Диссертация (Разработка интеллектуального комплекса для адаптивного управления параметрами микроклимата процессов хранения муки)

ФКДЕРАЛЬНОЕ ГОСЪДАРСТВЕННОЕ БК)ДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТКЛЬНОК УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШКГО ОБРАЗОВАНИЯ еМОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВэ На правах рукописи Карелина Екатерина Борисовна РАЗРАБОТКА ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ АДАПТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ ПАРАМЕТРАМИ МИКРОКЛИМАТА ПРОЦЕССОВ ХРАНЕНИЯ МУКИ Специальность 05.13.06— Автоматиаация и управление технологическими процессами и производствами «в пищевой промышленности) Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель Заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Благовещенская Маргарита Михайловна Москва — 2018 ОГЛВНЛВИИЮ ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ ХРАНЕНИЯ МУКИ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ средств, методов и средств Автомдтиздции. постдновкд здддчи исследовдния .....12 1.1. Анализ технологического процесса хранения муки как объекта автоматизации ...............12 1.1.1. Анализ технологических схем хранения муки, используемых технических средств 12 1.1.2. Анализ влияния параметров микроклимата на качество готовой продукции..........20 1.2.

Обзор и анализ современных способов применения нейронных сетей для управления сложными техническими системами.. .24 1.2,1, Основные области применения нейронных сетей.. 1.2.2. Архитектура и разновидности нейронных сетей. 1.2.3. Нейросетевой регулятор .. 1.2.4. Идентификация и нейросетевая модель сложного многопараметрического объекта управления. .37 1.2.5. Анализ и сравнение нейросетевых и линейных регуляторов....

1.2.6. Обзор существующих и выбор оптимального нейросетевого пакета.. 1.3. Выводы па первой главе.. 1.4. Задачи исследования.. ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКИХ И СТРУКТУРНО-ПАРАМЕТРИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА БЕСТАРНОГО ХРАНЕНИЯ МУКИ. .58 2.1 Параметрическая модель.. 2.2. Математическое моделирование ...

.Бв 2З. Структурно- параметрическая модель. 2.4. Исходные допущения при построении и уточнении математической модели ...,...............72 2.5. Уравнение теплового баланса для микроклимата силоса .74 2.б. Влияние управляющих и возмущающих параметров на температуру воздуха в силосе ...76 2.7. Влияние возмущающих и управляющих воздействий на абсолютную влажность воздуха в силосе 79 2.В. Влияние управляющих и возмущающих воздействий на содержание СО| в силосе...........82 2.9.

Построение структуры взаимосвязи параметров микроклимата с управляющими и возмущающими факторами.. 2.10. Выводы по второй главе. ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА НЕЙРОСЕТЕВОГО РЕГУЛЯТОРА ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ БЕСТАРНОГО ХРАНЕНИЯ МУКИ .. 3.1. Постановка задачи.. 3.2. Экспериментальные исследования влияния температуры на влажность воздуха и содержание Сон .91 3.3. Этапы реализации нейросетевого ре~улятора. 3.4. Разработка структурной схемы нейросетевого ре~улятора.. 3.5. Математическое описание нейросетевого регулятора и алгоритм обучения нейросети. 100 3.5.1. Разработка архитектуры, подбор количества слоев и нейронов каждого слоя нейронной сети... .

101 3.5.2. Разработка алгоритма и проведение обучения нейронной сети..... .... 106 3.5.3. Алгоритм работы интеллектуального комплекса адаптивного управления параметрами микроклимата процесса БХМ. 3.6.Имитационное моделирование технологического процесса бестарного хранения муки в АпуЕоб~с .114 3.6.1.

Обоснование выбора имитационного моделирования для построения модели.....114 . 116 3.6.2. Варианты реализации модели. 3.6.3. Мультиагентное имитационное моделирование.. .118 . 123 3.6.4. Агент регулировщик производственного процесса. 3.7.Выводы по третьей главе... ГЛАВА 4. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ПАРАМЕТРАМИ МИКРОКЛИМАТА СИЛОСА.

. 128 4.1. Существующие автоматизированные системы управления ТП хранения муки................128 4.2. Анализ структуры и общее описание работы автоматизированной информационноуправляющей системы мукомольного предприятия. .132 4.3. Разработка системы слежения и управления параметрами микроклимата силоса в 5САРА- системе Тгасе Моде. ,139 4.4. Разработка РС-совместимой платформы как альтернативный вариант реализации нейросетевого ре~улятора. . 147 4.5.Проведение экспериментальных исследований с применением интеллектуального комплекса адаптивного управления параметрами микроклимата силоса..............................153 4.6.

Интеграция интеллектуального комплекса в существующую АСУТП предприятия...........160 .163 4.7.Выводы по четвертой главе. . 165 ЗАКЛЮЧЕНИЕ СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ.. .168 Список работ, в которых опубликованы основные положения диссертации..... СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ .. Приложение 1.

Функциональная схема автоматизации . 186 Приложение 2. Акт о внедрении результатов диссертационной работы в производственную деятельность....,................................................................,...................18? Приложение 3. Акт внедрения в учебный процесс результатов диссертационной работы.......188 ВВКДКНИК Актуальность работы. В современном социально-экономическом и геополитическом развитии России на первый план выходит развитие сельского хозяйства и пищевой промышленности.

Как следствие, многократно возрастают требования к качеству и безопасности готового продукта, что существенно влияет на его конкурентоспособность. Среди множества отраслей пищевой промышленности важнейшая роль принадлежит мукомольной, Бе продукция является чрезвычайно востребованной населением нашей страны. А это значит, что к качеству этой готовой продукции предъявляются особые повышенные требования.

Хранение муки является одним из важнейших этапов технологического процесса производства муки ~13,14„41~. Бестарное хранение муки ~БХМ) в силосах представляет собой сложный технологический процесс, который в значительной степени подвержен воздействию окружающей среды ~температура, давление, влажность и др,). Бели не принимать соответствующих мер, то под влиянием указанных факторов технолопиеские свойства муки будут изменяться и выходить за пределы допустимых значений, т.е. мука может испортиться ~12, 69, 86, 881. На практике наиболее часто для стабилизации отдельных параметров используют автоматические регуляторы, а выбор стратегии и режима управления осуществляется на усмотрение операторов-технологов.

Такой подход не обеспечивает достаточный уровень автоматизации процесса и обуславливает зависимость качества процесса от субъективного влияния ведущих процесс технологов ~3-61. На процесс хранения и созревания муки действуют различные возмущающие факторы, кроме этого сами параметры микроклимата тесно связаны между собой и изменение одного из них влечет за собой нежелательное изменение всех остальных, Следовательно, важно не только стабилизировать отдельные параметры в предельно-допустимых значениях, но и поддерживать необходимое соотношение между этими параметрами. Стандартные ПИД-регуляторы также не могут решить данную задачу, так как не могут учесть нелинейность и многосвязность параметров микроклимата. Достичь высокого качества возможно посредством создания адаптивных автоматизированных систем управления технологическими процессами с применением интеллектуальных технологий.

В настоящее время интеллектуальные технологии управления используются при управлении космическими аппаратами ~31-331, транспортными средствами ~34-36~ и др. Однако, известные работы в этой области направлены на решение частных задач, и предстоит выполнить значительный объем исследований для достаточно полной разработки этого вопроса с точки зрения теории и практики систем интеллектуального управления ~14, 37-431. На сегодняшний день наиболее перспективным представляется использование нейросетевых регуляторов для управления параметрами микроклимата в процессе хранения муки.

Создание такой системы позволит: улучшить адаптационные способности регулятора за счет применения более гибкой технологии управления, повысить качество управления и, следовательно, качественные показатели технологического процесса, повысить экономическую эффективность производства в результате более точного поддержания основных технологических параметров и, соответственно, снижения расхода материальных и энергетических ресурсов, уменьшения процента порчи и т.п ~2, 19-21~. В данной работе рассматривается задача разработки интеллектуального комплекса для адаптивного управления параметрами микроклимата процессов хранения муки, построенного с использованием нейросетевого регулятора, позволяющего алгоритмизировать ручные процессы управления с использованием профессиональных знаний и 5 опыта человека.

В качестве объекта управления выбран технологический процесс бестарного хранения муки, поскольку для этого процесса характерна сложность, невозможность алгоритмизации управления и критическое влияние на качество процесса профессиональных знаний и опыта технолога, ведущего процесс. В результате решения задачи предполагается разработка принципиальных решений автоматизированной, адаптивной, динамически развивающейся системы управления, основанной на работе нейросетевого регулятора, позволяющей учитывать динамику системы и обеспечивать требуемый уровень качества процесса в изменяющихся условиях его реализации за счет адаптации. На актуальность поставленной задачи указывает мнение исследователей в области автоматизации управления 112, 13, 44-4б1.