Аппаратная реализация алгоритмов нечеткой логики в структуре учебного лабораторного комплекса

АППАРАТНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ АЛГОРИТМОВ НЕЧЕТКОЙ ЛОГИКИ В СТРУКТУРЕ УЧЕБНОГО ЛАБОРАТОРНОГО

КОМПЛЕКСА

Д.В. Куприянчик, К.М. Денисов, Д.В. Лукичев, И.Н. Жданов

Показана целесообразность аппаратной реализации фаззи- регулирования скорости в структуре учебного лабораторного комплекса «Системы приборного электропривода с полупроводниковыми преобразователями». Приведено описание универсального нечеткого контроллера на основе микросхемы программируемой логики.

До последнего десятилетия прошлого века в построении систем управления электроприводов доминировал традиционный подход, не всегда характеризующийся робастным управлением сложными нестационарными объектами. Развитие силовой электроники и вычислительной техники в последние десятилетия позволило создавать современные приборные электропривода, в которых все чаще стали использоваться интеллектуальные системы управления (СУ), способные к «пониманию» и обучению в отношении объекта управления, возмущений, внешней среды и условий работы. Первой ступенью интеллектуальных систем являются нечеткие системы, в частности нечеткие (фаззи-) регуляторы. Под нечетким управлением понимается стратегия управления, основанная на эмпирически приобретенных знаниях относительно функционирования объекта (процесса), представленных в лингвистической форме в виде некоторой совокупности правил. Применение нечеткого регулирования в СУ позволяет существенно улучшить качество управления сложными объектами по сравнению с традиционными алгоритмами управления, которые строятся на основе аналитических моделей.

Актуальным является вопрос о возможности реализации таких алгоритмов в структуре учебных лабораторных комплексов. Создание стенда приборного электропривода с компьютерным управлением, содержащего исследуемую и нагрузочную электромашины и обладающего возможностью осуществления как классического, так и нечеткого регулирования, позволит внедрить и использовать в учебном процессе перспективную технологию на уровне мировых стандартов. Это позволит обеспечить эффективную подготовку дипломированных специалистов в рамках направления 140600 «Электротехника, электромеханика и электротехнологии».

На кафедре электротехники и прецизионных электромеханических систем Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики создан макетный образец лабораторного стенда приборного электропривода с компьютерным управлением [4]. Лабораторный комплекс включает в себя электромеханический блок и систему микропроцессорного управления данным блоком.

Основу электромеханического блока составляют:

- испытуемая машина (ИМ), в качестве которой используется коллекторный двигатель постоянного тока типа ДПР-62;

- нагрузочная машина (НМ) постоянного тока типа ДПР-72;

- тахогенератор на базе машины постоянного тока типа ДПМ - 35 Н1 - 04;

- цифровой датчик положения типа ГОЛ - 111.

Комплекс микропроцессорного управления состоит из аппаратной и программной частей. Аппаратная часть комплекса включает управляющий компьютер и микропроцессорную систему управления (МПСУ).

Управляющий компьютер предназначен для ввода и редактирования программы функционирования МПСУ, интерактивной отладки программы в различных режимах, задания режимов работы лабораторной установки, визуализации и обработки результатов экспериментов.

В свою очередь, система управления электроприводами лабораторного комплекса предназначена для реализации функций управления модулями сопряжения и усилительно-преобразовательными устройствами (УПУ), обеспечивающими движение общего вала нагрузочной и испытуемой электромашин лабораторной установки. Эти функции возложены на соответствующие измерительно-управляющие контроллеры (ИУК). Поскольку фаззи-регулирование реализуется в уже отлаженной микропроцессорной системе, то на первом этапе создания нечеткой системы наиболее целесообразным является использование комбинированного управления, при котором один из основных функциональных блоков алгоритма управления строится на основе теории нечетких множеств. В работе исследуется система, в которой в контуре скорости вместо традиционного регулятора используется фаззи-регулятор, который, помимо самого регулирования заданной координаты, должен обеспечивать обмен данными с ИУК электропривода ИМ [2]. На рис. 1 показана структурная схема включения нечеткого контроллера в систему управления.

Рис. 1. Структурная схема системы микропроцессорного управления с интегрированием в нее нечеткого контроллера

Как известно, нечеткая логика в основном обеспечивает эффективные средства отображения неопределенностей и неточностей реального мира. Наличие математических средств отражения нечеткости исходной информации позволяет построить модель, адекватную реальности. Используя инженерные методы расчета и разработки нечетких систем управления, а также классическую теорию систем автоматического управления и электропривода, в среде имитационного моделирования MATLAB/Simulink с использованием пакетов расширения Fuzzy Logic Toolbox и SimPowerSystems, а также в пакете Mathcad были реализованы модели разрабатываемого электропривода. На рис. 2 представлена функциональная схема трехконтур-ной системы приборного электропривода, построенного классическим способом с ПИ-регулятором в контуре тока, модифицированным ПИ-регулятором в контуре скорости и модифицированным модифицированным П-регулятором в контуре положения. Такая структура позволяет избежать «шагающего» режима на малой скорости и ограничивает ошибку на большой скорости слежения [3].

L

b

E

e4

e3

y5

e2

Рис. 2. Функциональная схема линейной модели системы регулирования положения с модифицированным регулятором положения

L

Ь

V X 1 1 -♦<8 *--

---4-

Рис. 3. Функциональная схема трехконтурной системы приборного электропривода с фаззи-регулятором в контуре скорости

Особенностью системы, приведенной на рис. 3, является использование в контуре скорости фаззи-регулятора, на вход которого, помимо значения ошибки, поступает еще скорость ее изменения. Фаззи-регулятор основывается на теории нечетких множеств, что позволяет настроить и получить приемлемое качество регулирования даже в случае, когда параметры системы неизвестны, при этом точность регулирования определяется затратами на настройку регулятора.

Структурная схема фаззи-регулятора, приведенная на рис. 4, состоит из блока фаз-зификации, блока базы правил, блока дефаззификации. В блоке фаззификации четкие входные величины преобразуются в нечеткие - фаззифицируются. В блоке базы правил полученные в процессе фаззификации нечеткие входные переменные регулятора преобразуются в нечеткую выходную переменную в соответствии с выбранными правилами управления системой. В блоке дефаззификации полученная в базе правил нечеткая выходная переменная приводится к четкости - пересчитывается в четкое число, являющееся выходом регулятора.

Рис. 4. Структурная схема фаззи-регулятора

Фаззи- регулятор может быть реализован программно на управляющем микроконтроллере или аппаратно с помощью дополнительных микросхем, которые реализуют указанные алгоритмы, а также связь с DSP- контроллером. Поскольку алгоритмы управления

двигателем, которые возложены на управляющий контроллер ADSP-300, требуют много ресурсов (регистров, памяти микропроцессора, его вычислительной мощности), построение фаззи- регулятора предлагается производить на внешней микросхеме.

Наиболее удобной и доступной средой для реализации нечетких алгоритмов представляется программируемая логика, поэтому задачу построения нечеткого регулятора предлагалось решать средствами ALTERA MAX+PLUS II на базе устройства ПЛИС Altera ACEX1K [1]. Особенностью аппаратной реализации является свобода в выборе разрядности разрабатываемого устройства и возможность распараллелить вычисления. Связь блока нечеткого регулятора с управляющим контроллером обеспечивалась через его последовательный порт (рис. 4).

Согласно функциональной схеме реализации фаззи-регулятора, приведенной на рис. 5, преобразование входных переменных ошибки «е» и скорости ее изменения «de» в степени принадлежности одному из термов происходит параллельно на пяти схемах фаззификации. С целью упрощения аппаратной реализации выбрана простейшая для расчета форма функций принадлежности - треугольник [2]. Более сложная форма функций реализуема путем их разложения в ряд. Для хранения коэффициентов функций принадлежности использовалась микросхема ПЗУ.

Полученные таким образом степени принадлежности ошибки и скорости ее изменения преобразовывались с помощью базы правил, содержащих набор нечетких правил типа «если-то». На рис. 5 данный блок представлен в виде таблицы. Выходы базы правил обрабатывались далее в блоке дефаззификации, который преобразует нечеткие результаты вывода в численные значения. Также на рис. 5 приводится реализованный алгоритм обмена данными между нечетким регулятором и управляющим микроконтроллером через последовательный порт.

Рис. 5. Функциональная схема реализации фаззи-регулятора

РВ

На основе описанных алгоритмов разработана аппаратная реализация нечеткого контроллера на базе микросхемы программируемой логики. Проведена проверка функционирования фаззи-регулятора в составе лабораторного комплекса. Результаты эксперимента, полученные в разработанном устройстве с помощью ALTERA MAX+PLUS II, и результаты моделирования в среде Mathcad совпадают с высокой степенью точности.

По результатам работы можно сделать следующие выводы.

1. Введение фаззи-регулятора в структуру учебного лабораторного комплекса способствует практическому освоению студентами современных алгоритмов цифрового управления электроприводами с полупроводниковыми преобразователями.

2. Аппаратная реализация алгоритмов нечеткого (фаззи-) регулятора на базе микросхемы программируемой логики предоставляет свободу выбора необходимой разрядности разрабатываемого устройства и возможность распараллелить вычисления.

3. За счет нормирования входных и выходных величин разработанный блок фаз-зи-регулятора может использоваться в качестве универсального нечеткого контроллера для широкого спектра задач.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации по гранту №4774, в рамках ведомственной научной программы «Развитие научного потенциала высшей школы» на 2005 год.

Литература

1. Грушвицкий Р.И. Проектирование систем на микросхемах программируемой логики. СПб: БХВ-Петербург, 2002.

2. Денисов К.М.., Куприянчик Д.В. Система управления электроприводом азимутальной оси телескопа с фаззи-регулятором. // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. Выпуск 20. Современные технологические решения. Под ред. д.т.н. проф. В Н. Васильева. СПб: СПбГУ ИТМО, 2005.

3. Кротенко В.В., Толмачов В.А., Томасов В.С., Синицин В.А. Синтез микропроцессорной системы управления электропривода опорно - поворотного устройства. // Приборостроение. 2004. Т. 47. №11. С. 23-30.

4. Томасов В.С., Толмачев В.А., Денисов К.М. Разработка учебного лабораторного комплекса «Системы приборного электропривода с полупроводниковыми преобразователями и компьютерным управлением». / Индустрия образования: Сб. статей. Выпуск 3. М.: МГИУ, 2002. С. 78-82.