заработок на кликах
Вы еще не зарегестрированы на Uchit.net? Зачем?
Login: Pass:

Построение информационно-управляющей системы с элементами искусственного интеллекта

реферат: Кибернетика

Оцените работу
всего оценок0 общий балл0
Зарегистрируйтесь

              МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ  УКРАИНЫ

          СУМСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

           Кафедра автоматики и промышленной  электроники












               ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА


   К курсовому проекту на тему: “ Построение информационно-управляющей системы с элементами искусственного интеллекта.”


По дисциплине: “Элементы систем автоматического контроля          и управления.”



Проектировал:студент группы ПЭЗ-51                Симоненко А.В.

Проверил:                                                       Володченко Г.С.








                                           Сумы   2000 г.

                                      СОДЕРЖАНИЕ.


ВВЕДЕНИЕ.


1.СИНТЕЗ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ КВАЗИСТАЦИОНАРНЫМ  ОБЪЕКТОМ.


    1. Построение информационной управляющей системы с элементами самонастройки.


1.2 Построение логарифмических АЧХ и ФЧХ и              нескорректированной системы


1.3. Построение желаемых ЛАЧХ и ФЧХ скорректированной квазистационарной системы.


1.4. Построение ЛАЧХ корректирующего звена системы.


2.СИНТЕЗ ИНФОРМАЦИОННО-ПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ИДЕНТИФИКАЦИИ НЕСТАЦИОНАРНОГО ОБЪЕКТА УПРАВЛЕНИЯ.

2.1. Выбор метода синтеза системы.

2.2. Поиск минимизированного функционала качества.

3.ПОСТРОЕНИЕ АДАПТИВНОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ НЕСТАЦИОНАРНЫМ ДИНАМИЧЕСКИМ ОБЪЕКТОМ.

3.1. Синтез адаптивной системы управления нестационарным объектом с элементами искусственного интеллекта.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.




                                          ВВЕДЕНИЕ.


     При современном уровне развития науки и техники все большее распространение получают информационно-управляющие системы с элементами искусственного интеллекта на производстве, в быту, военной технике, а также там , где присутствие человека невозможно.Их особенностью является наличие в самой системе подсистем анализа и контроля состояния как самой системы управления так и состояния объекта управления с целью своевременного принятия решения и реагирования на внешние воздействия и изменения в самой системе.

       Системы автоматического контроля и управления должны обеспечить требуемую точность регулирования и устойчивость работы в широком диапазоне изменения параметров.

         Если раньше теория автоматического управления носила в основном линейный и детерминированный характер, решаемость теоретических задач определялась простотой решения, которое стремились получить в виде замкнутой конечной формы, то в настоящее время решающее значение приобретает четкая аналитическая формулировка алгоритма решения задачи и реализация его с помощью ЭВМ.













1.СИНТЕЗ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ КВАЗИСТАЦИОНАРНЫМ  ОБЪЕКТОМ

1.1Построение информационной управляющей системы с элементами самонастройки.


Для нестационарного динамического объекта управления, поведение которого описывается нестационарными дифференциальными уравнениями вида  (1.1):



     введем условие квазистационарности на интервале


                                                     (1.2)


                              (1.3)


Для решения задачи представим объект управления в пространстве состояний, разрешив систему (1.1) относительно старшей производной:

(1.4) 

Полученная система уравнений описывает структуру объекта управления в пространстве состояний. Соответствующая структурная схема представлена на рисунке 1.






            





                                                                                              



                                                                                             












                                             
































Рис.1    



                                    




                                                                                              






                                                                                  








                                                          





             Представим схему переменных состояний в форме Коши. Для этого введем переобозначение через z.

      Пусть       (1.5) :

        

        Система (1.5)-математическая модель объекта управления в форме Коши. Представим (1.5) в векторной форме:


                                                       (1.6)

где






        вектор состояний                         (1.7)








    производная вектора состояний  (1.8)











динамическая матрица о/у   (1.9)









матрица управления о/у             (1.10)






  вектор управляющих воздействий        (1.11)






   матрица измерений                          (1.12)


     Определяем переходную матрицу состояний в виде:

       Находим передаточные функции звеньев системы управления, для чего представляем систему дифференциальных уравнений (1.1) в операторной форме:



                                                                     (1.13)





   


        (1.14)


Вынесем общий множитель за скобки


             

         (1.15)



Передаточная функция первого звена



           

где

            

тогда

                            (1.16)


Подставляем  численные значения (см.т/з):


         

Передаточная функция второго звена:



           

где

тогда

                      (1.17)

Подставляем численные значения:




Используя заданный коэффициент ошибки по скорости, находим требуемый коэффициент усиления на низких частотах:



                                                                    (1.18)






                                 



                

Для обеспечения требуемого коэффициента усиления вводим пропорциональное звено с коэффициентом усиления , равным






       Передаточная функция системы численно равна:




(1.19)                        





       


    1. Построение логарифмических АЧХ и ФЧХ нескорректированной системы.



Заменив в выражении (1.19)   , получим комплексную  амплитудно-фазочастотную функцию разомкнутой системы:


      (1.20)



Представим (1.20) в экспоненциальной форме:


                                (1.21)


Здесь






      (1.22)



       (1.23)



Логарифмируем выражение (1.22):

                                                                           (1.24)


       Слагаемые   на частотах


равны нулю, а на частотах принимают значения  .

     Соответственно, тогда логарифмическая амплитудно-частотная характеристика определяется выражением:


                                                                                         (1.25)


      Определим частоты сопряжения:


                                                                       (1.26)



                

                     

                



                  

                  



     Для построения логарифмических частотных характеристик выбираем следующие масштабы:

-одна декада по оси абсцисс-10 см;

-10 дб по оси ординат-2 см;

-90° по оси ординат-4.5 см.

    В этих масштабах откладываем:

-по оси частот-сопрягающие частоты;

-по оси ординат-значение

   Через точку проводим прямую с наклоном -40 дб/дек, до частоты сопряжения


                                        

    на частоте сопрягается следующая прямая с наклоном -20 дб/дек по отношению к предыдущей прямой .Эта прямая проводится до частоты сопряжения


                                         


    на частоте   сопрягается третья прямая  с наклоном -20 дб/дек по отношению ко второй прямой.

    Третья прямая проводится до частоты сопряжения


                                         

      Полученная таким образом ломаная кривая представляет собой  ЛАЧХ разомкнутой нескорректированной квазистационарной системы, первая прямая проходит с наклоном к оси частот-40 дб/дек;вторая-20 дб/дек;третья0 дб/дек;

четвертая-20 дб/дек.

    Фазочастотная характеристика нескорректированной разомкнутой системы строится в тех же координатах согласно выражения  (1.24) , где

-первое слагаемое    -это прямая, проходящая параллельно оси частот  на расстоянии ;

-второе-четвертое слагаемые-тангенсоиды с точками перегиба на частотах сопряжения; в области высоких частот асимптотически приближаются к , а при

    

    Алгебраическая сумма ординат всех четырех характеристик дает фазочастотную характеристику нескорректированной разомкнутой системы..

     Для определения запасов устойчивости не скорректированной системы по амплитуде и по фазе необходимо:

-точку пересечения суммарной ФЧХ с линией спроектировать на ЛАЧХ, тогда расстояние проекции этой точки до оси частот будет величиной запаса устойчивости по амплитуде в дб. Если же проекция этой точки окажется выше оси частот, то запаса устойчивости по амплитуде нет.

-проекция частоты среза на суммарную ФЧХ относительно линии определяет величину запаса устойчивости по фазе в градусах, если проекция точки находится выше линии .

     Произведенные построения показывают, что рассматриваемая система неустойчива как по амплитуде, так и по фазе. С целью достижения заданных показателей качества строим корректирующее звено.

 

    1.3. Построение желаемых ЛАЧХ и ФЧХ скорректированной квазистационарной системы.

1.3.1. Определяется частота среза.







                                                   (1.27)



     где -время регулирования квазистационарной системы, т.е. один из заданных в условии показателей качества;

            -коэффициент, зависящий от величины перерегулирования  , определяемый по графику зависимости [1],


                                  

                             

                          

                     


                                         

1.3.2. Через точку проводится участок ЛАЧХ на средних частотах с наклоном 20дб/дек.

1.3.3. Определяются сопрягающие частоты


(1.28)



                    (1.29)

                  


       1.3.4. По частоте графически находится величина амплитуды в децибелах на низких частотах   и через точку проводится участок ЛАЧХ с наклоном  -40 или 60 дб/дек. до ее пересечения на сопрягающей частоте с участком ЛАЧХ на низких частотах с наклоном дб/дек.

       1.3.5. По частоте графически определяется величина амплитуды в децибелах и через точку

  проводится прямая с наклоном 40 или 60 дб/дек, которая определяет характер желаемой ЛАЧХ в области высоких частот.

         По виду желаемой ЛАЧХ построена желаемая ФЧХ и определены запасы устойчивости по амплитуде и по фазе.

          Произведенные построения показывают, что запасы устойчивости удовлетворяют заданным в техническом задании на проект.

1.4. Построение ЛАЧХ корректирующего звена системы.

       Учитывая то, что передаточная функция разомкнутой скорректированной системы определяется выражением


            

или


         


где        - передаточная амплитудно-фазочастотная функция корректирующего звена, имеем

                      

                


    Логарифмируя, получим


    (1.31)


Из выражения (1.31) следует, что ЛАЧХ корректирующего устройства квазистационарной системы равна разности ЛАЧХ скорректированной и нескорректированной ЛАЧХ соответственно.

     Таким образом, вычитая ординаты ЛАЧХ нескорректированной системы из ординат желаемой ЛАЧХ на частотах сопряжения, получим ординаты ЛАЧХ корректирующего устройства, к-рая построена на той же схеме путем соединения частот сопряжения прямымыи с наклонами, соответствующими разностям.

     Согласно  выполненных построений передаточная функция корректирующего устройства :


     (1.32)




    (1.33)

Разомкнутая система управления квазистационарным объектом, состоящая из трех звеньев, представлена на рис.2.














                                                                                            










                                          рис.2



2.СИНТЕЗ ИНФОРМАЦИОННО-ПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ИДЕНТИФИКАЦИИ НЕСТАЦИОНАРНОГО ОБЪЕКТА УПРАВЛЕНИЯ.



2.1. Выбор метода синтеза системы.

       При снятии наложенных ограничений квазистационарности параметры объекта управления становятся функциями времени. Для выработки управляющих воздействий, близких к оптимальным, необходима информация о параметрическом состоянии объекта управления. Для этого необходимо решение задачи синтеза информационно-параметрической системы идентификации, т.е. нахождение ее структуры и алгоритма функционирования. Для решения поставленной задачи выбирается метод подстраиваемой модели объекта управления с параллельным включением. А в качестве процесса функционирования-итерационный процесс поиска минимизируемого функционала качества , т.е. отделение процесса определения величины и направления изменения параметра от процесса перестройки параметра. Такой процесс позволяет производить оценку параметра при нулевых начальных условиях на каждом итеративном шаге, что сводит ошибку оценки параметра к и независящей от переходных процессов системы, вызванных перестройкой параметров модели.


2.2. Поиск минимизированного функционала качества.

        В качестве минимизированного функционала целесообразно выбрать интегральный среднеквадратический критерий качества вида:





       


                            (2.1)


сводящий к рассогласования между выходными сигналами объекта и его модели к параметрам объекта управления.


       


где -изменение вектора параметров модели, равное


        



-реакция объекта управления на управляющее воздействие



  -реакция модели объекта управления на управляющее воздействие . Тогда




       


и функционал качества приобретает вид


         (2.2)


     Для нахождения структуры информационно-параметрической системы идентификации и ее алгоритма функционирования необходимо осуществить минимизацию функционала качества (2.2) по настраиваемым параметрам   модели объекта управления. Взяв частную производную от минимизируемого функционала по настраиваемым параметрам на интервале времени

                , получим










(2.3)



где






           



тогда



(2.4)


        Полученная система интегро-дифференциальных уравнений (2.3,2.4) описывает структуру контура самонастройки информационно-параметрической системы идентификации по параметру   и его алгоритм функционирования. Поступая аналогично, найдем структуру и алгоритм функционирования контура самонастройки информационно-параметрической системы идентификации по параметрам .




(2.5)       












(2.6)



Здесь


-коэффициенты передачи контуров самонастройки по параметрам соответственно.

     Полученная система интегродифференциальных уравнений (2.5-2.6) описывают структуру контуров самонастройки информационно-параметрической системы по параметру .

     В целом система интегродифференциальных уравнений (2.3-2.6) описывает структуру информационно-параметрической системы идентификации и ее алгоритм функционирования.

       Циклограмма работоспособности информационно-параметрической системы идентификации, поясняющая принцип ее работы, приведена на рис.3







3.ПОСТРОЕНИЕ АДАПТИВНОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ НЕСТАЦИОНАРНЫМ ДИНАМИЧЕСКИМ ОБЪЕКТОМ.


      Полученная структура системы управления квазистационарным объектом (рис.2) обеспечивает устойчивость и заданные показатели качества на интервале квазистационарности при условии постоянства параметров объекта управления на этом интервале времени. При наличии изменений параметров объекта управления управляющее воздействие , вырабатываемое регулятором (управляющим устройством) с жесткой отрицательной обратной связью, не обеспечивает устойчивости и заданных показателей качества квазистационарной системы. В работу вступает гибкая параметрическая обратная связь, т. к. управляющему устройству в этом случае необходима информация о параметрическом состоянии нестационарного объекта управления.

       Выработанное управляющим устройством воздействие  с учетом информации о параметрическом состоянии нестационарного объекта управления будет сводить к ошибку рассогласования регулируемого процесса

, где -изменение вектора параметров управляющего устройства.

3.1. Синтез адаптивной системы управления нестационарным объектом с элементами искусственного интеллекта.

       Для оценки качества регулируемого процесса нестационарного объекта управления выберем интегральный критерий минимума среднеквадратической ошибки регулируемого процесса, зависящего от изменения параметров объекта управления , изменения параметров управляющего устройства , и задающего воздействия

.


(3.1.1)


где

  

      (3.1.2)


   (3.1.3)

здесь

      Решив выражение (3.1.2) относительно с учетом (3.1.3), получим

                      (3.1.4)   


где -вектор настраиваемых параметров регулятора (управляющего устройства), обеспечивающий качество регулируемого процесса.






          Учитывая то, что на состояние нестационарного объекта управления в каждом -том цикле может указать самонастраивающаяся модель объекта, положим в уравнении (3.1.4)


      (3.1.5)


        Тогда выражение сигнала ошибки регулируемого процесса для каждого -го цикла будет иметь вид



     (3.1.6)


      Подставляя значение выражения (3.1.6) в (3.1.1) имеем:


(3.1.7)


       Минимизируя функционал качества (3.1.7) по вектору настраиваемых параметров регулятора на интервале

,получим


(3.1.8)


   где


  (3.1.9)


                        (3.1.10)



(3.1.11)



    Полученные выражения (3.1.8-3.1.11) описывают структуру и алгоритм функционирования системы анализа параметрического состояния нестационарного объекта управления в векторно-матричной форме.

     Подставляя значения в (3.1.7), получим


(3.1.12)


    Взяв частные производные от минимизируемого функционала качества по настраиваемым параметрам регулятора , с учетом выражения (3.1.8) получим:


(3.1.13)


      (3.1.14)



     Тогда


(3.1.15)


    Полученные выражения (3.1.13-3.1.15) описывают контур самонастройки системы анализа параметрического состояния и принятия решения по параметру .

    Поступая аналогично тому, как это было выполнено по параметру , найдем структуру и алгоритм функционирования контура самонастройки анализа параметрического состояния и принятия решений по параметрам :


(3.1.16)


       


где



(3.1.17)


    Тогда



(3.1.18)


      Полученная система уравнений (3.1.16-3.1.18) описывает структуру и алгоритм функционирования системы анализа параметрического состояния  и принятия решения по параметру .

     Аналогично




(3.1.19)


(3.1.20)


   где



    (3.1.21)


  Тогда





(3.1.22)


      Полученная система интегродифференциальных уравнений (3.1.8-3.1.22) описывает структуру и алгоритм функционирования системы анализа параметрического состояния и принятия решений по параметрам .

       Пользуясь полученным алгоритмом функционирования, строим адаптивную систему оптимального управления нестационарным объектом управления с элементами искусственного интеллекта.


















                                           ЗАКЛЮЧЕНИЕ.


  

   Построенная адаптивная система управления нестационарным объектом полностью соответствует заданной математической модели и удовлетворяет условиям технического задания.

   Соответствующие структурные схемы информационно-параметрической системы идентификации и адаптивной системы управления могут быть реализованы с помощью современной элементной базы и использоваться в промышленности, военно-промышленном комплексе и научных исследованиях.











              СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.

1.Г.С.Володченко,А.И.Новгородцев. Методические указания к комплексной курсовой работе.С.:СГУ,1996г.

2. Александров А.Г. Оптимальные и адаптивные системы.М.:Высш.шк.,1989-263 с.

3. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. 3-е изд., испр. М.:Физматгиз, 1975.-768 с.

4. Сборник задач по теории автоматического регулирования и управления / под ред. В.А. Бесекерского.  М.:Наука,1978-512 с.

5.Ту  Ю. Т. Цифровые и импульсные системы автоматического управления.  М.: Машиностроение,1964.-703 с.










 
Дружить
Uchit.net в социальных сетях