Методы, модели и алгоритмы повышения эффективности процессов добычи и транспортировки нефти и построения систем управления на основе нейросетевых и многомерных логических регуляторов с дискретными термами
 Скачать 1.82 Mb.
|
|
Глава 3 посвящена разработке метода построения систем управления и ав- томатизации процессами добычи, транспорта и нефтеподготовки. Рассматрива- ется процесс разработки многомерных логических регуляторов, особенностью реализации которых является репрезентация входов и выходов регулятора со- вокупностью термов (непересекающиеся множества) с функцией принадлежно- сти Т 1 – Т n (рис. 13). Рисунок 13 – Представление дискретных термов Рассмотрим пример логической системы, включающей базу данных (экс- пертную систему знаний и правил, полученную от эксперта), входное значе- ние – x, выход – z, множества – A i , B i , функции принадлежности которых можно представить в виде μ А (x) и μ B (z). Выразим дискретные термы функции принадлежности на универсальной числовой прямой. Для этого сформулируем правила управления объектом в следующих представлениях: П : IF , THEN , 1, 2,3,..., . i i i i x A z z i n x z x П : IF and , THEN , 1,2,3,..., . i i i i i x A y B z C i n Правило #1 1 1 1 П : IF , THEN x A z B Правило #2 1 2 2 П : IF , THEN x A z B Правило #3 3 3 3 П : IF , THEN x A z B …………… …………….. …………… …………….. Правило #n П : IF , THEN n n n x A z B Предположим, что соблюдаются следующие условия работы логического регулятора при заданном наборе правил: существующие функции принадлежности: Т 2 Т 3 Т n Т 11 μ(p) 1 0,5 0 p 1 p 2 p 3 p n–1 p n 00 11 p p 0 1 p p p 1 2 p p p 1 2 p p p 1 2 p p p Т 1 26 2 1 1 1 2 ( ) i i x i A x e , 2 2 2 1 2 ( ) i i y i x e B , и 2 1 2 ( ) i i z c b i x C e ; суперпозиция функции принадлежности: ( ) ( ) ( and ) ( ) i i i i A x B y A x B y ; импликация известных высказываний вида A i (x), B i (x) и С i (x): ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) a ( n ) d i i i i i i A x B y С z A x B y С z ; дефаззификация значения искомого параметра осуществляется по алго- ритму поиска центра тяжести согласно уравнению: 1 0 1 / , n n i i i i i i i c A B A B z где – центры ( , ) i i c С z n Множество A i (x) – совокупность упорядоченных пар значений A i (x) = = {(x, μ А (x)/x X)}, представляющих выборку отдельных х их универсального множества –Х в соответствии с характеристической функцией – ( ) А x Если σ → 0, тофункция плотности вероятности будет представлять вырожденную функцию (дискретный единичный импульс на графике). Функ- ция ошибок при этом 2 0 erf( ) 2 x t x e dt зависит от функции распределения (рис. 14): 2 ( ) 2 2 1 N x erf x . Опираясь на рис. 14, можно утверждать, что вырожденная функция при за- данных условиях является единичным импульсом, что соответствует функции логического & R n . Согласно лемме Гейне – Бореля рассматриваемая функция после вырождения подчиняется законам нечеткой логики. При этом по призна- ку функции принадлежности систему можно отнести к отдельной подсистеме множеств с дискретными термами. Вследствие такой реализации получим частный случай логического регу- лятора, где для каждого из термов справедливо соотношение (см. рис. 14): 1 1 0, если , где 1, если , где , i i i i i i р р р р Т р р р р Т (3) где [1, ] i n – термы параметра р. 27 Рисунок 14 – Функция распределения при σ → 0 Множество дискретных термов на универсальной числовой прямой выра- жается аналитически: 11 1 1 12 1 1 1 13 1 1 1 ( ) 0 2 , 2 3 , , Т р Т р l Т l р l Т l р l (4) 1 1 1 1 1 1 1 1 2 3 ( 1) , ( 1) , ( 2 ), (2 3 ), , ( 1) , ( 1) , i n i n Т i l р il Т n l р nl Т l р l Т l р l Т i l р il Т n l р nl где l – ширина терма. Выражение для всей числовой прямой: 1 1 1 1 ( ) ( 1) ,..., ( 1) n i i i i Т р T i l p il T i l p il (5) Выражение для n-мерного логического регулятора: 1 1 ( 1) m k in in ik in l j Т р T j l p jl Увеличение l дискретных термов в s раз можно представить выражением: 1 ( 1) k s nls n mls in j Т р T j ls p jls Увеличением или уменьшением погрешности регулирования можно управлять, меняя ширину s дискретных термов: 1 1 1 1 1 1 1 1 / 1 / 1 ( ) ( 1) , ... , ( 1) ; ( ) ( 1) ,... , ( 1) n s n is n is n i ns n i s n i s n i Т p T i l s p il s T i ls p ils l il l il T p T i p T i p s s s s (6) 28 Уменьшение l дискретных термов в k раз можно представить выражением: 1 ( 1) ms l n l n n m s s j jl l T p T j p s s (7) Разработан нейросетевой логический регулятор с дискретными термами (рис. 15). Рисунок 15 – Структурно-функциональная схема МНЛРсДТ Обработка ситуационных программ по контурам многомерного логическо- го регулятора с дискретными термами представлена схемой в табл. 3. Таблица включает в себя логическое описание метода для повышения эффективности ра- боты регулятора при обработке композиционного блока правил управления тех- нологическим процессом, где контур регулирования описывает входные- выходные переменные, ситуационное продукционное правило представляет ал- горитмическую реализацию программного блока отработки компенсационных 29 подпрограмм, а адрес – логическую взаимосвязь контура регулирования и блока СПП. Таблица 3 – Таблица отработки ситуационных подпрограмм по контурам регулирования Контур регулирования Ситуационное продукционное правило Адрес L E3 → Q ∑ 3 31 1 11 3 1 Если , то ; LE LE LE k Т Т Q Q vТ Р 1 → СПП 11 3 32 1 12 3 2 Если , то ; LE LE LE k Т Т Q Q vТ Р 1 → СПП 12 3 315 1 115 3 15 Если , то ; LE LE LE k Т Т Q Q vТ Р 1 → СПП 115 3 316 1 116 3 16 Если , то ; LE LE LE k Т Т Q Q vТ Р 1 → СПП 116 Q 1 → Q вых 3 31 1 11 3 1 Если , то ; LE LE LE k Т Т Q Q vТ Р 2 → СПП 21 3 32 1 12 3 2 Если , то ; LE LE LE k Т Т Q Q vТ Р 2 → СПП 22 3 38 1 18 3 8 Если , то ; LE LE LE k Т Т Q Q vТ Р 2 → СПП 28 3 39 1 19 3 9 Если , то ; LE LE LE k Т Т Q Q vТ Р 2 → СПП 29 Q 2 → Р вых 3 310 1 116 3 16 2 210 3 10 Если , то и ; LE LE LE k LE k Т Т Q Q vТ Q Q vТ Р 3 → СПП 31 3 311 1 116 3 16 2 211 3 11 Если , то и ; LE LE LE k LE k Т Т Q Q vТ Q Q vТ Р 3 → СПП 32 3 315 1 116 3 16 2 215 3 15 Если , то и ; LE LE LE k LE k Т Т Q Q vТ Q Q vТ Р 3 → СПП 36 3 316 1 116 3 16 2 216 3 16 Если , то и ; LE LE LE k LE k Т Т Q Q vТ Q Q vТ Р 3 → СПП 37 Работу ситуационных подпрограмм по контурам регулирования можно представить в следующем виде: L L1 1 11 L1 11 : IF = , THEN БП i L Q T T Q Q vT 30 1 1 вых 1 1 11 1 21 1 2 вых 10 1 1 31 2 2 3 IF = , THEN БП : IF = , THEN БП IF = , THEN БП : IF = , THEN БП AND IF = , THEN БП L Li i i Li i k L L L k L Lk k k Lik k j L L j Lk j Lj L Lj i ij Lk j T T Q Q vT Q Q T T Q Q vT T T Q Q vT Q P T T Q Q vT Q Q vT T T Q Q vT По результатам разработок предложенного метода получен патент России № 2579987 на изобретение. На рис. 16 представлены графики переходных про- цессов. Рисунок 16 – Графики зависимости регулируемого параметра уровня жидкости в резервуаре (м) от времени с различными системами управления (6 – реакция на возмущающее воздействие) Согласно полученным результатам: 5 – график изменения режима работы насосной станции, ПИД-регулятор 1 отрабатывает хуже всего возмущающие воздействия, логический регулятор 2 с адаптацией коэффициентов от логиче- ского регулятора с дискретными термами имеет на 18 % меньшее перерегули- рование, чем классический ПИД-регулятор, однако при изменении режима ра- боты или воздействии возмущений имеет значительное время переходного процесса. При этом МНЛРсДТ 4 имеет на 5÷12 % меньшее перерегулирование, чем ПИД-МНРсДТ, а также на 15÷20 % быстрее выходит на номинальный ре- жим работ, даже при воздействии возмущения. Следовательно, применение предложенного метода позволит уменьшить время отклика при управлении нелинейными и быстродействующими техноло- гическими объектами, а также расширить диапазон применения данных видов 31 логических регуляторов для нелинейных объектов с быстропротекающими тех- нологическими процессами. Таким образом, независимо от количества параметров результатом логиче- ского вывода является единственный терм, ширина которого определяет точ- ность регулирования. В каждом цикле сканирования МНЛРсДТ регулятора без утраты адекватности управления отрабатывается только часть продукционных правил до искомого. Глава 4 посвящена рaзрaботке энергоэффективных схем и aлгоритмов как основы интеллектуaльного контроля и регулирования насосного оборудования и насосных стaнций на месторождении, а также разработке энергосберегающей системы автоматического пуска и торможения электроприводов от автономно- го источника электрической энергии соизмеримой мощности, созданию схем автоматического управления высоковольтными приводами ДНС. Создана схема и устройство адаптивного управления плавным пуском высоковольтных элек- троприводов. Предложен алгоритм управления электроприводом нефтеперека- чивающей насосной станции и алгоритм, обеспечивающий равномерную за- груженность насосных агрегатов и работу в составе автоматизированной си- стемы многомерного логического регулирования. Устройство адаптивного управления плавным пуском высоковольтных электроприводов (рис. 17, а), отличающееся новой компоновкой оборудования и схемы подключения резервной ветви автоматизации, позволяет повысить надежность работы схемы управления, управлять динамикой разгона и тормо- жения и обеспечивать минимум электромагнитных потерь. а б Рисунок 17 – Функциональная схема: а – работы программного обеспечения; б – адаптивного управления плавным пуском высоковольтных электроприводов База данных (СУБД) Контрол- лер 1 Контрол- лер 2 Контрол- лер 3 Контрол- лер n ОРС- сервер Web- приложе- ние HMI- интерфейс (SCADA) 32 Для реализации заданных алгоритмов необходимо решить задачу автома- тизации процесса приема и передачи данных, поступающих с контроллеров в АРМ-оператора. Особенность предлагаемой и разрабатываемой системы состо- ит в разработке компонентов клиент-серверного взаимодействия и средств OPC «клиент-сервер», обеспечивающих обратную связь и интеграцию разработан- ных алгоритмов управления и схем автоматизации насосного оборудования. Для реализации предложенной системы разработаны универсальные компонен- ты OPC, позволяющие реализовать клиент-серверную интеграцию и HMI- интерфейс управления объектом. Разработанное программное обеспечение, соответствующее схеме рис. 19, включает следующие компоненты: MainUnit.dcu; OpcServerUnit.dcu; UConnection.dcu; USettingCOM.dcu. Здесь OPC-сервер в системе служит интегратором для организации взаи- модействия контроллеров, базами данных и SCADA-систем, а также оборудо- ванием и алгоритмами управления данным оборудованием. Разработанное программное обеспечение включает главный компонент «OPCServer» и входящие в его состав модули, реализованные в виде подсистем приложения с именами «Настройка», «Связь» и др. На рис. 18 представлена схема управления автоматизированным электро- приводом насосной станции на основе предложенных алгоритмов и методов логического и нейросетевого регулирования. Рисунок 18 – Функциональная схема принципа работы метода автоматизированного энергосберегающего управления насосной станцией с МНЛРсДТ Сигнал контроллера Контролер КМ1 QF1 380 В, 50 Гц Н2 QF4 QF2 М1 QF3 КМ2 М2 ОК Н1 ПЧ Сигнал контроллера Сигнал контролле- ра Сигнал контроллера Сигнал контроллера Сигнал контроллера ОК 33 Схема обеспечивает работу в энергоэффективном режиме от одного преобра- зователя частоты нескольких электроприводов насосной станции, а дополнитель- ная система датчиков позволяет в реальном времени контролировать параметры уровня, давления на входе и выходе и расход, токи и угловые скорости (рис. 19). Рисунок 19 – Функциональная схема метода интеллектуальной адаптации логического регулято- ра к объекту управления: фаззификатор 1; блок логического вывода 2; дефаззификатор 3; испол- нительный орган 4; объект управления 5; датчик обратной связи 6; ПИД-регулятор 7; блок адап- тации коэффициентов ПИД-регулятора 8; сумматор 9; блок базы правил 10; блок идентификации технологического процесса 11; U(t) – значение задания; e(t) – ошибка регулирования; ∫e(t)/dt – интеграл ошибки регулирования; e(t)/dt – производная ошибки регулирования; u * (t) – текущее значение параметра на выходе дефаззификатора 3; u(t) – текущее значение регулирующего пара- метра на выходе ПИД-регулятора 7; z(t) – усиленное текущее значение регулирующего парамет- ра на выходе исполнительного органа 4; L(t) – текущее значение регулируемого параметра; Т – вектор четких термов регулируемого L(t) и регулирующего z(t) параметров; U T – вектор термов на выходе блока логического вывода 2; X – вектор входных дискретных параметров объекта управления 5; Y – вектор выходных дискретных параметров объекта управления 5 Особенность предложенной схемы заключается в расширении управляю- щих свойств логического регулятора на основе программно-реализованной ба- зы правил объекта, получающей информацию с исполнительного устройства и внутренних параметров объекта автоматизации, а также обратных связей де- фаззификатора, обеспечивающих корректную подстройку коэффициентов ре- гулирования (рис. 20). Функционирование представленного регулятора можно описать следую- щим образом: входы a” и b” фаззификатора 1 принимают дискретное значение величины сигнала, представленного одним из значений L 1 , L 2 , L 3 , L 4 …. L 10 ре- гулируемой переменной L(t). 34 Рисунок 20 – Функции принадлежности дискретных термов Т 1 , Т 2 , Т 3 , Т 4 …. Т 10 регулируемой переменной L(t) Далее фаззификатор осуществляет преобразование значения в терм линг- вистической переменной L, затем включается в работу система идентификации терма: если в системе сработало первое (0 ≤ L(t) < L 1 )/второе/третье…./последнее продукционное правило, из блока коэффициентов будут поданы соответству- ющие коэффициенты на ПИД-регулятор. Система управления периодически сканирует созданную систему правил: 1 8 9 10 Кп 12,7 ЕСЛИ ТО Ки 0,024 Кд 24,5 Кп 40 ЕСЛИ ТО Ки 0,25 Кд 1,05 Кп 43 ЕСЛИ ТО Ки 0,286 Кд 2,28 Кп 53 ЕСЛИ ТО Ки 0,423 Кд 8,08 L T L T L T L T В результате предложена функциональная схема метода интеллектуальной адаптации логического регулятора к объекту управления, позволяющая стаби- лизировать процесс транспортировки нефти на существующих объектах без существенного изменения схемы автоматизации. В |