<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD JATS (Z39.96) Journal Publishing DTD v1.3 20210610//EN" "JATS-journalpublishing1-3.dtd">
<article article-type="research-article" dtd-version="1.3" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance" xml:lang="ru"><front><journal-meta><journal-id journal-id-type="publisher-id">novtexmech</journal-id><journal-title-group><journal-title xml:lang="ru">Мехатроника, автоматизация, управление</journal-title><trans-title-group xml:lang="en"><trans-title>Mekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie</trans-title></trans-title-group></journal-title-group><issn pub-type="ppub">1684-6427</issn><issn pub-type="epub">2619-1253</issn><publisher><publisher-name>Commercial Publisher «New Technologies»</publisher-name></publisher></journal-meta><article-meta><article-id pub-id-type="doi">10.17587/mau.21.143-157</article-id><article-id custom-type="elpub" pub-id-type="custom">novtexmech-766</article-id><article-categories><subj-group subj-group-type="heading"><subject>Research Article</subject></subj-group><subj-group subj-group-type="section-heading" xml:lang="ru"><subject>АВТОМАТИЗАЦИЯ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ</subject></subj-group><subj-group subj-group-type="section-heading" xml:lang="en"><subject>AUTOMATION OF PROCESS CONTROL</subject></subj-group></article-categories><title-group><article-title>Система стабилизации температуры в нагревательной печи с применением скользящего регулирования и нечеткой логики</article-title><trans-title-group xml:lang="en"><trans-title>System of Temperature Stabilization in a Heating Furnace Based on Sliding Mode Control and Fuzzy Logic</trans-title></trans-title-group></title-group><contrib-group><contrib contrib-type="author" corresp="yes"><name-alternatives><name name-style="eastern" xml:lang="ru"><surname>Рябчиков</surname><given-names>М. Ю.</given-names></name><name name-style="western" xml:lang="en"><surname>Ryabchikov</surname><given-names>M. Yu.</given-names></name></name-alternatives><bio xml:lang="ru"><p>канд. техн. наук, доц.</p></bio><bio xml:lang="en"><p>Candidate of Engineering Sciences, Associate Professor</p><p>Magnitogorsk city, 455000, Chelyabinsk Region</p></bio><email xlink:type="simple">mr_mgn@mail.ru</email><xref ref-type="aff" rid="aff-1"/></contrib><contrib contrib-type="author" corresp="yes"><name-alternatives><name name-style="eastern" xml:lang="ru"><surname>Рябчикова</surname><given-names>Е. С.</given-names></name><name name-style="western" xml:lang="en"><surname>Ryabchikova</surname><given-names>E. S.</given-names></name></name-alternatives><bio xml:lang="ru"><p>канд. техн. наук, доц.</p></bio><bio xml:lang="en"><p>Magnitogorsk city, 455000, Chelyabinsk Region</p></bio><email xlink:type="simple">mika.Elena@mail.ru</email><xref ref-type="aff" rid="aff-1"/></contrib><contrib contrib-type="author" corresp="yes"><name-alternatives><name name-style="eastern" xml:lang="ru"><surname>Кокорин</surname><given-names>И. Д.</given-names></name><name name-style="western" xml:lang="en"><surname>Kokorin</surname><given-names>I. D.</given-names></name></name-alternatives><bio xml:lang="ru"><p>студент</p></bio><bio xml:lang="en"><p>Magnitogorsk city, 455000, Chelyabinsk Region</p></bio><email xlink:type="simple">chickslover97@gmail.com</email><xref ref-type="aff" rid="aff-1"/></contrib></contrib-group><aff-alternatives id="aff-1"><aff xml:lang="ru"><institution>Магнитогорский государственный технический университет им. Г. И. Носова</institution><country>Россия</country></aff><aff xml:lang="en"><institution>Nosov Magnitogorsk State Technical University</institution><country>Russian Federation</country></aff></aff-alternatives><pub-date pub-type="collection"><year>2020</year></pub-date><pub-date pub-type="epub"><day>05</day><month>03</month><year>2020</year></pub-date><volume>21</volume><issue>3</issue><fpage>143</fpage><lpage>157</lpage><permissions><copyright-statement>Copyright &amp;#x00A9; Commercial Publisher «New Technologies», 2020</copyright-statement><copyright-year>2020</copyright-year><copyright-holder xml:lang="ru">Commercial Publisher «New Technologies»</copyright-holder><copyright-holder xml:lang="en">Commercial Publisher «New Technologies»</copyright-holder><license xlink:href="https://mech.novtex.ru/jour/about/submissions#copyrightNotice" xlink:type="simple"><license-p>https://mech.novtex.ru/jour/about/submissions#copyrightNotice</license-p></license></permissions><self-uri xlink:href="https://mech.novtex.ru/jour/article/view/766">https://mech.novtex.ru/jour/article/view/766</self-uri><abstract><p>Рассмотрены проблемы регулирования температуры в нагревательных печах на примере протяжной печи для отжига стальной полосы агрегата непрерывного горячего оцинкования. Показано, что одной из основных проблем является непостоянство динамических свойств объекта управления при гибком управлении производством с изменением производительности печи. С использованием модели теплотехнического состояния рабочего пространства и металла, учитывающей влияние температурных режимов печи на тепловые потери, определены пределы вариации параметров упрощенной модели динамики объекта. Рассмотрены проблемы управления температурным объектом с непостоянными динамическими параметрами. Изучены достоинства и недостатки систем управления объектами, основанными на использовании нечеткой логики и скользящего регулирования. Показано, что система скользящего регулирования при управлении объектом температурного типа может приводить к колебательным переходным процессам вследствие отсутствия амплитудной модуляции управляющего воздействия при приближении к заданию. Предложена система автоматической стабилизации регулируемого параметра для объекта температурного типа, комбинирующая скользящее регулирование и нечеткую логику. В предложенной системе стабилизации направление изменения управляющего воздействия определяется с применением скользящего регулирования, а уровень управляющего воздействия — с использованием нечеткой логики. Представлены результаты вычислительных экспериментов по сравнению с эффективностью управления с использованием предложенной системы, а также системы, основанной на одной нечеткой логике. При вычислительных экспериментах оптимальные варианты параметров настройки систем определялись на основе полного перебора и компьютерного моделирования управления для объекта с заданной вариацией динамических свойств. Компьютерное моделирование осуществлялось в среде VisSim. Показано, что при постоянных значениях параметров масштабирования сигналов, используемых в правилах нечеткой логики, требование по обеспечению качественных переходных процессов с различным уровнем изменения задания приводит к существенному снижению быстродействия по сравнению с системой, комбинирующей нечеткую логику и скользящее регулирование. Продемонстрирована возможность простой подстройки качества переходных процессов в системе, комбинирующей нечеткую логику и скользящее регулирование, при изменении динамических свойств объекта.</p></abstract><trans-abstract xml:lang="en"><p>The paper addresses issues of temperature control in heating furnaces using the example of a strand-type furnace for steel strip annealing of a continuous hot-dip galvanizing unit. The authors demonstrate that one of the main problems is variability of dynamic properties in the controlled object upon flexible production management with changes in the furnace capacity. Using a model of thermal state of the furnace cavity and metal, considering the impact of furnace temperature conditions on heat losses, variation limits of the parameters in a simplified model of object dynamics are determined. Issues of controlling a temperature object with variable dynamic parameters are reviewed. Advantages and disadvantages of systems used to control such objects, based on fuzzy logic and sliding mode control, are studied. It is shown that, in controlling a temperature object, a sliding mode control system can lead to fluctuating transient responses due to the absence of amplitude modulation in the control action when approaching the set-point. The authors suggest a system for automatic stabilization of the controlled parameter of a temperature object where sliding mode control and fuzzy logic are combined. In the stabilization system suggested, the direction of changes in the control action is determined using sliding mode control, while the control action level is determined using fuzzy logic. The paper provides results of simulation experiments comparing the efficiency of control using the system suggested and efficiency of control using the system based only on fuzzy logic. During those experiments, optimal system setting parameters were determined using complete enumeration and computer simulation of control for an object with the set variation of dynamic properties. Computer simulation was performed in the VisSim environment. The paper also shows that, with constant values of signal scaling parameters used in fuzzy logic, the requirement for qualitative transient responses with various set-point change levels results in the significantly reduced response speed in comparison with the system that combines fuzzy logic and sliding mode control. The authors demonstrate that it is possible to adjust quality of transient responses in the system that combines fuzzy logic and sliding mode control, changing dynamic properties of the object.</p></trans-abstract><kwd-group xml:lang="ru"><kwd>нагревательная печь</kwd><kwd>гибкое управление</kwd><kwd>производительность</kwd><kwd>автоматическое регулирование</kwd><kwd>температура</kwd><kwd>скользящее регулирование</kwd><kwd>нечеткая логика</kwd></kwd-group><kwd-group xml:lang="en"><kwd>heating furnace</kwd><kwd>flexible management</kwd><kwd>capacity</kwd><kwd>automatic control</kwd><kwd>temperature</kwd><kwd>sliding mode control</kwd><kwd>fuzzy logic</kwd></kwd-group></article-meta></front><back><ref-list><title>References</title><ref id="cit1"><label>1</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Yong Yin, Kathryn E. Stecke &amp; Dongni Li. The evolution of production systems from Industry 2.0 through Industry 4.0, International Journal of Production Research, no. 56:1-2, pp. 848-861.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Yong Yin, Kathryn E. Stecke &amp; Dongni Li. The evolution of production systems from Industry 2.0 through Industry 4.0, International Journal of Production Research, no. 56:1-2, pp. 848—861.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit2"><label>2</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Рябчиков М. Ю. Адаптация теплотехнических моделей протяжной башенной печи и нагрева металла для управления температурными режимами отжига стальной полосы // Проблемы управления. 2017. № 5. С. 61—69.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Ryabchikov M. Yu. Adaptation of strand-type tower furnace heating simulation and of metal heating for steel strip annealing heating modes management, Control Sciences, 2017, no. 5, pp. 61—69 (in Russian).</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit3"><label>3</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Рябчиков М. Ю., Самарина И. Г. Изучение режимов нагрева стальной полосы в протяжной печи башенного типа для светлого отжига // Металлообработка. 2013. № 1 (73). С. 43—49.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Ryabchikov M. Yu., Samarina I. G. Studying of strip heating dynamics in the tower type furnace, Metallobrabotka, 2013, no. 1 (73), pp. 43—49 (in Russian).</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit4"><label>4</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Савин Д. В., Дроздов В. Г. Современный подход к системам автоматического управления отопления здания // Технические науки — от теории к практике. 2014. № 30. С. 51—56.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Savin D. V., Drozdov V. G. Modern approach to systems automatic control heating building, Tekhnicheskie nauki — ot teorii k praktike, 2014, no. 30, pp. 51—56 (in Russian).</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit5"><label>5</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Финаев В. И., Синявская Е. Д., Пушнина И. В. Нечеткая модель управления температурой в хлебопекарной камере // Известия ЮФУ. Технические науки. 2015. № 4 (165). С. 149—159.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Finaev V. I., Sinyavskaya E. D., Pushnina I. V. Fuzzy control model of temperature at the bread baking chamber, IZVESTIYA SFedU. ENGINEERING SCIENCES, 2015, no. 4 (165), pp. 149—159 (in Russian).</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit6"><label>6</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Xiaojing Gao, Yan Ma, Hong Chen. Active Thermal Control of a Battery Pack Under Elevated Temperatures, IFAC PapersOnLine, 2018, no. 51—31, pp. 262—267.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Xiaojing Gao, Yan Ma, Hong Chen. Active Thermal Control of a Battery Pack Under Elevated Temperatures, IFAC PapersOnLine, 2018, no. 51-31, pp. 262—267.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit7"><label>7</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Пиляев С. Н., Афоничев Д. Н. Энергосберегающая система автоматического управления процессом активного вентилирования зерна // Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика. 2015. Т. 3. № 5-4. С. 140—144.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Pilyae v S. N., Afonichev D. N. Energy saving automatic control system for the process of aeration of grain, Aktual’nye napravleniya nauchnyh issledovanij XXI veka: teoriya i praktika, 2015, vol. 3, no. 5-4, pp. 140—144 (in Russian).</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit8"><label>8</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Jin Woo Moon, Jin Chul Park, Sooyoung Kim. Development of control algorithms for optimal thermal environment of double skin envelope buildings in summer, Building and Environmen, 2018, no. 144, pp. 657—672.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Jin Woo Moon, Jin Chul Park, Sooyoung Kim. Development of control algorithms for optimal thermal environment of double skin envelope buildings in summer, Building and Environmen, 2018, no. 144, pp. 657—672.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit9"><label>9</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Ahmad Esmaeilzadeh, Mohammad Reza Zakerzadeh, Aghil Yousefi Koma. The comparison of some advanced control methods for energy optimization and comfort management in buildings, Sustainable Cities and Society, 2018, no. 43, pp. 601—623.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Ahmad Esmaeilzadeh, Mohammad Reza Zakerzadeh, Aghil Yousefi Koma. The comparison of some advanced control methods for energy optimization and comfort management in buildings, Sustainable Cities and Society, 2018, no. 43, pp. 601—623.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit10"><label>10</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Хижняков Ю. Н. Нечеткое регулирование температуры теплоносителя // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Электротехника, информационные технологии, системы управления. 2016. № 20. С. 5—12.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Hizhnyakov Yu. N. Fuzzy control of the heat-carrier temperature, PNRPU Bulletin. Electrotechnics, Informational Technologies, Control Systems, 2016, no. 20, pp. 5—12 (in Russian).</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit11"><label>11</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Штепа В. Н., Прокопеня О. Н., Кот Р. Е., Пуха В. М. Микропроцессорная система дозирования реагентов на основе нечеткой логики // Вестник Брестского государственного технического университета. Машиностроение. 2015. № 4 (94). С. 60—64.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Shtepa V. N., Prokopenya O. N., Kot R. E., Puha V. M. The microprocessor control system of the dosing reagents based on the fuzzy logic, Vestnik Brestskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. Mashinostroenie, 2015, no. 4 (94), pp. 60—64 (in Russian).</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit12"><label>12</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Лубенцова Е. В., Володин А. А., Лубенцов В. Ф. Нейро-нечеткая система управления температурным режимом ферментационного процесса // Информационные технологии. 2014. № 3. С. 55—62.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Lubencova E. V., Volodin A. A., Lubencov V. F. Neurofuzzy control system for temperature control fermentation, Information Technology, 2014, no. 3, pp. 55—62 (in Russian).</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit13"><label>13</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Рябчиков М. Ю., Рябчикова Е. С. Самонастройка нейросетевого регулятора с использованием интегральной оценки противоречий команд обучающего алгоритма и памяти // Автоматика и телемеханика. 2018. № 2. С. 154—166.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Ryabchikov M. Yu., Ryabchikova E. S. Self-tuning of a neural network controller with an integral estimate of contradictions between the commands of the learning algorithm and memory, Automation and Remote Control, 2018, no. 2, pp. 154—166 (in Russian).</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit14"><label>14</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Полько П. Г., Логунова О. С., Андреев С. М., Рябчикова Е. С., Рябчиков М. Ю., Парсункин Б. Н. Алгоритм нечеткого управления для синтеза цифровых контуров автоматической стабилизации технологических параметров // Автоматизация в промышленности. 2010. № 11. С. 32—37.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Pol’ko P. G., Logunova O. S., Andreev S. M., Ryabchikova E. S., Ryabchikov M. Yu., Parsunkin B. N. Fuzzy control algorithm for synthesis of automatic stabilization systems, Automation in Industry, 2010, no. 11, pp. 32—37 (in Russian).</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit15"><label>15</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Новиков С. И., Шахнович В. Р., Сафронов А. В. Методы нечеткой логики в задачах автоматизации тепловых процессов электростанций // Вестник ИГЭУ. 2010. № 4. С. 1—4.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Novikov S. I., Shahnovich V. R., Safronov A. V. Fuzzy Logic Methods in the Tasks of Thermal Processes Automation of Power Plant, Vestnik IGEU, 2010, no. 4, pp. 1—4 (in Russian).</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit16"><label>16</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Чернецкая И. В., Чернецкий В. О. Нечеткие регуляторы в системах автоматического регулирования // Вестник ЮУрГУ. 2006. № 14. С. 156—159.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Cherneckaya I. V., Cherneckij V. O. Fuzzy regulators in automatic control systems, Bulletin of the South Ural State University, 2006, no. 14, pp. 156—159 (in Russian).</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit17"><label>17</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Lei Hang, Do-Hyeun Kim. Enhanced Model-Based Predictive Control System Based on Fuzzy Logic for Maintaining Thermal Comfort in IoT Smart Space, Appl. Sci., 2018, no. 8, p. 1031.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Lei Hang, Do-Hyeun Kim. Enhanced Model-Based Predictive Control System Based on Fuzzy Logic for Maintaining Thermal Comfort in IoT Smart Space, Appl. Sci., 2018, no. 8, p. 1031.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit18"><label>18</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Филимонов А. Б., Филимонов Н. Б. К вопросу построения нечетких ПИД регуляторов // Мехатроника, автоматика и робототехника. 2018. № 2. С. 112—116.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Filimonov A. B., Filimonov N. B. To the question of constructing fuzzy PID regulators, Mekhatronika, avtomatika i robototekhnika, 2018, no. 2, pp. 112—116 (in Russian).</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit19"><label>19</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Suman Debnath, Jagannath Reddy, Jagadish and Biplab Das. Investigation of thermal performance of SAC variables using fuzzy logic based expert system, Journal of Mechanical Science and Technology, 2019, vol. 33, no. 8, pp. 4013—4021.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Suman Debnath, Jagannath Reddy, Jagadish and Biplab Das. Investigation of thermal performance of SAC variables using fuzzy logic based expert system, Journal of Mechanical Science and Technology, 2019, vol. 33, no. 8, pp. 4013—4021.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit20"><label>20</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Кудинов Ю. И., Дорохов И. Н., Пащенко Ф. Ф. Нечеткие регуляторы и системы управления // Проблемы управления. 2004. № 3. С. 2—14.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Kudinov Yu. I., Dorohov I. N., Pashchenko F. F. Fuzzy controllers and control systems, Control Sciences, 2004, no. 3, pp. 2—14 (in Russian).</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit21"><label>21</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Meysam Gheisarnejad, Mohammad Hassan Khooban. Design an optimal fuzzy fractional proportional integral derivative controller with derivative filter for load frequency control in power systems, Transactions of the Institute of Measurement and Control, 2019, pp. 1—19.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Meysam Gheisarnejad, Mohammad Hassan Khooban. Design an optimal fuzzy fractional proportional integral derivative controller with derivative filter for load frequency control in power systems, Transactions of the Institute of Measurement and Control, 2019, pp. 1—19.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit22"><label>22</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Ивайкин В. Использование скользящих режимов в регулировании // Современные технологии автоматизации. 2006. № 1. С. 90—94.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Ivajkin V. Application of Sliding Mode in the Automatic Systems, Contemporary Technologies in Automation, 2006, no. 1, pp. 90—94 (in Russian).</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit23"><label>23</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Филимонов А. Б., Филимонов Н. Б. Некоторые проблемные аспекты нечеткого ПИД регулирования // Мехатроника, автоматизация, управление. 2018. Т. 19. № 12. С. 762—769.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Filimonov A. B., Filimonov N. B. Sertain Problematic Aspects of Fuzzy PID Regulation, Mekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie, 2018, vol.19, no. 12, pp. 762—769 (in Russian).</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit24"><label>24</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Рябчиков М. Ю., Парсункин Б. Н., Андреев С. М., Полько П. Г., Логунова О. С., Рябчикова Е. С., Головко Н. А. Нечеткое экстремальное управление процессом измельчения руды для обеспечения максимальной производительности // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г. И. Носова. 2011. № 4 (36). С. 65—69.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Ryabchikov M. Yu., Parsunkin B. N., Andreev S. M., Polyko P. G. Logunova O. S., Ryabchikova E. S., Golovko N. A. Maximal efficiency fuzzy logic based extremal control system, Vestnik of Nosov Magnitogorsk State Technical Unive rsity, 2011, no. 4, pp. 65—69 (in Russian).</mixed-citation></citation-alternatives></ref></ref-list><fn-group><fn fn-type="conflict"><p>The authors declare that there are no conflicts of interest present.</p></fn></fn-group></back></article>
