Система нечеткой логики

Вступление:

Управление нечеткой логикой (FLC) является наиболее активной областью исследований в области применения теории нечетких множеств, нечетких рассуждений и нечеткой логики. Применение FLC простирается от управления производственными процессами до биомедицинских приборов и ценных бумаг. По сравнению с традиционными методами управления, FLC лучше всего использовался в сложных плохо определенных задачах, которыми может управлять эффективный человек-оператор, не зная об их основной динамике.

Система управления - это набор физических компонентов, предназначенных для изменения другой физической системы, чтобы эта система проявляла определенные желаемые характеристики. Существует два типа систем управления: системы управления с обратной связью и системы управления с обратной связью. В системах управления без обратной связи действие управления входом не зависит от выхода физической системы. С другой стороны, в системе управления с обратной связью действие управления входом зависит от выхода физической системы. Системы управления с замкнутым контуром также известны как системы управления с обратной связью. Первый шаг к контролю любой физической переменной - это ее измерение. Датчик измеряет контролируемый сигнал. Завод - это физическая система, находящаяся под контролем. В системе управления с обратной связью форсирующие сигналы входов системы определяются выходными характеристиками системы. Основная задача управления задается следующим образом:

Выход контролируемой физической системы регулируется с помощью сигнала ошибки. Разница между фактическим (рассчитанным) откликом płant и желаемым откликом дает сигнал ошибки. Для получения удовлетворительных откликов и характеристик системы управления с обратной связью к контуру может быть добавлена дополнительная система, называемая компенсатором или контроллером. Базовая блок-схема замкнутой системы управления показана на рисунке 1. Нечеткие правила управления в основном являются правилами IE-THEN.

Рис.1: Блок-схема замкнутой системы управления

Дизайн системы управления:

Проектирование контроллера для сложной физической системы включает следующие шаги:

1. Разложение крупномасштабной системы на набор различных подсистем.
2. Медленное изменение динамики объекта и линеаризация нелинейной динамики плоскости относительно набора рабочих точек.
3. Организация набора переменных состояния, управляющих переменных или выходных характеристик для рассматриваемой системы.
4. 4. Проектирование простых P, PD, PID контроллеров для подсистем. Также могут быть разработаны оптимальные контроллеры.

Помимо первых четырех шагов, могут возникать неопределенности из-за внешних условий окружающей среды. Конструкция контроллера должна быть максимально приближена к оптимальной конструкции контроллера на основе экспертных знаний инженера по контролю. Это может быть сделано путем различных численных наблюдений за взаимосвязью ввода-вывода в форме лингвистической, интуитивной и других видов связанной информации, связанной с динамикой растения и внешней средой. Наконец, система диспетчерского управления, ручная или автоматическая, образует дополнительный контур управления с обратной связью для настройки и регулировки параметров контроллера для компенсации вариационных эффектов, вызванных нелинейной и реконструированной динамикой. По сравнению с традиционной конструкцией системы управления, при ее выборе при проектировании системы FLC должны быть сделаны следующие допущения. Рассматриваемый объект должен быть наблюдаемым и управляемым. Широкий спектр знаний, включающий набор экспертных лингвистических правил, базовый инженерный здравый смысл, набор данных для ввода / вывода или аналитическую модель контроллера, которая может быть нечеткой и на основе которой нечеткое правило может быть сформировано, должен существовать. Кроме того, для рассматриваемой проблемы должно существовать решение, и оно должно быть таким, чтобы инженер по управлению работал над «хорошим» решением, а не особо искал оптимальное решение. Контроллер в этом случае должен быть спроектирован с учетом наших возможностей и с допустимым диапазоном точности. Следует отметить, что проблемы стабильности и оптимальности являются постоянными проблемами в конструкции нечеткого контроллера.

При разработке контроллера с нечеткой логикой процесс формирования нечетких правил играет жизненно важную роль. Существует четыре структуры системы правил нечеткого производства (Weiss and Donnel, 1979), а именно:

1. Набор правил, который представляет политику и эвристические стратегии эксперта, принимающего решения.
2. Набор входных данных, которые оцениваются непосредственно перед фактическим решением.
3. Метод оценки любого предлагаемого действия с точки зрения его соответствия установленным правилам при наличии данных.
4. Метод создания многообещающих действий и определения, когда прекратить поиск лучших.

Все необходимые параметры, используемые в контроллере нечеткой логики, определяются функциями принадлежности. Правила оцениваются с использованием таких методов, как приблизительное рассуждение или интерполяционное рассуждение. Эти четыре структуры нечетких правил помогают получить контрольную поверхность, которая связывает управляющее действие с измеряемым состоянием или выходной переменной. Затем контрольная поверхность может быть отобрана до конечного числа точек, и на основе этой информации может быть построена справочная таблица. Таблица поиска содержит информацию о поверхности управления, которая может быть загружена в микросхему памяти только для чтения. Этот чип будет представлять собой фиксированный контроллер для завода.

Архитектура и работа системы FLC:

Базовая архитектура контроллера нечеткой логики показана на рисунке 2. Основными компонентами системы FLC являются фаззификатор, нечеткая база правил, нечеткая база знаний, механизм вывода и defuzz.ifier. Он также включает параметры для нормализации. Когда выходной сигнал дефаззификатора не является управляющим действием для объекта, тогда система представляет собой систему принятия решений с нечеткой логикой. Присутствующий фаззификатор преобразует четкие количества в нечеткие. В нечеткой базе правил хранятся знания о работе процесса экспертизы предметной области. В нечеткой базе знаний хранятся знания обо всех нечетких отношениях ввода-вывода. Он включает в себя функции принадлежности, определяющие входные переменные в базу нечетких правил и выходные переменные для объекта, находящегося под контролем. Механизм вывода является ядром системы FLC, и он обладает способностью моделировать человеческие решения, выполняя приблизительные рассуждения для достижения желаемой стратегии управления. Дефаззификатор преобразует нечеткие величины в четкие величины на основе предполагаемого нечеткого управляющего воздействия механизма логического вывода.

Рис 2: Базовая архитектура системы FLC

Различные этапы проектирования контроллера нечеткой логики заключаются в следующем:

• Шаг 1. Найдите переменные входа, выхода и состояния рассматриваемой плоскости. я
• Шаг 2: Разделите всю совокупность дискурса, охватываемого каждой переменной, на несколько нечетких подмножеств, присвоив каждому лингвистическую метку. Подмножества включают все элементы вселенной.
• Шаг 3. Получите функцию принадлежности для каждого нечеткого подмножества.
• Шаг 4: Назначьте нечеткие отношения между входами или состояниями нечетких подмножеств с одной стороны и выходными данными нечетких подмножеств с другой стороны, тем самым формируя базу правил.
• Шаг 5: Выберите подходящие коэффициенты масштабирования для входных и выходных переменных для нормализации переменных между интервалом [0, 1] и [-1, I].
• Шаг 6: Проведите фаззификацию.
• Шаг 7: Определите результат, вносимый каждым правилом, используя нечеткие приблизительные рассуждения.
• Шаг 8: Объедините нечеткие выходные данные, полученные из каждого правила.
• Шаг 9: Наконец, примените дефаззификацию, чтобы получить четкий результат.

Вышеупомянутые шаги выполняются и выполняются для простой системы FLC. Следующие элементы конструкции приняты для проектирования общей системы FLC:

1. Стратегии фаззификации и интерпретация фаззификатора.
2. Нечеткая база знаний: нормализация задействованных параметров; разделение входных и выходных пространств; выбор функций принадлежности первичного нечеткого множества.
3. База нечетких правил: выбор входных и выходных переменных; источник, из которого должны быть получены правила нечеткого управления; типы нечетких правил управления; полнота нечетких правил управления.
4. Логика принятия решений: правильное определение нечеткого вывода; толкование соединительного слова «и»; толкование соединительного слова «или»; Механизм логического вывода.
5. Материалы дефаззификации и интерпретация дефаззификатора.

Приложения:

Системы FLC находят широкое применение в различных промышленных и коммерческих продуктах и системах. В нескольких приложениях, связанных с нелинейными, изменяющимися во времени, плохо определенными системами, а также сложными системами, системы FLC оказались очень эффективными по сравнению с другими традиционными системами управления. Области применения систем FLC:

1. Управление трафиком
2. Паровой двигатель
3. Управление полетом самолета
4. Управление ракетами
5. Адаптивное управление
6. Контроль уровня жидкости
7. Модель вертолета
8. Автомобильный регулятор скорости
9. Контроллер тормозной системы
10. Управление процессом (включая управление цементной печью)
11. Роботизированный контроль
12. Управление лифтом (автоматическим лифтом);
13. Автоматическое управление ходом
14. Управление холодильной установкой
15. Очистка воды
16. Управление котлом;
17. Управление ядерными реакторами;
18. Управление энергосистемами;
19. Управление кондиционером (регулятор температуры)
20. Биологические процессы
21. Система, основанная на знаниях
22. Блок управления обнаружением неисправностей
23. Нечеткая аппаратная реализация и нечеткие компьютеры