FAZI LOGIČKI KONTROLERI

Maturski, maturalni, seminarski, diplomski i master radovi iz informatike.

Sa razvojem mikroračunarske tehnike otvorene su velike mogućnosti na polju digitalnog upravljanja sistemima. Informacije dobijene merenjima se brzo obrađuju i moguće je ostvariti upravljanje složenim sistemima koje je vrlo teško matematički opisati - modelovati. Softver za upravljanje postaje raznovrstan, a ljudska kreativnost dolazi do izražaja. Jedan relativno nov pristup upravljanju je primena fazi regulatora. Suština je u formiranju programskog koda koji implementira znanje čoveka eksperta o nekim procesom.
Automatsko upravljanje procesima i mašinama je do pojave mikroračunara bilo zasnovano na analognim regulatorima. Iako su digitalni upravljački algoritmi u odnosu na analogne sporiji, prednosti koje su omogućene upravljanjem na bazi softvera su višestruke.

Detalji aparature
Jedna velika prednost je i fleksibilnost u pogledu realizacije upravljanja pomoću softvera, koji se po potrebi može menjati kako bi se prilagodio eventualnim promenama u sistemu upravljanja. Danas se u literaturi i časopisima prezentuju savremene metode upravljanja koje u mnogim uslovima pokazuju dobre rezultate. Konkretno se to odnosi na primenu neuronskih mreža i fazi logike na upra-vljanje sistemima.
Digitalno upravljanje
Digitalno upravljanje otvara mogućnost primene nekih novih postupaka koje analogni regulator ne može (ili vrlo teško) da odradi: akviziciju podataka, identifikaciju sistema, adaptivno upravljanje itd. (pojmovi poznati iz teorije digitalnog upravljanja). Za digitalne sisteme se vezuju dva važna pojma: diskretizacija po vremenu (pojam periode odabiranja) i kvantizacija po nivou. Periodom odabiranja se definišu sukcesivni trenuci u kojima se vrši odabir kontinualnih veličina. Kvantizacija kontinualne veličine nastaje usled AD konverzije.Primena inteligentnog upravljanja se može razumeti na osnovu potrebe da se izvrši regulacija neke fizičke veličine u sledećim uslovima:
1. Na realne sisteme neprekidno deluju različiti poremećaji
2. Realni procesi su većinom nelinearni
3. Sami procesi su promenljivi.
Navedeni uslovi se često sreću u praksi i zbog toga je neophodno inteligentno upravljanje.
Faze projektovanja FLC
Fazi logički kontroler (FLC) je jedan način takvog upravljanja koji je naročito pogodan za sisteme koji se vrlo teško mogu modelovati. Kod projektovanja Fazi regulatora redosled operacija je sledeći:
1. Analiza procesa.
2. Dobijanje pravila od strane eksperta.
3. Simulacija fazi regulatora, ako se ne dobiju željeni rezultati ponoviti ceo postupak.
Realizacija FLC u digitalnom sistemu upravljanja se svodi na pisanje programskog koda (ovde je korišten programski jezik C) koji na osnovu zadate vrednosti temperature dostiže tu vrednost i održava je sve dok se u sistemu ne dogodi zahtev za nekom drugom vrednošću koju postavlja korisnik. Pre pisanja programa neophodna je analiza (i posmatranje) konkretnog sistema upravljanja i poželjno je mate-matički opisati sistem kako bi se pre praktične implementacije programa u mikrokontroleru izvršila simulacija. Svrha simulacije je da se matematičkim algoritmima pokušaju opisati pojave u realnom sistemu kako bi praktična realizacija algoritma upravljanja u realnom sistemu ispunila zahteve. Obično se zahtevi zadaju u vremenskom domenu, a najčešći su da se obezbedi stabilnost, tačnost i brzina.
Pojmovi :
FLC: Algoritam upravljanja baziran na fazi logici koji je implementiran u mikrokontroleru.
FUNKCIJE PRIPADNOSTI: Funkcije koje definišu stepen pripadnosti elemenata nekom fazi skupu.
FAZI SKUP: Pored klasičnih elemenata skupa neophodno sadrži i informaciju o stepenu pripadnosti tih elemenata.
FAZIFIKACIJA: Skaliranje realnih vrednosti u fazi vrednosti.
DEFAZIFIKACIJA: Skaliranje fazi vrednosti u realne vrednosti.
METODA TEŽIŠTA: Jedan od algoritama za izračunava-nje fazi upravljanja.
LOOK_UP TABELA: Tabela čiji su ulazi fazi greška i fazi promena greše, a izlaz fazi upravljanje.
FAZI PRAVILA: Način na koji se opisuje znanje eksperta u obliku IF THEN pravila.
Fazi logika
U klasičnoj teoriji skupova, kada se posmatra odnos pripadnosti nekih elemenata prema skupu kaže se da neki element ili pripada nekom skupu ili ne pripada.

S obzirom na izbor eksperimenta (reguliše se temperatura vode) što bi grubo značilo da je voda ili topla ili hladna. Ovakav pristup je relativno pojednostavljivanje stvarne situacije koji je očigledno neprecizan jer su zanemarene nijanse koje postoje u gradaciji vrednosti temperature.
U svakodnevnom govoru se mogu čuti i sledeći izrazi: malo toplije, hladno, jako hladno itd. šti pristup problemu je uvođenje sledećih oznaka (Sika 1.) za neku vrednost: Jako Negativno, Malo Negativno, Približno Nula, Malo Pozitivno i Jako Pozitivno (JN,MN,PN,MP i JP). Za predstavljanje ovakvih informacija uvedena je teorija fuzzy skupova čiji je tvorac Lotfi Zadeh. Neka vrednost može pripadati različitim oznakama čime njen opis postaje nejasan, odnosno maglovit (engl.fuzzy). Na primer, fazi vrednost F=3.5 je MP sa stepenom pripadnosti n=0.25 i JP sa n=0.75.
Ekspertni sistemi
Fazi logika se obično svrstava u oblast ekspertnih sistema u kojima se akcije koje u praksi preduzimaju eksperti mogu iskoristiti za programiranje računarskih sistema koji tada mogu zameniti (ili imitirati) eksperta. Kod ručnog upravljanja, suština inteligentne akcije je u čoveku koji posmatra i upra-vlja nekim procesom. Ovakvim pristupom se može ostvariti dobro upravljanje jer ekspert zna kako treba upravljati sistemom. bi se napisao program za FLC potrebno je na neki način uvesti skup fazi pravila koja opisuju akciju eksperta. Situacija u sistemu upravljanja se može opisati na sledeći način: ekspert posmatra sistem (npr. koliko trenutna vrednost temperature odstupa od zadane) i na osnovu toga donosi odgovarajuću odluku koliko dugo grejati.

Potrebni elementi za eksperiment
Fazi pravila
U ekspertnim sistemima, znanje eksperta opisano je na sledeći način: AKO je greška tolika TADA grejati toliko. U većini programskih jezika ovo se implementira primenom IF THEN pravila. Neka sledeća situacija posluži kao primer upravljanja: greje se voda koja se trenutno nalazi na sobnoj temperaturi (oko 22 oC) i treba je zagrejati na 40 oC. “Prosečan” ekspert će verovatno reagovati ovako: neka se voda greje sve dok se ne postigne 40 oC, a zatim održavati zahtevanu temperaturu na 40 oC po principu rada ON/OFF regulatora. Umesto običnog ON/OFF često se koristi ON/OFF regulator sa histerezisom, što znači da se temperatura održava u određenim granicama, na primer između 39 oC i 41 oC. Da li je ovakvo upravljanje sistemom dobro zavisi od zahteva kupca koji naručuje proizvod (regulator temperature). Prvo, možda bi bilo korisno primetiti da na ovakav način vrednost temperature osciluje između 39 i 41 oC. Drugo, ako u sistemu postoji primetno kašnjenje (pojava da se energija grejača ne prenosi trenutno) tada je za očekivati da se pri dostizanju temperature prebaci vrednost od 41 oC (više što je kašnjenje veće) i da se interval (39,41) povećava.


Kada bi se regulacija temperature po principu ON/OFF regulatora implementirala u fazi logici tada bi postupak upravljanja bio:
IF temperatura < 39 oC THEN grejač ON
IFtemperatura > 41 oC THEN grejač OFF
Ovakav regulator se može softverski ili hardverski (digitalno i analogno upravljanje respektivno) relativno lako realizovati i prilično je jasan. Postoji skup pravila kojima se može opisati malo finije upravljanje temperaturom u istom sistemu.

Teoretski je pokazano (Bart Kosko) da je Bulova algebra (ili jeste 1 ili nije 0) samo specijalan slučaj fazi logike, odnosno da je njen podskup. Dakle, ON/OFF regulator je samo specijalan slučaj FLC. FLC treba posmatrati kao postupak (algoritam) koji na osnovu dve veličine (greška i promena greške) izračunava upravljanje odnosno koliko (u okviru periode T=4 sekunde) grejati da bi postigli zadatu vrednost temparature (Slika 3).

Greška (zadata vrednost - trenutna vrednost) daje informaciju koliko je trenutna temperatura daleko od zadate , dok promena greške (trenutna greška - prethodna greška) daje informaciju o brzini kojom se dostiže zadata vrednost (Slika 3). Ove dve veličine su ulaz u FLC i one imaju konkretne vrednosti (u oC).
Dobijanje stvarne vrednosti upravljanja
Obrada dobijenih (izmerenih) informacija se odvija u tri faze:
1. Fazifikacija (skaliranje),
2. Look-up tabela (izračunavanje fazi upravljanja) i
3. Defazifikacija (inverzno skaliranje).


FAZIFIKACIA: Greška i promena greške se fazifikuju. Npr., ako je zadata vrednost 40 oC, a trenutna vrednost je 30 oC tada je greška e=10 oC. Ako je prethodna vrednost greške bila 28 oC, tada je de=2 oC. Ove vrednosti se dobijaju u trenucima k*T gde je ceo broj. Greška i promena greške se zatim preračunaju u fazi promenljive ef i def. Usvojeno je da se fazi vrednosti nalaze u intervalu -4 do 4, kome je pridružen odgovarajući interval realnih vredosti (e i de). Na osnovu zadane vrednosti i početne vrednosti temperature, određuje se emin i emax. Npr. ako je zadata vrednost temperature 40oC i početna vredost 10 oC, izračuna se emin=-30oC i emax=30oC. Pod pretpostavkom da se za 4 sekunde temperatura maksimalno može povećati za 1 oC sledi da je demin=-1 oC i demax=1 oC.