CC BY
204
УДК 658.012.011.56:658.512
Р.А. Билюков, Ю.М. Астапович
РАЗРАБОТКА НЕЧЁТКОЙ МОДЕЛИ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ СЕПАРАЦИИ ПРИРОДНОГО ГАЗА
Рассматривается система управления процессом
низкотемпературной сепарации природного газа. Предлагается замена используемых в настоящее время ПИД-регуляторов на нечёткие регуляторы. Разработан вариант нечёткой системы управления с использованием пакета МЛТЬЛБ.
Сепарация, газ, нечёткое управление, нечёткий регулятор, модель, лингвистическая переменная, терм, функция принадлежности, эксперт, правило вывода
R.A. Bilyukov, U.M. Astapovich
ELABORATION OF THE FUZZY CONTROL MODEL BY THE PROCESS OF LOW-TEMPERATURE TREATMENT OF NATURAL GAS
The fuzzy control system by the process of low-temperature treatment of natural gas is examined. The substitution of PID-regulators to fuzzy regulators is suggested. It allows to apply experience of the experts. The version of such system with the help of MATLAB was elaborated.
Treatment, gas, fuzzy control, fuzzy regulator, model, linguistic variable, term, membership function, expert, inference rule
Постановка задачи. На промысле газ с помощью установки низкотемпературной сепарации (НТС) доводят до определённых технологических параметров для обеспечения его транспортирования и максимального извлечения углеводородного конденсата и других компонентов. Установка должна обеспечивать разделение сырого газа (газоконденсатной смеси) на отсепарированный газ и нестабильный конденсат. Принцип действия установки заключается в том, что газовый поток проходит последовательно три ступени сепарации, отличающиеся условиями разделения (температура, давление).
НТС является динамическим процессом, управление которым должно обеспечивать заданную степень очистки при выполнении требований по производительности и качеству переходных процессов. Исполнительными элементами этого процесса являются клапаны, управляемые регуляторами в зависимости от уровня жидкости или давления в сепараторе. В данной статье производится замена в настоящее время используемых ПИД-регуляторов на нечёткие регуляторы, что упрощает настройку системы управления процессом НТС и улучшает качество сепарирования газа. Сепаратор представляет собой цилиндрическую ёмкость с несколькими отверстиями, в которую одновременно втекает (газоконденсатная смесь, «свежий» метанол) и вытекает (вода, углеводородный конденсат, «отработанный» метанол) жидкая фаза. Задача регулирования состоит в выборе таких положений вентиля, которые обеспечили бы поддержание заданного уровня жидкой фазы в сепараторе. Объект является нелинейным, так как расход «воды» пропорционален квадрату высоты столба жидкости в ёмкости.
Нечёткая модель управления сепаратором. Построение нечёткой модели (назовём её tank) выполнено с использованием графических средств пакета MATLAB в системе нечёткого вывода Мамдани. Физической сущности процесса управления в данном случае отвечает выбор двух входных лингвистических переменных (ЛП) с именами Level (разница между требуемым и текущим уровнями жидкости) и Rate (скорость изменения этой разницы), а также одной выходной ЛП с именем Valve (изменение положения вентиля).
Редактор функций принадлежности (ФП) пакета MATLAB позволяет задать ФП всех термов выбранных ЛП в соответствии с опытом экспертов (операторов станции НТС). Графический интерфейс редактора функций принадлежности после задания первой входной ЛП Level для системы нечёткого вывода tank представлен на рис. 1.
Графический интерфейс редактора функций принадлежности после задания второй входной ЛП «Rate» для системы нечёткого вывода tank представлен на рис. 2.
Г рафический интерфейс редактора функций принадлежности после задания выходной ЛП Valve для системы нечёткого вывода tank представлен на рис. 3.
С учётом рекомендаций эксперта зададим пять правил для разрабатываемой системы нечёткого вывода. Для этого воспользуемся редактором правил системы MATLAB. Они будут иметь вид:
^ Membership Function Editor: tank
) Membership Function Editor: tank fL~)fn~|[X |
File Edit View
input variable "Rate"
Current Variable Name Rate
Type input
Range
Current Membership Function (click on MF to select) Name Type Params
Negative
gaussmf
[-0.1 0.1]
I [0.03 -0.1]
Display Range L.01 01]
Renaming MF 3 to "Positive"
J
Рис. 1. Редактор ФП для термов входной ЛП Level
Рис. 2. Редактор ФП для термов входной ЛП Rate
Рис. 3. Редактор ФП для термов выходной ЛП Valve
Рис. 4. Демонстрация правил нечёткого вывода
1. if (Level is Low) then (Valve is Close_fast);
2. if (Level is High) then (Valve is Open_fast);
3. if (Level is Ok) and (Rate is Positive) then (Valve is Open_slow);
4. if (Level is Ok) and (Rate is Negative) then (valve is Close_slow);
5. if (Level is Ok) and (Rate is None) then (Valve is No_change).
Для иллюстрации работы построенной системы рассмотрим частный случай, при котором разница между требуемым и текущим уровнями жидкости в относительных единицах равна 0,5, а скорость изменения этой разницы равна 0,04. Процесс нечёткого вывода после дефаззификации даёт значение скорости изменения положения вентиля в относительных единицах -0,585. Данное значение соответствует медленному открытию вентиля. Графический интерфейс программы просмотра правил после выполнения процедуры нечёткого вывода для значений входных ЛП [0.5 0.04] представлен на рис. 4.
Для более тонкой настройки построенной нечёткой модели необходимо знать технические характеристики конкретного сепаратора в той или иной установке низкотемператур-94
ной обработки газа. В частности, значения параметров функций принадлежности отдельных термов могут зависеть от размеров конкретных сепараторов и диаметров входных/выходных технологических отверстий. При этом может потребоваться увеличение количества правил для модифицированной нечёткой модели.
Рис. 5. Поверхность нечёткого вывода
Для общего анализа разработанной нечёткой модели также может оказаться полезной визуализация соответствующей поверхности нечёткого вывода. Визуализация поверхности для системы нечёткого вывода tank представлена на рис. 5.
Данная поверхность нечёткого вывода позволяет установить зависимость управляемой величины от значения управляющей. Эта зависимость служит основой для программирования контроллера при аппаратной реализации соответствующего нечёткого алгоритма управления в форме соответствующей таблицы решений.
Разработан нечёткий регулятор для управления скоростью перемещения вентиля сепаратора системы очистки газа. Предложена нечёткая модель управления сепаратором в среде MATLAB. Термы ЛП и правила вывода получены от экспертов - операторов предприятия НТС. Замена используемых в настоящее время на станциях НТС ПИД-регуляторов на нечёткие регуляторы позволит упростить настройку системы управления и улучшит качество сепарирования за счёт использования опыта сотрудников, эксплуатирующих систему.
ЛИТЕРАТУРА
1. Арутюнов А.И. Низкотемпературная сепарация природного газа / А.И. Арутюнов. М., Гостоптехиздат, 1960, 61 с.
2. Леоненков А.В. Нечёткое моделирование в среде MATLAB и fuzzyTECH / А.В. Леоненков. СПб.: БХВ-Петербург, 2005. 736 с.
3. Штовба С. Д. Проектирование нечётких систем средствами MATLAB / С. Д. Штовба. М.: Горячая линия - Телеком, 2007. 288 с.
Билюков Роман Анатольевич -
магистрант кафедры «Системотехника» Саратовского государственного технического университета Астапович Юрий Михайлович -
аспирант кафедры «Системотехника» Саратовского государственного технического университета
Статья поступила в редакцию 25.09.09, принята к опубликованию 25.11.09
