CC BY
137
УДК 681.51
М. С. ПЕШКО А. В. ФЕДОТОВ
Омский государственный технический университет
№
АДАПТИВНАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ МНОГОСВЯЗНЫМ ОБЪЕКТОМ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НЕЧЕТКОЙ ЛОГИКИ
Рассматривается адаптивная система автоматического управления многосвязным объектом с блоком адаптации, построенным с использованием методов нечеткой логики. Рассмотрены постановка задачи, метод ее решения и результаты исследования системы.
Ключевые слова: интеллектуальная система управления, нестационарный объект управления, нечеткий регулятор.
Одной из основных задач мехатроники является создание интеллектуальных технологий управления, которые основаны на обработке постоянно меняющихся экспертных знаний об объекте управления. К интеллектуальным технологиям, в частности, относятся системы нечеткой логики [1].
Интеллектуализация современных сложных технических систем позволяет «свести к минимуму непосредственное участие человека в реальновремен-ном функционировании техники» [2]. Чтобы замена человека автоматикой была полноценной, необходимо максимальное использование при управлении знаний и опыта человека-эксперта, что обеспечит техническое освоение творческих (креативных) способностей человека.
Рассмотрим возможности построения адаптивной системы управления многосвязным нестационарным объектом с использованием сформулированных выше принципов. Объект управления характеризуется управляемыми выходами У(у1, у2... у) и входами управления и(и1, и2...ип).
Заданное состояние объекта определяется уставками У (у1, Уз2.--Узп). Нестационарность объекта управления заключается в зависимости динамических параметров объекта управления от внешних параметров окружающей среды С(д1, д2...дт) и в необходимости смены уставок параметров процесса Уз при изменении параметров внешней среды в целях оптимизации управляемого процесса. Детерминированное описание названных связей, как правило, отсутствует, однако имеется практический опыт управления объектов у специалистов-технологов. Этот опыт составляет базу экспертных знаний.
Пусть для каждой координаты у. вектора выходов объекта управления имеется контур регулирования, обеспечивающий
У(1)=УМ
тогда базу экспертных знаний можно сформулировать в виде правил следующего вида:
ЕСЛИ параметры окружающий среды С, ТО уставки для контуров регулирования Уз, настройки регулятора К, где К(кп,,ка,,к ) — коэффициенты усиления пропор-
ционального, интегрального и дифференциального каналов г-го ПИД-регулятора.
Стратегия управления определяется набором подобных правил, при составлении которых учитывается оптимальность функционирования объекта управления по комплексу показателей. При этом формирование целевых функций критерия оптимальности функционирования в явном виде часто невозможно.
В приведенном правиле заключение состоит из двух частей. Первая часть определяет эффективность функционирования объекта в целом и его адаптацию к изменяющимся условиям, вторая — качество процессов автоматического управления. Обсуждая адаптивность системы автоматического управления, ограничимся усеченными правилами в следующем виде:
ЕСЛИ параметры окружающей среды С, ТО уставки для контуров регулирования Уз
Для построения системы управления на основе описанных принципов необходимо решить задачу фазификации описаний параметров внешней среды и управления; сформулировать базу правил на основе систематизации экспертных знаний; выполнить инференц-процедуру и осуществить дефа-зификацию для выходов системы управления.
Ожидаемым результатом управления с использованием такой системы является автоматическая адаптация выходов объекта управления при изменении параметров внешней среды, что обеспечивает оптимальность функционирования объекта управления в конкретных условиях.
Задача решена для управления процессом промышленного выращивания грибов в зарытых помещениях. Для этого процесса характерны множественные связи между выходными величинами процесса и внешними влияющими факторами. Эти связи можно учесть, рассматривая многосвязную систему автоматического регулирования. Общая схема автоматизации процесса выращивания грибов представлена на рис. 1.
На рисунке приняты следующие обозначения: Р^ РM, РQ — регуляторы температуры, влажности и концентрации углекислого газа; ИМ^ ИМM,
4
Таблица 1
Тои Qout Ъп п г
г Бп/г/р г/г/г Бр/Бп/п
р Бп/г/Ър г/г/Бр Бр/Бп/Бп
Рис. 1. Нечеткая адаптивная система управления
ИМQ — исполнительные механизмы контуров управления: Щ(р) — передаточная функция объекта управления для изменения температуры; ЩТ2(р) — передаточная функция для изменения температуры воздуха и расхода свежего воздуха; ЩТ3(р) — передаточная функция для изменения внутренней и наружной температур; ЩМ1(р) — передаточная функция для изменения влажности воздуха; ЩМ2(р) — передаточная функция для изменения влажности воздуха и расхода свежего воздуха; Щш(р) —передаточная функция для изменения концентрации углекислого газа и расхода свежего воздуха; Щда(р) — передаточная функция для изменения внутренней и наружной концентрации углекислого газа; 01(Ц — изменение наружной температуры воздуха; 02(Ц — изменение концентрации углекислого газа во внешней атмосфере.
Технологический процесс выращивания грибов протекает в закрытом помещении и характеризуется температурой воздуха Т(^ в помещении, влажностью воздуха М(^ и содержанием углекислого газа Q(t). Сочетание перечисленных параметров, в основном, определяет объем и качество выращиваемой продукции, а также энергетические затраты на осуществление процесса.
Накопленный опыт показывает, что при изменении внешних условий (внешняя температура ТГО и содержание углекислого газа в атмосфере) для получения оптимального результата по комплексу показателей — «выход продукции, ее качество и суммарные энергозатраты на процесс» необходимо изменять сочетание режимов Тз, Мз, Qз. Причем аналитическое описание этой связи не представляется возможным. Но при этом на основании накопленного опыта можно сформулировать правила управления по описанному выше шаблону.
Для реализации правил управления в системе используется нечеткий регулятор (см. рис. 1), осуществляющий изменение уставок регуляторов параметров технологического процесса при изменении внешних возмущений от окружающей среды.
На вход нечеткого регулятора поступает информация о состоянии внешней среды: значение температуры воздуха внешней среды Т (возмущение С1(()) и значение концентрации углекислого газа внешней атмосферы Qoцt (возмущение С2(()). Сигналы информации формируются соответствующими датчиками.
Значения перечисленных физических величин подвергаются фазификации в соответствии с принятыми лингвистическими переменными:
— «Наружная температура» (Ъп — температура заниженная; п — температура пониженная; z — температура номинальная);
Рис. 2. Структура адаптивной системы нечеткого управления
— «Наружное содержание углекислого газа» (г — содержание С02 номинальное; р — содержание С02 повышенное).
Для описания связи между лингвистическими и физическими величинами разработаны функции принадлежности [3].
Выходами модели нечеткого регулятора являются лингвистические переменные:
— Тз(() — «режим температуры» (бп — немного пониженное значение; z — номинальное значение; Бр — немного повышенное значение);
— Мз(() — «режим влажности» (бп — немного пониженное значение; z — номинальное значение);
— 0з(() — «режим концентрации С02» (п; бп — немного пониженное значение; z — номинальное значение; Бр — немного повышенное значение; р — повышенное значение; Ър — значительно повышенное значение).
Рис. 3. Экспериментальные графики
изменения температуры: а) температура воздуха в теплице; б) температура воздуха снаружи
Нечеткий вывод осуществляется с использованием разработанной базы правил нечеткого регулятора, представленной в табл. 1.
В верхней строке и первом столбце таблицы указаны термы лингвистических переменных «наружная температура» Tout(t) и «наружная концентрация CO2» Qout(t). В ячейках таблицы указаны сочетания нечетких значений уставок регуляторов соответствующих параметров.
После выполнения дефазификации нечетких значений нечеткий регулятор формирует уставки по трем каналам: режим температуры (Тз), режим влажности (Мз) и режим концентрации CO2 (QJ, определяющие режимы технологического процесса. Моделирование описанной системы в MATLAB подтвердило ожидаемые свойства системы [4].
Система управления реализована в соответствии со структурой, приведенной на рис. 2. Параметры технологического процесса регулируются программируемым контроллером Овен 110-32, на базе которого реализованы ПИД-регуляторы. Данные о параметрах технологического процесса и о параметрах окружающей среды от контроллера поступают в компьютер верхнего уровня управления, имеющий программное обеспечение для реализации нечеткого регулятора.
Передача данных производится по локальной сети на OPC-Modbus сервер, функционирующий на компьютере. Используется протокол Modbus TCP. Нечеткий регулятор реализован в виде Simulink модели в MATLAB. Для передачи данных модели в среду MATLAB применен пакет расширение Simulink OPC Toolbox.
На основании полученных от программируемого контроллера данных Simulink модель нечеткого регулятора формирует уставки для контуров регулирования и через OPC-сервер передает
их промышленному контроллеру. Результатом управления является автоматическое установление оптимальных технологических параметров процесса, в наибольшей степени соответствующих конкретным условиям функционирования и дальнейшее автоматическое поддержание этих режимов при стабильности условий функционирования.
Исследования системы выполнены в производственных условиях. На рис. 3 в качестве примера представлен график переходного процесса для температуры T(t) в сравнении с графиком изменения температуры наружного воздуха. Можно видеть, что технологический процесс автоматически подстраивается под температурные условия функционирования и система проявляет свойство адаптации. Эти свойства системы подтвердили и другие результаты исследований.
Таким образом, описанная система нечеткого управления является адаптивной и позволяет повысить уровень автоматизации управления за счет автоматизации интеллектуальных функций технолога, ведущего процесс в условиях использования обычного многоканального регулирования процесса. Поскольку база правил нечеткого регулятора включает только тщательно отобранные и проверенные опытом правила, то система управления реализует уровень управления, соответствующий, по меньшей мере, среднему квалификационному уровню технолога.
Библиографический список
1. Шелобаев, Е. В. Теоретические и практические проблемы развития мехатроники / Е. В Шелобаев ; под ред. С. А. Козлова // Современные технологии. — СПб. : СПбГИТМО-ТУ, 2001. - С. 46-67.
2. Концепция мехатронные технологии в микророботостроении / В. А. Лопатина [и др.]. — URL: http://www.energia. ru/ru/news/news-2011 /public_07-21.pdf (дата обращения: 12.12.2014).
3. Пешко, М. С. Задача фазификации параметров процесса вегетации при построении нечеткого регулятора / М. С. Пешко, А. В. Федотов // Омский научный вестник. Сер. Приборы, машины и технологии. — 2013. — № 2(120). — С. 290 — 293.
4. Пешко, М. С. Моделирование нечеткого регулятора технологического режима процесса вегетации / М. С. Пешко, А. В. Федотов // Омский научный вестник. Сер. Приборы, машины и технологии. — 2013. — № 2(120). — С. 294 — 298.
fr
ПЕШКО Михаил Сергеевич, ассистент кафедры автоматизации и робототехники. Адрес для переписки: necheat@mail.ru ФЕДОТОВ Алексей Васильевич, кандидат технических наук, доцент (Россия), профессор кафедры автоматизации и робототехники. Адрес для переписки: avfedotov@mail.ru
Статья поступила в редакцию 11.12.2014 г. © М. С. Пешко, А. В. Федотов
