Нечеткий аналіз — в автомобиле

Московська Державна Академія Приладобудування і Информатики.

ДОПОВІДЬ по теорія систем і системного анализа.

«Нечіткий аналіз — в автомобиле».

Виконав: Пяров Тимур Р.

ЭФ2, 2 курс, 35.14.

Москва.

Нечітко їдеш — далі будеш.

Власники вітчизняних автомобілів, у яких всієї електроніки — діодний міст генератора так реле-регулятор, — й у не підозрюють, скільки обчислювальних пристроїв містить звичайна іномарка середнього класу, зовні нічим не примітна. Залишимо осторонь парковочные радари і климат-контроль.

— це у певної міри розкіш, нас цікавлять речі посерьезнее.

Не треба пояснювати, що повну математичну модель руху автомобиля.

(якщо його не як матеріальну точку, бо як набір рухомих щодо шляхи і друг щодо друга деталей) створити неймовірно важко, і з передбачуваністю дорожніх умов справи гірші некуда.

(ще гірше — хіба що віщуванням дій водія). Зрозуміло, бум мікропроцесорної техніки не обійшов автомобілебудування стороною, але класичним обчислювальним системам, цілком справляющимся з завданнями управління об'єктами до атомних реакторів, ця комбінація асфальту, заліза й узагалі людини виявилося зовсім з зубах. Причина — в вищезгаданої неможливості описати поведінка цієї комбінації в термінах класичної логіки: автомобілебудування базується здебільшого експертному досвіді, формалізувати який вдасться, швидше за все, ще довго. Проте святе місце немає. Першими на нечітку логіку звернув увагу японські автомобілебудівники. У 1991 року компанія Nissan вперше застосувала компоненти нечіткою логіки в системи управління пятискоростной автоматичну коробку перемикання передач (АКПП), рік тому аналогічна система побачила автомобілях Honda. Тоді ж Mitsubishi Motors представила модель Lancer (каталоги відносять її до 1993 року, але зарубіжні компанії, у такі випадки традиційно забігають вперед) і системи АБС з урахуванням процесора з нечіткою логікою. Ще рік тому схаменулися і самі американці: концерн General Motors застосував таку систему керувати АКПП, але встигнути за японцями було просто — на той час тому ж Nissan запровадили нечітка логіка в системах управління впорскуванням палива для бензинових двигунів. До другої половині минулого десятиліття системами з допомогою нечіткою логіки штатно оснащували машини вищезазначених Nissan, Mitsubishi і Honda, а BMW, Hyundai, Mazda, Mercedes і Peugeot планували впровадити такі (вели подібні розробки та компанії, самі автомобілів які виробляють, наприклад Bosh і Nippon Denso). Тут слід пояснити, що відкритої інформації про застосуванні у тих чи інших моделях систем з нечіткою логікою сьогодні просто немає. І це у захисту виробниками своїх секретів. Ставлення до самого поняттю «нечіткі системи» за кордоном різне. Для японців, «взрастивших» цей напрям, поняття «fuzzy» означає передову технологію і виникає використанні елементів штучного інтелекту, відповідно саме слово фігурує в технічних описах і комерційній рекламі пристроїв як їх безсумнівного гідності. Європейцям ж фраза типу «гальмівна система з допомогою нечіткою логіки» звучить практично еквівалентно «нечіткою гальмівний системі», що споживач може сприйняти ні адекватно. Більшість європейських виробників просто більше не афішує застосування нечіткою логіки, виправдовуючись тим, що все «нечіткість» зашита в микропрограмму управляючого контролера, і годиться споживачеві цікавитися зайвими тонкощами. Типовий приклад системи, добре піддається реалізації з допомогою нечіткою логіки, — АБС — антиблокувальна гальмівна система. Хоча перші подібні устрою розроблено й впроваджені ще на початку 70-х років (нумо згадайте, які моделі вітчизняних автомобілів проводилися у роки нашим автопромом), високу вартість компонентів цих систем (переважно модуля управління) не дозволила скористатися їхнім досвідом масово. Через десятиліття АБС не вважалася розкішшю, але побудова системи управління реального часу з періодом циклу управління у одиниці мілісекунд за необхідності серйозної математичного опрацювання чи роботи із величезними таблицями все одно було непростим і недешевим. Реалізацій АБС існує безліч, але загалом разі управління здійснюється за двома вхідним параметрами: проскальзыванию колеса (ставлення швидкості автомобіля до миттєвою лінійної швидкості крапки над зовнішньому радіусі колеса щодо його центру) і радиальному прискоренню колеса. Обидва параметри видаються в вигляді логічних змінних з набором з 5−8 термов кожна (наприклад «відсутня», «слабке», «середнє», «сильне», «дуже сильний» тощо. п.), на основі яких обчислювач, використовуючи набір правил (їх кількість одно твору кількості термов вхідних змінних), отримує значення тиску в гальмовому циліндрі, прагнучи підтримці оптимального проскальзывания (рис. 1). Така завдання, втім, вирішується й класичними обчислювачами з допомогою тривимірних таблиць, що описують площину вихідного значення залежність від двох вхідних. Візьмемо щось складніше. Ще одна кандидат на «нечітке управління» — двигун внутрішнього згоряння (ДВС). Складність системам управління ДВС в останні роки значно зросла — як у з пожорсткішанням екологічних і вимог до їх зниження витрати палива, і внаслідок форсування двигунів: вони стали «ніжними», вимагаючи такої ж ніжного із нею звернення (із боку системи управління, зрозуміло). Попри те що що основних параметрів регулювання усього дві - подача палива й момент запалювання, — системи управління типу PIDрегуляторів у разі не годяться, оскільки алгоритм управління у значною мірою залежить від швидкості обертання двигуна і навантаження. Повна математична модель ДВС надто складна, і досі пір не створена. Через це більшість системам управління ДВС використовують табличную модель, отриману експериментальним шляхом на випробуваннях і з урахуванням досвіду експертів. Серйозний недолік такий моделі - складність створення багатомірних таблиць і великий обсяг пам’яті, необхідний їхнього записи, якщо вихідний параметр формується залежно від трьох і більше вхідних. Сьогоднішні табличні системи використав основному регулювання з двох параметрами і, тривимірні таблиці, описують поверхні. Пам’яті під таблицю треба 64 Кбайт до 1 Мбайт (інколи й більше). Спроби знизити розрядність вхідних і вихідних змінних (зазвичай вона становить 6 чи 8 біт) і застосувати інтерполяцію не сприяли успіху: обчислювальної потужності контролерів виявилося замало задля забезпечення необхідного періоду регулювання (одиниці мілісекунд). Нечітка логіка дозволяє замінити таблиці правилами (кілька сотень) і реалізувати управління з великому числу вхідних параметрів, однак навряд чи ви зможете ознайомитися з наборами правил для реальних систем: компанії-розробники старанно приховують цю інформацію, оскільки він містить ноу-хау, отримане за десятки років інженерного праці, численних випробувань, спроб і помилок (втім, деякі дані про досвідченим зразкам можна знайти). Одне з варіантів системи управління ДВС з допомогою нечіткою логіки (Nissan) представлений рис. 2. Основна ідея у цьому, що відразу ж визначається стан двигуна, описуване лінгвістичної перемінної (назвемо її «стан»). Для неї можна поставити кілька термов, наприклад, як і таблиці. Значення кожного з термов визначають сигнали з датчиків. Тепер, до прикладу, ситуація «Двигун запущено недавно, велике навантаження, середнє прискорення» можна описати наступній комбінацією термов: {0,9; 0; 0; 1; 0; 0,5}. Беручи значення термов як вагових коефіцієнтів, окремі модулі розраховують сигнал самонаведення підсистем впорскування, запалювання і примусового холостого ходу. Ще один система — автоматичні трансмісії, щось знають на відміну від водія щодо умов руху, але змушені вибирати між экономичностью і динамікою — теж «клієнт» нечіткою логіки. Їх завдання, як й у у перших двох випадках, не описується математично, проте цілком формулюється словами. Ось що необходимо:

. зрозуміти, що хоче водій: спокійного руху на режимі економії палива чи «спортивної» їзди з максимальною динамикой;

. виключити часті перемикання передач за умов кривулястою дороги чи спусков-подъемов;

. виключити переключення на нижчі передачі, якщо це дозволить отримати більшого прискорення. У задачі з АКПП цікаво те, що однією з «вхідних сигналів» системі управління… людина. Точніше, його дії процесі руху, що дозволяють з певним наближенням зрозуміти характер дороги чи бажання водія. Частота натискань на педаль акселератора дозволяє судити, приміром, про извилистости дороги, а амплітуда натискань — про стилі водіння (можна, звісно, спробувати отримати ці дані явно, з допомогою кнопки «sport» 1, але ці ні спортивно). Розглядаються і складніші ситуації, як, наприклад, повторне натискання педалі акселератора в інтервалі 1−1,5 секунди після першого, що розцінюють як недостатнє прискорення і примусове включення нижчою передачі. Систему керування в тому випадку виконує функції експерта, підлаштовуючись під явні чи неявні бажання водія і багато рухаючись убік штучного інтелекту. [pic] |Терм |Дії |Мета | |Запуск |Запалювання раннє, суміш багата |Досягнення мінімальної | | | |швидкості обертання | |Холостий |Запалювання нормальне, склад |Підтримка мінімальної | |хід |суміші залежить температури |швидкості обертання і | | | |за припустимий рівень CO | |Низька |Запалювання максимально пізніше, |Максимальна економія | |навантаження |але не матимуть детонації, склад суміші |палива | | |залежить від температури | | |Висока |Запалювання раннє, суміш |Максимальна потужність | |навантаження |максимально багата, але не матимуть | | | |перевищення норми CO | | |Торможени|Отключение подачі палива |- | |е | | | |Розгін |Збагачення суміші залежно |Максимальне прискорення | | |від навантаження | |.

[pic] Маючи згадані вище «розумні» системи управління розгоном і гальмуванням автомобіля, з’являється законне бажання об'єднати в єдиний «інтелект» і покласти неї штрафу за поведінку автомобіля, а то й постійно, так хоча на критичних ділянках, наприклад, в віражах на слизькою дорозі. Здорова думку, але з вам першому вона на думку. Тут лідирують німецькі автомобілебудівники, і перші плоди його роботи — це противозаносные системи, одночасно управляючі АКПП, блокуваннями диференціалів трансмісії і гальмами. Якщо у разі з тією ж АБС хто б заважає водієві робити оскільки хоче, лише «коригуючи» зусилля гальмування, то тому випадку педаль гальма скоріш стає датчиком для «інтелекту», аніж реальною органом управління: обчислювач має можливість користуватися гальмами, навіть якщо водій не спускав педаль, і, навпаки, ігнорувати його дії. Водію ж лишається тільки крутити кермо, який автоматика доки зазіхає, але вже настав придивляється через очі відеокамер. Втім, сподіваюся, століття неавтоматизированных рулів вистачить, і придасться вітчизняний автопром у цьому поможет.