Анализ и синтез интеллектуальных систем автоматического управления с нечеткими регуляторами

Применение интеллектуальных технологий обеспечивает решение широкого спектра задач адаптивного управления в условиях неопределенности. При этом программно-аппаратные средства таких систем оказываются простыми и надежными, гарантируют высокое качество управления. Открытость таких технологий позволяет осуществлять интеграцию механизмов прогнозирования событий, обобщение накопленного опыта, алгоритмов самообучения и самодиагностики, тем самым, существенно расширяя диапазон функциональных возможностей интеллектуальных систем. Наличие понятного человеко-машинного интерфейса придает интеллектуальным системам принципиально новые качества, которые позволяют существенно упростить этапы обучения и постановку задач.

Одна из распространенных интеллектуальных технологий, получившая широкое применение и зарекомендовавшая себя как удобный и мощный математический инструмент — это аппарат нечеткой логики (HJI) [1]. Теория нечетких множеств и основанная на ней логика позволяют описывать неточные категории, представления и знания, оперировать ими и делать соответствующие заключения и выводы. Наличие таких возможностей для формирования моделей различных объектов, процессов и явлений на качественном, понятийном уровне определил интерес к организации интеллектуального управления на основе применения данного аппарата.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований [2−6] показывают, что применение технологии HJI позволяет создавать высокоэффективные быстродействующие регуляторы для широкого класса технических систем, используемых в промышленной, военной и бытовой технике, обладающих высокой степенью адаптивности, надежности и качества функционирования в условиях случайных возмущений, неопределенности внешней нагрузки.

На сегодняшний день, данный аппарат считается одним из перспективных инструментов описания частных и нестандартных случаев, возникающих в процессе функционирования системы. Особенность «нечеткого» представления знаний, а также неограниченность количества входных и выходных переменных и количества заложенных правил поведения системы позволяют с помощью данной технологии формировать практически любой закон управления [7], т. е. строить нелинейный регулятор нового типа, что выгодно отличает технологию HJI среди прочих.

Реализованный на данной технологии регулятор будем называть нечетким (HP). В общем случае HP представляет собой частотозависимый нелинейный преобразователь, что естественно вызывает ряд проблем, связанных с исследованием устойчивости и качества управления интеллектуальных систем автоматического управления (ИСАУ) с такими регуляторами.

Наиболее актуальными проблемами, требующими решения и обеспечивающими более широкое применение HP в инженерной практике являются:

— исследование особенностей нелинейного преобразования в HP;

— разработка инженерных методик исследования устойчивости и качества управления ИСАУ с HP;

— разработка методик настройки и синтеза HP;

— создание инструментария, позволяющего автоматизировать процедуру настройки HP.

Предмет исследования — нелинейные преобразования, реализуемые в HP, динамические процессы в ИСАУ с HP, устойчивость и качество управления интеллектуальных систем автоматического управления.

Объект исследования — интеллектуальные системы автоматического управления с нечеткими регуляторами.

Цель работы.

Разработка алгоритмического, программного и аппаратного обеспечения инструментальных средств для исследования и синтеза высококачественных ИСАУ с HP. Для достижения поставленной цели требуется решить следующие задачи:

1. Исследовать особенности влияния параметров HP: числа, вида функций принадлежности (ФП) и базы продукционных правил (БП) на характер осуществляемого им нелинейного преобразования.

2. Разработать на основе известных в ТАУ методов математические модели и соответствующие инженерные методики для исследования периодических процессов, абсолютной устойчивости и качества ИСАУ с HP.

3. Разработать методики синтеза параметров HP по заданным показателям качества ИСАУ.

4. Разработать алгоритм автоматизированного синтеза и настройки параметров HP для обеспечения устойчивости и требуемых показателей качества ИСАУ.

5. Разработать программно-аппаратный комплекс для проектирования ИСАУ с HP.

Методы исследования в данной работе базируются на теории автоматического управления, теории нелинейных систем, методах математического и имитационного' моделирования, графоаналитических методах решения задач, теории нечеткой логики, теории оптимизации и теории генетических алгоритмов.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается теоретическими выкладками, а также результатами численного моделирования и результатами экспериментальных исследований. Результаты моделирования в среде Matlab, экспериментальные исследования системы управления в среде Simulink и на аппаратно-программном комплексе проектирования ИСАУ полностью подтверждают теоретические положения и рекомендации диссертационной работы и позволяют их использовать при проектировании реальных ИСАУ. Основные положения, выносимые на защиту.

1. Результаты исследования особенностей влияния параметров HP (числа, вида ФП и БП) на характер его нелинейных преобразований.

2. Математическая модель для исследования периодических колебаний и качества управления в ИСАУ с HP на основе метода гармонического баланса.

3. Критерии абсолютной устойчивости процессов и положения равновесия ИСАУ с HP.

4. Инженерные методики исследования периодических колебаний, косвенной оценки качества управления и абсолютной устойчивости ИСАУ с HP.

5. Методика синтеза HP ИСАУ с заданным качеством управления.

6. Алгоритм автоматизированного синтеза и настройки параметров HP с помощью генетических алгоритмов.

7. Программно-аппаратный комплекс для проектирования ИСАУ с HP. Научная новизна.

1. Обоснованы зависимости характеристики нелинейного преобразования HP от параметров нечетких вычислений (вида и расположения функций принадлежности, базы продукционных правил).

2. Разработаны математические модели, позволяющие методом гармонического баланса исследовать периодические колебания и качество управления ИСАУ.

3. Разработаны критерии абсолютной устойчивости процессов и положения равновесия в ИСАУ с HP.

4. На базе генетических алгоритмов решена задача автоматизированного синтеза и настройки параметров HP с учетом требуемого качества управления ИСАУ.

Практическая ценность.

1. Разработаны удобные инженерные методики исследования периодических колебаний и косвенной оценки качества управления ИСАУ с HP на основе метода гармонического баланса.

2. Разработаны удобные инженерные методики исследования абсолютной устойчивости процессов и положения равновесия в ИСАУ с HP.

3. Разработана методика автоматизированного синтеза и настройки параметров HP с учетом областей устойчивости и качества ИСАУ.

4. Создан программно-аппаратный комплекс для исследования и проектирования ИСАУ с HP.

5. Результаты диссертационной работы использованы в НИР «Латилус-2» выполняемой по заданию СПП при Президиуме РАН, «Поисковые исследования и разработка интеллектуальных методов прецизионного управления исполнительными устройствами перспективных образцов ВВТ». В частности.

— Показано, что применение HP, реализующих нелинейный закон управления, позволяет существенно повысить качество управления исполнительными приводами новых образцов ВВТ (быстродействие увеличивается в 2−3 раза, перерегулирование уменьшается на 20%). Ошибка управления от воздействия нагрузки может быть уменьшена в несколько раз.

— Предложены удобные графоаналитические методики анализа и синтеза ИСАУ с HP для исполнительных приводов и перспективных образцов ВВТ.

6. Результаты диссертационной работы использованы при выполнении работ по грантам РФФИ:

— 2005;2006г, номер проекта 05−08−33 554-а «Разработка математических моделей и методов гармонического баланса для исследования периодических процессов и качества управления в нечетких системах».

— 2008;2010г, номер проекта 08−08−343-а «Автоматизированный синтез нечетких регуляторов на основе генетических алгоритмов».

Апробация работы. Основные положения работы обсуждались и докладывались на конференции по робототехнике памяти академика Е. П. Попова (МГТУ им. Н. Э. Баумана 2008 г.), на XIV и XV международных научно-технических семинарах «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации» (Алушта 2006;2007 гг.), на XV Международной студенческой школе-семинаре «Новые информационные технологии» (Судак 2006 г.), на I Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов «Робототехника мехатроника и интеллектуальные системы» (Таганрог 2005 г.), на Всероссийском смотре-конкурсе научно-технического творчества студентов высших учебных заведений «ЭВРИКА-2005» (Новочеркасск 2005 г.), на научно-практической конференции «Современные информационные технологии» в управлении и образовании. (Восход) Москва 2006 г.

Публикации.

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 8 печатных работах, в том числе в одна статья в журнале из перечня ВАК и одна монография.

Краткое содержание.

В первой главе на основе проведенного обзора областей применения систем с HP показано их широкое использование в различных областях науки и техники. Показан ряд преимуществ, среди которых являются, высокое качество управления, эффективность и функциональность.

Вместе с тем показано, что на сегодняшний день отсутствуют удобные для инженерной практики методы и методики, позволяющие проводить полный цикл анализа и синтеза ИСАУ с HP.

В главе исследованы особенности влияния параметров HP (числа, вида ФП и БП) на характер его нелинейного преобразования между сигналами на входе и выходе. Проведенные исследования, с одной стороны, являются необходимой основой для адекватного применения методов исследования нелинейных систем к исследованию ИСАУ с HP и, в частности, метода гармонического баланса и критериев абсолютной устойчивости, а с другой стороны, решение задачи синтеза ИСАУ с заданными свойствами возможно лишь при понимании зависимости нелинейного преобразования от параметров настройки HP.

На основании проведенных исследований обоснованы задачи диссертационной работы.

Во второй главе разработаны математические модели, позволяющие с помощью метода гармонического баланса исследовать периодические колебания в ИСАУ с HP. Также обосновывается возможность косвенной оценки качества ИСАУ с HP на основе метода гармонического баланса по показателю колебательности, и разработана соответствующая методика.

Решена задача синтеза ИСАУ с HP с заданными показателями качества на основе метода гармонического баланса.

В главе исследовано и показано влияние формы функций принадлежности и относительного размещения термов, а также влияние продукционных правил на характер ЭККУ HP.

Результаты экспериментальных исследований на компьютерных моделях подтвердили адекватность разработанных методик анализа и синтеза ИСАУ с HP на основе метода гармонического баланса.

В третьей главе разработаны математические модели, позволяющие преобразовать структуру ИСАУ с HP первого вида к структуре нелинейной многоконтурной САУ. Учитывая характер нелинейных преобразований HP, на основе критериев абсолютной устойчивости процессов и положения равновесия для систем с несколькими нелинейностями разработаны соответствующие критерии для ИСАУ с HP первого вида.

На базе предложенных критериев разработана графоаналитическая методика исследования устойчивости положения равновесия и процессов в ИСАУ с HP.

Для решения задач синтеза ИСАУ проведено исследование зависимости областей абсолютной устойчивости ИСАУ от параметров HP (вида и числа ФП иБП).

На основе критерия абсолютной устойчивости процессов разработана методика косвенной оценки качества ИСАУ с HP.

Проведены исследования на компьютерных моделях, результаты которых подтвердили адекватность разработанных методик исследования абсолютной устойчивости положения равновесия и процессов в ИСАУ с HP.

Четвертая глава посвящена разработке алгоритмов и методики автоматизированного синтеза параметров HP в ИСАУ. Проведенный в диссертации анализ показал, что генетические алгоритмы (ГА) на сегодняшний день являются наиболее перспективной технологией для решения данной проблемы. При разработке алгоритма автоматизированного синтеза решены задачи: синтеза имитационной модели ИСАУвыбора начальных параметров HP и параметров поиска ГАоценки качества управления ИСАУкодирования хромосом. На примере показана работоспособность алгоритма автоматизированного синтеза.

В пятой главе проводится проверка теоретических результатов, полученных в главах 2−4. Разрабатывается программно-аппаратный комплекс, позволяющий проводить полный цикл проектирования нечетких регуляторов, начиная с разработки математических моделей и заканчивая непосредственным тестированием на реальном оборудовании. В главе разработан и представлен программный комплекс для анализа и синтеза моделей ИСАУ с HP. Реализована структура взаимодействия программной и аппаратной (стенда) частей комплекса, позволяющих проводить натурные эксперименты по управлению двигателем постоянного тока при различных видах нагрузок и возмущений.

В главе приведены результаты экспериментальных исследований, включающих автоматизированный синтез параметров HP, с проверкой на реальном стенде, а также сравнительную оценку результатов настройки по качеству управления автоматически настроенной ИСАУ с HP и САУ с ПИД регулятором, настроенным по методу обратных задач динамики (ОЗД).

В заключении приводятся основные научные и практические результаты диссертационной работы.

5.5. ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ.

1. Разработано программное обеспечение для анализа ИСАУ с HP.

2. Разработана методика и программно-алгоритмическое обеспечение для проектирования HP, обеспечивающих заданные переходные характеристики ИСАУ.

3. Проведены экспериментальные исследования на компьютерных моделях и стенде, в котором объектом управления являлся привод постоянного тока.

В ходе исследований показана:

— работоспособность предложенных графоаналитических методик анализа ИСАУ с HP на основе метода гармонического баланса и критериев абсолютной устойчивости;

— эффективность программного комплекса для автоматизированной настройке параметров HP.

4. За счет введения специальных нелинейных законов управления, реализуемых нечеткими регуляторами, удается повысить качество переходных процессов в ИСАУ по сравнению с классическим ПИД-регулятором, а также инвариантность системы к внешним возмущениям.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате выполнения комплекса исследований связанных с разработкой алгоритмического, программного и аппаратного обеспечения инструментальных средств для исследования и синтеза высококачественных ИСАУ с HP получены следующие результаты.

1. Обоснованы зависимости характеристик нелинейного преобразования HP от параметров нечетких вычислений (вида и расположения функций принадлежности, БП).

2. Разработаны математические модели ИСАУ с HP первого и второго вида и обосновано применение метода гармонического баланса для исследования в них периодических колебаний и качества управления. Построены области эквивалентного комплексного коэффициента HP и исследовано влияние параметров HP на данные области.

3. Разработаны графоаналитические методики исследования периодических колебаний и косвенной оценки качества управления ИСАУ на основе метода гармонического баланса.

4. Разработаны критерии абсолютной устойчивости положения равновесия и процессов для ИСАУ с HP.

5. Предложена графоаналитическая методика анализа устойчивости и косвенной оценки качества ИСАУ. Получена зависимость области абсолютной устойчивости от параметров HP.

6. Разработано программно-алгоритмическое обеспечение для автоматизированного синтеза и настройки параметров HP на основе генетических алгоритмов и интегральной оценки качества.

7. Разработан программно-аппаратный комплекс для проектирования нечетких регуляторов.

8. Проведены экспериментальные исследования на компьютерных моделях и стенде, в котором объектом управления являлся привод постоянного тока. Результаты исследований показали:

— работоспособность предложенных графоаналитических методик анализа ИСАУ с HP на основе метода гармонического баланса и критериев абсолютной устойчивости;

— эффективность программного комплекса для автоматизированной настройки параметров HP;

— за счет введения специальных нелинейных законов управления, реализуемых нечеткими регуляторами, удается повысить качество переходных процессов в ИСАУ по сравнению с классическим ПИД-регулятором, а также инвариантность системы к внешним возмущениям.