автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.18, диссертация на тему: Разработка моделей и методов исследования технологических процессов в электроэнергетике с применением нечетких оценок параметров
Автореферат диссертации по теме "Разработка моделей и методов исследования технологических процессов в электроэнергетике с применением нечетких оценок параметров"
На правах рукописи
ПАВЛЕНКО Елена Николаевна
РАЗРАБОТКА МОДЕЛЕЙ И МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКЕ С ПРИМЕНЕНИЕМ НЕЧЕТКИХ ОЦЕНОК ПАРАМЕТРОВ
«Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ» »
«Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)»
АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата-технических наук
05.13.18 05 Л 3.06
Работа выполнена в Таганрогском государственном радиотехническом университете на кафедре систем автоматического управления
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор,
Научный консультант: доктор технических наук, профессор,
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор,
кандидат технических наук, Черчаго А.Я.
Ведущая организация: Ростовский государственный
университет путей сообщений
Защита состоится «V» ^Л^й^2004г. ''часов на заседании специализированного совета Д212.259.03 по защите диссертаций при Таганрогском государственном радиотехническом университете (аудитория Д-406) по адресу:
пер. Некрасовский, 44, ГСП-17А, г.Таганрог, Ростовская область,
С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Таганрогского государственного радиотехнического утшверситета.
Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор
Актуальность темы. Надежное и экономичное функционирование государственных районных электростанций (ГРЭС) зависит от управления вводно-химическим режимом (ВХР). Для решения задач ВХР необходимо разработать адекватные математические модели, что представляет аналитические трудности.
Для разработки интеллектуальных систем принятия решений наиболее эффективным подходом является эвристический подход, включающий методы системного анализа, теорию нечетких множеств и искусственного интеллекта, методы ситуационного управления.
Анализ имеющегося теоретического материала в области моделирования процессов функционирования ГРЭС, ВХР, анализ возможностей методов системного анализа, позволил выявить аспекты теоретических изысканий для задач формализации интеллектуальных систем принятия решений при управлении ВХР.
Диссертационная работа посвящена разработке моделей систем принятия решений для управления ВХР при нечетком задании параметров и критериев ВХР, качественном описании сложившихся ситуаций, характеризующих как внешнюю среду, так и объект управления. Это определяет и подтверждает актуальность диссертационной работы.
Объект исследования. Объектом исследования являются математические модели нечеткого ситуационного управления применительно к задачам управления ВХР.
Цели и задачи работы. Цель диссертационной работы состоит в развитии методов системного анализа, в частности, нечеткого ситуационного управления, относительно задач моделирования и разработки систем принятия экспертных решений в системах автоматического химико-технологического мониторинга.
В соответствии с поставленной целью в диссертационной работе решаются следующие задачи:
- разработка метода аналитического исследования систем мониторинга водно-химического режима (ВХР);
- разработка метода структуризации целей и концепции моделирования для задач управления ВХР;
- разработка структурной схемы и концептуальной модели для управления ВХР;
разработка нечеткой модели регрессионного анализа, позволяющей определять нечеткие значения компонент вектора состояний ВХР при задании параметров векторов входных
ЮС. НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА СПстсрАрг 1'0й « ОЭ ТОО -юр
воздействий, состояний и выходных параметров ВХР в виде нечетких интервалов, а также разработка метода идентификации нечетких коэффициентов модели регрессионного анализа;
- разработка концепция нечеткой оптимизации при критерии оптимальности в виде нечеткой функции;
- разработка ситуационной модели для системы принятия решений, предназначенной для получения логического вывода решения о выборе вектора входных параметров ВХР при известном текущем состоянии.
Научные результаты работы:
- разработан метод аналитического исследования водно-химического режима (ВХР), метод структуризации целей и концепция моделирования для задач управления ВХР;
- разработана структурная схема и концептуальная модель ВХР, а также модель регрессионного анализа для определения состояний ВХР при задании параметров векторов входных воздействий, состояний и выходных параметров ВХР в виде нечетких интервалов;
- разработан метод идентификации нечетких коэффициентов нечеткой модели регрессионного анализа, также программное приложение для решения данной задачи;
- разработана концепция- нечеткой оптимизации при критерии оптимальности в виде нечеткой функции;
- разработана модель принятия решений, предназначенная для получения логического вывода решения о выборе значений вектора входных параметров при известном текущем состоянии ВХР.
Основные положения, выносимые на защиту:
- метод аналитического исследования ВХР, отличающийся применением метода целеобразования и концепцией моделирования ВХР, позволяющей применять модели, как основанные на методах формализованного представления, так и на методах, направленных на активизацию использования интуиции и опыта специалистов;
- нечеткая модель регрессионного анализа, отличающаяся тем, что параметры модели представлены в виде нечетких интервалов, что позволяет более объективно определять прогнозируемое качество питательной воды для котлов;
- метод идентификации нечетких коэффициентов нечеткой модели регрессионного анализа, отличающийся тем, что идентификация нечетких коэффициентов производится с применением критерия минимизации отклонений нечетких значений каждого выходного параметра, а описание состояний ВХР представлено в виде системы нечетких описаний ситуаций, содержащих набор эталонных ситуаций, каждая из которых может быть соотнесено с правилом управления.
метод оптимизации управления ВХР, отличающийся концептуальным подходом, включающим формулировку задачи нечеткой оптимизации, определение экстремума функции нечетких переменных и разработкой ситуационной модели, которая на основе обработки знаний специалистов отображает соответствие между наборами нечетких переменных, характеризующих состояние ВХР и параметрами управления.
Практическая ценность результатов исследований определена их применением в областях применения систем искусственного интеллекта в АСУ ТП подготовки питательной воды паровых котлов, представлена в виде метода аналитического исследования систем мониторинга ВХР, нечеткой модели регрессионного анализа, метода оптимизации процессов управления ВХР, а также варианта программного приложения для идентификации параметров модели.
Методы проведения исследований. Математическими методами диссертационной работы являются методы системного анализа, методы функционального анализа, теории нечетких ситуационных моделей, нечетких множеств и нечеткой логики. В экспериментальных исследованиях применялось моделирование на ЭВМ.
Методологическую основу составляет концепция системности, суть которой - представление и исследование задач управления ВХР ТЭС в условиях частичной априорной неопределенности, нечеткого задания параметров объектов и критериев функционирования.
Достоверность полученных в диссертации результатов подтверждается математическими и аналитическими доказательствами и оценками, а также результатами имитационного моделирования.
Реализация и внедрение результатов работы. Результаты работы внедрены на Невинномысской ГРЭС, при выполнении госбюджетной НИР «Разработка и исследование методов аналитического синтеза интеллектуальных систем принятия решений и многокритериального управления в условиях неопределенности на основе современных информационных технологий», в учебном процессе в Таганрогском государственном радиотехническом университете (ТРТУ).
Апробация результатов работы. Научные и практические результаты, полученные в диссертации и изложенные в монографии, двух статьях, использованы при подготовке и чтении лекции, постановке лабораторных работ на кафедре систем автоматического управления ТРТУ.
Основные результаты докладывались и обсуждались на межрегиональной НТК «Развитие социального партнерства в сфере трудовых отношений» (г. Ставрополь, 2001 г), международной
конференции «Новые технологии в управлении, бизнесе и праве» (г.Невинномысск, 2001), второй НПК «Молодежь, наука, реальность» (г.Невинномысск 2002), НПК «Студенческая весна - 2003» (г.Невинномысск, 2003), всероссийской НТК «Информационные технологии в науке, технике, производстве» (г. Нижний Новгород, 2003), всероссийской межвузовской НТК студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2003» (г. Москва, 2003), региональной НТК «Компьютерная техника и технологии». (г.Ставрополь, 2003), НПК «Проблемы востребованности будущих специалистов на рынке труда» (г. Невинномысск, 2003), международной научной конференции «Динамика процессов в природе, обществе и технике: информационные аспекты» (г. Таганрог, 2003), третьей международной конференции «Новые технологии в управлении, бизнесе и праве» (г. Невинномысск, 2003), международной научной конференции «Анализ и синтез как методы научного познания» (г. Таганрог, 2004), седьмой Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления», (г. Таганрог, 2004).
Публикация. По теме диссертации опубликована монография в соавторстве, две статьи. Результаты работы отражены в научно-исследовательском отчете по НИР «Разработка и исследование методов аналитического синтеза интеллектуальных систем принятия решений и многокритериального управления в условиях неопределенности на основе современных информационных технологий».
Структура и объем диссертационной работы. Диссертация содержит 156 страниц машинописного текста, включая введение, четыре раздела, заключение, приложение содержит 54 страницы, список источников из 112 наименований, 63 рисунка, 7 таблиц.
Во введении обоснована актуальность исследований, сформулированы цели и задачи работы, изложены основные положения, выносимые на защиту. Кратко рассмотрено содержание разделов диссертации.
В первом разделе рассмотрена организация ВХР ТЭС. Управление ВХР состоит в поддержании состава воды и пара в пределах требуемых норм, что обеспечивается подготовкой добавочной воды и обработкой питательной воды. Рассмотрены принципы организации ВХР.
Существует необходимость в рамках автоматизированной системы управления вводно-химическим режимом (АСУВХР) разрабатывать и
внедрять интеллектуальные системы, позволяющие формализовать и обобщать знания специалистов (технологов-операторов, диспетчеров).
Сформулировано определение АСУВХР:
8=<А, Од, И, В, С, Си, ДТ, 14, Ь*>, (1)
где: А=, 1= - множество элементов; (2Д - множество свойств элементов; 11=, jeJ= - множество связей между элементами; QR - множество свойств связей элементов; В - вектор конструктивных параметров; С- цель АСУ ВХР; CU - условия целеобразования; - интервал времени, в течение которого будет существовать АСУ ВХР и цели функционирования АСУ ВХР; N -наблюдатели или лица, проектирующие и обслуживающие в последствии АСУ ВХР; Ц, - язык общения наблюдателей.
Рассмотрены информационно-управляющие аспекты при проектировании и определены этапы проектирования АСУ ВХР.
Разработана структура целей АСУ ВХР. Рассмотрены закономерности целеобразования. Структура целей - основа для разработки организационной структуры АСУ ВХР.
Разработана концепция моделирования процессов управления ВХР.
Состояние ВХР задано в виде вектора конструктивных параметров В=, где Вь (1=1,2. г) компоненты вектора В, которые могут быть как векторными, так скалярными величинами. Параметры входных воздействий представлены вектором- входных параметров Х=, в которых рассматриваются действия технологов-операторов и обслуживающего персонала. Вектор выходных параметров У= содержит выходные параметры ВХР.
Управление ВХР это перевод параметров вектора В го точки <Б^> фазового пространства, в такую точку фазового пространства, в которой будет с известной степенью гарантировано требуемое состояние параметров ВХР. Разработка правил перевода - задача управления ВХР.
Во втором разделе рассмотрены и формализованы задачи управления технологическими процессами в паровых котлах на примере работы двух видов паровых котлов (барабанный и прямоточный паровые котлы).
Эффективность ВХР, а равно и всего технологического процесса производства электроэнергии и тепла зависит от адекватности математической модели. Целесообразно применить подход к моделированию, при котором используются правила нечеткого условного вывода вида «ЕСЛИ . ТО. ИНАЧЕ.
Продукционная модель представляет собой результат экспертного опроса технологов-операторов, предоставляющих информацию качественного характера, обобщающую опыт их работы.
Выполнено содержательное описание ВХР. Приведены технологические схемы водоподготовки. Цель организации ВХР состоит в удалении нерастворимых примесей и растворенных в воде солей для предотвращения накипи на внутренних поверхностях котлов и теплообменников, а также удаление растворенного в воде кислорода-
Определено содержание вектора X формализующего компоненты, поступающие в установку химической подготовки питательной воды и содержащего: XI, - объем исходной воды; Xj - объем греющего пара;
Xj - температура греющего пара; Xj - давление греющего пара; ХЗ -
количество магнезита; xj - количество коагулянта; Xj - концентрация
коагулянта; xj - количество известкового раствора; Xj -концентрация
известкового раствора; - количество концентрированного раствора
для регенерации фильтров; - концентрация раствора для
регенерации фильтров; - количество аммиака; - количество гидразина.
Содержание вектора Y, формализующего компоненты, поступающие из установки химической подготовки питательной воды, определяют множества: Y1 - объем подаваемой питательной воды; Y2 -объем подаваемой воды на впрыск; Y3 - объе»м воды, подаваемой в теплосеть; Y4 - количество удаляемого шлама.
Компоненты вектора конструктивных параметров В определяют качество питательной воды. Компоненты вектора В = В1хВ2х. хВ20 определяются исходя перечня компонент, входящих в нормативы качества питательной воды. Перечень компонент вектора В сфорован на примере ВХР Невинномысской ГРЭС: В1 - удельная электрическая проводимость Н-катионированной пробы; В2 - удельная электрическая проводимость общая; ВЗ - показатель рН; В4 - жесткость общая; В5 -концентрация кислорода; В6 - концентрация аммиака; В7 -концентрация углекислоты; В8 - концентрация натрия; В9 -концентрация кремниевой кислоты; В10 - концентрация меди; В11 -концентрация железа; В12 - концентрация фосфатов; В13 -концентрация гидрозина; В14 - концентрация нефтепродуктов; В15 -щелочность общая; В16 - щелочность фенол-фталеиновая; В17 -окисляемость; В18 - температура; В19 — удельное сопротивление; В20 -давление.
Выполнено формальное задание векторов X, Y, В в виде нечетких интервалов. Это связано с тем, что объективно представить параметры в виде четких, определенных чисел не всегда возможно. Причины состоят в неучтенных воздействиях, погрешностях приборов измерения и данных лабораторного анализа, невозможности точного установления исходных и получаемых компонент.
Предложена модель системы управления ВХР с применением теоретико-множественные описания. Между элементами множества Y, элементами множеств X и В существует соответствие, являющееся моделью системы управления ВХР в виде функции выходов:
q=<,(YlxY2xY3xY4), G>, (2) где G - нечеткий график нечеткого соответствия q .
Между элементами множества В, элементами множеств X и В существует соответствие, являющееся моделью системы управления ВХР в виде функции переходов:
Ф=<,(В1хВ2х. хВ11), F>, (3) где - нечеткий график нечеткого соответствия
Разработана нечеткая модель регрессионного анализа при условии, что параметры модели задаются в виде нечетких интервалов.
Если х = (Xj,Xj. хга) - нечеткая точка в пространстве состояний входных переменных, а нечеткая точка в пространстве состояний ВХР определится вектором то формальное задание
математической модели произведено в виде нечеткого уравнения регрессии £. = f^,^. xm), j = ir, где
Нечеткая линейная модель наблюдений имеет вид:
где для каждого - вектор неизвестных нечетких
параметров; а2 - дисперсия,, Хк=(х£), ¡ = Гп, j-l,m, к = 1Цг - матрица
нечетких коэффициентов; covibWjSMib^-Mtb^Kbj^-M^>)
ковариационная матрица, М - операция математического ожидания, - знак нечеткого равенства, - операция нечеткого суммирования. Нечеткая линейная модель наблюдений в векторной форме -
Для оценки вектора-столбца неизвестных нечетких параметров
модели ак ^а^а'. ** )т применен метод наименьших квадратов
Из решения уравнения (6) для оценки а* = )т получена
формула с нечеткими параметрами в матричной форме -
Разработано планирование эксперимента с нечеткой моделью регрессионного анализа. Матрица плана для исследования вектора Ьк вектора имеет вид:
Определены условия нечетко однозначного определения оценок неизвестных нечетких коэффициентов ак =(а.1,аг,.-,а111):
- нечеткая сумма элементов вектор-столбца матрицы Хь нечетко равна нулю:
- сумма квадратов нечетких элементов каждого столбца хЬ матрицы нечетко равна числу опытов:
- сумма почленных произведений любых двух вектор-столбцов матрицы X нечетко равна нулю:
- нечеткая рототабельность, т.е. нечеткие точки в матрице плана подбираются так, что точность предсказания значений нечеткого компонента вектора В одинакова на нечетко равных расстояниях от нечеткого центра эксперимента и не зависит от направления.
В третьем разделе разработан метод идентификации нечетких коэффициентов модели регрессионного анализа. Для ПФЭ модель для каждого к-го вектора В будет представлена нечетким уравнением
нечеткая функция (11) отвечает условиям (8), (9), (10) определения
оценок неизвестных нечетких коэффициентов а = (а0 ,а, . а»)
В уравнении (11) некоторыми эффектами взаимодействия можно пренебречь в силу их незначительности или их отсутствия. Тогда идентификация нечетких неизвестных коэффициентов уравнения (11) можно быть выполнена при • применении ДФЭ. Разработан подход определения ак =(а0к,а,|'. 3'11к) при ДФЭ.
Задача идентификации нечетких коэффициентов ак = (ак,а,к,«.,ак)
сводится к выбору нечеткой функции (нечеткого уравнения)
Нечеткое уравнение (12) задается в виде таблицы, где в первых m столбцах записаны, результаты измерений входных
параметров ВХР в нечетких интервальных оценках, а в последнем столбце экспертами заносятся значения нечетких переменных, которыми оценивается состояние значений параметра Ьк ВХР.
Идентификация нечетких коэффициентов производится с применением • критерия минимизации отклонений нечетких значений параметра Ьк, полученных при задании (12), от его выборочных