Розробка, дослідження системи керування на основі нейронної мережі (стр. 8 из 21)
На рис. 3.1 приведена структура блоку нечіткого контролера швидкості для системи векторного керування двигуном електропривода дизель-потяга. Тут:
БД - блок диференціювання;
НК - нейроконтроллер;
БІ - блок інтегрування;
БВУ - блок векторного управління;
АД- асинхронний двигун;
Е - сигнал помилки;
СЕ - сигнал, пропорційний похідної сигналу помилки;
DU, U - відповідно сигнали на виходах блоків НК і БІ;
, 
- відповідно сигнал, пропорційний швидкості обертання ротора двигуна і швидкості, що задається (сигнал завдання). 
Рис. 3.1. Структурна схема регулятора швидкості.
На вхід нейроконтролера надходять два сигнали: Е и СЕ. Сигнал помилки визначається як :
(3.1)Зміна значення помилки СЕ визначається похідної сигналу помилки Е як
.Нейроконтролер, на підставі значення сигналу помилки Е установлення швидкості, відповідно змінює вихідний сигнал DU так, щоб поточна швидкість відповідала швидкості, що задається .
У дискретній системі
, (3.2)де
на відрізку часу 
. Якщо - константа, то значення сигналу CE пропорційно сигналу 
.Вихідний сигнал DU нейроконтролера в системі векторного керування асинхронним двигуном електропривода є відповідною величиною струму завдання
[20]. Після його інтегрування блоком БІ одержуємо середнє значення на періоді квантування сигналу U, пропорційного струму завдання 
. Виходячи з фізичного принципу керування системою, алгоритм керування наступний:якщо E = ZE і СЕ
PS, (3.3)то на виході нейроконтролера формується сигнал
DU = NS. (3.4)
де E і СЕ - вхідні нечіткі змінні;
ZE, PS, NS - невеликі позитивні числа.
У цьому випадку сигнал DU на виході нейроконтролера - нечітка змінна, а змінні ZE, PS і NS є множиною MF функції приналежності.
Рис. 3.2. Вигляд функцій приналежності.
На рис. 3.2 множину функцій приналежності представлено у виді трикутних функцій.
Формування вихідного сигналу нейроконтролером здійснюється на основі декількох окремих нечітких правил. На рис. 3.3 приведена ілюстрація принципу формування сигналу керування DU на основі двох правил з використанням методу Мамдані [21]:
Правило 1: Якщо E = ZE і CE = NS, то DU = NS.
Правило 2: Якщо E = PS і CE = NS, то DU = ZE,
де DU - вихідний сигнал нейроконтролера.
Для даної бази правил керуючої системи, нечіткий контролер обчислює багатозначний керуючий вплив для специфічних значень вхідних перемінних. У [21] описані кілька правил для одержання керуючого впливу, але найбільше часто використовується правило типу "МАКСИМУМ-МІНІМУМ". На рис. 3.3 показаний принцип формування сигналів керування на основі двох правил.
Рис. 3.3. Принцип роботи контролера швидкості на основі двох правил.
Вихідна функція приналежності кожного правила визначається оператором "МІНІМУМ", а формування нечіткого виходу виконується оператором "МАКСИМУМ".
Оскільки нечіткий нейроконтролер виконує функцію статичного нелінійного перетворення, то можна записати дії контролера у формі:
(3.5)де
і 
- нелінійні коефіцієнти.З урахуванням процесу інтегрування за допомогою блоку БІ (див. рис. 3.1) одержуємо середнє значення сигналу U, пропорційне току завдання
відповідно до виразів: 
(3.6)чи
, (3.7)що є формою запису нечіткого ПІ контролера з нелінійними коефіцієнтами. Подібним чином можна записати алгоритм нечіткого контролера для П- і ПІД-контролеров.
Алгоритм для нечіткого П-контроллера:
Якщо Е = PS, то U = PB, (3.8)
де PB - велике позитивне число.
Чи можна записати:
U = KE, (3.9)
де K - нелінійний множник.
Алгоритм для нечіткого ПІД - контролера:
Якщо
Е = PS і CE = NS і E = PS, то DU = ZE, (3.10)
де E - похідна СЕ.
Керування може бути записане у формі:
. (3.11)З урахуванням процесу інтегрування за допомогою блоку БІ (як і для ПІ-регулятора) одержуємо середнє значення сигналу U, пропорційного струму задавання
відповідно до виразів: 
(3.12)чи
, (3.13)тобто ПІД-контролер.
Нелінійні коефіцієнти, що адаптуються в процесі функціонування, у нечіткому контролері дозволяють стійко формувати сигнали керування при зміні параметрів системи в процесі функціонування.
Загальна структура нечіткої системи зі зворотним зв'язком приведений на рис. 3.4.
Рис. 3.4. Структура нечіткого контролера у системі керування зі зворотнім зв’язком.
Тут:
БП - база правил для нечіткого нейроконтролера;
ПНЛ - перехід до нечіткої логіки;
ПЧЛ - повернення до чітких значень;
БД - база даних;
РП - регульований пристрій,
БОПП - блок обчислення помилки і її похідної,
БЗП - блок застосування правил.
Сигнали помилки E і зміни помилки CE перетворяться у відповідні сигнали у відносних одиницях e і ce шляхом розподілу на масштабні коефіцієнти, тобто : e=E/GE і ce=CE/GC. Аналогічно, вихідний контролюючий сигнал U обчислюється шляхом множення вихідного сигналу у відносних одиницях на масштабний коефіцієнт GU, тобто DU=duGU, з наступним його інтегруванням для одержання U.
Перевага нечіткого нейроконтролера при використанні відносних одиниць полягає в тому, що той самий керуючий алгоритм може бути використаний для всіх керованих об'єктів одного типу. Масштабні коефіцієнти можуть бути задані як константи чи бути програмованими; програмовані масштабні коефіцієнти можуть контролювати чутливість.
Результати моделювання системи керування електроприводом, що містить тягові асинхронні двигуни з використанням стандартного ПІ регулятора і побудованого з використанням нечіткої логіки в середовищі MATLAB приведені в розділі 4.
3.2 Вибір функцій приналежності нечітких змінних при розробці нечіткого регулятора на основі нейроконтролера в системі керування електроприводом змінного струму
В останні роки в теорії автоматичного керування з'явився напрямок, пов'язаний з методами нечіткої логіки, що дозволяють будувати цифрові регулятори, які забезпечують гранично високу швидкодію систем керування. Однак залишається відкритим питання вибору функцій приналежності для нечітких змінних, що описують функціонування регулятора. Тому доцільно провести порівняльний аналіз різних функцій приналежності і їхній вплив на роботу проектованого регулятора.
Узагальнена структура системи векторного керування тяговим двигуном електропривода змінного струму дизель-потяга з використанням нечіткого контролера по кутовій швидкості двигуна [29] приведена на рис. 3.4.
Сигнали помилки і похідної помилки перетворюються блоками GE-1 і GC-1 у відповідні сигнали у відносних одиницях e і ce шляхом ділення на масштабні коефіцієнти. Аналогічно, вихідний керуючий сигнал u обчислюється шляхом множення вихідного сигналу у відносних одиницях du на масштабний коефіцієнт GU, з наступним його інтегруванням блоком БІ для одержання u.
У якості нечітких перемінних розглядаються наступні:
Е - сигнал помилки по кутовій швидкості, що може приймати значення: {Z1 - нульовий сигнал помилки; NS1 - невеликий негативний; NM1 - середній негативний; NB1 - великий негативний; PS1 - невеликий позитивний; РM1 - середній позитивний; РB1 - великий позитивний};
СЕ - сигнал помилки по похідній кутовій швидкості; {Z2 - нульовий сигнал по похідної помилки; NS2 - невеликий негативний; NM2 - середній негативний; NB2 - великий негативний; PS2 - невеликий позитивний; РM2 - середній позитивний; РB2 - великий позитивний};
DU - сигнал нечіткого керування, {Z3 - нульовий сигнал керування; NVS3 - дуже малий негативний; NS3 - невеликий негативний; NM3 - середній негативний; NB3 - великий негативний; PVS3 - дуже малий позитивний; РS3 - невеликий позитивний; РM3 - середній позитивний; РB3 - великий позитивний}.
Формування нечіткого висновку нейроконтролером здійснюється на підставі нечітких правил, приведених у таблиці 3.1: