CC BY
29
Геращенко С.И. , Геращенко С.М., Александров Д.В. , Абубекирова В.С. , Митин А.А.
НЕЧЕТКИЕ РЕГУЛЯТОРЫ НА ОСНОВЕ ЭКСПЕРТНЫХ ОЦЕНОК ДЛЯ ДЖОУЛЬМЕТРИЧЕСКИХ ТОМОГРАФИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Анализ свойств биологических объектов при использовании электрохимических методов связан с проблемой автоматического выбора режимов задания токов. Особо остро данная проблема возникает при создании томографических систем, требующих проведения многократных измерений сечения с сильно изменяемыми параметрами системы датчик-среда. Для формирования оптимальных значений токов в разрабатываемых джоульметрических томографических системах используются регуляторы.
При разработке регулятора необходимо учитывать особенности биологических объектов, связанные с их нестационарностью, высоким уровнем шумов в обрабатываемых сигналах и нелинейными свойствами. Сказанное существенным образом отражается на степени неопределенности исследуемой системы, выступающей в роли регулируемого объекта. В этих условиях задача проектирования регулятора заключается в синтезе закона регулировки, который сохраняет отклик системы и сигналы рассогласования в пределах допусков, несмотря на неопределенности исследуемой системы.
Одно из направлений, связанных с решением этих проблем, заключается в использовании аппарата нечетких систем: нечетких множеств, нечеткой логики, нечеткого моделирования. Особый интерес
представляют системы, моделируемые на основе экспертных знаний. В основе этого подхода лежит использование знаний и опыта человека, глубоко компетентного в вопросах, связанных с моделируемой системой. Это позволяет на уровне интуиции и осознанном восприятии сформировать более точно основные свойства объекта управления и на основании этого осуществить настройку регулятора для обеспечения оптимальной устойчивости системы.
В этой связи решение задачи сформулировано в классе систем управления многомерными объектами в условиях параметрической неопределенности на основе нечетких регуляторов. На рис. 1 приведена структура нечеткого регулятора с эталонной моделью для джоульметрических систем.
Рисунок 1. Структура нечеткого регулятора с эталонной моделью.
В зависимости от типа исследуемого объекта и используемого датчика, с учетом глубины патологии на основании экспертных оценок в устройство вводится информация, определяющая алгоритм настройки регулятора и значения энергетических уровней.
Для построения регулятора необходимо создать математическую модель биологического объекта. Эта процедура осуществляется методами функциональной и структурной идентификации.
Функциональная идентификация позволяет определить поведение системы при наличии на ее входе стимулов. Для решения этой задачи необходимо наличие экспериментальных данных о поведении системы при различных входных воздействиях. Функциональная идентификация предусматривает определение передаточной функции системы, не давая информации относительно ее внутреннего строения.
Структурная идентификация дает возможность установления взаимодействия отдельных компонент системы в процессе формирования реакций. В этом случае полагается известной конфигурация системы или относительно ее делается предположение о классе функционального описания, а параметры, связывающие систему, считаются неизвестными. Задача идентификации сводится к поиску решений в пространстве искомых параметров системы.
Идентификация биологических звеньев позволяет определить передаточные функции, приводящие к дифференциальным уравнениям высокого порядка. Чаще всего сложная динамика процессов, происходящих в биологических системах, связана с одновременным функционированием некоторого числа биорегуляторов, обладающих различным быстродействием и степенями свободы. В таком случае, для моделирования целесообразно воспользоваться методом пространства состояний, позволяющим представить линейное дифференциальное уравнение высокого порядка, описывающее систему в соответствии с полученной путем функциональной идентификации передаточной функции, в виде системы уравнений первого порядка относительно некоторых вводимых переменных состояния: х(0)
< х = Ах + Ви у = Сх + Оы
где: л:(0) начальные значения вектора состояния, х- вектор состояния, у- вектор выходных пере-
менных, и- вектор входных воздействий, Д, B, С, D- матрицы коэффициентов.
Если размерность входного и выходного векторов совпадают и система является полностью управляемой и наблюдаемой и рассматриваемая система будет устойчива при всех входных воздействиях, удовлетворяющих условию неравенства
||х(0|| <р0 +р\Х(0), V/ > 0 .
Методика синтеза джоульметрических информационных систем на основе экспертных оценок для различных классов биологических объектов основана на исследовании различных структур и алгоритмов настройки параметров нечетких регуляторов.
Проведенные исследования показали, что введение элементов нечеткой логики, учитывающих опыт и знания человека при проведении исследования биологических объектов, позволяют добиться устойчивости джоульметрических систем при работе на различных энергетических уровнях. Состояние системы практически не выходит за границы устанавливаемых энергетических уровней. Введение управляющего регулятора представляется весьма выгодным, поскольку на этапе разработки системы появляется возможность отказаться от многих, достаточно жестких ограничений, вытекающих из критериев устойчивости.
