WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 | 2 ||

Иной способ определения области устойчивости нелинейной системы предлагает использовать метод функции Ляпунова. Главным достоинством этого способа является представление области устойчивости в математической форме, что очень удобно при расчетах. Однако вторая теорема Ляпунова выражает лишь достаточное условие устойчивости. Это означает, что область, выделенная функцией Ляпунова, может быть уже, чем действительная.

В данной работе предлагается использовать многослойных нейронных сетей (МНС) для решения данной задачи. Главные преимущества применения МНС состоят в следующем:

МНС может аппроксимировать любую непрерывную функцию с любой точностью, зависящей от числа слоев и числа базовых процессорных элементов (БПЭ) в слоях.

Данное свойство освобождает нас от необходимости построения фазовых пространств, выбора функции Ляпунова и применено для систем высокого порядка, такими являются системы управления движением скоростных судов в частности и морских подвижных объектов в целом.

МНС обладает высокой помехоустойчивостью, что повышает вероятность правильного оценивания аварийной ситуации.

МНС обладает высокой структурной устойчивостью, отказ определенных БПЭ не повлияет на работоспособность нейронных сетей (НС) в целом.

программный аппарат для исследования НС достаточно развит в прикладном пакете MATLAB(Neural Network Toolbox).

несомненным достоинством НС является её способность к обучению, которая позволяет в процессе функционирования, на основе собранных данных осуществлять коррекцию границ области устойчивости системы.

Применение НС предлагает решение следующих задач

формирование обучающего множества

выбор структуры и типа НС

выбор метода и алгоритма обучения.

тестирование полученных НС.

Важный вопрос при применении НС состоит в формировании обучающих данных. В нашем случае обучающими данными являются пары вектора состояния и величины, характеризующей сходимость переходных процессов динамической системы, описываемую уравнениями

Согласно Ляпунову, под областью устойчивости движения этой системы будем понимать часть пространства состояния, такую, что:

при (2)

Здесь: - начальное состояние системы

- устойчивое состояние равновесия системы.

Для скоростных судов, движение которых подвергается постоянному возмущению устойчивое состояние равновесия заранее трудно определить (движение с дрейфом или дифферентом). Поэтому прямое применение формулы (2) затруднительно. Однако, для скоростных судов верным признаком устойчивости движения является приближение угловой скорости (рыскания, килевой качки) к нулю. Поэтому, вместо (2) можно использовать следующую формулу: limпри.

На практике можно использовать

при (3)

для достаточно-малого и достаточно-большого

Переменные состояния реальных технических объектов в отличие от их математических моделей в силу конструктивной и динамической особенности могут изменяться лишь в ограниченных пределах. Таким образом, точки устойчивого движения должны удовлетворять и неравенству:

(4)

Проверка условий (3,4) проводится путем моделирования на компьютере. При выполнении присвоим, в противном случае. Совокупность образует обучающие данные для НС.

На рис.3 представлен выход НС, определяющей область устойчивости системы стабилизации для устойчивого и неустойчивого движения. Можно заметить, что на всей протяженности процесса выход НС сохраняется почти неизменным, имея значение 0 и 1 при устойчивом и неустойчивом процессе соответственно. Таким образом, НС хорошо аппроксимирует область устойчивости.

Алгоритм определения аварийных ситуаций с использованием НС представлен на рис. 4. Данный алгоритм работает следующим образом:

Данные (вектор переменных состояния ) с датчиков состояния поступают на вход аппроксимирующей МНС, в зависимости от нахождения данного состояния в области или нет, выход МНС будет 0 или 1.

Если выход имеет значение 0, радиус-вектор увеличивается, пока выход МНС имеет значение 1. В противном случае, когда выход имеет значение 1, радиус-вектор уменьшается, пока выход МНС имеет значение 0.

a b

Рисунок 3.Выход НС, определяющей область устойчивости системы стабилизации СПК

a – устойчивый переходный процесс; b – неустойчивый переходный процесс.

Далее осуществляется процесс итерации, пока расстояние между точками, где выход МНС есть 0 и 1 становится меньшим заданной величины. Таким образом, определяется радиус-вектор, соответствующий границе области устойчивости. Авария происходит когда, модуль текущего вектора превышает модуль соответствующего радиус-вектора.

Функциональная схема и алгоритм функционирования двухуровневой системы аварийного управления движением скоростных судов, построенная на основе использования МНС представлены на рис. 5,6 соответственно.

Блок банк НС содержит МНС, аппроксимирующие области устойчивости соответствующие режимам и алгоритм определения аварийной ситуации(см рис.4), банк регуляторов содержит регуляторы соответствующие режимам. Входными параметрами данной системы являются значения кинематических параметров рассматриваемого вида движения скоростных судов. Информация от датчиков кинематических параметров (Д) поступает через аналого-цифровой преобразователь в виде значений вектора состояния X и вектора, управляющих воздействий в бортовую цифровую вычислительную машину (ЦВМ), в которой заложены МНС, аппроксимирующие области устойчивости. Анализируя полученные значения переменных состояния, ЦВМ на основе МНС определяет факт нахождения в области устойчивости в пространстве переменных состояния. Если данное состояние находится внутри области устойчивости, то система работает в нормальном режиме (режим стабилизации). Если система выходит за пределами области выходной сигнал МНС осуществляется передача управления на блок аварийного управления.

Блок аварийного управления (БАУ) сформирует аварийные управляющие воздействия и состоит из следующих модулей (см рис.7):

блок “модуль М” - формирование вектора состояния на время вперед. В этом модуле заложена нелинейная модель объекта, осуществляющая формирование вектора состояния на время вперед.

блок “генератор U” – формирование аварийных управляющих воздействий.

блок “банк НСb “– содержит МНС, аппроксимирующие области устойчивости и алгоритм определения аварийной ситуации.

блок “банк НСc “– содержит МНС, работающую как ассоциативная память, вырабатывающая аварийные управляющие воздействия.

БД- база данных.

Д1- содержит текущий вектор состояния.

Счетчик, логические устройства ЛУ1 (НЕ-элемент), ЛУ2 (И-элемент).

При получении сигнала передачи управления в БАУ осуществляется запуск генератор U, который случайным образом выдает управляющие воздействия на вход блока М, одно временно с Д1 подается текущий вектор состояния.

Блок М осуществляет формирование вектора состояния на время вперед. Выход с М подается на вход МНС, которые определяют области устойчивости. Если будущий вектор попадает в область устойчивости, ЛУ1 выдает сигнал 0, который сбросит счетчик, остановит работу генератора U, тем самым фиксируя значение ‘удачных’ управляющих воздействий, возвращающих вектор состояния в устойчивую область.

Пара вектора начального состояния и вектора ‘удачных’ управляющих воздействий вносится в базу данных БД, которая используется для обучения банк НСc, которая в дальнейшем, работая в режиме ассоциативной памяти (пунктирные линии) формирует ‘удачные’ управляющие воздействия в аварийных ситуациях, используя вектор начального состояния в качестве входа.

Одновременно отпирается ключ К, пропускающий управляющие воздействия к исполнительным органам (ИО). С этого момента движение объекта происходит по его собственной динамике. Через определенное время, когда вектор состояния системы вошел в область устойчивости выход НС верхнего уровня (см рис.8a) имеет значение 0, этот сигнал поступает на устройство переключения, которое передает управления на регулятор Рi. В дальнейшем, система работает в режиме автоматической стабилизации.

Когда выход ЛУ1 имеет значение 1, происходит повторный запуск генератор U, при достижении заданного числа безуспешных попыток ЛУ2 вырабатывает сигнал изменения режима (реконфигурации) СР с целью расширения области устойчивости. Осуществляется изменение режима движения или переключается на другой регулятор (см рис.8b). Изображающая точка, находясь в расширенной области устойчивости, двигается в начало координат автоматически.

a b

Рисунок 8.Фазовые траектории при аварийном управлении

  1. Изменение принципа управления.
  2. С расширением области устойчивости.

Заключение

В диссертационной работе получены новые и практически значимые результаты:

1. Предложена двухуровневая структура системы управления движением скоростных судов, обеспечивающая повышенную безопасность и устойчивость движения благодаря:

- локальной системе стабилизации на траектории (плавание по безопасному маршруту);

- системе предотвращения аварий.

2. Предложен алгоритм синтеза систем стабилизации на основе непрямой квадратичной задачи, свободный от недостатков существующих алгоритмов, который одновременно обеспечивает повышенную устойчивость.

3. Структура и алгоритм функционирования системы противоаварийного управления с использование нейросетевых технологий. Использование НС позволяет фиксировать момент выхода за пределом области устойчивости. Своевременное обнаружение признака аварии позволяет оперативно возвращать объект обратно, минимизировав время его пребывания вне области устойчивости.

Система, построенная таким образом, позволяет повысить эффективность аварийного управления за счет самообучения, т.к. система запоминает “удачные попытки” и мгновенно выдает их, минуя предварительное моделирование.

Список основных публикаций по теме диссертации.

1. Лукомский Ю.А. Использование нейросетевых технологий при построении систем управления движением скоростных судов [Текст]/Ю.А. Лукомский, Ле Тхань Тунг, А.Г. Шпекторов //Изв. СПбГЭТУ «ЛЭТИ». - 2006.- Вып. 1 Сер. Автоматизация и управление. - С.14-18.

2. Шпекторов А.Г. Организация двухуровневой системы управления движением скоростного судна [Текст] / А.Г. Шпектров, Ле Тхань Тунг// Гироскопия и навигация: Материалы 8 –й науч.-техн. конф. молодых ученых, г. С-Петерб., 14-16 марта 2006 г. - СПб.: ГНЦ РФ – ЦНИИ «Электроприбор».- № 2 (53). - С.93

3. Шпекторов А.Г. Синтез многоканальных регуляторов по заданным частотам [Текст] / А.Г. Шпектров, Ле Тхань Тунг// Гироскопия и навигация: Материалы 8 –й науч.-техн. конф. молодых ученых, г. С-Петерб., 14-16 марта 2006 г. - СПб.: ГНЦ РФ – ЦНИИ «Электроприбор».- № 2 (53). - С. 107

Pages:     | 1 | 2 ||






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»