Помощь студентам в учебе
Разработка, исследование и программная реализации адаптивного нечеткого псевдолинейного регулятора
|
ВВЕДЕНИЕ
1 Анализ корректирующих устройств систем автоматического регулирования 15
1.1 Линейные корректирующие устройства 17
1.2 Нелинейные корректирующие устройства 17
1.3 Псевдолинейные корректирующие устройства 21
1.4 Сравнение качества переходных процессов в САР с различными
корректирующими устройствами 42
2 Методы оценки качества регулирования в САР 45
2.1 Прямые методы оценки качества 45
2.2 Косвенные методы оценки качества 47
3 Методы настройки ПИД-регулятора 51
3.1 Методы настройки регуляторов 51
3.2 Настройка ПИД-регулятора 53
4 Анализ принципов построения нечетких регуляторов 56
4.1 Основные понятия нечеткой логики 56
4.2 Анализ систем автоматического регулирования с применением нечеткой
логики 63
5 Анализ принципов построения адаптивных регуляторов 65
5.1 Выбор системы с нечетким регулятором с адаптивной структурой 66
5.2 Последовательность действий по разработке адаптивного нечеткого
псевдолинейного регулятора 68
6 Разработка и исследование в среде MATLAB свойств систем управления с
псевдолинейным нечетким регулятором с адаптивной структурой и выработка рекомендаций по применению 71
6.1 Разработка и исследование в среде MATLAB свойств систем управления с
псевдолинейным нечетким регулятором с адаптивной структурой 71
6.2 Рекомендации по применению адаптивных нечетких псевдолинейных
регуляторов 82
7 Программная реализация регулятора 83
7.1 Среда программирования CodeSys 83
7.2 Программная реализация адаптивного псевдолинейного нечеткого
регулятора в среде CoDeSys 84
8 Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение 90
8.1 Организация и планирование работ 90
8.2 Расчет сметы затрат на выполнение проекта 95
8.3 Оценка экономической эффективности проекта 101
9 Социальная ответственность 103
9.1 Производственная безопасность 104
9.2 Экологическая безопасность 117
9.3 Безопасность в чрезвычайных ситуациях 118
9.4 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности 120
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 124
CONCLUSION 125
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ СТУДЕНТА 126
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ 127
Приложение A - Переходные процессы в САР с различными ПКУ 136
Приложение Б - Листинг m-файла автоматической подстройки параметра блока в среде Simulink 137
Приложение В - Листинг m-файла автоматической подстройки постоянной времени ПКУ с амплитудным подавлением блока в среде Simulink 139
Приложение Г - Листинг m-файла автоматической подстройки постоянной времени ПКУ с фазовым опережением блока в среде Simulink 140
Приложение Д - Листинг m-файла автоматической подстройки постоянной времени ПКУ с переключением сигналов блока в среде Simulink 141
Приложение E - Переходные процессы в САР с нечеткими регуляторами 142
Приложение Ж - Переходные процессы в адаптивной САР 143
Приложение И - Переходные процессы в адаптивной САР 145
Приложение К - Реализация в среде CoDeSys псевдолинейных корректирующих устройств 146
Приложение Л - Программная реализация основных блоков программы 147
Приложение М - Раздел на английском языке 157
1 Анализ корректирующих устройств систем автоматического регулирования 15
1.1 Линейные корректирующие устройства 17
1.2 Нелинейные корректирующие устройства 17
1.3 Псевдолинейные корректирующие устройства 21
1.4 Сравнение качества переходных процессов в САР с различными
корректирующими устройствами 42
2 Методы оценки качества регулирования в САР 45
2.1 Прямые методы оценки качества 45
2.2 Косвенные методы оценки качества 47
3 Методы настройки ПИД-регулятора 51
3.1 Методы настройки регуляторов 51
3.2 Настройка ПИД-регулятора 53
4 Анализ принципов построения нечетких регуляторов 56
4.1 Основные понятия нечеткой логики 56
4.2 Анализ систем автоматического регулирования с применением нечеткой
логики 63
5 Анализ принципов построения адаптивных регуляторов 65
5.1 Выбор системы с нечетким регулятором с адаптивной структурой 66
5.2 Последовательность действий по разработке адаптивного нечеткого
псевдолинейного регулятора 68
6 Разработка и исследование в среде MATLAB свойств систем управления с
псевдолинейным нечетким регулятором с адаптивной структурой и выработка рекомендаций по применению 71
6.1 Разработка и исследование в среде MATLAB свойств систем управления с
псевдолинейным нечетким регулятором с адаптивной структурой 71
6.2 Рекомендации по применению адаптивных нечетких псевдолинейных
регуляторов 82
7 Программная реализация регулятора 83
7.1 Среда программирования CodeSys 83
7.2 Программная реализация адаптивного псевдолинейного нечеткого
регулятора в среде CoDeSys 84
8 Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение 90
8.1 Организация и планирование работ 90
8.2 Расчет сметы затрат на выполнение проекта 95
8.3 Оценка экономической эффективности проекта 101
9 Социальная ответственность 103
9.1 Производственная безопасность 104
9.2 Экологическая безопасность 117
9.3 Безопасность в чрезвычайных ситуациях 118
9.4 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности 120
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 124
CONCLUSION 125
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ СТУДЕНТА 126
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ 127
Приложение A - Переходные процессы в САР с различными ПКУ 136
Приложение Б - Листинг m-файла автоматической подстройки параметра блока в среде Simulink 137
Приложение В - Листинг m-файла автоматической подстройки постоянной времени ПКУ с амплитудным подавлением блока в среде Simulink 139
Приложение Г - Листинг m-файла автоматической подстройки постоянной времени ПКУ с фазовым опережением блока в среде Simulink 140
Приложение Д - Листинг m-файла автоматической подстройки постоянной времени ПКУ с переключением сигналов блока в среде Simulink 141
Приложение E - Переходные процессы в САР с нечеткими регуляторами 142
Приложение Ж - Переходные процессы в адаптивной САР 143
Приложение И - Переходные процессы в адаптивной САР 145
Приложение К - Реализация в среде CoDeSys псевдолинейных корректирующих устройств 146
Приложение Л - Программная реализация основных блоков программы 147
Приложение М - Раздел на английском языке 157
Объектом исследования является адаптивная система автоматического регулирования с псевдолинейным нечетким регулятором.
Цель работы - разработка и программная реализация системы автоматического регулирования с псевдолинейным нечетким регулятором с адаптивной структурой.
В процессе работы проводился анализ аппарата нечеткой логики, псевдолинейных корректирующих устройств и исследование свойств систем автоматического регулирования с использованием ПИД-регулятора и адаптивного псевдолинейного нечеткого регулятора.
Результатом работы является предложенный адаптивный псевдолинейный нечеткий регулятор и его программная реализация для промышленных микропроцессорных контроллеров. Предложенный регулятор позволяют улучшить качество регулирования по сравнению с системами, реализованными на базе ПИД-регуляторов. Проведено исследование свойств предложенного регулятора и выработаны практически рекомендации по его применению.
Результаты работы в виде методических указаний по выполнению лабораторной работы и программ будут использоваться в учебном процессе кафедры АиКС при изучении курса «Автоматизированное управление в технических системах».
В инженерной практике на начальном этапе разработки систем управления обычно стремятся создать более простую модель процесса управления. Данная ситуация объясняется тем, что простая модель позволяет более полно изучить процесс управления путем имитации его с помощью аналоговых либо цифровых вычислительных машин, что позволяет выбрать наиболее подходящий режим работы системы автоматического регулирования.
Для современного производства характерно ужесточение допустимых отклонений и требований к процессу управления, что вызывает усложнение технологических процессов. Совершенствование методов управления предполагает разработку более сложных математических моделей, позволяющих более точно описать процесс управления.
К настоящему времени разработаны различные подходы по управлению, такие как адаптивный, робастный, нечеткий, нейронный. Данные подходы по управлению позволяют снизить зависимость процесса синтеза регуляторов от степени изученности объекта управления.
Одной из важных задач науки является построение компьютерных систем, основанных на человеческом мышлении. Впервые в этом направлении начал работать калифорнийский профессор Лотфи А. Заде и ввел такое понятие как нечеткая логика.
Нечеткая логика с каждым годом привлекает все большее число исследователей из разных научных областей. В настоящее время нечеткой логикой во всем мире занимаются тысячи ученых и инженеров, по этой тематике опубликованы сотни книг [46-49,53,55,57,58], десятки тысяч статей [50,51,54,56], издается более 40 научных журналов по нечеткой логике. Механизмы нечеткой логики реализованы в сотнях прикладных систем: в стиральных машинах, видеокамерах, двигателях, системах управления метро и летательными аппаратами и т.д.
В данной работе целью использования нечеткой логики является
подстройка параметров псевдолинейного регулятора, используемого для
13
улучшения показателей качества в системах регулирования, где традиционный классический регулятор не обеспечивает заданное качество САР при изменения параметров объекта управления в широком диапазоне.
Актуальность данной работы заключается в целесообразности использования методов, которые специально ориентированы на построение моделей, учитывающих неполноту и неточность исходных данных.
Основной задачей данной работы является разработка системы автоматического регулирования с адаптивным псевдолинейным нечетким регулятором на основе исследования псевдолинейных корректирующих устройств [6-8] и их влияния на процесс регулирования, а также принципов построения нечетких и адаптивных регуляторов [46]. Заключающий этап работы - программная реализация адаптивного псевдолинейного нечеткого регулятора на языках стандарта МЭК 61131-3.
Цель работы - разработка и программная реализация системы автоматического регулирования с псевдолинейным нечетким регулятором с адаптивной структурой.
В процессе работы проводился анализ аппарата нечеткой логики, псевдолинейных корректирующих устройств и исследование свойств систем автоматического регулирования с использованием ПИД-регулятора и адаптивного псевдолинейного нечеткого регулятора.
Результатом работы является предложенный адаптивный псевдолинейный нечеткий регулятор и его программная реализация для промышленных микропроцессорных контроллеров. Предложенный регулятор позволяют улучшить качество регулирования по сравнению с системами, реализованными на базе ПИД-регуляторов. Проведено исследование свойств предложенного регулятора и выработаны практически рекомендации по его применению.
Результаты работы в виде методических указаний по выполнению лабораторной работы и программ будут использоваться в учебном процессе кафедры АиКС при изучении курса «Автоматизированное управление в технических системах».
В инженерной практике на начальном этапе разработки систем управления обычно стремятся создать более простую модель процесса управления. Данная ситуация объясняется тем, что простая модель позволяет более полно изучить процесс управления путем имитации его с помощью аналоговых либо цифровых вычислительных машин, что позволяет выбрать наиболее подходящий режим работы системы автоматического регулирования.
Для современного производства характерно ужесточение допустимых отклонений и требований к процессу управления, что вызывает усложнение технологических процессов. Совершенствование методов управления предполагает разработку более сложных математических моделей, позволяющих более точно описать процесс управления.
К настоящему времени разработаны различные подходы по управлению, такие как адаптивный, робастный, нечеткий, нейронный. Данные подходы по управлению позволяют снизить зависимость процесса синтеза регуляторов от степени изученности объекта управления.
Одной из важных задач науки является построение компьютерных систем, основанных на человеческом мышлении. Впервые в этом направлении начал работать калифорнийский профессор Лотфи А. Заде и ввел такое понятие как нечеткая логика.
Нечеткая логика с каждым годом привлекает все большее число исследователей из разных научных областей. В настоящее время нечеткой логикой во всем мире занимаются тысячи ученых и инженеров, по этой тематике опубликованы сотни книг [46-49,53,55,57,58], десятки тысяч статей [50,51,54,56], издается более 40 научных журналов по нечеткой логике. Механизмы нечеткой логики реализованы в сотнях прикладных систем: в стиральных машинах, видеокамерах, двигателях, системах управления метро и летательными аппаратами и т.д.
В данной работе целью использования нечеткой логики является
подстройка параметров псевдолинейного регулятора, используемого для
13
улучшения показателей качества в системах регулирования, где традиционный классический регулятор не обеспечивает заданное качество САР при изменения параметров объекта управления в широком диапазоне.
Актуальность данной работы заключается в целесообразности использования методов, которые специально ориентированы на построение моделей, учитывающих неполноту и неточность исходных данных.
Основной задачей данной работы является разработка системы автоматического регулирования с адаптивным псевдолинейным нечетким регулятором на основе исследования псевдолинейных корректирующих устройств [6-8] и их влияния на процесс регулирования, а также принципов построения нечетких и адаптивных регуляторов [46]. Заключающий этап работы - программная реализация адаптивного псевдолинейного нечеткого регулятора на языках стандарта МЭК 61131-3.
В результате выполнения выпускной квалификационной работы был разработан и исследован адаптивный псевдолинейный нечеткий регулятор. Адаптация в такой системе осуществляется путем изменения структуры и параметров псевдолинейного нечеткого регулятора. Изменение структуры регулятора осуществляется путем изменения типа корректирующего устройства, входящего в состав регулятора. В состав системы включены следующие корректирующие устройства: ПКУ с фазовым опережением, ПКУ с амплитудным подавлением, ПКУ с переключением сигналов.
Проведено исследование свойств адаптивной системы автоматического регулирования с псевдолинейным нечетким регулятором Результаты исследования показали, что применение предложенного регулятора позволяет улучшить качество САР при изменении свойств и параметров объекта управления, а также позволяет обеспечить устойчивость САР при изменении параметров объекта управления в широких пределах.
Основным достоинством применения адаптивного псевдолинейного нечёткого регулятора является корректировка структуры регулятора в зависимости от состояния системы, что позволяет расширить область применения данного регулятора для нестационарных систем, у которых свойства объекта меняются как в узком так и в широком диапазонах.
По результатам исследования выработаны рекомендации по построению и применению адаптивного псевдолинейного нечеткого регулятора.
Программная реализация псевдолинейного нечеткого регулятора выполнена в среде Codesys на языках программирования FBD и ST. Данная программа может быть использована для улучшения качества регулирования объектами с нестационарными параметрами. Данная программа расширяет возможности САР с ПИД-регуляторами и позволяет улучшить качество регулирования. При этом никаких финансовых и аппаратных затрат не требуется.
Проведено исследование свойств адаптивной системы автоматического регулирования с псевдолинейным нечетким регулятором Результаты исследования показали, что применение предложенного регулятора позволяет улучшить качество САР при изменении свойств и параметров объекта управления, а также позволяет обеспечить устойчивость САР при изменении параметров объекта управления в широких пределах.
Основным достоинством применения адаптивного псевдолинейного нечёткого регулятора является корректировка структуры регулятора в зависимости от состояния системы, что позволяет расширить область применения данного регулятора для нестационарных систем, у которых свойства объекта меняются как в узком так и в широком диапазонах.
По результатам исследования выработаны рекомендации по построению и применению адаптивного псевдолинейного нечеткого регулятора.
Программная реализация псевдолинейного нечеткого регулятора выполнена в среде Codesys на языках программирования FBD и ST. Данная программа может быть использована для улучшения качества регулирования объектами с нестационарными параметрами. Данная программа расширяет возможности САР с ПИД-регуляторами и позволяет улучшить качество регулирования. При этом никаких финансовых и аппаратных затрат не требуется.