Nâng cao chất lượng của bộ điều khiển mờ để điều khiển cho hệ phi tuyến

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ĐINH XUÂN DƢ NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG CỦA BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ ĐỂ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ PHI TUYẾN Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: 60520216 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Thái Nguyên, 2014 i Số hóa Trung tâm Học liệu Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! http://www.lrc-tnu.edu.vn/ LỜI CAM ĐOAN Tên là: Đinh Xuân Dƣ Sinh ngày: 04/10/1979 Học viên lớp cao học Khoá 14 - Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa - Trƣờng Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên Hiện công tác tại: Khoa Điện, Điện Tử - Trƣờng Cao đẳng Công Nghiệp Nam Định Xin cam đoan luận văn “ Nâng cao chất lượng điều khiển mờ để điều khiển cho hệ phi tuyến ” Thầy giáo PGS.TS Nguyễn Hữu Cơng hƣớng dẫn cơng trình nghiên cứu riêng Tất tài liệu tham khảo có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng Tác giả xin cam đoan tất nội dung luận văn nhƣ nội dung đề cƣơng yêu cầu thầy giáo hƣớng dẫn Nếu có vấn đề nội dung luận văn tác giả xin hoàn toàn chịu trách nhiệm với lời cam đoan mình./ Thái Nguyên, ngày tháng năm 2014 Học viên Đinh Xuân Dƣ ii Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ LỜI CẢM ƠN Sau thời gian nghiên cứu, làm việc khẩn trƣơng, nghiêm túc dƣới hƣớng dẫn Thầy giáo PGS.TS Nguyễn Hữu Công , luận văn với đề tài “ Nâng cao chất lượng điều khiển mờ để điều khiển cho hệ phi tuyến ” đƣợc hồn thành Tác giả xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới: Thầy giáo hƣớng dẫn PGS.TS Nguyễn Hữu Cơng tận tình dẫn, giúp đỡ tác giả hoàn thành luận văn Các giảng viên thuộc Khoa Điện; Khoa Điện tử; Phòng Sau đại học … Trƣờng Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên số đồng nghiệp, quan tâm động viên, giúp đỡ tác giả suốt trình học tập để hoàn thành luận văn Mặc dù với cố gắng triệt để, song hạn chế điều kiện thời gian kinh nghiệm thực tế thân nên đề tài khơng thể tránh khỏi thiếu sót Vì vậy, tác giả mong nhận đƣợc đóng góp ý kiến thầy giáo, cô giáo bạn bè đồng nghiệp Từ đó, góp phần đƣa ứng dụng đề tài nghiên cứu vào thực tế cách rộng rãi, hiệu Tôi xin chân thành cảm ơn! Học viên Đinh Xuân Dƣ iii Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN iii MỤC LỤC iiii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ vii LỜI NÓI ĐẦU 1 Lý chọn đề tài 2 Mục tiêu cần đạt đƣợc Ý nghĩa khoa học, ý nghĩa thực tiễn đề tài CHƢƠNG TỔNG QUÁT HỆ THỐNG VIÊN BI CÁNH TAY ĐỒN (BALL AND BEAM) 1.1 Giới thiệu số mơ hình hệ thống Ball and Beam 1.1.1 Giới thiệu mơ hình Ball àn Beam 1.1.2 Các cơng trình nghiên cứu thực 1.2 Mơ hình toán học hệ thống Ball and Beam 14 1.2.1 Tuyến tính hóa xung quanh điểm làm việc hệ thống 18 1.3 Các yêu cầu điều khiển cho hệ thống Ball and Beam 22 1.4 Kết luận 29 CHƢƠNG 30 2.1 Khái niệm tập mờ 31 2.2 Các phép tốn tập mờ có tập [4] 37 2.2.1 Phép hợp hai tập mờ 37 2.2.2 Phép giao hai tập mờ 37 iv Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 2.2.3 Phép bù hai tập mờ 38 2.2.4 Các phép tốn tập mờ khơng tập [4] 38 2.3 Biến ngôn ngữ giá trị biến ngôn ngữ [2],[4] 40 2.4 Luật hợp thành 41 2.4.1 Mệnh đề hợp thành 41 2.4.2 Quy tắc hợp thành [3],[4] 42 2.5 Giải mờ 44 2.5.1 Phƣơng pháp cực đại 44 2.5.2 Phƣơng pháp điểm trọng tâm 45 2.5.3 Phƣơng pháp điểm trọng tâm cho luật hợp thành Sum – Min 46 2.5.4 Phƣơng pháp độ cao 47 2.6 Cấu trúc điều khiển mờ tĩnh mờ động 48 2.6.1 Bộ điều khiển mờ tĩnh 48 2.6.2 Bộ điều khiển mờ động 53 2.7 Kết luận 57 CHƢƠNG 3:MỘT SỐ PHƢƠNG PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ 59 3.1 Bộ điều khiển mờ nơron với luật mờ 59 3.2 Mạng thích nghi mờ dựa sở suy luận 64 3.3 Bộ điều khiển mờ thích nghi trƣc tiếp 70 3.4 Áp dụng phƣơng pháp để nâng cao chất lƣợng cho điều khiển mờ 74 3.4.1 Thiết kế điều khiển mờ động 74 3.4.2 Bộ điều khiển thích nghi mờ dựa sở suy luận 80 3.4.3 Bộ điều khiển thích nghi mờ trực tiếp 86 v Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 3.5 Mơ hình hệ thống chạy thực nghiệm 92 3.6 Kết luận chƣơng 97 TÀI LIỆU THAM KHẢO 99 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Stt Viết tắt Ý nghĩa PID Proportional Integral Derivative PI Proportional Integral FLC Fuzzy Controller Logic vi Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Danh mục hình vẽ Trang Hình 1.1 Mơ hình Ball and beam dạng Hình 1.2 Mơ hình Ball beam dạng Hình 1.3 Mơ hình Ball Beam trƣờng ĐHKT Hongkong Hình 1.4 Mơ hình điều khiển cho GBB1004 Hình 1.5 Mơ hình điều khiển cho GBB2004 Hình 1.6 Mơ hình Ball Beam cơng ty Megachem Hình 1.7 Mơ hình Ball Beam ĐH Bắc Florida 10 Hình 1.8 Mơ hình Ball Beam ĐHKT Australia 11 Hình 1.9 Wedcam on board ĐHKT Australia 11 Hình 1.10: Sơ đồ ball and beam 12 Hình 1.11 Sơ đồ điều khiển Ball and Beam PID 19 Hình 1.12.Mơ motor simulink 21 Hình 1.13 Đáp ứng đầu motor 22 Hình 1.14 Sơ đồ điều khiển vị trí bóng 22 Hình 1.15 Thay PID khối khuếch đại (Zeigler Nichols) 23 Hình 1.17 Sơ đồ mơ điều khiển PID 24 Hình 1.18 Đáp ứng vị trí ball 24 Hình 2.1: Hàm thuộc tập mờ NĨNG LẠNH 30 Hình 2.2: Hàm thuộc tập mờ DỄ CHỊU 30 Hình 2.3: Phép hợp hai tập mờ 31 Hình 2.4: Giao hai tập mờ 31 Hình 2.5: Phép bù tập mờ 32 vii Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Hinh 2.6 Đƣa hai tập tập 32 Hình 2.8 Hợp hai tập mờ 33 Hình 2.9 Hàm thuộc biến tốc độ 33 Hình 2.10 Mệnh đề điều kiện 35 Hình 2.11: Miền khơng liên thơng y‟ = 38 Hình 2.12: Tập mờ có hàm liên thuộc hình thang 40 Hình 2.13: Bộ điều khiển mờ tĩnh 41 Hình 2.14: Tập mờ hình thang 41 Hình 2.15: Tập hàm liên thuộc tập mờ đầu vào (i = 1;2) 42 Hình 2.16: Bộ điều khiển mờ động với đầu vào đầu 45 Hình 2.17: Mơ hình điều khiển mờ theo luật I 46 Hình 2.18: Bộ điều khiển mờ PI 47 Hình 3.1 Bộ điều khiển mờ với luật mờ 49 Hình 3.2 Mạng thích nghi mờ dựa sở suy luận 54 Hình 3.3 Điều khiển thích nghi trực tiếp 59 Hình 3.4 Các hàm liên thuộc tập mờ đầu vào 61 Hình 3.5 Các hàm liên thuộc tập mờ đầu vào 62 Hình 3.6 Các hàm liên thuộc tập mờ đầu 62 Hình 3.7 Chọn luật điều khiển 63 Hình 3.8 Chọn luật hợp thành 63 Hình 3.9 Quan hệ đầu vào đầu 64 Hình 3.10 Mô điều khiển hệ Ball and Beam PD-Fuzzy 64 Hình 3.9 Đáp ứng đầu hai điều khiển 65 Hình 3.10: Tập mẫu bao gồm đầu vào đầu để huấn luyện mạng neron 66 viii Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Hình 3.11: Dạng hàm liên thuộc cho đầu vào 66 Hình 3.12:Dạng hàm liên thuộc cho đầu vào 67 Hình 3.13:Đƣờng cong nội suy thể mối quan hệ đầu đầu vào 68 Hình 3.14:Sai lệch trình huấn luyện 69 Hình 3.15:Quá trình kiểm tra liệu huấn luyện liệu kiểm tra 69 Hình 3.16:Dạng hàm liên thuộc cho đầu vào 69 Hình 3.17:Dạng hàm liên thuộc cho đầu vào 70 Hình 3.18:Đƣờng cong nội suy thể mối quan hệ đầu đầu vào 70 Hình 3.19 Đáp ứng đầu hệ Ball and beam tƣơng ứng điều khiển 71 Hình 3.20 Bộ điều khiển mờ thích nghi trực tiếp 71 Hình 3.21 Hàm thuộc sai lệch e(t) 72 Hình 3.22 Hàm thuộc đạo hàm sai lệch de(t) 72 Hình 3.23 Sơ đồ mô hệ Ball and Beam với điều khiển DAFC 73 Hình 3.24 Kết mơ đáp ứng vị trí có điều khiển DAFC Hình 3.25 Kết mơ có điều khiển DAFC thay đổi giá trị đặt 75 Hình 3.26 Tập mờ đầu dạng singleton đƣợc chỉnh định 75 ix Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ LỜI NĨI ĐẦU Trong lĩnh vực điều khiển có nhiều dạng điều khiển nhƣ : điều khiển kinh điển, điều khiển bền vững, điều khiển phân tán, điều khiển mờ, điều khiển thích nghi, điều khiển noron trí tuệ nhân tạo điều khiển số Trong điều khiển số thƣờng đƣợc coi điều khiển phức tạp Các biến điều khiển khó truy nhập, trừ trƣờng hợp chƣơng trình phần mềm dự kiến Nếu ta sử dụng xử lý để thực nhiều chức cần phải thực tầm nhìn tổng thể Điều khiển số lĩnh hội tinh thần điều khiển tƣơng tự mạch vòng bên làm gần liên tiếp, chia cắt toán lớn thành toán nhỏ Những năm đầu thập kỷ 90, ngành điều khiển kỹ thuật đƣợc phát triển mạnh mẽ đem lại nhiều thành tựu bất ngờ lĩnh vực điều khiển, điều khiển mờ Ƣu điểm điều khiển mờ so với phƣơng pháp điều khiển kinh điển tổng hợp đƣợc điều khiển mà khơng cần biết trƣớc đặc tính đối tƣợng cách xác Mơ hình thí nghiệm Ball and Beam phòng thi nghiệm Đo lƣờng – Điều khiển đƣợc sử dụng để kiểm chứng thuật toán đƣợc đƣa đề tài Đề tài “Nâng cao chất lượng điều khiển mờ để điều khiển cho hệ phi tuyến” đƣợc đề xuất với mục đích: Mô điều mờ cho hệ thống Ball and beam phần mềm MatLab Nâng cao chất lƣợng điều mờ cho hệ thống Ball and beam phần mềm MatLab thực nghiệm đối tƣợng thực Nội dung đề tài bao gồm: Chương 1: Tổng quan hệ thống ball and beam Chương 2: Lý thuyết logic mờ điều khiển mờ Chương 3: Nâng cao chất lượng điều khiển mờ Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Kết mơ phỏng: Hình 3.19 Đáp ứng đầu hệ Ball and beam tương ứng điều khiển Nhận xét: Ta thấy chất lƣợng điều khiển mờ động PD – Fuzzy đƣợc nầng lên sau tập mờ đầu vào đƣợc chỉnh định dựa mạng neural (hình 3.16 hình 3.17) Cụ thể thời gian đáp ứng hệ tăng từ 8(s) lên 4(s) Điều minh chứng tính đắn lý thuyết đƣợc nêu mục 3.2 85 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 3.4.3 Bộ điều khiển thích nghi mờ trực tiếp Theo mục 3.3 trình bày, ta có bƣớc tiến hành thiết kế điều khiển mờ thích nghi trực tiếp nhƣ sau: Hình 3.20 Bộ điều khiển mờ thích nghi trực tiếp Bước 1: Chọn số lƣợng đầu vào, miền giá trị - Đầu vào 1: Sai lệch tín hiệu điều khiển e(t), miền giá trị e (t ) = éê- 0.8 ë 0.8ù ú û - Đầu vào 2: Đạo hàm sai lệch de(t),miền giá trị de (t ) = éê- 0.5 ë 0.5ù ú û Bước 2: Chọn dạng hàm liên thuộc đàu vào: Dạng Sigmoidal Gaussian lần lƣợt nhƣ sau: - Dạng Sigmoidal cho hàm thuộc thứ 1,5 86 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ mA j (e j ) = mA j (e j ) = 1+ e ( ) ( ) - a j ej - cj 1+ e - a j ej - cj ; j = 1, ; j = 1, - Dạng Gaussian cho hàm thuộc thứ 2,3,4 mA j (e j ) = e - d2j e j - c2j ( ) - d3j e j - c3j ( ) ( ) mA j (e j ) = e mA j (e j ) = e - d4j e j - c4j ; j = 1, Hình 3.21 Hàm thuộc sai lệch e(t) Hình 3.22 Hàm thuộc đạo hàm sai lệch de(t) 87 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Bước 3: Xây dựng hàm x (e )đƣợc xây dựng dựa vào lập trình S-function buider n x (x ) = Õm i= m1 å l1 = mn li ln .å y u ln = Aili (x i ) én ù êÕ m li ú êi = Ai (xi ) ú ë û Bước 4: Xây dựng luật thích nghi (cập nhật tham số) 88 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Bước 5: Xây dựng điều khiển mờ thích nghi trực tiếp Bước 6: Chạy mơ để lấy kết Sử dụng công cụ mô Matlab – Simulink để khảo khảo sát hai điều khiển PD – Fuzzy điều khiển thích nghi trực tiếp mờ Hình 3.23 Sơ đồ mơ hệ Ball and Beam với điều khiển DAFC 89 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Hình 3.24 Kết mơ đáp ứng vị trí có điều khiển DAFC Hình 3.25 Kết mơ có điều khiển DAFC thay đổi giá trị đặt 90 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Hình 3.26 Tập mờ đầu dạng singleton chỉnh định Nhận xét: Ta thấy chất lƣợng điều khiển mờ động PD – Fuzzy đƣợc nầng lên sau tập mờ đầu đƣợc chỉnh định dựa luật thich nghi (hình 3.26) Cụ thể thời gian đáp ứng hệ tăng từ 8(s) lên 3(s) Điều minh chứng tính đắn lý thuyết đƣợc nêu mục 3.3 91 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 3.5 Mơ hình hệ thống chạy thực nghiệm Sơ đồ khối hệ thống thí nghiệm Ball and Beam phịng thí nghiệm: Hình 3.27 Mơ hình khối hệ thực nghiệm cho ball and beam Trong đó: - Sensor đo vị trí: sử dụng điện trở dẫn để xác định vị trí thơng qua thay đổi giá trị điện áp đầu - Động cơ: Động điện chiều có nguồn nuôi ± 15V - Mạch công suất: dùng để đảo chiều quay động - NI USB 6008: Cạc thu thập liệu hãng National Intrusments - Matlab – Simulink: Dùng để thiết kế xuất tín hiệu điều khiển Hình 3.28 Mơ hình ball and beam phịng thí nghiệm 92 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Sơ đồ chạy thực nghiệm cho hệ thống ball and beam sử dụng Matlab – Simulink sử dụng điều khiển LQR Hình 3.29 Mơ hình khối hệ thực nghiệm cho ball and beam Matlab-Simulink Kết chạy thực nghiệm giá trị viên bi phía bên trái điểm “0” 15cm 93 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Hình 3.30 Kết chạy thực nghiệm cho hệ ball and beam Hình 3.31 Sai lệch vị trí đặt vị trí thực viên bi 94 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Hình 3.32 Tín hiệu điều khiển Kết giá trị đặt bên phía phải vị trí “0” 15 cm, có nhiễu tác động Hình 3.33 Kết chạy thực nghiệm cho hệ ball and beam Kết thực nghiệm giá trị đặt thay đổi 95 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Hình 3.34 Kết chạy thực nghiệm cho hệ ball and beam tín hiệu đặt thay đổi Nhận xét: - Qua thực nghiệm ta thấy điều khiển DAFC cho kết tốt, thay đổi tín hiệu đặt đáp ứng đầu vị trí thực viên bi (ball) gần nhƣ bám sát với tín hiệu đặt, minh họa hình 3.30, hình 3.33, hình 3.34 - Tuy nhiên, đặt vị trí viên bi phía phải điểm “0” cịn tồn sai lệch tĩnh, điều nguyên nhân quy đổi giá trị đo về, ta chƣa khử hết đƣợc tƣợng trôi điểm khơng hay off-set 96 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - Qua thực nghiệm ta cho ta thấy tính đắn khả áp dụng thuật toán khác dùng để nâng cao chất lƣợng cho điều khiển mờ 3.6 Kết luận chƣơng Trong chƣơng 3, trình bày cách để chỉnh định đỉnh tập mờ đầu tập mờ đầu vào: - Chỉnh định tập mờ đầu theo luật điều khiển thích nghi trực tiếp đƣợc trình bày theo công thức (3.37) dựa ý tƣởng tham số tập mờ đầu dạng singleton tham số thích nghi Từ ta xây dựng luật thích nghi cho tham số dựa luật Lyaponov - Chỉnh định tập mờ đầu vào dựa vào mạng neural, theo ý tƣởng tham số tập mờ đầu vào trọng số liên kết đầu vào, trọng số liên kết đƣợc chỉnh định dựa luật học thơng số Từ cỏ thể nâng cao chất lƣợng điều khiển mờ truyền thống - Kết đƣợc kiểm chứng cách mô điều khiển vị trí cho hệ Ball and Beam Từ kết thực nghiệm cho ta thấy việc chỉnh định hàm liên thuộc đầu đầu vào cho phép ta hồn tồn nâng cao đƣợc chất lƣợng cho hệ KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN Luận văn hồn thành số cơng việc sau đây: - Nghiên cứu tổng quát lý thuyết logic mờ điều khiển mờ - Tiền hành mơ hình hóa đối tƣợng phƣơng pháp Euler – Lagrange, từ ta tuyến tính hóa xung quang điểm làm việc, cụ thể điểm “0” Từ đó, ta đƣợc mơ hình tuyến tính để làm sở cho việc thiết kế nâng cao chất lƣợng điều khiển số - Chỉnh định tập mờ đầu theo luật điều khiển thích nghi trực tiếp đƣợc trình bày theo cơng thức (3.37) dựa ý tƣởng tham số tập mờ đầu 97 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ dạng singleton tham số thích nghi Từ ta xây dựng luật thích nghi cho tham số dựa luật Lyaponov - Chỉnh định tập mờ đầu vào dựa vào mạng neural, theo ý tƣởng tham số tập mờ đầu vào trọng số liên kết đầu vào, trọng số liên kết đƣợc chỉnh định dựa luật học thơng số Từ cỏ thể nâng cao chất lƣợng điều khiển mờ truyền thống - Cuối cùng, luận văn trình bày việc áp dụng cho đối tƣợng phịng thí nghiệm môn Đo lƣờng – Điều khiển Kết chạy thực nghiệm minh chững tính đắn phƣơng pháp trình bày 98 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng Anh [1] Mohammad Keshmiri, Ali Fellah Jahromi, Modeling and control of Ball and Beam system using model based and non-model based control approaches, International joural on smart sensing and intelligent, vol.5,1,march,2012 [2] Copyriht @ 2013 Googol technology (Hong Kong) LimitedB, Ball and Beam systems [3] Technical teaching equipment for engineering, Ball and beam apparatus, CE106, http://www.tecquipment.com [4] http://www.mutiaranata.com/product/detail/rt-121-fuzzy-control-ball-on-beam [5] http://sites.mecheng.adelaide.edu.au/robotics/ball and beam Tài liệu tiếng Việt [1] Nguyễn Phùng Quang, “ Matlab & Simulink” NXB Khoa học kỹ thuật Hà Nội năm 2006 [2] Nguyễn Mạnh Tƣờng, Nguyễn Hữu Cơng, Nguyễn Văn Chí(2002) Nghiên cứu phương pháp số để giải toán điều khiển tối ưu cho hệ có tham số phân bố, (VICA5 - 2002) [3] Nguyễn Dỗn Phƣớc, Lý thuyết điều khiển tuyến tính xuất lần 2, NXB Khoa học kỹ thuật 2005 [4] Nguyễn Hữu Công – Lâm Hùng Sơn – Ngơ Đức Minh(2005), Phương pháp biến phân giải tốn điều khiển tối ưu cho hệ có tham số phân bố, Tạp chí khoa học cơng nghệ (Đại học Thái Nguyên) số năm 2005ical teaching equipment for engineering 99 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/