Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Аналитический обзор концепций и методов построения интеллектуальных систем управления на основе многомерных логических регуляторов 16
1.1 Многомерные логические регуляторы и системы управления технологическими процессами на основе продукционных правил 16
1.2 Базовые принципы построения системы автоматизированной разработки многомерных логических регуляторов 24
1.3 Цель и задачи исследования диссертационной работы 30
Выводы по первой главе 33
ГЛАВА 2 Методологические основы построения интеллектуальных систем управления на базе многомерных чётких логических регуляторов
2.1 Концепция построения интеллектуальной системы управления на основе многомерного чёткого логического регулятора 34
2.2 Структура системы продукционных правил многомерного чёткого логического регулятора с компенсацией взаимного влияния контуров 39
2.3 Многомерный логический регулятор с чёткими термами и минимизированным временем отклика 46
2.4 STEP-TIME алгоритм фаззификации непрерывных физических величин многомерного чёткого логического регулятора 57
2.5 Количественная оценка минимизации времени отклика многомерного чёткого логического регулятора 62
Выводы по второй главе 70
ГЛАВА 3 Программная реализация многомерного логического регулятора с переменными в виде совокупности аргументов двузначной логики 72
3.1 Особенности реализации фаззификаторов и дефаззификаторов многомерного логического регулятора с чёткими термами 72
3.2 Программная реализация многомерного чёткого логического регулятора с минимизированным временем отклика 79
3.3 Система автоматизированной разработки многомерных чётких логических регуляторов "CAP MJIP" 92
3.3.1 Принцип работы и техническое описание "CAP MJIP" 92
3.3.2 Интерфейс и функциональные возможности редакторов системы автоматизированной разработки "CAP MJIP" 104
3.3.3 Принцип работы подпрограммы семантического анализа системы
автоматизированной разработки "CAP MJIP"
Выводы по третьей главе 117
ГЛАВА 4 Вопросы практической реализации интеллектуальных систем управления на основе многомерных чётких логических регуляторов 118
4.1 Методика разработки интеллектуальной системы управления на основе многомерного чёткого логического регулятора 118
4.2 Реализация многомерного чёткого логического регулятора системы управления центрифугой типа ФГН-2001 в "САР МЛР" 123
4.3 Интеллектуальная система управления элементом дистилляции на основе многомерного чёткого логического регулятора 128
4.4 Реализация CASE-системы тестирования на базе шаблонов многомерных логических регуляторов с чёткими термами 139
Выводы по четвёртой главе 145
Основные выводы и результаты 146
Список использованных источников 147
Приложение а. Структурная схема элементов
Главного меню "сар млр" 158
Приложение 6. листинг программы многомерного логического регулятора на языке simatic s7-scl 159
- Многомерные логические регуляторы и системы управления технологическими процессами на основе продукционных правил
- Концепция построения интеллектуальной системы управления на основе многомерного чёткого логического регулятора
- Особенности реализации фаззификаторов и дефаззификаторов многомерного логического регулятора с чёткими термами
- Методика разработки интеллектуальной системы управления на основе многомерного чёткого логического регулятора
Введение к работе
Актуальность темы диссертационной работы. За последнее время в технологии автоматизации сложных объектов и процессов, имеющих важное народнохозяйственное значение (карбонизационные и дистилляционные колонны, паровые котлы, интеллектуальные роботы, летательные аппараты и т. д.), сложилась устойчивая тенденция к использованию одномерных логических (нечётких и с чёткими термами) регуляторов. Как правило, подобные объекты управления удаётся описать только вербально (словесно) и, к тому же, подавляющее большинство из них являются многомерными с взаимосвязанными регулируемыми параметрами. Принципиальный недостаток такого подхода состоит в автоматизации многомерных систем с влияющими друг на друга регулируемыми параметрами с помощью сепаратных (автономных) регуляторов, выходы которых независимы по определению, т.е. реагируют исключительно на "свой" вход.
Кроме того, многомерные системы характеризуются рядом специфических особенностей [10,12,20,28, 56, 62,63], главной из которых является значительное взаимное влияние контуров регулирования при поддержании значений технологических параметров в требуемом диапазоне. Из сказанного выше, очевидно, что при разработке многомерных регуляторов основной проблемой являются перекрёстные связи [56, 57]. Задачей синтеза многомерной системы, в первую очередь, является компенсация взаимного влияния каналов регулирования, за счёт введения дополнительных компенсирующих связей [75,94,95].
Известно [96, 97, 98], что современные многомерные нечёткие и дискретно-логические регуляторы из-за большой погрешности и низкого быстродействия не позволяют с приемлемой точностью устранить взаимное влияние контуров регулирования. Особенно ярко это проявляется при управлении многомерными объектами, представленными в виде описания на естественном языке.
Современные системы и программные комплексы для программирования промышленных и ПК-основанных контроллеров и устройств интеллектуального управления, такие как TRACE MODE, SIMATIC STEP 7, TwidoSoft и др. не содержат специализированного инструментария, который бы позволил в полной мере реализовать или анализировать структуру многомерных логических регуляторов [12,34,67,74,105,106,109,110].
В своей работе автор опирался на труды Л. А. Заде, Е. А. Мамдани, В. В. Круглова, А. А. У скова, А. В. Леоненкова, Н. П. Деменкова, Ш. Зильберштей- на, Б. Г. Ильясова, В. И. Васильева, А. П. Верёвкина, А. Г. Лютова, Р. А. Муна- сыпова и др. [14, 15, 17, 19, 20, 21, 23, 25, 31, 33, 35 - 38, 40, 61, 76 - 79, 81], в которых достаточно полно освещены вопросы синтеза многомерных нечётких регуляторов, но многомерные логические регуляторы с чёткими термами для управления технологическими процессами не нашли должного отражения.
Приведённые доводы позволяют считать интеллектуальное управление технологическими процессами на основе многомерных чётких логических регуляторов с компенсацией взаимного влияния контуров регулирования — актуальной научной задачей, решение которой позволит улучшить параметры данного вида регуляторов, а также существенно повысить качество управления технологическими процессами и объектами, описанными вербально.
Цель диссертационной работы состоит в разработке интеллектуальной системы управления (ИСУ), использующей многомерный чёткий логический регулятор (МЛР) для улучшения параметров управления вербально описанными технологическими процессами и объектами с взаимосвязанными регулируемыми параметрами, и на этой основе позволяющей повысить качество готовой продукции, а также снизить энергозатраты.
Для достижения указанной цели в диссертационной работе поставлены и решены следующие основные задачи:
1. Разработать интеллектуальную систему управления технологическим процессом на основе многомерного чёткого логического регулятора, блок логического вывода (БЛВ) которого представлен в виде системы управляющих воздействий с механизмом формирования идентификационных номеров продукционных правил.
2. Разработать структуру системы продукционных правил MJIP, в которой, помимо регулирования значений технологических параметров, производится компенсация взаимного влияния контуров регулирования.
3. Разработать специализированный алгоритм интерпретации непрерывных физических величин эквивалентной совокупностью аргументов двузначной логики (STEPIME) с целью увеличения быстродействия процессов фаз- зификации в MJIP.
4. Разработать программное обеспечение системы автоматизированной разработки MJIP, инвариантной по отношению к языкам программирования промышленных и ПК-основанных контроллеров стандарта IEC 61131-3.
5. Разработать методику автоматизированной разработки интеллектуальной системы управления на основе MJIP и провести оценку её практической значимости для повышения показателей качества управления при автоматизации конкретных технологических процессов и производств.
Методы исследования. Для решения поставленных в диссертационной работе задач использовались методы теории управления, теории имитационного моделирования, элементы теории алгоритмов, двузначной логики, многомерных нечётких и дискретно-логических регуляторов.
Основные научные результаты, полученные автором и выносимые им на защиту:
1. Интеллектуальная система управления на основе многомерного чёткого логического регулятора, в котором блок логического вывода представлен в виде системы управляющих воздействий с механизмом формирования идентификационных номеров продукционных правил.
2. Структура системы продукционных правил MJIP, состоящей из регулирующей и компенсирующей составляющих, обработка которых производится в каждом цикле сканирования.
3. STEPIME алгоритм фаззификации непрерывных физических величин MJIP с возможностью выбора характера и порядка распределения чётких термов на универсальной числовой оси.
4. Программное обеспечение системы автоматизированной разработки МЛР, инвариантной по отношению к языкам программирования промышленных и ПК-основанных логических контроллеров, описанных в международном стандарте IEC 61131-3.
5. Методика автоматизированной разработки ИСУ на основе МЛР с компенсацией взаимного влияния контуров регулирования, и результаты оценки её практической значимости для повышения показателей качества управления сложными технологическими объектами и процессами.
Научная новизна результатов диссертационной работы:
1. Новизна интеллектуальной системы управления на основе многомерного чёткого логического регулятора заключается в представлении блока логического вывода (БЛВ) в виде системы управляющих воздействий с механизмом формирования идентификационных номеров продукционных правил, что позволяет повысить быстродействие многомерной САР и произвести верификацию сложных логических конструкций,
2. Новизна структуры системы продукционных правил МЛР заключается в представлении системы в виде двух функциональных частей: регулирующей и компенсирующей, что позволяет уменьшить степень взаимного влияния контуров регулирования.
3. Новизна STEPIME алгоритма фаззификации непрерывных физических величин, в отличие от известного ANYIME алгоритма, заключается в отсутствии программных счётчиков и блока модификации структуры, что позволяет свести до минимума количество операций сравнения МЛР.
4. Новизна методики автоматизированной разработки интеллектуальной системы управления на основе МЛР с компенсацией взаимного влияния контуров регулирования заключается в сокращении сроков её разработки и в повышении показателей качества управления.
Обоснованность и достоверность результатов диссертационной работы. Достоверность и обоснованность результатов диссертационной работы подтверждаются результатами математического моделирования, экспериментальных исследований и вычислительных экспериментов, основанных на методах теории имитационного моделирования, теории автоматического управления, теории системного анализа, нечёткой и двузначной логик.
Практическая ценность результатов диссертационной работы:
1. STEPIME алгоритм позволяет многократно повысить быстродействие процедуры фаззификации многомерного чёткого логического регулятора в зависимости от количества термов, описывающих непрерывные физические величины.
2. По сравнению с интеллектуальными системами управления на основе многомерных дискретно-логических регуляторов (ДЛР) количество операций сравнения в ИСУ с MJIP снижено в среднем на 95 %.
3. Разработано программное обеспечение системы автоматизированной разработки многомерных чётких логических регуляторов "CAP MJTP" (свидетельство № 2009614305 Федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам о государственной регистрации программы для ЭВМ от 17.08.09 г.), которое позволяет реализовать и анализировать законченный программный код MJIP в формате языков программирования ПК- основанных и промышленных контроллеров, определённых международным стандартом IEC 61131-3.
4. На базе шаблонов многомерных чётких логических регуляторов разработана клиент-серверная CASE-система для автоматизации процессов обучения, тестирования и аттестации в образовательных учреждениях и на предприятиях (свидетельства №№ 2009611933, 2009611934 Федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам (Роспатент) о государственной регистрации программы для ЭВМ от 15.04.09 г.).
5. Использование МНР в системе управления дистилляционной колонны № 4 цеха "АД-1" ОАО "Сода" позволило снизить перерегулирование в среднем на 53 % и повысить точность регулирования основных технологических параметров (рН жидкости на выходе из смесителя, концентрации NH3 и температуры газа из конденсатора дистилляции) на (40 45) %.
Реализация результатов диссертационной работы. Результаты диссертационной работы внедрены в:
- систему управления паровым котлом ТЭЦ в городе Стерлитамаке (Республика Башкортостан, Россия), что позволило снизить степень взаимного влияния контуров регулирования технологических параметров и повысить точность регулирования в среднем на 48,5 %.
- процесс обучения, тестирования и аттестации по учебной дисциплине "Интегрированные системы проектирования и управления" в филиале ГОУ ВПО "Уфимский государственный нефтяной технический университет (УГНТУ)" в городе Стерлитамаке (Республика Башкортостан, Россия).
Апробация диссертационной работы. Основные положения и результаты диссертационной работы обсуждались и докладывались на следующих конференциях и семинарах:
- 1-й и 2-й Всероссийской научно-технической конференции "Электротехнологии, электропривод и электрооборудование предприятий" (Уфа, 2007 и 2009 гг.);
- 4-й Всероссийской зимней школе-семинаре аспирантов "Актуальные проблемы науки и техники" (Уфа, 2009 г.);
- научно-практической конференции "Наукоёмкие технологии в машиностроении" (Ишимбай, 2009 г.);
- 9-й и 11-й Международной конференции CSIT (Computer Science and Information Technologies) (Красноусольск, 2007 г. и Греция, 2009 г.).
Публикации. В рамках диссертационной работы опубликовано 13 печатных работ: 8 научных статей, из них 2 - в рецензируемых журналах из списка ВАК; 2 - в виде тезисов докладов в сборниках материалов конференций; 3 свидетельства Федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам (Роспатент) о государственной регистрации программ для ЭВМ.
Структура и объём работы. Диссертационная работа изложена на 160 страницах машинописного текста, и включает в себя введение, четыре главы, заключение, 75 рисунков, 4 таблицы, библиографический список из 111 наименований на 11 страницах и 2 приложения на 3 страницах.
Содержание диссертационной работы.
Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и основные задачи исследования, приведены результаты, имеющие научную новизну и практическую ценность, сведения о внедрении результатов, апробация работы и публикации, представлено содержание диссертационной работы.
В первой главе произведён анализ ИСУ на основе существующих типов нечётких и дискретно-логических регуляторов с целью установления их достоинств и недостатков, а также ведущих современных систем программирования промышленных и ПК-основанных логических контроллеров с целью установления степени их готовности к полноценной программной реализации структуры многомерных логических регуляторов с переменными в виде совокупности аргументов двузначной логики.
Установлено, что для реализации многомерного логического регулятора с чёткими термами и минимизированным временем отклика, за основу целесообразно взять многомерный дискретно-логический регулятор без автономного сравнивающего устройства. Показано, что для эффективной программной реализации МЛР необходимо разработать специализированную систему автоматизированной разработки МЛР.
Определены основные принципы построения универсальной системы автоматизированной разработки многомерных логических регуляторов с переменными в виде совокупности аргументов двузначной логики и компенсацией взаимного влияния контуров регулирования.
Во второй главе рассматривается способ интерпретации непрерывных физических величин в виде совокупности чётких термов, новизна которого заключается в возможности выбора характера и порядка распределения чётких термов на универсальной числовой оси, что позволяет расширить функции и область применения МЛР.
Предложена концепция построения и структурная схема ИСУ на основе MJIP, в котором блок логического вывода представлен в виде системы управляющих воздействий с механизмом формирования идентификационных номеров продукционных правил, что позволяет в каждом цикле сканирования МЛР не обрабатывать систему правил целиком, а определить только истинное правило, антецедент которого равен логической единице.
Получены аналитические выражения для расчёта основных параметров многомерного чёткого логического регулятора.
Предложена структура системы продукционных правил многомерного чёткого логического регулятора, состоящей из регулирующей и компенсирующей составляющих, обработка которых производится в каждом цикле сканирования. Источником информации при разработке системы продукционных правил МЛР являются экспериментально снятые зависимости задающего и регулируемого параметров в автономном и многосвязном режимах работы регулятора.
Предложен STEPIME алгоритм интерпретации непрерывных физических величин в виде эквивалентной совокупности аргументов двузначной логики, новизна которого, в отличие от известного ANYIME алгоритма, заключается в двукратном сокращении числа операций сравнения, необходимых для фаззификации физических величин. Исключение из алгоритма программных счётчиков и блока модификации позволяет минимизировать количество внутренних переменных регулятора и снизить нагрузку на вычислительный процессор.
Произведён вычислительный эксперимент, и количественная оценка минимизации времени отклика МЛР. Показано, что средний процент увеличения быстродействия многомерной ИСУ при использовании многомерного чёткого логического регулятора будет варьироваться в диапазоне (35 65) % в зависимости от суммарного числа чётких термов непрерывных физических величин. Количество операций сравнения в МЛР на 95 % ниже, чем в многомерном дискретно-логическом регуляторе.
В третьей главе рассматриваются варианты программной реализации функциональных блоков (фаззификаторов и дефаззификаторов), STEPIME алгоритма фаззификации предложенного многомерного логического регулятора на языках программирования промышленных и ПК-основанных логических контроллеров, описанных в международном стандарте IEC 61131-3 (FBD, LAD, ST, IL) в среде разработки TRACE MODE 6 и SIMATIC STEP 7.
Разработан алгоритм работы многомерного логического регулятора с переменными в виде совокупности аргументов двузначной логики и компенсацией взаимного влияния контуров регулирования, в котором блок логического вывода представлен в виде системы управляющих воздействий с механизмом формирования идентификационных номеров продукционных правил.
Получены аналитические выражения для расчёта максимального и текущего минимизированного идентификационного номера продукционного правила управляющего воздействия MJIP, антецедент которого равен логической единице в рассматриваемый момент времени.
Предложена концепция семантического анализа структуры программно- ч го кода MJIP, состоящая из шести положений, которые предусматривают полноценную проверку системы управляющих воздействий на предмет наличия повторяющих, противоречащих и дополняющих друг друга продукционных правил.
Разработано программное обеспечение универсальной системы автоматизированной разработки многомерных логических регуляторов с переменными в виде совокупности аргументов двузначной логики и компенсацией взаимного влияния контуров регулирования "CAP MJIP", разработанной в инструментальной среде объектно-ориентированного языка программирования Borland Delphi. Результатом работы "CAP MJIP" является законченный программный код МЛР в формате языков программирования ПК-основанных и промышленных контроллеров, описанных в стандарте IEC 61131-3.
Составлено техническое руководство для системы автоматизированной разработки многомерных чётких логических регуляторов "САР МЛР", в котором подробно описаны основные функциональные возможности системы, интерфейс, главное меню, а также принцип работы с её редакторами (фаззифика- торов и дефаззификаторов, системы продукционных правил и др.).
В четвёртой главе рассматривается методика автоматизированной разработки интеллектуальных систем управления на основе многомерных чётких логических регуляторов со STEPIME алгоритмом фаззификации непрерывных физических величин и компенсацией взаимного влияния контуров регулирования.
Показаны следующие примеры реализации многомерных систем управления с использованием многомерных чётких логических регуляторов, разработанных при помощи "CAP MJIP":
— интеллектуальной системы управления фильтрующей горизонтальной центрифугой с ножевой выгрузкой осадка типа ФГН-2001;
— системы тестирования на базе шаблонов многомерных логических регуляторов с переменными в виде совокупности чётких термов и минимизированным временем отклика в клиент-серверной CASE-системе, предназначенной для автоматизации процессов обучения, тестирования и аттестации;
— интеллектуальной системы управления элементом дистилляции с компенсацией взаимного влияния контуров регулирования.
Показано, что использование MJIP в системе управления дистилляцион- ной колонны № 4 цеха "АД-1" ОАО "Сода" позволило снизить перерегулирование в среднем на 53 % и повысить точность регулирования основных технологических параметров (рН, NH3 и температуры газа из конденсатора дистилляции) на (40 45) %.
Многомерные логические регуляторы и системы управления технологическими процессами на основе продукционных правил
На входы фаззификаторов ДЛР подаются текущие и заданные значения физических величин. Все фаззификаторы имеют по 2 выходных канала: в первый канал входят чёткие термы входных и выходных лингвистических переменных, которые используются в простых продукционных правилах, во второй - термы, которые используются исключительно в тех правилах, условная часть которых содержит от 2 и более термов.
Следует отметить, что использование в ДЛР чётких термов, которые по своей логической природе являются аргументами двузначной логики, позволяет: а) использовать в структуре логических высказываний термы входных и выходных переменных смежных контуров ДЛР, а также дискретные сигналы объекта управления; б) применить аппарат алгебры Буля для синтеза минимизированных логических структур в системе типовых продукционных правил. Точность дискретно-логического регулятора определяет ширина чёткого терма лингвистической переменной, который и является результатом логического вывода. К достоинствам ДЛР данного типа можно отнести следующее [38, 39]: 1) снижение времени отработки системы продукционных правил ДЛР, вызванное отработкой только части системы, расположенной выше правила, антецедент которого равен логической единице, составляет (40,5 ч- 41,75) %; 2) использование ANYIME алгоритма позволяет снизить продолжительность процедуры фаззификации на (30 -г 40) %, что, в свою очередь, в 2,5 раза снижает время отклика и повышает точность регулирования. При реализации систем управления на базе многомерных ДЛР необходимо отметить некоторую сложность в составлении базы продукционных правил, вызванную, в большей мере, новизной регуляторов данного типа. Устранить данное обстоятельство призвана методика разработки ДЛР, которая снижает затраты на алгоритмизацию регулятора в среднем на 50 % [85,89,101]. Что касается полноценной реализации и апробации многомерных систем управления на базе ДЛР, можно отметить следующее [35,43]: 1) использование ДЛР для регулирования температуры в цементной печи позволило повысить точность поддержания температуры в зоне кальцинирования с±30до±5Си снизить расход топливного газа на 40 м /час; 2) ДЛР давления и температуры стекловаренной печи позволил снизить длительность переходного процесса на 56 %, перерегулирование - на 12 %, при этом точность регулирования повысилась с ± 0,22 до ± 0,08. К существенным недостаткам ДЛР можно отнести следующее: 1) высокая сложность реализации базы продукционных правил; 2) отсутствие полноценных CASE-систем для специализированной реализации и проверки структуры многомерных ДЛР; 3) использование ANYIME алгоритма приводит к значительному увеличению памяти, необходимой для "нормальной" работы ДЛР. В заключение необходимо отметить, что логические регуляторы обладают достаточно высоким потенциалом и областью применения, но только в том случае, если будут устранены их основные недостатки. Кроме того, логические регуляторы предоставляют большие возможности для модификации и расширения базовых функций для управления технологическими процессами. 1.2 Базовые принципы построения системы автоматизированной разработки многомерных логических регуляторов Рассмотрим базовые принципы построения универсальной системы автоматизированной разработки многомерных логических регуляторов "САР МЛР". При этом необходимо сразу разграничить понятия "универсальности" и "производительности", так как они полностью противоположны друг другу. Универсальная система, по своей сути, не может быть производительной, поскольку в её работе требуется учитывать влияние большого числа внешних и внутренних факторов, а также специфических особенностей поставленной задачи. Однако производительность универсальной системы можно постепенно наращивать, путём добавления нового или оптимизации существующего программного кода, а также в результате длительного и более тщательного тестирования системы в реальных условиях. Для выявления базовых принципов построения универсальной системы автоматизированной разработки многомерных логических регуляторов рассмотрим ведущие современные системы для программирования промышленных и ПК-основанных логических контроллеров, такие как: 1) SOFTOLOGIC — система программирования контроллеров, входящая в состав инструментальной системы разработки АСУ ТП — TRACE MODE, и интегрированная со SCADA/HMI [106]. Важно отметить, что программирование контроллеров, операторского интерфейса и бизнес-приложений осуществляется в интегрированной среде разработки TRACE MODE с использованием одних и тех же языков программирования, что даёт возможность отладки проекта АСУ ТП в целом [13,23]. К достоинствам SOFTOLOGIC можно отнести следующее [110]: а) 5 языков программирования международного стандарта IEC 61131-3; б) мощные средства отладки программ логических контроллеров, как в обычном режиме, так и в режиме реального времени; в) возможность создания и редактирования пользовательских функциональных блоков.
Концепция построения интеллектуальной системы управления на основе многомерного чёткого логического регулятора
Основным языком программирования TRACE MODE 6 является модификация языка программирования ST — "Техно ST". Программы, разработанные на языках программирования "Техно LD" и "Техно FBD" (модификации языков программирования стандарта IEC 61131-3 — LAD и FBD соответственно), перед компиляцией полностью транслируются в "Техно ST". "Техно IL"- программы перед компиляцией частично транслируются в ST, а частично — в ассемблер. Из этого следует, что ключевые слова "Техно ST" являются таковыми для всех остальных языков программирования TRACE MODE. Основным языком программирования SIMATIC STEP 7, наоборот, является модификация языка IL - STL. Программы, разработанные на всех остальных языках программирования системы, полностью "конвертируемы" на данный язык. Таким образом, очевидно, что для полноценной реализации алгоритма работы многомерного логического регулятора с переменными в виде совокупности чётких термов и минимизированным временем отклика наиболее оптимальным вариантом будет выбор текстовых языков программирования стандарта IEC 61131-3 - ST или IL. В предыдущем параграфе показано, что для реализации алгоритмов работы фаззификаторов и дефаззификаторов многомерного логического регулятора в качестве самостоятельных функциональных блоков на языках программирования, определённых в международном стандарте IEC 61131-3, достаточно инструментария таких сред разработки, как TRACE MODE 6.0, SIMATIC STEP 7 и др., в зависимости от типа программируемого контроллера. Рассмотрим особенности программной реализации МЛР с переменными в виде совокупности чётких термов и минимизированным временем отклика. Согласно концепции построения и структурной схеме, МЛР состоит из следующих основных элементов: — системы фаззификаторов и дефаззификаторов непрерывных физических величин МЛР; — блока логического вывода, который состоит из системы управляющих воздействий и механизма формирования идентификационного номера продукционного правила, антецедент которого в момент времени t равен логической единице. Система фаззификаторов MJTP включает в себя всю совокупность блоков фаззификации MJIP, каждый из которых имеет три основных параметра: — наименование блока фаззификации (при использовании в качестве самостоятельного функционального блока); — количество чётких термов непрерывной физической величины, которая подлежит фаззификации; — характер распределения чётких термов непрерывной физической величины (прямой или обратный, в зависимости от типа идентификации совокупности чётких термов). Значения интервалов чётких термов непрерывных физических величин задаются непосредственно в структуре фаззификаторов. Следует отметить, что блоки фаззификации MJIP внутри системы фаззификаторов не связаны между собой ни логически, ни функционально, что позволяет создавать новые и удалять имеющиеся блоки, изменять основные параметры и значения интервалов чётких термов. Необходимо учитывать только тот факт, что фаззификаторы внутри системы не могут иметь одинакового наименования. Таким образом, реализацию алгоритма работы системы фаззификаторов MJTP можно условно разбить на реализацию совокупности алгоритмов отдельных составляющих системы (блоков фаззификации). Основу алгоритма фаззификации непрерывной физической величины составляет STEPIME алгоритм фаззификации, который позволяет полностью охватить весь рабочий диапазон значений переменных МЛР. Входные переменные фаззификаторов MJIP представлены в виде совокупности 32-битовых чисел с плавающей точкой, что соответствуют типу данных REAL. Тип данных REAL поддерживается практически всеми известными инструментальными системами разработки. Данный выбор также обусловлен требованиями допустимой погрешности измерений и возможностями повышения точности. Диапазон значений типа данных REAL составляет - 5,0 10"324-ь 1,1 10308, количество значащих цифр: 15-16. Постоянные значения интервалов чётких термов фаззификаторов MJIP представлены в виде совокупности одномерных массивов 32-битовых чисел с плавающей точкой, соответствующих типу данных REAL. Выбор структуры данных типа "массив" обусловлен, прежде всего, тем фактом, что массивы удобно использовать для хранения и обработки однородной по своей структуре информации, например, таблиц и списков.
Выходные переменные фаззификаторов MJIP представлены в виде одномерного массива 16-битовых целых чисел, соответствующих типу данных INT. Тип данных INT также поддерживается практически всеми известными инструментальными системами разработки. Важно отметить, что для непрерывных физических величин, количество термов которых не превышает 255, вполне подойдёт 8-битовый тип данных BYTE.
Пример реализации алгоритма работы системы фаззификаторов непрерывных физических величин IN_ 1 IN_N MJIP на языке программирования SCL в инструментальной среде разработки SIMATIC STEP 7 представлен на рисунке 3.7.
Операции присваивания F_OUT[ 1] := 0 + F_OUT[N] := 0 предназначены для передачи сигнала ошибки, аналогичный сигналу "ALARM", в блок логического вывода MJIP для формирования "нулевого (аварийного)" продукционного правила.
Система дефаззификаторов MJIP включает в себя совокупность блоков дефаззификации MJIP, каждый из которых имеет три основных параметра по аналогии с блоками фаззификации. Блоки дефаззификации MJ1P также не связаны между собой ни логически, ни функционально внутри системы дефаззификаторов, что позволяет создавать новые и удалять имеющиеся блоки, изменять их основные параметры и значения интервалов чётких термов.
Особенности реализации фаззификаторов и дефаззификаторов многомерного логического регулятора с чёткими термами
Графические элементы управления поля "BKJI" табличного редактора предназначены для выбора чёткого терма, значение которого должно быть равно логической единице в момент времени t. Все остальные поля табличного редактора, равно как и поля окна, являются сугубо информационными и их значения не могут быть изменены. "САР МНР" автоматически преобразовывает графическое представление системы продукционных правил многомерного логического регулятора во внутренний программный код. Следует отметить, что правила, создаваемые на языке программирования "STEP GRAPH", используют всего одну логическую операцию-"И". В верхней части окна редакторов системы продукционных правил многомерного логического регулятора расположена панель управления, которая содержит следующие командные кнопки, предназначенные, как для работы с редакторами, так и с "САР МЛР" в целом (командные кнопки панели управления продублированы в главном меню "САР МЛР" — в опциях "Проект МЛР", "Редактор правил" и "Справка"): а) "Создать новый проект МЛР" - кнопка предназначена для создания нового проекта МЛР с названием по умолчанию: проект без имени . После нажатия на кнопку система автоматически предложит сохранить файл текущего проекта МЛР. Данной кнопке соответствует следующее сочетание клавиш на клавиатуре: CTRL + N; б) "Открыть проект МЛР..." - кнопка предназначена для открытия существующего проекта МЛР из файла формата DLR. После нажатия на кнопку "САР МЛР" автоматически предложит сохранить текущий проект МЛР. Данной кнопке соответствует сочетание клавиш: CTRL + О; в) "Сохранить проект МЛР" — кнопка предназначена для оперативного сохранения текущего проекта МЛР. Данной кнопке соответствует следующее сочетание клавиш: CTRL + S; г) "Сохранить проект МЛР как..." - кнопка предназначена для первого сохранения файла проекта МЛР. После нажатия на кнопку появится диалого вое окно для ввода названия файла проекта и директории, в которую его необходимо сохранить; д) "Анализ проекта МЛР" - кнопка предназначена для вызова окна механизма (подпрограммы) семантического анализа проекта МЛР, внешний вид которого и пример работы описан в параграфе 3.3.3; е) "Сгенерировать код МЛР" - кнопка предназначена для преобразования (генерации) кода МЛР в формат языков стандарта 1ЕС 61131-3. После нажатия на кнопку откроется окно подпрограммы семантического анализа, при успешном проведении которого появится окно параметров генерации, внешний вид которого представлен на рисунке 3.23. регулятора "САР МЛР" Для проекта МЛР можно задать следующие основные параметры генерации: 1) "Путь к файлу" - данный параметр предназначен для выбора директории на жёстком диске ПК, в которую требуется сохранить файл МЛР; 2) "Номер блока в коде программы" - данный параметр предназначен для установки идентификационного номера функционального блока МЛР при необходимости (идентификационный номер равен " 1" по умолчанию). Остальные параметры относятся к категории дополнительных, и могут быть использованы при необходимости. К ним относится - создание допол нительной копии программы МЛР в файле формата ТХТ, а также введение в код программы МЛР 16-битовой целочисленной переменной "RULE CODE" типа INT (сокр. от Integer), предназначенной для вывода идентификационного номера продукционного правила в каждом цикле сканирования многомерного логического регулятора. ж) "Добавить новое правило" - кнопка предназначена для создания нового продукционного правила МЛР; з) "Удалить выбранное правило" - кнопка предназначена для удаления выбранного продукционного правила; и) "Очистить список" - кнопка предназначена для удаления из системы всех продукционных правил; к) "Скрыть/показать левую панель", "Скрыть/показать правую панель" - кнопки предназначены для скрытия/показа редакторов входных, выходных функциональных блоков МЛР соответственно; л) 11 Скрыть/показать обе панели" — кнопка предназначена для управления видом редакторов функциональных блоков многомерного логического регулятора; м) "Скрыть/показать редактор продукционных правил"- кнопка предназначена для управления видом редактора продукционных правил; н) "Скрыть/показать редактор управляющих воздействий МЛР" - кнопка предназначена для управления видом редактора управляющих воздействий "САР МЛР"; о) "Показать оба редактора" - кнопка предназначена для вывода на экран всех редакторов системы продукционных правил МЛР; п) "Открыть файл справки" — кнопка предназначена для открытия файла справки "САР МЛР"; р) "Информация о программе" - кнопка предназначена для вызова окна, содержащего в себе общую информацию о "САР МЛР":
Методика разработки интеллектуальной системы управления на основе многомерного чёткого логического регулятора
На рисунке 4.6 представлен внешний вид окон подпрограммы семантического анализа "САР МЛР" после проверки структуры многомерного логического регулятора центрифуги ФГН. На вкладке "Результат анализа термов" расположена таблица с результатом анализа чётких термов, из которой следует, что в структуре многомерного логического регулятора имеется задействованный, но не используемый чёткий терм, в частности, терм Т4 физической переменной "ТОК ГД". Таким образом, семантический анализ чётких термов многомерного логического регулятора системы управления центрифугой типа ФГН-2001 показал наличие возможностей для уменьшения максимального числа чётких термов и, как следствие, размерности системы продукционных правил МЛР, которая рассчитывается согласно выражению (3.6). Количество символов "НЗ" для переменной "ТОК ГД" (4 символа) определяет доступный запас для расширения диапазона интерпретации состояний физической величины "ТОК Главного Двигателя" эквивалентной совокупностью чётких термов. На вкладке "Результат анализа правил" расположена таблица с результатом анализа системы продукционных правил, из которой следует, что в структуре МЛР: — отсутствуют "пустые" правила, управляющие воздействия которых не содержат чётких термов; — отсутствуют повторяющие и противоречащие друг другу правила; — имеются дополняющие друг друга правила в диапазоне идентификационных номеров "САР МЛР" -11 - 20. Программный семантический анализ структуры многомерного логического регулятора системы управления центрифугой ФГН-2001 показал отсутствие критических ошибок (например, правил, повторяющих или противоречащих друг другу), а также наличие возможностей для снижения максимального числа правил, путём совмещения правил, которые дополняют друг друга (например, правил из диапазона 11-=- 20). Конечным результатом работы "САР МЛР" служит файл функционального блока многомерного логического регулятора с чёткими термами в формате одного из языков программирования, описанных в международном стандарте 1ЕС 61131-3. Таким образом, в системе автоматизированной разработки "САР МЛР" версии 1.0 реализован многомерный логический регулятор системы управления фильтрующей центрифугой ФГН-2001. Интеллектуальная система управления элементом дистилляции на основе многомерного чёткого логического регулятора Необходимость логического управления элементами дистилляции обусловлена высокой сложностью технологического процесса регенерации аммиака [50] (пульсации показаний расходомеров при измерении расхода многофазной среды, инерционность исполнительных механизмов, запаздывание исполнения управляющих воздействий, налипание и образование наростов продукта на стенках трубопроводов и т.д.), что затрудняет использование типовых методик настройки ПИД-регуляторов и не позволяет настроить регуляторы на устойчивую работу с требуемой точностью. В данном примере с помощью многомерного логического регулятора с переменными в виде совокупности аргументов двузначной логики и компенсацией взаимного влияния контуров регулирования (МЛР) реализовано логическое управление дистилляционной колонны № 4 цеха "АД-1" ОАО "Сода", которая состоит из следующих основных элементов: дистиллера (ДС), теплообменника дистилляции (ТДС) и конденсатора дистилляции (КДС). Регенерация аммиака (ЫНз) из маточного раствора проводится ступенчатой отгонкой паром по мере прохождения фильтровой жидкости (ФЖ) через тарелки по дистиллерной колонне. Смешивание ФЖ и известкового молока (ИМ) производится в смесителе (СМ). Основными показателями оптимального режима работы элемента дистилляции являются: - содержание СаО в жидкости из ДС (зависит от значения рН жидкости на выходе из СМ); - концентрация ИНг в жидкости из ДС. АСУ элемента дистилляции выполняет следующие основные функции: — автоматическое регулирование подачи ИМ (по основному и дополнительному потокам) с учётом значений рН и концентрации Л7/3; — автоматическое поддержание температурного режима колонны, путем изменения расхода пара в ДС с учётом концентрации Л7У3.
Похожие диссертации на Интеллектуальные системы управления технологическими процессами на основе многомерных чётких логических регуляторов
