Controlul Adaptiv al unui Sistem de Tip Ball and Beam cu Supervizor Fuzzy

1. Ball and beam

Sistemul „ball and beam” este unul dintre cele mai populare modele pentru lucrul in laborator in domeniul controlului de sistem.Este foarte folosit deoarece este simplu de inteles si asupra sa se pot aplica numeroase tehnici clasice si moderne de control.

Sistem „Ball and beam”

Sistemul este format dintr-o bila ce se misca de-a lungul unei tije. Aceasta este controlata de un motor electric, cu ajutorul caruia i se poate schimba unghiul de inclinare, iar pozitia bilei pe tija poate fi masurata cu ajutorul unui senzor.

Se doreste reglarea automata a pozitiei bilei pe tija prin modificarea unghiului de inclinare a acesteia. Acest lucru este destul de dificil deoarece bila nu are o pozitie fixa, ci se misca cu o acceleratie proportionala cu inclinarea tijei. Sistemul este instabil in bucla deschisa deoarece iesirea sistemului (pozitia bilei) creste nedefinit pentru o intrare fixa (unghiul tijei), astfel ca trebuie folosit controlul in bucla inchisa pentru a mentine bila intr-o pozitie fixa.

In practica, controlul sistemelor instabile este foarte important si trebuie studiat in conditii de laborator. Dar acestea sunt de obicei periculoase si nu pot fi studiate in laborator. Sistemul „Ball and beam ” a fost dezvoltat tocmai pentru a rezolva acest paradox, fiind un mecanism simplu, sigur si poseda caracteristici dinamice ale unui sistem instabil.

Sisteme instabile se regasesc in procesele chimice industriale (reactii chimice exoterme) sau in domeniul aviatic (controlul unui avion sau racheta in timpul ridicarii verticale de la sol).

Un sistem folosit si testat des in universitati si laboratoare este „CE106 Ball and beam”.Este format din :

1. O tija pivotata la centru cu 2 fire paralele pe care se misca bila;

2. Un servomotor ce controleaza unghiul tijei

3. Un senzor ce determina unghiul tijei

4. Un senzor de pozitie pentru bila.

Sistem CE106

La sistemul CE106 se pot regla inclinarea tijei si pozitia bilei. La inceput se realizeaza o bucla de reglare a unghiului de inclinare al tijei prin controlul tensiunii aplicate motorului si apoi trebuie reglata pozitia bilei folosind unghiul de inclinare.

2. Sisteme adaptive

Proiectarea sistemelor de reglare conventionala are la baza modelul matematic al procesului si al semnalelor externe ce actioneaza asupra acestuia, urmarindu-se satisfacerea unor cerinte de performanta impuse. Rezultatul proiectarii il reprezinta un algoritm (o structura de reglare) a carui implementare pe un suport hardware asigura comportarea dorita a procesului condus, supus actiunii perturbatiilor externe. În prezenta incertitudinilor parametrice si structurale inerente în caracterizarea proceselor reale, solutiile conventionale de reglare, inclusiv solutiile robuste de conducere nu au eficienta dorita în asigurarea invariantei performantelor sistemului de reglare. Astfel, în afara buclei de reglare conventionala (reactia negativa), se impune includerea în structura sistemului de reglare a unei bucle de adaptare, al carei rol este de a asigura adaptarea continua a comenzii la variatia parametrilor sau structurii modelului ce caracterizeaza procesul condus. Adaptarea se poate realiza în circuit deschis în conditiile în care semnalele externe de tip parametric sunt accesibile masurarii. În acest caz, efectul acestor marimi perturbatoare este compensat în cadrul unor bucle distincte prin ajustarea corespunzatoare a parametrilor sau structurii regulatorului (Fig.1).

Adaptarea algoritmului de reglare se realizeaza în raport cu variatiile marimilor exogene parametrice (referinte, perturbatii) prin minimizarea unor criterii de performanta impuse (I). Rezultatul proiectarii algoritmului se concretizeaza într-un set nou de parametri ai acestuia sau într-o alta structura de algoritm. Asemenea structuri de reglare pot fi incluse în cadrul structurilor combinate de reglare, insa în acest caz incertitudinile asupra marimilor exogene sunt compensate prin adaptarea continua a comenzii. Spre deosebire de structurile de sisteme adaptive deschise, a caror raspandire este restransa, cu aplicatii mai ales în domeniul comunicatiilor, sistemele adaptive în circuit închis asigura adaptarea comenzii la incertitudinile parametrice si structurale ale procesului în cadrul unor bucle adaptive în circuit închis (Fig. 2).