Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển sử dụng đại số gia tử ứng dụng cho đối tượng công nghiệp

i ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP VŨ HUY CÔNG TÊN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN SỬ DỤNG ĐẠI SỐ GIA TỬ ỨNG DỤNG CHO ĐỐI TƢỢNG CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa Thái Nguyên - 2014 ii Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các kết quả đƣợc viết chung với các tác giả khác đều đƣợc sự đồng ý của đồng tác giả trƣớc khi đƣa vào luận văn. Các kết quả trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả Vũ Huy Công iii Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ iv Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH viii CHƢƠNG I: TỔNG QUAN CHUNG VỀ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG 4 1.1. Một số nguyên tắc điều khiển trong công nghiệp 4 1.1.1. Điều khiển ổn định 5 1.1.2. Điều khiển theo chƣơng trình 7 1.2. Các phƣơng pháp điều khiển 8 1.2.1. Điều khiển kinh điển 8 1.2.2. Điều khiển hiện đại 9 1.2.3. Điều khiển thông minh 9 1.3. Một số bộ điều khiển trong hệ thống tự động 11 1.3.1. Bộ điều khiển PID 11 1.3.2. Bộ điều khiển PID số 12 1.3.3. Bộ điều khiển mờ 14 1.3.3.1. Giới thiệu 14 1.3.3.2. Bộ điều khiển mờ 14 1.3.3.3. Ƣu nhƣợc điểm của bộ điều khiển mờ 17 1.3.4. Bộ điều khiển sử dụng đại số gia tử 17 1.4. Chất lƣợng của hệ thống điều khiển tự động và yêu cầu khi thiết kế 19 1.4.1. Chỉ tiêu chất lƣợng ở trạng thái tĩnh 20 1.4.2. Chỉ tiêu chất lƣợng ở trạng thái quá độ 20 1.4.3. Các chỉ tiêu tích phân 21 1.5. Một số phƣơng pháp đánh giá chất lƣợng hệ thống tự động 22 1.5.1. Đánh giá chất lƣợng hệ thống ở trạng thái xác lập 22 1.5.2. Đánh giá trực tiếp chất lƣợng hệ thống ở quá trình quá độ 22 1.5.3. Đánh giá chất lƣợng hệ thống qua tiêu chuẩn tích phân 23 1.6. Kết luận chƣơng 1 25 CHƢƠNG II: LÝ THUYẾT ĐẠI SỐ GIA TỬ VÀ PHƢƠNG PHÁP THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN 26 v Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 2.1. Lý thuyết Đại số gia tử 26 2.1.1. Đại số gia tử của biến ngôn ngữ 26 2.1.1.1. Biến ngôn ngữ 26 2.1.1.2. Đại số gia tử của biến ngôn ngữ 28 2.1.1.3. Các tính chất cơ bản của ĐSGT tuyến tính 30 2.1.2. Các hàm đo trong đại số gia tử tuyến tính 31 2.1.3. Phƣơng pháp lập luận mờ sử dụng đại số gia tử 33 2.2. Thiết kế bộ điều khiển sử dụng Đại số gia tử 40 2.3. Kết luận chƣơng 2 42 CHƢƠNG III: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN SỬ DỤNG ĐẠI SỐ GIA TỬ CHO HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG BÁM CHÍNH XÁC 43 3.1. Xây dựng mô hình toán học đối tƣợng 43 3.1.1. Lựa chọn đối tƣợng 43 3.1.2. Xây dựng mô hình toán học đối tƣợng 45 3.2. Nghiên cứu thiết kế và nâng cao chất lƣợng bộ điều khiển 45 3.2.1.Thiết kế bộ điều khiển mờ 46 3.2.2.Thiết kế bộ điều khiển sử dụng Đại số gia tử 50 3.2.3. Mô phỏng bộ điều khiển HAC và Fuzzy trên Matlab: 52 3.2.4. Đánh giá chất lƣợng theo tiêu chuẩn tích phân bình phƣơng sai lệch 53 3.3. Thí nghiệm trên mô hình hệ thống truyền động bám chính xác 55 3.3.1.Giới thiệu mô hình hệ thống thí nghiệm 55 3.3.2. Cấu trúc điều khiển và bộ điều khiển HAC 57 3.3.3. Kết quả thí nghiệm 61 3.4. Kết luận chƣơng 3 62 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO 64 vi Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ CHỮ VIẾT TẮT Các ký hiệu:  Tổng độ đo tính mờ của các gia tử âm  Tổng độ đo tính mờ của các gia tử dƣơng  Giá trị định lƣợng của phần tử trung hòa AX Đại số gia tử AX Đại số gia tử tuyến tính đầy đủ W Phần tử trung hòa trong đại số gia tử Các chữ viết tắt: ĐTĐK Đối tƣợng điều khiển ĐSGT Đại số gia tử ĐCTĐTĐĐ Điều chỉnh tự động truyền động điện ĐKTĐ Điều khiển tùy động ĐLNN Định lƣợng ngữ nghĩa TBĐK Thiết bị điều khiển QTQĐ Quá trình quá độ LLXX Lập luận xấp xỉ TC Thiết bị chấp hành DSP digital signal processor FAM Fuzzy Associative Memory FLC Fuzzy Logic Control GA Genetic Algorithm SQM Semantic Quantifying Mapping HAC Hedge Algebras-based Controller MeDe5 Mechatronic Demonstrate Setup-2005 PID Proportional – Integral – Derivative DSP digital signal processor SAM Semantic Associative Memory SISO Single-Input-Single-Output vii Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1. Bảng Tính âm, dƣơng của các gia tử 30 Bảng 2.2. Các tập mờ của các biến ngôn ngữ 35 Bảng 2.3. Bảng FAM - Kinh nghiệm của các phi công 35 Bảng 2.4. Kết quả điều khiển sử dụng lập luận mờ qua 4 chu kỳ 35 Bảng 2.5. Mô hình ngữ nghĩa định lƣợng 37 Bảng 2.6. Tổng hợp kết quả điều khiển mô hình máy bay hạ cánh 39 Bảng 3.1- Luật điều khiên mờ 49 Bảng 3.2. Lựa chọn tham số cho các biến E, IE, U 50 Bảng.3.3 SAM 51 Bảng 3.4. Giá trị tiêu chuẩn tích phân I 4 theo tốc độ biến thiên của sai lệch khi α 1 =0.2 54 Bảng 3.5. Giá trị tiêu chuẩn tích phân I 4 theo tốc độ biến thiên của sai lệch khi α 1 =1.5 54 viii Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ DANH MỤC CÁC HÌNH H1.1. Sơ đồ cấu trúc 5 H1.2. Sơ đồ cấu trúc hệ thống hở 6 H1.3. Sơ đồ hệ điều khiển thích nghi 7 H1.4. Sơ đồ bộ điều khiển PID 11 Hình 1.5. Bộ điều khiển PID số 12 Hình 1.6. Sơ đồ khối chức năng FLC 15 Hình 1.7. Bộ điều khiển mờ động 16 Hình1.8. a) Nguyên lý điều khiển mờ lai 17 b) Vùng tác động của các bộ điều khiển 17 Hình 1.9. Hàm quá độ của một hệ thống điều khiển 20 Hình 1.10. Sai lệch của hệ thống điều khiển 23 Hình 2.1. Đƣờng cong ngữ nghĩa định lƣợng 38 Hình 2.2. Khoảng xác định và khoảng ngữ nghĩa của các biến 38 Hình 2.3 mô hình mờ trong điều khiển 40 Hình 3.1. MEDE 5 44 Hình 3.2. Định nghĩa các biến vào ra của bộ điều khiển mờ 46 Hình 3.3. Định nghĩa các tập mờ cho biến E của bộ điều khiển mờ 48 Hình 3.4. Định nghĩa các tập mờ cho biến DE của bộ điều khiển mờ 48 Hình 3.5. Định nghĩa các tập mờ cho biến U của bộ điều khiển mờ 49 Hình 3.6. Bề mặt đặc trƣng cho quan hệ vào ra của bộ điều khiển mờ 50 Hình 3.7. Mặt cong ngữ nghĩa định lƣợng 51 Hình 3.8. Sơ đồ mô phỏng hệ thống 52 Hình 3.9. Kết quả mô phỏng bằng HAC và FLC 52 Hình 3.10. Sơ đồ mô phỏng và đánh giá chỉ tiêu 54 Hình 3.11. Mô hình hệ thống truyền động bám chính xác 55 Hình 3.12. Arduino Board 56 Hình 3.13. Động cơ servo và cơ cấu bánh răng 57 ix Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Hình 3.14. Cấu trúc điều khiển hệ thống truyền động bám chính xác 57 Hình 3.15. Bộ điều khiển HAC 58 Hình 3.16. State Variable Function 58 Hình 3.17. Cổng kết nối vào ra 59 Hình 3.18. Cổng thiết lập cấu hình thời gian thực 59 Hình 3.19. Cổng đọc tín hiệu từ encoder 59 Hình 3.20. Cổng tín hiệu vào ra PWM tƣơng tự 60 Hình 3.21. Cổng tín hiệu vào ra số 60 Hình 3.22. Điều khiển tốc độ và chiều quay 60 Hình 3.23. Đáp ứng hệ thống với bộ HAC 2 đầu vào 61 Hình 3.24. Sai lệch e(t) 61 1 MỞ ĐẦU 1. Tính khoa học và cấp thiết của luận án Hiện nay, việc nâng cao chất lƣợng của hệ thống điều khiển luôn đƣợc các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu với các phƣơng pháp điều khiển mới. Cùng với việc thiết kế hệ tuyến tính, ngƣời ta có thể chế tạo đƣợc các hệ thống điều khiển phi tuyến nhờ máy tính có bộ nhớ lớn. Hệ mờ và logic mờ do L. Zadeh đƣa ra năm 1965 đã cố gắng mô tả một cách toán học những khái niệm mơ hồ mà logic kinh điển không làm đƣợc. Đó là việc xây dựng các các phƣơng pháp lập luận xấp xỉ để mô hình hóa quá trình suy luận của con ngƣời. Các tác giả N.C. Ho và W. Wechler đã xây dựng cấu trúc toán học cho biến ngôn ngữ qua việc định lƣợng biến ngôn ngữ bằng một giá trị thực trong khoảng [0,1]. Do đó, lý thuyết đại số gia tử (Hedge Algebra - HA) tỏ ra khá hiệu quả trong việc đơn giản hóa quá trình tính toán dựa trên tập ngôn ngữ tự nhiên. Tuy nhiên, trong lĩnh vực điều khiển các đối tƣợng phi tuyến, việc áp dụng ĐSGT còn là một vấn đề mới và chỉ đƣợc một số ít các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu. Vì vậy, luận án đề xuất một phƣơng pháp mới là sử dụng đại số gia tử trong bài toán điều khiển các đối tƣợng phi tuyến. Kết quả nghiên cứu sẽ khẳng định thêm hiệu quả của lý thuyết ĐSGT với đối tƣợng phi tuyến và mở ra khả năng ứng dụng trong thực tế. 2. Phạm vi nghiên cứu, đối tƣợng và phƣơng pháp luận Luận văn đã nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển sử dụng đại số gia tử và và phát triển phƣơng pháp thiết kế cho một số đối tƣợng công nghiệp Phƣơng pháp luận của việc nghiên cứu là xuất phát từ lý thuyết về Đại số Gia tử, thiết kế bộ điều khiển , mô phỏng và kiểm chứng kết quả của việc [...]... nghiên cứu thiết kế một bộ điều khiển sử dụng đại số gia tử và đánh giá theo tiêu chuẩn tích phƣơng bình phƣơng sai lệch Phƣơng pháp thiết kế đƣợc kiểm chứng bằng mô phỏng và thí nghiệm cụ thể Điều này càng chứng tỏ khả năng ứng dụng của bộ điều khiển sử dụng đại số gia tử trong việc thiết kế các hệ thống tự động trong công nghiệp Kiến Nghị 1 Nghiên cứu thí nghiệm bộ điều khiển sử dụng Đại số gia tử. .. gọi là bộ điều khiển mờ cơ bản * Bộ điều khiển mờ động: để mở rộng ứng dụng cho các bài toán điều khiển, ngƣời ta thƣờng bổ sung thêm vào bộ điều khiển mờ cơ bản các khâu tích phân, đạo hàm, bộ điều khiển có dạng nhƣ hình 1.6 đƣợc gọi là bộ điều khiển mờ động I e P D Bộ điều khiển mờ cơ bản y Hình 1.7 Bộ điều khiển mờ động * Bộ điều khiển mờ lai (F-PID): là bộ điều khiển trong đó thiết bị điều khiển. .. và tự động hóa Nâng cao chất lƣợng cho bộ điều khiển giúp đơn giản hóa đƣợc quá trình thiết kế, loại bỏ thông tin không cần thiết 4.2 Ý nghĩa thực tiễn: Mở ra khả năng ứng dụng bộ điều khiển sử dụng Đại số Gia tử điều khiển các đối tƣợng công nghiệp, đặc biệt các đối tƣợng phi tuyến, tham số bất định thông tin không rõ dàng nhƣ máy Điều hòa nhiệt độ, Máy giặt, điều khiển mức nƣớc trong các Bolong hơi... điện…) Kết quả nghiên cứu của luận án sẽ mở ra một hƣớng thiết kế mới trong lĩnh vực điều khiển tự động và khả năng áp dụng trong thực tế 3 5 Nội dung và bố cục của luận án Luận án được bố cục thành 3 chương với nội dụng như sau: Chương 1: Tổng quan các phương pháp thiết kế hệ thống tự động Chương 2: Lý thuyết Đại số gia tử và phương pháp thiết kế bộ điều khiển Chương 3: Thiết kế bộ điều khiển sử dụng đại. .. việc sử dụng kết hợp các phƣơng pháp tính toán mềm với 11 nhau khi biểu diễn tri thức sẽ thu đƣợc hiệu quả cao hơn trong nhận dạng và điều khiển các hệ phi tuyến Hiện nay, việc nghiên cứu kết hợp đại số gia tử và logic mờ đã đƣợc một số tác giả nghiên cứu áp dụng cho bài toán chuẩn đoán bệnh, nhận dạng hệ phi tuyến 1.3 Một số bộ điều khiển trong hệ thống tự động 1.3.1 Bộ điều khiển PID PID là bộ điều khiển. .. Beam (theo nguyên lý điều khiển chuyển động cánh tay robot) 3 Mục tiêu của luận án Đề xuất phƣơng pháp thiết kế bộ điều khiển mới sử dụng đại số gia tử áp dụng cho một số lớp đối tƣợng công nghiệp Kiếm chứng bằng mô phỏng và thực nghiệm trên mô hình vật lý cụ thể 4 Ý nghĩa lí luận và thực tiễn 4.1 Ý nghĩa lý luận: Nghiên cứu ứng dụng một công cụ tính toán mềm mới trong lĩnh vự điều khiển và tự động hóa... nghiệm bộ điều khiển sử dụng Đại số gia tử trên các đối tƣợng vật lý cụ thể khác đặc biệt là các hệ thống có độ tuyến tính cao 2 Nghiên cứu chế tạo và tích hợp bộ điều khiển sử dụng đại số gia tử trên các chip VI sử lý và đƣa vào sử dụng trong thực tế 3 Xây dụng bộ công cụ để bổ xung vào Toolbook của Matlap về đại số gia tử để thuận lợi cho việc thiết kế hệ thống 4 CHƢƠNG I TỔNG QUAN CHUNG VỀ HỆ THỐNG... là những công cụ gắn liền với việc sử dụng kinh nghiệm chuyên gia trong việc thiết kế các bộ điều khiển Ngày nay với sự phát triển của khoa học kỹ thuật cùng việc áp dụng các phƣơng pháp điều khiển đã chắp cánh cho sự phát triển đa dạng của các hệ điều khiển mờ trong đó vấn đề tổng hợp đƣợc một bộ điều khiển mờ một cách chặt chẽ và ứng dụng cho đối tƣợng cụ thể nhằm nâng cao chất lƣợng điều khiển đang... tạo, đại số gia tử hiện nay đã và đang đƣợc tiến hành nghiên cứu; tuy nhiên việc thiết kế các hệ thống này phải dựa vào những hiểu biết căn bản của các quy luật điều chỉnh tuyến tính 1.1 Một số nguyên tắc điều khiển trong công nghiệp 1.1.1 Điều khiển ổn định Nguyên tắc này giữ tín hiệu ra bằng một hằng số trong quá trình điều khiển a.Phương pháp điều khiển theo sai lệch Là nguyên tắc mà tín hiệu điều khiển. .. loạt các công trình nghiên cứu, ứng dụng, xây dựng và thử nghiệm các hệ thống hỗ trợ quyết định dựa trên các công cụ tính toán mềm và xây dựng đƣợc một số mô hình tính toán mềm để giải các bài toán trong các lĩnh vực thông dụng Nội dung cũng nghiên cứu một phƣơng pháp điều khiển mới, đó là việc đại số hóa ngôn ngữ của các tập mờ hay chính là Đại số gia tử 26 CHƢƠNG II LÝ THUYẾT ĐẠI SỐ GIA TỬ VÀ PHƢƠNG . 45 3.2. Nghiên cứu thiết kế và nâng cao chất lƣợng bộ điều khiển 45 3.2.1 .Thiết kế bộ điều khiển mờ 46 3.2.2 .Thiết kế bộ điều khiển sử dụng Đại số gia tử 50 3.2.3. Mô phỏng bộ điều khiển HAC. trong đại số gia tử tuyến tính 31 2.1.3. Phƣơng pháp lập luận mờ sử dụng đại số gia tử 33 2.2. Thiết kế bộ điều khiển sử dụng Đại số gia tử 40 2.3. Kết luận chƣơng 2 42 CHƢƠNG III: THIẾT KẾ BỘ. ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP VŨ HUY CÔNG TÊN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN SỬ DỤNG ĐẠI SỐ GIA TỬ ỨNG DỤNG CHO ĐỐI TƢỢNG CÔNG NGHIỆP