Введение к работе
Актуальность работы. Из-за своей простоты структуры и высокой надёжности широкое распространение получили традиционные пропорционально-интегрально-дифференциальные контроллеры (ПИД-контроллеры). Они доказали свою эффективность в управлении разнообразными процессами. Применение ПИД-контроллера не требует знание точной модели процесса, поэтому они эффективны в управлении сложными процессами, математическая модель которых трудно определима. В настоящее время теория систем автоматического регулирования с цифровыми контроллерами находится в стадии интенсивного развития. По мере развития электронной вычислительной базы, осуществляется процесс перевода аналоговых систем в цифровые.
Современная база цифровой техники открывает широкие возможности построения цифровых ПИД-контроллеров с программной реализацией операций в реальном времени на основе микропроцессоров.
Основные требования, предъявляемые к системам автоматического регулирования: высокая надёжность, точность (высокая разрядность обрабатываемых величин) и быстродействие.
Увеличение разрядности обрабатываемых величин, при сохранении высокого быстродействия, приводит к повышению требования к быстродействию контроллера. Поэтому разработка эффективного ПИД-контроллера является перспективным направлением развития систем автоматического управления.
Постоянное ужесточение требований к производительности, точности и надёжности цифровых контроллеров показало не возможность построения эффективного управления на базе традиционной реализации контроллеров. Преодоление данных ограничений видится в применении не традиционных подходов: применение альтернативной системы счисления (система остаточных классов
(СОК)) и новой информационной технологии - технологии нейронных сетей.
По данным причинам актуальным являются исследования, направленные на применение СОК и нейронных сетей для организации и функционирования цифровых микроконтроллеров.
Целью диссертационного исследования является повышение скорости, точности и надёжности ПИД-контроллера.
Объектом диссертационных исследований является ПИД-контроллер, работающий в системах автоматического регулирования технологических процессов (на примере ПИД-контроллера управляющего температурой полуавтомата выдува пластиковых бутылок ПАВ 600).
Предметом диссертационных исследований являются методы, модели и алгоритмы автоматического регулирования технологических систем.
Научная задача исследований состоит в разработке эффективных нейросетевых структур ПИД-контроллеров, работающих в системе остаточных классов.
Для решения поставленной общей научной задачи была произведена её декомпозиция на ряд частных задач:
Проведение аналитического обзора методов автоматического регулирования технологических параметров объектов.
Обоснование переноса алгоритмов работы дискретных ПИД-контроллеров в систему остаточных классов.
Разработка математической модели ПИД-контроллера в системе остаточных классов с блоком контроля и коррекции ошибок.
Разработка эффективных алгоритмов получения остатка числа по заданным модулям и восстановления числа по его остаткам.
Разработка методов, алгоритмов и структуры нейросе-тевого ПИД-контроллера, работающего в системе остаточных классов.
Синтез модулярного мульти ПИД-нейроконтроллера в ПЛИС на элементах нейронных сетей конечного кольца (НСКК) и на элементах блочной памяти.
Сравнительная оценка эффективности традиционного ПИД-контроллера и контроллера, функционирующего
в базисе ПЛИС с применением СОК и нейронных сетей.
Методы исследования.
Для решения поставленных в работе научных задач использованы методы теории чисел, алгебры, комбинаторики, дифференциального и операционного исчисления, математического моделирования, теорий автоматического регулирования, нейроматематики, дискретной математики.
Достоверность и обоснованность полученных в диссертационной работе теоретических результатов и формулируемых на их основе выводов обеспечивается строгостью производимых математических выкладок, базирующихся на теории чисел, дискретной математики, системы остаточных классов и теории автоматического регулирования. Справедливость выводов относительно эффективности предложенных алгоритмов подтверждена математическим моделированием.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Доказана целесообразность и преимущества переноса модели дискретного ПИД-контроллера в систему остаточных классов.
Разработана обобщённая схема ПИД-контроллера в СОК, отличающаяся от известных высокими показателями скорости, точности и надёжности работы.
Впервые разработана математическая модель мульти ПИД-нейроконтроллера, работающего в СОК на элементах НСКК и на элементах блочной памяти.
Разработаны методы и алгоритмы ускоренного прямого преобразования из ПСС в СОК и обратного из СОК в ПСС.
Разработан метод контроля и коррекции ошибок в модулярном ПИД-контроллере.
Разработан комплекс программ для синтеза структуры ПИД-контроллера.
Проведена оценка эффективности моделей ПИД-контроллеров в позиционной и непозиционной системах счисления.
Практическая значимость исследования Разработанная модель ПИД-контроллера может быть использована в различных областях промышленности в составе различных систем автоматического регулирования. Полученные результаты, основанные на реальных данных диссертационных исследований, могут быть использованы на действующем оборудовании (полуавтомат выдува ПАВ 600) для создания системы автоматического регулирования температуры.
Основные положения, выносимые на защиту.
Архитектура ПИД-контроллера в СОК на элементах НСКК и BRAM.
Математическая модель мульти ПИД-нейроконтроллера.
Метод и алгоритм ускоренного преобразования из ПСС в СОК и из СОК в ПСС.
Метод и алгоритм коррекции ошибок.
Комплекс программ для синтеза и настройки ПИД-контроллера.
Оценка эффективности контроллеров, работающих в позиционной системе и в СОК.
Апробация работы.
Основные результаты работы были представлены в журнале "Нейрокомпьютеры: разработка и применение" (Москва, 2007 г.), в журнале "Мехатроника, автоматизация, управление" (Москва, 2007 г.), в трудах XIX международной научной конференции "Математические методы в технике и технологиях" (Воронеж, 2006 г.), на 52-й научно методической конференции преподавателей и студентов Ставропольского государственного университета "Научно-инновационные достижения ФМФ в области физико-математических и технических дисциплин" (Ставрополь, 2007 г.), на региональной научно-технической конференции "Математическое моделирование и информационные технологии в технике, экономике и образовании" (Невинномысск, 2006 г.), на XXXVI научно-технической конференции по итогам работы профессорско-преподавательского состава СевКавГТУ "Естественные и точные науки, технические и прикладные науки" (Ставрополь 2007 г.), на I Международной научно-практической конференции (Невинномысск2008 г.).
Публикации. Основные результаты работы отражены в 10 публикациях суммарным объёмом 25 страниц, из них две в журналах, рекомендованных ВАК, зарегистрирована программная разра-
У(к)
Рисунок 1 контроллера.
ботка в Отраслевом фонде алгоритмов и программ (свидетельство об отраслевой регистрации разработки №6221 от 24.05.2006, номер государственной регистрации 50200600782 от 25.05.2006.
Реализация и внедрения. Полученные в диссертационной работе результаты использованы при совершенствовании системы автоматического регулирования температуры полуавтомата выдува ПАВ 600 на предприятии ООО "АНЕКС" (акт внедрения от 14.05.07) и в учебном процессе НТИ (филиал) ГОУ ВПО «СевКав-ГТУ» (акт внедрения от 3.03.2008)
Структура и объём диссертации. Работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка используемых источников, содержащего 100 наименований и приложений. Основная часть работы содержит 143 страниц машинописного текста.
