Методи і засоби підвищення швидкодії та точності цифрових пристроїв на нечіткій логіці

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОДЕСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

УДК 681.515+62-551.453

05.13.05 - Елементи та пристрої обчислювальної техніки та систем керування

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Методи і засоби підвищення швидкодії та точності цифрових пристроїв на нечіткій логіці

Сидоренко Сергій Анатолійович

Одеса - 2002



Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Українському державному морському технічному університеті імені адмірала Макарова Міністерства освіти і науки України на кафедрі комп'ютеризованих систем управління.

Науковий керівник доктор технічних наук, професор Кондратенко Юрій Пантелійович, Миколаївська філія Національного університету "Києво-Могилянська Академія", професор кафедри комп'ютерних технологій

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Шарапов Валерій Михайлович, Черкаський державний технологічний університет, проректор з науково-дослідної роботи, зав. кафедрою комп'ютеризованих та інформаційних технологій у приладобудуванні

кандидат технічних наук, доцент Нікольський Віталій Валентинович, Одеська державна морська академія, доцент кафедри теорії автоматичного управління і обчислювальної техніки

Провідна установа Науково-виробнича корпорація "Київський інститут автоматики" Держпромполітики України.

Захист відбудеться "26" вересня 2002 р. о 13.30 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.052.01 в Одеському національному політехнічному університеті за адресою: 65044, м. Одеса, пр. Шевченка, 1, ауд. 400-А.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Одеського національного політехнічного університету за адресою: 65044, м. Одеса, пр. Шевченка, 1.

Автореферат розісланий "4" липня 2002 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 41.052.01 кандидат технічних наук, професор Ю.С. Ямпольський



Загальна характеристика роботи

гаусівський фаззифікація сигнал програмований

Актуальність теми. Автоматизація процесів прийняття рішень та управління складними багатозв'язними об'єктами в умовах невизначеності, зокрема морськими рухомими об'єктами, підприємствами, що функціонують в умовах перехідної економіки, та ін., пов'язана з відсутністю достатньо повних апріорних даних, а також з необхідністю застосування методів і засобів, які знижують ступінь невизначеності вхідної інформації. Рівень невизначеності суттєво залежить від інтенсивності нестаціонарних збурювальних впливів, точні кількісні характеристики яких важко, а інколи неможливо вимірювати в реальному часі, від складності математичної формалізації багатьох об'єктів та систем, від впливу людського фактора та суб'єктивності будь-яких оцінок і рішень людини-оператора при управлінні об'єктами в інтерактивних режимах.

Одним з можливих шляхів побудови високоефективних систем управління і систем підтримки прийняття рішень (СППР) з урахуванням умов невизначеності є застосування теорії нечіткої логіки та нечітких множин для синтезу алгоритмів їх функціонування. Запропонований професором Л.А. Заде математичний апарат складає основу синтезу базових елементів нечітких систем управління та СППР - нечітких контролерів та блоків нечіткого логічного висновку (БНЛВ), що здатні формувати управляючі та інформаційні сигнали на основі стратегій, заданих лінгвістичними базами правил. Цифрові нечіткі контролери та БНЛВ, як правило, формуються на основі ієрархічних структур, кожен з ієрархічних рівнів яких складається з окремих елементів та пристроїв, призначених для перетворення і обробки нечітких сигналів. Розширення класу функціонуючих в умовах невизначеності об'єктів, для яких нечіткі контролери здатні ефективно розв'язувати задачі управління та прийняття рішень в реальному часі, вимагає покращення технічних характеристик, зокрема швидкодії та точності, їх основних компонентів - цифрових пристроїв на нечіткій логіці (ЦПНЛ).

На теперішній час зусиллями українських та іноземних вчених І.М. Богаєнка, В.І. Гостєва, Ю.П. Зайченка, Д.А. Поспєлова, О.П. Ротштейна, H. Gil Aluja, P. Frank, R. Hampel, H. Kiendl, R. Mikut, T. Runkler, B. Werners, Y. Yantsen, L. Zadeh, H.J. Zimmermann та ін. вже розв'язано багато задач, пов'язаних з теоретичним обгрунтуванням застосування нечіткої логіки для задач управління, формуванням алгоритмів функціонування нечітких контролерів та перевіркою адекватності нечітких моделей реальним процесам. Разом з тим, ще недостатньо розроблені методи і засоби синтезу алгоритмів для пристроїв цифрової обробки нечіткої інформації в системах, що функціонують в реальному часі. Подальшого розвитку й удосконалення вимагає також відповідна елементна база кожного з ієрархічних рівнів нечітких контролерів з метою підвищення їх швидкодії та точності для забезпечення можливостей реалізації управління і прийняття рішень в реальному часі. Отже, розробка методів і засобів підвищення швидкодії та точності алгоритмів та схемотехнічних рішень ЦПНЛ є актуальною задачею, розв'язок якої дозволить значно розширити перспективу ефективного застосування нечітких систем реального часу для управління об'єктами, що функціонують в умовах невизначеності.

Робота виконувалася у відповідності до пріоритетних напрямків науково-дослідних робіт Українського державного морського технічного університету імені адмірала Макарова згідно координаційних планів Міністерства освіти та науки України, зокрема, в рамках наукових досліджень за держбюджетними темами "Розpобка методів пpоектування інтерактивних сенсорних систем для оптимізації режимів роботи об'єктів з умовами функціонування, що змінюються випадковим чином" (номер державної реєстрації 0196U023263) та “Розробка теорії синтезу алгоритмів прийняття рішень та моделей управління суднами в екстремальних умовах на основі нечіткої логіки і нечітких множин” (номер державної реєстрації 0100U001903) .

Метою дисертаційних досліджень є розробка та удосконалення методів і засобів синтезу алгоритмів функціонування та схемотехнічних рішень цифрових пристроїв на нечіткій логіці, що забезпечують підвищення ефективності систем управління в умовах невизначеності.

Виконання поставленої мети забезпечується в дисертаційній роботі шляхом розв'язання таких завдань дослідження:

аналіз методів синтезу, алгоритмів, схемних рішень та технічних характеристик ЦПНЛ, виявлення шляхів і резервів підвищення їх швидкодії та точності;

розробка методів синтезу алгоритмів функціонування ЦПНЛ для фаззифікації кількісних і якісних сигналів, що за рахунок виключення процесу ітераційної обробки всього діапазону допустимих значень вхідного сигналу з фіксованим кроком дискретизації забезпечують підвищення швидкодії та точності обчислення відповідних ступенів належності лінгвістичних термів;

розробка методів синтезу алгоритмів ЦПНЛ для дефаззифікації результуючих функцій належності, що дозволяють суттєво підвищити швидкодію обчислювальних процесів шляхом зменшення загальної кількості обчислювальних операцій;

розробка методів синтезу цифрових пристроїв для дефаззифікації нечітких сигналів з мультимодальними функціями належності (ФН), що виключають осциляційні процеси та неоднозначність при виборі одного з допустимих значень дефаззифікованого вихідного сигналу;

розробка поведінкових моделей ЦПНЛ на основі мови опису апаратного забезпечення VHDL для обробки нечіткої інформації в режимах фаззифікації, агрегації, активації, акумуляції та дефаззифікації.

Об'єктом досліджень є цифрові пристрої з нечіткою логікою для систем управління, що функціонують в умовах невизначеності.

Предметом досліджень є методи і засоби підвищення швидкодії та точності цифрових пристроїв для обробки та перетворення нечіткої інформації в реальному часі.

Методи дослідження. Проведені в дисертаційній роботі дослідження з синтезу алгоритмів функціонування ЦПНЛ базуються на комплексному використанні методів теорії нечітких множин та нечіткої логіки; для проектування логічних структур ЦПНЛ застосовано поведінковий метод побудови VHDL-моделей, що базується на теорії цифрових пристроїв та мові опису апаратного забезпечення VHDL; при синтезі нечітких контролерів для безідентифікаційного управління нестаціонарними об'єктами та аналізі його ефективності застосовано чисельні методи, інтегральні показники якості управління та критерії стійкості нелінійних систем.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в розвитку й поглибленні теоретичних і методологічних основ покращення технічних характеристик цифрових пристроїв з нечіткою логікою при розробці методів і засобів їх синтезу для підвищення ефективності управління об'єктами в умовах невизначеності. Новими науковими результатами досліджень є:

- розроблений на основі технології символьних обчислень метод синтезу цифрових пристроїв з нечіткою логікою, що забезпечує підвищену швидкодію та точність фаззифікації якісних вхідних сигналів за рахунок апріорного формування аналітичних залежностей для визначення перетину ФН вхідних якісних сигналів та ФН лінгвістичних термів;

- метод синтезу цифрових пристроїв з нечіткою логікою для прискорення процесів фаззифікації кількісних вхідних сигналів шляхом гаусівсько-трикутного і дзвоноподібно-трапецієвидного перетворення ФН з мінімізацією їх розугодження, що забезпечує зменшення загальної кількості обчислювальних операцій при визначенні ступеня належності кількісного вхідного сигналу до конкретного лінгвістичного терма;

- удосконалений метод синтезу цифрових пристроїв дефаззифікації на основі декомпозиції результуючих функцій належності, що забезпечує при введенні змінного кроку дискретизації прискоренння процесів дефаззифікації вихідних сигналів нечітких контролерів за рахунок суттєвого зменшення загальної кількості обчислювальних ітерацій;

- вперше розроблений метод синтезу ЦПНЛ для дефаззифікації вихідних сигналів нечітких регуляторів з мультимодальними результуючими функціями належності, що забезпечує формування близьких до однієї з мод чітких управляючих сигналів і запобігання появи осциляційних процесів між модами результуючих функцій належності за рахунок введення коефіцієнта переваги;

- вперше сформована бібліотека універсальних та спеціалізованих поведінкових VHDL-моделей для апаратного синтезу та імітаційного моделювання цифрових пристроїв з нечіткою логікою.

Практичне значення одержаних результатів. Запропоновані методи синтезу алгоритмів функціонування цифрових пристроїв з нечіткою логікою та шляхи удосконалення структурної організації нечітких контролерів можуть бути покладені в основу розробок швидкодіючих регуляторів, ідентифікаторів та апроксиматорів з підвищеними метрологічними показниками при необхідності управління в реальному часі об'єктами, моделі та умови функціонування яких характеризуються високим ступенем невизначеності інформації.

Алгоритми функціонування ЦПНЛ та їх поведінкові моделі складають основу математичного забезпечення програмного комплексу для прогнозування і поточної діагностики виникнення небезпеки втрати судном остійності, який впроваджено на танкері “Алюміній” з вантажопідйомністю 1500 т. Методику розробки схемотехнічних рішень та алгоритмів функціонування нечітких контролерів на основі ЦПНЛ Сугено-типу впроваджено на Державному підприємстві "Науково-виробничий комплекс газотурбобудування "Зоря - Машроект".

Основні положення, висновки та рекомендації, викладені в дисертаційній роботі, використовуються в навчальному процесі Українського державного морського технічного університету та Миколаївської філії Національного університету "Києво-Могилянська академія". Матеріали дисертаційної роботи ввійшли до навчального посібника, рекомендованого Міністерством освіти і науки України для студентів вищих закладів освіти, що навчаються за напрямом "Комп'ютерна інженерія" [1].

Особистий внесок здобувача. Основні результати, які виносяться на захист, отримані здобувачем самостійно та опубліковані в 17 наукових працях. При цьому роботи [9,14,17] опубліковані здобувачем особисто; в роботах [1,2,4,5] запропоновано методи підвищення швидкодії та точності ЦПНЛ, методи і засоби розробки поведінкових VHDL-моделей нечітких контролерів та їх апаратної реалізації на основі програмованих логічних інтегральних схем (ПЛІС); в роботах [3,6,10,16] запропоновано засоби програмно-алгоритмічного моделювання та імітаційні моделі нечітких контролерів, БНЛВ і ЦПНЛ; в роботах [8,11,12] запропоновано методи і засоби синтезу нечітких контролерів, пристроїв для апроксимації функціональних залежностей та пристроїв ідентифікації для систем автоматичного управління об'єктами різного класу; в роботах [7,13,15] на основі розроблених ЦПНЛ запропоновано структури конкретних СППР, отримано результати чисельного та імітаційного моделювання.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертації доповідалися та обговорювалися на: Міжн. симп. “Проблеми суднобудування: стан, ідеї, рішення” (Миколаїв, УДМТУ, 1997), Міжн. конф. з застосування баз знань для моделювання складних систем CCM'98 (Ліон, Франція, AMSE, 1998), 4-й Всеукр. Міжн. конф. “Оброблення сигналів і зображень та розпізнавання образів” (Київ, ІК НАН України, 1998), 3-й, 4-й, 5-й та 6-й Міжн. школах з моделювання AMSE - UAPL (Алушта - 1998, 1999, 2001, Шацьк - 2000), наук.-техн. конф. професорсько-викладацького складу УДМТУ (Миколаїв, УДМТУ, 1998, 2000), наук.-техн. конф. “Молодь та суднобудування. Досягнення на межі тисячоліть” (Миколаїв, УДМТУ, 1999), наук.-практ. конф. “Оптимізація управління, інформаційні системи і комп'ютерні технології” (Одеса, УАЕК, 1999), Міжн. конф. "Моделювання динамічних систем та дослідження стійкості" (Київ, Національний університет ім. Т.Г. Шевченка, 1999), 2-й Міжн. конф. “Управління та контроль у виробництві та логістиці MCPL'2000” (Гренобль, Франція, IFAC, 2000), Міжн. конф. з управління “Автоматика - 2000” (Львів, УААУ, 2000), “Автоматика - 2001” (Одеса, УААУ, 2001), конф. “Дні науки НаУКМА”, (Київ, НаУКМА, 2000), 3-й наук.-метод. конф. з міжн. участю "Сучасні інформаційні технології в освіті та управлінні" (Нова Каховка, НКПІ, 2001), Міжн. конф. з математичного та імітаційного моделювання MS'2001 (Львів, AMSE, 2001), Міжн. конф. "Безпека мореплавання та її забезпечення при проектуванні та побудові суден" (Миколаїв, УДМТУ, 2001), Міжн. наук.-практ. конф. "Теорія активних систем" (Москва, Росія, Інститут проблем управління ім. В.А. Трапезникова РАН, 2001).

Публікації. Основні результати дисертації викладені в 17 публікаціях, в тому числі в 7 наукових працях [2-8] у виданнях, що входять до переліків ВАК України, 1 навчальному посібнику [1] з грифом Міністерства освіти і науки України, 7 опублікованих доповідях [9-14, 16] та 2 тезах [15,17] Міжнародних та Всеукраїнських конференцій.

Структура дисертації. Дисертація складається з вступу, 5 розділів та 2 додатків. Загальний обсяг дисертації складає 204 сторінки, обсяг тексту - 149 сторінок, додатків - 36 сторінок. Дисертація містить 64 рисунки, 10 таблиць та посилання на 187 літературних джерел.



Основний зміст роботи

Вступ містить загальну характеристику роботи, яка підкреслює її актуальність, відповідність державним науковим програмам, наукову новизну, апробацію та практичне значення отриманих результатів.

У першому розділі досліджено підходи до синтезу елементів та пристроїв систем управління об'єктами в умовах невизначеності, проаналізовано переваги нечіткої логіки, можливості застосування цифрових пристроїв для обробки та перетворення нечіткої інформації в якості елементної бази систем управління, розглянуто клас об'єктів та технологічних процесів, умови та моделі функціонування яких є нечітко визначеними або слабоформалізованими.

На основі аналізу літературних джерел виявлено, що покращення технічних характеристик ЦПНЛ, зокрема, підвищення їх швидкодії та точності, можливе за рахунок: розробки методів синтезу нових, більш ефективних, та модифікації існуючих алгоритмів та схемотехнічних рішень ЦПНЛ різного функціонального призначення; удосконалення структурної організації нечітких контролерів та БНЛВ, що представляють собою ієрархічні структурні поєднання ЦПНЛ різних типів; застосування сучасної високопродуктивної елементної бази та ефективних засобів проектування і верифікації ЦПНЛ.

У другому розділі детально досліджуються процеси обробки та перетворення нечіткої інформації при формуванні нечіткими контролерами та БНЛВ (рис. 1) управляючих сигналів. Особлива увага приділяється контролерам для систем управління об'єктами в умовах невизначеності, нечітких експертних систем та систем підтримки прийняття рішень, синтезованих з застосуванням теорії нечітких множин та нечіткої логіки. Розглядається клас нечітких контролерів та БНЛВ, які в системах управління виконують функції регуляторів, адаптивних ідентифікаторів параметрів, компенсаторів нелінійностей, компенсаторів збурень, апроксиматорів складних нелінійних залежностей та ін.

Для синтезу нечітких контролерів, що базуються на знаннях, проаналізовано методи представлення стратегій управління на основі теорії нечіткої логіки та нечітких множин, існуючі алгоритми функціонування та можливі шляхи їх покращення для окремих класів ЦПНЛ. Обґрунтовано, що удосконалення ЦПНЛ з точки зору покращення їх технічних характеристик можливе шляхом: синтезу алгоритмів функціонування ЦПНЛ для фаззифікації якісних сигналів на основі апріорного формування аналітичних залежностей, що визначають перетин ФН лінгвістичних термів та ФН нечітких вхідних сигналів і, відповідно, забезпечують підвищення точності та швидкодії ЦПНЛ; формування алгоритмів для підвищення швидкодії ЦПНЛ при фаззифікації кількісних сигналів зменшенням числа обчислювальних операцій при визначенні ступеня належності кількісного вхідного сигналу до конкретного лінгвістичного терму; введення змінних кроків дискретизації, що обчислюються в процесі функціонування нечітких контролерів, з забезпеченням підвищення швидкодії процесів дефаззифікації за рахунок зменшення загальної кількості ітерацій при обробці діапазону допустимих значень управляючого сигналу; розробки нового метода дефаззифікації для підвищення точності нечітких контролерів з мультимодальними результуючими ФН, що забезпечується врахуванням максимально можливого ступеня належності та запобіганням появи осциляцій при формуванні чітких управляючих сигналів в процесі дефаззифікації; оптимізації структур обчислювальних алгоритмів з метою виключення проміжних етапів перетворення нечіткої інформації для підвищення точності та швидкодії процесів формування управляючих сигналів при ієрархічній організації БНЛВ.

У третьому розділі розглянуто розроблені методи синтезу алгоритмів функціонування ЦПНЛ, що забезпечують підвищення швидкодії та точності процесів обробки нечіткої інформації в режимах фаззифікації та дефаззифікації.

Запропоновано метод синтезу ЦПНЛ для фаззифікації якісних вхідних сигналів, що виключає ітераційний процес традиційної покрокової обробки всього діапазону допустимих значень нечіткого вхідного сигналу. Метод ґрунтується на технології символьних обчислень, що за рахунок апріорно сформованих аналітичних залежностей забезпечує визначення координат всіх точок перетину ФН лінгвістичних термів та ФН нечітких вхідних сигналів. Результатом фаззифікації є значення ФН в одній з точок перетину, що має найвищий ступінь належності.

На основі розробленого методу синтезовано ЦПНЛ з однокроковим алгоритмом фаззифікації якісних сигналів, представлених гауссівськими ФН,

де - ступінь входження якісного вхідного сигналу з гаусівською ФН до нечіткої множини лінгвістичного терма .

Крім того, запропонований метод покладено в основу синтезу ЦПНЛ з однокроковим алгоритмом фаззифікації якісних сигналів при використанні ФН трикутної форми:

де = - нечітка множина лінгвістичного терма з трикутною формою ФН; =- якісний вхідний сигнал з трикутною ФН; - результат фаззифікації нечіткого сигналу лінгвістичним термом .

Використання трикутних та трапецієвидних форм ФН забезпечує більш високу швидкодію ЦПНЛ при фаззифікації кількісних вхідних сигналів. В порівнянні з використанням гаусівських та дзвоноподібних ФН вищезгадані ЦПНЛ реалізуються обчислювальними алгоритмами меншої складності. Водночас, саме гаусівська та дзвоноподібна форми ФН, завдяки їх неперервності та диференційованості, є більш зручними для використання на етапах попереднього синтезу нечітких контролерів. Для зменшення числа обчислювальних операцій при визначенні ступеня належності кількісного вхідного сигналу до конкретного лінгвістичного терму запропоновано метод синтезу швидкодіючих пристроїв для фаззифікації кількісних координат, суть якого полягає в перетворенні на етапі проектування гаусівських ФН до трикутних ФН, а дзвоноподібних ФН - до трапецієвидних ФН при забезпеченні мінімізації їх розугодження за відстанями Евкліда чи Хеммінга. Процес формування алгоритму трансформації ФН гаусівської форми до ФН трикутної форми показано на рис. 3, де - гаусівська ФН з параметрами ; - трикутна ФН з параметрами . Так як гаусівська ФН є симетричною, то для аналізу ступеня розугодження між та розглядається лише ліва її гілка: Цільова функція для мінімізації Евклідової відстані по параметру має вигляд

де - функція помилки.

Диференціюючи залежність (3) по параметру знайдемо екстремуми функції

При розв'язанні рівняння (4) відносно параметра отримаємо необхідне значення кореня

де lambertw - функція, для якої , якщо ; .

Отже найближча до нечіткої множини з гаусівською ФН апроксимуюча нечітка множина з ФН трикутної форми визначається параметрами:

За розробленим методом для підвищення швидкодії ЦПНЛ фаззифікації кількісних сигналів синтезовано алгоритм трансформації дзвоноподібних ФН до трапецієвидних ФН. Якщо - дзвоноподібна ФН, а - апроксимуюча трапецієвидна ФН, то для можна отримати:

6

Обґрунтовано, що застосування запропонованого методу для суттєвого підвищення швидкодії ЦПНЛ для фаззифікації кількісних координат є доцільним, якщо шляхом імітаційного моделювання на етапі попереднього проектування встановлено, що точність систем управління в цілому після трансформації ФН залишається в апріорно заданих межах.

Для покращення технічних характеристик ЦПНЛ, що реалізують алгоритми дефаззифікації, в третьому розділі також розглядається два методи синтезу ЦПНЛ такого класу. На рис. 3 (а) проілюстровано розроблений метод підвищення швидкодії процесів дефаззифікації результуючих ФН, що ґрунтується на використанні змінного кроку дискретизації, що обчислюється в процесі дефаззифікації безпосередньо самим ЦПНЛ. Декомпозиція забезпечує розбиття площі фігури результуючої ФН на прямокутники та криволінійні трапеції, кількість яких дорівнює , де - кількість термів вихідного сигналу. Оскільки , як правило, вибирається в межах , то кількість обчислювальних ітерацій визначається в межах , що значно менше в порівнянні з числом ітерацій при застосуванні постійного кроку дискретизації. Застосування запропонованого методу дає також можливість значно підвищити швидкодію нечітких контролерів в цілому (рис. 1) за рахунок виключення при вищезгаданій декомпозиції етапів акумуляції, що поглинаються новою структурою процесу дефаззифікації. На рис. 3 (а) секторами з різними тіньовими відтінками відмічено обчислені нечітким контролером змінні кроки дискретизації. При застосуванні традиційного підходу до дефаззифікації наведеної нечіткої множини (з фіксованим кроком дискретизації, наприклад, ) необхідно було б виконати 800 ітерацій, а запропонований метод дозволяє зменшити їх кількість до 9.

При дефаззифікації мультимодальних ФН існуючі методи приводять до некоректного формування управляючих сигналів, що знижує ефективність нечітких систем управління в цілому. В розділі розглядається вперше розроблений метод синтезу ЦПНЛ для дефаззифікації нечітких сигналів з мультимодальними ФН, який забезпечує (рис. 3, б) не тільки вибір одного з прийнятних варіантів значення вихідного сигналу (за лівою чи за правою модами ФН), а й дотримання обраної стратегії (стратегія переваги, наприклад, правої моди ФН ) при незначному (апріорно заданому) перевищенні ступеня належності відхиленого варіанта (лівої моди ФН). Сигнал на виході ЦПНЛ при дефаззифікації мультимодальних ФН визначається за алгоритмом

де - коефіцієнт переваг; - чітке значення управляючого сигналу (результат дефаззифікації); - діапазон допустимих значень сигналу . Знак коефіцієнта переваги призначає моду, що має перевагу (ліва (-) або права (+) ), а абсолютне значення - ступінь пріоритету обраного варіанту рішення. При реалізації запропонованого методу рис. 3, б здійснюються наступні перетворення мультимодальної ФН при : 1. Здійснюється концентрація функції належності . 2. Значення визначає положення (кут нахилу та координату точки максимуму при або при ) відсікаючої прямої MN. 3. Визначається перетин (ФН ) прямої MN з концентрованою ФН . 4. Чіткий управляючий сигнал , що формується на виході ЦПНЛ і є результатом процесу дефаззифікації, визначається абсцисою максимального значення ФН .

На рис. 3 (б), що ілюструє вплив коефіцієнта переваги на результат дефаззифікації мультимодальних функцій належності, вибрано = 0,015. Пунктирна лінія вказує на апріорне настроювання ЦПНЛ на процес переключення переваги мод при критичному відхиленні



= .

Встановлено, що при дотриманні в процесі дефаззифікації умови ЦПНЛ формує значення вихідного сигналу згідно абсциси відповідної моди ( або ), якій апріорно була призначена перевага, і виключає осциляційні процеси як при , так і при .

Четвертий розділ присвячено підвищенню швидкодії та точності нечітких контролерів шляхом розробки методів і засобів апаратного синтезу та удосконалення структурної організації.

Запропоновано застосування конвеєрного принципу обробки інформації для удосконалення структурної організації (рис. 1) нечітких контролерів. Вказаний підхід є коректним оскільки процес формування управляючого сигналу на виходах нечітких контролерів складається з ряду послідовних етапів обробки сигналів, між якими відсутні зворотні зв'язки та паралельні канали передачі інформації. На кожному з етапів можлива одночасна обробка векторів кількісних та якісних вхідних сигналів

,

що формуються в дискретні моменти часу

, ,

де - крок дискретизації, що відповідає часу обновлення сигналу на виході нечіткого контролера . Наприклад, якщо на етапі фаззифікації в -й момент часу контролер обробляє вектор входів , то на етапі агрегації обробляється вектор значень належності лінгвістичних термів , на етапах активації, акумуляції та дефаззифікації - проміжні сигнали, сформовані на основі векторів

, та

відповідно, а на виході утримується управляючий сигнал . Таким чином при реалізації конвеєрного принципу час обновлення управляючого сигналу дорівнює не сумарному часу обробки інформації на всіх етапах , а часу обробки інформації на найповільнішому з етапів , що суттєво впливає на підвищення швидкодії нечіткого контролера в цілому.

Запропоновано також підвищення швидкодії окремих етапів перетворення нечіткої інформації шляхом збільшення ступеня паралелізму в структурній організації нечітких контролерів, що іллюструється на прикладі етапу фаззифікації з трьома можливими рівнями паралелізму: всі вхідні сигнали для всіх лінгвістичних термів фаззифікуються одним ЦПНЛ почергово, фаззифікація кожного вхідного сигналу на всіх його термах здійснюється окремим ЦПНЛ (кількість ЦПНЛ відповідає числу вхідних сигналів n), фаззифікація здійснюється окремими ЦПНЛ для кожного вхідного сигналу та кожного відповідного терму (кількість ЦПНЛ відповідає значенню де - число термів j-го вхідного сигналу). Для першого рівня швидкодія процесів фаззифікації визначається часом , де - час визначення ступеня належності j-го вхідного сигналу до одного з лінгвістичних термів , n - число вхідних сигналів. Для другого рівня , а для третього - .Реалізація третього рівня паралелізації дозволяє скоротити загальний час фаззифікації нечіткого контролера, що визначається максимальним часом обчислення ступеня належності будь-якого вхідного сигналу до одного з лінгвістичних термів. На основі розглянутого підходу в розділі 4 також наведено синтезовані структури ЦПНЛ для інших етапів обробки нечіткої інформації. Водночас, підвищення ступеня паралелізму призводить до адекватного підвищення складності апаратної реалізації нечітких контролерів, а тому їх апаратна реалізація для конкретних задач управління є компромісом між швидкодією та складністю логічної структури.

Крім того, обгрунтовано, що серед всієї гамми апаратних платформ для реалізації ЦПНЛ та нечітких контролерів, що працюють в реальному часі, ПЛІС забезпечують найбільш широкі можливості щодо побудови паралельних обчислювальних структур та гнучкої зміни алгоритмів функціонування. Пропонується застосування мови опису апаратного забезпечення VHDL як високопродуктивного засобу автоматизованого проектування ЦПНЛ, що дозволяє здійснювати поведінкове моделювання в реальному часі та верифікацію розроблених ЦПНЛ, а також транслювати розроблені VHDL-моделі до відповідних логічних структур для апаратного синтезу на ПЛІС. Розроблені VHDL-моделі являються апаратно незалежними і забезпечують перенесення ЦПНЛ на різноманітні серії ПЛІС з мінімальним доопрацюванням.

Для апаратного синтезу цифрових пристроїв та імітаційного моделювання їх поведінки сформовано бібліотеку VHDL-моделей основних класів ЦПНЛ. Гамма універсальних та спеціалізованих елементів бібліотеки ЦПНЛ дозволяє синтезувати будь-яку структурну організацію нечітких контролерів та БНЛВ у відповідності до бажаного рівня паралелізації обчислювальних операцій та співвідношення "швидкодія / складність логічної структури". Один з розроблених варіантів (табл. 1) VHDL-моделі верхнього ієрархічного рівня нечіткого контролера з функціями

БНЛВ містить два структурні елементи, Antecedent та Defazzifier, що функціонують паралельно. Вигляд циклограми взаємодії ЦПНЛ та ієрархічних складових нечіткого контролера проілюстровано в табл. 1. Блок Antecedent розв'язує задачі фаззифікації вхідних сигналів, агрегації та активації нечітких правил. Етапи акумуляції та дефаззифікації поєднано в блоці Defazzifier. Паралелізація роботи забезпечується застосуванням конвеєрного підходу.

Внутрішня структура блоку Antecedent показана на рис. 4. Широкий клас розроблених ЦПНЛ та процеси їх взаємодії в нечітких контролерах протестовано шляхом імітаційного моделювання в середовищі Active-HDL, всі результати моделювання та VHDL-моделі наведені в розділі 4 та додатках дисертаційної роботи.

На основі бібліотеки VHDL-моделей розроблено нечіткий контролер Сугено-типу для управління нестаціонарними об'єктами, параметри яких змінюються в часі випадковим чином в межах певного діапазону (80%). Інтерфейс нечіткого контролера містить три 10-розрядні вхідні сигнали та вихідний 10-розрядний управляючий сигнал. На етапі навчання застосовувалися гаусівські ФН, а для підвищення швидкодії апаратна реалізація контролера здійснена на основі алгоритму (5) трансформації до трикутних ФН. Результати моделювання підтверджують, що інтегральні показники якості управління системи після трансформації ФН знаходяться в допустимих межах. Наводяться результати порівняльного аналізу ефективності ПІД-регуляторів та нечітких контролерів для управління нестаціонарними об'єктами, що показують переваги останніх при широких діапазонах зміни параметрів об'єктів керування.

У п'ятому розділі на основі розроблених VHDL-моделей і методів підвищення швидкодії та точності ЦПНЛ синтезовано ряд БНЛВ Мамдані-типу для систем підтримки прийняття рішень з урахуванням якісного характеру вхідної інформації та умов невизначеності. Зокрема, запропонований метод фаззифікації якісних сигналів покладено в основу пристроїв фаззифікації в БНЛВ для прогнозування втрати судном остійності, а також для БНЛВ попереднього аналізу умов входження судна у вузькість чи протоку з урахуванням погодних умов, фізичного стану екіпажу та ін. Розроблений метод дефаззифікації мультимодальних результуючих ФН застосовано при синтезі модуля нечіткого логічного висновку експертної системи визначення критичної дистанції маневрування судна в реальному часі, розробленої для класу суден довжиною 50-70 м з площею руля 5,8 м2. Синтезовані в роботі алгоритми дефаззифікації кількісних сигналів із змінним кроком дискретизації результуючої ФН застосовано в системі багатофакторного ранжування абітурієнтів, що враховує нечіткість вхідної інформації та критеріїв оцінювання. Крім того, на базі VHDL-моделей з реалізацією Сугено-алгоритму обчислення вихідних сигналів синтезовано нечіткі 12-розрядні апроксиматори складних нелінійних залежностей, що застосовуються в системах управління асинхронними електроприводами.



Загальні висновки

Шляхом аналізу об'єкта досліджень встановлено, що підвищення швидкодії та точності цифрових пристроїв для перетворення і обробки нечіткої інформації призводить до адекватного підвищення ефективності функціонуючих в реальному часі систем управління. Запропоновані методи синтезу алгоритмів функціонування цифрових пристроїв з нечіткою логікою та шляхи удосконалення структурної організації нечітких контролерів складають основу розробок швидкодіючих регуляторів, ідентифікаторів та апроксиматорів з підвищеними метрологічними показниками при необхідності управління об'єктами, моделі та умови функціонування яких характеризуються високим ступенем невизначеності інформації.

Отримано наступні результати та висновки:

1. Розроблено та обґрунтовано метод синтезу цифрових пристроїв з нечіткою логікою на основі технології символьних обчислень, що забезпечує підвищену швидкодію та точність фаззифікації якісних вхідних сигналів з функціями належності трикутної та гаусівської форм за рахунок апріорного формування аналітичних залежностей для визначення точок перетину ФН вхідних нечітких сигналів та лінгвістичних термів.

2. Розроблено метод синтезу ЦПНЛ для фаззифікації кількісних координат, що дозволяє на етапі проектування застосовувати неперервні та диференційовані функції належності гаусівської та дзвоноподібної форм, а при апаратній реалізації, відповідно, переходити до функцій належності трикутної та трапецієвидної форм з мінімізацією їх розугодження.

3. Розроблено метод синтезу цифрових пристроїв для дефаззифікації вихідних сигналів нечітких контролерів на основі декомпозиції результуючої функції належності для визначення змінних кроків дискретизації, що дає змогу суттєво знизити кількість ітерацій обчислювального процесу.

4. Розроблено метод дефаззифікації мультимодальних функцій належності, що забезпечує формування вихідного сигналу із близьким до максимального значенням ФН згідно апріорного настроювання коефіцієнта переваги, дозволяє уникнути осциляції між модами результуючої ФН та забезпечує передачу переваги іншій моді при перевищенні значення критичного відхилення між максимумами мод.

5. Запропоновано методологію синтезу структурної організації нечітких контролерів з функціями блоків нечіткого логічного висновку, що забезпечує підвищення їх швидкодії за рахунок застосування конвеєрного підходу та з урахуванням бажаного відношення "швидкодія/складність логічної структури" на основі цифрових пристроїв перетворення нечіткої інформації. Сформовано бібліотеки універсальних та спеціалізованих VHDL-моделей для імітаційного моделювання, тестування та верифікації цифрових пристроїв з нечіткою логікою та апаратного синтезу нечітких контролерів для імплементації в програмованих логічних інтегральних схемах.

6. На основі синтезованих схемотехнічних рішень та структур ЦПНЛ і нечітких контролерів розроблено системи управління і СППР для розв'язання задач управління морськими рухомими об'єктами в умовах невизначеності та ін. Для управління нестаціонарними об'єктами синтезовано нечіткий контролер на основі ЦПНЛ типу Такагі-Сугено, що забезпечує ефективне управління в широкому діапазоні зміни параметрів нестаціонарних об'єктів.

7. Результати дисертаційних досліджень стосовно розробки методів синтезу та алгоритмів ЦПНЛ та нечітких контролерів, програмно-алгоритмічне забезпечення, зокрема VHDL-моделі, алгоритми формування та прийняття рішень в умовах невизначеності впроваджені в морській бункерувальній компанії "Нафтасервіс" для танкера "Алюміній", Державному підприємстві "Науково-виробничий комплекс газотурбобудування "Зоря - Машроект" та в навчальному процесі Українського державного морського технічного університету та Миколаївської філії Національного університету "Києво-Могилянська академія".



Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Кондратенко Ю.П., Сидоренко С.А., Підопригора Д.М. Поведінковий синтез цифрових пристроїв у середовищі Active-HDL. - Миколаїв: Вид-во МФ НаУКМА, 2002. - 116 с.

2. Кондратенко Ю.П., Сидоренко С.А. Методи синтезу нечітких контролерів для підвищення швидкодії та точності процесів формування управляючих сигналів // Збірник наукових праць УДМТУ. - Миколаїв. - 2002. - Вип. 1 (379). - С. 121-129.

3. Кондратенко Ю.П., Сидоренко С.А. Пристрої з нечіткою логікою для автоматизації процесів підтримки прийняття рішень при проходженні суден у вузькостях та протоках // Збірник наукових праць УДМТУ. - Миколаїв. - 2001. - Вип. 5. - С. 124-134.

4. Кондратенко Ю.П., Сидоренко С.А. Методи проектування нечітких пристроїв прийняття рішень на основі програмованих логічних ІМС // Наукові записки НаУКМА. - Київ. - 2000. - Т. 18, ч. 2. - С. 401-412.

5. Кондратенко Ю.П., Сидоренко С.А. Сучасні інформаційні технології для задач автоматизованого проектування цифрових пристроїв // Вісник ХДТУ. - Херсон. - 2000. - №1(7). - С. 229-235.

6. Кондратенко Ю.П., Сидоренко С.А. Синтез нечітких алгоритмів для апроксимації, ідентифікації та управління в реальному часі // Праці Міжнародної конференції з управління “АВТОМАТИКА - 2000”. - Львів. - 2000. - С. 121-126.

7. Кондратенко Ю.П., Сидоренко С.А. Структурно-алгоритмічна організація суднової ЛМС для автоматизованого прийняття рішень в екстремальних ситуаціях // Праці Одеського політехнічного університету. - Одеса. - 1999. - Вип. 2. - С. 174-178.

8. Кондратенко Ю.П., Сидоренко С.А. Системи підтримки прийняття рішень на основі пристроїв з нечіткою логікою // Збірник наукових праць УДМТУ. - Миколаїв. - 1999. - Вип. 4. - С. 125-134.

9. Сидоренко С.А. Синтез пристроїв з нечіткою логікою // Матеріали Міжнародної конференції з управління "АВТОМАТИКА - 2001". - ОНПУ, Одеса. - 2001. - Т.2. - С. 116-117.

10. Kondratenko Y.P., Sydorenko S.A. Fuzzy inference devices of expert system for estimation of critical maneuvering distance and navigator's modelling // Proc. of Intern. Conference on Modelling and Simulation MS'2001. - Lviv, Ukraine. - 2001. - P.110-111.

11. Кондратенко Ю.П., Сидоренко С.А. Нечіткий адаптивний Сугено-контролер для управління нестаціонарними об'єктами // Матеріали Міжнародної конференції з управління "АВТОМАТИКА - 2001". - ОНПУ, Одеса. - 2001. - Т.2. - C. 99-100.

12. Сидоренко С.А., Кондратенко Г.В., Полторак К. Імітаційне моделювання нечітких алгоритмів для формування характеристик нелінійних функціональних перетворень. // Proc. of 4-th Intern. Modelling School of AMSE-UAPL. - Rzeszov, Poland. - 2000. - С. 233-236.

13. Kondratenko Y.P., Romanovsky G.F., Sidorenko S.A., Pidopryhora D.M. Man-Machine System for Control of Ship Behaviour in Emergency Conditions // Proc. of Int. Conf. “Human Factors in Ship Design & Operation”, Royal Institute of Naval Architects. - London. - 2000.- P. 1-12

14. Сидоренко С.А. Применение концентрации и деконцентрации функций принадлежности для учета степени нечеткости входных координат // Проблемы автоматизации технических объектов и технологических процессов в машиностроении, энергетике и на транспорте. Материалы межд. конф. - Севастополь. - 1999. - С. 20.

15. Kondratenko Y.P., Sidorenko S.A. Fuzzy Models for Forecasting of Vessel's Stability in Extreme Conditions // Thesis of Conf. Reports of Int. Conf. "Dynamical Systems Modeling and Stability Investigation". - Kyjiv. - 1999. - Р. 84.

16. Кондратенко Ю.П., Сидоренко С.А. Програмно-алгоритмічне забезпечення комп'ютеризованих систем технічної діагностики і прогнозування поведінки складних технічних об'єктів // IV Всеукр. Міжн. конф. “Оброблення сигналів і зображень та розпізнавання образів”. - Київ. - 1998. - С. 125-126.

17. Сидоренко С.А. Методи нечіткої логіки для технічної діагностики суден // "Проблеми суднобудування: стан, ідеї, рішення", Мат. міжн. симп. - Миколаїв, Україна. - 1997. - C. 227-228.



Анотація

Сидоренко С.А. Методи і засоби підвищення швидкодії та точності цифрових пристроїв на нечіткій логіці. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.05 - Елементи та пристрої обчислювальної техніки та систем керування. - Одеський національний політехнічний університет, Одеса, 2002.

Дисертація присвячена розробці методів і засобів підвищення швидкодії та точності цифрових пристроїв на нечіткій логіці (ЦПНЛ) для розширення області ефективного застосування нечітких систем управління об'єктами в умовах невизначеності. Розроблено методи синтезу ЦПНЛ що забезпечують: підвищену швидкодію та точність фаззифікації якісних сигналів з функціями належності трикутної та гаусівської форм; прискорену фаззифікацію кількісних сигналів на основі перетворення функцій належності гаусівської форми до трикутної, дзвоноподібної форми до трапецієвидної; прискорену дефаззифікацію на основі декомпозиції функцій належності та використання змінного кроку дискретизації; дефаззифікацію мультимодальних функцій належності. Розроблено бібліотеку універсальних VHDL-моделей для апаратного синтезу на основі програмованої логіки, імітаційного моделювання, тестування та верифікації ЦПНЛ.

Ключові слова: цифрові пристрої, нечітка логіка, швидкодія, точність, системи управління, програмована логіка, VHDL-моделі



Аннотация

Сидоренко С.А. Методы и средства повышения быстродействия и точности цифровых устройств на нечеткой логике. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления. - Одесский национальный политехнический университет, Одесса, 2002.

Автоматизация процессов принятия решений и управление сложными многосвязными объектами в условиях неопределенности связана с отсутствием достаточно полных априорных данных, а также с необходимостью применения методов и средств, снижающих степень неопределенности входной информации. Одним из возможных путей формализации неопределенностей и построения высокоэффективных систем управления и систем поддержки принятия решений является применение теории нечеткой логики и нечетких множеств, математический аппарат которой составляет основу синтеза базовых элементов нечетких систем управления - нечетких контроллеров с функциями блоков нечеткого логического вывода. Нечеткие контроллеры способны формировать управляющие и информационные сигналы на основе стратегий, заданных лингвистическими базами правил, при входных информационных сигналах количественного и качественного характера. Нечеткие контроллеры формируются на основе иерархических структур, каждый из иерархических уровней которых состоит из отдельных элементов и устройств, предназначенных для реализации соответствующих этапов преобразования и обработки нечеткой информации.

Целью диссертационной работы является разработка и усовершенствование методов и средств синтеза алгоритмов функционирования и схемотехнических решений цифровых устройств на нечеткой логике, обеспечивающих повышение эффективности систем управления в условиях неопределенности. Диссертационные исследования направлены на расширение класса объектов, для которых нечеткие контроллеры способны эффективно решать задачи управления и принятия решений в реальном времени.

Для достижения поставленной цели проведен анализ и выявлены пути и резервы повышения быстродействия и точности цифровых устройств обработки и преобразования нечеткой информации, углублены теоретические и методологические основы разработки методов и средств синтеза цифровых устройств с нечеткой логикой. Новыми научными результатами являются: метод синтеза цифровых устройств с нечеткой логикой на основе технологии символьных вычислений, обеспечивающий повышенное быстродействие и точность фаззификации качественных входных сигналов за счет априорного формирования аналитических зависимостей для определения параметров пересечения функций принадлежности входных качественных сигналов и функций принадлежности лингвистических термов; метод синтеза устройств для фаззификации количественных входных сигналов, обеспечивающий уменьшение общего числа вычислительных операций с ускорением процессов фаззификации путем преобразования функций принадлежности гауссовой и треугольной форм и функций принадлежности колоколообразной и трапециидальной форм с минимизацией их рассогласования, причем гауссовские и колоколообразные функции принадлежности используются на этапе проектирования, а треугольные и трапециидальные - на этапе аппаратной реализации цифровых устройств; метод синтеза цифровых устройств для ускоренной дефаззификации сигналов нечетких контроллеров на основе декомпозиции результирующей функции принадлежности, позволяющей существенно уменьшить общее количество итераций вычислительного процесса за счет использования переменного шага дискретизации, который вычисляется в реальном времени самим устройством дефаззификации; метод синтеза устройств для дефаззификации мультимодальных функций принадлежности, который обеспечивает формирование выходного сигнала с близким к максимальному значением функции принадлежности в соответствии с априорной настройкой коэффициента предпочтения, позволяет избежать появления осцилляций между модами функции принадлежности и обеспечивает передачу предпочтения другой моде при превышении значения критического отклонения между максимумами мод; библиотека VHDL-моделей для имитационного моделирования, тестирования и верификации цифровых устройств с нечеткой логикой в среде Active-HDL, а также для их аппаратного синтеза на основе программируемых логических интегральных схем.

Предложенные методы синтеза алгоритмов функционирования цифровых устройств с нечеткой логикой и пути усовершенствования структурной организации нечетких контроллеров могут быть положены в основу разработок быстродействующих регуляторов, идентификаторов и аппроксиматоров с повышенными метрологическими показателями при необходимости управления в реальном времени объектами, модели и условия функционирования которых характеризуются высоким уровнем неопределенности информации.

Алгоритмы функционирования устройств обработки нечеткой информации и их поведенческие модели положены в основу программного комплекса для прогнозирования и текущей диагностики возникновения опасности потери судном остойчивости, внедренного на танкере “Алюминий” грузоподъемностью 1500 т. Методика разработки схемотехнических решении и алгоритмов функционирования нечетких контроллеров Сугено-типа внедрена на Государственном предприятии "Научно-производственный комплекс газотурбостроения "Заря - Машпроект". Основные положения, выводы и рекомендации, изложенные в диссертации, используются в учебном процессе Украинского государственного морского технического университета и Николаевского филиала Национального университета "Киево-Могилянская академия".

Ключевые слова: цифровые устройства, нечеткая логика, быстродействие, точность, системы управления, программируемая логика, VHDL-модели



Annotation

Sydorenko S.A. The methods and facilities for increasing operation speed and accuracy of fuzzy logic devices. - Manuscript.

The thesis for obtained the scientific degree of the candidate of technical science on the speiality 05.13.05 - Elemets and devices of the computers and control systems. - Odessa national politechnical university, Odessa, 2002.

The thesis is devoted to the problems of the methods and facilities for increasing operation speed and accuracy of digital fuzzy logic devices DFLD. Solving of these problems would let greatly enlarge the using area of the fuzzy control systems for objects in uncertain conditions. The methods of the DFLD' synthesis are designed for follows: rapid operation speed and accuracy of the qualitative signals fuzzyfication which are formalized by the gaussian and triangle membership function; rapid fuzzyfication of the quantitative signals by the way of transformation of the membership functions with gaussian shape to triangular shape and with bell shape to trapezoidal shape; defuzzyfication of the multimodal membership functions. For the hardware implementation of the synthesized devices the libraries of the VHDL models were designed. Libraries are used to hardware synthesis with PLD, simulation, testing and verification of the digital fuzzy logic devices.

Keywords: digital devices, fuzzy logic, operational speed, accuracy, control systems, PLD, VHDL model.

Размещено на Allbest.ru