Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ И ПОСТАНОВЇСА ЗАДАЧИ
-
Особенности управления технологическим процессом обжарки кофе 10
-
Проблема выбора критериев качества управления 20
-
Анализ методов управления, применимых в условиях информационной неопределенности 29
-
Область применения нечетких систем управления 45
-
Анализ программно-технических средств для реализации систем управления обжаркой кофе 49
-
Выводы по первой главе 56
ГЛАВА 2. МЕТОДЫ РОБАСТНОГО УПРАВЛЕНИЯ ОБЖАРКОЙ КОФЕ
-
Этапы обжарки кофе 59
-
Идентификация ростера, как объекта управления теплообменными процессами 63
-
Робастное управление температурой воздуха в ростере
с использованием интегрального квадратичного критерия 64
2.4. Расчет параметров настройки регуляторов в системах
с неточно заданными параметрами объекта 72
2.5. Выводы по второй главе 87
ГЛАВА 3. МЕТОДЫ НЕЧЕТКОГО УПРАВЛЕНИЯ И ИДЕНТИФИКАЦИИ
СИСТЕМ ДЛЯ ОБЖАРКИ КОФЕ
3.1. Влияние режимов обжаривания на физико-химические
показатели кофе 89
-
Идентификация функциональных зависимостей с помощью нечеткого логического вывода 95
-
Модели нечеткого логического вывода 96
-
Идентификация на основе нечеткого вывода 101
-
Нечеткая идентификация в системе MATLAB 102
-
Нечеткое управление температурными режимами
обжарки кофе 111
-
Парадигмы управления в условиях информационной неопределенности 121
-
Выводы по третьей главе 123
ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА И ВНЕДРЕНИЕ КОМПЬЮТЕРНОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ОБЖАРКОЙ КОФЕ
-
Коррекция управления по отношению к задающим воздействиям 125
-
Коррекция управления по отношению к возмущающим воздействиям 130
-
Внедрение методов управления обжаркой кофе 139
-
Выводы по четвертой главе 145
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 146
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 147
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Общепринятые сокращения для значений
основных термов лингвистических переменных в системах
нечеткого вывода 162
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Внедрение научных разработок 163
Введение к работе
В России кофе - второй по популярности после чая напиток. Его пьют 83% россиян, в основном - в крупных городах (на долю Москвы и Санкт-Петербурга приходится до 30% всех продаж кофе в России). Так, в Москве потребление кофе в год составляет 8-12 тыс. тонн (т.е. около 1 кг в год), а в среднем по России на душу населения приходится около 0,6 кг. По данным социологических исследований, Россия занимает четвертое место в мире по потреблению кофе на душу населения - 0,6 кг в год после Финляндии (11,8 кг.), США (3,9 кг.) и Англии (2,4 кг.).
Рынок кофе начал складываться в России в начале 90-х годов, когда с открытием границ страну захлестнул поток импортных товаров. До этого времени россияне предпочитали кофе в зернах (лишь потому, что у них просто не было другого выбора: именно этот вид кофе можно было приобрести в. магазинах), а также бразильский растворимый, приобрести который удавалось далеко не каждому. С появлением на прилавках магазинов разнообразной продукции изменились и кофейные пристрастия россиян, которые начали отдавать предпочтения растворимым сортам кофе.
К 1995 г. кофейный рынок был окончательно поделен между крупными иностранными поставщиками, сформировалась сеть дистрибьюторских компаний, лидирующее место на рынке заняли несколько марок кофе, набирало обороты и производство на отечественных фабриках (естественно, из импортного сырья). К 1996 г. объем кофейного рынка достиг, по разным оценкам, 35-80 тыс. тонн (см. табл. В1), причем, растворимый кофе оставался лидером продаж, что характерно для «чаепотребляющих» стран.
Кофе в Россию поступает более чем из 50 стран. Основными поставщиками кофе в Россию являются Индия, Бразилия и Колумбия.
Россия не только импортирует, но и экспортирует кофе, но в объемах, не идущих ни в какое сравнение с объемами импорта. Экспортируется кофе в Германию, Италию, Польшу, Румынию, Словению, США, а также в страны ближнего зарубежья - в Грузию, на Украину, в Казахстан, Узбекистан, Кир- гизию, в страны Прибалтики.
Таблица В1. Объем рынка кофе в России. *Данные за 1 полугодие 2006 г.
При переработке кофе важное значение имеет его обжарка, представляющая собой сложнейший процесс, в котором отсутствует определенная стандартная технология производства и, следовательно, требуются глубокие практические знания и умения специалистов.
В процессе обжарки необходимо весьма точно поддерживать заданную температуру воздуха в обжарочной машине и выдерживать определенную длительность данного процесса.
Поэтому целесообразно разработать методы высокоточного управления температурой обжарки кофе, эффективные при отсутствии достоверной информации о действующих на объект возмущениях, а также уточнить в процессе обжарки каждой партии кофе ее оптимальные температуру и длительность, с целью достижения наилучших показателей качества готового продукта.
Различные методы идентификации и управления технологическими процессами представлены в работах отечественных и зарубежных ученых [1 - 5, 8 - 19, 21, 31 - 34, 37,38, 44 - 52, 55 - 58, 61, 65 - 76, 79 - 82, 86 - 89, 91 -101,103,105-148,150].
Однако, не решенной до конца, остается проблема разработки методов идентификации и управления, не утрачивающих своей эффективности в характерных для процессов обжарки кофе условиях информационной неопределенности, т.е. неполноте информации о статистических характеристиках возмущающих воздействий, влияющих на контролируемые параметры данного технологического процесса, а также об оптимальных режимах обжарки. Таким образом, разработка методов и программно-технических средств для управления теплообменными процессами при обжарке кофе в условиях информационной неопределенности является актуальной задачей.
Диссертационная работа посвящена решению изложенных выше актуальных проблем и задач. Ее результаты отражены в публикациях [158 - 166]. Они нашли практическое применение:
1. При управлении обжаркой кофе на действующем оборудовании предприятия пищевой промышленности ООО "КАФФА ИНДАСТРИЗ", г. Москва.
2. В учебном процессе, методических пособиях, лабораторных работах и лекциях для студентов Российского государственного аграрного заочного университета (РГАЗУ).
Апробация работы. Основные положения и результаты исследований по теме диссертации доложены, обсуждены и одобрены на: Всероссийской научно-практической конференции «Интеллект. Инновации. Информация. Инвестиции. Инфраструктура», г. Москва, 2010 г.; II Ежегодной Всероссийской научно-практической конференции «Перспективы развития информационных технологий», г. Новосибирск, 2010 г.
Основное содержание диссертационной работы представлено в четырех главах.
В первой главе анализируются литературные источники, рассматриваются особенности управления обжаркой кофе в ростерах фирмы "Пробат". В результате установлено, что актуальна разработка методов, обеспечивающих высокое качество управления при возможных изменениях статистических характеристик аддитивных возмущающих воздействий в широких пределах. Анализируется эффективность существующих методов управления, применимых при неполноте и даже отсутствии информации о статистических характеристиках возмущающих воздействий и динамических характеристи- ках каналов управления объектов. Рассматриваются также критерии управления и ограничения при их оптимизации. Представлен обзор программного обеспечения SCADA, предназначенного для создания программируемых систем отображения информации о технологических процессах в реальном масштабе времени. В заключение главы даны выводы, определяющие конкретные задачи диссертационной работы.
Во второй главе рассматриваются три этапа обжарки кофе в ростерах. Выполнены также экспериментальные исследования, позволившие определить передаточную функцию управляемого объекта. Разработан высокоэффективный метод робастного управления обжаркой кофе на основе оптимизации интегрального квадратичного критерия в условиях статистической неопределенности. Разработан метод расчета параметров настройки регуляторов с учетом имеющихся погрешностей значений параметров объекта управления.
Третья глава посвящена разработке методов нечеткой идентификации систем управления обжаркой кофе, применение которых позволяет в процессе обжарки оптимизировать ее режимы. При этом на основании анализа экспериментальных исследований установлено существенное влияние продолжительности процесса обжарки кофе и температуры, при которой она производится, на физико-химические показатели готового продукта, такие как, влажность, значение рН, потеря массы кофейных зерен. Причем зависимость этих показателей от продолжительности и температуры обжарки недостаточна изучена. Для оптимизации режимов обжарки с целью повышения качества выпускаемой продукции использован метод идентификации зависимости показателя рН от продолжительности и температуры обжарки зерен кофе с помощью нечеткого логического вывода. При этом для установления в процессе идентификации взаимосвязи между входными и выходной переменной использовались модели Мамдани и Сугэно, а для выполнения численных расчетов применялся пакет прикладных программ MatLab. В результате были созданы нечеткие базы знаний в моделях Мамдани и Сугэно, а также найдены опти- мальные функции принадлежности нечетких термов. Выполненные расчеты свидетельствуют, что при малых обучающих выборках качество идентификации существенно выше для модели типа Мамдани. Анализ эффективности идентификации системы управления обжаркой кофе показал, что ошибка идентификации для нечетких моделей значительно меньше, чем для традиционных полиномиальных. Разработан метод синтеза нечетких регуляторов с учетом существующих технических и технологических ограничений. Установлены четыре парадигмы управления в условиях информационной неопределенности и их взаимосвязь.
В четвертой главе рассматриваются разработанные диссертантом методы коррекции управления температурой внутренней среды ростера по отношению к задающим и возмущающим воздействиям. Применение этих методов позволяет повысить качество управления при изменении сигнала задания в системе управления температурой внутренней среды ростера, а также при изменениях температуры в цехе обжарки кофе. Указана структура АСУТП обжарки кофе, а также используемые технические и программные средства управления.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
Разработан метод робастного управления теплообменными процессами в ростере с использованием интегрального квадратичного критерия, эффективный в условиях информационной неопределенности относительно статистических характеристик возмущающих воздействий.
Разработаны методы коррекции управления по отношению к задающим и контролируемым возмущающим воздействиям.
Разработан метод расчета параметров настройки регуляторов в системах с неточно заданными параметрами объекта.
Разработан метод идентификации систем управления обжаркой кофе на основе нечеткого логического вывода с использованием моделей Мамдани и Сугэно.
Разработан метод синтеза нечетких регуляторов с учетом сущест- вующих технических и технологических ограничений.
На защиту выносятся следующие основные положения:
Метод робастного управления температурой внутренней среды машины для обжарки кофе (ростера).
Методы коррекции управления по отношению к задающим и контролируемым возмущающим воздействиям.
Метод синтеза нечетких ПИД-регуляторов с учетом существующих технических и технологических ограничений.
Метод идентификации систем управления обжаркой кофе на основе нечеткого логического вывода.
Диссертация выполнена на кафедре электрооборудования и автоматики Российского государственного аграрного заочного университета (РГАЗУ).
