Система адаптивного управления технологическими процессами Советский патент 1991 года по МПК G05B13/02 

Фиг.1

Изобретение относится к адаптивным системам управления и может быть использовано для управления технологическими процессами.

Цель изобретения - расширение области применения за счет обеспечения управления с.лабоформализуемыми технологическими процессами.

На фиг. 1 представлена структур- на- схема системы адаптивного управления технологическими процессами; на фиг1, 2 - структурная схема преобразователя; на фиг. 3 - функциональная схема блока преобразования по одному каналу; на фиг. 4 - функциональная схема второго блока памяти; на фиг. 5 - функциональная схема блока управления пак гью и первого блока памяти; на фиг. 6 - функциональная схема блока определения величин управляющих воздействий; на фиг. 7 - функциональная схема блока формирования корректирующих воздействий; на фиг. 8 - функциональная схема блока формирования управляющих воздействий.

Система адаптивного управления технологическими процессами содержит (фиг. 1) объект 1 управления, преобразователь 2 количественной и каче- ственной информации в информацию в виде нечетных множеств, блок 3 определения величин управляющих воздействий, блок 4 формирования корректирующих воздействий, блок 5 формирования управляющих воздействий и блок 6 исполнительных механизмов.

Преобразователь 2 содержит (фиг.2) блок 7 преобразования количественной информации и блок 8 преобразования качественной информации.

Блок 7 (фиг. 2) состоит из блоков 9.1-9.П преобразования по одному каналу. Блок 8 (фиг. 2) содержит клавиатуру 10, блок И кодирования, регист 12 кода, блок 13 управления памятью и блок 14 памяти.

Блок 9.1 преобразования по одному каналу содержит (фиг. 3) аналого-цифровой преобразователь 15, субтрактор 16, задатчик 17, блоки 18 и 19 памяти.

Блок 18 памяти содержит (фиг. 4) блок 20 компараторов, первый элемент ИЛИ 21, RS-триггер 22, генератор 23, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 24, элемент И 25, счетчик 26, второй элемент ИЛИ 27, блок 28 регистров.

Блок 13 управления памятью содержит (фиг. 5) дешифратор 29, счетчик 30, RS-триггер 31, элемент И 32 и генератор 33.

Блок 14 памяти содержит (фиг. 5) блок 34 постоянных запоминающих устройств и блок 35 регистров.

Блок 3 определения величин управляющих воздействий содержит (фиг.6) элементы 36 памяти и элементы выделения максимума 37 и минимума 38.

Блок 4 формирования корректирующих воздействий содержит (фиг. 7) программируемую логическую матрицу 39, коммутаторы 40, функциональные блоки 41 и элементы ИЛИ 42„

Блок 5 формирования управляющих воздействий содержит (фиг. 8) элемент 43 определения максимального элемента, элементы 44 памяти, коммутатор 45 и цифроаналоговый преобразователь 46.

Система работает следующим образом.

Сигналы управления х4, х,..., х в момент времени t подаются на входы объекта 1 управления, который их преобразует в выходные сигналы ,.. Уп. Количественные выходные сигналы у поступают в блок 7 преобразователя 2, качественные выходные сигналы у вводятся оператором технологического процесса и поступают в блок 8.

В блоке 7 преобразователя 2 осуществляется преобразование значений параметров технологического процесса и их ошибок в нечеткие множества (т.е. определяются значения элементов функций принадлежности нечетких множеств).

Б блоке 8 преобразователя 2 качественные значения параметров технологического процесса, вводимые человеком-оператором, также преобразуются в нечеткие множества с соответствующими функциями принадлежности.

Число блоков ) преобразования по одному каналу в блоке 7 определяется числом количественных параметров, поступающих от объекта 1 управления. В блоке 9 информация преобразуется следующим образом. В аналого-цифровом преобразователе 15 (фиг. 3) аналоговые значения сигналов преобразуются в цифровые. С выхода преобразовтеля 15 цифровой код поступает на вх блока 18 памяти и вход субтрактора 16 Субтрактор 16 вычисляет разницу меж

516

ду реальным значением параметра у и значением у , выставленным задатчиком 17, которую необходимо достичь в процессе управления. Вычисленная разность поступает в блок 19 памяти.

Функциональное построение блоков 18 и 19 памяти идентично.

Блок 18 памяти (фиг. 4) работает следующим образом.

Цифровой код параметра поступает на вход блока 20 компараторов. Число компараторов в блоке 20 определяется числом поддиапазонов, на которые разбит диапазон изменения выходного сиг- нала объекта 1 управления. Каждому поддиапазону соответствует лингвистическая переменная Температура большая, Температура средняя, Темпе-- ратура нормальная и т.д. Присвоение каждому поддиапазону лингвистической переменной осуществляется на этапе проектирования системы группой экспертов, что позволяет уменьшить субъективность в выборе числа поддиапазонов.

Например,;температура технологического процесса изменяется в пределах от 1000 до 1300°Со В результате анализа эксперты выделяют четыре поддиапа- зона, которые характеризуются следу- ющими лингвистическими параметрами: Температура очень большая (1250- 1300°С), Температура большая (1150 1250°С), Температура нормальная (1100-1150°С), Температура малая (1000-1100°С)0 Тогда, если значение температуры ут 1270°С, преобразовател 2 присваивает значению ут выражение Температура очень большая. Значение параметра ут Температура очень большая представлено в постоянной памяти (блоке 28 ПЗУ) в виде функции принадлежности нечеткого множества,

определенного на данном базовом мно- жестве, т.е. если ут 0/1000°С +0,1/ /1050°С + 0,4/1100°С + 0,5/1150°С + + 0,8/1200°С + 1/1250°С + 0,9/1300°С, то 0; 0,1; 0,4; 0,5; 0,8; 1; 0,9 - значения дискретной функции принадлеж ности нечеткого множества Температура очень большая, а 1000, 1050, 1100, 1150, 1200, 1250 и 1300°С - элементы базового множества (в данном случае элементы базового множества получены в результате дискретизации диапазона изменения технологического параметра Ут), на котором определено нечеткое множество.

10

20

92.;

.,-

™ 35

25

40

д 0

5

316

Значения дискретной Функции принадлежности нечеткого множества, соответствующего наименованию поддиапазона, записаны в ПЗУ 24. Число ПЗУ 24 равно числу поддиапазонов. Емкость каждого ПЗУ 24 равна числу дискретных значений функции принадлежности нечеткого множества.

Каждый компаратор блока 20 компараторов осуществляет проверку на попадание значения параметра технологического процесса в свой поддиапазон и вырабатывает на выходе сиг к к нал высокого уровня, если ун.,

где у ц - цифровой код параметра, у у - нижний предел срабатывания компаратора, УЈ - верхний предел сраба-, тывания компаратора. Выходные сигналы с блока 20 компараторов поступают на элемент ИЛИ 21, выход которого подключен к входу RS-триггера 22 и , на ПЗУ 24,разрешая считывание иУгформа- ции с того ПЗУ 24,куда поступила логическая единица с блока 20 компараторов0 При наличии сигнала высокого уровня на выходе элемента ИЛИ 21 триггер 22 устанавливается в состояние логической единицы и таким образом разрешает прохождение импульсов с генератора 23 через элемент И 25 на счетчик 26. Выход счетчика 26 подключен к адресным входам ПЗУ 24 и адресным входам блока 28 выходных регистров. Счетчик 26 до начала par 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 прихода второго импульса второй элемент функции принадлежности нечеткого

-множества записывается через элемент ИЛИ 27 во второй регистр блока 28 выходных, регистров, и так далее до тех пор, пока не считаются все элементы функции принадлежности и счетчик 26 выработает сигнал останова, по которому триггер 22 устанавливается в состояние логического нуля и запрещает прохождение через элемент 35 импульсов с генератора 23. Элемент

ИЛИ 27 используется для объединения выходов ПЗУ 24 и подключения их к

входам блока 28 выходных регистров.

Преобразование информации заканчивается записью в блоке 28 выходных регистров блока 18 памяти элементов функции принадлежности нечетких множеств, соответствующих текущим значениям параметров технологического процесса.

Функционирование блока 19 памяти аналогично работе второго блока 18 памяти

Вычисленная субтрактором 16 разность поступает на вход блока 20 компараторов. Число компараторов определяется числом поддиапазонов, на которые разбивается интервал изменения ошибки е. Определение числа поддиапазонов, а также присвоение каждому поддиапаг ну значения лингвистической переменной, например Отклонение большое, Отклонение среднее, Отклонение малое и так далее, выполняется группой экспертов в результате анализа технологического процесса. Полученные в резултате экспертного опроса значения элементов функции принадлежности нечеткого множества, соответствующего поддиапазону ошибки е записываются в ПЗУ 24.

Каждый компаратор блока 20 компараторов осуществляет проверку на попадание значения ошибки е в свой поддиапазон и вырабатывает на выходе

LS

сигнал высокого уровня, если Је, где ец - цифровой код ошибки, е - нижний предел срабатывания компаратора, ва - верхний предел сраба Ј

тывания компаратора. Пределы еи и

к е равны соответственно нижней и

верхней границам поддиапазона. Преобразование информации в блоке 19 памяти заканчивается записью в блоке 28 гыходных регистров элементов функций принадлежности нечетких множеств соответствующих текущему значению ошибки для первого числового параметра, для второго числового параметра и так далее для всех числовых параметров.

Клок 8 преобразования качественной информации предназначен для ввод качественных параметров технологического процесса, которые оцениваются человеком-оператором органолеп- тически. Качественные параметры определяются особенностями технологического процесса, физической природой параметров. Например, . при обжи

5

0

5

0

5

0

5

0

5

ге материалов (керамзита) во вращающейся печи, такой параметр, как пиропластическое состояние млтериала 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

11кодирования, поступает на регистр

12кода. 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 под- регистра поступает на дешифратор 29 блока 13 (фиг. 5 и указывает начальный адрес первого элемента функции принадлежности нечеткого множества, информация с второго подрегистра по- ступает 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,

а число регистров в каждом блоке 35 определяется числом элементов функции принадлежности о Дешифратор 29 разрешает работу ПЗУ блока 34, в котором хранятся элементы функции принадлежности 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 выходны регистров значения элемента функции принадлежности. После считывания значения последнего элемента функции пр надлежности счетчик 30 обнуляется и сигналом обнуления устанавливает 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 за- канчивается тем ,что во все блоки 35 выходных регистров записаны дискретные функции 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 формирования 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, i

Блок 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 определяется нечетким отношением Р, связыа- нающим нечеткие входные и нечеткие выходные переменные объекта 1 управ0

5

0

ления. Нечеткое отношение Ф получается в результате формализации качественного описания технологического процесса, представленного в виде правил, сформулированных оператором следующим образом: если у« , у,...,

то x«i,., иначе, если

х

УЈ, У22. иначе

2.п то X2t х2г

хрг

, если Ур, 9Ур2.

лгт

ТО X i

pro

pi

где п - число входных

переменных m - число выходных перет менных, р - число поддиапазонов, на которые разбивается диапазон измене-- ния значения количественного параметра или число значений качественного параметра, а у; j , х; - лингвистические переменные, которым соответствуют нечеткие множества с функциями принадлежности (U.1, p- x;iНечеткое отношение ф в наиболее общем виде определяется как

.

25

(Ux;( (Uxi2x..xpx;nn

0

5

где х - операция декартова произведения;

U - операция объединения нечетких множеств.

Блок 3 вычисляет значения управляющих нечетких воздействий х -Гх;, ,

о1 V M

X

Л

;г, . .. ,х;т упо i-му правилу, если в данный момент времени входные пере - менные принимают значения лингвисти - ческих переменных У и ,у , а. У « n j в соответствии с композиционным правилом вывода

40 (Wx;,Jt|W)f;2...f|Mx;ni pyj,1 |U3;ii(...,

5

0

5

о

означает максимальную

где знак композицию.

Формирование логико-лингвистического описания процесса для двухмерного случая осуществляется следующим образом. Если yftx- качественный параметр технологического процесса, оцениваемый визуально оператором, например пиропластическое состояние материала (рассматривается технологический процесс обжига материалов во вращающейся печи), а Ур6|Х- количественный параметр технологического процесса (удельная плотность материала на выходе печи), то нечеткое отношение Ф может быть получено из следующего логико-лингвистического описания процесса, которое оператор выполняет: если , - Материал не вязкий, то y6bix B, Удельная плотность большая ;

если . Материал вязкий, то Удельная плотность средняя;

если ув)( Ао, Материал на грани

,

спекания, то у„ В Удельная плот-щ

ВЫд J v

ность малая ,

где А( ,АЈ,,В ,В г и В э - нечеткие

множества.

Нечеткое отношение т в данном случае определяют следующим образом:

15

0 A,KB,U А2ХВги А3ХВ9.

Кечеткие множества А, А29 АЗ В, В г и Вд априорное ределяют через дикретные Функции принадлежности следующим образом: I

АГ(1,0; 0,5; 0);

А,(0,5; 1,0; 0,5);

А(0; 0,5; 1,0);

В,(1/700; 0,5/600; 0/500);

ВЈ(0,5/700; 1,0/600; 0,5/500);

В3(0/700; 0,5/600; 1,0/500),

500, 600 и 700 - элементы базово-30

го множества нечетких множеств В„, В2 и В,;

0; 0,5 и 1,0 - значения Функций принадлежности нечетких мно35

Тогда

жеств А ,, л 2., Аэ, В0 Вг и Bv

А,XV

AgXV

W

Выполнив операцию объединения трех декартовых произведений, получают следующее нечеткое отношение 4Э, хчрактеризукядее связь двух параметров:

10,5

0,5 1 П,5 0,5

О

0,5

1

Определяют значение у

еых

выраженное в Аорме нечеткого множества Г, если увх Материал не очень вязкий

ч( 0)°

Тогца

В,А,0 0,3; 0,8; 0) о

1 055 О 0,5 1 0,5

0

5

0

5

0

5

0

0,5 0,5 1

(nax(min(0,3; 1), min(0,8; 0,5),

min(0; 0,5)),

max(min(0,3; 0,5), min(0,8; 1),

min(0; 0,5)),

тах(т1п(0,,3; О), min(0,8; 0,5),

min(0; 1)) (mx(0,3; 0,5; 0),

max(0,3; 0,8; 0), max(0; 0,5; 0))

(0,5; 0,8; 0,5)(0,5/700; 0,8/600;

0,5/500).

Блок З функционирует следующим образом (фиг„ 6), В элементах 36 памяти записаны значения матрицы нечеткого отношения т . При поступлении на входы блока значений функции принадлежности входного нечеткого множества из преобразователя 2 в элементах 38 выделения минимума происходит определение меньшего из двух чисел: поступившего и хранившегося в элементах 36 памяти. С выходов элементов 38 вьщеления минимума числа поступают на входы элемента 37 выделения максимума, где происходит определение наибольшего из чисел, поступивших на схему. В элементах 37 выделения максимума определяются значения функции принадлежности выходного нечеткого множества. Число элементов 37 опрзделяется числом элементов дискретной функции принадлежности выходного нечеткого множества0 Число элементов 36 определяется числом элементов матрицы нечеткого отношения Р. Число элементов 38 равно числу

элементов 36. 1

С выхода блока 3 информация в виде элементов функции принадлежности нечетких управляющих воздействий поступает на первый вход блока 4. Блок 4 предназначен для модификации правил управления технологическим процессом (т0е. адаптации, корректировки правил к изменяющимся условиям в процессе производства), осуществляя модификацию первоначально заданных значений элементов функций принадлежности нечетких множеств. Например, правило вида: если у Не малое, то х Большое, в результате модификации приобретает вид: если у Не малое, то х Очень большое.

Тогда исходная функция принадлежности (Uj- (0, 1; 0,4; 0,8; 1; 0,7; 0,3 0) принимает вид ft (0; 0,1; 0,16 U,64; 1; 0,49; 0,09; 0), поскольку {действие модификатора Очень приводит к возведению значений элементов функции принадлежности в квадрат

В общем виде функционирование бло ка 4 описывается следующими правилами, сформулированными экспертами в результате анализа технологического процесса: если у( , ,.. . . у,.п ,е, , р Р , то хтосм х

IUX(i х (2. х 1гч

12. с in и л ti л i. л 1т иначе, если уг, ,у „, . .. ,у2П , ел, ,

АР. то v-woda.„modi

С2г ° e2.ft го х-г, Лгг иначе, если ур, ,ур2, .. ,,у pn, epi,

mod3 mods „mod

p2 ° pi 02. pro

где У,, нечеткие множества,

соответствующие значениям параметров технологического процесса и значениям ошибки по каждому параметру, а

mods X

( mod(xpn)) и означает применение з-го модификатора.

Модификаторы представляют собой нечеткие термины Более, Менее, Очень и определяются по формулам соответственно:

,.х« -.(рх.

0.5

(D

„ i -, 0|5 (п.„ , Ч .

х -х,. р,| ; , . г , ;

х(х-) .

Блок 4 для двухмерного случая, когда правила функционирования связывают входную величину у, ее отклонение е от установленного значения с выходной величиной: если у Не малое и е Отклонение большое, то к Очень большое, работает следующим образом. В этом случае значения э-тементов функции принадлежности нечеткого множества у Не малое поступают на первые входы программируемой логической матрицы 39, а значения элементов функции принадлежности нечеткого множества е Отклонение большое поступают на ее вторые входы. На входы коммутаторов 40 поступают значения элементов функции принадлежности нечеткого множества х - Большое с выхода блока 3. В зависимости от поступивших данных на вхо-

1Q

j

20

25

30

35

Q 5

50

5

ды программируемой логической матрицы 39 на ее лькоде вырабатывается код, который осуществляет управление коммутаторами 40 так, что данные с входов блока 4 поступают на те функциональные 41, которые выполняют модификацию Очень. Число функциональных блоков 41, подключенных к одному коммутатору 40, равно числу модификаторов, применяемых в системе. Функциональные блоки 41 являются разнотипными и аппаратурно реализуют выражения (1). В случае реализации модификатора Очень функциональный блок 41 выполнен в виде умножителя, выполняющего операцию умножения двух одинаковых чисел. Элементы ИЛИ 42 служат для объединения выходов Аункциональ- ных блоков 41 и передачи на выходы модифицированных значений элементов функции принадлежности нечеткого управляющего воздействия.

Блок 5 формирования управляющих воздействий предназначен для определения четких управляющих воздействий, поступающих на блок 6 исполнительных механизмов0

Блок 5 на примере функциональной схемы вырабатывающей четкое управляющее воздействие по одному каналу, работает следующим образом. Например, блок 4 вырабатывает нечеткое управляющее воздействие xf( Расход газа очень большой (0; 0,1; 0,4; 0,8, 0,9), где 0-; 0,1; 0,4; 0,8- 0,9 - значения элементов функции при-1 надлежности. Если пронумеровать эле-, менты функции принадлежности следую- щим образом: нулевой 0 первый bt второй 0,4, третий 0,8; чет- вертый 0,9, то максимальное значение имеет четвертый элемент.

Элемент 43 определения максимального элемента (фиг. 8) предназначен для определения номера элемента функции принадлежности, имеющего максимальное значение среди всех элементов функции, поступивших на входы блока. Выработанный код поступает на коммутатор 45, к которому также подключены элементы 44 памяти, где хранятся элементы базового множества. В зависимости от номера элемента функции принадлежности на выход коммутатора 45 поступает тот элемент базового множества, для которого значение элемента функ- - ции принадлежности является максимальным

1516

Если х,(0; 0,1, 0,4; 0,8; 0,9)

(0/2; 0,1/4, 0,4/8, 0,8/10; 0,9/12), где 2, 4, 8, го множества

10f 12 - элементы базовоI, то на выход коммутатора 45 передается число 12. Это означает, что расход газа, например, должен быть равен 12 .

Данные с коммутатора 45 поступают на цифроаналоговый преобразователь 46. С его выхода аналоговое значение управляющего воздействия поступает на вход блока 6 для установления требуемого значения технологического параметра.

Блок 6 исполнительных механизмов предназначен для установления величин сигналов управления хн,ха,...,хт, поступающих на .входы объекта 1 управ- ления.

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

16

невозможно построить точную математическую модель о Формула изобретения

Система адаптивного управления технологическими процессами, содержащая последовательно соединенные блок определения величин управляющих воздействий, блок формирования корректирующих воздействий, блок формирования управляющих воздействий, блок исполнительных механизмов, объект управления, отличающаяся тем, что с целью расширения области применения путем обеспечения управления слабоформализуемыми технологическими процессами, введен преобразователь количественной и качественной информации в информацию в виде нечетких множеств подключенный входом ввода количественной информации к выходу объекта управления, а первым и вторым информационными выходами - соответственно к информационному входу блока определения величин управляющих воздействий и к второму информационному входу блока формирования корректирующих воздействий.

Изобретение.относится к адаптивным системам управления и может быть использовано для управления технологическими процессами. Цель изобретения - расширение области применения путем обеспечения управления слабоформализуемыми технологическими процессами. Система адаптивного управления технологическими процессами содержит подключаемые к объекту 1 управления преобразователь 2 количественной и качественной информации в информацию в виде нечетких множеств, блок 3 определения величин управляющих воздействий, блок 4 формирования корректирующих воздействий, блок 5 формирования управляющих воздействий, блок 6 исполнительных механизмов. Цель изобретения достигается благодаря преобразователю 2. 8 ил. (О СЛ

Фив.1

Фиг. 4

Фиг.6

V--5

a