LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA
NGHIÊN CƯÚ HỆ TRUYỀN ĐỘNG KHÔNG TIẾP XÚC SỬ DỤNG CÁC BỘ TREO TỪ TÍNH
MỤC LỤC
Lời cam đoan
Mục lục
Danh sách các kí hiệu, các chữ viết tắt
Danh mục các bảng
Danh mục các hình vẽ, đồ thị
Lời nói đầu
Nội dung Trang
CHƯƠNG I 1
TỔNG QUAN VỀ Ổ ĐỠ TỪ VÀ ĐỊNH HƯỚNG
ĐIỀU KHIỂN Ổ ĐỠ TỪ
1.1 Giới thiệu về bộ treo từ tính và ứng dụng của chúng 1
1.1.1 Ổ đỡ từ tính và truyền động động cơ 1
1.1.2 Giới thiệu tổng quát về hệ truyền động không tiếp xúc sử dụng bộ treo từ tính 4
1.1.3 Giới thiệu cấu trúc đặc trưng của một hệ thống truyền động động cơ 5
được trang bị các ổ đỡ từ tính.
1.1.4 Giới thiệu hệ truyền động ổ đỡ không tiếp xúc 7
1.1.5 Cấu trúc ổ đỡ không tiếp xúc 8
1.1.6 Cấu trúc của cuộn dây 15
1.1.7 Phân loại ổ đỡ từ 16
1.1.8 Một số ứng dụng phù hợp của động cơ và máy phát kiểu treo từ tính 17
1.2 Một số công trình nghiên cứu đã công bố về điều khiển các hệ phi tuyến 18
1.3 Các công trình nghiên cứu đã công bố về điều khiển ổ từ 19
KẾT LUẬN 21
CHƯƠNG 2
22
MÔ TẢ TOÁN HỌC Ổ ĐỠ TỪ
2.1 Mô hình toán học của bộ treo từ tính 22
2.1.1 Cấu trúc cơ điện và nguyên lý hoạt động của ổ từ 22
2.1.2 Các mối quan hệ cơ bản 24
2.1.3 Cơ cấu chấp hành vi sai 27
2.1.4 Động cơ nam châm vĩnh cửu lắp ghép bề mặt 28
2.1.5 Ổ từ chịu tải hướng tâm (ổ đỡ từ) 29
2.1.6 Mô ta toan hoc ô đơ tư 31
̉ ̃
2.2 Các tính chất điều khiển được của bộ treo từ tính 36
2.2.1 Lực kéo không cân bằng 36
2.2.1.1 Các nguyên tắc cơ bản 36
2.2.1.2 Phép phân tích trong lõi từ hình C và lõi từ hình chữ I 37
2.2.1.3 Phép phân tích trong ổ đỡ từ 38
2.2.2 Các nguyên tắc điêu khiên ô đơ tư một kênh 39
̉ ̃
KẾT LUẬN 42
CHƯƠNG 3
43
THIẾT KẾ CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN BỘ TREO TỪ TÍNH
3.1 Thiết kế các bộ điều khiển PID 43
3.1.1 Một vài nét về thuật toán điều chỉnh PID 43
3.1.2 Cấu trúc chung của hệ điều khiển tự động 43
3.1.2.1 Thành phần tỷ lệ 45
3.1.2.2 Thành phần tích phân 45
3.1.2.3 Thành phần vi phân 46
3.1.3 Hệ giảm chấn - khối lượng – lò xo tương đương 47
3.1.4 Điều chỉnh của các hệ số khuyếch đại PID (tỷ lệ, tích phân, đạo hàm) 50
3.1.4.1 Điều chỉnh hệ số khuyếch đại tỷ lệ và vi phân 54
56
3.1.4.2 Sai sô vị trí ở trạng thái ổn định và điều chỉnh hệ số khuyếch đại tích phân
3.2 Thiết kế bộ điều khiển nâng cao - Thiết kế bộ điều khiển mờ lai F-PID 61
3.2.1 Giới thiệu về bộ điều khiển mờ 61
3.2.2 Sơ đồ khối của hệ điều khiển mờ 62
3.2.3 Nguyên lý điều khiển mờ 65
3.2.4 Các nguyên tắc tổng hợp bộ điều khiển mờ 66 ̧
3.2.5 Các bộ điều khiển mờ 70
3.2.5.1 Các bộ điều khiển kinh điển 70
3.2.5.2 Bộ điều khiển mờ tĩnh 71
3.2.5.3 Bộ điều khiển mờ động 74
3.2.5.4 Hệ điều khiển mờ lai (F - PID) 79
a. Giới thiệu chung 79
b. Các dạng hệ mờ lai phổ biến 81
3.2.5.5 Tổng hợp hệ điều khiển mờ lai không thích nghi có bộ điều khiển kinh điển 82
3.3 Mô phỏng các bộ điều khiển đã thiết kế 84
3.3.1 Mô phỏng với bộ điều khiển PID 84
3.3.2 Mô phỏng với bộ điều khiển nâng cao 85
KẾT LUẬN 88
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 89
TÀI LIỆU THAM KHẢO
104 trang |
Chia sẻ: maiphuongtl | Lượt xem: 1638 | Lượt tải: 3
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Luận văn Nghiên cưú hệ truyền động không tiếp xúc sử dụng các bộ treo từ tính, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
í tham khảo. Tại thời điểm 30ms, x*sn bằng với xsn và đầu ra
tích phân là hằng số (được gọi là hằng số tích phân). Lực F*x khác không nhưng là
một giá trị không đổi, nó là điều kiện cần để lực cân bằng cho sai lệch vị trí bằng
không.
LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh Tù ®éng ho¸
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
58
Hình 3.8 - Đáp ứng của thay đổi bậc trong tham khảo vị trí
Ta hãy khảo sát sai lệch chuyển vị trong điều kiện trạng thái ổn định. Sai số dịch
chuyển / vị trí yêu cầu và chuyển vị/lực nhiễu có thể được viết dưới dạng một hàm
của hệ số khuyếch đại Gc là:
xsnic
x
sn
x
kkkGms
kms
x
e
2
2
*
(3.15)
kxkkGmsfd
x
snic
2
1
(3.16 )
Thay Gc vào 2 công thức trên sử dụng công thức sau:
d
in
pc sK
s
K
KG
( 3.17)
Tính toán các công thức (3.15) và (3.16) . Các kết quả không được trình bày ở đây,
các kết quả có chứa toán tử s trong phân tử, bởi vậy có một điểm không tại gốc. Đối
với một đáp ứng bậc các giá trị cuối cùng là:
LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh Tù ®éng ho¸
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
59
sx
e
imlx
sn
x
s
1
*0
(3.18)
sf
x
imlx
d
s
1
0
(3.19)
Các giá trị này bằng không. Do đó sai số vị trí ở trạng thái ổn định được triệt tiêu.
Để lựa chọn hệ số Ki ta khảo sát một bộ điều khiển PID với các trường hợp Ki =0;
Ki =100; Ki =1000 và Ki =10000 và tham số Kp =10, Kd = 0.5.
Hình 3.9 trình bày các biểu đồ tiệm cận của bộ điều khiển PID. Các đặc tính tần số
thấp phụ thuộc vào hệ số khuyếch đại tích phân Ki.
Nhận xét:
- Khi Ki =0, tức là bộ điều khiển sẽ tương đương với bộ điều khiển PD, biên độ
là một hằng số, tức là khoảng 20dB vì vậy nó được xác định phần lớn bởi hệ số
khuyếch đại điều khiển tỷ lệ bằng 10. Tuy nhiên, biên độ tăng lên ứng với tần số
giảm xuống với các giá trị khác nhau của Ki.
Hình 3.9 - Các đặc tính tần số của bộ điều khiển PID
LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh Tù ®éng ho¸
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
60
- Khi Ki=100 biên độ tăng lên tại miền tần số góc thấp, nhỏ hơn 10rad/s. Miền
biên độ tần số phẳng kéo dài từ 10 đến 1krad/s.
- Trong trường hợp Ki =1000, nó tăng khi tần số nhỏ hơn 100rad/s. Có thể nói
rằng trường hợp sau có nhiều hiệu quả hơn cho việc triệt tiêu nhiễu tần số thấp.
- Trong trường hợp Ki =10000, không thể nhận được đáp ứng tần số phẳng. Điều
kiện này dẫn đến làm giảm góc sớm pha tại một tần số quanh 1krad/s.
Trong số bốn trường hợp này, Ki =100 là lựa chọn tốt nhất do các nguyên nhân
sau: + hệ số khuyếch đại hệ thống cao trong miền tần số thấp.
+ không có sự giảm trong biên pha .
Hình 3. Ảnh hưởng của một bộ tích phân: (b) đáp ứng chuyển vị
Hình 3.12(b) trình bày đáp ứng chuyển vị với một lực nhiễu bậc. Đối với trường
hợp Ki =10000 và Ki=1000, có thể thấy giảm chấn yếu. Khi Ki=100, đáp ứng
chuyển vị là chậm. Khi Ki=0, chuyển vị không hội tụ tại điểm gốc 0. Như vậy nhận
được đáp ứng tốt nhất khi Ki=100.
3.2.4 Ảnh hƣởng của độ trễ
Từ các đường cong quá độ, đối chiếu với các tiêu chuẩn chất lượng ta chọn được
các thông số của bộ điều khiển PID như sau : Kp=10, Ki=100, Kd=0.5
s
s
W 5.0
100
10PID
Hình 3.10 - Đáp ứng chuyển vị đối với Ki
LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh Tù ®éng ho¸
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
61
3.2 Thiết kế bộ điều khiển nâng cao - Thiết kế bộ điều khiển mờ lai F-PID
3.2.1 Giới thiệu về bộ điều khiển mờ
Từ năm 1965 đã ra đời một lý thuyết mới đó là lý thuyết mờ do giáo sư Lofiti
A.Zadeh ở trường đại học California- Mỹ đưa ra. Từ khi lý thuyết đó ra đời đã được
phát triển mạnh mẽ qua các công trình nghiên cứu khoa hoạc của các nhà khoa học
như : Năm 1972 Giáo sư Terano và Asai thiết lập ra cơ sở nghiên cứu hệ thống điều
khiển mờ ở Nhật, năm 1980 hãng SmithCo bắt đầu nghiên cứu điều khiển mờ cho là
hơi …. Những năm đầu thập kỷ 90 cho đến nay hệ thống điều khiển mờ và mạng
noron được các nhà khoa học, các kỹ sư, các sinh viên trong mọi lĩnh vực đặc biệt
quan tâm và ứng dụng trong sản xuất và đời sống. Tập mờ và logic mờ đã dựa trên
các thông tin “không đầy đủ” về đối tượng một cách chính xác.
Trong những năm gần đây, lý thuyết về tập mờ đã được ứng dụng rộng rãi trong
nhiều lĩnh vực như : Các đồ vật dân dụng (điều hoà nhiệt độ, máy giặt…), điều
khiển giao thông vận tải, chẩn đoán và điều trị trong y học… Các vi mạch chuyên
dụng của điều khiển mờ cũng đã được chế tạo và ngày càng hoàn thiện. Vi mạch
đầu tiên được chế tạo bởi hang Masaki Togai & Hiroyuki Watanable vào năm 1986.
Ngày nay có rất nhều hang chế tạo được các chip mờ như Omrow có vi mạch
FP3000, FP5000, hang Motorola với vi mạch mờ sử dụng cùng với các vi mạch
68HC05 &68HC11, hang Hitachi America với vi mạch 48/300, 48/500 điều khiển
vi xử lý, hãng America Neutralogic với các chip NLX 230,ADS 230, NLX 110,
NLX112… Đã có rất nhiều sản phẩm công nghiệp được tạo ra nhờ áp dụng kỹ thuật
mờ ở Nhật Bản, nơi mà điều khiển mờ được áp dụng đươc thành công.
Điểm mạnh cơ bản của điều khiển mờ so với kỹ thuật điều khiển kinh điển là nó
áp dụng rất hiệu quả trong các quá trình chưa được xác định rõ hay không thể đo
đạc chính xác, các quá trình được điều khiển ở điều kiện thiếu thông tin. Điều khiển
mờ đã tích hợp kinh nghiệm của các chuyên gia để điều khiển mà không cần hiểu
biết nhiều về các thông số của hệ thống.
Điều khiển mờ chiếm một vị trí quan trọng trong điều khiển học kỹ thuật hiện
đại, đến nay điều khiển mờ đã là một phương pháp điều khiển nổi bật bởi tính linh
LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh Tù ®éng ho¸
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
62
hoạt và đã thu được những kết quả khả quan trong nghiên cứu, ứng dụng lý thuyết
tập mờ, logic mờ và suy luận mờ. Những ý tưởng cơ bản trong hệ điều khiển logic
mờ là tích hợp kiến thức của các chuyên gia trong thao tác vào các bộ điều khiển
trong quà trình điều khiển, quan hệ giữa các đầu vào và đầu ra của hệ điều khiển
logic mờ được thiết lập thông qua việc lựa chọn các luật điều khiển mờ (như luật
IF-THEN) trên các biến ngôn ngữ. Luật điều khiển IF – THEN là một cấu trúc điều
khiển dạng NẾU – THÌ, trong đó có một từ được đặc trưng bởi các hàm liên thuộc
liên tục. Các luật mờ và các thiết bị suy luận mờ là những công cụ gắn liền với việc
sử dụng kinh nghiệm chuyên gia trong việc thiết kế các bộ điều khiển.
So với các giải pháp kỹ thuật từ trước tới nay được áp dụng để tổng hợp các hệ
thống điều khiển bằng điều khiển mờ có những ưu điểm rõ rệt sau:
- Khối lượng công việc thiết kế giảm đi nhiều do không cần sử dụng mô hình đối
tượng trong việc tổng hợp hệ thống.
- Bộ điều khiển mờ dễ hiểu hơn so với các bộ điều khiển khác (cả về kỹ thuật)
và dễ dàng thay đổi. Đối với các bài toán thiết kế có độ phức tạp cao, giải pháp
dùng bộ điều khiển mờ cho phép giảm khối lượng tính toán và giá thành sản phẩm.
- Trong nhiều trường hợp bộ điều khiển mờ làm việc ổn định hơn, bền vững hơn
khả năng chống nhiễu cao hơn và chất lượng điều khiển cao hơn.
Ngày nay, với tốc độ phát triển vượt bậc của tin học và sự tương đối hoàn thiện
của lý thuyết điều khiển đã chắp cánh cho sự phát triển đa dạng và phong phú của các
hệ điều khiển mờ. Tuy nhiên, vấn đề tổng hợp được một bộ điều khiển mờ một cách
chặt chẽ và ứng dụng cho một đối tượng cụ thể nhằm nâng cao chất lượng điều khiển
đang là sự quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu.
3.2.2 Sơ đồ khối của hệ điều khiển mờ
Hoạt động của bộ điều khiển mờ phụ thuộc vào kinh nghiệm và phương pháp rút
ra kết luận theo tư duy con người sau đó được cài đặt vào máy tính trên cơ sở logic
mờ.
Cấu trúc chung của bộ điều khiển mờ gồm ba khối: khối mờ hoá, khối hợp thành
và khối giải mờ ( Hình 3-11 ).
LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh Tù ®éng ho¸
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
63
- Khối giải mờ có nhiệm vụ chuyển tập mờ đầu ra thành giá trị rõ y0 ứng với mỗi
gía trị rõ x0 để điều khiển đối tượng.
- Khối mờ hoá có chức năng chuyển mỗi giá trị rõ của biến ngôn ngữ đầu vào thành
vectơ
có số phần tử bằng số tập mờ đầu vào.
Khối luật mờ và khối hợp thành là phần cốt lõi của bộ điều khiển mờ vì nó có
khả năng mô phỏng những suy nghĩ, suy đoán của con người để đạt được mục tiêu
điều khiển mong muốn.
Trong điều khiển logic mờ, kinh nghiệm chuyên gia cùng các kỹ năng, kỹ xảo
đóng vai trò quan trọng trong việc lựa chọn các biến trạng thái và biến điều khiển.
Các biến vào của bộ điều khiển logic mờ thưòng là trạng thái, sai lệch trạng thái,
đạo hàm sai lệch trạng thái, tích phân sai lệch, v.v ..
Số lượng các tập mờ là trọng tâm cần lưu ý khi thiết kế các hệ điều khiển
logic mờ. Trong một miền giá trị ta có thể chọn số tập mờ khác nhau, thông thường
miền giá trị mờ đầu vào được chia thành nhiều tập mờ gối lên nhau. Thường người
ta chia số tập mờ từ 3 đến 9 giá trị, số lượng các tập mờ đầu vào xác định số lượng
lớn nhất các luật điều khiển mờ trong hệ điều khiển logic mờ.
Khối hợp thành có nhiệm vụ đưa vào tập mờ đầu vào (trong tập cơ sở U) và
tập các luật mờ (do người thiết kế đặt ra) để tạo thành tập mờ đầu ra (trong tập cơ sở
V). Nói cách khác là nhiệm vụ của khối hợp thành là thực hiện ánh xạ tập mờ đầu
vào (trong U) thành tập mờ đầu ra (trong V) theo tập các luật mờ đã có. Các nguyên
lý logic mờ được áp dụng trong khối hợp thành để tổ hợp từ các luật mờ IF – THEN
trong luật mờ cơ bản thành thao tác gán một tập mờ A’ (trong U) tới tập mờ B’
Hình 3.11 - Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ
LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh Tù ®éng ho¸
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
64
(trong V). Ta đã biết rằng các luật mờ IF - THEN được diễn giải thành các quan hệ
mờ trong không gian miền U*V.
Khi dùng quy tắc MAX – MIN thì dấu “*” được thay thế bằng cách lấy cực
tiểu. Khi dùng quy tắc MAX – PROD thì dấu “*” được thực hiện bằng phép nhân
bình thường. Các luật mờ cơ bản là tập hợp các luật mờ IF – THEN được xây dựng
trên các biến ngôn ngữ, các luật mờ này được đặc trưng cho mối liên hệ giữa đầu
vào và đầu ra của hệ, nó là trái tim của hệ điêu khiển logic mờ. Sử dụng luật mờ cơ
bản này làm công cụ để suy luận và đưa ra các đáp ứng một cách có hiệu quả.
Ta xét hệ mờ với nhiều đầu vào và một đầu ra (hệ MISO) với U = U1xU2x …
xUn R
n. Nếu hệ có m đầu ra từ y1, y2, … yn thì có thể phân thành m hệ mỗi hệ có
n đầu vào và một đầu ra.
Luật cơ sở là luật có dạng sau:
Ru
(1)
: Nếu x1 là An
1
Và…Và xn là An
1
Thì y là B
1
Trong đó Ai
1
là B
1
là các tập hợp mờ trong U1 R
n
và V
R, nếu có M
luật mờ cơ sở thì 1 = 1, 2, …, M.
Luật mờ trên là luật mờ chính tắc, từ luật mờ chính tắc trên có một số mệnh
khác bổ trợ khác.
Giải mờ được định nghĩa như gán một tập mờ B’ trong V
R ( Là đầu ra
của thiết bị hợp thành) với một giá trị rõ y*
V. Như vậy phép giải mờ là cụ thể
hoá một điểm trong V mà nó có thể hiện rõ nhất tập mờ B’. Tuy nhiên tập mờ B’
được xây dựng theo các cách khác nhau.
Để chọn phương pháp giải mờ thích hợp ta có thể dựa vào các tiêu chuẩn sau
đây:
- Tính tin cậy: Điểm y* phải đại diện cho tập mờ B’ một cách trực giác, ví dụ có thể
nằm ở gần giữa miền xác định của tập mờ B hoặc là điểm của hàm liên thuộc cao
nhất trong B.
- Đơn giản trong tính toán: Đây là tiêu chuẩn quan trọng vì trong điều khiển mờ
các tính toán đều làm việc trong chế độ thời gian thực.
LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh Tù ®éng ho¸
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
65
- Tính liên tục: Thể hiện ở việc làm khi có sự thay đổi nhỏ trong B’ sẽ không gây
sự biến đổi lớn trong y*.
3.2.3. Nguyên lý điều khiển mờ
Về nguyên tắc, hệ thống điều khiển mờ cũng không có gì khác với các hệ thống
điều khiển tự động thông thường khác. Sự khác biệt ở đây là bộ điều khiển mờ làm
việc có tư duy như bộ não dưới dạng trí tuệ nhân tạo. Nếu khẳng định làm việc
với bộ điều khiển mờ có thể giải quyết được mọi vấn đề từ trước đến nay chưa giải
quyết được theo phương pháp kinh điển thì không hoàn toàn chính xác, vì hoạt động
của bộ điều khiển phụ thuộc vào kinh nghiệm rút ra kết luận theo tư duy của con
người, sau đó được cài đặt vào máy tính trên cơ sở logic mờ. Hệ thống điều khiển
mờ đối tượng đó cũng có coi như là một hệ thống neuron (thần kinh), hay đúng hơn
là một hệ thống điều khiển được thiết kế mà không cần biết trước mô hình đối
tượng.
Hệ thống điều khiển mờ được thiết kế trên:
+ Giao diện đầu vào bao gồm các khâu Fuzzy hoá và các khâu phụ trợ thêm
để thực hiện bài toán động như khâu I, D . . .
+Thiết bị hợp thành mà bản chất của nó là sự triển khai luật hợp thành R
được xây dựng trên cơ sở luật điều khiển hay còn gọi là luật quyết định.
+ Khâu giao diện đầu ra (khâu chấp hành) gồm khâu giải mờ và các khâu
giao diện trực tiếp với đối tượng.
Hình 3.12 – Hệ thống điều khiển mờ
LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh Tù ®éng ho¸
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
66
Nguyên tắc tổng hợp bộ điều khiển mờ hoàn toàn dựa vào những phương pháp
toán học trên cơ sở định nghĩa các biến ngôn ngữ vào/ra và sự lựa chọn những luật
điều khiển. Do các bộ điều khiển mờ có khả năng xử lý các giá trị vào/ra biểu diễn
dưới dạng dấu phẩy động với độ chính xác cao nên chúng hoàn toàn đáp ứng được
các yêu cầu của một bài toán điều khiển rõ ràng và chính xác .
Trong sơ đồ trên, đối tượng này được điều khiển bằng đại lượng u là tín hiệu
đầu ra của bộ điều khiển mờ. Vì các tín hiệu điều khiển đối tượng là các tín hiệu
rõ, nên tín hiệu ra của bộ điều khiển mờ trước khi đưa vào điều khiển đối tượng
phải qua khâu giải mờ nằm trong khâu giao diện đầu ra. Các tín hiệu ra y của đối
tượng được đo bằng bộ cảm biến và được xử lý sơ bộ trước khi đưa vào bộ điều
khiển. Các tín hiệu này là các tín hiệu rõ đối tượng vậy để bộ điều khiển mờ hiểu
được chúng, tín hiệu ra y và ngay cả tín hiệu chủ đạo phải được mờ hoá.
3.2.4 Các nguyên tắc tổng hợp bộ điều khiển mờ
Như ta đã biết hệ thống điều khiển mờ có mục đích mô phỏng suy nghĩ điều
khiển của con người để điều khiển một đối tượng nào đó. Nhìn chung, hiểu biết của
con người để điều khiển một đối tượng kỹ thuật nào đó có thể phân tích thành hai
loại:
+ Loại hiểu biết rõ: Conscious knowledge.
+ Loại hiểu biết chưa rõ: Subconscious knowledge.
- Khi xây dựng bộ điều khiển mờ, với các hiểu biết rõ thì ta dùng luật “Nếu... thì”
và diễn đạt điều đó vào hệ thống mờ. Với các hiểu biết chưa rõ lúc điều khiển ta
phải đo lường trực tiếp trên đối tượng, các số liệu vào ra lúc đó, sau đó tập hợp lại
thành tập các dữ liệu vào – ra và ta sử dụng để xây dựng bằng cách chuyển đổi hiểu
biết của con người thành bộ điều khiển mờ với bộ số liệu vào - ra như hình vẽ 3.13.
LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh Tù ®éng ho¸
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
67
Các bước chuyển thành thiết bị hợp thành trong một bộ điều khiển mờ :
* Bƣớc 1: Định nghĩa tất cả các biến ngôn ngữ vào và ra
- Căn cứ vào số đầu vào, đầu ra, ta định nghĩa các biến ngôn ngữ vào/ra sao cho vừa
dễ nhớ vừa đơn giản cho việc thiết kế sau này.
Giả sử rằng nếu bộ điều khiển mờ làm chức năng của một bộ điều chỉnh
(nghĩa là bộ điều khiển nằm trong mạch kín với điều khiển thời gian thực và mục
đích chính là đảm bảo sai lệch cho phép giữa tín hiệu đặt và tín hiệu cần điều khiển)
thì biến đầu vào có thể chọn làm sai lệch và đạo hàm của sai lệch, biến ra là đại
lượng phản ánh tín hiệu cần điều khiển. Nếu bộ điều khiển làm chức năng tạo ra tín
hiệu đặt cho hệ thống (có thể là hệ kín hoặc hệ hở, có thể bộ điều khiển làm việc ở
thời gian thực hoặc không ở thời gian thực) thì số biến vào – ra hoàn toàn phụ thuộc
việc phân tích tình hình cụ thể với yêu cầu chung là tập biến ngôn ngữ vào - ra này
phải phủ hết không gian biến vào ra.
* Bƣớc 2: Định nghĩa tập mờ ( giá trị ngôn ngữ ) cho các biến vào – ra
Các việc cần làm trong bước này bao gồm:
- Xác định miền giá trị vật lý cho các biến vào – ra .
HIỂU BIẾT VỀ ĐỐI
TƯỢNG
HIỂU BIẾT RÕ
HIỂU BIẾT CHƯA RÕ
CÁC LUẬT
NÊU…THÌ…
SỬ DỤNG CHUYÊN GIA MÔ
PHỎNGOẠT ĐỘNG CỦA ĐỐI
TƯỢNG
HỆ MỜ
ĐO LƯỜNG CẶP DỮ LIỆU
VÀO RA
Hình 3.13 - Mô hình chuyển đổi hiểu biết của con người và hệ mờ
LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh Tù ®éng ho¸
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
68
Đây là miền giá trị rõ tới hạn cho các biến vào – ra, do vậy việc xác định căn cứ
hoàn toàn vào đối tượng cụ thể.
- Số lƣợng tập mờ ( giá trị ngôn ngữ ) cho các biến.
Nguyên lý chung là số lượng các giá trị ngôn ngữ cho mỗi biến nên nằm trong
khoảng từ 3 đến 9 giá trị. Nếu số lượng các giá trị này nhỏ hơn 3 thì ít có ý nghĩa do
không thực hiện được việc lấy vi phân. Nếu số lượng này lớn hơn 9 thì con người
khó có khả năng bao quát (con người khó có khả năng cảm nhận quá chi li.
- Xác định dạng hàm liên thuộc.
Đây là một điểm cực kỳ quan trọng vì quá trình làm việc của bộ điều khiển mờ
rất phụ thuộc vào dạng và kiểu hàm liên thuộc. Các hàm liên thuộc được chọn từ
những dạng hàm đã biết trước và mô hình hoá nó cho đến khi nhận được điều khiển
mờ làm việc như mong muốn. Cần chọn các hàm liên thuộc có phần chồng nên
nhau và phủ kín miền giá trị vật lý để trong quá trình điều khiển không xuất hiện “
lỗ hổng”. Trong kỹ thuật thường ưu tiên chọn hàm liên thuộc kiểu hình tam giác
hoặc hình thang, khi cần thiết và có lý do rõ ràng mới chọn hàm liên thuộc khác.
* Bƣớc 3: Xây dựng các luật điều khiển.
Đây là tập các luật: “ Nếu – Thì ” với một hoặc nhiều điều kiện, khi xây dựng
các luật phải dựa vào bản chất vật lý, dựa vào các số liệu đo đạc và kinh nghiệm
chuyên gia.
- Trong việc xây dựng các luật điều khiển (mệnh đề hợp thành) cần chú ý ở vùng
lân cận điểm không, không được tạo ra các “lỗ hổng”, bởi vì khi gặp phải các “lỗ
hổng” xung quanh điểm làm việc bộ điều khiển sẽ không thể làm việc theo đúng
như trình tự đã định.
- Để tiện lợi và bao quát, các luật này biểu diễn dưới dạng ma trận R.
- Ngoài ra cần phải để ý rằng, trong phần lớn các bộ điều khiển, tín hiệu ra sẽ bằng
không khi tất cả tín hiệu vào bằng không.
- Đầu tiên dựa vào từng cặp dữ liệu vào – ra đã biết để tạo ra từng luật riêng biệt.
Cần lưu ý là với mỗi giá trị vào – ra ta sẽ chọn tập mờ nào có giá trị hàm liên thuộc
lớn nhất.
LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh Tù ®éng ho¸
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
69
- Xác định cấp độ mỗi luật: Nếu có các luật gây xung đột thì cần xác định trọng số
cuả các luật này.
- Xác định tập đầy đủ các luật “ Nếu – thì ” và lập bảng luật theo tập vào. Dựa vào
từng luật riêng, trọng số của luật và kinh nghiệm chuyên gia ta thành lập bảng luật
đó là bảng luật theo tập dữ liệu vào.
* Bƣớc 4: Chọn thiết bị hợp thành ( MAX –MIN hay SUM – MIN... );
Ta có thể chọn thiết bị hợp thành theo các nguyên tắc :
- Sử dụng công thức :
AB ( x ) = MAX A (x), B (x)
Để có luật MAX – MIN; MAX – PROD;
- Sử dụng công thức: Lukasiewicscos luật SUM – MIN; SUM – PROD;
- Sử dụng tổng Einstein.
- Sử dụng tổng trực tiếp.
* Bƣớc 5: Chọn nguyên lý giải mờ:
Từ hàm liên thuộc hợp thành để xác định của tập mờ đầu ra, ta có thể chọn
phương pháp giải mờ thích hợp để xác định giá trị rõ đầu ra của bộ giải mờ. Thường
trong thiết kế hệ thống điều khiển mờ, giải mờ bằng phương pháp điểm trọng tâm
có nhiều ưu điểm hơn cả, bởi vì trong kết quả đầu ra đều có sự tham gia của tất cả
các luật điều khiển Rk , k = 1,2, . . . n (mệnh đề hợp thành).
* Bƣớc 6: Tối ƣu hoá:
- Sau khi bộ điều khiển mờ đã được tổng hợp ta ghép nó với đối tượng mô phỏng để
thử nghiệm. Quá trình thử nghiệm trên mô hình sẽ cho ta trước tiên kiểm tra các “lỗ
hổng”, nếu có “lỗ hổng” xuất hiện thì có thể phải điều chỉnh lại độ phủ nên nhau
của các giá trị ngôn ngữ, điều chỉnh lại luật điều khiển. Ngoài ra nếu bộ điều khiển
làm việc không ổn định thì phải kiểm tra lại luật “ Nếu – thì ” cơ sở.
Sau khi biết chắc bộ điều khiển đã làm việc ổn định và không có “lỗ hổng”, ta
có thể tối ưu hoá các trạng thái làm việc của nó theo các chỉ tiêu khác nhau. Chỉnh
định bộ điều khiển theo các chỉ tiêu chủ yếu được thực hiện thông qua việc hiệu
chỉnh hàm liên thuộc, thiết kế các nguyên tắc điều khiển phụ hoặc thay đổi một số
LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh Tù ®éng ho¸
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
70
nguyên tắc điều khiển đã có. Ta nên thực hiện từng bước và ghi lại biên bản cho
mọi trường hợp.
3.2.5. Các bộ điều khiển mờ
3.2.5.1 . Các bộ điều khiển kinh điển
Trước khi đi vào việc phân tích và tổng hợp các bộ điều khiển mờ, cũng cần
lược qua một cách ngắn ngọn các phương pháp tổng hợp kinh điển. Như chúng ta
đã được biết, một hệ thống muốn đạt được chất lượng mong muốn thì nhất thiết
phải có phản hồi (hệ kín). Lúc thiết kế một hệ thống mạch vòng kín điều khiển phản
hồi, trước tiên phải thiết kế tổng thể, tuyển chọn các tham số cơ bản và tính toán các
tham số trạng thái ổn định. Như vậy, đã hình thành được hệ thống mạch vòng kín cơ
bản, hay còn gọi là hệ thống nguyên thủy. Sau đó cần phải xây dựng mô hình toán
học trạng thái động học của hệ thống nguyên thủy, kiểm tra tính ổn định và chất
lượng động của nó (thông qua các phần mềm mô phỏng). Nếu hệ thống nguyên thủy
không ổn định hoặc chất lượng động không tốt, thì buộc phải cài đặt hiệu chỉnh
thích hợp, làm cho hệ thống sau khi hiệu chỉnh có thể thỏa mãn toàn diện yêu cầu
đề ra.
Tóm lại khi thiết kế một hệ thống điều khiển kinh điển (có sử dụng bộ điều
khiển kinh điển) phải trải qua các bước sau:
1. Xây dựng mô hình đối tượng đủ chính xác.
2. Đơn giản hoá mô hình.
3. Tuyến tính hoá mô hình tại điểm làm việc.
4. Chọn bộ điều khiển thích hợp xác định các tính chất mà bộ điều khiển
phải có .
5. Tính toán thông số của bộ điều khiển. Để thực hiện việc xác định thông số
của bộ điều khiển có rất nhiều phương pháp như phương pháp đường đặc tính tần số
với tiêu chuẩn Nyquist hay phương pháp quỹ đạo nghiệm số. Bằng các phương
pháp này sẽ tổng hợp được bộ điều khiển ổn định.
LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh Tù ®éng ho¸
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
71
6. Kiểm tra bộ điều khiển vừa thiết kế bằng cách ghép nối với mô hình đối
tượng điều khiển, nếu kết quả không như mong muốn, phải thiết kế lại theo các
bước từ 2 đến 6 cho đến khi đạt được kết quả mong muốn.
7. Đưa bộ điều khiển vừa thiết kế vào điều khiển đối tượng thực và kiểm tra
quá trình làm việc của hệ thống. Nếu chưa đạt các chỉ tiêu chất lượng thì thiết kế lại
từ bước 1 đến bước 6 cho đến khi đạt chất lượng mong muốn.
Tổng hợp một bộ điều khiển với các chức năng hoàn hảo phụ thuộc rất nhiều
vào các nhà chuyên môn. Quá trình tổng hợp sẽ rút ngắn lại vì chỉ còn phải thực
hiện bước 4, 5 nếu đã có mô hình đối tượng. Xây dựng mô hình hữu ích là một đòi
hỏi rất khó thực hiện, vì bên cạnh những hiểu biết tốt về lý thuyết, còn đòi hỏi nhiều
về kinh nghiệm trong nhận dạng hệ thống mà chủ yếu dựa vào kinh nghiệm cũng
như sự hiểu biết về đối tượng.
Nhìn chung phương pháp tổng hợp kinh điển thường gặp những khó khăn do
việc phải xây dựng được mô hình đối tượng trước khi thiết kế các bộ điều khiển.
Mặt khác các bộ điều khiển phải được thiết kế dựa trên cơ sở kỹ thuật và đảm bảo
tính chất phù hợp đối tượng của các bộ điều khiển này.
Song trong thực tế khi thiết kế hệ điều khiển mờ không nhất thiết phải biết
trước mô hình mà chỉ cần thể hiện những hiểu biết về đối tượng qua các biến ngôn
ngữ về động học của đối tượng, những biến này lại được phản chiếu qua các biến
ngôn ngữ và các nguyên tắc điều khiển cơ sở của bộ điều khiển mờ. Trong nhiều
trường hợp khả năng nhận dạng đối tượng qua mô hình cực kỳ khó khăn và nhiều
trường hợp không thể thực hiện được, nên việc tổng hợp hệ thống điều khiển bằng
thiết kế bộ điều khiển mờ cho phép tiết kiệm rất nhiều công sức giá thành lại rẻ. Đó
là điểm mạnh của điều khiển mờ trong việc thiết kế các hệ thống điều khiển các đối
tượng phức tạp, các đối tượng mà trong việc xây dựng mô hình cực kỳ khó khăn.
Ngay cả đối với các đối tượng điều khiển đơn giản quy trình thiết kế hệ thống mờ
cũng ngắn hơn so với quy trình thiết kế hệ thống điều khiển kinh điển.
3.2.5.2. Bộ điều khiển mờ tĩnh
LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh Tù ®éng ho¸
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
72
Bộ điều khiển mờ tĩnh là bộ điều khiển mờ có quan hệ vào/ra y(x) liên hệ nhau
theo một phương trình đại số (tuyến tính hoặc phi tuyến), trong đó x là đầu vào, y là
đầu ra. Các bộ điều khiển tĩnh điển hình là bộ khuyếch đại P, bộ điều khiển relay
hai vị trí, ba vị trí v.v… Những bộ điều khiển tĩnh này rất hay gặp trong các hệ
thống điều khiển tự động được thiết kế theo phương pháp kinh điển, nhất là các bộ
điều khiển P và bộ điều khiển hai vị trí. Thiết kế và chỉnh định các bộ điều khiển
này đơn giản, nhưng khi sử dụng trong các hệ thống điều khiển tự động thì thường
không đạt chất lượng tốt vì chưa đạt đến các trạng thái động (vận tốc, gia tốc). Mặc
dù vậy trong thực tế các bộ điều khiển kiểu này vẫn được dùng rất nhiều, bởi vì
chúng tương đối đơn giản, bền vững và không phải chọn nhiều thông số tối ưu.
Bộ điều khiển mờ đơn giản theo luật tỉ lệ là bộ điều khiển có một đầu vào, một
đầu ra và tín hiệu ra của bộ điều khiển mờ luôn tỉ lệ với sự biến đổi của tín hiệu vào
cho tới khi đạt được giá trị bão hòa.
Một trong các dạng hay dùng của bộ điều khiển mờ tĩnh là bộ điều khiển mờ
tuyến tính từng đoạn, nó cho phép ta thay đổi mức độ điều khiển trong các phạm vi
khác nhau của quá trình, do đó nâng cao được chất lượng điều khiển.
Để thiết kế những bộ điều khiển mờ có đặc tính y(x) tuyến tính từng đoạn với
sai số bằng không mà không phải cần tăng số các giá trị mờ đến giới hạn vô cùng.
Vấn đề đặt ra là phải định nghĩa các hàm liên thuộc như thế nào và sử dụng nguyên
tắc giải mờ gì để giải thì sẽ nối các đoạn thẳng với nhau một cách liên tục tại
những điểm nút.
Hình 3.14 - Quan hệ truyền đạt bộ điều khiển mờ theo luật tỉ lệ
-b
b
y
x
LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh Tù ®éng ho¸
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
73
Tổng quát lên thì thuật toán tổng hợp bộ điều khiển mờ có đường đặc tính y(x)
tuyến tính từng khúc cho trước như sau:
- Xác định các điểm nút (xk,yk), k = 1, 2, .. , n của y(x).
- Định nghĩa n tập mờ đầu vào Ak với k = 1,2, ... ,n có hàm liên thuộc Ak(x) dạng
hình tam giác với đỉnh là điểm xk và miền xác định là khoảng [xk-1, xk+1], trong đó
cho B1 và Bn thì các điểm x0,xn+1 là những điểm bất kỳ thoả mãn x0 xn.
- Xác định n tập mờ đầu ra Bk v ới k = 1, 2, ..., n có Bk(y) là hàm Kronecker định
nghĩa tại yk.
- Định nghĩa tập n luật điều khiển dạng:
Rk: nếu = Ak thì = Bk ,k = 1,2, ... ,n.
Cài đặt luật hợp thành theo nguyên lý MAX-MIN
- Sử dụng nguyên tắc độ cao để giải mờ
Hình 3.15 biểu diễn các hàm thuộc vào ra của bộ điều khiển mờ có đặc tính
y(x) đã cho trong hình 3.14.
Gồm điều khiển 6 luật :
R1 : nếu = A1 thì = B1 hoặc
R2: nếu = A2 thì = B2 hoặc
R3: nếu = A3 thì = B3 hoặc
R4: nếu = A4 thì = B4 hoặc
R5: nếu = A5 thì = B5 hoặc
R6: nếu = A6 thì = B6 hoặc
LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh Tù ®éng ho¸
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
74
3.2.5.3.Bộ điều khiển mờ động
Bộ điều khiển mờ động là bộ điều khiển mờ mà đầu vào có có xét tới các trạng
thái động của đối tượng như vận tốc, gia tốc, đạo hàm của gia tốc,...
Các bộ điều khiển mờ động hay được dùng hiện nay là bộ điều khiển mờ theo
luật tỉ lệ tích phân, tỉ lệ vi phân và tỉ lệ vi tích phân (I,PI, PD và PID ).
x1 x2 x3
x4 x5 x6 x
y3
y1, y2
y
y6
y4, y5
Hình 3.15 - Đường đặc tính y(x) cho trước
Thiết bị
hợp thành
và giải
mờ
Luật điều khiển
P1
D1
P2
D2
I1
I2
Đối
tƣợng
Thiết bị đo
Hình 3.16 - Bộ điều khiển mờ động với 4 đầu vào và 2 đầu ra.
LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh Tù ®éng ho¸
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
75
* Bộ điều khiển mờ theo luật I
Một bộ điều khiển mờ theo luật I có thể thiết kế từ một bộ điều khiển mờ theo
luật P (bộ điều khiển mờ tuyến tính) bằng cách mắc nối tiếp một khâu tích phân
kinh điển vào trước hoặc sau khối mờ đó. Do tính phi tuyến của hệ mờ, nên việc
mắc khâu tích phân trước hay sau hệ mờ hoàn toàn khác nhau.
* Bộ điều khiển mờ theo luật PI
Bộ điều khiển mờ theo luật PI thường được sử dụng để triệt tiêu sai lệch tĩnh của
hệ thống. Mô hình điều khiển theo luật PI như sau:
Thiết bị hợp
giải mờ
Fuzzy
hoá
I
Luật hợp thành
Đối
tƣợng
x
-
Nhiễu
E
Hình 3.17 - Hệ điều khiển mờ theo luật I
Bộ điều
khiển mờ Đối tƣợng
Nhiễu
x
-
y
Hình 3.18a – Mô hình điều khiển mờ theo luật PI
LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh Tù ®éng ho¸
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
76
* Bộ điều khiển mờ theo luật PD
Khi mắc nối tiếp ở đầu vào một bộ điều khiển mờ theo luật tỉ lệ một khâu vi
phân sẽ có được một bộ điều khiển mờ theo luật tỉ lệ vi phân PD.Hình 3.17
Thành phần của bộ điều khiển này cũng giống như bộ điều khiển theo luật PD
thông thường bao gồm sai lệch giữa tín hiệu chủ đạo và tín hiệu ra của hệ thống E
và đạo hàm của sai lệch E’. Thành phần vi phân giúp cho hệ thống phản ứng chính
xác hơn với những biến đổi lớn của sai lệch theo thời gian. Phát triển tiếp từ ví dụ
về bộ điều khiển mờ theo luật P thành bộ điều khiển mờ theo luật PD hoàn toàn đơn
giản.
* Bộ điều khiển mờ theo luật PID
Trong kỹ thuật điều khiển kinh điển, bộ điều khiển PID được biết đến như là
một giải pháp đa năng và có miền ứng dụng rộng lớn. Định nghĩa về bộ điều khiển
Bộ điều
khiển mờ
Đối tƣợng
-
Nhiễu
x y
Hình 3.18.b – Mô hình điều khiển mờ theo luật PI
Hình 3.19 - Hệ thống điều khiển mờ theo luật PD
Bộ điều
khiển mờ
d
dt
Đối tƣợng x
-
Nhiễu
E
E
’
LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh Tù ®éng ho¸
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
77
theo luật PID kinh điển trước đây vẫn có thể sử dụng cho một bộ điều khiển mờ theo
luật PID. Bộ điều khiển mờ theo luật PID được thiết kế theo hai thuật toán:
- Thuật toán chỉnh định PID mờ.
- Thuật toán PID tốc độ.
Bộ điều khiển mờ được thiết kế theo thuật toán chỉnh định PID có 3 đầu vào
gồm sai lệch E giữa tín hiệu chủ đạo và tín hiệu ra, đạo hàm và tích phân của sai
lệch. Đầu ra của bộ điều khiển mờ chính là tín hiệu điều khiển u(t).
Edt
d
TEdt
T
EKtu
t
D
I 0
1
(*)
Với thuật toán PID tốc độ, bộ điều khiển PID có 3 đầu vào: sai lệch E giữa tín hiệu
đầu vào và tín hiệu chủ đạo, đạo hàm bậc nhất DE1 và đạo hàm bậc hai DE2 của sai
lệch. Đầu ra của hệ mờ là đạo hàm
dt
du
của tín hiệu điều khiển u(t).
E
dt
d
E
T
E
dt
d
K
dt
du
I
2
21
(**)
E x(t)
Thiết bị hợp
thành và giải
mờ
Đối
tƣợng
Thiết bị
đo
- y(t) u(t)
Hình 3.20a - Bộ điều khiển mờ theo luật PID
(dùng thuật toán chỉnh định PID mờ)
P
I
D
Luật hợp thành
E
IE
DE
LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh Tù ®éng ho¸
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
78
Do trong thực tế thường có một trong hai thành phần trong (*) và (**) được bỏ qua,
nên thay vì thiết kế một bộ PID hoàn chỉnh người ta thường tổng hợp các bộ điều khiển PI
và PD. Bộ điều khiển PID mờ được thiết kế trên cơ sở của bộ điều khiển PD mờ bằng cách
mắc nối tiếp ở đầu ra của bộ điều khiển PD mờ một khâu tích phân.
Hiện nay đã có nhiều dạng cấu trúc khác nhau của PID mờ đã được nghiên cứu.
Các dạng cấu trúc này thường được thiết lập trên cơ sở tách bộ điều chỉnh PID
thành hai bộ điều chỉnh PD và PI. Việc phân chia này chỉ nhằm mục đích thiết lập
các hệ luật cho PD và PI gồm hai biến vào, một biến ra, thay vì phải thiết lập ba
biến vào.
* Một số kết luận :
Bộ điều khiển PD mờ cho đặc tính động học lý tưởng. Ở chế độ tĩnh bộ điều
khiển PI mờ có khả năng triệt tiêu sai lệch tĩnh.
E
Đối tượng
dt
d
I
Bộ điều
khiển mờ
Hình 3.21 - Hệ điều khiển mờ PID
DE
x
-
Hình 3.20b - Bộ điều khiển mờ theo luật PID
(dùng thuật toán PID tốc độ)
LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh Tù ®éng ho¸
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
79
Bộ điều khiển P mờ cho đặc tính động học tương đối tốt, nhưng ở chế độ xác lập
hệ thống lại tồn tại sai lệch tĩnh, hay nói một cách khác là độ chính xác của hệ thống
kém hơn so với việc sử dụng bộ điều khiển PI mờ.
Sự ghép nối giữa các khâu tuyến tính với hệ mờ (khâu phi tuyến) đã cho ra đời
các bộ điều khiển với những tính chất rất hoàn hảo và đã tạo ra một khả năng mới
trong kỹ thuật điều khiển tự động, đó là điều khiển các đối tượng phức tạp, các đối
tượng mà cho đến nay việc khống chế nó hoàn toàn khó khăn và hầu như không
điều khiển được theo phương pháp kinh điển. Ở đây cũng khẳng định được bộ điều
khiển mờ đơn giản cũng có thể điều khiển tốt một đối tuợng phi tuyến phức tạp.
Một điểm đặc biệt là các bộ điều khiển mờ cho phép lập lại các tính chất của các
bộ kinh điển trong kỹ thuật mờ do nhiều yếu tố cũng rất được quan tâm. Các bộ
điều khiển P,PI hoặc PID đã điều khiển được các đối tượng kỹ thuật rất hoàn thiện
và cho đặc tính động học của toàn bộ hệ thống rất tốt. Tuy nhiên, để xử lý thêm các
tín hiệu đo và tăng thêm khả năng chuẩn đoán cho hệ thống, cần thay thế ở bước
đầu tiên bộ kinh điển bằng bộ điều khiển mờ và phát triển thêm hệ điều khiển dựa
trên cơ sở của bộ điều khiển mờ này để có được các tính chất điều khiển mong
muốn.
Các bộ điều khiển mờ cho phép thiết kế rất đa dạng, vì qua việc tổ chức các
nguyên tắc điều khiển và chọn tập mờ cho các biến ngôn ngữ chp phép thiết kế các
bộ điều khiển mờ khác nhau. Một điểm quan trọng nữa là khối lượng công việc cần
thực hiện khi thiết kế một bộ điều khiển mờ hoàn toàn không phụ thuộc vào đặc
tính của đối tượng có tuyến tính hay không tuyến tính.
3.2.5.4 Hệ điều khiển mờ lai (F - PID)
a. Giới thiệu chung
Bộ điều khiển mà trong quá trình làm việc tự điều chỉnh thông số của nó cho
phù hợp với sự thay đổi của đối tượng được gọi là bộ điều khiển thích nghi. Một hệ
thống điều khiển thích nghi, cho dù có hay không sự tham gia của hệ mờ, là hệ
thống phát triển cao và có tiềm năng đặc biệt, song gắn liền với những ưu điểm đó
là khối lượng tính toán thiết kế rất lớn.
LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh Tù ®éng ho¸
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
80
Thực tế ứng dụng kỹ thuật điều khiển mờ cho thấy: không phải là cứ thay một
bộ điều khiển mờ vào chỗ bộ điều khiển kinh điển thì sẽ có một hệ thống tốt hơn.
Trong nhiều trường hợp, để hệ thống có đặc tính động học tốt và bền vững cần phải
thiết kế thiết bị điều khiển lai giữa bộ điều khiển mờ và bộ điều khiển kinh điển.
Hệ mờ lai (viết tắt là F-PID) là một hệ thống điều khiển tự động trong đó thiết bị
điều khiển bao gồm hai thành phần:
- Thành phần điều khiển kinh điển.
- Thành phần điều khiển mờ.
Sử dụng bộ điều khiển mờ lai sẽ phát huy được ưu điểm của cả bộ điều khiển mờ và
bộ điều khiển rõ.
b. Các dạng hệ mờ lai phổ biến
b1. Hệ lai không thích nghi có bộ điều khiển kinh điển
Hãy quan sát hình 3.22a của một hệ lai có bộ tiền xử lý mờ. Nhiệm vụ điều
khiển được giải quyết bằng bộ điều khiển kinh điển và các thông số của bộ điều
khiển không được chỉnh định thích nghi. Hệ mờ được sử dụng để điều chế tín hiệu
chủ đạo cho phù hợp với hệ thống điều khiển. Về nguyên tắc, tín hiệu chủ đạo là
một hàm thời gian bất kỳ và phụ thuộc vào những ứng dụng cụ thể. Một cấu trúc cụ
thể của hệ mờ lai có bộ tiền xử lý mờ như vậy được biểu diễn trong hình 3.21b
Hình 3.22a - Bộ điều khiển mờ lai có khâu tiền xử lý mờ
Hình 3.22b - Hệ mờ với bộ mờ cho tín hiệu chủ đạo x
PID
LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh Tù ®éng ho¸
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
81
Tín hiệu chủ đạo x đưa vào hệ thống được điều chế qua bộ mờ. Tín hiệu vào x được
so sánh với tín hiệu ra y của hệ thống và sai lệch E cùng đạo hàm DE của nó được
đưa vào đầu vào bộ lọc mờ tạo ra một lượng hiệu chỉnh x, tín hiệu chủ đạo đã
được lọc có giá trị x + x. Tác dụng của bộ lọc mờ trong toàn bộ hệ thống là làm
cho hệ thống có đặc tính động tốt hơn và nâng cao khả năng bền vững của hệ khi
các thông số trong hệ biến đổi.
b2. Hệ mờ lai Cascade
Một cấu trúc mờ lai khác được biểu diễn trong hình 3.23, ở đó phần bù tín
hiệu điều chỉnh u được lấy từ bộ điều khiển mờ.
Hình 3.23 - Cấu trúc hệ mờ lai Cascade
Trong trường hợp hệ thống có cấu trúc như trên thì việc chọn các đại lượng
đầu vào của hệ mờ phụ thuộc vào từng ứng dụng cụ thể. Tất nhiên các đại lượng
thường được sử dụng làm tín hiệu vào của hệ mờ là tín hiệu chủ đạo x, sai lệch E,
tín hiệu ra y cùng với đạo hàm hoặc tích phân của các đại lượng này. Về nguyên tắc
có thể sử dụng các đại lượng khác của đối tượng cũng như sử dụng các nhiễu xác
định được.
b3. Điều khiển công tắc thích nghi bằng khóa mờ
Điều khiển theo kiểu chuyển đổi khâu điều khiển có tham số và cấu trúc phù
hợp với điểm làm việc của đối tượng đòi hỏi thiết bị điều khiển phải chứa đựng tất
cả các khâu có cấu trúc và tham số khác nhau cho từng trường hợp ( Hình 3.24 ). Hệ
thống sẽ tự chọn khâu điều khiển có tham số phù hợp với đối tượng. Điều khiển
công tắc chuyển đổi vị trí để chọn khâu điều khiển phù hợp được thực hiện bằng
khóa mờ.
LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh Tù ®éng ho¸
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
82
Hình 3.24 - Chọn bộ điều khiển thích nghi bằng khóa mờ
Thông thường thì các khâu điều khiển được dùng trong trường hợp này là
các khâu có cấu trúc như nhau nhưng tham số khác nhau. Khác với việc chỉnh định
thông số thích nghi trong các hệ tự chỉnh, các thông số ở đây được chỉnh định cứng
qua công tắc chuyển đổi. Ưu điểm chính của hệ thống này là các bộ điều khiển làm
việc độc lập với nhau, do vậy có thể kiểm tra tính ổn định của hệ ứng với từng
trường hợp riêng biệt. Các đại lượng vào của hệ mờ được xác định theo từng ứng
dụng cụ thể.
3.2.5.5. Tổng hợp hệ điều khiển mờ lai không thích nghi có bộ điều khiển kinh
điển .
Như đã phân tích ở phần 1.1.2 và phần 2.1.6 ta thấy hàm truyền ổ đỡ từ là không
ổn định có tính phi tuyến cao, việc xác định trước thông số của ổ là rất khó khăn, do
vậy, trong bản luận văn này, em đề xuất phương pháp dùng bộ điều khiển PID kết
hợp với bộ điều khiển mờ.
Ta thiết kế bộ điều khiển mờ bao gồm một biến trạng thái mờ đầu vào và một
biến mờ đầu ra. Mỗi biến này lại được chia thành nhiều giá trị tập mờ (Tập mờ
con). Số giá trị mờ trên mỗi biến được chọn để phủ hết các khả năng cần thiết sao
cho khả năng điều khiển là lớn nhất trong khi chỉ cần một số tối thiểu các luật điều
khiển mờ. Sử dụng công cụ Toolbox Fuzzy Logic và Simulink của phần mềm
Matlab để xây dựng bộ điều khiển mờ lai. Công cụ này cho phép người sử dụng
thiết kế điều khiển mờ nhanh chóng, chính xác và cho phép xuất kết quả ra vùng
Workspace để tiến hành mô phỏng bằng công cụ Simulink của Matlab.
Sự phân bố của các hàm liên thuộc của đầu vào :
LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh Tù ®éng ho¸
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
83
* Luật điều khiển và luật hợp thành
Luật hợp thành được xây dựng trên cơ sở nguyên lý hợp thành MAX – MIN.
Hình 3.25 - Sự phân bố các giá trị mờ của biến vào
Hình 3.26 - Sự phân bố các giá trị mờ của biến ra
Hình 3.27 – Quan sát tín hiệu vào ra của bộ điều khiển mờ lai
LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh Tù ®éng ho¸
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
84
* Giải mờ
Giải mờ có thể được thực hiện theo các phương pháp điểm trọng tâm, phương
pháp trung bình hay phương pháp cực đại. Do miền xác định của các giá trị mờ đầu
ra là miền liên thông nên ta sẽ giải mờ theo phương pháp trọng tâm. Giá trị rõ x
được xác định theo phương pháp điểm trọng tâm như ở công thức:
dx)x(
dx)x(.x
x
S
B
S
B
0
μ
Trong đó: S là miền xác định của tập mờ B.
Sử dụng phần mềm Matlab để mô phỏng hệ điều khiển mờ, ở đây ta tiến hành
theo hai bước:
* Mô phỏng bộ điều khiển mờ: Việc xây dựng bộ điều khiển mờ dựa trên
công cụ Fuzzy của phần mềm Matlab. Các hàm liên thuộc của các giá trị mờ trong
các biến vào và ra được chọn như trên hình: 3-25 và 3-26.
3.3. Mô phỏng các bộ điều khiển đã thiết kế
3.3.1. Mô phỏng với bộ điều khiển PID
Ta sử dụng bộ chỉnh lưu hình cầu 3 pha có kCL=1.57, TCL=0.0017. Sơ đồ mô phỏng :
Hình 3.28 - Quan hệ vào – ra của bộ điều khiển mờ.
LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh Tù ®éng ho¸
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
85
Kết qủa mô phỏng:
Với bộ thông số của bộ điều khiển PID: Kp = 10, Ki = 100, Kd = 0.5. Ta thấy hệ
thống có đáp ứng khá nhanh, thời gian xác lập ngắn và không có sai lệch tĩnh.
3.3.2. Mô phỏng với bộ điều khiển nâng cao
Sơ đồ mô phỏng:
Hình 3.29 – Sơ đồ mô phỏng với bộ PID kinh điển
Hình 3.30 - Kết quả mô phỏng chuyển vị theo phương x của ổ từ có sử dụng
bộ PID kinh điển
LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh Tù ®éng ho¸
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
86
Để có thể so sánh thấy được ưu điểm của bộ điều khiển nâng cao ta có thể quan sơ
đồ mô phỏng và các kết quả trên cùng một đồ thị như sau:
Hình 3.32 - Kết quả mô phỏng chuyển vị theo phương x có sử
dụng hệ điều khiển mờ lai F-PID
Hình 3.31 – Sơ đồ mô phỏng hệ có sử dụng hệ điều khiển
mờ lai F-PID
Ổ từ
LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh Tù ®éng ho¸
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
87
Hình 3.34- Kết quả mô phỏng chuyển vị theo phương x có sử dụng bộ
điều khiển PID kinh điển và hệ điều khiển mờ lai F-PID
Hình 3.33 - Sơ đồ mô phỏng hệ có sử dụng bộ PID kinh điển và hệ
điều khiển mờ lai F-PID
LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh Tù ®éng ho¸
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
88
KẾT LUẬN
Nội dung trong chương này đã hoàn thành được một số vấn đề như sau :
Hoàn thành việc thiết kế và mô phỏng hệ thống có sử dụng bộ điều khiển PID
kinh điển và bộ điều khiển mờ lai với hệ truyền động không tiếp xúc có sử dụng bộ
treo từ tính. Từ kết quả mô phỏng trên phần mềm Matlab, ta rút ra được kết luận:
Nếu dùng bộ điều khiển PID thì độ chính xác cũng như thời gian quá độ đạt kết quả
không cao. Nhưng khi sử dụng bộ PID kết hợp với bộ điều khiển mờ thì thời gian
quá độ đảm bảo yêu cầu đặt ra, chất lượng hệ thống tốt hơn.
Điều này được thể hiện qua các điểm sau:
Các thông số đặc trưng
Với bộ điều khiển PID
kinh điển
Với bộ điều khiển mờ lai
F-PID
Thời gian đáp ứng 0.07s 0.07s
Thời gian quá độ 0.45 s 0.3s
Độ quá điều chỉnh 23% 5%
Điều này thể hiện được ưu điểm của bộ điều khiển mờ lai F-PID so với bộ điều
khiển kinh điển PID.
LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh Tù ®éng ho¸
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
89
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
* KẾT LUẬN
Sau một thời gian làm luận văn, tác giả đã hoàn thành luận văn tốt nghiệp được
giao với nội dung: “Nghiên cứu hệ truyền động không tiếp xúc sử dụng bộ treo từ
tính”.
Cụ thể khối lượng công việc tác giả đã thực hiện như sau:
1. Nghiên cứu tổng quan về hệ truyền động không tiếp xúc sử dụng bộ treo từ
tính:
+ Khái niệm ổ đỡ từ: Cấu tạo, nguyên lý làm việc và ứng dụng của ổ đỡ từ.
+ Tổng quát về hệ truyền động không tiếp xúc sử dụng bộ treo từ tính.
+ Cấu trúc đặc trưng của một hệ thống truyền động động cơ được trang bị các ổ
đỡ từ tính.
2. Phân tích các tính chất điều khiển của bộ treo từ tính, các nguyên tắc điều
khiển ổ đỡ. Từ đó, đưa ra mô hình tổng quát của hệ truyền động.
3. Mô phỏng hệ truyền động bằng phần mềm Matlab- Simulink trong cả 2
trường hợp hệ có sử dụng bộ điều khiển PID kinh điển và bộ điều khiển mờ lai F-
PID.
- Kiểm nghiệm cho thấy bộ điều khiển mờ PID thực thi tốt hơn bộ điều khiển PID
tuyến tính truyền thống.
Có thể thấy rằng sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật vi xử lý và công nghệ
thông tin học như tốc độ máy tính rất lớn, cấu hình cao và đặc biệt là các phần mềm
ứng dụng hỗ trợ đã mở ra khả năng ứng dụng có hiệu quả việc điều khiển đối
tượng.
Việc nghiên cứu và phát triển của đề tài chỉ dừng lại ở việc mô phỏng kiểm tra
trên máy tính chưa kiểm nghiệm bằng bộ điều khiển thực tế. Đây chính là gợi ý cho
hướng đi của đề tài.
* KIẾN NGHỊ
LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh Tù ®éng ho¸
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
90
Sau đây là một số đề xuất về hướng nghiên cứu tiếp theo trên cơ sở thừa kế
những kết quả nghiên cứu của luận văn:
Trong một hệ thống từ treo chấp hành có nhiều nguyên nhân dẫn đến trễ có thể xảy
ra. Độ trễ có thể do những nguyên nhân sau:
+ Tổn thất sắt trong lõi sắt chấp hành
+ Trễ từ thông theo dòng điện , nguyên nhân là do dòng điện xoáy (dòng điện
phucô).
+ Bão hoà điện áp trong bộ điều khiển dòng điện .
+ Đáp ứng tần số bị giới hạn của bộ điều khiển dòng điện.
+ Đáp ứng tần số sensor bị giới hạn.
+ Phần tử độ trễ bậc nhất của một điện trở và một từ trở của cuộn dây v.v....
Tuỳ thuộc vào ứng dụng , một vài trong số những điểm này có thể gây ra những vấn
đề nghiêm trọng đến hệ thống. Ảnh hưởng của độ trễ trong một hệ thống từ treo là
quan trọng, nó có thể làm hỏng (phá huỷ) tính ổn định của một hệ thống treo. Bởi
vậy, cần nghiên cứu để khắc phục cho những ảnh hưởng trên trong hướng nghiên
cứu tiếp theo.
Khảo sát hệ với chuyển dịch đồng thời và đầy đủ theo cả hai phương x và y, sự
ảnh hưởng của nhiễu phụ tải và tác động xuyên chéo hai phương lẫn nhau.
Hoàn thiện hệ thống sử dụng bộ điều khiển mờ lai và tiến hành áp dụng mô hình
thực nghiệm để kiểm chứng lí thuyết.
Thiết kế và ứng dụng bộ điều khiển mờ lai chỉnh định tham số bộ điều khiển
PID cho hệ thống. Tích hợp bộ điều khiển PID, bộ điều khiển mờ lai, bộ điều khiển
mờ lai chỉnh định tham số bộ điều khiển PID vào hệ thống.
Tác giả hy vọng luận văn này có thể làm nền tảng cho những đề tài tiếp theo,
từng bước khai thác và hiện thực hoá ứng dụng việc sử dụng bộ treo từ tính trong
điều khiển quá trình nói riêng và trong công nghiệp nói chung.
Một lần nữa tác giả xin trân thành cảm ơn thầy giáo PGS.TS Nguyễn Như Hiển
một số bạn đồng nghiệp và Khoa đào tạo Sau đại học.
LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh Tù ®éng ho¸
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
91
Thái Nguyên, ngày 30 tháng 7 năm 2009
Tác giả
Trần Thị Thanh Nga
LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh Tù ®éng ho¸
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
TÀI LIỆU THAM KHẢO
* Tiếng Việt
[1]. Nguyễn Như Hiển; Bùi Chính Minh (2007); “Điều khiển phi tuyến thích nghi
và bền vững hệ truyền động nối khớp mềm”, Tạp chí Khoa học & Công nghệ các
trường đại học kỹ thuật, Hà Nội.
[2]. Nguyễn Như Hiển,Bùi Chính Minh, [2007] “Thiết kế bộ điều khiển phi tuyến
bền vững cho hệ truyền động nối khớp mềm”, Tạp chí Khoa học & Công nghệ các
trường đại học kỹ thuật, Hà Nội.
[3]. Nguyễn Như Hiển, Lại Khắc Lãi(2007), Hệ mờ và nơ ron, Nhà xuất bản khoa
học tự nhiên và công nghệ, Hà Nội.
[4]. Phan Xuân Minh, Nguyễn Doãn Phước (2006), Lý thuyết điều khiển mờ, Nhà
xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội.
[5]. Nguyễn Phùng Quang (2006), Matlab Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự
động, nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội.
[6]. Hoàng Minh Sơn (2006), Điều khiển quá trình, nhà xuất bản Bách khoa- Hà Nội.
* Tiếng Anh
[7]. Akira Chiba, Tadashi Fukao,Osamu Ichikawa, Masahide Oshima, asatsugu
Takemoto and David G. Dorrell, Magnetic Bearings and Bearingless Drives.
[8]. A. Hamler et al., Passive magnetic bearing, Journal of Magnetism and
Magnetic Materials, 272–276 (2004) 2379–2380
[9]. B. Lu et al., Linear parameter-varying techniques for control of a magnetic
bearing system, Control Engineering Practice 16 (2008) 1161–1172.
[10]. Chen, K.-Y. et al., A self-tuning fuzzy PID-type controller design for
unbalance compensation in an active magnetic bearing, Expert Systems with
Applications (2009), doi:10.1016/j.eswa.2008.10.055.
[11]. C. Colin Roberts, The multiple attractions of magnetic bearings, World pumps
December 2006, 0262 1762/06.
[12].G-R. Duan and D. Howe, Robust Magnetic Bearing Control via Eigenstructure
Assignment Dynamical Compensation, IEEE Transactions on Control Systems
Technology, Vol. 11, No. 2, 2003, pp. 204-215.
LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh Tù ®éng ho¸
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
[13]. H.-Y. Kim, C.-W. Lee, Design and control of active magnetic bearing system
with Lorentz force-type axial actuator, Mechatronics 16 (2006) 13–20.
[14]. I.S. Cade et al., Rotor/active magnetic bearing transient control using wavelet
predictive moderation, Journal of Sound and Vibration 302 (2007) 88–103.
[15]. J. Shi et al., Synchronous disturbance attenuation in magnetic bearing systems
using adaptive compensating signals, Control Engineering Practice 12 (2004) 283–
290.
[16]. J.Y. Hung et al., Nonlinear control of a magnetic bearing system,
Mechatronics 13 (2003) 621–637
[17]. Marjan Golob, Boris Tovornik, Modeling and control of the magnetic
suspension system, ISA Transactions 42 (2003) 89–100.
[18]. M.O.T. Cole et al., Towards fault-tolerant active control of rotor–magnetic
bearing systems, Control Engineering Practice 12 (2004) 491–501.
[19]. T.M. Lim, D. Zhang, Control of Lorentz force-type self-bearing motors with
hybrid PID and robust model reference adaptive control scheme, Mechatronics 18
(2008) 35–45.
[20]. Z. Gosiewski, A. Mystkowski, Robust control of active magnetic suspension:
Analytical and experimental results, Mechanical Systems and Signal Processing 22
(2008) 1297–1303.
******************************
Các file đính kèm theo tài liệu này:
- 31LV09_CN_TudonghoaTranThiThanhNga.pdf