ПЯТИКАНАЛЬНЫЙ НЕЧЕТКИЙ РЕГУЛЯТОР

Полезная модель «Пятиканальный нечеткий регулятор» относится к интеллектуальным системам управления и может использоваться в автоматических системах управления сложными объектами, в структуре или параметрах которых присутствуют аспекты неопределенности.
Из существующего уровня техники известен многоканальный регулятор нагрева электрообогреваемого стекла транспортного средства (Полезная модель RU 75127 U1, опубл. 20.07.2008), который содержит датчик тока в цепи питания резистивных элементов, соединенный с первым входом компаратора микроконтроллера, второй вход которого соединен с блоком опорного напряжения, определяющего порог срабатывания компаратора, выход микроконтроллера, обеспечивающего регулирование мощности нагревательных элементов по заданной программе, связан с исполнительными механизмами в цепи питания резистивных элементов, датчики температуры электрообогреваемого стекла, связаны со входом микроконтроллера, при этом регулятор дополнительно снабжен датчиком температуры корпуса, связанным со входом микроконтроллера. Предложенный регулятор позволяет повысить надежность работы системы путем предотвращения перегрузки исполнительного устройства. Недостатком данного технического решения является использование классических законов управления, которые уступают в быстродействии и других показателях качества системам с интеллектуальными законами управления.
1
2
3
Наиболее близким к заявленному техническому решению является многоступенчатый нечеткий регулятор (Полезная модель RU 162989 U1, опубл. 10.07.2016), который реализует нелинейную характеристику управления, состоящую из трех участков (ступеней). Каждому участку которых, соответствует определенный коэффициент усиления (k, k, k), который, в свою очередь, влияет на определенный участок переходного процесса, обеспечивая тем самым заданные показатели качества, а именно быстродействие и перерегулирование. За счет увеличения числа участков в нелинейной характеристике управления путем изменения положения входных и выходных функций принадлежности в блоке «фаззификация» и блоке «нечеткий логический вывод» обеспечивается большая точность и улучшение показателей качества в системе управления. Недостатком данного технического решения является отсутствие канала компенсации внешнего возмущения и канала стабилизации нестационарного звена.
Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является повышение точности и быстродействия систем управления сложными объектами, находящимися в условиях неопределенности, с учетом простоты реализации данных нелинейных законов управления, и расширение области применения нечетких регуляторов.
Данная задача решается за счет того, что заявленный пятиканальный нечеткий регулятор обеспечивает многоканальное нелинейное управление, реализуя нечеткий ПИД-регулятор (аналогично классическому) и дополняя его двумя нечеткими каналами: реализующими требуемое нелинейное преобразование для компенсации внешнего возмущения и стабилизации нестационарных параметров отдельных звеньев системы управления. Помимо этого, в модели пятиканального нечеткого регулятора предусмотрен канал подстройки с верхнего уровня системы управления, обеспечивающий изменение параметров каналов управления в зависимости от исполняемой задачи. Нелинейная характеристика каждого канала управления задается посредством механизма нечеткого логического вывода по любой из наиболее удобных разработчику схем (Мамдани, Цукамото, Ларсен или Сугено).
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является повышение точности и быстродействия систем управления сложными объектами, находящимися в условиях неопределенности, с учетом простоты реализации данных законов управления, и расширение области применения нечетких регуляторов.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, на которых изображено:
На фиг.1 – Структурная схема обобщенной САУ с нечетким ПИД-регулятором;
На фиг.2 – Структурная схема обобщенной САУ с пятиканальным нечетким регулятором;
На фиг.3 – Функциональная схема САУ с пятиканальным нечетким регулятором и каналом подстройки с верхнего уровня системы управления;
На фиг.4 – Сравнение переходных процессов ошибки в системе с классическим и нечетким ПИД-регулятором при воздействии возмущения
На фиг.5 – Сравнение переходных процессов ошибки в системе с нечетким ПИД-регулятором и каналом компенсации внешнего возмущения и без канала компенсации при воздействии возмущения;
На фиг.6 – Сравнение переходных процессов в системе с классическим и нечетким каналом стабилизации нестационарного звена.
Принцип работы предлагаемого регулятора заключается в следующем:
Нечеткий регулятор (фиг. 1) (даже в случае использования только пропорционального канала управления) за счет формирования нелинейных законов управления позволяет обеспечить показатели качества системы управления, которых в системе с классическим регулятором при действии внешнего возмущения можно добиться только за счет введения дополнительной коррекции. Для дальнейшего повышения точности системы управления вводится нечеткий И-канал управления, позволяющий не только устранить за счет астатизма ошибку от постоянного возмущения и задающего воздействия, имеющего ненулевую первую производную по времени (например, линейно нарастающий задающий сигнал), но и сохранить высокое быстродействие за счет соответствующих нелинейных преобразований в этом канале. Введение дифференциального канала управления позволяет обеспечить устойчивость систем с астатизмом второго порядка, а также улучшить показатели качества переходного процесса (фиг. 4). Дальнейшее повышение точности системы управления можно осуществлять не за счет увеличения порядка астатизма системы, что приведет к ухудшению динамики системы, а за счет введения дополнительного канала компенсации внешних  (в том числе нелинейных) возмущений, обеспечивая тем самым инвариативность управления при различном возмущающем воздействии (фиг. 5). Нестационарность параметров отдельных звеньев в системе управления является еще одной причиной ухудшения качества управления в САУ (а в отдельных случаях и потери устойчивости), однако, если звено, содержащее существенный нестационарный параметр можно выделить в системе управления, то за счет охвата данного звена нелинейной локальной цепью в пятом канале коррекции можно обеспечить быстрый разгон системы с последующей стабилизацией около положения равновесия (фиг.6). При этом, в зависимости от текущей задачи, поставленной перед системой управления, имеется возможность гибкой перенастройки пятиканального нечёткого регулятора по командам с верхнего уровня (фиг. 3), если иерархия системы управления предполагает наличие такого (что справедливо при управлении сложными динамическим объектами – быстродействующими следящими приводами, мобильными роботами, беспилотными летательными аппаратами).