Доповідь /Технічні науки – Автоматизовані системи управління на виробництві

УДК.681.5.041

Фадєєва О.В.

Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу

СТРУКТУРА ФАЗЗІ-КОНТРОЛЕРА ДЛЯ СИСТЕМИ АВТОМАТИЗАЦІЇ ПРОЦЕСІВ КЕРУВАННЯ ОБ’ЄКТАМИ, ЩО ФУНКЦІОНУЮТЬ ЗА УМОВ АПРІОРНОЇ ТА  ПОТОЧНОЇ НЕВИЗНАЧЕНОСТІ

          Деякі об’єкти нафтової і газової промисловості відносяться  до класу погано вивчених нелінійних динамічних об’єктів. Задача  керування такими об’єктами, що функціонують за умов апріорної та поточної невизначеності щодо їх структури та параметрів і перебувають під впливом зовнішніх завад, є актуальною для галузі.

          Проте, аналіз літературних джерел (наприклад [1- 4 та ін.]) показує недостатній  об'єм проведених досліджень в напрямку створення систем автоматизації процесів керування на базі апарату обчислювального інтелекту. Проблема ускладнюється тим,  що тип нелінійності об’єкта апріорі невідомий і її характер може змінюватися з часом. Збурення також мають не традиційний стохастичний харкактер з елементами хаосу. У цьому випадку прийнятним  математичним апаратом є теорія нечітких множин і нечіткої логіки. Простота і невисока вартість розробки фаззі-систем контролю і керування сприяє широкому застосуванню цієї технології в автоматизації процесів керування об’єктами нафтової і газової промисловості.

          Принципи нечіткої логіки є методами системного підходу і базуються на інтуіції та досвіді експертів, використовуючи елементи повсякденної мови для опису поведінки систем контролю або керування.

          Оскільки при проектуванні систем, що базуються на фаззі-логіці, розробляється спеціальний фаззі-проект, метою даної роботи є аналіз структури фаззі-контролера як керуючого пристрою з нечітким алгоритмом.

          Фаззі-проект системи керування або контролю складається з окремих об’єктів. З позицій програмування об’єкт містить у пам’яті дані і функції. Дані є інформацією, а функція  – операціями, що праціюють з цими даними [1]. Потоки даних проходять відповідну обробку в пристрої з нечітким алгоритмом, як це зображено на рис. 1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Рис. 1 – Структура і компоненти фаззі-контролера

 

          Інформація, яка поступає на вхід фаззі-контролера, перетворюється таким чином, щоб завдання лінгвістичних змінних дозволяло визначити правило керування і лінгвістичну змінну, яка відповідає вихідній величині фаззі-контролера.

          Інформаційна обробка вхідної інформації здійснюється фаззі-блоком і складається з наступних основних процедур: фазифікації, інференції і дефазифікації.

          На початку проектування фаззі-контролера здійснюється вибір вимірюваних величин та вхідних величин фаззі-контролера, а також визначення його івихідних. На цьому етапі можуть бути встановлені вхідні і вихідні фільтри, які слугують для узгодження параметрів керованого об’єкта з параметрами фаззі-блока. Ця  процедура є обов’язковою при застосуванні нормованих фаззі-блоків, тому що в цьому випадку необхідно узгодити величини системи керування із вхідними та вихідними  величинами фаззі-блоку, які змінюються в одиничному інтервалі (наприклад, [-1, 1] або [1, 100]) [5].

          Використання нормованих фаззі-блоків дозволяє використовувати їх в різних системах керування, змінюються лише масштабні коефіцієнти вхідних та вихідних фільтрів, які мають такеж важливе значення як і передавальні коефіцієнти в класичних регуляторах.

          Вхідні та вихідні фільтри можуть складатися із статичних елементів (суматорів, підсилювачів) або із динамічних компонентів таких як інтегруючі та диференціюючі ланки.

          Визначення основних властивостей фаззі-блоку здійснюється на етапі встановлення алгоритмічних ступенів свободи. Враховується, що як керуючі сигнали можуть бути використані лише однозначні величини. Тому створена в процесі інференції фвззі-множина не може бути використана як керуючий вплив для керованого об’єкта і потрібна дефазифікація отриманого результату. Метою дефазифікації є перетворення лінгавстиних значень на виході фаззі-блоку у неперервний сигнал на виході.

          Задача дефазифікації є зворотньою по відношенню до задачі фазифікації. Проте перевірка діапазонів в цьому випадку не потрібна. Маючи нечіткі діапазони, лишається отримати зрозумілий для комп’ютера і користувача чіткий результат.

          Обчислення змінної  yі на виході фаззі-блоку здійснюється для кожної вхідної змінної, для якої функція належності μх і > 0. Значення величини yі може бути розраховано, наприклад, з використанням  мінімаксного методу “центра ваги” (метод Мамдані). Інший поширений підхід – використання максимального значення функції належності. Конкретний вибір методу дефазифікації здійснюється залежно від бажаної поведінки нечіткої  експертної системи, тому що метод дефазифікації визначає сталість фаззі-блоку та його швидкодію.

          Проте, центральним  етапом у проектуванні фаззі-контролера є  встановленні параметричних ступенів свободи. Він містить три стадії [5]:

1.     На базі попередньо визначених властивостей керованого об’єкта та масштабних коефіцієнтів вхідного і вихідного фільтрів визначаються можливі інтервали зміни вхідних і вихідних величин [6].

2.     Для всіх лінгвістичних змінних встановлюються лінгвістичні терми та їх функції належності. У більшості випадків для кожного терма використовуються функції належності у вигляді трикутника. Проте, в ряді випадків використовують трапецієдальні і інші функції належності [7].

Перевагою трикутної форми є простота обчислень значень функції належності, недоліком є порушення неперервності похідної у точці максимуму.

          Оскільки частіше фазифікуються аналогові сигнали, тому експерти готують дані так, щоб проявлялися ознаки, які можна було б оцінити, тобто з нечітких величин отримати нечіткі діапазони. Що стосується даних, то нечіткі діапазони містять невизначеність і визначені лише ознаки, що оцінюються. Визначені таким чином нечіткі діапазони є даними фазифікації. Вони йдуть на логічну обробку – інференцію.

          Отже, головними задачами фазифікації є перевірка нечітких діапазонів на припустимість, відображення контрольованих величин у вигляді нечітких діапазонів і представлення отриманих результатів для інформації (агрегування, імплікації, акумулювання), тобто логічної обробки.

3.     Третім кроком є складання бази правил. Правила містять знання експертів про те, що треба роботи, якщо стала справедливою одна з властивостей, сформульованих при фазифікації. Правила регулюють взаємозв’язки даних фазифікації з даними логічної обробки і являють собою чіткі висловлювання. Операції “ЯКЩО (умова)  ТО (дія)” працюють з нечіткими даними, тому, хоча правила і є чіткими, результат можна отримати тільки нечіткий.

          Проте, для складання бази правил не існую жодного  систематизованого алгоритму, тому цей етап проектування фаззі-регулятора не має такої загальноприйнятної систематики, як при проектуванні класичних результатів. Це  ускладнює процес проектування і тому, як наслідок, трапляються випадки, коли різні настройки фаззі-блоку зумовлюють майже ідентичні його передавальні властивості [5].

          Разом з тим є підхід до проектування бази правил, який базується на стандартній базі правил, наприклад, яку запропонував Мас Vicar-Whelan [8]. Залежно від завдань, які ставляться перед експертною системою, існує багато модифікацій бази правил Мас Vicarа-Whelanа, які здійснюються шляхом відповідних модифікацій лінгвістичних термів. База правил Мас Vicar-Whelan дозволяє як шаблонна база правил для конструкції великої кількості спеціальних баз правил шляхом виключення модифікації або додавання нових правил керування.

          Отже, системи з фаззі-регулятором на відміну від систем з класичним ПІ-регулятором є більш робастними по відношенню до зміни параметрів керованого об’єкта, які відбуваються в процесі його роботи.

Література

1.     Семенцов Г.Н., Чигур І.І., Шавранський М.В., Борин В.С. Фаззі-логіка в системах керування. Навчальний посібник ІФНТУНГ: Факел, 2002р. – 85 с.

2.     Алиев Р.А., Церковный А.Э., Мамедова Г.А. Управление производством при нечетной исходной информации. – М.:Энергоатомиздат, 1991. – 240 с.

3.     Hampel R., Chaker N. Structure analysis for fuzzy-controller // Proceedings of Fuzzy-96, Zittau, Germany, 1996. – 83-91 p.p.

4.     Al-Hadithi B.M., Matia F., Timenez A. Fuzzy control for a liquid level system // Proceedings of EUSFLAT 2003, Zittau, Germany, 2003.– 355-361 p.p.

5.     Головач І.Р. Аналіз інформативних параметрів і розробка автоматизованої системи керування процесом екстракції: Дис…канд.техн.наук: 05.13.07.– Львів, 2004.– 160 с.

6.     Семенцов Г.Н., Фадєєва О.В. Формування шкал лінгвістичних термів для вхідних сигналів нечітких пристроїв контролю параметрів процесу буріння свердловин на нафту і газ // Академический вестник № 17÷18, 2006 . – С. 31-35.

7.     Семенцов Г.Н., Фадєєва О.В. Аналіз і вибір форми функцій належності для фазифікації вхідних сигналів систем контролю і управління // Науковий журнал Вісник Хмельницького національного університету (Вісник Технічного університету Поділля). Технічні науки, №1, 2006. – С.219-225.

8.     Мас Vicar-Whelan, P.I., Fuzzy sets for man-machine interactions // International Journal of Man-Machine Studies, №8. –1917. – P. 687-697.