Лабораторная работа 3 Типовая методика проектирования нечетких систем управления

Постановка задачи. Спроектировать нечеткую систему управления портовым контейнерным краном. Спроектированный fuzzy- контроллер должен обеспечить оптимальное управление процессом перегрузки контейнера с баржи на железнодорожную платформу в соответствии с заданными показателями качества:

Критерий Вариант	Точ-ность	Быстро- действие	Колеба- тельность	Расход энергии	Перерегу-лирование	Время ус-покоения
1	0.3	 5 с	-	-	-	-
2	0.2	-	30о	 30 кВт	-	 2с
3	0.15	 10 с	20о	-	20 %	-
4	0.1	-	-	 20 кВт	5 %	 1 с
5	0.25	 15 с	 40о	-	-	 3 с
6	0.05	-	 10о	 25 кВт	-	0 с
7	0.35	 20 с	-	-	10 %	-
8	max	max	-	-	-	-

Управление перегрузкой осуществляется за счет изменения мощности тележки крана, что заставляет ее двигаться быстрее или медленнее. От скорости перемещения тележки в свою очередь зависит расстояние до цели и амплитуда колебаний контейнера на тросе.

Вследствие того, что стратегия управления краном сильно зависит от положения тележки, применение стандартных контроллеров для этой задачи весьма затруднительно. Вместе с тем, математическая модель движения груза, состоящая из нескольких дифференциальных уравнений, может быть составлена довольно легко, но для ее решения для различных исходных данных потребуется довольно много времени. К тому же исполняемый код программы будет большим и неповоротливым. Нечеткая система справляется с этой задачей очень быстро и это при том, что вместо сложных дифференциальных уравнений движения груза весь процесс движения описывается терминами естественного языка типа "больше", "средне", "немного". Совсем так, как звучат указания крановщику, сидящему за рычагами управления системой. В свое время это оттолкнуло маститых ученых от теории нечеткого управления, а сегодня является одним из достоинств теории.

Порядок выполнения работы:

I. Качественное исследование портового контейнерного крана как

объекта управления.

1. Для того чтобы понять, как спроектировать нечеткую систему управления портовым контейнерным краном, какая стратегия управления должна быть положена в ее основу, используется анимационная модель контейнерного крана. Для начала работы с моделью запустите программу

D:\FTMPEXPL\SAMPLES\CRANE\SIMULATE.EXE

2. После запуска программы появится окно моделирования крана. Кнопка «Fuzzy» для работы крана под управление спроектированного нечеткого контроллера и кнопки «Step» и «Stop» будут запрещены до тех пор, пока в fuzzyTECH MP Explorer не будет синтезирован fuzzy- контроллер и не будет выбран режим fTlink. Кнопка «Fuzzy» включает симуляцию с fuzzy- контроллером в непрерывном режиме, кнопка «Step» позволяет пошаговое выполнение цикла управления краном. С помощью кнопки «Stop» можно остановить моделирование и зафиксировать текущее состояние крана, которое отображается в прямоугольнике в нижней части окна в виде текущих показаний

угла отклонения троса (Angle),

расстояния до цели (Distance),

мощности двигателя тележки (Power).

Кнопка «Reset» возвращает контейнер на стартовую позицию. Кнопка «About» сообщает краткие сведения о программе и справочную информацию о кнопках управления. Кнопка «Cancel» закрывает окно симуляции крана и прекращает работу программы.

Для приобретения опыта управления краном необходимо переключить программу симуляции в режим ручного управления с помощью кнопки «Manual».

3. Для того чтобы вручную управлять краном используются кнопки уменьшения «-», сброса «0» и увеличения «+» мощности мотора тележки. Для того чтобы понять, как управлять таким краном, чтобы обеспечить требуемые показатели качества, пробуются различные стратегии управления с постоянной мысленной трансляцией ручных манипуляций в правила типа ЕСЛИ ... ТО ... относительно контролируемых координат угла отклонения троса и расстояния до цели и управляющего воздействия мощности двигателя тележки крана.

Если стратегия управления в общих чертах ясна, можно переходить к проектированию нечеткой системы управления, предварительно вернув кран на исходную позицию кнопкой «Reset».

II. Описание нечеткой системы управления.

4. Не завершая работу программы симуляции, загрузите программу проектирования нечетких систем управления fuzzyTECH MP Explorer

D:\FTMPEXPL\FTWIN.EXE

5. Для создания нового проекта выбрать строку «New» пункта главного меню «File». На вопрос программы «Generate system?» ответить утвердительно. В появившемся диалоговом окне «Generate system» задать следующие параметры нечеткой системы:

• число входных лингвистических переменных в поле ввода «Input LVs:» (в данной работе 2);

• число выходных лингвистических переменных в поле ввода «Output LVs:» (в данной работе 1);

• число термов на входную лингвистическую переменную в поле ввода «Input terms/LV:» (по результатам исследования работы крана в ручном режиме);

• число термов на выходную лингвистическую переменную в поле ввода «Output terms/LV:» (по результатам исследования работы крана в ручном режиме);

• число блоков правил в поле ввода «Rule blocks:» (в данной работе 1 блок правил).

Зафиксировать результаты ввода нажатием кнопки «ОК». В результате в окне «Project Editor» формируется условное графическое изображение проектируемой нечеткой системы, а в окне лингвистических переменных «LV» список с предопределенными системными именами для входных и выходных переменных: in1, in2, out1. На условном графическом изображении прямоугольники слева со схематическими рисунками функций принадлежности и именами «in1», «in2» представляют входные переменные, прямоугольник справа с рисунком дефазификации и именем «out1» отображает выходную переменную. В центре находится блок правил.

6. Для обеспечения совместимости с программой симуляции крана необходимо использовать имена контролируемых и управляющих переменных из программы SIMULATE: Angle вместо in1, Distance вместо in2, Power вместо out1. Для изменения имени лингвистической переменной и ввода ее термов необходимо выделить переменную из списка в окне «LV» (щелчком левой клавиши мышки на имени переменной) и нажать правую клавишу мышки для вызова всплывающего контекстного меню. В контекстном меню выбрать строку «Attributes ...». В появившемся окне «Rename Variable» можно поменять имя переменной в поле «Name:» и нажать на клавишу редактирования «Edit ...» для ввода термов этой переменной.

В появившемся окне все термы в списке «Term» также имеют предопределенные имена, которые можно поменять похожим образом: выделить из списка требуемый терм и вызвать из контекстного меню строку «Attributes ...». Новое имя терма вводится в поле «Term Name». Здесь же можно поменять форму нечеткого множества терма (группа радиопереключателей «Shape») и положение терма в списке (список «Position»).

Перед определением функций принадлежности необходимо задать область определения лингвистической переменной. Для этого с помощью двойного щелчка левой кнопкой мыши на строке «Base_Variable» перейти в окно «Base Variable». Минимальное («Min:») и максимальное («Max:») значение диапазона («Range») задаются в полях колонки «Shell Values». В этом окне можно также поменять подпись под графиком функций принадлежности в поле «Base Variable Name».

Определение функции принадлежности может происходить двумя способами:

• определить, какая из опорных точек функции принадлежности (прямоугольники на графике), имеющей тот же цвет, что и имя терма, отмечена «галочкой» внутри. Задать координаты этой опорной точки в полях ввода «x», «y»;

• выделить опорную точку щелчком левой клавиши мышки. Нажать левую клавишу и, не отпуская, переместить прямоугольник опорной точки в требуемое место графика и там освободить клавишу.

7. После ввода всех лингвистических переменных и их термов необходимо создать базу правил нечеткой системы. Для этого следует дважды щелкнуть левой клавишей мышки на блоке правил условного графического изображения нечеткой системы. В результате откроется окно редактора правил «Spreadsheet Rule Editor», в котором перечислены все возможные комбинации правил. Необходимо отметить последовательно все правила, которые не нужны для работы системы, щелчками левой клавиши мышки на номерах соответствующих правил и удалить их разом нажатием клавиши «Del» с последующим утвердительным ответом на запрос системы о необходимости удаления. После этого закрыть окно редактора правил.

8. Открыть двойным щелчком мышки на прямоугольнике входной переменной условного графического изображения окно интерфейсных опций «Interface Options» и проверить, что установлен радиопереключатель «Fast Computation of MBF» группы «INPUT Fuzzification:» и в списке интерфейсных переменных «Interface Variable:» указана правильная входная переменная. Аналогичным образом открыть то же окно для выходной переменной и проверить установку метода дефазификации «CoM» (Center of Maximum) и корректность выходной переменной в списке интерфейсных переменных.

III. Оптимизация нечеткой системы управления.

9. Для проверки сформированной стратегии управления на модели крана необходимо выбрать в меню "Debug" пункт "fT-Link" и переключиться в окно "Crane Simulation". Для старта симуляции нажмите кнопку "Fuzzy", которая должна быть разблокирована при условии успешного установления соединения между "Crane Simulation" и "fuzzyTech MP Explorer". Не следует забывать, что кнопка «Fuzzy» включает симуляцию с fuzzy- контроллером в непрерывном режиме, кнопка «Step» позволяет пошаговое выполнение цикла управления краном, с помощью кнопки «Stop» можно остановить моделирование и зафиксировать текущее состояние крана, а кнопка «Reset» возвращает контейнер на стартовую позицию.

10. Если полученная нечеткая система управления не обеспечивает требуемых показателей качества, то возможны следующие виды коррекции:

* коррекция функций принадлежности (двойной щелчок левой кнопкой мыши на имени переменной в окне "LV");

* коррекция базы правил (двойной щелчок левой кнопкой мыши на блоке правил в окне "Project Editor". При этом новые правила вводятся в свободной позиции «Spreadsheet Rule Editor», которая всегда создается автоматически. Список допустимых термов как при вводе нового правила, так и при коррекции существующего появляется автоматически при выделении мышью обрабатываемого поля «Spreadsheet Rule Editor». Строка списка вида [...] служит для очистки поля.);

* изменение метода дефазификации (двойной щелчок левой клавишей мыши на выходной переменной в окне "Project Editor").

Полезно просматривать динамику процесса в окнах коррекции входных и выходных переменных, а также в редакторе базы правил в ходе симуляции для оценки избыточности или недостаточности сформированных термов и правил.

11. При достижении заданных показателей качества в отчетах фиксируются результаты синтеза: описание входных и выходных переменных, база правил.

IV. Анализ качества спроектированной нечеткой системы управления.

12. Для анализа качества спроектированной нечеткой системы управления фиксируются также графики изменения всех контролируемых и управляющих координат в процессе перегрузки. Для этого необходимо вызвать функцию «Time Plot ...» из меню «Analyzer». Задать конфигурацию графического вывода в окне «Time Plot Configuration» следующим образом:

• в списке «LVs:» выделить щелчком левой клавиши мыши первую переменную;

• переместить эту переменную в окно «Plot Items:» нажатием на кнопку «>>»;

• повторить первые две операции для всех переменных;

• завершить ввод конфигурации нажатием кнопки «ОК».

После этого откроется окно для графиков анализируемых характеристик «Time Plot - 1». Чтобы получить графики анализируемых характеристик, используется окно «Crane Simulate». Для управления процессом используются кнопки окна симуляции:

• переход к стартовой позиции "Reset";

• автоматическая перемотка вперед к последней точке графиков "Fuzzy";

• пошаговая перемотка вперед к последней точке "Step";

• пауза "Stop".

13. Для завершения работы с симулятором необходимо повторно выбрать в меню "Debug" пункт "fT-Link". Программа SIMULATE при этом будет автоматически выгружена из памяти.

14. Закрыть все открытые окна и завершить работу программы (строка «Exit» пункта главного меню «File»).