«Қоғамды ақпараттандыру» III Халықаралық ғылыми-практикалық конференция
327
УДК 517.51
ТЕМИРБАЕВА Б.Б.
Евразийский национальный университет им. Л.Н. Гумилева, Астана
ПРОЕКТИРОВАНИЕ НЕЧЕТКОГО РЕГУЛЯТОРА ДЛЯ АВТОМАТИЗАЦИИ ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВЕННОГО ПРОЦЕССА
Автоматизация теплотехнических производственных процессов – одно из направлений комплексной программы научно-технического прогресса. Главная цель – обеспечить оптимальное течение технического процесса в реальных условиях при достижении заданного качества и эффективности.
При формировании управляющих воздействий необходимо учитывать факторы, приводящие к неопределенности в структуре и параметрах моделей.
Используемые в наши дни системы управления не позволяют в полной мере обес- печивать все возрастающие требования к качеству выполнения теплотехнических производственных процессов.
Решить данную проблему возможно путем применения интеллектуальных технологий управления и, в частности, нечеткой логики, применение которой позволяет, с одной стороны, существенно упростить законы управления, а с другой — обеспечить заданное качество управления в условиях неопределенности.
Задачей управления является обеспечение требуемого расхода и температуры теплоносителя на выходе удаленной магистрали при изменениях температуры и объема исходных смешиваемых носителей.
Заданная температура теплоносителя поддерживается за счет смешения двух исходных теплоносителей (например, холодной и горячей воды или пара), при этом ошибка регулирования температуры должна стремиться к нулю. В процессе работы смесителя регулируется объемный расход горячей Vг и холодной Vx воды. Температура смеси зависит от температуры горячей tг и холодной tх компонент. Кроме того, в процессе регулирования требуется поддерживать заданный расход теплоносителя V на выходе смесителя.
На рис.1 представлена функциональная схема замкнутой системы нечеткого управления теплосмесителем. Исходные теплоносители (горячая и холодная вода) поступают через регулирующие органы — клапаны 5 и 6 — в узел смешения 9 и далее к потребителю, их температуры измеряются датчиками 1 и 2, а смеси — датчиком 10. Расход смешиваемых компонент измеряется датчиками 3 и 4, а общий расход теплоносителя к потребителю вычисляется как их сумма. Клапаны приводятся в действие электроприводами 7 и 8.
Нечеткий регулятор по сигналам датчиков задает положения клапанов, обеспечивая требуемую температуру теплоносителя и его расход.
При смешении без отвода тепла двух жидкостей с разными температурами (рис.2) в установившемся режиме результирующие значения температуры и объема смеси V связаны следующими уравнениями:
( ) ( ) (1)
При требуемых температуре зад и объеме Vзад теплоносителя на выходе смесителя заданные объемы холодной и горячей воды вычисляются из уравнений (1) по формулам
(2) (3)
«Қоғамды ақпараттандыру» III Халықаралық ғылыми-практикалық конференция
328
Рис.1. Функциональная схема замкнутой системы управления теплосмесителя с нечетким регулятором
Рис.2. Структурная схема замкнутой многосвязной системы управления температурой и расходом теплоносителя Объект управления представляет собой соединение нелинейных блоков умножения и деления, которые реализуют зависимость температуры смеси от температур и объемов исходных теплоносителей в установившемся режиме:
( ) (4)
Для отражения запаздывания между управляющим воздействием и реакцией на него в модель объекта введено звено чистого запаздывания , где характеризует время прохождения жидкости от исполнительных механизмов до датчика температуры смеси. Температуры горячего и холодного теплоносителей обозначены соответственно , а измеренные— . Инерционные свойства датчика температуры смеси и динамика установления температуры на выходе смесителя характеризуются передаточной функцией ( ) ( ) . Передаточные функции ( ) ( ) и ( ) ( ) описывают динамические параметры датчиков температуры горячего и холодного теплоносителей соответственно. Инерционность датчиков объемного расхода исходных теплоносителей и исполнительных механизмов учтена передаточной функцией с постоянной времени клапанов . Нереверсивный и ограниченный по величине характер управляющего сигнала на выходе исполнительных механизмов (клапанов) представлен нелинейностями типа "ограничение" НЭ1 и НЭ2.
Нечеткий регулятор по трем каналам (пропорциональному, интегральному и дифференциальному) обрабатывает сигнал рассогласования между вычисленным по формулам (2) или (3) значением заданного объемного расхода исходного теплоносителя сигналом с датчика фактического расхода и сигналом коррекции отклонения реальной температуры смеси от заданного значения. Глубина коррекции температуры задается коэффициентом К.
В нечетком регуляторе, структурная схема которого представлена на рис.3, фаззификатор преобразует аналоговые входные сигналы ошибки регулирования р, ее производной xd и интеграла xi в элементы размытых множеств с соответствующими весами.
Рис.3. Структурная схема нечеткого регулятора
Блок логического вывода, который содержит лингвистические правила управления, формирует элементы выходных нечетких множеств. Дефаззификатор преобразует
«Қоғамды ақпараттандыру» III Халықаралық ғылыми-практикалық конференция
329
результаты нечетких вычислений yd в аналоговые управляющие сигналы. Дефаззификация осуществляется в соответствии с "MAX-MIN" подходом.
В каналах горячей и холодной воды нечеткие регуляторы имеют 3 входных и 1 выходную переменную, 15 функций принадлежности; регулирование осуществляется в соответствии с 64 правилами. В них каждому входному сигналу соответствуют 4 лингвисти- ческих переменных, а выходному — 5.
В регуляторе температуры выбран метод дефаззификации СоМ (центр максимума) как наиболее эффективный.
В соответствии с разработанными продукционными правилами нечеткий регулятор, программно реализован в среде MATLAB с использованием пакета расширения "Fuzzy Logic Toolbox".
Диапазоны входных сигналов нечеткого регулятора выбраны исходя из допустимых ошибок управления температурой 0,5°С и расхода относительного объема 0,01. Выбор диапазона выходного сигнала yd от -2 до 2 обусловлен необходимостью задания относительного положения исполнительного клапана в диапазоне от 0 до 1, что соответствует полностью закрытому или открытому клапану.
Для построения логико-лингвистической модели в неавтоматизированном режиме измерялась температура теплоносителя на выходе смесителя, строился график зависимости от времени и анализировался процесс отклонения температуры от нормы.
На рис.4 и рис.5 представлены соответственно временные диаграммы процессов совместного регулирования температуры и объемного расхода теплоносителя. Результаты моделирования показали высокую эффективность применения нечеткого регулятора для управления объемным расходом и температурой теплоносителя. Время регулирования температуры не превышает 60с при нулевой ошибке в установившемся режиме и отсутствии перерегулирования (кривая 2 на рис. 4), при этом заданный объемный расход устанавливается за время, равное времени задержки Y (кривая 2 на рис. 5). Возмущения по температуре (кривая 3 на рис. 4) отрабатываются изменением объемного расхода горячего и холодного теплоносителей (кривые 3 и 4 на рис. 5) без изменения общего объемного расхода смешанного теплоносителя (кривая 2 на рис. 5).
Рис.4. Процесс регулирования объема смешанного теплоносителя (2) при заданной температуре (1) и изменении температуры горячего теплоносителя (3)
Рис.5. Процесс регулирования объема смешанного теплоносителя (2) при изменении температуры горячего
теплоносителя, где 1- заданный объем; 3 и 4- объемы горячего и холодного
теплоносителя
Результаты моделирования показали высокую эффективность применения нечеткого регулятора для управления объемным расходом и температурой теплоносителя.
Литература
1. Гостев В.И. Нечеткие регуляторы в системах автоматического управления. Киев:
Радiоматор,2008.971с.
«Қоғамды ақпараттандыру» III Халықаралық ғылыми-практикалық конференция
330
2. Дорошенко С.В. Проектирование нечеткого регулятора для автоматизации теплотехнического производственного процесса
3. Макаров И.М., Лохин В.М. Интеллектуальные системы автоматического управления. М.: Физматлит,2001.575с.
4. Деменков Н.П. нечеткое управление в технических системах. М.: МГТУ им.Н.Э.Баумана,2005.199с.
