НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ХАРЧОВИХ ТЕХНОЛОГІЙ

Журавльов Юрій Володимирович

УДК 681.518.3:658.012:624.01

АВТОМАТИЗОВАНЕ УПРАВЛІННЯ ВИРОБНИЦТВОМ

ЗАЛІЗОБЕТОННИХ ВИРОБІВ НА ОСНОВІ НЕЧІТКОЇ ЛОГІКИ

Спеціальність 05.13.07 - Автоматизація технологічних процесів

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Харківському державному технічному університеті будівництва та архітектури Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент

Пермяков В’ячеслав Іванович,

Харківський державний технічний університет будівництва та архітектури,

доцент кафедри автоматизації

виробничих процесів.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Стенін Олександр Африканович,

Національний технічний університет України

“КПІ”, професор кафедри технічної кібернетики;

кандидат технічних наук, доцент

Кишенько Василь Дмитрович,

НУХТ, доцент кафедри автоматизації та

комп’ютерно-інтегрованих технологій.

Провідна установа: Національний технічний університет

“Харківський політехнічний інститут” Міністерства освіти і науки України, кафедра автоматизації хіміко-технологічних систем і екологічного моніторингу

Захист відбудеться 25 травня 2005 року о 1400 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К26.058.05 Національного університету харчових технологій за адресою: 01033, м. Київ-33, вул.. Володимирська, 68, ауд. А-311

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного університету харчових технологій за адресою: 01033, м. Київ-33, вул. Володимирська, 68.

Автореферат розісланий 23 квітня 2005 року.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради,

кандидат технічних наук, доцент Філоненко В.М.

1

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Залізобетон та залізобетонні вироби ще протягом багатьох років залишаться основним будівельним матеріалом у житловій, цивільній, транспортній, гідротехнічній, енергетичній та інших галузях виробництва в Україні. Якість цієї продукції закладається на етапах виготовлення бетонної суміші та теплової обробки, які складають основу технологічного процесу і на долю яких припадає 85-90% витрат енергоресурсів.

Проблема прискорення твердіння бетону, незважаючи на зниження обертовості форм і теплових агрегатів, ще чекає свого остаточного вирішення, так як пара залишається основним теплоносієм, а теплова обробка – одним з основних технологічних процесів у виробництві збірного залізобетону, особливо в осінньо-зимовий період. Також треба відзначити деяку цільову переакцентацію щодо цього технологічного процесу. Це пов’язано з переходом від “жорстких”, форсованих режимів теплової обробки до так званих ”м’яких”, які характеризуються значно нижчою температурою ізотермічного прогріву та деяким підвищенням тривалості окремих етапів процесу. Важливість цього питання обумовлена необхідністю забезпечення насамперед довговічності залізобетону в залежності від умов експлуатації, на відміну від потреби збільшення обсягів виробництва залізобетону, актуальної ще до недавнього часу.

Довговічність залізобетону залежить від взаємодії багатьох факторів, обумовлених у тому числі станом його структури на етапі виробництва бетонної суміші та теплової обробки. Забезпечення якості кінцевої продукції цих складних хіміко-технологічних процесів неможливе без застосування сучасних автоматизованих систем управління, нових інформаційних технологій та комп’ютерного матеріалознавства. Особливо це має значення в умовах невизначеності сучасного реального виробництва, пов’язаних з порушенням традиційних зв’язків між постачальниками технологічної сировини, матеріалів, енергоносіїв. Впливає на цю невизначеність також відсутність повної і чіткої картини процесу структуроутворення цементного каменю, математичних моделей, які адекватно описують механізм зміцнення структури в процесі теплової обробки, відсутність єдиної методики розрахунку оптимальних режимів теплової обробки залізобетону та методів оперативної оцінки якості бетонної суміші в реальному масштабі часу. В цих умовах досягнення оптимальності управління ходом технологічного процесу покладається на оператора-технолога, конкретну особу, що приймає рішення (ОПР), на її знання, багаторічний досвід, професійну майстерність.

Найчастіше під час прийняття рішень ОПР користуються правилами типу “Якщо-Тоді-Інакше”, що дає можливість формалізувати інтелектуальну діяльність та побудувати інформаційно-дорадчу систему, яка б в інтерактивному режимі надавала рекомендації щодо управління, імітуючи поведінку досвідченого спеціаліста-експерта. Оскільки таких спеціалістів бракує на виробництві, виникає потреба в розробці автоматизованих систем підтримки прийняття рішень у виробництві залізобетонних виробів та накопиченні нових знань, отриманих у ході

2

реального виробництва.

Формалізація та обробка знань спеціаліста-експерта, які найчастіше надаються в якісній, нечітко заданій формі, можлива з використанням математичного апарата нечіткої логіки, хоча застосування цієї теорії ускладнено багатьма чинниками: неможливістю побудови процедур нечітких виводів під час обробки багатьох нечітких значень, узгодженістю оцінок достовірності, непротиріччя та повноти експертної інформації тощо.

Таким чином, автоматизоване управління виробництвом залізобетонних виробів з використанням знань та навичок досвідчених спеціалістів-експертів у вигляді “інтелектуальної” системи підтримки прийняття рішень, яка використовує математичний апарат нечіткої логіки, є актуальною науково-технічною проблемою.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась відповідно до наукових напрямків кафедри автоматизації виробничих процесів Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури в рамках держбюджетної теми №049 “Розробка теорії і моделей системного аналізу складних соціально-економічних та технічних систем на основі впровадження інформаційних технологій” (№ ДР 0100U001016) згідно з координаційним планом науково-дослідних робіт Міністерства освіти і науки України “Створення нових технологій, методів організації та механізації будівельних процесів”.

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є підвищення ефективності управління касетною технологією виробництва залізобетонних виробів на підставі створення автоматизованої системи підтримки прийняття рішень з механізмом самонавчання і накопичення знань, наданих у вигляді нечіткої експертної інформації. Для досягнення цієї мети в роботі поставлені і виконані такі завдання:

- формування теоретичних основ автоматизованого управління касетною технологією виробництва залізобетонних виробів з використанням математичного апарата нечіткої логіки;

- визначення технологічних факторів, що суттєво впливають на якість залізобетону на етапах виробництва бетонної суміші та теплової обробки;

- розробка методики організації температурних вимірів під час теплової обробки залізобетону з рекомендаціями щодо оптимальної кількості первинних вимірювачів температури, встановлених на технологічному обладнанні;

- представлення основних технологічних факторів у вигляді лінгвістичних змінних з їх відповідним розбиттям на терм-множини;

- синтез нечіткої продукційної моделі для автоматизованого управління виробництвом залізобетону;

- розробка комп’ютерної системи підтримки прийняття рішень оператором-технологом для касетної технології виробництва залізобетону та залізобетонних виробів;

- впровадження результатів роботи.

3

Об’єктом дослідження є касетна технологія виробництва залізобетону та залізобетонних виробів, яка розглядається в класі слабкоформалізованих складних хіміко-технологічних процесів.

Предметом дослідження є структура, програмно-технічні засоби, інформаційне та програмне забезпечення системи підтримки прийняття рішень для автоматизації технологічного процесу виготовлення залізобетону та залізобетонних виробів в умовах жорстких обмежень на витрати енергоресурсів та невизначеності виробництва.

Методи дослідження базуються на математичному апараті теорії нечітких множин і нечіткої логіки. Реалізація автоматизованої системи підтримки прийняття рішень виконана за допомогою засобів обчислювальної техніки. Методика організації температурних вимірювань під час теплової обробки базується на статистичному підході з використанням методів кореляційного аналізу.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що на відміну від існуючих інформаційних технологій виробництва залізобетону та залізобетонних виробів, розроблена система підтримки прийняття рішень надає можливість технологу-оператору формалізувати якісні вхідні та вихідні параметри технологічного процесу та автоматизувати прийняття рішень у реальному масштабі часу. При цьому:

вперше виробництво залізобетону та залізобетонних виробів як предметна галузь розглядається в класі слабкоформалізованих процесів, які характеризуються значним ступенем невизначеності, а основні технологічні фактори виробництва бетонної суміші та теплової оброки представлені у вигляді лінгвістичних змінних з відповідним терм-розбиттям;

вперше для формалізації технологічного процесу виробництва залізобетонних виробів запропоновано використання нечіткої продукційної моделі Такагі-Сугено першого порядку;

отримали подальшого розвитку методи управління виробництвом залізобетонних виробів на базі ієрархічної структури визначення тривалості теплової обробки;

удосконалено функціональну структуру системи автоматизованого управління тепловою обробкою залізобетону, яка доповнена системою підтримки прийняття рішень, що здатна формувати керуючі та інформаційні сигнали, які задані відповідними правилами-продукціями;

запропоновано методику організації температурних вимірювань у технологічних об’єктах з критерієм розташування вимірювачів температури на технологічному обладнанні.

Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що розроблена

автоматизована система підтримки прийняття рішень під час управління касетною

4

технологією виробництва залізобетону та залізобетонних виробів надасть можливість оператору-технологу забезпечити необхідну якість кінцевої продукції в умовах невизначеності виробництва та обмежень енергоресурсів, видаючи рекомендації з управління на рівні досвідчених спеціалістів-експертів. Крім того, ця система може застосовуватися для набуття персоналом формувальних цехів будівельних підприємств навичок управління технологічним обладнанням з виробництва залізобетону та залізобетонних виробів.

Створена автоматизована система управління виробництвом залізобетону та залізобетонних виробів прийнята до експлуатації на підприємстві ВАТ “Харківський домобудівний комбінат №1”.

Запропонований метод організації температурних вимірювань у теплових установках дозволить суттєво скоротити число датчиків первинної технологічної інформації, а також скоротити час та кількість технічних засобів для статистичної обробки результатів.

Основні положення роботи використовуються у навчальному процесі під час проведення практичних і лабораторних занять з дисциплін “Автоматизоване управління технологічними процесами”, “Автоматизовані технологічні комплекси в будівельній індустрії” (спеціальності 7.092501 та 8.092501).

Особистий внесок здобувача. Всі наукові результати та положення дисертаційної роботи одержані автором самостійно. В публікації [5] особистий внесок автора полягає в застосуванні лінгвістичного підходу до організації управління процесом теплової обробки у процесі будівельного виробництва. В публікації [7] автору належать результати дослідження особливостей процесу виробництва залізобетонних виробів як об’єкта управління в нечіткому середовищі. В публікації [10] автором запропоновано класифікацію факторів невизначеності в процесі виробництва залізобетону. В публікації [11] автором запропонована комп’ютерна реалізація автоматизованої системи підтримки прийняття рішень, в основу якої покладені правила-продукції [12], які застосовують спеціалісти-експерти під час реалізації “м’яких” режимів теплової обробки залізобетону та залізобетонних виробів [13].

Апробація результатів дисертації. Основні результати досліджень доповідались і обговорювались на: 52-59 науково-технічних конференціях “Підвищення ефективності будівництва” Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури в 1997-2004р.р.; міжнародних конференціях з автоматичного управління “Автоматика-2001” (Одеса, ОДПУ, 2001р.). “Автоматика-2002” (Донецьк, ДонНТУ, 2002р.), “Автоматика-2003” (Севастополь, СевНТУ, 2003р.); міжнародній науково-технічній конференції “Будівництво, реконструкція і відновлення будівель та споруд міського господарства” (Харків, ХДАМГ, 2002р.); 10-й Міжнародній науково-практичній

5

конференції “Інформаційні технології: наука, техніка, технологія, освіта, здоров’я MicroCAD-2002” (Харків, НТУ “ХПІ”, 2002р.); 1-му Міжнародному радіоелектронному форумі “Прикладна радіоелектроніка. Стан і перспективи розвитку” (Харків, ХНУРЕ, 2002р.); міжнародному конгресі “Современные технологии в промышленности строительных материалов и стройиндустрии” (Белгород, БГТУ им.В.Г.Шухова, 2003г.), міжнародній конференції з математичного моделювання “МКММ-2003” (Херсон, ХГТУ, 2003), міжнародній науковій конференції “Ресурс і безпека експлуатації конструкцій, будівель і споруд” (Харків, ХДТУБА, 2003р.).

Публікації. За результатами дисертації опубліковано 13 (із них 6 – без співавторів) робіт, в яких викладено основний зміст виконаних досліджень, у тому числі 11 статей у виданнях, що входять до переліку ВАК України.

Структура та обсяг роботи. Робота складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку літератури з 118 найменувань та 4 додатків. Текст роботи викладено на 146 сторінках машинописного тексту, включаючи 37 рисунків та 5 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, проведений аналіз об’єкта та предмета наукових досліджень, зв’язок роботи з тематикою наукових програм Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури.

Сформульовані мета й завдання досліджень, визначена наукова новизна отриманих результатів, їх достовірність, практична цінність. Наведені відомості про

впровадження та апробацію результатів дисертації, про кількість публікацій, про особистий внесок здобувача та про структуру роботи.

Перший розділ присвячений аналізу особливостей виробництва залізобетону та залізобетонних виробів як предметній галузі в класі слабкоформалізованих процесів та поставленню завдання дослідження.

Показано, що виробництво бетонної суміші та теплова обробка залізобетону і залізобетонних виробів є складними хіміко-технологічними процесами, які характеризуються певною невизначеністю параметрів та середовища управління.

У зв’язку з цим обґрунтовано необхідність створення автоматизованої системи підтримки прийняття рішень, яка призначена для надання рекомендацій щодо

корегування рецептурних параметрів бетонної суміші та температурно-часових факторів теплової обробки в реальному масштабі часу. Робота такої системи заснована на імітуванні процесів прийняття рішень досвідченими спеціалістами – особами, що приймають рішення (ОПР), професійні навички, знання, вміння яких

дозволяють ефективно керувати вказаним виробництвом. Для цього необхідно

6

вміти формалізувати інтелектуальну діяльність людини в процесі прийняття рішень.

Установлено, що ступінь зручноукладальності бетонної суміші є одним з найбільш значущих чинників для визначення режимів теплової обробки залізобетону та залізобетонних виробів. Це – істотно якісний показник, тому використання лінгвістичних змінних є єдиним зручним способом опису.

Показано, що розв’язання цієї задачі можливе з використанням нових інформаційних технологій, до яких належить теорія нечітких множин, генетичні алгоритми та ін.

Схема процесу виробництва залізобетону та залізобетонних виробів наведена на рис. 1.

Рис.1. Схема процесу виробництва залізобетону та залізобетонних виробів

Використання інформаційних технологій у виробництві будівельних матеріалів і виробів, до яких належить залізобетон та вироби з нього, ще не набуло в Україні достатнього розвитку, хоча цей процес уже позначився. Це зроблено, перш за все, завдяки працям учених КНУБА, ХДТУБА, ПДАБА, дослідженням російських колег, науковців інших країн СНД, дальнього зарубіжжя.

Найбільший внесок у вирішенні цієї проблеми належить науковим розробкам Бушуєва С.Д., Горбунова С.Д., Глухова В.М., Михайлова В.С., Овчаренка В.А., Преждо Л.М., Пунагіна В.М., Серікова Я.О., Синюка В.Г., Синякіна А.Г.,

Соколова О.Ю., Ушерова-Маршака О.В., Цилюрика Л.І., Дуда В., Фронсдорфа Г. (Frohnsdorff G.), Клифтона Д. (Clifton J.). Але запропоновані ними технічні рішення базуються на традиційному математичному та програмному забезпеченні, яке реалізує обробку детермінованої, чітко визначеної технологічної інформації, що відповідало існуючим на той час вимогам нормативних документів.

Аналіз сучасного стану виробництва будівельних виробів та матеріалів і заходів

7

щодо підвищення ефективності виробництва збірного залізобетону виявив тенденції впровадження “м’яких” режимів теплової обробки зі зниженою температурою ізотермічного прогріву та певним підвищенням часу її тривалості. Останнє потребує прийняття нетрадиційних рішень з управління технологічними процесами виготовлення бетонної суміші та теплової обробки, що неможливо без урахування досвіду оператора-технолога та його знань, які частіш за все реалізуються у вигляді правил-продукцій типу “ЯКЩО - ТО”.

Визначені науково-технічні основи дисертаційних досліджень та їх основні напрямки.

У другому розділі наведені результати експериментальних досліджень касетної технології виробництва збірного залізобетону та надана методика організаціїї температурних вимірів під час теплової обробки, що дозволило вирішити завдання визначення необхідної кількості датчиків температури та їх оптимального розташування на технологічному обладнанні. З цією метою у виробничих умовах підприємства ВАТ ”Харківський домобудівний комбінат №1” були проведені дослідження температурного поля твердіючого бетону в касетній установці.

На рис. 2 показано розташування площин заміру температурних полів у залізобетонному виробі касетної установки.

Рис. 2. Розташування площин заміру температурних полів у залізобетонному виробі касетної установки:

1, 4 – тепловий відсік;

2 – розподільний лист;

3 – технологічний відсік.

Під час дослідження теплообміну в виробах у процесі їх термообробки у касетних установках були отримані дані про температурні поля в площинах виробу, які прилягають до теплового відсіку та розподільного листа. Замір температур відбувався у 18 точках (рис. 3) виробу (9 з лицьової поверхні і 9 поряд з розподільним листом).

8

Рис. 3. Схема розміщення термопар у залізобетонному виробі

Запропоновано методику організації температурних вимірів та обробки експериментальних даних, в основу якої покладено ідею оцінки вірогідності характеристик просторово-часових температурних полів (рис.4) на підставі вибіркових даних, що належать до кінцевої кількості точок поля. Математично ця ідея базується на розкладанні досліджуваних температурних полів у ряди за деякими базисними функціями, які обираються з урахуванням конструкції технологічних об’єктів та діючих збурюючих і керуючих впливів.

[год][год]

Рис. 4. Температурне поле в площинах I – I та II – II

9

Водночас розв’язується задача про кількість температурних датчиків, необхідних для отримання достатньої інформації щодо температурного поля, та їх раціонального розміщення в технологічному агрегаті.

Розглянуте просторово-часове скалярне температурне поле, яке задано в деякій області і яке описується скалярною функцією векторного просторового аргументу і часу . В області V обрано n точок з координатами . Вимірюючи в цих точках реалізації температурного поля з подальшою статистичною обробкою результатів, знайдено оцінки математичних очікувань та взаємних моментів для цих точок поля у вигляді:

(j,k,l,…=1,2,…n).

Сформульовано завдання експериментальних досліджень, яке полягає в тому, щоб вказати кількість датчиків температури n та їх розміщення в області V, необхідне для оцінки математичного очікування моментів поля в усіх точках .

Для вирішення поставленого завдання використане розкладення температурного поля в ряд за певною системою детермінованих базисних функцій

, які обираються з урахуванням конструкції технологічного об’єкта та впливаючих на нього управляючих та збурюючих дій. Цю систему необхідно обрати так, щоб будь-яка реалізація поля мала бути апроксимована за допомогою ряду

, (1)

де - випадкова функція часу.

. (2)

Якщо у (2) здійснити та утримувати членів ряду, то отримаємо відносно математичних очікувань систему рівнянь

, . (3)

.

Коефіцієнти цієї системи створюють квадратну матрицю , яка має розмірність :

10

. (4)

Якщо визначник матриці не дорівнює нулю, то з системи рівнянь (3) можна знайти математичні очікування . Час при цьому трактується як параметр. Підстановка знайдених у (2) дозволить обчислити математичне очікування температурного поля у всіх точках . Таким чином, потрібна кількість вимірювачів дорівнює числу членів ряду (1), яке необхідне для задовільного наближення температурного поля .

Вимога про те, щоб визначник матриці був достатньо віддалений від нуля, приводитиме до критерію розташування вимірювачів у вигляді:

. (5)

Показано, що для двомірної задачі розподілу температурного поля критерій (5) еквівалентний критерію мінімізації модуля коефіцієнта взаємної кореляції між датчиками температури:

. (6)

Із практичної точки зору ця методика обгрунтовує можливість застосування двох первинних вимірювачів температури ДТ та ДТ, розташованих у певних точках теплового відсіку та розподільного листа касетної установки, що знайшло подальше використання у процесі створення автоматизованої системи управління касетною технологією виробництва залізобетонних виробів.

Третій розділ присвячений формалізації технологічного процесу виробництва залізобетонних виробів у класі нечітких продукційних моделей Такагі-Сугено, розробці засобів структуризації і уявлення експертних зведень, створенню бази нечітких правил щодо управління касетним виробництвом збірного залізобетону, заснованої на знаннях та досвіді спеціаліста-експерта.

В основу такого підходу покладена заміна математичної моделі складного технічного об’єкта спрощеною апроксимаційною нечіткою моделлю з подальшим її використанням для пошуку оптимальних режимних параметрів.

11

Показано, що нечіткі моделі є зручним апаратом для уявлення якісної поведінки об’єкта управління, а також для врахування нечіткості вхідних даних, так як оперують лінгвістичними значеннями, які легко інтерпретуються і задають у просторі вхід-вихідних параметрів системи неявне розбиття за якісними ознаками, що забезпечує прозорість моделі та легкість її налагодження й модифікації.

На першому етапі створення бази знань системи прийняття рішень для всіх параметрів технологічної ланки “бетонна суміш – теплова обробка” виконана побудова лінгвістичних змінних моделі процесу, які наведені у таблиці 1.

Таблиця 1

Основні лінгвістичні змінні моделі

Назва лінгвістичної змінної | Терм-множина значень | Діапазон визначення кожного терму (з указівкою центру)

Якість заповнювача (%) | Низька | 0…15…30

Середня | 25…50...75

Висока | 70…85...100

Коефіцієнт А | “0,55” | 0,52…0,55...0,58

“0,60” | 0,57…0,60…0,63

“0,65” | 0,62…0,65...0,68

Коефіцієнт А1 | “0,37” | 0,35…0,37…0,39

“0,40” | 0,38…0,40…0,42

“0,43” | 0,41…0,43…0,45

Крупність заповнювача (мм) | “10” | 5...10...15

“20” | 10…20...30

“40” | 25…40…55

Кількість води (л) | “200” | 206…200…194

“190” | 194…190…186

“180” | 183…180…177

“170” | 173…170…167

“160” | 163…160... 157

“150” | 153…150…147

Коефіцієнт б | “1,1” | 0,85…0,1...1,15

“1,2” | 1,185...1,2...1,215

“1,4” | 1,36…1,40…1,44

Рівень зручноукладальності бетонної суміші (ум. од.) | “лита” | 6…8…10

“особливо рухома” | 3…5…7

“ рухома” | 0…2…4

Рівень корекції води (л) | “трохи підвищити” | 0 …2… 4

“підвищити” | 3...5…7

“значно підвищити” | 6..8..10

12

Другим етапом створення бази знань є структуризація експертних зведень з управління касетною технологією виробництва залізобетону та залізобетонних виробів. Для виконання цих дій у роботі запропоновано використання нечіткої продукційної моделі (НПМ), за допомогою якої можна природно описати декларативний досвід людини, її інтуїцію і логіку поведінки. Вхідними даними для НПМ є нечіткі лінгвістичні змінні, які дозволяють адекватно відобразити приблизний опис предметів і явищ у тому разі, коли точний детермінований опис відсутній або неможливий.

На рис.4 представлена структура НПМ технології виробництва збірного залізобетону, де Sбет – внутрішній діаметр бетоноводу, м; Sвир – найменший розмір конструкції, м; Rвир – відпускна міцність залізобетонного виробу, МПа; Мвир – проектна марка бетону, МПа; Псум – щільність суміші, см; ТипЦ – тип цементу; Кп – модуль крупності піску; А1, А – коефіцієнти, що залежать від якості заповнювачів; В/Ц – водо-цементне відношення; ? – коефіцієнт розсунення зерен у суміші (визначається витратою цементу, зручноукладальністю, розміром фракцій дрібних заповнювачів; Т та Т- температура відповідно в тепловому відсіку та на розподільному листі; Q цементу, Q води, Q заповнювача, Qпіску, - відповідно витрата цементу, води, заповнювача, піску; y – тривалість термообробки.

Третім етапом утворення системи є побудова нечіткої моделі Такагі-Сугено у вигляді набору правил:

i = 1,2,…,k , (7)

де - нечіткі множини антецедентів правил-продукцій; y – чітке значення консеквента правил-продукцій; n – кількість лінгвістичних змінних; k – кількість правил-продукцій.

У якості функції у використовувалася нечітка модель Такагі-Сугено першого порядку, тобто

, (8)

де , - коефіцієнти моделі.

Вихід моделі обчислюється за формулою:

, (9)

де - ступінь виконання i-го правила-продукції:

, (10)

де - і – та функція належності на j – му вході, - нечітка операція кон’юнкції (взяття min).

13

Рис. 4. Нечітка продукційна модель технології виробництва збірного залізобетону

14

У якості функції належності обрана функція належності класу t.

База правил-продукцій включає всі можливі комбінації входів . Для визначення коефіцієнтів було використано генетичний алгоритм оптимізації з параметрами: реальне кодування, 27 особин у популяції, одноточковий кросовер, вірогідність мутації – 0.01, вірогідність кросовера – 0.9, селекція за допомогою колеса рулетки, критерій закінчення – зміна функції пристосованості менш, ніж на 0.01 за 50 поколінь.

У якості функції пристосованості була обрана середньоквадратична помилка

, (11)

де - точне значення вихідної змінної, - значення вихідної змінної для нечіткої моделі, що настроюється при однакових значеннях входів.

Використовуючи наведену НПМ була розроблена структура системи підтримки та прийняття рішень у процесі виробництва залізобетону та залізобетонних виробів у вигляді підсистем формування бетонної суміші та визначення режимів теплової обробки (рис.5).

Рис. 5. Структура автоматизованої системи підтримки прийняття рішень в технології виробництва збірного залізобетону

15

Блоки “Вимоги технологіі” та “База даних сировини” вміщують вхідну інформацію системи; блок “ Коректор” призначений для зміни величин параметрів, які надаються експертною системою (ЕС); блок “Модифікатор” змінює правила бази знань у результаті накопичення статистики виробництва.

У процесі функціонування система поповнюється новими правилами, при цьому вага знань експертів зменшується. Розроблено механізм такого самонавчання на базі генетичного алгоритму оптимізації.

У четвертому розділі наведена технічна реалізація автоматизованого управління касетною технологією виробництва залізобетону та залізобетонних виробів у вигляді системи підтримки прийняття рішень. Основу системи складають розроблені в дисертації нечітка продукційна модель та алгоритми. Система реалізована в інтегрованому середовищі створення додатків для Windows Builder C++ v.4.0 на базі програмних модулів “Експертна система” комплексу EASYSYM, розробленої вченими Національного аерокосмічного університету “ХАІ ім. М.Є.Жуковського”. Робота системи забезпечується персональним комп’ютером, що працює під управлінням операційної системи Windows-98/2000/NT, реалізує багато сервісних можливостей і має зручний інтерфейс користувача. Результати роботи системи у вигляді рекомендацій технологу-оператору виводяться на екран в текстовому форматі (рис.7).

Рис. 7. Головне вікно автоматизованої системи підтримки прийняття рішень

16

Результати випробувань автоматизованої системи наведені у вигляді тестів визначення рецептур бетонної суміші, визначення режимних параметрів теплової обробки, самонавчання.

Система реалізована в якості інформаційно-дорадчої підсистеми (рис.8) АСУТП “Термообробка”, що призначена для автоматизованого управління температурними режимами теплової обробки залізобетону та залізобетонних виробів у касетній технології виробництва на підприємстві “Харківський ДБК №1”.

3

RS485

RS232

Рис. 8. Функціональна схема автоматизації касетної технології виробництва залізобетонних виробів:

1, 2 – датчики температури відповідно ДТі ДТ;

3, 4 – датчики тиску відповідно пари і повітря;

5, 7 – клапан з електроприводом;

6, 8 – відповідно паро- та повітропровід;

9, 10 – модулі аналогового вводу-виводу;

11 – адаптер зв’язку;

12 – персональна ЕОМ.

17

Автоматизована система функціонує на базі персонального комп’ютера IBM PC/AT і сумісних ПЕОМ не нижче за 80486DX2 з об’ємом ОЗП не менше за 8 МБ і об’ємом дискового простору не меншим за 16 МБ.

Для нижнього рівня системи застосовано мікропроцесорні модулі I-7000 (ICP_DAS, Тайвань).

Ефективність упровадження системи досягається за рахунок можливості оперативної корекції рецептури бетонної суміші та раціонального призначення режимних параметрів теплової обробки, що дозволяє значно скоротити витрати енергоресурсів.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі наведено теоретичне узагальнення та нове вирішення наукової проблеми, що виявляється в підвищенні ефективності управління касетною

технологією виробництва залізобетонних виробів на основі розробки та впровадження автоматизованої системи підтримки та прийняття рішень. Сформульовані та вирішені завдання вибору оптимального складу бетонної суміші і призначення ефективних режимних параметрів теплової обробки за критерієм енергозбереження.

Створена автоматизована система базується на математичному апараті нечітких множин. Узгодженість теоретичних і експериментальних результатів, можливість самонавчання підтверджує достовірність запропонованої нечіткої продукційної моделі Такагі-Сугено та синтезованих баз знань.

Основні наукові і практичні результати дослідження такі:

1. Установлено, що існуючі системи автоматизації теплової обробки залізобетону та залізобетонних виробів не в змозі якісно керувати технологічним процесом в умовах реального виробництва та його обмеженості в енергоресурсах.

2. Запропоновано застосування математичного апарата нечіткої логіки для формалізації процедур автоматизованого управління в умовах невизначеності.

3. Сформована ієрархічна залежність технологічних факторів виробництва бетонної суміші та теплової оброки у вигляді лінгвістичних змінних з відповідним терм-розбиттям, що потрібне для створення автоматизованої системи підтримки прийняття рішень на базі математичного апарата нечіткої логіки.

4. Розроблена модель технологічного процесу “бетонна суміш - теплова обробка” у процесі виробництва залізобетону та залізобетонних виробів у класі нечітких продукційних моделей Такагі-Сугено.

5. Побудована інформаційно-дорадча система корегування рецептури бетонної суміші та призначення режимів теплової обробки при суттєвому зниженні потрібної температури ізотермічного витримування.

6. Створена база даних та знань з використання правил-продукцій для визначення режимних параметрів виробництва бетонної суміші та теплової обробки.

18

7. Розроблене алгоритмічне та програмне забезпечення для автоматизованої системи підтримки прийняття рішень під час управління касетною технологією виробництва залізобетону та залізобетонних виробів.

8. Запропоновано методику організації температурних вимірювань, яка може бути розповсюджена на клас технологічних об’єктів, пов’язаних з тепловою обробкою.

9. Розроблено критерій розташування вимірювачів температури на технологічному обладнанні.

10. Розроблена підсистема підтримки й прийняття рішень у складі АСУТП “Термообробка”, яка впроваджена в промислову експлуатацію на підприємстві “Харківський домобудівний комбінат №1”.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Журавлев Ю.В. Алгоритм работы информационно-советующей подсистемы АСУТП “Термообработка” // Науковий вісник будівництва.- Харків: ХДТУБА, ХОТВ АБУ.- 1998. – Вип. 3.- С.101-104.

2. Журавлев Ю.В. Интегрированные АСУ предприятий стройиндустрии // Науковий вісник будівництва.- Харків: ХДТУБА, ХОТВ АБУ.- 1999.- Вип. 7.- С.175 -180.

3. Журавльов Ю.В. Алгоритми координації для інтегрованої АСУ підприємств будівельної індустрії // Науковий вісник будівництва.- Харків: ХДТУБА, ХОТВ АБУ.- 1999.- Вип. 8.- С. 190 -193 с.

4. Журавлев Ю.В., Глушко И.В., Сосновский М.Б. Программно-технический комплекс для управления термообработкой строительных изделий // Науковий вісник будівництва.- Харків: ХДТУБА, ХОТВ АБУ.- 2000.- Вип.9.- С. 135 -140.

5. Журавлев Ю.В., Величко В.А. Управление технологическими процессами на основе механизма FUZZY-логики // Науковий вісник будівництва.- Харків: ХДТУБА, ХОТВ АБУ.- 2001.- Вип.13. – С. 52 - 57.

6. Журавлев Ю.В. Механизм самообучения знаниеориентированной системы на основе генетического алгоритма // Науковий вісник будівництва.- Харків: ХДТУБА, ХОТВ АБУ.- 2001. - Вип.14.- С. 272-278 .

7. Журавлев Ю.В., Величко В.А. Автоматизированная система поддержки принятия решений в процессе производства строительных материалов // Труды Одесского политехнического университета: Научный и производственно-практический сборник по техническим и естественным наукам. Одесса, 2001.- Вып. 3 (15). – С. 203-207.

8. Журавлев Ю.В. Управление производством стройматериалов на основе новых информационных технологий // 1-й Международный радиоэлектронный Форум “Прикладная радиоэлектроника. Состояние и перспективы развития”, МРФ-2002. Сборник научных трудов. Часть 2.- Харьков: АН ПРЭ, ХНУРЭ. 2002.- С.80-83.

19

9. Журавлев Ю.В. Управление производством железобетонных изделий с использованием нечеткого регулятора // Наукові праці ДонНТУ. Серія: Обчислювальна техніка та автоматизація. Випуск 47.- Донецьк, 2002.- С. 41-49.

10. Журавлев Ю.В., Горбунов С.Д. Новые информационные технологии производства строительных материалов в условиях неопределенности // Коммунальное хозяйство городов. Серия: Технические науки. - Киев, “Техніка”.- 2002.- Вип.39. – С. 319-324.

11. Соколов А.Ю., Пермяков В.И., Журавлев Ю.В.. Применение лингвистических продукционных моделей в задачах управления производством строительных материалов // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. Харьков, 2003 - №5(5).–С. 18-25.

12. Журавлев Ю.В., Пермяков В.И. Fuzzy-контроллер в управлении режимами термовлажностной обработки железобетонных изделий // Вестник БГТУ. Научно-теоретический журнал. Спецвыпуск: Материалы Международного конгресса “Современные технологии в промышленности строительных материалов и стройиндустрии. Часть III, Белгород, БГТУ, 2003- №6.- С. 148-150.

13. Журавлев Ю.В., Гуд М.Б.. Повышение остаточного ресурса адаптационных свойств бетона в железобетонных конструкциях на стадии их изготовления // Науковий вісник будівництва. Матеріали Міжнародної конференції “Ресурси і безпека експлуатації конструкцій, будівель та споруд”. - Харків: ХДТУБА, ХОТВ АБУ.- 2003.- Вип. 23.- С.154-157.

АНОТАЦІЯ

Журавльов Ю.В. Автоматизоване управління виробництвом залізобетонних виробів на основі нечіткої логіки. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.07 – Автоматизація технологічних процесів. – Національний університет харчових технологій, Київ, 2005.

Дисертаційна робота присвячена автоматизованому управлінню технологічним процесом виробництва залізобетонних виробів на основі математичного апарату нечіткої логіки.

Здійснено формалізацію технологічного процесу “виробництво бетонної суміші – теплова обробка” на базі нечіткої продукційної моделі Такагі-Сугено, що дозволило розробити автоматизовану систему підтримки прийняття рішень для управління касетною технологією виробництва залізобетонних виробів. Запропоновано методику організації температурних вимірювань у технологічних об’єктах з метою оптимізації необхідного для цього вимірювального обладнання.

Важливим науковим результатом даної роботи є вперше розроблена структура системи підтримки прийняття рішень при виробництві залізобетонних виробів, що призводить до підвищення ефективності виробництва за рахунок зниження похибок управління виробництвом за касетною технологією.

20

Основні результати роботи знайшли промислове впровадження на підприємстві “Харківський домобудівний комбінат №1”, а також у навчальному процесі за спеціальністю 7.092501 - ”Автоматизоване управління технологічними процесами”.

Ключові слова: автоматизація, виробництво залізобетонних виробів, нечітка логіка, генетичний алгоритм, структура системи.

АННОТАЦИЯ

Журавлев Ю.В. Автоматизированное управление производством железобетонных изделий на основе нечеткой логики. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.07 - Автоматизация технологических процессов. - Национальный университет пищевых технологий, Киев, 2005.

Диссертационная работа посвящена автоматизированному управлению технологическим процессом производства железобетонных изделий на основе математического аппарата нечеткой логики.

Осуществлена формализация технологического процесса “производство бетонной смеси - тепловая обработка” на основе нечеткой продукционной модели Такаги-Сугено, что позволило разработать автоматизированную систему поддержки принятия решений для управления кассетной технологией производства железобетонных изделий.

Предложена методика организации температурных измерений в технологических объектах с целью оптимизации необходимого для этого измерительного оборудования.

Важным научным результатом данной работы является впервые разработанная система поддержки принятия решений при производстве железобетонных изделий, что приводит к повышению эффективности производства за счет снижения погрешностей при управлении технологическим процессом производства.

Диссертация состоит из вступления, четырех разделов и приложений.

В первом разделе проанализированы существующие системы управления кассетной технологией производства железобетонных изделий и сделаны выводы о том, что они не учитывают неопределенность реального производства и не обеспечивают эффективного управления в условиях ограничений на энергоресурсы. Обоснована необходимость применения математического аппарата нечеткой логики для получения адекватной математической модели исследуемого технологического процесса.

Второй раздел посвящен экспериментальному исследованию кассетных установок как управляемого объекта с целью определения необходимого количества температурных датчиков и их пространственного расположения, исходя из

требований обеспечения заданной точности температурных измерений. Предложена методика планирования температурных измерений. Результаты исследований по

предложенной методике показали, что для адекватного представления

21

температурного поля в кассетной установке достаточно наличие двух датчиков температуры, установленных, соответственно, в тепловом отсеке (наиболее прогреваемая зона) и на разделительном листе (наименее прогреваемая зона) кассетной установки.

В третьем разделе разработаны основные положения, принципы и подходы, применяющиеся при создании системы поддержки принятия решений при управлении кассетной технологией производства железобетонных изделий. Сформирована база знаний системы, приведена лингвистическая продукционная модель для кассетной технологии производства железобетонных изделий на базе нечеткой продукционной модели Такаги-Сугено. Предложена структура системы поддержки принятия решений, сформулирован и реализован механизм ее самообучения на основе генетического алгоритма оптимизации, позволяющий пополнять базу знаний новыми правилами в процессе производственной эксплуатации.

Четвертый раздел посвящен вопросам реализации системы поддержки принятия решений в виде программного продукта “Стройпроизводство”. Программный продукт разработан в интегрированной среде создания приложений для Windows – Builder C++ v.4.0 с использованием оригинального пакета прикладных программ. Программный продукт функционирует на IBM PC/AT и совместимых ПЭВМ не ниже 80486DX2 с объемом ОЗУ не менее 8 МБ и объемом дискового пространства не менее 16 МБ.

Основные результаты работы нашли промышленное внедрение на предприятии “Харьковский домостроительный комбинат №1”, а также в учебном процессе Харьковского государственного технического университета строительства и архитектуры для студентов специальности 7.092501 - ”Автоматизированное управление технологическими процессами”.

Ключевые слова: автоматизация, производство железобетонных изделий, нечеткая логика, генетический алгоритм, структура системы.

SUMMARY

Zhuravlyov Ju. Automated management manufacture of ferro-concrete products based on Fuzzy logic. - Manuscript.

The dissertation is done for getting academic degree candidate of technical science, specialization 05.13.07 - Automation of technological processes. - National university of food technologies, Kiev, 2005.

Dissertational work is devoted to automated management by technological process of manufacture of ferro-concrete products on the basis of the mathematical device of fuzzy logic.

Construction linguistic production models of technological process “manufacture of a concrete mix - thermal processing” fuzzy production model Takagi-Sugeno is based, that

22

has allowed to develop the automated system of support of decision-making for management of the cassette "know-how" of ferro-concrete products.

The technique of the organization of temperature measurements in technological objects is offered with the purpose of optimization necessary for this measuring equipment.

The important scientific result of the given work is for the first time-developed structure of support system of decision-making by manufacture of ferro-concrete products with an opportunity of self-training on the basis of genetic algorithm of optimization that results in increase of a production efficiency due to decrease in errors at management technological process of manufacture.

The basic results of work have found industrial introduction at the enterprise “The Kharkov house-building combine №1”, and also in educational process on a speciality 7.092501 - ” Automated management by technological processes ”.

Key words: automation, manufacture of ferro-concrete products, fuzzy logic, genetic algorithm, structure of system.

Підписано до друку 13.04.2005 р. Формат 6084 1/16. Папір офсетний

Умовн. друк. арк. 1.0. Наклад 100 примірників

Замовлення № 321

ХДТУБА, 61002, м.Харків, вул. Сумська, 40

Підготовлено та віддруковано РВВ

Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури