Автоматика и телемеханика, № 3, 2015
Интеллектуальные системы управления
© 2015 г. А.Ф. АНТИПИН, канд. техн. наук (andrejantipin@ya.ru) (Стерлитамакский филиал Башкирского государственного университета)
ОБ УСКОРЕНИИ ОТКЛИКА СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ НА БАЗЕ МНОГОМЕРНЫХ ИНТЕРВАЛЬНО-ЛОГИЧЕСКИХ РЕГУЛЯТОРОВ
Рассматривается использование многомерных нечетких интервально-логических регуляторов в качестве центрального устройства систем управления реального времени, что позволяет снизить их время отклика за счет сокращения количества обрабатываемых продукционных правил и операций сравнения. Представлен расчет, демонстрирующий соответствующее снижение параметров при реализации регулятора на базе контроллера Siemens S7 314.
1. Введение
В настоящее время системы управления реального времени (СРВ) находят все большее применение в тех отраслях промышленности, где необходим постоянный анализ текущей ситуации, контроль за соблюдением правил пожаро- и взрывобезопасности, а также высокая скорость принятия решений и снижение энергозатрат. Это - прежде всего химическая, нефтяная и нефтеперерабатывающая промышленность, где риск аварийной ситуации достаточно велик, как и последствия.
Достаточно широкий класс СРВ составляют системы, основанные на нечетком логическом выводе (или нечеткой логике), центральным устройством которых являются различные виды нечетких регуляторов [1], используемые при автоматизации сложных технологических процессов и объектов, например паровых котлов, цементных печей, карбонизационных и дистилля-ционных колонн и центрифуг.
Подавляющее большинство перечисленных объектов и процессов являются пожаро- и взрывоопасными, не имеют адекватной математической модели поведения, т.е. их удается описать лишь вербально (словесно), и характеризуются рядом специфических особенностей, например значительным взаимным влиянием контуров регулирования при поддержании значений тех или иных технологических параметров в определенном диапазоне.
В связи с этим высокие требования предъявляются не только к запорной арматуре (герметичность и прочность конструкции, среда применения, срок службы арматуры и т.д.), но и к технике автоматизации в целом. В данной ситуации немаловажную роль играет и время (или скорость) отклика
СРВ, которое в большинстве случаев можно рассчитать как некоторое среднее значение, получаемое опытным путем, и которое зависит от технических характеристик техники автоматизации (компьютеров, программируемых логических контроллеров [2] и пр.).
Для снижения времени отклика СРВ на базе нечеткой логики на программном уровне используют различные алгоритмы фаззификации и дефаз-зификации, такие как ANY-TIME алгоритмы [3, 4], STEP-TIME алгоритм [5], ситуационные подпрограммы, модельно-предикторное управление [6] и всевозможные комбинации нечетких ПИ- и ПИД-регуляторов [7]. Проблемы реализации нечетких СРВ нашли должное отражение в работах Мамдани, Цука-мото и Сугено, предложивших алгоритмы работы нечетких регуляторов [8], В.В. Круглова и А.А. Ускова [1, 9], Б.Г. Ильясова [7] и др.
Приведенные выше доводы позволяют считать разработку алгоритмов, методов и способов снижения времени отклика СРВ на базе нечеткой логики актуальной научной проблемой, решение которой позволит повысить производительность СРВ и тем самым уменьшить расход энергоресурсов.
2. Использование нечетких интервально-логических регуляторов в СРВ
Программный отклик систем управления реального времени зависит от сложности заложенных в них алгоритмов и от общего числа обрабатываемых продукционных правил, которые можно уменьшить в результате использования разработанного автором многомерного нечеткого интервально-логи-ческого регулятора (МИЛР), блок-схема которого представлена на рис. 1, где И1, И2, ..., Ип и Дх, Д2, ..., Дк - интервализаторы и деинтервализато-ры МИЛР соответственно; БИ и БД - блоки интервализации и деинтерва-
Рис. 1. Блок-схема многомерного интервально-логичес-кого регулятора.
|(г)
7Н
7А
7Н
7С
Т Т7 Тз 1
7р
7в
7С
7в
7А
2 Т3 14 15
н—I—I—I—
Рис. 2. Пример интервализации непрерывной величины г совокупностью термов Т2, ..., Т5.
лизации, состоящие из интервализаторов И1, И2, ..., Ип и деинтервализато-ров Д1, Д2, ..., Дк соответственно; Х1, Х2, ..., Хп и .1, .2, ..., Zk - входные и выходные переменные МИЛР соответственно; Т(Х1),Т(Х2),..., Т(Хп) и Т(^),Т(^2),...,Т(2к) - порядковые номера термов, значения которых равны логической единице, переменных Х1, Х2,..., Хп и .1, .2,..., .к соответственно; БЛВ - блок логического вывода МИЛР; ^тек - идентификационный (ГО) номер продукционного правила в упорядоченном массиве (базе) данных БЛВ соответственно; БПИ - блок предварительной интервализации значений переменных МИЛР; БПр - блок предсказания термов.
МИЛР является альтернативной ступенью развития нечетких регуляторов, в нем отсутствуют процессы фаззификации и дефаззификации как таковые. Взамен введены понятия "интервализации" и "деинтервализации", определенные далее.
Интервализация - процесс определения принадлежности значения непрерывной величины тому или иному интервалу, входящему в диапазон значений данной величины. Деинтервализация - процесс, обратный интервализа-ции, т.е. выделение требуемого значения непрерывной величины из интервала, входящего в диапазон значений данной величины.
Интервализаторы и деинтервализаторы представляют собой функциональные блоки МИЛР, реализующие процессы интервализации и деинтер-вализации значения непрерывной величины соответственно.
На рис. 2 представлен пример интервализации непрерывной физической величины г эквивалентной совокупностью термов Т1, Т2,..., Т5, где гр, и ¿а, ¿с и - рабочее, нижнее и верхнее аварийные, нижнее и верхнее сигнальные состояния , соответственно.
Главным отличием МИЛР от других видов нечетких регуляторов является отказ от обработки системы продукционных правил (СПП) в БЛВ. Вместо этого в каждом цикле работы МИЛР в процессе интервализации значений непрерывных величин формируется ГО-номер (ключ) продукционного правила, используемый для определения комбинации значений управляющих воздействий в момент времени ¿.
БЛВ МИЛР, по сути, представляет собой упорядоченный массив значений, или базу данных, управляющих воздействий на объект управления и механизм формирования ГО-номеров (ключей) продукционных правил в текущий момент времени ¿.
7
Т(ХХ) Т(Х2) Т(ХП) Т(г2)
Рис. 3. Схема формирования ГО-номера продукционного правила МИЛР.
Схема формирования ГО-номера продукционного правила МИЛР представлена на рис. 3, где # - элемент ГО-номера продукционного правила, формируемый из Т(Х1), Т(Х2), ..., Т(Хп) и Т(г1), Т(г2), ..., Т(гк).
Процент снижения максимального числа обрабатываемых продукционных правил ДД МИЛР с п-входными и к-выходными переменными X и г соответственно может быть рассчитан в процентах согласно выражению из [5]:
ДД =
/
V
п к
п КX) • п к(2 ) + 1
г=1_3=1_
пк
П(к(X) + 1) П (к(г, ) + 1)
г=1
3 = 1
\
100,
где К - количество термов входных и выходных переменных X и г МИЛР.
Так, для систем автоматического управления с МИЛР с общим числом переменных, равным 10, при условии, что среднее количество термов К равно 4, процент сокращения максимального числа обрабатываемых продукционных правил ДД МИЛР будет равным:
ДД =1 -
410 + 1 (4 + 1)
10
100 % « 89 %.
3. О снижении числа логических операций в СРВ на базе МИЛР
СПП БЛВ описывает совокупность состояний МИЛР, определяемых зна-
чениями входных и выходных переменных в текущий момент времени £. БЛВ
МИЛР включает в себя значения управляющих воздействий, характерных для того или иного состояния. Так, набор правил от Д1 до Д2 включительно
описывает состояние Б1, набор правил от Д2 до Дз включительно - состояние Б2 и т.д.
Переход МИЛР в то или иное состояние позволяет отсечь ряд правил, характерных для остальных состояний, что дает возможность повысить скорость интервализации и/или деинтервализации и минимизировать время логического вывода МИЛР.
Переменные МИЛР можно классифицировать так:
а) контрольные - переменные, значения которых следует контролировать в каждом цикле сканирования МИЛР, т.е. постоянно;
к
п
#
#
#
#
#
#
1
б) временные (переменные состояний) - переменные, значения которых требуется контролировать в некоторые промежутки времени ¿, в момент которых МИЛР находится в том или ином, но обязательно в определенном состоянии 5.
Совокупность т переменных Х и У МИЛР можно представить так:
т = тк + тв = п + к,
где тк, тв - совокупность контрольных и временных переменных МИЛР соответственно.
При условии, что временные переменные уникальны для тех или иных состояний, предыдущее выражение будет иметь вид
m = mK + > mB,
i=1
где s - количество состояний МИЛР.
Такое разделение переменных дает возможность рассчитать точное время отклика СРВ с МИЛР в том или ином состоянии ts, в то время как в "продукционных" системах можно рассчитать лишь среднее (эмпирическое) время отклика.
Выражение для вычисления ts имеет вид
ts = tT Ls +t-,
где tT - минимальное значение времени, необходимое для выполнения одной логической операции центральным процессорным устройством (ЦПУ) техники автоматизации (так, для контроллеров Siemens S7 оно следующее: 312С -0,2 мкс; 314 - 0,1 мкс; 315-2DP - 0,1 мкс; 414-3 - 0,06 мкс; 416-2F - 0,04 мкс; 417-4 - 0,03 мкс и т.д.); Ls - общее число логических операций сравнения, выполняемых МИЛР с n—входными и k-выходными переменными X и Z соответственно в каждом цикле работы в состоянии S; t- - время, необходимое для выполнения прочих (не логических) операций МИЛР в состоянии S.
Значение Ls зависит от выбранного метода, способа или алгоритма интер-вализации значений непрерывных величин и различается для МИЛР с БИ:
а) без БПИ и БПр;
б) с БПИ и БПр;
в) без БПИ, с БПр.
Блок БПИ МИЛР выполняет защитную функцию и предназначен для проверки принадлежности значений непрерывных величин указанным диапазонам. При выходе значения какой-либо непрерывной величины за пределы указанного диапазона блок БПИ генерирует сигнал тревоги "ALARM", после чего текущая итерация работы МИЛР
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.