Содержание к диссертации
Введение
1 . Принципы математического описания тепловых процессов в мобильных углевыжигательных установках 11
1.1 Материальные, тепловые и энергетические балансы 11
1.2 Расчет материального баланса процесса пиролиза древесины 15
1.3. Тепловой баланс установки 17
1.4 Современные принципы управления 23
1.5. Применение продукционных моделей в системах управления— 32
Выводы по первой главе 38
2. Анализ и синтез систем управления тепловыми процессами в мобильных углевыжигательных установках 40
2.1 Разработка классической математической модели углевыжигательной установки мобильного типа 40
2.1.1 Разработка и исследование классической математической модели углевыжигательной печи пассивным способом регулирования. *?
2.1.2 Разработка и исследование классической математической модели углевыжигательной печи с активным способом регулирования 48
2.2 Оптимизация распределения функций принадлежности НЛР 52
2.3. Синтез HJ1P по прямым показателям качества 66
Выводы по второй главе 78
3. Исследование нечетких систем управления мобильных углевыжигательных установок 79
3.1. Анализ и синтез нечетких систем управления нестационарными тепловыми процессами 79
3.1.1. Синтез НЛР системы управления процессом пиролиза в установке с пассивным способом регулирования теплового потока 80
3.1.2. Исследование системы с нечетким регулятором по алгоритму вы вода Мамдани 85
3.1.3. Синтез НЛР для углевыжигательной установки по алгоритму вывода Сугено 87
3.1.4.Синтез НЛР для углевыжигательной установки по алгоритму вывода Сугено при использовании метода отображения 89
3.1.5. Исследование режимов работы системы с нечетким регулятором по алгоритму вывода Сугено 92
3.2. Синтез НЛР системы управления процессом пиролиза в установке с активным способом регулирования теплового потока 95
Выводы по третьей главе 101
4. Экспериментальное и технико-экономическое обследование нечеткой системы управления мобильной углевыжигательной установкой 103
4.1 Разработка программного обеспечения для аппаратной реализации нечеткой системы управления 103
4.2 Технико-экономическое обоснование 108
Выводы по четвертой главе 111
Заключение 112
Список использованных источников 115
Приложение 1 124
Приложение 2 128
Приложение 3 139
Приложение 4 154
Приложение 5 159
ПРИЛОЖЕНИЕ 6
- Материальные, тепловые и энергетические балансы
- Разработка классической математической модели углевыжигательной установки мобильного типа
- Анализ и синтез нечетких систем управления нестационарными тепловыми процессами
- Разработка программного обеспечения для аппаратной реализации нечеткой системы управления
Введение к работе
Актуальность: Тепловые и теплоэнергетические процессы являются основой функционирования большого числа технических установок используемых в различных сферах промышленности. К их числу могут быть отнесены различного типа пиролизные установки. Повышение технико-экономических показателей производственных установок при достижении их главной цели - интенсификации производства требует постоянного совершенствования систем управления процессами, происходящими в них.
Совершенствование отдельных узлов и элементов систем управления не всегда благоприятно сказывается на качество характеристик технической установки в целом, что обуславливается как ограничениями других элементов системы, так и свойствами самой системы. Поэтому задачу улучшения технических характеристик производственных установок необходимо решать с использованием новых принципов построения систем управления. Такой подход позволит раздвинуть рамки имеющихся ограничений и обеспечить улучшение характеристик.
Кроме того, ряд параметров, характеризующих тепловые процессы (сортность топлива, влажность сырья, плотность его укладки и т.п.) может быть описан только качественными характеристиками, влияние которых должно быть учтено при комплексном решении задачи улучшения технических характеристик промышленных установок.
Поэтому в данной работе выделена проблема улучшения характеристик промышленных установок, получение выходного продукта которых базируется на использовании тепловых процессов за счет повышения их эффективности, надежности, расширения функциональных возможностей. Решение данной задачи должно сводиться разработке промышленных установок и средств их реализации с применением новых способов управления и принципов построения систем управления Исследование и совершенствование систем управления процессами пиролиза древесины
5 успешно ведутся в нашей стране и за рубежом. Разработаны новые устройства, позволяюшие выполнять технологический цикл процесса пиролиза с использованием современных достижений науки и техники, разработаны технологии быстрого высокотемпературного пиролиза, созданы ретортные производства больших масштабов. Однако вопросам управления процессом пиролиза древесины в мобильных углевыжигательньгх печах уделялось недостаточно внимания. Отсутствие управления является одним из основных факторов, обуславливающих низкое качество получаемого продукта - древесного угля, и как следствие невысокий выход конечного продукта. Таких образом, является актуальной задача исследования процесса пиролиза в мобильных углевыжигательных установках с позиции его управляемости.
Использование классических подходов при построении систем управления такими установками ограничивается сложностью математического описания объекта управления (известные модели плохо приспособлены для анализа и синтеза систем автоматического управления), не стационарностью процессов, протекающих в установках, трудностью описания ряда параметров объекта управления количественными характеристиками.
В 1965 году профессор Калифорнийского университета Лотфи Заде сформулировал новый математический подход, опубликовав работу "Fuzzy Sets" в журнале Information and Control. Данная работа заложила основы моделирования интеллектуальной деятельности человека и явилась начальным толчком к развитию новой математической теории. Дальнейшие работы Л.Заде, Е.Мамдани, М. Сугено, P.M. Тонга и др. заложили прочный фундамент новой теории и создали предпосылки для внедрения ее методов нечеткого управления при реализации систем управления в различных областях науки и техники.
Однако известные примеры использования принципов нечеткого управления ориентированы в основном на разработку и исследование
экспертных систем, а работы, связанные с применением этих принципов для технических объектов единичны. Это связано с тем, что математическое описание нечетких систем управления имеет нетрадиционный характер. Существующие на данном этапе модели таких систем слабо приспособлены для анализа и синтеза.
Таким образом, является актуальным проведение исследований для определения возможностей построения нечетких систем управления, обозначенного класса теплотехнических установок.
Цель работы: разработка новых принципов построения систем управления мобильными углевыжигательными установками на базе нечеткой логики, с исследованием их динамических и статических характеристик.
Достижение указанных целей обеспечивается постановкой и решением следующих основных задач:
создание математического описания пиролизных установок мобильного типа с учетом специфики использования функционально-необходимых элементов установки;
разработка новых способов управления пиролизными установками мобильного типа и принципов построения систем управления;
разработка методов синтеза нечетких систем управления тепловыми процессами;
создание программно-аналитических средств автоматизации проектирования нечетких систем управления пиролизными установками мобильного типа;
исследование статических и динамических характеристик разработанных нечетких систем управления пиролизными установками мобильного типа;
- разработка технических устройств, обеспечивающих реализацию
предложенных способов управления пиролизными установками мобильного
типа;
Методы исследования. Научные исследования диссертационной работы основывались на теории дифференциальных уравнений, включая методы переменных состояния и операторный метод, математическом аппарате теории нечетких множеств, методах теории автоматического управления. Проверка теоретических расчетов и алгоритмов управления теплотехническими установками осуществлялась экспериментальными методами на физических макетах.
Экспериментальные исследования подтвердили полученные основные теоретические положения.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
1. Принципы проектирования систем управления пиролизными
установками мобильного типа на базе аппарата теории нечетких множеств,
обеспечивая анализ и синтез систем управления по условиям
воспроизведения требуемых динамических характеристик.
2. Разработанные математические модели пиролизных
теплотехнических установок мобильного типа отражающие их
специфические свойства.
3. Возможности использования для систем управления пиролизными
установками мобильного типа различных подходов реализации регуляторов
по нечеткому принципу
Методы синтеза параметров нечеткого логического регулятора (НЛР) по прямым показателям качества систем управления пиролизными установками мобильного типа; комплекс программно-аналитического обеспечения для анализа и синтеза систем управления с нечеткими регуляторами, их расчета и проектирования.
Комплекс теоретических и экспериментальных исследований подтверждающих основные теоретические положения, адекватность математических моделей и эффективность предложенных процедур синтеза.
Научная новизна работы заключается в том, что впервые выполнена и решена проблема разработки и построения систем управления пиролизными установками мобильного типа на базе нечеткой логики.
В частности:
1. Разработан математический аппарат для проектирования нечетких
систем управления пиролизными установками мобильного типа, в рамках
которого развиты программно-аналитические методы анализа и синтеза
предложенных способов управления.
2. Разработано математическое описание пиролизных
теплотехнических установок для различных способов управления и режимов
работы в виде совокупности статических и динамических моделей.
Теоретически обоснованы нечеткие способы управления пиролизными установками мобильного типа и основанные на них принципы построения систем управления.
На основании исследований статических и динамических характеристик выявлены основные закономерности процессов в предложенных нечетких системах управления пиролизными установками мобильного типа.
5. Разработаны метод синтеза нечеткого логического регулятора по
прямым показателям качества системы регулирования теплотехническими
установками и методика оптимизации распределения функций
принадлежности для блоков фаззификации и дефаззификации нечеткого
логического регулятора
Практическая значимость полученных результатов и выводов связана с достигнутым улучшением статических и динамических характеристик систем управления теплотехническими установками и созданием средств, достаточных для реализации теоретических положений:
созданы методики проектирования систем управления теплотехническими установками;
- разработаны функционально необходимые нечеткие регуляторы,
обеспечивающие реализацию различных принципов нечеткого управления и
повышение производительности установок;
- обеспечено повышение точности регулирования, расширение
функциональных возможностей систем управления, повышение
энергоэффективности теплотехнических;
разработаны методики и программно-аналитическое обеспечение построения нечетких регуляторов;
запатентовано техническое решение мобильной углевыжигательной установки, учитывающее разработанные теоретические аспекты.
Реализация работы. Программное обеспечение, созданное на основе разработанного математического аппарата, было внедрено для разработки углевыжигательных мобильных установок для производства древесного угля на комсомольской дистанции гражданских сооружений ДВЖД.
Материалы диссертации, касающиеся математических моделей нечетких систем управления, методов синтеза нечетких регуляторов, программного обеспечения, используются в учебных дисциплинах «Искусственный интеллект в задачах управления» для студентов специальности 2101 ГОУ ВПО «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет».
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на:
международной н.-техн. конференции "Электромеханические преобразователи энергии", Томск, 2001
8-ой международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, Томск, 2002
научной конференции "Нелинейная динамика и силовая синергетика", Комсомольск-на-Амуре, 2003
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 работ. Из них 1 патент, 1 свидетельство о регистрации программы для ЭВМ, 5 статей, 7 публикаций тезисов докладов.
Структура диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, изложенных на 123 страницах машинописного текста, иллюстрированных 66 рисунками и 4 таблицами, списка использованных источников из 97 наименования и приложений, в которых представлены два акта о внедрении результатов диссертации и описание структуры разработанного программного обеспечения.
Материальные, тепловые и энергетические балансы
Под материальным балансом понимаются уравнения, являющиеся аналитическими, табличными или графическими выражениями закона сохранения массы в высокотемпературном технологическом процессе. Материальные балансы количественно отражают алгоритм управления процессом. Уравнения баланса можно получить при анализе структурной схемы рис.2.2. Они используются для проверки правильности определения удельных расходов исходных компонентов или удельного выхода продуктов процесса, являющихся исходной базой для составления тепловых балансов высокотемпературной теплотехнологической установки и элементов ее тепловой схемы.
По данным [1] различают следующие разновидности материальных балансов высокотемпературных технологических процессов: материальный баланс компонентов; материальный баланс веществ; материальный баланс химических элементов.
Обычно уравнения материальных балансов составляются в килограммах (компонентов, веществ, элементов) на килограмм технологического продукта (технологического сырья). В применении к анализируемому случаю удобно использовать именно эти единицы измерения, поскольку это наиболее адекватно отвечает объемам технологического цикла. Основным правилом уравнения баланса является единая величина измерения всех без исключения слагаемых.
Рассматривая уравнение (1.1), как базу для составления теплового баланса, можно принять, что тун известен как функция аэромеханических условий в рабочем пространстве. Удельный расход топлива тТ9 как это будет показано ниже, может быть определен из уравнения баланса теплотехнологического реактора, если известны все т,. Поэтому практически удобно вместо (1.1) использовать два независимых уравнения материального баланса: по компонентам топочного процесса, кг/кг топлива или кг/м топлива, и по компонентам технологического процесса, кг/кг технологического продукта. 1 + Ток = тш.о. + т1н + тп.г. О -2) Щ.с= Ло п тТг (1.3) где Мщ.о. my/f mn.r. - удельные выходы шлаковых, уноса и продуктов горения топочного процесса соответственно, ток -удельный расход окислителя топочного процесса, в технологическом процессе расход окислителя ничтожно мал, поэтому им можно пренебречь, w, т ч т1 - удельные выходы шлаковых отходов, уноса и газовых отходов технологического процесса соответственно. Такая замена (1.1) на (1.2) и (1.3) исключает из уравнения материального баланса удельный расход топлива.
Здесь уместно заметить, что w, /M(J)- это удельный расход или выход j- го вещества в киломолях на единицу топлива или технологического продукта. Для газообразных веществ удобнее в место /иу/Л/(7) использовать отношение u, /VM (J), где Oj - удельный расход или выход j- го газа в кубических метрах на единицу топлива или единицу технологического продукта; VM(J)- молярный объем j-ro газа, м3/кмоль.
Необходимо отметить, что большинство слагаемых, входящих в состав уравнений материального баланса, невозможно оценить количественно с достаточной точностью. С точки зрения управления технологическим процессом такого характера, возможности измерения молярных и атомарных слагаемых можно охарактеризовать только качественными показателями: удельный расход близок к нормальному, удельный расход достаточно велик, удельный расход весьма низок и т.д. Следовательно, оценка состава продуктов горения представляет собой весьма трудоемкую задачу. Кроме того, данный метод не отражает динамических процессов установки, что в конечном итоге не позволяет корректировать процесс пиролиза на той или иной стадии. 1.2 Расчет материального баланса процесса пиролиза древесины
Различают две характерные постановки задачи расчета материальных балансов: при первой задан состав только исходных компонентов, при второй - и исходных компонентов и продуктов процесса. Из большого многообразия решаемых задач можно выделить материальные расчеты идеальных, неравновесных и равновесных процессов.
Если рассматривать процесс углежжения как идеальный, то есть принять, что реагирующие вещества исходных компонентов поступают и расходуются в соотношениях, определяемых стехиометрией химических реакций, каждая из которых протекает необратимо до полного превращения исходных реагентов в продукты процесса, то с учетом этих допущений для выполнения материального расчета идеального процесса, помимо состава исходных компонентов, необходимо дополнительно знать только перечень химических реакций. Указанная информация достаточна для нахождения из стереохимических соотношений удельных выходов процесса, их состава, а также удельных расходов исходных компонентов.
Используя полученные зависимости, можно синтезировать алгоритм управления технологическим циклом установки в функции материального баланса топлива. Вводя в управляющее устройство начальные данные, отражающие объем введенных компонентов процесса, и имея в памяти устройства некоторые экспериментальные данные о ходе процесса, получим расчет необходимого количества топлива для начала технологического цикла. Подставляя известные слагаемые, расчетные и снятые с технологических датчиков в уравнение материального баланса, можно оценить необходимое для поддержания процесса количество топлива. Поддержание подачи топлива, в соответствии с изменением других компонентов материального баланса, позволит оптимизировать процесс пиролиза, создать идеальные условия его протекания.
Однако такой подход трудно реализуем в силу переменных факторов окружающей среды и переменных параметрах процесса пиролиза. Причем, зависимость изменения параметров среды трудно отслеживаемая. Исходя из вышесказанного, можно сделать вывод, что уравнения материального баланса удобно применять для расчета тепловых коэффициентов, но никак не для оценки динамических процессов, протекающих в установке. 1.3 Тепловой баланс установки
Разработка классической математической модели углевыжигательной установки мобильного типа
Современные знания о физической сущности процессов, при которых протекает сложный теплообмен, позволяет описать математически весь комплекс этих процессов системой дифференциальных и интегро-дифференциальных уравнений. Эта система в общем случае, когда происходят радиационный, конвективный и кондуктивный переносы энергий, состоит из следующих уравнений: движения среды, неразрывности потока, сохранения энергии, переноса излучения и, наконец, характеристических уравнений физических параметров среды и соответствующих уравнений краевых условий [7,8].
Имеющиеся в литературе [ 1 -5] уравнения описывают процессы, происходящие в установке в общем виде, и не учитывают влияния управляющих воздействий на ход процесса в связи с чем требуют значительной адаптации к конкретным условиям процесса пиролиза для получения математического описания печи с возможной реализацией алгоритмов управления. Это объясняется следующими факторами:
Во-первых, непосредственная реализация полной математической модели затруднительна, даже с применением современных ЭВМ, из-за сложной конструкции печи и большого числа, входящих в нее элементов. Кроме того, система содержит внутренние источники тепла (сырье в результате экзотермического процесса на определенном этапе углежжения само становится источником тепла), количество и степень тепловыделения, которых в лучшем случае является вероятностной функцией.
Во-вторых, использование математической модели для проектирования систем углежжения малопригодно, поскольку основным методом проектирования сложных систем является блочно-иерархический, при котором в процессе проектирования система рассматривается последовательно на разных уровнях иерархии с постепенно нарастающей степенью детализации. При этом анализ процессов теплообмена, на каком либо высшем уровне, нужно проводить в условиях, когда внутренняя структура подсистем этого уровня еще детально не определена, и поэтому полную модель нельзя использовать из-за недостатка информации.
Из вышесказанного вытекает необходимость введения ряда упрощений и допущений в первоначальное описание тепловой структуры печи. Существует несколько перспективных методов для анализа сложных систем в процессе сложного теплообмена [6]. Это метод тепловых схем замещения, на основании которого сложная структура разбивается на ряд блоков, каждому ставится в соответствии определенный элемент, описывающий тепловой процесс, протекающий именно в этом элементе. Далее составляется схема замещения всей структуры, которая с определенной закономерностью связывает элементы, и анализ теплового процесса проводиться на синтезированной схеме. 1. В [6] на базе метода тепловых схем замещения для мобильной установки пиролиза древесины с пассивным способом управления, изображенной на рис. 1.1 при использовании ряда допущений: 1) Источником тепла является все дно камеры, причем тепловой поток равномерен по всей площади. 2) Объектом сугливания является сплошной деревянный куб: а) коэффициент теплопроводности остается величиной постоянной; б) плотность среды (древесины) в процессе не изменяется; в) удельная теплоемкость среды также постоянна. 3) Внутренние источники тепловыделения отсутствуют. 4) Все поверхности находятся в идеальном тепловом контакте (отсутствуют контактные термические сопротивления), получена структурная схема, отражающая процесс пиролиза (см. рис. 2.2)
Мобильная углевыжигательная установка с пассивным способом регулирования. 1 - межкорпусное пространство; 2 — внешний кожух; 3 — корпус; 4 — дверь; 5 - подъемное устройства; 6 — пальцы; 7 — отражатель; 8 — подвижные шторы; 9 - электродвигатель; 10 - отводная труба; 11 - задвижка; 12 - клапан; 13 -датчик газа; 14- термопары; 15 — щуп; 16 — тележка; 17 — стойки; 18 — контейнер; 19 - технологические отверстия; 20 - неподвижные шторы; 21 -сборник; 22 — подводная труба; 23 — топка; 24 — задвижки; 25 — соединительная труба; 26 — исполнение с двумя печами; 27 — задвижка; 28 45 направляющие; 29 - протяжные штурвалы.
Структурная схема рис.2.2 отражает свойства тепловых элементов системы и взаимосвязь между ними, что позволяет произвести расчет промежуточных температур в узлах тепловой схемы во временной координате.
Входными и возмущающими воздействиями являются температура топки и внутренних теплоисточников соответственно. Направления связей адекватно протеканию тепловых потоков. Индексы над фрагментами схемы указывают их принадлежность тому или иному элементу тепловой системы.
Также как и в установке с пассивным способом регулирования отметим, что при построении тепловой модели установки с активным способом управления рис.2.3 были приняты следующие допущения: 1) Источником тепла является все дно камеры, причем тепловой поток равномерен по всей площади. 2) Объектом сугливания являются четыре сплошных деревянных куба: а) коэффициент теплопроводности остается величиной постоянной; б) Структура древесина изотропная; в) плотность среды (древесины) в процессе не изменяется; г) удельная теплоемкость среды также постоянна; д) все поверхности находятся в идеальном тепловом контакте (отсутствуют контактные термические сопротивления).
Как и в модели установки с пассивным способом регулирования, статическая тепловая модель установки с активным способом регулирования не позволяет в полной мере проанализировать процессы, происходящие в установке, ведь именно особенность управления пространственным положением контейнеров во времени в температурном поле печи, позволяет компенсировать явления перегрева или недогрева. Рассмотрим динамическую модель углевыжигательнои установки с активным способом регулирования рис.2.4.
Анализ и синтез нечетких систем управления нестационарными тепловыми процессами
В данном разделе рассмотрим использование нечетких принципов регулирования для управления нестационарными тепловыми процессами.
Как было отмечено ранее, управление тепловым процессом пиролиза древесины в мобильных углевыжигательных установках сводится к минимизации рассогласования температур пода и свода путем изменения распределения тепловых конвекционных потоков внутри камеры сгорания (изменением пространственного расположения подвижных штор или пространственного расположения контейнеров с сырьем). Для реализации этого система автоматического регулирования процессом пиролиза древесины в мобильной углевыжигательнои установке должна содержать НЛР, в задачу которого входит выработка управляющего воздействия, снижающего разность температур между подом и сводом установки..
Система автоматического регулирования данным тепловым процессом воспринимает как внешние, так и внутренние возмущения. Изменение температурных условий вне камеры сгорания является внешним возмущением. Внутренние возмущения весьма разнообразны. К ним относятся изменения влажности загружаемого сырья, его геометрическое расположение внутри контейнера, плотность укладки в контейнере, интенсивность экзотермических зон процесса, изменение сортности древесины и т. п. Внутренние возмущения носят случайный и хаотический характер. При этом НЛР должен быть таким, чтобы система автоматического регулирования процессом пиролиза древесины в мобильной углевыжигательнои установке была слабо чувствительной как к внешним, так и при внутренним возмущениям, обеспечивая при этом достаточно высокое качество регулирования.
При дальнейшем рассмотрении задачи синтеза автоматической системы регулирования полагаем, что ее основной функцией является удержание минимальной разности температур в заданном диапазоне на этапе пиролиза древесины, что положительно сказывается на количестве выходного продукта, а также на экологичности процесса горения. Увеличение разности температур пода и свода установки пиролиза древесины приводит к недожогу сырья в нижней части контейнера и пережогу в верхней части, а это снижает как качество, так и количество выходного продукта.
Отсюда структурно НЛР должен содержать как минимум три входа и один выход. На два входа НЛР должны подаваться сигналы пропорциональные температуре пода и свода установки соответственно, что определяется как принципом построения системы управления процессом пиролиза, так и конструктивными возможностями установки. На третий вход - сигнал пропорциональный производной температуры свода печи, так как температура у свода печи наиболее подвержена влиянию возмущающих воздействий. При синтезе НЛР будем использовать методы, рассмотренные во второй главе настоящей работы, при анализе нечеткой системы регулирования будем опираться как на алгоритм вывода Мамдани, так и на алгоритм вывода по Сугено.
Используя вышеописанный метод и его программную реализацию, получим функции принадлежности для входных лингвистических переменных pod и svod, которые представлены на рисунке 3.2 (при построении синтезируемые функции принадлежности аппроксимируются треугольным видом для упрощения дальнейшего использования их в НЛР при моделировании в среде MatLab) [67-71].
Такое оптимальное распределение функций принадлежности в блоках фаззификации и дефаззификации позволяет существенно сократить объем БЗ путем исключения из нее правил, не оказывающих существенного влияния на выходные характеристики НЛР. Таким образом, БЗ будет состоять всего из 4 продукционных правил вместо 49 возможных, рассчитанных из условия ее полноты.
Если pod есть PZ и svod есть Z, то stora есть РВ; Если pod есть РВ и svod есть PS9 то stora есть РВ; Если pod есть РВ и svod есть РМ, то stora есть NZ; Если pod есть РВ и svod есть РВ, то stora есть NB. Смоделируем процесс пиролиза древесины в углевыжигательной печи с синтезированным НЛР, Полученные динамические характеристики сравним с характеристиками, которые были построены на основе алгоритма нечеткого логического вывода
Сравнительный анализ результатов моделирования нечеткой системы регулирования углевыжигательной печью с регулятором, синтезированным по рассмотренному методу, и регулятором с равномерно распределенными функциями принадлежности при полной БЗ, показал, что данный метод позволяет оптимизировать переходные процессы в системе за счет уменьшения температурного рассогласования на этапе экзотермического процесса и повысить качество выходной продукции - древесного угля, т.к. процесс пиролиза протекает при более равномерном распределении температур. 3.1.2. Исследование системы с нечетким регулятором по алгоритму вывода Мамдани
Исследуем поведение системы с НЛР, построенным по методу отображения, при различных режимах работы.
Вначале оценим влияние числа функций принадлежности в блоке фаззификации НЛР на динамические характеристики системы. Оценку будем производить на основании моделирования системы в среде MatLab. Результаты моделирования приведены на рис. П.3.6.1. Анализируя полученные характеристики, можно сказать, что система управления с любым из трех НЛР позволяет улучшить процесс пиролиза за счет выравнивания температур во всем объеме среды сугливания, но наиболее эффективным является НЛР с семью функциями принадлежности в блоке фаззификации. Разница температур между подом и сводом камеры при использовании этого регулятора на этапе прокаливания угля составляет всего 30С, в то время как при использовании других регуляторов с тремя и пятью функциями принадлежности она составляет порядка 50С. Такие результаты получаются за счет более гибкого управления при использовании НЛР с семью функциями принадлежности.
Разработка программного обеспечения для аппаратной реализации нечеткой системы управления
Система, реализующая нечеткое регулирование аппаратно состояла из ПЭВМ на базе PENTIUM П-300 с 32Mb оперативной памяти под управлением операционной системы Windows и программируемого микроконтроллера AT90S8515 172-74], соединенного с ПЭВМ через совместимый последовательный интерфейс RS-232C (UART). Управляющие функции были возложены на микроконтроллер, в то время как ПЭВМ осуществлял функции устройства передачи априорной информации в микроконтроллер (функции принадлежности, управляющие правла).
Процесс нечеткого регулирования реализовался следующим образом. Посредством моделирования в системе "FuzzyLogic Toolbox for MatLab" [75-80] генерируется исходный файл, содержащий всю информацию о процедуре нечеткого вывода. Далее эта информация передавалась на микроконтроллер через универсальный приемо-передатчик (UART) [81-83]. Микроконтроллер формирует управляющий сигнал с использованием стандартного метода центра тяжести [66] при использовании принятых данных о состоянии функций принадлежности и правил вывода. Программа работая в цикле позволяет динамически (оперативно) изменять распределение функций принадлежности и продукционных правил. Упрощенная блок-схема управляющей программы представлена на рис 4.1.
Данный показатель является приемлемым для рассматриваемых систем управления, постоянные времени которых значительно выше. Один эксперимент поставлен на нерегулируемом объекте, во время которого не производилось регулирование ни одним из параметров установки, отслеживалась лишь технология процесса пиролиза древесины. Второй эксперимент проводился с управлением хода процесса, с использованием регулятора построенного классическим способом. Третий эксперимент иллюстрирует ход процесса при использовании нечеткого управления. Физическая модель представлена на рис. 4.3.
Предложенные технические решения были исследованы на физической модели установки. Полученные результаты представлены на рис. 4.4. При отсутствии принудительной стабилизации распределения теплового потока, как предполагалось на основании анализа известных решений и моделирования, наблюдался перепад температур вверху и внизу камеры. С самого начала процесса пиролиза в физической модели датчики регистрировали повышенную температуру у свода камеры по отношению к поду печи. В результате этого уголь имел малый процентный выход и низкое качество. В тех местах, где температура была повышена, уголь сгорел до золы, а в местах недогрева древесина только обуглилась.
В случае, когда процесс протекает в условиях регулирования путей протекания газовых потоков в объеме камеры с помощью изменения пространственного положения теплоизолирующих штор. Температура у свода печи совпадает с температурой у пода во время протекания процесса пиролиза или незначительно превышает ее. Наблюдается более равномерное распределение тепла в объеме печи, процессы протекают более интенсивно и как следствие увеличивается выход и качество конечного продукта.
Проведенный сравнительный анализ показал, что интенсификация и равномерность протекания процесса пиролиза в предлагаемой установке позволяют избавиться от недостатков аналогичных устройств. Кроме того, мобильность установки решает проблему ее транспортировки к участкам рубки леса и разработки горельников. В процессе пиролиза древесина теряет до 70% собственной массы, по этому признаку можно оценить экономический эффект, получаемый от транспортировки конечного продукта (угля) взамен сырья-древесины из места заготовки. Реализация алгоритмов управления позволяет сократить количество обслуживающего персонала установки и повысить качество получаемого продукта.
Безопасность и экологичность: Возможности утилизации отходов процесса позволяет успешно решать вопросы экологического состояния данной установки. Углевыжигательная печь безопасна для окружающей среды, поскольку полностью сжигает вредные парогазовые продукты, образующиеся в процессе термического разложения древесины.
Оценочная стоимость углевыжнгательной печи: При оценке стоимости учитывались затраты на разработку и создание математической модели установки и методик ее проектирования, а также затраты на изготовление экспериментальной установки [П5].
Для определения затрат на материалы были использованы цены на рынке металлопродукции города Комсомольска-на-Амуре. Транспортные расходы не учитывались, так как доставка материалов осуществляется поставщиком.
1. Выполнена программно-аппаратная реализация нечеткого регулятора, обеспечивающая его эффективное функционирование, создано программное обеспечение, позволяющее использовать для нечеткого управления среду инженерных вычислений MatLab.
2. Полученные экспериментальные характеристики процесса пиролиза подтверждают адекватность моделирования и управляющих алгоритмов.
3. Приведено технико-экономическое обоснование на производство мобильной углевыжигательной установки, с учетом затрат на разработку и создание математической модели установки и методик ее проектирования, отражающих эффективность предложенных методов создания пиролизных установок мобильного типа с использованием нечетких принципов управления.
