CC BY
104
ПРИБОРЫ, УСТРОЙСТВА И СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ
УДК 621:658.011.56
М. В. Бобырь, В. С. Титов
ПРОЕКТИРОВАНИЕ АДАПТИВНОЙ НЕЧЕТКО-ЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ.
ЧАСТЬ I
Рассмотрены этапы проектирования адаптивной нечетко-логической системы управления. Приведены структурные схемы адаптивной системы и составляющих ее блоков, позволяющие оценить принцип работы системы.
Ключевые слова: нечеткая логика, нечеткий логический вывод, системы управления, адаптация.
Введение. Сокращение экспорта современного отечественного станкостроительного оборудования связанно с использованием в его структуре комплектующих, которые не позволяют изготавливать детали с точностью 1—5 мкм при одновременном снижении их себестоимости. Достижение таких характеристик невозможно без совершенствования несущей конструкции как самого металлорежущего оборудования, так и систем управления процессом механической обработки изделий (МОИ).
Современный уровень требований, предъявляемых к качеству выпускаемых изделий, определяет необходимость разработки высокоточного оборудования с ЧПУ нового поколения, сочетающего новейшие методы и средства автоматизированного контроля и управления с применением компьютерных способов обработки измерительной информации о ходе технологического процесса (ТП). При этом основным требованием, предъявляемым к такому классу оборудования, является учет неполноты, недостоверности информации о количественных величинах входных и выходных характеристик ТП МОИ при возмущающих воздействиях. Перспективным базисом, позволяющим учесть вышеуказанные требования, является аппарат нечеткой логики [1].
Структурно-функциональная схема адаптивной нечетко-логической системы управления. В ходе проводимых исследований по гранту Президента МК-277.2012.8 была разработана адаптивная нечетко-логическая система управления, которая позволяет повысить точность механической обработки изделий и ускорить принятие управляющих решений при наличии внешних факторов. На рис. 1 приведена ее структурная схема (ИМ — исполнительные механизмы оборудования с ЧПУ; БВИ — блок ввода информации; БОСИ — блок определения степеней истинности; БМНО — блок матрицы нечетких отношений; БВВП — блок ввода выходной переменной; БУТВП — блок усечения термов выходной переменной; БОУТВП — блок объединения усеченных термов выходной переменной; БД — блок дефаззификации). В работах [2—4] подробно рассмотрены методы и алгоритмы, поясняющие принципы работы адаптивной системы управления. Использова-
нию этой системы с целью управления исполнительными механизмами оборудования с ЧПУ посвящены статьи [5, 6].
Сенсоры системы активного контроля оборудования с ЧПУ
Внешние факторы X
Технологический процесс механической обработки изделий
Схема управления двигателем
КЕ0...ИЕ5 ИС1.ИС5
Микроконтроллер
ИЛ ИБ1 КО
А[9...0]
Б[7...0]
БВИ а[23...0] БОСИ
Ь[23...0]
С[70...0]
у2 39.0]
БВВП БУТВП
БМНО
21
БОУТВП
БД
Е[39...0]
Устройство управления
Б1[39...0]
Рис. 1
Элементные блоки адаптивной системы управления. Блок ввода информации предназначен для хранения данных о входных переменных в виде параметризованной функции принадлежности (ФП) [7]
|д( х) = 2 X = 1=1
41
1Г ^ '
; I - у
/ х1 + "12 ¡Г
21 *з- Г2 у
/ XI
+
+<
Га
/ х2 + "22 {[ ^
Г3 V 4 - Г3
/ х2
где 2 — знак операции объединения предпосылок правил [8]; х^ — термы параметризованной ФП, /=1,...,5 — количество термов; Г1, Г2, Г3, Г4 — параметры треугольной ФП (рис. 2, Г1=10, Г2=30, Г3=60, Г4=80); | — согласно [8], знак суппорта термов ФП; "11, "12, "21, "22 — логические переменные, определяемые как
"11 =■
1 для а < х < Ь,
\1 для Ь < х < с,
"21 =■
"12 =
0 в других случаях, [0 в других случаях,
[1 для Ь < х < с, [1 для с < х < ё,
\ "22 =\
[0 в других случаях, [0 в других случаях.
Основными компонентами БВИ (рис. 3) являются микроконтроллер (МК) типа
40 60 Рис. 2
Р1С16Б877 и схемы оперативно-запоминающих устройств (ОЗУ) ИЛМ16К (КР537РУ8).
2
2
Для записи информации в ОЗУ со входа микроконтроллера RB1 необходимо установить вход ОЗУ в состояние логического нуля, т.е. W/R=0. Далее по шине адреса А[9...0] с выхода микроконтроллера RA1 на входы шины данных D[47...0] ОЗУ поступает первый сигнал (0000000000), а с выхода микроконтроллера RD1 на входы D[47...0] ОЗУ — цифры в диапазоне от 0 до 255, соответствующая значениям степеням истинности ФП [9], расположенным по оси ординат (см. рис. 2). Значения адресов, передаваемых по шине адреса, совпадают со значениями по оси абсцисс ФП. Процесс записи данных в ОЗУ продолжается до тех пор, пока всем ячейкам памяти не будут присвоены значения степеней истинности ФП.
От датчиков
Рис. 3
Блок определения степеней истинности используется для хранения нечетких логических правил управления вида
ЕСЛИ [условие 1] И [условие 2], ТО [заключение], где [условие п] — предпосылки нечеткого логического вывода; [заключение] — выход нечеткого логического вывода.
Нечеткая логическая операция „И" реализуется как нахождение минимума (рис. 4) с помощью компараторов К555СП1 (003.1^3.2) и буферов данных ББ, выполненных на схемах К555АП5 (ББ4.1^4.2). Для передачи входных 8-разрядных сигналов а1 и Ь1 на компараторы их необходимо разбить по 4 разряда. Для этого на входы компаратора ББ3.1 А1...А8 и Б1...Б8 передаются старшие разряды сигналов а1[7.4] и Ь1[31.28] соответственно. А на входы второго компаратора ББ3.2 А1...А8 и Б1..Б8 — младшие разряды сигналов а1[3.0] и Ь1[27.24] соответственно.
В зависимости от результата операции сравнения на шину с1[7.0] будет приходить сигнал а1 или Ь1, значение которого минимально. Если сигнал а1 окажется меньше Ь1, то на выход „<" компаратора ББ3.2 поступит сигнал логической единицы, который заблокирует инверсные входы Е2/02 буферных схемы ББ4.1^4.2. Следовательно, на выходы 22 схем
004.1 и 004.2 не будут пропускаться старшие разряды Ь1[31.28] и младшие разряды Ь1[27...24]. А буферные схемы 004.1 и 004.2 пропустят старшие разряды а1[7.4] и младшие разряды а1[3...0] соответственно. На выходе шины данных с1[7.0] формируется 8-разрядный сигнал, реализующий операцию нахождения минимума ш1и(а1, Ь1).
Рис. 4
Блок матрицы нечетких отношений формирует уровни отсечения термов ФП выходной переменной [3]. Принцип работы данного блока следующий (рис. 5). В соответствии с матрицей нечетких отношений сигнал й1=с1 хранится в буферной схеме 006.1, а й5=е9 — в 006.9. Буферные схемы 006.1 и 006.9 выполнены на цифровых логических элементах К555АП5.
Для нахождения максимума шах(с8, с6) используются связки 4-разрядных компараторов 005.1 и 005.2 и 4-разрядных буферных схем 006.2 и 006.3. Причем в 006.2 хранятся старшие разряды ^2[15... 12], а в 006.3 — младшие й?2[11. . .8]. Буферные схемы 006.2 и 006.3 выполнены на цифровых логических элементах К555АП5, а компараторы 005.1 и 005.2 — на элементах К555СП1. На компаратор 005.1 для сравнения поступают старшие разряды с8 и с6, а на 005.2 — младшие с8 и с6. Если сигнал с6 окажется больше с8, то на выходе „<" компаратора 005.2 будет сигнал логической единицы, который заблокирует инверсные входы Е1/01 буферных схем 006.2^6.3. Следовательно, на выходы 21 схем 006.2 и 006.3 не будут пропускаться старшие с8[62.. .58] и младшие разряды с8[58.. .55]. А буферные схемы 006.2 и 006.3 пропустят старшие с6[46.. .43] и младшие разряды с6[42.. .39]. При этом на выходе шины данных й?2[15. . .8] формируется сигнал, реализующий операцию нахождения максимума шах(с8, с6). Операция нахождения максимума для сигналов с4 и с2 осуществляется аналогичным образом.
Для взятия максимума шах(с7, с5, с3) используются связки из четырех 4-разрядных компараторов 005.3^005.6 (К555СП1), трех 8-разрядных буферных схем 006.4^006.6 (К555АП6) и трех логических схем, 2И-НЕ элементы 005.9^005.11 (К555ЛА3), причем 8-разрядные выходы буферных схем 006.4^006.6 запараллелены в один сигнал ^[23.. .16].
В зависимости от результата операции сравнения на выходе данной схемы будет сформирован 8-разрядный сигнал ^3[23...16], являющийся максимальным из с7, с5 или с3. Если сигнал с5 окажется больше с7 и с3, то на выходе 22 „<" компаратора 005.4 и выходе 23 „>" компаратора 005.6 формируется сигнал логической единицы, а на выходе логического элемента 2И-НЕ 005.10 — логического нуля, который откроет вход буферной схемы 006.5 „Е" и позволит записать в него данные с5[38...31], которые и будут являться выходным
8-разрядным сигналом й?3[23...16]. Данная связка логических элементов настроена таким образом, что если на выходе 21 компаратора ББ5.4 и выходе г3 компаратора ББ5.6 будут сигналы логической единицы, то на выходе ^3[23...16] будет максимальный сигнал с7[54...47]. Если на выходе 22 компаратора ББ5.4 и выходе 24 компаратора ББ5.6 будут сигналы логической единицы, то на выходе ^3[23.. .16] будет максимальный сигнал с3[23.. .16].
й
ББ6.1
с9[70...63]
А8
В8
й1
с8[62...55]^ Сб[46.39Т
с8[62...59] Сб[46... 43]
щ
с8[58...55] ,сб[42...39]
+5У
А = = А = =
В В
> > > >
< К555СП1 < < К555СП1 <
Е
ББ6.2
т
В2 В1
ББ
Е
№ В2 В1
ББ
с7[54... 47]
с7[50...47] /с5[34...31]
с5[38...31] С7[54...51].
С5[38...35]
ББ5.4
+5У
А = = А = =
В В
> > > >
< К555СП1 < < К555СП1 <
с5[38...31]
,£¡[34.31] ;с3[19... 16]
Г
А1
ББ
В1
ББ5.10
сз[23...1б] С5[38.35].
сз[23...20]
+5У
А = = А = =
В В
> > > >
< К555СП1 < < К555СП1 <
ББ5.5 ББ5.6
21 И 23 ^ тах с7
22 И 23 ^ тах с5 22 И 24 ^ тах с3
1 Т ББ
А1 В1
А8 К555АП6 В8
ББ6.6
с4[31... 24] С2[15.8]~
С4[31.28] с2[15... 12;
Я
С4[27...24] ,С2[11. 8]
+5У
А = = А = =
В В
> > > >
< К555СП1 < < К555СП1 <
ш
ББ6.7
т
В2 В1
ББ
Е
В2 В1
ББ
ББ6.9
Е ББ
£ Т
1 А1 В1
С1[7...0] А8 К555АП6 В8
..0] Ю[39...0]
4[15...12]
^2[11...8]
¿3[23...1б]
¿¿31...28]
й,[27...24]
Л[39...32]
Рис. 5
В1
ББ6.3
ББ5.1
ББ5.2
ББ6.4
ББ5.9
А8
В8
ББ6.5
1»
ББ5.3
ББ6.8
ББ5.7
ББ5.8
Заключение. В первой части статьи рассмотрена структурно-функциональная схема адаптивной системы управления исполнительными механизмами оборудования с ЧПУ. Также рассмотрены элементные блоки, входящие в ее состав, и принцип их работы. Во второй части статьи будут детально рассмотрены блоки ввода выходной переменной, усечения термов выходной переменной, объединения усеченных термов выходной переменной, дефаззификации.
Работа выполнена в рамках гранта Президента РФ МК-277.2012.8 и ФЦП, государственный контракт № 14.740.11.1003.
список литературы
1. Афанасьев М. Я., Филиппов А. Н. Применение методов нечеткой логики в автоматизированных системах технологической подготовки производства // Изв. вузов. Приборостроение. 2010. Т. 53, № 6. С. 38—42.
2. Бобырь М. В., Титов В. С., Анциферов А. В. Алгоритм высокоскоростной обработки деталей на основе нечеткой логики // Мехатроника, Автоматизация, Управление. 2012. № 6. С. 21—26.
3. Бобырь М. В., Титов В. С., Червяков Л. М. Адаптация сложных систем управления с учетом прогнозирования возможных состояний // Автоматизация и современные технологии. 2012. № 5. С. 3—10.
4. Бобырь М. В., Титов В. С. Интеллектуальная система управления температурными деформациями при резании // Автоматизация и современные технологии. 2011. № 5. С. 3—7.
5. Бобырь М. В. Диагностика оборудования с ЧПУ методами нечеткой логики // Промышленные АСУ и контроллеры. 2010. № 1. С. 18—20.
6. Титов В. С., Бобырь М. В., Милостная Н. А. Автоматическая компенсация тепловых деформаций шпиндельных узлов прецизионного оборудования с ЧПУ // Промышленные АСУ и контроллеры. 2006. № 11. С. 31—35.
7. Пегат А. Нечеткое моделирование и управление. М.: ИУИТ; БИНОМ, Лаборатория знаний, 2012. 798 с.
8. Заде Л. Понятие лингвистической переменной и его применение к принятию приближенных решений. М.: Мир, 1976. 165 с.
9. Заде Л. Основы нового подхода к анализу сложных систем и процессов принятий решений // Математика сегодня. М.: Знание, 1974. С. 5—49.
Сведения об авторах
Максим Владимирович Бобырь — канд. техн. наук, доцент; Юго-Западный государственный университет,
кафедра вычислительной техники, Курск; E-mail: [email protected] Виталий Семенович Титов — д-р техн. наук, профессор; Юго-Западный государственный универси-
тет, кафедра вычислительной техники, Курск; заведующий кафедрой; E-mail: [email protected]
Рекомендована Юго-Западным Поступила в редакцию
государственным университетом 18.02.13 г.
