Задачи, методы и алгоритмы интеллектуальных систем управления (обзор)

Исходные данные и условия задачи:

• 
  1) Концепция управления техническим объектом на основе разделения его движения на две составляющие: программную и возмущенную. Она была подробно изложена и теоретически исследована А.М. Летовым [108] применительно к управлению летательным аппаратом. Приложения этой концепции к промышленным объектам осуществлены в работах В.П. Авдеева и его учеников [63 - 66, 109-111].
  
• 
  2) Потенциально применимые для ВН структуры системы автоматического управления:
  
• 
  2.1) Системы адаптивного управления с прогнозированием:
  

беспоисковые системы автоматического управления, разработанные В.С. Шендриком, А.А. Красовским, А.С. Федосеевым,
B. Н. Буковым, О.Дж. Смитом, Дж.Б. Ресвиком, В.П. Авдеевым, Л.П. Мышляевым, D.W. Clarke, К. Watanabe, Као Тиень Гуинь [58 - 69] ; поисковые системы автоматического управления, исследованные в работах Н. Ziebolz, Н.М. Paynter, Н.М. Александровского,
C. В. Егорова, В.П. Мешалкина, Р.Е. Кузин, И.И. Перельмана, И.М. Борзенко [70 - 74].
2.2) Типовые системы интеллектуального управления Д.А. Поспелова, И.М. Макарова, В.М. Лохина, В.Н. Захарова, К.А. Пупкова, В.Г. Конькова, А.Е. Городецкого, А.А. Ерофеева,
A. О. Полякова, А.В. Тимофеева, Р.М. Юсупова, А.А. Жданова, Б.Я. Советова, В.В. Цехановского, В.Д. Чертовского, Y.-Z. Lu, К.М. Hangos, R. Lakner, М. Gerzson [1 - 19, 112] (глава 1).
3) Известные алгоритмы, применимые для управления ВН в режиме «нагрев»: оптимизации режима «нагрев» воздухонагревателей доменных печей путем изменения расхода воздуха на базе статической характеристики «расход воздуха - установившаяся температура купола», полученной при максимально возможном расходе топлива (Б.Н. Парсункин и др. [113]); управления воздухонагревателем с помощью дифференциальных уравнений, составленных с использованием закономерности протекающих в нем физических процессов (K.R. Muske [114]); управления агрегатом с применением экспертной автоматической диагностики неустойчивого хода технологического процесса, когда «отсутствует нормальный режим работы агрегата, и даже не выявлено расстройство объекта управления» (например, «Интеллект доменщика» ЕВРАЗ ЗСМК), см. публикацию
B. И. Соловьева и др. [47]; логико-количественной экспертной диагностики, представленной в работе В.Г. Лисиенко и др. [46]; адаптивного управления с прототипами В.П. Авдеева, А.В. Пинтова, В.И. Веревкина и др. [109 - 111]; прогнозирования выходных воздействий управляемых объектов черной металлургии на базе типопредставительных ситуаций Л.П. Мышляева, В.Ф. Евтушенко [75,

• 
  76]; прогнозирования на основе оценивания и экстраполяции приведенных к выходу объекта выходных воздействий [75];
  
• 
  4) Структура модели воздухонагревателя в режиме «нагрев»:
  

U,(t) = U_ln(t) + SU[(t); U₂(t) = U₂„(t) + 8U₂(t); W_K(t) = w?(t) + SW_K(t),
где Ф,(-) - продукционная модель соответствия программных управляющих воздействий U_in(t), U_2n(t) и базовых уровней контролируемых внешних воздействий w|(t) программной составляющей выходного воздействия, накапливаемых и модифицируемых в БЗ; Ф₂() - нейросетевая модель влияния отклонений от программных и базовых уровней входных воздействий на изменение выходного воздействия; Y_M(t) - выходное воздействие модели объекта управления; Uj(t), U₂(t) - управляющие воздействия; SU^t), 6U₂(t)- регулирующие воздействия; 8Y(t) - эффект неконтролируемых внешних воздействий; W_K(t) - контролируемое внешнее воздействие (калорийность газа); 5W_K(t) - отклонение от w|(t); Т°^у - интервал памяти объекта.

• 
  5) Натурные данные эксплуатации действующей системы управления воздухонагревателем Калугина, включающие: температуру подкупольного пространства - Y(t) = T_Kn(t), расход газа - Uj(t) = Q_r(t), расход воздуха - U₂(t) = Q_B(t), калорийность газа - W_K(t), химический состав газа [С0₂, непредельные углеводороды, СО, СН4, Н₂, N₂], концентрацию СО в отходящем дыме - M_co(t), температуру дыма - ТдО), температуру насадки переходной зоны динас-шамот - Т_н (t). Динамические характеристики воздухонагревателя по каналам регулирования в зоне горения для различных рабочих уровней расхода газа.
  
• 
  6) Структура действующей АСУ тепловым режимом воздухонагревателя Калугина в ЕВРАЗ ЗСМК, в частности, подсистема регулирования соотношения «газ/воздух» a(t) с поддержанием заданной температуры купола; подсистема перевода воздухонагревателя с «дутья» на «нагрев» и обратно, через режим «отделение» и соответствующие им признаки перекидки клапанов; технологическая инструкция по эксплуатации АСУ воздухонагревателем для газовщика доменной печи.
  
• 
  7) Аппарат известных ИНС: многослойный персептрон, алгоритм обратного распространения ошибки, алгоритм Левенберга- Марквардта, алгоритм сопряженных градиентов, алгоритм быстрого распространения, радиальная нейронная сеть, алгоритм Линде- Бузо-Грея, самоорганизующаяся сеть Кохонена.
  
• 
  8) Практический опыт специалистов-экспертов (опытных газовщиков), квалифицированно решающих задачу управления нагревом дутья.
  
• 
  9) Методика построения продукционной модели представления знаний типа: IF (условие), THEN (действие) [21]. Программный продукт разработки специализированных экспертных систем, поддерживающих работу в сети Internet - Exsys CORVID [105].
  
• 
  10) Интегральный критерий оптимальности управления:
  

где Q”(t), Q₂(t), Q?(t) - нормированные значения Q, (t), Q₂(t), Q₃(t); j = 1, 2, 3; Q^t) - интегральная оценка качества переходного процесса за время нагрева (t_K -t_H); E_P(t) - ошибка реализации программного движения; Q₂(t) - интегральный расход топлива; Q₃(t) - количество угарного газа выбрасываемого в атмосферу за период нагрева; M_co(t) - концентрация угарного газа в дыме; yi,y₂,y₃ - ве- з
совые коэффициенты; = 1.
i=l

• 
  11) Ограничения на параметры управления и состояния в режиме «нагрев»: 0<и₁(О<10⁵м³/ч, 900
  
• 
  0co(t)<ТД(0<400 °С, 540 
  
• 
  _{0,62(t) - коэффициент соотношения «газ/воздух».}
  

_{Требуется на базе названных аналогов и прототипов, включая действующую АСУ, разработать новую систему управления тепловым режимом ВН, минимизирующую интегральный критерий Q(t), удовлетворяющую ограничениям и учитывающую опыт оператора- технолога (газовщика) по выбору программного движения ТОУ.
Сформулированная инженерная частично структурированная задача может быть решена на основе концепции программного и возмущенного движения, выбора и конкретизации одной из типопредставительных ИнтСУ, а также опыта функционирования действующей системы управления воздухонагревателем Калугина.}

Предлагаемая интеллектуальная система управления тепловым режимом воздухонагревателя

Созданная эвристическим путем структура интеллектуальной системы управления тепловым режимом воздухонагревателя Калугина опирается на концепцию программного и возмущенного движения и объединяет два современных интеллектуальных инструмента - искусственные нейронные сети (ИНС) и динамические экспертные системы (ЭС).
Функциональная структура предлагаемой интеллектуальной системы управления тепловым режимом воздухонагревателя (рисунок 57) состоит из следующих основных частей.