Sisteme Avansate de Conducere / Automatizarea Proceselor Complexe

Seminar

To Infinity and Beyond Problema 1 Se considera o sera (60 m2) in care se asigura conditii pentru 3 tipuri de legume. Mentinerea umiditatii in solar se asigura printr-un sistem de irigatie prin picurare si printr-un sistem de climatizare cu apa calda. Se masoara temperatura in solar si umiditatea solului.

a. Schema de automatizare care asigura conditii optime de dezvoltare a recoltelor pe parcursul intregului an; b. Sa se sintetizeze un regulator fuzzy pentru controlul parametrilorin solar folosind cel putin 3 termeni lingvistici pentru variabilele lingvistice; c. Sa se prezinte o structura hibrida pentru optimizarea regulatorului fuzzy.

Rezolvare: a. Structura de conducere Se recomanda, rezolvarea acestor tipuri de probleme, urmarirea urmatorilor pasi: Pas 0: DO NOT PANIC! Pas 1: Analiza de proces (3 tipuri de legume => 3 regulatoare fuzzy) Pas 2: Alegere structura de reglare Pas 3: Functiile elementelor componente ( de exempu, pentru sisteme fuzzy: tabel de reguli, variabile lingvistice, termeni lingvistici)

Sera are o suprafata mica, asadar un singur traductor de temperatura (TrT) este suficient. In plus, se utilizeaza un traductor de umiditate (TrH), un elemet de executie pentru temperatura (sistem de climatizare cu apa calda) EET si unul pentru umiditate (sistem de irigatie prin picurare) EEH. Cand exista doua elemente de executie, se pot transmite doua comenzi catre proces. Doua traductoare inseamna ca se citesc si controleaza doua marimi fizice din proces: temperatura si umiditatea solului.

Sera

TrT

TrH

EET

EEH

yT uT

uH yH

Regulator

Fuzzy

b. Sinteza regulatorului fuzzy: In rezolvarea problemelor de reglare cu sisteme fuzzy, trebuie urmariti un set de pasi:

I. alegerea variabilelor de intrare i de iesire ale regulatorului (pas strans legat de analiza de proces) II. determinarea universurilor de discurs pentru acestea III. determinarea funciilor de apartenen pentru fiecare variabil n parte. IV. construcia bazei de reguli V. alegerea mecanismului de inferen VI. alegerea factorilor de scal ce asigur normalizarea intrrii i ieirii VII. alegerea metodei de defuzzificare

Variabile de intrare in regulatorul fuzzy: - yH umiditate - yT temperatura Variabile de iesire din regulatorul fuzzy:

- uH comanda la sistemul de irigatii - uT comanda la sistemul de climatizare Presupunem universurile de discurs normalizate in domeniul [0; 1]. Se aleg urmatorii termeni lingvistici pentru variabilele lingvistice: yH: HS umiditate mica a solului HM umiditate medie a solului HL umiditate mare a solului

HS HM HL 1

0

0

1

1

0

TS TM TL

UHS UHM UHL

UTS UTM UT

1 1

1 1 0 0 0

1

yH uH

yT uT

yT: TS temperatura mica TM temperatura medie TL temperatura mare uH: UHS frecventa de picurare scazuta UHM frecventa de picurare medie UHL frecventa de picurare mare uT: UTS alimentare cu apa calda oprita UTM alimentare cu apa calda la jumatate UTL alimentare cu apa calda la capacitate totala Regulatorul fuzzy are 2 iesiri. Se alege forma regulilor: DACA yH este HX SI yT este TX ATUNCI uH este UHX si uT este UTX. Unde: - 2 premise: yH este HX si yT este TX - 1 concluzie: uH este UHX si uT este UTX Se vor utiliza doua tabele de reguli, intre care exista operatia SI. Se doreste ca umiditatea si temperatura sa fie pastrate la valori medii, HM si TM.

yH yT HS HM HL

TS uHL uHS uHS

TM uHM uHS uHS

TL uHS uHM uHS

Se alege mecanismul de inferenta MIN-MAX: - MIN este si pentru premize (intersectie intre multimi fuzzy) - MAX este sau la agregarea regulilor (reuniune intre multimi fuzzy) Cu forma regulilor: DACA yH este HX SI yT este TX ATUNCI uH este UHX si uT este UTX. Unde: - 2 premise: yH este HX si yT este TX - 1 concluzie: uH este UHX si uT este UTX Alegerea factorilor de scala: factorii de scala se aleg corespunzator normalizarii universurilor de discurs la [0; 1] (in asa fel incat, prin utilizarea acestora, sa se obtina domeniile normalizate). Se alege metoda centroid pentru defuzzificare.

yH yT HS HM HL

TS uTL uTL uTL

TM uTS uTM uTM

TL uTS uTS uTS

c. Se alege o structura hibrida geno-fuzzy pentru optimizarea regulatorului fuzzy: Unde: AG: algoritm genetic; FLC: regulatorul fuzzy; Sera: procesul considerat Ik: Indice de performanta pentru AG (de exemplu, suma erorilor patratice)

i: parametrii de accord ai regulatorului fuzzy (forma functiilor de apartenenta, suportul acestora, regulile din baza de reguli, factorii de scala)

Problema 2 Se consider un lan de 10 hidrocentrale amplasate de-a lungul unui ru. Fiecare hidrocentrala are o putere instalat maxim de 10 MW. Debitul rului i diferena de nivel pot asigura funcionarea centralelor la 200 MW (fluctuaii 10 200 MW). n prezenta perturbaiilor atmosferice, debitul rului poate s scad pn la 30% din valoarea maxim. Se cere: a) O soluie de conducere a lanului de hidrocentrale astfel nct n condiii de secet s se asigure funcionarea hidrocentralelor cu o ncrcare ct mai apropiat de optim. Funcionarearea optim e la 80% din puterea maxim. b) O analiz a implementrii soluiei propuse n contextul utilizrii centralelor hidroelectrice pentru a prelua numai vrfurile de sarcin din sistemul energetic. Problema 3 S se prezinte o structur de sistem inteligent pentru controlul traficului ntr-un cartier cu 2 magistrale i 15 strzi laterale. Se consider c traficul e intens n perioada de vrf 7 10 i 16 19. Structura cartierului este la alegere.

FLC Sera

AG Ik

yH

yT

uH

uT

i

Problema 4 Pentru o structur format din 3 roboi mobili cu aceleai caracteristici, concepei un sistem de conducere care s asigure mobilitate maxim ntr-un mediu cu obstacole multiple. Folosii tehnici fuzzy i algoritmi genetici pentru a asigura eficiena maxim n comunicare. Rezolvare: n cazul de fa, se face referire la roboi de tip Khepera, ce au o structur ca n figura de mai jos: Pentru exemplificare, vom considera o structur simplificat a acestui fel de robot: Arhitectura sistemului de conducere fuzzy este urmtoarea: Pentru fiecare motor, se va face cte un tabel de reguli n funcie de valorile senzorului aferent, astfel nct s se asigure mobilitatea maxim. Pentru exemplificare, am considerat cte 3 funcii membru pentru fiecare intrare/ieire a regulatorului fuzzy (universul de discurs pentru fiecare este normat la intervalul [0, 100]). Similar, ieirile regulatorului fuzzy sunt normate la intervalul [0, 100].

Senzori

Motoare

Robot

Motor stnga (uMS)

Motor dreapta (uMD)

Senzor dreapta (ySD)

FLC

Senzor stnga (ySS)

SSL/M/H reprezint valorile low/ medium/ high pentru senzorul stnga SDL/M/H reprezint valorile low/ medium/ high pentru senzorul dreapta UMDL/M/H reprezint valorile low/ medium/ high pentru comenzile motorului stnga UMSL/M/H reprezint valorile low/ medium/ high pentru comenzile motorului dreapta

Comenzi Motor STNGA

SDL SDM SDH

SSL UMSH UMSM UMSL

SSM UMSM UMSL UMSL

SSH UMSH UMSM UMSL

!!! Atentie: aceasta problema se rezolva urmarind aceeasi pasi ca in problema 1. Aceasta rezolvare este incompleta. Problema 5 Sa se prezinte o structura de sistem inteligent pentru controlul traficului intr-un cartier cu 2 magiastrale si 15 strazi laterale. Se considera ca traficul este intens in perioadele de varf 700-1000 si 1600-1900. Structura cartierului este la alegere. Problema 6 Pentru un subsistem energetic format din 5 centrale termo-electrice si 2 centrale hidro-electrice cu puteri instalate intre 200 si 600 MW, alcatuiti o structura de sistem de conducere care sa asigure mentinerea frecventei constante in prezenta unor fluctuatii de sarcina de pana la 30% din puterea instalata nominal. Puterea instalata nominal fiind de 120 MW. Problema 7 Se considera un sistem de alimentare cu apa a unui oras cu 150000 de locuitori. Bazinul principal este alimentat din 3 surse independente cu nivel de calitate a apei diferit. Se cere: a. O structura de sistem de conducere care sa asigure controlul debitului si calitatii apei in prezenta unor perturbatii puternice atat ca surse de alimentare, cat si de calitate a apei; b. Se impune controlul duritatii si al PH-ului.

Comenzi Motor DREAPTA

SDL SDM SDH

SSL UMDH UMDM UMDL

SSM UMDM UMDL UMDL

SSH UMDH UMDM UMDL

Problema 8 Se considera o regiune izolata(nu este legata la reteaua nationala) a carei alimentare cu energie se realizeaza din multiple surse: centrale hidro-electrice 0.5 En(energie consumata), centrale eoliene 0.1, energie solara 0.5, centrale termo-electrice 0.5 si o centrala nucleara 0.8. Dupa cum se poate observa, energia care poate fi produsa este mai mare decat cea consumata. Consumul de energie poate varia intre 50% fata de consumul nominal. Se cere: a. Analiza de process; b. Arhitectura unui sistem ierarhic de decizie pentru utilizarea eficienta a resurselor energetice. Rezolvare: a. Analiza de process: Exista doua tipuri de surse: - Permanente: hidro, termo, nucleare; - Temporare: solare si eoliene. Cum centralele termo-electrice si nucleare sunt greu de pornit, vor fi mereu in functiune. Astfel, ele pot asigura 130% din consumul nominal deci, pentru orele de varf, centralele hidro vor trebui sa asigure restul de 20% din necesar. b. Arhitectura unui sistem ierarhic de decizie pentru utilizarea eficienta a resurselor energetice:

Unde: CT: centrala termo-electrica; CS: centrala solara; CN: centrala nucleara; CH: centrala hidro-electrica; CE: centrala eoliana; RE: egulator pt centrale tip eolian; RT: regulator pentru centrala tip termo; RS: regulator pt centrale tip solar; RN: regulator pt centrale tip nuclear; RH: regulator pt centrale tip hidro;

RE1

CE1 CEq CN CH2 CH2 CHm CS1 CSp

RN RH1 RH2 RHm REq RS1 RSp

CT1 CT2 CTn

RT2 RTn RT1

S1 S2 S3

S*

RE1

Nivelul ierarhic 0 (nu este reprezentat pe schema): Acesta este un nivel interior al centralei unde se realizeaza, de exemplu, reglarea temperaturii din cazanele de aburi in cazul centralelor termo-electrice sau a debitului de intrare in cazul centralelor hidro-electrice; Nivelul ierarhic 1: Nivelul local, unde exista cate un controller local: RT1, RT2... RTn, RN, etc. Aceste controllere pot de exemplu asigura frecventa si tensiunea la iesirea din centrala. Pentru acest nivel, controllerul poate fi unul de tip fuzzy; Nivelul ierarhic 2 (cu supervizorii S1, S2, S3 etc): Nivel de control superior pentru toate centralele de acelasi tip. Daca la nivelul 1 avem de exemplu, fuzzy, aici trebuie sa avem un controller cu inteligenta crescuta, e.g. agenti inteligenti. Controllerii de la acest nivel pot realiza o monitorizare a celor de la nivelul 1 si ii pot conduce pe acestia in functie de diferite evenimente ca de exemplu, defectarea unei centrale din aceasi categorie va duce la o crestere a productivitatii celorlalte (atat cat este posibil); Nivelul ierarhic 3 (supervizorul S*): Cel mai inalt nivel care supervizeaza si controleaza agentii de la nivelul 2. Acest controller este cel de tip master si la fel ca in cazul celor de la nivelul 2, el trebuie sa fie superior ca inteligenta celor de la nivelul inferior (adica cei de la nivelul 2). Astfel, acesta poate fi implementat cu aloritmi genetici. El se va ocupa cu monitorizarea tuturor centralelor, cu consumul si cu eventualii producatori mai mici(de exemplu casele cu panouri solare care dau surplusul de energie in retea) si se va asigura ca necesarul de energie este furnizat. Nota: pentru rezolvarea acestor tipuri de probleme, trebuie urmariti trei pasi esentiali: 1. Analiza de proces 2. Structura de conducere (alegerea acesteia) 3. Functionalitate (functii pe care componentele structurii alese trebuie sa le indeplineasca pentru a urmari obiectivele impuse)