Конструювання алгоритмів керування на основі нечіткої логіки і нейронних мереж

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

скачати


МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

Севастопольський національний технічний університет

Кафедра технічної кібернетики

Курсова робота

З дисципліни «Сучасні методи теоретичних та експериментальних досліджень»

На тему: «Конструювання алгоритмів керування на основі нечіткої логіки і нейронних мереж»

Виконав: студент гр. МАГ-2

Перевірив: професор

Скороход Б.А.

Севастополь

2007

зміст

введення

1. вихідні дані

1.1. Об'єкт дослідження

1.2. Вихідні дані

1.3. Завдання на проектування

2. побудова регуляторів

2.1. Об'єкт без регулятора

2.2. П-регулятор

2.3. ПД-регулятор

2.4. Нечіткий регулятор для 3 правил

2.5. Нечіткий регулятор для 5 правил

3. копіювання пд - регулятора

4. дослідження та порівняльний аналіз якості З.С.

4.1. Оцінити якість замкнутої системи при різних початкових задають рівнях рідини в баку

4.2. Оцінити вплив неточності від 1 до 5% при вимірюванні датчиком рівня води в ємності, ввівши в систему випадковий шум

4.3. Вихідний потік води з ємності може розглядатися як збурення, що діє на об'єкт управління

висновки

перелік посилань

введення

Основним завданням даної курсової роботи є вивчення методів розробки систем управління на основі апарату нечіткої логіки і нейронних мереж. Нечітке управління є практичною альтернативою для численних додатків теорії управління, т.к воно забезпечує зручний метод для конструювання нелінійних контролерів на основі використання евристичної інформації. Така евристична інформація може надходити від експерта у вигляді безлічі правил як управляти процесом, які далі вбудовуються в нечіткий контролер. В інших випадках, вона може бути отримана від інженера, який виконав інтенсивне моделювання та аналіз процесу і т.д. Але незалежно, звідки була отримана евристична інформація, нечітке управління забезпечує зручний інтерфейс для подання та реалізації ідей щодо того, як розробити систему управління, що володіє заданими характеристиками якості.

У цій роботі необхідно для об'єкта управління - ємності з двома клапанами з метою встановлення заданого рівня рідини побудувати кілька типів регуляторів і порівняти їх результативність між собою. Передбачається побудова нечітких регуляторів на основі лінгвістичних правил і копіювання ПД - регулятора.

1. вихідні дані

1.1. Об'єкт дослідження

Є циліндрична ємність з декількома отворами. З одного отвору ємність поповнюється рідиною, з інших - рідина витікає. Вхідний клапан регулюється, тим самим, змінюючи кількість впадає рідини. Швидкість витікання залежить від постійного діаметра вихідного отвору і тиску в ємності, що змінюється залежно від рівня рідини. Система має суттєво нелінійні характеристики. Входами для контроллера є електричний сигнал пропорційний помилку відстеження заданого змінного рівня, а виходом - напруга, що створюється у котушці індуктивності, що управляє вхідним клапаном. Математична модель об'єкта управління має вигляд

, (1)

де - Висота ємності (м), - Напруга на виході пристрою управління (керуючий вплив), (в), - Інтеграл від напруги на виході пристрою управління, яка обумовлює переміщення клапана, - Площа поперечного перерізу ємності (м2), - Параметри, які визначаються експериментально.

Рисунок 1 - Об'єкт управління - ємність з рідиною.

До синтезованою системі пред'являтися такі вимоги: перерегулювання не більше 5%, час перехідного процесу 10 секунд, число коливань до закінчення часу перехідного процесу не більше двох, що встановилася помилка дорівнює нулю.

1.2. Вихідні дані

Вихідні дані у відповідності з варіантом наведені в таблиці 1.

Таблиця 1 - Вихідні дані

Варіанти

S, см2

а

, М

, М

, М

, М

5

45

5

9

1.5

1

0.3

1.4

1.3. Завдання на проектування

Для системи (1) сконструювати і провести порівняльний аналіз наступних типів регуляторів:

Пропорційний регулятор (П).

Пропорційно-диференціальний регулятор (ПД).

Нечіткий регулятор, який використовує правила

If (level is okay) then (valve is no change)

If (level is low) then (valve is open fast)

If (level is high) then (valve is close fast)

Нечіткий регулятор, який використовує правила:

If (level is okay) then (valve is no change)

If (level is low) then (valve is open fast)

If (level is high) then (valve is close fast)

If (level is okay) and (rate is positive), then (valve is close slow)

If (level is okay) and (rate is negative), then (valve is open slow)

Нечіткий регулятор, що копіює ПІ регулятор

Дослідження та порівняльний аналіз характеристик якості замкнутої системи:

1. Оцінити якість замкнутої системи при різних початкових і задають рівнях рідини в баку.

2. Оцінити вплив неточності від 1 до 5% при вимірюванні датчиком рівня води в ємності, ввівши в систему випадковий шум.

3. Вихідний потік води з ємності може розглядатися як збурення, що діє на об'єкт управління. Оцінити його вплив при зміні кількості вихідних отворів (розглянути випадок, коли площа вихідних отворів зменшилася у два рази).

2. побудова регуляторів

2.1. Об'єкт без регулятора

Нижче наводиться схема роботи ємкості зібрана засобами Simulink на основі співвідношення (1). Система замкнута одиничної ООС. Приймаємо для спрощення, що на вхід подаємо величину, чисельно рівну значенню бажаного рівня рідини в ємності. Внаслідок цього коефіцієнт вимірювача (тахогенератора), приймаємо рівним 1.

Малюнок 2.1. - Схема ОУ з Kp = 1

Малюнок 2.2. - Зміна рівня рідини в місткості (Kp = 1)

2.2. П-регулятор

Тепер в систему додамо найпростіший регулятор, який реалізує пропорційний закон управління. Схема системи з П-регулятором наведена на малюнку 2.3.

Малюнок 2.3. - Схема ОУ з П-регулятором.

Зрозуміло, що ми маємо дуже простий механізм регулювання шляхом зміни коефіцієнта одного посилення. На малюнку 2.2. ми можемо спостерігати динаміку процесу, зміна ж коефіцієнта підсилення може лише змінити швидкодію, але не якість.

У даній постановці задачі ми можемо змінити тільки швидкодію процесу але не його динаміку. З допомогою П-регулятора ми не можемо отримати процес необхідної якості.

2.3. ПД-регулятор

Розглянемо роботу системи при додаванні ПД-регулятора, тобто введення крім пропорційного ще й диференціюючого ланки. Схема з ПД-регулятором наведена на малюнку 2.5.

Малюнок 2.5. - Схема ОУ з ПІ-регулятором.

Тепер ми маємо два варійованих параметра для настройки регулятора. Розглянемо їх вплив окремо.

Малюнок 2.6. - Зміна рівня рідини в ємності при різних коефіцієнтах пропорційного ланки ПД-регулятора: До p = 10 (1), К p = 50 (2), К p = 7 (3) при К d = 30.

Малюнок 2.7. - Зміна рівня рідини в ємності при різних коефіцієнтах диференціального ланки ПД-регулятора: До d = 10 (1), К d = 20 (2), К d = 30 (3) при К p = 50.

Ми можемо бачити, що, природно, коефіцієнт диференціального ланки призводить до зміни перерегулювання прямо пропорційним чином. Очевидно, підбором обох коефіцієнтів можна добитися і прийнятного часу регулювання, і плавності переходу.

2.4. Нечіткий регулятор для 3 правил

Перейдемо до побудови нечітких регуляторів. Розглянемо побудову нечіткого регулятора, закон управління якого формується на основі трьох правил:

If (level is okay) then (valve is no change)

If (level is low) then (valve is close fast)

If (level is high) then (valve is open fast)

Отримуємо наступне: якщо рівень рідини «нормальний», то залишаємо клапан «без змін», якщо рівень «низький», то клапан «швидко закривається», якщо рівень «високий», то клапан «швидко відкривається».

Модель нечіткого регулятора складена засобами Fuzzy Logic Toolbox. Нечіткі поняття, взяті вище в лапки, представлені в моделі термами лінгвістичних змінних, з якими зіставлені функції приналежності. Схема системи в Simulink наведена на малюнку 2.8.

Малюнок 2.8. - Схема ОУ з нечітким регулятором (3 правила).

Малюнок 2.9. - Зміна рівня рідини в ємності в системі з нечітким регулятором.

У даному випадку ми отримали перехідний процес, за якістю неприйнятний. Підбором функцій приналежності не вдається підібрати прийнятний процес, оскільки не врахована інформація про поведінку при нормальному рівні рідини в баку. Приходимо до висновку про необхідність подачі на вхід регулятора інформації про знак похідної. Це буде враховано в регуляторі з п'ятьма нечіткими правилами.

Малюнок 2.10. - Функції належності для термів вхідної змінної «рівень» - level.

На малюнку 2.10. функція належності low описує низький рівень рідини, okay - нормальний, high - високий.

Малюнок 2.11. - Функції належності для термів вихідної змінної «клапан» - valve.

На малюнку 2.11. функція належності close fast відповідає сигналу швидко закрити клапан, no change - залишити без змін, open fast - швидко відкрити клапан.

Малюнок 2.12 - Поверхня відгуку для нечіткого регулятора (3 правила).

Ми отримуємо подібну з вищевикладеними залежність, оскільки закон керування регулятора подібний з пропорційним.

2.5. Нечіткий регулятор для 5 правил

Тепер побудуємо вдосконалений нечіткий регулятор уже на основі п'яти правил такого вигляду:

If (level is okay) then (valve is no change)

If (level is low) then (valve is open fast)

If (level is high) then (valve is close fast)

If (level is okay) and (rate is positive), then (valve is open slow)

If (level is okay) and (rate is negative), then (valve is close slow)

Тут ми до минулих трьох додаємо ще два правила, які враховують знак похідної, щоб на «нормальному» рівні плавно відслідковувати тенденції зміни рівня рідини.

До того ж дослідження проведені при модифікації першого правила у вигляді:

If (level is okay) and (rate is null) then (valve is no change)

Така заміна дає невеликий виграш у часі моделювання, що можна бачити на нижченаведених графіках.

Тепер нечіткий регулятор має дві вхідні змінні, одна залишається для рівня рідини, інша для знака похідної. Схема системи представлена ​​на малюнку 2.13.

Малюнок 2.13 - Схема ОУ з нечітким регулятором (5 правил).

У ході моделювання були отримані наступні графіки зміни рівня рідини в баку:

Малюнок 2.14 - Зміна рівня рідини в ємності в системі з нечітким регулятором (5 правил), початковий рівень - 0.5, при вихідних правилах.

Малюнок 2.15 - Зміна рівня рідини в ємності в системі з нечітким регулятором (5 правил), початковий рівень - 0.5.

Малюнок 2.16 - Зміна рівня рідини в ємності в системі з нечітким регулятором (5 правил), початковий рівень - 1.5.

Малюнок 2.17 - Функції приналежності для термів вхідної змінної level.

Малюнок 2.18 - Функції приналежності для термів вхідної змінної rate.

Малюнок 2. 19 - Функції приналежності для термів вихідної змінної «клапан» - valve.

Як ми можемо бачити, ми додаємо ще два терма для вихідної змінної, відповідні меншій швидкості відкривання (закривання) клапана. Функції приналежності для вхідної змінної рівня рідини були істотно змінені порівняно з аналогічними в регуляторі для 3 правил.

Відповідним підбором типів і форм функцій належності вдалося домогтися як нормальної якості процесів без значного перерегулювання, так і прийнятної точності.

Малюнок 2.20 - Поверхня відгуку для нечіткого регулятора (5 правил).

3. копіювання пд - регулятора

Також була поставлена ​​і вирішена задача синтезу нечіткого регулятора, копіює побудований вище ПД-регулятор. Схема з регулятором - копією зображена на малюнку 3.1.

Малюнок 3.1. - Схема включення нечіткого регулятора-копії.

База нечітких правил, нечіткі змінні та їх терми були задані в режимі командного рядка, текст наводиться нижче.

a = newfis ('sw_f', 'sugeno'); a = addvar (a, 'input', 'x1', [-10 10]);

a = addmf (a, 'input', 1, 'mf11', 'trapmf', [-20 - 20 - 9 - 8]); a = addmf (a, 'input', 1, 'mf12', 'trimf ', [-8 - 7 - 6]);

a = addmf (a, 'input', 1, 'mf13', 'trimf', [-6 - 5 - 4]); a = addmf (a, 'input', 1, 'mf14', 'trimf', [-4 - 3 - 2]);

a = addmf (a, 'input', 1, 'mf15', 'trimf', [-2 - 1 0]); a = addmf (a, 'input', 1, 'mf16', 'trimf', [ 0 1 2]);

a = addmf (a, 'input', 1, 'mf17', 'trimf', [2 3 4]); a = addmf (a, 'input', 1, 'mf18', 'trimf', [4 Травня 6]);

a = addmf (a, 'input', 1, 'mf19', 'trimf', [6 7 8]); a = addmf (a, 'input', 1, 'mf110', 'trapmf', [8 Вересня 20 20]);

a = addvar (a, 'input', 'x2', [-10 10]);

a = addmf (a, 'input', 2, 'mf21', 'trapmf', [-20 - 20 - 9 - 8]); a = addmf (a, 'input', 2, 'mf22', 'trimf ', [-8 - 7 - 6]);

a = addmf (a, 'input', 2, 'mf23', 'trimf', [-6 - 5 - 4]); a = addmf (a, 'input', 2, 'mf24', 'trimf', [-4 - 3 - 2]);

a = addmf (a, 'input', 2, 'mf25', 'trimf', [-2 - 1 0]); a = addmf (a, 'input', 2, 'mf26', 'trimf', [ 0 1 2]);

a = addmf (a, 'input', 2, 'mf27', 'trimf', [2 3 4]); a = addmf (a, 'input', 2, 'mf28', 'trimf', [4 Травня 6]);

a = addmf (a, 'input', 2, 'mf29', 'trimf', [6 7 8]); a = addmf (a, 'input', 2, 'mf210', 'trapmf', [8 Вересня 20 20]);

a = addvar (a, 'output', 'u', [-10 10]);

a = addmf (a, 'output', 1, 'mf1', 'constant', [-10]); a = addmf (a, 'output', 1, 'mf2', 'constant', [-9] );

a = addmf (a, 'output', 1, 'mf3', 'constant', [-8]); a = addmf (a, 'output', 1, 'mf4', 'constant', [-7] );

a = addmf (a, 'output', 1, 'mf5', 'constant', [від -6]); a = addmf (a, 'output', 1, 'mf6', 'constant', [-5] );

a = addmf (a, 'output', 1, 'mf7', 'constant', [-4]); a = addmf (a, 'output', 1, 'mf8', 'constant', [-3] );

a = addmf (a, 'output', 1, 'mf9', 'constant', [-2]); a = addmf (a, 'output', 1, 'mf10', 'constant', [-1] );

a = addmf (a, 'output', 1, 'mf11', 'constant', [0]); a = addmf (a, 'output', 1, 'mf12', 'constant', [1]);

a = addmf (a, 'output', 1, 'mf13', 'constant', [2]); a = addmf (a, 'output', 1, 'mf14', 'constant', [3]);

a = addmf (a, 'output', 1, 'mf15', 'constant', [4]); a = addmf (a, 'output', 1, 'mf16', 'constant', [5]);

a = addmf (a, 'output', 1, 'mf17', 'constant', [6]); a = addmf (a, 'output', 1, 'mf18', 'constant', [7]);

a = addmf (a, 'output', 1, 'mf19', 'constant', [8]); a = addmf (a, 'output', 1, 'mf20', 'constant', [9]);

a = addmf (a, 'output', 1, 'mf21', 'constant', [10]);

ruleList = [...

1011111

2031111

3051111

4081111

50101111

60121111

70141111

80161111

90181111

100211111

0111111

0231111

0351111

0471111

0591111

06121111

07141111

08161111

09181111

010211111];

a = addrule (a, ruleList);

writefis (a, 'sw _ f');

Графіки процесів для ПД регулятора і його нечіткої копії наведені на малюнку 3.2.

Малюнок 3.2. - Графіки зміни рівня рідини в баку при = 1 і = 1.5. для ПД регулятора та його копії.

Отже, шляхом нормування і завдання бази 20 правил вдалося досягти досить близького наближення до оригіналу як за якістю, так і за точністю. Експериментальні та порівняльні дослідження будуть проведені в наступному розділі.

4. дослідження та порівняльний аналіз якості З.С.

4.1. Оцінити якість замкнутої системи при різних початкових і задають рівнях рідини в баку

Тут і далі прийняті наступні позначення

1 - ПД-пегулятор;

2 - Нечіткий регулятор для 5 правил;

3 - Нечіткий регулятор - копія;

Малюнок 4.1. - Графіки зміни рівня рідини в баку при = 1 і = 0.5.

Малюнок 4.2. - Графіки зміни рівня рідини в баку при = 0.3 і = 1.5.

4.2. Оцінити вплив неточності від 1 до 5% при вимірюванні датчиком рівня води в ємності, ввівши в систему випадковий шум

Інтенсивність шуму визначаємо за правилом трьох сигм

Малюнок 4.3. - Графіки зміни рівня рідини в баку при = 1 і = 1.5. при введенні білого шуму кроком 0.05.

4.3. Вихідний потік води з ємності може розглядатися як збурення, що діє на об'єкт управління

Оцінити його вплив при зміні кількості вихідних отворів (розглянути випадок, коли площа вихідних отворів зменшилася у два рази).

Малюнок 4.3. - Графіки зміни рівня рідини в баку при = 1 і = 1.5. коли площа вихідних отворів зменшилася у два рази.

Тут, як і слід було очікувати, перехідні процеси менш швидкі, оскільки рідина витікає повільніше.

висновки

У ході виконання цієї курсової роботи для об'єкта регулювання - ємності з двома клапанами - з метою підтримки заданого рівня рідини були синтезовані П - регулятор, ПД-регулятор, нечіткі регулятори на 3 та 5 правилах і нечіткий регулятор - копія ПД-регулятора. Була проаналізована можливість виконання задачі та проведено порівняльний аналіз регуляторів.

Як з'ясувалося, добіркою коефіцієнта П-регулятора ми можемо змінити лише швидкодію системи, але не її якість, яка є недовлетворітельним. Вирішити завдання за допомогою П-регулятора не представляється можливим.

При синтезі ПД-регулятора було показано вплив його окремих ланок на одержуваний процес, з'ясувалося, що підбіркою коефіцієнтів можна отримати процес високій швидкості і якості при часі регулювання 3 с. І без перерегулювання.

За допомогою нечіткого регулятора на основі 3 правил не вдалося отримати прийнятний процес. Це пов'язано з відсутністю обліку значення похідної, т.. е. швидкості зміни рівня рідини в баку. У нечіткому регуляторі це враховано і був отриманий процес згодом регулювання не більше 10 с.

Нечіткий регулятор-копія ПД - регулятора при нормировки входів та виходу дав результат, близький до оригіналу і за якістю і за точністю.

Також був проведений порівняльний аналіз якості регуляторів, де можна бачити високу якість двох ПД - регуляторів. Однак підбором типів і форм функцій належності можна також поліпшити і якість регулятора для 5 правил.

Було оцінено вплив помилки шляхом введення білого шуму, потужність якого була визначена за правилом 3 сигм. Виявилося, регулятор на 5 правил володіє дещо більшою стійкістю до зашумлення.

перелік посилань

  1. В.В. Круглов Нечітка логіка і штучні нейронні мережі / В.В. Круглов,

  2. М.І. Дли, Р.Ю. Голунь М.: Фізматліт, 2001. - 221с.

  3. MATLAB Fuzzy Logic Toolbox User's Guide

  4. MATLAB Simulink Toolbox User's Guide


Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Програмування, комп'ютери, інформатика і кібернетика | Курсова
48кб. | скачати


Схожі роботи:
Системи підтримки прийняття рішень фінансового аналізу на базі алгоритмів нечіткої логіки
Макроекономічне моделювання та прогнозування валютного курсу в Україні на основі нечіткої логіки
Використання нечіткої логіки в системах автоматичного управління
Моделі нейронних мереж
Кластеризація за допомогою нейронних мереж
Властивості основних нейронних мереж
Психологічна інтуїція штучних нейронних мереж
Апроксимація функції з використанням нейронних мереж
Дослідження можливості застосування штучних нейронних мереж для автоматичного управління
© Усі права захищені
написати до нас