Проектирование нечёткой системы регулирования с использованием генетического алгоритма оптимизации

информатика, вычислительная техника и управление

УДК 004 052 Р. д. КАРАБцов

л. а. денисова

Омский государственный технический университет, г. Омск

проектирование нечёткой системы регулирования с использованием генетического

алгоритма оптимизации_

Рассмотрены вопросы проектирования системы автоматического регулирования (САР), реализованной с использованием нечетких информационных технологий. Исследованы нечеткие регуляторы с различным количеством функций принадлежности, оптимизированные с помощью генетического алгоритма. Осуществлен выбор нечеткой САР, обеспечивающей лучшее регулирование по принятым показателям качества. Модельные исследования САР выполнялись в среде MATLAB/Simulink/Fuzzy logic Toolbox/Global Optimization Toolbox.

Ключевые слова: система автоматического регулирования, цифровой регулятор, математическая модель, нечеткая логика, генетический алгоритм.

Введение. При проектировании систем автоматического регулирования (САР) технологическими процессами объектов теплоэнергетики необходимо учитывать неопределенность параметров объекта управления и возмущающих факторов, вызванных внешними условиями. Одним из эффективных подходов к усовершенствованию САР, работающих в условиях неопределенности, является стратегия управления, основанная на теории нечетких множеств [1, 2].

Нечеткие системы управления и регулирования (англ. FCS — Fuzzy Control Systems), относящиеся к классу интеллектуальных систем [1—4], позволяют сохранить работоспособность системы в условиях помех и погрешностей измерений, а также, учитывая изменяющиеся условия протекания процессов, помогают снизить потери, вызванные неэффективным управлением. В работе приведены результаты разработки и исследования нечеткой системы регу-

лирования, структура и параметры которой определялись на основе использования методов математического моделирования и оптимизации.

Для оптимизации нечеткой САР использовались генетические алгоритмы (ГА), позволяющие находить глобальный экстремум многоэкстремальной целевой функции, характеризующей качество работы системы, которая, кроме того, может быть определена только на основании вычислений в процессе функционирования САР [2].

Исследование САР выполнялись в среде MATLAB/Simulink/Fuzzy Logic Toolbox/Global Optimization Toolbox.

Описание модели нечёткой САР. В качестве примера нечеткой САР рассмотрена система автоматического регулирования типового объекта автоматизации — давления в паровом коллекторе энергоблока [5]. Исследования САР выполнены в интерактивной среде для научных и инженер-

Рис. 1. Математическая модель нечёткой САР с регулятором FC2

Рис. 2. Структура нечеткого регулятора

ных расчетов MATLAB с пакетами расширения Simulink и Global Optimization Toolbox [1]. Для моделирования и оптимизации нечеткой системы регулирования создана Simulink — модель (рис. 1) и файлы-сценарии, обеспечивающие многократные вызовы модели САР, вычисление показателей качества и обработку данных генетическим алгоритмом.

Модель нечеткой САР содержит модели: цифрового нечеткого регулятора, исполнительного механизма (ИМ) с регулирующим клапаном (РК) и технологического объекта управления и подсистему нечеткого регулирования (REG FIS) [6]. Для учета дискретизации сигналов во времени применен экстраполятор нулевого порядка (Zero-Order Hold). При исследовании рассмотрены четыре варианта реализации нечеткой САР, отличающиеся количеством функций принадлежности (ФП) и параметрами термов для лингвистических переменных нечетких регуляторов.

В рассматриваемых вариантах САР, реализующих нечеткое управление, использованы следующие лингвистические переменные: входные переменные e (ошибка регулирования) и de/dt (скорость изменения ошибки регулирования), выходная переменная Vcv (скорость открытия / закрытия РК). Также для всех вариантов нечёткой САР выбраны следующие типы ФП входных переменных: сигмоидная sigmf (для боковых термов) и гауссова gaussmf (для центральных термов). Для выходной переменной использованы синглтонные функции принадлежности.

На рис. 2 показана обобщенная функциональная структура нечетких регуляторов, которая традиционно включает следующие блоки [7]:

— блок фазификации, преобразующий четкие данные параметров процесса (ошибку регулирова-

ния e и скорость ее изменения de/dt) в нечеткие величины (и и LL. ,..);

v 1 e 1 de/dt'

— блок базы правил, содержащий набор лингвистических правил, отражающих алгоритм работы системы;

— блок нечеткого вывода, который содержит алгоритм получения функций принадлежности выходной величины (LVcv);

— блок дефазификации преобразует функции принадлежности выходной величины в физическую величину (Vcv — скорость изменения управляющего воздействия на исполнительные механизмы).

Рассмотрены варианты нечетких регуляторов со следующими наименованиями (обозначениями): Fuzzy Control 1 (FC1), Fuzzy Control 2 (FC2), Fuzzy Control 3 (FC3), Fuzzy Control 4 (FC4). Данные регуляторы отличаются друг от друга количеством функций принадлежности. Например, в регуляторе FC1 заданы по три ФП для входных переменных (e, de/dt) и пять ФП для выходной переменной (V ). В других регуляторах количество функций принадлежности изменялось для входных переменных (рассматривались варианты с 3 — 5 ФП), для выходной лингвистической переменной количество функций принадлежности оставалось постоянным.

База нечетких правил САР создана как набор логических высказываний, соответствующих логической операции нечеткой импликации.

Диапазон изменения переменной e (ошибка регулирования) разбивается на термы: NL — отрицательная большая, Z — малая, NZ — отрицательная малая, PZ — положительная малая, ZZ — отсутствие ошибки, PL — положительная большая. Диапазон изменения переменной de/dt (скорость изменения ошибки регулирования) разбивается на термы: N — отрицательная высокая, NZ — отрицательная, Z — низкая, PZ — положительная, P — положительная высокая, терму Z соответствуют малые значения скорости изменения de/dt, которые принимаются как характеризующие установившийся процесс.

Диапазон изменения переменной Vcv — скорости перемещения ИМ, разбивается на термы: NL — отрицательная высокая, NM — отрицательная средняя, NZ — отрицательная, Z — отсутствие перемещения, PZ — положительная, PM — положительная средняя, PL — положительная высокая. В табл. 1 показана сформированная база нечётких правил для рассматриваемых вариантов нечётких регуляторов.

В дальнейшем из четырех вариантов регуляторов были выбраны только два, потому что, как

База нечётких правил

de/dt

NL

отрицательная большая

NZ

отрицательная

Z

малая

ZZ

отсутствие перемещения

PZ

положительная малая

PL

положительная большая

N

отрицательная высокая

NZ

отрицательная

NL

NL

NM

NM

NZ

PM

PM

PZ

PL

PL

NM

Z

низкая

NL

PL

PZ положительная P положительная высокая

- NL

NM NM

- -

NZ NM

- NM

- -

- -

- -

- -

PZ PM

- PL

PM PL

— FC1 — FС2

FC3 — FC

показали исследования, при настройке регуляторов эмпирически использование большого количества функций принадлежности отрицательно сказывается на качестве работы регулятора (в связи со слишком большим количеством параметров настройки). При расчетах наблюдалась следующее. Чем больше ФП имеет каждая лингвистическая переменная, тем чаще вынужден срабатывать регулятор, выполняя, возможно, ненужные действия, так как диапазоны изменения переменных, выбранные на основании экспертных оценок, являются небольшими.

В результате проведенного исследования сделан вывод, что при настройке регуляторов эмпирически, экспертом на основе только собственного опыта, наилучшим регулятором для исследуемой САР является нечеткий регулятор с наименьшим числом функций принадлежности. Варианты нечетких регуляторов с большим количеством ФП в некоторых случаях работают хуже, чем традиционный оптимально настроенный линейный регулятор (например, работающий по пропорционально-интегральному закону), потому что эксперту сложно проводить настройку большого количества параметров, и по этой причине регуляторы плохо настроены.

Принималось во внимание, что даже оптимально настроенные на моделях регуляторы должны иметь возможность настройки в реальныо ус ло виях на объекте управления, то есть предпочтительно иметь меньшее количество изменяемых па]оаме-тров.

В итоге для дальнейшего исследования выбр аны нечеткие САР с регуляторами FC1 и FC2, которые оптимизировались с помощью генетического алго -

ритма для увеличения быстродействия и точности управления.

Описание алгоритма оптимизации нечёткой САР с помощью ГА. Запуск Simulink-модели САР и вызов генетического алгоритма реализованы с помощью созданного m-файла — сценария, работающего с функциями пакета MATLAB / Global/ Optimization Toolbox, устанавливающего необходимые опции и осуществляющего контроль выполнения оптимизации.

Поиск минимума критерия качества работы системы выполняется функцией ga, а создание структуры опций генетического алгоритма — оператором gaoptimset. Генетический алгоритм применяется к математической модели нечёткой САР с регулятором FC2 в среде MATLAB/Simulink/Fuzzy Logic (рис. 1).

Рассмотрим поэтапно работу процедуры оптимизации нечеткой САР, основанной на использовании генетического алгоритма.

Этап 1. Вызывается функция ga, которая начинает работу генетического алгоритма.

Задается вектор параметров: x = (ks, kf, Ка2,

kc2,kai,kci,ka6,kc6), где ks и kf — коэффициенты передачи по скоростк ИМ (медленно — slow, быстро — fast); параметры функций принадлежности: Ка2, К

c2' Ка4, К c4 Каи, К

На основе экспертных данных апраделяетая диапазон поиска значений входных переменных (нижняя lb и верхняя ub границы), е е [lb,ub].

Этап 2. Генетический алгоритм начинает работу с некоторого случайного набора исходных решений, который называется популяцией (Population Size — число особей в каждом поколении). Каж-

малая

Z

дый элемент из популяции называется хромосомой и представляет некоторое решение проблемы в первом приближении. Хромосома представляет собой строку символов (в нашем случае — параметров настройки ФП). Хромосомы эволюционируют на протяжении множества итераций, носящих название поколений или генераций (Generations). В ходе каждой итерации хромосома оценивается с использованием некоторой меры соответствия (англ. fitness function, в нашем случае — критерия качества работы САР). Для создания следующего поколения новые хромосомы, называемые отпрысками, формируются либо путем скрещивания (англ. crossover) двух хромосом — родителей из текущей популяции, либо путем случайного изменения — мутации (mutation) одной хромосомы.

Этап 3. Вызывается m-функция, реализующая циклический запуск модели САР и многократное вычисление критертя качества ее работы J=K(x) при различных наборах параметров функций принадлежности, изменяемых в заданных пределах с помощью ГА, который определяет оптимальное значение критерия работы САР е = [(ф ) при найденных оптимальных параметрах

ф = (К' Hf< Hg\' Ыдл ЫчТ ЫсТ' Ыч(, Ыс(' Ыч6' Ысб).

Этап 4. Происходит проверка завершения работы: все ли особи в поколении были рассмотрены (Population), все ли поколения сгенерированы (Generations) и завершилось ли время работы (Time limit). Использование параметра Time limit позволяет предотвратить слишком долгую работу алгоритма. Если алгоритм останавливается из-за этого условия, а оптимизация не завершена, значит, можно улучшить результаты за счет увеличения значения параметра Time limit [8].

Этап 5. Сохранение результатов оптимизации. Завершение работы.

РезуЫьтатьЫ оытимизыции нечётких регуляторов. Принималось во внимание, что нечеткие САР п]чеднтзначены ч^я работы в условиях неопределен-нохти, когда параметры объекта управления неизвестны и, кроме того, могут изменяться в широком еи=пазо н е.

Для моделирования САР принято, что пере-дат=ЧЫая функция оЫъеЫта упЫавлЫния соответствует инерционному звену первого порядка [6]: W(s) = K0 /(T0s + 1), где K0 — коэффициент передачи; Т0 — постоянная времени. На основе имеющейся экспертной информации приняты базовые (исходные) значения параметров объекта управления: K0 = 0,25 кгс/см2/%, Т0 = 60 с. Исследование нечётких регуляторов проводилось при варьировании параметров объекта K0 и Т0 на ±30 %, ±50 % и ±70 % от принятых значений. Для определения качества работы каждого из исследуемых регуляторов и выбора структуры нечеткой САР (количества функций принадлежности) использованы традиционные для теории автоматического управления показатели качества [9]: установившаяся ошибка регулирования 5 и время установления переходного процесса t. Под установившейся (статической) ошибкой системы 5 понимается разница между заданным и текущим значениями выходного сигнала в установившемся режиме. Длительность (время установления) переходного процесса t — это время, необходимое выходному сигналу системы для того, чтобы приблизиться к своему заданному значению. Для определения времени переходного процесса задана требуемая точность (±1 % от заданного значения регулируемой величины).

в)

Рис. 3. Функции принадлежности для термов входных и выходной переменных регуляторов FC1, FC2, полученные: a) по экспертным оценкам; б) после настройки

генетическим алгоритмом регулятора FC2; в) после настройки генетическим алгоритмом регулятора FC1

При проведении исследоваий исходные параметры ФП лингвистических переменных принимались, исходя из экспертных оценок (рис. За): пять ФП для входной переменной e, три ФП для входной

Варьирование коэффициента передачи объекта управления

Наименование регулятора Исходные параметры К Т О 0 Варьирование параметров

К0 + 0,3К0 К0-0,3К0 К0 + 0,7К0 К0-0,7К0 К0 + 0,5К0 ^0-0,5^0

5, % 1, с 5, % 1, с 5, % 1, с 5, % 1, с 5, % 1, с 5, % Ь, с 5, % Ь, с

БС1 0,1 45 0,2 50 0,25 65 0,25 45 1,5 110 0,1 40 1,2 85

БС2 0,05 40 0,2 30 0,15 60 0,05 30 1,2 100 0,05 35 0,9 75

Таблица 3

Варьирование постоянной времени объекта управления

Наименование регулятора Исходные параметры К Т0 Варьирование параметров

Т0 + 0,5Т0 Т-0,5Т0 Т0 + 0,3Т0 Т0-0,3Т0 Т0 + 0,7Т0 Т0-0,7Т0

5, % 1, с 5, % 1, с 5, % 1, с 5, % 1, с 5, % 1, с 5, % 1, с 5, % 1, с

БС1 0,1 45 0,3 75 0,15 45 0,6 60 0,1 40 0,25 70 0,3 30

БС2 0,05 40 0,2 65 0,1 30 0,2 55 0,05 35 0,05 65 0,25 35

Рис. 4. Зависимости статической ошибки и времени установления при нечетком регулировании от изменения параметров объекта управления

переменной de/dt и пять ФП для выходной переменной V. После оптимизации с помощью генетического алгоритма рассматриваемых нечетких регуляторов FC1 и FC2 параметры ФП изменялись (рис. 3б и рис. 3в), обеспечивая требуемое качество регулирования.

Результаты сравнения работы оптимально настроенных нечетких регуляторов показали следующее. Как и ожидалось, в обоих случаях (для каждого из двух вариантов FC1 и FC2) системы, настроенные генетическим алгоритмом показали лучшие результаты, чем системы, работающие на экспертных

настройках. Установившаяся ошибка 5 в системах, оптимизированных генетическим алгоритмом, примерно в два раза меньше, чем до оптимизации. Время установления t уменьшилось примерно на 10 %.

При варьировании параметров объекта управления сравнивалась работа регуляторов FC1 и FC2 (с разным количеством функций принадлежности для входной переменной e) с целью выбора структуры регулятора. Следует заметить, что, с одной стороны, выбор регулятора с меньшим количеством функций принадлежности (а значит, и с меньшим количеством настраиваемых параметров) предпо-

чтительнее в силу его более простой реализации. Но, с другой стороны, нежелательно значительное ухудшение качества работы САР, особенно снижение точностных показателей.

Результаты модельных исследований нечетких регуляторов представлены в табл. 2 и табл. 3. При варьировании параметров объекта управления сравнивались значения установившейся ошибки 5 и времени установления t, полученные в результате исследования нечетких регуляторов, оптимально настроенных на базовые значения параметров объекта (с помощью ГА). Цветом выделены лучшие результаты. Как видно из таблицы, регулятор FC2 с пятью функциями принадлежности для входной переменной e работает точнее и быстрее, чем регулятор FC1 с тремя функциями принадлежности. Кроме того, важным является то, что регулятор FC2 работает стабильнее, чем FC1, при разных параметрах объекта управления.

Для исследуемых вариантов регуляторов при варьировании параметров объекта управления построены соответствующие графики (рис. 4). На графиках видно, что при значительном изменении параметров объекта управления регулятор FC2 (с пятью ФП для переменной e) обеспечивает более точное регулирование, чем FC1 (с тремя ФП для переменной e). При увеличении постоянной времени или уменьшении коэффициента передачи объекта управления на 70 % установившаяся ошибка уменьшается примерно на 25 %. Также при использовании FC2 в случае увеличения постоянной времени или коэффициента передачи объекта на 70 % время установления сокращается примерно на 10 %.

Анализ результатов позволил определить наиболее предпочтительную структуру регулятора. Сделан вывод, что FC2 работает эффективнее, чем FC1. При выбранной структуре САР значения установившейся ошибки и времени установления наименьшие при изменении параметров объекта управления. Это означает, что увеличение количества функций принадлежности повышает робаст-ность нечеткой САР, то есть нечувствительность к изменению параметров объекта, обусловленных возмущающими воздействиями.

Заключение. В результате проведенного исследования сделан вывод, что предлагаемый метод оптимизации на основе генетического алгоритма эффективен для проектирования нечетких систем регулирования. Кроме того, получено, что увеличение количества функций принадлежности повышает нечувствительность системы к изменению параметров объекта управления, а значит, позволяет обеспечивать высокое качество регулирования

в условиях неопределенности и параметрической нестабильности.

Библиографический список

1. Нечеткая логика — математические основы. URL: http://www.basegroup.ru/library/analysis/fuzzylogic/math/ (дата обращения: 10.09.2017).

2. Кудинов Ю. И., Дорохов И. Н., Пащенко Ф. Ф. Нечеткие регуляторы и системы управления // Проблемы управления. 2004. № 3. С. 24-36.

3. Денисова Л. А. Многокритериальная оптимизация на основе генетических алгоритмов при синтезе систем управления: моногр. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2014. 172 с.

4. Денисова Л. А. Синтез систем регулирования с коррекцией задающего воздействия на основе нечеткого логического вывода // Омский научный вестник. 2009. № 1 (77). С. 184-191.

5. Карабцов Р. Д., Денисова Л. А. Оптимизация нечёткой системы регулирования // Информационные технологии и автоматизация управления: материалы VIII Всерос. науч.-практ. конф. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2016. С. 84-91.

6. Заде Л. А. Роль мягких вычислений и нечеткой логики в понимании, конструировании и развитии информационных/ интеллектуальных систем / пер. с англ. И. З. Батыршина // Новости искусственного интеллекта. 2001. № 2-3. С. 7-11.

7. Денисова Л. А., Надточий П. Н., Раскин Е. М. Реализация системы регулирования с нечеткой компенсацией статической ошибки в среде автоматизированного проектирования TEPROL // Автоматизация в промышленности. 2012. № 8. С. 33 38.

8. Методы классической и современной теории автоматического управления. В 5 т. Т. 3. Синтез регуляторов систем автоматического управления / Под ред. К. А. Пупкова, Н. Д. Егупова. М.: Изд-во МГТУ им Н. Э. Баумана, 2004. 616 с. ISBN 5-7038-2191-6 (Т. 3), ISBN 5-7038-2194-0.

9. Дьяконов В. В., Круглов В. И. Математические пакеты расширения MATLAB. Специальный справочник. СПб.: Питер, 2001. 480 с.

КАРАБцОВ Роман Дмитриевич, аспирант кафедры «Автоматизированные системы обработки информации и управления». Адрес для переписки: bosasin@mail.ru ДЕниСОВА Людмила Альбертовна, доктор технических наук, доцент (Россия), профессор кафедры «Автоматизированные системы обработки информации и управления».

Адрес для переписки: denisova@asoiu.com

Статья поступила в редакцию 07.11.2017 г. © Р. Д. Карабцов, Л. А. Денисова