Đề xuất phương pháp thiết kế bộ điều khiển mới sử dụng đại số gia tử áp dụng cho một số lớp đối tượng công nghiệp

MỞ ĐẦU 1. Tính khoa học và cấp thiết của luận án Hiện nay, việc nâng cao chất lượng của hệ thống điều khiển luôn được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu với các phương pháp điều khiển mới. Cùng với việc thiết kế hệ tuyến tính, người ta có thể chế tạo được các hệ thống điều khiển phi tuyến nhờ máy tính có bộ nhớ lớn. Hệ mờ và logic mờ do L. Zadeh đưa ra năm 1965 đã cố gắng mô tả một cách toán học những khái niệm mơ hồ mà logic kinh điển không làm được. Đó là việc xây dựng các các phương pháp lập luận xấp xỉ để mô hình hóa quá trình suy luận của con người. Các tác giả N.C. Ho và W. Wechler đã xây dựng cấu trúc toán học cho biến ngôn ngữ qua việc định lượng 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 tượng phi tuyến, việc áp dụng ĐSGT còn là một vấn đề mới và chỉ được một số ít các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu. Vì vậy, luận án đề xuất một phương pháp mới là sử dụng đại số gia tử trong bài toán điều khiển các đối tượng phi tuyến. Kết quả nghiên cứu sẽ khẳng định thêm hiệu quả của lý thuyết ĐSGT với đối tượng phi tuyến và mở ra khả năng ứng dụng trong thực tế. 2 2. Phạm vi nghiên cứu, đối tượng và phương pháp luận Luận văn đã nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển sử dụng đại số gia tử và và phát triển phương pháp thiết kế cho một số đối tượng công nghiệp Phương 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 lý thuyết cuối cùng là tiến hành thí nghiệm thực để đánh giá cả mô phỏng lẫn lý thuyết. Việc kiểm nghiệm chất lượng bộ điều khiển sử dụng Đại số Gia tử trên mô hình vật lý cụ thể là hệ thống truyền động bám chính xác cho thấy có thể giải quyết thành công các vấn đề điều khiển phức tạp khác trong các hệ thống công nghiệp ví dụ: Điều khiển hệ thống chuyển động bám chính xác (theo nguyên lý hoạt động của máy in) và hệ thống Ball and Beam (theo nguyên lý điều khiển chuyển động cánh tay robot). 3. Mục tiêu của luận án Đề xuất phương pháp thiết kế bộ điều khiển mới sử dụng đại số gia tử áp dụng cho một số lớp đối tượng công nghiệp. Kiếm chứng bằng mô phỏng và thực nghiệm trên mô hình vật lý cụ thể 3 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 Nâng cao chất lượng cho bộ điều khiển giúp đơn giản hóa được 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 tượng công nghiệp, đặc biệt các đối tượng phi tuyến, tham số bất định thông tin không rõ dàng như máy Điều hòa nhiệt độ, Máy giặt, điều khiển mức nước trong các Bolong hơi của các nhà máy:( Sản xuất Giấy, Nhiệt điện…) Kết quả nghiên cứu của luận văn sẽ mở ra một hướng thiết kế mới trong lĩnh vực điều khiển tự động và khả năng áp dụng trong thực tế. 5. Nội dung và bố cục của luận án Luận án được bố cục thành 3 chương Kết quả được thể hiện bằng lập trình mô phỏng trên MATLAB và kiểm chứng bằng thí nghiệm trên mô hình hệ truyền động chính xác tại phòng thí nghiệm Điện - Điện tử - Trường ĐHKT Công nghiệp. 6. kết luận và kiến nghị 4 CHƯƠNG I TỔNG QUAN CHUNG VỀ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG 1.1. Một số nguyên tắc điều khiển trong công nghiệp 1.2. Các phương pháp điều khiển 1.3. Một số bộ điều khiển trong hệ thống tự động 1.3.3. Bộ điều khiển mờ 1.3.3.3. Ưu nhược điểm của bộ điều khiển mờ 1.3.4. Bộ điều khiển sử dụng đại số gia tử 1.4. Chất lượng của hệ thống điều khiển tự động và yêu cầu khi thiết kế Các chỉ tiêu chất lượng của quá trình điều chỉnh 1.4.1. Chỉ tiêu chất lượng ở trạng thái tĩnh 1.4.2. Chỉ tiêu chất lượng ở trạng thái quá độ 1.4.3. Các chỉ tiêu tích phân Đánh giá chất lượng qua chỉ tiêu tích phân    0 2 3 dt)]t(e[I 22 41 0 de I [e(t) ( ) ]dt dt      5 1.5. Một số phương pháp đánh giá chất lượng hệ thống tự động 1.6. Kết luận chương 1 Nội dung chương đã đưa ra cái nhìn tổng quan về các bộ điều khiển trong các năm gần đây, từ các bộ điều khiển PID kinh điển, PID số đến bộ điều khiển thông minh logic mờ. Tuy nhiên mỗi phương pháp thiết kế vẫn còn tồn tại những nhược điểm và hạn chế. Nội dung cũng nghiên cứu một phương pháp điều khiển mới, đó là việc đại số hóa ngôn ngữ của các tập mờ hay chính là Đại số gia tử. 6 CHƯƠNG II LÝ THUYẾT ĐẠI SỐ GIA TỬ VÀ PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN 2.1. Lý thuyết Đại số gia tử 2.1.3. Phương pháp lập luận mờ sử dụng đại số gia tử Bước 1) Xây dựng các ĐSGT AX i cho các biến ngôn ngữ X i , và AY cho biến ngôn ngữ Y. Bước 2) Sử dụng các ánh xạ ngữ nghĩa định lượng  Xi và  Y chuyển đổi mô hình mờ FAM về mô hình SAM Bước 3) Sử dụng một phép kết nhập đưa mô hình SAM về mặt cong C r,2 gọi là ngữ nghĩa định lượng. Bước 4) Ứng với giá trị đầu vào thực hoặc mờ ta xác định giá trị định lượng tương ứng, sử dụng phép kết nhập và xác định đầu ra tương ứng của phép nội suy tuyến tính trên mặt cong C r,2 , việc giải định lượng đầu ra của phép nội suy sẽ cho kết quả lập luận. 2.2. Thiết kế bộ điều khiển sử dụng Đại số gia tử Chúng ta xét mô hình mờ trong điều khiển và nó được gọi là bộ nhớ kết hợp mờ FAM (Fuzzy Associative Memory). Vì có m biến đầu vào nên chúng ta gọi FAM là bảng m-chiều. Dựa trên phương pháp nội suy gia tử chúng tôi đề xuất mô hình điều khiển mờ dựa vào ĐSGT, gọi tắt là HAC (Hedge-Algebra based Controller) thể hiện lưu đồ tổng quát như hình dưới, trong đó r là giá trị tham chiếu, e là giá trị lỗi, u là giá trị điều khiển. 7 H 2.2 mô hình mờ trong điều khiển Bước 1: Ngữ nghĩa hóa (Semantization). Bước 2: Bảng ĐLNN và cơ chế lập luận (SQM - Semantic Quantifying Mapping). Bước 3: Giải ngữ nghĩa (Desemantization) Nhận xét Với phương pháp vừa đề xuất, chúng tôi nhận thấy nó có thể đơn giản và hiệu quả hơn so với phương pháp điều khiển mờ, đó là: - Tránh được các vấn đề phức tạp như chọn toán tử kéo theo, xây dựng các hàm thuộc, hợp thành các luật. - Phương pháp rất linh hoạt vì chúng ta dễ dàng thay đổi các tham số của hàm ĐLNN để thích nghi với nhiều ứng dụng điều khiển khác nhau. - Trong phương pháp nội suy dựa trên đại số gia tử, chúng ta chỉ phải nỗ lực tập trung vào việc chọn độ đo tính mờ của các gia tử 8 và chúng trở thành hệ tham số của phương pháp. Vì vậy nó rất gần gũi với các phương pháp giải kinh điển. - Không cần thiết sử dụng phương pháp khử mờ. - Phương pháp lập luận xấp xỉ dựa trên phương pháp nội suy cổ điển với đường cong thực là rất đơn giản, trực quan và cho kết quả đầu ra chính xác hơn. Tuy nhiên, vẫn còn một số điểm mà ta cần phải khảo sát khi sử dụng HAC - Sử dụng HAC trong lĩnh vực điều khiển có luôn đảm bảo bài toán có nghiệm hay không ? - Khả năng giải quyết các bài toán phức tạp hơn của phương pháp mới 2.3. Kết luận chương 2 Chương 2 của luận án đã đưa ra những khái niệm cơ bản của ĐSGT và phương pháp lập luận mờ sử dụng ĐSGT Luận văn đã nghiên cứu bộ điều khiển sử dụng đại số gia tử và hy vọng các kết quả trong chương 2 sẽ khích lệ các nghiên cứu tiếp theo về phương pháp thiết kế bộ điều khiển sử dụng đại số gia tử 9 CHƯƠNG III THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN SỬ DỤNG ĐẠI SỐ GIA TỬ CHO HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG BÁM CHÍNH XÁC 3.1. Xây dựng mô hình toán học đối tượng 3.1.1. Lựa chọn đối tượng Hình 3.1. MEDE 5 Hình 3.1 là mô hình nghiên cứu là một hệ thống thí nghiệm xây dựng từ mô hình có tên là MeDe5 (Mechatronic Demonstrate Setup-2005) do nhóm kĩ thuật điều khiển thuộc bộ môn kỹ thuật Điện, khoa Kỹ thuật Điện, Toán học và Khoa học máy tính thuộc Trường Đại học Twente đã thiết kế. Kết cấu cơ khí được thiết kế dựa trên nguyên lý của công nghệ in, ụ trượt có thể chuyển động tiến và lùi một cách linh hoạt nhờ sự dẫn động của động cơ điện một chiều thông qua dây curoa. Trong mô hình người thiết kế đã bố trí toàn bộ động cơ điện, thanh trượt, ụ trượt, dây curoa,… trên một cái khung dẻo với mục đích để tạo ra sự rung lắc khi ụ trượt di chuyển. Nếu 10 thiết kế được những thuật toán điều khiển tốt sẽ giúp cho quá trình gia tốc, giảm tốc của ụ trượt êm hơn, điều này dẫn đến mức độ rung lắc của khung được giảm 3.1.2. Xây dựng mô hình toán học đối tượng Mô hình thiết bị là phi tuyến và mô hình động học bậc cao. Trong tính toán, khi bỏ qua những thành phần phi tuyến thì đối tượng sẽ có dạng một khâu bậc 2 tuyến tính được biểu diễn bằng hệ phương trình trạng thái có dạng:        VX u m k signV m d V m d V mcv   . u m k signV m d X V m d X V mcv                                           0001 0   Trong đó V, X: vận tốc và vị trí của ụ trượt so với hệ toạ độ gốc. 3.2. Nghiên cứu thiết kế và nâng cao chất lượng bộ điều khiển Luận văn đề xuất thử nghiệm với bộ điều khiển mờ và Đại số gia tử nghiên cứu nâng cao chất lượng của bộ điều khiển. Bộ điều khiển gồm có hai đầu vào và một đầu ra: đầu vào thứ 1 là sai lệch đặt vào bộ điều khiển ký hiệu là E, đầu vào thứ 2 là đạo hàm của đầu vào thứ nhất ký hiệu là IE và đầu ra là giá trị điện áp một chiều ký hiệu là U. [...]... Bộ điều khiển sử dụng HAC có thể ứng dụng được vào trong điều khiển các đối tượng thực tế đảm bảo chất lượng hệ thống đạt yêu cầu 3.4 Kết luận chương 3 Luận văn đã nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển sử dụng đại số gia tử và đánh giá theo tiêu chuẩn tích phương bình phương sai lệch Lập trình bộ điều khiển sử dụng đại số gia tử dựa trên phần mềm chuyên dụng Matlab Đánh giá chất lượng đối với bộ điều khiển. .. được một số nội dung sau: Luận văn đã nghiên cứu thiết kế một bộ điều khiển mờ động và nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển sử dụng đại số gia tử và đánh giá theo tiêu chuẩn tích phương bình phương sai lệch Phương pháp thiết kế được kiểm chứng bằng mô phỏng và thí nghiệm trên hệ thống vật lí cụ thể là hệ thống truyền động bám chính xác Điều này càng chứng tỏ khả năng ứng dụng của bộ điều khiển sử dụng đại. .. đại số gia tử trong việc thiết kế các hệ thống tự động trong công nghiệp  Kiến nghị và hướng nghiên cứu tiếp theo 1 Nghiên cứu thí nghiệm bộ điều khiển sử dụng Đại số gia tử trên các đối tượng 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 đưa vào sử dụng trong thực tế 3 Xây dụng bộ công. .. vào là: E, DE, U  {NB, NM, NS, NVS, ZE, PVS, PS, PM, PB} Theo kinh nghiệm thiết kế, các luật điều khiển được xây dựng theo bảng sau, tổng cộng có 81 luật điều khiển: Bảng 3.1- Luật điều khiên mờ Hình 3.6- Bề mặt đặc trưng cho quan hệ vào ra của bộ điều khiển mờ 3.2.2 .Thiết kế bộ điều khiển sử dụng Đại số gia tử Chọn bộ tham số tính toán: 13 G = { 0, Negative (N), W, Positive (P), 1}; – H = { Little... khiển Đại số gia tử bằng quá trình khảo sát thực nghiệm trên máy tính khi thay đổi giá trị của  và , Qua quá trình làm thực nghiệm khi cho  thay đổi từ 0.1 đến 0.9 ta thấy rằng  = 0.3,  = 0.7 cho kết quả của hệ là tốt nhất Bộ điều khiển sử dụng đại số gia tử có thể ứng dụng được vào trong điều khiển các đối tượng thực tế đảm bảo chất lượng hệ thống đạt yêu cầu 23 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ  Kết luận... 3.3.2 Cấu trúc điều khiển và bộ điều khiển HAC Bài toán điều khiển ở đây là điều khiển chuyển động đến 1 vị trí chính xác theo giá trị đặt với yêu cầu đảo chiều liên tục đòi hòi bộ điều khiển tác động nhanh, loại bỏ được nhiễu ma sát sao cho quá trình gia tốc, giảm tốc của con trượt êm hơn Hình 3.14 Cấu trúc điều khiển hệ thống truyền động bám chính xác 20 Bộ điều khiển HAC được thiết kế trên nền Matlab/Simulink...11 3.2.1 .Thiết kế bộ điều khiển mờ Hình 3.2- Định nghĩa các biến vào ra của bộ điều khiển mờ - Xác định số lượng tập mờ cần thiết: về nguyên tắc, số lượng tập mờ cho mỗi biến ngôn ngữ nên nằm trong khoảng từ 3 đến 10 Đối với đối tượng này, ta chọn số lượng tập mờ cho mỗi biến ngôn ngữ là 9 Ký hiệu 9 biến ngôn ngữ như sau: Âm nhiều NB (Negative... phỏng bộ điều khiển HAC và Fuzzy trên Matlab: Hình 3.8 Sơ đồ mô phỏng hệ thống Kết quả mô phỏng bằng phương pháp điều khiển FLC và HAC 4 3 Mo phong voi FLC va HAC x 10 SET VALUES FLC HAC 2.5 Set values (xung) 2 1.5 1 0.5 0 -0.5 5 10 15 20 25 30 35 40 Time (s) Hình 3.9 Kết quả mô phỏng bằng HAC và FLC Nhận xét: Kết mô phỏng nhận thấy cả hai bộ điều khiển đều ổn định, bám theo giá trị đặt và sau một khoảng... Arduino Board: nhận tín hiệu phản hồi từ sensor vị trí (Encoder) và giao tiếp với máy tính, xuất tín hiệu ra mạch công suất (cầu H) để điều khiển động cơ Hình 3.12 Arduino Board 19 - Mạch cầu H (H-Bridge Circuit): điều khiển MOSFET công suất, cho phép đảo chiều, chống trùng dẫn, dòng cho phép 10A, thực hiện nhiệm vụ đảo chiều động cơ - Công tắc hành trình LXW5-11G1 dùng để giới hạn hành trình chuyển động... 1; H+ = {Very (V)} = { h1}; p = 1; v(W) =  = 0.5; fm(N) =  = 0.5; fm(P) = 1- = 0.5; Các gia tử được lựa chọn như trong bảng 3.2 Bảng 3.2 Lựa chọn tham số cho các biến E, IE, U Input1 (E) Output (U) Input2 (IE) μ(h) H H- H+ Little μ(h) 0.4 Very (V) α 0.55 α 0.6 (L) β 0.45 β Nhãn ngôn ngữ trong đại số gia tử cho các biến E, IE, U như sau: Very Very Negative (VVN), Very Negative (VN), Negative (N), . cứu, đối tượng và phương pháp luận Luận văn đã nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển sử dụng đại số gia tử và và phát triển phương pháp thiết kế cho một số đối tượng công nghiệp Phương pháp luận. cánh tay robot). 3. Mục tiêu của luận án Đề xuất phương pháp thiết kế bộ điều khiển mới sử dụng đại số gia tử áp dụng cho một số lớp đối tượng công nghiệp. Kiếm chứng bằng mô phỏng và thực. phương pháp điều khiển 1.3. Một số bộ điều khiển trong hệ thống tự động 1.3.3. Bộ điều khiển mờ 1.3.3.3. Ưu nhược điểm của bộ điều khiển mờ 1.3.4. Bộ điều khiển sử dụng đại số gia tử 1.4.