CC BY
35
РАДЮЕЛЕКТРОН1КА ТА ТЕЛЕКОМУН1КАЦЛ
РАДЮЕЛЕКТРОШКА ТА ТЕЛЕКОМУШКАЦН
РАДИОЕЛЕКТРОНИКА И ТЕЛЕКОММУНИКАЦИИ
КАБЮ ЕЬЕСТКОШСБ АЫБ ТЕЬЕСОММиШСАТЮЫБ
УДК 62-55:681.515
В. И. Гостев
СИСТЕМА РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ НА ВЫХОДЕ СМЕСИТЕЛЯ С НЕЧЕТКИМИ РЕГУЛЯТОРАМИ
Исследована система регулирования температуры теплоносителя на выходе смесителя с нечеткими регуляторами, которые кроме температуры регулируют также объемные расходы исходных теплоносителей. Получены показатели качества системы в переходном и установившемся режимах.
ВВЕДЕНИЕ
Системы регулирования температуры теплоносителя на выходе смесителя, основанные на смешении двух исходных компонент, широко используются в химической и пищевой промышленности. К таким системам предъявляются достаточно высокие требования. Например, отклонение регулируемой температуры теплоносителя от заданного значения в установившемся режиме должно быть не более 0,5 °С, время регулирования не более 120 с, перерегулирование не более 3% [1]. Целью управления является обеспечение требуемого расхода и температуры теплоносителя на выходе удаленной магистрали при изменениях температуры и объема исходных смешиваемых носителей. В данной работе методом математического моделирования в интерактивной системе МАТЬАБ исследована система регулирования температуры теплоносителя на выходе смесителя с нечеткими регуляторами (регуляторами, работающими на базе нечеткой логики) и получены показатели качества системы в переходном и установившимся режимах.
РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ
Заданная температура теплоносителя в3 поддерживается за счет смешения двух исходных теплоносителей (например, холодной и горячей воды или пара). В процессе функционировании смесителя регулируются объемные расходы горячей Уг и холодной Ух воды при поддержании заданного расхода теплоносителя на выходе смесителя, равного V = Уг + Ух.
При смешении без отвода тепла двух жидкостей с разными температурами в установившемся режиме значения температуры в и объема V смеси связаны следующими уравнениями:
Vг (в-вг) + Vх (в-вх) = 0; V = Vг + Vх, (1)
в = ^Аг + Vхвх )/ V. (2)
При требуемых (заданных) температуре в3 и объеме Vз теплоносителя на выходе смесителя заданные объемы горячей и холодной воды вычисляются из уравнений (1) по формулам:
у = Vз(вз -вх). = Уз(вг -вз)
г вг -вх х вг -вх
Структурная схема многосвязной системы управления температурой и расходом теплоносителя представлена на рис. 1. Пунктирный квадрат 1 в объекте управления составлен на основе формулы (2). Пунктирный квадрат 2 на входе регуляторов составлен на основе формулы (3).
26
1607-3274 "Радюелектрошка. 1нформатика. Управл1ння" № 2, 2004
В.И. Гостев: СИСТЕМА РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ НА ВЫХОДЕ СМЕСИТЕЛЯ С НЕЧЕТКИМИ РЕГУЛЯТОРАМИ
Рисунок 1
Рисунок 2
Температуры горячего и холодного исходных теплоносителей обозначены соответственно вгн и вхн, а измеренные - вг и вх.
Динамические свойства датчиков температуры горячего и холодного теплоносителей описываются передаточной функцией
GT (s) = Gx (s) =
s + a
(3)
В установившемся режиме по объемным расходам горячей (пара) и холодной воды при вг = вгн и вх = вхн
V = V3O3 -вхн) V = V3(gpH -Ъ)
Vr3 = о о = Vx3 а - а
Огн - ахн агн ахн
О = (Vr3Огн + Vx3&xH)/ V.
(4)
(5)
Go(s) =
b
s + b
(6)
Динамические свойства исполнительных механизмов, в качестве которых используются двигатели, управляющие заслонками, описываются передаточной функцией
G(s) =
а
s(s + c)
(7)
При моделировании приняты следующие значения величин и параметров передаточных функций, изображенных на рис. 1:
Огн = 150° C; Охн = 10° C; О3 = 39° C; V3 = 0,51;
Ь = 1/15с-1; а = 1с"1; с = 2с"1; т =5.
При заданных значениях величин согласно формуле (5) в установившемся режиме значения объемных расходов горячей (пара) и холодной воды определяются:
0.51(39 -10) 150 -10
s 0,106;
0.51(150 - 39) Vx3 = " s 0,404; Vr3 + Vx3 = V3 = 0,51.
150 -10
Инерционные свойства датчика температуры смеси и динамика установления температуры на выходе смесителя с учетом времени прохождения жидкости от исполнительных механизмов до датчика температуры смеси характеризуется передаточной функцией
Глубина коррекции температуры смеси задается коэффициентом К.
Математическая модель системы регулирования температуры теплоносителя с нечеткими регуляторами, составленная в интерактивной системе МАТЕАВ, представлена на рис. 2.
На рис. 2 параметры 8гн и 9хн обозначены соответственно T hot и T cold, Vr и Vx соответственно V hot и V cold, а параметр О на выходе объекта управления обозначен Т.
Нечеткие регуляторы HOT и COLD выполнены по идентичным схемам. Полная схема нечеткого регулятора HOT представлена на рис. 3.
На входе регулятора непрерывный сигнал преобразуется в цифровой аналого-цифровым преобразователем АЦП Zero-Order Hold, а на выходе цифровой сигнал преобразуется в аналоговый цифроаналоговым преобразователем ЦАП Zero-Order Holdl (см. рис. 3, а).
Синтез нечетких регуляторов HOT и COLD выполнен по формулам (3.12)—(3.27) из работы [2] для треугольных функций принадлежности с шагом квантования (шагом поступления данных в нечеткий регулятор) h = 0,01 с.
В каждом нечетком регуляторе настраиваются диапазоны изменения входных и выходной переменных
[°mm , 0max ] , [°mm , 0max ] , [|°mm , 0max ], [mmrn ,mmax] треугольных функций принадлежности: Ц1(и) = 1 - и, Ц2(и) = и, где u - параметр (элемент) единого универсального множества U = [0,1].
a
и
-T-s
РАДЮЕЛЕКТРОН1КА ТА ТЕЛЕКОМУН1КАЦ11
Для упрощения нормировки (пересчета значений сигналов в значения элементов единого универсального множества) и уменьшения числа параметров настройки диапазоны изменения входных и выходного сигналов (параметров нечеткого регулятора) принимаем симметричными:
й = —й ■ ft
^mm > ^max
При этом пересчет значений сигналов в значения элементов единого универсального множества производится по формулам [2]:
щ* = -{в* - 0mn )/(2ömln); u2* = -(ß*- i&mln)/(2i&mln); Щ* =-(в* - ömin )/(2<&mm ); m* = mmm(! - 2u*).
а)
Ошибка на выходе АЦП в(к) в каждом канале управления, ее первая в (к) = [в(к) - в(к -1)]/h и вторая в (к) = [в (к) -в (к -1)]/h разности подаются на вход соответствующего блока нормировки входных (normin) параметров. В центральном блоке нечеткого регулятора Fuzzy Logic Controller (см. рис. 3, а) выбираются функции принадлежности membership functions и задается база правил rules. Сигнал с этого блока подается на вход блока нормировки выходного (normout) параметра. Сигнал с выхода каждого блока нормировки выходного параметра нечеткого регулятора поступает на ЦАП (фиксатор нулевого порядка с передаточной функцией H(s) = (1 - e~hs)/s) и далее на вход соответствующего исполнительного механизма.
В результате настройки получены следующие оптимальные параметры нечетких регуляторов и коэффициента К:
911=0.024; q12=0.3293; q13 =55.3936; m1=27.4152;
q21=0.9675; q22=0.799; q23=58.2343; m2=28.0226;
KK=0.0127.
На рис. 4 приведены осциллограммы установления температуры теплоносителя на выходе смесителя при подаче на вход смесителя исходных теплоносителей (пара с температурой вгн = 150° С и холодной воды с температурой вхн = 10° С). При перерегулировании в 1° С, что соответствует перерегулированию 2,5% (участок кривой с перерегулированием отдельно приведен на рис. 4, б), требуемая температура на выходе смесителя 63 = 39° С устанавливается с учетом чистого запаздывания за 22 секунды и после окончания переходного процесса отклонение регулируемой температуры от заданного значения в установившемся режиме равно нулю.
Рисунок 3
На основании этих формул построены структурные схемы блоков нормировки входных (normin) и выходного (normout) параметров регулятора (см. рис. 3, 6, в). Значения диапазонов q1t, q2i, i = 1,2,3, m1 и m2 при настройке (оптимизации параметров) каждого нечеткого регулятора подбираются либо вручную, либо автоматически путем решения оптимизационной задачи. При настройке уточняется также значение коэффициента К.
Отметим, что при настройке нечетких регуляторов в интерактивной системе MATLAB целесообразно использовать блок NCD (Nonlinear Control Design), который реализует метод динамической оптимизации для проектирования систем управления. Этот инструмент, разработанный для использования с Simulink, автоматически настраивает системные параметры, основываясь на определенных ограничениях на временные характеристики (например, время регулирования и перерегулирование для реакции на ступенчатое воздействие или пределы для текущей ошибки рассогласования).
30
а)
30
б)
Рисунок 4
30 40
а)
30
б)
Рисунок 5
ft ' m = —m
^mm > "'max "'mm
40
30
20
10
0
0
10
20
40
50 60
0
10
20
40
50 60
28
ISSN 1607-3274 "Радюелектрошка. 1нформатика. Управл1ння" № 2, 2004
В.Н. Журавлев, В. С. Кабак, В. О. Рыбин: АНАЛИЗ ПАРАМЕТРОВ АВТОКОРРЕЛЯЦИОННОЙ ФУНКЦИИ ФРАГМЕНТОВ ФОНЕМ В ЗАДАЧАХ ИДЕНТИФИКАЦИИ АБОНЕНТА
На рис. 5 приведены осциллограммы изменения объемных расходов пара и холодной воды при подаче на вход смесителя исходных теплоносителей. После окончания переходных процессов за 42 секунды устанавливаются заданные значения объемных расходов пара и холодной воды: Уг3 = 0,106; Ух3 = 0,404. Исследование системы методом математического моделирования показывает, что применение нечетких регуляторов позволяет спроектировать систему регулирования температуры теплоносителя весьма высокого качества: система обладает достаточным быстродействием (время установления заданной температуры на выходе смесителя с учетом чистого запаздывания составляет 22 с, перерегулирование не превышает 2,5%) и нулевой ошибкой в установившемся режиме. Поэтому применение нечетких регуляторов для таких систем целесообразно и перспективно.
ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК
1. Интеллектуальные системы автоматического управления / Под ред. И.М. Макарова, В.М. Лохина. - М.: ФИЗ-МАТЛИТ, 2001. - 576 с.
2. Гостев В.И. Синтез нечетких регуляторов систем автоматического управления. - К.: Издательство "Радюама-тор", 2003. - 512 с.
Надшшла 22.11.2004
Досл1джена система регулювання температури тепло-носгя на euxodi змгшувача з нечгткими регуляторами, якг кр1м температури регулюють також об'емш витрати по-чаткових теплоносИв. Отримат показники якoстi системи в переxiднoму та сталому режимах.
The regulating system of temperature of the heat-carrier on an output of the mixer with the fuzzy controllers, which regulate not only temperature but also volume flow rate of the initial heat-carriers, is probed. The indexes of quality of a system in transient state and steady regime are obtained.
УДК 681.391
В.Н. Журавлев, B.C. Кабак, В.О. Рыбин
АНАЛИЗ ПАРАМЕТРОВ АВТОКОРРЕЛЯЦИОННОЙ ФУНКЦИИ ФРАГМЕНТОВ ФОНЕМ В ЗАДАЧАХ ИДЕНТИФИКАЦИИ АБОНЕНТА
В статье рассмотрен алгоритм цифровой обработки идентификационного фрагмента фонемы, позволяющий на основе анализа интервала корреляции автокорреляционной функции фонемы повысить информационную эффективность матрицы идентификации.
ВВЕДЕНИЕ
Основой обеспечения безопасности и живучести телекоммуникационных систем и сетей передачи данных является проблема идентификации абонентов, имеющих доступ к конфиденциальной информации. Отождествление абонента точки доступа - комплекс задач, решение которых позволяет организовать весь процесс управления правами доступа, а также реализовать ряд других вспомогательных решений, имеющих самостоятельное прикладное значение.
Рассматриваемая в статье проблема биометрической идентификации статических и динамических параметров и характеристик речеобразующего тракта абонента находила свое отражение в трудах лингвистов [1] и психоакустиков [2]. Однако ввиду различных подходов к определению параметров модели речеобразующего аппарата, большим разнообразием параметров речевых сигналов, которые, в большинстве, носят квазистационарный и субъективный характер, данная проблема является предметом исследований многих научно-технических коллективов, как в нашей стране, так и за границей [3-5].
Обычно в качестве фрагмента речевого сигнала принимают фонему, как наименьшую часть устной осмыс-
ленной речи, которая не может быть разложена на меньшие речевые элементы [6]. Объективные предпосылки идентификации абонента по индивидуальным особенностям в фонемах русского языка исследованы в [7].
Для расчета параметров и характеристик, идентифицирующих физиологические особенности речеобразу-ющего тракта, наиболее часто применяются классические методы спектрально-временного анализа [8]. Такие методы анализа речевого сигнала адекватны природному механизму восприятия речи [9], что позволяет отождествлять индивидуальные особенности при анализе интегральных спектральных распределений отдельных фонем и анализе распределений текущего спектра фрагмента речевого сигнала.
Функциональная схема системы преобразования, обработки речевого сигнала, а также синтеза матрицы динамических спектральных состояний его параметров и временного образа сигнала идентификации [10] представлена на рисунке 1.
Рисунок 1 - Функциональная схема алгоритма обработки речевого сигнала
В блоке 1 производится сегментация, взвешивание и нормализация фрагмента речевого сигнала ^(О во временном окне выборки-наблюдения Ш(Т) с постоянной
