Структурно-параметрична оптимізація цифрових керуючих пристроїв нечітких систем управління

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОДЕСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

УДК 62-50+681.3.06

СТРУКТУРНО-ПАРАМЕТРИЧНА ОПТИМІЗАЦІЯ

ЦИФРОВИХ КЕРУЮЧИХ ПРИСТРОЇВ НЕЧІТКИХ СИСТЕМ УПРАВЛІННЯ

05.13.05 - Елементи та пристрої обчислювальної техніки та систем керування

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Іяд Ясін Мустафа АЛЬ ЗУБІ

Одеса - 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному університеті кораблебудування імені адмірала Макарова Міністерства освіти і науки України на кафедрі комп'ютеризованих систем управління.

Науковий керівник доктор технічних наук, професор Кондратенко Юрій Пантелійович, Миколаївський державний гуманітарний університет ім. Петра Могили, професор кафедри інтелектуальних інформаційних систем

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Дрозд Олександр Валентинович, Одеський національний політехнічний університет, професор кафедри комп'ютерних інтелектуальних систем та мереж

кандидат технічних наук, доцент Нікольський Віталій Валентинович, Одеська державна морська академія, доцент кафедри теорії автоматичного управління і обчислювальної техніки

Провідна установа Науково-виробнича корпорація "Київський інститут автоматики" Мінпромполітики України

Захист відбудеться "24" листопада 2005 р. о 13.30 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.052.01 в Одеському національному політехнічному університеті за адресою: 65044, м. Одеса, пр. Шевченка, 1, ауд. 400-А.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Одеського національного політехнічного університету за адресою: 65044, м. Одеса, пр. Шевченка, 1.

Автореферат розісланий "12" жовтня 2005 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Ю.С. Ямпольський



Іяд Ясін Мустафа Аль Зубі. Структурно-параметрична оптимізація цифрових керуючих пристроїв нечітких систем управління. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.05 - Елементи та пристрої обчислювальної техніки та систем керування. - Одеський національний політехнічний університет, Одеса, 2005. вхідний сигнал цифровий градієнтний

Дисертація присвячена розробці методів і засобів структурно-параметричної оптимізації нечітких цифрових керуючих пристроїв (НКП) для підвищення ефективності нечітких систем управління об'єктами в умовах невизначеності. Розроблено метод та програмно-алгоритмічні засоби оптимізації параметрів функцій належності (ФН) вхідних сигналів НКП з врахуванням виду бажаних перехідних процесів; удосконалено градієнтну процедуру параметричної оптимізації ФН вихідних сигналів НКП Сугено- та Мамдані-типу; розроблено методику та засоби структурної оптимізації НКП на основі вибору оптимальної кількості лінгвістичних термів та ранжирування правил за ступенем їх впливу на вид синтезованих ФН нечітких керуючих сигналів; розроблено бібліотеку Verilog-моделей арифметико-логічних пристроїв та елементів спеціалізованих нечітких табличних процесорів. Ефективність запропонованих методів та засобів підтверджено при структурно-параметричній оптимізації НКП для управління вакуумною електропіччю опору.

Ключові слова: цифрові пристрої, нечітка логіка, параметрична оптимізація, структурна оптимізація, системи керування, програмована логіка, Verilog-моделі



Ияд Ясин Мустафа Аль Зуби. Структурно-параметрическая оптимизация цифровых управляющих устройств нечетких систем управления. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления. - Одесский национальный политехнический университет, Одесса, 2005.

Проблемы проектирования систем управления объектами, которые функционируют в условиях неопределенности, связаны, прежде всего, с разработкой эффективных методов и средств повышения показателей качества управления при соблюдении соответствующих ограничений относительно сложности аппаратной реализации управляющих устройств - регуляторов. Исследованиями, которые проводятся в разных странах, доказано, что для многих объектов управления, параметры которых изменяются в процессе функционирования или условия функционирования которых изменяются случайным образом, целесообразным является использование нечетких систем автоматического управления или систем управления с нечеткими управляющими устройствам (фаззи-контроллерами). Эффективное объединение методов теории управления, теории нечетких множеств и нечеткой логики позволяет формировать лингвистические модели сложноформализуемых процессов и объектов управления, а также обеспечивать формирование управляющих сигналов адекватно процессам принятия решений специалистом-экспертом, который принимает участие в процессе управления. Во многих случаях нечеткие управляющие устройства, например с ПИД-законом, по своим показателям превосходят традиционные ПИД-регуляторы с оптимальными априорными настройками их параметров.

Целью диссертационных исследований является разработка и усовершенствование методов и средств структурной и параметрической оптимизации цифровых управляющих устройств и их компонентов с нечеткой логикой, обеспечивающих повышение эффективности систем автоматического управления в условиях неопределенности. Для достижения поставленной цели осуществлены анализ и обобщение современных методов и средств синтеза нечетких управляющих устройств для объектов управления с неопределенностями; разработаны формализованные методы и программно-технические средства выбора и оптимизации параметров функций принадлежности для фаззификации входных сигналов нечетких управляющих устройств на основе исследования желаемого вида переходных процессов в системах автоматического управления; разработаны алгоритмы и программно-технические средства оптимизации параметров функций принадлежности выходных сигналов нечетких управляющих устройств, в частности для линейных функций принадлежности Сугено-регуляторов и функций принадлежности лингвистических термов нечетких регуляторов Мамдани-типа; разработаны методика и средства структурной оптимизации цифровых управляющих устройств нечетких систем управления, основанные на выборе наиболее эффективных алгоритмов обработки нечеткой информации при реализации отдельных этапов нечеткого логического вывода и синтезе оптимальных лингвистических баз нечетких правил; произведены анализ и исследование методов и средств проектирования специализированных микропроцессоров, способных выполнять функции нечетких управляющих устройств в компьютеризированных системах управления и функционировать в качестве вычислительного ядра программно-технических комплексов для структурно-параметрической оптимизации нечетких управляющих устройств при их проектировании с применением универсальных ЭВМ; разработаны Verilog-модели специализированных нечетких микропроцессорных средств с включением соответствующих инструкций для обработки нечеткой информации, обеспечивающие повышение уровня автоматизации процессов аппаратной реализации нечетких управляющих устройств.

Предложенные методы и программно-технические средства синтеза структуры и параметров нечетких управляющих устройств, а также пути совершенствования архитектуры и алгоритмов функционирования специализированных нечетких процессоров могут быть положены в основу разработки эффективных систем управления объектами, модели и условия функционирования которых характеризуются высокой степенью неопределенности информации.

Разработанные в диссертационной работе методы и программно-технические средства синтеза нечетких управляющих устройств на базе Сугено-алгоритма нечеткого логического вывода внедрены на Государственном предприятии "Научно-производственный комплекс газотурбостроения "Заря - Машпроект" при разработке нечеткого ПИД-регулятора для управления вакуумной электропечью, как нестационарным объектом с неопределенностями в параметрах математической модели. Разработанное управляющее устройство является инвариантным к изменению параметров объекта управления в допустимых пределах. Основные положения, выводы и рекомендации, изложенные в диссертационной работе, используются в учебном процессе Национального университета кораблестроения имени адмирала Макарова при подготовке специалистов по направлению "Компьютеризированные системы управления и автоматика".

Ключевые слова: цифровые устройства, нечеткая логика, параметрическая оптимизация, структурная оптимизация, системы управления, программируемая логика, Verilog-модели



Eyad Yasin Mustafa Al Zu'bi. Structural and parametrical optimization of digital controllers for fuzzy control systems. - Manuscript.

The thesis for obtained the scientific degree of the candidate of technical science on the speciality 05.13.05 - Elemets and devices of the computers and control systems. - Odessa national politechnical university, Odessa, 2005.

The thesis is devoted to the development of the methods and facilities for structural and parametrical optimization of digital fuzzy controllers (FC) for increasing of the fuzzy control systems efficiency in uncertainty. The method and software for input variables membership functions optimization based on the desired transient processes are developed; the gradient procedure for parametrical optimization of membership functions for output variables of both types FC (Sugeno and Mamdani) is improved; the method and facilities of FC structural optimization by choice of optimal number of rules and rules rating according to their influence on membership functions of fuzzy control signals are created; the set of Verilog-models for arithmetical-logic units and components of specialized table-based processors is developed. The efficiency of proposed methods and facilities is confirmed by results of FC structural-parametrical optimization for vacuum resistance furnace control.

Keywords: digital devices, fuzzy logic, structural optimization, parametrical optimization, control systems, PLD, Verilog model



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Проблеми проектування систем управління об'єктами, що функціонують в умовах невизначеності, пов'язані, перш за все, з розробкою ефективних методів і засобів для підвищення показників якості управління при дотриманні відповідних обмежень щодо складності апаратної реалізації керуючих пристроїв - регуляторів. Науковими дослідженнями, які проводяться в різних країнах, доведено, що для багатьох об'єктів управління, параметри яких змінюються в процесі функціонування або умови функціонування яких змінюються випадковим чином, доцільним є використання нечітких систем автоматичного управління або систем управління з нечіткими керуючими пристроями (фаззі-контролерами). Ефективне поєднання методів теорії управління, теорії нечітких множин та нечіткої логіки дозволяє формувати лінгвістичні моделі складноформалізуємих процесів та об'єктів управління, а також забезпечувати формування управляючих сигналів адекватно процесам прийняття рішень спеціалістом-експертом, що бере участь в процесі управління. В багатьох випадках нечіткі керуючі пристрої, наприклад з ПІД-законом, за своїми показниками перевищують традиційні ПІД-регулятори з оптимальними апріорними настройками їх параметрів.

На теперішній час зусиллями українських та іноземних вчених В.І. Архангельского, І.М. Богаєнка, Є.В. Бодянского, В.І. Гостєва, Грабовського Г.Г., Д.А. Поспєлова, О.П. Ротштейна, М.О. Рюмшина, Г.Н. Семенцова, P. Frank, R. Hampel, H. Kiendl, M. Mamdani, R. Mikut, T. Runkler, D. Simon, M. Sugeno, T. Takagi, B. Werners, Y. Yantsen, L. Zadeh, H.J. Zimmermann та ін. вже розв'язано багато задач, пов'язаних з теоретичним обґрунтуванням застосування нечіткої логіки для вирішення проблем управління, з формуванням алгоритмів функціонування нечітких керуючих пристроїв та з перевіркою адекватності нечітких моделей реальним процесам. Разом з тим, залишаються відкритими питання: розробки універсальних методів формування шкал лінгвістичних термів для вхідних сигналів нечітких керуючих пристроїв; вибору форми та визначення параметрів функцій належності (ФН) відповідних терм-множин; розробки процедур оптимізації параметрів ФН вихідних сигналів нечітких керуючих пристроїв Сугено- та Мамдані-типу, що враховують узагальнені рекомендації щодо вибору цільової функції та параметрів оптимізації; пошуку шляхів декомпозиції процесів оптимізації на окремі етапи; розробки узагальнених універсальних методів вибору оптимальних структур нечітких керуючих пристроїв; визначення оптимальної кількості лінгвістичних термів та потужності баз лінгвістичних правил; розробки засобів автоматизації процесів проектування апаратних структур нечітких керуючих пристроїв з використанням спеціалізованих табличних мікропроцесорів, арифметико-логічних пристроїв з нечіткими операціями та інших елементів, що дозволяють здійснювати обробку нечіткої інформації на окремих етапах нечіткого логічного виводу. Отже, розробка методів і засобів структурно-параметричної оптимізації цифрових керуючих пристроїв нечітких систем управління є актуальною задачею, розв'язок якої дозволить значно розширити перспективу ефективного застосування нечітких систем реального часу для управління об'єктами, що функціонують в умовах невизначеності.

Робота виконувалася у відповідності до пріоритетних напрямків науково-дослідних робіт Національного університету кораблебудування імені адмірала Макарова згідно координаційних планів Міністерства освіти та науки України, зокрема, в рамках наукових досліджень за держбюджетними темами "Основи теорії суднових нечітких експертних систем для управління процесами передачі рідинних вантажів в нестаціонарних умовах" (номер державної реєстрації 0102U005205) та "Методи і засоби синтезу інтелектуальних систем для оптимізації вантажопотоків та процесів керування морськими транспортними комплексами" (номер державної реєстрації 0105U001767).

Метою дисертаційних досліджень є розробка та удосконалення методів і засобів структурної та параметричної оптимізації цифрових керуючих пристроїв та їх компонентів з нечіткою логікою, що забезпечують підвищення ефективності систем автоматичного управління в умовах невизначеності.

Виконання поставленої мети забезпечується в дисертаційній роботі шляхом розв'язання наступних завдань дослідження:

- аналіз та узагальнення сучасних методів та засобів синтезу нечітких керуючих пристроїв для об'єктів управління з невизначеностями;

- розробка формалізованих методів та програмно-технічних засобів вибору та оптимізації параметрів ФН для фаззифікації вхідних сигналів нечітких керуючих пристроїв на основі дослідження бажаного виду перехідних процесів в системах автоматичного управління;

- розробка алгоритмів та програмно-технічних засобів оптимізації параметрів функцій належності вихідних сигналів нечітких керуючих пристроїв, зокрема для лінійних ФН Сугено-регуляторів та ФН лінгвістичних термів нечітких регуляторів Мамдані-типу;

- розробка методики та відповідних засобів структурної оптимізації цифрових керуючих пристроїв нечітких систем управління, що ґрунтуються на виборі найбільш ефективних алгоритмів обробки нечіткої інформації на окремих етапах нечіткого логічного виводу та синтезі оптимальних лінгвістичних баз нечітких правил;

- аналіз та дослідження шляхів розробки та методів проектування спеціалізованих мікропроцесорів, здатних виконувати функції нечітких керуючих пристроїв в комп'ютеризованих системах управління та функціонувати в якості обчислювального ядра програмно-технічних комплексів для структурно-параметричної оптимізації при проектуванні нечітких керуючих пристроїв з застосуванням універсальних ЕОМ;

- розробка нечітких Verilog-моделей спеціалізованих мікропроцесорних засобів з включенням відповідних інструкцій для обробки нечіткої інформації, що забезпечують підвищення рівня автоматизації при проектуванні апаратно-технічного забезпечення нечітких керуючих пристроїв.

Об'єктом досліджень є цифрові керуючі пристрої та їх компоненти з нечіткою логікою для систем автоматичного управління складними технічними об'єктами з невизначеностями.

Предметом досліджень є методи, методики, алгоритми та програмно-технічні засоби структурно-параметричної оптимізації та автоматизованого апаратного синтезу нечітких цифрових регуляторів та їх компонентів.

Методи дослідження. Проведені в дисертаційній роботі дослідження з розробки методів та засобів синтезу нечітких керуючих пристроїв (НКП) базуються на комплексному використанні теорії нечітких множин та нечіткої логіки; проектування цифрових логічних схем, що реалізують алгоритми функціонування нечітких регуляторів, здійснено з використанням методів поведінкового моделювання на основі мови опису апаратного забезпечення Verilog та синтезованих Verilog-моделей; для структурно-параметричної оптимізації нечітких керуючих пристроїв та їх компонентів з нечіткою логікою застосовано методи теорії автоматичного управління, нелінійного та логічного програмування.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в розвитку й поглибленні методів і програмно-технічних засобів проектування та оптимізації нечітких керуючих пристроїв та їх елементів для систем автоматичного управління об'єктами в умовах невизначеності. Новими науковими результатами досліджень є:

- метод та програмно-алгоритмічні засоби для оптимізації параметрів функцій належності вхідних сигналів нечітких керуючих пристроїв, синтезованих з врахуванням бажаних перехідних процесів в системах управління та з забезпеченням гарантованого формування нечітких множин з ефективним значенням коефіцієнта нечіткості на етапі акумуляції;

- удосконалена градієнтна процедура параметричної оптимізації функцій належності вихідних сигналів нечітких керуючих пристроїв Сугено- та Мамдані-типу;

- методика та відповідні засоби структурної оптимізації нечітких керуючих пристроїв на основі вибору оптимальної кількості лінгвістичних термів та ранжирування правил в лінгвістичних базах за ступенем їх впливу на вид синтезованих ФН нечітких керуючих сигналів з подальшою мінімізацією кількості правил без зниження показників якості управління;

- бібліотека Verilog-моделей з реалізацією схемотехнічних рішень арифметико-логічних пристроїв та елементів спеціалізованих мікропроцесорів, що дозволяють здійснювати обробку інформації та формування управляючих сигналів в нечітких керуючих пристроях табличного типу.

Практичне значення одержаних результатів. Запропоновані методи, програмно-технічні засоби синтезу структури та параметрів нечітких керуючих пристроїв, а також шляхи удосконалення архітектури та алгоритмів функціонування спеціалізованих нечітких процесорів можуть бути покладені в основу розробки ефективних систем управління об'єктами, моделі та умови функціонування яких характеризуються високим ступенем невизначеності інформації.

Розроблені в дисертаційній роботі підходи та програмно-технічні засоби синтезу нечітких керуючих пристроїв на базі Сугено-алгоритму нечіткого логічного виводу впроваджено на Державному підприємстві "Науково-виробничий комплекс газотурбобудування "Зоря - Машпроект" при розробці нечіткого ПІД-керуючого пристрою для управління вакуумною електропіччю, як нестаціонарним об'єктом з невизначеностями в параметрах математичної моделі. Розроблений керуючий пристрій є інваріантним до зміни параметрів об'єкта управління в межах визначених діапазонів.

Основні положення, висновки та рекомендації, що викладені в дисертаційній роботі, використовуються в навчальному процесі Національного університету кораблебудування імені адмірала Макарова при підготовці студентів за напрямом "Комп'ютеризовані системи управління і автоматика".

Особистий внесок здобувача. Основні результати, які виносяться на захист, отримані здобувачем самостійно та опубліковані в 14 наукових працях. При цьому роботи [2,5,14] опубліковані здобувачем особисто; в роботах [1,9] запропоновано методи та алгоритми параметричної оптимізації нечітких контролерів; в роботах [6,8,13] запропоновано алгоритми та програмно-технічні засоби структурної оптимізації нечітких контролерів; в роботі [7] запропоновано метод і засоби синтезу нечітких контролерів на основі бажаних перехідних процесів в системах автоматичного управління об'єктами з невизначеностями; в роботах [3,4,10,11] запропоновано склад систем команд спеціалізованих нечітких мікропроцесорних засобів та розроблено відповідні Verilog-моделі блоків для обробки нечіткої інформації в контролерах; в роботі [12] запропоновано структуру оптимізованого нечіткого контролера та проведено моделювання процесів управління для об'єкта з нестаціонарними параметрами.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційних досліджень доповідалися та обговорювалися на: 7-му Міжнародному молодіжному форумі “Радіоелектроніка і молодь в ХХI столітті”, Харків, 2003; обласній школі-семінарі “Науково-методологічні аспекти розвитку творчого потенціалу науковців”, Миколаїв, 2003; 5-й Міжнародній науково-технічній конференції “Інформаційні технології в освіті та управлінні”, Н-Каховка, 2003; Міжнародних науково-практичних конференціях “Сучасні інформаційні та електронні технології” - СІЕТ, Одеса, 2003, 2005; 7-й Міжнародній конференції “Контроль і управління в складних системах” - КУСС'2003, Вінниця, 2003; науково-практичній конференції “Стан та перспективи розвитку новітніх науково-освітніх комп'ютерних технологій”, Миколаїв, 2003; Всеукраїнській науково-методичній конференції “Проблеми наскрізної комп'ютерної підготовки у вищій школі”, Миколаїв, 2003; 10-й Міжнародній конференції з управління “Автоматика-2003”, Севастополь, 2003; конференціях “Дні науки НаУКМА”, Київ, 2003, 2005; обласній науковій конференції, присвяченій вшануванню пам'яті адмірала С.Й.Макарова та художника В.В.Верещагіна, Миколаїв, 2004; Міжнародних конференціях аспірантів, молодих наукових працівників та студентів “Інформаційно-керуючі системи і комплекси”, Миколаїв, 2004, 2005; 9-й Міжнародній школі з моделювання AMSE UAPL, Алушта, 2004; науково-методичних конференціях "Могилянські читання", Миколаїв, 2003, 2004.

Публікації. Основні результати дисертації викладені в 14 публікаціях, в тому числі в 5 наукових статтях [1,8,10,12,13], 4 з яких опубліковані у виданнях, що входять до переліків ВАК України, 4 опублікованих матеріалах [4,5,9,11] та 5 тезах [2,3,6,7,14] Міжнародних та Всеукраїнських конференцій.

Структура дисертації. Дисертація складається з вступу, 5 розділів та 4 додатків. Загальний обсяг дисертації складає 212 сторінок, обсяг тексту - 150 сторінок, додатків - 42 сторінки. Дисертація містить 67 рисунків, 9 таблиць та посилання на 130 літературних джерел.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Вступ містить загальну характеристику роботи, яка підкреслює її актуальність, відповідність державним науковим програмам, наукову новизну, апробацію та практичне значення отриманих результатів.

У першому розділі досліджено різноманітні шляхи підвищення ефективності нечітких керуючих пристроїв, що функціонують в системах управління з невизначеностями. Проаналізовано переваги нечіткої логіки при проектуванні цифрових пристроїв для обчислювальних систем і систем керування різного призначення та при моделюванні стратегій управління об'єктами з невизначеностями, розглянуто класи об'єктів управління та технологічних процесів, умови та моделі функціонування яких є нечітко визначеними або слабкоформалізованими. Досліджено сучасні методи синтезу НКП, наведено їх результати їх критичного аналізу, обговорено шляхи усунення недоліків вказаних методів та розв'язання проблемних питань.

На основі аналізу літературних джерел виявлено, що удосконалення сучасної теоретичної та апаратної бази нечітких керуючих пристроїв, зокрема для підвищення показників якості управління при розширенні меж невизначеності об'єктів керування, можливе за рахунок: розробки та удосконалення методів і алгоритмів структурно-параметричної оптимізації цифрових керуючих пристроїв та їх елементів в нечітких системах управління; удосконалення та розширення номенклатури існуючих засобів для апаратної імплементації цифрових нечітких регуляторів; розробки бібліотеки моделей на базі мов опису апаратного забезпечення та реалізації окремих елементів НКП на основі програмованої логіки.

У другому розділі детально досліджуються області застосування нечітких керуючих пристроїв, роль НКП в структурі нечітких систем управління об'єктами з невизначеностями при реалізації принципів управління за відхиленням та за збуренням, принципів комбінованого і адаптивного управління, а також методи та засоби параметричної оптимізації НКП.

Досліджено різні алгоритмічні підходи до проектування НКП, зокрема НКП з логічним виводом Сугено-типу та Мамдані-типу, стратегія управління в яких описується правилами виду:

,

де - миттєві значення вхідних сигналів НКП; - номер правила, ; - номер вхідного сигналу НКП, ; - номер вихідного сигналу НКП ; - значення вихідних сигналів НКП; - лінгвістична терм-множина -го правила для -го вхідного сигналу; - лінгвістична терм-множина -го правила для -го вихідного сигналу.

Встановлено, що НКП Мамдані-типу є найбільш ефективними при керуванні об'єктами, для яких накопичено значний досвід керування за участі досвідчених людей-операторів (експертів), чиї знання можуть бути використані, зокрема, при проектуванні лінгвістичних термів та баз правил регуляторів. Встановлено також, що на ефективність НКП істотно впливає як успішне розв'язання задач структурно-параметричної оптимізації консеквентів правил, так і вибір ефективного методу дефаззифікації для формування вихідного керуючого сигналу нечітких контролерів.

Запропоновано метод та програмно-алгоритмічні засоби параметричної оптимізації ФН вхідних сигналів нечітких керуючих пристроїв на основі бажаних перехідних процесів в системах управління . Метод забезпечує гарантоване формування нечітких множин з ефективним значенням коефіцієнта нечіткості на етапі акумуляції. На рис. 1 показано огинаючу графіків зміни миттєвих ступенів істинності всіх правил бази знань тестового НКП при ідеальній реалізації бажаного перехідного процесу. Огинаюча характеризує зміну максимального значення функції належності консолідованого висновку бази правил в процесі керування. Миттєві ступені істинності ряду правил бази знань НКП, як видно з рис. 1, у процесі відпрацьовування задавальних впливів приймають низькі абсолютні значення, а отже такі правила істотно не впливають на формування управляючого сигналу. Крім того, у визначені моменти часу (інтервали часу і на рис. 1) в процесі керування жодне з правил не має миттєвого значення ступеня істинності більше 0,5, що порушує вимоги критерію "доброї визначеності рішення". Це призводить до необхідності істотної корекції форм ФН для фаззифікації вхідних сигналів НКП, що отримані на етапі попереднього (експертного) проектування.

Параметричну корекцію форми функцій належності лінгвістичних термів вхідних сигналів запропоновано здійснювати шляхом параметричної оптимізації з використанням в якості цільової функції показника нечіткості консолідованого логічного висновку бази правил НКП.

Показник нечіткості визначається наступним чином:

, (1)

де - вектор настроюваних коефіцієнтів ФН лінгвістичних термів, що залежить від обраної форми ФН;

максимальний ступінь належності в момент часу на множині всіх правил;

середнє значення ступенів істинності всіх правил у момент часу ; - тривалість перехідного процесу .

Максимізація цільової функції (1) забезпечує одночасне досягнення як значного розходження між величинами і відповідно до критерію "доброї визначеності рішення", тобто при , так і підтримування абсолютного значення на рівні, що перевищує мінімально допустимий (наприклад, ). Крім того, реалізація запропонованого методу дозволяє уникнути появи мультимодальних функцій належності в процесі обробки нечіткої інформації на етапі акумуляції.

Заснований на критерії (1) метод параметричної оптимізації апробовано на прикладі розробки ФН нечіткого ПІД-регулятора для тестового нестаціонарного об'єкта управління (ОУ). Результати моделювання (рис. 2) підтверджують ефективність запропонованого методу.

Лінійні консеквенти нечітких керуючих пристроїв, заснованих на логічному висновку Такагі-Сугено-типу, являють собою реалізацію певних законів керування, наприклад для ПД-керування

,

або ПІД-керування

.

Для визначення чисельних значень вектора параметрів розроблено методику і покроковий алгоритм проектування консеквентів НКП, що побудовані на базі оптимізаційних процедур з цільовою функцією у вигляді узагальненого інтегрального показника:



. (2)

Для зменшення часу оптимізації запропоновано методику декомпозиції процесу оптимізації з виділенням ряду послідовних етапів з різними компонентами вектора . Число етапів оптимізації при цьому варто визначати згідно кількості лінгвістичних термів для фаззифікації помилки системи . Кожен з етапів у свою чергу розбивається на підетапів, де - кількість настроюваних коефіцієнтів у консеквенті кожного правила. Таким чином загальна кількість процедур оптимізації складає . При цьому на кожному -му підетапі -го етапу вектор оптимізованих параметрів формується з множини правил, що містять у своєму антецеденті нечіткі твердження виду , де - -й лінгвістичний терм, що використовується для фаззифікації сигналу помилки системи . До вектора при цьому включаються тільки -ті коефіцієнти консеквентів зазначених правил.

За рахунок такої декомпозиції оптимізація на кожному етапі проводиться для правил, що діють у визначеному діапазоні часу в процесі керування. Наприклад, якщо фаззифікація системи здійснюється з використанням шкали лінгвістичних термів , тобто {"позитивний", "нульовий" і "негативний"}, то на першому етапі оптимізації будуть налагоджуватися коефіцієнти консеквентів правил, що діють на початку перехідного процесу, де , на другому етапі - консеквенти правил, що діють поблизу усталеного значення вихідного сигналу , (при ), а на третьому етапі - консеквенти правил, що забезпечують відпрацьовування процесів перерегулювання ().

В якості початкової гіпотези процесу оптимізації пропонується обирати значення коефіцієнтів традиційного (лінійного) регулятора, для синтезу якого слід використовувати лінеаризовану модель об'єкта управління (для нелінійних ОУ) або модель з найбільш ймовірними структурою і значеннями параметрів ОУ (для нестаціонарних об'єктів управління).

В розділі 2.5 запропоновано комбінований підхід до параметричної оптимізації ФН консеквентів правил, при якому синтезовані на базі знань операторів-експертів структура і параметри НКП виступають в якості початкової гіпотези. Перехідні процеси в нечіткій системі керування з ПД-НКП Мамдані-типу до і після параметричної оптимізації ФН показані на рис. 3 (а) і рис. 3 (б), відповідно. Оптимізовані форми ФН для п'яти лінгвістичних термів вихідного сигналу НКП

Третій розділ присвячено розробці методики та відповідних програмно-алгоритмічних засобів структурної оптимізації НКП.

Проаналізована можливість підвищення ефективності НКП шляхом оптимізації кількості термів для фаззифікації вхідних сигналів. Порівняльний аналіз отриманих при моделюванні перехідних характеристик (рис. 4) показує, що збільшення кількості термів дозволяє поліпшити показники якості керування. Однак, при цьому зростає обсяг бази лінгвістичних правил НКП і у деяких випадках досягнуте поліпшення показників якості керування не виправдовує підвищення обчислювальної складності алгоритмів функціонування. Встановлено, що підвищення якості НКП шляхом збільшення числа термів є найбільш ефективним підходом для управління об'єктами з моделями високих порядків або об'єктами з істотними нелінійностями, так як розширення баз правил в таких випадках дозволяє задавати та реалізовувати більш складні стратегії управління.

Пропонується також методика структурної оптимізації НКП шляхом мінімізації обсягу лінгвістичних баз правил. Методика ґрунтується на ідентифікації ступеня впливу кожного i-го правила на вихідний сигнал НКП і на формуванні ранжируваного ряду правил за зазначеним параметром . При реалізації запропонованої методики з лінгвістичної бази НКП виключаються ті з правил, вплив яких на формування управляючого сигналу контролера є неістотним. Апробація запропонованого підходу здійснена на основі структурної оптимізації нечіткого ПІД-контролера Такагі-Сугено-типу для керування тестовими нестаціонарними об'єктами. Зміна ступеня істиності і-го правила в процесі відпрацьовування системою керування задавального впливу виражається наступною функцією від модельного часу :

, (3)

де - ступінь істинності і-го правила в момент часу ; - j-й вхідний сигнал нечіткого контролера, j = 1…m, m=3; -результат фаззифікації -го вхідного сигналу відповідним лінгвістичним термом і-го правила.

Наведено розраховані відповідно до (3) динамічні залежності ступенів істинності правил в процесі управління при одиничному ступінчатому задавальному впливові і наявності постійного збурення. Як видно з рис. 5, значення істинності множини правил не перевищує , а для множини правил істинність протягом усього перехідного процесу дорівнює нулю.

Формування ранжируваного ряду правил запропоновано здійснювати на базі оціночного функціонала, що представляє собою узагальнену характеристику ступеня впливу відповідного правила на формування управляючого сигналу протягом перехідного процесу , :

,(4)

де - номер правила; - ступінь впливу і-го правила на сигнал . Перед ранжируванням правил значення оціночного функціонала (4), що отримані при різних умовах моделювання, пропонується усереднювати за алгоритмом:

(5)

Для нечіткого ПІД-контролера усереднені значення функціонала (5), що розраховані при використанні всіх 27-ми лінгвістичних правил, дозволили сформувати ранжируваний ряд наступного виду:

(6)

Наступним кроком запропонованої методики є визначення (на основі моделювання) критичної (мінімальної) кількості правил ряду (6), для якої значення показників якості управління при відпрацюванні необхідних задавальних сигналів в умовах характерних збурень залишаються в допустимих межах. Підтверджено, що розглянутий нечіткий ПІД-контролер Такагі-Сугено-типу залишається ефективним при використанні перших 7 правил ряду (6). В результаті вдалося скоротити максимально базу правил НКП з 27 до 7 правил без суттєвого погіршення показників якості керування.

В даному розділі також розглянуті підходи до структурної оптимізації НКП на основі вибору найбільш ефективних алгоритмів нечіткого логічного виводу, способів обробки нечіткої інформації при її агрегації, активації і акумуляції, а також вибору найбільш ефективного методу дефаззифікації.

Четвертий розділ присвячено апаратній реалізації НКП у вигляді цифрових табличних процесорів. Пропонується методика, алгоритми і програмне забезпечення для аналізу впливу ефектів дискретизації в НКП на їх точність і чутливість при зміні числа рівнів дискретизації вхідних і вихідних сигналів НКП.

Аналіз ефектів дискретизації здійснюється з використанням математичного очікування і дисперсії похибки формування сигналу дискретним НКП. Модуль похибки формування керуючого сигналу визначається згідно виразу:

,

де - дискретне значення управляючого сигналу; - точне значення управляючого сигналу, розраховане аналітичним шляхом. В розділі 4 представлено гістограми розподілу при різній кількості рівнів дискретизації вхідних сигналів НКП. Математичне очікування модуля похибки табличної реалізації визначається залежністю:

, (7)



де - кількість інтервалів гістограми; - абсциса середини -го інтервалу гістограми; - число потраплянь модуля похибки в _й інтервал гістограми. При переході від 16-ти до 256-рівневої дискретизації зменшується в 2 рази, а максимальна абсолютна величина похибки, що характеризується дисперсією, - більш ніж у 7 разів. Зменшення дисперсії і математичного очікування похибки табличної реалізації нечітких контролерів приводить до зменшення статичної помилки, а, отже, до підвищення чутливості НКП.

Розроблено концепцію програмно-технічного комплексу для структурно-параметричної оптимізації нечітких керуючих пристроїв і бібліотеку Verilog-моделей з метою апаратної реалізації НКП на базі програмованих логічних інтегральних схем. Отримані результати, що наведені в розділі 4, дозволяють значно підвищити рівень автоматизації процесів проектування нечітких елементів і пристроїв для систем керування нестаціонарними об'єктами.

Бібліотека Verilog-моделей містить ряд елементів НКП із табличною реалізацією і забезпечує їх апаратний синтез на основі однієї з розроблених архітектур. Приклад архітектури НКП із лінійною інтерполяцією наведено на рис. 6, де для зберігання n-вимірних таблиць "вхід-вихід" НКП використовуються динамічні оперативні запам'ятовуючі пристрої SDRAM.

Апробацію розроблених Verilog-моделей нечітких керуючих пристроїв здійснено на програмованих логічних схемах FPGA-типу Xilinx Spartan II з використанням відлагоджувальної плати XSA-50. У роботі також представлено результати логічного синтезу Verilog-моделей у вигляді схем рівня реєстрових передач. Результати імітаційного моделювання поведінкових Verilog-моделей і постсинтезних моделей з урахуванням часових характеристик, а також результати експериментальних досліджень на платі XSA-50 підтверджують адекватність і ефективність Verilog-моделей синтезованих компонентів нечітких регуляторів.

П'ятий розділ присвячено апробації методів і алгоритмів структурно-параметричної оптимізації НКП при проектуванні нечіткого регулятора для управління вакуумною електропіччю опору. Нестаціонарний характер об'єкта керування визначається тим, що параметри і структура математичної моделі вакуумної печі істотно залежать від параметрів завантаженої садки, (маси, площі поверхні, питомої теплоємності, питомої теплопровідності та ін.). Крім того, в процесі управління варто враховувати наявність таких збурюючих впливів, як зміна температури навколишнього середовища, непостійність глибини вакууму і т.п. Формування точної математичної моделі процесу розігріву садки є досить складним, а отже у даному випадку є доцільним використання саме нечіткого керуючого пристрою.

На основі отриманих експериментальним шляхом перехідних характеристик розігріву вакуумної печі здійснено ідентифікацію структури і параметрів її математичної моделі для різних садок. Крім того, синтезовано традиційний ПІД-регулятор для використання його параметрів в якості початкової гіпотези при оптимізації НКП. На основі запропонованих в розділах 2-4 методів і засобів здійснено попередній синтез і структурно-параметричну оптимізацію нечіткого контролера Сугено-типу для управління вакуумною піччю. Наведено ФН лінгвістичних термів, сформованих в результаті оптимізації НКП.

Результати моделювання процесів управління з розробленим НКП показують, що перехідні характеристики задовольняють вимогам щодо швидкодії і перерегулювання для всіх типів садок. Зміна параметрів садки призводить до збільшення або зменшення тривалості перехідного процесу, однак при цьому показники якості залишаються в допустимих межах. Таким чином, використання нечіткого керуючого пристрою (на відміну від традиційного ПІД-регулятора) забезпечує інваріантість системи до зміни параметрів об'єкта керування в заданих межах і не вимагає поточного підстроювання коефіцієнтів регулятора в процесі керування.



висновки

На основі аналізу об'єкта досліджень встановлено, що підвищення ефективності процесів проектування нечітких керуючих пристроїв можливе за рахунок удосконалення існуючих і розробки нових методів і засобів оптимізації їх структури і параметрів. Запропоновані моделі, алгоритми і програмні засоби забезпечують автоматизацію окремих етапів розробки нечітких пристроїв і елементів систем управління процесами та об'єктами, що функціонують в умовах невизначеності.

Отримано наступні результати і висновки:

1. Встановлено, що областю найбільш ефективного застосування нечітких керуючих пристроїв є системи керування нестаціонарними об'єктами, об'єктами з істотними нелінійностями, а також складноформалізуємими об'єктами. При цьому підтверджено, що нечіткі керуючі пристрої в системах управління можуть відігравати роль таких елементів, як регулятори, адаптивні ідентифікатори параметрів, компенсатори збурюючого впливу, спостерігачі тощо.

2. Встановлено, що комбіноване використання методів параметричної оптимізації в сполученні з безпосереднім експертним проектуванням дозволяє скоротити час розробки нечітких керуючих пристроїв і їх компонентів, а також підвищити ефективність їх функціонування у складі систем керування з поліпшенням відповідних показників якості.

3. Розроблено метод проектування і параметричної оптимізації нечітких керуючих пристроїв на основі бажаних перехідних процесів, що забезпечує формування на етапі акумуляції консолідованих нечітких множин-висновків з гарантованим ефективним значенням коефіцієнта нечіткості та дотриманням критерію "доброї визначеності рішення".

4. Для нечітких Сугено-регуляторів розроблено методику і формалізований алгоритм оптимізації параметрів лінійних функцій консеквентів. Обґрунтовано вибір квадратичного функціонала якості керування для цільової функції, запропоновано методику декомпозиції процесу оптимізації по ділянкам перехідного процесу і по складовим законів формування керуючого сигналу, а також запропоновано методику формування початкової гіпотези оптимізації на основі параметрів традиційного регулятора, синтезованого для лінеаризованої моделі об'єкта управління.

5. Запропоновано процедуру, алгоритми і програмні засоби параметричної оптимізації функцій належності вихідних сигналів нечітких керуючих пристроїв Мамдані-типу для підвищення ефективності систем керування.

6. Розроблено методики і програмно-алгоритмічні засоби структурної оптимізації нечітких керуючих пристроїв, що підвищують ефективність їх функціонування за рахунок вибору оптимальної кількості лінгвістичних термів, а також за рахунок ранжирування правил за ступенем їх впливу на вигляд синтезованих функцій належності нечітких керуючих сигналів з подальшою структурною оптимізацією, що забезпечує мінімізацію кількості правил у лінгвістичних базах без зниження показників якості керування.

7. Здійснено аналіз і проведено дослідження шляхів розробки і методів проектування цифрових табличних нечітких керуючих пристроїв для комп'ютеризованих систем. Розроблено методику і програмно-алгоритмічні засоби для аналізу впливу ефектів дискретизації неперервних нечітких керуючих пристроїв на точність і чутливість цифрових нечітких систем керування.

8. Розроблено поведінкові Verilog-моделі нечітких керуючих пристроїв з табличною реалізацією, а також програмні засоби для формування таблиць "вхід-вихід". Бібліотека Verilog-моделей забезпечує підвищення рівня автоматизації процесів апаратної реалізації нечітких керуючих пристроїв.

9. Здійснено апробацію запропонованих методів і алгоритмів структурно-параметричної оптимізації на прикладі розробки нечіткого регулятора нестаціонарного теплоенергетичного об'єкта - вакуумної електропечі. Підтверджено ефективність запропонованої методики поетапного настроювання коефіцієнтів нечіткого Такагі-Сугено регулятора з трьома вхідними сигналами, що забезпечує необхідні показники якості управління в умовах нестаціонарності параметрів об'єкта керування і зовнішніх збурень.

10. Запропоновані в дисертаційній роботі методи і програмно-технічні засоби синтезу та оптимізації нечітких керуючих пристроїв впроваджено на Державному підприємстві "Науково-виробничий комплекс газотурбобудування "Зоря-Машпроект" при розробці нечіткого ПІД-регулятора для керування вакуумною електропіччю "Вега", як нестаціонарним об'єктом з невизначеностями в параметрах математичної моделі і збурюючих впливів. Основні положення, висновки і рекомендації, викладені в дисертаційній роботі, використовуються також в навчальному процесі Національного університету кораблебудування імені адмірала Макарова при підготовці фахівців з напрямку "Комп'ютеризовані системи керування і автоматика".



Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Кондратенко Ю., Аль Зубі І., Гаращенко О. Аналіз процесів проектування та шляхів підвищення ефективності цифрових регуляторів нечітких систем управління // Комп'ютерна інженерія та інформаційні технології. - Львів. - Вісник НУ "Львівська політехніка", Вип. 468. - 2002.- с. 83-90.

2. Аль Зуби И.Я.М. VHDL-модели цифровых устройств для обработки нечеткой информации в системах автоматического управления // Радиоэлектроника и молодежь в ХХI веке. Материалы 7-го Международного форума, Апрель 22-24, Харьков: ХНУРЭ, 2003, pp. 496.

3. Кондратенко Ю.П., Аль Зуби И.Я.М. Особенности проектирования нечетких цифровых управляющих устройств в вычислительной среде Active-HDL // Сучасні інформаційні та електронні технології. Матеріали 4-ї Міжнародної науково-практичної конференції СИЭТ' 2003. - Одеса, 19-23 травня, 2003. - с. 177

4. Кондратенко Ю.П., Сидоренко С.А., Аль Зубі І.Я.М. Методи апаратної реалізації нечітких управляючих пристроїв для керування об'єктами з невизначеностями // Стан та перспективи розвитку новітніх науково-освітніх комп'ютерних технологій. Матер. наук.-практ. конф., Листопад 14-15, Миколаїв, 2003, сс. 101-103.

5. Аль Зубі І.Я.М. Проблеми синтезу нечітких контролерів // Науково-методологічні аспекти розвитку творчого потенціалу науковців. Матер. школи-семінару, 13 травня 2003, Миколаїв, сс. 54-56.

6. Кондратенко Ю., Сидоренко С., Аль Зубі І. Удосконалення структурної організації нечітких контролерів // Контроль і управління в складних системах // Матеріали 7-ї Міжн. конф. - КУСС'2003. - Вінниця, 8-11 жовтня, 2003. - с. 8.

7. Кондратенко Ю.П., Сидоренко С.А., Аль Зубі І.Я.М. Синтез нечітких цифрових регуляторів на основі бажаних перехідних процесів систем управління // Матеріали 10-ї Міжн. конф. з автоматичного управління "Автоматика 2003". - Том 1. - Севастополь: СевНТУ. - сс. 144-145.

8. Кондратенко Ю.П., Сидоренко С.А., Аль Зубі І.Я.М. Концепція та алгоритм оптимізації лінгвістичних баз правил нечітких контролерів // Вісник ХДТУ. - Херсон: ХДТУ, 2003. - №2(18), сс. 231-236

9. Кондратенко Ю.П., Аль Зубі І.Я.М. Принципи побудови нечітких управляючих пристроїв у дискретних системах управління з невизначеностями // Проблеми наскрізної комп'ютерної підготовки у вищій школі. Матеріали Всеукр. наук.-метод. конф., 14-15 жовтня 2003, Миколаїв, сс.78-81.

10. Кондратенко Ю., Сидоренко С., Аль Зубі І., Кравченко Д. Програмно-технічний комплекс для структурно-параметричної оптимізації нечітких систем управління // Технічні вісті, Вип. 1(18), 2(19) , 2004, сс.60-62.

11. Сидоренко С.А., Аль Зубі І.Я.М., Кравченко Д.М. Структура апаратного прискорювача операцій нечіткого логічного виводу // Інформаційно-керуючі системи і комплекси, Матеріали Першої Міжн. конференції студентів, аспірантів і молодих наукових працівників, Миколаїв, 6-7 квітня 2004, сс. 212-214.

12. Кондратенко Ю.П., Сидоренко С.А., Аль Зуби И.Я.М. Нечеткие системы управления нестационарными объектами с переменными параметрами // Труды Одесского национального политехнического университета, Вып. 2(22), 2004, сс. 108-115.

13. Кондратенко Ю.П., Сидоренко С.А., Кондратенко Г.В., Аль Зубі І.Я.М. Системи підтримки прийняття рішень на основі нечіткого логічного висновку // Наукові праці, Серія: Комп'ютерні технології. Т. 35, Вип. 22, Миколаїв: МДГУ ім. П.Могили, 2004, сс. 71-80.

14. Al Zu'bi E.Y.M. Desired Transient Behavior Based Approach to Synthesis of Membership Functions Parameters for Fuzzy-Controllers // Intern. Scient.-Technical Conference of Students, Post-Graduates and Young Scientists “Information-and-Control Systems and Complexes”, Admiral Makarov National University of Shipbuilding, Mykolaiv, 2005, pp. 131-133.

Размещено на Allbest.ru

...