2
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение ............................................................................................................... 3
Глава 1. Анализ существующих подходов и разработка структуры
регулятора ............................................................................................................ 7
1.1. Двигатель постоянного тока, тиристорный преобразователь .............. 7
1.2. Система управления положением механизма ...................................... 10
1.3. Cтандартные настройки контуров, принцип подчиненного 3
регулирования ................................................................................................ 13
1.4. Расчет регуляторов контуров тока, скорости и положения ................ 18
1.5. Система с нечетким регулятором. Варианты структур системы с
нечетким регулятором ................................................................................... 21
1.6. Нормализация входов и выходов нечеткой системы .......................... 29
1.7. Анализ нечеткой системы на предмет устойчивости .......................... 31
Глава 2. Проведение исследований регулятора с различными параметрами
............................................................................................................................. 36
2.1. Теория нечетких множеств .................................................................... 36
2.2. Нечеткий логический вывод, нечеткое управление ............................ 38
2.3. Нечеткая логика в ПД- и ПИД-регуляторах ......................................... 42
2.4. Анализ устойчивости систем с нечеткими регуляторами .................. 51
Глава 3. Исследование линейных регуляторов .............................................. 56
3.1. Исследование системы с линейным П-регулятором ........................... 56
3.2. Исследование системы с линейным ПИ-регулятором ........................ 57
3.3. Исследование системы с линейным ПД-регулятором ........................ 59
3.4. Система с нечетким регулированием ................................................... 60
3.5. Система с нечетким регулятором по задающему воздействию и
ошибке ............................................................................................................. 60
3.6. Система с нечетким ПИ-регулятором ................................................... 64
3.7. Система с нечетким ПД-регулятором ................................................... 68
Заключение ........................................................................................................ 73
Список использованной литературы ............................................................... 76
3
ВВЕДЕНИЕ
Оценка современного состояния проблемы. При прогнозировании
значительную часть проблемных задач составляет необходимость
возможностей обработки больших объемов данных, что является большой
проблемой для решения на одной машине, даже при ее относительно
больших возможностях. С развитием и распространением сети Web
важность поддержки решений в реальном времени еще более возрастает,
поскольку только в этих условиях можно провести верное
прогнозирования сложных систем. Надежность и масштабированность
системы, а также простота использования, влияют на стабильность и
скорость выполнения принятого решения. Преимущество кластерных
систем обработки данных в том, что они частично решают эту проблему.
Методы классификации и визуализации очень гибкие, и, будучи
расширенными на прогнозирование, справляются с задачей с
наименьшими затратами на них.
Актуальность. Сегодня прогнозирование на данных приходящих из
масштабных систем стало реалистичным, оно требует все большей
вычислительной мощности. Именно поэтому исследователи, стоящие на
передовых научных позициях, обращаются к кластерным системам для
получения максимально возможной вычислительной мощности. Анализ
сложности актуальных вычислительных задач различных отраслей науки
и техники показывает, что для их решения необходимы компьютеры с
очень высокой работоспособностью. Получить которую, оставаясь в
рамках традиционных подходов построения векторно-конвейерных
систем невозможно. Решение существует лишь на пути широкого
распараллеливания обработки и создание соответствующих
вычислительных систем. Для решения поставленных проблем и развитие
пользовательских сервисов для возможности обработки данных в режиме
4
реального времени, в том числе с использованием параллельных
вычислений. Мультипроцессорные системы сейчас являются самыми
мощными компьютерами в мире. Эти машины содержат в себе от
нескольких сотен до нескольких тысяч процессоров в одном корпусе,
соединенные с сотнями гигабайтами памяти. Мультипроцессорные
системы имеют огромную вычислительную мощность и используются
для решения глобальных вычислительных проблем, таких как глобальное
моделирование климата и разработка лекарств.
Последние несколько лет мы были свидетелями постоянного
распространение параллельных вычислений, как для
высокопроизводительных научных вычислений, так и для задач более
широкого назначения. А это стало результатом требований к высокой
производительности, низкой стоимости и поддержки
производительности. Популярность использования параллельных
вычислений сопровождалась двумя главными достижениями: массивами
параллельных процессоров (мультипроцессорные системы) и
использованием распределенных вычислений. Данные большого объема
являются очень распространенными на сегодняшний день благодаря
распространенности интернет сети, и ежедневному увеличению контента.
Все системы по обработке данных требуют больших вычислительных
возможностей.
Задача обработки данных, получаемых в режиме реального времени
данных на сегодняшний день является ключевой в системах с высокой
частотой смены и поступления данных. Во всех этих системах
используются сервисы для стриминговой обработки данных на
кластерных системах.
В первых системах обработки больших данных, данные
воспринимались, как нечто единичное статичное и пополнялись с
5
помощью файловых данных (как базы данных, или облако системы
хранения данных).
Далее появились системы способны обрабатывать данные в
непрерывном потоке – данные постоянно поступают на системы и
требуют сбора и обработки для анализа. Этот тип обработки имеет в себе
много приложений (стриминг и обработка видео, поступающего на ютуб,
системы обработки лекарственных диагнозов, социальный анализ).
Цель работы - Исследовать нечеткий регулятор на модели
следящего электропривода.
Задачи:
1. Обзор существующих структур нечетких регуляторов
последовательного типа;
2. Составление и исследование математических моделей следящего
электропривода как с нечетким регулятором, так с применением
подчиненного регулирования;
3. Исследование влияния на работу системы нормализации
входных/выходных сигналов нечеткого регулятора;
4. Анализ устойчивости электропривода с нечетким регулятором.
Предмет работы: Нечеткий регулятор следящего электропривода.
Научная новизна работы определяется тем, что
1.
Составлена и реализована математическая модель следящего
электропривода постоянного тока по принципу подчиненного
регулирования.
2.
Произведен расчет регуляторов каждого контура системы на
разные настройки стандартного вида, такие как ОМ и СО.
3.
Определены функции принадлежности, база правил нечеткого
логического вывода для нечеткого регулятора, который будет исследован
в дальнейшем.
6
4.
Рассмотрена возможность нормализации нечеткого
регулятора, составлены необходимые требования для его применения.
7
Глава 1. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ ПОДХОДОВ И
РАЗРАБОТКА СТРУКТУРЫ РЕГУЛЯТОРА
1.1. Двигатель постоянного тока, тиристорный
преобразователь
Наиболее простым типом двигателей постоянного тока (ДПТ)
является двигатель с независимым возбуждением. Это обусловлено
простотой конструкции, условиями работы и последующей эксплуатации.
При изменении магнитного потока в магнитной системе возникают
вихревые токи, магнитодвижущая сила которых начинает препятствовать
изменению потоков полюсов, тем самым замедляя переходный процесс. В
таком случае считается, что на полюсах машины расположена
дополнительная короткозамкнутая обмотка. Схема ДПТ показана на
рисунке 1 [16].
Рис. 1. Двигатель постоянного тока с независимым возбуждением.
Где – число витков в обмотке возбуждения и фиктивной
короткозамкнутой обмотке; – токи в обмотке возбуждения и
8
фиктивной короткозамкнутой обмотке; – сопротивление и
индуктивность якорной цепи; – полные сопротивления в
обмотке возбуждения и фиктивной короткозамкнутой обмотке.
Индуктивность якорной цепи считаем постоянной, а реакцию якоря
скомпенсированной, и при составлении математической модели этими
параметрами можно пренебречь.
Электродвигатель постоянного тока можно описать системой
дифференциальных уравнений, в которых входные переменные это
напряжение якоря и момент сопротивления , а выходным является
электродвижущая сила
(1)
(2)
Выбрав в качестве переменных состояния переменные, стоящие под
знаком производной, получим следующую систему:
(3)
(4)
(5)
Детализированная структурная схема электродвигателя
постоянного тока представлена на рисунке 2.
Рис. 2. Детализированная структурная схема двигателя
постоянного тока.
9
В данной схеме так же учтено относительное сопротивление
якорной цепи [16].
В качестве двигателя выбран ПБВ100М. Его параметры:
Это все параметры, которые потребуются для реализации модели
[17].
Электропривод – это электромеханическая система для приведения
в движение рабочих органов машины, состоящая из передаточного,
исполнительного, преобразовательного и управляющего устройства.
Подобные системы стали неотъемлемой частью во всех отраслях
промышленности. В качестве преобразовательного устройства
используется тиристорный преобразователь (ТП), устройство которого
показано на рисунке 3, где обозначено: а) схема включения ТП; б) работа
ТП на нагрузку [16].
Рис. 3. Устройство тиристорного преобразователя, работающего на
ДПТ
Тиристорный преобразователь играет особую роль в управлении
приводом. Это отдельная подсистема, состоящая из нескольких частей –
системы импульсно-фазового управления (СИФУ), предназначенный для
преобразования непрерывного входного сигнала управления в фазовый
сдвиг отпирающего импульса, и, собственно, тиристорного
10
преобразователя. В данной работе выберем однофазный мостовой
выпрямитель.
Динамика преобразователя характеризуется двумя особенностями:
1) Управление ТП осуществляется дискретным сигналом
2) Преобразователь является полу-управляемым устройством
Значит, ТП является нелинейным звеном с ограниченной полосой
пропускания, с зависимостью от знака и значения входного сигнала и
времени его подачи. Эти явления можно исключить путем ограничения
скорости изменения входного сигнала. В результате, передаточная
функция ТП записывается в виде:
(6)
Подобная запись актуальна как с учетом фильтра на входе СИФУ,
так и без него.
1.2. Система управления положением механизма
Системы управления положением – иное название “следящие”
системы – представляют собой целый класс систем с широким спектром
назначений. Они используются для стабилизации различных платформ и
установок в условиях, когда основания, на которых эти устройства
монтируются, находятся в неустойчивом состоянии.
Как правило, такие системы строятся по принципу подчиненного
регулирования. Сначала строятся контур регулирования тока и контур
регулирования скорости, как показано на рисунке 1.4 [16].
В качестве датчика скорости (ДС) используется тахогенератор Тг со
сглаживающим фильтром. Сопротивления являются нагрузкой
для Тг. От этих сопротивлений по каналу обратной связи по скорости
11
подается уже сглаженное напряжение на вход регулятора скорости (РС)
(рис. 4).
Рис. 4. Система управления скоростью электропривода при
наличии контура тока.
Через него происходит сравнение с предписанным значением
скорости.
Таким образом можно записать:
Датчик тока (ДТ), подключенный на шунт Ш, выполняет функцию
преобразователя тока якоря в пропорциональное ему напряжение, а также
осуществляет гальваническую развязку между якорем и цепью
управления. Это позволяет системе быстро отрабатывать возмущения в
виде изменения напряжения сети за счет воздействия на ТП.
После того, как были построены и настроены контур тока и контур
скорости, строится последний контур – контур положения, как показано
на рисунке 5 [16].