Розробка, дослідження системи керування на основі нейронної мережі (стр. 11 из 21)
На рис. 3.16 приведена узагальнена структура настроювання параметрів нейронних мереж, що входять до складу синтезованої системи керування. Вихідна популяція складалася з 150 хромосом і генерувалася випадковим образом. Кожен параметр мереж кодувався 16 бітами. Причому такі генетичні оператори як мутація і кросовер здійснювалися для кожної з двох частин хромосоми окремо. Оскільки діапазон зміни кожного з параметрів прийнятий від -1 до +1, то 16-и розрядне кодування забезпечує дискретність зміни параметрів не гірше чим
.Словесно алгоритм можна описати в такий спосіб: на першому етапі випадковим образом генерується похідна популяція бінарних хромосом. Обчислюється критерій функціонування системи керування без використання коригувальних нейронних мереж. Потім визначається індекс пристосованості кожної хромосоми при функціонуванні об'єкта і по його значеннях виконується впорядкування популяції. Обчислюється середня по популяції пристосованість. Спираючи на неї, визначається імовірність, з яким кожна особа, що володіє пристосованістю більше середньої, може стати батьком. При цьому для кожного батька в процесі генерації хромосоми нащадка мається дві можливості: або просто бути скопійованим у наступне покоління, або піддадуться впливу генетичних операторів.
Рис.3.16. Узагальнена структура настроювання параметрів нейронних мереж системи керування.
У такий спосіб генерується задане число М нащадків. Оскільки нащадки отримані від кращих батьків, то їхня пристосованість може бути більш високої.
Робота алгоритму закінчується при досягненні популяцією стану адаптації, що ідентифікується по стягуванню ядра популяції спочатку в щільну хмару, а потім у крапку. Кросовер як механізм мінливості втрачає в таких умовах свою силу. Мутація й інверсія будуть як і раніш модифікувати потомство, продовжуючи тестування нових і нових точок простору пошуку. У результаті знаходимо деякий екстремум, хоча характер його невідомий.
На рис. 3.17 представлена спрощена схема генетичного алгоритму.
Результати досліджень приведені в розділі 4.
Рис.3.17. Схема генетичного алгоритму.
4. ДОСЛІДЖЕННЯ СИСТЕМ КЕРУВАННЯ ДИЗЕЛЬ-ПОТЯГА
4.1. Дослідження регуляторів системи керування, розроблених на основі використання принципу регулювання за помилкою та ПІД закону керування
У розділі 2 приведені математична модель і структура САР електропередачі дизель-потяга, виконаних у відповідності до традиційних підходів на основі використання принципу регулювання за помилкою, тобто компенсація сигналу завдання сигналом зворотного зв'язку. Як правило, такі САР будуються з використанням пропорційно-інтегрально-диференціального закону керування, де в колі регулювання міститься блок задавання інтенсивності, що у залежності від сигналу, що надходить на його, (зростання чи убування) має різні постійні часу.
Одна з можливих структур САР електропередачі містить три контури регулювання: підтримка сталості струму (для заданої позиції контролера машиніста); підтримка сталості потужності; обмеження максимального значення напруги живлення. Усі ці контури з погляду реалізації САР ідентичні, однак функціонують у різних, з погляду динаміки, умовах. Найбільш критичним до зміни умов функціонування є контур САР, що забезпечує підтримку сталості струму (обмеження струму), оскільки його робота пов'язана з режимом пуску, де до якісних показників системи пред'являються досить "жорсткі" вимоги. Особливо це відноситься до такого показника якості, як величина перерегулювання. У якості фізичної досліджуваної величини тут виступає струм фази асинхронного двигуна, що комутується перетворювачем частоти, який має гранично допустимі значення сили струму, що протікає через його елементи.
Дослідження, пов'язані з визначенням параметрів САР і уточненням структури САР, проводилися в кілька етапів. При цьому досліджувану структуру САР можна представити як таку, що складається з кола задавання, формувача сигналу керування (пропорційно-інтегрального регулятора і блоку задавання інтенсивності), об'єкта керування (моделі тягового асинхронного двигуна), блоку формування сигналу зворотного зв'язку (датчики, підсилювачі, що масштабують, фільтри) [30].
За допомогою блоку завдання формувався сигнал, що відповідає визначеній позиції контролера машиніста і характеризується визначеною швидкістю його наростання.
Тут і надалі , як показник завантаженості складу (тобто його загальної маси чи моменту інерції) використовувався показник p/J,
де р - число пар полюсів асинхронного двигуна,
J - момент інерції поїзду, приведений до колісної пари.
На першому етапі проводилися дослідження САР з метою визначення параметрів регулятора каналу відсічення по струму, виконаного відповідно до традиційної схеми, описаної в розділі 2. Основна увага приділялася питанням, зв'язаним з адекватністю розроблених моделей і визначенням параметрів САР, що забезпечують задану якість регулювання. При цьому показниками якості виступали величина перерегулювання, час перехідного процесу (tпп ), число перерегулювання (N).
Для проведення досліджень з метою уточнення структури і визначення параметрів САР необхідно мати моделі блоків САР (формувачів сигналу задавання, формувачів сигналів зворотних зв'язків, тягових двигунів), які адекватно відображають процеси, що протікають у самому об'єкті керування. При цьому, як було відзначено в розділі 2, при розробці структури САР доцільно на першому етапі використовувати спрощену схему моделі ТАД, за допомогою якої може бути зроблене уточнення структури й оцінка параметрів САР з погляду стійкості роботи і визначення припустимих границь зміни параметрів, а на другому - повну модель, що описує перехідні процеси ТАД, наприклад на підставі системи диференціальних рівнянь в рухомій системі координат.
Оскільки одержання спрощених моделей ТАД і їхнього дослідження приведено в другому розділі, то тут приділяється увага тільки адекватності моделі ТАД, представленої системою диференціальних рівнянь в рухомій системі координат.
Адекватність моделі ТАД доводиться за допомогою деякої інтегральної оцінки функціонування всієї системи при розгоні дизель-потяга й аналізу отриманих при цьому інтегральних характеристик (швидкості руху, величини ковзання) щодо теоретичних передумов.
На рис 4.1 - 4.3 приведені процеси розгону дизель-потяга при різних темпах наростання напруги живлення ТАД. При одній і тій же завантаженості складу (p/J = 0.0001) і законі керування U/f = 10.
Тут: 1 - крива, що відповідає напрузі живлення (U, B) ТАД у визначений момент часу;
2 - електрична кутова частота живлення (w0, 1/сек) ТАД;
3 - електрична кутова частота обертання ротора (w , 1/сек) ТАД.
Рис. 4.1. Процеси розгону дизель-потягу при наступних параметрах:
p/J = 0.0001; U/f = 10; темп нарощування напруги живлення ТАД – 8 B/сек.
Рис. 4.2. Процеси розгону дизель-потягу при наступних параметрах:
p/J = 0.0001; U/f = 10; темп нарощування напруги живлення ТАД – 10 B/сек.
Рис. 4.3. Процеси розгону дизель-потягу при наступних параметрах:
p/J = 0.0005; U/f = 10; темп нарощування напруги живлення ТАД – 10 B/сек.
Як випливає з рис. 4.1 при даному темпі наростання напруги живлення ТАД і законі керування напругою і частотою процес розгону протікає нормально, на що вказує така узагальнена характеристика, як ковзання, яка у даному випадку знаходиться в межах від 2 Гц до 3,5 Гц, що відповідає теоретичним передумовам. У випадку зменшення темпу наростання напруги живлення, наприклад до величини 5 B/сек, процес розгону протікає нормально, але з меншим значенням величини ковзання (від 1 Гц до 2 Гц), що не суперечить теоретичним передумовам.
При збільшенні темпу наростання напруги живлення ТАД до величини 10 B/сек - процес розгону протікає не нормально (рис. 4.2), на що вказує величина ковзання (досягає величини 16 Гц, що не природно). Якщо ж зменшити масу складу, наприклад як у нашому випадку, у 5 разів (p/J = 0.0005), що близько до роботи тягових двигунів у режимі неробочого ходу (див. рис. 4.3), то розгін протікає практично при ковзанні близькому до нульового значення, що характерно для роботи ТАД у такому режимі. Збільшення темпу наростання напруги живлення ТАД (наприклад, 12 B/сек) при p/J = 0.0005 не вносить істотних змін у процес розгону, тобто розгін здійснюється при ковзанні близькому до нульового значення.
Проведені дослідження з моделлю об'єкта керування, тобто моделлю ТАД, представленою системою диференціальних рівнянь в обертовій системі координат указують на те, що модель адекватно відображує процеси, що відбуваються при розгоні дизель-потяга, адекватно реагує на зміну факторів, що збуджують, і законів керування, дає можливість установити можливий (робочий) діапазон зміни значень темпу зміни сигналів керування напругою і частотою. Це дозволяє використовувати дану модель об'єкта керування як для уточнення структури САР електропередачі, так і визначення її параметрів згідно вимог, обумовлених до якісних показників перехідного процесу.
Наступні дослідження даного підрозділу спрямовані безпосередньо на уточнення структури САР і визначення її параметрів.