Luận văn Nghiên cứu và nâng cao chất lượng hệ truyền động nhiều động cơ trong dây chuyền in

G HỢP HỆ THỐNG 3.1. Đặt vấn đề. Với chế độ làm việc của máy in khi làm việc tải nhẹ vận tốc lớn công suất không đổi còn mô men biến thiên. Còn khi làm việc với tải nặng vận tốc thấp thì mô men không đổi còn công suất biến thiên. Qua nhận xét trên thì sơ đồ cấu trúc sẽ được xây dựng theo hai chế độ làm việccủa máy in. Máy in làm việc với tải nặng kéo trục cao su và tải nhẹ kéo trục vải in và giấy in. Khi máy in làm việc với tải nặng việc điều chỉnh tốc độ được thực hiện bằng cách điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ. Khi máy in làm việc với tải nhẹ việc điều chỉnh tốc độ được thực hiện bằng cách điều chỉnh từ thông động cơ điện một chiều. Để tiến hành điều chỉnh từ thông thì ta điều chỉnh dòng điện kích từ qua cuộn dây kích từ. 3.2. Hệ truyền động máy in khi làm việc với tải nặng. Trong quá trình này máy in làm việc với tốc độ thấp mô men cản lớn. Mô men cản càng lớn thì tốc độ càng nhỏ. Khi dùng hệ truyền động T – Đ thì động cơ điện một chiều làm việc với từ thông cuộn kích từ Φ = Φđm. Việc điều chỉnh tốc độ được thực hiện bằng điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ. Ngoài việc thiết kế hệ truyền động thoả mãn các yêu cầu về điều chỉnh tốc độ và ổn định tốc độ thì ta phải quan tâm đến vấn đề đồng tốc giữa các trục đầu vào và trục đầu ra. Luận văn thạc sỹ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Hình 3.1: Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động đồng tốc Hình 3.2: Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động máy in làm việc với tải nặng ωw1 2V ′ 1V ′′ Rω TG1 M1 ωw2 2V ′′ 1V ′ M RI RL TG2 M2 R Iβ CK φ RT Rω RI GI ST M UT US P TG nγ Iβ Uv Luận văn thạc sỹ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Ngoài vấn đề đồng tốc giữa các trục đầu vào và trục đầu ra ta còn quan tâm đến lực căng. Vì vậy ta phải đưa thêm mạch vòng phản hồi dòng điện phần ứng động cơ. Hình 3.3:Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động máy in làm việc với tải nặng khi quan tâm đến lực căng 3.3. Hệ truyền động máy in khi làm việc với tải nhẹ. Trong quá trình này máy in làm việc với tốc độ lớn mômen cản nhỏ . Mô men cản càng nhỏ thì tốc độ càng lớn. Khi dùng hệ truyền động T- Đ động cơ điện một chiều kích từ độc lập thì động cơ điện một chiều làm việc với từ thông cuộn kích từ Φ < Φđm. Việc điều tốc được thực hiện bằng từ thông động cơ điện một chiều. Để điều chỉnh từ thông ta sẽ điều chỉnh dòng điện kích từ. ST K RT Rω RIư GI TG M Uv P UT US CK Φ Luận văn thạc sỹ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Hình3.4: Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động máy in làm việc với tải nhẹ với hai mạch vòng mắc song song Với phương pháp điều khiển này sẽ tiến hành điều khiển mô men hệ truyền động còn công suất của hệ được giữ không đổi. Mạch vòng dòng điện phần ứng động cơ có thể thiết kế nối tiếp với mạch vòng dòng điện kích từ và mạch vòng tốc độ. Hình 3.5. Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động máy in làm việc tải nhẹ với ba mạch vòng nối tiếp M TG - - + • nγ Rω RIư RIkt Uv Iuβ (-) (-) Iktβ CK Φ • + - TG M bω RI Rω CK Φ Ikt min U* Luận văn thạc sỹ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Từ sơ đồ khối trên ta có sơ đồ cấu trúc như hình vẽ sau: Hình 3.6: Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động máy in làm việc tải nhẹ 3.4. Tổng hợp hệ thống. 3.4.1. Tổng hợp hệ thống máy in khi làm việc với tải nặng. Hình 3.6: Sơ đồ hệ thống làm việc với tải nặng µK amomo o io mo o o ss I U s I τττ τ 2 a 1 R ..1 . ++ + Φ o iomooo io I U sIC U aR .1 1 τ + − Φ ωRF RIaF RIbF M TM s K τ+1 bb sR τ+ + 1 11 Zω∆ sω∆ b∆ b∆Ι ∆Φ ∆Ι ω + - - WRT WRω WRI WT WĐ KΦ Js 1 WCBI WCBω WCBT s 1 Uv ω đ ω (s) Uiđ Ui(s) Uđk Uđc (-) (-) Mc Luận văn thạc sỹ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 3.4.1.1. Tổng hợp mạch vòng dòng điện. Sơ đồ cấu trúc của mạch vòng dòng điện Trong đó: R LTu = : Hằng số thời gian điện từ động cơ R = RB + RK +R-d + Rs L = Lb + Lk + L-d Ti =R.C : Hằng số thời gian của cảm biến dòng Nếu bỏ qua ảnh hưởng của hằng số sức điện động thì ta có sơ đồ cấu trúc thu gọn sau: Từ sơ đồ hình 3.7 và 3.8 ta có hàm truyền đối tượng điều khiển của mạch vòng điều chỉnh dòng điện. ( ) ( )( )( )( )uivdk icl dk i TsTssTTsR KK sU sIpS .1.11.1 1..)()(0 ++++ == Trong đó Tsi = Ti + Tv + Tđk << Tư . Bỏ qua các hệ số bậc cao ta có Hình 3.7: Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện I(s) Hình 3.8: Sơ đồ thu gọn mạch vòng dòng điện Ri(s) S0i(s) UIđ (-) UI(s) Udk(s) Uiđ ω (-) iR ( )( )sTsT K vdk CL .1.1 ++ ΦK u u Ts R .1 1 + Js 1 i i sT K +1 ΦK Mc (-) Ui(p) I E U Luận văn thạc sỹ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên ( )( )usi icl oi TsTs R KK pS .1.1 . )( ++ = Áp dụng tiêu chuẩn modul ta có hàm truyền của hệ thống kín. 2.221 1)( s sFOMi σσ ττ ++ = Mặt khác theo hình 3.8 ta có ( ) ( )ss TsTs R KKsR sSsFsS sFsR sSsR sSsRsF usi iCL i oiOMioi OMi i ioi oii OMi σσ ττ +++ = − =⇒ + = 1.2. ).1)(.1( . 1)( )().()( )()( )().(1 )(.)( Chọn στ = min(Tsi , Tư) = Tsi Vậy ta có hàm truyền của bộ điều chỉnh dòng điện       += + = usiiCL u si iCL u i TsTKK TR s TKKs TssR . 11 ...2 . ...2 .1)( Ri(s) là khâu tỷ lệ - tích phân (PI) Kết quả khi tổng hợp mạch vòng dòng điện bằng tiêu chuẩn tối ưu modul sTsTsTsU sUsF sisisiid i OMi 21 1 ..2..21 1 )( )()( 22 + ≈ ++ == 3.4.1.2. Tổng hợp mạch vòng tốc độ. Sơ đồ mạch vòng tốc độ. Hình 3.9: Sơ đồ thu gọn mạch vòng tốc độ Trong đó: Rω(s) S0ω(s) Uω đ Uω (s) ω (s) (-) Luận văn thạc sỹ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên ).1( . ... .1. ).21( 1)( ω ω Ts K sTK R KsT sS cisi o + Φ Φ+ = Đặt Tsω = 2.Tsi + Tω ⇒ Tsω rất nhỏ Vậy ta có ).1(.... .)( ω ω ω sci o TssTKK KRsS +Φ = Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu modul 222..21 1)( ss sFOM σσ ω ττ ++ = )().()( )()( sSsFsS sFsR oOMo OM ωωω ω ω − = ( ) )1(.2..1... . 1)( σσ ω ω ω ττ + +Φ = s TssTKKi KRsR sc Chọn στ = Tsω Hàm truyền bộ điều chỉnh tốc độ theo tiêu chuẩn tối ưu modul ωω ω s ci TKR TKKsR .2.. ..)( Φ= Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu đối xứng. sss ssFOM .8..8..41 ..41)( 32 σσσ σ ω τττ τ +++ + = )().()( )()( sSsFsS sFsR oOMo OM ωωω ω ω − = ).1(8. ).1(... . .41)( 22 ss TspTKK KR ssR sci σσ ω ω σ ω ττ φ τ + + + = Chọn Tσ = Tsω Vậy ta có hàm truyền của bộ điều chỉnh tốc độ theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng. Luận văn thạc sỹ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên sT TKK KR sTsR s ci s .8. .. . .41)( 2 ω ω ω ω Φ + = R )(sω là khâu tỷ lệ - tích phân. Kết quả khi tổng hợp mạch vòng tốc độ bằng tiêu chuẩn tối ưu modul ωωωωωω ω KsTKsTsTs s sssd 1. .21 11. 2.21 1 )( )( 22 + ≈ ++ = Kết quả khi tổng hợp mạch vòng tốc độ bằng tiêu chuẩn tối ưu đối xứng. ωωωωωωω ω KsTKsTsTsTs s ssssd 1. .41 11. .8.8.41 1 )( )( 3322 + ≈ +++ = 3.4.1.3. Tổng hợp mạch vòng lực căng. Ở chế độ làm việc tải nặng ngoài hai mạch vòng tốc độ và mạch vòng dòng điện còn có mạch vòng lực căng. Mạch vòng lực căng để đảm bảo ổn định đồng tốc giữa các trục máy in. Khi xảy ra hiện tượng không đồng tốc thì việc điều chỉnh tốc độ được thực hiện bằng cách thay đổi điện áp cấp cho phần ứng động cơ. Tổng hợp mạch vòng lực căng cũng tương tự như tổng hợp mạch vòng tốc độ, ta dùng tiêu chuẩn tối ưu đối xứng và tiêu chuẩn tối ưu modul. Sơ đồ cấu trúc thu gọn. Hình 3.10: Sơ đồ cấu trúc mạch vòng lực căng RT(s) ωω ω ω KsTsd s s 1. .21 1 )( )( + = ωω ω ω KsTsd s s 1. .41 1 )( )( + = s 1 TTs Kr .1+ Uđ U(s) (-) Luận văn thạc sỹ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Trong đó: Kr = i 1 là hệ số khuếch đại của bộ truyền lực. Tsω = Tω + 2Tsi = Tω + 2(T đk + Tv + Ti) Tổng hợp theo tiêu chuẩn tối ưu modul 222..21 1)( ss sFOMT σσ ττ ++ = Từ sơ đồ cấu trúc hình 3.10 ta có: ).1.()...21( . )( Ts T r oT TsssT K KK sS ++ = ω ω Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu modul ta có = − = )().()( )( )( sSsFsS sF sR oTTOMoT TOM T )1)(.21( . . 221 1 )1().21( . 221 1 22 22 Ts Tr Ts Tr sTsT K KK sssTssT K KK ss ++++ − ++ ++ = ω ω δδω ω δδ ττ ττ ).1( ).1(..2. ).21(. . 1)( sT ss TssK KKsR Ts Tr T + + + = σ δ ωω τ τ Chọn στ = TT Ta có hàm truyền của bộ điều chỉnh lực căng theo tiêu chuẩn tối ưu modul. ).21( .2.. )( sT TKK KsR s TTr T ω ω += Với RT =KT + KD.s TTr T TKK KK 2.. ω= TTr s D TKK TKK .. . ωω= RT(s) là khâu tỷ lệ - đạo hàm (PD) Luận văn thạc sỹ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Tổng hợp theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng sss ssFOMT .8..8..41 ..41)( 32 σσσ σ τττ τ +++ + = Khi tổng hợp mạch vòng lực căng theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng thì ta có hàm truyền đối tượng. ).1.()..41( . )( Ts Tr oT TsssT K KK sS ++ = ω ω Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu đối xứng ta có sT ss TssK KKsSsFsS sF sR Ts TroTTOMoT TOM T .1 ).1(..2. ).21.(. . 1 )().()( )( )( + + + = − = σ σ ωω τ τ Chọn Chọn στ = TT Ta có hàm truyền bộ điều chỉnh lực căng theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng. )..41( .2.. )( sT TKK KsR s TTr T ω ω += RT(s) cũng là khâu tỷ lệ - đạo hàm (PD) Luận văn thạc sỹ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 3.4.2: Tổng hợp hệ thống khi máy in làm việc với tải nhẹ in vải. Với hai phương án xây dựng sơ đồ trong trường hợp tải nhẹ ở trên bản luận văn tiến hành tổng hợp sử dụng sơ đồ cấu trúc với hai mạch vòng song song. Vậy ta có sơ đồ cấu trúc theo hàm số truyền của hệ truyền động làm việc ở chế độ tải nhẹ. Hình 3.11: Sơ đồ cấu trúc khi máy in làm việc với tải nhẹ Thay thông số hàm truyền của động cơ điện một chiều làm việc với kích từ thay đổi đồng thời biến đổi sơ đồ cấu trúc ta có sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển. H ình 3.12: Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động khi máy in làm việc tải nhẹ biến đổi từ hình 3.11 WCBω I E ω Φ (-) (-) (-) (+) Uđ Nhiễu (-) Mc Ukt WT Wkt WRω Wikt K wCBikt WĐ Js 1 Uđk Ikt (-) bω∆ (-) (+) (-) M ω ω (+) Ukt (-) Uab Φ.DK Φ.mK Φ.mK ).1.( 1 sTR kk + ).1( 1 sTR uu + WRω Js 1 K ω (+) Luận văn thạc sỹ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Từ sơ đồ cấu trúc hình 3.12 ta tiến hành tổng hợp tìm bộ điều chỉnh tốc độ WRω . Hàm truyền dòng điện phần ứngtheo điện áp phần ứng. Wu(s) = )( )( sU sI = ).1)(.1( . ∗++ cu c TsTs Ts Với ∗cT = 2)( ΦK Tc Áp dụng phương pháp modul tối ưu tìm hàm số truyền của bộ điều chỉnh tốc độ. WRω (s) = u kc Ts TsTs . ).1)(.1( ++ ∗ . KR. c u T T Kết quả tính chọn bộ điều chỉnh tốc độ WRω (s) là bộ điều chỉnh PID là hợp lý vì hằng số thời gian của cuộn kích từ của động cơ là rất lớn. Bộ điều chỉnh PID sẽ bù được thời gian trễ của cuộ kích từ. Hàm số truyền hệ hở mạch bù dòng điện phần ứng được xác định. Wbo(s) = ).1)(.1)(.1( kcu c TsTsTs T +++ ∗ ∗ . Kr. c u T T . u kc Ts TsTs . ).1)(.1( ++ ∗ Wbo(s) = ).1( 1. .. uu c u Ic TsT T TKT + ∗ Hàm truyền hệ hở mạch vòng tốc độ. Wω o (s) = ).1(. s K TKs K u o + Trong đó K = 1 + u c T T ∗ . KR. c u T T . ∗KK ∗KK = IK . Φ.MK c R O T KK = Hàm truyền hệ kín mạch vòng tốc độ. Luận văn thạc sỹ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên W kω (s) = Wω 0(s) / ( 1+ Wω o(s)) Nếu lực căng đều và K = 1 ta có hàm truyền Foω (s) = ).1.( sTs K u o + Từ sơ đồ trên ta có sơ đồ khối như sau. Kết luận: Với hai chế độ làm việc của máy in thì ta chọn chế độ làm việc của máy in khi làm việc với tải nặng và làm việc với tải nhẹ để mô phỏng và đánh giá ở phần tiếp theo. 3.5. Tính toán các thông số của hệ thống truyền động máy in sử dụng động cơ điện một chiều kích từ độc lập. Thông số động cơ. Công suất động cơ Pđm = 2KW. Điện áp định mức Uđm = 220V Tốc độ định mức nđm = 1500 v/p Hiệu suất định mức η đm = 90% Điện cảm mạch phần ứng Lư = 0,0696(H) Điện trở mạch phần ứng Rư = 1,205(Ω ) Hằng số thời gian máy biến dòng Ti = 0,0025(s) Hằng số thời gianbộ chỉnh lưu Tv = 0,0033(s) Hằng số thời gian mạch điều khiển bộ chỉnh lưu Tđk = 0,00015(s) I (-) Iβ nγ ωU (-) (-) ktU ∗ KK ).1( . sTR KK KTKT KCL + ).1.( 1 sTR uu + sKJ .).( 1 2Φ sKJ .).( 1 2Φ (+) WRω ω Luận văn thạc sỹ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Hằng số thời gian máy phát tốc Tω = 0,0015(s) Hằng số thời gian bộ cảm biến mạch vòng đồng tốc TT = 0,3(s) Tính toán các thông số liên quan. Tốc độ định mức. ω đm = )/(15755,9 1500 srad= Mô men định mức. Mđm = )(7,12157 10.2 3 Nm m Pdm == ω Dòng điện định mức. Iđm = )(09,9220 10.2 3 A mU Pdm == 397,1 09,9 7,12 ===Φ mI MK dm Hằng số thời gian mạch phần ứng. Tư = )(067,0205,1 0696,0 s= Hàm truyền điện từ của động cơ. WĐ = s.067,01 63,52 + Hàm truyền của bộ điều chỉnh dòng điện. Ri = ). 11.( ..2 . usiiCL uu TsTKK TR + (1) Trong đó )(10.95,500015,00033,00025,0 3 sTTTT dkvisi −=++=++= Chọn Uđk = 10V Hệ số khuếch đại bộ chỉnh lưu. KCL = 2210 220 == kU U dm Hàm truyền bộ biến đổi. Luận văn thạc sỹ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên WBBĐ = s.0033,01 22 + Hệ số khuếch đại của cảm biến dòng điện. Ki = 1,109,9 10 == mI U dm Thay số vào biểu thức (1) ta được. Ri = ).067,0 11.( 10.95,5.1,1.22.2 067,0.025,1 3 s +− Ri = 0,238.(1 + ).067,0 1 s Hàm truyền của bộ điều chỉnh tốc độ. ω ω ω su ci TKR TKKsR .2.. ..)( Φ= (2) Ta có Uω đ = ωω K. Chọn Uω đ = 5V Hệ số khuếch đại của cảm biến tốc độ. 03,0 157 5 ==ωK )(013,010.95,5.20015,0.2 3 sTTT sis =+=== −ωω )(29,11 )397,1( 025,1.5,21 )( . 22 sK RJT uc ==Φ = Thay số vào (20 ta có. 7,21 013,0.2.03,0.025,1 29,11.397,1.1,1)( ==sRω Hàm truyền của bộ điều chỉnh đồng tốc. ).21.( .2.. sT TKK KR s TTr T ω ω += )(1000 cml = r = 20(cm) rnrTl ...2. π== Luận văn thạc sỹ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Ta có )/(8 20..2 1000 ..2 phutvong r ln ===⇒ ππ odT UKT =. Hệ số khuếch đại của cảm biến đồng tốc. 19,0 .16 10 == πT K Kr: Hệ số khuếch đại của bộ truyền lực. tKdtKT rr .... 1 0 ωω == ∫ 16,0 2.157 .16 . === π ω t TKr Thay số vào ta được. ).026,01( 3,0.19,0.16,0 03,0)..21.( .2.. ssT TKK KR s TTr T +=+= ω ω ).026,01.(64,1 sRT += Hàm truyền bộ điều chỉnh dòng điện kích từ. s s KK ss KK ssR CBi CBiCL CBiCL CBiCL Ikt 1. . . 1. .2 1 ).1)(.1( . .1 1.1. .2 1 + = ++ + = Σ ΣΣ τ τ ττ ττ Hệ số khuếch đại bộ chỉnh lưu: KCL = 22. Hằng số thời gianbộ chỉnh lưu cầu ba pha: )(0033,0 sCL =τ Hệ số khuếch đại cảm biến dòng điện kích từ: )(27,0 sKCBi = Hằng số thời gian cảm biến dòng điện kích từ: )(004,0 sCBi =τ Thay số vào ta được hàm truyền bộ điều chỉnh dòng kích từ. s s s sRikt 53,11.046,01.004,0. 27,0.22 1. 0073,0.2 1 + = + = Hàm truyền của bộ kích từ. Luận văn thạc sỹ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên WKT = s.05,01 045,0 + WT = s.033,01 1 + 3.6. Mô phỏng hệ thống truyền động máy in sử dụng phần mền Matlab – Simulink để tiến hành mô phỏng với việc sử dụng bộ điều khiển PID. 3.6.1. Mô phỏng hệ thống truyền động máy in khi làm việc với tải nặng. Sơ đồ cấu trúc hệ thống khi làm việc với tải nặng. Cho chạy chương trình mô phỏng, ta thu được đồ thị khi hệ làm việc với tải nặng. Mô phỏng với tín hiệu đặt đầu vào của khâu đồng tốc dưới hai dạng tín hiệu là số và tín hiệu xung. Luận văn thạc sỹ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên * Dạng tín hiệu là hằng số Luận văn thạc sỹ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên * Dạng tín hiệu là bước nhảy(Step) Luận văn thạc sỹ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Luận văn thạc sỹ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 3.6.2. Mô phỏng hệ thống truyền động máy in khi làm việc với tải nhẹ. Sơ đồ cấu trúc hệ thống khi làm việc với tải nhẹ. Cho chạy chương trình mô phỏng ta thu được đồ thị với hệ số bù dòng điện phần ứng K khác nhau. Mô phỏng với tín hiệu đặt đầu vào dưới hai dạng tín hiệu là hằng số và tín hiệu là bước nhảy + Trường hợp K = 1 * Dạng tín hiệu là hằng số. Luận văn thạc sỹ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên * Dạng tín hiệu là bước nhảy(Step) + Trường hợp K = 0,5 * Dạng tín hiệu là hằng số. Luận văn thạc sỹ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên * Dạng tín hiệu là bước nhảy(Step) Luận văn thạc sỹ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên CHƯƠNG IV. ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN MỜ ĐỂ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG MÁY IN 4.1. Đặt vấn đề. Điều khiển mờ hiện đang giữ vai trò quan trọng trong các hệ thống điều khiển hiện đại, vì nó đảm bảo tính khả thi của hệ thống, đồng thời lại thực hiện tốt các chỉ tiêu kỹ thuật của hệ như độ chính xác cao, độ tác động nhanh, tính bền vững và ổn định tốt, dễ thiết kế và thay đổi…Khác với kỹ thuật điều khiển thông thường, hệ điều khiển lôgic mờ được áp dụng hiệu quả nhất trong các quá trình chưa xác định rõ hay không thể đo đạc chính xác được, trong các quá trình điều khiển ở điều kiện thiếu thông tin. Trong các trường hợp đó, các bộ điều khiển mờ được chế tạo để sử dụng các kinh nghiệm chuyên gia trong thao tác điều khiển mà không cần hiểu biết các thông số của hệ thống. Do vậy, hệ điều khiển mờ đã được ứng dụng thành công trong các lĩnh vực như điều khiển tự động, phân lớp dữ liệu, phân tích quyết định, hệ chuyên gia và máy tính-đó là những hệ thống hoặc là hệ điều khiển phi tuyến, hoặc là các thông tin đầu vào và đầu ra không chính xác hay không đầy đủ, hoặc là không xác định được mô hình đối tượng điều khiển… Trong chương này ta đi xem xét những vấn đề cơ sở của lôgic mờ, cấu trúc cơ bản, phương pháp thiết kế bộ điều khiển mờ, và ứng dụng phương pháp điều khiển mờ vào chế độ làm việc của máy in. 4.2. Các khái niệm cơ bản. 4.2.1. Tập mờ 4.2.1.1. Nhắc lại tập rõ Cho E là một tập hợp bất kỳ, nói rằng A là tập con của E, viết là A ⊆ E và đọc là A bao hàm trong E, nếu bất kỳ phần tử x nào của A thì x cũng là phần tử của E, thường được diễn đạt dưới dạng : A ⊆ E ∀ x ∈ A⇒ x ∈ E (4-1) Luận văn thạc sỹ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Theo cách diễn đạt ở (4-1), nói khác đi, một tập con A ⊆ E có định nghĩa thông qua hàm IA(x), IA(x) được gọi là hàm chỉ thị của tập A ( )    ∉ ∈ = Ax0 Ax1 xAI (4-2) 4.2.1.2. Tập con mờ Với các tập rõ, hàm chỉ thị chỉ nhận hai giá trị là 0 và 1. Năm 1965 L. A. Zadeh đã xây dựng về khái niệm tập con mờ bằng cách mở rộng miền giá trị của IA(x), trong trường hợp này thay cho I A(x) là hàm µA(x), gọi là hàm liên thuộc của A. Hàm µA(x) có thể có rất nhiều giá trị, thậm chí có tất cả các giá trị trên đoạn [0:1]. ⊕ Định nghĩa tập con mờ và hàm liên thuộc Cho tập E, gọi A là tập con mờ của E, ký hiệu là: A :={(x/µA(x)); x∈ E (4-3) Trong đó: µA(x) được gọi là hàm liên thuộc của tập mờ A , µA(x) lấy giá trị bất kỳ trong đoạn [0:1], µA(x) càng gần 1 thì phần tử x ∈ E tương ứng càng tỏ, nếu µA(x)=1 thì x đúng là phần tử rõ của A , nếu µA(x) càng gần 0 thì phần tử x∈ E tương ứng càng mờ. Về mặt toán học người ta nói rằng: hàm liên thuộc µA(x) đã ánh xạ mỗi phần tử x ∈ E thành một giá trị liên thuộc (cấp độ liên thuộc) liên tục trong khoảng [0:1]. Chính hàm liên thuộc µ đã làm “mềm hoá” và “linh hoạt hoá” một tập hợp, tuỳ theo quan niệm của mỗi người có thể đặt các giá trị µA(x) cụ thể để diễn đạt “mức độ mờ”, nếu µA(x) = IA(x) thì tập A trở thành tập tỏ (rõ) A. Hình 4-1 biểu diễn hàm chỉ thị IA(x) của tập rõ A và hàm liên thuộc µB(x), µC(x) của các tập mờ B và C. Luận văn thạc sỹ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Hàm liên thuộc thường là các đường cong, trong k ỹ thuật và điều khiển chúng thường được thay bằng các đoạn thẳng tiệm cận. Thí dụ tập mờ F bao gồm các số thực lớn hơn 3 và nhỏ hơn 9 có hàm liên thuộc hình thang như hình 4-2 thì ta xác định được độ phụ thuộc (liên thuộc) của các số trong tập này: µf(4) =0.5; µf(4.5)= 0.75; µf(5)= 1 µf(6)= 1; µf(8)= 0.5. Tuy nhiên không phải bắt buộc các hàm liên thuộc phải có giá trị lớn nhất bằng 1, để phân biệt người ta chia ra các định nghĩa và các khái niệm nhỏ: - Độ cao của tập mờ F là giá trị H = sup µf(x) x∈ M nếu tập mờ có H = 1 gọi là chính tắc: H luôn < 1 là không chính tắc. - Miền xác định của tập mờ F ký hiệu bằng S, là tập con của M thoả mãn: S = { x ∈ M; µf(x) > 0}. x µf(x) 1 0.5 0 3 9 4 5 6 8 Hình 4-2. Hình 4-1. Hàm liên thuộc kinh điển (a) và trong logic mờ (b) và (c). µC(x) µB(x) IA(x) x x x 0 0 1 0 1 1 a b c Luận văn thạc sỹ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - Miền tin cậy của tập mờ F, ký hiệu bằng T, là tập con của M thoả mãn: T = {x∈ M; µf(x) = 1} 4.2.2. Các phép toán trên tập mờ Tập mờ cũng có 3 phép toán cơ bản là phép hợp (tương đương OR); phép giao (tương đương AND) và phép bù (tương đương NOT). Phép hợp (tương đương logic OR): Hợp của hai tập mờ A và B có cùng cơ sở M là một tập mờ cũng xác định trên cơ sở M với hàm liên thuộc: µA ∪B(x)= MAX{µA(x), µB(x)} (4-4) Còn 4 biểu thức khác để tính hàm liên thuộc trong phép hợp như phép hợp Lukasiewier, tổng Einstein, tổng trực tiếp và Drastic. Nếu 2 tập mờ không cùng cơ sở thì ta đưa chúng về cùng 1 cơ sở bằng cách lấy tích 2 cơ sở đã có. Phép giao (AND): Giao của 2 tập mờ A và B có cùng cơ sở M là một tập mờ cũng xác định trên cơ sở M với hàm liên thuộc. µA ∩B(x) = MIN{µA(x), µB(x)} (4-5) và cũng có một số biểu thức tính khác như tích Einstein phép giao Lukasiewier.... Nếu 2 tập mờ không cùng cơ sở cũng cần đưa về một cơ sở bằng tích 2 cơ sở đó. Phép bù (NOT): Bù của tập mờ A có cơ sở M và hàm liên thuộc µA(x) là một tập hợp AC xác định trên cùng cơ sở M với hàm liên thuộc: µ A (x) =1- µA(x). (4-6) Hợp hai tập mờ Giao hai tập mờ Phép bù µ µ µ x x x µA(x) µB(x) (x)μA µB(x) µA(x) µA(x) Hình 4-3. Luận văn thạc sỹ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 4.2.3. Biến ngôn ngữ Biến ngôn ngữ là một biến có thể gán các từ trong ngôn ngữ cho giá trị của nó. ở đây các từ được đặc trưng bởi định nghĩa tập mờ trong miền xác định mà ở đó biến được định nghĩa. Các biến ngôn ngữ chuẩn hoá thường dùng là: âm lớn NB (negative big); âm trung bình NM (negative medium); âm nhỏ NS (negative small); không Z(zero); dương nhỏ PS (positive small); dương trung bình PM (positive medium); dương lớn PB (positive big). V ới trường hợp tối giản có thể biến ngôn ngữ chỉ gồm: âm N; dương P và không Z. Biến ngôn ngữ chỉ cần thiết trước tiên là cho quá trình mờ hoá (Fuzzifiezs) các giá trị rõ của đầu vào các bộ điều khiển mờ, sau là để chuẩn hoá các hàm liên thuộc khác nhau. 4.2.4 Suy luận mờ và luật hợp thành. Suy luận mờ cũng thường được gọi là suy luận xấp xỉ (Fuzzy reasoning or approximate reasoning) là thủ tục suy luận để suy diễn ra kết quả từ tập các quy tắc Nếu... Thì … theo một hay nhiều điều kiện. Trước tiên ta giới thiệu về luật hợp thành để mô tả sự hợp lý thực chất của suy luận mờ. Luật hợp thành là sự khái quát hoá các khái niệm tương tự sau đây: Giả thiết ta có đường cong y = f(x), đó là quan hệ điều khiển giữa x và y. Khi cho x = a thì suy ra y = b = f(a). Tổn g quát, nếu bây giờ ta cho a là một khoảng và f(x) là hàm của khoảng giá trị như hình 4-4b. Để tìm khoảng kết quả y = b tương ứng với khoảng x = a, trước tiên ta mở rộng vùng a theo kiểu hình trụ từ X sang vùng X×Y và tìm vùng I là giao của khoảng giá trị a và hàm của khoảng giá trị f(x), sau đó lấy hình chiếu của I lên trục Y ta tìm được y =b (hình 4-4b). Luận văn thạc sỹ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Mở rộng suy nghĩ trên ra xa hơn, ta cho rằng A là tập mờ của X và R là quan hệ mờ trên X×Y. Cần tìm tập mờ kết quả B. Chúng ta lại xây dựng kiểu mở rộng hình trụ C(A) với A làm cơ sở (nghĩa là việc mở rộng vùng A từ X sang X×Y). Mặt giao giữa C(A) và R có dạng tương tự như vùng I, bằng cách chiếu phần giao C(A)∩R lên trục Y ta được tập mờ B. Ta ký hiệu các hàm liên thuộc của các tập mờ A, C(A), B và R là µA, µC/A, µB và µR, trong đó µC/A(x,y) = µA(x). Từ đây ta có: µC/A∩R(x,y) = Min{µC/A(x,y), µR(x,y)} =Min{µA(x),µR(x,y)} (4-7) Hình chiếu của C/A∩R trên trục y là: µB(y) = MaxMin{µA(x), µR(x,y)} (4-8) Công thức (4-8) là biểu hiện của luật hợp thành max -MIN. Ngoài ra còn có các dạng luật hợp thành khác như: max-PROD, sum-MIN, sum-PROD. Dùng luật hợp thành ta đã công thức hoá thủ tục suy luận và gọi đó là suy luận mờ theo tập các qui tắc mờ Nếu … Thì. Luật mờ cơ bản là luật mô tả bởi quan hệ: Nếu... Thì...(IF....THEN....), một cách tổng quát có dạng: IF THEN Một số dạng mệnh đề mờ: x is A; x1 is A and x2 is not B x1 is A1 and x2 is A2 and...and xn is An x1 is A1 or x2 is A2 or...or xn is An Y y=b x = a X y = f(x) Y b a X y = f(x) I Hình 4-4a Hình 4-4b Luận văn thạc sỹ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên (lưu ý rằng các phép logic and, or, not trong logic mờ tương ứng các phép giao, hợp, bù). Thí dụ một luật cơ bản phát biểu theo biến ngôn ngữ như sau: If x1 is NB and x2 is NM then y is PB. Trong bộ điều khiển mờ luật điều khiển mờ là bộ não của nó, người thiết kế phải dựa vào kinh nghiệm của mình mà phát biểu và xây dựng cho được một tập mờ dạng này làm cơ sở cho việc triển khai thiết kế tiếp theo. 4.3. Bộ điều khiển mờ. 4.3.1. Cấu trúc một bộ điều khiển mờ Cấu trúc một bộ điều khiển mờ cơ bản thể hiện trên hình 4-5 gồm 4 khối: Khối mờ hoá, khối luật mờ, khối hợp thành và khối giải mờ. 4.3.2. Mờ hoá Phép mờ hoá là sự ánh xạ điểm thực x *∈U vào tậ p mờ A⊂U trên nguyên tắc: - Tập mờ A phải có hàm liên thuộc lớn nhất tại x*. - Phép mờ hoá phải sao cho tính toán đơn giản các luật hợp thành. - Có khả năng khử nhiễu đầu vào. Có một số phép mờ hoá như: Mờ hoá Singleton, mờ hoá Gaussian, mờ hoá tam giác, hình thang… Mờ hoá Singleton cho phép tính đơn giản nhất luật hợp thành và có biểu thức của hàm liên thuộc kinh điển: Hình 4-5. Cấu trúc bộ điều khiển mờ cơ bản y B’ µ x Khối luật mờ Mờ hoá- fuzzyfier Khối hợp thành Giải mờ - defuzzyfier Luận văn thạc sỹ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên ( )    ≠ = = * * A x xnÕu0 xxnÕu1 xμ (4-9) Mờ hoá tam giác cho một hàm liên thuộc có dạng : ( )       =>− ≤−      − −      − − = n1,2,...,i0xxKhi0 bxxkhi b xx1*...* b xx1 xμ * ii i * ii n1 * nn 1 * 11 A (4-10) ở đây bi > 0 và các phép giao (*) chọn là min hay tích đại số. 4.3.3. Giải mờ (defuzzyfier) Sau khâu thiết bị hợp thành, tín hiệu đưa ra không thể sử dụng ngay cho điều khiển đối tượng vì thực chất đầu ra khâu này luôn là giá trị mờ B ,. Vì vậy cần một khâu giải mờ để làm rõ giá trị cụ thể của tín hiệu điều khiển tương ứng với giá trị cụ thể ở đầu vào bộ điều khiển mờ. Có hai phương pháp giải mờ chính yếu: phương pháp cực đại và phương pháp trọng tâm. *Phương pháp cực đại giải mờ theo hai bước - Nguyên lý cận trái: y’ = y1 = inf (y). : 1. Xác định miền chứa giá trị rõ y’. Giá trị y’ là giá trị mà tại đó hàm liên thuộc đạt giá trị cực đại (độ cao của tập mờ B’), tức là miền: G = { y∈H µg(y) = H} 2. Xác định y’ cụ thể (bằng số) từ G theo một trong ba nguyên lý. - Nguyên lý trung bình: y’ = y1 + y2; y1, y2 là các giá trị biên của miền G ở đây y1<y2. - Nguyên lý cận phải: y’ = y2 = sup (y). µB µB y2 y1 y3 y4 y Hình 4-6. Phương pháp giải mờ cực đại y1 y2 y µBmax µBmax Luận văn thạc sỹ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên *Phương pháp điểm trọng tâm Phương pháp cho kết quả y’ là hoành độ của điểm trọng tâm miền được bao phủ bởi trục hoành và đường µB’(y). : ∫ ∫ = S B' S B' (y)dyμ (y)dyyμ y' (4.11) với S là miền xác định của tập mờ. Xác định y’ theo biểu thức này cho ta giá trị y’ chính xác vì nó có sự tham gia của toàn bộ các tập mờ đầu ra, tuy nhiên việc tính toán là phức tạp và thời gian tính toán lâu. Mặt khác cũng chưa tính đến độ thoả mãn của luật điều khiển quyết định, và có thể xảy ra trường hợp y’ rơi vào điểm có sự phụ thuộc nhỏ nhất thậm chí sự phụ thuộc này có thể bằng 0. Một biến dạng của phương pháp điểm trọng tâm là phương pháp độ cao. Theo phương pháp này giá trị mỗi tập mờ µB’(y) được xấp xỉ bằng một cặp giá trị (yk, Hk) duy nhất, Hk là một điểm mẫu trong miền giá trị y của B’k, lúc đó trị số y’ giải mờ tính theo biểu thức: ∑ ∑ = == q 1k k q 1k kk y Hy y' (4-11) Phương pháp này áp dụng cho mọi luật hợp thành (MAX -MIN, SUM- MIN, MAX-PROD, SUM-PROD). 4.3.4. Khối luật mờ và khối hợp thành Sau khi đã có hàm liên thuộc đầu vào µA(x) nhờ phép mờ hoá, để xây dựng các luật hợp thành ta phải phát biểu được các mệnh đề hợp thành IF... y 0.66 B’1 B’2 µB’ Hình 4-7 0.25 y S Luận văn thạc sỹ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên THEN..., hay µA(x) đối với tập mờ A của giá trị đầu vào x ta xác định được hệ số thoả mãn mệnh đề kết luận của giá trị đầu ra. Biểu diễn hệ số thoả mãn này như một tập mờ B thì mệnh đề hợp thành chính là ánh xạ: µA(x)→ µB(x) và gọi là hàm liên thuộc của luật hợp thành. Dựa trên nguyên tắc của Mamdami: “Độ phụ thuộc của kết luận không được lớn hơn độ phụ thuộc của điều kiện” người ta đưa ra hai quy tắc hợp thành xác định hàm liên thuộc của mệnh đề hợp thành A⇒B. 1. Qui tắc MAX-MIN: µA⇒B(x,y) = MIN{µA(x), µB (y)} 2. Qui tắc MAX-PROD: µA⇒B(x,y) = µA(x). µB (y) Luật hợp thành là tên gọi mô hình R biểu diễn 1 hay nhiều hàm liên thuộc µA⇒B(x,y) cho một hay nhiều mệnh đề hợp thành A⇒B. Theo tên của quy tắc dùng để biểu diễn hàm liên thuộc mà người ta gọi tên của luật hợp thành : luật hợp thành MAX-MIN, MAX- PROD, SUM-MIN, SUM-PROD... 4.3.4.1. Các bước xây dựng luật hợp thành khi có nhiều điều kiện 1. Rời rạc hoá miền xác định hàm liên thuộc µA1(x1)... µAn(xn) và µB(y). 2. Xác định độ thoả mãn H cho từng vectơ các giá trị rõ đầu ra, c i là véc tơ tổ hợp d điểm mẫu thuộc miền xác định của các hàm liên thuộc µAi(xi) i =1..d. H = MIN {µA1(c1); µA2(c2);..., µAd(cd)} 3. Lập luật hợp thành R gồm các hàm liên thuộc giá trị mờ đầu ra cho từng véc tơ các giá trị đầu vào theo nguyên tắc:  µ B’ (y) = MIN{H,µB(y)} theo nguyên tắc MAX-MIN hoặc  µB’(y) = H. µB(y) theo nguyên tắc MAX-PROD. lúc này luật hợp thành R là một lưới trong không gian (d+1) chiều. Luận văn thạc sỹ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 4.3.4.2. Thuật toán xây dựng luật hợp thành của nhiều mệnh đề hợp thành Thực tế các bộ điều khiển mờ phải làm việc với nhiều mệnh đề hợp thành và do đó sẽ có 1 tập điều khiển Rk. Tức là lúc đó mệnh đề có dạng: R1: nếu x = A1 thì y = B1 hoặc R2: nếu x = A2 thì y = B2 hoặc... ................................................ Rp: nếu x = Ap thì y = Bp. Ai có cơ sở X và Bi có cơ sở Y. Hàm liên thuộc của Ak và Bk là µAk(x) và µBk(y), trong đó k = 1,2,...,p; thì thuật toán triển khai: R = R1∪ R2 ∪....∪ Rp là: Bước 1: Rời rạc hoá X → x1, x2,... xn và Y → y1, y2,...,yn Bước 2 ( ) ( ) ( )( ) ( ) ( ) ( )( )mBk2Bk1BkTBk nAk2Ak1Ak T Ak y...μ;yμ;yμμ x...μ;xμ;xμμ = = : Xác định các vectơ µAk(x) và µBk(y) k = 1, 2,.., p theo: (4-12) Bước 3: { } m.1,2,...,j1,2,...n;i),(rμ;μMinR kijTBkAkk ==== Xác định mô hình cho luật điều khiển: Theo qui tắc MAX-MIN: (4-13) Theo qui tắc MAX-PROD: )(rμ.μR kij T BkAkk == (4-14) Bước 4 { }( )1,2,...pk,rMAXR kij == : Thiết lập luật hợp thành: Theo qui tắc MAX-MIN: (4-15) Theo Sum-Min và Sum-Prod:       = ∑ = p 1k kR1,MinR (4-16) Luận văn thạc sỹ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Qui tắc này có tính chất thống kê hơn, nó tránh được trường hợp khi đa số các mệnh đề hợp thành có cùng giá trị đầu ra nhưng vì không phải là lớn nhất nên không được tính đến do qui tắc chỉ quan tâm đến giá trị max. 4.3.5. 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 (phi tuyến). Các bộ điều khiển mờ tĩnh điển hình là bộ khuyếch đại P, bộ điều khiển Relay hai vị trí, ba vị trí… 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. Bộ điều khiển mờ tĩnh có ưu điểm là đơn giản, dễ thiết kế, song nó có nhược điểm là chất lượng điều khiển không cao vì chưa đề cập đến các trạng thái động (vận tốc, gia tốc…) của quá trình, do đó nó chỉ được sử dụng trong các trường hợp đơn giản. 4.3.6 Bộ điều khiển mờ động Là bộ điều khiển mờ mà đầu vào có xét tới các trạng thái động của đối tượng. Ví dụ với hệ điều khiển theo sai lệch thì đầu vào của bộ điều khiển mờ ngoài tín hiệu sai lệch e theo thời gian còn có các đạo hàm của sai lệch giúp cho bộ điều khiển phản ứng kịp thời với các biến động đột xuất của đối tượng. 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 (PI, PD, PID). Một bộ điều khiển mờ theo luật I có thể thiết kế từ một bộ 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. Luận văn thạc sỹ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Khi mắc nối tiếp ở đầu vào của một bộ điều khiển mờ theo luật tỉ lệ một khâu vi phân sẽ được một bộ điều khiển mờ theo luật tỉ lệ vi phân PD 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. Trong kĩ 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 theo luật PID kinh điển trước đây vẫn có thể sử dụng cho một bộ điều khiển mờ theo luật PID được thiết kế theo hai thuật toán: - Thuật toán chỉnh định PID - Thuật toán PID tốc độ Bộ điều khiển mờ được thiết kế theo thuật toán chỉnh định PID có ba 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). 0 1 ( ) t D I d u t K e edt T e T dt   = + +    ∫ 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 e’, và đạo hàm bậc hai e’’ của sai lệch. Đầu ra của hệ mờ là đạo hàm du/dt của tín hiệu điều khiển u(t). 2 2 1 ( )I du d d K e e e dt dt T dt   = + +    Luận văn thạc sỹ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Do trong thực tế thường có một trong hai thành phần được bỏ qua nên thay vì thiết kế bộ điều khiển PID hoàn chỉnh người ta thường tổng hợp các bộ điều khiển PI hoặc 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. Cho đến nay, nhiều dạng cấu trúc của PID mờ còn được gọi là bộ điều chỉnh mờ ba thành phần đã được nghiên cứu. Các dạng cấu trúc này thường được thiết kế trên cơ sở tách bộ điều khiển PID thành hai bộ điều chỉnh PD và PI. Việc phân chia này chỉ nhằm mục đích thiết lập các hệ luật cho PI và PD gồm hai biến vào, một biến ra, thay vì phải thiết lập ba biến vào. 4.4 CHỈNH ĐỊNH MỜ THAM SỐ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID 4.4.1. Đặt vấn đề Bộ điều khiển PID kinh điển được thiết kế dựa trên các phương pháp đã biết như phương pháp tổng hợp hệ thống của Ziegler và Nichols, phương pháp của Offerein, phương pháp của Reinisch… Bộ điều khiển này là cơ sở cho việc tổng hợp hệ thích nghi sau này. Khác với phương pháp dùng công tắc chọn bộ điều khiển phù hợp trong hệ lai, các thông số của bộ điều khiển thích nghi được hiệu chỉnh trơn. Một bộ điều khiển PID với đầu vào e(t), đầu ra u(t) có mô hình toán học như sau: . 1 1( ) ( ) ( ) ( )R Du t K e t e d T e tT τ τ   = + +    ∫ Hoặc D I RPID K+p K +K=)p(G Các tham số K R,TI, TD hay KR, KI, KD của bộ điều khiển PID được chỉnh định trên cơ sở phân tích tín hiệu chủ đạo và tín hiệu ra của hệ thống, chính xác hơn là sai lệch e(t) và đạo hàm sai lệch e(t). Có nhiều phương pháp chỉnh định các tham số cho bộ điều khiển PID như chỉnh định qua phiếm hàm mục tiêu, chỉnh định trực tiếp, song phương án đơn giản nhưng dễ áp dụng hơn Luận văn thạc sỹ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên cả là phương pháp chỉnh định mờ của Zhao, Tomizuka và Isaka. Với giả thiết các tham số KR, KD bị chặn, tức là: [ ]maxmin , RRR KKK ∈ và [ ]maxmin , DDD KKK ∈ , Zhao, Tomizuka và Isaka đã chuẩn hóa các tham số đó như sau: min R max R min RR R KK KK =k , min D max D min DD D KK KK =k Để có 1≤k,k≤0 DR Sơ đồ của phương pháp chỉnh định mờ tham số bộ điều khiển PID Như vậy bộ chỉnh định mờ sẽ có hai đầu vào là e(t), )t(e . và ba đầu ra là kR, kD, α Trong đó: D R I D I K KK T T α α 2 =⇒= Do đó có thể xem nó như ba bộ chỉnh định mờ nhỏ, mỗi bộ có hai đầu vào và một đầu ra. Bộ điều khiển PID Đối tượng Thiết bị chỉnh định Bộ chỉnh định mờ x y e,e Hình 4-8. Phương pháp chỉnh định mờ tham số bộ điều khiển PID Luận văn thạc sỹ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Sơ đồ bên trong bộ chỉnh định mờ 4.4.2. Thiết kế bộ điều khiển mờ . 4.4.2.1 Xác định tất cả các biến ngôn ngữ vào ra. Theo yêu cầu điều khiển và kinh nghiệm thực tế mà việc chọn các biến vào ra vừa có tính khách quan vừa có tính chủ quan của người thiết kế. kR Bộ chỉnh định mờ 1 Bộ chỉnh định mờ 2 Bộ chỉnh định mờ 3 e e kD α Hình 4-9. Bên trong bộ chỉnh định mờ Luận văn thạc sỹ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Trong đó : e: là sai lệch tốc độ . e : là đạo hàm của sai lệch KR,KD,α : là tín hiệu đầu ra 4.4.2.2. Xác định tập giá trị cho các biến vào ra. - Miền giá trị vật lý cho các biến vào ra: Ta sử dụng giá trị tương đối so với giá trị định mức (tỷ lệ biến thiên so với giá trị định mức), do vậy giá trị này giới hạn trong khoảng [-1, 1] - Xác định số lượng tập mờ cho các biến: Trên miền xác định của tín hiệu ta xác định số các tập mờ để phủ hết 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. *Tín hiệu sai số và đặo hàm của sai số chọn bẩy giá trị mờ: A1:khi sai số là âm lớn A2: khi sai số là âm vừa A3: khi sai số là âm nhỏ A0: khi sai số băng không A4: khi sai số là dương nhỏ A5: khi sai số là dương vừa A6: khi sai số là dương lớn * Tín hiệu đầu ra KR,KD có 2 giá trị mờ: B1: là giá trị lớn B2: là giá trị nhỏ * Tín hiệu ra α có 4 giá trị mờ: C1: có giá trị nhỏ C2: có giá trị nhỏ vừa C3: có giá trị vừa C4: có giá trị lớn Luận văn thạc sỹ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 4.4.2.3. Xác định dạng hàm liên thuộc. Đây là vấn đề rất quan trọng vì quá trình làm việc của bộ điều khiển mờ phụ thuộc vào dạng và kiểu hàm liên thuộc. ở đây ta chọn hàm liên thuộc là dạng hình thang và hình tam giác, là dạng hàm liên thuộc có mức độ chuyển đổi tuyến tính đơn giản. Ta xây dựng các hàm liên thuộc như sau: *Phân bố giá trị mờ biến đầu vào sai lệch: Phân bố giá trị mờ biến đầu ra KR,KD Luận văn thạc sỹ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 4.4.2.4. Xây dựng các luật điều khiển “ nếu …thì…“ Khi xây dựng các luật ta dựa vào bản chất vật lý, dựa vào các số liệu và kinh nghiệm đồng thời, ta cũng cần lưu ý vùng lân cận điểm không, không được tạo các lỗ hổng, vì khi đó bộ điều khiển sẽ không thể làm việc đúng trình tự đã định và hầu hết các bộ điều khiển sẽ có tín hiệu ra bằng không khi tất cả các tín hiệu vào bằng không. Trong bước này ta thực hiện các công việc sau: -Dựa vào các cặp dữ liệu vào ra để tạo ra từng luật riêng biệt, với mỗi giá trị vào và ra ta sẽ chọn tập mờ nào có giá trị hàm liên thuộc lớn nhất. - Xác định cấp độ của mỗi luật: Nếu có luật gây xung đột thì cần xác định các trọng số của các luật này. Xác định tập các luật điều khiển “ nếu …thì…“ Ta xây dựng được bảng các luật điều khiển với đầu ra α như sau: Luận văn thạc sỹ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Ta xây dựng được bảng các luật điều khiển với đầu ra KR như sau: Ta xây dựng được bảng các luật điều khiển với đầu ra KD như sau: Luận văn thạc sỹ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 4.4.2.5. Chọn luật hợp thành Chọn luật hợp thành max- min. Kết quả hợp thành như sau Luật hợp thành với tin hiệu đầu ra α : Luận văn thạc sỹ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Luật hợp thành với tin hiệu đầu ra KR: Luận văn thạc sỹ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Luật hợp thành với tin hiệu đầu ra KD: Luận văn thạc sỹ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 4.4.2.6. Giải mờ Từ hàm liên thuộc hợp thành của tập mờ đầu ra, ta có thể dùng phương pháp giải mờ thích hợp để xác định giá trị rõ đầu ra của bộ giải mờ. Phương pháp giải mờ được chọn cũng gây ảnh hưởng đến độ phức tạp và trạng thái làm việc của toàn hệ thống. Trong trường hợp thiết kế hệ thống điều khiển mờ, giải mờ bằng phương pháp trọng tâm hay trung bình có nhiều ưu điểm hơn cả, vì lúc đó kết quả đầu ra có sự tham gia đầy đủ của tất cả các luật điều khiển. Ta chọn phương pháp giải mờ trọng tâm. Kết quả hợp thành và giải mờ như trên. 4.5 Mô phỏng hệ thống truyền động máy in làm việc với tải nặng khi có bộ điều khiển mờ. Sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển truyền động máy in khi làm việc với tải nặng. Luận văn thạc sỹ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Chạy mô phỏng ta thu được đồ thị Luận văn thạc sỹ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên * Dạng tín hiệu dưới dạng xung(Step) Luận văn thạc sỹ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Luận văn thạc sỹ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Để so sánh, đánh giá chất lượng làm việc của hệ truyền động khi sử dụng bộ điều khiển PID với bộ điều khiển mờ với sơ đồ mô phỏng như hình vẽ. Kết quả mô phỏng thu được đồ thị thể hiện dưới 2 dạng tín hiệu là hằng số và bước nhảy. * Dạng tín hiệu là hằng số. Luận văn thạc sỹ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Luận văn thạc sỹ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên * Dạng tín hiệu là bước nhảy(Step) Luận văn thạc sỹ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 4.6. Mô phỏng hệ thống truyền động máy in làm việc với tải nhẹ khi có bộ điều khiển mờ. Sơ đồ mô phỏng hệ thống khi có bộ điều khiển mờ như hình vẽ Luận văn thạc sỹ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Từ sơ đồ trên thìbộ điều chỉnh mờ được thể hiện như hình vẽ Cho chạy mô phỏng thu được đồ thị với hai trường hợp của K dưới dạng tín hiệu là hằng số và tín hiệu dạng xung (Step) + Trường hợp hệ số bù K = 1 * Dạng tín hiệu đặt là hằng số Luận văn thạc sỹ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên * Dạng tín hiệu là bước nhảy (Step) + Trường hợp hệ số bù K = 0,5 * Dạng tín hiệu đặt là hằng số Luận văn thạc sỹ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Dạng tín hiệu đặt là bước nhảy(Step) Luận văn thạc sỹ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Để so sánh, đánh giá chất lượng làm việc của hệ truyền động khi sử dụng bộ điều khiển PID và bộ điều khiển mờ với sơ đồ mô phỏng như hình vẽ Kết quả mô phỏng thu được với hai trường hợp của hệ số bù dòng điện phần ứng K dưới hai dạng tín hiệu đặt là tín hiệu bước nhảy và tín hiệu là hằng số. Luận văn thạc sỹ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên + Trường hợp K = 1 * Dạng tín hiệu là hằng số. * Dạng tín hiệu là bước nhảy Luận văn thạc sỹ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên + Trường hợp K = 0,5 * Dạng tín hiệu là hằng số * Dạng tín hiệu là bước nhay(Step). Luận văn thạc sỹ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên NHẬN XÉT ĐÁNH GIÁ: Với việc sử dụng bộ điều khiển mờ vào trong mạch vòng đồng tốc khi hệ làm việc với tải nặng và sử dụng bộ điều khiển mờ vào trong mạch vòng điều chỉnh tốc độ khi hệ làm việc với tải nhẹ, qua kết quả mô phỏng cho thấy hệ thống làm việc ổn định hơn. So với trường hợp chỉ sử dụng bộ PID thì khi đưa thêm bộ điều khiển mờ tạo ra các bộ mờ lai trong các mạch vòng cho thấy chất lượng hệ làm việc với bộ mờ lai tốt hơn nhiều. Điều đó chứng tỏ việc ứng dụng bộ điều khiển mờ để nâng cao chất lượng hệ truyền động cho máy in là hợp lý. Luận văn thạc sỹ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ CỦA LUẬN VĂN Bản luận án này có một số kết quả sau: Đã tìm hiểu và chọn được tải thích hợp đồng thời cũng là một tải đặc trưng cho truyền động nhiều động cơ điều đó dẫn tới việc khảo sát hệ thống mang ý nghĩa thực tế. Đã phân tích một cách tỷ mỉ và có sự so sánh giữa các phương án truyền động là hệ truyền động T- Đ và hệ truyền động biến tần - động cơ xoay chiều ba pha, dựa vào thực tế sản suất đang được sử dụng và tính ưu việt của hệ thống truyền động T- Đ trong thời điểm hiện nay từ đó chọn hệ thống T- Đ để khảo sát tổng hợp phục vụ cho máy in. Đã tổng hợp và mô phỏng hệ truyền động T- Đ với bộ điều khiển kinh điển PID trong hai trường hợp truyền động tải nặng và trường hợp tải nhẹ kết quả cho thấy chất lượng hai hệ truyền động này đảm bảo yêu cầu. Điều đó chứng tỏ hệ truyền động này từ trước tới nay vẫn được sử dụng cho máy in. Với sự phát triển khoa học kỹ thuật nói chung và lý thuyết điều khiển nói riêng, hiện nay đã có rất nhiều bộ điều khiển thông minh đang được nghiên cứu sử dụng cho các hệ truyền động phức tạp, trong bản luận án này đã nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển mờ để tạo ra các bộ điều khiển mờ lai(PID- Mờ). Với kết quả mô phỏng hệ truyền động với bộ điều khiển này cho kết quả tốt so vói bộ điều khiển PID. Kết quả của bản luận án đã đóng góp về mặt khoa học cho lĩnh vực truyền động nhiều động cơ trong ngành tự động hoá, đồng thời nó còn mang ý nghĩa thực tế phục vụ cho sản suất Kiến nghị: Tuy bản luận án cho một số kết quả như đã nêu ở trên, xong đây là lĩnh vực truyền động phức tạp cần tiếp tục nghiên cứu để hoàn thiện hơn nữa, đặc Luận văn thạc sỹ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên biệt cần nghiên cứu nhiều bộ điều khiển thông minh khác nữa để ứng dụng vào hệ truyền động này làm cho đề tài có tính khoa học cao hơn. Đây là một đề tài mang ý nghĩa thực tế , với kết quả về lý thuyết và mô phỏng cần có kiểm chứng bằng mô hình thí nghiệm từ đó có thể dễ dàng áp dụng vào sản suất. Luận văn thạc sỹ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Võ Quang Lạp, Trần Thọ, Cơ sở điều khiển tự động truyền động điện, NXB khoa học và kỹ thuật - Hà Nội, 2001. 2. Nguyễn Bính, Điện tử công suất, NXB khoa học và kỹ thuật - Hà Nội, 1996. 3. Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Nguyễn Thị Hiền, Truyền động điện, NXB khoa học và kỹ thuật - Hà Nội. 4. Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi, Điều chỉnh tự động truyền động điện, NXB khoa học và kỹ thuật, 2002. 5. Phạm Công Ngô, Lý thuyết điều khiển tự động, NXB khoa học và kỹ thuật - Hà Nội, 1994. 6.Phan Xuân Minh, Nguyễn Doãn Phước, Lý thuyết điều khiển mờ, NXB KH và Kỹ thuật, Hà Nội, 1997. 7.Nguyễn Thương Ngô, Lý thuyết điều khiển tự động hiện đại, NXB khoa học và kỹ thuật - Hà Nội, 1999. 8. Nguyễn Phùng Quang, Điều khiển tự động truyền động điện xoay chiều 3 pha, NXB Giáo dục. 9. Nguyễn Phùng Quang, Matlab và Simulink, NXB khoa học và kỹ thuật - Hà Nội, 2004. 10. Trương Quốc Thành, Phạm Quang Dũng, Máy và thiết bị nâng, NXB khoa học và kỹ thuật- Hà Nội, 1999. 11. Trịnh Đình Đề, Phân tích tổng hợp hệ thống điều khiển truyền động điện, NXB khoa học và kỹ thuật - Hà Nội, 1983. 12. Võ Quang Lạp, Trần Xuân Minh, Kỹ Thuật biến đổi, ĐHKTCN,1998. 13. Nguyễn Hoàng Hải, Lập trình Matlab, NXB khoa học và kỹ thuật - Hà Nội, 2003. Luận văn thạc sỹ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 14. Nguyễn Như Hiển, Nguyễn Mạnh Tùng, Điều khiển Lôgic và PLC, NXB khoa học tự nhiên và công nghệ- Hà Nội, 2007. 15. Nguyễn Trọng Thuần, Điều khiển logic và ứng dụng, NXB khoa học và kỹ thuật - Hà Nội, 2004. 16. RJ Marks II, Fuzzy Logic Technology and Application, I EEE, 1994. 17. Klir G.J. and Yuan B, Fuzzy Sets and Fuzzy logic; Theory and Applications, Prentice Hall, 1995.