автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Системы управления следящими электроприводами на базе нечеткой логики

На правах рукописи

Гудим Александр Сергеевич

СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ СЛЕДЯЩИМИ ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ НА БАЗЕ НЕЧЕТКОЙ ЛОГИКИ

Специальность 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Комсомольск-на-Амуре

2009

003473517

Работа выполнена на кафедре "Электропривод и автоматизация промышленных установок" Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета.

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Соловьев В. А.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Еремин E.JI.

кандидат технических наук

Константинов К.В.

Ведущая организация:

Тихоокеанский Государственный университет (г. Хабаровск)

Защита диссертации состоится "9" июля 2009 г. в аудитории 201/3 в 14°° часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.092.04 в Комсомольском-на-Амуре государственном техническом университете по адресу: 681013, г. Комсомольск-на-Амуре, прЛенина, 27.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью учреждения, просим направлять по адресу: 681013, г. Комсомольск-на-Амуре, пр.Ленина, 27, Ученому секретарю Совета ДМ 212.092.04 Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета, e-mail: kepapu@knastu.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета.

Автореферат разослан "¿Г* июня 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета ДМ 212.092.04 кандидат технических наук,

профессор

Суздорф В.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы: следящие системы являются основой функционирования большого числа технических установок, используемых в различных сферах промышленности. К следящим системам относятся: приводы систем автоматического сопровождения, пусковых устройств, рулевые и приборные приводы и т.д.

Повышение качества регулирования и улучшение технико-экономических показателей подобных производственных установок требует постоянного совершенствования систем управления процессами, происходящими в них.

Применимость следящего привода в том или другом конкретном случае зависит от того, насколько система удовлетворяет ряду предъявляемых к ней требований. К основным показателям качества регулирования прежде всего относят: устойчивость работы системы, время переходного процесса, число колебаний, диапазон регулирования, точность - статическая ошибка и максимальная динамическая ошибка. Кроме того, на точность работы системы, в значительной степени, оказывают влияние различные нелинейности в каналах управления, и решение этой проблемы, как правило, является достаточно сложной задачей. Данной тематике посвящен ряд работ: Н.И. Соколова, Л.Г. Кинга, М.В. Меерова, В.А. Бондера, Е.И. Хлыпало, Б.К. Чемоданова, Н.М. Якименко, A.B. Зимина и других.

Совершенствование отдельных узлов и элементов систем управления не всегда благоприятно сказывается на качестве характеристик следящего электропривода в целом, что обусловлено как ограничениями, накладываемыми на элементы системы управления, так и спецификой функционирования самого объекта регулирования. Следовательно, задачу улучшения технических характеристик следящих электроприводов необходимо решать с использованием новых способов построения систем управления. Такие способы позволят существенно снизить влияние ограничений и обеспечить улучшение основных характеристик следящих систем. Удовлетворение постоянно растущих требований к быстродействию и точности таких объектов может быть реализовано с использованием интеллектуальных систем управления. Поэтому в работе поставлена задача улучшения основных характеристик следящих электроприводов за счет повышения эффективности, надежности и расширения функциональных возможностей систем управления.

Нечеткие системы управления относятся к классу интеллектуальных систем, которые позволяют решить ряд задач по совершенствованию основных характеристик следящих электроприводов. Однако известные примеры использования принципов нечеткого управления ориентированы в основном на разработку и исследование экспертных систем (D. Nguyen, Н. Scharf, N. Mandic, TJ. Procyk, L.A. Zadeh, Д.А. Поспелов, И.З. Батыршин), а работы, связанные с применением этих принципов для технических объектов, единичны. Это связано с тем, что математическое описание нечетких систем управления имеет нетрадиционный и в большей степени качественный ха-

рактер. Существующие модели систем, основанные на теории мягких вычислениях, не в полной мере адаптированы для анализа и синтеза сложных технических объектов.

Использование нечеткого подхода к построению систем управления следящими приводами ограничивается отсутствием методов и способов реализации систем такого типа, поэтому структура работы ориентирована на создание методов и алгоритмов оптимизации распределения функций принадлежности и синтеза базы знаний нечеткого логического регулятора.

Таким образом, проведение исследований для определения возможностей построения нечетких систем управления для обозначенного выше класса объектов является актуальным.

Цель работы: разработка новых принципов построения и выработка мероприятий по совершенствованию систем управления следящими электроприводами, развитие теоретических и прикладных вопросов синтеза нечетких логических регуляторов, с исследованием их динамических и статических характеристик.

Для достижения поставленной цели в диссертации решены следующие задачи:

- проведен анализ существующих принципов улучшения динамической и статической точности следящих систем управления электроприводами и обоснована целесообразность использования в подобных системах аппарата нечетких множеств;

- разработаны метод и способ синтеза нечетких логических регуляторов для компенсации сопутствующих нелинейностей в каналах управления;

- предложен способ построения нечетких следящих систем управления, показана возможность использования их в позиционном режиме;

- получены сравнительные оценки качества управления с нечеткими логическими регуляторами и регуляторами, построенными с использованием классических методов.

- проведены экспериментальные исследования на физическом макете следящего электропривода для доказательства адекватности разработанных моделей нечетких систем управления и правомерности использования полученных теоретических результатов.

Методы исследования: научные исследования диссертационной работы основывались на использовании теории дифференциальных уравнений, включая методы пространства состояний, операторного метода, математического аппарата теории нечетких множеств, методов современной теории автоматического управления, математического моделирования, и экспериментальных исследований на физической модели.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

1. метод синтеза нечеткого логического регулятора для компенсации нелинейностей, основанный на применении статической характеристики компенсируемой нелинейности в канале управления;

2. способ синтеза нечеткого логического регулятора для компенсации нелинейностей, основанный на применении ошибки компенсации нелинейности;

3. способ построения и структура нечетких следящих систем управления, заключающиеся в комплексном использовании нечеткого логического регулятора в каналах управления;

4. способ построения и структура нечетких позиционных систем управления;

5. комплекс теоретических и экспериментальных исследований, подтверждающих основные теоретические положения, адекватность математических моделей и эффективность предложенных процедур синтеза.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

1. предложен новый метод компенсации естественных сопутствующих однозначных и неоднозначных" нелинейностей на основе статической характеристики нелинейности, с использованием мягких вычислений, позволяющий улучшить качество переходных процессов в системах автоматического управления. Предложена оптимизация распределения функций принадлежности и безэкспергное проектирование базы знаний нечеткого логического регулятора в рамках разработанного метода, позволяющая существенно снизить влияние субъективного человеческого фактора на процесс управления;

2. предложен новый способ компенсации естественных сопутствующих однозначных и неоднозначных нелинейностей на основе ошибки компенсации нелинейности с использованием мягких вычислений, позволяющий повысить качество статических и динамических характеристик в системах автоматического управления;

3. обоснован и разработан способ построения нечетких следящих систем управления, заключающиеся в комплексном использовании нечеткого логического регулятора в каналах управления, обеспечивающего расширение функциональных возможностей системы при неотъемлемом улучшении статических и динамических характеристик;

4. результаты моделирования и экспериментальные исследования подтвердили существенные преимущества и эффективность применения нечетких логических регуляторов.

Практическая значимость полученных результатов и выводов обусловлена улучшением статических и динамических характеристик следящих электроприводов и созданием технических средств, достаточных для реализации теоретических положений:

- созданы методики проектирования интеллектуальных систем управления для выделенного класса объектов;

- разработаны нечеткие логические регуляторы, обеспечивающие реализацию различных принципов нечеткого управления и повышение качества регулирования;

- разработаны методики построения нечетких логических регуляторов;

- запатентованы способы автоматического управления и следящие системы, учитывающие разработанные теоретические аспекты.

Реализация работы: разработанные модели и методики синтеза нечетких логических регуляторов переданы в ООО «ЖилТЭК» и «РТРС ДВРЦ центр телерадиовещания и спутниковой связи г.Комсомольска-на-Амуре» для использования в работах по модернизации систем управления технологическим оборудованием.

Материалы диссертации, касающиеся математических моделей нечетких систем управления, методов синтеза нечетких регуляторов, используются в учебных дисциплинах «Искусственный интеллект в задачах управления», «Интеллектуальные системы управления в электроприводах» для студентов специальностей 220201, 140604 ГОУВПО «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет». Акты использования и внедрения результатов работы прилагаются.

Апробация работы: основные положения и результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на:

- международной научно-технической конференции «Электромеханические преобразователи энергии», ТПУ, 2007г;

- научно-технических конференциях аспирантов и студентов «Научно-техническое творчество аспирантов и студентов», КнАГТУ, 2003-2008г.

Публикации: по теме диссертации опубликовано 13 работ. Из них 4 патента РФ, 1 свидетельство о регистрации программы для ЭВМ, 7 публикаций тезисов докладов и 1 статья из списка изданий, рекомендованных ВАК.

Структура диссертации: работа состоит из введения, четырех глав, заключения, изложенных на 147 страницах машинописного текста, иллюстрированных 87 рисунками и 6 таблицами, списка использованных источников из 87 наименований и приложений, в которых представлены три акта о внедрении результатов диссертации, результаты моделирования и экспериментальных исследований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выполненной работы, сформулирована ее цель, определены задачи исследований, приведены новые научные результаты и их практическая значимость.

В первой главе проведен критический анализ методов и способов достижения предельных динамических и точностных показателей качества регулирования в следящих системах автоматического управления электроприводов.

Классические подходы, содержащие в своей основе аналитические выражения, составленные исходя из эмпирических данных (Б.К. Чемоданов, В.В. Солодовников, Л.В. Рабинович), не могут в полной мере описать процессы, протекающие в следящем электроприводе. В основном, это связано со значительными сложностями, а иногда и невозможностью описания некоторых параметров количественно, например наличие в каналах управления существенно нелинейных элементов и помех, неполнота информации об объекте регулирования, связанная с аппроксимацией, используемой в математическом описании. Таким образом, описание таких процессов при помощи клас-

сических методов является достаточно сложной задачей связанной с проведением большого количества аналитических расчетов (снижающих точность, из-за введения существенного числа допущений), и высокой трудоемкости циклических пересчетов целого ряда параметров объекта управления (Е.И. Хлыпало, H.A. Лакота).

Приведены основные положения теории нечетких множеств и описание построения систем управления, основанных на теории мягких вычислений.

Основной проблемой синтеза систем управления для рассматриваемого класса объектов являются: формирование базы правил, оптимизация распределения функций принадлежности лингвистических термов на диапазоне регулирования и выбор самого диапазона регулирования, которые обеспечивают оптимальное управление сложными процессами. Известные методы синтеза основных блоков нечеткого логического регулятора рассматривают вышеперечисленные проблемы, как слабо формализованные процессы и задачи принятия решений. Следовательно, является актуальным создание моделей описывающих эти процессы так, чтобы перечисленный ряд задач мог быть решен с использованием формальных способов и методов.

Вторая глава посвящена разработке методов и способов компенсации нелинейностей следящих систем, с использованием теории нечетких множеств.

Обобщенный алгоритм разработанного метода компенсации естественных нелинейностей с использованием статических характеристик нелинейностей можно свести к следующему:

на первом этапе формулируется задача компенсации исследуемой системы (нелинейного элемента) и задаются требования к качеству этой компенсации;

на втором этапе, исходя из требований, полученных на предыдущем этапе, определятся способ подачи компенсирующего воздействия.

Структурно включение компенсирующего устройства (нечеткого логического регулятора (функции)) можно реализовать по трем вариантам:

- введение компенсирующей прямой связи с нечетким логическим регулятором с подачей сигнала коррекции на вход нелинейного звена

fx*(0 = x(0 + /W, LK/) = F(JC*),

где: FHJ1P - нечеткая логическая функция; F(x') - нелинейное звено; x(t) -входной сигнал; y(t) - выходной сигнал;

- введение компенсирующей обратной связи с нечетким логическим регулятором с подачей сигнала коррекции на вход нелинейного звена

fx*(t) = x(t) + FHj;p, \y(t) = F(x*y,

- введение компенсирующей прямой связи с нечетким логическим регулятором с подачей сигнала коррекции на выход нелинейного звена

y(t) = F(x) + FHJIP.

Выбор конкретных анализируемых сигналов для реализации наиболее эффективной компенсации является отдельной задачей, решение которой зависит от вида нелинейности и технических требований к реализации. Рекомендуемыми сигналами для анализа в случае однозначной нелинейности являются входной сигнал х(1) для первого и третьего варианта, выходной сигнал у(1)- для второго. Для неоднозначных нелинейностей дополнительно к названным сигналам следует рассматривать производную входного сигнала по времени х '(I);

на третьем этапе производится выбор рационального варианта схемы компенсации. Предпочтительными являются первый или второй вариант, так как в случае, если нелинейностью обладает исполнительный орган, реализация третьего варианта компенсации не только представляет существенные технические трудности, но и зачастую является невыполнимой. Третий вариант схемы можно рекомендовать лишь для компенсации нелинейностей типа «насыщение», компенсация которых по первым двум вариантам трудно реализуема;

на четвертом этапе фиксируется статическая характеристика корректируемой системы (нелинейного элемента). При этом следует стремиться к минимизации интервала дискретности. Это обеспечит точность синтеза распределения терм-множеств входных и выходной переменных на следующем этапе и адекватность работы нечеткого логического регулятора;

на пятом этапе производится построение математической модели нечеткого логического регулятора на основе результатов, полученных на предыдущих этапах. При этом для построения модели нечеткого логического регулятора (фаззификации входных переменных, дефаззификации выходной и формирования базы нечетких правил) необходимо:

1. если нелинейность является неоднозначной, то ее статическую характеристику следует разбить на однозначные участки по оси абсцисс, для каждого из которых определить интервал значений производной входного сигнала. Каждый из полученных интервалов задает носитель соответствующего ему терм-множества (вид термов входной переменной, соответствующей производной входного сигнала, рекомендуется выбирать треугольный, таким образом, чтобы множество было симметричным). В случае однозначной нелинейности отсутствует необходимость нахождения производной входного сигнала;

2. для статической характеристики нелинейности следует провести преобразование системы координат путем поворота осей последней на л/4 по часовой стрелке по следующей формуле:

(1)

где х и у — абсцисса и ордината соответственно точки статической характеристики в исходной системе координат; X/ и у; - абсцисса и ордината точки статической характеристики в новой системе координат.

В новой системе координат определить точки пересечения участка статической характеристики с осью абсцисс, а также точки локальных экстремумов для каждого однозначного участка. Координаты найденных точек отобразить в исходную систему координат:

В дальнейшем все действия выполняются в исходной системе координат;

3. сформировать распределение термов входного сигнала, учитывая что, при реализации первого варианта схемы координатами вершин терм-множеств входной переменной будут являться:

- абсциссы, полученные по формулам (2);

- абсциссы крайней правой и крайней левой точек каждого однозначного участка статической характеристики.

При реализации по второму варианту схемы координатами вершин терм-множеств входной переменной будут являться:

- ординаты, полученные по формулам (2);

- ординаты крайней правой и крайней левой точек каждого однозначного участка статической характеристики.

При реализации по третьему варианту схемы формирование терм-множеств аналогично первому.

Расположение границ интервала - носителя соответствующего терм-множества выбирается таким образом, чтобы они соответствовали вершинам соседних терм-множеств. В случае крайних терм-множеств, граница интервала выбирается таким образом, чтобы множество было симметричным.

Если статическая характеристика нелинейного элемента имеет линейные участки (параллельные оси абсцисс на преобразованной статической характеристике в области крайних входных терм-множеств (функций принадлежности)), эти множества можно сделать I- и 8-образного вида. Такой подход позволит сократить количество входных функций принадлежности и, как следствие, выходных, и объем базы знаний. В итоге увеличится быстродействие нечеткого логического регулятора, и упростится его техническая реализация.

Полученный набор термов является минимальным. В случаях, когда необходимо обеспечить повышенную точность компенсации, рекомендуется наряду с найденными абсциссами (ординатами) рассматривать дополнительные абсциссы (ординаты). При этом можно вводить дополнительные абсциссы (ординаты) как на определенном интервале, так и на всем диапазоне значений входной переменной. Во втором случае одним из вариантов для нахождения дополнительных абсцисс (ординат) является вычисление среднего

(2)

арифметического значения для каждой из пар соседних элементов ранжированного по возрастанию ряда абсцисс (ординат), полученных в п.З. Таким образом осуществляется фаззификация входных переменных;

4. определить термы выходной переменной, координаты вершин которых также зависят от выбранной схемы реализации.

В случае реализации по первому варианту, для каждой из координат вершин терм-множества, рассмотренных в п.З, находится разность между абсциссой точки статической характеристики, имеющей ординату равную абсциссе данной точки, и абсциссой данной точки.

В случае реализации по второму варианту, определение координат вершин термов аналогично первому варианту.

В случае реализации по третьему варианту, для каждой из координат вершин термов, рассмотренных в п.З, находится разность между абсциссой и ординатой.

В зависимости от используемого алгоритма нечеткого вывода способ задания термов может отличаться. Так, например, при построении модели нечеткого логического регулятора по алгоритму Мамдани, найденные разности определяют синглтоны — нечеткие аналоги четких чисел (в этом случае степени принадлежностей для всех элементов универсального множества равны нулю, за исключением одного со степенью принадлежности, равной единице). В случае же использования, например, алгоритма Сугено, найденные разности задают функции-константы, в которых все коэффициенты при входных переменных равны нулю;

5. построить базы нечетких правил для каждого терма входной переменной xi=x, соответствующей входному сигналу (для однозначной статической характеристики), либо для каждой пары входных переменных xi=x и x2=dx/dt, соответствующих входному сигналу и его производной (для неоднозначной статической характеристики), и терму выходной переменной y-U, отвечающую следующему правилу нечеткой продукции:

If (х is «А») then (U is «С»);

(If(x is «А») and (dx/dt is «В») then (U is «С»)). ( >

В случае если в базе нечетких правил обнаруживается пара правил, имеющих эквивалентную продукцию, а термы входной переменной заданы таким образом, что носитель Соответствующего терм-множества в одном правиле включает носитель терм-множества в другом правиле, то правило, в котором используется терм, задающий более «узкое» терм-множество, исключается из базы.

Так как в правилах нечетких продукций в качестве логической связки для подусловий (в случае неоднозначной нелинейности) применяется только нечеткая конъюнкция (операция «И» (and)), то в качестве метода агрегирования следует использовать операцию max - максимум. На нечеткую импликацию ограничений не накладывается; например, ее можно проводить с использованием метода min - минимум. Дефаззификацию рекомендуется проводить методом центра тяжести (взвешенное среднее);

на шестом этапе проводится проверка адекватности полученной модели. Если качество компенсации нелинейности системы неудовлетворительное, следует повторить пятый этап метода, увеличив число терм-множеств входных переменных при построении модели нечеткого логического регулятора по предлагаемому алгоритму;

на седьмом этапе осуществляется техническая реализация нечеткого логического регулятора. При выборе аппаратной базы следует, прежде всего, руководствоваться соображениями экономичности, т.к. модель, построенная по предлагаемому методу, может быть реализована практически на любой аппаратной базе с общепромышленным управляемым контроллером.

Для придания свойств адаптивности нечеткому логическому регулятору предложено ввести в корректируемую систему измеритель рассогласования, с выхода которого управляющий сигнал при увеличении рассогласования до неприемлемого уровня подается на подпрограмму коррекции. Подпрограмма корректирует базу нечетких правил, минимизируя величину рассогласования. После этого производится настройка нечеткого логического регулятора в соответствии со вновь сформированной базой правил.

Таким образом, будет обеспечиваться непрерывный контроль качества процесса компенсации, и осуществляться автоматическая подстройка нечеткого логического регулятора при изменении параметров корректируемой системы или уровня внешних воздействий.

Проверка эффективности предлагаемого метода была осуществлена в среде инженерных вычислений Matlab пакет Simulink и Fuzzy Logic. В качестве примера на рис. 1 приведен вид функций принадлежности входного сигнала при компенсации нелинейного элемента типа зона нечувствительности с погрешностью в области малых сигналов.

Рисунок ] - Распределение функций принадлежности входного сигнала нечеткого логического регулятора: х - входной сигнал; ц(х) - степень принадлежности входного

сигнала

Термы выходной переменной блока дефаззификации имеют следующие значения:

U={bos, sos, mos, п, mps, sps, bps}={-0375, -0.3344, -0.2837, 0, 0.2837,0.3344,

0.375}.

x

-0.15 -0.1 -0.05 0 0Л5 0.1 0.15

Таблица правил нечеткого логического регулятора: 1. If (х is bos) then (U is bos); 1. If (x is sos) then (U is sos);

3. If (x is mos) then (Uis mos);

4. If(x is n) then (U is n);

5. lf(x is mps) then (U is mps);

6. If (x is sps) then (U is sps);

7. lf(x is bps) then (U is bps).

Рисунок 2 - Графики переходных процессов входного и выходного сигналов корректируемой системы при подаче на вход системы г=1 рад. и частотой 1 рад/с.: 1 - классическое корректирующие устройство; 2-е нечетким логическим регулятором;

3 - входной сигнал

На рис. 2 представлены результаты моделирования системы с нечетким логическим регулятором и классическим нелинейным корректирующим устройством.

Нечеткие логические регуляторы, построенные по предлагаемому методу, целесообразно использовать для компенсации нелинейностей при отклонении параметров нелинейности до 30%, при этом обеспечивается допустимая величина ошибки компенсации. Разработанный метод синтеза нечеткого логического регулятора позволяет использовать его в качестве устройства, компенсирующего влияние нелинейности, обеспечивая при этом адаптивность к изменению параметров нелинейности и уровню внешних воздействий. Проведенные исследования подтверждают эффективность предлагаемого метода.

Автором предложен и рассмотрен способ компенсации естественных нелинейностей с использованием ошибки компенсации, реализованный по следующему алгоритму:

на первом этапе формулируется задача компенсации исследуемой системы (нелинейного элемента) и определяются требования к качеству этой компенсации;

ID

X

с

Рисунок 3 — Структурная схема компенсации при введении компенсирующей связи с нечетким логическим регулятором с подачей сигнала коррекции на вход нелинейности: memory - блок задержки на один расчетный шаг; т - время задержки

на втором этапе, исходя из требований, полученных на предыдущем этапе, определяется способ подачи в исследуемую систему компенсирующего воздействия.

Структурно включение компенсирующего устройства (нечеткого логического регулятора) можно реализовать по двум вариантам:

1. введение компенсирующей связи с нечетким логическим регулятором с подачей сигнала коррекции на вход нелинейного звена (рис. 3);

2. введение компенсирующей связи с нечетким логическим регулятором с подачей сигнала коррекции на выход нелинейного звена.

Для приведенных вариантов схемных решений, как и в предыдущем методе, не указаны аргументы нечеткой логической функции Fmp и соответственно не показаны входные сигналы нечеткого логического регулятора. Выбор конкретных анализируемых сигналов для реализации наиболее эффективной компенсации является отдельной задачей, решение которой зависит от вида нелинейности и технических требований к реализации. Рекомендуемыми сигналами для анализа в случае однозначной нелинейности являются входной сигнал x(t) и сигнал 0(t+т). Для неоднозначных нелинейностей вместо входного сигнала x(t) следует рассматривать производную этого сигнала по времени dx(t)/dt\

на третьем этапе производится выбор рационального варианта схемы компенсации. Предпочтительным является первый вариант. Второй вариант схемы можно также рекомендовать для компенсации нелинейностей типа «насыщение», компенсация которых по первому варианту затруднительна;

на четвертом этапе производится построение модели нечеткого логического регулятора на основе результатов, полученных на предыдущих этапах. Построение модели нечеткого логического регулятора (фаззификации входных переменных, дефаззификации выходной и формирования базы нечетких правил) реализуется в следующей последовательности:

1. формируется распределение термов входного сигнала.

Для обоих вариантов схемных решений распределение входных термов нечеткого логического регулятора одинаково.

При идентификации каждого входного сигнала нечеткого логического регулятора предлагается использовать три функции принадлежности. Такое количество предоставляет возможность однозначного определения нахождения каждого из входных сигналов регулятора в положительной, отрицательной или нулевой области.

Диапазон распределения функций принадлежности для первого входа (сигнал РО+т)) должен быть не меньше предполагаемой ширины зоны нечувствительности, люфта и.т.д., а для второго - предельных значений входного сигнала (при компенсации однозначной нелинейности) или его производной (при компенсации неоднозначной нелинейности). Для компенсации динамических нелинейностей следует выбирать более широкий, симметричный относительно нуля диапазон распределения функций принадлежности первого входа.

Таким образом, для крайних терм-множеств следует выбрать Ъ- и Б-образный вид, для центрального - треугольный как это показано на рис. 4.

р(х),ц(<Ь/Л),цф)

Рисунок 4 - Распределение функций принадлежности входных сигналов нечеткого логического регулятора: х - входной сигнал; сЬ/ск - производная входного сигнала; /?- сигнал /?(Нг); ¡¡(х) - степень принадлежности входного сигнала; р(с1х/Ж) - степень принадлежности производной входного сигнала; цф) - степень принадлежности сигнала /?(Н т)

Терм-множества входных переменных имеют следующие названия: х=/о5, п, ря) — входной сигнал, <ЫЖ={оз, п, ря} - производная входного сигнала, р={о.%, п, ря} - сигнал РО+х), означающие соответственно: о? - «отрицательный сигнал», п - «нулевой сигнал», р5 — «положительный сигнал»;

2. определяются термы выходной переменной, вид которых не зависит от выбранной ранее схемы реализации.

В качестве выходного сигнала используется сигнал, линейный относительно первого (сигнал ^(Нт)) входного сигнала с коэффициентом пропорциональности, равным 1,-1 или 0.

В зависимости от используемого алгоритма нечеткого вывода способ задания термов может отличаться.

В случае использования, например, алгоритма Сугено задаются коэффициенты при входной переменной ß равные соответственно 1, -1 или 0. При построении модели нечеткого логического регулятора по алгоритму Мамда-ни определяют синглтоны.

Тогда выходная лингвистическая переменная U={os, п, ps) имеет три функции принадлежности os,ps и п, описывающие эти линейные зависимости: <м U-[0 -1 0]; п U-[0 0 0]; ps U-[0 1 0];

3. при построении базы нечетких правил (знаний) для каждого терма входных переменных, соответствующему входному сигналу (его производной), сигналу ß(t+т), и терму выходной переменной, строится правило нечеткой продукции вида аналогичному (3). Тогда, в случае компенсации однозначной (неоднозначной) нелинейности:

1. If (х (dx/dt) is os) and (ß is os) then (U is ps);

2. If (x (dx/dt) is os) and (ß is ps) then (U is os);

3. If (x (dx/dt) is ps) and (ß is os) then (U is os);

4. If (x (dx/dt) is ps) and (ß is ps) then (U is ps);

5. If(x (ß is n) or (ß is n) then (U is n);

на пятом этапе проводится проверка адекватности полученной модели. Если качество компенсации нелинейности системы неудовлетворительное, следует уменьшить время задержки т. Но с другой стороны, г связано с расчетным шагом At, должно выполняться условие: т > At. Т.е уменьшение времени задержки приведет к уменьшению расчетного шага, что в свою очередь повлияет на скорость вычислений и быстродействие нечеткого логического регулятора;

на шестом этапе осуществляется техническая реализация нечеткого логического регулятора. При выборе аппаратной базы, как и в первом методе, следует, прежде всего, руководствоваться соображениями экономичности, т.к. модель, построенная по предлагаемому алгоритму, может быть реализована практически на любой аппаратной базе с общепромышленным управляемым контроллером.

Так как в предложенном нечетком логическом регуляторе в качестве одного из входных сигналов используется сигнал ß(t+x)=6(t)+U(t), т.е регулятор отслеживает изменение ошибки компенсации Oft) и минимизирует ее. Таким образом, будет обеспечиваться непрерывный контроль качества процесса компенсации, и осуществляться автоматическая подстройка нечеткого логического регулятора при изменении параметров корректируемой системы или уровня внешних воздействий, т.е. в построенный по данному способу нечеткий логический регулятор изначально заложены адаптивные свойства.

На рис. 5 представлены результаты моделирования системы с нечетким логическим регулятором и классическим нелинейным корректирующим устройством.

Нечеткие логические регуляторы, построенные по предлагаемому способу, можно рекомендовать для компенсации неликейностей при отклонении параметров до 100%, при этом обеспечивается допустимая величина ошибки

компенсации. Однако необходимо отметить, что метод компенсации нели-нейностей по статической характеристике показал лучшие результаты при настройке на заданную нелинейность (АЬ%=0) и в области малых изменений параметров нелинейности. При этом расчетный шаг в обоих случаях был одинаков и составлял /41=0.005 с.

Таким образом, метод компенсации нелинейностей по статической характеристике в идеальном случае можно рекомендовать для нелинейных объектов с незначительно изменяющимися параметрами и в системах, где

Рисунок 5 - Графики переходных процессов входного и выходного сигналов корректируемой системы при подаче на вход системы х=1 рад. и частотой 1 рад/с.: 1 - классическое корректирующие устройство; 2-е нечетким логическим регулятором;

3 - входной сигнал

Способ компенсации нелинейностей с использованием ошибки компенсации следует использовать для нелинейных объектов, параметры которых изменяются во времени и связаны с конструктивными особенностями. Кроме того, плавность и быстрота настройки нечеткого логического регулятора на параметры нелинейности позволяют использовать данный способ не только для коррекции систем, обладающих нелинейностью вследствие износа механизмов или особенности конструкции.

Третья глава посвящена разработке и исследованию следящих систем с нечеткими способами управления.

Предлагается задачу синтеза регуляторов следящих систем перенести в область нечетких отношений. Постановка и решение этой задачи, как и ранее, базируется на принципах нечетких множеств и теореме о нечеткой аппроксимации. Для автоматизации процесса построения базы знаний нечеткого логического регулятора и исключения субъективного фактора предлагается способ построения регулятора, с использованием показателей качества регулирования, включающий в себя следующие этапы:

на первом этапе необходимо сформулировать задачу регулирования исследуемой системы (объекта регулирования) и определить требования к качеству регулирования.

Для этого определяем основную выходную (регулируемую) величину (положение, температура и.т.д.), устанавливаем ограничение на диапазон задающего воздействия;

на втором этапе, исходя из требований, полученных на предыдущем этапе, необходимо выбрать каналы регулирования, определить возможные варианты регулирования (способы подачи управляющих воздействий).

Структурно включение нечеткого логического регулятора (функции) целесообразно реализовать согласно схеме, представленной на рис. 6;

Рисунок 6 - Обобщенная структурная схема следящей системы с нечетким логическим

регулятором: Р - объект регулирования (управления); Fme - нечеткая логическая функция; x.(t) - задающий сигнал (воздействие); у,(1) - измеряемые координаты объекта

регулирования (каналы регулирования);yi(l) - основная регулируемая координата (выходной сигнал системы); S,(l) - ошибки регулирования; dS,(t)/di - производные ошибок регулирования; Ufi) - сигналы управления

на третьем этапе производится выбор рационального варианта регулирования. Увеличение количества каналов (контуров) регулирования в общем случае позволяет улучшить качество управления;

на четвертом этапе производится построение модели нечеткого логического регулятора на основе результатов, полученных на предыдущих этапах. Для построения модели нечеткого логического регулятора (фаззификации входных переменных, дефаззификации выходных и формирования базы нечетких правил) предлагается использовать следующий алгоритм:

1. формируется распределение термов входных сигналов, при этом координатами вершин терм-множеств задающего сигнала будут являться:

- минимальное по модулю положительное значение задающего сигнала;

- минимальное по модулю отрицательное значение задающего сигнала;

- максимальное по модулю положительное значение задающего сигнала;

- максимальное по модулю отрицательное значение задающего сигнала.

Если не планируется расширение диапазона задающего воздействия в сторону малых сигналов, возможно объединение двух центральных функций принадлежности в одну - нулевую. Подобная мера позволит, сократить базу

17

нечетких правил, что, приведет к увеличению быстродействия нечеткого логического регулятора;

2. формируется распределение термов выходных сигналов, при этом количество функций принадлежности выходной переменной по каждому каналу управления определяется из условия: одна выходная функция принадлежности на каждую пару входных, имеющих равные по модулю значения, вершин. В качестве выходного сигнала для всех ранее выбранных каналов управления используется сигнал, образованный полиномом нечеткого логического вывода, включающий ошибку регулирования и производную ошибки регулирования по заданному контуру управления;

3. при построении базы нечетких правил для каждого терма входной переменной x.(t), соответствующей входному сигналу и терму выходной переменной Ut(t), строится правило нечеткой продукции вида аналогичному (3).

if (xzis «А») then (Ui is «С/») (Uj is «C2»)...(Uiis «С,»); (4)

4. рекомендации по нахождению коэффициентов полиномов нечеткого логического вывода при выходных термах:

- на первом этапе следует определить коэффициент, учитывающий ошибку регулирования, при этом коэффициент полинома при производной ошибки регулирования выводится в ноль. Итеративно увеличиваем коэффициент до тех пор, пока выбранный на первом этапе реализации способа интегральный показатель качества не будет минимально возможным;

- на втором этапе осуществляют подбор коэффициента полинома при производной ошибки регулирования. Как и ранее, итеративно увеличивают коэффициент, пока ошибка регулирования и перерегулирование не будут соответствовать заданным требованиям;

на пятом этапе проводится проверка адекватности полученной модели нечеткого логического регулятора;

на шестом этапе осуществляется техническая реализация нечеткого логического регулятора. При выборе аппаратной базы, как и ранее, следует, прежде всего, руководствоваться соображениями экономичности.

Оценка эффективности предлагаемого способа была осуществлена на примере следящего электропривода с двигателем постоянного тока независимого возбуждения.

В качестве модели двигателя постоянного тока независимого возбуждения была выбрана модель из пакета SimPowerSystems среды Matlab, которая наиболее полно отражает характеристики реального двигателя. Моделирование следящего электропривода осуществлялось в пакетах Simulink и Fuzzy Logic. На рис. 7 представлена структурная схема нечеткого следящего электропривода с двигателем постоянного тока независимого возбуждения.

Для выходной лингвистической переменной Up={obs, bs, ss, ms, ns, n}: obs Up - [0 455 0.8 0 0 0]; bsUp-[Q 271 0.8000]; is Up - [0 223 0.8 0 0 0]; ms Up - [0 167 0.8 0 0 0];

ns Up- [0 150 0.8 0 0 0]; nUp-[0 138 0.8 0 0 0].

Для выходной лингвистической переменной U/. U U,-[0 0 0 188.088 3 0].

В соответствии с рисунком имеем:

sp(t)=x2(t)-m 5,{t) = Up{t)-co{t);

обозначениям, приведенным на рис. 7 соответствуют: xz(t) - задающий сигнал системы; I(t) - ток якорной цепи двигателя, А; a(t) - скорость двигателя, рад/с; p(t) - угол поворота (основная выходная координата системы), рад; Up(t) - сигнал управления по каналу положения, рад/с; U,(t) - сигнал управления по каналу скорости, В; 0p(t) - ошибка по положению, рад; d0P(t)/dt -производная ошибки по положению; в/t) - ошибка по скорости, рад/с\ dds(t)/dt — производная ошибки по скорости; RMS(6p(t)) — среднее квадратичное отклонение выходного ç(t) сигнала системы от входного xz(t). База нечетких правил нечеткого логического регулятора:

1. If (х, is «п») theri (Up is «obs») (Us is «U»);

2. If (x, is «nos») then (Up is «bs») (U¡ is «U»);

3. If (хг is «rtps») then (Up is «bs») (Us is «U»);

4. If (x, is «mos») then (Up is «ss») (Us is «U»);

5. If (xzis «mps») then (Upis «ss») (Usis «U»);

6. lf(xz is «sos») then (Up is «ms») (U, is «U»);

7. If (xz is «sps») then (Up is «ms») (U, is «U»);

8. If (xz is «bos») then (Up is «ns») (Us is «U»);

9. lf(xz is «bps») then (Up is «ns») (U¡ is «U»);

10. If (хг is «obos») then (Up is «n») (Us is «U»); 11 .If (xzis «obps») then (Up is «n») (U, is « U»),

Распределение функций принадлежности входного сигнала нечеткого логического регулятора показано на рис. 8.

Рисунок 8 - Распределение функций принадлежности входного (задающего) сигнала нечеткого логического регулятора: х: - входной сигнал; - степень принадлежности

входного сигнала

На рис. 9 представлены результаты моделирования переходных процессов полученной интеллектуальной следящей системы управления в области средних перемещений с нечетким логическим регулятором и классическим регулированием для позиционного режима.

Рисунок 9 - Графики переходных процессов по положению и производной ошибки по положению при подаче на вход системы л:г=0.02:1 - система с классическими регуляторами; 2 — система с нечетким логическим регулятором

В интеллектуальной следящей системе с нечетким логическим регулятором (рис. 7), по сравнению с классической системой регулирования, среднее квадратичное отклонение 1Ш8(вр(1)) выходной величины (угла поворота, <р(1)) от входной (задающего сигнала, х/1)) в области малых перемещений для следящего режима в 2.16 раза меньше. Для режима позиционирования 1(М8(вр(ф соответственно в 1.24 раза меньше, время переходного процесса при этом в 2 раза меньше.

В области средних перемещений для следящего режима RMS(Qp(t)) в 1.45 раза меньше. Для режима позиционирования RMS(Op(t)) в 1.02 раза меньше, время переходного процесса в 1.83 раза.

В области больших перемещений для следящего режима RMS(Op(t)) улучшение показателей незначительно.

Положительный эффект от применения нечеткого логического регулятора в области больших перемещений будет проявляться за счет снижения величины перерегулирования. Так, например, при сигнале задания x:{t)=l перерегулирование в интеллектуальной системе составило 0.25%, а в классической 1.25%.

В четвертой главе рассматривается программно-аппаратная реализация нечеткой следящей системы управления, а также проводится экспериментальное исследование разработанной следящей системы с нечеткими алгоритмами управления.

Система, реализующая нечеткое регулирование, функционально состоит из программной и аппаратной платформ.

Программная платформа:

- операционная система Windows ХР SP3;

- пакет STEP 7-Micro/WTN32 V4.0, позволяющий программировать все центральные процессоры семейства S7-200;

- среда инженерных вычислений Matlab 7.0.4, FuzzyLogic Toolbox for MatLab, необходима для генерации исходного файла, содержащего всю информацию о процедуре нечеткого вывода.

Аппаратная платформа:

- ПЭВМ на базе PENTIUM 1У-1.6Гщ, 512Мб оперативной памяти;

- SIMATIC S7-200, компактный программируемый контроллер стандартного исполнения для общепромышленного применения, на базе центрального процессора высокой производительности CPU-224XP. Контроллер содержит 14 дискретных входов, 10 дискретных выходов, 2 аналоговых входа и 1 аналоговый выход, два встроенных порта RS 485, возможно подключение до 7 модулей расширения. Мощные коммуникационные возможности: работа в сетях Industrial Ethernet, PROFIBUS-DP и AS-Intrface, связь через PPI и MPI, модемная связь, использование свободно программируемых протоколов. Поддержка ГГ-технологий;

- аналоговый вычислительный комплекс АВК-б, используемый в качестве низкочастотного задатчика по положению;

- лабораторный стенд «Основы электропривода и преобразовательной техники» НТЦ-17.000, включающий в себя двухдвигательный электромашинный агрегат, в состав которого входят: асинхронный двигатель с корот-козамкнутым ротором, двигатель постоянного тока, импульсный датчик положения. Кроме того, были задействованы контуры управления по скорости и положению следящей системы, трехфазный управляемый выпрямитель (для режима позиционирования), инвертор на базе интеллектуального силового модуля (IPM) на IGBT-транзисторах - Mitsubishi Electric ASIPM

РЙ11033, широтно-импульсные преобразователя (для режима слежения), выполненные на элементной базе инвертора, блок измерений.

На рис. 10 представлены осциллограммы переходных процессов для следящего режима.

Рисунок 10-Осциллограммы переходных процессов при подаче на вход системы и частотой 2 рад/с.: <р - положение, со - скорость, 1 - ток, вр - ошибка по положению

Вычисление дополнительной информации, такой как: 0^) ошибка по положению, производная ошибки по положению, 6,(1) ошибка по

скорости, (1вь(1)/й1 производная ошибки по скорости, производилось средствами программируемого контроллера, в реальном масштабе времени.

Сравнительный анализ результатов моделирования и экспериментальных исследований показывает адекватность предложенных теоретических решений и подтверждает правомерность использования разработанных моделей.

Заключение

1. Обоснована целесообразность использования нечеткого логического регулятора для компенсации сопутствующих нелинейностей в каналах управления следящего электропривода и систем управления с целью улучшения их динамических и статических характеристик.

2. Разработаны метод и способ компенсации сопутствующих нелинейностей в автоматических системах управления, на основе статической характеристики и ошибки компенсации рассматриваемой нелинейности.

3. Показано, что нечеткие логические регуляторы, синтезированные по предложенному методу и способу, обладают некоторыми адаптивными свойствами.

4. Обоснована целесообразность, разработаны способ и приведены рекомендации для построения нечетких следящих и позиционных систем управления, заключающиеся в комплексном использовании нечеткого логического регулятора в каналах управления, что обеспечивает расширение функциональных возможностей систем и позволяет улучшить их статические и динамические характеристики.

5. Показано, что применение интеллектуальной следящей системы автоматического управления электроприводом позволило уменьшить среднее квадратичное отклонение по сравнению с классическими системами в области средних изменений выходной координаты для следящего режима в 1.45 раза, для режима позиционирования в 1.02 раза, при повышении быстродействия системы в 1.83 раза.

6. Полученные результаты могут быть применены к системам управления технологическим» объектами, к которым предъявляются такие же требования, как и к следящим электроприводам.

Публикации автора по теме диссертации

1. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2003612124. Программа оптимизации распределения функций принадлежности нечеткого регулятора при заданных показателях качества системы управления./ В.А. Соловьев, С.П. Черный, A.C. Гудим. 11.09.2003.

2. Черный, С.П. Разработка рационального алгоритма синтеза основных параметров нечеткого логического регулятора./ A.C. Гудим - ГОУВПО КнАГ-ТУ: Научно-техническое творчество аспирантов и студентов: материалы 33-й научно-технической конференции аспирантов и студентов ч1, 2003. - 86-87с.

3. Горячев, В.Ф. Идентификация нестационарного динамического объекта автоматизации./ A.C. Гудим - ГОУВПО КнАГТУ: Научно-техническое творчество аспирантов и студентов: материалы 34-й научно-технической конференции аспирантов и студентов ч2,2004. - 80-83с.

4. Соловьев, В.А. Нечеткие компенсирующие устройства нелинейностей статического и динамического видаУ A.C. Гудим, В.Ф. Горячев - ГОУВПО КнАГТУ: Научно-техническое творчество аспирантов и студентов: материалы 35-й научно-технической конференции аспирантов и студентов ч1, 2005. -114-115с.

5. Гудим, A.C. Нечеткие алгоритмы компенсации нелинейностей САУ./ В.А. Соловьев, И.В. Зайченко - АмГУ: Информатика и системы управления, 2005.-89-101с.

6. Соловьев, В.А. Компенсация возмущений в электроприводе с периодической нагрузкой./ A.C. Гудим, В.Ф. Горячев - ГОУВПО КнАГТУ: Научно-техническое творчество аспирантов и студентов: материалы 36-й научно-технической конференции аспирантов и студентов ч1,2006. - 114-115с.

9/

7. Пат. №2285282 Государственный реестр изобретений РФ. Устройство для определения частотных характеристик функционирующих объектов./ В.Ф. Горячев, A.C. Гудим. Опубликовано: 10.10.2006 Бюл. №28.

8. Пат. №2289154 Государственный реестр изобретений РФ. Способ автоматического управления и следящая система для его осуществления./ В.Ф. Горячев, A.C. Гудим, И.В. Зайченко, В.А. Соловьев. Опубликовано: 10.12.2006 Бюл. №34.

9. Соловьев, В.А. Разработка интеллектуальной следящей системы управления электроприводом./ A.C. Гудим, Е.Д. Петренко, С.П. Черный - ГОУВПО КнАГТУ: Научно-техническое творчество аспирантов и студентов: материалы 37-й научно-технической конференции аспирантов и студентов ч1, 2007. -79-80с.

10. Соловьев, В.А. Интеллектуальная следящая система управления электроприводом./ A.C. Гудим, Е.Д. Петренко, С.П. Черный - ТПУ: Международная научно-техническая конференция «Электромеханические преобразователи энергии», 2007. - 184-186с.

11. Назаренко, C.B. Система управления следящим электроприводом на базе мягких вычислений./ A.C. Гудим, Е.Д. Петренко, С.П. Черный - ГОУВПО КнАГТУ: Научно-техническое творчество аспирантов и студентов: материалы 38-й научно-технической конференции аспирантов и студентов ч1, 2008. — 38-40с.

12. Пат. №2323463 Государственный реестр изобретений РФ. Способ компенсации статических нелинейностей./ В.Ф. Горячев, A.C. Гудим, И.В. Зайченко, В.А. Соловьев. Опубликовано: 27.04.2008 Бюл. №12.

13. Пат. №2296355 Государственный реестр изобретений РФ. Способ автоматического управления и следящая система для его осуществления./ В.Ф. Горячев, A.C. Гудим, И.В. Зайченко, В.А. Соловьев. Опубликовано: 27.03.2007 Бюл. №9.

Подписано в печать 27.05.2009. Формат 60 х 84 1/16. Бумага писчая. Ризограф FR3950EP-a. Усл. печ. л. 1,40. Уч.-изд. л. 1,35. Тираж 100. Заказ 22489.

Полиграфическая лаборатория Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет» 681013, Комсомолск-на-Амуре, пр. Ленина,27

ВВЕДЕНИЕ.

1 Анализ существующих способов и методов, повышающих быстродействие и точность следящих систем.

1.1 Параметры следящих систем, препятствующие достижению предельных динамических и точностных показателей.

1.2 Анализ методов снижающих влияние вредных факторов на быстродействие и точность следящих систем.

1.2.1 Методы повышения порядка астатизма, основанные на непосредственном введении интегрирующих звеньев в прямую цепь системы.

1.2.2 Косвенные методы повышения порядка астатизма следящих систем.

1.2.3 Повышение динамической точности следящих систем введением связей по управляющему и возмущающим воздействиям.

1.2.4 Способы компенсации сопутствующих нелинейностей.

1.3 Применение продукционных моделей в системах управления.

Выводы по первой главе.

2 Разработка методов и способов компенсации нелинейностей следящих систем, на основе нечеткого подхода.

2.1 Метод компенсации естественных нелинейностей с использованием статических характеристик нелинейностей.

2.2 Проверка эффективности предлагаемого метода на примере компенсации нелинейности с использованием ее статической характеристики.

2.3 Способ компенсации естественных нелинейностей с использованием ошибки компенсации.

2.4 Проверка эффективности предлагаемого способа на примере компенсации нелинейности с использованием ошибки компенсации.

Выводы по второй главе.

3 Разработка и исследование следящих систем с нечеткими принципами 90 управления.

3.1 Разработка и исследование следящих систем с нечеткими логическими регуляторами.

3.2 Проверка эффективности предлагаемого способа на примере следящего электропривода с двигателем постоянного тока независимого возбуждения.

3.3 Проверка эффективности предлагаемого способа на примере следящего электропривода с двигателем постоянного тока независимого возбуждения в режиме позиционирования.

Выводы по третьей главе.

4 Экспериментальное обследование разработанной следящей системы с нечеткими алгоритмами управления. Аппаратная реализация нечеткой следящей системы управления.

Выводы по четвертой главе.

Актуальность работы: следящие системы являются основой функционирования большого числа технических установок, используемых в различных сферах промышленности. К следящим системам относятся: приводы систем автоматического сопровождения, пусковых устройств, рулевые и приборные приводы и т.д.

Повышение качества регулирования и улучшение технико-экономических показателей подобных производственных установок требует постоянного совершенствования систем управления процессами, происходящими в них.

Применимость следящего привода в том или другом конкретном случае зависит от того, насколько система удовлетворяет ряду предъявляемых к ней требований. К основным показателям качества регулирования прежде всего относят: устойчивость работы системы, время переходного процесса, число колебаний, диапазон регулирования, точность - статическая ошибка и максимальная динамическая ошибка. Кроме того, на точность работы системы, в значительной степени, оказывают влияние различные нелинейности в каналах управления, и решение этой проблемы, как правило, является достаточно сложной задачей. Данной тематике посвящен ряд работ: Н.И. Соколова, Л.Г. Кинга, М.В. Меерова, В.А. Бондера, Е.И. Хлыпало, Б.К. Чемоданова, Н.М. Якименко, А.В. Зимина и других.

Совершенствование отдельных узлов и элементов систем управления не всегда благоприятно сказывается на качестве характеристик следящего электропривода в целом, что обусловлено как ограничениями, накладываемыми на элементы системы управления, так и спецификой функционирования самого объекта регулирования. Следовательно, задачу улучшения технических характеристик следящих электроприводов необходимо решать с использованием новых способов построения систем управления. Такие способы позволят существенно снизить влияние ограничений и обеспечить улучшение основных характеристик следящих систем. Удовлетворение постоянно растущих требований к быстродействию и точности таких объектов может быть реализовано с использованием интеллектуальных систем управления. Поэтому в работе поставлена задача улучшения основных характеристик следящих электроприводов за счет повышения эффективности, надежности и расширения функциональных возможностей систем управления.

Нечеткие системы управления относятся к классу интеллектуальных систем, которые позволяют решить ряд задач по совершенствованию основных характеристик следящих электроприводов. Однако известные примеры использования принципов нечеткого управления ориентированы в основном на разработку и исследование экспертных систем (D. Nguyen, Н. Scharf, N. Mandic, T.J. Procyk, L.A. Zadeh, Д.А. Поспелов, И.З. Батыршин), а работы, связанные с применением этих прпнципов для технических объектов, единичны. Это связано с тем, что математическое описание нечетких систем управления имеет нетрадиционный и в большей степени качественный характер. Существующие модели систем, основанные на теории мягких вычислениях, не в полной мере адаптированы для анализа и синтеза сложных технических объектов.

Использование нечеткого подхода к построению систем управления следящими приводами ограничивается отсутствием методов и способов реализации систем такого типа, поэтому структура работы ориентирована на создание методов и алгоритмов оптимизации распределения функций принадлежности и синтеза базы знаний нечеткого логического регулятора.

Таким образом, проведение исследований для определения возможностей построения нечетких систем управления для обозначенного выше класса объектов является актуальным.

Цель работы: разработка новых принципов построения и выработка мероприятий по совершенствованию систем управления следящими электроприводами, развитие теоретических и прикладных вопросов синтеза нечетких логических регуляторов, с исследованием их динамических и статических характеристик.

Для достижения поставленной цели в диссертации решены следующие задачи:

- проведен анализ существующих принципов улучшения динамической и статической точности следящих систем управления электроприводами и обоснована целесообразность использования в подобных системах аппарата нечетких множеств;

- разработаны метод и способ синтеза нечетких логических регуляторов для компенсации сопутствующих нелинейностей в каналах управления;

- предложен способ построения нечетких следящих систем управления, показана возможность использования их в позиционном режиме;

- получены сравнительные оценки качества управления с нечеткими логическими регуляторами и регуляторами, построенными с использованием классических методов.

- проведены экспериментальные исследования на физическом макете следящего электропривода для доказательства адекватности разработанных моделей нечетких систем управления и правомерности использования полученных теоретических результатов.

Методы исследования: научные исследования диссертационной работы основывались на использовании теории дифференциальных уравнений, включая методы пространства состоянии, операторного метода, математического аппарата теории нечетких множеств, методов современной теории автоматического управления, математического моделирования, и экспериментальных исследований на физической модели.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

1. метод синтеза нечеткого логического регулятора для компенсации нелинейностей, основанный на применении статической характеристики компенсируемой нелинейности в канале управления;

2. способ синтеза нечеткого логического регулятора для компенсации нелннейностей, основанный на применении ошибки компенсации нелинейности;

3. способ построения и структура нечетких следящих систем управления, заключающиеся в комплексном использовании нечеткого логического регулятора в каналах управления;

4. способ построения и структура нечетких позиционных систем управления;

5. комплекс теоретических и экспериментальных исследований, подтверждающих основные теоретические положения, адекватность математических моделей и эффективность предложенных процедур синтеза.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

1. предложен новый метод компенсации естественных сопутствующих однозначных и неоднозначных нелинейностей на основе статической характеристики нелинейности, с использованием мягких вычислений, позволяющий улучшить качество переходных процессов в системах автоматического управления. Предложена оптимизация распределения функций принадлежности и безэкспертное проектирование базы знаний нечеткого логического регулятора в рамках разработанного метода, позволяющая существенно снизить влияние субъективного человеческого фактора на процесс управления;

2. предложен новый способ компенсации естественных сопутствующих однозначных и неоднозначных нелинейностей на основе ошибки компенсации нелинейности с использованием мягких вычислений, позволяющий повысить качество статических и динамических характеристик в системах автоматического управления;

3. обоснован и разработан способ построения нечетких следящих систем управления, заключающиеся в комплексном использовании нечеткого логического регулятора в каналах управления, обеспечивающего расширение функциональных возможностей системы при неотъемлемом улучшении статических и динамических характеристик;

4. результаты моделирования и экспериментальные исследования подтвердили существенные преимущества и эффективность применения нечетких логических регуляторов.

Практическая значимость полученных результатов и выводов обусловлена улучшением статических и динамических характеристик следящих электроприводов и созданием технических средств, достаточных для реализации теоретических положений:

- созданы методики проектирования интеллектуальных систем управления для выделенного класса объектов;

- разработаны нечеткие логические регуляторы, обеспечивающие реализацию различных принципов нечеткого управления и повышение качества регулирования;

- разработаны методики построения нечетких логических регуляторов;

- запатентованы способы автоматического управления и следящие системы, учитывающие разработанные теоретические аспекты.

Реализация работы: разработанные модели и методики синтеза нечетких логических регуляторов переданы в ООО «ЖилТЭК» и «РТРС ДВРЦ центр телерадиовещания и спутниковой связи г.Комсомольска-на-Амуре» для использования в работах по модернизации систем управления технологическим оборудованием.

Материалы диссертации, касающиеся математических моделей нечетких систем управления, методов синтеза нечетких регуляторов, используются в учебных дисциплинах «Искусственный интеллект в задачах управления», «Интеллектуальные системы управления в электроприводах» для студентов специальностей 220201, 140604 ГОУВПО «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет». Акты использования и внедрения результатов работы прилагаются.

Апробация работы: основные положения и результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на:

- международной научно-технической конференции «Электромеханические преобразователи энергии», ТПУ, 2007г;

- научно-технических конференциях аспирантов и студентов «Научно-техническое творчество аспирантов и студентов», КнАГТУ, 2003-2008г.

Публикации: по теме диссертации опубликовано 13 работ. Из них 4 патента РФ, 1 свидетельство о регистрации программы для ЭВМ, 7 публикаций тезисов докладов и 1 статья из списка изданий, рекомендованных ВАК.

Структура диссертации: работа состоит из введения, четырех глав, заключения, изложенных на 147 страницах машинописного текста, иллюстрированных 87 рисунками и 6 таблицами, списка использованных источников из 87 наименований и приложений, в которых представлены три акта о внедрении результатов диссертации, результаты моделирования и экспериментальных исследований.

Выводы по четвертой главе:

1. Выполнена программно-аппаратная реализация нечеткого регулятора, обеспечивающая его эффективное функционирование в системе автоматического управления электроприводом, как в следящем, так и позиционном режимах.

2. Полученные экспериментальные характеристики процесса управления следящим электроприводом подтверждают адекватность моделирования и управляющих алгоритмов.

3. Разработанная интеллектуальная система управления с нечетким логическим регулятором реализована на основе стандартного общепромышленного программируемого контроллера и программного обеспечения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Обоснована целесообразность использования нечеткого логического регулятора для компенсации сопутствующих нелинейностей в каналах управления следящего электропривода и систем управления с целью улучшения их динамических и статических характеристик.

2. Разработаны метод и способ компенсации сопутствующих нелинейностей в автоматических системах управления, на основе статической характеристики и ошибки компенсации рассматриваемой нелинейности.

3. Показано, что нечеткие логические регуляторы, синтезированные по предложенному методу и способу, обладают некоторыми адаптивными свойствами.

4. Обоснована целесообразность, разработаны способ и приведены рекомендации для построения нечетких следящих и позиционных систем управления, заключающиеся в комплексном использовании нечеткого логического регулятора в каналах управления, что обеспечивает расширение функциональных возможностей систем и позволяет улучшить их статические и динамические характеристики.

5. Показано, что применение интеллектуальной следящей системы автоматического управления электроприводом позволило уменьшить среднее квадратичное отклонение по сравнению с классическими системами в области средних изменении выходной координаты для следящего режима в 1.45 раза, для режима позиционирования в 1.02 раза, при повышении быстродействия системы в 1.83 раза.

6. Полученные результаты могут быть применены к системам управления технологическими объектами, к которым предъявляются такие же требования, как и к следящим электроприводам.

1. Чемоданов, Б.К. Теория и проектирование следящих приводов./ Е.С. Блейз, А.В. Зимин, Е.С. Иванов и д.р. -М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1999. 904с.

2. Солодовников, В.В. Статистическая динамика линейных систем автоматического управления. -М.: Физматгиз, 1969. — 655с.

3. Якименко, Н.М. Динамика электромашинных следящих систем. М.: Энергия, 1967.-408с.

4. Солодовников, В.В. Основы автоматического управления. М.: Машгиз, 1963.-569с.

5. Гитис, Э.И. Автоматика радиоустановок. — М.: Энергия, 1964. 632с.

6. Жиль, Ж. Теория и техника следящих систем./ М. Пелегрен, П. Декольн. -М.: Машгиз, 1961. 804с.

7. Хлыпало, Е.И. Расчет и проектирование нелинейных корректирующих устройств в автоматических системах. — Л.: Энергоиздат, 1982. — 272с.

8. Каплан, В.Н. Аналитическая теория непрерывных линейных систем./ К.А. Пупков, В.Д. Юрасов М.: МИЭМ, 1975. - 235с.

9. Пупков, К.А. Функциональные ряды в теории нелинейных систем./ В.Н. Каплан, А.С. Ющенко М.: Наука, 1976. - 448с.

10. Рабинович, Л.В. Проектирование следящих систем. -М.: Машиностроение, 1969-496с.

11. Лакота, Н.А. Проектирование следящих систем. Физические и методические основы. -М.: Машиностроение, 1992 352с.

12. Заде, Л.А. Понятие лингвистической переменной и его применение к принятию приближенных решений. -М.: Мир, 1976. 165с.

13. Штовба, С.Д. Введение в теорию нечетких множеств и нечеткую логику. -Винница: Континент-ПРИМ, 1997-246с.

14. Поспелов, Д.А. Логико-лингвистические методы в системах управления. -М.: Энергоатомиздат, 1981. 190с.

15. Дюбуа, Д. Теория возможностей. Приложения к представлению знаний в информатике./ А. Прад-М: Радио и связь, 1990. 288с.

16. Потемкин, В. Вычисления в среде MATLAB. М.: Диалог-МИФИ, 2004. -720с.

17. Черных, И. Simulink: среда создания июкенерных приложений. М.: Диалог-МИФИ, 2004. -491с.

18. Поршнев, С. Компьютерное моделирование физических процессов в пакете MATLAB. М.: Горячая Линия-Телеком, 2003. - 592с.

19. Леоненков, А. Нечеткое моделирование в среде MATLAB и fuzzy TECH. -СПб.: БХВ-Петербург, 2005. 736с.

20. Потемкин, В. MATLAB 6: Среда проектирования инженерных приложений. -М.: Диалог-МИФИ, 2003. -448с.

21. Гультяев, А. Визуальное моделирование в среде MATLAB. СПб: Питер, 2000. - 432с.

22. Дьяконов, В. MATLAB 6/6.1/6.5 + Simulink 4/5. Основы применения. Полное руководство пользователя. М.: Солон-Пресс, 2004. - 768с.

23. Кондратов, В. Matlab как система программирования научно-технических расчетов./ С. Королев М.: Мир, 2002. - 350с.

24. Zadeh, L. The role of fuzzy logic in the management of uncertainty in expert systems. Fuzzy Sets a. Systems. Perg. Press.: Automation Vol.11, N 3, 1983. c. 199227.

25. Braee, M. Theoretical and Linguistic Aspect of the Fuzzy Logic Controller./ D.A. Rutherford Perg. Press.: Automation Vol. 12, 1979. - 553-557c.

26. Procyk, T.J A Linguistic Self-Organizing Process Controller./ E.H. Mamdani -Perg. Press.: Automation Vol.15, 1979. 15-30c.

27. Nguyen, D. Neural Networks for Self-Learning Control Systems. -IEEE.: Control Systems Vol.10, 1990. 18-23c.

28. Scharf, H. A self-organizing algorithm for the control of a robot arm./N. Mandic, E.H. Mamdani -Int. J.: Robotics and Automation Vol. 1, №1, 1986. 33-41c.

29. Бронштейн, И.Н. Справочник по математике для инженеров и учащихся вузов./ К.А. Семендяев М.: Наука, 1986. - 544с.

30. Пат. №2110826 Государственный реестр изобретений РФ, 1990.

31. Тэрано, К. Прикладные нечеткие системы./ К. Асан, М. Сугэно М.: Мир, 1993.-368с.

32. Бесекерский, В.А. Проектирование следящих систем малой мощности. М.: Судпромгиз, 1958.-452с.

33. Башарин, А.В. Управление электроприводами./В.А. Новиков, Г.Г. Соколовский JL: Энергоиздат, 1982. - 392с.

34. Гарнов, В.К. Унифицированные системы автоуправления электроприводом в металлургии./ В.Б. Рабинович, JI.M. Вишневецкий М.: Металлургия, 1977. -192с.

35. Красовский, А.А. Некоторые актуальные проблемы науки управления. -Изв. РАН: Теория и системы управления, 1996. 8-16с.

36. Mamdani, Е.Н. Advances in the Linguistic Synthesis of Fuzzy Controller. Int. J: Man-Machine Studies Vol.8, 1976. - 669-678c.

37. Аверкин, A.H. Нечеткие множества в моделях управления и искусственного интеллекта./ И.З. Батыршин, А.Ф. Блишун, В.Б. Силов, В.Б. Тарасов М.: Наука, 1986.-312с.

38. Кудинов, Ю.И. Нечеткие системы управления. — М.: Техническая кибернетика № 5, 1990. 196-206с.

39. Алиев, Р.А. Управление производством при нечеткой исходной информации./ А.Э. Церковный, Г.А. Мамедова-М.: Энергоатомиздат, 1991. -240с.

40. Ларичев, О.И. Качественные методы принятия решений. Вербальный анализ решений./ Е.М. Мошкович М.: Наука. Физматлит, 1996. - 208с.

41. Мелихов, А.Н. Ситуационные советующие системы с нечеткой логикой./ Л.С. Берштейн, С.Я. Коровин М.: Наука, 1990. - 272с.

42. Блишун, А.Ф. Обоснование операций теории нечетких множеств. Нетрадиционные модели и системы с нечеткими знаниями./ С.Ю. Знатнов М.: Энергоатомиздат, 1991. -21-ЗЗс.

43. Первозванский, А.А. Курс теории автоматического управления. М.: Наука, 1986.-616с.

44. Захаров, В.Н. Искусственный интеллект. Программные и аппаратные средства: справочник./ В.Ф. Хорошевский М.: Радио и связь, 1990. - 368с.

45. Бесекерский, В.А. Теория систем автоматического регулирования./ Е.П. Попов М: Наука, 1972. - 768с.

46. Иващенко, Н.Н. Автоматическое регулирование. Теория и элементы систем. М.: Машиностроение, 1978. - 736с.

47. Воронов, А.А. Основы теории автоматического управления. М.: Энергия ч. 1, 1965. -395с.

48. Воронов, А.А. Основы теории автоматического управления. М.: Энергия ч.2, 1966.-372с.

49. Калман, Р. Очерки по математической теории систем./ П. Фалб, М. Арбиб -М.: Мир, 1971.-400с.

50. Поспелов, Д.А. Ситуационное управление: теория и практика. М.: Наука, 1986.-288с.

51. Орлов, А.И. Задачи оптимизации и нечеткие переменные. М.: Знание, 1980. - 64с.

52. Ивашко, В.Г. Оценки правдоподобия в продукционных экспертных системах. Экспертные системы: состояние и перспективы./ С.О. Кузнецов — М.: Наука, 1989.-92-103с.

53. Кандрашина, Е.Ю. Представление знаний о времени и пространстве в интеллектуальных системах./ JI.B. Литвинцева, Д.А. Поспелов М.: Наука. -1989.-328с.

54. Ларичев, О.И. Выявление экспертных знаний./ А.И. Мечитов, Е.М. Мошко-вич, Е.М. Фуремс -М.: Наука, 1989. 128с.

55. Литвак, Б.Г. Экспертная информация. Методы получения и анализа. — М.: Радио и связь, 1982. 184с.

56. Орловский, С.А. Проблемы принятия решений при нечеткой информации. -М.: Наука, 1981.-206с.

57. Уотермен, Д. Руководство по экспертным системам. М: Мир, 1989. - 388с.

58. Ежова, И.В. Принятие решений при нечетких основаниях. Универсальная шкала./ Д.А. Поспелов М.: Техническая кибернетика №6, 1977. - 3-11с.

59. Слежановский, О.В. Реверсивный электропривод постоянного тока. — М.: Металлургия, 1967. 423с.

60. Решмин, Б.И. Проектирование и наладка систем подчиненного регулирования электроприводов./ Д.С. Ямпольский М.: Энергия, 1975. - 183с.

61. Барышников, В.Д. Построение систем автоматизированного электропривода с тиристорными преобразователями./ Г.Г. Соколовский, В.А. Новиков — Л.: ЛДНТП, 1968.-38с.

62. Постников, И.М. Обобщенная теория и переходные процессы электрических машин. Учебник для вузов, изд. 2-е. М.: Высшая школа, 1975.319с.

63. Копылов, И.П. Математическое моделирование электрических машин. Учебник для вузов, изд. 2-е. М.: Высшая школа, 1994. - 318с.

64. Сипайлов, Г.А. Математическое моделирование электрических машин./ А.В. Лоос -М.: Высшая школа, 1980. 176с.

65. Вольдек, А. И. Электрические машины. Л.: Энергия, 1974. - 840с.

66. Дьяконов, В.Математические пакеты расширения MATLAB: Специальный справочник./ В. Круглов СПб.: Питер, 2001. - 480с.

67. Официальный сайт компании SoftLine. http://www.matlab.ru.

68. Зайцев, Г.Ф. Компенсация естественных нелинейностей автоматических систем./ В.К. Стеклов М.: Энергоиздат, 1982. — 96с.

69. Соколова, Н.В. Синтез нелинейных корректирующих устройств./ В.Т. Ша-роватов — Л: Энергоатомиздат, 1985. 112с.

70. Хлыпало, Е.И. Нелинейные корректирующие устройства в автоматических системах. Учебник для вузов. Л.: Энергия, 1973. - 344с.

71. Владыко, А.Г. К вопросу синтеза нечетких регуляторов систем электропривода подач. Нелинейная динамика, фракталы и нейронные сети в управлениитехнологическими системами./ Ю.Г. Кабалдин, В.А. Соловьев, С.П. Черный -Владивосток: Дальнаука, 2001. -205с.

72. Программируемые контроллеры S7-200. http://www.siemens.coin/automation/ /simatic/ftp/st70/html00/st70k2e.pdf.

73. Программируемые контроллеры SIMATIC. http://www.siemens.ru.

74. Демонстрационные программы для программируемых контроллеров SIMATIC. http://wvvw.siemens.com/sidemo.

75. Программируемые контроллеры S7-200. http://www.automation-drives.ru/s7-200.

76. ПУБЛИКАЦИИ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

77. Горячев, В.Ф. Идентификация нестационарного динамического объекта автоматизации./ А.С. Гудим ГОУВПО КнАГТУ: Научно-техническое творчество аспирантов и студентов: материалы 34-й научно-технической конференции аспирантов и студентов ч2, 2004. - 80-83с.

78. Гудим, А.С. Нечеткие алгоритмы компенсации нелинейностей САУ./ В.А. Соловьев, И.В. Зайченко АмГУ: Информатика и системы управления, 2005. - 89-101с.

79. Пат. №2285282 Государственный реестр изобретений РФ. Устройство для определения частотных характеристик функционирующих объектов./ В.Ф. Горячев, А.С. Гудим. Опубликовано: 10.10.2006 Бюл. №28.

80. Пат. №2289154 Государственный реестр изобретений РФ. Способ автоматического управления и следящая система для его осуществления./ В.Ф. Горячев,

81. A.С. Гудим, И.В. Зайченко, В.А. Соловьев. Опубликовано: 10.12.2006 Бюл. №34.

82. Соловьев, В.А. Интеллектуальная следящая система управления электроприводом./ А.С. Гудим, Е.Д. Петренко, С.П. Черный — ТПУ: Международная научно-техническая конференция «Электромеханические преобразователи энергии», 2007. 184-186с.

83. Пат. №2323463 Государственный реестр изобретений РФ. Способ компенсации статических нелинейностей./ В.Ф. Горячев, А.С. Гудим, И.В. Зайченко,

84. B.А. Соловьев. Опубликовано: 27.04.2008 Бюл. №12.

85. Пат. №2296355 Государственный реестр изобретений РФ. Способ автоматического управления и следящая система для его осуществления./ В.Ф. Горячев, А.С. Гудим, И.В. Зайченко, В.А. Соловьев. Опубликовано: 27.03.2007 Бюл. №9.