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

i Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 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 và tự động hóa Mã số: 60520216 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Thái Nguyên, 2014 ii Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ LỜI CAM ĐOAN Tên tôi 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 đang công tác tại: Khoa Điện, Điện Tử - Trƣờng Cao đẳng Công Nghiệp Nam Định Xin cam đoan về luận văn “ Nâng cao chất lượng bộ điều khiển mờ để điều khiển cho hệ phi tuyến ” do Thầy giáo PGS.TS Nguyễn Hữu Công hƣớng dẫn là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Tất cả các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng. Tác giả xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận văn đúng nhƣ nội dung trong đề cƣơng và yêu cầu của thầy giáo hƣớng dẫn. Nếu có vấn đề gì trong nội dung của luận văn tác giả xin hoàn toàn chịu trách nhiệm với lời cam đoan của mình./. Thái Nguyên, ngày tháng năm 2014 Học viên Đinh Xuân Dƣ iii Số hóa bởi 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 sự hƣớng dẫn của Thầy giáo PGS.TS Nguyễn Hữu Công , luận văn với đề tài “ Nâng cao chất lượng bộ điều khiển mờ để điều khiển cho hệ phi tuyến ” đã đƣợc hoàn thành. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới: Thầy giáo hƣớng dẫn PGS.TS Nguyễn Hữu Công đã tận tình chỉ 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 và một số đồng nghiệp, đã quan tâm động viên, giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập để hoàn thành luận văn này. Mặc dù với cố gắng triệt để, song do hạn chế về điều kiện thời gian và kinh nghiệm thực tế của bản thân còn ít nên đề tài không thể tránh khỏi thiếu sót. Vì vậy, tác giả mong nhận đƣợc sự đóng góp ý kiến của các thầy giáo, cô giáo và các bạn bè đồng nghiệp. Từ đó, góp phần đƣa ứng dụng của đề tài nghiên cứu này vào trong thực tế một cách rộng rãi, hiệu quả. Tôi xin chân thành cảm ơn! Học viên Đinh Xuân Dƣ iv Số hóa bởi 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 1. Lý do chọn đề tài 2 2. Mục tiêu cần đạt đƣợc 2 3. Ý nghĩa khoa học, ý nghĩa thực tiễn của đề tài 2 CHƢƠNG 1 TỔNG QUÁT HỆ THỐNG VIÊN BI CÁNH TAY ĐỒN (BALL AND BEAM) 4 1.1 Giới thiệu một số mô hình của hệ thống Ball and Beam 4 1.1.1 Giới thiệu mô hình Ball àn Beam 4 1.1.2. Các công trình nghiên cứu đã thực hiện 7 1.2 Mô hình toán học của hệ thống Ball and Beam 14 1.2.1 Tuyến tính hóa xung quanh điểm làm việc của hệ thống 18 1.3 Các yêu cầu điều khiển cho hệ thống Ball and Beam 22 1.4 Kết luận 29 CHƢƠNG 2 30 2.1. Khái niệm về tập mờ 31 2.2. Các phép toán trên tập mờ có cùng tập nền [4] 37 2.2.1. Phép hợp hai tập mờ 37 2.2.2 Phép giao hai tập mờ 37 v Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 2.2.3. Phép bù hai tập mờ 38 2.2.4 Các phép toán trên tập mờ không cùng tập nền [4] 38 2.3. Biến ngôn ngữ và giá trị của 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 của bộ điều khiển mờ tĩnh và 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 các luật mờ duy nhất 59 3.2. Mạng thích nghi mờ dựa trên cơ sở suy luận 64 3.3. Bộ điều khiển mờ thích nghi trƣc tiếp 70 3.4. Áp dụng các phƣơng pháp để nâng cao chất lƣợng cho bộ điều khiển mờ 74 3.4.1. Thiết kế bộ điều khiển mờ động 74 3.4.2. Bộ điều khiển thích nghi mờ dựa trên cơ sở suy luận 80 3.4.3. Bộ điều khiển thích nghi mờ trực tiếp 86 vi Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 3.5. Mô hình hệ thống chạy thực nghiệm 92 3.6. Kết luận chƣơng 3 97 TÀI LIỆU THAM KHẢO 99 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Stt Viết tắt Ý nghĩa 1. PID Proportional Integral Derivative 2. PI Proportional Integral 3. FLC Fuzzy Controller Logic vii Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Danh mục các hình vẽ Trang Hình 1.1 Mô hình Ball and beam dạng 1 3 Hình 1.2 Mô hình Ball beam dạng 2 3 Hình 1.3 Mô hình Ball Beam tại trƣờng ĐHKT Hongkong 7 Hình 1.4 Mô hình điều khiển cho GBB1004 8 Hình 1.5 Mô hình điều khiển cho GBB2004 8 Hình 1.6 Mô hình Ball Beam tại công ty Megachem. 9 Hình 1.7 Mô hình Ball Beam ĐH Bắc Florida 10 Hình 1.8 Mô 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 bằng PID 19 Hình 1.12.Mô phỏng motor trên simulink 21 Hình 1.13. Đáp ứng đầu ra của motor 22 Hình 1.14. Sơ đồ điều khiển vị trí bóng 22 Hình 1.15. Thay PID bằng khối khuếch đại (Zeigler Nichols) 23 Hình 1.17. Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển PID 24 Hình 1.18. Đáp ứng vị trí của ball 24 Hình 2.1: Hàm thuộc của tập mờ NÓNG và LẠNH 30 Hình 2.2: Hàm thuộc của tập mờ DỄ CHỊU 30 Hình 2.3: Phép hợp của hai tập mờ 31 Hình 2.4: Giao của hai tập mờ 31 Hình 2.5: Phép bù của tập mờ 32 viii Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Hinh 2.6. Đƣa hai tập về cùng tập nền 32 Hình 2.8. Hợp hai tập mờ 33 Hình 2.9. Hàm thuộc của biến tốc độ 33 Hình 2.10. Mệnh đề điều kiện 35 Hình 2.11: Miền không liên thông có thể y‟ = 0 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 các hàm liên thuộc các tập mờ đầu vào (i = 1;2) 42 Hình 2.16: Bộ điều khiển mờ động với 4 đầu vào và 2 đầu ra. 45 Hình 2.17: Mô 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 duy nhất 49 Hình 3.2. Mạng thích nghi mờ dựa trên cơ sở suy luận 54 Hình 3.3. Điều khiển thích nghi trực tiếp 59 Hình 3.4. Các hàm liên thuộc của tập mờ đầu vào 1 61 Hình 3.5. Các hàm liên thuộc của tập mờ đầu vào 2 62 Hình 3.6. Các hàm liên thuộc của tập mờ đầu ra 62 Hình 3.7. Chọn luật điều khiển 63 Hình 3.8. Chọn luật hợp thành 63 Hình 3.9. Quan hệ giữa đầu vào và đầu ra 64 Hình 3.10. Mô phỏng điều khiển hệ Ball and Beam bằng PD-Fuzzy 64 Hình 3.9. Đáp ứng đầu ra của hai bộ điều khiển 65 Hình 3.10: Tập mẫu bao gồm 2 đầu vào và 1 đầu ra để huấn luyện mạng neron 66 ix Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Hình 3.11: Dạng hàm liên thuộc cho đầu vào 1 66 Hình 3.12:Dạng hàm liên thuộc cho đầu vào 2 67 Hình 3.13:Đƣờng cong nội suy thể hiện mối quan hệ giữa đầu ra và đầu vào 68 Hình 3.14:Sai lệch của quá trình huấn luyện 69 Hình 3.15:Quá trình kiểm tra giữa dữ liệu huấn luyện và dữ liệu kiểm tra 69 Hình 3.16:Dạng hàm liên thuộc cho đầu vào 1 69 Hình 3.17:Dạng hàm liên thuộc cho đầu vào 70 Hình 3.18:Đƣờng cong nội suy thể hiện mối quan hệ giữa đầu ra và đầu vào 70 Hình 3.19 Đáp ứng đầu ra của hệ Ball and beam tƣơng ứng 2 bộ điều khiển 71 Hình 3.20. Bộ điều khiển mờ thích nghi trực tiếp 71 Hình 3.21. Hàm thuộc của sai lệch e(t) 72 Hình 3.22. Hàm thuộc của đạo hàm sai lệch de(t) 72 Hình 3.23. Sơ đồ mô phỏng hệ Ball and Beam với bộ điều khiển DAFC 73 Hình 3.24. Kết quả mô phỏng đáp ứng vị trí khi có bộ điều khiển DAFC Hình 3.25. Kết quả mô phỏng khi có bộ điều khiển DAFC khi thay đổi giá trị đặt 75 Hình 3.26. Tập mờ đầu ra dạng singleton đƣợc chỉnh định 75 1 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ LỜI NÓI ĐẦU Trong lĩnh vực điều khiển thì có rất 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 và điều khiển số. Trong điều khiển số thƣờng đƣợc coi là điều khiển phức tạp. Các biến điều khiển khó truy nhập, trừ trƣờng hợp chƣơng trình phần mềm đã dự kiến. Nếu ta sử dụng bộ xử lý để thực hiện nhiều chức năng cần phải thực hiện tầm nhìn tổng thể. Điều khiển số có thể lĩnh hội tinh thần của điều khiển tƣơng tự đối với các mạch vòng bên trong làm gần đúng liên tiếp, chia cắt bài toán lớn thành những bài toán nhỏ. Những năm đầu của thập kỷ 90, một ngành điều khiển kỹ thuật mới đƣợc phát triển rất mạnh mẽ và đã đem lại nhiều thành tựu bất ngờ trong lĩnh vực điều khiển, đó là điều khiển mờ. Ƣu điểm cơ bản của điều khiển mờ so với các phƣơng pháp điều khiển kinh điển là có thể tổng hợp đƣợc bộ điều khiển mà không cần biết trƣớc đặc tính của đối tƣợng một cách chính xác. Mô hình thí nghiệm Ball and Beam tại phòng thi nghiệm Đo lƣờng – Điều khiển đƣợc sử dụng để kiểm chứng các thuật toán đƣợc đƣa ra trong đề tài này . Đề tài “Nâng cao chất lượng bộ điều khiển mờ để điều khiển cho hệ phi tuyến” đƣợc đề xuất với mục đích: 1. Mô phỏng bộ điều mờ cho hệ thống Ball and beam trên phần mềm MatLab. 2. Nâng cao chất lƣợng bộ điều mờ cho hệ thống Ball and beam trên phần mềm MatLab và thực nghiệm trên đối tƣợng thực Nội dung chính của đề tài bao gồm: Chương 1: Tổng quan về hệ thống ball and beam Chương 2: Lý thuyết logic mờ và điều khiển mờ Chương 3: Nâng cao chất lượng của bộ điều khiển mờ [...]... thc t v iu kin nghiờn cu ca bn thõn, trong ti ny tỏc gi la chn vn nghiờn cu vi tờn ti l: Nõng cao cht lng b iu khin m iu khin cho h phi tuyn 2 Mc tiờu cn t c Kho sỏt cỏc phng phỏp thit k b iu khin m, cho cỏc i tng c mụ t di dng hm truyn hoc mụ t di dng phng trỡnh vi phõn xut phng ỏn nn cao cht lng cho b iu khin m s dng lut thớch nghi v mng neuron Mụ phng v thc nghim trờn i tng thc kim chng kt... http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Hỡnh 1.4 Mụ hỡnh iu khin cho GBB1004 Hỡnh 1.5 Mụ hỡnh iu khin cho GBB2004 Cỏc mụ hỡnh trờn cng c s dng kim chng cỏc lý thuyt iu khin nõng cao nh iu khin bn vng, iu khin thớch nghi, iu khin m, v iu khin neural ng thi õy cng l mt mụ hỡnh phi tuyn, do vy chỳng ta cú th s 9 S húa bi Trung tõm Hc liu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ dng cỏc phng phỏp iu khin phi tuyn hin i ỏp dng v kim chng lý thuyt... Australia Camera c gn trờn cao, cao thớch hp sao cho vựng chp ca camera chiu di ca thanh beam u im ca phng phỏp ny: - Thit k c khớ n gin - Khụng b nhiu in trong quỏ trỡnh c v trớ - Mang tớnh t ng húa v tớnh linh hot cao Mch iu khin phc tp - nhy v chớnh xỏc ca camera ph thuc nhiu vo ỏnh sỏng mụi trng lm vic 13 S húa bi Trung tõm Hc liu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - di ca thanh beam phi gii hn trong phm... i ca lý thuyt iu khin hin i (iu khin thớch nghi, iu khin m, mng nron) ó to iu kin cho vic xõy dng cỏc b iu khin thụng minh ỏp ng yờu cu cụng ngh ngy cng cao ca nn sn xut hin i Trong my nm gn õy ó cú nhiu ti nghiờn cu ng dng h m iu khin cỏc i tng phi tuyn Song phn ln cỏc nghiờn cu cha t c kt qu nh mong mun Vic nõng cao cht lng b iu khin m l mt hng nghiờn cu c nhiu nh iu khin hc quan tõm Vic chn cỏc... hỡnh ny l phi s dng ng c cú mụ men ln iu khin gúc quay ca thanh Nguyờn lý hot ng chung: Búng di chuyn c trờn thanh nh tỏc dng ca trng lc khi thanh b nghiờng so vi phng nm ngang Cm bin xỏc nh v trớ ca Búng v a ra tớn hiu iu khin ng c thay i gúc nghiờng ca thanh cho Búng di chuyn n v trớ mong mun Kh nng ng dng: - Dựng lm mụ hỡnh hc tp trong trng hc Thc nghim cỏc b iu khin PID, LQR, LQG - L cu ni cho cỏc... ny cú ý ngha rt ln v mt khoa hc trong vic iu khin cỏc i tng phi tuyn ti ny s cp n ng dng ca thut toỏn da trờn lut thớch nghi v mng neuron trong vic iu khin i tng phi tuyn c bit l iu khin h Ball and beam b í ngha thc tin: Trong lun vn ny tỏc gi ó xõy dng b iu khin da trờn lut thớch nghi v mng neuron iu khin h Ball and beam Qua thc nghim cho thy b iu khin m c ch thớch nghi thc hin bỏm tớn hiu t l... th bng viờn bi st nh, hay bi nha B mt nhn, khi chuyn ng ma sỏt phi rt nh (cú th b qua c) - xỏc nh v trớ qu búng ngi ra thng dựng cm bin khong cỏch, cm bin dch chuyn Cm bin xỏc nh gúc nghiờng ca thanh cú th s dng cm bin gúc nghiờng, hoc encoder Mc ớch ca bi toỏn iu khin: Sao cho v trớ ca viờn bi trờn thanh khụng i hoc bỏm theo mt v trớ t cho trc, v bn vng vi cỏc nhiu ngoi sinh tỏc ng vo h thng Mun lm... http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - Mc tiờu ca bi toỏn l s dng b iu khin m (Fuzzy Logic Controller) iu khin v trớ ca viờn bi Sau ú s dng cỏc thut toỏn dựng nõng cao cht lng ca b iu khin m Trc khi i thit k b iu khin mc cho h ta s i ln lt thit k b iu khin PID cho mch vũng trong v mch vũng ngoi Mụ hỡnh ng c DC: Theo (1.16) ta cú: hK gK i hK gK i q (s ) J eq R m Rm ị = = 2 hK i K m K g B eq hK i K m K g 2 V (s... http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Nh vy: b iu khin gúc quay cho motor t yờu cu iu khin v trớ búng(ball) thit k b iu khin v trớ búng, ta a vũng iu khin gúc quay motor vo trong vũng iu khin v trớ búng nh sau: Hỡnh 1.14 S iu khin v trớ búng Ta tỡm tham s ca b iu khin v trớ búng bng phng phỏp zeigler nichols th 2: Bng cỏch thay b iu khin PID trong s trờn bng b khuch i, tỡm h s khuch i ( kth ) sao cho ỏp ng dao ng iu hũa 26 S húa... búng phi l mu trng hn rt nhiu so vi mu ca mỏng v mu nn trong mụ hỡnh - Tc x lý nh ly v trớ chm hn so vi cỏc phng phỏp dựng cm bin 1.2 Mụ hỡnh toỏn hc ca h thng Ball and Beam Hỡnh 1.10: S ball and beam 14 S húa bi Trung tõm Hc liu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Mụ hỡnh Ball and Beam l mụ hỡnh thuc h c in t bao gm 2 bc t do (2DOF) Dovy ta s s dng phng phỏp Euler Lagrange xõy dng mụ hỡnh ng lc hc cho . của bộ điều khiển mờ tĩnh và 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. nâng cao chất lƣợng cho bộ điều khiển mờ 74 3.4.1. Thiết kế bộ điều khiển mờ động 74 3.4.2. Bộ điều khiển thích nghi mờ dựa trên cơ sở suy luận 80 3.4.3. Bộ điều khiển thích nghi mờ trực tiếp. nghiệm Đo lƣờng – Điều khiển đƣợc sử dụng để kiểm chứng các thuật toán đƣợc đƣa ra trong đề tài này . Đề tài Nâng cao chất lượng bộ điều khiển mờ để điều khiển cho hệ phi tuyến đƣợc đề xuất