Нечеткая логика — раздел современной математики, позволяющий формализовать и перевести на компьютерный язык интуитивныезнания и умения специалистов-практиков. Эти знания и умения они приобрели в результате долгого опыта работы, об этом не написано вкнигах, нет теории, объясняющей, почему если «давление высокое»и «температура низкая», а также «оборудование старое», то нужно«немного убавить обороты».

Нечеткая логика позволяет формализовать, что значит для данной ситуации «высокое», «старое» и «немного». А затем эксперт-практик может на языке, близком к человеческому, задать правила, которыми он обычно руководствуется в своей деятельности.

Правила могут быть нестрогими, нечеткими, противоречащими друг другу — как в жизни. Классическая логика не позволяет этого, анечеткая — вполне, потому что условие правила может быть не только «истинным» или «ложным», но и «истинным наполовину» или «натреть».

На основе нечеткой логики могут быть построены системы автоматизированного управления каким-либо устройством, системы регулирования режима работы агрегатов, системы диагностики, экспертные системы для поддержки принятия решений и т.д.

Понятия нечеткой логики (нечеткие множества и высказывания) появились в середине 1960-х годов в публикациях американского математика Лотфи А. Заде. К концу 20-го века нечеткая логика превратилась из математической игрушки в необычайно популярный прикладной метод. Нечеткое управление применяется в фото- и видеокамерах (Sony, Canon, Minolta), стиральных машинах (Siemens, Samsung, Candy),автомобильных навигаторах (Opel, Porsche), автоматических коробках передач в автомобилях (Porsche, Renault, Peugeot, Hyundai, Skoda),аппаратах измерения кровяного давления (Omron) и т.д.

Нечеткие контроллеры и регуляторы, выпускаемые германской фирмой SchneiderModicon, японской фирмой Yamatake-Honeywell и др.,используются на промышленных предприятиях — везде, где трудно формально описать производственные процессы.

Российская промышленность, к сожалению, отстает. Применение нечеткой логики ограничивается диссертациями и научными статьями, вкоторых предлагаются нечеткие алгоритмы и модели, но о массовом промышленном использовании пока речь не идет.

В РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина я читаю курс «Методы нечеткой логики в задачах нефтегазовой отрасли», в котором подробно разбираю пример автоматического бытового смесителя горячей и холодной воды. Благодаря своей простоте и наглядности он легко воспринимается студентами и кочует из учебника в учебник, но до сих пор ни одна компания не взялась за его реализацию «в железе». 

 

       Разберем вкратце этот пример. При разработке системы нечеткого управления необходимо определить входные переменные — показатели, которые можно измерить иливычислить, и выходные переменные — управляющие воздействия. Для управления смесителем необходимо измерить две входные переменные —температуру (т.е. нужен датчик температуры) и расход (т.е. нужен расходомер) смеси. Управляющими воздействиями будут изменениястепеней открытости горячего и холодного кранов. Для каждой из переменных определяются термы— нечеткие значения, выраженные словами.Например, для температуры — «низкая», «комфортная», «высокая», для расхода — «малый», «средний», «большой». С каждымтермом связана так называемая функция принадлежности, устанавливающая степень соответствия (принадлежности) конкретных температуры ирасхода этим понятиям(рис.1).Например, если температура воды равна 25С, то можно считать, что температура на 75% низкая, на 25% комфортная и на 0% высокая.

 

 

Рис. 1. Функции принадлежности

Основной элемент нечеткой системы — набор правил, согласно которым вычисляются управляющие воздействия. Чтобы правила выгляделиестественно, дадим выходным переменным и их термам «командные» названия: «горячий кран» и «холодный кран» с термами  «сильнозакрыть», «немного закрыть», «не трогать», «немного открыть», «сильно открыть». Смеситель управляется правилами вида

ЕСЛИ температура — низкая И расход — большой, ТО горячий кран — немного открыть, холодный кран — сильно закрыть. Нетрудно перебрать все варианты и, вспомнив ежедневный личный опыт, записать все правила.

На рис. 2 показан процесс расчета управляющих переменных. Каждая строка соответствует правилу, каждый столбец — переменной. По заданным температуре и расходу (вертикальные красные линии слева) определяются степени истинности условий в правилах (желтый уровень). Затем вычисляются функции принадлежности выходных переменных в каждом правиле (синий уровень). Потом результаты работы всех правил объединяются (нижняя строка для выходных переменных). И, наконец, определяются конкретные значения управляющих переменных (вертикальные красные линии справа внизу).

 

Рис. 2. Вычисление выходных переменных через входные

Возможности у нечетких систем значительно шире, чем у ПИД-регуляторов. Они позволяют не только регулировать параметры объекта(т.е. заставить их колебаться в некоторой окрестности от уставки), но и установить взаимосвязь между ними и даже изменять уставку взависимости от ситуации.

Например, в статье [1] рассматривается насосная станция,состоящая из 6 агрегатов — 4 основных и 2 дополнительных. Станция регулирует подачу воды потребителям и поддерживает заданноедавление в системе (уставку). В некоторых случаях целесообразно уставку изменять.

     Системой можно управлять путем включения/выключения дополнительных насосов и регулирования частоты оборотов основных. Регулированиепредполагается одинаковым для всех основных насосов. 

    Вот два примера правил нечеткого вывода. 

1) ЕСЛИ

• потребление воды — быстро уменьшается;

• расход воды — небольшой;

• насос — на верхней границе диапазона регулирования;

• дополнительные насосы — не включены,

ТО

• частоту оборотов — уменьшить;

• уставку давления — уменьшить.

2) ЕСЛИ

• потребление воды — увеличивается;

• расход воды — большой;

• основные насосы — в диапазоне регулирования;

• дополнительные насосы — не включены,

ТО

• частоту оборотов — увеличить;

• уставку давления — увеличить;

• первый дополнительный насос — включить.

    Основная задача промышленной трубопроводной арматуры — изменять расход жидкости или газа в соответствии с производственным процессом.Во многих случаях это до сих пор делается вручную, в то время как нечеткие управляющие системы вполне могли бы заменить человека.Например, в [2] предлагается применить нечеткую логику для регулирования температуры в колонне синтеза аммиака.Температура изменяется с помощью подачи холодного газа, а задвижками управляют нечеткие регуляторы.

    Конечно, эти предложения несколько «сыроваты». Они потребуют значительной доработки, прежде чем их можно будет внедрить в реальныйпроизводственный процесс. Однако успех применения нечеткой логики в других отраслях дает надежду, что и в управлении трубопроводнойарматурой она займет достойное место.

Литература

1. Архангельская Е.Л. Применение нечеткой логики при управлении насосными агрегатами //«Вестник ИГЭУ», 2008.—Вып. 4.

2. РоикВ.С., ШатохинП.А. Нечеткое управление температурным режимом в колонне синтеза аммиака //Інформаційні управляючі системи та комп'ютерний моніторинг (ІУС та КМ-2011). Матеріали II всеукраїнської науково-технічної конференції студентів, аспірантів та молодих вчених. — Донецьк, ДонНТУ, 2011. — Том1. —С. 192—199.

Москва, апрель 2015 года