Система автоматичного керування швидкістю руху підводного апарата на базі штучних нейронних мереж з еталонною моделлю

Номер патенту: 110179

Опубліковано: 25.11.2015

Автор: Блінцов Сергій Володимирович

Завантажити PDF файл.

Формула / Реферат

Система автоматичного керування швидкістю руху підводного апарата на базі штучних нейронних мереж з еталонною моделлю, яка містить задавач вхідного сигналу, датчик швидкості, послідовно з'єднані силовий перетворювач, електродвигун з гребним гвинтом, а також підводний апарат як об'єкт керування, яка відрізняється тим, що до неї додатково введено перший блок затримки вихідного сигналу, зв'язаний з датчиком швидкості, другий блок затримки вихідного сигналу, зв'язаний з першим блоком затримки і обчислювач, який зв'язаний входами з датчиком швидкості, першим і другим блоками затримки вихідного сигналу та задавачем вхідного сигналу, а виходом - з силовим перетворювачем і оснащений програмою на базі штучних нейронних мереж, яка попередньо навчена відтворювати в сукупності з об'єктом динаміку еталонної моделі.

Текст

Дивитися

Реферат: Винахід належить до галузі суднобудування і може бути застосований на підводних апаратах, які застосовують як рушій для переміщення по деякій осі координат гребний гвинт з електричним приводом, та до яких висуваються вимоги високої швидкодії і точності керування швидкістю руху. Система автоматичного керування швидкістю руху підводного апарата на базі штучних нейронних мереж з еталонною моделлю, яка містить задавач вхідного сигналу, датчик швидкості, послідовно з'єднані силовий перетворювач, електродвигун з гребним гвинтом, а також ПА як об'єкт керування, яка відрізняється тим, що до неї додатково введено перший блок затримки вихідного сигналу, зв'язаний з датчиком швидкості, другий блок затримки вихідного сигналу, зв'язаний з першим блоком затримки і обчислювач, зв'язаний входами з датчиком швидкості, першим і другим блоками затримки вихідного сигналу та задавачем вхідного сигналу, а виходом - з силовим перетворювачем і оснащений програмою на базі штучних нейронних мереж, яка попередньо навчена відтворювати в сукупності з об'єктом динаміку еталонної моделі. Технічним результатом що досягається даним винаходом, є підвищення точності відтворення динаміки еталонної моделі, оскільки всі нелінійності об'єкта враховуються не шляхом математичного моделювання, а на основі даних, отриманих експериментально безпосередньо з об'єкта, спрощення визначення параметрів підводного апарата. UA 110179 C2 (12) UA 110179 C2 UA 110179 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до галузі суднобудування і може бути застосований на підводних апаратах (ПА), які використовують як рушій для переміщення по деякій осі координат (горизонтальний, вертикальний або лаговий рух) гребний гвинт з електричним приводом, та до яких висуваються вимоги високої точності керування швидкістю руху в умовах невизначеності параметрів ПА. Відомо про систему автоматичного керування швидкістю руху підводного апарата по одній осі координат [Блінцов СВ., патент UA 101201 С2, опубл. 11.03.2001]. Такий пристрій містить задавач вхідного сигналу, датчики швидкості й частоти обертання гребного гвинта, апроксиматор залежності приросту швидкості і прискорення руху ПА від його поточного стану та значень керуючого сигналу, зв'язаний з датчиками швидкості й частоти обертання гребного гвинта і оснащений програмою на базі штучних нейронних мереж, яка апроксимує вказану залежність на основі попередньо отриманих даних по швидкості і прискоренню підводного апарата, частоті обертання гребного гвинта та значеннях керуючої напруги, обчислювач керуючого сигналу, входи якого зв'язані з апроксиматором, датчиком швидкості і задавачем вхідного сигналу, а вихід - з силовим перетворювачем, послідовно з'єднані силовий перетворювач, електродвигун, гребний гвинт, а також ПА як об'єкт керування. Така система керування може бути синтезована в умовах невизначеності параметрів математичної моделі ПА, але вона потребує складних попередніх експериментів по отриманню необхідних даних для настроювання нейронних мереж. Найбільш близьким аналогом є пристрій для керування підводним роботом [Лебедев А.В., Филаретов В.Φ., патент RU 2230654, опубл. 20.06.2004]. Такий пристрій містить три суматора, причому другий і третій суматори по входах з'єднані з першим і другим задавачами відповідно, послідовно з'єднані перший блок множення і перший суматор, послідовно з'єднані підсилювач і рушій, з'єднаний безпосередньо з датчиком швидкості, а також перший блок обчислення модуля, причому вихід датчика швидкості з'єднаний з першим входом першого блока множення, входом першого блока обчислення модуля і другим входом першого суматора, вихід першого блока обчислення модуля з'єднаний з другим входом першого блока множення, послідовно з'єднані інтегратор, четвертий суматор, перший релейний елемент і другий блок множення, другий вхід якого підключений до виходу третього суматора, а вихід - до третього входу першого суматора, послідовно з'єднані другий блок обчислення модуля, блок обчислення квадратного кореня і третій блок множення, своїм виходом з'єднаний з входом підсилювача, а другим входом через другий релейний елемент, підключений до входу другого блоку обчислення модуля і до виходу першого суматора, четвертий вхід якого з'єднаний з виходом першого задавача, причому другий вхід третього суматора через квадратор підключений до виходу датчика швидкості і другого входу четвертого суматора, а його третій вхід через третій блок обчислення модуля підключений до входу інтегратора і до виходу другого суматора, своїм другим входом з'єднаного з виходом інтегратора. У вказаному пристрої досягається відповідність динаміки об'єкта до еталонної моделі у вигляді аперіодичної ланки, при цьому закон формування сигналу самонастройки базується на математичній моделі об'єкта. Основною проблемою є складність визначення параметрів моделі на практиці, що унеможливлює синтез такої системи керування в умовах невизначеності цих параметрів. Крім того, за основу прийнято модель першого порядку, тобто за умови безінерційності системи "електродвигун - редуктор - валопровід - гребний гвинт", що обмежує використання такого пристрою. Ставиться задача удосконалення системи автоматичного керування швидкістю руху підводного апарата шляхом додаткового введення елементів обчислення керуючого впливу на електродвигун гребного гвинта, які не потребують спеціальних даних для настроювання, що приводить до спрощення системи керування, можливості її синтезу в умовах невизначеності параметрів математичної моделі ПА, підвищення якості керування швидкістю руху ПА. Поставлена задача вирішується тим, що в системі автоматичного керування швидкістю руху, яка містить задавач вхідного сигналу, датчик швидкості руху ПА, послідовно з'єднані силовий перетворювач, електродвигун з гребним гвинтом, а також ПА як об'єкт керування, відповідно до винаходу додатково введено перший блок затримки вихідного сигналу, зв'язаний з датчиком швидкості, другий блок затримки вихідного сигналу, зв'язаний з першим блоком затримки і обчислювач, зв'язаний входами з датчиком швидкості, першим і другим блоками затримки вихідного сигналу та задавачем вхідного сигналу, а виходом - з силовим перетворювачем і постачений програмою на базі штучних нейронних мереж, яка попередньо навчена відтворювати в сукупності з об'єктом динаміку еталонної моделі. Суть пропозиції полягає в наступному. На попередньому етапі синтезу системи керування необхідно провести експеримент та отримати навчальну вибірку. Для цього протягом деякого 1 UA 110179 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 часу (до 100-200 с) на вхід об'єкта подається керуючий сигнал, який являє собою сходинки випадкової величини (з допустимого діапазону керування) та випадкової довжини (в діапазоні від 1 до 10 секунд). При цьому запам'ятовуються вхідна та вихідна координати (керуюча напруга та швидкість руху, відповідно) з інтервалом часу 0,01 с. Подальший синтез виконується на базі персонального комп'ютера (ПК). Експериментальні дані використовуються для навчання штучної нейронної мережі (ШНМ), алгоритми роботи таких мереж відомі та описані в літературі (Круглов В.В., Борисов В.В. Искусственные нейронные сети. Теория и практика. - М.: "Горячая линия - Телеком", 2002. - с. 10-20, с. 9-134 [1]). Після навчання ця ШНМ являє собою модель об'єкта керування (ШНМ-модель). Наступним кроком формується навчальна вибірка (шляхом моделювання на ПК), яка описує динаміку еталонної моделі, в якості якої зазвичай приймається аперіодична ланка. На неї також подається східчастий сигнал з випадковими значеннями амплітуди та довжини і запам'ятовуються відповідні значення входу та виходу. Ці дані використовуються для навчання іншої мережі - ШНМ-контролера. При цьому ШНМ-контролер та ШНМ-модель з'єднані послідовно, і навчання першого відбувається таким чином, щоб вхід-вихід системи "ШНМ-контролер - ШНМ-модель" відповідав входу-виходу еталонної моделі. Для цього використовується алгоритм динамічного зворотного розповсюдження похибки (Hagan, Μ.Т., О. De Jesus, Schultz R. Training Recurrent Networks for Filtering and Control // Recurrent Neural Networks: Design and Applications, L. Medsker and L.C. Jain, Eds., CRC Press, 2001, pp. 327-340. [2]). Таким чином, після навчання ШНМ-контролер буде генерувати такий сигнал, що система "ШНМ-контролер - об'єкт керування" буде відтворювати динаміку еталонної моделі. Після чого параметри ШНМ-контролера прописуються в апаратну нейронну мережу в складі системи керування, і вона готова до роботи. Структурна схема пропонованої системи показана на рисунку. Система автоматичного керування швидкістю руху ПА на базі штучних нейронних мереж з еталонною моделлю містить: послідовно з'єднані силовий перетворювач 1, виходом якого є напруга живлення U електродвигуна 2, електродвигун з гребним гвинтом 2, що розвиває упор Т, підводний апарат 3 як об'єкт керування; датчик 4 швидкості руху ПА по даній осі, зв'язаний з корпусом підводного апарату 3; перший блок затримки вихідного сигналу 5, зв'язаний з датчиком швидкості 4; другий блок затримки вихідного сигналу 6, зв'язаний з першим блоком затримки 5; обчислювач 7, зв'язаний входами з датчиком швидкості 4, першим 5 і другим 6 блоками затримки вихідного сигналу та задавачем вхідного сигналу 8, а виходом - з силовим перетворювачем 1 та оснащений програмою на базі штучних нейронних мереж; задавач вхідного сигналу 8, вихід якого зв'язаний з обчислювачем 7 і який задає значення швидкості ПА згідно з програмою руху. Обчислювач 7 може бути реалізований програмно на базі ЕОМ або загально відомих мікроконтролерів (Motorola, Intel, РІС-контролери). Пропонована система працює наступним чином. З інтервалом часу tc система керування опитує датчик 4. Цей сигнал, а також сигнали з блоків затримки 5 і 6, які виконують затримку сигналу на інтервал часу tc для врахування динаміки об'єкта, надходять до обчислювача 7, який являє собою ШНМ-контролер. Він генерує сигнал керування, який вже подається на силовий перетворювач і далі на електродвигун з гребним гвинтом протягом наступного інтервалу часу tC. Таким чином, вирішується задача побудови системи керування з еталонною моделлю для істотно нелінійного об'єкта - підводного апарата в умовах невизначеності його параметрів на основі лише експериментальних даних. При цьому сам експеримент по отриманню даних є дуже простим та таким, що легко реалізується. Крім того, забезпечується висока точність відтворення динаміки еталонної моделі, оскільки всі нелінійності об'єкта враховуються не шляхом математичного моделювання, а на основі даних, отриманих експериментально безпосередньо з об'єкта. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 50 55 60 Система автоматичного керування швидкістю руху підводного апарата на базі штучних нейронних мереж з еталонною моделлю, яка містить задавач вхідного сигналу, датчик швидкості, послідовно з'єднані силовий перетворювач, електродвигун з гребним гвинтом, а також підводний апарат як об'єкт керування, яка відрізняється тим, що до неї додатково введено перший блок затримки вихідного сигналу, зв'язаний з датчиком швидкості, другий блок затримки вихідного сигналу, зв'язаний з першим блоком затримки і обчислювач, який зв'язаний входами з датчиком швидкості, першим і другим блоками затримки вихідного сигналу та задавачем вхідного сигналу, а виходом - з силовим перетворювачем і оснащений програмою на базі штучних нейронних мереж, яка попередньо навчена відтворювати в сукупності з об'єктом динаміку еталонної моделі. 2 UA 110179 C2 Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3

Додаткова інформація

Назва патенту англійською

Automatic system of speed control of underwater vehicle based on artificial neural networks with reference model

Автори англійською

Blintsov Serhii Volodymyrovych

Назва патенту російською

Система автоматического управления скоростью движения подводного аппарата на базе искусственных нейронных сетей с эталонной моделью

Автори російською

Блинцов Сергей Владимирович

МПК / Мітки

МПК: G05B 13/00, G05D 1/02, G06N 3/02, G06F 15/18, B63H 21/21

Мітки: руху, мереж, автоматичного, швидкістю, система, штучних, базі, керування, еталонною, моделлю, підводного, нейронних, апарата

Код посилання

<a href="http://uapatents.com/5-110179-sistema-avtomatichnogo-keruvannya-shvidkistyu-rukhu-pidvodnogo-aparata-na-bazi-shtuchnikh-nejjronnikh-merezh-z-etalonnoyu-modellyu.html" target="_blank" rel="follow" title="База патентів України">Система автоматичного керування швидкістю руху підводного апарата на базі штучних нейронних мереж з еталонною моделлю</a>

Подібні патенти