Đồ án tốt nghiệp ứng dụng fuzzy để điều khiển nhiệt độ trong lò nhiệt

Nhiệt độ trở thành mối quantâm hàng đầu cho các nhà thiết kế máy móc và hệ thống và điều khiển nhiệt độtrở thành một trong những đối tượng của ngành Cơ điện tử.. Trong khuôn khổ của một

MỤC LỤC

DANH MỤC KÝ HIỆU 3

DANH MỤC HÌNH ẢNH 3

DANH MỤC BẢNG 6

LỜI MỞ ĐẦU 7

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ 8

1.1 Giới thiệu về lò nhiệt 8

1.1.1 Định nghĩa 8

1.1.2 Ưu nhược điểm 8

2.1.3 Nguyên lý làm việc của lò điện trở 10

1.2 Các phương pháp đo nhiệt độ 10

1.2.1 Giới thiệu chung 10

1.2.3 Các phương pháp đo nhiệt độ thông dụng 13

1.3 Các phương pháp điều khiển nhiệt độ 20

1.3.1 Điều khiển on-off 20

1.3.2 Điều khiển hiệu chỉnh P 22

1.3.3 Điều khiển hiệu chỉnh PD 24

1.3.4 Điều khiển hiệu chỉnh PID 25

1.3.5 Điều khiển sử dụng Fuzzy logic 26

1.4 Kết luận 29

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ LOGIC MỜ 30

2.1 Quá trình phát triển của logic mờ 30

2.2 Cơ sở toán học 33

2.3 Các khái niệm 36

2.4 Tính toán mờ 46

2.4.1 Mờ hóa 46

2.4.2 Xử lý mờ 48

2.4.3 Giải mờ 52

2.5 Kết luận 55

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG LUẬT ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ 56

3.1 Bài toán điều khiển nhiệt độ lò nhiệt 56

3.2 Điều khiển nhiệt độ sử dụng bộ PID 57

3.3 Điều khiển nhiệt độ sử dụng Fuzzy logic 62

3.4 Kết luận 74

CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM 75

4.1 Lựa chọn thiết bị 75

4.1.1 Vi điều khiển 75

4.1.2 Cảm biến nhiệt độ DS18B20 79

4.1.3 Cổng giao tiếp RS232 82

4.2 Thiết kế mạch 83

4.3 Giao diện điều khiển 86

4.4 Phương pháp điều khiển và lập trình 86

4.4.1 Mờ hóa 87

4.4.2 Hợp thành 88

4.4.3 Giải mờ 90

4.5 Thiết kế cơ khí 90

4.6 Kết luận chung 92

4.6.1 Kết quả thực hiện 92

4.6.2 Những hạn chế 93

4.6.3 Hướng phát triển 93

TÀI LIỆU THAM KHẢO 94

PHỤ LỤC 95

DANH MỤC KÝ HIỆU DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Một số lò nhiệt thông dụng trong đời sống 9

Hình 1.2 Cặp nhiệt thực tế 13

Hình 1.3 Dải đo của các loại cặp nhiệt điện 15

Hình 1.4 Nhiệt điện trở thực tế 16

Hình 1.5 Đặc tuyến nhiệt độ của thermistor loại PT 18

Hình 1.6 Đặc tuyến nhiệt độ của thermistor loại NT 18

Hình 1.7 IC cảm biến nhiệt độ 20

Hình 1.8 Điều khiển on-off 21

Hình 1.9 Sự biến thiên của giá trị đặt 21

Hình 1.10 Hệ thống thích hợp sử dụng điều khiển On-Off 22

Hình 1.11 Dao động nhiệt độ xung quanh giá trị đặt 22

Hình 1.12 Điều khiển hiệu chỉnh P 23

Hình 1.13 Đáp ứng của hệ thống 24

Hình 1.14 Đáp ứng hệ thống với hiệu chỉnh PD 24

Hình 1.15 Đáp ứng hệ thống với điều khiển PID 26

Hình 1.16 Mô hình điều khiển mờ cơ bản 26

Hình 1.17 Bộ điều khiển logic mờ động 27

Hình 1.18 Sơ đồ khối luật mờ 27

Hình 2.1 Các sản phẩm ứng dụng Fuzzy logic 33

Hình 2.2 Ý nghĩa của tập mờ 37

Hình 2.3 Tập mờ A có độ cao là 1 Hình 2.4 Tập mờ B có độ cao 0.75 37

Hình 2.5 Đưa tập mờ B về dạng chính tắc 38

Hình 2.6 Miền xác định của tập mờ 38

Hình 2.7 Các biến nhiệt độ của tập mờ 39

Hình 2.8 Tập mờ tuyến tính tăng và giảm 39

Hình 2.9 Tập mờ dạng đường cong 40

Hình 2.10 Tập mờ dạng đường cong hình chuông 40

Hình 2.11 Tập mờ dạng hình thang 41

Hình 2.12 Tập mờ dạng tam giác 41

Hình 2.13 Tập mờ dạng hình vai 42

Hình 2.14 Giao của 2 tập mờ 43

Hình 2.15 Hợp của 2 tập mờ 43

Hình 2.16 Bù của 2 tập mờ 43

Hình 2.17 Các bước tính toán mờ 46

Hình 2.18 Tập mờ của biến nhiệt độ 47

Hình 2.19 Hai tập mờ tương quan tối thiểu Nhiệt độ và Công suất 49

Hình 2.20 Hai tập mờ tương quan tích nhiệt độ và công suất 49

Hình 2.21 Hai tập mờ tương quan tối thiểu 51

Hình 2.22 Tập mờ hợp của 2 miền mờ nhiệt độ và công suất 51

Hình 2.23 Tập mờ thực hiện toán tử bù Bounded 52

Hình 2.24 Giải mờ bằng phương pháp trọng tâm 52

Hình 2.25 Giải mờ bằng phương pháp cực đại 53

Hình 2.26 Giải mờ bằng phương pháp trọng tâm có nhiều điểm lớn nhất 54

Hình 2.27 Giải mờ bằng phương pháp độ cao 54

Hình 3.1 Mô hình điều khiển lò nhiệt 56

Hình 3.2 Bảng thư viện Simulink 58

Hình 3.3 Các khối cần thiết cho mô phỏng 59

Hình 3.4 Khối Scope 59

Hình 3.5 Khối PID Controller 60

Hình 3.6 Mô hình toàn bộ hệ thống 60

Hình 3.7 Đồ thị đáp ứng 62

Hình 3.8 Mô hình điều khiển mờ 63

Hình 3.9 Hình dạng các tập mờ 65

Hình 3.10 Giao diện Fuzzy trong Matlab 66

Hình 3.11 Thiết lập đầu vào 67

Hình 3.12 Lựa chọn đầu vào 67

Hình 3.13 Bảng Membership funtions 68

Hình 3.14 Biến E đầu vào tập mờ 68

Hình 3.15 Biến TE đầu vào tập mờ 69

Hình 3.16 Biến LO đầu ra tập mờ 69

Hình 3.17 Thiết lập luật điều khiển cho tập mờ 70

Hình 3.18 Kiểm tra hoạt động của bộ điều khiển 70

Hình 3.19 Hoạt động bộ điều khiển trong không gian 71

Hình 3.20 Mô hình logic mờ điều khiển nhiệt độ 71

Hình 3.21 Đồ thị đáp ứng 72

Hình 3.22 Tổng hợp cả 2 bộ điều khiển 73

Hình 3.23 Đồ thị đáp ứng 73

Hình 4.1 Sơ đồ chân atmega 16L 77

Hình 4.2 Sơ đồ nguyên lý của Atmega 16L 79

Hình 4.3 Cấu tạo DS18B20 80

Hình 4.4 Bộ nhớ ROM của ds18b20 81

Hình 4.5 Rs232 loại 9 chân 82

Hình 4.6 Rs232 25 chân 83

Hình 4.7: Mạch đồng bộ 84

Hình 4.8: Mạch công suất 85

Hình 4.9: Mạch điều khiển 85

Hình 4.10: Giao diện điều khiển 86

Hình 4.11: Thuật toán điều khiển 88

Hình 4.12: Các chi tiết cơ khí 91

Hình 4.13: Mô hình tổng thể 92

Hình 5.1: Mô hình thực tế 93

DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Chuyển đổi các thang đo nhiệt độ 12

Bảng 1.2 So sánh các phương pháp điều khiển nhiệt độ 28

Bảng 3.1 Thông số điều khiển nhiệt độ bằng PID 62

Bảng 3.2 Luật điều khiển mờ 65

Bảng 3.3 Thông số bộ điều khiển logic mờ 73

Bảng 3.4 So sánh 2 bộ điều khiển 74

LỜI MỞ ĐẦU

Nhiệt độ là một đại lượng vật lý hiện diện khắp nơi và trong nhiều lĩnhvực, trong công nghiệp cũng như trong sinh hoạt Nhiệt độ trở thành mối quantâm hàng đầu cho các nhà thiết kế máy móc và hệ thống và điều khiển nhiệt độtrở thành một trong những đối tượng của ngành Cơ điện tử Trong nhiều lĩnhvực của nền kinh tế, quốc phòng, công nghiệp vấn đề đo và kiểm soát nhiệt độ làmột quá trình không thể thiếu được, đặc biệt trong công nghiệp Đo nhiệt độtrong công nghiệp luôn gắn liền với quy trình công nghệ của sản xuất, việc đo vàkiểm soát nhiệt độ tốt quyết định rất nhiều đến chất lượng của sản phẩm trongcác ngành công nghiệp thực phẩm, luyện kim, xi măng, gốm sứ, công nghiệpchế tạo động cơ đốt trong Ngoài ra, trong bảo quản trang thiết bị, vũ khí, khí tàitrong quân đội tại các kho đạn dược, kho thuốc nổ, viện nghiên cứu vũ khí cũngrất cần quan tâm đếm nhiệt độ, bảo đảm an toàn cho đơn vị, cung cấp trang bị vũkhí tốt nhất, phục vụ nhiệm vụ sẵn sàng chiến đấu bảo vệ Tổ quốc

Với những lý do trên, trên cơ sở những kiến thức lĩnh hội được trong suốt

5 năm học tập tại Học viện Kỹ thuật quân sự, tôi xin nhận đề tài “Ứng dụng Fuzzy để điều khiển nhiệt độ trong lò nhiệt” với sự hướng dẫn của thầy Đại

úy, TS.Trịnh Xuân Long Tôi xin chân thành cảm ơn thầy đã tận tình chỉ bảo đểtôi có thể hoàn thành nội dung đồ án

Trong khuôn khổ của một đồ án tốt nghiệp, tôi đã được thực hiện đượcnhững nội dung sau:

- Tìm hiểu lò nhiệt, các phương pháp đo và điều khiển nhiệt độ trong lò nhiệt

- Khảo sát lý thuyết điều khiển nhiệt độ và thuật toán logic mờ

- Mô phỏng Matlab- Simulink thuật toán PID, Fuzzy logic

- Lập giao diện giao tiếp máy tính sử dụng Visual Basic

- Xây dựng mô hình thực nghiệm lò nhiệt

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU

KHIỂN NHIỆT ĐỘ

Hệ thống điều khiển nhiệt độ trong lò nhiệt trong thực tế đang là vấn đềrất được quan tâm để đạt được mục đích đáp ứng nhiệt độ yêu cầu nhanh nhất vàchính xác nhất, từ đó tăng năng suất, giảm chi phí thiết bị nung, hao tổn điệnnăng, giảm giá thành sản phẩm Trong chương này, sẽ tìm hiểu về lò nhiệt, cácphương pháp đo và điều khiển nhiệt độ

1.1 Giới thiệu về lò nhiệt

1.1.1 Định nghĩa

Lò nhiệt là hệ thống biến đổi điện năng thành nhiệt năng sử dụng trongcác quá trình công nghệ khác nhau như nhiệt luyện kim loại hợp kim, nung nấucác vật liệu…

Lò nhiệt được sử dụng trong lĩnh vực kĩ thuật:

+ Sản xuất thép chật lượng cao

+ Sản xuất các hợp kim phe-rô

+ Nhiệt luyện và hóa nhiệt luyện

+ Nung các vật phẩm trước khi cán, rèn dập, kéo sợi

+ Sản xuất đúc và kim loại bột

Trong các lĩnh vực công nghiệp khác:

+ Trong công nghiệp nhẹ và thực phẩm, lò điện được dùng để sấy, mạ vậtphẩm và chuẩn bị thực phẩm

+ Trong các lĩnh vực khác, lò điện được dùng để sản xuất các vật phẩmthủy tinh, gốm, sứ, vật liệu chịu nhiệt…

Trong đời sống hằng ngày:

+ Lò nhiệt rất phổ biến, xuất hiện phong phú và đa dạng trong sinh hoạtcủa con người: bếp điện, nồi nấu cơm điện, bình đun nước điện, thiết bị nungrắn, sấy điện…

1.1.2 Ưu nhược điểm

So với các lò sử dụng nhiên liệu thì lò nhiệt điện có các ưu điểm sau:

- Tạo được nhiệt độ cao

- Bảo đảm tốc độ nung lớn và năng suất cao

- Bảo đảm nung đều và chính xác do điều chỉnh chế độ điện và nhiệt độ

- Kín

- Có khả năng cơ khí hóa và tự động hóa quá trình chất dỡ nguyên liệu vàvận chuyển phẩm

1.Lò điện trở nhiệt SX2-4-10 2 Lò nhiệt luyện N60 LE

3 Lò nướng sấy hãng Omega 4 Lò nhiệt luyện N40 E

Hình 1.1 Một số lò nhiệt thông dụng trong đời sống

- Bảo đảm điều kiện lao động hợp vệ sinh, điều kiện thao tác tốt, thiết bịgọn nhẹ

Tuy nhiên, cũng có nhược điểm:

- Năng lượng điện đắt

- Vận hành hệ thống một cách đồng bộ, tuân thủ nghiêm các qui tắc antoàn

- Yêu cầu có trình độ khi sử dụng

2.1.3 Nguyên lý làm việc của lò điện trở

Lò điện trở làm việc dựa trên cơ sở có một dòng điện chạy qua dây dẫnhoặc vật dẫn thì ở đó sẽ tỏa ra một nhiệt lượng theo định luật Jun- Lenxo:

2

Q I R T Q- Nhiệt lượng tính bằng Jun (J);

I- Dòng điện tính bằng Ampe (A);

R- Điện trở tính bằng Ohm ( );

T- Thời gian tính bằng giây (s)

Từ công thức trên ta thấy điện trở R đóng vai trò:

- Vật nung: Trường hợp này gọi là nung trực tiếp

- Dây nung: Khi dây nung được nung nóng, nó sẽ truyền nhiệt cho vật nungbằng bức xạ, đối lưu, dẫn nhiệt hoặc phức hợp Trường hợp này gọi là nung giántiếp

Trường hợp thứ nhất ít gặp vì nó chỉ dùng để nung vật liệu có hình dạngđơn giản như tiết diện hình vuông, tròn, chữ nhật

Trường hợp thứ hai thường gặp nhiều trong công nghiệp Vì vậy khi nói đến lòđiện trở là không thể không đề cập đến vật liệu làm dây nung, bộ phận phátnhiệt của lò

1.2 Các phương pháp đo nhiệt độ

1.2.1 Giới thiệu chung

Từ thời xưa, người ta đã biết đến tính chất của vật chất là có quan hệ mậtthiết với mức độ nóng lạnh của vật chất đó Nóng hay lạnh là thể hiện mức độ

giữ nhiệt của vật Mức độ nóng lạnh đó gọi là nhiệt độ Khái niệm này dựa vàoquan niệm về hiện tượng truyền nhiệt và cân bằng nhiệt (các vật có nhiệt độnhư nhau thì không có hiện tượng truyền nhiệt cho nhau và lúc đó thì nó đã đạtđến trạng thái cân bằng nhiệt).

Theo thuyết động học phân tử, nhiệt độ là tham số vật lý biểu thị độngnăng trung bình của chuyển động tịnh tiến của các phân tử tạo thành vật thể.Khi hai vật tiếp xúc với nhau thì giữa chúng có hiện tượng trao đổi năng lượnggiữa các phân tử cho đến khi động năng của các phân tử trong hai vật bằngnhau mới thôi Đó chính là hiện tượng truyền nhiệt giữa hai vật có nhiệt độkhác nhau, hiện tượng đó diễn ra cho tới khi xảy ra sự cân bằng nhiệt Tham

số nhiệt độ thể hiện khả năng giữ nhiệt và có mối quan hệ với các tính chất kháccủa vật

Việc đo nhiệt độ được tiến hành nhờ các đầu đo hay còn gọi là các cảmbiến đo nhiệt độ Các cảm biến làm nhiệm vụ chuyển đổi thông tin nhiệt độ củađối tượng thành tín hiệu điện (dòng điện hoặc điện áp) thuận lợi cho việc xử lý.Các cảm biến đo nhiệt độ có thể kể ra như: nhiệt điện trở, cặp nhiệt điện, ICcảm biến nhiệt độ, điốt và tranzitor… Tuỳ theo từng khoảng nhiệt độ cần đo cóthể dùng các phương pháp khác nhau Thông thường nhiệt độ cần đo được chiathành ba dải: nhiệt độ thấp, nhiệt độ trung bình và nhiệt độ cao

Ở nhiệt độ trung bình và thấp thì phương pháp đo là phương pháp tiếpxúc nghĩa là các chuyển đổi được đặt trực tiếp ở ngay môi trường cần đo Đốivới nhiệt độ cao thì đo bằng phương pháp không tiếp xúc, dụng cụ đặt ở ngoàimôi trường đo Căn cứ vào khoảng nhiệt độ cần đo và sai số của phép đo mà taquyết định lựa chọn cảm biến và phương pháp đo thích hợp

Khoảng nhiệt độ đo bằng phương pháp tiếp xúc và cặp nhiệt là từ 2500°C, độ chính xác có thể đạt tới ± 1% đến 0,1%

250°C-Khoảng nhiệt độ đo bằng phương pháp tiếp xúc và dùng cảm biến tiếpxúc P-N (nhiệt điện trở, diot và transitor, IC) là từ -200°C đến 200°C, sai số đến

± 1%

Phương pháp đo không tiếp xúc như bức xạ quang phổ…Có khoảng đo từ1000°C đến vài nghìn °C với sai số ± 1% đến 0,1%.

Trên thực tế có nhiều loại thang đo được sử dụng để đo nhiệt độ bao gồm:thang đo Celeius (˚C), thang đo Kelvin (˚K), thang đo Fahrenheit (˚F), thang đoRankine (˚R) Công thức chuyển đổi giữa các thang đo:

T(˚C) = T(˚K) – 273,15T(˚F) = T(˚R) – 459,67T(˚C) = (T(˚F) – 32)* 5/9T(˚F) = T(˚C) * 9/5 + 32

Bảng 1.1 Chuyển đổi các thang đo nhiệt độ

Kelvin(0K) Celeius(0C) Rankime(0R) Fahrenteit(0F )

1.2.2 Các thông số của cảm biến

Cảm biến nhiệt độ là dụng cụ biến đổi đại lượng nhiệt thành các đại lượngvật lý khác như điện, áp suất, độ giãn nở dài, giãn nở khối, điện trở…Cảm biếnnhiệt độ là phần tử không thể thiếu trong bất kỳ hệ thống điều khiển nhiệt độnào Mỗi cảm biến có các thông số quan trọng cần phải nắm vững

a Thông số cấu tạo: được quyết định bởi nhà sản xuất và phụ thuộc vào từngloại cảm biến

b Thông số sử dụng: bao gồm các yếu tố

- Khoảng làm việc: là khoảng nhiệt độ mà cảm biến có khả năng đo được khichưa bị bão hòa Khoảng làm việc cao hay thấp là do tính chất cấu tạo và lý hóacủa từng loại cảm biến qui định

- Độ nhạy được định nghĩa:

df s dx

df: Sự thay đổi đại lượng đo của cảm biến;

dx: Sự thay đổi đại lượng vật lý.

- Ngưỡng độ nhạy: Mức thấp nhất mà cảm biến có thể phát hiện được

- Tính trễ: Còn gọi là quán tính của cảm biến Tính trễ của cảm biến tạo ra sai sốcủa phép đo Tốc độ thay đổi của đại lượng đo phải phù hợp với tính trễ của cảmbiến Nếu đại lượng đo thay đổi quá nhanh mà quán tính của cảm biến quá lớnthì không thể đo chính xác được Mọi cảm biến điều có tính trễ do ảnh hưởngcủa vỏ bảo vệ

1.2.3 Các phương pháp đo nhiệt độ thông dụng

a Đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt điện

Hình 1.2 Cặp nhiệt thực tế

Cặp nhiệt điện là dụng cụ đo nhiệt độ thường được sử dụng rộng rãi trongcông nghiệp Nhiệt độ cần đo được cặp nhiệt điện chuyển đổi thành suất điệnđộng để đưa vào các vôn kế chỉ thị bằng kim, bằng vạch sáng hoặc các con số

Cơ sở chế tạo cặp nhiệt điện dựa trên các nguyên lý sau:

Hiệu ứng Thomson: qua một dây dẫn có dòng điện I và hiệu nhiệt trêndây là T1-T2 thì sẽ có một sự hấp thụ hay tỏa nhiệt

Hiệu ứng Pentier: khi có dòng điện đi qua một mối nối của hai dây dẫn thìtại vị trí mối nối sẽ có sựu hấp thụ hay tỏa nhiệt

Hiệu ứng Seebeck: trong một dây dẫn bất kỳ, khi có sự chênh lệch nhiệt

độ tại một điểm thì ngay tại điểm đó sẽ suất hiện một suất điện động

Định luật Macmut: trong một mạch điện kín của dây dẫn đồng nhất bất kỳ

sự phân bố nhiệt độ ra sao, suất điện động tổng cộng của mạch luôn bằng không.Cặp nhiệt điện được cấu tạo với kích thước rất nhỏ cho phép việc đo nhiệt độvới cấp chính xác cao, đáp ứng nhanh do điện dung nhỏ Ngoài ra, nó còn có ưuđiểm là tín hiệu tạo ra chính là sức điện động mà không cần tạo ra dòng điệnchạy qua cảm biến tránh được hiện tượng đốt nóng cảm biến Cặp nhiệt đượccấu tạo bởi 2 dây kim loại khác nhau a và b thì tổng suất điện động xuất hiệntrong mạch này bằng suất điện động Thomson phụ thuộc vào nhiệt độ tuyệt đối

1, 2

T T ở 2 đầu mối ghép của dây dẫn Ngoài ra, trong mạch còn có suất điện độngSeebeck, điều này được giải thích là do sự tập trung khác nhau của điện tử ở haiđầu mối ghép Mặt khác do sự xuất hiện thế năng tiếp xúc tại khu vực mối ghépbởi 2 đầu dây dẫn không đồng chất Lý thuyết trên được thể hiện bằng côngthức: E TT ab( 1 2) E T ab( )2  E T ab( )1

động E0 là hàm phi tuyến với nhiệt độ Nói cách khác độ nhạy của cặp nhiệtthay đổi trong từng khoảng đo Về mặt toán học, hàm E0được xem là tuyếntính với nhiệt độ khi B C, A

Tóm lại, suất điện động được xem là tuyến tính trong khoảng làm việcnào đó tùy theo cấu tạo của từng loại kim loại làm cặp nhiệt

Thực tế, cặp nhiệt được chế tạo bằng 2 sợi kim loại khác nhau, có ít nhất 2 mốinối, một đầu giữ ở nhiệt độ chuẩn, đầu còn lại tiếp xúc với đối tượng đo Cặpnhiệt có cực dương và cực âm, cực dương thường đánh dấu màu đỏ Tùy theovật liệu chế tạo, cặp nhiệt được phân thành các loại sau:

E: Crôm/Hợp kim đồng-niken.

- Cần có điện áp tham chiếu.

- Kém ổn định nhất

- Kém nhạy nhất

b Đo nhiệt độ bằng nhiệt điện trở

Nhiệt điện trở được dùng để đo nhiệt độ của hơi nước, khí than trong cácđường ống, các lò phản ứng hóa học, các lò hơi, không khí trong phòng, lồng ấpứng…Nhiệt điện trở thích hợp đo nhiệt độ trong khoảng50 C0 đến 300 C0

Nguyên lý làm việc dựa trên sự thay đổi điện trở theo nhiệt độ: R=f(t) Cuộn dâyđiện trở thường nằm trong ống bảo vệ và tùy theo công dụng mà vỏ ngoài có thể

là kim loại, thủy tinh hoặc gốm

Hình 1.4 Nhiệt điện trở thực tế

Đối với các loại vật liệu dẫn điện thì giá trị điện trở phụ thuộc nhiệt độ theo hàm

số sau: R T R0 * (f T T 0 )

Trong đó:

+ R T: điện trở đo ở nhiệt độ T ();

+ R0: điện trở đo ở nhiệt độ T0();

+ f T T(  0 ): hàm phụ thuộc đặc tính vật liệu f T T(  0 )=1 khi T T 0

Đối với điện trở bằng kim loại:

+ T nhiệt độ tính bằng 0C;

+ A,B,C là hằng số vật liệu của nhà sản xuất

Đối với điện trở bằng oxit bán dẫn:

Trong những năm gần đây, nhiệt kế thermistor được sử dụng rộng rãi do

có ưu điểm độ nhạy cao, đặc tính nhiệt ổn định, kích thước nhỏ gọn, dễ thay đổikhi chế tạo Chúng chia làm 2 loại:

Nhiệt điện trở có hệ số dương PT (Positive Thermistor): làm việc dựa trênnguyên tắc khi nhiệt độ tăng thì điện trở tăng và được cấu tạo từ các hợp chấtnhư Ceramic, Sắt, Titan, Bari…Đặc tuyến làm việc như hình bên dưới, với vùng

A là vùng có hệ số nhiệt âm, B là vùng có hệ số nhiệt dương rất lớn, C là vùng

có hệ số nhiệt âm sâu, vùng này rất nguy hiểm và nhiệt điện trở dễ bị phá hủy.Điểm M là điểm làm việc của nhiệt điện trở Đáp ứng nhiệt độ tức thời khicường độ dòng tăng vọt Hệ số nhiệt và điểm làm việc thay đổi theo thành phầncác hợp chất cấu tạo thermistor

Nhiệt điện trở có hệ số nhiệt âm NT (Negative Thermistor): làm việc dựatrên nguyên tắc khi nhiệt độ tăng thì điện trở giảm, thường được cấu từ oxit kim

loại Mangan, Sắt, Nikel Đặc tuyến làm việc thể hiện ở hình dưới, trị số điện trởgiảm rất nhanh khi nhiệt độ tăng biểu diễn bởi công thức:

*expB T T

R A

Trong đó:

+ A: Hệ số điện trở phụ thuộc vào điện trở suất của chất bán dẫn;

+ B: Hệ số nhiệt phụ thuộc vào tính chất vật lý của vật liệu chất bán dẫn

và loại thermistor B trong dải 3000-5000: đo nhiệt độ thấp B trong dải 13000: đo nhiệt độ cao Khi nhiệt độ giảm thì độ nhạy càng tăng đó cũng chính

6000-là ưu điểm của loại nhiệt kế này

Hình 1.5 Đặc tuyến nhiệt độ của thermistor loại PT

Hình 1.6 Đặc tuyến nhiệt độ của thermistor loại NT

* Ưu điểm

- Cần phải cung cấp nguồn dòng.

- Lượng thay đổiRnhỏ

- Tự gia tăng nhiệt

c Đo nhiệt độ bằng IC

Kĩ thuật vi cơ điện tử cho phép chế tạo mạch kết nối gồm nhiều transitorgiống nhau được sử dụng làm cảm biến hoàn hảo Các IC này đo nhiệt độ dựatrên sự khác biệt của điện áp Vbc dưới tác dụng nhiệt độ Cảm biến loại này tạo

ra dòng điện hoặc điện áp tỉ lệ với nhiệt độ tuyệt đối với độ tuyến tính cao Ưuđiểm của nó là vận hành đơn giản, tuy nhiên pham vi hoạt động của nó chỉ giớihạn trong khoảng  50 0C 150 0C Khi nhiệt độ thay đổi sẽ xảy ra hiện tượng ionhóa các nguyên tử nút mạng và tạo ra các cặp hạt dẫn tự do: điện tích và lỗtrống Các electron bứt ra khỏi các kiên kết ghép đôi thành điện tích tự do dichuyển qua các mạng cấu trúc tinh thể, làm tăng các lỗ trống theo qui luật hàm

mũ với nhiệt độ Kết quả là khi phân cực thuận, dòng thuận của tiếp giáp P-N sẽtăng theo hàm mũ của nhiệt độ

- Nhiệt độ đo dưới200 C0

- Cần cung cấp nguồn cho cảm biến

1.3 Các phương pháp điều khiển nhiệt độ

1.3.1 Điều khiển on-off

Điều khiển on-off là lặp lại trạng thái on-off của hệ thống điều khiển theođiểm đặt, ví dụ trong hình relay ngõ ra là on khi nhiệt độ trong lò nhiệt dướiđiểm đặt và off khi nhiệt độ đến điểm đặt Nhiệt độ được đặt ở một giá trị nào đó

mà người vận hành mong muốn, cấp điện sợi nung khi giá trị nhiệt độ trong lònhiệt thấp hơn giá trị đặt và tắt nguồn cấp điện cho sợi nung được gọi là điềukhiển on-off còn được gọi là điều khiển 2 vị trí vì hai biến đặt cũng liên quanđến điểm đặt

Hình 1.8 Điều khiển on-off

Khi điểm đặt được điều khiển bằng hoạt động on-off, biến đặt thay đổituần hoàn như hình dưới Kết quả tốt nhất của hoạt động on-off đạt được nếubiên độ biến thiên là nhỏ nhất

Hình 1.9 Sự biến thiên của giá trị đặt.

Tùy thuộc và hệ thống và yêu cầu công nghệ mà ta sử dụng phương phápđiều khiển này Điều khiển on-off thích hợp nhất với hệ thống mà nhiệt độ tănglên chậm và sai phân G giữa cân bằng nhiệt khi ngõ ra là on và khi ngõ ra là offnhỏ Ví dụ như G nhỏ duy trì đáp ứng nhiệt nhanh và hunting được tắt bằng hìnhthức on-off như hình dưới, nhiệt độ trên tới giá trị tới hạn thấp của ngõ ra đềnđược điều khiển bằng hai sợi nung với tổng công suất là 600W, trong lân cậnđiểm đặt, nhiệt độ điều khiển mỗi sợi nung là 300W

Hình 1.10 Hệ thống thích hợp sử dụng điều khiển On-Off

Quá trình điều khiển on-off lò nhiệt diễn ra với giá trị sai số cho phép nhằmngăn ngừa nhiễu trong quá trình bật tắt lò nhiệt quá nhanh khi nhiệt độ lò gầnbằng nhiệt độ đặt Dao động nhiệt được biểu diễn trong sơ đồ sau:

Hình 1.11 Dao động nhiệt độ xung quanh giá trị đặt

1.3.2 Điều khiển hiệu chỉnh P

Đây là bộ điều khiển tỉ lệ mà biến đặt (manipulate variable) tỉ lệ với độlệch(deviation) từ điểm đặt bên trong dãy tỉ lệ cho phạm vi nhiệt độ đặt Khinhiệt độ hiện tại thấp hơn mức giới hạn thấp nhất của dãy tỉ lệ, biến đặt vào là100% Khi nhiệt độ bên trong dãy tỉ lệ, biến đặt giảm dần trong dãy tỉ lệ tới độlệch và giảm 50% Khi nhiệt độ hiện tại bằng với điểm đặt và không có lệch, khi

đó P cho phép điều khiển nhiệt độ phẳng với hunting nhỏ hơn điều khiển OFF Thiết bị ngõ ra dạng xung ở trạng thái ON-OFF có thể dùng làm thiết bịngõ ra của bộ điều khiển nhiệt độ Ngõ ra này bao gồm: relay output, SSR output

ON-và voltage output Nếu như thiết bị này dùng để lặp trạng thái on-off trong dãy tỉ

lệ ở chu kỳ được xác định như hình dưới thì thời gian on ở ngõ ra tỉ lệ với độlệch Tỷ số từ lúc on tới lúc off là 1:1 và biến là 50% khi chu kỳ relay ngõ ra từ

on tới off với nhiệt độ điều khiển bừng điểm đặt Một chu ky từ on tới off củathiết bị đầu ra được gọi là chu kỳ tỉ lệ (proportional period) và hoạt động điềukhiển theo chu kỳ tỉ lệ gọi là “hoạt động điều khiển chia tỷ lệ thời gian”

Hình 1.12 Điều khiển hiệu chỉnh PKhi P tăng, sự đáp ứng quá độ nhanh hơn nhưng ngược lại hệ thống cónhiệt độ nằm dưới mức nhiệt độ điều khiển và không ổn định

Hình 1.13 Đáp ứng của hệ thống

1.3.3 Điều khiển hiệu chỉnh PD

Vấn đề về tính ổn định và độ quá điều chỉnh trong điều khiển tỉ lệ với độkhuếch đại lớn có thể được giảm đi khi thêm vào đó khâu vi phân cho tín hiệusai số

Hình 1.14 Đáp ứng hệ thống với hiệu chỉnh PD

Bộ hiệu chỉnh PD không thể thực hiện bằng các linh kiện thu động, có thểdùng khuếch đại thuật toán, điện trở và tụ điện Nhược điểm của bộ PD này là

rất nhạy về nhiễu vì bản thân bộ PD là mạch lọc thông cao, với độ lợi lớn hơn 1

sẽ làm tăng sự ảnh hưởng của tín hiệu nhiễu

1.3.4 Điều khiển hiệu chỉnh PID

Khâu hiệu chỉnh khuếch đại tỉ lệ (P) được đưa vào hệ thống nhằm giảmsai số xác lập, với đầu vào thay đổi theo hàm bậc thang sẽ gây ra vọt lố và trongvài trường hợp là không chấp nhận được đối với mạch động lực sựu có mặt củakhâu vi phân tỉ lệ (PD) làm giảm độ vọt lố và đáp ứng ra bớt nhấp nhô hơn và hệthống sẽ đáp ứng nhanh hơn Khâu tích phân tỉ lệ (PI) có mặt trong hệ thống sẽdẫn đến sai lệch tĩnh bị triệt tiêu (hệ vô sai) Muốn tăng độ chính xác ta phảităng hệ số khuếch đại song với mọi hệ thực tế đều bị hạn chế và sự có mặt củakhâu PI là bắt buộc Khâu hiệu chỉnh vi tích phân tỉ lệ (PID) kết hợp những ưuđiểm của khâu PI và PD, có khả năng tăng độ dự trữ pha ở tần số cắt, khử chậmpha Sự có mặt PID ở vòng hồi tiếp có thể dẫn đến sự dao động trong hệ do đápứng quá độ bị vọt lố bởi hàm dirac δ(t) Các bộ hiệu chỉnh PID được ứng dụngnhiều trong công nghiệp dưới dạng thiết bị điều khiển hay thuật toán phần mềm.hàm truyền của bộ PID có dạng:

khiển được năng lượng lò nhiệt cho đến khi sai số trung trình của giá trị nhiệt

độ là bằng 0

Hình 1.15 Đáp ứng hệ thống với điều khiển PID

1.3.5 Điều khiển sử dụng Fuzzy logic

Những thành phần cơ bản của một bộ điều khiển mờ bao gồm khâu Fuzzyhóa, thiết bị thực hiện luật hợp thành và khâu giải mờ Một bộ điều khiển mờ chỉgồm ba thành phần như vậy có tên gọi là bộ điều khiển mờ cơ bản

Hình 1.16 Mô hình điều khiển mờ cơ bản

Do bộ điều khiển mờ cơ bản chỉ có khả năng xử lý các giá trị tín hiệu hiệnthời nên nó thuộc nhóm các bộ điều khiển tĩnh Tuy vậy, để mở rộng miền ứngdụng của chúng vào các bài toán điều khiển động, các khâu động học cần thiết

sẽ được nối thêm vào bộ điều khiển mờ cơ bản Các khâu động đó chỉ có nhiệm

vụ cung cấp thêm cho bộ điều khiển mờ cơ bản các giá trị đạo hàm hay tíchphân của tín hiệu Với những khâu động bổ sung này, bộ điều khiển cơ bản sẽ

được gọi là bộ điều khiển mờ động.

Hình 1.17 Bộ điều khiển logic mờ động

Trong những năm gần đây các hệ mờ đã có những bước tiến nhanh chóng

áp dụng vào nhiều hệ thống khác nhau: điều khiển, xử lý tín hiệu truyền thông,chế tạo vi mạch, các hệ chuyên gia…Trong điều khiển nhiệt độ lò nhiệt quátrình điều khiển mờ theo trình tự như sau:

Hình 1.18 Sơ đồ khối luật mờ

Từ sơ đồ khối trên, ta rút ra 5 bước cơ bản để tổng hợp bộ điều khiển mờnhư sau:

- Định nghĩa tất cả các biến ngôn ngữ đầu vào/ra

- Định nghĩa tập mờ cho các biến vào/ra

- Xây dựng các luật điều khiển

- Chọn thiết bị hợp thành

- Giải mờ

Trong đó, bước 1 và 2 làm công việc mờ hóa, bước 3 thiết lập suy diễn

mờ dựa trên luật hợp thành mờ, bước 4 và 5 làm công việc giải mờ để nhận giátrị ngõ ra

Bài toán điều khiển lò nhiệt là bài toán điều khiển khá phức tạp do đối

Bộ điều khiển mờ cơ bản

dt d

 dt

)

tượng nhiệt độ có tính trễ và phi tuyến Ngày nay với sự ra đời của nhiềuphương pháp điều khiển khác nhau, mỗi phương pháp có nhiều điểm mạnh yếukhác nhau Nếu kết hợp tốt các phương pháp sẽ cho kết quả tốt hơn Tất cả đềuhướng đến mục tiêu là độ chính xác, tốc độ cao cũng như khả năng đáp ứng tốtcủa thiết bị điều khiển Phương pháp cổ điển chỉ áp dụng với các đối tượng điềukhiển có mô hình toán học nhưng trong thực tế các hệ thống điều khiển điều cótính phi tuyến, độ phức tạp cao

Bảng 1.2 So sánh các phương pháp điều khiển nhiệt độ

Các phương pháp

điều khiển

Điều khiển on-off - Điều khiển đơn giản - Xảy ra quá tải mạch

lực độ vọt lố lớnĐiều khiển tỉ lệ P - Quá tải và độ vọt lố

nhỏ

- Thời gian đáp ứng lâuđến khi biến điều khiểnđược thiết lập

Điều khiển vi phân tỉ

lệ PD

- Đáp ứng nhanh - Rất nhạy với nhiễu

Điều khiển PID - Có thể điều khiển tốt - Cần thực nghiệm xác

định các thông số PIDĐiều khiển mờ - Thiết lập đơn giản

- Gần với suy luận conngười

- Khó tối ưu nếu chỉ sửdụng riêng lẻ bộ điềukhiển mờ

Từ đó, bộ điều khiển mờ ra đời đáp ứng yêu cầu của thực tiễn, dựa trênnhững thông tin không rõ ràng, tùy thuộc vào kinh nghiệm của người điều khiển

Và logic mờ đã được áp dụng thành công trên các thiết bị như máy ghi hình, lò

vi sóng, máy giặt, điều hòa…và cũng trong khuôn khổ đồ án tốt nghiệp, mô hìnhcòn hạn chế, đơn giản nên logic mờ là phương pháp điều khiển thích hợp Vớinhững lý do trên tôi chọn phương pháp logic mờ cho hệ thống của mình

1.4 Kết luận

Lò nhiệt là thiết bị rất cần thiết trong công nghiệp thực phẩm, luyện kim,hóa dầu…Có nhiều phương pháp đo nhiệt độ trong lò nhiệt tuy nhiên thôngdụng hiện nay thường dùng cặp nhiệt điện (can nhiệt) Điều khiển nhiệt độtương đối phức tạp vì nhiệt độ là đại lượng phi tuyến, do đó khi điều khiển cầnkết hợp các phương pháp để cho kết quả tối ưu Tuy nhiên, do kiến thức mới và

có nhiều nội dung khó nên trong đồ án chỉ tập trung phương pháp logic mờ, sẽ

được trình bày ở chương tiếp.

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ LOGIC

MỜ

Phương pháp điều khiển logic mờ đã có chặng đường hình thành và pháttriển khoảng 40 năm trở lại đây, tuy nhiên phương pháp này ngày càng đượcứng dụng vào thực tiễn và lò nhiệt cũng là một đối tượng có thể điều khiển bằngphương pháp này

2.1 Quá trình phát triển của logic mờ

Logic mờ được công bố lần đầu tiên tại Mỹ vào năm 1965 Cha đẻ của nó

là Lotfi Zadeh, giáo sư về lý thuyết hệ thống tại trường đại học Berkeley, bangCalifornia, nước Mỹ Kể từ đó, logic mờ đã có nhiều phát triển qua các chặngđường sau: phát minh ở Mỹ, áp dụng ở Châu Âu và đưa vào các sản phẩmthương mại ở Nhật

a Ứng dụng công nghiệp đầu tiên ở Châu Âu

Ứng dụng đầu tiên của logic mờ vào công nghiệp được thực hiện ở Châu

Âu, khoảng sau năm 1970 Tại trường Queen Mary ở Luân Đôn – Anh, EbrahimMamdani dùng logic mờ để điều khiển một máy hơi nước mà trước đây ông ấykhông thể điều khiển được bằng các kỹ thuật cổ điển Và tại Đức, HansZimmermann dùng logic mờ cho các hệ ra quyết định Liên tiếp sau đó, logic

mờ được áp dụng vào các lĩnh vực khác như điều khiển lò xi măng nhưng vẫnkhông được chấp nhận rộng rãi trong công nghiệp Có một số ít ứng dụng dùng

nó nhưng giấu đi cụm từ logic mờ mà thay bằng các từ ngữ như “logic đa giátrị” hay “logic liên tục”

Kể từ năm 1980, logic mờ đạt được nhiều thành công trong các ứng dụng

ra quyết định và phân tích dữ liệu ở Châu Âu Nhiều kỹ thuật logic mờ cao cấpđược nghiên cứu và phát triển trong lĩnh vực này

b Nhật Bản vươn lên dẫn đầu

Cảm hứng từ những ứng dụng của Châu Âu, các công ty của Nhật bắt đầudùng logic mờ vào kỹ thuật điều khiển từ năm 1980 Nhưng do các phần cứngchuẩn tính toán theo giải thuật logic mờ rất kém nên hầu hết các ứng dụng đềudùng các phần cứng chuyên về logic mờ Một trong những ứng dụng dùng logic

mờ đầu tiên tại đây là nhà máy xử lý nước của Fuji Electric vào năm 1983, hệthống xe điện ngầm của Hitachi vào năm 1987

Những thành công đầu tiên đã tạo ra nhiều quan tâm ở Nhật Có nhiều lý

do để giải thích tại sao logic mờ được ưa chuộng Thứ nhất, các kỹ sư Nhậtthường bắt đầu từ những giải pháp đơn giản, sau đó mới đi sâu vào vấn đề Phùhợp với việc logic mờ cho phép tạo nhanh các bản mẫu rồi tiến đến việc tối ưu.Thứ hai, các hệ dùng logic mờ đơn giản và dễ hiểu Sự “thông minh” của hệkhông nằm trong các hệ phương trình vi phân hay mã nguồn Cũng như việc các

kỹ sư Nhật thường làm việc theo tổ, đòi hỏi phải có một giải pháp để mọi ngườitrong tổ đều hiểu được hành vi của hệ thống, cùng chia sẽ ý tưởng để tạo ra hệ.Logic mờ cung cấp cho họ một phương tiện rất minh bạch để thiết kế hệ thống

Và cũng do nền văn hóa, người Nhật không quan tâm đến logic Boolean haylogic mờ; cũng như trong tiếng Nhật, từ “mờ’ không mang nghĩa tiêu cực

Do đó, logic mờ được dùng nhiều trong các ứng dụng thuộc lĩnh vực điềukhiển thông minh hay xử lý dữ liệu Máy quay phim và máy chụp hình dùnglogic mờ để chứa đựng sự chuyên môn của người nghệ sĩ nhiếp ảnh Misubishithông báo về chiếc xe đầu tiên trên thế giới dùng logic mờ trong điều khiển,củng như nhiều hãng chế tạo xe khác của Nhật dùng logic mờ trong một sốthành phần Trong lĩnh vực tự động hóa, hãng Omron Corp có khoảng 350 bằngphát minh về logic mờ Ngoài ra, logic mờ cũng được dùng để tối ưu nhiều quátrình hóa học và sinh học

c Châu Âu đuổi theo Nhật

Năm năm trôi qua, các tổ hợp Châu Âu nhận ra rằng mình đã mất một kỹthuật chủ chốt vào tay người Nhật và từ đó họ đã nỗ lực hơn trong việc dùnglogic mờ vào các ứng dụng của mình Đến nay, có khoảng 200 sản phẩm bán

trên thị trường và vô số ứng dụng trong điều khiển quá trình – tự động hóa dùnglogic mờ.

Từ những thành công đạt được, logic mờ đã trở thành một kỹ thuật thiết kế

“chuẩn” và được chấp nhận rộng rãi trong cộng đồng

d Logic mờ ở Mỹ

Trong những năm gần đây, logic mờ thu được nhiều quan tâm ở Mỹ, nhất

là trong những công ty cạnh tranh với Châu Âu và Châu Á Tuy nhiên có nhiềutranh cãi về khả năng chiến thắng của Mỹ trong lĩnh vực này bởi nhiều lý do.Thứ nhất, những ứng dụng được thực hiện tại Nhật là những sản phẩm mà cácnhà sản xuất của Mỹ không cạnh tranh với Nhật Cơ bản là không có một nhàsản xuất điện tử giải trí nào của Mỹ có mặt trên thị trường thế giới; việc dùnglogic mờ trong camcorder, camera, hi-fi chỉ là nhằm tăng thêm khả năng cạnhtranh giữa các công ty Nhật mà thôi Ở Châu Âu, các ứng dụng logic mờ chủyếu tập trung vào tự động hóa công nghiệp do giá lao động cao Trong các lĩnhvực khác như là ngành chế tạo ôtô, Mỹ phải đối mặt với các đối thủ đến từ Châu

Âu và Nhật Và các nhà sản xuất Mỹ trong lĩnh vực này buộc phải dùng kỹ thuậtthiết kế logic mờ

Điều này tạo ra nhiều phân khúc thị trường cho Mỹ, như là dùng logic mờtrong các hệ ra quyết định, bộ nhớ, bộ điều khiển đĩa cứng, cũng như các giảithuật nén dùng cho âm thanh và hình ảnh Và các ứng dụng trong truyền thôngnhư loại bỏ tiếng ồn, tìm đường trong mạng, hay nhận dạng tiếng nói cũng thuđược nhiều kết quả từ logic mờ

1.Nồi cơm điện Philips 2.Máy giặt LG

3.Điều hòa LG 4 Xe điện Hình 2.1 Các sản phẩm ứng dụng Fuzzy logic

2.2 Cơ sở toán học

Các công cụ cổ điển mà ta dùng để xây dựng các phép ánh xạ giữa thếgiới thực và các mô hình đều đặt trên cơ sở logic hai giá trị Boolean Cách xâydựng như vậy thể hiện một sự thiếu chặt chẽ: một đối tượng chỉ có thể có haikhả năng hoặc là phần tử của tập hợp đang xét hoặc không, mà không dự trù chotrường hợp của các đối tượng có một phần tính chất của tập hợp đang xét

Ví dụ: Khi quy định trong thành phố xe gắn máy có tốc độ nhanh gây nguy hiểm

là xe có tốc độ v thuộc tập hợp A: {v50km/h}, ta không thể cho rằng một xechạy ở tốc độ 49,9km/h là hoàn toàn không nguy hiểm theo như lý thuyết tậphợp cổ điển

Hầu hết các hiện tượng mà ta bắt gặp hàng ngày đều không hoàn toàn rõràng, có nghĩa là chúng luôn có một mức độ mơ hồ nào đó trong việc diễn tảtính chất của chúng

Ví dụ: Khái niệm nhiệt độ NÓNG là một khái niệm mờ Ta không thể chỉ rađược chính xác một điểm nhiệt độ mà tại đó không NÓNG, và khi ta tăng nhiệt

độ lên một đơn vị thì nhiệt độ lại được xem là NÓNG

Trong nhiều trường hợp, cùng một khái niệm sẽ có nhiều mức độ mờ trong cácthời điểm và ngữ cảnh khác nhau

Ví dụ: Khái niệm NÓNG của một căn phòng cần điều hòa nhiệt độ sẽ khônghoàn toàn giống với khái niệm NÓNG của một lò nhiệt cần điều khiển làm việc

ở tầm nhiệt độ hàng trăm độ C

Kiểu logic hai giá trị rất hiệu quả và thành công trong việc giải quyết cácbài toán được định nghĩa rõ ràng Tuy nhiên, thực tế tồn tại một lớp các kháiniệm không thích hợp với cách tiếp cận như vậy Muốn sử dụng các khái niệmnày một cách hiệu quả hơn trong mô hình ta cần tìm hiểu một công cụ, đó làlogic mờ và đặt cơ sở trên nó là giải thuật điều khiển mờ

Logic mờ và xác xuất thông kê đều nói về sự không chắn chắn Tuy nhiên mỗilĩnh vực định nghĩa một khái niệm khác nhau về đối tượng

a Sự không chắc chắn theo thống kê: liên quan đến sự xuất hiện của một sự

kiện chắc chắn Xét phát biểu sau: Xác suất trúng đích là 0,8

Bản thân của sự kiện này (trúng đích) đã được định nghĩa rõ ràng Sự khôngchắc chắn ở đây là có trúng đích hay không, và được định lượng bởi mức độ xácsuất (trong trường hợp này là 0,8) Loại phát biểu này có thể được xử lý và kếthợp với các phát biểu khác bằng phương pháp thống kê, như là xác suất có điềukiện chẳng hạn

b Sự không chắc chắn trong ngữ nghĩa: liên quan đến ngôn ngữ của con người,

tức là liên quan đến sự không chính xác trong các từ ngữ mà con người dùng đểước lượng vấn đề và rút ra kết luận Ví dụ như các từ mô tả nhiệt độ như:

“nóng”, “lạnh”, hay “ấm” – không có một giá trị chính xác để gán cho các từnày, bao nhiêu độ là lạnh: 2C hay -2C…Và các khái niệm này cũng khác nhauđối với những người khác nhau: người này lạnh nhưng người khác thì không.Mặc dù các khái niệm không được định nghĩa chính xác nhưng con người vẫn

có thể sử dụng chúng cho các ước lượng và quyết định phức tạp Bằng sự trừutượng và bộ óc suy nghĩ, con người có thể giải quyết câu nói mang ngữ cảnhphức tạp mà rất khó có thể mô hình bởi toán học chính xác Xét phát biểu:

Có thể chúng ta sẽ thành công trong năm học này

Mới nhìn qua thì phát biểu này rất giống phát biểu trên Tuy nhiên, có một

số khác biệt quan trọng Thứ nhất, bản thân sự kiện không được định nghĩa rõràng Đối với một số sinh viên thì năm học thành công là không phải học lạimôn nào Đối với một số sinh viên khác thì năm học thành công là số điểm bìnhquân năm nay tăng hơn năm trước Nhưng ngay cả trong trường hợp này cũngkhông có một ngưỡng qui định sự thành công (tăng hơn bao nhiêu điểm)

Một khác biệt nữa là ở xác xuất: trong khi phát biểu trên mô tả xác suấttheo toán học thì phát biểu này không có một giá trị định lượng về xác suất

c Mô hình sự không chắc chắn theo ngữ vựng: Như đã nói trên, mặc dù dùng

những phát biểu không mang tính định lượng nhưng con người vẫn có thể thànhcông trong các ước lượng phức tạp Trong nhiều trường hợp, con người dùng sựkhông chắc chắn này để tăng thêm độ linh hoạt Như trong hầu hết xã hội, hệthống luật pháp bao gồm một số luật, mỗi luật mô tả một tình huống Ví dụ mộtluật qui định tội trộm xe phải bị tù 2 năm, một luật khác lại giảm nhẹ tráchnhiệm Và trong một phiên tòa, chánh án phải quyết định số ngày phạt tù của têntrộm dựa trên mức độ rượu trong người, trước đây có tiền án hay tiền sự không,

… Từ đó kết hợp lại đưa ra một quyết định công bằng

d Logic mờ là logic của con người

Trong thực tế, ta không định nghĩa một luật cho một trường hợp mà địnhnghĩa một số luật cho các trường hợp nhất định Khi đó những luật này là nhữngđiểm rời rạc của một tập các trường hợp liên tục và con người xấp xỉ chúng Gặpmột tình huống cụ thể, con người sẽ kết hợp những luật mô tả các tình huốngtương tự Sự xấp xỉ này dựa trên sự linh hoạt của các từ ngữ cấu tạo nên luật,cũng như sự trừu tượng và sự suy nghĩ dựa trên sự linh hoạt trong logic của conngười.

Để thực thi logic của con người trong kỹ thuật cần phải có một mô hìnhtoán học của nó Từ đó logic mờ ra đời như một mô hình toán học cho phép mô

tả các quá trình quyết định và ước lượng của con người theo dạng giải thuật Dĩnhiên cũng có giới hạn, đó là logic mờ không thể bắt chước trí tưởng tượng vàkhả năng sáng tạo của con người Tuy nhiên, logic mờ cho phép ta rút ra kếtluận khi gặp những tình huống không có mô tả trong luật nhưng có sự tươngđương Vì vậy, nếu ta mô tả những mong muốn của mình đối với hệ thống trongnhững trường hợp cụ thể vào luật thì logic mờ sẽ tạo ra giải pháp dựa trên tất cảnhững mong muốn đó

e So sánh logic mờ với lý thuyết xác suất thống kê

Không thể làm phép so sánh giữa hai lĩnh vực này bởi vì sự không chắcchắn theo thống kê và sự không chắc chắn theo ngữ vựng có bản chất khác nhau.Mỗi lĩnh vực có một đối tượng phục vụ của riêng nó, được con người tạo ranhằm phục vụ cho mục đích của con người

Tập kinh điển M được gọi là cơ sở của tập mờ F

Ánh xạ mF được gọi là hàm phụ thuộc của tập mờ F

*Ý nghĩa:

Tập mờ F là hàm ánh xạ mỗi giá trị x có thể là phần tử của một tập kinhđiển M sang một số nằm giữa 0 và 1 để chỉ ra mức độ phụ thuộc thật sự của nóvào tập M Độ phụ thuộc bằng 0 có nghĩa là x không thuộc tập M, độ phụ thuộcbằng 1 có nghĩa là x hoàn toàn là đại diện cho tập hợp M Khi mF(x) tăng dầnthì độ phụ thuộc của x tăng dần Điều này tạo ra một đường cong qua các phần

tử của tập hợp

Hình 2.2 Ý nghĩa của tập mờ

Một tập mờ bao gồm 3 thành phần:

Miền làm việc [x1,x2] gồm các số thực tăng dần nằm trên trục hoành

Đoạn [0,1] trên trục tung thể hiện độ phụ thuộc của tập mờ

Đường cong hàm số mF(x) xác định độ phụ thuộc tương ứng của các phần tử củatập mờ

2 0

Tập mờ được đưa về dạng chính tắc bằng cách điều chỉnh lại tất cả giá trị

độ phụ thuộc một cách tỉ lệ quanh giá trị độ phụ thuộc cực đại

Ví dụ: Tập mờ B ở trên được đưa về dạng chính tắc như sau:

Hình 2.5 Đưa tập mờ B về dạng chính tắc

b Miền xác định của tập mờ

Trong thực tế tập các phần tử có độ phụ thuộc lớn hơn 0 của tập mờthường không trải dài hết miền làm việc của nó Như hình bên dưới, miền làmviệc của tập mờ là đoạn [x1,x2], tuy nhiên đường cong thực sự bắt đầu ở x3 và đạtđến độ phụ thuộc toàn phần ở x4 Ta gọi đoạn [x3,x4] là miền xác định của tậpmờ

c Miền giá trị của biến

Một biến mô hình thường được đặc trưng bởi nhiều tập mờ với miền xácđịnh có phần chồng lên nhau

Ví dụ: Ta có biến NHIỆT ĐỘ gồm các tập mờ LẠNH, MÁT, ẤM, NÓNG

Hình 2.7 Các biến nhiệt độ của tập mờ

Miền giá trị của biến là tập hợp tất cả các giá trị có thể có của biến Ví dụđối với biến NHIỆT ĐỘ ở trên miền giá trị là đoạn [x1,x6]

x khi

x

x khi

x

x khi

x

S

1

) /(

) (

2 1

) /(

) (

2 )

, ,

;

(

2 2

3 Dạng đường cong hình chuông

Dạng đường cong hình chuông đặc trưng cho các số mờ (xấp xỉ một giá

trị trung tâm) bao gồm 2 đường cong dạng S tăng và S giảm

Hình 2.10 Tập mờ dạng đường cong hình chuông

Từ 2 tập mờ dạng đường cong S ta suy ra độ phụ thuộc tại điểm x của tập

mờ dạng đường cong hình chuông như sau:

S

x khi x

S x

) , 2 / ,

; ( 1

) , 2 / ,

; ( ) ,

; (

4 Dạng hình tam giác, hình thang và hình vai