Система адаптивного управления технологическими процессами

ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН ВИДЕТЕЛЬСТВ Н АВТОРСК(56) М 12 свидетельство С 05 В 15/02,вторско 911, кл ВЛЕН АДАПТИВНОГО УПР КИМИ ПРОЦЕССАМИ ние относится к управления и мо для управления(54) СИСТЕМА ТЕХНОЛОГИЧЕС (57) Изобрет ным системам использовано адаптив ет быть гается8 ил,Ф ЪФ но ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯРИ ГКНТ СССР гическими процессами. Цель изобретения - расширение области примененияпутем обеспечения управления слабоформализуемыми технологическими процессами. Система адаптивного управления технологическими процессами содержит подключаемые к объекту 1 управления преобразователь 2 количественной и качественной информации винформацию в виде нечетких множеств,блок 3 определения величин управляющих воздействий, блок 4 формирования корректирующих воздействий, блок5 формирования управляющих воздействий, блок 6 исполнительных механизмов. Цель изобретения достиблагодаря преобразователю 21619231 иров як оррект одписно Производственно-издательский комбинат "Патент Составитель В.Б Редактор И.Дербак Техред Л.ОлийныкЗаказ 46 Тираж .сВНИИПИ Государственного комитета по и113035, Москва, Жобретени Раушская м и открытиям при Г наб д. 4/5 Ужгород, ул. Гагарина, 10Изобретение относится к адаптивным системам управления и может бытьиспользовано для управления технологическими процессами.Цель изобретения - расширение области применения за счет обеспеченияуправления слабоформализуемыми технологическими процессами.На фиг, 1 представлена структурна" схема системы адаптивного управления технологическими процессами;на фиг. 2 - структурная схема преобразователя; на фиг, 3 - функциональная схема блока преобразования поодному каналу; на фиг, 4 - функциональная схема второго блока памяти;на фиг. 5 - функциональная схема блока управления пам гью и первого блокапамяти; на фиг, 6 - функциональная 20схема блока определения величин управляющих воздействий; на Фиг. 7функциональная схема блока формирования корректирующих воздействий; нафиг, Я - функциональная схема блока 25формирования управляющих воздействий,Система адаптивного управлечиятехнологическими процессами содержит(фиг. 1) объект 1 управления, преобразователь 2 количественной и качественной информации в информацию ввиде нечетных множеств, блок 3 определения величин управляющих воздействий, блок 4 формирования корректирующих воздействий, блок 5 формирования75управляющих воздействий и блок 6 исполнительных механизмов.Преобразователь 2 содержит (фиг,2)блок 7 преобразования количественнойинформации и блок 8 преобразования 40качественной информации.Блок 7 (фиг. 2) состоит из блоков9.1-9.п преобразования по одному каналэ . Блок 8 (фиг, 2) содержит клавиатуру 10, блок 11 кодирования, регистр12 кода, блок 13 управления памятью иблок 14 памяти.Блок 9. преобразования по одномуканалу содержит (фиг. 3) аналого-цифровой преобразователь 15, субтрактор16, задатчик 17, блоки 18 и 19 памяти.Блок 18 памяти содержит (фиг. 4)блок 20 компараторов, первый элементИЛИ 21, КБ-триггер 22, генератор 23,постоянное запоминающее устройство(ПЗУ) 24, элемент И 25, счетчик 26,в орой элемент ИЛИ 27, блок 28 регистров,Блок 13 управления памятью содержит (фиг. 5) дешиФратор 29, счетчик30, КБ-триггер 31, элемент И 32 игенератор 33,Блок 14 памяти содержит (фиг. 5)блок 34 постоянных запоминающих устройств и блок 35 регистров.Блок 3 определения величин управляющих воздействий содержит (фиг.б)элементы 36 памяти и элементы выделения максимума 37 и минимума 38,Блок 4 формирования корректирующих воздействий содержит (фиг. 7)программируемую логическую матрицу39, коммутаторы 40, функциональныеблоки 41 и элементы ИЛИ 42.Блок 5 формирования управляющихвоздействий содержит (фиг. 8) элемент 43 определения максимальногоэлемента, элементы 44 памяти, коммутатор 45 и цифроаналоговый преобразователь 46.Система работает следующим образом.Сигналы управления х,х,.хв момент времени С подаются на входыобъекта 1 управления, который их преобразует в выходные сигналы у,ууя. Количественные выходные сигналыу поступают в блок 7 преобразователя2, качественные выходные сигналы увводятся оператором технологическогопроцесса и поступают в блок 8,В блоке 7 преобразователя 2 осуществляется преобразование значений параметров технологического процессаи их ошибок в нечеткие множества(т,е. определяются значения элементов функций принадлежности нечеткихмножеств),В блоке 8 преобразователя 2 качественные значения параметров технологического процесса, вводимые человеком-оператором, также преобразуются.в нечеткие множества с соответствующими функциями принадлежности.Число блоков 9 преобразования поодному каналу в блоке 7 определяетсячислом количественных параметров,поступающих от объекта 1 управления.В блоке 9 информация преобразуетсяследующим образом. В аналого-цифровом преобразователе 15 (фиг, 3) аналоговые значения сигналов преобразуются в цифровые. С выхода преобразователя 15 цифровой код поступает на входблока 18 памяти и вход субтрактора 16,Субтрактор 16 вычисляет разницу меж1619231 ду реальным значением параметра у изначением у , выставленным задатчиком+17, которую необходима достичь в процессе управления. Вычисленная разность поступает в блок 19 памяти,5Функциональное построение блоков18 и 19 памяти идентично,Глок 18 памяти (фиг, 4) работаетследующим образом.10Цифровой код параметра поступаетца вход блока 20 компараторов. Числокомпараторов в блоке 20 определяетсячислом поддиапазонов, на которые разбит диапазон изменения выходного сигнала объекта 1 управления. Каждомуподдиапазону соответствует лингвистическая переменная "Температура большая, "Температура средняя", "Температура нормальная" и т.д. Присвоение 20каждому поддиапазону лингвистическойпеременной осуществляется на этапепроектирования системы группой экспертов, что позволяет уменьшить субъективность в выборе числа поддиапазонов,Например, температура технологического процесса изменяется в предепахот 1000 до 1300 С. В результате анализа эксперты выделяют четыре поддиапазона, которые характеризуются следующими лингвистическими параметрами:"Температура очень большая". Значение40параметра у = "Температура очень большая" представлено в постоянной памяти (блоке 28 ПЗУ) в виде Функциипринадлежности нечеткого множества,определенного на данном базовом множестве, т,е. если У.=О/1000 С + 0,1/+ 0,8/1200 С + 1/1250 С + 0,9/1300 С,то 0; 0,1; 0,4; 0,5; 0,8; 1; 0,9значения дискретной функции принадлежности нечеткого множества "Температура очень большая", а 1000, 1050,1100, 1150, 1200, 1250 и 1300 Сэлементы базового множества (в данномслучае элементы базового множестваполучены в результате дискретизациидиапазона изменения технологического,параметра у. ), на котором определенонечеткое множество. Значения дискретной функции принадлежности нечеткага множества, соответствующего наименованию поддиапазона, записаны в ПЗУ 24, Число ПЗУ24 равно числу поддиапазонов. Емкостькаждого ПЗУ 24 равна числу дискретных значений функции принадлежностинечеткого множества.Каждый компаратор блока 20 компараторов осуществляет проверку напопадание значения параметра технологического процесса в свой поддиапазон и вырабатывает на выходе сигк кнал высокого уровня, если у(уц,уь,где у, - цифровой код параметра,у " - нижний предел срабатывания компаратора, у- верхний предел сраба-,тывания компаратора, Выходные сигна -лы с блока 20 компараторов поступаютна элемент ИЛИ 21, выход ко 1 араго подключен к входу КБ-триггера 22 и на ПЗУ 24,разрешая считываниеинформации с того ПЗУ 24, куда поступила логическая единица с блока 20 компараторов, При наличии сигнала высокого уровняна выходе элемента ИЛИ 21 триггер 22 устанавливается в состояние логической единицы и таким образом разрешает прохождение импульсов с генератора 23 через элемент И 25 насчетчик 26, Выход счетчика 26 подключен к адресным входам ПЗУ 24 иадресным входам блока 28 выходных регистров, Счетчик 26 до начала ра;боты установлен в единичное состояние,После прихода первого импульса счетчик 26 устанавливается в нулевое состояние, по нулевому адресу происходит считывание из открытого ПЗУ первого элемента функции принадлежности нечеткого множества через элемент ИЛИ 27 в первый регистр блока 28 выходных регистров; после прихо-" да второго импульса второй элемент Функции принадлежности нечеткого -множества записывается через элементИЛИ 27 во второй регистр блока 28 выходных, регистров, и так далее до техпор, пока не считаются все элементыфункции принадлежности и счетчик 26выработает сигнал останова, по которому триггер 22 устанавливается всостояние логического нуля и запрещает прохождение через элемент 35 импульсов с генератора 23. ЭлементИЛИ 27 используется для объединениявыходов ПЗУ 24 и подключения их квходам блока 28 выходных регистров, 1619231Преобразование инйормации заканчивается записью в блоке 28 выходныхрегистров блока 18 памяти элементовФункции принадлежности нечетких мно 5жеств, соответствующих текущим значениям параметров технологическогопроцесса,функционирование блока 19 памятианалогично работе второго блока 18па взятиВычисленная субтрактором 16 разность е=у-у поступает на вход блока 20 компараторов, Число компараторов определяется числом поддиапазо 5нов, на которые разбивается интервализменения ошибки е. Определение числа поддианазонов, а также присвоениекаждому поддиапат ну значения лингвистической переменной, например"Отклонение большое", "Отклонениесреднее", "Отклонение малое" и такдалее, выполняется группой экспертов в результате анализа технологического процесса, Полученные в резуль 25тате экспертного опроса значения эле"ментов Функции принадлежности нечеткого множества, соответствующего поддиапазону ошибки е записываются вПЗУ 24.30Каждый компаратор блока 20 компараторов осуществляет проверку на попадание значения ошибки е в свой поддиапазон и вырабатывает на выходексигнал высокого уровня, если ефе о,(еб, где е - цийровои код ошибки,35е - нижний предел срабатывания комЯкпаратора е - верхний предел срабаФктывания компаратора. Пределы е ие равны соответственно нижней иверхней границам поддиапазона. Преобразование информации в блоке 19 памяти заканчивается записью в блоке28 гыходных регистров элементов йункций прчнадлежности нечетких множеств,соответствующих текущему значениюошибки для первого числового параметра, для второго числового параметра и так далее для всех числовых параметров,Бчок 8 преобразования качественной информации предназначен для вводакачественных параметров технологическогопроцесса, которые оцениваются человеком -оператором органолептически, Качественные параметры оп 55ределяются особенностями технологического процесса, Физической природой параметров. Например при обжиге материалов керамзита) во вращч= ющейся печи, такой параметр, как пиропластическое состояние материала в зоне вспучивания, является основным при определении оптимального обжига материала. Пиропластическое состояние не может быть определено иначе как визуально оператором, причем он может выделить следующие состояния материала: "Материал не вязкий",Материал вязкий", "Материал на грани спекания", "Материал спекся", Поскольку оценка пиропластического состояния является качественной, то ввод значения данного параметра осуществляет оператор, нажав одну из клавиш клавиатуры 10, Клавиши клавиатуры 10 маркированы значениями качественных параметров технологического процесса, например "Материал не вязкий", "Материал вязкий" и так далее. С клавиатуры 10 сигнал поступает в блок 11 кодирования, который состоит из шифраторов и осуществляет кодирование всей входной информации в соответствующие коды. Регистр 12 кода служит для приема кода с шифраторов блока 11 кодирования и выдачи его на блок 13 управления памятью, Блок 13 управления памятью предназначен для выполнения считывания информации с блока 14 памяти, где записаны значения элементов функции принад лежности нечетких множеств, соответСтвующих значениям качественных параметров технологического процесса,При нажатии оператором клавиши клавиатуры 10 код, выработанный блоком 11 кодирования, поступает на регистр 12 кода. Данный код определяет адрес первого элемента функции принадлежности нечеткого множества, а также число элементов функции принадлежности,Регистр 12 кода разделен на два подрегистра, Информация с первого подрегистра поступает на дешифратор 29 5 лока 13 (фиг. 5;,и указывает начальный адрес первого элемента функции принадлежности нечеткого множества, инйормация с второго подрегистра поступает на счетчик 30 и указывает число элементов функции принадлежности нечеткого множества. Выходы дешифратора 29 подключены к элементам ПЗУ блока 34 и блока. 35 выходных регистров блока 14 (фиг. 5), Число блоков 35 выходных регистров блока 14 памяти равно числу качественных параметров, 1619231 10а число регистров в каждом блоке 35 определяется числом элементов Аункции принадлежности, ЛешиАратор 29 разрешает работу ПЗУ блока 34, в котором хранятся элементы Аункции при 5 надлежности нечеткого множества, соответствующего нажатой клавише, и работу одного из блоков 35 выходных регистров.По сигналу дешифратора 29 триггер 31 устанавливается в состояние логической единицы и разрешает прохождение через элемент И 32 импульсов с генератора 33.Импульсы с элемента И 32 поступают на вычитающий вход счетчика 30 и уменьшают его содержимое на единицу. Выходы счетчика 30 указывают ячейку ПЗУ блока 34, из которой происходит считывание в регистр открытого блока 35 выходных регистров значения элемента функции принадлежности. После считывания значения последнего элемента Аункции принадлежности счетчик 30 обнуляется и сигналом обнуления устанавливает 25 триггер 31 в состояние логического нуля, Триггер 31 запрещает прохождение через элемент И 32 импульсов с генератора 33.При вводе оператором значения нового качественного параметра цикл работы блока 13 управления памятью повторяется снова. Работа блока 8 эа" канчивается тем ,что во все блоки 35 выходных регистров записаны дискретные Аункции принадлежности нечетких множеств для всех качественных параметров.С преобразователя 2 информация поступает в блок 3 определения величин управляющих воздействий и на второй вход блока 4 Аормирования корректирующих воздействий, причем на вход блока 3 поступают количественные и качественные параметры технологического процесса в виде нечетких множеств,а на второй вход блока 4 - значения количественных параметров, их ошибок и значения качественных параметров.1Блок 3 определения величин управляющих воздействий. предназначен для определения управляющих воздействий в виде нечетких множеств в соответствии с логико-лингвистическим описанием технологического процесса,Функционирование блока 3 опреде" ляется нечетким отношением Р, связы= вающим нечеткие входные и нечеткие выходные переменные объекта 1 управления, Нечеткое отношение Р получается в результате формализации качественного описания технологическогопроцесса, представленного в виде правил, сАормулированных оператором следующим образом;. если у н,у,у, то х,х,дх иначе, если Ур У У 22.Эф Ъф тО Х 1 ЮХ 22 ЮффХ 2 фЛ 12.ийаче, если урур 2урп то хр 1хф гдпеременных ш - число выходных пере-, менных, р - число поддиапазонов, на которые разбивается диапазон изменения значения количественного парамет-. ра или число значений качественного параметра, а у,1, х, - лингвистические переменные, которым соответствуют нечеткие множества с функ 11 дятли принадлежности И ", О Х,.Нечеткое отнойение (р в наиболее общем виде определяется какр, хМх.х Ос,х1:1,2(О х;, 14 х; х. х М хгде х - операция декартова произведения;О - операция объединения нечетких множеств,Блок 3 вычисляет значения управляющих нечетких воздействий х =ГхС 11 ф х х, по 1-му правилу, если в данный момент времени входные пере менные принимают значения лингвисти -ческих пеРеменных у;1 уг. . уи Х в соответствии с композиционным правилом вывода=ь т" "рч.и игде знак о означает максимальную композицию.Формирование логико-лингвистического описания процесса для двухмерного случая осуществляется следующим образом. Если у- качественный параметр технологического процесса, оцениваемый визуально оператором, например пиропластическое состояние материала (рассматривается технологический процесс обжига материалов во вращающейся печи), а ув - количественный параметр технологического процесса (удельная плотность материала на выходе печи), то нечеткое отношение Ф может быть получено из следующего логико-лингвистического опи12 1619231 1, 0,5 0Р = 0,5 1 О 5 0,5 0,5 т 1 0,5 0 0,5 1 0,5 0,5 0,5 1 20 А.=(1,0; 0,5;В =(1/700;В=(0,5/7001В,=(О/700; О,Тогда 40 1,0ХВт= 0,50 0,5 1,0 0,5 С выхода блде элементов ФНечетких уттрав 3 3 -сту4 т на пе 0 предназначенуправления техт.е. адаптациил к изменяющие производствацию первонач бъединенияедений, полуе отношение Ф перацию ых прои ыполни декар ют следукнцее нечет рактеризующее связ вух параметов: сания процесса, которое оператор выполняет; если у=А, " "Материатт невязкий", то ув;х=В, = "Удельная плотность большая";если увх в -Аг = "Материал вязкий",то у =В = "Удельная плотность сред.выхняя;если увтт =А = "Материал на грани. спекания", то у =В = "Удельная плот выхность малая",где Ат,А,А,В 1,Ви В з - нечеткиемножества,Нечеткое отношение т в данном слу"чае определяют следующим образом:т" =А тф В т 0 А г" В(1 А т В зНечеткие множества А т, Аг, А, Вт,Вг и В априорно с ределяют через дискретные Функции принадлежности следуювтим образом: О);0,5);,О);255/600; О/500);1,0/600; 0,5/500);5/600 1,0/500),где 500, 600 и 700 - элементы базового множества нечетких множествВ, В и 0; 0,.5 и 1,0 - зна еттия Функцийпринадлежностинечетких множеств АА, Вт, В и В. Определяют значение у дх, выраженное в Форме нечеткого мнотества Г, если увх = "Материал не очень вязкий" = .", =(О 3; О 8; О).Тогда В, =А .тттР =(О 3 0,8, О) о=(О, 5; 0,8; О, 5) = (О, 5/700; 0,8/600;0,5/500).Блок 3 Функционирует следующимобразом (Фиг, 6), В элементах Зб памяти записаны значения матрицы нечеткого отношениятттт . При поступлении навходы блока значений Функции принадлежности входного нечеткого множества из преобразователя 2 в элементах38 выделения минимума происходит определение меньшего из двух чисел: поступившего и хранившегося в элементах 36 памяти, С выходов элементов38 выделения митимума числа поступают на входы .элемента 37 выделениямаксимума, где происходит определение наибольшего из чисел, поступивших на. схему. В элементах 37 вьтделения максимума определяются значенияФункции принадлежности выходного нечеткого множества, Число элементов37 определяется числом элементов дискретной Функции принадлежности выходного нечеткого множества, Число элементов 36 определяется числом элементов матрицы нечеткого отношенияР. Число элементов 38 равно числуэлементов 36,ока 3 инФормация в виункции принадлежности яющих воздействий поый вход блока 4. Блок для модиФикации правил ологическим процессомкорректировки прамся условиям в процес- ), осуществляя модиФильно заданных значе 13141619231ний элементов Ьункций принадлежностинечетких множеств. Например, правило вида: если у = "Не малое", тох = Большое" в результате модиЬиУ5кации приобретает вид: если у = "Немалое", то х = "Очень большое".Тогда исходная функция принадлежности Ы=(0,1; 0,4; 0,8; 1; 0,7; 0,3;О) принимает вид Р 1 =(О; 0,1; 0,16, 0,64; 1; 0,49; О, 09; О), посколькуцействие модификатора "Очень" приводит к возведению значений элементов Ьункции принадлежности в квадрат .В общем виде Ьункционирование блока 4 описывается следующими правилами, сАормулированными экспертами врезультате анализа технологическогопроцесса: если УН ,угузап еюЫ, вд,1 иОО 1еея, то х 1,х, ,,хиначе, если у 21 уггуго еФВОдг . еод 2.Ф 0 дфто х ф х финаче, если ур 1,ург.у рп ервод з воЬ з водр ер то х р тхэ рлгде уе- нечеткие множества 251 ф 11Усоответствующие значениям параметровтехнологического процесса и значениям ошибки по каждому параметру, аа" 05х; =шос 1(х ) и означает применениеи-го модиАикатора, 30МодиЬикаторы представляют собойнечеткие термины "Более", "Менее","Очень" и определяются по Ьормуламсоответственно: 35х" =х 0 =(йгх" )(1)11 ц " 11 фх=ххГцх; )Ц 1для двухмерного случая, 4 когда правила Функционирования связывают входную величину у, ее отклонение е от установленного значения с выходной величиной; если у = "Не малое" и е = "Отклонение большое", то45 к = "Очень большое", работает следующим образом, В этом случае значения элементов Ьункции принадлежности нечеткого множества у = "Не малое" поступают на первые входы программируемой логической матрицы 39, а значения элементов Ьункции принадлежности нечеткого множества е = "Отклонение большое" поступают на ее вторые входы, На входы коммутаторов 40 поступают значения элементов Ьункции принадлежности нечеткого множества х"Большое" с выхода блока 3. В зависимости от поступивших данных на входы программируемой логической матрицы 39 на ее выходе вырабатывается код,который осуществляет управление коммутаторами 40 так, что данные с входов блока 4 поступают на те Ьункциональные блр:и 4 1, которые выполняютмодификацию "Очень", Число Ьункциональных блоков 4 1, подключенных к одному коммутатору 40, равно числу модиЬикаторов, применяемых в системе,Функциональные блоки 41 являются разнотипными и аппаратурно реализуют выражения (1), В случае реализации модификатора "Очень" Ьункциональный блок41 выполнен в виде умножителя, выполняющего операцию умножения двух одинаковых чисел, Элементы ИЛИ 42 служатдля объединения выходов Ьункциональных блоков 41 и передачи на выходымодиАицированных значений элементовФункции принадлежности нечеткого управляющего воздействия,Блок 5 Ьормирования управляющихвоздействий предназначен для определения четких управляющих воздействий,поступающих на блок 6 исполнительныхмеханизмов,Блок 5 на примере Ьункциональнойсхемы вырабатывающей четкое управляющее воздействие по одному каналу,работает следующим образом, Например, блок 4 вырабатывает нечеткоеуправляющее воздействие х, = "Расходй 1газа очень большой" = (О; 0,1; 0,4;0,8, 0,9), где 0 0,1; 0,4; 0,8;О, 9 - з начения элементов Ьункции при-надлежности, Если пронумеровать элементы Функции принадлежности следую.щим образом: нулевой = 0, первый =,-0,1, второй = 0,4, третий = 0,8; четвертый = 0,9, то максимальное значениеимеет четвертый элемент.Элемент 43 определения максимального элемента (Ьиг, 8) предназначен дляопределения номера элемента функциипринадлежности, имеющего максимальноезначение среди всех элементов Функции,поступивших на входы блока, Вырабо,танный код поступает на коммутатор45, к которому также подключены элементы 44 памяти, где хранятся элементы базового множества. В зависимостиот номера элемента Функции принадлежности на выхоц коммутатора 45 поступает тот элемент базового множества,для которого значение элемента функ=ции принадлежности является максимальным аневозможно построить точную математическую модель,Формула изобретения Система адаптивного управления технологическими процессами, содержащаяпоследовательно соединенные блок определения величин управляющих воздействий, блок формирования корректирующих воздействий, блок Формированияуправляющих воздействий, блок исполнительных механизмов, объект управления, о т л и ч а ю щ а я .с я тем, что,с целью расширения области примененияпутем обеспечения управления слабоФормализуемыми технологическими процессами, введен преобразователь количественной и качественной информациив информацию в виде нечетких множествподключенный входом ввода количественной информации к выходу объектауправления, а первым и вторым информационными выходами - соответственнок информационному входу блока определения величин управляющих воздействий и к второму информационному входу блока формирования корректирующихвоздействий,Блок 6 исполнительных механизмов предназначен для установления величин сигналов управления х,х х , поступающих на входы объекта 1 управления. Таким образом, использование предлагаемой системы для адаптивного нечеткого управления слабоформализуе мым технологическим процессом позволит расширить область применения на системы, где качественная информация является существенной и для которых 15 161923Если х, =(О Оэ 11 Оэ 4; О ь 8; Ою 9) = =(О/2, 0,1/4, 0,4/8; 0,8/10; Оу 9/12), где 2, 4, 8, 10 12 - элементы ба.зового множества, то на выход коммутатора 45 передается число 12. Это означает, что расход газа, например, должен быть равен 12 м /с.Данные с коммутатора 45 поступают на цифроаналоговый преобразователь 46. С его выхода аналоговое значение управляющего воздействия поступа- ет на вход блока 6 для установления требуемого значения технологического параметра. 15