Metodologia para a extração automática de regras para a modelagem de um sistema de refrigeração de água utilizando abordagem digital Twin

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Araújo Junior, Carlos Antonio Alves de
Data de Publicação: 2021
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: por
Título da fonte: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UFPB
Texto Completo: https://repositorio.ufpb.br/jspui/handle/123456789/20749
Resumo: In the search of higher productivity, industry has developed technological strategies to achieve this goal, Industry 4.0. In the energy sector, thermal power plants are looking for tools capable of optimizing energy production and reducing unscheduled downtime. This work proposed to model the water cooling system from the Digital Twin approach, using artificial intelligence techniques such as fuzzy logic and automatic extraction of fuzzy rules. The water cooling system is a system that has many fans to perform the thermal exchange between water and ambient air, however, the strong non-linearity characteristic of the system means that conventional PID controllers do not have a good performance, inducing the operator to activate all the fans to guarantee the water temperature below the necessary and, consequently, increasing the energy expenditure unnecessarily. This approach uses data from a thermal power plant located in the capital of Paraíba, João Pessoa, to create a knowledge database through the history data of the system and, thus, create a digital twin capable of helping to optimize the energy consumption of this system, which arrives about 3% of all energy generated at the plant. An algorithm for online updating the model rules was also proposed. The update aims to ensure that the system has a low instantaneous percentage error, as well as to acquire new knowledge of situations in which the model has not been trained. An optimization algorithm was used, using evolutionary strategies to search for a smaller number of fuzzy sets, achieving less computational effort without major impacts on the result. The results presented by the model from tests, in three different scenarios, showed the robustness of the proposed model, and in all scenarios, the average percentage error was below 5% and the average absolute error below 3°C.
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The water cooling system is a system that has many fans to perform the thermal exchange between water and ambient air, however, the strong non-linearity characteristic of the system means that conventional PID controllers do not have a good performance, inducing the operator to activate all the fans to guarantee the water temperature below the necessary and, consequently, increasing the energy expenditure unnecessarily. This approach uses data from a thermal power plant located in the capital of Paraíba, João Pessoa, to create a knowledge database through the history data of the system and, thus, create a digital twin capable of helping to optimize the energy consumption of this system, which arrives about 3% of all energy generated at the plant. An algorithm for online updating the model rules was also proposed. The update aims to ensure that the system has a low instantaneous percentage error, as well as to acquire new knowledge of situations in which the model has not been trained. An optimization algorithm was used, using evolutionary strategies to search for a smaller number of fuzzy sets, achieving less computational effort without major impacts on the result. The results presented by the model from tests, in three different scenarios, showed the robustness of the proposed model, and in all scenarios, the average percentage error was below 5% and the average absolute error below 3°C.NenhumaNa busca pelo aumento da produtividade, a indústria desenvolveu estratégias tecnológicas para atingir este objetivo: Indústria 4.0. No setor elétrico, plantas termelétricas buscam ferramentas capazes de otimizar a produção de energia e diminuir o intervalo de tempo de parada não programada. Este trabalho propôs realizar a modelagem do sistema de refrigeração de água a partir da abordagem “Digital Twin” (Gêmeo Digital), utilizando técnicas de inteligência artificial como a lógica fuzzy e extração automática de regras fuzzy. O sistema de refrigeração de água possui muitos ventiladores para realizar a troca térmica entre a água e o ar ambiente, porém, a forte característica de não-linearidade do sistema faz com que os controladores PID convencionais apresentem erro não nulo com o tempo, induzindo o operador a acionar todos os ventiladores para garantir a temperatura da água abaixo do necessário e, consequentemente, aumentando o gasto energético sem necessidade. Nesta abordagem, utilizaram-se os dados de uma planta termelétrica localizada na capital da Paraíba, João Pessoa, para criar um banco de conhecimento através do histórico do sistema e, assim, criar um gêmeo digital capaz de auxiliar na otimização do consumo de energia desse sistema, que chega a cerca de 3% de toda energia gerada na planta. Também foi proposto um algoritmo de atualização de regras do modelo em tempo real. A atualização tem o objetivo de garantir que o sistema tenha diminua o erro percentual conforme novas regras são aprendidas, como também adquirir novos conhecimentos de situações para os quais o modelo não foi treinado. Foi utilizado um algoritmo de otimização utilizando estratégias evolutivas a fim de buscar um menor número de conjuntos fuzzy, atingindo um menor esforço computacional sem maiores impactos no resultado. Os resultados apresentados pelo modelo a partir de testes, em três cenários diferentes, mostraram a robustez do modelo proposto, e em todos os cenários o erro percentual médio foi abaixo de 5% e erro absoluto médio abaixo de 3°C.Universidade Federal da ParaíbaBrasilEngenharia ElétricaPrograma de Pós-Graduação em Engenharia ElétricaUFPBVillanueva, Juan Moises Mauríciohttp://lattes.cnpq.br/1446817462218646Araújo Junior, Carlos Antonio Alves de2021-08-16T15:45:09Z2021-04-132021-08-16T15:45:09Z2021-02-26info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesishttps://repositorio.ufpb.br/jspui/handle/123456789/20749porhttp://creativecommons.org/licenses/by-nd/3.0/br/info:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UFPBinstname:Universidade Federal da Paraíba (UFPB)instacron:UFPB2022-08-10T10:47:46Zoai:repositorio.ufpb.br:123456789/20749Biblioteca Digital de Teses e Dissertaçõeshttps://repositorio.ufpb.br/PUBhttp://tede.biblioteca.ufpb.br:8080/oai/requestdiretoria@ufpb.br|| diretoria@ufpb.bropendoar:2022-08-10T10:47:46Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UFPB - Universidade Federal da Paraíba (UFPB)false
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