Кибернетика

Построение информационно-управляющей системы с элементами искусственного интеллекта



              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):

[pic]

     [pic][pic]введем условие квазистационарности на интервале

                              [pic]                       (1.2)

                          [pic]    (1.3)

Для решения задачи представим объект управления  в  пространстве  состояний,
разрешив систему (1.1) относительно старшей производной:
[pic][pic] (1.4)
Полученная  система  уравнений  описывает  структуру  объекта  управления  в
пространстве состояний. Соответствующая структурная  схема  представлена  на
рисунке 1.



 Рис.1



                   [pic]



             Представим схему переменных состояний в форме Коши.  Для  этого
введем переобозначение через z.
      Пусть       (1.5) :
[pic]
       [pic]
        Система  (1.5)-математическая  модель  объекта  управления  в  форме
Коши. Представим (1.5) в векторной форме:

          [pic]                                             (1.6)
где



[pic]        вектор состояний                         (1.7)



[pic]    производная вектора состояний  (1.8)



 [pic] динамическая матрица о/у   (1.9)



[pic] матрица управления о/у             (1.10)



[pic]  вектор управляющих воздействий        (1.11)



[pic]   матрица измерений                          (1.12)

     Определяем переходную матрицу состояний в виде:
[pic]
       Находим передаточные функции звеньев  системы  управления,  для  чего
представляем систему дифференциальных уравнений (1.1) в операторной форме:


                                                                       [pic]
(1.13)



    [pic]

        (1.14)

Вынесем общий множитель за скобки


      [pic]   (1.15)


 Передаточная функция первого звена


            [pic]
где
[pic]
тогда
[pic]                            (1.16)

Подставляем  численные значения  (см.т/з):

    [pic]   [pic]
Передаточная функция второго звена:


[pic]
где
[pic]
тогда
[pic]                      (1.17)
Подставляем численные значения:


[pic]

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


                                                                       [pic]
(1.18)



                           [pic]



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



       Передаточная функция системы численно равна:



[pic] (1.19)


[pic]



   2. Построение логарифмических АЧХ и ФЧХ нескорректированной системы.


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

 [pic]      (1.20)


Представим (1.20) в экспоненциальной форме:

[pic]                                (1.21)

Здесь



      [pic] (1.22)


   [pic]    (1.23)


Логарифмируем выражение (1.22):

                                                                       [pic]
     (1.24)

       Слагаемые [pic]  на частотах

[pic] равны нулю, а на частотах [pic]принимают значения  [pic].
        Соответственно,    тогда    логарифмическая     амплитудно-частотная
характеристика определяется выражением:

[pic]
                  (1.25)

      Определим частоты сопряжения:

                                                                       [pic]
(1.26)


                 [pic]
                  [pic]



                   [pic]


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


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

                                          [pic]

    на частоте [pic]  сопрягается третья прямая  с наклоном  -20  дб/дек  по
отношению ко второй прямой.
    Третья прямая проводится до частоты сопряжения

                                          [pic]
      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 [pic]   -это прямая,  проходящая  параллельно  оси  частот
на расстоянии [pic] ;
-второе-четвертое  слагаемые-тангенсоиды  с  точками  перегиба  на  частотах
сопряжения; в области высоких частот асимптотически приближаются к  [pic]  ,
а при
[pic]

     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  [pic]  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   [pic]
определяет величину запаса устойчивости по фазе в  градусах,  если  проекция
точки находится выше линии [pic].
      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.



           [pic]                                        (1.27)


     где [pic]-время регулирования квазистационарной системы, т.е.  один  из
заданных в условии показателей качества;
            [pic]  -коэффициент,  зависящий  от  величины  перерегулирования
[pic] , определяемый по графику зависимости [1],

                              [pic]
                              [pic]

                   [pic]


1.3.2. Через точку [pic] проводится  участок  ЛАЧХ  на  средних  частотах  с
наклоном –20дб/дек.
1.3.3. Определяются сопрягающие частоты [pic]

 [pic](1.28)


          [pic]          (1.29)


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

         [pic]
или

          [pic]

где        [pic]    -    передаточная    амплитудно-фазочастотная    функция
корректирующего звена, имеем
                       [pic]


    Логарифмируя, получим

    [pic] (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 :
                                    [pic]

     (1.32)


                                    [pic]

    (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 [pic], 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  [pic]  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:



    [pic]

                            (2.1)

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

        [pic]

где [pic]-изменение вектора параметров модели, равное

         [pic]


[pic]-реакция объекта управления на управляющее воздействие [pic]


  [pic] -реакция модели объекта управления на управляющее воздействие  [pic]
. Тогда



[pic]

и функционал качества приобретает вид

[pic]         (2.2)

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

[pic]



[pic]

(2.3)


где

[pic]



 [pic]


тогда
[pic]


(2.4)

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

[pic]


(2.5)



[pic]



(2.6)


Здесь

[pic] -коэффициенты передачи  контуров  самонастройки  по  параметрам  [pic]
соответственно.
      Полученная   система   интегродифференциальных   уравнений   (2.5-2.6)
описывают  структуру  контуров  самонастройки  информационно-параметрической
системы по параметру [pic].
     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  [pic]  при  условии  постоянства  параметров
объекта  управления  на  этом  интервале  времени.  При  наличии   изменений
параметров объекта управления управляющее воздействие [pic],  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[pic] ошибку рассогласования регулируемого процесса
[pic] , где [pic]-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 [pic], изменения  параметров  управляющего  устройства  [pic],  и
задающего воздействия
[pic].

[pic](3.1.1)

где

      [pic] (3.1.2)

[pic]   (3.1.3)
здесь
[pic]
      Решив выражение (3.1.2) относительно [pic] с учетом (3.1.3), получим
[pic]                      (3.1.4)

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



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

[pic]      (3.1.5)

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


[pic]     (3.1.6)

      Подставляя значение [pic] выражения (3.1.6) в (3.1.1) имеем:
[pic]

(3.1.7)

       Минимизируя функционал  качества  (3.1.7)  по  вектору  настраиваемых
параметров регулятора на интервале
[pic],получим

[pic]
(3.1.8)

   где

[pic]  (3.1.9)

[pic]                        (3.1.10)


[pic]
(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 [pic] в (3.1.7), получим

[pic](3.1.12)

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

[pic]
(3.1.13)

[pic]      (3.1.14)

[pic]

     Тогда

[pic]
(3.1.15)

    Полученные  выражения  (3.1.13-3.1.15)  описывают  контур  самонастройки
системы анализа параметрического состояния и принятия решения  по  параметру
[pic].
    Поступая аналогично тому, как это было  выполнено  по  параметру  [pic],
найдем структуру и алгоритм функционирования контура  самонастройки  анализа
параметрического состояния и принятия решений по параметрам [pic] :

[pic](3.1.16)

   [pic]

где


[pic](3.1.17)

    Тогда


[pic]
(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 [pic].
     Аналогично

[pic]

[pic]

(3.1.19)

[pic] (3.1.20)

   где


[pic]    (3.1.21)

  Тогда



[pic]
(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 [pic].
       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.



-----------------------
[pic]

[pic]

[pic][pic]

[pic]

[pic]

[pic]

[pic]

[pic]

???????????????????????????[pic]

[pic]

[pic]

[pic]

[pic]

U(t)

[pic]

[pic]

U’(t)

U(t)

[pic]

[pic]

[pic]

Y1’’(t)

Y1’(t)

Y1(t)

Y2’’(t)

Y2’(t)

Y2(t)




смотреть на рефераты похожие на "Построение информационно-управляющей системы с элементами искусственного интеллекта"