Снижение риска аварий и катастроф при автоматическом управлении пуском взрывоопасных объектов Текст научной статьи по специальности «Математика»

Снижение риска аварий и катастроф

при автоматическом управлении пуском взрывоопасных объектов

В. Е. Белоусов, В. И. Акимов, М. А. Зенин Воронежский ГАСУ, г. Воронеж

Одним из наиболее ответственных и опасных этапов при производстве синтетического каучука является пуск полимеризатора после промывки. В большинстве случаев этот потенциально опасный процесс осуществляется вручную. Автоматизация данного этапа производства исключит возможность неудачных пусков и уменьшит время их проведения, что повысит производительность полимеризаторов. Также автоматика повысит безопасность производства, т. к. исключит «человеческий фактор» из процесса управления.

Проблема построения системы автоматического пуска полимеризатора при производстве бутилкаучука заключается в сложности получения адекватной модели объекта [1], пригодной для решения задач пуска и останова, и в трудности формализации алгоритмов управления. Часто в подобных случаях используются системы на базе нечеткой логики, что позволяет сохранить опыт экспертов и исключить «человеческий фактор» из процесса управления потенциально опасным объектом.

Постановка задачи. В соответствии с регламентом технологического процесса (ТП), пуск полимеризатора должен проходить по определенной температурной траектории (рис. 1), при этом проведение данной операции возможно при разных комбинациях управляющих воздействий.

£,мин

Рис. 1. Рост температуры по регламенту ТП

Рассмотрим статические характеристики объекта управления (рис. 2) [1], на которых отражено, как меняется температура в полимеризаторе в зависимости от изменения входных параметров (расхода катализатора, расхода шихты, давления этилена).

Рис. 2. Статические характеристики объекта управления

Из графика видно, что управлять температурой в реакторе можно изменением расхода катализатора и (или) давления этилена. Расход шихты не является управляющим воздействием, поскольку изменяется в соответствии с регламентом следующим образом: до начала процесса пуска расход шихты устанавливается равным 5000 кг/час; после достижения -650С дальнейший рост температуры ведут с одновременным увеличением расхода шихты до 13000 кг/час.

Следует отметить, что выход на температуру -600С является необходимым, но не достаточным условием проведения процесса пуска в соответствии с регламентом. Для получения каучука высокого качества необходимо соблюдать заданное молекулярно-массовое распределение (ММР), что соответствует определенному соотношению расходов шихты и катализатора, т. е. выход на рабочую температуру должен произойти в конкретной рабочей точке (т. «А» на рис. 2).

Поставленную задачу предлагается решить в два этапа:

1. Выход на рабочую температуру -600С.

В свою очередь, данный процесс имеет два варианта:

а) При небольшом рассогласовании и невысокой скорости его роста в качестве управляющего воздействия используется только расход катализатора, и вывод на рабочую температуру осуществляется по поверхности, соответствующей номинальному давлению этилена РЭ = 1,атм (рис. 2).

б) При большом рассогласовании или высокой скорости его роста дополнительно используется канал управления по давлению этилена, и вы-

вод на рабочую температуру осуществляется переходами между поверхностями, соответствующими тому или иному давлению (рис. 2).

2. Вывод на рабочую точку.

При использовании в процессе пуска канал управления по давлению этилена выход на рабочую температуру может произойти в любой точке прямой, соответствующей температуре -600С и расходу шихты 13000 кг/час. Для выхода в т. «А» необходимо перейти на поверхность, соответствующую номинальному давлению этилена.

Для решения задачи управления синтезирован нечеткий регулятор, позволяющий удерживать объект в процессе пуска на заданной температурной траектории (рис. 1).

Разработка систем нечеткого вывода базируется на стандартном алгоритме [2], который можно разделить на два основных этапа: формирование базы правил систем нечеткого вывода и выбор математического аппарата для ее реализации.

Формирование базы правил. База правил систем нечеткого вывода предназначена для формального представления эмпирических знаний или знаний экспертов и является алгоритмом, по которому будет действовать система, попадая в ту или иную ситуацию. В системах нечеткого вывода используются правила нечетких продукций, в которых условия (антецедент) и заключения (консеквент) сформулированы в терминах нечетких лингвистических высказываний [3].

При формировании базы правил нечетких продукций необходимо определить: множество входных и выходных лингвистических переменных, а также множество правил нечетких продукций.

Множество входных лингвистических переменных

Ошибка - ЕТ:

- нулевая ^ ЕТ0,

- положительная маленькая ^ РЕТМ,

- отрицательная маленькая ^ КЕТМ,

- положительная большая ^РЕТВ,

- отрицательная большая ^ КЕТВ,

ЕT = {ЕТО, РЕТМ, ЖШ, PETB, ЖШ};

Скорость изменения ошибки — ЕdT:

- нулевая

- положительная маленькая ^■PEdTM,

- отрицательная маленькая ^ NEdTM,

- положительная большая ^PEdTB,

- отрицательная большая ^ NEdTB,

ЕdT = Ет, РЕdТМ, NЕdTM, PЕdTB, NЕdTB};

Множество выходных лингвистических переменных

Скорость изменения расхода катализатора - К:

- нулевая ^-K0,

- положительная маленькая ^-PKM,

- отрицательная маленькая ^ NKM,

- положительная большая ^-PKB,

- отрицательная большая ^ NKB,

- положительная очень большая ^ PKOB,

- отрицательная очень большая ^ NKOB,

- положительная критическая ^ PKVB,

- отрицательная критическая ^ NKVB,

K = {КО, РКМ, NKM, PKB, NKB, PKOB, NKOB, PKVB, NKVB}

Скорость изменения давления этилена - Е:

- нулевая ^Е0,

- положительная маленькая ^-PEM,

- отрицательная маленькая ^ NEM,

- положительная большая ^PEB,

- отрицательная большая ^ NEB,

- положительная очень большая ^ PEOB,

- отрицательная очень большая ^ NEOB,

E = {ЕО,РЕМ, NEM, PEB, NEB,PEOB, NEOB};

Множество правил нечетких продукций (для удобства записи примем сокращения для наименования отдельных термов входных и выходных лингвистических переменных, принятые выше) ЕСЛИ ET0 И EdT0, ТО K0 И E0, ЕСЛИ ET0 И NEdTM, ТО NKM И E0, ЕСЛИ ET0 И PEdTM, ТО PKM И E0, ЕСЛИ ET0 И NEdTB, ТО NKB И NEM, ЕСЛИ ET0 И PEdTB, ТО PKB И PEM, ЕСЛИ PETM И EdT0, ТО PKM И E0, ЕСЛИ PETM И NEdTM, ТО K0 И E0, ЕСЛИ PETM И NEdTB, ТО NKM И E0, ЕСЛИ PETM И PEdTM, ТО PKB И PEM, ЕСЛИ PETM И PEdTB, ТО PKOB И PEB, ЕСЛИ PETB И NEdTM, ТО PKM И E0, ЕСЛИ PETB И NEdTB, ТО K0 И E0, ЕСЛИ PETB И EdT0, ТО PKB И PEM, ЕСЛИ PETB И PEdTM, ТО PKOB И PEB, ЕСЛИ PETB И PEdTB, ТО PKVB И PEOB, ЕСЛИ NETM И EdT0, ТО NKM И E0, ЕСЛИ NETM И PEdTM, ТО K0 И E0, ЕСЛИ NETM И PEdTB, ТО PKM И E0,

ЕСЛИ NETM И NEdTM, ТО NKB И NEM,

ЕСЛИ NETM И NEdTB, ТО NKOB И NEB,

ЕСЛИ NETB И PEdTM, ТО NKM И E0,

ЕСЛИ NETB И PEdTB, ТО K0 И E0,

ЕСЛИ NETB И EdT0, ТО NKB И NEM,

ЕСЛИ NETB И NEdTM, ТО NKOB И NEB,

ЕСЛИ NETB И NEdTB, ТО NKVB И NE0B;

Входная и выходная лингвистические переменные считаются определенными, если для них определены базовые терм-множества с соответствующими функциями принадлежности каждого терма [2]. Для описания свойств, которые могут быть измерены по некоторой количественной шкале, используются прямые методы построения функций принадлежности на основе экспериментальных данных или знаний экспертов. Наиболее часто используются треугольные и трапециевидные функции принадлежности, конкретный вид которых определяется значениями параметров, входящих в их аналитические представления, и уточняется в соответствии с данными экспериментов. В данном случае источником экспериментальных данных являются переходные характеристики процесса пуска.

На рис. 2 представлены терм-множества входных и выходных лин-

NKVE NKOB NKB NKM КО РКМ РКВ РКОВ PKVE

ШИШ

-100 -80 -60 -40 -го о го 40 60 80 100 6)

NEOB NEB NEM ЕО РЕМ РЕВ РЕОВ

г)

Рис. 2. Терм-множества входных (а, в) и выходных (б, г) лингвистических переменных

Выбор математического аппарата. В качестве необходимого математического аппарата были выбраны следующие методы [3]:

- для агрегирования подусловий - min-конъюнкция:

- для активизации подзаключений - min-активизация;

- для аккумулирования заключений - max-дизъюнкция;

- для дефаззификации выходных переменных - метод центра тяжести.

гвистических переменных.

В результате моделирования в среде МА^АВ был синтезирован нечеткий регулятор, закон управления которого иллюстрируют поверхности вывода для каждой выходной лингвистической переменной, представленные на рис. 3.

Рис. 3. Поверхности вывода выходных лингвистических переменных Заключение

На основе экспертных знаний и экспериментальных пусковых переходных характеристик был построен нечеткий регулятор, позволяющий производить автоматический пуск полимеризатора в соответствии с заданной регламентом температурной траекторией. Использование данного алгоритма управления решает задачу выхода на рабочую температуру, но не в рабочую точку (рис. 2). Процесс вывода объекта на номинальные значения всех параметров - самостоятельная задача, решение которой является темой дальнейших исследований.

Библиографический список

1. Леоненков А. В. Нечеткое моделирование в среде МАТЬАВ и ^уТАСН: учеб. / А. В. Леоненков. - СПб.: БХВ - Петербург, 2005. -736 с.

2. Борисов В. В. Нечеткие модели и сети: учеб. / В. В. Борисов, В. В. Круглов, А. С. Федулов. - М.: Горячая линия - Телеком, 2007. -284 с.

3. Клин С. Математическая логика: учеб. / С. Клини. - М.: Мир, 1973. - 480 с.