Microsoft Word - blahova_clanok

Podobné dokumenty
Slide 1

Úlohy: Inteligentné modelovanie a riadenie model MR mobilný robot s diferenciálnym kolesovým podvozkom 1. Vytvorte simulačnú schému pre snímanie tréno

1 Portál pre odborné publikovanie ISSN Heuristický adaptívny PSD regulátor založený na miere kmitavosti Šlezárová Alexandra Elektrotechnika

Príklad 5 - Benzén 3. Bilančná schéma 1. Zadanie príkladu n 1 = kmol/h Definovaný základ výpočtu. Na základe informácií zo zadania si ho bude v

Príspevok k modelovaniu a riadeniu robotických systémov s využitím metód umelej inteligencie

Rozvojom spoločnosti najmä v druhej polovici minulého storočia dochádza čím ďalej tým viac k zásahu človeka do životného prostredia

SHRNN TECHNICK SPRVA

Študijný program (Študijný odbor) Školiteľ Forma štúdia Téma Elektronické zbraňové systémy (8.4.3 Výzbroj a technika ozbrojených síl) doc. Ing. Martin

Úvodná prednáška z RaL

MATRIX Napájacie zdroje DC MPS-3002L-3, MPS-3003L-3, MPS-3005L-3 Používateľská príručka Výrobca je držiteľom certifikátu ISO-9002

Paralelné algoritmy, cast c. 2

Data sheet

Informačná a modelová podpora pre kvantifikáciu prvkov daňovej sústavy SR

SMART_GOVERNANCE_Ftacnik

IQ Easy firmy Simco-ION Nová generácia výrobkov pre ovládanie statickej elektriny SÚHRN: Firma Simco-ION predstavuje novú generáciu výrobkov pre elimi

Zápisnica

PLYNOVÉ CHROMATOGRAFY NA ZEMNÝ PLYN 1. Vymedzenie meradiel a spôsob ich metrologickej kontroly 1.1 Táto príloha upravuje procesný plynový chromatograf

Microsoft Word - 18.doc

Microsoft Word - 16.kapitola.doc

MO_pred1

Údajový list Vyvažovacie guľové ventily JIP BaBV (PN25) Popis BaBV WW BaBV FF Vyvažovacie guľové ventily Danfoss BaBV boli špecificky vyvinuté pre apl

Matematický model činnosti sekvenčného obvodu 7 MATEMATICKÝ MODEL ČINNOSTI SEKVENČNÉHO OBVODU Konečný automat predstavuje matematický model sekvenčnéh

MERANIE U a I.doc

DataSheet_NOTUS-S_SK_ indd

Matematické modelovanie, riadenie a simulacné overenie modelov mobilných robotov

Microsoft Word - Priloha_1.docx

Systém uznávania kvalifikácií v Slovenskej republike

Dobývanie znalostí

Viacnásobne použitelné oblasti spolahlivosti pre viacrozmernú kalibráciu

Slovenská technická univerzita v Bratislave Fakulta chemickej a potravinárskej technológie Ústav informatizácie, automatizácie a matematiky SÚBOR PODK

Microsoft Word - Zmeny v dlhodobom majetku.docx

Blue Chalkboard

Microsoft Word - Kozak

Snímka 1

Microsoft Word - Pokyn č k strategii BOZP

trafo

Detekcia akustických udalostí v bezpečnostných aplikáciách

Regulované napájacie zdroje DC AX-3005DBL jednokanálový AX-3005DBL 3-trojkanálový

Pozvanka na Laboralim 2009

PowerPoint Presentation

Experimentálna identifikácia nelineárneho dynamického systému pomocou

Podpora metód operačného výskumu pri navrhovaní systému liniek doc. RNDr. Štefan PEŠKO, CSc. Katedra matematických metód, Fa

SocialInsects

Pozvanka na laboralim 2012

Využitie moderných meracích technológií na hodnotenie kvality tlače

Slide 1

Microsoft Word - Zahradnikova_DP.doc

Didaktické testy

CH43skFri07

Operačná analýza 2

Dodatok číslo 1 k smernici rektora číslo 1/2018-SR zo dňa Školné a poplatky spojené so štúdiom na Slovenskej technickej univerzite v Brat

Údajový list Regulátor rozdielového tlaku a prietoku (PN 16) AVPQ - montáž do spiatočky, meniteľné nastavenie Popis AVPQ je priamočinný regulátor rozd

SLOVENSKÁ LEGÁLNA METROLÓGIA SKTC Hviezdoslavova 31, Banská Bystrica CERTIFIKÁT TYPU MERADLA č /127/321/ z 28. septembra 200

SLOVENSKÁ LEGÁLNA METROLÓGIA SKTC Hviezdoslavova 31, Banská Bystrica CERTIFIKÁT TYPU MERADLA č /127/311/ z 14. júna 2000 Aut

Microsoft Word - Praca 5.doc

Rozvojom spoločnosti najmä v druhej polovici minulého storočia dochádza čím ďalej tým viac k zásahu človeka do životného prostredia

Prehľad pedagogickej činnosti Ing. Martin Gulan, PhD. Prehľad pedagogickej činnosti na vysokej škole a prehľad dosiahnutých výsledkov v tejto činnosti

fadsgasga

Microsoft Word - a13_45.SK.doc

Teória pravdepodobnosti Zákony velkých císel

TechSpec_OPTIMA-LV-R_SK_ indd

STRUČNÝ NÁVOD KU IP-COACHU

Microsoft PowerPoint - Zeman_Senaj.ppt

AKTIVAČNÁ ANALÝZA POMOCOU ONESKORENÝCH NEUTRÓNOV

Nebezpečné výrobky Národný kontaktný bod pre RAPEX postúpil na Úrad verejného zdravotníctva Slovenskej republiky hlásenie o výskyte nebezpečných výrob

Optimal approximate designs for comparison with control in dose-escalation studies

ETITRAFO Jednofázové bezpečnostné a izolačné transformátory Technické údaje ETITRAFO Jednofázové bezpečnostné a izolačné transformátory Energi

Jednotkový koreň (unit root), diferencovanie časového radu, unit root testy Beáta Stehlíková Časové rady, FMFI UK, 2011/2012 Jednotkový koreň(unit roo

Microsoft PowerPoint - SK Prezentace komplet 16-9

Datovylist-WAMAK-WW 45 SHR.pdf

Sila [N] Sila [N] DIPLOMOVÁ PRÁCA Príloha A: Sila v ose skrutky v mieste predpätia P = 0,

NSK Karta PDF

Datovylist-WAMAK-TWW 90 SHR.pdf

Profil spoločnosti

test z informatiky - hardvér Test vytvoril Stanislav Horváth Vstupno - výstupné zariadenia Otázka č.1: Aké zariadenie je na obrázku? (1 bod) a) vstupn

Úvod

Microsoft Word - Marček.Milan.doc

Projektovanie výrobných systémov

Návod na nastavenie oprávnení pre oprávnené osoby s udeleným čiastočným prístupom Dátum zverejnenia: Verzia: 3 Dátum aktualizácie:

Microsoft PowerPoint - Paschenov zakon [Read-Only] [Compatibility Mode]

NSK Karta PDF

Snímka 1

Farba skupiny: červená Označenie úlohy:,zohrievanie vody elektrickým varičom (A) bez pokrievky, Úloha: Zistiť, ako závisí účinnosť zohrievania vody na

TEORETICKÉ ÚLOHY

Jazykom riadená vizuálna pozornosť - konekcionistický model Igor Farkaš Katedra aplikovanej informatiky / Centrum pre kognitívnu vedu Fakulta matemati

CH49skFri13

PL_2_2_vplyv_objemu

60. ročník Fyzikálnej olympiády v školskom roku 2018/2019 kategória E okresné kolo Riešenie úloh 1. Zohrievanie vody, výhrevnosť paliva a) Fosílne pal

Informovanie, interpretácia, sprístupnenie.

Prenosový kanál a jeho kapacita

Nové tituly vo fonde AK MTF Apríl 2013 Ďurčík, Miloslav - Gondová, Lenka - Kmeť, Vladimír : Prehľad medzinárodných noriem ISO/IEC podporujúcich implem

Autoregresné (AR) procesy Beáta Stehlíková Časové rady, FMFI UK Autoregresné(AR) procesy p.1/22

Počet strán: 2 CERTIFIKÁT TYPU MERADLA č. 023/321/12 Revízia 1 Slovenský metrologický ústav v súlade s ustanovením 6 ods. 2 písm. k), 20 ods. 2 a 56,

Microsoft Word - TeoriaMaR-pomocka2.doc

Elektronické meracie prístroje

1 Portál pre odborné publikovanie ISSN Analýza dynamickej stability synchrónneho generátora Cintula Boris Elektrotechnika, Študentské práce

ZB_Daikin_SETUP_HPSU_compact_V52_ _00_0417_SK.book

Prepis:

RIADENIE CHEMICKÉHO REAKTORA V PRÍTOMNOSTI PORÚCH POMOCOU NEURO-FUZZY SYSTÉMU RIADENIA Lenka Blahová a Ján Dvoran Slovenská tehniká univerzita, Fakulta hemikej a potravinárskej tehnológie Radlinského 9, 812 37 Bratislava Tel.: +421 252 495 269 Fax: +421 252 496 469 e-mail: lenka.blahova@stuba.sk Abstrat: V príspevku je popísaný inteligentný systém riadenia tvorený kombináiou neurónového prediktívneho regulátora a neuro-fuzzy regulátora typu ANFIS. ANFIS je zapojený paralelne a upravuje výstup získaný z prediktívneho regulátora, čím zlepšuje riadiae vlastnosti. Kvalita riadenia je overená na riadení prietokového hemikého reaktora v nominálnom stave a v prítomnosti porúh. Experimentálne výsledky potvrdili zlepšenie kvality riadenia v porovnaní so samostatným neurónovým prediktívnym regulátorom a zároveň navrhnutý systém riadenia preukázal dobré zvládnutie poruhy. Keywords: Neuro-fuzzy regulátor, Neurónová sieť, Prediktívne riadenie, Chemiký reaktor. 1 ÚVOD Cieľom každého riadeného proesu je dosiahnuť hodnotu žiadanej veličiny. V značnej miere sa práve o hodnotu tejto veličiny stará vhodne navrhnutý regulátor. Regulátor by mal spĺňať požiadavky flexibility a to hlavne z dôvodov ako sú výskyt nečakanej poruhy prípadne možná zmena podmienok a pod. V dnešnej dobe je na návrh inteligentnýh regulátorov vypraovanýh množstvo metód medzi ktoré patria aj fuzzy regulátory, neurónové siete alebo expertné systémy. Vhodnou kombináiou týhto metód je možné dosiahnuť množstvo ďalšíh možností návrhov. V príspevku je popísaný postup na vytvorenie inteligentného systému riadenia, ktorý by zlepšoval neurónové prediktívne riadenie hemikého reaktora (Vasičkaninová, 2008). Toto bolo dosiahnuté paralelným zapojením neuro-fuzzy regulátora typu ANFIS k neurónovému prediktívnemu regulátoru. V príspevku je navrhnutý systém riadenia testovaný aj pri riadení hemikého reaktora v prítomnosti porúh na overenie stability riadenia.. 2 PREDIKTÍVNE RIADENIE V mnohýh prípadoh a to nie len v tehnikom ponímaní je predpoveď krokov vysoko žiadanou veličinou. A práve toto je prvotnou myšlienkou prediktívneho riadenia (Obr. 1), predvídať budúnosť resp. predvídať kroky výstupnej veličiny. Tie sa získajú na základe modelu, ktorý je zväčša súčasťou bloku regulátora (Vasičkaninová, 2008). V našom prípade je modelom neurónová sieť, ktorá je natrénovaná offline. Regulátor pomoou tohto modelu vypočíta pred akčným zásahom budúe správanie sa systému. Túto predpoveď vykoná prediktívny regulátor optimalizačným algoritmom ten vyhodnotí a vyberie optimálny krok, ktorým následne ovplyvní akčnú veličinu minimalizáiou účelovej funkie. N 2 N u 2 2 J(t,u(k))= (ym(t +i) yr (t +i)) + λ ( u(t +i 1)) (1) i=n 1 i= 1 1

Veličiny vystupujúe v rovnii: y m (t+i) výstup z proesu predpovedaný i krokov dopredu s ohľadom na informáie získané do času t, y r (t+i) je následnosť žiadanej veličiny, u(t+i-1) je následnosť budúih zmien akčnej veličiny, ktoré majú byť vypočítané. Hodnoty N 1 a N 2 určujú interval, potreby pozorovania priebehu žiadanej veličiny v budúnosti. N u je horizont predikie akčného zásahu. Parameter λ je váhový koefiient zmeny akčnej veličiny. Táto rovnia sa využíva zároveň s obmedzeniami na vstupné a výstupné veličiny: u u y y min min min min u u u u y y max max y y max max (2) Z Modelu systému a z optimalizačného bloku je zostavený prediktívny regulátor. V optimalizačnom bloku sa vypočítava hodnota akčného zásahu, ktorá minimalizuje účelovú funkiu J. Následne takto získaná optimálna hodnota akčného zásahu vstupuje do riadeného systému. Obrázok 1. Shéma prediktívneho riadenia 3 NEURO-FUZZY RIADENIE K zlepšeniu riadenia pomoou neurónového prediktívneho regulátora pomáha paralelné zapojenie iného typu regulátora. Vhodnou voľbou je neuro-fuzzy regulátor typu ANFIS (Adaptive Network-based Fuzzy Inferene System) (Vasičkaninová, 2006). Takýto regulátor je päťvrstvová dopredná neurónová sieť, ktorej výsledkom je fuzzy inferenčný systém typu Takagi-Sugeno (Obr. 2). Obrázok 2. Arhitektúra systému ANFIS 2

Na trénovanie neurónovej siete ANFIS používa hybridnú trénovaiu metódu. Parametre v predpoklade pravidla, ktoré určujú funkie príslušnosti jednotlivýh vstupnýh premennýh, sú optimalizované gradientovou metódou. Parametre dôsledku, ktoré môžu byť konštanty alebo koefiienty lineárnej funkie, sú vypočítané metódou najmenšíh štvorov. Potom predhádzajúe neurónové prediktívne riadenie je rozšírené o neuro-fuzzy regulátor typu ANFIS. Tento regulátor je zapojený paralelne s neurónovým prediktívnym regulátorom, tak ako je vidieť na obr. 3. Výstup z neuro-fuzzy regulátora priamo ovplyvňuje výstup z neurónového prediktívneho regulátora a tým akčný zásah do proesu lepšie upravuje priebeh riadenej veličiny. Obrázok 3. Shéma neuro-fuzzy riadenia 4 EXPERIMENTÁLNE VÝSLEDKY Riadený systém Riadeným systémom je plášťový prietokový hemiký reaktor s dokolnalým miešaním reakčnej zmesi (CSTR, Obr. 4) a s dvoma paralelnými exotermikými reakiami 1. poriadku typu (Mikleš, 2007): A B k1 A C k2 (3) Zjednodušený nelineárny model reaktora tvorí 5 difereniálnýh rovní (Mikleš, 2007). d A q q = va A k1 A k2 A dt V V (4) db q q = vb B + k1 A dt V V (5) dc q q = vc C + k2 A dt V V (6) dϑ q q Ak Qr = ϑv ϑ [ ϑ ϑ ] + dt V V Vρρ p Vρρ p (7) dϑ q q Ak = ϑv ϑ + [ ϑ ϑ ] dt V V V ρ (8) p Kde rýhlostné konštanty sú definované na základe Arrheniusovej rovnie: Ei k = k e Rϑ i i (9) 3

Teplo vzniknuté reakiou je určené podľa rovnie (10). Q r = k 1 A V ( H ) + k V ( ) r 1 2 A r H 2 (10) Obrázok 4: Zjednodušená shéma hemikého reaktora Do reaktora vstupuje reakčná zmes s prietokom q, ktorý obsahuje látku A. Latky B a C sa vo vstupnom prúde nenahádzajú. Výstupnými veličinami reaktora sú konentráie látok ( A, B a C ) a teplota reakčnej zmesi ϑ. Reaktor je hladený hladiaim médiom s prietokom q, ktorý je riadiaou veličinou, a teplotou ϑ. Parametre reaktora sú uvedené v Tabuľke 1. Tabuľka 1: Parametre hemikého reaktora Parameter Jednotka Hodnota va kmol m -3 4,22 vb kmol m -3 0 vc kmol m -3 0 q m 3 min -1 0,015 ϑ v K 328 Ρ kg m -3 1020 p kj kg -1 K -1 4,02 V m 3 0,23 q v m 3 min -1 0,004 ϑ v K 298 ρ kg m -3 998 p kj kg -1 K -1 4,182 V m 3 0,21 A m 2 1,51 K kj min -1 m -2 K -1 42,8 E 1 /R K 9850 rh 1 kj kmol -1-8,6.10 4 k 1 min -1 1,55.10 11 E 2 /R K 22019 rh 2 kj kmol -1-1,82.10 4 k 2 min -1 4,55.10 25 4

Riadenie systému v nominálnom stave Riadenie bolo simulované v praovnom prostredí Matlab/Simulink. Pri riadení sa využíval Neural Network Toolbox a Fuzzy Logi Toolbox. Obrázok 5. Funkie príslušnosti pre vstupné hodnoty ANFIS regulátora Na začiatok bol CSTR riadený pomoou samostatného neurónového prediktívneho regulátora (NNPR). Pre vytvorenie tohto regulátora bolo potrebne mať model proesu vo forme neurónovej siete. Tento model bol trénovaný offline pomoou vstupnýh a výstupnýh údajov, ktoré boli vygenerované na základe nelineárneho modelu. Obrázok 6 Riadenie hemikého reaktora neurónovým prediktívnym regulátorom a neuro-fuzzy regulátorom Vstup neurónovej siete predstavuje prietok hladiaeho média q a výstup teplotu reakčnej zmesi ϑ. Neurónová sieť bola trénovaná metódou Levenberg-Marquardt bakpropagation. Po nastavení optimalizačnýh parametrov bol systém riadený navrhnutým neurónovým prediktívnym regulátorom. Priebeh riadenia je zobrazený na obr. 6. 5

Ďalej bol CSTR riadený neuro-fuzzy systémom riadenia (NFR), ktorý bol vytvorený tak, že k predhádzajúemu neurónovému prediktívnemu regulátoru bol paralelne zapojený ANFIS regulátor. Tento bol trénovaný na základe klasikého PID regulátora navrhnutého Smith- Murrillovou metódou. Vstupmi pre ANFIS sú regulačná odhýlka e a jej zmena e. Výstupom je akčný zásah, ktorý upravuje výstup z neurónového prediktívneho regulátora, tak ako je to zobrazené v shéme na obr. 3. Takto upravený akčný zásah vstupuje do riadeného systému a priebeh riadenia pomoou navrhnutého spôsobu riadenia je zobrazený na obr. 6. Pre vstup e do neuro-fuzzy regulátora bolo zvolenýh 7 funkií príslušnosti zvonového tvaru a pre vstup de bolo zvolenýh 5 funkií príslušnosti takisto zvonového tvaru ako to môžeme vidieť na obr. 5. Riadenie systému pri pôsobeni poruh a) b) Obrázok 7. Porovnanie priebehu riadenia CSTR použitím NNPR a NFR skoková zmena poruhy bola nastavená: a) + 8 K z nominálnej hodnoty vstupnej teploty reakčnej zmesi, b) 8 K z nominálnej hodnoty vstupnej teploty reakčnej zmesi. Okrem sledovania regulačnýh vlastností navrhnutého regulátora pri riadení CSTR v nominálnom stave, sa neuro-fuzzy regulátor testoval pri riadení CSTR v prítomnosti porúh. Bola nastavená skoková náhodná poruha vstupnej teploty reakčnej zmesi ϑ v v rozsahu ± 8 K z nominálnej hodnoty a skoková náhodná poruha vstupnej konentráie látky A va v rozsahu ± 10 % z nominálnej hodnoty. Systémy boli riadené neurónovým prediktívnym regulátorom a neuro-fuzzy regulátorom, priebehy riadenia sú zobrazené na Obr. 7 a Obr. 8. a) b) Obrázok 8. Porovnanie priebehu riadenia CSTR použitím NNPR a NFR skoková zmena poruhy bola nastavená: a) + 10 % z nominálnej hodnoty vstupnej konentráie látky A, b) 10 % z nominálnej hodnoty vstupnej konentráie látky A. 6

V nasledujúom experimente, boli aplikované skokové zmeny poruhy teploty reakčnej zmesi ϑ v v rozsahu ± 8 K z nominálnej hodnoty a skokové zmeny poruhy vstupnej konentráie látky A va v rozsahu ± 10 % z nominálnej hodnoty, v priebehu riadenia CSTR. NFR preukázal dobré zvládnutie poruhy, ako je vidieť na Obr. 9 a Obr. 10 (kde šípky ukazujú kde boli aplikované poruhy teploty reakčnej zmesi alebo vstupnej konentráie látky A). Obrázok 9. Priebeh riadenia CSTR pri zmene vstupnej teploty reakčnej zmesi počas riadenia použitím neuro-fuzzy regulátora. Obrázok 10. Priebeh riadenia CSTR pri zmene vstupnej konentáie látky A počas riadenia použitím neuro-fuzzy regulátora. 7

5 ZÁVER V príspevku popísaný inteligentný systém riadenia CSTR, tvorený paralelným zapojením neurónového prediktívneho regulátora a neuro-fuzzy regulátora typu ANFIS, kombinuje výhody prediktívneho riadenia s neuro-fuzzy systémami, čím sa zlepšuje kvalita riadenia. Zlepšenie riadenia potvrdzujú aj získané simulačné výsledky, z ktorýh je tiež vidieť, že navrhnutý systém riadenia dobre zvláda náhodný výskyt poruhy vstupnej teploty reakčnej zmesi a vstupnej konentráie látky A. Získané výsledky ukazujú robustnosť a užitočnosť navrhnutého inteligentného systému riadenia a poukazujú na vhodnosť využitia tejto tehniky pri riadení proesov. Tento príspevok vznikol s podporou VEGA MŠ SR a SAV pre projekty č. 1/0071/09 a 1/0537/10 a s podporou APVV pre projekt č. APVV-0029-07. LITERATÚRA MIKLEŠ, J., FIKAR, M. (2007).: Proess Modelling, Identifiation and Control. Springer Verlag, Berlin Heidelberg VASIČKANINOVÁ, A., BAKOŠOVÁ, M., MÉSZÁROS, A., ZÁVACKÁ J. (2008).: Model-based preditive ontrol of a hemial reator. In 18 th International Congress of Chemial and Proess Engineering, 0623-1-0623-6 VASIČKANINOVÁ, A., BAKOŠOVÁ, M., DVORAN, J.,(2006).: Tvorba neuro-fuzzy modelov metódou ANFIS. V AT&P journal 11, p. 73-76 8