри камеры печи и (м, (ср, Vб - «малая загрузка», «средняя загрузка» и «большая загрузка» для загружаемого материала в камеру печи.
Выходной лингвистической переменной является
«моЩность» M=(PоM, ( ^ ( ^бХ здесь Ром -«очень малая мощность», Рм - «малая мощность», Рср - «средняя мощность», Рб - «большая мощность», Роб - «очень большая мощность», их функции принадлежности приведены на рис. 1.
о1-"-*
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Р,%
Рис. 1. Функции принадлежности для термов выходной лингвистической переменной «Мощность»
Алгоритм нечёткого управления печью реализу-етсяс помощью системы продукционных правил П^, .7=1,9 которые для входов «Отклонение температуры при загрузке» (ДТ, °С) и «Величина загрузки» (V, кг) определяют значения выходной переменой «Мощность» (Р, %).
Алгоритмы решения сформулированных задач используются в разработанной радиоэлектронной системе энергосберегающего управления.
При рассмотрении всего комплекса задач управления электрокамерными печами выделяются следующие основные режимы работы:
- энергосберегающий разогрев печи до заданной температуры к требуемому моменту времени;
- стабилизация температуры в печи, т. е. поддержание требуемой температуры с использованием алгоритма регулирования при незначительных отклонениях регулируемой величины от заданного значения;
- устранение существенных отклонений регулируемой величины от требуемой с минимумом затрат энергии;
- режим перехода от разогрева к стабилизации, позволяющий исключить значительное скачкообразное изменение управляющего воздействия.
Наибольший интерес для практики представляют задачи синтеза управляющих воздействий в реальном времени с использованием программной и позиционной стратегий. При программной стратегии, т. е. для моделей ЗОУ вида <М, Р, £=£пр, Оё> задача синтеза ОУ в реальном времени решается непосредственно микропроцессорным управляющим устройством и заключается в следующем. Для заданного массива исходных данных Rh в состоянии функционирования Н требуется за время Д^ не превышающее шаг дискретизации работы микропроцессорного устройства, рассчитать значения вектора синтезирующих переменных Ь^, затем по значению Ьн определить вид функции ОУ и её параметры. Если значение Ьн лежит за пределами допустимой области, то выдается сигнал об отсутствии решения ЗОУ для значений массива Rн и рекомендации по управлению в сложившихся условиях. В случае изменения значения переменной состояния функционирования Н за время Дt определяются новые значения Ьн, вид и параметры функции ОУ. Аналогично формулируется задача синтеза при использовании позиционной стратегии для модели ЗОУ <М, Р, £=£пз, Og>, но здесь при каждом изменении Н определяются вид и параметры синтезирующей функции.
При синтезе энергосберегающего управления в системе с позиционной стратегией наряду с определением вида и параметров синтезирующих функций большое значение имеет обеспечение устойчивости замкнутой системы управления. Устойчивость сначала рассматривается применительно к отдельным состояниям Н, а затем делается вывод об устойчивости в целом на множестве Н={Н}.
Обобщённый алгоритм управления динамическими режимами электрокамерных печей записывается в виде
где гх - температура перехода на режим стабилизации;
в0 - синтезирующая функция на временном интервале í(zx)) энергосберегающего разогрева;
«п - синтезирующая функция в переходном режиме с массивом реквизитов Rп на интервале [Цгх),
«р - алгоритм регулирования при отклонениях Аг1(Ь)=\г1(Ь)-гк, не превышающих допустимое значение Аг^;
«1 - синтезирующая функция при устранении существенных отклонений Агх с массивом реквизитов R1, в котором задается время t1 устранения рассогласования Аг^).
Задача синтеза алгоритмического обеспечения для системы энергосберегающего управления решается в автоматизированном режиме проектировщиком и формулируется следующим образом. Задаются модель объекта управления М, вид минимизируемого функционала Р, ограничения и условия Qg, а также интервалы, в которых могут находиться компоненты массива R при реальной эксплуатации, т. е.
R=(A, В,...),
где А, В - области возможных значений матриц параметров А, В модели объекта (см. (9-11)).
Требуется определить стратегию £ реализации ОУ, наиболее соответствующую условиям эксплуатации, и алгоритм синтеза управляющих воздействий п*(^) при любых изменениях R в пространстве значений R. Важным этапом синтеза является выделение в пространстве синтезирующих переменных области L, соответствующей значениям R6 И, и сопоставление её с областью существования решения ЗОУ Lс. Алгоритм синтеза ОУ должен предусматривать также действия управляющего устройства для значений L, при которых решение ЗОУ не существует (Ьй Lс).
Особый класс задач представляет синтез гарантированного энергосберегающего управления. В данном случае определяется подмножество Нв наиболее вероятных состояний функционирования системы на временном интервале и рассчитывается управление п(^), tе ^о, при котором г^к) достигает задаваемого значения гк с требуемой точностью для Не Нв и функционал Jэ минимален.
Наряду с задачей синтеза управляющих воздействий при известной модели М рассматривается задача совмещённого синтеза, заключающаяся в следующем: для задаваемого массива исходных дан-
ных, в котором отсутствуют достоверные сведения о модели М, требуется за время А^оп<<(^-^) идентифицировать модель динамики объекта, т. е. определить её вид и параметры и затем рассчитать оптимальное управление для tе [^+А^оп^к].
Созданные программные средства обеспечивают автоматизированное решение задач энергосберегающего управления. Они представляют собой программное обеспечение информационной среды для разработки энергосберегающей системы управления электрокамерными печами [3].
Для идентификации моделей динамики использованы экспериментальные данные, содержащие термограммы при различных вариантах загрузки (догрузки) и длительности открытия дверцы печи.
Для обеспечения требований точности описания динамических режимов в задачах 1, 2, 3 используются два вида моделей, учитывающих основные возмущающие воздействия. В моделях первого вида предполагается, что её параметры зависят от изменения температуры АТ (в результате открывания дверцы) и величины загрузки V.
В моделях второго вида перепад температуры АТ и величина догрузки V рассматриваются в качестве возмущений аддитивно. Эти модели позволяют полнее учесть особенности работы электрокамерной печи, они использованы в системе энергосберегающего управления. Первая модель динамики используется при больших отклонений температуры АТ и догрузки V, а вторая модель - при малых.
Практическая реализация управления тепловыми режимами группой электрокамерных печей осуществляется интеллектуальной микропроцессорной системой энергосберегающего управления (СЭУ) (рис. 2).
В состав данной системы входят: блок синтеза цели, виртуальный датчик, экспертная система с базой знаний, база данных, блоки задач, алгоритмов, принятия решений, выработки управлений, исполнения управления и прогноза результатов управления.
На основании сведений об окружающей среде, собственном состоянии, изменении температуры в камере печи АТ и величины загрузки V определяется цель управления (минимизация затрат энергии -цель 1, увеличение производительности - цель 2, повышение качества продукции - цель 3). В базе знаний экспертной системы содержатся сведения, полученные от экспертов, результаты полного анализа энергосберегающего управления для конкретных моделей ЗОУ (кортежей К), значения функций принадлежностей входных и выходных лингвистических переменных, алгоритмы идентификации и др. База знаний вместе с базой данных, содержащей результаты ранее решенных задач, составляют ядро системы управления.
При поступлении информации об открытии дверцы печи, величине отклонения температуры АТ и значения загрузки V системой решаются следующие задачи:
- идентификация модели динамики по участку термограммы после прохождения минимума значения температуры;
шнЕРШвштурснтБЕШШЕтишшэнЕРШяэФФЕШшвюшшь 19
Цель 1. Минимизация
затрат энергии
Рис. 2. Структурная схема интеллектуальной микропроцессорной системы энергосберегающего управления
- определение соответствующей четвёрки (М, Р
3, О8>;
- формирование массива исходных данных для решения ЗОУ;
- определение вида функции оптимального управления и расчёт её параметров.
В случае если не удаётся определить модель динамики, которая удовлетворяет требованиям точности, то осуществляется поиск наиболее близкого вида модели и соответствующей четвёрки.
В соответствии с принятым решением вырабатывается алгоритм расчёта управляющих воздействий, которые реализуются исполнительными органами. Результаты этого воздействия сравниваются с прогнозируемыми.
Вариант технической реализации интеллектуальной микропроцессорной системы энергосберегающего управления группой динамических объектов приведен на рис. 3
В системе предусмотрены регистрация температуры внутри камеры и снаружи печи, решение задач идентификации моделей динамики и оперативного синтеза энергосберегающих управляющих воздействий для отдельных ЭКП и группы ЭКП в целом. Структура системы энергосберегающего управления включает два промышленных многоканальных контроллера ^тСош8000), которые позволяют одновременно управлять небольшими группами ЭКП разных цехов термообработки. Контроллеры подключены к внутренней беспроводной сети управления группой ЭКП ZigBee через внешние адаптеры. Особенности данной сети как сети управления и мониторинга
заключаются в том, что она поддерживает не только простые топологии беспроводной связи («точка-точка» и «звезда»), но и сложные беспроводные сети с ретрансляцией и маршрутизацией сообщений с ячеистой топологией при относительно невысоком энергопотреблении. Данные сети называют самоорганизующимися и самовосстанавливающимися сетями, так как ZigBee-устройства при включении питания благодаря встроенному программному обеспечению умеют сами находить друг друга и формировать сеть, а в случае выхода из строя какого-либо из узлов могут устанавливать новые маршруты для передачи сообщений.
Используемая технология передачи данных позволяет существенно повысить надежность системы в целом за счёт особенностей стандарта IEEE 802.15, что немаловажно для промышленных систем управления и мониторинга. Скорость передачи данных вместе со служебной информацией в сетях ZigBee составляет 250 кбит/с, вполне достаточно для управления группой ЭКП. Радиус охвата приемопередатчиков ZigBee зависит от многих параметров, в первую очередь - от чувствительности приемника и мощности передатчика. На открытом пространстве расстояние между узлами в сети ZigBee измеряется сотнями метров, а в помещении -десятками метров. При этом следует учесть, что зона покрытия сети ZigBee значительно больше, чем расстояние между узлами, так как за счёт ретрансляции сообщений осуществляется наращивание сети. Кроме того, в составе сети имеются беспроводные операторские панели, позволяющие
Брандмауэр
Рабочая станция управления
Технолог участка термообработки
Рабочая станция
TCP/IP
28-портовый модульный интеллектуальный коммутатор 3 уровня с 4 портами Gigadit Ethernet
Удаленный оператор
Беспроводный модуль ZigBee 1
Н ^
Шина управления печами
-ГГ
многоканальный контроллер
,,. т.
Радиоканал Беспроводный модуль ZigBee
многоканальный контроллер
Каналы управления печами
Электрокамерны
печи
Панель оператора с цветным дисплеем,
Шина управления печами
Панель оператора с цветным дисплеем,
Оператор участка термообработки 1
сенсорным экраном и сенсорным экраном и модулем ZigBee модулем ZigBee
А* и JjL ^ Электрокамерные
Jf"1 Т"^
Оператор участка термообработки 2
Рис. 3. Реализация интеллектуальной микропроцессорной системы энергосберегающего управления группой печей:
Т11г.., Т1п — температура внутри камеры печи; Т21,.., Т2п — температура снаружи камеры печи; ии.., ип— управляющие воздействия
оперативно корректировать циклы термообработки. Нижний уровень данной системы управления подключен к общей корпоративной сети производства через интеллектуальный модульный коммутатор. В состав системы энергосберегающего управления группой ЭКП также введена экспертная система, в базе знаний которой содержится информация о результатах ранее решенных задач энергосберегающего управления.
Для управления печами используется обобщённый алгоритм, в котором сочетаются методы синтезирующих переменных и нечёткой логики. Предусмотрен режим адаптации с автоматической коррекцией параметров модели, которые по окончании режима заносятся в базу данных для последующего использования.
Для централизованного управления тепловыми режимами в печах предусмотрена возможность объединения данной программно-аппаратной платформы в промышленную сеть Ethernet, а также выход в Интернет. Это позволяет передавать данные о работе групп печей или участков термообработки в экспертную систему с возможностью не только постоянного визуального контроля и накопления данных, но и изменения или корректировки процесса термообработки в режиме удалённого доступа.
Основными составляющими эффекта энергосбережения при управлении группой ЭКП являются следующие:
- оптимальное управление каждой печью, входящей в состав группы печей;
- оптимальное распределение заданий между печами по критерию затраты энергии, т. е. выбор такого распределения, при котором суммарные энергозатраты будут минимальны;
- оперативный пересчёт распределения планового задания при всех изменениях производственных ситуаций, в том числе изменения номенклатуры и объёмов выпускаемых изделий, отказы технологического оборудования;
- полное использование накопленного (остаточного) тепла в печах при выполнении планового задания, т. е. система управления учитывает информацию о температурах в печах и наличии ожидаемых для термообработки изделий.
Область применения полученных результатов по энергосберегающему управлению достаточно обширна и не ограничивается только электрокамерными печами [4]. Разработанные системы управления универсальны, легки в эксплуатации, надёжны, ремонтопригодны, адаптированы к жёстким условиям производств, имеют высокую помехозащищённость, что повышает надёжность в целом. Данные
I n
т
12
и
T
11
и
шнЕРШвштурснтБЕШШЕтишшэнЕРШявФФЕшашшшЬ 21
системы также масштабируемы под различные инфраструктуры предприятий в зависимости от конкретных потребностей.
Наиболее широкие возможности появляются при использовании режимов удалённого доступа и управления пространственно распределёнными объектами.
Удалённый доступ значительно повышает возможности масштабного контроля процессов. Это особенно актуально для компаний, которые имеют много представительств, и позволяет управлять технологическими процессами дочерних филиалов непосредственно из центрального офиса головного предприятия.
Литература
1. Муромцев Д. Ю. Методы и алгоритмы синтеза энергосберегающего управления технологическими объектами: Монография. ISBN 8-86609-048-1. - Тамбов; М.; СПб.; Баку; Вена: Нобелистика, 2005. - 202 с.
2. Муромцев Ю. Л., Тюрин И. В. Информационно-инструментальная среда разработки алгоритмического обеспечения систем энергосберегающего управления промышленными объектами // Проблемы управления. - 2007. - № 5. - С. 69-75.
3. Белоусов О. А. Автоматизированная система энергосберегающего управления электрокамерными печами // Автоматизация в промышленности. - 2005. - № 5. - C. 32-34.
4. Петров А. В., Зырянов Ю. Т. Применение энергосберегающих технологий для автоматизированного управления модульными котельными // Энергобезопасность и энергосбережение. - 2011. - № 3(39). -С. 13-17.
Designing of intellectual microprocessor systems of dynamic objects energy saving management
O. A. Belousov,
Tambov State Technical University, Designing of radio-electronic and microprocessor systems department, lecturer
Yu. T. Zyryanov,
Tambov State Technical University, Designing of radio-electronic and microprocessor systems department, professor
A. V. Petrov,
Tambov State Technical University, Designing of radio-electronic and microprocessor systems department, postgraduate student
Problems of creation of intellectual microprocessor system of power saving management by dynamic objects on an example of electric furnaces with application of indistinct logic are considered.
Keywords: energy saving management, information technologies, designing of intellectual systems, fuzzy logic.
