МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» Е.В. Лубенцова, А.А. Володин СИНТЕЗ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ С ПРИМЕНЕНИЕМ МЕТОДОВ АППРОКСИМИРУЮЩЕГО И НЕЙРО-НЕЧЕТКОГО УПРАВЛЕНИЯ МОНОГРАФИЯ Ставрополь 2014 1 УДК: 62-52 ББК 32.965 Л 82 Рецензенты: д-р техн. наук, профессор В. А. Петраков (Южный федеральный университет), д-р техн. наук, профессор М. Э. Шошиашвили (Южно-Российский государственный политехнический университет (Новочеркасский политехнический институт) имени М.И. Платова) Лубенцова Е.В., Володин А.А. <...> Л 82 Синтез систем автоматического управления биотехнологическими процессами с применением методов аппроксимирующего и нейро-нечеткого управления: монография. <...> Приведены примеры синтеза САУ промышленным биотехнологическим процессом для различных режимов функционирования. <...> На основе принципа подобия [4] биотехнологической и информационной систем сформулируем характерные свойства биотехнологических систем как аналогов сложных автономных систем. <...> Традиционные существующие методы синтеза САУ сложными объектами с перечисленными свойствами во многом не удовлетворяют современным требованиям [6]. <...> Причины заключаются в следующем [7]: – во-первых, при традиционных методах проектирования отсутствует этап системного анализа системы управления как единого целого и вследствие этого корректировки в структуру системы и связи между ее функциональными элементами вносятся на этапе опытно-промышленных испытаний системы; – во-вторых, недостаточное внимание уделяется выделению системообразующего фактора при анализе сложных систем, в частности биотехнических, биологических, биотехнологических и других живых систем, что не позволяет учитывать в полной мере составляющие системы и те связи, которые обеспечивают <...>
Синтез_систем_автоматического_управления_биотехнологическими_процессами_с_применением_методов_аппроксимирующего_и_нейро-нечеткого_управления.pdf
УДК: 62-52
ББК 32.965
Л 82
Рецензенты:
д-р техн. наук, профессор В. А. Петраков
(Южный федеральный университет),
д-р техн. наук, профессор М. Э. Шошиашвили
(Южно-Российский государственный политехнический
университет (Новочеркасский политехнический институт)
имени М.И. Платова)
Лубенцова Е.В., Володин А.А.
Л 82 Синтез систем автоматического управления биотехнологическими
процессами с применением методов аппроксимирующего
и нейро-нечеткого управления: монография. – Ставрополь:
Изд-во СКФУ, 2014. – 160 с.
ISBN 978-5-9296-0681-6
В монографии содержатся методы теории и алгоритмы систем автоматического
управления (САУ) сложными биотехнологическими объектами,
которые позволяют найти подходящее управление в условиях неполного,
нечеткого и неточного знания состояния объекта управления и характеристик
внешних и внутренних воздействий, при которых функционирует
этот объект. Приведены примеры синтеза САУ промышленным биотехнологическим
процессом для различных режимов функционирования.
Адресована научным работникам и инженерам, разрабатывающим
современные системы управления биотехнологическими процессами;
может оказаться полезной для студентов и аспирантов вузов.
УДК: 62-52
ББК 32.965
ISBN 978-5-9296-0681-6
© Лубенцова Е.В., Володин А.А., 2014
© Издательство Северо-Кавказского
федерального университета, 2014
2
Стр.2
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ …………………………………………………….. 3
Глава 1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ И АЛГОРИТМОВ РЕШЕНИЯ
ЗАДАЧ СИНТЕЗА ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ
РЕГУЛЯТОРОВ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКИМИ
ОБЪЕКТАМИ БИОСИСТЕМ …………………………………. 10
1.1. Анализ общесистемных свойств и видов неопределенности
информации, характерных для процесса
управления сложными динамическими объектами
биосистем ………..................................................................... 10
1.2. Анализ методов и алгоритмов решения задач синтеза
систем на основе нечеткой логики применительно
к управлению динамическими объектами биосистем …… 16
1.3. Анализ методов и алгоритмов решения задач синтеза
систем на основе нейросетевых технологий
применительно к управлению динамическими объектами
биосистем …………………………………………………… 29
Глава 2. СИНТЕЗ И МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ
УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССАМИ БИОСИНТЕЗА
С ПОМОЩЬЮ МЕТОДА АППРОКСИМИРУЮЩИХ
ПРЕОБРАЗОВАНИЙ …………………..................................... 36
2.1. Разработка критерия эффективности и выбор
оптимальных условий управления и моделирования
процесса биосинтеза ………………………………………. 36
2.2. Метод аппроксимирующих преобразований в задачах
управления и моделирования биосистем ………………… 44
2.3. Синтез нелинейных регуляторов потоков субстрата и
продукта в непрерывной биосистеме на основе метода
аппроксимирующих преобразований ……………………… 59
2.4. Синтез нелинейных регуляторов потоков субстрата и
продукта на основе комбинации сигмоидных функций для
управления непрерывной биосистемой ……………………… 67
158
Стр.158
Глава 3. СИНТЕЗ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ
БИОСИСТЕМОЙ В РЕАКТОРЕ НЕПРЕРЫВНОГО
ДЕЙСТВИЯ С НЕЧЕТКИМИ И НЕЙРО-НЕЧЕТКИМИ
РЕГУЛЯТОРАМИ ……………………………………………… 73
3.1. Особенности синтеза нечетких и нейросетевых
систем управления биопроцессами при априорной
неопределенности и нечеткости их моделей ……………… 73
3.2. Выбор типа нейро-нечеткой системы для задачи
управления сложными процессами и объектами ………… 75
3.3. Сравнительный анализ алгоритмов обучения нейронечеткой
системы с многослойной структурой …………... 79
3.4. Построение и исследование нейро-нечетких
регуляторов потоков субстрата и продукта для
управляемой непрерывной биосистемы ………………….. 89
3.5. Модифицированный метод получения уравнений
регрессии для оценки влияния параметров нейронной
сети на показатели качества управления ………………… 101
3.6. Нейро-нечеткая система стабилизации температуры
ферментационного процесса ……………………………… 111
3.7. Оценка состояния режимов биосистемы на основе
нейросетевой технологии …………………………………. 122
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ……………………………………………….. 137
ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ИСТОЧНИКИ ………………………. 139
159
Стр.159