Temat: Projektowanie sterownika rozmytego Instrukcja do ćwiczeń przedmiotu INŻYNIERIA WIEDZY I SYSTEMY EKSPERTOWE Dr inż. Barbara Mrzygłód KISiM, WIMiIP, AGH mrzyglod@ agh.edu.pl
1 Wprowadzenie Sterowanie rozmyte można sklasyfikować jako: nieadaptacyjne sterowanie rozmyte struktura i parametry sterownika rozmytego ustalone w procesie projektowania pozostają niezmienione podczas jego działania (w czasie rzeczywistym); adaptacyjne sterowanie rozmyte struktura i/lub parametry podlegają zmianom podczas działania sterownika w czasie rzeczywistym. Sterowanie nieadaptacyjne jest prostsze niż sterowania adaptacyjne, ale wymaga większej wiedzy o sterowanym obiekcie (o jego modelu) i może dawać gorsze wskaźniki działania 2 Przyjmowane domyślnie założenia przy projektowaniu systemu sterowania rozmytego Obiekt jest obserwowalny i sterowalny: stan, wejście i wyjście są dostępne dla obserwacji, pomiarów lub obliczeń; Istnieje wiedza o obiekcie wyrażona w postaci reguł lingwistycznych, inżynierskiego doświadczenia, intuicji lub danych z obserwacji (pomiarów) wejścia wyjścia z których można wyprowadzić reguły JEŻELI-TO Istnieje rozwiązanie problemu sterowania rozważanym obiektem Inżynier sterowania (automatyk) poszukuje sterowania wystarczająco dobrego, niekoniecznie najlepszego Sterownik powinien być zaprojektowany tak, aby zapewnić akceptowalną jakość sterowania Problemy stabilności i optymalności nie są rozważane wprost 3 Sterowanie rozmyte a sterowanie klasyczne różnice sterowaniem klasyczne bazuje na modelach analitycznych (równania algebraiczne, różniczkowe) i sterowniki są budowane dla tych modeli; sterowanie rozmyte bazuje na heurystyce (umiejętność odkrywania nowych faktów i związków pomiędzy nimi) i ludzkim doświadczeniu wyrażonych w lingwistycznych regułach jeżeli-to a sterowniki są budowane poprzez syntezę tych reguł różna jest forma informacji na której bazuje projektowanie sterowników. Rys. 1 Zaawansowane sterowniki rozmyte mogą wykorzystywać zarówno modele heurystyczne jak i analityczne
4 Klasyfikacja metodologii projektowania sterowników rozmytych: Podejście prób i błędów zbiór reguł JEŻELI-TO tworzony przez werbalizację wiedzy opartej na doświadczeniu (np. podręcznik eksploatacji) lub drogą wywiadu z ekspertem dziedzinowym w oparciu o starannie przygotowany kwestionariusz; sterownik rozmyty skonstruowany z reguł JEŻELI-TO testowany (symulacyjne, na rzeczywistym obiekcie) wynik testów negatywny powrót do tworzenia zbioru reguł w celu jego udoskonalania Krok 1: Przeprowadź analizę sterowanego systemu i wybierz zmienne, którymi będzie charakteryzowany stan obiektu (wejścia sterownika) i zmienne sterujące (wyjścia sterownika); określ dziedziny rozważań dla wybranych zmiennych Krok 2: Zbuduj bazę reguł rozmytych JEŻELI-TO określającą relację pomiędzy zmiennymi charakteryzującymi stan obiektu a zmiennymi sterującymi Krok 3: Wkomponuj utworzoną bazę reguł rozmytych w budowany system sterownika rozmytego Krok 4: Przeprowadź testy zamkniętego układu sterowania i jeżeli wynik testu jest niezadowalający powróć do Kroku 1 Podejście bazujące na teorii sterowania struktura i parametry sterownika rozmytego są projektowane tak, aby spełnione były pewne kryteria dobrego działania, np. stabilność 5 Zwykle wymagane cechy poprawnie zbudowanej bazy reguł Kompletność. Zbiór reguł JEŻELI-TO jest kompletny (zupełny), jeżeli dla każdego elementu przestrzeni rozważań istnieje co najmniej jedna reguła w bazie taka, że w jej przesłance istnieje zbiór rozmyty do którego stopień przynależności tego elementu jest różny od zera (większy od zera) Spójność. Zbiór reguł JEŻELI-TO jest spójny, jeżeli nie istnieją w nim reguły z taką samą częścią JEŻELI lecz różnymi częściami TO 6 Zaprojektuj Proszę opracować sterownik rozmyty, który będzie sterował klimatyzacją w pomieszczeniu. Zamodelowanie i przetestowanie prostego sterownika rozmytego, który będzie sterował klimatyzacją w pomieszczeniu (moc klimatyzatora) na podstawie pomiarów parametrów: temperatury powietrza w pomieszczeniu, temperatury powietrza na zewnątrz pomieszczenia,
Rys. 2 a. Utworzyć reprezentacje trzech zmiennych lingwistycznych Tw, Tz, K w postaci zbiorów rozmytych. Każdą ze zmiennych podziel na 5 zbiorów rozmytych. Przyjąć następujące zakresy dla poszczególnych zmiennych: Tw Range [-10:40] Tz Rznge [-30:40] K Range [-2:2] - poniżej na rys. 3 przykład zmiennej K. Rys. 3 b. Zapisz w bazie reguł zestaw 25 reguł rozmytych. Opracuj je wykorzystując matrycę, której przykład podany jest na rys. 4. Rys. 4 c. Przeanalizuj kształt powierzchni sterującej (widok surface). d. Zapisz projekt pod nazwą: klima-v1.fis
7. Analiza kształtu wynikowej powierzchni sterującej (widok surface ) ze względu na wprowadzone do układu FIS zmiany, wynikające z dostrojenia modelu: a) Zmiana kształtów oraz zakresów zbiorów rozmytych dla zmiennych INPUT b) Zmiana kształtów oraz zakresów zbiorów rozmytych dla zmiennej OUTPUT c) Zmiana metody wyostrzania (środek ciężkości, środek maximum). d) Zapisz nowy/dostrojony plik pod nazwą klima-v2.fis 8. Zakończenie pracy Po zakończonej pracy wysyłają Państwo opracowany projekt na wskazany adres (kontakt). Wysłana dokumentacja powinna zawierać pliki: klima-v1.fis klima-v2.fis (projekt po modyfikacjach) Raport.docx/pdf - analiza modelu pod kątem wprowadzonych zmian (raport można wysłać z domu do 24 godzin od zakończenia zajęć)
9. Dodatek - Sterownik rozmyty do automatyzacji podlewania ogrodu w lecie Zaprojektować sterownik rozmyty do automatyzacji podlewania ogrodu w lecie. Chodzi tu o to, by intensywność podlewania była odpowiednia w stosunku do stopnia wilgotności i temperatury powietrza. Jest to system bez sprzężenia zwrotnego. Zbiór termów odpowiadający zmiennej lingwistycznej intensywność podlewania jego realizacja następuje poprzez określenie stałych wartości (const) dla poszczególnych konkluzji, tj: zero = 0% Mała = 25% Średnia = 50% Duża = 75% Max=100%.
W zależności od wskazań czujnika temperatury i wilgotności powietrza sterownik wysyła sygnał wyjściowy, który reguluje zawór wodny ustalając intensywność podlewania, zgodnie z opracowanymi przez eksperta regułami rozmytymi (uwzględniając rodzaj gleby, uprawy itp.).