RU193607U1 - A device for controlling an electric drive of an object under the influence of external disturbances based on neural networks - Google Patents
A device for controlling an electric drive of an object under the influence of external disturbances based on neural networks Download PDFInfo
- Publication number
- RU193607U1 RU193607U1 RU2019116440U RU2019116440U RU193607U1 RU 193607 U1 RU193607 U1 RU 193607U1 RU 2019116440 U RU2019116440 U RU 2019116440U RU 2019116440 U RU2019116440 U RU 2019116440U RU 193607 U1 RU193607 U1 RU 193607U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- block
- input
- output
- unit
- neuroidentifier
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G05—CONTROLLING; REGULATING
- G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
- G05B13/00—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion
-
- G—PHYSICS
- G05—CONTROLLING; REGULATING
- G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
- G05D3/00—Control of position or direction
- G05D3/12—Control of position or direction using feedback
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06N—COMPUTING ARRANGEMENTS BASED ON SPECIFIC COMPUTATIONAL MODELS
- G06N3/00—Computing arrangements based on biological models
- G06N3/02—Neural networks
Abstract
Устройство управления электроприводом объекта, находящегося под воздействием внешних возмущений, на основе нейронных сетей относится к области систем автоматического управления с обратной связью электроприводом объектов, характеризующихся изменениями параметров, нелинейностью характеристик, а также воздействием на них случайных неопределенных внешних возмущений представленных, например, в виде белого или цветного шумов. Полезная модель направлена на повышение устойчивости и качества работы системы управления электроприводом объекта, находящегося под воздействием внешних возмущений. Технический результат, заключающийся в повышении точности и динамики системы управления, достигается за счет того, что в устройство управления, содержащее соединенные последовательно задающее устройство, первый блок суммирования, блок оптимизатора, блок приводного преобразователя, выход которого предназначен для подключения ко входу объекта управления, находящегося под воздействием внешних возмущений, а также блок функционала качества, выход которого соединен со вторым входом блока оптимизатора, блок прогнозирующих моделей, выход которого подключен ко второму входу первого блока суммирования, второй блок суммирования, выход которого подключен ко входу блока весовых коэффициентов, и блок нейроидентификатора состояния, второй вход которого предназначен для подключения к выходу блока приводного преобразователя, а третий вход соединен с выходом блока весовых коэффициентов, выход блока нейроидентификатора состояния подключен ко второму входу второго блока суммирования, дополнительно введен блок нейроидентификатора внешних возмущений, первый вход которого подключения к выходу блока приводного преобразователя, второй вход предназначен для подключения к выходу объекта управления и соединен с первым входом второго блока суммирования, выход блока нейроидентификатора внешних возмущений подключен к первому входу блока нейроидентификатора состояния, а также введен блок линеаризации, выход которого соединен с входом блока прогнозирующих моделей, первый вход блока линеаризации соединен с выходом блока нейроидентификатора состояния, а второй вход соединен с выходом блока нейроидентификатора внешних возмущений.A device for controlling an electric drive of an object under the influence of external disturbances, based on neural networks, relates to the field of automatic control systems with feedback of electric drives of objects characterized by changes in parameters, non-linearity of characteristics, as well as exposure to random undefined external disturbances presented, for example, in the form of white or color noise. The utility model is aimed at increasing the stability and quality of operation of the electric drive control system of an object under the influence of external disturbances. The technical result, which consists in increasing the accuracy and dynamics of the control system, is achieved due to the fact that the control device containing the serially connected master device, the first summing unit, the optimizer unit, the drive converter unit, the output of which is designed to connect to the input of the control object located under the influence of external perturbations, as well as a block of the quality functional, the output of which is connected to the second input of the optimizer block, the block of predictive models, the output to of which is connected to the second input of the first summing block, the second summing block, the output of which is connected to the input of the weight coefficient block, and the state neuroidentifier block, the second input of which is designed to connect to the output of the drive converter block, and the third input is connected to the output of the weight coefficient block, the output the state neuroidentifier unit is connected to the second input of the second summing unit, an external disturbance neuroidentifier unit is additionally introduced, the first input of which is connected To the output of the drive converter unit, the second input is designed to connect to the output of the control object and is connected to the first input of the second summing unit, the output of the external disturbance neuroidentifier unit is connected to the first input of the state neuroidentifier unit, and a linearization block is introduced, the output of which is connected to the input of the unit predictive models, the first input of the linearization block is connected to the output of the state neuroidentifier block, and the second input is connected to the output of the external neuroidentifier block disturbances.
Description
Полезная модель относится к области систем автоматического управления с обратной связью электроприводом объектов, характеризующихся изменениями параметров, нелинейностью характеристик, а также воздействием на них случайных неопределенных внешних возмущений представленных, например, в виде белого или цветного шумов.The utility model relates to the field of automatic control systems with feedback by electric drive of objects characterized by changes in parameters, non-linearity of characteristics, as well as exposure to random undefined external disturbances presented, for example, in the form of white or color noise.
В настоящее время известна система автоматического управления объектами с самонастраивающимся ПИД-регулятором (патент №2419122, МПК: G05B 13/02 (2006.01), опубл. 20.05.2011 г.), содержащая последовательно связанные ПИД-регулятор, подключенный к входу объекта управления и к первому входу идентификатора, выход объекта управления соединен со вторым входом идентификатора, выход которого соединен со входом синтезатора, а также И-регулятор, блок управления и блок самонастройки амплитуд испытательного сигнала, генератор испытательного сигнала настроен так, чтобы периоды испытательных частот были кратны периоду дискретности.Currently, a known system for automatic control of objects with a self-tuning PID controller (patent No. 2419122, IPC: G05B 13/02 (2006.01), published on 05/20/2011), containing sequentially connected PID controller connected to the input of the control object and to the first input of the identifier, the output of the control object is connected to the second input of the identifier, the output of which is connected to the input of the synthesizer, as well as an I-regulator, a control unit and a self-tuning unit for the amplitudes of the test signal, the test signal generator is configured so that General periods of test frequencies were multiples of the period of discreteness.
Недостатком данной системы управления является ограниченный диапазон устойчивости работы системы при больших изменениях внешних возмущений, связанный с отсутствием реализации оптимального управления.The disadvantage of this control system is the limited range of stability of the system with large changes in external disturbances associated with the lack of optimal control.
Известно также устройство управления с настраиваемыми параметрами на основе нейронных сетей (патент №111914, МПК: G05B 13/00, опубл. 27.12.2011 г.). Данное устройство содержится блок оптимального управления, на вход которого подается сигнал задания и выходной сигнал нейроклассификатора, интеллектуальный регулятор, выход которого подключен к входу объекта управления, вход интеллектуального регулятора подключен к выходу блока оптимального управления, к выходу объекта управления и к выходу блока временных задержек, вход блока временных задержек соединен с выходом объекта управления, вход нейроклассификатора подключен к выходу объекта управления и к выходу блока временных задержек, введены интеллектуальный регулятор на основе трехслойного персептрона и нейроклассификатор на основе нейронной сети Кохонена.A control device with adjustable parameters based on neural networks is also known (patent No. 111914, IPC: G05B 13/00, publ. 12/27/2011). This device contains an optimal control unit, to the input of which there is a reference signal and the output signal of a neuroclassifier, an intelligent controller whose output is connected to the input of the control object, the input of the intelligent controller is connected to the output of the optimal control unit, to the output of the control object and to the output of the time delay unit, the input of the time delay block is connected to the output of the control object, the input of the neuroclassifier is connected to the output of the control object and to the output of the time delay block , introduced an intelligent regulator based on a three-layer perceptron and a neuroclassifier based on the Kohonen neural network.
Недостатком известного устройства является медленная скорость оптимизации и склонность к преждевременной сходимости вследствие попадания в область локального минимума при обучении нейронных сетей Кохонена с алгоритмом обратного распространения ошибки.A disadvantage of the known device is the slow optimization rate and the tendency to premature convergence due to falling into the region of a local minimum during training of Kohonen neural networks with an error back propagation algorithm.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является устройство управления электроприводом нелинейных объектов на основе нейронных сетей (патент №186950, МПК: G05D 3/12, G05B 13/00, G06N 3/02 опубл. 11.02.2019 г.). Данное устройство содержит блок весовых коэффициентов, а также последовательно соединенные задающее устройство, первый блок суммирования, блок оптимизатора и блок приводного преобразователя, выход которого подключен к объекту управления, а также блок функционала качества, выход которого соединен со вторым входом блока оптимизатора, блок прогнозирующих моделей, выход которого подключен ко второму входу первого блока суммирования, второй блок суммирования, выход которого подключен ко входу блока весовых коэффициентов, и блок нейроидентификатора состояния, первый вход которого предназначен для подключения к выходу объекта управления и к первому входу второго блока суммирования, второй вход подключен к выходу блока приводного преобразователя, а третий вход соединен с выходом блока весовых коэффициентов, выход блока нейроидентификатора подключен ко второму входу второго блока суммирования и к входу блока прогнозирующих моделей.The closest in technical essence to the claimed utility model is a device for controlling an electric drive of nonlinear objects based on neural networks (patent No. 186950, IPC: G05D 3/12, G05B 13/00, G06N 3/02 publ. 02/11/2019). This device contains a weighting unit, as well as a serially connected master, a first summing unit, an optimizer unit and a drive converter unit, the output of which is connected to the control object, and a quality functional unit, the output of which is connected to the second input of the optimizer unit, a block of predictive models the output of which is connected to the second input of the first summing block, the second summing block, the output of which is connected to the input of the weighting block, and the block is neuroen a state identifier, the first input of which is intended to be connected to the output of the control object and to the first input of the second summing unit, the second input is connected to the output of the drive converter unit, and the third input is connected to the output of the weighting unit, the output of the neuroidentifier unit is connected to the second input of the second summing unit and to the input of the block of predictive models.
Недостатком известного устройства является снижение точности динамических характеристик системы управления при наличии внешних возмущений, связанный с отсутствием их оценки.A disadvantage of the known device is the decrease in the accuracy of the dynamic characteristics of the control system in the presence of external disturbances associated with the lack of their assessment.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель является повышение устойчивости и качества работы системы управления электроприводом объекта, находящегося под воздействием внешних возмущений.The task to which the claimed utility model is directed is to increase the stability and quality of the electric drive control system of an object under the influence of external disturbances.
Технический результат заключается в повышении точности и динамики системы управления путем восстановления оценки значений внешних возмущений, воздействующих на объект управления и введения сигнала обратной связи оценки текущих внешних возмущений в закон автоматического управления для устранения их отрицательного влияния на качество работы системы управления.The technical result consists in increasing the accuracy and dynamics of the control system by restoring the estimate of the values of external disturbances acting on the control object and introducing a feedback signal for evaluating the current external disturbances into the automatic control law to eliminate their negative impact on the quality of the control system.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в устройство управления, содержащее соединенные последовательно задающее устройство, первый блок суммирования, блок оптимизатора, блок приводного преобразователя, выход которого предназначен для подключения ко входу объекта управления, находящегося под воздействием внешних возмущений, а также блок функционала качества, выход которого соединен со вторым входом блока оптимизатора, блок прогнозирующих моделей, выход которого подключен ко второму входу первого блока суммирования, второй блок суммирования, выход которого подключен ко входу блока весовых коэффициентов, и блок нейроидентификатора состояния, второй вход которого предназначен для подключения к выходу блока приводного преобразователя, а третий вход соединен с выходом блока весовых коэффициентов, выход блока нейроидентификатора состояния подключен ко второму входу второго блока суммирования, дополнительно введен блок нейроидентификатора внешних возмущений, первый вход которого подключения к выходу блока приводного преобразователя, второй вход предназначен для подключения к выходу объекта управления и соединен с первым входом второго блока суммирования, выход блока нейроидентификатора внешних возмущений подключен к первому входу блока нейроидентификатора состояния, а также введен блок линеаризации, выход которого соединен с входом блока прогнозирующих моделей, первый вход блока линеаризации соединен с выходом блока нейроидентификатора состояния, а второй вход соединен с выходом блока нейроидентификатора внешних возмущений.The specified technical result is achieved due to the fact that the control device containing a serially connected master device, a first summing unit, an optimizer unit, a drive converter unit, the output of which is designed to connect to the input of a control object that is under the influence of external disturbances, as well as a functional unit quality, the output of which is connected to the second input of the optimizer block, the block of predictive models, the output of which is connected to the second input of the first block a second summing unit, the output of which is connected to the input of the weight coefficient block, and a state neuroidentifier block, the second input of which is designed to connect to the output of the drive converter block, and the third input is connected to the output of the weight coefficient block, the output of the state neuro identifier block is connected to the second input of the second summing unit, an additional block of the neural identifier of external disturbances is introduced, the first input of which is connected to the output of the drive converter unit, the second in The od is designed to connect to the output of the control object and is connected to the first input of the second summing unit, the output of the external disturbance neuroidentifier unit is connected to the first input of the state neuroidentifier unit, and a linearization unit is introduced, the output of which is connected to the input of the predictive model unit, the first input of the linearization unit is connected with the output of the state neuroidentifier block, and the second input is connected to the output of the neuroidentifier block of external disturbances.
Сущность технического решения поясняется чертежом (фиг.), на котором представлена структурная схема устройства управления электроприводом объекта. На чертеже изображено:The essence of the technical solution is illustrated by the drawing (Fig.), Which shows the structural diagram of the device for controlling the electric drive of the object. The drawing shows:
1 - задающее устройство (ЗУ);1 - master device (memory);
2 - первый блок суммирования (ПБС);2 - the first block summation (PBS);
3 - блок оптимизатора (БО);3 - optimizer block (BO);
4 - блок функционала качества (БФК);4 - block functional quality (BFC);
5 - блок прогнозирующих моделей (БПМ);5 - block predictive models (BPM);
6 - блок приводного преобразователя (БПП);6 - block drive converter (BPP);
7 - объект управления (ОУ);7 - control object (OS);
8 - второй блок суммирования (ВБС);8 - the second block summation (VBS);
9 - блок нейроидентификатора состояния (БНИС);9 - state neuroidentifier unit (BNIS);
10 - блок весовых коэффициентов (БВК);10 - block weighting factors (BVK);
11 - блок нейроидентификатора внешних возмущений (БНИВВ);11 - block neuroidentifier external disturbances (BNIVV);
12 - блок линеаризации (БЛ).12 - block linearization (BL).
Устройство управления электроприводом объекта, (см. фиг.), содержит связанные последовательно задающее устройство 1 (ЗУ), первый блок суммирования 2 (ПБС), блок оптимизатора 3 (БО), блок приводного преобразователя 6 (БПП), выход которого предназначен для подключения к объекту управления 7 (ОУ), блок функционала качества 4 (БФК), выход которого соединен со вторым входом блока оптимизатора 3 (БО), блок прогнозирующих моделей 5 (БПМ), выход которого подключен ко второму входу первого блока суммирования 2 (ПБС), блок линеаризации 12 (БЛ), выход которого соединен со входом блока прогнозирующих моделей 5 (БПМ), блок нейроидентификатора внешних возмущений 11 (БНИВВ), первый вход которого подключен к выходу блока приводного преобразователя 6 (БПП), второй вход предназначен для подключения к выходу объекта управления 7 (ОУ) и к первому входу второго блока суммирования 8 (ВБС), выход блока нейроидентификатора внешних возмущений 11 (БНИВВ) предназначен для подключения к первому входу блока нейроидентификатора состояния 9 (БНИС) и ко второму входу блока линеаризации 12 (БЛ), второй блок суммирования 8 (ВБС), выход которого подключен ко входу блока весовых коэффициентов 10 (БВК) и блок нейроидентификатора состояния 9 (БНИС), второй вход которого подключен к выходу блока приводного преобразователя 6 (БПП), третий вход подключен к выходу блока весовых коэффициентов 10 (БВК), выход блока нейроидентификатора состояния 9 (БНИС) подключен ко второму входу второго блока суммирования 8 (ВБС) и к первому входу блока линеаризации 12 (БЛ).The device for controlling the electric drive of the object, (see Fig.), Contains a serially connected master device 1 (memory), the first summing unit 2 (PBS), the optimizer block 3 (BO), the drive converter unit 6 (BPP), the output of which is intended for connection to the control object 7 (OS), the block of functional quality 4 (BFC), the output of which is connected to the second input of the optimizer block 3 (BO), the block of predictive models 5 (BPM), the output of which is connected to the second input of the first summation block 2 (PBS) , linearization block 12 (BL), the output of which is connected nen with the input of the block of predictive models 5 (BPM), the block of the neuroidentifier of external disturbances 11 (BNIVV), the first input of which is connected to the output of the block of the drive converter 6 (BPP), the second input is designed to connect to the output of the control object 7 (OS) and to the first the input of the second summing unit 8 (VBS), the output of the external disturbance neuro identifier block 11 (BNIVV) is designed to connect to the first input of the state neuroidentifier block 9 (BNIS) and to the second input of the linearization block 12 (BL), the second summing block 8 (VBS), you One of which is connected to the input of the block of weight coefficients 10 (BVK) and the block of the state neuroidentifier 9 (BNIS), the second input of which is connected to the output of the block of the drive converter 6 (BPP), the third input is connected to the output of the block of weight coefficients 10 (BVK), the block state neuroidentifier 9 (BNIS) is connected to the second input of the second summing unit 8 (VBS) and to the first input of the linearization block 12 (BL).
При этом блок оптимизатора 3 (БО), блок функционала качества 4 (БФК), блок линеаризации 12 (БЛ) и блок прогнозирующих моделей 5 (БПМ) выполняют функцию цифрового адаптивного прогнозирующего регулятора. Объект управления 7 (ОУ), находится под воздействием внешних возмущений представленных, например, в виде белого или цветного шумов. Для восстановления оценки значений внешних возмущений используется блок нейроидентификатора внешних возмущений И (БНИВВ). Из блока нейроидентификатора состояния 9 (БНИС) и блока весовых коэффициентов 10 (БВК) состоит нейросетевой наблюдатель состояния объекта управления.In this case, the optimizer block 3 (BO), the quality functional block 4 (BFK), the linearization block 12 (BL) and the predictive model block 5 (BPM) perform the function of a digital adaptive predictive controller. The control object 7 (OS), is under the influence of external disturbances presented, for example, in the form of white or color noise. To restore the estimate of the values of external disturbances, a block of the neuroidentifier of external disturbances AND (BNIVV) is used. The neural network observer of the state of the control object consists of a block of state neuroidentifier 9 (BNIS) and a block of weighting factors 10 (BVK).
Элементы устройства могут быть реализованы программно-аппаратным способом на основе промышленной базы. В качестве задающего устройства 1 (ЗУ) может быть использован цифровой генератор или промышленный ЭВМ, объектом управления 7 (ОУ) может выступать технологическое оборудование, функционирование которого во времени описано системой дифференциальных и алгебраических уравнений.Elements of the device can be implemented in software and hardware based on an industrial base. As a master device 1 (memory), a digital generator or industrial computer can be used, the control object 7 (memory) can be technological equipment, the operation of which is described in time by a system of differential and algebraic equations.
В качестве блока приводного преобразователя 6 (БПП) могут быть использованы транзисторные инверторы на IGBT транзисторах (преобразователь частоты) фирмы «OMRON» (Япония).As a block of drive converter 6 (BPP), transistor inverters based on IGBT transistors (frequency converter) from OMRON (Japan) can be used.
Для реализации блоков суммирования 2 (ПБС), 8 (ВБС), блока оптимизатора 3 (БО), блока функционала качества 4 (БФК), блока прогнозирующих моделей 5 (БПМ), блок нейроидентификатора состояния 9 (БНИС), блока весовых коэффициентов 10 (БВК), блока нейроидентификатора внешних возмущений 11 (БНИВВ) и блока линеаризации 12 (БЛ) могут быть использованы вычислительные и программные модули микроконтроллера фирмы «FASTWEL» (Россия).To implement the summation blocks 2 (PBS), 8 (VBS), the optimizer block 3 (BO), the quality functional block 4 (BFC), the predictive model block 5 (BPM), the state neuroidentifier block 9 (BNIS), and the weight coefficient block 10 ( BVK), external disturbance neuro-identifier block 11 (BNIVV) and linearization block 12 (BL), computational and program modules of the FASTWEL microcontroller (Russia) can be used.
Работает устройство управления электроприводом объекта следующим образом. Задающий сигнал управляющего воздействия формируется в задающем устройстве 1 (ЗУ), который подключается к первому блоку суммирования 2 (ПБС) для вычитания прогнозирующего сигнала отрицательной обратной связи. Прогнозирующий сигнал формируется блоком прогнозирующих моделей 5 (БПМ), в блоке которого синтезируются прогнозирующие модели по выходным сигналам объекта управления на определенное количество шагов вперед в течение горизонта предсказания. Эти прогнозирующие модели строятся как выражения будущих значений управляющих воздействий и многосвязных линеаризованных моделей с параметрами, зависящими от состояния объекта управления. Для вычисления коэффициентов линеаризованных моделей в блоке линеаризации 12 (БЛ) используются сигнал оценки внешних возмущений от выхода блока нейроидентификатора внешних возмущений 11 (БНИВВ) и сигнал оценки переменных состояния объекта управления от выхода блока нейроидентификатора состояний 9 (БНИС). Метод синтеза линеаризованных моделей с параметрами, зависящими от состояния, определяются на основе теории расширенной линеаризации нелинейных объектов [Афанасьев В.Н. Управление нелинейными неопределенными динамическими объектами // 1-е изд. М.: Ленард, 2015. - 224 с.].The device controls the electric drive of the object as follows. The control signal is generated in the master 1 (memory), which is connected to the first summing unit 2 (PBS) to subtract the predictive negative feedback signal. The predictive signal is generated by the block of predictive models 5 (BPM), in the block of which predictive models are synthesized by the output signals of the control object for a certain number of steps forward during the prediction horizon. These predictive models are constructed as expressions of future values of control actions and multiply connected linearized models with parameters depending on the state of the control object. To calculate the linearized model coefficients in the linearization block 12 (BL), an external disturbance estimation signal from the output of the external disturbance neuroidentifier block 11 (BNIVV) and a control object state variable estimation signal from the output of the state neuroidentifier block 9 (BNIS) are used. The synthesis method for linearized models with state-dependent parameters is determined based on the theory of extended linearization of nonlinear objects [Afanasyev V.N. Control of nonlinear indefinite dynamic objects // 1st ed. M .: Lenard, 2015. - 224 p.].
Прогнозирующий сигнал рассогласования у выхода первого блока суммирования 2 (ПБС) поступает на блок оптимизатора 3 (БО), в блоке которого выполняется оптимизация программного управления по квазиньютоновскому критерию, выраженному в блоке функционала качества 4 (БФК). Критерий оптимизации в блоке функционала качества 4 (БФК) синтезируется таким образом, чтобы минимизировать среднеквадратичную ошибку регулирования между задающим управляющим сигналом и выходным сигналом блока прогнозирующих моделей 5 (БПМ) с заданной точностью. В результате получается найденный оптимальный управляющий сигнал, подключенный через блок приводного преобразователя 6 (БПП) к объекту управления 7 (ОУ).The predictive mismatch signal at the output of the first summing block 2 (PBS) is sent to the optimizer 3 (BO) block, in the block of which the optimization of program control is performed according to the quasi-Newton criterion expressed in the block of quality functional 4 (BFC). The optimization criterion in the block of quality functional 4 (BFK) is synthesized in such a way as to minimize the standard error of the regulation between the driving control signal and the output signal of the block of predictive models 5 (BPM) with a given accuracy. The result is the optimal control signal found, connected through the drive converter unit 6 (BPP) to the control object 7 (OS).
Внешние возмущения, воздействующие на объект управления 7 (ОУ), определяются характером неопределенных нелинейностей. Математическая модель внешних возмущений успешно описывается теорией случайных процессов с нулевым средним, которая может быть определена по закону распределения вероятностей Гаусса. Сигнал с выхода объекта управления 7 (ОУ) поступает на первый вход второго блока суммирования 8 (ВБС) и второй вход блока нейроидентификатора внешних возмущений 11 (БНИВВ) для оценки значений внешних возмущений.External disturbances acting on the control object 7 (OS) are determined by the nature of the uncertain non-linearities. The mathematical model of external perturbations is successfully described by the theory of random processes with a zero mean, which can be determined by the Gaussian probability distribution law. The signal from the output of the control object 7 (OS) is fed to the first input of the second summing unit 8 (VBS) and the second input of the external disturbance neuroidentifier unit 11 (BNIVV) to estimate the values of external disturbances.
Оценка значений текущих внешних возмущений формируется в блоке нейроидентификатора внешних возмущений 11 (БНИВВ) с помощью известных алгоритмов идентификации, использующих нейронные сети. Построение нейроидентификатора для оценки текущих внешних возмущений связано с рядом следующих задач: выбор структуры нейронной сети, выбор числа слоев, выбор количества нейронов в слоях, выбор функции активации, выбор алгоритма обучения и выбор обучающего множества. Структура нейронной сети в блоке нейроидентификатора внешних возмущений 11 (БНИВВ) представляет собой частичную рекуррентную нейронную сеть, которая называется сетью Элмана [Бураков М.В. Нейронные сети и нейроконтроллеры: учеб. пособие // СПб.: ГУАП, 2013. - 284 с.]. Нейронная сеть Элмана продемонстрировала, что она оптимально подходит для идентификации случайных неопределенных нелинейностей. Нейронная сеть Элмана относится к классу многослойного перцептрона с локальными обратными связями задержек, замкнутыми от скрытых нейронов к контекстным нейронам. В этом случае, скрытые нейроны записывают свои предыдущие состояния, что позволяет сохранить выходную информацию скрытых нейронов на один или несколько тактов, после чего переводит их на входной слой. Рассмотрим нейронную сеть Элмана, состоящую из m входов, n нейронов скрытого слоя, охваченных обратными связями через элементы задержки и p нейронов выходного слоя. Вектор входного слоя сети Элмана x(k) на итерации k определяется выражениемAn estimate of the values of current external disturbances is generated in the block of the neuroidentifier of external disturbances 11 (BNIVV) using well-known identification algorithms using neural networks. The construction of a neuroidentifier for assessing current external disturbances is associated with a number of the following tasks: choosing the structure of a neural network, choosing the number of layers, choosing the number of neurons in layers, choosing an activation function, choosing a learning algorithm, and choosing a training set. The structure of the neural network in the block of the external disturbance neuroidentifier 11 (BNIVV) is a partial recurrent neural network, which is called the Elman network [M. Burakov Neural networks and neurocontrollers: textbook. manual // SPb .: GUAP, 2013. - 284 p.]. The Elman neural network has demonstrated that it is optimally suited for identifying random indefinite non-linearities. The Elman neural network belongs to the class of a multilayer perceptron with local delay feedbacks closed from hidden neurons to context neurons. In this case, hidden neurons record their previous states, which allows you to save the output information of hidden neurons for one or more clock cycles, and then transfers them to the input layer. Consider the Elman neural network, consisting of m inputs, n neurons of the hidden layer, covered by feedbacks through delay elements and p neurons of the output layer. The vector of the input layer of the Elman network x (k) at iteration k is determined by the expression
x(k)=[u0(k), u1(k), …, um(k), ν1(k-1), …, νm(k-1)],x (k) = [u 0 (k), u 1 (k), ..., u m (k), ν 1 (k-1), ..., ν m (k-1)],
где u0(k), u1(k), …, um(k) - вектор входного сигнала сети; ν1(k-1), …, νm(k-1) - состояние нейронов скрытого слоя на предыдущей итерации k-1.where u 0 (k), u 1 (k), ..., u m (k) is the vector of the input network signal; ν 1 (k-1), ..., ν m (k-1) is the state of the neurons of the hidden layer at the previous iteration k-1.
Состояние нейронов скрытого слоя описывается следующим образомThe state of the neurons of the hidden layer is described as follows
где - синаптические весовые коэффициенты нейронов скрытого слоя; - функции активации нейронов скрытого слоя.Where - synaptic weights of neurons of the hidden layer; - activation functions of neurons of the hidden layer.
Состояние нейронов выходного слоя определяется аналогичноThe state of the neurons of the output layer is determined similarly.
где y0(k), y1(k), …, yp(k) - вектор выходного сигнала сети; - синаптические весовые коэффициенты нейронов выходного слоя; - функции активации нейронов выходного слоя.where y 0 (k), y 1 (k), ..., y p (k) is the network output signal vector; - synaptic weights of the neurons of the output layer; - activation functions of neurons of the output layer.
В качестве функций активации двухслойной сети Элмана в скрытом слое используются сигмоидальные функции активации в виде гиперболического тангенса tansig, а в выходном слое - линейные функции purelin. Методом обучения рекуррентной нейронной сети Элмана является алгоритм обратного распространения Левенберга-Марквардта. Заметим, что в процессе обучения сети Элмана метод оптимизации Левенберга-Марквардта обладает высокой возможностью и быстро сходиться к оптимальному значению ошибки. В результате процесса обучения получаем сигнала оценки текущих внешних возмущений у выхода блока нейроидентификатора внешних возмущений 11 (БНИВВ), который подключен к первому входу блока линеаризации 12 (БЛ) для синтеза закона управления и к первому входу нейроидентификатора состояния 9 (БНИС) для восстановления вектора состояния объекта управления.The sigmoidal activation functions in the form of the hyperbolic tangent tansig are used as activation functions of the two-layer Elman network in the hidden layer, and the purelin linear functions are used in the output layer. The Elman recurrent neural network learning method is the Levenberg-Marquardt backpropagation algorithm. Note that during the training of the Elman network, the Levenberg-Marquardt optimization method has a high ability and quickly converge to the optimal error value. As a result of the training process, we obtain a signal for evaluating the current external disturbances at the output of the external disturbance neuro identifier block 11 (BNIVV), which is connected to the first input of the linearization block 12 (BL) for synthesizing the control law and to the first input of the
Восстановление полного вектора состояния объекта управления для синтеза линеаризованных моделей осуществляется наблюдателем состояния с помощью известных алгоритмов идентификации, использующих нейронные сети. Структура блока нейроидентификатора состояния 9 (БНИС) представляет собой рекуррентную нейронную сеть, основанную на «модели нелинейной авторегрессии с экзогенными входами» (Nonlinear Auto Regressive with Exogenous inputs), которая называется рекуррентной нейронной сетью NARX или моделью NARX [Хайкин С. Нейронные сети: полный курс // Пер. с англ. М.: Вильяме, 2006. С. 919-989]. Архитектурное строение модели NARX может принимать множество различных форм, но, самая простая форма, с использованием архитектурной нейронной сети с обратными связями. Эта модель имеет единственный вход, который применяется к памяти на линиях задержки, состоящих из du элементов. Она имеет единственный выход, замкнутый на вход через память на линиях задержки, которые также содержат dy элементы. Динамика модели NARX описывается следующим нелинейным уравнением типа «вход - выход»:The full state vector of the control object for the synthesis of linearized models is restored by a state observer using well-known identification algorithms using neural networks. The structure of
у(k)=σ{u(k), u(k-1), …, u(k-du), y(k-1), у(k-1), …, у(k-dy)},y (k) = σ {u (k), u (k-1), ..., u (kd u ), y (k-1), y (k-1), ..., y (kd y) },
где u(k) - вход модели NARX; у(k) - выход модели NARX; σ(⋅) -функции активации. При этом в структуре рекуррентной нейронной сети NARX содержатся два слоя. Первый слой - скрытый слой с сигмоидальными функциями активации в виде гиперболического тангенса tansig, второй слой - выходной слой с линейными функциями активации purelin. Методом обучения рекуррентной нейронной сети NARX является алгоритм обратного распространения ошибки во времени. Этот алгоритм является расширением стандартного алгоритма обратного распространения градиентного спуска и позволяет провести процесс обучения значительно быстрее и получить хорошую сходимость и лучшее обобщение. Сигнал рассогласования вектора состояний объекта управления у выхода второго блока суммирования 8 (ВБС) подключен к входу блока весовых коэффициентов 10 (БВК). В блоке весовых коэффициентов 10 (БВК) содержится матрица весовых коэффициентов функций активации нейронных сетей NARX для каждого класса из множества изменений параметров состояний объекта управления 7 (ОУ). Эта матрица весовых коэффициентов ставится каждому классу во взаимно-однозначное соответствие. При переходе структуры объекта управления 7 (ОУ) из одного класса в другой происходит замена матрицы весовых коэффициентов на матрицу весовых коэффициентов, соответствующую новому классу. В результате чего определяется восстанавливаемый сигнал полного вектора состояния объекта управления у выхода блока нейроидентификатора состояния 9 (БНИС), подключенного к входу блока линеаризации (БЛ) и ко второму входу второго блока суммирования 8 (ВБС). Процесс работы устройства управления продолжается до тех пор, пока не будет полностью отработано задающее управляющее воздействие.where u (k) is the input of the NARX model; y (k) is the output of the NARX model; σ (⋅) activation functions. Moreover, the structure of a recurrent neural network NARX contains two layers. The first layer is a hidden layer with sigmoidal activation functions in the form of a tansig hyperbolic tangent, the second layer is an output layer with purelin linear activation functions. The training method of the recurrent neural network NARX is an algorithm for the back propagation of errors in time. This algorithm is an extension of the standard gradient descent backpropagation algorithm and allows you to conduct the training process much faster and get good convergence and a better generalization. The mismatch signal of the state vector of the control object at the output of the second summing unit 8 (VBS) is connected to the input of the block of weighting factors 10 (BVK). The block of weighting coefficients 10 (BVK) contains a matrix of weighting coefficients of the activation functions of neural networks NARX for each class from the set of changes in the state parameters of the control object 7 (OS). This matrix of weighting coefficients is assigned to each class in a one-to-one correspondence. When the structure of the control object 7 (OS) is transferred from one class to another, the matrix of weight coefficients is replaced by the matrix of weight coefficients corresponding to the new class. As a result, the recoverable signal of the complete state vector of the control object is determined at the output of the state neuroidentifier unit 9 (BNIS) connected to the input of the linearization block (BL) and to the second input of the second summing unit 8 (VBS). The process of operation of the control device continues until the master control action is completely worked out.
В результате получаем улучшение устойчивости и обеспечивание качества работы системы управления электроприводом объекта, находящегося под воздействием внешних возмущений.As a result, we obtain improved stability and ensuring the quality of operation of the electric drive control system of an object under the influence of external disturbances.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019116440U RU193607U1 (en) | 2019-05-28 | 2019-05-28 | A device for controlling an electric drive of an object under the influence of external disturbances based on neural networks |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019116440U RU193607U1 (en) | 2019-05-28 | 2019-05-28 | A device for controlling an electric drive of an object under the influence of external disturbances based on neural networks |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU193607U1 true RU193607U1 (en) | 2019-11-06 |
Family
ID=68500040
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2019116440U RU193607U1 (en) | 2019-05-28 | 2019-05-28 | A device for controlling an electric drive of an object under the influence of external disturbances based on neural networks |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU193607U1 (en) |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU59278U1 (en) * | 2006-07-24 | 2006-12-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Томский политехнический университет | SYSTEM OF ROBUST OPTIMAL CONTROL OF DISCRETE OBJECTS |
WO2007075458A2 (en) * | 2005-12-21 | 2007-07-05 | Pegasus Technologies, Inc. | Model based optimization of a single or multiple power generating units |
US8068958B2 (en) * | 2004-03-02 | 2011-11-29 | Brose Fahrzeugteile Gmbh & Co Kg, Coburg | Method for monitoring the adjustment movement of a component driven by a drive device |
RU111914U1 (en) * | 2011-08-26 | 2011-12-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет" | CONTROL SYSTEM WITH CUSTOMIZABLE PARAMETERS BASED ON NEURAL NETWORKS |
RU150919U1 (en) * | 2014-07-08 | 2015-03-10 | Дмитрий Маркович Шпрехер | PERFORMANCE FORECASTING DEVICE FOR MULTI-PARAMETER ELECTROMECHANICAL SYSTEMS |
RU186950U1 (en) * | 2018-09-25 | 2019-02-11 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина)" | Control device for electric drive of nonlinear objects based on neural networks |
-
2019
- 2019-05-28 RU RU2019116440U patent/RU193607U1/en active
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US8068958B2 (en) * | 2004-03-02 | 2011-11-29 | Brose Fahrzeugteile Gmbh & Co Kg, Coburg | Method for monitoring the adjustment movement of a component driven by a drive device |
WO2007075458A2 (en) * | 2005-12-21 | 2007-07-05 | Pegasus Technologies, Inc. | Model based optimization of a single or multiple power generating units |
RU59278U1 (en) * | 2006-07-24 | 2006-12-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Томский политехнический университет | SYSTEM OF ROBUST OPTIMAL CONTROL OF DISCRETE OBJECTS |
RU111914U1 (en) * | 2011-08-26 | 2011-12-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет" | CONTROL SYSTEM WITH CUSTOMIZABLE PARAMETERS BASED ON NEURAL NETWORKS |
RU150919U1 (en) * | 2014-07-08 | 2015-03-10 | Дмитрий Маркович Шпрехер | PERFORMANCE FORECASTING DEVICE FOR MULTI-PARAMETER ELECTROMECHANICAL SYSTEMS |
RU186950U1 (en) * | 2018-09-25 | 2019-02-11 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина)" | Control device for electric drive of nonlinear objects based on neural networks |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Pearlmutter | Learning state space trajectories in recurrent neural networks | |
EP3424650B1 (en) | A method and apparatus for performing control of a movement of a robot arm | |
KR102577188B1 (en) | Create a control system for the target system | |
Natarajan et al. | Online deep neural network-based feedback control of a Lutein bioprocess | |
CN112405542B (en) | Musculoskeletal robot control method and system based on brain inspiring multitask learning | |
Rego et al. | Lyapunov-based continuous-time nonlinear control using deep neural network applied to underactuated systems | |
Wilfred et al. | System identification using artificial neural network | |
Alonso et al. | A theoretical framework for inference learning | |
RU193607U1 (en) | A device for controlling an electric drive of an object under the influence of external disturbances based on neural networks | |
Oveisi et al. | Nonlinear observer-based recurrent wavelet neuro-controller in disturbance rejection control of flexible structures | |
RU186950U1 (en) | Control device for electric drive of nonlinear objects based on neural networks | |
Rowcliffe et al. | Training spiking neuronal networks with applications in engineering tasks | |
Liu et al. | H∞ output tracking fuzzy control for nonlinear systems with time-varying delay | |
Feofilov et al. | Application of Recurrent Neural Networks in Closed Loop Tracking Systems for Controlling Essentially Nonlinear Objects | |
Sharma et al. | An adaptive slope basic dynamic node creation algorithm for single hidden layer neural networks | |
Li et al. | Robust sensorimotor control of human arm model under state-dependent noises, control-dependent noises and additive noises | |
Krok | The development of Kalman filter learning technique for artificial neural networks | |
Kumar et al. | Performance Analysis of High Voltage Intelligent Supervisory Systems Using Neural Networks | |
Lawrence et al. | A modular framework for stabilizing deep reinforcement learning control | |
EP4156026A1 (en) | Signal processing method in a neural network | |
JPH0635510A (en) | Model norm adaptive controller using neural network | |
JP7336710B2 (en) | Neural network system, learning method and program | |
Szuster et al. | Control of mechatronic systems | |
Мигалев et al. | Modeling the Learning of a Spiking Neural Network with Synaptic Delays | |
Nikolic | Training Neural Network Elements Created From Long Shot Term Memory |