CC BY
25
- Автореф. дис. на здобуття наук. ступ. канд. техн. наук.
- К.: Нац. трансп. ун-т, 2002. - 20 с.
11. Стваковський С.В. Маркетингове забезпечення послуг 1шжнародного експедирування в Укра'лш. - Автореф.
дис. на здобуття наук. ступ. канд. екон. наук. - К.: бвро-пейськ. ун-т, 2005. - 20 с.
12. Щербина Р.С. Розробка методiв оргашзаци транспортно-експедицшного обслуговування зашзниць. - Автореф. дис. на здобуття наук. ступ. канд. техн. наук. - Х.: Харк. нац. акад. мюьк. господарства, 2007. - 17 с.
УДК 519.714
Розглянутi питання, пов'язат з можлив^тю розробки ефективних алгоритмiв управлтня для такого складного об'екту як брагорек-тифшацшна установка. Описана в статтi концепщя може бути вико-ристана при розробщ алгорит-мiв управлтня для широкого кола складних хiмiко-технологiчних об'eктiв.
КОНЦЕПТУАЛЬН1 ОСНОВИ ПОБУДОВИ
СЦЕНАРПВ УПРАВЛ1ННЯ БРАГО-РЕКТИФ1КАЦ1ЙНОЮ УСТАНОВКОЮ
Я . В. С м i т ю х
Кандидат техшчних наук, асистент* Контактний тел.: 8(044)287-94-56, 8(050)861-00-99 e-mail: Smityuh@yandex.ru
В.Д.Кишенько
Кандидат техшчних наук, доцент* Контактний тел.: 8(044)287-94-56, 8(050)696-54-11 e-mail: Smityuh@yandex.ru *Кафедра Автоматизаци та комп'ютерноннтегрованих
технолопй
Нацюнальний ушверситет харчових технолопй вул. Володимирська, 68, м. КиТв, УкраТна, 01033.
Процеси брагоректифжацп е завершальною стадь ею виробництва спирту i здiйснюються на брагорек-тифiкацiйних установках (БРУ). БРУ характеризуются значною енергомiсткiстю, складтстю процесiв масообмiну, нестабiльнiстю технологiчних параметрiв. Iснуючi системи автоматизацii БРУ, яю забезпечу-ють стабiлiзацiю основних змшних процесiв браго-ректифiкацii, не дають можливостей для своечасного реагування на рiзноманiтнi технологiчнi ситуацii, ви-кликаш змiнюванням якiсних характеристик сирови-ни, значним рiвнем невизначеностi поведiнки об'екта, кооперативним впливом дтчих збурень. Брагоректи-фiкацiйнi установки спиртових заводiв е складними технолопчними об'ектами, якi характеризуются бага-тоцiльовою поведiнкою, причому прюритетшсть цiлей i згортка критерiiв, що вiдображують цiлi, е змiнними i залежними вiд обстановки, яка склалася в поточний
момент на об'екп управлiння. В таких умовах значно знижуеться ефектившсть управлiння через велику розмiрнiсть задачi синтезу управляючоi дп в реальному масштабi часу.
При цьому зростае завантажешсть оператора БРУ, який на основi виробничого досвщу та знань повинен в умовах дефщиту часу та шформацп оперативно змь нювати технологiчнi режими для забезпечення устш-ного функщонування об'екта, що часто приводить до неращональних витрат енергоресурсiв i зменшення продуктивностi БРУ
Розв'язати таку проблему можливо за рахунок створення сценарiiв розвитку об'екта управлтня, що являють собою комплекс моделей мережевого типу, яю з дощльною дискретнiстю вiдтворюють процеси змшювання обстановки в об'ектi управлтня в рiзних часових та просторових координатах
- ситуацшно значущих зонах. Розробка сценарпв розвитку об'екта i на 'х основi алгоритмiв управ-лiння з використанням комп'ютерно-штегрованих технологiй, сучасних досягнень теори та практики управлiння (синергетичний пiдхiд та штелектуаль-нi мехашзми) дозволять пiдвищити ефективнiсть управлiння брагоректиф^ацшними установками спиртового виробництва.
Мета статтi
Метою роботи е побудова сценарних алгоритмiв управлшня процесами брагоректифiкацii на основi сучасних пiдходiв аналiзу складних динамiчних систем та методiв аналiзу нелiнiйноi динамiки процесiв брагоректифiкацii.
Основний матерiал
Формування сценарiiв управлiння брагоректиф^ кацшною установкою вимагае всесторонього розгляду можливих пiдходiв формування самоорганiзацiйних структур з урахуванням ризику та невизначеноот.
Важливим чинником формування стратеги управлшня з урахуванням ситуацiйноi невизначеноот е включення механiзмiв синтезу управляючих сценарпв поведшки параметрiв брагоректифiкацii.
Врахування такого роду характеру поведшки про-це^в брагоректифiкацii дозволяе побудувати множи-ну стратепчних сценарпв управлiння.
При цьому розглядаються система моделей, що описуе процеси змши параметрiв та умов функцюну-вання БРУ, дискретно ф^суючи принциповi з точки зору розробника САУ БРУ моменти переходу на новий якюний рiвень функцiонування та режимiв роботи. При розробцi штелектуально' пiдсистеми слiд розрiз-няти сценари управлiння i сценари поведiнки об'екта [1]. Перший формуеться в залежноот вiд цiлi управ-лiння i правил вибору управляючих дiй, в той час коли другий орiентуеться на дескриптивне дослщження ОУ. Основна рiзниця мiж ними полягае в тому, що в сценари управлшня присутня особа, яка приймае ршення, приймаючи активну участь в досягненш поставлено' цiлi управлiння.
Формування сценар^ управлiння БРУ будуеться на суб'ективно- об'ективнш схемi, яка застосовуеться в проце^ аналiзу та прийняття ршень, тобто спочатку формуемо розширений фазовий простiр Ъ=Х х X, в яко-му здiйснюеться дослщження поведiнки параметрiв процесу брагоректифiкацii [2].
На наступному еташ розбиваемо проотр Ъ на шд-множини, як характеризують якiсно експертно зна-чушд властивостi БРУ. При цьому експертним шляхом визначаемо робочу область Ъ°сЪ, в якш розглядаеться функцiонування об'екта.
В основi експертного опису поведшки проце^в брагоректифiкацii лежить поняття експертно значу-що' розбивки (ЕЗР) Q, простору Ъ та експертно значущих подш (ЕЗП) Qp, що проходять в послщовноот, вказанiй в системi впорядкування Svp, яка визначаеть-ся об'ективними законами природи (фiзикою проход-ження самого процесу) [3].
Представивши ЕЗР заданим набором показниюв (характеристик Sp) встановлюеться центр елементар-но' розбивки, який задае нормальний стан видшених показникiв об'екта, формуемо як стандартний стан деяко' векторно' згортки розширених фазових координат (наприклад, фазовий проотр змiни координат системи).
Наступним кроком генерування сценар^ е визна-чення зв'язюв мiж елементами ЕЗР. Процедура розвитку ЕЗП може бути оцшена з рiзних точок зору [2]. Видшяють двi крайнi можливостi:
1. слiдування екзогенним шляхом (синергетичний шдхщ).
2. слщування ендогенним шляхом, яке грунтуеться на детальному опи^ перехiдних процесiв (в окремому випадку це можуть бути процеси управлшня з бажа-ною цшлю), якi лежать в основi атрактивного пiдходу.
Мiж цими точками зору лежить щлий спектр можливих варiантiв моделей. Для побудови сценар^ формально пропонуеться використання двох часових шкал:
1. шкала Ъ^ за допомогою яко' описуються динамiч-ш траекторп ОУ розширеного фазового простору Ъ (як правило, це шкала безперервного часу).
2.шкала Rt дискретного часу, у вщповщнос^ з якою проходять в^ поди сценарiю, що формуеться.
При формуванш сценарiю посл^овно видЬ ляються фактори невизначенi ае^ i випадковi ЬеВ°. Далi визначаються поняття умовне ртення R=(a,b) еГ°=^хВ°, очiкувана подiя J1(x(l)(tl),y(l)(tl),tl) в момент часу ^еЪ^ образ ситуаци S(t), образ обстановки I(tl) в момент часу tеZt [4].
Ефективним методолопчним прийомом при визна-ченш елементiв сценарiю поведiнки БРУ може слугува-ти магiстральний пiдхiд до аналiзу проблеми [5], змiст якого полягае в тому, що визначаються окремi спещ-альнi багатообрази (зони стшкоот фазових портретiв) фазового простору, як описують ефективнi з точки зору заданих цшьових функцiй траекторп розвитку си-стеми. Визначення таких елеменм дозволяе здiйснити синтез оптимального управлшня i вказати вiдповiднi оптимальш траекторп проходження процесiв брагорек-тифшаци, це е характерно показано на рис. 1.
Дослщження атрактивних зон основних змшних процесiв брагоректифiкацii.
Концентрация етанолу в бражщ 71.696 мг/л
Концентращя етанолу в бражщ 70.829 мг/л
СНЬог гр1г1а с1а1/дос!
VIIга!а рап па [Зк. тЗ/дос1
Рис. 1. Змша температури на контрольн1й тар1лц1 РК (пер1од спостеререження 24 години)
На прикладi фазових портретiв в результат до-слiдження характерних властивостей проце^в бра-
горектифжацп були виявлеш характернi ситуацiйно значушд зони.
Так, в розрiзненнi технолопчна ситуацiя S(t) як образ описуеться вектором ознак, що характеризують вiдповiдний об'ект, та визначаеться деяким вщношен-ням на множит параметрiв {Y}, яка характеризуеться множиною класiв ситуацiй що вiдображенi в сценарп управлiння, множиною алгоритмiв класифiкацii {КА}, а також правилами вибору алгоритмiв класифь кацii {РК}.
{Y}={KS,KA,PК} (1)
В данш предметнiй областi в якост образу при-ймаеться множина сташв роботи БРУ, що дозволяе однозначно щентифжувати ситуацiю i вщнести ii до певного класу.
При реалiзацii сценарпв бази знань системи управлшня БРУ було запропоновано наступний варiант представлення знань. Для виконання поставлених задач пропонуемо використати представлення знань у виглядi сценарiiв, використовуючи фреймову модель. Поняття сценарпв було введене Р. Шенком i Р. Абельсоном [6] при розробщ нових способiв розу-мiння iсторii. Сценарп в 'х системi представлялись в виглядi фреймоподiбних структур. Теорiя фреймiв, що описана М.Мiнским [7], вщноситься до психологiчних понять, що торкаються поняттями того, що ми бачимо i чуемо. Для усвщомлення того факту, що шформащя в цiй структурi мае едине розумшня, людська пам'ять повинна умии вказувати цю iнформацiю iз спещаль-ними концептуальними об'ектами при '' запам'ято-вуваннi. В основi теорii фреймiв лежить сприйняття факпв посереднього спiвставлення, отриманоi з зовш iнформацii з конкретними елементами i значеннями, а також з рамками, що визначеш для кожного концептуального об'екту в нашш пам'ять Подальшим розвитком теорii представленням знань у виглядi сце-нарiiв являлись роботи Д. Поспелова [30]. Сценарш уявляеться деякою мережею, вершинами яко' е факти, а дугами - зв'язки, що описують вщносини спещаль-ного типу, наприклад "причина - наслщок", "частина - цiле". Сценарп використовуються як за«б представлення проблемно-залежних каузальних знань i зада-ються у виглядi фреймоподiбних спискових структур.
Для представлення даного тдходу введемо поняття сценарж, як основно' структурно' одиницi бази знань. Сценарiем називаеться формалiзований опис стандартно' (прийнятно' в даному контекстi) посль довностi взаемопов'язаних фактiв, що визначають ти-пову ситуацiю предметно' область Це можуть бути послщовност дш або процедур, що описують способи досягнення цiлей дiючих осiб.
Сценарп управлшня, якi будуються для штелек-туально' системи управлiння БРУ, мають суттевi вщ-мiнностi вiд стандартних сценарпв, запропонованих в роботах Юдицького [4].
Характерними 'х особливостями е врахування се-мантичних закономiрностей та самооргашзацшних особливостей процесiв брагоректифiкацii.
Виходячи з особливостей процеив брагоректифь кацп та 'х дослiдження, системи такого типу можна характеризувати наявшстю русел та джокерiв, якi е властивими для хаотичних систем. Тому дощль-ним методом побудови сценарпв е сценарний аналiз, що базуеться на концепцп сценарного обчислення:
визначення пучюв сценарпв (сценарних просторiв) i ввдповвдних 'м обраним пакетам невизначеностей та стратегш. В свою чергу над кожним з сценарпв здшс-нюються певш операцii.
Стратегii сценарпв управлшня БРУ будуються на основi стратеги особи, що приймае ршення (ОПР), в рамках повного циклу прийняття ршення та ха-рактерних властивостей процесу брагоректифжацп визначених шляхом комп'ютерно' обробки результатiв експерименту.
При класифiкацii щлей управлiння БРУ можна видiлити таю аспекти:
- сценарп по масштабу охоплення подiями;
- локальш сценарп, яю складаються виключно для окремо взято' тдсистеми управлiння БРУ i е основою для прийняття ршення локальною системою управ-лiння;
- мiжоб'ектовi(регiональнi сценарii), що складаються для опису взаемодп та управлшня режимами ''х взаемодii i е основою при управлшш розподiленою системою управлшня БРУ.
Побудова сценарпв управлшня невщ'емно пов'яза-на з теоретичними та практичними основами управ-лшня хаосом, i оскiльки запропонованi сценарii управлiння будуються шляхом 'х синтезу на основi мережевого пiдходу [8], такий тдхщ дозволить опти-мiзувати конструктивний синтез сценарпв управлшня шляхом структурування отриманих результапв моделювання процеив брагоректифжацп, та вирi-шення задач багатощльового управлiння в умовах невизначеностi та ризику(алгоритми вирiшення, яких будуть подаш в пунктi 3 даного розд^у).
Побудова сценарiю управлiння БРУ Грунтуеться на концепцiях самозародження хаосу в просторi ре-жимних станiв БРУ. Процеси виникнення та розвитку хаосу в нелшшних середовищах, до яких можна вщ-нести процеси брагоректифжацп, класифжуються в залежностi вiд характеру росту розмiрностi атрактора в просторi [9]. Якщо динамiка поля ускладнюеться вздовж одного або деюлькох напрямюв i, наприклад, розмiрнiсть реалiзацii збшьшуеться вздовж координат, то такий сценарш розвитку дощльно назвати конвективним [10]. Очевидно, що такий характер про-ходження процеав доцiльно розглядати з точки зору вивчення „зсувно'" турбулентносп гiдродинамiчних потокiв в процесах брагоректифжацп, а також врахування особливостей масообмшу. Такий характер пове-дiнки доцiльно врахувати при формуванш сценарГГ'в управлiння брагоректифiкацii.
У випадку, коли при проходженш процесiв браго-ректифiкацii виникае хаотична поведiнка нелшшного поля в локалiзованих областях, i поступово пiдпо-рядковуе сусiднi дшянки, в кiнцевому випадку в се-редовишi встановлюеться просторово - часовий хаос з однорщними, в середньому, в просторi характеристиками, що в свою чергу приводить до встановлення стацiонарного режиму перебпу процесiв брагоректи-фiкацii. Змктовну теорiю просторово-часового хаосу вдаеться використати в першу чергу в тих ситуащях, коли динамжу нелiнiйного поля можна розглядати як динамжу ансамблю взаемодтчих стабiльних та метастабiльних структур, яю виникають в резуль-тап проходження складних процесiв масообмiну. В результат розвитку первинно' нестiйкостi в потощ
уз
формуеться ансамбль динам1чних елемент1в - вихор1в пов'язаних один з одним за рахунок збурень, як1 роз-повсюджуються вниз по потоку. 1ндив1дуальна дина-м1ка таких вихор1в може бути досить р1зномаштною. Зокрема, на вихорах можуть виникати перюдичш та квазшерюдичш коливання, це характерно видно з результат1в моделювання процеав брагоректиф1кацп. Якщо вихори взаемод1ють м1ж собою, то коливання можуть ускладнюватися, поки на одному з них не стануть хаотичними - утворюеться дивний атрактор [11]. При деяких спрощеннях вдаеться показати, що розвиток хаосу вздовж потоку здшснюеться шляхом кшцевого числа б1фуркацш (перебудов потоюв), як1 розвертаються не при змш1 керуючо' змшно', а в простор! - вздовж ланцюга структур.
Виходячи з комп'ютерних експеримент1в [12] по-близу критично' точки (точки виникнення хаосу) конкретш особливост1 нер1вноважного середовища не вщображаються на деталях того або шшого реаль зованого в середовишд сценар1ю переходу. Кожному управляючому сценар1ю переходу до турбулентност1 вщповщае деякий ушверсальний оператор, який не залежить вщ конкретного середовища, а визначаеться лише типом критично' поведшки [13]. Цей ушверсаль-ний оператор повинен бути нерухомою точкою, який вщповщае р1внянням ренормгрупи, що е математич-ним виразом гшотези про просторово - часову шварь антшсть в критичнш точщ 1 яка враховуе шформащю про тип переходу [14].
Один з основних мехашзм1в, як закладаються при розробщ сценарпв, е динам1чна стратепя управлшня об'ектом, тобто оргашзащя посл1довност1 управляю-чих д1янь на БРУ представлених у вигляд1 сценар1ю.
Послщовшсть певних дш в сценарп мае власти-в1сть причинност1(каузальност1), що передбачае зв'я-зок попередньо'' дп з наступною. Така послщовшсть дш мае ч1тко виражену направлешсть, що тдпоряд-кована стратег" управлшня БРУ.
Каузальний сценарш (КСЦ) управлшня мае чггко структуровану (фреймову) будову. В КСЦ можуть бути реал1зоваш р1зш типи агрегативних вщношень м1ж елементами сценар1ю, що визначаються мехашз-мами формування причинно - наслщкових зв'язюв м1ж елементами сценар1ю.Реал1защя КСЦ системи управлшня БРУ здшснюеться на основ1 неч1тко' мо-дел1 представлення знань. Такий споаб е достатньо гнучким та зручним для представлення лопчних вщ-ношень м1ж елементами сценарпв.
Формування управляючо' посл1довност1 шструк-цш для системи управлшня БРУ проходить при до-помоз1 процедури лопчного висновку на етат роботи штелектуально' системи управлшня БРУ. Основою для запуску машини висновку е виникнення ситуацп 1 '' повне розтзнання. При цьому проходить побудова
деяко' посл1довност1 виду:
р
при побудовi розширеного сценарiю на 0CH0Bi укрупнено' послiдовностi дiй у вщповщносп з послiдовнiстю:
>QS,
деталiзацiя процедур
Sw = 1 S.+Z SJ+X Sk
j=1
(2)
де, i - номер блоку сценарпв, виходячи з прюритетно' стратеги вибору, j - номер сценарш, виходячи з ознак образу ситуацп; k - тий крок виконання обраного фрагмента сценарш. У основi методу побудови послщовносп Sw е принцип деталiзацi', який полягае у виборi альтернатив
Висновки.
Розглянуп методи побудови сценарних алгоритмiв управлiння процесами брагоректифiкацi' забезпечу-ють гнучкiсть у формуваннi оптимальних ршень в складних ситуацiях та перехщних режимах функцю-нування брагоректифжацшно' установки.
В наведенiй методицi показано яким чином деталь зуеться та оптимiзуеться послiдовнiсть керуючих дiй на основi сценарних моделей алгоритмiв управлшня.
Лиература
1. Косяченко С.А.,Ковалевский С.С., Коннов Д.А., Кульба В.В. Сценарный анализ динамики поведения социально-економической системы - М.: Синтег, 2002 . —63 с.
2. Трахтенгерц Э.А., Шершаков В.М., Камаев Д.А. Компьютерная поддержка управления ликвидацией последствий радиационного воздействия / РАН, Институт проблем управления им. В.А.Трапезникова, Научно-производственное объединение "ТАЙФУН". — М.: ООО "НПО СИНТЕГ", 2004. — 456 с.
3. Кульба В.В. Методы формирования сценариев развития со-циально-економический систем. - М.: Синтег, 2004. —114 с.
4. Юдицкий С.А. Сценарный подход к моделированию поведения бизнес -систем. - М.: Синтег, 2001. - 112 с.
5. Павловский М.А., Яковенко В.Б., Дусматов О.М. Моделирование систем управления методами графов связи.
— Ташкент.: Фан, 1997. — 75 с.
6. Мягкие вычисления - 96: Труды Международного семинара /Под ред. И.З. Батыршина, Д.А. Поспелова.
- Казань, 1996. - 222 с.
7. Сетлак Г. Интеллектуальные системы поддержки принятия решений. — К.: Логос, 2004. — 251 с.
8. Закревский А. Д. Параллельные алгоритмы логического управления / НАН Беларуси, Объединенный ин-т проблем информатики. — 2 изд., — М.: Едиториал УРСС, 2003. — 200 с.
9. Баранцев Р.Г. Синергетика в современном естествознании. - М.: УРСС, 2003. - 142 с.
10. Трахтенгерц Э.А. Субъективность в компьютерной поддержке управленческих решений / РАН, Институт проблем управления им. В.А.Трапезникова. — М. : СИНТЕГ, 2001. — 256 с.
11. Гачок В.П. Кинетика биохимических процессов. - К.: На-укова думка, 1988. - 224 с.
12. Кабанов В.А. Синергетические системы управления и самоорганизации // Вестник МЭИ. - 1996. - №2. - с. 29-34.
13. Чернавский Д.С. Синергетика и информация: динамическая теория информации / РАН, Физический ин-т им. П.Н.Лебедева. - М.: Наука, 2001. - 244 с.
14. Климонтович Ю.Л. Статистическая теория открытых систем: Физика квантовых открытых систем. - М.: Янус, 2001. - Т.3. - 508 с.
k=1
