способ автоматического управления несущей способностью многопролетной неразрезной балки и устройство для его реализации

Формула изобретения

1. Способ автоматического управления несущей способностью многопролетной неразрезной балки, включающий создание дополнительного напряженного состояния балки путем поперечного по отношению к ее оси смещения опор, при котором измеряют деформацию в контролируемых точках балки, осуществляют смещение опор на расстояние, зависящее от измеренных величин, отличающийся тем, что для осуществления смещения опор осуществляют два этапа: первый или предварительный этап связан с обучением нейросети, при котором подают сигналы с тензодатчиков через коммутатор-измеритель сигналов, усилитель-преобразователь сигналов, аналого-цифровой преобразователь считывают, высвечивают на индикатор и принимают наилучшее управляющее решение, фиксируют и заносят данные в "задачник" для обучения нейронной сети, обучают нейронную сеть в ЭВМ с нейропрограммой на основе полученного "задачника", получают в результате обучения матрицу подстроечных параметров, которую используют для функционирования нейронной сети, с выхода которой снимают управляющие решения, и второй этап - автоматическое управление несущей способностью неразрезной балки, при котором непрерывно опрашивают с помощью ЭВМ с нейропрограммой тензодатчики и принимают управляющие решения по программе функционирования нейронной сети, которая реализует прямую связь между показаниями тензодатчиков и эффективным управляющим решением и передают это управляющее решение на привод исполнительных механизмов.

2. Устройство автоматического управления несущей способностью неразрезной балки, содержащее исполнительные механизмы для осуществления поперечного по отношению к оси балки смещения опор, датчики деформации и блок обработки сигналов, отличающееся тем, что датчики деформации выполнены в виде тензодатчиков, а блок обработки сигналов выполнен в виде ЭВМ с нейропрограммой, имеющей коммутатор-измеритель сигналов с тензодатчиков, соединенных с неразрезной балкой, выход коммутатора-измерителя сигналов соединен с входом усилителя-преобразователя сигналов, выход которого соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с входом ЭВМ с нейропрограммой, второй вход которой соединен со вторым выходом коммутатора-измерителя сигналов, выходы ЭВМ с нейропрограммой соединены с управляемым электроприводом исполнительных механизмов, входом соединенным с источником питания, а ЭВМ с нейропрограммой снабжена индикатором и клавиатурой.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области автоматического управления конструкциями, их напряженно-деформированным состоянием с помощью нейросетей (нейроконтроллеров).

Известны программы управления нелинейными процессами со многими переменными с использованием нейронных сетей для оптимизации целей и путей их достижения, предназначенных для управления сложными индустриальными процессами, такими, как нефтепереработка, производство лекарств и др. [1].

Данные системы не используются для управления конструкциями. Об использовании контроллеров с нейропрограммой для целей автоматического управления конструкциями авторам неизвестно.

Ближайшим аналогом (прототипом) является способ повышения несущей способностью многопролетной неразрезной балки, включающий создание дополнительного напряженного состояния балки путем поперечного по отношению к ее оси смещения опор, в процессе эксплуатации многопролетной неразрезной балки измеряют деформации в контролируемых точках балки, а смещение опор осуществляют на расстояние, зависящее от измеренных величин деформаций и условий соответствия их минимальному расходу энергии на осуществление смещения опор с соблюдением соответствующих зависимостей [2].

Недостатком данного способа являются неэффективное управление многопролетной неразрезной балкой за счет того, что она требует наличия математической модели, которая представляет собой идеализированную балку и не отражает реальные свойства конструкции, обладает замедленным управлением, требует использования ЭВМ с достаточно большой памятью.

Известным устройством является контрольно-управляющее устройство для управления напряженно-деформированным состоянием неразрезной балки, содержащее исполнительные механизмы для осуществления поперечного относительно оси балки смещения ее опор, у которого введены концевые выключатели-датчики деформации, установленные в контролируемых точках многопролетной неразрезной балки и блок обработки сигналов, концевые выключатели-датчики деформации через блок обработки сигналов связаны с исполнительными механизмами, причем блок обработки сигналов содержит первый концевой выключатель-датчик деформации, соединенный с первым реле, второй концевой выключатель-датчик деформации включен параллельно с первым контактом второго реле и через второй контакт первого реле соединен со вторым реле, третий концевой выключатель-датчик деформации соединен с третьим реле, четвертый концевой выключатель-датчик деформации включен параллельно третьему контакту четвертого реле, а через четвертый контакт третьего реле соединен с четвертым реле, пятый контакт первого реле и шестой контакт третьего реле соединены с первой индикаторной лампой сигнального устройства, седьмой и восьмой контакты второго реле и четвертого реле соответственно соединены с второй индикаторной лампой сигнального устройства, девятый, десятый, одиннадцатый и двенадцатый контакты первого, второго, третьего, четвертого реле соответственно соединены с третьей индикаторной лампой, двигатель исполнительных механизмов подключен к источнику постоянного тока четырнадцатым и пятнадцатым контактами четвертого реле и тринадцатым и шестнадцатым контактами второго реле, причем первый, второй, третий, четвертый концевые выключатели-датчики деформации, пятый, седьмой, девятый, тринадцатый и пятнадцатый контакты соединены с положительным полюсом, а первое, второе, третье, четвертое реле и первая, вторая, третья индикаторные лампы сигнального устройства, четырнадцатый и шестнадцатый контакты соединены с отрицательным полюсом источника постоянного тока [3].

Недостатком данного устройства для управления является неэффективность его работы за счет того, что оно основано на электросети, измеряет параметры только одной точки балки и только в крайних ее положениях, программа управления выборов зазоров балки вносится извне, замедлен процесс управления.

Ближайшим аналогом (прототипом) является устройство для осуществления способа повышения несущей способностью многопролетной неразрезной балки, включающее исполнительные механизмы для осуществления поперечного по отношению к оси балки смещения опор, снабженное датчиками деформации балки и блоком обработки сигналов, при этом датчики деформации чере6з блок обработки сигналов соединены с исполнительными механизмами для осуществления смещения опор [2].

Недостатками данного устройства являются неэффективность его работы за счет громоздкой и разобщенной измерительной системы, система обработки сигналов с ЭВМ обладает пониженным быстродействием без сокращения объема всех операций на каждом этапе управления балкой.

Целью предложенного способа является повышение эффективности автоматического управления несущей способностью многопролетной неразрезной балки за счет предварительного осуществления обучения нейронной сети, которая является инвариантной частью и не требует повторения при каждом цикле принятия решения, так как выявляет и использует прямую связь между входными и выходными параметрами управления и потому приводит к увеличению быстродействия (благодаря использованию прямой связи и исключению промежуточных операций), повышает надежность и качество управления за счет учитывания реальных свойств конструкции.

Целью предложенного устройства для осуществления способа автоматического управления несущей способностью многопролетной неразрезной балки с помощью блока обработки сигналов в виде ЭВМ с нейропрограммой (нейроконтроллера) является повышение эффективности автоматического управления многопролетной неразрезной балки за счет предварительного осуществления обучения нейросети, которая является инвариантной частью и не требует повторения при каждом цикле принятия решения в предлагаемом блоке обработки сигналов в виде ЭВМ с нейропрограммой (нейроконтроллере), использования прямой связи между входными и выходными параметрами управления и исключения промежуточных операций, за счет учитывания реальных свойств конструкции.

Цель достигается тем, что способ автоматического управления несущей способностью многопролетной неразрезной балки включает создание дополнительного напряженного состояния балки путем поперечного по отношению к ее оси смещения опор, при котором измеряют деформацию в контролируемых точках балки, осуществляют смещение опор на расстояние, зависящее от измеренных величин, при этом для осуществления смещения опор осуществляют два этапа: первый или предварительный этап связан с обучением нейросети, при котором подают сигналы с тензодатчиков через коммутатор-измеритель сигналов, усилитель-преобразователь сигналов, аналого-цифровой преобразователь, считывают, высвечивают на индикатор и принимают наилучшее управляющее решение, фиксируют и заносят данные в "задачник" для обучения нейронной сети, обучают нейронную сеть в ЭВМ с нейропрограммой на основе полученного "задачника", получают в результате обучения матрицу подстроечных параметров, которую используют для функционирования нейронной сети, с выхода которой снимают управляющие решения,

и второй этап- автоматическое управление несущей способностью неразрезной балки, при котором непрерывно опрашивают с помощью ЭВМ с нейропрограммой тензодатчики и принимают управляющие решения по программе функционирования нейронной сети, которая реализует прямую связь между показаниями тензодатчиков и эффективным управляющим решением, передают это управляющее решение на привод исполнительных механизмов.

Цель достигается по устройству автоматического управления несущей способностью многопролетной неразрезной балки благодаря тому, что оно содержит исполнительные механизмы для осуществления поперечного по отношению к оси балки смещения опор, датчики деформации и блок обработки сигналов, причем датчики деформации выполнены в виде тензодатчиков, а блок обработки сигналов выполнен в виде ЭВМ с нейропрограммой, имеющей коммутатор-измеритель сигналов с тензодатчиков, соединенных с неразрезной балкой, выход коммутатора-измерителя сигналов соединен с входом усилителя-преобразователя сигналов, выход которого соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с входом ЭВМ с нейропрограммой, второй вход которой соединен с вторым выходом коммутатора-измерителя сигналов, выходы с ЭВМ с нейропрограммой соединены с управляемым электриприводом исполнительных механизмов, входом соединенным с источником питания, а ЭВМ с нейропрограммой снабжена индикатором и клавиатурой.

Предложенные способ автоматического управления несущей способностью многопролетной неразрезной балки и устройство для его реализации являются эффективными по сравнению с прототипами за счет предварительного этапа, связанного с обучением нейронной сети ЭВМ с нейропрограммой и дальнейшего автоматического управления с использованием прямой связи между показаниями тензодатчиков и программой функционирования нейросети, созданием компактного блока обработки сигналов в виде ЭВМ с нейропрограммой (нейроконтроллера) с небольшим весом и габаритами, увеличения быстродействия, учитывания реальных свойств конструкции.

На чертеже представлено устройство для осуществления способа,

фиг.1 - общий вид устройства для осуществления предложенного способа,

фиг.2 - схема осуществления способа,

фиг. 3 фотография изготовленного образца блока обработки сигналов в виде ЭВМ с нейропрограммой (нейроконтроллера).

Для данного изобретения используются следующие термины:

Понятие "выборка примеров" (задачник) - это набор экспериментальных или теоретических данных для обучения нейронной программы в том числе учет нелинейной работы конструкции.

Блок обработки сигналов в виде ЭВМ с нейропрограммой (нейроконтроллер) - это электронное малогабаритное устройство, работающее по нейропрограмме и осуществляющее измерение с тензодатчиков, принятие решений по нейропрограмме и передачу управляющего сигнала на привод исполнительного механизма (актуатора).

Нейропрограмма - это программа, реализующая прямую непосредственную связь между входными параметрами (показаниями тензодатчиков) и выходными параметрами-сигналами на привод исполнительного механизма (актуатора), в том числе нелинейную работу конструкции и работающая на основе матрицы подстроечных параметров.

Матрица подстроечных параметров - или синаптическая карта-матрица, на основе которой строится связь между входными и выходными параметрами.

Устройство для осуществления способа автоматического управления несущей способностью многопролетной неразрезной балки (фиг.1) содержит неразрезную балку 1 с тензодатчиками 2-9, размещенными на ней, и блок обработки сигналов 10 в виде ЭВМ с нейропрограммой (нейроконтроллер), состоящий из коммутатора-измерителя сигналов 11 с тензодатчиков 2-9, размещенных на многопролетной неразрезной балке 1, выходом соединенный с входом усилителя-преобразователя сигналов 12, выход которого соединен с аналого-цифровым преобразователем АЦП 13, выходом соединенного с ЭВМ с нейропрограммой 14, а вход которой соединен с выходом коммутатора-измерителя сигналов 11 с тензодатчиков, выходы ЭВМ с нейропрограммой 14 соединены с управляемым электроприводом 15, выход которого соединен с входом источника питания 16, ЭВМ с нейропрограммой 14 снабжена клавиатурой 17 и индикатором 18, выходы управляемого электрипривода через исполнительные механизмы 19, в качестве которых используются актуаторы, соединены с неразрезной балкой 1.

Используемые усилители-преобразователи сигналов 12 и аналого-цифровой преобразователь 13 известны в технике и взяты без изменений.

Способ автоматического управления несущей способностью многопролетной неразрезной балки осуществляется в два этапа: (фиг.2).

Первый или предварительный этап связан с обучением нейросети, при котором подают сигналы с тензодатчиков 2-9 через коммутатор-измеритель сигналов 11, усилитель-преобразователь сигналов 12, аналого-цифровой преобразователь 13, считывают, высвечивают на индикатор 18 и принимают наилучшее управляющее решение, фиксируют и заносят данные в "задачник" для обучения нейронной сети. Эти операции первого этапа повторяют несколько раз при разных загружениях балки, в результате чего формируют полноценный "задачник" для обучения.

Далее обучают нейронную сеть в ЭВМ с нейропрограммой 14 на основе полученного задачника, получают в результате обучения матрицу подстроечных параметров и программу функционирования нейронной сети, которую используют для функционирования нейронной сети, с выхода которой снимают управляющие решения.

Второй этап - автоматическое управление несущей способностью многопролетной неразрезной балки 1, при котором непрерывно опрашивают с помощью ЭВМ с нейропрограммой 14 тензодатчики 2-9 через коммутатор-измеритель сигналов 11, усилитель-преобразователь сигналов 12, аналого-цифровой преобразователь 13, вносят данные в ЭВМ с нейропрограммой 14 и принимают управляющие решения по программе функционирования нейронной сети, которая реализует прямую связь между показаниями тензодатчиков и эффективным управляющим решением, передают это управляющее решение на привод исполнительных механизмов (актуаторов) 19 и создают дополнительное напряженное состояние балки путем поперечного смещения ее опор.

Устройство работает следующим образом.

ЭВМ с нейропрограммой 14 запрограммирована на выполнение задачи автоматического управления напряженно-деформированным состоянием неразрезной балкой с матрицей подстроечных параметров, которую вырабатывают на первом предварительном этапе, связанном с обучением нейронной сети. При этапе функционирования балки 1 осуществляют автоматическое управление, при котором последовательно опрашиваются тензодатчики 2-9, размещенные на балке 1, сигналы с этих тензодатчиков поступают в коммутатор-измеритель сигналов 11, усиливаются в усилителе-преобразователе сигналов 12 и преобразуются в цифровой вид аналого-цифрового преобразователя 13. ЭВМ с нейропрограммой 14 обрабатывает эти сигналы и вырабатывает управляющее решение, используя прямую связь между показаниями тензодатчиков 2-9 и программой функционирования нейросети, использующей матрицу подстроечных параметров при обучении.

Предложенные способ и устройство для автоматического управления несущей способностью многопролетной неразрезной балки повышает эффективность работы за счет не обязательного привлечения математической модели, достоверного отображения информации о реальной конструкции, быстродействия за счет использования прямой связи и исключения промежуточных операций, создания компактного, малогабаритного и удобного в обращении блока обработки сигналов с ЭВМ с нейропрограммой, позволяющего с помощью нейросети осуществлять автоматическое управление.

Устройство совершенствует качество автоматического управления за счет возможности использования для нейросети передового наиболее эффективного опыта управления.

Известные авторам нейронные сети в системах управления компании Техасо и программной фирмы Питсбург, Пенсильвания, которыми получен патент на систему управления нелинейными процессами со многими переменными с использованием нейронных сетей для оптимизации целей и путей их достижения, предназначены для управления сложными индустриальными процессами, такими, как нефтепереработка, производство лекарств и т.п. и не используются для автоматического управления конструкциями.

Сопоставительный анализ по способу приведен в конце описания.

Вывод.

Применение предложенного способа автоматического управления несущей способностью многопролетной неразрезной балкой является эффективным по сравнению с прототипом:

-за счет предварительного осуществления обучения нейросети (нейропрограммы), которая является инвариантной частью и не требует повторения при каждом цикле принятия решения, т.е. при функционировании используют выявленную при обучении прямую связь между входными и выходными параметрами управления,

-за счет увеличения быстродействия за счет прямой связи и исключения промежуточных операций,

учитывания реальных свойств управляемой конструкции.

Сопоставительный анализ по устройству приведен в конце текста описания.

На кафедре строительной механики Красноярской государственной инженерно-строительной академии спроектирован предложенный способ и блок обработки сигналов в виде ЭВМ с нейропрограммой (нейроконтроллер) с нейропрограммой для автоматического управления многопролетной неразрезной балки (см. прилагаемое фото на фиг.3), который показал эффективную работу с учетом особенностей конструкции и нелинейных эффектов.

Литература

1. Нейронные сети в системах управления /Журнал "СТА. Современные технологии автоматизации", 1966, N1, с.84.

2. Патент РФ 2073839 Способ повышения несущей способности многопролетной неразрезной балки и устройство для его осуществления, авторы Абовский Н.П., Воловик Ю.А., Залялева Г.А. (прототип).

3. Заявка РФ N94023675 Контрольно-управляющее устройство для управления напряженно-деформированным состоянием неразрезной балки авторы Абовский Н.П. , Киселев Н. А., Палагушкин В.И., решение о выдаче патента РФ от 13 ноября 1996 г.