РОЗДІЛ 2
ЦИФРОВІ ПРИСТРОЇ ДЛЯ НЕЧІТКОГО ЛОГІЧНОГО ВИСНОВКУ ТА АЛГОРИТМИ ФУНКЦІОНУВАННЯ НЕЧІТКИХ КОНТРОЛЕРІВ
2.1 Цифрові пристрої з нечіткою логікою в ієрархічних структурах систем управління та підтримки прийняття рішень
З розвитком мікропроцесорної техніки з'явилася можливість широкого застосування нечіткої логіки (fuzzy logic) для синтезу різноманітних функціональних елементів, пристроїв і багатофункціальних блоків систем управління та підтримки прийняття рішень.
Застосування алгоритмів нечіткої логіки до задач управління є виправданим, якщо [10, 11, 14, 38]:
1) математична модель об'єкта управління з застосуванням класичних підходів складно формалізується;
2) вимірювання окремих параметрів об'єкта та зовнішнього середовища викликає значні труднощі;
3) між координатами об'єкта управління існують складні нелінійні динамічні взаємозалежності;
4) існує необхідність у формалізації інформації та знань, заданих у вигляді лінгвістичних висловлювань тощо.
Розглянемо більш детально можливі варіанти застосування нечітких контролерів, що реалізують функції БНЛВ, при синтезі систем управління та підтримки прийняття рішень. Процеси обробки та перетворення нечіткої інформації, що протікають в нечітких контролерах при формуванні управляючого сигналу, показано на рис. 2.1.
Нечіткі множини і нечітка логіка як математичний апарат для формалізації невизначеностей можуть бути покладені в основу алгоритмів
функціонування пристроїв систем управління з складною ієрархічною організацією [10,16], що базуються, наприклад при трирівневій ієрархічній організації, на стратегічному, тактичному та виконавчому керуючих рівнях. Розв'язання в реальному часі задач ієрархічного управління в умовах невизначеності розглянемо на прикладі системи управління маневруванням судна під час проходження через вузькість або протоку [100]. На стратегічному рівні забезпечується планування траєкторії руху судна, яка залежить від плануємих параметрів руху судна та невизначених умов зовнішнього середовища, а також та часового перебування на визначених курсах. Вихідні сигнали стратегічного рівня формуються на основі поточних значень курсу та швидкості руху, положення та параметрів обертання судна, а також з урахуванням збурень зовнішнього середовища (вітер, морське хвилювання, течія тощо). При цьому однією з основних функцій тактичного рівня є визначення бажаного кута повороту стерна, що забезпечує вихід судна на заданий курс з реалізацією бажаної траєкторії (маршруту), а виконавчого рівня - відпрацювання в слідкуючому режимі з високими технічними характеристиками заданого тактичним рівнем кута повороту стерна.
Можливі варіанти схемних рішень [16] для синтезу систем управління виконавчого рівня на основі нечітких контролерів з функціями БНЛВ наведено на рис. 2.2 (а, б). Найбільш поширеним з них є управління по відхиленню (рис. 2.2, а). У цьому випадку нечіткий контролер встановлюється на традиційному місці такого елемента системи управління виконавчого рівня як керуючий пристрій. Вихідний сигнал Хвих порівнюється із задаючим впливом Хвх і, якщо з'являється сигнал відхилення, то нечіткий контролер змінює керуючий вплив у відповідності до стратегії управління. При необхідності, зокрема при зміні умов функціонування об'єкта керування, в схемі, що представлена на рис. 2.2, а, БНЛВ може бути замінений традиційним керуючим пристроєм, наприклад, ПІД-контролером.
Рис. 2.2. Схеми застосування БНЛВ в системах управління виконавчого рівня:
а) безпосереднє формування керуючих сигналів;
б) компенсація збурюючих впливів
Компенсація збурюючого впливу f(t) традиційними методами вимагає наявності моделі об'єкта з високою мірою адекватності, але в системах управління, для яких таку математичну модель отримати важко або неможливо, є доцільним використання нечітких контролерів як БНЛВ на нечіткій логіці (рис.2.1, б). За таким же принципом може бути побудований керуючий пристрій, що враховує нелінійність об'єкта керування на основі комбінації лінійного і нелінійного управління. Чіткий контролер при цьому може бути лінійним ПІД-контролером, а нечіткий контролер - виконувати роль додаткового нелінійного керуючого пристрою [16].
Для успішного розв'язання нечіткими контролерами задач, що постають перед системою управління на стратегічному рівні виникає необхідність формалізації поведінкових навичок, що накопичені людиною-оператором (наприклад, судноводієм). Відомо, що існують різноманітні типи поведінки людини-оператора: ЗДП (заснована на досвіді поведінка), ЗПП (заснована на правилах поведінка), ЗЗП (заснована на знаннях поведінка) [122]. Хоча межа між цими трьома типами поведінки людини-оператора є розмитою або нечіткою, існує узвичаєна думка, відповідно до якої: ЗДП - поведінка, при якій різноманітні специфічні особливості поточної ситуації вже зустрічалися не один раз і рішення приймається практично в автоматичному режимі; ЗПП - поведінка яка є характерною для процедурно-орієнтованих задач, наприклад, задач спостереження і інтерпретації ситуацій управління; ЗЗП враховує всі проблеми управління і планування дій на основі маніпуляцій з деякими типами "поглиблених" моделей. Із трьох видів поведінки людини-оператора найбільш важкою для формалізації є ЗЗП. В світовій практиці робилися спроби формалізації ЗЗП шляхом моделювання за допомогою штучних нейронних мереж, експертних систем тощо [123].
Нечітка логіка є одним з можливих шляхів побудови стратегічного рівня систем управління, поведінка якого базується на знаннях [4]. Варіанти застосування нечіткої логіки для формування алгоритмів мікропроцесорних засобів (контролерів) при управлінні на виконавчому рівні розглянуто в роботах [76, 77, 124] для різноманітних задач управління.
Застосування нечіткої логіки до синтезу апаратно-алгоритмічного забезпечення систем управління та їх елементів дозволяє розширити можливості та підвищити показники якості систем при їх функціонуванні в умовах невизначеності.