КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

імені ТАРАСА ШЕВЧЕНКА

ВІЙСЬКОВИЙ ІНСТИТУТ

КІР’ЯНОВ Дмитро Вікторович

УДК 62-55:681.515

ПАРАМЕТРИЧНИЙ СИНТЕЗ НЕЧІТКОГО РЕГУЛЯТОРА

СИСТЕМИ АВТОМАТИЧНОГО УПРАВЛІННЯ ПІДЙОМОМ

АНТЕННОЇ ЩОГЛИ ВІЙСЬКОВИХ ЗАСОБІВ РАДІОЗВ’ЯЗКУ

20.02.12 – військова кібернетика, системи управління та зв’язок

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Полтавському військовому інституті зв’язку,

Міністерство оборони України.

Науковий керівник –   

доктор технічних наук, професор

Гостєв Володимир Іванович, Державний університет

інформаційно-комунікаційних технологій, завідуючий кафедрою, м. Київ.

Офіційні опоненти:       

доктор технічних наук, професор

Сбітнєв Анатолій Іванович Національна академія

оборони України, професор кафедри інформатизації штабів, м. Київ;

кандидат технічних наук

Чупрін Андрій Євгенович, Державний науково-випробувальний

центр Збройних Сил України, начальник відділу досліджень і випробувань, м. Феодосія.

Провідна установа:    

Центральний науково-дослідний інститут

озброєння та військової техніки, Міністерство оборони України, м. Київ.

Захист відбудеться “23”лютого 2007 р. о 11 годині

на засіданні спеціалізованої вченої ради Д .001.40

Військового інституту Київського національного

університету імені Тараса Шевченка за адресою:

03680, м. Київ, просп. Глушкова, 2, корп. 8.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці

Київського національного університету імені Тараса Шевченка за адресою: 01033, Київ-33, вул. Володимирська 58, зал 12.

Автореферат розісланий “19” _січня__2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Пашков С.О.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В системах зв’язку військового призначення в польових умовах широко застосовуються рухомі радіорелейні станції (РРС). Від їх ефективного застосування значною мірою залежить успіх вирішення завдань, що стоять перед системою зв’язку. Забезпечення своєчасної передачі інформації по каналам радіорелейного зв’язку суттєво залежить від їх мобільності. Існуючі засоби радіорелейного зв’язку не повністю відповідають вимогам по мобільності, що висуваються до системи зв’язку.

Підвищення мобільності рухомих РРС військового призначення в першу чергу передбачає вдосконалення операцій розгортання та згортання. Основними недоліками існуючих зразків рухомих станцій радіорелейного зв’язку є значний час підготовки їх до застосування та велика трудомісткість операцій. Основна частина цих операцій припадає на розгортання антенно-щоглових пристроїв, що значною мірою залежить від цілого ряду чинників.

Для усунення цих недоліків РРС військового призначення необхідно скоротити час розгортання (згортання) антенно-щоглових пристроїв і замінити ручні операції, що виконуються людьми, діями автоматичних пристроїв. Це визначає необхідність створення системи автоматичного управління розгортанням антенної щогли.

На практиці у багатьох випадках автоматичне управління відбувається в умовах невизначеності, пов’язаних, зокрема, з наявністю нелінійностей, що містить об'єкт управління (ОУ), зміною умов навколишнього середовища і довільністю вхідних впливів у системах автоматичного управління (САУ).

Головною особливістю системи автоматичного управління підйомом антенної щогли є те, що антенна щогла під час вертикального підйому є нелінійним нестаціонарним ОУ, що знаходиться під впливом динамічних вітрових навантажень.

Зростання вимог до систем розгортання (згортання) польових засобів радіозв’язку обумовлює необхідність їх автоматизації на якісно новому рівні. Виникає необхідність вирішення завдання управління такими системами з використанням нових методів аналізу та синтезу.

Для підвищення якості САУ підйомом антенної щогли необхідне застосування спеціальних регуляторів. Перспективним шляхом вирішення поставленого завдання є застосування теорії нечітких множин із використанням методик синтезу цифрових нечітких регуляторів (регуляторів, що працюють на базі нечіткої логіки). Використання нечітких регуляторів (НР) дозволяє підвищити динамічну точність та швидкодію систем автоматичного управління нестаціонарними об’єктами за рахунок формалізації процесу прийняття рішень на основі нечіткої логіки при кількісних параметрах стану системи.

Системи автоматичного управління на основі НР в багатьох випадках довели свою ефективність завдяки тому, що дозволяють отримати більш високу якість (менші похибки в перехідних та сталих режимах).

Необхідність вдосконалення систем автоматичного розгортання РРС обумовлює актуальність подальших досліджень у даній предметній області, спрямованих на вирішення наукового завдання, сутність якого полягає у розробці та дослідженні моделі системи автоматичного управління підйомом антенних щогл на основі нечітких регуляторів.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Вибраний напрямок наукових досліджень безпосередньо пов'язаний із задачами у сфері науки і техніки, сформульованих у “Концепції розвитку зв’язку України до 2010 року”, затвердженій Постановою Кабінету Міністрів України №223/8 від 09.12.1999 р., а також із тематикою науково-дослідних робіт, які проводились у 2003-2006 роках у Полтавському військовому інституті зв’язку, шифр “Комплекс ТКМ” та на підприємстві “Телекарт-Прилад”, шифр “Акація”. Особисто здобувачем розроблено: модель системи автоматичного управління вітростійким підйомом антенної щогли на основі нечіткого регулятора; методика параметричного синтезу нечіткого регулятора; модель нечіткого регулятора, що перестроюється.

Мета і завдання дослідження. Мета дисертаційної роботи полягає в підвищенні якості функціонування (зменшенні динамічних похибок і підвищенні швидкодії) систем автоматичного управління підйомом антенних щогл військових засобів радіозв’язку.

Завдання, які необхідно вирішити для досягнення поставленої мети:

- розробка моделі системи автоматичного управління підйомом антенної щогли для рухомих військових засобів радіозв’язку в умовах вітрових навантажень;

- удосконалення методики параметричного синтезу цифрового нечіткого регулятора системи автоматичного управління нестаціонарними об’єктами управління;

- розробка моделі нечіткого регулятора, що перестроюється для системи автоматичного управління нестаціонарними об’єктами управління;

- дослідження якості управління розроблених моделей системи автоматичного управління підйомом антенної щогли з синтезованим нечітким регулятором у контурі управління шляхом математичного моделювання.

Об’єкт дослідження – системи автоматичного управління підйомом антенних щогл на основі нечітких регуляторів.

Предмет дослідження – динамічна точність та швидкодія систем автоматичного управління підйомом антенних щогл на основі нечітких регуляторів.

Методи дослідження:

Методи теорії аналогових, дискретних та цифрових систем автоматичного управління, зокрема, методи оптимізації, методи перетворення Лапласа і z-перетворення, а також математичний апарат нечіткої логіки та математичне моделювання в інтерактивній системі МАТLAB.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Уперше розроблена модель системи автоматичного управління підйомом антенної щогли. Новизна моделі полягає в тому, що в ній використано новий підхід опису динаміки роботи САУ, що дозволяє досліджувати залежність динамічної точності та швидкодії САУ від зміни параметрів зовнішнього впливу та параметрів об’єкта управління.

2. Удосконалена методика параметричного синтезу цифрового нечіткого регулятора системи автоматичного управління нестаціонарними об’єктами управління. Методика відрізняється від відомих урахуванням зміни параметрів нестаціонарного ОУ для синтезу нечіткого регулятора, що перестроюється.

3. Удосконалена модель нечіткого регулятора, що перестроюється. Модель відрізняється від існуючих тим, що в залежності від зміни в часі параметрів ОУ підстроюються параметри оптимальної настройки нечіткого регулятора, що забезпечує максимальну динамічну точність та швидкодію в системі управління.

Практичне значення одержаних результатів. Наукові результати, що одержані в дисертаційній роботі, дозволяють проектувати мікропроцесорні САУ підйомом антенних щогл військових засобів радіозв’язку, що забезпечують високу точність відпрацювання довільних збурюючих впливів за рахунок використання синтезованих цифрових НР. Застосування таких САУ дозволить до 50% скоротити час підйому антенних щогл.

Отримані в ході вирішення наукового завдання результати моделювання системи автоматичного управління з нечітким регулятором, який перестроюється, можуть бути основою для дослідження та проектування систем автоматичного управління нестаціонарними об’єктами в інших зразках озброєння та військової техніки, а також в інших галузях техніки.

Результати дисертаційної роботи впроваджені:

– на підприємстві “Телекарт-Прилад” при розробці перспективної радіорелейної станції (акт реалізації від 06.04.2006);

– у Полтавському військовому інституті зв’язку при розробці польової телекомунікаційної мережі (акт реалізації від 20.11.2006);

– у навчальному процесі Полтавського військового інституту зв’язку для вивчення дисципліни: “Цифрові радіорелейні та супутникові системи зв’язку” (акт впровадження від 19.04.2006).

Особистий внесок здобувача. В опублікованих роботах у співавторстві здобувачем одержані наступні результати: у [1] виконано дослідження впливу параметрів функцій приналежності на якість роботи САУ с нечіткими регуляторами, у [2] сформульована класифікація впливів на якість функціонування польових інформаційно-телекомунікаційних мереж військового призначення, у [4] запропонована модель впливу вітрових навантажень на антенну щоглу, у [6] запропоновано рівняння коливань антенної щогли під дією вітрових навантажень, у [8] проведено дослідження якості роботи САУ залежно від зміни параметрів збурюючого впливу та параметрів функцій приналежності нечіткого регулятора.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційної роботи оприлюднено на п’яти науково-технічних конференціях та семінарах: науково-практичний семінар “Проблеми розвитку інформаційних мереж військового призначення” (м. Київ, Національна академія оборони, 22 жовтня 2004 р.); І Всеукраїнська науково-практична конференція “Військова освіта та наука: сьогодення та майбутнє” пам’яті професора генерал-лейтенанта Жукова С.А. (м. Київ, Військовий інститут Київського національного університету імені Тараса Шевченка, 24-25 листопада 2005 р.); II міжрегіональна науково-практична конференція “Телекомунікація - 2005” (м. Полтава, ПВІЗ, 25 жовтня 2005 р.); Міжнародна науково-технічна конференція “Гарантоспроможні (надійні та безпечні) сервіси, системи і технології” (м. Полтава, ПВІЗ, 25-28 квітня 2006 р.); XV науково-технічна конференція “Наукові проблеми розробки, модернізації та застосування інформаційно-вимірювальних систем космічного і наземного базування” присвячена 100-річчу з дня народження С.П. Корольова (м. Житомир, ЖВІРЕ, 20-21 квітня 2006 р.)

Публікації. Результати роботи опубліковані в 11 друкованих роботах, із них 8 статей у наукових фахових виданнях (3 статті без співавторів) та 3-х тезах доповідей у матеріалах науково-технічних конференцій.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів, висновків та списку використаних джерел. Загальний обсяг роботи 164 сторінки, у тому числі 38 рисунків, 10 таблиць та 91 найменування використаних джерел на 9 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі обґрунтовано актуальність дисертаційної роботи за обраною темою, наукове завдання, розв’язанню якого присвячена дисертація, сформульовано мету і завдання дослідження, наукову новизну і практичне значення одержаних результатів. Наведені дані про впровадження результатів роботи, особистий внесок здобувача і відомості про апробації та публікації за темою дисертації.

У першому розділі проведено аналіз стану і напрямів розвитку рухомих засобів радіорелейного зв’язку військового призначення у порівнянні з провідними країнами світу.

Розглянуто алгоритми ручного розгортання антенних щогл радіорелейних станцій та їх основні недоліки, що впливають на якість та часові показники розгортання. Результати аналізу показують, що при розгортанні польових РРС основна частка часу припадає на операції розгортання антенно-щоглових пристроїв (від 63% до 83% для різних типів щогл), а найбільш трудомісткі операції при здійсненні вертикального підйому антенної щогли потребують залучення від 3 до 9 чоловік. Під час вітру швидкістю понад 12 м/с час розгортання антенних щогл може до 40% збільшуватись.

На основі аналізу алгоритмів розгортання антенних щогл рухомих засобів радіорелейного зв'язку визначено, що якість розгортання антенних щогл та їх часові показники не відповідають сучасним вимогам.

Обґрунтовано висновки про те, що для скорочення часу розгортання антенних щогл в умовах вітрових навантажень необхідна заміна ручних операцій автоматичними пристроями та підвищення якості управління за рахунок використання систем автоматичного управління підйомом антенних щогл. Перспективним шляхом вирішення цього завдання є розробка систем автоматичного управління підйомом антенних щогл в умовах вітрових навантажень за рахунок використання цифрових НР.

Застосування САУ з нечіткими регуляторами для вітростійкого підйому антенних щогл у польових умовах дозволить суттєво скоротити час розгортання (згортання) антенних щогл, зменшити їх вагогабаритні показники та підвищити ефективність їх розгортання за несприятливих умов.

Сформульоване загальне наукове завдання дисертації, що поділяється на ряд часткових завдань, пов’язаних із розробкою та дослідженням систем автоматичного управління підйомом антенних щогл військового призначення на основі нечітких регуляторів.

У другому розділі розроблено модель системи автоматичного управління підйомом антенної щогли.

Для вирішення завдання вітростійкого підйому антенної щогли система автоматичного управління розділена на дві системи автоматичного регулювання (САР). Кожна з САР працює в одній із двох взаємно перпендикулярних площин Y1–Z–Y2 та X1–Z–X2, утворених верхівкою щогли (точка Z) та виконавчими механізмами (ВМ1– ВМ4).

Структурну схему САР положення антенної щогли в площині Y1–Z–Y2 , яка складається з двох каналів регулювання К1 та К2, зображено на рис. . Під час вертикального підйому в результаті дії динамічного вітрового навантаження Q(t) антенна щогла відхиляється від вертикального положення в площині виконавчих механізмів ВМ1–ВМ2. При цьому динамічне навантаження здійснюється на один з виконавчих механізмів (з навітряної сторони), наприклад ВМ1.

Датчик вертикальності (ДВ) реєструє просторове положення верхівки антенної щогли в даній площині. Сигнал з ДВ подається на вхід суматора У1, де порівнюється з опорним сигналом u0. У випадку навантаженого режиму роботи виконавчий механізм ВМ1 буде визначати просторове положення антенної щогли в площині Y1–Z–Y2. При цьому датчик натягу троса ДН1 буде мати максимальний натяг, тому його покази не враховуються в системі автоматичного управління.

Похибка просторового положення антенної щогли характеризується двома основними складовими:

и(t) = ищ(t) + иQ(t), (1)

де ищ(t) – похибка просторового положення, що викликана невідповідністю швидкості обертання двигуна щ1 виконавчого механізму ВМ1 швидкості підйому антенної щогли – kщ(l);

иQ(t) – похибка просторового положення, що викликана зміною швидкості обертання щ1 двигуна виконавчого механізму ВМ1 під дією динамічного вітрового навантаження Q(t).

Рис. 1. Структурна схема системи автоматичного регулювання положення антенної щогли

Завданням регулятора в навантаженому каналі регулювання є компенсація похибки просторового положення антенної щогли и(t). Завданням регулятора в ненавантаженому каналі регулювання є забезпечення встановленого натягу тросу вимірюваного ДН2.

Модель антенної щогли під дією вітрового навантаження виражено диференціальним рівнянням:

p(x)д2u/дt2+б дu/дt+ д/дt(P(x) дu/дx)+ д2/дx2(EI д2/дx2)=f(x,t), (2)

де p(x) – погонна маса щогли; EI(x) – згинна жорсткість щогли; P(x) – поздовжня стискаюча сила; f(x,t) – поперечне розподілене навантаження; б – узагальнений коефіцієнт енергії, виражений еквівалентом зовнішнього впливу.

Розподілена вага p(x) та жорсткість EI(x) для щогли ступінчастої конструкції в межах кожної ділянки є сталими величинами, що полегшило подальші дослідження.

Розподілене поперечне навантаження, обумовлене дією вітру та пружними реакціями тросів виразимо так:

f(x,t) f0(x,t) –T1+T2)д(x – l) +Q(t)д(x – l0), (3)

де l – Лагранжева координата верхнього кінця щогли; l0 – Лагранжева координата зосередженого вітрового навантаження на антенний пристрій; T1, T2 – сумарні натяги тросів; f0(x,t) – поперечне розподілене навантаження на щоглу.

Розв’язок рівняння (2) знайдено методом Гальоркіна, в результаті отримано функціонал:

? [p(x)X(x)y??+ бy?X(x)+EIIV(x)y(t)+P(x)X?(x))? y(t) – f(x,t)]X(x)dx=0 (4)

Обчислюючи значення інтегралів у (4):

a=?X2(x)p(x)dx, b=?б(x)X2(x)dx, c1=?EIXIV(x)p(x)dx,

c2=?(P(x)X?(x)) ?X(x)dx, r(t)=? f(x,t)X(x)dx, (5)

отримано диференціальне рівняння поперечних коливань щогли:

ay??(t)+by?(t)+cy(t)=r(t). (6)

На основі диференціального рівняння поперечних коливань антенної щогли розроблено передаточну функцію антенної щогли:

G(s)=k[as2+bs+c]-1, (7)

де a, b, c – коефіцієнти диференціального рівняння коливань антенної щогли.

Обчислено значення коефіцієнтів a, b, c передавальної функції антенної щогли для кожної точки висоти підйому антенної щогли. Складено моделі впливу вітрового навантаження на антенну щоглу під час вертикального підйому та моделі виконавчих механізмів. Як модель вітрового навантаження вибрано два основні типи впливу:

а) пульсаційне вітрове навантаження – вплив у вигляді суми постійної складової та гармонічного сигналу:

Q(t) = Qп + Q*(t),

де Q*(t) = k*sin щt, що характеризується коефіцієнтом пульсацій k* вітрового навантаження і частотами пульсацій щ;

б) поривисте вітрове навантаження – вплив у вигляді суми постійної складової Qп та імпульсів поривів з амплітудою Qпор, тривалістю ф1 та проміжками появи ф2:

Q(t) = Qп + Qпор(t).

Критерієм якості в системі автоматичного управління вибрана мінімальна похибка в сталому режимі, за умови, що швидкодія системи не гірша заданої

J=и>min¦tуст? tзад.

Використовуючи моделі антенної щогли, виконавчого механізму та вітрового навантаження в інтерактивній системі MATLAB, запропоновано модель системи автоматичного управління підйомом антенної щогли в умовах вітрових навантажень в одній з вертикальних площин (рис. ).

Рис. 2. Модель системи автоматичного регулювання підйомом антенної щогли

в одній з вертикальних площин

Дана модель складається з наступних блоків: блок імітації вітрового навантаження (Wind), блок імітації зміни швидкості виконавчих механізмів ВМ1–ВМ2 (Speed), блоки регуляторів (Сontroller1, Сontroller2), блоки виконавчих механізмів (Vm1, Vm1), датчик вертикальності щогли (Dv), датчик натягу троса (Dn2) і блок об’єкта управління – антенна щогла (Mast).

Коливальний характер антенної щогли, як об’єкта управління (блок Mast), задано передаточною функцією (7).

Блоки виконавчих механізмів Vm1 та Vm2 (електричний двигун постійного струму) задано передаточною функцією

G(s)=є[s(s+d)(s+e]-1.

Процеси в системі автоматичного регулювання відображаються на індикаторах: In1 – імітація вітрового навантаження Q(t), In2 – зміна швидкості kщ(l) виконавчого механізму ВМ1, Err1 – похибка просторового положення и(t) антенної щогли, Err2 – похибка між швидкістю обертання виконавчого механізму ВМ2 та швидкістю підйому щогли, m1 – керуючий вплив на виході першого регулятора, m2 – керуючий вплив на виході другого регулятора (рис.3).

Рис. 3. Процеси в навантаженому каналі САУ:

а) вітрове навантаження Q(t); б) похибка просторового положення и(t);

в) зміна швидкості обертання kщ виконавчого механізму Vm1; г) керуючий вплив на виході регулятора m1

Проведено математичне моделювання роботи системи автоматичного регулювання положення антенної щогли з двома типами цифрових регуляторів – ПІД-регулятором та нечітким регулятором. Встановлено, що нечіткий регулятор забезпечує на 24% меншу похибку в сталому режимі в широкому діапазоні зміни параметрів динамічних вітрових навантажень для фіксованих значень параметрів передавальної функції антенної щогли.

У третьому розділі розглянуто алгоритм синтезу та проведено синтез нечіткого регулятора для САУ підйомом антенної щогли.

Вхідними для нечіткого регулятора є три лінгвістичні змінні - похибка системи и, швидкість зміни (перша похідна) похибки и?, прискорення (друга похідна) похибки и??, які характеризуються двома терм-множинами (лінгвістичними величинами): негативна – 1, позитивна – 2. Вихідною змінною є керуючий вплив на об’єкт – m. Терм-множини описуються на універсальній множині U відповідно двома функціями приналежності (ФП): та , що визначає ступінь приналежності кожного елемента u множині U числом між 0 і 1.

Функції та вибрані симетричними одна відносно одної з точкою перетину в значенні . Крім того, функція повинна бути спадаючою, а – зростаючою. Діапазони зміни вхідних та вихідного сигналів (параметри нечіткого регулятора) прийняті симетричними:

A иmax = -иmin; B и?max = - и?min; C и??max = - и??min; D mmax= - mmin .

На універсальній множині U=[0,1] задаються дві нечіткі множини, які описуються експоненціальними функціями приналежності

µ1(u; c)cu), u ,1];

µ2(u; c)exp[-c(1-u)], u ,1],

де с – коефіцієнт концентрації ФП.

При надходженні на нечіткий регулятор з кроком квантування h значень вхідних змінних , та здійснюється визначення величин:

u1*=(и*- иmin)/ (иmax- иmin);

u1*=(и?*- и?min)/ (и?max- и?min);

u1*=(и??*- и??min)/ (и??max- и??min).

Лінгвістичне правило управління нечіткого регулятора має вигляд:

Якщо (и*=a1j) і (и?*=a2j) і (и??*=a3j), то (m=a4j), j=1,2.

де a1j, a2j i a3j– лінгвістичні оцінки похибки, першої та другої похідної похибки, розглянуті як нечіткі множини, визначені на універсальній множині U, j=1,2;

a4j - лінгвістична оцінка керуючого впливу на об'єкт, обрана з терм-множин змінної m. Лінгвістичні оцінки вибираються з терм-множин лінгвістичних змінних и*, и?*, и??* і : { негативний (1), позитивний (2) }.

  функція приналежності параметра нечіткому терму , . Тоді – залежна від трьох змінних () функція приналежності вектора параметрів обраному керуючому впливу на об'єкт , що визначається із системи нечітких логічних рівнянь:

. (8)

Результуюча функція приналежності для керуючого впливу відповідно до робочого правила НР записується у вигляді

=, (9)

де - логічне і, - логічне або.

Відповідно до лінгвістичних правил управління, формалізованих системою нечітких логічних рівнянь (10), функція приналежності керуючого впливунечіткої множини “негативний” обмежена зверху значенням:

A=,

а функція приналежності керуючого впливу нечіткій множині “позитивний” обмежена зверху значенням:

B=.

Результуюча функція приналежності для керуючого впливу на підставі виразу (9) має вигляд:

=max[,]. (10)

Для визначення конкретного значення керуючого впливу формується результуюча ФП. Проводиться пошук абсциси результуючої фігури методом “центра тяжіння”. Одержане значення перетворюється в значення керуючого впливу на об'єкт управління

m* = mmin+ (mmax+ mmin)u4* . (11)

Проведено моделювання роботи САУ підйомом антенної щогли з синтезованим нечітким регулятором для різних точок висоти підйому антенної щогли. За результатами моделювання встановлено, що при зміні параметрів передаточної функції антенної щогли для забезпечення оптимальної якості управління необхідно для кожної точки підйому забезпечити параметри оптимальної настройки нечіткого регулятора.

На основі результатів моделювання удосконалена методика синтезу НР для нестаціонарних об’єктів управління. Основні етапи методики:

1. Визначаються межі зміни параметрів W(l) нестаціонарного ОУ; діапазон зміни параметрів розбивається на n-піддіапазонів.

2. Для 1-го піддіапазону методом моделювання роботи САУ з НР проводиться пошук параметрів настройки (A, B, C, D) нечіткого регулятора, що дозволяють досягти мінімального значення критерію якості. Такі параметри обираються як оптимальні.

3. Проводиться визначення оптимальних параметрів НР для всіх n-піддіапазонів набору параметрів W(l) нестаціонарного ОУ. Встановлюється залежність зміни оптимальних параметрів настройки НР від зміни параметрів ОУ.

4. Програмується блок оптимальних настройок НР відповідно до отриманих значень оптимальної настройки залежно від зміни параметрів ОУ:

M(A,B,C,D) = W(l), (12)

що дозволяє отримати оптимальний за заданим критерієм якості нечіткий регулятор, що перестроюється для САУ з нестаціонарним ОУ.

Застосування удосконаленої методики синтезу нечітких регуляторів дозволяє врахувати зміну параметрів антенної щогли при вертикальному підйомі для синтезу перестроюваних НР.

У четвертому розділі на основі удосконаленої методики розроблено модель нечіткого регулятора, що перестроюється залежно від зміни параметрів нестаціонарного об’єкта управління. Модель нечіткого регулятора, що перестроюється, в системі MATLAB зображено на рис. . Основною його відмінністю від існуючих є те, що параметри настройки A, B, C, D вводяться в НР з блока Optimal в залежності від зміни в часі параметрів об’єкта управління. Блок Optimal практично реалізує залежність (16).

Рис. 4. Модель нечіткого регулятора з блоком Optimal

Під час моделювання роботи САУ з НР встановлено:

а) похибка в системі автоматичного управління прямо пропорційна величині динамічної складової вітрового навантаження; при цьому тривалість перехідного процесу залишається незмінною для всього діапазону значень величини динамічної складової вітрового навантаження;

б) залежність часу встановлення мінімальної похибки в САУ від величини постійної складової вітрового навантаження характеризується логарифмічною залежністю і не залежить від величини динамічної складової вітрового навантаження;

в) значення критичних частот вітрового навантаження під час піднімання антенної щогли; на цих частотах похибка в системі автоматичного управління різко зростає (рис. 5), при цьому для висот підйому l2 і l3  існує по два екстремуми, що свідчить про існування кількох критичних частот;

Рис. 5. Залежність похибки в САУ від зміни частоти динамічної складової вітрового навантаження для різних точок висоти підйому антенної щогли (l1 м; l2 м; l3 м; l4 м; l5 м)

г) залежність похибки в системі автоматичного управління від типів та форми ФП, що використовуються в нечіткому регуляторі. На рис. наведено криві залежності сталої похибки в САУ від типів функцій приналежності та значень коефіцієнта концентрації с (для трикутних та експоненціальних ФП) і с? (для дзвіноподібних та гаусових ФП). Найменші значення похибки в САУ спостерігаються при використанні трикутних і експоненціальних функцій приналежності. Тому для такого класу САУ в НР більш доцільно використання цих функцій приналежності.

Проведено моделювання роботи САУ підйомом антенної щогли з використанням нечітких регуляторів, які мають фіксовані параметри настроювання та нечітким регулятором, що перестроюється в залежності від зміни в часі параметрів об’єкта управління (рис. 7).

Рис. 6. Залежність похибки в САУ від значень коефіцієнта

концентрації с(с?) та типів ФП, які використовуються в НР:

1 – для трикутних; 2 – для експоненціальних;

3 – для гаусових; 4 – для дзвіноподібних

Рис. 7. Залежність мінімальної похибки (и) і часу її установлення (tуст) в САУ при використанні різних типів нечітких регуляторів: 1 – для НР, що перестроюється;

2 – для НР, оптимально настроєного для висоти щогли l1;

3 – для НР, оптимально настроєного для висоти щогли l5.

У результаті імітаційного моделювання визначено, що нечіткий регулятор, який перестроюється при підйомі антенної щогли, дозволяє на 14-16% підвищити динамічну точність САУ в порівнянні з регулятором оптимально настроєним на значення параметрів об’єкта управління, які відповідають максимальній висоті, або в 6-8 разів знизити час встановлення мінімальної похибки в САУ в порівнянні з регулятором оптимально настроєним на значення параметрів об’єкта управління, які відповідають мінімальній висоті.

ВИСНОВКИ

У дисертації наведено теоретичне узагальнення і нове вирішення актуального наукового завдання, сутність якого полягає у розробці та дослідженні моделі системи автоматичного управління підйомом антенних щогл на основі нечітких регуляторів.

Головні наукові і практичні результати роботи: математична модель системи автоматичного управління підйомом антенної щогли в умовах вітрових навантажень; методика параметричного синтезу цифрового нечіткого регулятора системи автоматичного управління нестаціонарними об’єктами; математична модель нечіткого регулятора, що перестроюється системи автоматичного управління нестаціонарними об’єктами.

Для вирішення наукового завдання використовувались відомі методи теорії аналогових, дискретних та цифрових систем автоматичного управління, зокрема, методи оптимізації, методи перетворення Лапласа і z-перетворення, а також математичний апарат нечіткої логіки та математичне моделювання в інтерактивній системі МАТLAB, що дозволило отримати нові наукові результати:

1. Розроблена математична модель системи автоматичного управління підйомом антенної щогли, яка враховує динаміку процесів при здійсненні вертикального підйому антенних щогл. Новизна моделі системи автоматичного управління підйомом антенної щогли полягає в тому, що вперше в даній моделі запропоновано модель антенної щогли, яка дозволяє досліджувати залежність динамічної точності та швидкодії САУ від зміни параметрів зовнішнього впливу та параметрів об’єкта управління.

2. Удосконалена методика параметричного синтезу цифрового нечіткого регулятора системи автоматичного управління нестаціонарними об’єктами, яка відрізняється від відомих урахуванням зміни параметрів нестаціонарного об’єкта управління для синтезу нечіткого регулятора, що перестроюється. Методика дозволяє шляхом математичного моделювання замкнутої САУ з нечітким регулятором визначати такі значення параметрів настройки нечіткого регулятора, що є оптимальними з точки зору вибраного критерію якості.

3. Удосконалена модель нечіткого регулятора, що перестроюється. Модель відрізняється від існуючих тим, що залежно від зміни в часі параметрів об’єкта управління підстроюються значення оптимальних параметрів настроювання нечіткого регулятора, який забезпечує максимальну динамічну точність та швидкодію в системі управління.

Значення одержаних результатів для науки визначається внеском у теоретичні основи автоматичного управління в частині досліджень застосування нечітких регуляторів для управління нестаціонарними об’єктами.

Значення одержаних результатів для практики полягає у: можливості синтезу ефективних систем автоматичного управління підйомом антенних щогл в умовах збурюючих впливів; забезпеченні можливості скорочення часу розгортання рухомих засобів радіорелейного зв’язку військового призначення.

Кількісна оцінка ефективності використання запропонованої моделі системи автоматичного управління свідчить, що її впровадження дозволить скоротити витрати часу для піднімання антенних щогл до 50% у порівнянні з існуючими системами. Оцінка ефективності удосконаленої методики та моделі нечіткого регулятора показує, що їх впровадження дозволить досягти підвищення точності в системі автоматичного управління на 14-16%.

Таким чином, сукупність отриманих у дисертації нових наукових результатів, їх наукова та практична значимість дозволяють вважати сформульоване наукове завдання вирішеним. Вона дозволяє досягти мети дослідження – підвищення якості функціонування (зменшення динамічних похибок і підвищення швидкодії) систем автоматичного управління підйомом антенних щогл військових засобів радіозв’язку

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ НАУКОВИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1.   Кір’янов Д.В., Кунах Н.І. Залежність похибки в системі автоматичного управління від типів функцій приналежності нечіткого регулятора // Вісник Державного університету інформаційно-комунікаційних технологій. – К.: ДУІКТ, 2006. – Вип. №2, том 4. – С. 106-108.

2. Талалаєв В.О., Кір’янов Д.В. Типізація людинно-машинних взаємодій в польових телекомунікаційних мережах систем управління // Збірник наукових праць ВІТІ НТУУ “КПІ”. – К.:, ВІТІ НТУУ “КПІ”, 2005. – Вип.1. – С.165-171.

3. Кір’янов Д.В. Модель САУ для підйому антенної щогли в умовах вітрових навантажень на основі нечіткого регулятора // Радіоелектронні та комп’ютерні системи. – Х.: “ХАИ”, 2006. – Вип. 7(19). – С. 40-43.

4.  Попов С.Л., Дружинин С.В., Кирьянов Д.В. Модель воздействия ветровых нагрузок на антенную мачту // Збірник наукових праць Харківського університету Повітряних Сил ім. І. Кожедуба. – Х.: ХУПС, 2006. – Вип. 1(7). – С. 74-78.

5.  Кирьянов Д.В. Методика параметрического синтеза цифрового нечеткого регулятора САУ нестационарными объектами управления // Системи обробки інформації. – Х.: ХУПС, 2006. – Вип. 5(54). – С. 53-57.

6.  Горошко О.О., Кір’янов Д.В. Стійкість та коливання антенної щогли під дією вітрових навантажень // Вісник Київського університету. Серія: фізико-математичні науки. – К.: КНУ, 2006. – Вип. №2. – С. 65-69.

7. Кір’янов Д.В. Модель цифрового нечіткого регулятора САУ нестаціонарними об’єктами управління // Системи обробки інформації. – Х.: ХУПС, 2006. – Вип. 6(55). – С. 106-110.

8.  Кір’янов Д.В., Дружинін С.В. Дослідження моделі САУ нестаціонарними об’єктами управління на основі нечіткого регулятора // Системи озброєння і військова техніка. – Х.: ХУПС, 2006. – Вип. 7(56). – С. 15-18.

9.  Талалаєв В.О., Кір’янов Д.В. Типізація людинно-машинних взаємодій в польових телекомунікаційних мережах систем управління // Проблеми розвитку інформаційних мереж військового призначення: Матеріали ІІ науково-практичного семінару (22 жовтня 2004 р.). – К.: НАОУ, 2005. – С. 246.

10.  Кирьянов Д.В. Методика параметрического синтеза цифрового нечеткого регулятора САУ нестационарными объектами управления // Научные проблемы разработки, модернизации и применения информационно-измерительных систем космического и наземного базирования: Материалы ХV научно-технической конференции (20 – 21 апреля 2006 г.). – Житомир: ЖВИРЭ, 2006. – С. 101-102.

11.  Кір’янов Д.В. Вітростійкий підйом антенної щогли рухомих засобів радіозв’язку на основі САУ з нечітким регулятором // Телекомунікація-2005: Матеріали ІІ Міжрегіональної науково-практичної конференції (25 жовтня 2005 р.). – Полтава: ПВІЗ, 2005. – С. 32-33.

АНОТАЦІЯ

Кір’янов Д.В. Параметричний синтез нечіткого регулятора системи автоматичного управління підйомом антенної щогли військових засобів радіозв’язку. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 20.02.12 – Військова кібернетика, системи управління та зв’язок. Військовий інститут Київського національного університету імені Тараса Шевченка, м. Київ, 2007.

Дисертацію присвячено удосконаленню методики синтезу нечітких регуляторів систем автоматичного управління, розробці моделей нечітких регуляторів та моделей систем автоматичного управління підйомом антенних щогл військових засобів радіозв’язку, а також дослідженню цих моделей.

Розроблена математична модель системи автоматичного управління підйомом антенної щогли, в якій управління вітростійким підйомом антенної щогли здійснюється нечітким регулятором. Удосконалена методика параметричного синтезу нечіткого регулятора для управління нестаціонарними об’єктами, яка дозволяє здійснювати синтез нечітких регуляторів, що перестроюються відповідно до зміни в часі параметрів об’єкта управління. Удосконалена модель нечіткого регулятора, який перестроюється, що дозволяє на 14-16% підвищити динамічну точність системи автоматичного управління підйомом антенної щогли або в 6-8 разів знизити час встановлення мінімальної похибки в САУ. Досліджено вплив параметрів вітрового навантаження на якість роботи системи автоматичного управління підйомом антенної щогли та залежність похибки в системі автоматичного управління від типів і параметрів функцій приналежності нечіткого регулятора.

Результати дослідження можуть бути використані при проектуванні або науково-технічному супроводженні розробок з модернізації існуючих і створенні перспективних антенних щогл військових засобів радіозв’язку.

Ключові слова: антенна щогла, система автоматичного управління, цифровий нечіткий регулятор, якість управління, математична модель, моделювання.

АННОТАЦИЯ

Кирьянов Д.В. Параметрический синтез нечеткого регулятора системы автоматического управления подъемом антенной мачты военных средств радиосвязи. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 20.02.12 – Военная кибернетика, системы управления и связь. Военный институт Киевского национального университета имени Тараса Шевченко, г. Киев, 2007.

Диссертация посвящена усовершенствованию методики синтеза нечетких регуляторов систем автоматического управления, разработке моделей нечетких регуляторов и моделей систем автоматического управления ветроустойчивым подъемом антенных мачт военных средств радиосвязи, а также исследованию этих моделей.

Рассмотрены недостатки существующих алгоритмов развертывания антенных мачт военных средств радиосвязи и пути усовершенствования систем автоматического управления подъемом антенных мачт. При этом основными недостатками существующих подвижных станций радиорелейной связи является значительное время развертывания антенно-мачтовых устройств и высокая трудоемкость операций. Кроме того, процесс подъема антенной мачты часто усложняется воздействием динамических ветровых нагрузок. Все это определило необходимость и актуальность исследований направленных на решение актуальной научной задачи которая заключается в разработке и исследовании модели системы автоматического управления подъемом антенных мачт военных средств радиосвязи на основе нечетких регуляторов.

Первым научным результатом является разработка математической модели системы автоматического управления подъемом антенной мачты, в которой управление ветроустойчивым подъемом антенной мачты осуществляется с помощью цифрового нечеткого (работающего на базе нечеткой логики) регулятора. На основе структурной схемы САУ подъемом антенной мачты предложена ее математическая модель. Предложено дифференциальное уравнение колебаний антенной мачты под действием ветровых нагрузок и разработана передаточная функция антенной мачты.

Проведено исследование модели системы автоматического управления подъемом антенной мачты с нечетким регулятором в условиях имитированных ветровых нагрузок в интерактивной системе MATLAB.

Установлено, что для обеспечения оптимальных переходных процессов в системе автоматического управления с нестационарным объектом необходимо обеспечить оптимальные параметры настройки нечеткого регулятора в зависимости от изменения параметров объекта управления.

Усовершенствована методика параметрического синтеза нечеткого регулятора. Методика отличается от известных тем, что позволяет получить зависимость оптимальных значений настройки входных и выходных параметров нечеткого регулятора от изменения во времени параметров объекта управления.

Усовершенствована модель перестраиваемого нечеткого регулятора. В интерактивной системе MATLAB представлена его структурная схема. Перестраиваемый нечеткий регулятор, способен обеспечить высокое качество управления нестационарным объектом за счет обеспечения оптимальных значений входных и выходных параметров настройки.

Установлено, что применение перестраиваемого нечеткого регулятора позволяет на 14-16% повысить динамическую точность системы автоматического управления подъемом антенной мачты или в 6-8 раз повысить быстродействие САУ в условиях динамических ветровых нагрузок.

Исследовано влияние параметров ветровой нагрузки на качество функционирования системы автоматического управления подъемом антенной мачты и зависимость установившейся ошибки в системе автоматического управления от типов и параметров функций принадлежности нечеткого регулятора. Установлено, что наименьшие значения ошибка, для такого класса систем, принимает при использовании треугольных и экспоненциальных функциях принадлежности.

Практическое значение полученных результатов исследований состоит в том, что они могут быть использованы при проектировании или научно-техническом сопровождении разработок по модернизации существующих и создании перспективных антенных мачт военных средств радиосвязи.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов и списка использованных источников.

Ключевые слова: антенная мачта, система автоматического управления, цифровой нечеткий регулятор, качество управления, математическая модель, моделирование.

ANNOTATION

Kiryanov D.V. Parametric synthesis of fuzzy controller for automatic control system used for lifting an aerial mast of military communication radio means. - Manuscript.

Dissertation for gaining Ph.D. Speciality 20.02.12 – Military cybernetics, automatic control systems and communication. Military Institute of Kiev National University named by Taras Schevchenko. Kyiv, 2007.

Dissertation is devoted to improving the method of synthesis of fuzzy controller for automatic control system (ACS), the creation models of fuzzy controller and models used for automatic control systems of aerial masts of military communication radio means and their research.

Mathematical model of automatic control system used to set up an aerial mast is created and it affords to control the wind resistant aerial mast lifting by fuzzy controller. The method of parametric synthesis of fuzzy controller for non-stationary objects control systems is improved and allows to make the synthesis of fuzzy controllers, which can be readjusted depending on time changes control object’s parameters. It was established that the using of reconfigurable fuzzy controller could raise dynamic accuracy of automatic control system to set up an aerial mast for 14-16% and reduce the time of ACS minimal inaccuracy determination in 6-8 times. The influence of wind load’s parameters on operation quality of automatic control system used to set up an aerial mast of military communication radio means is examined. The dependence of automatic control system inaccuracy from types and parameters functions of belonging the fuzzy controller was decomposed as well.

The researched results can be used during the creation projects or scientifically-technical following creations from updating the existing ones and creation an updated aerial masts of military communication radio means.

Keywords: aerial mast, automatic control system, digital fuzzy controller, quality of control, synthesis, mathematical model, design.