Đề tài nghiên cứu điều khiển mờ mô phỏng hệ thống điều khiển mờ bằng MATLAB giáo viên NGuyễn Kim Huy trường Đại học quốc gia Hồ Chí Minh

Đề tài nghiên cứu điều khiển mờ mô phỏng hệ thống điều khiển mờ bằng MATLAB giáo viên NGuyễn Kim Huy trường Đại học quốc gia Hồ Chí Minh

Luận văn tốt nghiệp BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN MỜ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MỜ BẰNG MATLAB SVTH: NGUYỄN KIM HUY ĐẬU TRỌNG HIỂN Lớp: 95KĐĐ GVHD: NGUYỄN VIỆT HÙNG TP HCM – 2000 Nghiên cứu điều khiển mờ – Mô hệ thống điều khiển mờ MatLab Luận văn tốt nghiệp BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN MỜ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MỜ BẰNG MATLAB SVTH: NGUYỄN KIM HUY ĐẬU TRỌNG HIỂN Lớp: 95KĐĐ GVHD: NGUYỄN VIỆT HÙNG TP HCM – 2000 Nghiên cứu điều khiển mờ – Mô hệ thống điều khiển mờ MatLab Luận văn tốt nghiệp BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC SPKT TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên : NGUYỄN KIM HUY MSSV: 95101069 ĐẬU TRỌNG HIỂN MSSV:95101050 Lớp: 95KĐĐ Nghành: KT ĐIỆN - ĐIỆN TỬ Tên đề tài: Nghiên cứu điều khiển mờ Mô hệ thống điều khiển mờ MatLab Các số liệu ban đầu: Nội dung phần thuyết minh tính toán: Các vẽ: Nghiên cứu điều khiển mờ – Mô hệ thống điều khiển mờ MatLab Luận văn tốt nghiệp Giáo viên hướng dẫn: NGUYỄN VIỆT HÙNG Ngày giao nhiệm vụ: Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 28/2/2000 Giáo viên hướng dẫn môn Ngày tháng năm Thông qua Chủ nhiệm môn NGUYỄN VIỆT HÙNG Nghiên cứu điều khiển mờ – Mô hệ thống điều khiển mờ MatLab Luận văn tốt nghiệp NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN - oOo - Nghiên cứu điều khiển mờ – Mô hệ thống điều khiển mờ MatLab Luận văn tốt nghiệp NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN - oOo - Nghiên cứu điều khiển mờ – Mô hệ thống điều khiển mờ MatLab Luận văn tốt nghiệp NHẬN XÉT CỦA HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP - oOo - Nghiên cứu điều khiển mờ – Mô hệ thống điều khiển mờ MatLab Luận văn tốt nghiệp PHẦN A GIỚI THIỆU Nghiên cứu điều khiển mờ – Mô hệ thống điều khiển mờ MatLab Luận văn tốt nghiệp F Lời mở đầu uzzy logic trải qua thời gian dài từ lần đầu quan tâm lónh vực kỹ thuật tiến só Lotfi Zadeh định hướng vào năm 1965 Từ đó, đề tài tập trung nhiều nghiên cứu nhà toán học, khoa học kỹ sư khắp nơi giới Nhưng có lẽ ý nghóa (fuzzy-mờ) fuzzy logic không ý nhiều đất nước khai sinh cho đến thập kỷ cuối (90) Hiện ý đến fuzzy logic thể sản phẩm gia dụng gần có sử dụng kỹ thuật fuzzy logic Trong năm gần đây, Nhật Bản có 1000 sáng chế kỹ thuật fuzzy logic, họ thu hàng tỉ USD việc bán sản phẩm có sử dụng kỹ thuật fuzzy logic khắp nơi giới Sự kết hợp fuzzy logic với mạng thần kinh giải thuật di truyền làm cho việc tạo nên hệ thống tự động nhận dạng khả thi Khi tích hợp với khả học hỏi mạng thần kinh nhân tạo giải thuật di truyền, lực suy luận hệ thống fuzzy đảm nhận vai trò điều khiển cho sản phẩm thương mại trình cho hệ thống nhận dạng (hệ thống học hỏi suy luận) Trong phát triển khoa học kỹ thuật, điều khiển tự động đóng vai trò quan trọng Lónh vực có mặt khắp nơi, có qui trình công nghệ sản xuất đại đời sống hàng ngày Điều khiển mờ đời với sở lý thuyết lý thuyết tập mờ (fuzzy set) logic mờ (fuzzy logic) Ưu điểm kỹ thuật điều khiển mờ không cần biết trước đặc tính đối tượng cách xác, khác với kỹ thuật điều khiển kinh điển hoàn toàn dựa vào thông tin xác tuyệt đối mà nhiều ứng dụng không cần thiết có Với ham muốn tìm hiểu ngành kỹ thuật điều khiển mẻ, chúng em thực việc nghiên cứu lý thuyết mờ mô hệ thống điều khiển mờ máy tính phần mềm MatLab Vì thời gian bị hạn chế vòng 10 tuần lễ, giới hạn đề tài nên chắn không tránh khỏi hạn chế thiếu sót Chúng em mong nhận dẫn góp ý quý báu Thầy Cô để đề tài hoàn thiện TP HCM, tháng năm 2000 Sinh viên thực NGUYỄN KIM HUY ĐẬU TRỌNG HIỂN Nghiên cứu điều khiển mờ – Mô hệ thống điều khiển mờ MatLab Luận văn tốt nghiệp 10 Lời cảm tạ Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy NGUYỄN VIỆT HÙNG – giáo viên hướng dẫn – người tận tình dạy cho chúng em suốt thời gian thực đề tài Chúng em xin chân thành cảm ơn quý THẦY CÔ – người giảng dạy cung cấp kiến thức quý giá cho chúng em Chúng em bày tỏ lòng biết ơn đến thầy TRẦN SUM – người xa – bước đầu hướng dẫn chúng em Nhóm sinh viên NGUYỄN KIM HUY ĐẬU TRỌNG HIỂN Nghiên cứu điều khiển mờ – Mô hệ thống điều khiển mờ MatLab Luận văn tốt nghiệp 56 Để kiểm tra lại hoạt động điều khiển mờ, ta vào menu View, chọn View Rules Tại ô Input, ta nhập giá trị biến ngã vào để quan sát giá trị biến ngã Nghiên cứu điều khiển mờ – Mô hệ thống điều khiển mờ MatLab Luận văn tốt nghiệp 57 Để xem luật điều khiển không gian, chọn View Surface menu View Tại Listbox Z(output) chọn cold hay hot để quan sát Nghiên cứu điều khiển mờ – Mô hệ thống điều khiển mờ MatLab Luận văn tốt nghiệp 58 Mô Simulink: Tại dấu nhắc MatLab, gõ ‘simulink’ để kích hoạt hình làm việc Simulink Dựa vào mô hình toán học ta vào thư viện lấy khối tích phân, khuếch đại công suất, máy phát tín hiệu thử, scope để hiển thị kết Thư viện simulink Trong thư viện simulink mở thư viện Blocksets & Toolboxes Thư viện Blockset Toolbox Nghiên cứu điều khiển mờ – Mô hệ thống điều khiển mờ MatLab Luận văn tốt nghiệp 59 Mở SIMULINK Fuzzy ta có thành phần sau: Thư viện SIMULINK Fuzzy Trong SIMULINK Fuzzy, ta lấy Fuzzy Logic Controller Trở lại thư viện simulink, mở thư viện Sources, Sink Linear để lấy thành phần như: Constant, Signal Generator, Scope, Sum, … Thư viện Sinks Thư viện Linear Thư viện Sources Nghiên cứu điều khiển mờ – Mô hệ thống điều khiển mờ MatLab Luận văn tốt nghiệp 60 Sơ đồ hệ thống điều khiển  Thiết kế van nước lạnh: Van nước gồm biến ngã vào tốc độ đóng/mở van, hai biến ngã nhiệt độ tốc độ dòng nước Nhiệt độ dòng nước lạnh 10oC Ngõ vào tốc độ đóng/mở van sau qua khâu tích phân qua khâu khuếch đại bão hoà Hàm f(u) khâu bão hoà xác định theo công thức: k.u(1).(k.u(1)≤u(2)) + u(2).(k.u(1)>u(2)) Với k.u(1) tín hiệu sau khâu tích phân, u(2) tốc độ cực đại van + Khi k.u(1) ≤ u(2) ngã k.u(1), + Khi k.u(1) > u(2) ngã u(2) Nghiên cứu điều khiển mờ – Mô hệ thống điều khiển mờ MatLab Luận văn tốt nghiệp  Thiết kế van nước nóng: Tương tự van nước lạnh Nhiệt độ dòng nước nóng 30 oC  Thiết kế khâu lưu tốc đặt trước: Khâu bao gồm tốc độ đặt trước máy phát tín hiệu thử  Thiết kế khâu nhiệt độ đặt trước: Khâu bao gồm nhiệt độ đặt trước máy phát tín hiệu thử Nghiên cứu điều khiển mờ – Mô hệ thống điều khiển mờ MatLab 61 Luận văn tốt nghiệp  Thiết kế hàm đối tượng: Hàm lưu tốc: u(1)+u(3) Với u(1) tốc độ dòng nước nóng u(3) tốc độ dòng nước lạnh Hàm nhiệt độ: u (1).u (2) + u (3).u (4) u (1) + u (3) Với u(1) tốc độ dòng nước nóng u(2) nhiệt độ dòng nước nóng u(3) tốc độ dòng nước lạnh u(4) nhiệt độ dòng nước lạnh Nghiên cứu điều khiển mờ – Mô hệ thống điều khiển mờ MatLab 62 Luận văn tốt nghiệp 63 IV Kết mô phỏng: Mô với nhiệt độ đặt trước 23oC Lưu tốc đặt trước 0.7m3/h + Đối với tín hiệu thử có biến thiên hàm xung vuông có tần số fs1 = 0.3rad/s, biên độ 0.2m3/h tốc độ dòng nước fs2 = 0.2rad/s, biên độ 4oC nhiệt độ dòng nước Ta có đáp ứng sau: tín hiệu thử đáp ứng Đáp ứng lưu tốc tín hiệu thử đáp ứng Đáp ứng nhiệt độ Nghiên cứu điều khiển mờ – Mô hệ thống điều khiển mờ MatLab Luận văn tốt nghiệp 64 + Đối với tín hiệu thử có biến thiên hàm sin có tần số fs1 = 0.3rad/s, biên độ 0.2m3/h tốc độ dòng nước fs2 = 0.2rad/s, biên độ 4oC nhiệt độ dòng nước Ta có đáp ứng sau: tín hiệu thử đáp ứng Đáp ứng lưu tốc tín hiệu thử đáp ứng Đáp ứng nhiệt độ Nghiên cứu điều khiển mờ – Mô hệ thống điều khiển mờ MatLab Luận văn tốt nghiệp 65 Chương IV Kết luận đề nghị Trải qua 10 tuần thực đề tài, chúng em trình bày phần lý thuyết logic mờ, cách ứng dụng logic mờ điều khiển rút ưu nhược điểm kỹ thuật điều khiển mờ so với kỹ thuật điều khiển cổ điển trước Thêm vào đó, chúng em mô hệ thống điều khiển mờ phần mềm MatLab để từ quan sát đáp ứng hay chất lượng hệ thống Hướng phát triển đề tài: Xây dựng mô hình mẫu để quan sát kiểm tra lại lý thuyết thực nghiệm Nghiên cứu điều khiển mờ – Mô hệ thống điều khiển mờ MatLab Luận văn tốt nghiệp 66 PHẦN C PHỤ LỤC Nghiên cứu điều khiển mờ – Mô hệ thống điều khiển mờ MatLab Luận văn tốt nghiệp 67 CẤU TRÚC FILE FIS (Fuzzy Inference System) Cấu trúc file FIS tạo FIS Editor bao gồm phần sau: [System] Name = : khai báo tên, đặt dấu nháy Type = : khai báo loại, đặt dấu nháy NumInputs = : số lượng ngã vào, số nguyên NumOutputs = : số lượng ngã ra, số nguyên NumRules = : số lượng luật điều khiển, số nguyên AndMethod = : tên phương pháp AND + phương pháp sử dụng là: ‘min’ ‘prod’ OrMethod = : tên phương pháp OR + phương pháp sử dụng là: ‘max’ ‘probor’ ImpMethod = : tên phương pháp kéo theo + phương pháp sử dụng là: ‘min’ ‘prod’ AggMethod = : tên phương pháp tập hợp + phương pháp sử dụng là: ‘max’, ‘sum’ ‘probor’ DefuzzMethod = : tên phương pháp giải mờ + phương pháp sử dụng là: ‘centroid’, ‘bisector’, ‘mom’, ‘lom’ ‘som’ 2.[Input1] Name = : tên ngã vào, đặt dấu nháy Range = : giới hạn biến vào đặt ngoặc vuông NumMFs = : số lượng hàm liên thuộc, số nguyên MF1=: khai báo liệu hàm liên thuộc, báo đầu tên hàm đặt dấu nháy, theo sau dấu hai chấm tên loại hàm liên thuộc, dấu phẩy thông số hàm đặt ngoặc vuông Cứ MFn, với n số lượng hàm liên thuộc Có ngã vào khai báo liệu cho ngã vào [Inputi], với i số thứ tự ngã vào Nghiên cứu điều khiển mờ – Mô hệ thống điều khiển mờ MatLab Luận văn tốt nghiệp 68 3.[Output1] Name = : tên ngã ra, đặt dấu nháy Range = : giới hạn biến đặt ngoặc vuông MF1=: khai báo liệu hàm liên thuộc, báo đầu tên hàm đặt dấu nháy, theo sau dấu hai chấm tên loại hàm liên thuộc, dấu phẩy thông số hàm đặt ngoặc vuông Cứ MFn, với n số lượng hàm liên thuộc Có ngã khai báo liệu cho ngã [Outputi], với i số thứ tự ngã * Các loại hàm liên thuộc chọn là: ‘trimf’: có thông số ‘trapmf’: có thông số ‘gbellmf’: có thông số ‘gaussmf’: có thông số ‘gauss2mf’: có thông số ‘sigmf’: có thông số ‘dsigmf’: có thông số ‘psigmf’: có thông số ‘pimf’: có thông số ‘smf’: có thông số ‘zmf’: có thông số 4.[Rules] Mô tả bảng luật điều khiển dạng ma trận, khai báo luật điều khiển theo cấu trúc sau: Hàng, cột, luật_điều_khiển_ ngã_ra_1 (luật_điều_khiển_ ngã_ra_2) … Hàng với cột tăng lên 1, cột cuối cùng, hàng tăng lên 1, … luật điều khiển cuối Nghiên cứu điều khiển mờ – Mô hệ thống điều khiển mờ MatLab Luận văn tốt nghiệp 69 LIỆT KÊ FILE SHOWER.FIS % $Revision: 1.1 $ [System] Name = 'shower' Type = 'mamdani' NumInputs = NumOutputs = NumRules = AndMethod = 'min' OrMethod = 'max' ImpMethod = 'min' AggMethod = 'max' DefuzzMethod = 'centroid' [Input1] Name = 'temp' Range = [-20 20] NumMFs = MF1='cold':'trapmf',[-30 -30 -15 0] MF2='good':'trimf',[-10 10 0] MF3='hot':'trapmf',[0 15 30 30] [Input2] Name = 'flow' Range = [-1 1] NumMFs = MF1='soft':'trapmf',[-3 -3 -0.8 0] MF2='good':'trimf',[-0.4 0.4 0] MF3='hard':'trapmf',[0 0.8 3] [Output1] Name = 'cold' Range = [-1 1] NumMFs = MF1='closeFast':'trimf',[-1 -0.6 -0.3 0] MF2='closeSlow':'trimf',[-0.6 -0.3 0] MF3='steady':'trimf',[-0.3 0.3 0] MF4='openSlow':'trimf',[0 0.3 0.6 0] MF5='openFast':'trimf',[0.3 0.6 0] Nghiên cứu điều khiển mờ – Mô hệ thống điều khiển mờ MatLab Luận văn tốt nghiệp 70 [Output2] Name = 'hot' Range = [-1 1] NumMFs = MF1='closeFast':'trimf',[-1 -0.6 -0.3 0] MF2='closeSlow':'trimf',[-0.6 -0.3 0] MF3='steady':'trimf',[-0.3 0.3 0] MF4='openSlow':'trimf',[0 0.3 0.6 0] MF5='openFast':'trimf',[0.3 0.6 0] [Rules] 1, 2, 3, 2 1, 4 2, 3 3, 2 1, 2, 3, (1) (1) (1) (1) (1) (1) (1) (1) (1) : : : : : : : : : 1 1 1 1 Nghiên cứu điều khiển mờ – Mô hệ thống điều khiển mờ MatLab ... sinh viên NGUYỄN KIM HUY ĐẬU TRỌNG HIỂN Nghiên cứu điều khiển mờ – Mô hệ thống điều khiển mờ MatLab Luận văn tốt nghiệp 11 PHẦN B NỘI DUNG Nghiên cứu điều khiển mờ – Mô hệ thống điều khiển mờ MatLab. .. SUM-PROD Nghiên cứu điều khiển mờ – Mô hệ thống điều khiển mờ MatLab Luận văn tốt nghiệp Nghiên cứu điều khiển mờ – Mô hệ thống điều khiển mờ MatLab 27 Luận văn tốt nghiệp 28 II Ứng dụng logic mờ điều. .. Điều cho thấy kỹ thuật điều khiển mờ giải toán tổng hợp điều khiển phi tuyến Nghiên cứu điều khiển mờ – Mô hệ thống điều khiển mờ MatLab Luận văn tốt nghiệp Nghiên cứu điều khiển mờ – Mô hệ thống