Применение нечетких лингвистических регуляторов для управления сложными динамическими объектами

Актуальность.

В современной теории автоматизации методы построения систем управления, основанные на нечеткой логике, нечетких множествах и лингвистических переменных, получают все большее распространение. Прежде всего, это обусловлено рядом преимуществ, которые предоставляют данные методы (далее нечеткие методы) разработчику систем управления.

Одним из основных преимуществ нечетких методов является то, что они позволяют работать с размытыми или плохо определенными данными, оперируя ими на более высоком уровне общности — уровне макрознания [9]. Данное преимущество является очень важным при работе со сложными системами, для которых учет всех параметров традиционными методами является либо невозможным, либо чрезмерно трудоемким [1 — 3, 5 — 7].

Поскольку теория лингвистической переменной позволяет описывать модели объектов и алгоритмы систем управления в терминах естественного языка, то это делает их прозрачными и легкими для понимания, что облегчает их дальнейшую эксплуатацию и модернизацию. Применение терминов естественного языка позволяет напрямую использовать знания экспертов предметной области или опытных операторов для построения алгоритмов управления и моделей объектов [2, 3].

Нечеткие лингвистические регуляторы являются нелинейными по своей природе, что позволяет эффективно их использовать для управления нелинейными объектами [12, 15,20, 22 и др.].

Нечеткие методы можно применять совместно с традиционными алгоритмами управления, используя наилучшие черты различных подходов [25 — 29, 35]. Имеется значительный потенциал улучшения многих существующих управляющих систем за счет использования нечетких методов.

Данные преимущества отмечаются многими исследователями и подтверждены как теоретическими исследованиями, так и практическими применениями. Нечеткие методы переживают бурное развитие в Европе, Северной Америке, Китае, Японии, Корее. В нашей стране так же ведутся работы в этом направлении, например, [5−8, 10, 64−71]. Тем не менее, в России нечеткие лингвистические регуляторы широкого распространения пока не получили.

В условиях жесткой международной конкуренции применение нечетких методов должно повысить привлекательность отечественной продукции, снизить издержки при ее производстве.

Таким образом, в настоящее время является актуальной задача по применению существующих, а так же по разработке новых методов управления на основе нечетких лингвистических регуляторов, как для построения новых систем управления, так и для улучшения существующих.

В данной работе применение нечетких лингвистических регуляторов рассматривается на примере построения систем управления двумя сложными динамическими объектами: системы регулирования реакционной температуры в процессе автоклавного выщелачивания бокситов и системы управления движением электроподвижного состава монорельсовой дороги.

Выбор этих объектов обусловлен тем, что, во-первых, данные объекты являются сложными, с размытыми и плохо определенными параметрами, что позволяет использовать основные преимущества, предоставляемые нечеткими лингвистическими регуляторами. Во-вторых, примененные для этих объектов управляющие алгоритмы могут быть использованы для многих других объектов управления. А в третьих, для этих объектов существует возможность немедленного практического применения предлагаемых методов с прямым экономическим эффектом.

Объект исследования — нечеткие методы управления в технических системах.

Предмет исследования — методы применения нечетких лингвистических регуляторов для управления сложными динамическими объектами. Постановка цели исследования:

1. Исследование и разработка методов управления сложными динамическими объектами с помощью нечетких лингвистических регуляторов.

2. Использование разработанных методов для управления реакционной температурой в технологическом процессе автоклавного выщелачивания, а так же для управления движением электроподвижного состава монорельсовой дороги.

Для достижения данных целей были поставлены следующие задачи:

1. Исследование методов управления с использованием нечетких лингвистических регуляторов, ориентируясь на построение системы управления температурой в процессе автоклавного выщелачивания и системы управления движением рельсового транспортного средства.

2. Выбор наиболее подходящих методов или разработка новых для каждой из рассматриваемых систем управления.

3. Построение на базе разработанных методов системы управления температурой в процессе автоклавного выщелачивания и системы управления движением рельсового транспортного средства.

4. Исследование свойств полученных систем управления.

Методы исследований базируются на использовании теории нечеткой логики, нечетких множеств и лингвистических переменных, теории автоматического управления, системного анализа, вычислительного эксперимента, математического моделирования.

Научная новизна работы состоит в разработке новых методов применения нечетких лингвистических регуляторов для управления сложными динамическими объектами. При этом:

1. Разработана структура системы управления, состоящей из комбинированной системы управления и адаптивного нечеткого регулятора, который компенсирует отклонения программной составляющей от реальной характеристики объекта.

2. Разработан и теоретически обоснован адаптивный нечеткий лингвистический регулятор, позволяющий компенсировать отклонения программной составляющей комбинированной системы от реальной характеристики объекта.

3. Создан и апробирован алгоритм управления температурой в процессе автоклавного выщелачивания на основе комбинированной системы управления и адаптивного нечеткого лингвистического регулятора.

4. Предложен новый подход к построению систем автоведения поездов, основанный, с одной стороны, на традиционном программно-вычислительном алгоритме, а с другой, на использовании нечеткого лингвистического регулятора.

5. На основе предложенного подхода разработан алгоритм автоматического управления движением электроподвижного состава монорельсовой дороги. Дано теоретическое обоснование работоспособности алгоритма, проведена его экспериментальная и практическая реализация.

Практическая ценность работы заключается в том, что разработанные методы позволяют повысить качество регулирования, что во многих случаях может приводить к существенному экономическому эффекту.

Метод построения управляющих систем состоящих из комбинированной системы • управления и адаптивного нечеткого лингвистического регулятора применим ко многим существующим системам, так как системы управления на основе комбинированной структуры широко распространены. Во многих случаях улучшение существующих алгоритмов можно произвести с минимальными затратами, на действующем программно-аппаратном обеспечении.

Метод построения систем автоведения электроподвижного состава монорельсовой дороги может быть применен для построения систем управления движением других рельсовых транспортных средств: пассажирских поездов, метрополитена и т. д.

Внедрение результатов. На основании результатов данной диссертационной работы реализован и внедрен алгоритм управления электроподвижным составом Московской монорельсовой дороги. Улучшен регулятор температуры во втором автоклаве батареи выщелачивания на Богословском алюминиевом заводе (г. Краснотурьинск).

Апробация результатов. Основные положения диссертационной работы докладывались на Всероссийской научной конференции «Управление и информационные технологии» УИТ 2003, на весенней отчетной научно-практической конференции аспирантов УГТУ (2002), на третьей научно технической конференции молодых специалистов НПО, А (2003), на весенней отчетной научно-практической конференции аспирантов УГТУ (2003).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 работ, в том числе 4 статьи.

Структура диссертации. Первая глава посвящена обзору нечетких методов. В начале главы кратко рассматривается история их создания, обозначаются основные вехи развития и ведущие исследователи. Далее, во избежание неоднозначностей в трактовке основного материала, бегло излагаются базовые понятия нечетких методов.

Во второй главе рассматривается процесс автоклавного выщелачивания бокситов. Показывается его сложность и плохая определенность. Отмечается, что регулирование температуры является важнейшим фактором, влияющим на качество и выход глинозема. Рассматривается управляющий алгоритм на основе комбинированной структуры управления, реализованный ранее. Дается постановка задачи исследования. Исследуются возможные способы улучшения структуры управляющего алгоритма с помощью нечетких лингвистических регуляторов. Описывается предлагаемая структура управления с адаптивным нечетким лингвистическим регулятором, компенсирующим отклонения программной составляющей от реальной характеристики объекта. Рассматриваются различные алгоритмы обучения нечеткого лингвистического регулятора, описанные другими исследователями. Обосновывается выбор структуры нечеткого лингвистического регулятора и алгоритма обучения. Исследуются свойства полученной системы управления. Приводятся данные вычислительных экспериментов и практического применения. Формулируются некоторые выводы.

В третьей главе рассматривается система автоматического управления движением электроподвижного состава монорельсовой дороги. Для этого кратко излагаются общие сведения о системах автоведения поездов, показывается, в чем заключается сложность и неопределенность объекта управления. Ставится задача управления движением электроподвижного состава монорельсовой дороги. Дается постановка задачи научного исследования. Рассматриваются как традиционные методы построения систем управления движением рельсового транспортного средства, так и методы, основанные на нечеткой логике. Обосновывается выбор метода управления на основе традиционного программно-вычислительного алгоритма и нечеткого лингвистического регулятора. Рассматривается его реализация. Исследуются свойства полученной системы управления. Аналитически показывается, что предлагаемый алгоритм управления позволяет решать основные задачи автоведения электроподвижного состава: регулирование времени хода, соблюдение ограничений скорости, прицельное торможение. Исследуется влияние параметров функций принадлежности нечетких переменных на работу алгоритма управления. Приводятся результаты моделирования для различных моделей электроподвижного состава. Формулируются выводы.

В заключении приводятся основные выводы по проделанной работе. Кратко излагаются основные научные и практические результаты.

Автор выражает глубокую благодарность научному консультанту кандидату технических наук, доценту Евгению Эрастовичу Страшинину, научному руководителю заслуженному деятелю науки и техники РФ, доктору технических наук, профессору Владимиру Георгиевичу Лисиенко, а так же сотрудникам лаборатории динамических систем НПО Автоматики и коллективу Уральского филиала ЗАО «РТСофт» .

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Целью диссертационной работы являлось исследование и разработка методов управления сложными динамическими объектами с помощью нечетких лингвистических регуляторов, а так же использование разработанных методов для управления реакционной температурой в технологическом процессе автоклавного выщелачивания и управления движением электроподвижного состава монорельсовой дороги.

Поскольку для управления реакционной температурой в процессе автоклавного выщелачивания применяется система управления комбинированной структуры, было принято решение применить нечеткие методы для улучшения свойств комбинированной системы управления.

Проведенное исследование имеющихся публикаций показало, что многие исследователи предлагают варианты улучшения ПИ, ПИД-регуляторов с помощью нечетких методов. Вместе с тем, возможность улучшения комбинированной системы управления путем добавления нечеткого лингвистического регулятора к разомкнутой части системы управления исследована недостаточно.

В диссертационной работе предлагается структура системы управления состоящей из комбинированной системы управления и адаптивного нечеткого лингвистического регулятора, компенсирующего отклонения программной составляющей от реальной характеристики объекта.

Исследование принципов построения адаптивных нечетких лингвистических регуляторов позволило построить адаптивный нечеткий регулятор, лучшим образом удовлетворяющий требованиям по быстродействию и объему хранимой информации.

На основе теоретических рассуждений выбран алгоритм обучения. Доказано утверждение, что предложенный нечеткий регулятор способен аппроксимировать функцию нескольких переменных в некоторой области с произвольно высокой точностью.

Исследования свойств полученной системы управления, проведенные для различных моделей объектов, показали, что предложенная система управления с адаптивным нечетким лингвистическим регулятором позволяет улучшить переходные процессы и отработку измеряемых возмущений без снижения запасов устойчивости.

Полностью подготовлена практическая реализация предлагаемого метода в системе регулирования реакционной температуры в процессе автоклавного выщелачивания бокситов на Богословском алюминиевом заводе, г. Краснотурьинск.

Таким образом, предложен новый подход, заключающийся в применении адаптивного нечеткого лингвистического регулятора для уточнения программной составляющей комбинированной системы управления. При этом адаптивный нечеткий регулятор способен обучаться наблюдая поведение обычной комбинированной системы без осуществления поисковых действий и оценки результатов своей работы.

Впервые разработан адаптивный нечеткий регулятор, совмещающий принцип построения функций принадлежности и нечетких правил из работы [61] и метод нечеткого вывода Такаги-Сугено [30].

Предложенный подход позволяет без снижения запасов устойчивости улучшить переходные процессы и отработку измеряемых возмущений для комбинированной системы управления.

Для построения системы управления движением электроподвижного состава монорельсовой дороги были исследованы как традиционные методы автоведения поездов, так и методы, основанные на нечеткой логике. Оказалось, что система автоведения электроподвижного состава монорельсовой дороги обладает рядом особенностей по сравнению с системами автоведения других рельсовых транспортных средств и требует построения подхода, впервые востребованного в отечественной практике.

В диссертационной работе совмещается отечественный опыт построения программно-вычислительных алгоритмов автоведения с опытом зарубежных специалистов для построения системы автоматического управления движением поезда на основе нечеткого лингвистического регулятора.

Описывается структура предлагаемого алгоритма управления. В соответствии с решаемыми задачами выбираются четкие входы нечеткого лингвистического регулятора, описываются процедуры их вычисления. Вводятся лингвистические и нечеткие переменные. Описывается база правил нечеткого лингвистического регулятора, процедура нечеткого вывода.

Проводится теоретический анализ полученного алгоритма автоведения. Рассматривается работа нечеткого лингвистического регулятора в различных ситуациях. Показывается, что нечеткий регулятор позволяет решать поставленные задачи автоведения: регулирование времени в пути, соблюдение ограничений скорости и прицельное торможение. Анализируется влияние параметров функций принадлежности нечетких переменных на работу регулятора.

Отмечается, что нечеткий лингвистический регулятор позволяет естественно и компактно описать алгоритм управления, настройка параметров регулятора является наглядной и интуитивно понятной.

Результаты моделирования показали, что предложенный алгоритм автоведения обеспечивает высокую точность соблюдения графика движения и точность позиционирования состава на станции, строгое соблюдение ограничений скорости.

Из результатов моделирования вытекает, что предложенный алгоритм авто ведения является робастным — устойчивым по отношению к изменениям параметров объекта.

Предложенный алгоритм управления был реализован в системе автоматического управления движением электроподвижного состава Московской монорельсовой дороги.

Таким образом, предложен новый подход к построению систем автоведения, основанный, с одной стороны, на традиционном программно-вычислительном алгоритме, а с другой, на использовании нечеткого лингвистического регулятора. Предложенный метод позволяет эффективно и точно решать задачу автоведения электроподвижного состава монорельсовой дороги.

В результате написания диссертационной работы были разработаны новые методы применения нечетких лингвистических регуляторов для управления сложными динамическими объектами. С помощью разработанных методов решены две важные народно-хозяйственные задачи.