6. Przykłady zastosowań logiki rozmytej

6.2. Układ regulacji poziomu stali w kokili odlewniczej

Źródło: Kiupel N., Frank P. PI Fuzzy D, International Workshop on Fuzzy Technologies in Automation and Intelligent Systems, Fuzzy Duisburg '94, s. 272..384, Uniwersytet w Duisburgu, 1994.

W procesie ciągłego odlewania stali do regulacji poziomu stali w kokili odlewniczej stosowany jest układ konwencjonalnego regulatora PI. W stanach ustalonych odchyłka regulacji poziomu stali (±1,5 mm) jest wystarczająco mała dla zapewnienia odpowiednio wysokiej jakości produkowanej blachy stalowej. Stosunkowo rzadko zdarzają się jednak istotne zakłócenia procesu polegające na gwałtownym zwiększeniu poziomu stali w kokili. Główną przyczyną tak istotnych zakłóceń jest zjawisko okresowego i gwałtownego odrywania się osadów z powierzchni grzyba zaworu w układzie zasilania kokili (Rys. 43). Zakłócenia te są o tyle groźne, że nie mogą być dostatecznie szybko i skutecznie skompensowane w klasycznym układzie regulacji z regulatorem PI.

Schemat poglądowy układu regulacji poziomu stali w kokili odlewniczej w procesie ciągłego odlewania
Rys. 43. Schemat poglądowy układu regulacji poziomu stali w kokili odlewniczej w procesie ciągłego odlewania. Oznaczenia: 1 - zbiornik pośredni, 2 - grzyb zaworu, 3- kokila, 4- układ pomiaru poziomu stali, 5- układ pozycjonera grzyba.
Schemat struktury równoległej regulatora klasycznego typu PI i rozmytego typu PD w zmodyfikowanym układzie regulacji poziomu stali w kokili odlewniczej
Rys. 44. Schemat struktury równoległej regulatora klasycznego typu PI i rozmytego typu PD w zmodyfikowanym układzie regulacji poziomu stali w kokili odlewniczej. Oznaczenia:  K_{F_v} - układ wzmocnienia wartości zadanej,  K_{F_u} - układ wzmocnienia odchyłki regulacji,  FC-PD - regulator rozmyty o działaniu proporcjonalno-różniczkującym,  x_{k,s} - wartość zadana w k-tej chwili,  x_{k,m} - wartość mierzona w k-tej chwili,  x_{s,s} - wartość nastawiająca w k-tej chwili,  x_F - wartość wyjściowa regulatora rozmytego,  \Delta x_{s,s} - wartość odchyłki regulacji w k-tej chwili.

W pierwszym podejściu próbowano skonstruować rozmyty regulator nieliniowy o algorytmie zbliżonym do PI zastępujący regulator klasyczny. Regulator rozmyty przy zwiększonej niewrażliwości zakłóceniowej wykazywał większe odchyłki w stanach ustalonych i odwrotnie. Satysfakcjonującego rozwiązania tzn. małej odchyłki regulacji w stanach ustalonych i wysokiej odporności zakłóceniowej niestety nie dało się uzyskać. W związku z tym przyjęto koncepcję hybrydowego rozmytego regulatora PID złożonego z konwencjonalnego regulatora typu PI i rozmytej akcji różniczkującej (Rys. 44). W regulatorze tym akcja różniczkująca FC-PD jest dołączana do regulatora PI, tylko wówczas, gdy poziom odchyłki regulacji poziomu stali przekroczy pewną wartość progową ( \pm 4 mm ) (Rys. 45).

Funkcje przynależności 'rodzaj regulatora'. Funkcje ilustrują sposób przełączania typu regulatora zależnie od odchyłki regulacji
Rys. 45. Funkcje przynależności "rodzaj regulatora". Funkcje ilustrują sposób przełączania typu regulatora zależnie od odchyłki regulacji  e .

Zastosowano tu ciekawą technikę płynnego kształtowania właściwości dynamicznych regulatora (jego struktury) w zależności od wartości odchyłki regulacji. Dla odmiany w rozdziale 6.1 przedstawiono technikę rozmytego strojenia parametrów regulatora o stałej strukturze.

Na Rys. 46 przedstawiono funkcje przynależności wejścia i wyjścia części różniczkującej zastosowanego regulatora, a w Tab. 16 bazę reguł tego regulatora.

Funkcje przynależności regulatora rozmytego PD
Rys. 46. Funkcje przynależności regulatora rozmytego PD.
a) Funkcje przynależności wejścia  \Delta e
b) Funkcje przynależności wyjścia  x_F .
Tabela 16: Tabela reguł regulatora typu PI-FC-D.
Regulator rozmyty
typu PI-FC-D
 e
 N_e  Z_e  P_e
 \Delta e  N2_{\Delta e}  N2_F  Z_F  Z_F
 N1_{\Delta e}  N2_F  Z_F  Z_F
 Z_{\Delta e}  N2_F  Z_F  P1_F
 P1_{\Delta e}  N1_F  Z_F  P1_F
 P2_{\Delta e}  Z_F  Z_F  P1_F

Z bazy reguł wynika, że w przypadku zerowej odchyłki regulacji wyjście regulatora rozmytego przyjmuje wartość zerową niezależnie od pochodnej odchyłki regulacji. Dotyczy to oczywiście przypadku gdy odchyłka regulacji nie przekracza wartości ±4mm. Jeśli natomiast odchyłka jest dostatecznie ujemna i ujemna jest pochodna tej odchyłki to sterowanie xF wywołuje przemieszczenie grzyba zaworu w dół w celu ograniczenia dopływu stali do kokili i zapobieżenia nadmiernemu wzrostowi poziomu stali. Ze względu na nieliniową charakterystykę sterowania grzyba, funkcje przynależności (Rys. 46) są asymetryczne. Wyniki badań symulacyjnych wskazały, że zastosowanie regulatora rozmytego w tym przypadku pozwoliło na zmniejszenie maksymalnej odchyłki regulacji w odpowiedzi na wymuszenie skokowe nawet o 50%.

Niewątpliwą zaletą tego rozwiązania jest to, że proponuje ono rozwiązanie rgulatora, który w istotny sposób poprawia odporność istniejącego układu regulacyjnego na zakłócenia. Taki, ewolucyjny sposób wdrożenia regulatorów rozmytych jest, jak się wydaje, akceptowalny w praktyce przemysłowej.