Управление тепловыми и энергетическими процессами на основе нечеткой логики

Тепловые и энергетические процессы являются основой функционирования большого числа технических установок используемых в различных сферах народного хозяйства. К их числу могут быть отнесены разного типа котлоагрегаты, пиролизные установки, коксохимичекие установки и т. п. 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 комплексно: с использованием новых принципов построения систем управления, новых методов анализа и синтеза, нового аппаратного решения. Такой комплексный 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 и энергетических процессов за счет повышения их эффективности, надежности, расширения функциональных возможностей, имеющая важное народнохозяйственное значение, на основании которой сформулирована научная проблема разработки теоретических основ построения и средств реализации таких промышленных установок на основе разработки новых способов управления и принципов построения систем управления с исследованием их динамических и статических характеристик.

Исследование и совершенствование систем управления тепловыми и энергетическими процессами успешно ведутся в нашей стране и за рубежом. Большие достижения в этой области имеют Московский энергетический университет, Уральский и Новосибирский государственные технические университеты, ИМАШ РАН, СибНИИЛП и др.

Вопросы создания и проектирования современных систем управления котлоагрегатами отражены в работах Плетнева Г. П., Клюева А. С., Куртис И. В., Москаленко А. А. При этом достижение заданных показателей качества систем управления осуществлялось с помощью традиционных методов. Неполнота математического описания котлоагрегата как объекта управления, обусловленная линеаризацией и аппроксимацией характеристик его элементов, наличие сложных взаимосвязей между параметрами котлоагрегата не позволяет в полной мере достичь высокой эффективности управления такой установкой.

Исследованию и совершенствованию систем управления другого класса теплотехнических установок, реализующих технологические процессы пиролиза, посвящены работы Козлова К. В., Прокопенко В. В., Ключникова А. Д., Кузьмина В. Н., Попова С. К., Шаркова В. И., Сапотницкого С. А., Холькни Ю. И. и др. Этими учеными были разработаны новые устройства, позволяющие выполнять технологический цикл процесса пиролиза древесины с использованием современных достижений науки и техники, разработаны технологии быстрого высокотемпературного пиролиза, созданы ретортные производства больших масштабов. Однако вопросам управления процессом пиролиза, особенно в мобильных углевыжигательных печах, до последнего времени уделялось недостаточно внимания. Отсутствие управления является одним из основных факторов, обуславливающих низкое качество получаемого продукта — древесного угля, и как следствие невысокий выход (до 40% в лабораторных условиях) конечного продукта. Таких образом задача глубокого го исследования процесса пиролиза с позиции его управляемости и создания высокоэффективных технологических процессов является актуальной.

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.

Отсутствие в отечественной и зарубежной технической литературе достаточного количества работ, обобщающих теоретические и практические сведения по технических установкам, получение выходного продукта которых базируется на использовании тепловых и энергетических процессов, в том числе с применением аппарата мягких вычислений, сдерживает их развитие и внедрение в производство.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ. Целью работы является разработка теоретических основ проектирования и средств реализации теплотехнических установок на основе разработки новых способов управления и принципов построения систем управления на базе нечеткой логики с исследованием их динамических и статических характеристик.

Достижение указанных целей обеспечивается постановкой и решением следующих основных задач исследования:

— разработка математического аппарата для проектирования нечетких систем управления теплотехническими установками, включая развитие методов анализа и синтеза;

— создание математического описания пиролизных теплотехнических установок мобильного типа с учетом специфики использования функционально-необходимых элементов установки;

— разработка и научное обоснование новых способов управления пиро-лизными теплотехническими установками мобильного типа и принципов построения систем управления ими;

— разработка методов синтеза нечетких систем управления тепловыми процессами;

— создание программно-аналитических средств автоматизации проектирования теплотехнических установок;

— исследование статических и динамических характеристик разработанных нечетких систем управления теплотехническими установками;

— разработка технических устройств, обеспечивающих реализацию предложенных способов управления теплотехническими установками;

— создание и внедрение в народное хозяйство образцов разработанных пиролизных теплотехнических установок.

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, методах имитационного моделирования и программировании. 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 параметрами теплотехнических установок 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 адекватно отражающие их специфические свойства.

3. Обоснование и научное доказательство возможности использования для систем управления теплотехническими установками различных подходов реализации регуляторов по нечеткому принципу, в зависимости от структуры систем управления, обеспечивающих улучшенные статические и динамические характеристики систем управления.

4. Методы синтеза параметров нечеткого регулятора по прямым показателям качества системы управления теплотехнической установкойкомплекс программно-аналитического обеспечения для анализа и синтеза систем управления с нечеткими регуляторами, их расчета и проектирования.

5. Комплекс теоретических и экспериментальных исследований подтверждающих основные теоретические положения, адекватность математических моделей и эффективность предложенных процедур синтеза.

6. Разработанные и запентованные технические решения по пиролиз-ным теплотехническим установкам, их элементам, способам управления теплотехническими и энергетическими установками, обеспечивающие реализацию разработанных принципов построения нечетких систем управления.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА работы заключается в том, что впервые выполнена и решена научная проблема разработки теоретических основ построения и средств реализации теплотехнических установок путем разработки новых способов управления и принципов построения систем управления на базе нечеткой логики.

В частности:

1. Разработан математический аппарат для проектирования нечетких систем управления теплотехническими установками, в рамках которого развиты программно-аналитические методы анализа и синтеза предложенных способов управления.

2. Разработано математическое описание пиролизных теплотехнических установок для всех способов управления и режимов работы в виде совокупности статических и динамических моделей, нелинейных и линеаризованных, с учетом и без учета нечеткости параметров объекта управления.

3. Теоретически обоснованы запатентованные способы управления теплотехническими установками и основанные на них принципы построения систем управления.

4. На основании аналитических численных и экспериментальных исследований статических и динамических характеристик выявлены основные закономерности процессов в предложенных нечетких системах управления теплотехническими и энергетическими установками.

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;

— обеспечено повышение точности регулирования, расширение функциональных возможностей систем управления, повышение энергоэффективности теплотехнических и энергетических установок;

— разработанные методики и программно-аналитическое обеспечение нечетких регуляторов обеспечивают повышение производительности труда при проектировании и исследовании систем управления;

— запатентовано 10 технических решений на устройства, способы управления и структуры систем управления теплотехническими и энергетическими установками;

— разработаны новые алгоритмы управления пиролизными теплотехническими установками, обеспечивающие повышение качественных показателей установок, увеличение выхода продукта процесса пиролиза.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и получили одобрение на Всесоюзной научно-практической конференции «Электромагнитное совмещение силовых полупроводниковых преобразователей» (г. Таллин, 1984 г.) — международной научно-практической конференции «Информационные технологии в образовании, управлении и промышленности» (г. Комсомольск-на-Амуре, 1996 г.) — II Всероссийской научно-технической конференции «Информационные технологии в электротехнике и электроэнергетике» (г. Чебоксары, 1998 г.) — международной научной конференции «Нелинейные науки на рубеже тысячелетий» (С.-Петербург, 1999 г.) — международной научной конференции «Методы и средства управления технологическими процессами» (г. Саранск, 1999 г.) — международном симпозиуме «Научное и научно-техническое обеспечение экономического и социального развития Дальневосточного региона» (г. Комсомольск-на-Амуре, 1999 г.) — международной научно-технической конференции «Синергетика 2000. Самоорганизующиеся процессы в системах и технологиях», (г. Комсомольск-на-Амуре, 2000 г.) — II Всероссийской научнотехнической конференции с международным участием «Энергетика: управление, качество и эффективность использования энергоресурсов» (г. Благовещенск, 2000 г.) — межрегиональной научно-практической конференции «Роль науки, новой техники и технологий в экономическом развитии регионов» (г. Хабаровск, 2001 г.) — международной научно-технической конференции «Электромеханические преобразователи энергии» (г. Томск, 2001 г.) — 10-International Symposium «Short-circuit currents in power system» (Lodz, 2002) — региональной научно-практической конференции «Проблемы учета и управления потреблением энергоресурсов и воды» (г. Хабаровск, 2003) — региональной научной конференции «Нелинейная динамика и прикладная синергетика» (г. Комсомольск-на-Амуре, 2003 г.) — международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы лесного комплекса» (г. Брянск, 2003 г.) — международной научно-технической конференции «Электроэнергетика, электротехнические системы и комплексы» (г. Томск, 2003 г.) — научно-технических семинарах электротехнического факультета Комсо-мольского-на-Амуре государственного технического университета, 19 862 003 г.;

РЕАЛИЗАЦИЯ РАБОТЫ Основные результаты работы получены и внедрены в ходе выполнения госбюджетных и хоздоговорных НИР, выполнявшихся по заказам предприятий г. Комсомольска-на-Амуре и Хабаровского края, в рамках гранта Правительства Хабаровского края и связанных с разработкой систем управления тепловыми и энергетическими процессами на основе мягких вычислений. 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 и на Комсомольской ТЭЦ-3 при модернизации систем управления параметрами котлоагрегата.

Материалы диссертации, касающиеся математических моделей нечетких систем управления, методов синтеза нечетких регуляторов, программнотехнической конференции с международным участием «Энергетика: управление, качество и эффективность использования энергоресурсов» (г. Благовещенск, 2000 г.) — межрегиональной научно-практической конференции «Роль науки, новой техники и технологий в экономическом развитии регионов» (г. Хабаровск, 2001 г.) — международной научно-технической конференции «Электромеханические преобразователи энергии» (г. Томск, 2001 г.) — 10-International Symposium «Short-circuit currents in power system» (Lodz, 2002) — региональной научно-практической конференции «Проблемы учета и управления потреблением энергоресурсов и воды» (г. Хабаровск, 2003) — региональной научной конференции «Нелинейная динамика и прикладная синергетика» (г. Комсомольск-на-Амуре, 2003 г.) — международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы лесного комплекса» (г. Брянск, 2003 г.) — международной научно-технической конференции «Электроэнергетика, электротехнические системы и комплексы» (г. Томск, 2003 г.) — научно-технических семинарах электротехнического факультета Комсо-мольского-на-Амуре государственного технического университета, 19 862 003 г.;

РЕАЛИЗАЦИЯ РАБОТЫ Основные результаты работы получены и внедрены в ходе выполнения госбюджетных и хоздоговорных НИР, выполнявшихся по заказам предприятий г. Комсомольска-на-Амуре и Хабаровского края, в рамках гранта Правительства Хабаровского края и связанных с разработкой систем управления тепловыми и энергетическими процессами на основе мягких вычислений. 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 и на Комсомольской ТЭЦ-3 при модернизации систем управления параметрами кот л о агрегата.

Материалы диссертации, касающиеся математических моделей нечетких систем управления, методов синтеза нечетких регуляторов, программного обеспечения, используются в учебных дисциплинах «Искусственный интеллект в задачах управления» и «Интеллектуальные системы управления электроприводами» для студентов специальностей 2101 и 1804 ГОУ ВПО «Комсомольский-на Амуре государственный технический университет».

Созданные макетные образцы пиролизных углевыжигательных установок демонстрировались на международной специализированной выставке «Российские наукоёмкие технологии и техника» в г. Харбине (КНР) (1996г.) — региональных выставках в г. г. Хабаровск, Комсомольск-на-Амуре (1996, 1998 г.г.) и были отмечены грамотами.

ПУБЛИКАЦИИ. По результатам исследований, отражённых в диссертационной работе, опубликована монография, 60 научных работ, в том числе 10 патентов и свидетельств Российской Федерации.

СТРУКТУРА РАБОТЫ. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка из 237 наименований и 6 приложений. Она содержит 275 страниц машинописного текста и 133 рисунков.