Алгоритмическое обеспечение информационно-управляющей системы динамическими режимами барабанной сушильной установки на множестве состояний функционирования Куркин Илья Александрович

Анализ литературных источников по оптимальному управлению сушильными установками

При разработке и реализации ИУС для решения конкретной задачи всегда используется та или иная предметная область, включающая в себя все объекты, события, взаимосвязи между ними. Формально, предметная область представляет из себя набор сущностей, которыми являются как объекты реального мира, так и абстрактные объекты.

Для того чтобы отразить в предметной области не только объекты но и отношения между ними, введено понятие суждения. Суждение отображает взаимоотношение между двумя или более сущностями. Суждения так же можно рассматривать как один из типов абстрактных сущностей, что позволяет включать их в предметную область. Например, в теории чисел предметной областью является натуральный ряд, в ботанике – множество всех растений и т.д. Классы, виды, семейства растений с точки зрения ботаники являются суждениями, абстрактным понятием, введенным человеком для систематизации информации.

В рамках исследования методов искусственного интеллекта было необходимо представления знаний в понятном для машины виде, для чего были разработаны различные модели представления знаний [29-34]. Примеры включения БЗ для различных ИУС можно найти в [35-37].

Модели представления знаний делятся на логические (формальные) и эвристические (формализованные). Типичными логическими моделями представления знаний являются фреймовые, сетевые, логические и продукционные. Фреймовые модели представления знания были предложены М.Минским, как структура знаний, качественно реализующая восприятие пространственных сцен.

Фрейм имеет определенную внутреннюю структуру сформированную из множества слотов, имеющих собственные имена. В каждом слоте имеются области в которые записывают текущее значение слота.

В теории фреймов поддерживается свойство наследования. Так же как и в семантических сетях, в каждом фрейме вводится дополнительный слот с именем АКО (A Kind Of), который содержит ссылку на фрейм с более высоким уровнем в иерархии фреймовой сети. При обращении на указанный слот реализуется присоединенная процедура, инициирующая начальные значения соответствующих слотов.

Имена фреймов должны быть уникальными. Число слотов теоретически неограниченно. На практике, структура фрейма и число слотов определяется проектировщиком системы, при этом, для хранения и обработки необходимой информации, используется только часть слотов, другая же часть используется для служебных целей, например, указатель на фрейм-родитель, указатели на дочерние фреймы, слоты для записи служебной информации (даты создания/изменения фрейма, описания прав доступа, и т.д.).

Имя слота должно быть уникальным только в пределах своего фрейма, при этом системные имена слотов зарезервированы (IS-A, RELATIONS и т.д.). Часто имя слота содержит семантический смысл, что упрощает изучение фреймовых моделей других авторов, а также помогает в поиске ошибок.

Указатели наследования относятся к служебным слотам и определяют наследование информации, т.е. из каких слотов родительского фрейма требуется скопировать в одноименные слоты данного фрейма. Данные указатели чаще всего используются в системах с иерархической структурой и уменьшением масштаба типа «абстрактное-конкретное». Для различных систем указатели могут иметь различные обозначения, но обычно используются следующие типы алгоритмов наследования:

Одну из разновидностей связанных процедур называют «Демоном». Для данного типа процедур характерен запуск при удовлетворении определенному условию (требованию). Соответственно различают несколько типов демонов в соответствии с условием запуска процедуры: - IF-NEEDED, запускается если в момент запроса к текущему слоту его значение не определено; - IF-ADDED, запускается при попытке записи нового значения в слот; - ID-REMOVED, запускается при попытке удалить значение слота. Демон типа IF-NEEDED позволяет инициировать значения слотов, даже если в коде предыдущие значения не заполнены. Демон IF-ADDED позволяет проследить за соответствием нового значения слота требованиям, например ограничениям на значение соответствующего слота в родительском фрейме. Можно самостоятельно написать функции-демоны, которые позволят избежать ошибок при разработке системы, для каждого конкретного случая.

В качестве значения слота типа «присоединенная процедура», может использоваться «метод» в терминологии ООП, или «служебная процедура» в терминологии языка Lisp. Запуск присоединенной процедуры происходит по обращению из внешнего фрейма. Объединения демонов и присоединенных процедур представляют из себя совокупность декларативных и процедурных знаний, в рамках одной системы. Это собственно и позволяет получать новые знания из базовой фреймовой структуры. Такой тип системы позволяет реализовать любой механизм вывода (индукцию/прямой вывод, дедукцию/обратный вывод).

Одним из главных преимуществ фреймовой модели представления знаний является ее близость к организации человеческой памяти. Для использования фреймовой модели представления знаний желательно чтобы наследственные связи фреймов сущностей предметной области менялись как можно реже, а предметная область имела мало исключений.

Недостатками фреймовой модели представления знаний является общая сложность системы, что приводит к увеличению времени вывода, и высокой сложности внесения изменений и коррекций в иерархию системы.

Сетевая модель представления знаний впервые была предложена американским психологом Куиллианом.

Данный подход основан на конструкции нового типа, получившей название «семантическая сеть» (смысловая сеть). Целесообразнее сетевую модель использовать в системах распознания естественного языка, предметно-ориентированных системах. Семантика – это раздел лингвистики, рассматривающий смыслы языковых единиц.

Выделение переменных состояния и управляющих воздействий

Общее число возможных состояний функционирования составляет не менее 6х3х9х5х4х2х3x8=155520. Число состояний может быть увеличено при добавлении новых типов сырья, новых условий работы, внесений изменений в конструкцию сушильной установки (изменение углов наклона скребков и т.д.).

Для каждого из используемых на предприятии состояний функционирования имеется набор настроек параметров регуляторов, которые удерживают процесс сушки в рамках устоявшегося технологического режима. ИУС процессом сушки барды разрабатывалась для динамических режимов работы сушильной установки. Под динамическим режимом, в данном случае, понимается переход между различными состояниями функционирования или значительное изменение вектора контролируемых переменных состояния. При достаточно удаленных (в пространстве синтезирующих переменных) значениях параметров технологического процесса сушки в различных состояниях функционирования, изменение настроек регуляторов не способно перевести объект из текущего состояния функционирования в целевое. В настоящее время, переход осуществляется в ручном режиме, при отключенных регуляторах. Для каждой пары состояний функционирования, в пространстве параметров, предлагается сохранять информацию о ручном переводе объекта в динамических режимах, с последующей идентификацией модели динамики объекта и оптимизацией управляющих воздействий для данного перехода.

Рассмотрим пример алгоритма структурной и параметрической идентификации модели динамики сушильной установки на примере состояния функционирования H д = H1с H1м б H1м ш H4в в H3т п H2д п H2т с H4и д .

Структурная идентификация модели динамики объекта управления производилась путем перебора всех возможных, вариантов линейных моделей для трех переменных состояния и одного управления, определения параметров каждой модели методом наименьших квадратов, фильтрацией моделей, для которых определялись некорректные, с точки зрения термодинамики, значения параметров.

Далее, для полученных допустимых структур модели динамики производилась параметрическая идентификация с последующим построением траекторий переменных состояния с использованием реального управления, с критерием минимального значения наибольшего отклонения траекторий переменных состояния от траекторий модели. Данные для идентификации моделей динамики приведены в приложении 4.

Сушильная установка барабанного типа является нелинейным объектом с распределенными параметрами, большим количеством переменных состояния, часть из которых контролируется на предприятии, большим количеством управляющих воздействий с различным запаздыванием по каналам управления. Получение аналитической математической модели для данного технологического объекта связано с очень высокой размерностью задачи, сложностью описания и невозможностью использования полученных моделей для синтеза управляющих воздействий в режиме реального времени, без существенного изменения аппаратной части MES.

Для определения параметров управляющих воздействий данным объектом, в дальнейшем будет использоваться линеаризованная многостадийная модель в виде системы дифференциальных уравнений с разрывной правой частью.

Например, для рассматриваемого состояния функционирования, при переводе объекта из точки Z0(z1 =62,z2 =71,z3 =103) в точку Zt(z1 =109,z2 =82,z3 =114) можно выделить три стадии: I. е[б2;82], z2e[71;86], 23є[і03;117] (объект находится в данном состоянии после внепланового временного прекращения работы установки, на практике -отключение электричества на несколько часов), в этом состоянии воздух также нагревает материал, и пар отдает значительную часть тепла материалу, состояние неустойчивое, рекомендуется не использовать управление для наибольшей экономии пара, система выйдет из этого состояния, получив максимальное количество тепла из воздуха. II. z1e[82;107], z2e[82;89], 23є[і03;11і] - нормальное состояние для динамического режима объекта, температура воздуха ниже температуры материала, воздух начинает охлаждать материал, в процессе прохождения через сушильную установку, практически все лишнее тепло пара передается материалу и установке, разница температур отводимого выпара и выходного материала незначительнасостояние разогретой сушильной установки, воздух охлаждает материал, подается избыточное количество пара, в результате чего температура отводимого выпара значительно превосходит температуру материала.

Для дальнейшей идентификации шаг дискретизации составлял 28 с. Рассматривались все линейные модели объекта с максимальной связностью, с использованием в качестве критерия точности оценки в виде относительной погрешности по каждой из переменных состояния.

Производить идентификацию модели необходимо для всех стадий, несмотря на целесообразность отсутствия управления на первой стадии (состояние неустойчивое, желательно передать материалу максимальное количество тепла от воздуха), требуется иметь модель для прогнозирования траекторий переменных состояния, и, соответственно, оценки существования решения ЗОУ.

Структурная идентификация производилась для каждого состояния функционирования. Также учитывались соответствующие ограничения на параметры модели объекта управления, накладываемые физикой процесса. В процессе эксплуатации, возможно расширение базы знаний ИУС нелинейными моделями динамики, с использованием только параметрической идентификации.

Для первой стадии характерно условие Z1 [62;82], Z2 [71;86], Z3 [103;117]. Ограничения на параметры модели для I стадии: a2 0 (воздух нагревает материал); a3 0 (отводимый выпар нагревает материал); B1 0 (подача пара нагревает материал); a4 0 (материал охлаждает воздух); a6 0 (выпар нагревает воздух); b2 0 (подача пара нагревает воздух); a7 0 (материал охлаждает пар);

Сравнение различных типов управления

Для описания объекта типов управления U7-8 атрибуты T1 =T0 , T4 =Tk , используются методы проверки условий 1,2,3,4. При нарушении условий 3,4, осуществляется переход к объекту U11-12 . При нарушении условий 1,2, осуществляется переход к объекту U13-14 . При одновременном нарушении ограничений 4,2 для Sign =1 (U7 ) или 3,1 для SIGN = 0 (U8 ), осуществляется переход к U15-16 .

Для описания объекта типов управления U5-6 атрибуты T3 =T4 = Tk , методы проверки условий не используются, типы управления являются предельным случаем. Для описания объекта типов управления U3-4 атрибуты T2 =T3 =T4 = Tk , используются методы проверки условий 1,2,5,6. Для Sign =1 (U3 ), при нарушении условия 1 осуществляется переход к U5-6 , при нарушении ограничения 2 осуществляется переход к U9-10 . При нарушении ограничения 5, осуществляется переход к U11-12 . При одновременном нарушении ограничений 2 и 5, осуществляется переход к U15-16 .

Для SIGN = 0 (U4 ), при нарушении условия 2 осуществляется переход к U5-6 , при нарушении ограничения 1 осуществляется переход к U9-10 . При нарушении ограничения 6, осуществляется переход к U11-12 . При одновременном нарушении ограничений 1 и 6, осуществляется переход к U15-16 . Для объекта U1-2 , атрибуты T1 =t0 , T3 =T4 =Tk , используются методы проверки условий 3-6. Для Sign =1 (U1 ), при нарушении условия 4 осуществляется переход к U5-6 , при нарушении ограничения 3 осуществляется переход к U9-10 . При нарушении ограничения 6, осуществляется переход к U13-14 . При одновременном нарушении ограничений 3 и 6, осуществляется переход к U15-16 . Для Sign = 0 (U2 ), при нарушении условия 3 осуществляется переход к U5-6 , при нарушении ограничения 4 осуществляется переход к U9-10 . При нарушении ограничения 5, осуществляется переход к U13-14 . При одновременном нарушении ограничений 4 и 5, осуществляется переход к U15-16 . Для объекта U0 , атрибуты T1 = t0 , T2 =T3 =T4 = tk , используются методы проверки условий 1-6.

При нарушении ограничений 1-2 осуществляется переход к U1-2 (если ограничение 1 то SIGN =1, ограничение 2 - Sign = 0), при нарушении ограничений 3-4 осуществляется переход к U3-4 (если ограничение 3 то SIGN =1, ограничение 4 - Sign = 0). При одновременном нарушении ограничений 1,4 SIGN =1, или 2,3 Sign = 0 осуществляется переход к U5-6 . При нарушении ограничений 5 SIGN =1 и 6 Sign = 0, осуществляется переход к U7-8 . При одновременном нарушении ограничений 2,4 SIGN =1, или 1,3 Sign = 0 осуществляется переход к U9-10 . При одновременном нарушении ограничений 4,5, SIGN =1 или 3,6, Sign = 0, осуществляется переход к U11-12 . При одновременном нарушении ограничений 2,5, SIGN =1 или 1,6, Sign = 0, осуществляется переход к U13-14 . При одновременном нарушении ограничений 2,4,5, SIGN =1 или 1,3,6, Sign = 0, осуществляется переход к U15-16 .

При таком подходе, имея в базе данных элементарные функции для переменных состояния модели динамики объекта, ЗОУ сводится к необходимости определения конкретного типа управления и времен переключения. При инициализации объектов расчета управления, за тип управления принимается Ui0 .

Дальнейшие переходы между типами ОУ осуществляются в соответствии с рассматриваемыми нарушениями ограничений. Типов нарушения ограничений будет в любом случае 6 (для монотонных функций ограничения 5-6 не используются в связи с невозможности присутствия точек экстремума). Увеличение сложности моделей динамики, и получение ОУ потенциально имеющих более одной точки экстремума, приводит к увеличению количества возможных типов ОУ, но не ведет к увеличению элементарных функций для переменных состояния (таблица 3.4). В общем случае, процедура определения времен переключений и параметров управления базируется на следующем массиве реквизитов R = (R,U,Sign) pr где R- массив реквизитов для ЗОУ с закрепленными концами, U - вектор номеров рассматриваемых типов ОУ (для монотонных функций ОУ элементы вектора могут принимать значения 1,6, для одноэкстремальных функций ОУ 1,16 и т.д.) размерность M, Sign- вектор размерности M для соответствующих управлений.

Для управлений, удовлетворяющих условию SIGN =1, строка управления (соответствующая U15 ) будет mfpfm. Для управлений, удовлетворяющих условиюSign = 0, строка управления (соответствующая U16 ) будет pfmfp. Строка управления потребуется для получений последовательности элементарных функций (рисунок 3.14).

В зависимости от рассматриваемых типов ОУ составляется вектор времен переключений/изменений функций описывающей траектории переменных состояния. Учитывая, что для описания всех типов ОУ используется один класс объекта, размерность вектора времен переключения для всех типов ОУ составляет 4m. Далее происходит отбрасывание времен переключения, не входящих в отрезок (t0 ,tk ), в дальнейшем будет рассматриваться скорректированный вектор.

Например, для M=2 и комбинации типов ОУ U11 и U22 , в соответствии с zz / 1 0 описанием экземпляра объекта для данного класса ОУ, атрибуты T1 Г3 = Т4 =tk то есть в дальнейшем рассмотрении не используются. Скорректированный вектор будет содержать два времени переключения и T22 , скорректированная строка управлений будет fm для U22 и (рисунок 3.15).

Реализация алгоритма работы ИУС при возможном существовании решения ЗОУ

Модуль (процедура) контроля точности вызывается по таймеру (по умолчанию 30с), для текущей оценки точности модели. Он осуществляет сравнение значений полученных по текущей модели и реальных значений в текущий момент времени и, при значительных отклонениях, генерирует сообщение для оператора о переводе в ручной режим управления, а в архив аварийных сообщений БД о произошедшем событии, модулю идентификации о проведении повторной идентификации модели. Модуль реализован при помощи конфигурации с использованием стандартных ресурсов SCADA-системы WinCC.

Модуль идентификации состояния функционирования определяет значения автоматически измеряемых параметров, влияющих на состояние функционирования объекта (массовая доля барды на смесительном шнеке, мощность на вытяжных вентиляторах, рабочая температура пара в системе, давление пара в системе). Происходит определение текущих интервалов параметров. Вектор параметров передается в координатор, где дополняется данными, введенными оператором, и отправляется в БЗ для определения текущего состояния функционирования. Модуль реализован при помощи создания встроенного в проект приложения на основе парадигмы функционального программирования первого порядка.

Модуль настройки и диагностики, выделения состояний функционирования позволяет технологу производить расширения БЗ системы, определяя дополнительные переменные, влияющие на состояние функционирования, более точные модели для переходов, линеаризация которых невозможна и т.д. Модуль реализован при помощи конфигурации с использованием стандартных ресурсов SCADA-системы WinCC и встроенного языка программирования.

Модуль структурной и параметрической идентификации выполняет параметрическую идентификацию модели динамики, с оценкой параметров методом наименьших квадратов для моделей, описанных технологом, либо пытается произвести линеаризацию математической модели относительно номинальных траекторий, с использованием дифференциальных уравнений с разрывной правой частью, и последующим подбором параметров методом наименьших квадратов и проверкой знаков коэффициентов на соответствие основам термодинамики. Модуль реализован при помощи создания встроенного в проект приложения на основе парадигмы функционального программирования первого порядка.

Модуль синтеза ОУ на основе массива реквизитов определяет возможность существования решения ЗОУ, а так же вид и параметры функций ОУ на основе метода автоматического синтеза условий определения параметров ОУ, реализует взаимосвязи переходов различных типов ОУ, в зависимости от видов нарушения ограничений на управляющие воздействия. Модуль реализован при помощи создания встроенного в проект приложения на основе парадигмы функционального программирования первого порядка.

База знаний содержит набор продукционных правил для каждого типа используемых моделей, позволяющий синтезировать элементарные функции, необходимые для синтеза конечной системы уравнений, решение которой определяет параметры функций ОУ. Входом функции является вектор значений факторов, влияющих на состояние функционирования, выходом функция запроса возвращает таблицу элементарных функций для модуля синтеза ОУ. Модуль реализован при помощи создания встроенного в проект приложения на основе парадигмы функционального программирования первого порядка, реализующем продукционную структуру БЗ.

На рисунке 4.3 представлена блок схема алгоритма определения вхождения текущей точки в ОСРЗОУ основанного на методе, описанном в третьей главе. На начальном этапе происходит определение текущих значений синтезирующих переменных на основе массива реквизитов. Затем осуществляется определение времен переключения для ступенчатых функций, ограничивающих ОСРЗОУ, и, соответственно, определение минимальных и максимальных допустимых значений для синтезирующих переменных. Если каждая из синтезирующих переменных лежит в допустимых пределах, решение существует. Если хотя бы одна синтезирующая переменная не входит в допустимый диапазон - решения не существует. При вычислении значений синтезирующих переменных как функций от времени переключения и давления, при максимальном давлении hiд,hп =5атм, условие гарантированно существует, при hiд,hп =7атм, ограничивается область возможного существования решения ЗОУ. I Начало 1 В связи с тем, что давление пара в системе обусловлено требованиями на других участках, изменять данную составляющую управления мы не можем, однако известно, что при нормальном режиме работы, давление пара в системе лежит диапазоне от 5атм до 7атм.

Для управления в области возможного существования решения ЗОУ был реализован следующий алгоритм.

После инициализации переменных, введен триггер типа Boolean в положение False. Далее осуществляется переход на расчет значений синтезирующих функций и проверку вхождения в область существования решения задачи оптимального управления (ОСРЗОУ). При гарантированном существовании решения, управление передается процедуре расчета параметров ОУ. При выходе текущей точки в пространстве синтезирующих переменных из ОСРЗОУ, осуществляется проверка вхождения точки в область возможного существования решения задачи оптимального управления (ОВСРЗОУ). При отсутствии решения, управление передается на интерфейс оператора с оповещением о невозможности решения ЗОУ. При вхождении текущей точки в ОВСРЗОУ, управление переводится на граничный уровень (для паровой уплотнительной головки степень открытия составляет максимальной возможный уровень (100%), минимальный граничный уровень управления для уменьшения температуры не зависит от давления пара в системе) и триггер переводится в состояние True, сигнализирующее о переводе в режим управления в условиях возможного существования решения ЗОУ. После блока задержки (по умолчанию в системе величина задержки установлена на 30с) происходит перерасчет текущих значений синтезирующих переменных и проверка вхождения текущей точки в ОСРЗОУ.