Magnetic Levitation Control 1 Princip procesu magnetické

Magnetic Levitation Control
Magnetic Levitation Control (MagLev) je specializovaný software pro řı́zenı́
procesu magnetické levitace na zařı́zenı́ Magnetic Levitation Model CE152 vytvořeném
společnostı́ HUMUSOFT. Řı́zenı́ je založeno nepřesného popisu situace pomocı́ jazykově formulovaných fuzzy IF-THEN pravidel. To umožnuje navrhovat
řı́zenı́ procesu bez znalosti přesného matematického modelu a fyzikálnı́ch konstant zařı́zenı́, pouze na zakladě hrubé znalosti principu magnetické levitace.
Tento software využı́vá výpočetnı́ho jádra softwaru LFLC 2000 a báze pravidel
vytvořené v LFLC 2000. Vstupy jsou brány s PCI karty MF624 dodávané s
zařı́zenı́m Magnetic Levitation Model CE152.
1
Princip procesu magnetické levitace
Hlavnı́ část zařı́zenı́ pro magnetickou levitaci
Když cı́vkou s jádrem a) procházı́ proud vzniká elektromagnetické pole.
Toto elektromagnetické pole působı́ na ocelovou kuličku b) a pokud je jeho sı́la
většı́ než sı́la gravičačnı́ je kulička zvedána k jádru cı́vky. Jestliže je kulička v
pohybu vstupuje do procesu kinetická energie kuličky působı́cı́ ve směru jakým
se kulička pohybuje. Tento proces je velmi nestabilnı́ protože jakmile přesáhnou
sı́ly působı́cı́ směrem vzhůru kulička se začně pohybovat směrem k cı́vce, tı́m
se dostává do silnějšı́ho elektromagnetického pole a zrychluje tak směrem k
cı́vce. Obdobně zrychluje kulička směrem dolů převážı́-li sı́la gravitace. Poloha
1
kuličky je snı́mána senzorem c). Řı́zenı́ procesu se provádı́ pomocı́ ovládánı́
napětı́ přiváděného do obvodu.
2
Fuzzy IF-THEN pravidla s jazykovými proměnnými
Přı́klad fuzzy IF-THEN pravidla s jazykovými proměnnými:
Slovnı́ zápis pravidla:
IF pozice kuličky je blı́zko nad AND rychlost je malá dolů THEN napětı́
zvýšı́me o velmi málo
Totéž pravidlo symbolicky v LFLC 2000:
IF E je +sm AND dE je -sm THEN dU je +ve sm
Výrazy ”pozice kuličky”, ”rychlost” a ”napětı́” jsou proměnné zatı́mco ”blı́zko
nad”, ”malá dolů” a ”zvýšı́me o velmi málo” jsou výrazy vágně charakterizujı́cı́
význam proměnných.
Tento způsob zápisu umožnuje vytvořit bázi pravidel i uživateli jenž nemá
žádné znalosti o fuzzy množinách.
3
Práce se softwarem MagLev
Prvnı́m krokem je volba báze pravidel. Můžete použı́t testovacı́ bázi ”test ML.rb”,
nebo si v softwaru LFLC 2000 vytvořit vlastnı́. K načtenı́ báze sloužı́ tlačı́tko
d) Load ....
Následuje zvolenı́ časové prodlevy mezi jednotlivými akčnı́mi zásahy g).
Maximálnı́ prodleva mezi akčnı́mi zásahy pro kterou lze tento proces regulovat je 1ms.
V přı́padě použitı́ nové báze je třeba správně nastavit kontexty veličin f ) (Co
pro vás znamenajı́ výrazy ”velký”, ”malý” v přı́padě jednotlivých proměnných).
Napřı́klad pokud odchylku pro odchylku od požadované pozice E zadáme
kontext 3 znamená to, že všechny hodnoty E ≥ 0.94 ∗ 3 budou brány jako ”velké
kladné” (+bi) a pro chovánı́ výstupu se zvolı́ pravidlo jenž má E = +bi, hodnoty
v rozmezı́ 0.94 ∗ 3 > E > 0.44 ∗ 3 již nejsou zcela velké (stupeň pravdivosti toho,
že E je velké v tomto intervalu klesá k nule), a proto se pravidlo E = +bi může
uplatnit jen menšı́ silou, pro E ≤ 0.44 ∗ 3 nemajı́ pravidla s hodnotou E = +bi
žádný efekt. Je to dáno tı́m jak je definován výraz +bi v softwaru LFLC 2000
kde najdete i ostatnı́ standardnı́ výrazy.
2
Definovánı́ výrazu +bi v softwaru LFLC 2000
Tyto kontexty se samozřejmě dajı́ nastavit přı́mo při vytvářenı́ báze pravidel
v LFLC 2000, ale ponechánı́ standartnı́ho kontextu [0, 1] respektive [−1, 1] pro
náš přı́pad (Všechny tři proměnné mohou dosahovat jak kladných tak záporných
hodnot) a určenı́m kontextu až pro konkrétnı́ aplikaci, umožnı́me širšı́ využitı́
jedné báze pravidel.
Pozor! Protože náš akčnı́ zásah je změna hodnoty napětı́ a ne jeho nastavenı́
na určitou úroveň, kontext dU je závislý na časové prodlevě mezi jednotlivými
zásahy. Proto akčnı́ zásahy které uvidı́te v tabulce procesu k) majı́ velikost jako
by kontext pro dU byl vynásoben časovou prodlevou v milisekundách. Pro náš
testovacı́ přı́pad to znamená 1.7 ∗ 0.4 = 0.68.
Dalšı́m krokem je zvolenı́ požadované pozice kuličky h). Pozor v tomto
přı́padě je nemožné proces regulovat pokud zvolı́te pozici přı́liš blı́zko cı́vce!
Testovacı́ báze pravidel je nastavena pro Setpoint v okolı́ hodnoty 2.
Nynı́ již zbývá jen spustit proces magnetické levitace. Klikněte na tlačı́tko
Get Ready i), tlačı́tko se změnı́ na Start počkejte až se ocelová kulička ustálı́ pod
cı́vkou a klikněte na něj znovu, tlačı́tko se změnı́ na Stop a ocelová kulička začne
levitovat v požadované pozici. Pokud nejste s průběhem spokojeni stiskněne
tlačı́tko Stop a prohlédněte si průběh kdy se kulička zachovala jinak než podle
vašich představ a jaká pravidla se zde uplatnila toto pravidlo pak upravte po3
dle potřeby a spusťte proces znovu. Zlepšenı́ regulace můžete také dosáhnout
drobnou změnou některého kontextu.
4
Popis okna softwaru MagLev
okno
MagLev před spuštěnı́m regulace
• d) Tlačı́tko Load ... sloužı́ k načtenı́ báze pravidel
• e) Tlačı́tko Context otevı́rá okno kontextů f )
• f ) Možnost změny nastavenı́ kontextů pro jednotlivé proměnné
• g) Prodleva mezi jednotlivými akčnı́mi zásahy
• h) Možnost nastavenı́ požadované pozice ocelové kuličky
• i) Tlačı́tko Get Ready/Start/Stop spouštı́ a zastavuje proces
4
• j) Tlačı́tko Save As ... sloužı́ k uloženı́ aktuálnı́ho nastavenı́ včetně
průběhu poslednı́ho procesu
okno
MagLev po ukončenı́ procesu
• k) Tabulka hodnot naměřených a vypočı́taných během řı́zenı́ procesu. Set
Point: požadovaná pozice kuličky; y: aktuálnı́ pozice kuličky; E : odchylka
od požadované pozice; dE : rychlost kuličky (rozdı́l průměru pozice kuličky
v předchozı́ch šesti měřenı́ch a průměru předchozı́ch dvou měřenı́ včetně
aktuálnı́ho); current: proud v cı́vce; dU : změna akčnı́ho zásahu (o kolik
máme zvýšit nebo snı́žit napětı́); U (action): velikost přiváděného napětı́,
řı́dı́cı́ veličina; Rule: čı́slo uplatněného pravidla z báze; Context Factor :
pouze v přı́padě kdy docházı́ ke změně kontextu v průběhu procesu
• l) Adresa aktuálně použı́vané báze pravidel
• m) Křivka proudu (modrá)
• n) Křivka napětı́ (červená)
5
• o) Požadovaná pozice kuličky (zelená)
• p) Pozice kuličky v jednotlivých měřenı́ch, odlišné barvy představujı́ různá
uplatněná pravidla
• q) Ukazatel kterému mı́stu v grafu odpovı́dá zvýrazněný řádek hodnot v
tabulce k)
• r) Přiblı́ženı́ grafu
6