CC BY
73
ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ &ш\
УДК629.33:004.8
ВПЛИВ ФУНКЦІЇ НАЛЕЖНОСТІ НА ЯКІСТЬ НЕЧІТКИХ РЕГУЛЯТОРІВ ЕЛЕКТРОГІДРАВЛІЧНИХ СЛІДКУЮЧИХ ПРИВОДІВ АВТОМОБІЛІВ
НІКОНОВ О.Я., ШУЛЯКОВ В.М._______________
Наводиться огляд сучасних методів і технологій керування електрогідравлічними слідкуючими приводами автомобілів. Будується нечіткий регулятор для електрогідравлічних слідкуючих приводів автомобілів. Досліджуються перехідні процеси замкненої системи електрогідравлічного слідкуючого привода з нечітким регулятором, а також вплив функцій належності на якість таких нечітких регуляторів.
1. Вступ
Сучасні гідравлічні приводи та пристрої широко застосовуються у складі автомобілів [1-3]. Це зумовлено рядом переваг гідроприводу порівняно з іншими типами приводів: високою питомою потужністю, відносною простотою здійснення поступального руху, здатністю робочого тіла гідроприводу - рідини демпфува-ти різні удари та вібрації тощо. Аналіз конструкцій автомобілів показує, що по мірі їх історичного розвитку гідравлічні пристрої знаходили все більш широке застосування в їх складі (системи керування гальмами, гідравлічні підсилювачі системи керування поворотом, фрикційні амортизатори зі змінним моментом опору, об’ ємні гідропередачі з пропорційним електрогідравлічним керуванням витратою та тиском, механічні трансмісії з електрогідрокеруванням, а також
різноманітні приводи допоміжних пристроїв та ін.). Разом з тим значний розвиток електроніки дозволив створити різні системи автоматичного керування, які класифікуються за характером внутрішніх динамічних процесів (аналогові та дискретні, лінійні та нелінійні), за структурою (системи зі змінною структурою, системи з самоналаштуванням структури) та за іншими ознаками.
Інтеграція гідравлічних пристроїв та електронних систем керування дозволяє вирішувати задачі підвищення якості процесів керування, адаптивного налаштування та підтримки параметрів або структури системи при дії на об’ єкт керування випадкових збурень, діагностики відмов та несправностей при збереженні відносно невеликих маси та габаритів комплексу « привод-система керування».
Таким чином, постає актуальна задача створення сучасних електрогідравлічних перетворювачів на основі сучасних систем керування, здатних надійно працювати в умовах підвищеної запиленості зовнішнього середовища при великому перепаді температур, значних вібраціях, ударах та інших несприятливих факторах, що виникають при експлуатації автомобілів.
2. Аналіз публікацій
Розглянемо більш детально сучасні методи і технології керування електрогідравлічними слідкуючими приводами автомобілів. Оскільки весь автомобіль і його окремі вузли та агрегати звичайно описуються нелінійними диференціальними рівняннями з невизна-ченими параметрами, застосування «класичних» методів теорії автоматичного керування (частотний синтез, модальне керування, оптимальне й робастне керування), що опираються на аналіз математичної моделі об’ єкта керування, зіштовхується з рядом відомих труднощів [4-6].
У теперішній час спостерігається інтенсивний розвиток та практичне застосування нечітких систем для керування й регулювання різноманітних технічних об’єктів [7-10]. Актуальність нової технології - нечіткого моделювання - обумовлена тенденцією збільшення складності математичних моделей реаль-
Рис. 1. Структурна схема нечіткого регулятора в середовищі MATLAB (Simulink)
РИ, 2012, № 3
79
них систем. Отримати вичерпну інформацію для побудови математичної моделі складної реальної системи часто в принципі неможливо. У цих випадках доцільно використовувати методи, спеціально орієнтовані на побудову моделей, що враховують неповноту й неточність вхідних даних. Саме в таких ситуаціях технологія нечіткого моделювання є однією із найбільш конструктивних [9-12].
Зараз закордонними компаніями пропонуються мікро-контролери, що реалізують апаратну підтримку нечіткої логіки. Використання такого рішення дозволяє значно підвищити швидкодію програми, що реалізує функції нечіткого регулятора. Відзначимо, що реалізація нечіткого регулятора у системах керування може бути як апаратною, так і програмною, причому контролери з підтримкою багатьох стандартизованих команд нечіткої логіки випускають Siemens, Fuji Electric, Motorola, Intel, Yokogawa, Klockner-Moeller, Rockwell Automation, Allen-Bradley та інші відомі фірми. Незважаючи на те, що нечіткий регулятор може бути успішно реалізовано й на базі універсальних контролерів, що мають достатній набір функцій, дуже перспективною є реалізація таких регуляторів на базі спеціалізованих нечітких інтегральних мікросхем і нечітких процесорів: Adaptive Logic, OMRON FP-3000, MCS-96, TOGAI-Infra Logic F110, FUZZY -166 та ін. Такі мікросхеми легко інтегруються в існуючі системи керування й, маючи порівняно невисоку ціну, мають високу надійність.
Метою роботи є дослідження впливу функцій належності на якість нечітких регуляторів електрогідравлічних слідкуючих приводів автомобілів. Використання інтелектуальних регуляторів дозволить підвищити енергоефективність, надійність, безвідмовність, довговічність, безпеку використання вузлів та агрегатів автомобіля.
3. Побудова нечітких регуляторів для електрогідравлічних слідкуючих приводів автомобілів
Розглянемо електрогідравлічний слідкуючий привод, що описано в роботах [13-15]. На рис. 1 наведено структурну схему нечіткого регулятора, який розроблено для слідкуючого привода. На рис. 2 показано блок керування зазначеного вище привода в середовищі MATLAB (Simulink). Нечіткий регулятор встановлено у зворотний зв’язок по куту відхилення об’єкту керування.
Загалом, створення нечіткої моделі в середовищі Simulink можна розділити на 4 етапи. Перший етап: збір даних про роботу базової Simulink-моделі і створення файлу даних для навчання нечіткої структури. Другий етап: завдання властивостей нечіткої системи (тип системи нечіткого виводу, кількість вхідних та вихідних змінних, метод дефаззіфікації). Третій етап: тренування (навчання) моделі. Четвертий етап: використання розробленої нечіткої моделі в блоці фаззі-контролера в середовищі Simulink.
Загальною особливістю задач нелінійного та ситуаційного керування є існування деякої залежності або відносини, що зв ’язують вхідні і вихідні змінні моделі системи, яка представляється у формі так званого «чорного ящика». При цьому виявлення та визначення даної залежності в явному теоретико-множинному або аналітичному виді не представляється можливим або через недолік інформації про проблемну область, яка моделюється, або через складності обліку різноманіття факторів, що впливають на характер даного взаємозв’язку.
Рис. 2. Блок керування електрогідравлічним слідкуючим приводом в середовищі MATLAB (Simulink)
Для конструктивного рішення подібних задач доцільно використовувати апарат штучних нейронних мереж (ШНМ). Достоїнством моделей, побудованих на основі ШНМ, є можливість одержання нової інформації про проблемну область у формі деякого прогнозу. При цьому побудова і настроювання ШНМ здійснюється за допомогою їхнього навчання на основі наявної і доступної інформації.
Нечіткі ШНМ або гібридні мережі покликані об ’ єднати в собі достоїнства ШНМ і систем нечіткої логіки. З одного боку, вони дозволяють розробляти і представляти моделі систем у формі нечітких правил, а з іншого - для побудови нечітких правил використовуються методи ШНМ.
За допомогою редактора ANFIS (Adaptive NeuroFuzzy Inference System) синтезовано нечіткий регулятор для електрогідравлічного слідкуючого привода з використанням методів ШНМ (див. рис. 1). Проведено чисельні експерименти і отримано результати.
4. Дослідження впливу функцій належності на якість нечітких регуляторів
У кожному експерименті налаштування та тренування регуляторів проводилися за однакових умов. По-перше, обиралася запропонована навчальна вибірка. Наступним кроком обирався метод генерування нечіткої структури - Grid partition (генерування системи за методом Грат). Встановлювалася кількість лінгвістичних термів для входів (вхідних змінних) -
80
РИ, 2012, № 3
2; тип функцій належності лінгвістичних термів вхідних змінних (у кожному експерименті власна); тип функції належності для вихідної змінної «linear» (лінійна). Далі обирався гібридний метод оптимізації, який поєднує метод зворотнього поширення помилки з методом найменших квадратів. Параметр «необхідної точності навчання» залишався за замовчуванням 0, а кількість епох навчання - 50.
У результаті проведених експериментів було створено більше 40 варіацій нечітких регуляторів, у яких апробовано роботу усіх наявних у заданому режимі роботи восьми функцій належності. Отримані такі результати: трапецієподібна функція належності, двостороння гауссова функція належності, пі-подібна функція належності, функція належності у вигляді різниці між двома сигмоїдними функціями, добуток двох сигмоїдних функцій належності. У потрібних умовах вони не показали задовільних результатів роботи.
Далі розглядаються регулятор з трикутною функцією належності, регулятор з узагальнено колоколоподі-бною функцією належності та регулятор з симетричною гауссовою функцією належності. Ці регулятори показали найкращі результати при моделюванні.
На рис. 3-5 представлено перехідні процеси замкненої системи електрогідравлічного слідкуючого привода при отриманих значеннях варійованих параметрів блоку керування [16-17] для штатного регулятора (крива 1), нечіткого регулятора з трикутною функцією належності (крива 2), узагальненою коло-колоподібною функцією належності (крива 3) та симетричною гауссовою функцією належності (крива 4).
На рис. 3,а наведено перехідні процеси замкненої системи електрогідравлічного слідкуючого привода для вибраного значення 10 градусів для кута повороту об’єкта керування. Краще за інших себе поводять трикутна функція належності та симетрична гауссова функція належності. Для регулятора з трикутною функцією належності (крива 2) при обраному значенні 10 градусів зменшення перерегулювання склало 5 7% по куту у порівнянні зі штатним регулятором (крива 1). У порівнянні зі штатним регулятором (крива 1) регулятор з використанням узагальненої колоколоподібної функції належності (крива 3) викликає набагато більше перерегулювання.
Збільшуємо вибране значення для кута повороту об’єкта керування до 15 градусів (рис. 4,а). Регулятор з симетричною гауссовою функцією належності (крива 4) та регулятор з узагальненою колоколопо-дібною функцією належності (крива 3) потребують більшого часу регулювання. А у випадку з регулятором з трикутною функцією належності (крива 2) наочно бачимо, що він продовжує дуже добре зменшувати перерегулювання у порівнянні зі штатним регулятором (на 70% зменшується перерегулювання по куту).
а
б
Рис. 3. Перехідні процеси замкненої системи електрогідравлічного слідкуючого привода для вибраного значення 10 градусів для кута повороту об’єкта керування (а) і кутової швидкості об’єкта керування (б): 1 -штатний регулятор; 2 - трикутна функція належності; 3 - узагальнена колоколоподібна функція належності; 4 -симетрична гауссова функція належності
а
б
Рис. 4. Перехідні процеси замкненої системи електрогідравлічного слідкуючого привода для вибраного значення 15 градусів для кута повороту об’ єкта керування (а) і кутової швидкості об’ єкта керування (б): 1 -штатний регулятор; 2 - трикутна функція належності; 3 - узагальнена колоколоподібна функція належності; 4 -симетрична гауссова функція належності
РИ, 2012, № 3
81
При обраному значенні 20 градусів для кута повороту об’єкта керування (рис. 5,а) спостерігається подібна ситуація до попереднього випадку. Регулятор з симетричною гауссовою функцією належності (крива 4) та регулятор з узагальненою колоколоподібною функцією належності (крива 3) потребують більшого часу регулювання у порівнянні зі штатним регулятором та регулятором з трикутною функцією належності. А регулятор з трикутною функцією належності продовжує так само добре зменшувати перерегулювання. На 75% зменшується перерегулювання по куту у порівнянні зі штатним регулятором.
а
б
Рис. 5. Перехідні процеси замкненої системи електрогідравлічного слідкуючого привода для вибраного значення 20 градусів для кута повороту об’єкта керування (а) і кутової швидкості об’єкта керування (б): 1 -штатний регулятор; 2 - трикутна функція належності; 3 - узагальнена колоколоподібна функція належності; 4 -симетрична гауссова функція належності
При розгляді перехідних процесів замкненої системи електрогідравлічного слідкуючого привода для кутової швидкості об’єкта керування зі значенням 10 градусів (рис. 3,б) можна зробити висновок, що регулятор з симетричною гауссовою функцією приналежності (крива 4) найкраще зменшує перерегу-лювання у порівнянні з іншими. Регулятор з трикутною функцією приналежності (крива 2) другий за результатами (зменшення перерегулювання склало 19% за кутовою швидкістю у порівнянні зі штатним регулятором). А нечіткий регулятор з узагальненою колоколоподібною функцією належності (крива 3) збільшує перерегулювання у порівнянні зі штатним регулятором у 2 рази.
Перехідні процеси замкненої системи електрогідравлічного слідкуючого привода для кутової швидкості об’єкта керування зі значенням 15 градусів
(рис. 4,б) такі, що криві регулятора з симетричною гауссовою функцією належності (крива 4) та регулятора з узагальненою колоколоподібною функцією належності (крива 3) хоч і мають доволі згладжений вигляд, але за часом регулювання програють регулятору з трикутною функцією належності (крива 2). Регулятор з трикутної функцією належності на 24% зменшує перерегулювання за кутовою швидкістю у порівнянні зі штатним регулятором.
Зі збільшенням значення до 20 градусів (рис.5,б) бачимо результати роботи регуляторів з обраними функціями належності аналогічні тим, що і у попередньому випадку. Задовільні результати показує регулятор з трикутною функцією належності (крива 2), на 25% зменшується перерегулювання за кутовою швидкістю у порівнянні зі штатним регулятором (крива 1).
Результати роботи регулятора з симетричною гауссовою функцією належності (крива 4) виявилися задовільними на вузькому діапазоні значень.
Як видно з рис. 3-5, а також численних експериментів, краще всього з поставленим завданням впорався регулятор з трикутною функцією належності (крива 2), який показував на всьому діапазоні експериментальних значень кращі результати, ніж штатний регулятор. Зменшення перерегулювання склало від 57 до 75% за кутом повороту об’єкта керування та від 19 до 25% за кутовою швидкістю об’єкта керування.
Використання нечіткого регулятора в системах електрогідравлічних слідкуючих приводів автомобіля дозволяє значно покращити якість перехідних процесів при регулюванні, а саме зменшити перерегулювання до 75% за кутом повороту і до 25% за кутовою швидкістю. Цих результатів вдалося досягти з використанням трикутної функції належності. Т акож введення до контура системи нечіткого регулятора дозволило розширити область стійкості системи, що в свою чергу дозволить підвищити її надійність. Треба припустити, що значення варійованих параметрів нечіткого регулятора, які надають мінімум функціо-T
налу якості I = J ^ t | ЛфО) | dt [16], будуть більшими. Це дозволить зменшити час регулювання, що надзвичайно важливо для автомобілів, а також швидкохідних транспортних засобів спеціального призначення. В подальших дослідженнях доцільно нечіткий регулятор встановити також у зворотний зв’язок за кутовою швидкістю об’єкта керування.
5. Висновки
Досліджено вплив функцій належності на роботу створеного регулятора для електрогідравлічних слідкуючих приводів автомобілів з використанням нечіткої логіки, штучних нейронних мереж та методів еволюційного моделювання, що дозволяє підвищити енергоефективність, швидкодію, надійність, безвідмовність, довговічність, безпеку використання зазначених вузлів та агрегатів автомобіля.
82
РИ, 2012, № 3
Використання нечітких (гібридних) регуляторів доцільне при проектуванні та дослідженні електронних систем керування агрегатами, механізмами та вузлами автомобілів, електромобілів, гібридних автомобілів, а також при розробці нових методів діагностування та прогнозування технічного стану засобів транспорту, що забезпечують високу ефективність їх використання та надійність роботи.
Література: 1. Динамика транспортно-тяговых колесных и гусеничных машин / Е.Е. Александров, Д. О. Волон-цевич, А.Н. Туренко и др.; под ред. А.Н. Туренко. Х.: ХГАДТУ, 2001. 642 с. 2. Повышение устойчивости и управляемости колесных машин в тормозных режимах / Е.Е. Александров , В.П. Волков , Д.О. Волонцевич и др.: под ред. Д.О. Волонцевича. Х.: НТУ «ХПИ», 2007. 320 с.
3. Никонов О.Я. Интегрированные информационно-уп-равляющие телематические системы транспортных средств / О.Я. Никонов, В.Н. Шуляков // Автомобильный транспорт. 2010. № 27. С. 83-87. 4. Александров E.E. Многоканальные системы оптимального управления / Е.Е. Александров, И.Н. Богаенко, Б.И. Кузнецов. К.: Техніка, 1995. 312 с. 5. Александров Є.Є. Автоматичне керування рухомими об’єктами і технологічними процессами / Є.Є. Александров, Е.П. Козлов, Б.І. Кузнєцов. Х.: НТУ «ХПІ», 2002. 492 с. 6. Схиртладзе А.Г. Гидравлические и пневматические системы / А.Г. Схиртладзе, В.И. Иванов, В.Н. Кареев. М.: МГТУ, 2003. 544 с. 7. Гостев В.И. Проектирование нечетких регуляторов для систем автоматического управления / В.И. Гостев. СПб.: БХВ-Петербург, 2011. 416 с. 8. Круглов В.В. Нечёткая логика и искусственные нейронные сети / В. В. Круглов, М.И. Дли, Р.Ю. Голунов. М.: Физматлит, 2001. 221с. 9. Ali H.K. Fuzzy Controller Design of Servo System / H.K. Ali // Asian Journal of Applied Science. 2011. P. 403-413. 10. Методы робастного, нейро-нечёткого и адаптивного управления / Под ред. Н.Д. Егупова. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. 744 с. 11. Ross T.J. Fuzzy logic with engineering applications / T.J. Ross. McGraw-Hill, 1995.
600 p. 12. Рутковская Д. Нейронные сети, генетические алгоритмы и нечеткие системы / Д. Рутковская, М. Пи-линьский, Л. Рутковский. М.: Горячая линия-Телеком, 2004. 452 c. 13. Гамынин Н.С. Гидравлический привод систем управления / Н.С. Гамынин. M.: Машиностроение, 1972. 376 с. 14. Ніконов О.Я. Розроблення інформаційно-структурної схеми електрогідравлічних слідкуючих приводів багатоцільових транспортних засобів / О.Я. Ніконов, В.Ю. Улько // Вестник НТУ «ХПИ». Харьков: НТУ «ХПИ», 2010. № 57. С. 214-220. 15. Ніконо-в О. Я. Побудова нелінійної математичної моделі електрогідравлічних слідкуючих приводів багатоцільових транспортних засобів / О. Я. Ніконов, В. Ю. Улько // Вестник НТУ «ХПИ». Харьков: НТУ «ХПИ», 2011. № 9. С. 108-113. 16. Ніконов О.Я. Параметричний синтез інформаційно-керуючої підсистеми електрогідравлічних слідкуючих приводів багатоцільових транспортних засобів / О.Я. Ніконов // Вестник НТУ «ХПИ». Харьков: НТУ «ХПИ», 2011. № 23. С. 49-54. 17. Ніконов О.Я. Побудова нечітких регуляторів для електрогідравлічних слідкуючих приводів автомобілів / О. Я. Ніконов,
B. М. Шуляков // Автомобильный транспорт. 2012. № 30.
C. 49-53.
Надійшла до редколегії 16.09.2012
Рецензент: д-р техн. наук, проф. Бодянський Є.В.
Ніконов Олег Якович, д-р техн. наук, професор, завідувач кафедри інформатики Харківського національного автомобільно-дорожнього університету. Наукові інтереси: інформаційні технології, системи керування, математичне моделювання, системи зв’ язку. Адреса: Україна, 61002, Харків, вул. Петровського, 25, тел.: (057) 707-3774, e-mail: [email protected].
Шуляков Владислав Миколайович, аспірант кафедри інформатики Харківського національного автомобільно-дорожнього університету. Наукові інтереси: інформаційні технології, математичне моделювання. Адреса: Україна, 61002, Харків, вул. Петровського, 25, тел. (057) 707-37-74, e-mail: [email protected].
УДК 517.518.4
ОБ ИСПОЛЬЗОВАНИИ МЕТОДОВ СПЕКТРАЛЬНОГО РАЗЛОЖЕНИЯ В ЗАДАЧАХ СОЦИОЛОГИЧЕСКОГО АНАЛИЗА И ПЛАНИРОВАНИЯ
ГРИЦУНОВ А.В., СТЕПАНОВ В.П., НЕСТЕРЕНКО Л.В.
Разрабатывается адаптивный алгоритм оценки компетентности специалистов на основе построения амплитудных спектров выборок результатов социологических исследований с помощью методов Прони. Спектр выборки строится в базисе затухающих экспонент, являющихся математическим выражением моделей компетентности индивидуумов. Коэффициент затухания обратно пропорционален уровню компетентности модели. Предлагаются линейный и нелинейный методы синтеза на базе полученных спектров управляющей (предметной) функции обучения, предназначенной для целенаправленного управления учебным процессом (корректировки учеб -ных программ применительно к текущему состоянию компетентности учащихся).
РИ, 2012, № 3
1. Введение
Социологические опросы и анкетирование - важные научные и общественные мероприятия, предназначенные для составления статических (однократный анализ) или динамических (при многократном анализе) отчетов о состоянии общества, общественного мнения, политической, социальной и прочей ситуации в целях прогнозирования последующих действий или событий, а также целенаправленного воздействия на них. Особое значение приобретают эти мероприятия в условиях быстрого увеличения народонаселения Земли, когда дефицит природных ресурсов приводит либо к вымиранию, либо к экстремистским действиям целых наций и государств. Наиболее результативны социологические методы в случае, когда использование их результатов не ограничивается информационно-аналитической стороной мероприятия (хотя она также важна), а кладется в основу действий по перспективному планированию и оптимизации тех или иных видов экономической, хозяйственной или организационной деятельности. Чем шире масштаб этих мероприятий - тем выше их эффективность,
83
