Московская Государственная Академия Приборостроения иИнформатики
ДОКЛАД
по теория систем и системного анализа«Нечеткийанализ – в автомобиле»
Выполнил: Пяров Тимур Р
ЭФ2, 2 курс, 35.14
2002
Москва
Нечетко едешь — дальше будешь
Владельцыотечественных автомобилей, в которых всей электроники — диодный мост генераторада реле-регулятор, — зачастую и не подозревают, сколько вычислительныхустройств содержит обычная иномарка среднего класса, внешне ничем не приметная.Оставим в стороне парковочные радары и климат-контроль — это в некоторойстепени роскошь, нас же интересуют вещи посерьезнее.
Не надо объяснять, что полнуюматематическую модель движения автомобиля (если рассматривать его не какматериальную точку, а как набор движущихся относительно дороги и друготносительно друга деталей) создать невероятно трудно, да и с предсказуемостьюдорожных условий дела обстоят хуже некуда (еще хуже — разве что с предсказаниемдействий водителя). Разумеется, бум микропроцессорной техники не обошелавтомобилестроение стороной, но классическим вычислительным системам, вполнесправляющимся с задачами управления объектами вплоть до атомных реакторов, этакомбинация асфальта, железа и человека оказалась не совсем по зубам. Причина — в вышеупомянутой невозможности описать поведение этой комбинации в терминахклассической логики: автомобилестроение базируется в основном на экспертномопыте, формализовать который не удастся, скорее всего, еще долго. Но святоместо пусто не бывает.
Первыми на нечеткую логику обратили внимание японскиеавтомобилестроители. В 1991 году компания Nissanвпервые применила компоненты нечеткой логики в системе управленияпятискоростной автоматической коробкой переключения передач (АКПП), годом позжеаналогичная система появилась на автомобилях Honda.Тогда же Mitsubishi Motorsпредставила модель Lancer (каталоги относят ее к 1993году, но зарубежные компании в таких случаях традиционно забегают вперед) ссистемой АБС на основе процессора с нечеткой логикой. Еще годом позжеспохватились и американцы: концерн General Motors применил подобную систему для управления АКПП, ноугнаться за японцами было не просто — к этому времени на том же Nissan была внедрена нечеткая логика в системах управлениявпрыском топлива для бензиновых двигателей. Ко второй половине прошлогодесятилетия системами с использованием нечеткой логики штатно оснащались машиныуже упомянутых Nissan, Mitsubishiи Honda, а BMW, Hyundai, Mazda, Mercedes и Peugeot планировали внедрить такие системы (вели подобныеразработки и компании, сами автомобилей не производящие, например Bosh и Nippon Denso).Здесь нужно пояснить, что открытой информации о применении в тех или иныхмоделях систем с нечеткой логикой на сегодня попросту нет. И дело не только взащите производителями своих секретов. Отношение к самому понятию «нечеткиесистемы» в разных странах разное. Для японцев, «взрастивших» это направление,понятие «fuzzy» означает передовую технологию ииспользовании элементов искусственного интеллекта, соответственно само словофигурирует в технических описаниях и рекламе устройств в качестве ихнесомненного достоинства. Для европейцев же фраза типа «тормозная система сиспользованием нечеткой логики» звучит практически эквивалентно «нечеткойтормозной системе», что потребитель может воспринять не совсем адекватно.Большинство европейских производителей просто не афиширует применение нечеткойлогики, оправдываясь тем, что вся «нечеткость» зашита в микропрограммууправляющего контроллера, и не пристало потребителю интересоваться излишнимитонкостями.
Типичный пример системы, хорошо поддающейся реализации с помощью нечеткойлогики, — АБС — антиблокировочная тормозная система.Хотя первые подобные устройства были разработаны и внедрены еще в начале 1970-хгодов (ну-ка вспомните, какие модели отечественных автомобилей производились вте годы нашим автопромом), высокая стоимостькомпонентов этих систем (в основном модуля управления) не позволила внедрить ихмассово. Через десятилетие АБС уже не считалась роскошью, но построение системыуправления реального времени с периодом цикла управления в единицы миллисекундпри необходимости серьезной математической обработки или работы с огромнымитаблицами все равно было делом непростым и недешевым. Реализаций АБС существуетмножество, но в общем случае управление осуществляется по двум входнымпараметрам: проскальзыванию колеса (отношение скорости автомобиля к мгновеннойлинейной скорости точки на внешнем радиусе колеса относительно его центра) ирадиальному ускорению колеса. Оба параметра представляются в виде логическихпеременных с набором из 5-8 термов каждая (например «отсутствует», «слабое»,«среднее», «сильное»,
Возьмем что-нибудь посложнее. Еще один кандидат на «нечеткое управление» — двигатель внутреннего сгорания (ДВС). Сложность систем управления ДВС впоследние годы значительно возросла — как в связи с ужесточением экологическихнорм и требований к снижению расхода топлива, так и вследствие форсированиядвигателей: они стали более «нежными», требуя такого же нежного с нимиобращения (со стороны системы управления, разумеется). Несмотря на то чтоосновных параметров регулирования всего два — подача топлива и моментзажигания, — системы управления типа PID-регуляторов в данном случае негодятся, так как алгоритм управления в значительной степени зависит от скоростивращения двигателя и нагрузки. Полная математическая модель ДВС слишком сложна,и до сих пор не создана. Из-за этого большинство систем управления ДВСиспользуют табличную модель, полученную экспериментальным путем на испытаниях ис учетом опыта экспертов. Серьезный недостаток такой модели — сложностьсоздания многомерных таблиц и большой объем памяти, требуемый для их записи,если выходной параметр формируется в зависимости от трех и более входных.Сегодняшние табличные системы используют в основном регулирование по двумпараметрам и, соответственно, трехмерные таблицы, описывающие поверхности.Памяти под таблицу нужно от 64 Кбайт до 1 Мбайт (иногда и больше). Попыткиснизить разрядность входных и выходных переменных (обычно она составляет 6 или8 бит) и применить интерполяцию не привели к успеху: вычислительной мощностиконтроллеров оказалось мало для обеспечения требуемого периода регулирования(единицы миллисекунд). Нечеткая логика позволяет заменить таблицы правилами(несколько сотен) и реализовать
Один из вариантов системы управления ДВС с использованием нечеткой логики (Nissan) представлен на рис. 2. Основная идея в том, чтопервым делом определяется состояние двигателя, описываемое лингвистическойпеременной (назовем ее «состояние»). Для нее можно задать несколько термов,например, как в таблице.
Значение каждого из термов определяют сигналы с датчиков. Теперь, к примеру,ситуация «Двигатель запущен недавно, большая нагрузка, среднее ускорение» можноописать следующей комбинацией термов: {0,9; 0; 0; 1; 0; 0,5}. Принимая значениятермов в качестве весовых коэффициентов, отдельные модули рассчитывают сигнал управлениядля подсистем впрыска, зажигания и принудительного холостого хода.
Еще одна система — автоматические трансмиссии, ничего не знающие в отличиеот водителя об условиях движения, но вынужденные выбирать между экономичностьюи динамикой — тоже «клиент» нечеткой логики. Их задача, как и в первых двухслучаях, не описывается математически, зато вполне формулируется словами. Вотчто необходимо:
§
§
§
В задаче с АКПП интересно то, что одним из «входных сигналов» для системыуправления является… человек. Вернее, его действия в процессе движения, которыепозволяют с некоторым приближением понять характер дороги или желания водителя.Частота нажатий на педаль акселератора позволяет судить, к примеру, обизвилистости дороги, а амплитуда нажатий — о стиле вождения (можно, конечно,попытаться получить эти данные явно, с помощью кнопки «sport» 1, но это не совсем спортивно). Рассматриваются иболее сложные ситуации, как, например, повторное нажатие педали акселератора винтервале 1-1,5 секунды после первого, что расценивается как недостаточноеускорение и вызывает принудительное включение низшей передачи. Системауправления в данном случае выполняет функции эксперта, подстраиваясь под явныеили неявные желания водителя и понемногу двигаясь в сторону искусственногоинтеллекта.
Терм
Действия
Цель
Запуск
Зажигание раннее, смесь богатая
Достижение минимальной скорости вращения
Холостой
ход
Зажигание нормальное, состав смеси зависит температуры
Поддержание минимальной скорости вращения и допустимого уровня CO
Низкая
нагрузка
Зажигание максимально позднее, но без детонации, состав смеси зависит от температуры
Максимальная экономия топлива
Высокая
нагрузка
Зажигание раннее, смесь максимально богатая, но без превышения нормы CO
Максимальная мощность
Торможение
Отключение подачи топлива
-
Разгон
Обогащение смеси в зависимости от нагрузки
Максимальное ускорение
Имея описанные выше «умные» системы управления разгоном и торможениемавтомобиля, появляется законное желание объединить их в единый «интеллект» ивозложить на него ответственность за поведение автомобиля если не постоянно, тохотя бы на критических участках, например, в виражах на скользкой дороге.Здравая мысль, но не вам первому она пришла в голову. Здесь лидируют немецкиеавтомобилестроители, и первые плоды их работы — это противозаносныесистемы, одновременно управляющие АКПП, блокировками дифференциалов трансмиссиии тормозами. Если в случае с той же АБС никто не мешает водителю делать так,как он хочет, лишь «корректируя» усилие торможения, то в данном случае педальтормоза скорее становится датчиком для «интеллекта», чем реальным органомуправления: вычислитель имеет возможность пользоваться тормозами, даже есливодитель не нажимал на педаль, и, наоборот, игнорировать его действия. Водителюже остается только крутить руль, на который автоматика пока не посягает, но ужеприсматривается через глазки видеокамер. Впрочем, надеюсь, на наш векнеавтоматизированных рулей хватит, и отечественный автопромнам в этом поможет.