Система управління водоочисним та водопідготовчим обладнанням

Реферат: UA 95200 U UA 95200 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до галузі знань енергетики, зокрема адаптивних систем управління комплексними системами очистки води та технологічної водопідготовки. Найбільш близьким аналогом є система управління процесом утримання біологічних об'єктів (патент № 85587, опубл. 25.11.2013, бюл. № 22, МПК G05B13/00), до складу якої входять локальна система керування та підсистема прийняття рішень із блоком розпізнавання образів, що здійснює прогнозування збурень на технологічний об'єкт із використанням нейромережевих структур. Недолік відомого аналога: під час роботи системи у блок прийняття рішень вводяться дані вартості складових прибутку, з урахуванням яких методами теорії ігор і статистичних рішень здійснюється вибір стратегії управління, які є попередньо визначеними та незмінними, з точки зору систем реального часу, під час роботи водоочисного (водопідготовчого) обладнання мають місце постійні: коливання об'ємів та концентрацій забруднювачів, зміна технологічних вимог щодо якості води на виході із установок, коливання концентрацій продуктів фізико-хімікобіологічних реакцій у водних розчинах тощо - тобто необхідним є адаптивне корегування у режимі реального часу стратегій управління. В основу корисної моделі поставлена задача створення системи управління водоочисним (водопідготовчим) обладнанням із адаптивним корегуванням у режимі реального часу стратегій управління та здатністю працювати в умовах дії збурень природного та техногенного походження. Поставлена задача вирішується тим, що у пропоновану систему входять локальна система управління та підсистема прийняття рішень, з блоком фільтрації вхідного сигналу і, згідно з пропонованою корисною моделлю підсистема прийняття рішень додатково містить блок адаптивного формування у режимі реального часу стратегій управління на основі самоорганізованих карт Кохонена. Система управління водоочисним та водопідготовчим обладнанням (Фіг.) складається з: - підсистеми прийняття рішень 1, яка включає блок фільтрації вхідного сигналу 2, блок нейромережевого прогнозування 3; блок прийняття рішень 4, блок адаптивного формування у режимі реального часу стратегій управління 5, блок управління 6; - локальної системи управління 7, що складається з локального автоматичного управляючого пристрою 8, виконавчих елементів 9 (електролізери, насоси, вакуум-насоси, клапана, нагрівачі, компресори тощо), об'єкта управління 10. Запропонована система управління функціонує таким чином: сигнал із сприймаючого елемента (зов) потрапляє у блок фільтрації сигналу 2. Особливістю роботи такого блока полягає у необхідності адекватного представлення даних із можливістю формування адаптивного базису, який функціонально залежатиме від змістової складової самого сигналу, а не буде попередньо вибраним та незмінним, як у класичних підходах. Таким вимогам відповідає перетворення Гільберта-Хуанга (ННТ), під яким розуміють метод частотно-часового аналізу на основі емпіричної модової декомпозиції (EMD) нелінійних та нестаціонарних процесів і Гільбертів спектральний аналіз (HSA). Метод EMD базується на припущенні, що будь-який набір даних вміщує різні режими коливальних процесів. Кожен із таких коливальних режимів може бути представлений функцією внутрішньої моди (IMF) з відповідними обмеженнями: кількість екстремумів і кількість нульових перетинів функції повинні бути рівними або відрізнятися не більше ніж на одиницю; у будь-якій точці функції середнє значення огинаючих кривих, що визначенні локальними екстремумами, має дорівнювати 0. Очищений від зашумленості інформаційний сигнал (ф) потрапляє у блок нейромережевого прогнозування 3. Для підвищення якості прогнозування проводиться попереднє нормування вхідних даних (ф) згідно з лінійною залежністю: х і  x min xн  x max  x min , де: хі - реальне значення елемента часового ряду; x min - елемент часового ряду, який має мінімальне значення; xmax - елемент часового ряду, який має максимальне значення. На етапі навчання нейронної мережі вхідні дані розбиваються три блоки: навчальний, контрольні, тестові. Як базові використовуються нейронні мережі із логістичними функціями активації. Глибину нейромережевого прогнозування для біологічних об'єктів доцільно брати не більше 15-20 годин. Прогнозоване значення збурення (Zp) передається в блок прийняття рішень 4, де для кожного прогнозу зберігаються можливі варіанти дій управління й показники якості (Вб) для кожної дії за продуктивністю виробництва, матеріальними та енергетичними витратами у 1 UA 95200 U 5 10 15 20 25 30 35 фізичних одиницях. У блок прийняття рішень 4 вводяться дані вартості складових прибутку С, з урахуванням яких методами теорії ігор і статистичних рішень здійснюється вибір стратегії управління (Up). Стратегії у режимі реального часу формуються (оновлюється) у блоці адаптивного формування стратегій 5 на основі даних автоматичних вимірювачів та інформації котру вводять технологи-оператори (Іt) (накопичується база знань): показники якості води, об'єми витрат, стан технології (зупинка, зміни вимог до якості води тощо). Для такого створення (оновлення) нових стратегій використовуються самоорганізовані карти Кохонена, де алгоритм функціонування являє собою один з варіантів кластеризації багатовимірних векторів. Прикладом таких алгоритмів може служити алгоритм найближчих середніх (s-means). Важливою відмінністю алгоритму SOM є те, що в ньому всі нейрони (вузли, центри класів) упорядковані в деяку структуру (зазвичай двовимірну сітку). При цьому в ході навчання модифікується не тільки нейрон-переможець, але і його сусіди. При використанні цього алгоритму вектори, схожі у вихідному просторі, розташовуються поруч на отриманій карті. Використовується одно- й двовимірні сітки. При цьому кожен нейрон являє собою i-мірний вектор-стовпець. Оновлений набір стратегій (Sa) із блока адаптивного формування стратегій 5 передається на блок прийняття рішень 4. Передача стратегій, формування нових стратегій у блоці 5 та їх порівняння із стратегіями блока 4 виконується періодично та керуються програмно, перезапис стратегій у блоці 4 здійснюється у випадку виявлення різниці між новими стратегіями та наявними у блоці 4. За допомогою блока управління 6 проводиться зміна заданої дії Uзад або зміна оптимальної для нового образу стратегії управління Uст у локальному автоматичному управляючому пристрої 8. Доповнення підсистеми прийняття рішень блоком адаптивного формування стратегій управління у режимі реального часу, дозволить підвищити енергоефективність процесів у водоочисному та водопідготовчому обладнанні, з можливістю якісного функціонування в умовах надзвичайних (нештатних) ситуацій природного та техногенного походження, при виконанні вимог екологічної безпеки. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Система управління водоочисним та водопідготовчим обладнанням, що містить локальну систему управління та підсистему прийняття рішень, з блоком фільтрації вхідного сигналу, яка відрізняється тим, що підсистема прийняття рішень додатково містить блок адаптивного формування у режимі реального часу стратегій управління на основі самоорганізованих карт Кохонена. 2 UA 95200 U Комп’ютерна верстка С. Чулій Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3