Системы управления следящими электроприводами на базе нечеткой логики

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 220 201, 140 604 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, 2007 г;

— 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.