Библиографическое описание:

Жукова Ю. А., Алимова Г. Р., Сапаев Д. М. Нечетко-логическое регулирование температурным режимом химического реактора // Молодой ученый. — 2015. — №4. — С. 176-179.

Анализ состояния проблемы проектирования систем управления сложными технологическими объектами показывает, что традиционные методы построения моделей объектов и систем управления ими не приводят к удовлетворительным результатам, когда исходное описание подлежащей решению проблемы заведомо является неточным и неполным [1,2,6,8]. Известно, что слабоструктурированные или плохо определенные объекты обладают такими свойствами, как нестационарность параметров, неполнота информации, отсутствие формального описания объекта управления и др.  [1,7,11]. В этих случаях целесообразным является использование методов интеллектуального управления, позволяющих учитывать неполноту и неточность исходных данных.

Рассмотрим химический реактор входными параметрами, которого являются: расход пара и обессоленной воды; начальная температура в рубашке и реакторе; начальная концентрация компонентов реакционной смеси. Остальные воздействия являются возмущающими, в качестве основного возмущающего воздействия можно принять давление греющего пара.

Входным регулирующим воздействием для температуры реактора является расход греющего пара, а остальные воздействия являются возмущающими [3,8].

Одним из важнейших параметров, характеризующих качество технологического процесса, является концентрация и рабочая вязкость прядильного раствора на выходе реактора. Измерение данных параметров возможно только лабораторным путем. Анализ литературных источников [3,7,8] и опыт промышленной эксплуатации показали, что для получения прядильного раствора заданного качества необходимо поддерживать определенный температурный режим. Поэтому в качестве выходного параметра выбирается температура реактора . Температура реактора, в свою очередь, является управляемым параметром, и она управляется с помощью температуры рубашки реактора .

При наличии на объекте внешних или параметрических возмущающих воздействий (например, изменение давление пара более чем на 15 %, изменение концентрация компонентов реакционной смеси на 10 %), существенно ухудшаются качественные показатели переходного процесса, что может привести систему управления к неустойчивому состоянию.

Поэтому решение подобных задач предлагается искать с применением теории нечеткой логики, позволяющей оперировать лингвистическими нечеткими высказываниями. Таким образом, ставится задача синтеза робастной нечеткой системы управления температурным режимом химического реактора, инвариантной к внешним и параметрическим возмущениям.

Для решения поставленной задачи на основе предлагаемого подхода рассмотрим замкнутую систему автоматического регулирования температуры химического реактора с нечетким логическим контроллером (НЛР)

На нечеткий регулятор возлагается задача выработки управляющего воздействия в диапазоне изменения динамической ошибки регулирования и ее производной относительно ее пороговых значений. Входной вектор НЛР преобразуется в нечеткую форму  с помощью блока фаззификации, затем выполняется нечеткий логический вывод в базе правил, в результате чего получается нечеткая выходная переменная . Перевод значений вектора управления  из нечеткой области в четкую  осуществляются блоком дефаззификации.

Предобработка входного сигнала ошибки регулирования и ее производной осуществляется по формуле:

Постобработка выходного управляющего сигнала  осуществляются решением задачи денормализации :

где  — максимальное значение управления, подаваемого объект.

Как правило, база знаний НЛР содержит описание термов лингвистический переменных (ЛП), которые должны быть определены заранее для каждой входной и выходной переменной.

Для этого введем следующие лингвистические переменные , и , где ,  — терм-множества значений лингвистических переменных  и  с соответствующими функциями принадлежности (ФП) , , заданными соответственно на универсальных множествах  и .

Предположим, что каждой входной и выходной лингвистической переменной соответствуют 7 термов: ={‘NB’,’NM’,’NS’,’ZE’,’PS’,’PM’,’PB’} с треугольными функциями принадлежностями:

.

Тогда результатом фаззификации являются лингвистические переменные:

e1,=«Ошибка» = [/NBe,/NMe,/NSe,/ZEe, /PSe,/PMe,/PBe];

e2=«Скорость изменения ошибки» = [/NBe/dt, /NMe/dt,, /NSe/dt,/ZEe/dt,/PSe/dt, /PMe/dt, /PBe/dt];

u*=«Управление» = [/NBu,/NMu,/NSu,/ZEu, /PSu, /PMu,/PBu].

Далее формируем базы правил логического вывода НЛР в виде:

,

где - декартово произведение нечётких множеств E1 и E2, заданных на шкалах E1 и E2, с функцией принадлежности:

,

 — соответствующее выходное нечёткое множество, определяемое нечётким отношением  с функцией принадлежности:

.

Совокупность всех правил, соответствующих нечёткому отношению  с функцией принадлежности

,

определяет базу знаний НЛР и задает закон функционирования нечёткой системы.

Таким образом, при заданных значениях входных лингвистических переменных  и  выходное значение нечетко-логического регулятора можно определить на основе следующего композиционного правила [9]:

со степенью принадлежности:

.

В случае, когда лингвистическим переменным входных сигналов  и  соответствуют нечёткие множества  и , нечёткое множество  лингвистической переменной сигнала управления u* определяется следующим образом:

Для получения реального значения выходного сигнала нечёткого регулятора осуществляется процесс дефаззификации [11]:

.

Функцию принадлежности нечеткого значения  можно представить в виде:

,

где  — дискретные численные значения выходного сигнала.

Тогда определяющее значение выходного сигнала НЛР на этапе дефаззификации можно вычислить следующим образом:

или ,

где

Таким образом, в случае полноты и непротиворечивости базы правил нечеткого логического вывода, закон функционирования НЛР определяется видом и распределением по диапазону регулирования функций принадлежности и выбранным алгоритмом нечёткого вывода.

Рассмотренный алгоритм синтеза нечетко-логического регулятора отличается простотой, поскольку позволяет использовать стандартную форму описания лингвистических переменных и минимальный набор управляющих правил. Синтезированный нечеткий логический регулятор придает системе автоматического регулирования способность поддерживать на заданном уровне температуры реактора при наличии внешних возмущений, а также качественно управлять технологическим процессом полимеризации при широком диапазоне изменения его параметров во времени.

 

Литература:

 

1.         Алиев Р. А., Алиев Р. Р. Теория интеллектуальных систем. –Баку, Издательство «Чашыоглы», 2001. –720 с.

2.         Васильев В. И., Ильясов Б. Г. Интеллектуальные системы управления: Теория и практика. — М.: Радиотехника, 2009. — 392 с.

3.         Голдинг Б. Химия и технология полимеров. М.: Издатинлит, 1973. — 357 с.

4.         Гостев В. И. Проектирование нечетких регуляторов для систем автоматического управления — СПб.: БХВ-Петербург, 2011. — 416 с.

5.         Интеллектуальные системы автоматического управления / Под ред И. М. Макарова, В М Лохина — М ФИЗМАТЛИТ, 2001–576 с — ISBN 5–9221–0162–5.

6.         Пегат А. Нечеткое моделирование и управление. М.: Бином. Лаборатория знаний, 2009. — 798 с.

7.         Ульянов С. В., Литвинцева Л.В и др. Интеллектуальное робастное управление: технологии мягких вычислений. –М.: ВНИИгеосистем, 2011.-408 с.

8.         Mamdani E. H. Rule-based Fuzzy Approach to the Control of Dynamic Processes II IEEE Trans, on Comput. — 1981. — № 12. — P. 432–440.

9.         Rotach V. The Analysis of Traditional and Fuzzy PID Rigulators. Proceeding 8-th Zittau Fuzzy Colloquium, 2000. — P. 165–172.

10.     Zadeh L. Fuzzy logic, neural network and soft computing. Communications of the ACM. -1994. -Vol. 37. — № 3. — P. 30–39.

11.     Zimmerman Y. J. Fuzzy set Theory and its applications. Second Revised Edition, 1990. — 398 p.

Основные термины (генерируются автоматически): режимом химического реактора, температурным режимом химического, температуры реактора, температуры химического реактора, концентрация компонентов реакционной, регулирования и ее производной, ошибки регулирования и ее, температуры рубашки реактора, компонентов реакционной смеси, уровне температуры реактора, температура реактора, нечеткий логический, выходе реактора, Температура реактора, автоматического регулирования, нечеткий логический регулятор, регулирования температурным режимом, управления температурным режимом, нечеткий логический вывод, Похожая статья.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle