vdgtuВестник Дагестанского государственного технического университета. Технические наукиHerald of Dagestan State Technical University. Technical Sciences2073-61852542-095XDaghestan State Technical University10.21822/2073-6185-2020-47-4-92-100vdgtu-880Research ArticleИНФОРМАТИКА, ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА И УПРАВЛЕНИЕCOMPUTER SCIENCE, COMPUTER ENGINEERING AND MANAGEMENTПрименение оператора вариации в генетическом алгоритме для синтеза нечетких регуляторовApplication of the variation operator in a genetic algorithm for the synthesis of fuzzy controllersКуликоваИ. В.KulikovaI. V.

Куликова Ирина Валерьевна, старший преподаватель кафедры «Естественнонаучные дисциплины»

620034, г. Екатеринбург, ул. Колмогорова, 66

Irina V. Kulikova, Senior lecturer, Department of Natural Science

66 Kolmogorova St., Yekaterinburg 620034

ivkulikova@inbox.ruУральский государственный университет путей сообщенияРоссияUral State Transport UniversityRussian Federation20202101202147492100Copyright © Куликова И.В., 20212021Куликова И.В.Kulikova I.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestnik.dgtu.ru/jour/article/view/880Цель

Цель. В данной статье рассмотрена проблема повышения эффективности синтеза нечеткого регулятора в системе управления с помощью генетического алгоритма. Подбор наилучших параметров нечеткого регулятора осуществляется с помощью операторов кроссинговера и мутации в генетическом алгоритме. Работа оператора мутации может привести к формированию некорректного набора параметров, что усложняет процедуру синтеза нечеткого регулятора.

Метод

Метод. Методом математического моделирования составляются массивы наборов параметров функций принадлежности, заключений и весов правил, которые входят в нечеткий регулятор. Методом имитационного моделирования описывается механизм работы операторов одноточечной и двухточечной вариации в генетическом алгоритме.

Результат

Результат. Предложены математические модели одноточечного и двухточечного оператора вариации для генетического алгоритма. Представлен механизм изменения значений элементов в массиве набора параметров нечеткого регулятора с одной входной и выходной переменной.

Вывод

Вывод. Замена оператора мутации на оператор вариации исключает формирование некорректных наборов параметров нечеткого регулятора в системе управления.

Abstract

Abstract. Objective. This article studies the problem of increasing the efficiency of fuzzy controller synthesis in a control system using a genetic algorithm. The best parameters of the fuzzy controller are selected using the crossing-over and mutation operators in the genetic algorithm. The operation of the mutation operator can lead to the formation of an incorrect set of parameters, which complicates the procedure for synthesizing a fuzzy controller.

Methods

Methods. Arrays of parameter sets of membership functions, conclusions, and rule weights that are included in the fuzzy controller are compiled using mathematical simulation. The mechanism of operation of single-point and two-point variation operators in the genetic algorithm is described by the simulation modeling.

Results

Results. Mathematical models of single-point and two-point variation operators for the genetic algorithm are proposed. The mechanism for changing the values of elements in the array of a set of parameters of a fuzzy controller with one input and output variable is presented.

Conclusion

Conclusion. Replacing the mutation operator with the variation operator eliminates the formation of incorrect sets of parameters of the fuzzy controller in the control system.

нечеткий регулятороператор вариациигенетический алгоритмфункции принадлежностибаза правилfuzzy controllervariation operatorgenetic algorithmmembership functionsrule baseReferencesБабокин Г.И., Гнатюк Т.А. Оценка робастности системы управления электроприводом комбайна для различных регуляторов нагрузки // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2013. № 2. С. 10-15.Babokin G.I., Gnatyuk T.A. Ocenka robastnosti sistemy upravleniya elektroprivodom kombajna dlya raz-lichnyh regulyatorov nagruzki // Izvestiya Tul'skogo gosudarstvennogo universiteta. Tekhnicheskie nauki. 2013. № 2. S. 10-15.[ Babokin G.I., Gnatyuk T.A. Evaluation of the robustness of the combine electric drive control system for various load regulators // Bulletin of the Tula State University. Technical science. 2013. No. 2. pp. 10-15. (In Russ)]Бахирев И.В., Кавалеров Б.В. Исследование варианта структуры нечеткого пид-регулятора частоты вращения электроэнергетической газотурбинной установки // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Электротехника, информационные технологии, системы управления. 2014. № 1 (9). С. 16-24.Bahirev I.V., Kavalerov B.V. Issledovanie varianta struktury nechetkogo pid-regulyatora chastoty vra-shcheniya elektroenergeticheskoj gazoturbinnoj ustanovki//Vestnik Permskogo nacional'nogo issledova-tel'skogo politekhnicheskogo universiteta. Elektrotekhnika, informacionnye tekhnologii, sistemy upravleniya. 2014. № 1 (9). S. 16-24.[Bakhirev I.V., Kavalerov B.V. Investigation of a variant of the structure of a fuzzy pid-regulator of the rotational speed of an electric power gas turbine installation // Bulletin of the Perm National Research Polytechnic University. Electrical engineering, information technology, control systems. 2014. No. 1 (9). pp. 16-24. (In Russ)]Бизянов Е.Е., Гутник Е.Е. Метод получения параметров функций принадлежности нечетких множеств на основе реальных данных для систем автоматизированной обработки информации // Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические науки. 2019;46(3):79-86. https://doi.org/10.21822/2073-6185-2019-46-3-79-86Bizyanov E.E., Gutnik E.E. Metod polucheniya parametrov funkcij prinadlezhnosti nechetkih mnozhestv na osnove real'nyh dannyh dlya sistem avtomatizirovannoj obrabotki informacii // Vestnik Dagestansko-go gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. Tekhnicheskie nauki. 2019;46(3):79-86. [Bizyanov EE, Gutnik EE Method of obtaining parameters of membership functions of fuzzy sets based on real data for systems of automated information processing // Herald of Daghestan State Technical University. Technical science. 2019; 46 (3): 79-86. https://doi.org/10.21822/2073-6185-2019-46-3-79-86 (In Russ)]Булатов Ю.Н., Крюков А.В. Интеллектуальная настройка регуляторов установок распределенной генерации // Информационные и математические технологии в науке и управлении. 2017. № 3 (7). С. 122-135.Bulatov YU.N., Kryukov A.V. Intellektual'naya nastrojka regulyatorov ustanovok raspredelennoj genera-cii // Informacionnye i matematicheskie tekhnologii v nauke i upravlenii. 2017. № 3 (7). S. 122-135.[ Bulatov Yu.N., Kryukov A.V. Intellectual tuning of regulators of distributed generation plants // Information and mathematical technologies in science and management. 2017. No. 3 (7). pp. 122-135. (In Russ)]Булатов Ю.Н., Крюков А.В., Чан З.Х. Интеллектуальные регуляторы для установок распределенной генерации // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2015. № 2 (46). С. 83-95.Bulatov YU.N., Kryukov A.V., CHan Z.H. Intellektual'nye regulyatory dlya ustanovok raspredelennoj gene-racii // Sovremennye tekhnologii. Sistemnyj analiz. Modelirovanie. 2015. № 2 (46). S. 83-95.[ Bulatov Yu.N., Kryukov A.V., Chan Z.Kh. Intelligent controllers for distributed generation plants // Modern technologies. System analysis. Modeling. 2015. No. 2 (46). S. 83- 95. (In Russ)]Вильданов Р.Г., Крышко К.А., Сидоров Д.А., Климкович А.С. Моделирование регулятора на базе нечеткой логики для применения на тепловой электростанции // Современные тенденции развития науки и технологий. 2017. № 2-2. С. 19-21.Vil'danov R.G., Kryshko K.A., Sidorov D.A., Klimkovich A.S. Modelirovanie regulyatora na baze nechetkoj logiki dlya primeneniya na teplovoj elektrostancii // Sovremennye tendencii razvitiya nauki i tekhnolo-gij. 2017. № 2-2. S. 19-21.[ Vildanov R.G., Kryshko K.A., Sidorov D.A., Klimkovich A.S. Modeling a controller based on fuzzy logic for use at a thermal power plant // Modern trends in the development of science and technology. 2017. No. 2-2. pp. 19-21. (In Russ)]Гладков Л. А., Курейчик В. В, Курейчик В. М. и др. Биоинспирированные методы в оптимизации: монография. М: Физматлит, 2009. 384 с. ISBN 978-5-9221-1101-0.Gladkov L. A., Kurejchik V. V, Kurejchik V. M. i dr. Bioinspirirovannye metody v optimizacii: mono-grafiya. — M: Fizmatlit, 2009. 384 s. ISBN 978-5-9221-1101-0.[ Gladkov L. A., Kureichik V. V, Kureichik V. M. et al. Bioinspired methods in optimization: monograph. Moscow: Fizmatlit, 2009.384 p. ISBN 978-5-9221-1101-0. (In Russ)]Грязнов А.О., Тарасян В.С. Нечеткие регуляторы для управления движением на перекрестке // Молодежь в науке: Новые аргументы. Сборник научных работ X Международного молодежного конкурса. Ответственный редактор А.В. Горбенко. 2019. С. 29-33.Gryaznov A.O., Tarasyan V.S. Nechetkie regulyatory dlya upravleniya dvizheniem na perekrestke // Molodezh' v nauke: Novye argumenty. Sbornik nauchnyh rabot X Mezhdunarodnogo molodezhnogo konkursa. Otvet-stvennyj redaktor A.V. Gorbenko. 2019. S. 29-33.[ Gryaznov A.O., Tarasyan V.S. Fuzzy controllers for traffic control at an intersection // Youth in Science: New arguments. Collection of scientific works of the X International Youth Competition. Executive editor A.V. Gorbenko. 2019.pp. 29-33. (In Russ)]Каяшев А.И., Емекеев А.А., Сагдатуллин А.М. Автоматизация электропривода насосной станции на основе многомерного нечеткого логического регулятора // Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности. 2014. № 4. С. 30-33.Kayashev A.I., Emekeev A.A., Sagdatullin A.M. Avtomatizaciya elektroprivoda nasosnoj stancii na osno-ve mnogomernogo nechetkogo logicheskogo regulyatora // Avtomatizaciya, telemekhanizaciya i svyaz' v neftyanoj promyshlennosti. 2014. № 4. S. 30-33.[ Kayashev A.I., Emekeev A.A., Sagdatullin A.M. Automation of an electric drive of a pumping station based on a multidimensional fuzzy logical controller // Automation, telemechanization and communication in the oil industry. 2014. No.4. pp. 30-33. (In Russ)]Куликова И.В. Построение генетического алгоритма для решения задач оптимизации с различными ограничениями для параметров // Современные наукоемкие технологии. 2020. № 2. С. 40-44.Kulikova I.V. Postroenie geneticheskogo algoritma dlya resheniya zadach optimizacii s razlichnymi ogra-nicheniyami dlya parametrov // Sovremennye naukoemkie tekhnologii. 2020. № 2. pp. 40-44.[ Kulikova I.V. Construction of a genetic algorithm for solving optimization problems with various constraints for the parameters // Modern science-intensive technologies. 2020. No. 2. pp. 40-44. (In Russ)]Куликова И.В. Процедура автоматического синтеза нечетких регуляторов типа Такаги-Сугено-Канга. Свидетельство о государственной регистрации № 2020613003. – Зарегистрировано в реестре программ для ЭВМ 06 марта 2020.Kulikova I.V. Procedura avtomaticheskogo sinteza nechetkih regulyatorov tipa Takagi-Sugeno-Kanga. Svidetel'stvo o gosudarstvennoj registracii № 2020613003. – Zaregistrirovano v reestre programm dlya EVM 06 marta 2020.[ Kulikova I.V. The procedure for automatic synthesis of fuzzy controllers of the Takagi-Sugeno-Kanga type. Certificate of state registration No. 2020613003. - Registered in the register of computer programs on March 06, 2020. (In Russ)]Леготкина Т.С., Хижняков Ю.Н. Адаптивное нечеткое управление нефтегазового сепаратора дожимной насосной станции // Нейрокомпьютеры: разработка, применение. 2016. № 8. С. 54-59.Legotkina T.S., Hizhnyakov YU.N. Adaptivnoe nechetkoe upravlenie neftegazovogo separatora dozhimnoj nasosnoj stancii // Nejrokomp'yutery: razrabotka, primenenie. 2016. № 8. S. 54-59.[ Legotkina TS, Khizhnyakov Yu.N. Adaptive fuzzy control of the oil and gas separator of the booster pump station // Neurocomputers: development, application. 2016. No. 8. pp. 54-59. (In Russ)]Леоненков А.В. Нечеткое моделирование в среде MATLAB и fuzzyTECH. СПб. : БХВ-Петербург, 2005. 736 с.: илLeonenkov A.V. Nechetkoe modelirovanie v srede MATLAB i fuzzyTECH. SPb. : BHV-Peterburg, 2005. 736 s.[ Leonenkov A.V. Fuzzy modeling in MATLAB and fuzzyTECH. SPb. : BHV-Petersburg, 2005.736 p . (In Russ)]Линенко А.В., Туктаров М.Ф., Байназаров В.Г. Нечеткая система управления линейным электроприводом зерноочистительной машины//Достижения науки - агропромышленному производству материалы LV международной научнотехнической конференции. ФГБОУ ВО «Южно-Уральский государственный аграрный университет». 2016. С. 205-210.Linenko A.V., Tuktarov M.F., Bajnazarov V.G. Nechetkaya sistema upravleniya linejnym elektroprivodom zernoochistitel'noj mashiny // Dostizheniya nauki - agropromyshlennomu proizvodstvu materialy LV mezhdunarodnoj nauchno-tekhnicheskoj konferencii. FGBOU VO «YUzhno-Ural'skij gosudarstvennyj ag-rarnyj universitet». 2016. S. 205-210.[ Linenko A.V., Tuktarov M.F., Baynazarov V.G. Fuzzy control system of the linear electric drive of the grain cleaning machine // Achievements of science - for agro-industrial production materials of the LV international scientific and technical conference. FSBEI HE "South Ural State Agrarian University". 2016.pp. 205-210 (In Russ)]Методы робастного, нейро-нечеткого и адаптивного управления: Учебник / Под ред. Н.Д. Егупова. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001. 744 с., ил.Metody robastnogo, nejro-nechetkogo i adaptivnogo upravleniya: Uchebnik / Pod red. N.D. Egupova. – M.: Izd-vo MGTU im. N.E. Baumana, 2001. 744 s. [Methods of robust, neuro-fuzzy and adaptive control: Textbook / Ed. N. D. Egupova. M .: Publishing house of MSTU im. N.E. Bauman, 2001.744 p., (In Russ)]Муравьева Е.А., Соловьев К.А., Султанов Р.Г., Соловьева О.И. Синтез нечеткого регулятора с заданной многомерной статической характеристикой // Электронный научный журнал Нефтегазовое дело. 2015. № 1. С. 245-260.Murav'eva E.A., Solov'ev K.A., Sultanov R.G., Solov'eva O.I. Sintez nechetkogo regulyatora s zadannoj mnogomernoj staticheskoj harakteristikoj // Elektronnyj nauchnyj zhurnal Neftegazovoe delo. 2015. № 1. S. 245-260.[ Muravyova E.A., Soloviev K.A., Sultanov R.G., Solovyova O.I. Synthesis of a fuzzy controller with a given multidimensional static characteristic // Electronic scientific journal Oil and Gas Business. 2015. No. 1. pp. 245-260. (In Russ)]Первушина Н.А., Доновский Д.Е., Хакимова А.Н. Разработка методики синтеза нейро-нечеткого регулятора с настройкой генетическим алгоритмом // Вестник Концерна ВКО "Алмаз – Антей". 2018. № 4 (27). С. 82-90.Pervushina N.A., Donovskij D.E., Hakimova A.N. Razrabotka metodiki sinteza nejro-nechetkogo regulyato-ra s nastrojkoj geneticheskim algoritmom // Vestnik Koncerna VKO "Almaz – Antej". 2018. № 4 (27). S. 82-90.[ Pervushina N.A., Donovsky D.E., Khakimova A.N. Development of a synthesis technique for a neuro-fuzzy controller with tuning by a genetic algorithm // Bulletin of the Concern VKO "Almaz - Antey". 2018. No. 4 (27). pp. 82-90. (In Russ)]Тарасян В.С., Куликова И.В. Автоматическое обучение нечетких регуляторов MISO-типа. Свидетельство о государственной регистрации № 2014614584. – Зарегистрировано в реестре программ для ЭВМ 06 марта 2014г.Tarasyan V.S., Kulikova I.V. Avtomaticheskoe obuchenie nechetkih regulyatorov MISO-tipa. Svidetel'stvo o gosudarstvennoj registracii № 2014614584. Zaregistrirovano v reestre programm dlya EVM 06 marta 2014g.[ Tarasyan V.S., Kulikova I.V. Automatic learning of MISO-type fuzzy controls. State Registration Certificate No. 2014614584. - Registered in the register of computer programs on March 06, 2014. (In Russ)]Тарасян В.С., Куликова И.В. Разработка процедуры построения нечеткого регулятора и ее применение для управления движением перевернутого маятника // Вестник Уральского государственного университета путей сообщения. 2013. № 1 (17). С. 34-42.Tarasyan V.S., Kulikova I.V. Razrabotka procedury postroeniya nechetkogo regulyatora i ee primenenie dlya upravleniya dvizheniem perevernutogo mayatnika // Vestnik Ural'skogo gosudarstvennogo universiteta putej soobshcheniya. 2013. № 1 (17). S. 34-42.[ Tarasyan V.S., Kulikova I.V. Development of a procedure for constructing a fuzzy controller and its application to control the motion of an inverted pendulum // Bulletin of the Ural State University of Railways. 2013. No. 1 (17). pp. 34-42(In Russ)]Тарасян В.С., Тен Д.О. Оптимизация транспортной инфраструктуры при помощи генетических алгоритмов // Инновационный транспорт. 2013. № 3 (9). С. 29-32.Tarasyan V.S., Ten D.O. Optimizaciya transportnoj infrastruktury pri pomoshchi geneticheskih algorit-mov // Innovacionnyj transport. 2013. № 3 (9). S. 29-32.[Tarasyan V.S., Ten D.O. Optimization of transport infrastructure using genetic algorithms // Innovative transport. 2013. No. 3 (9). pp. 29-32. (In Russ)]

The authors declare that there are no conflicts of interest present.