Автоматизація процесів інтелектуального керування блоками лінійного прискорювача електронів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автоматизація процесів інтелектуального керування блоками лінійного прискорювача електронів

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Важливою науково-технічною задачею, вирішення якої має перспективи практичного втілення, є розробка та вдосконалення систем автоматизованого керування лінійними прискорювачами заряджених часток. Так, лінійні прискорювачі електронів знаходять широке застосування при реалізації важливих народногосподарських програм (зокрема, в медицині та екології). В загальному випадку автоматизація керування такими прискорювачами передбачає необхідність вирішення низки взаємопов'язаних задач моделювання та розробки регуляторів для окремих блоків та секцій прискорювачів. Існуючі системи регулювання для лінійних прискорювачів заряджених часток здебільшого побудовані на основі локальних ПІД-регуляторів. Крім того, математичні моделі процесів, що використовуються для розробки та корекції технологічних режимів роботи лінійних прискорювачів, не зважаючи на їх складність, не беруть до уваги вплив багатьох факторів на якість систем керування. При наявності суттєвих внутрішніх та зовнішніх збурень в таких системах можливим є вихід керованих змінних (зокрема, енергії електронів на виході прискорювачів) за допустимі межі. Підвищення точності та оперативності регулювання вихідних параметрів прискорювача можна досягнути за рахунок переходу до мікропроцесорних систем, що використовують інтелектуальні методи ідентифікації та керування. До таких методів, насамперед, треба віднести методи нечіткої логіки та нейромережевого моделювання, які в багатьох випадках дозволяють суттєво спростити алгоритмічну базу систем цифрового керування багатовимірними технічними об'єктами у реальному часі. Слід також відзначити, що розробка цифрових систем керування лінійними прискорювачами повинна супроводжуватися удосконаленням як алгоритмів керування, так і технічної бази реалізації цих систем.

Найбільшим центром України в галузі розробки та дослідження прискорювачів заряджених часток є Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут». Значний вклад в моделювання та вдосконалення процесів, що визначають ефективність роботи лінійних прискорювачів електронів внесли М.І. Айзацький, В.І. Білоглазов, В.М. Борискін, В.А. Вішняков, А.М. Довбня, В.О. Кушнір та деякі інші вітчизняні вчені. Одним з розроблених в цьому центрі прискорювачів є лінійний сильнострумний прискорювач електронів ЛП-40.

Зважаючи на широкі можливості практичного використання цього прискорювача, слід зазначити, що задачі вдосконалення системи автоматизованого цифрового керування ЛП-40 на базі методів обчислювального інтелекту та сучасних мікропроцесорних засобів, які розглядаються у даній дисертаційній роботі, є актуальними.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційну роботу виконано згідно з планом науково-дослідних робіт Харківського національного університету радіоелектроніки в рамках госпдоговірної НДР №08-09 «Оптимізація систем керування електроживленням магнітних елементів лінійних прискорювачів електронів» та держбюджетної НДР 214-3 «Гібридні самонастроювані моделі в задачах обробки нечіткої інформації» (№ДР 0107U003028), де здобувач приймав участь як виконавець.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є розробка нечітких та нейромережевих цифрових регуляторів для рішення задач стабілізації електроживлення магнітних елементів та енергії пучка електронів в мікропроцесорній системі керування сильнострумним лінійним прискорювачем. Досягнення поставленої мети передбачає вирішення наступних основних задач:

- розробка нейромережевого цифрового регулятора для блоку керування енергією електронів в сильнострумних лінійних прискорювачах;

- розробка гібридного методу побудови нечітких моделей нелінійних процесів з використанням нечіткої кластеризації та фільтрації Калмана, який реалізується у реальному часі на універсальних мікропроцесорних обчислювачах;

- розробка нечіткого цифрового регулятора для блоку керування електроживленням магнітних елементів в сильнострумних лінійних прискорювачах, робастного по відношенню до невизначеностей, характерних для нечітких систем;

- удосконалення структури мікропроцесорної системи керування електроживленням магнітних елементів (СКЕМЕ) ЛП-40 на основі використання нечіткого робастного керування;

- удосконалення структури мікропроцесорної системи керування енергією електронів ЛП-40 на основі використання запропонованого нейромережевого цифрового регулятора;

- удосконалення схеми технічної реалізації цифрової системи керування лінійним сильноточним прискорювачем ЛП-40 на основі застосування сигнальних мікропроцесорних обчислювачів;

- імітаційне моделювання розроблених методів нечіткого та нейромережевого цифрового керування блоками лінійного прискорювача та оцінка їх ефективності.

Об'єкт дослідження - процеси автоматизованого керування електроживленням магнітних елементів та енергією пучка електронів лінійних сильнострумних прискорювачів в умовах постійно діючих завад.

Предмет дослідження - методи синтезу нечітких та нейромережевих регуляторів для мікропроцесорної системи керування блоками лінійного прискорювача електронів.

Методи дослідження. При виконанні дисертаційної роботи було застосовано методи теорії нечітких множин та теорії робастного керування, за допомогою яких були синтезовані нечіткі цифрові регулятори електроживлення магнітних елементів; методи теорії штучних нейронних мереж, за допомогою яких були синтезовані нейромережеві цифрові регулятори енергії пучка електронів лінійного прискорювача ЛП-40, а також імітаційне моделювання, що підтвердило ефективність отриманих результатів і дозволило розробити рекомендації до їх практичного використання.

Наукова новизна результатів дисертаційної роботи полягає в наступному:

- вперше запропоновано цифровий MISO-регулятор енергії електронів в лінійних сильнострумних прискорювачах, який базується на використанні в реальному часі нейромережевої моделі та передбачає можливість подальшого розширення функцій та удосконалення структури системи керування;

- вперше розроблено нечіткий цифровий регулятор для системи керування електроживленням магнітних елементів в сильнострумних лінійних прискорювачах, що на відміну від регулятора аналогічної існуючої системи є робастним по відношенню до адитивних невизначеностей;

- отримав подальший розвиток метод побудови нечітких моделей з використанням нечіткої кластеризації та фільтрації Калмана, що дозволяє підвищити якість ідентифікації керованих процесів в секціях лінійного прискорювача;

- удосконалено структуру мікропроцесорної системи керування електроживленням магнітних елементів (СКЕМЕ) ЛП-40, що дозволило ефективно реалізувати в реальному часі запропоновані в роботі методи на основі використання сигнальних мікропроцесорних обчислювачів.

Практичне значення одержаних результатів. Отримані в роботі теоретичні результати дозволили суттєво удосконалити схему технічної реалізації цифрової системи керування лінійним сильнострумним прискорювачем ЛП-40.

Результати роботи протестовано та прийнято до практичного використання у Науково-дослідному комплексі «Прискорювач» Національного наукового центру «Харківський фізико-технічний інститут» (ННЦ ХФТІ) для модернізації системи мікропроцесорного керування блоками лінійного прискорювача електронів ЛП-40 (акт від 18.09.2009 р.). Основні положення та рекомендації, наведені у дисертаційній роботі, а також розроблене програмне забезпечення використовуються у навчальному процесі кафедрою електронних обчислювальних машин Харківського національного університету радіоелектроніки у курсах лекцій та лабораторних практикумах з дисциплін «Комп'ютерні системи керування» та «Методи та засоби обчислювального інтелекту» (довідка від 17.09.2009 р.).

Особистий внесок здобувача. Всі основні результати отримано автором самостійно. У роботах, що опубліковано у співавторстві, здобувачу належать: в [1] - дослідження методу нечіткої ідентифікації; в [2] - розробка структури нейро-нечіткого керування блоками прискорювача; в [3] - розробка цифрового регулятора енергії електронів; в [4] - дослідження методу робастного керування; в [5] - моделювання процедури оцінювання параметрів системи керування; в [6] - метод вибору інформативних параметрів моделі; в [7] - дослідження методу гібридної нечіткої ідентифікації; в [8] - розробка рекомендацій щодо практичного використання робастних нечітких регуляторів; в [9] - імітаційне моделювання цифрового регулятора; в [10] - метод керування електроживленням магнітних елементів прискорювача.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи доповідалися й обговорювалися на 11-му Міжнародному молодіжному форумі «Радіоелектроніка та молодь у XXI сторіччі» (Харків, 2007 р.), на 7-й Міжнародній науково-технічній конференції «Проблеми інформатики та моделювання» (Харків, 2007 р.), на 6-й Міжнародній науково-практичній конференції «Математичне та програмне забезпечення інтелектуальних систем» (Дніпропетровськ, 2008 р.), на 16-й Міжнародній науково-практичній конференції «Інформаційні технології: наука, техніка, технологія, освіта, здоров'я» (Харків, 2008 р.), на 8-й Міжнародній науково-технічній конференції «Проблеми інформатики та моделювання» (Харків, 2008 р.), на Міжнародній науково-технічній конференції «Автоматизація: проблеми, ідеї, рішення» (Севастополь, 2009).

Публікації. Результати дисертаційної роботи опубліковані в 10 наукових працях, з них 4 статті в виданнях, що входять до переліку ВАК України, та 6 публікацій в працях наукових конференцій.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, додатку та списку використаних джерел. Загальний обсяг дисертації складає 182 сторінки (з них 128 сторінок основного тексту), 46 рисунків, 19 таблиць і 1 додаток на 2 сторінках, список використаних джерел з 125 найменувань на 13 сторінках.

Основний зміст роботи

нейромережевий робастний керування мікропроцесорний

У вступі обґрунтовано актуальність дисертаційної роботи, сформульовано основну мету і завдання досліджень, наведено відомості щодо зв'язку дисертації з планами організації, де виконана робота. Надано стислу анотацію отриманих в дисертації результатів, відзначено їх практичну цінність, наведено дані щодо використання результатів проведених досліджень.

У першому розділі здійснено аналіз проблеми цифрового керування лінійними прискорювачами електронів. Лінійний сильнострумний прискорювач електронів є складною електрофізичною установкою, в якій протягом відносно тривалого часу здійснюється акумулювання енергії від зовнішнього генератора з подальшою швидкою трансформацією отриманої енергії до енергії електронного пучка. На рис. 1 наведено загальну структуру прискорювача ЛП-40 з позначенням систем, що потребують модернізації. До таких систем слід, насамперед, віднести блоки керування енергією електронів на виході прискорювача та керування електроживленням магнітних елементів. Ці блоки складаються з відповідних технологічних підсистем та інформаційно-керуючих засобів, які забезпечують їх ефективне функціонування.

Для регулювання енергії прискорених електронів важливою є стабілізація струму аналізуючого магніту. При цьому доцільно розробити мікропроцесорний блок SISO-керування електроживленням магнітних елементів, який дозволив би суттєво підвищити якість роботи всієї системи в цілому, та цифровий MISO-регулятор енергії пучка електронів у секціях прискорювача.

Це визначило зміст здійсненого в дисертаційній роботі аналізу перспективних напрямків модернізації системи автоматизованого керування прискорювачем на основі використання методів обчислювального інтелекту.

Суттєва нелінійність залежності вихідної енергії електронів лінійного прискорювача від сукупності вхідних параметрів та складність існуючих аналітичних моделей свідчать про доцільність застосування нейромережевого підходу для побудови відповідного MISO-регулятора блоку керування енергією електронів прискорювача ЛП-40.

Оскільки теорія керування значною мірою базується на ідеї лінеаризації систем, а більшість реальних систем характеризується нелінійними, складними для моделювання залежностями, наявністю неконтрольованих шумів і завад, що перешкоджає реалізації традиційних стратегій керування, то при практичному застосуванні до алгоритмів керування висувається ряд вимог, а саме: необхідно, щоб алгоритми керування були адаптивними, стійкими та простими у реалізації. У зв'язку з цим для керування складними динамічними об'єктами все частіше застосовуються штучні нейронні мережі (ШНМ), які мають ці властивості.

Аналіз властивостей ШНМ свідчить про ефективність використання для вирішення задач керування ШНМ типу «багатошаровий персептрон» (БП) та «радіально-базисні мережі» (РБМ). Втім, маючи подібні до РБМ властивості, БП забезпечує більш компактне представлення нелінійного об'єкта, оскільки число параметрів в РБМ експоненційно зростає із збільшенням вимірності вхідного простору, тоді як для БП ця залежність лінійна. Важливою є наочність, яка полягає в тому, що персептронне представлення моделі еквівалентне традиційному. Це дозволяє використовувати для визначення параметрів ШНМ добре розвинуті методи оцінювання, які використовуються при традиційному підході. Та обставина, що БП дозволяють апроксимувати із заданою точністю будь-яку неперервну функцію, забезпечила їх широке застосування в задачах ідентифікації нелінійних об'єктів, а поєднання апроксимуючих властивостей зі здатністю швидко навчатися дозволяє використовувати їх для керування нелінійними динамічними об'єктами в реальному часі. Мережа типу БП використовує апроксимацію нелінійного оператора об'єкта (1) деякою системою базисних функцій , яка реалізується нейронами, що складають шари мережі:

де - вагові коефіцієнти мережі; - вихідний сигнал мережі.

З точки зору практичної реалізації найбільш успішними є приклади використання БП для моделювання нелінійних MISO-об'єктів, до яких слід віднести й процес стабілізації енергією електронів прискорювача.

В той же час ідентифікація нелінійних SISO-об'єктів, може бути успішно здійснена за допомогою нечітких моделей. Це визначило доцільність розробки системи цифрового нечіткого керування аналізуючим магнітом блоку електроживлення магнітних елементів прискорювача, який може бути зведений до SISO-об'єкту.

В роботі проведено аналіз методів нечіткої ідентифікації нелінійних об'єктів цифрового керування, який дозволив зробити висновок щодо перспективності використання нечіткого кластерного аналізу для побудови працездатних моделей, що можуть бути ефективно використані в цифровому регуляторі стабілізації електроживлення магнітних елементів. Відзначено, що необхідно передбачити можливість підвищення робастності цього регулятора відносно до невизначеностей, обумовлених особливостями апроксимації нелінійних залежностей нечіткими моделями.

Крім того, практична реалізація методів автоматизованого інтелектуального керування, що розроблені в дисертаційній роботі, потребує вирішення задачі вибору структури цифрової системи керування блоками лінійного прискорювача та розробки рекомендацій щодо модернізації технічної бази цієї системи з використанням сучасних мікропроцесорних обчислювачів.

На підставі проведеного аналізу особливостей лінійного прискорювача ЛП-40 як об'єкта автоматизованого керування сформульовано задачі наукового дослідження.

У другому розділі наведено результати нейромережевого моделювання роботи прискорювача ЛП-40 та побудови на їх основі MISO - нейрорегулятора для блока керування енергією електронів.

Для автоматизації процесу стабілізації енергії прискорених електронів доцільною є розробка простих та швидкодіючих процедур розрахунку вихідної енергії в залежності від великої кількості вхідних характеристик. Здійснення такого розрахунку на основі класичної самоузгодженої електродинамічної моделі потребує значних обчислювальних ресурсів. Згідно з задачами, поставленими в дисертаційній роботі, було використано нейромережевий підхід до синтезу системи цифрового керування вихідною енергією електронів прискорювача.

При побудові нейромережевої БП-моделі лінійного прискорювача ЛП-40 у якості основних параметрів були обрані: фаза інжекції , струм інжекції , початкова енергія інжекції часток та потужність зовнішнього джерела . Заздалегідь було здійснено стандартизацію змінних, яка полягала у центруванні та нормуванні вхідних та вихідних змінних.

В дисертаційній роботі в процесі нейромережевого моделювання було здійснено експерименти з різними структурами мереж, починаючи з двохшарової мережі 4-1 без зворотних зв'язків, що містить 4 нейрони у прихованому шарі та 1 нейрон у вихідному шарі, та закінчуючи рекурентними мережами з затримками по вхідним сигналам та зворотними зв'язками. В якості функції активації нейронів у прихованому шарі використано гіперболічний тангенс, а у вихідному шарі - лінійна функція. Настроювання мереж здійснювалось за допомогою 10000 навчаючих пар з заданою точністю . Для навчання мереж використано метод Левенберга-Марквардта.

Задана точність була досягнута за 132 ітерації. Фрагмент результатів ідентифікації процесу керування енергією електронів для моделі 10-1 (неперервна лінія відповідає виходу моделі, ромби - величині енергії електронів). Можна бачити, що мережа здатна з високою точністю відображати досліджуваний процес.

Для вирішення задачі цифрового керування енергією електронів прискорювача ЛП-40 було використано підхід, який передбачає розробку нейрорегулятора, який працює спільно з отриманою нейромережевою моделлю. Згідно з цим підходом структура системи нейрокерування має вигляд, наведений на рис. 5. На цьому рисунку використано наступні позначення: - бажане значення вектору вихідних сигналів об'єкту; - помилка виміру вихідного сигналу; та - вектори вихідних сигналів об'єкту та моделі відповідно; - вектор вхідних впливів.

Навчання мережі, до якого зводиться задача ідентифікації об'єкту керування (блоку стабілізації енергії електронів) полягає в настроюванні її параметрів за результатами порівняння вихідних сигналів моделі та об'єкту з метою мінімізації похибки ідентифікації

Метою керування в цьому разі може бути мінімізація квадрату розбіжності між вихідним сигналом нейромережевої моделі та бажаним значенням вектору вихідних сигналів об'єкту, тобто задача керування полягає у визначенні значень керуючих сигналів , що забезпечують мінімум функціоналу

Для знаходження мінімуму функціоналу (3) використаємо рекурентний градієнтний алгоритм Качмажа:

де ,

Параметр регуляризації дозволяє підвищити обчислювальну стійкість алгоритму (4).

На рис. 6 наведено результати керування енергією електронів у прискорювачі ЛП-40 з використанням алгоритму (4). Як видно з рисунку, нейрорегулятор забезпечує високу якість керування при стабілізації енергії пучка електронів, що дозволило поліпшити як короткочасну стабільність вихідної енергії, так і характеристики прискорених пучків.

В дисертаційній роботі в середовищі Matlab 6.5 було розроблено програмний комплекс «Accelerator» для оперативного керування параметрами лінійних прискорювачів на основі отриманих нейромережевих моделей. Програми ідентифікації та керування, які входять до складу цього комплексу, побудовані за модульним принципом, що робить можливим подальше розширення функцій та удосконалення структури системи стабілізації енергії електронів лінійного прискорювача.

В третьому розділі запропоновано підхід до автоматизації керування електроживленням магнітних елементів прискорювача ЛП-40 на основі нечіткого SISO-регулятора.

Однією з головних умов працездатності систем керування є їх сталість та робастність по відношенню до невизначеностей, характерних для об'єктів керування. В роботі розглянуто можливість підвищення робастності цифрових регуляторів, що базуються на використанні нечітких моделей.

Зважаючи на те, що при нечіткому моделюванні основним джерелом похибок є неточність апроксимації, адитивне представлення невизначеностей є найбільш прийнятним для побудови нечітких моделей керування електроживленням магнітних елементів.

Таким чином, будемо вважати, що загальна нечітка модель досліджуваного процесу визначається сумою нечіткої номінальної моделі та додаткової складової ?, яка відображує невизначеності та задовольняє заданому обмеженню.

У роботі запропоновано послідовність визначення закону нечіткого робастного керування. При цьому метою синтезу робастного нечіткого регулятора є зменшення впливу похибки нечіткої апроксимації на якість керування. Це досягається шляхом введення в закон керування адитивної складової :

де и - функції, що визначають вихід нечіткої системи; - додаткова змінна лінеаризованої системи.

Адитивна складова керування визначається для SISO-об'єкту згідно з наступним рівнянням:

де

Р - позитивно визначена матриця, яка відповідає наступній нерівності:

де - коефіцієнти, що однозначно визначаються відповідно до бажаних полюсів замкненої цифрової системи керування r-го порядку, e(k) - динамічна помилка керування.

У дисертаційній роботі доведено твердження, що свідчить про робастність запропонованого закону керування до адитивних невизначеностей нечіткої моделі.

Для побудови загальної нечіткої моделі за сукупністю вхідних та вихідних даних використано локальні моделі Такагі-Сугено, кожна з яких має бути представлена відповідним правилом наступного вигляду:

Дефаззіфікація здійснюється згідно з наступним рівнянням:

де К - кількість правил; - ступінь активації -го правила.

У роботі розроблено модифікований метод нечіткої ідентифікації та досліджено доцільність його використання при побудові моделей для нечіткого регулятора блоку стабілізації електроживлення магнітних елементів.

Запропонований метод нечіткої ідентифікації передбачає реалізацію наступних етапів:

– кластеризацію даних з використанням алгоритму Густафсона-Кесселя з формуванням локальних лінійних моделей;

– отримання функцій належності з використанням проекції кластерів та фільтру Калмана;

– визначення параметрів моделі Такагі-Сугено з використанням фільтру Калмана.

Операції, які відповідають цим трьом етапам, повторюються до отримання оптимальної кількості кластерів. Для оцінювання якості ідентифікації в процесі тестового моделювання було використано середньоквадратичну похибку MSE (mean squared error). Критерієм зупинки алгоритму обрано зменшення MSE до заданої величини .

Для побудови нечіткої моделі було використано апріорні дані, отримані за результатами експерименту. Дослідження показали, що ефективним підходом до побудови нечітких правил для керування магнітним спектрометром, який є головним елементом блоку електроживлення, є використання розглянутого гібридного методу нечіткої ідентифікації. Метод було реалізовано в середовищі Matlab 6.5.

Загальну схему моделювання наведено на рис. 7. У запропонованому цифровому регуляторі реалізовано метод, оснований на використанні додаткових адитивних складових. На етапі моделювання використано спрощену передавальну функцію, отриману експериментально для магнітного спектрометра прискорювача ЛП-40.

В четвертому розділі наведено результати модернізації існуючої автоматизованої системи керування лінійним сильнострумним підсилювачем електронів ЛП-40 з використанням розроблених нейромережевого та нечіткого регуляторів.

Автоматизована система вимірів та керування (АСВК), що підлягає модернізації, призначена для контролю основних параметрів ЛП-40 в усіх режимах експлуатації та здійснення оперативного керування основними процесами прискорювача. При цьому повинно забезпечуватися отримання інформації про режими роботи прискорювача та про параметри прискореного пучка. Частина з цих параметрів (зокрема, величина струму та положення центра ваги пучка) вимірюються безперервно в робочому режимі прискорювача, а вимір деяких інших параметрів (енергії та енергетичного спектру електронів, емітансу пучка) здійснюється при зниженій частоті переміщення імпульсів струму пучка.

Архітектура верхнього рівня дворівневої структури АСВК повинна забезпечувати інтеграцію всіх інтелектуальних підсистем нижчого рівня за допомогою спільних цифрових обчислювачів, багатофункціональних контролерів та терміналів. До основних підсистем нижчого рівня слід віднести, насамперед, систему керування електроживленням магнітних елементів та систему керування енергією пучка електронів прискорювача. Удосконалення другої з цих систем засновано на використанні модульної нейромережевої системи ідентифікації та керування, яку описано у розділі 2 дисертаційної роботи. Її практична реалізація здійснюється програмно з використанням персональної ЕОМ (ПЕОМ) верхнього рівня АСВК та не викликає принципових труднощів.

У зв'язку з цим основну увагу в четвертому розділі приділено питанням автоматизації процесу керування електроживленням магнітних елементів прискорювача на основі сучасних мікропроцесорних засобів контролю та керування, що дозволяють реалізувати в реальному часі запропонований в роботі нечіткий цифровий регулятор. Для усунення недоліків базової системи керування магнітними спектрометрами лінійних прискорювачів розроблено мікропроцесорну систему керування електроживленням магнітних елементів (СКЕМЕ) для прискорювачів типу ЛП-40.

На цій схемі позначено: ДС - датчик струму; ПН-145 - генератор постійного струму; Iз - струм збудження; ДОН - джерело опорної напруги; К - комутатор; КДС - кероване джерело струму; МІ - модуль індикації; ІЦП - інтерфейс центрального процесора; ІПЕОМ - інтерфейс персональної ЕОМ.

СКЕМЕ формує сигнал опірної напруги на вході схеми стабілізації струму аналізуючого магніту (АМ). Напруга формується ЦАП, що забезпечує дискретність шагу по струму аналізуючого магніту менш, ніж 0.1 А або 0.07% від максимальної величини струму. Основу процесорного модулю СКЕМЕ, який забезпечує процес нечіткого керування блоком електроживлення магнітних елементів, складає 16-розрядний мікроконтролер MSP430F1611 фірми «Texas Instruments». Інтерфейсну частину системи, задачами якої є формування керуючих сигналів для ЦАП, обслуговування локального пульту керування та забезпечення зв'язку з ПЕОМ, реалізовано на цьому ж контролері.

Дуплексний зв'язок контролера з керуючою ПЕОМ здійснюється по волоконній-оптичній лінії зв'язку (ВОЛЗ) в послідовному форматі.

Для оцінки працездатності удосконаленої схеми цифрового нечіткого керування електроживленням було здійснено імітаційне моделювання в середовищі OrCAD керованого джерела струму, прецизійного випрямляча (ПрВ) та масштабуючого підсилювача.

При розробці програмної частини СКЕМЕ використано модульний підхід, що передбачає поділ функціональних частин програми на блоки.

У висновках сформульовано основні наукові та практичні результати дисертаційної роботи.

У додатку наведено акти про впровадження результатів дисертаційної роботи.

Висновки

У дисертаційній роботі вирішено важливу науково-практичну задачу, що полягає у розробці нечітких та нейромережевих цифрових регуляторів для блоків стабілізації електроживлення магнітних елементів та енергії пучка електронів у мікропроцесорній системі автоматизованого керування сильнострумним лінійним прискорювачем.

При проведенні дисертаційних досліджень отримано наступні основні результати:

1. Розглянуто проблему цифрового керування блоками лінійного сильнострумного підсилювача та перспективні напрямки модернізації існуючих систем керування підсилювачем.

2. Здійснено аналіз методів опису нелінійних процесів лінійного прискорювача ЛП-40 та розглянуто доцільність застосування нечітких та нейромережевих моделей в системах цифрового керування підсилювачем.

3. Запропоновано архітектуру нейромежевої моделі персептронного типу, що використовується для ідентифікації нелінійних процесів стабілізації енергії електронів лінійного прискорювача. Досліджені та протестовані процедури навчання розробленої моделі на основі алгоритма Левенберга-Марквардта. Результати тестування підтверджують високу точність моделі.

4. Запропоновано структуру системи адаптивного керування енергією пучка електронів лінійного прискорювача, яка базується на використанні розробленої нейромережевої моделі та MISO-регулятора вихідної енергії електронів прискорювача ЛП-40.

5. Запропоновано та протестовано гібридний метод нечіткої ідентифікації нелінійних систем, який базується на спільному використанні фільтрів Калмана та нечіткої кластеризації для підвищення якості ідентифікації. Показано, що запропонований метод може бути легко реалізовано на універсальних мікропроцесорних обчислювачах.

6. Запропоновано метод нечіткого керування з використанням адитивних складових, що дозволяють підвищити робастність нечіткого цифрового регулятора по відношенню до адитивних невизначеностей, характерних для нечітких систем. Це забезпечує зменшення впливу невизначеностей на якість керування.

7. Синтезовано нечіткий регулятор, що забезпечує високу якість керування при стабілізації електроживлення магнітних елементів лінійних прискорювачів. Результати моделювання підтверджують працездатність запропонованого нечіткого регулятора у складі модернізованої системи цифрового керування блоками прискорювача ЛП-40.

8. Запропоновано варіант модернізації структури дворівневого цифрового керування сильнострумним прискорювачем електронів ЛП-40. Основу модернізації складає впровадження системи нейромережевого керування енергією пучка електронів та системи нечіткого керування магнітними елементами лінійного прискорювача.

9. Наведено рішення щодо технічної реалізації системи керування магнітними елементами на базі мікроконтролера МК MSP430. Результати моделювання підтверджують обґрунтованість подтверждают обоснованность отриманих в дисертаційній роботі практичних рекомендацій.

10. Розроблено структуру та реалізовано процедури програмного забезпечення СКЕМЕ, які повністю реалізують функції автоматизованого керування процесом стабілізації електроживлення магнітних елементів прискорювача ЛП-40.

11. Розроблено програмний комплекс «Accelerator» для оперативного керування параметрами лінійних прискорювачів на основі отриманих нейромережевих моделей, побудований за модульним принципом. Розроблений комплекс, що складається з основних модулів «Training», «Identification» и «Control», дозволяє реалізувати функції навчання та ідентифікації нейромережевої моделі, яка використовується для MISO - керування енергією електронів прискорювача у реальному часі.

12. Результати роботи протестовано та прийнято для практичного використання у Науково-дослідному комплексі «Прискорювач» Національного наукового центру «Харківський фізико-технічний інститут» для модернізації системи мікропроцесорного керування блоками лінійного прискорювача електронів ЛП-40. Основні положення та рекомендації, наведені у дисертаційній роботі, а також розроблене програмне забезпечення використовуються у навчальному процесі кафедрою електронних обчислювальних машин Харківського національного університету радіоелектроніки.

Список праць, що опубліковані автором за темою дисертації

нейромережевий робастний керування мікропроцесорний

1. Удовенко С.Г. Метод нечеткой идентификации нелинейных объектов цифрового управления / Удовенко С.Г., Дибе Г., Перепелица В.И. // Збірник наукових праць Харківського університету повітряних сил. -2008. - Вип.3 (18). - С. 131-134.

2. Удовенко С.Г. Цифровое нейро-нечеткое управление блоками линейного сильноточного ускорителя электронов / С.Г. Удовенко, А.А. Шамраев, Г. Дибе // Радиоэлектроника, управление и информатика. - 2009. - №2. - С. 35-42.

3. Дибе Г. Нейро-нечеткий цифровой регулятор энергии электронов линейного ускорителя / Дибе Г., Удовенко С.Г., Шамраев А.А. // Збірник наукових праць Харківського університету повітряних сил. -2009. - Вип.3 (21). - С. 108-112.

4. Удовенко С.Г. Робастное управление динамическим процессом на основе нечеткой модели / Удовенко С.Г., Дибе Г. // Біоніка інтелекту. -2009. - №1 (70). - С. 72-76.

5. Удовенко С.Г. Одновременное байесовское оценивание параметров и состояний адаптивной системы цифрового управления / Удовенко С.Г., Перепелица В.И., Дибе Г. // Мат. 7-й Межд. науч.-техн. конф. «Проблемы информатики и моделирования». - Харьков, 2007. - С. 27.

6. Дібе Г. Метод визначення необхідного обсягу даних в задачах неруйнівної діагностики та прогнозування / Дібе Г., Жадан М.О. // Мат. 11-го Межд. форума «Радиоэлектроника и молодежь в ХХІ веке». - Харьков, 2007. - Ч. 2. - С. 263.

7. Удовенко С.Г. Гибридный алгоритм нечеткой идентификации нелинейных динамических систем / Удовенко С.Г., Дибе Г., Альхайек Р. // Тези доповідей VІ Міжн. наук.-практ. конф. «Математичне та програмне забезпечення інтелектуальних систем». - Дніпропетровськ, 2008. - С. 314 - 315.

8. Дибе Г. Робастные нечеткие регуляторы для цифрового управления нелинейными стохастическими процесами / Дибе Г., Перепелица В.И. // Мат. 8-й Межд. науч.-техн. конф. «Проблемы информатики и моделирования». - Харьков, 2008. - С. 52.

9. Дібе Г. Метод синтезу нечітких регуляторів для робастних систем цифрового керування нелінійними стохастичними об'єктами / Дібе Г., Перепелиця В.І., Удовенко С.Г. // Мат. ХVI Межд. науч.-практ. конф. «Информационные технологии: наука, техника, технология, образование, здоровье». - Харьков, 2008. - С. 39.

10. Удовенко С.Г. Система управления электропитанием магнитных элементов линейного ускорителя электронов / Удовенко С.Г., Шамраев А.А., Дибе Г. // Мат. Межд. науч.-техн. конф. «Автоматизация: проблемы, идеи, решения 2009». - Севастополь, 2009. - С. 298-300.

Размещено на Allbest.ru