МНОГОСТУПЕНЧАТЫЙ НЕЧЕТКИЙ РЕГУЛЯТОР

Полезная модель «Многоступенчатый 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 регулятор положения устройства ЧПУ (Полезная модель RU 71172 U1, опубл. 27.02.2008), который входит в состав следящих приводов подач металлорежущих станков, обеспечивает перемещение управляемых элементов станка с необходимой скоростью и точностью. Регулятор положения устройства ЧПУ включает ПИ-регулятор положения, ПИ-регулятор коррекции, первый и второй сумматоры. Выход первого сумматора соединен с входом ПИ-регулятора коррекции, выход ПИ-регулятора коррекции соединен с входом второго сумматора, а выход второго сумматора соединен с входом ПИ-регулятора положения. Предложенный регулятор положения позволяет повысить динамическую точность станков с ЧПУ, т.к. он основан на создании систем, близких по быстродействию к оптимальным, обеспечивает высокую точность воспроизведения траекторий. Недостатком данного технического решения является использование классических законов управления, которые уступают в быстродействии и других показателях качества системам с интеллектуальными законами управления, кроме того, недостатком является сложность реализации интегральной составляющей в цифровых системах (в виду накопления ошибки в интеграторе).
Наиболее близким к заявленному техническому решению является адаптивный регулятор (Полезная модель RU 27239 U1, опубл. 10.01.2003), который включает регулятор основного контура, входное суммирующее устройство в основном контуре и эталонную модель, суммирующее устройство и блок расчета регулятора основного контура в контуре самонастройки, отличающийся тем, что регулятор основного контура выполнен в виде нечеткого корректирующего устройства, входными координатами которого являются ошибка по регулируемой координате и скорость ее изменения, с введенным дифференцирующим устройством, подключенным между выходом входного суммирующего устройства и вторым входом нечеткого корректирующего устройства; эталонная модель объекта выполнена в виде функционального преобразователя, подключенного между выходом входного суммирующего устройства и первым входом суммирующего устройства в контуре самонастройки, второй вход суммирующего устройства в контуре самонастройки подключен к выходу дифференцирующего устройства, блок расчета регулятора основного контура выполнен в виде дополнительно введенного суммирующего устройства, подключенного между выходом входного суммирующего устройства и первым входом нечеткого корректирующего устройства. Недостатком данного технического решения является избыточность и излишняя сложность модели регулятора, трудоемкость в реализации.
Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является повышение точности и быстродействия систем управления сложными объектами, находящихся в условиях неопределенности, с учетом простоты реализации данных законов управления, и расширение области применения нечетких регуляторов.
Данная задача решается за счет того, что заявленный многоступенчатый нечеткий регулятор состоит из блока «фаззификация», содержащего входные функции принадлежности, блока «нечеткий логический вывод», содержащего базу правил, механизм вывода, выходные функции принадлежности, и блока «дефаззификация», содержащего механизм дефаззификации. Блок «фаззификация» многоступенчатого нечеткого регулятора может содержать 7 входных функций принадлежности треугольной формы, смещенных определенным образом, а блок «нечеткий логический вывод» - 7 выходных функций принадлежности треугольной формы, смещенных определенным образом. Входные и выходные функции принадлежности могут иметь треугольную форму. База правил блока «нечеткий логический вывод» может состоять из правил пропорционального регулятора. Механизм дефаззификации блока «дефаззификация» может осуществляться по модели Мамдани.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является повышение точности и быстродействия систем управления сложными объектами, находящихся 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 - Обобщенная структура многоступенчатого нечеткого регулятора;
На фиг. 2 - Линейная характеристика управления, реализованная на базе нечеткой логики;
На фиг. 3 - Нелинейная характеристика управления, образованная смещенными определенным образом функциями принадлежности;
На фиг. 4 - Переходной процесс системы с линейным регулятором;
На фиг. 5 - Переходной процесс системы с многоступенчатым нечетким регулятором;
На фиг. 6 - База правил многоступенчатого нечеткого регулятора.
Принцип работы предлагаемого регулятора заключается в следующем:
1
2
3
Многоступенчатый нечеткий регулятор, построенный на базе технологии нечеткой логики (фиг. 1), реализует нелинейную характеристику управления (фиг. 3, фиг. 5). В отличие от линейной управляющей характеристики, (фиг. 2, фиг. 4), реализуемой классическим ПИД-регулятором, данная нелинейная характеристика состоит из трех участков (ступеней). Каждому участку которых, соответствует определенный коэффициент усиления (k, k, k) (фиг. 3), который, в свою очередь, влияет на определенный участок переходного процесса (фиг. 5), обеспечивая тем самым заданные показатели качества, а именно быстродействие и перерегулирование.
За счет увеличения числа участков в нелинейной характеристике управления (фиг. 2, 3) 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 (фиг. 4, 5).
Изменение местоположения функций принадлежности друг относительно друга приводит к изменению коэффициентов усиления (величины наклона) каждого из участков управляющей нелинейности (фиг. 5). Так, уменьшение угла наклона (участок «К1» нелинейной характеристики) создается путем растягивания центральной функции принадлежности входа (фиг. 3 - «4»), а также смещения двух функций принадлежности (находящихся по бокам от центральной (фиг. 3 - «3», «5»)) ближе к центру - это уменьшает выход регулятора в данных зонах, что, в свою очередь, приводит к уменьшению угла наклона нелинейности. Аналогичное преобразование необходимо произвести и с функциями выхода (фиг. 3 - «D»)- растянуть центральную, а стоящие от нее по бокам сдвинуть ближе к центру (фиг. 3 - «Е», «С»), тем самым уменьшив выход регулятора в соответствующих интервалах входного сигнала. Таким образом, с помощью вышеописанной методики, многоступенчатый нечеткий регулятор обеспечивает требуемое качество для широкого класса объектов, в различных условиях функционирования.