Введение к работе
Актуальность темы исследования
При создании современных систем автоматического управления техническими объектами широкое применение находят нечеткие логические регуляторы (НЛР). Подобные регуляторы целесообразно использовать, в первую очередь, при управлении сложными объектами, для которых отсутствует или является неприемлемо сложным математическое описание.
Концепция нечеткой логики была предложена профессором Калифорнийского университета Л.А. Заде в 1965 г. Проблемам построения систем на основе нечеткого логического вывода, посвящено множество публикаций отечественных и зарубежных ученых в области автоматического управления. В числе наиболее известных можно назвать работы Э. Мамдани, Р. Ягера, Д.А. Поспелова, А.Н. Мелихова, М. Сугэно, Т. Такаги, Т. Танаки, А.Н. Аверкина, И.З. Батырши-на, А. Пегата, И.М. Макарова, В.М. Лохина, С.В. Манько, М.П. Романова, В.В. Круглова, В.В. Борисова, А.С. Федулова, А.А. Ускова, Д. Дюбуа, А. Прада.
Среди технологий мягких вычислений нечеткая логика, наряду с экспертными системами, является наиболее прозрачной с точки зрения представления знаний. Однако, несмотря на многолетнее успешное применение НЛР в различных практических приложениях, в настоящее время отсутствует единая методика их настройки. Это обусловлено недостаточной изученностью НЛР как элемента системы автоматического управления. Поэтому достаточно важной является задача комплексного исследования НЛР, позволяющего выявить основные закономерности его функционирования при изменении тех или иных настроек.
Объектом исследования диссертации являются нечеткие регуляторы и системы управления, построенные на их основе.
Предметом исследования являются динамические характеристики нечеткого регулятора как элемента системы автоматического управления.
Целью работы является разработка алгоритмов настройки нечетких логических регуляторов на основе исследования их динамических характеристик.
Для достижения поставленной цели решаются следующие основные задачи:
-
Проведение комплексных исследований влияния параметров нечеткого ПД-регулятора на его динамические характеристики, позволяющих определить его место и значение в контуре системы управления.
-
Выработка рекомендаций по настройке параметров нечеткого регулятора, гарантирующих требуемые динамические характеристики.
-
Разработка алгоритмов настройки нечеткой системы управления динамическими объектами с функциями адаптации.
-
Апробация разработанных алгоритмов на макете системы стабилизации и управления двухколесной платформенной тележки.
Методы исследования
Полученные в диссертации результаты основываются на применении теории автоматического управления, теории нечетких множеств, численных методов, имитационного моделирования.
Научная новизна
-
На основе проведенных комплексных исследований определены зависимости динамических характеристик нечеткого пропорционально-дифференцирующего регулятора от его параметров, позволяющие осуществлять анализ и синтез нечетких систем автоматического управления.
-
Разработаны алгоритмы настройки параметров нечеткого регулятора для системы управления, содержащей исполнительный контур и контур адаптации, позволяющие эффективно управлять динамическим объектом.
Обоснованность и достоверность научных результатов и положений диссертации
Обоснованность и достоверность полученных результатов подтверждается их согласованностью с результатами, полученными другими авторами, совпадением с результатами имитационного моделирования и натурных экспериментов, корректным применением теории автоматического управления и теории нечетких множеств.
Практическая значимость результатов
Основные теоретические положения диссертации доведены до уровня их практического применения. Разработан программный комплекс LabFuz, наглядно демонстрирующий изменение динамики системы управления при варьировании настроек нечеткого регулятора. Выработаны рекомендации, позво-
ляющие осуществлять настройку нечеткого регулятора для обеспечения заданных показателей качества системы автоматического управления.
Результаты исследования были использованы при разработке нечеткого супервизора в контуре адаптации двухуровневых систем управления, а также при настройке нечеткого регулятора в гибридной системе стабилизации и управления двухколесной платформенной тележки.
Реализация результатов работы
Программный комплекс LabFuz успешно используется в учебном процессе кафедры управления и информатики Национального исследовательского университета «МЭИ» при проведении лабораторных работ по курсу «Нечеткие алгоритмы управления».
Построенный на основе разработанных алгоритмов макет двухколесной платформы используется в качестве наглядного пособия при проведении лекционных занятий.
Личный вклад
Все представленные в диссертации результаты получены лично автором. В работах, опубликованных в соавторстве, научному руководителю принадлежат постановки задач, а соискателю – разработка инструментальных средств для проведения исследований; анализ зависимостей характеристик нечетких регуляторов и систем управления от различных параметров настройки; разработка алгоритма настройки нечеткого регулятора для двухуровневой системы управления; решение комплекса задач, связанных с построением двухколесной платформы и ее управлением.
Апробация результатов
Материалы диссертационного исследования докладывались на XV - XVII Международных научно-методических конференциях «Информатика: проблемы, методологии, технологии» (Воронеж, 2015-2017 гг.), Международной научно-технической конференции «Проблемы автоматизации и управления в технических системах», посвященной 70-летию Победы в Великой Отечественной войне (Пенза, 2015 г.), XXI - XXIII Международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2015-2017 гг.), XXIV – XXVI Международных научно-технических конференциях «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации» (Алушта, 2015-2017 гг.), VI Междуна-
родной научно-технической интернет-конференции молодых ученых «Автоматизация, мехатроника, информационные технологии = Automation, Mechatronics, Information Technologies» (Омск, 2016 г.), Международном университетском форуме «International Academic Forum АМО – SPITSE – NESEFF» (Москва – Смоленск, 2016 г.).
Публикации
По теме диссертации опубликованы 16 работ, в том числе 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ, и 2 статьи, входящие в международные библиографические базы данных Web of Science и Scopus.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Основная часть работы содержит 169 страниц машинописного текста, 78 рисунков и 4 таблицы. Список литературы включает 142 наименования.