Nghiên cứu giải thuật bầy đàn và ứng dụng tìm thông số tối ưu cho bộ điều khiển

Nghiên cứu giải thuật bầy đàn và ứng dụng tìm thông số tối ưu cho bộ điều khiển CHƯƠNG I CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1. Giới thiệu chung về động cơ một chiều 1.1.1. Cấu tạo động cơ điện một chiều Cấu tạo của động cơ điện một chiều gồm hai phần chính là phần tĩnh (Stator) và phần động (Rotor). Hình 1.1. Động cơ một chiều trong thực tế Hình 1.2. Cấu tạo động cơ một chiều 1.1.2. Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều. 1.1.3. Phân loại động cơ điện một chiều Động cơ điện một chiều kích từ độc lập Học viên : Ngô Thị Kiều Oanh HDKH: PGS.TS. Lại Khắc Lãi 1 Nghiên cứu giải thuật bầy đàn và ứng dụng tìm thông số tối ưu cho bộ điều khiển Động cơ điện một chiều kích từ song song Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp 1.2. Các phương pháp điều khiển động cơ điện một chiều •Điều chỉnh điện áp phần ứng •Thay đổi giá trị điện trở phụ •Điều chỉnh kích từ 1.3. Bộ điều khiển PID 1.3.1.1. Bộ điều khiển tỷ lệ (P) 1.3.1.2. Bộ điều khiển tích phân (I) 1.3.1.3. Bộ điều khiển vi phân (D) 1.3.2. Phương pháp điều chỉnh bộ PID 1.3.2.1. Phương pháp Ziegler- Nichols thứ nhất Xác định thông số của bộ điều khiển PID dựa vào đáp ứng của hệ hở: PID §èi t îng C(S) R(S) Hình 1.15. Sơ đồ khối hệ kín có bộ PID Khi đó ta có bảng tính thông số bộ PID là: Thông số Bộ điều khiển p K I T D T P 2 1 T T K ∞ 0 PI 2 1 0.9 T T K T 1 /0.3 0 PID 2 1 1.2 T T K 2T 1 0.5T 1 Bảng 1.1. Bảng tính các thông số PID theo Z- N 1 1.3.2.2. Phương pháp Ziegler- Nichols thứ hai Học viên : Ngô Thị Kiều Oanh HDKH: PGS.TS. Lại Khắc Lãi 2 Nghiên cứu giải thuật bầy đàn và ứng dụng tìm thông số tối ưu cho bộ điều khiển Phương pháp này thay bộ điều khiển PID trong hệ kín bằng bộ khuếch đại, sau đó tăng K cho đến khi hệ nằm ở biên giới ổn định, tức là hệ kín trở thành khâu dao động điều hòa. Lúc này ta có K gh và chu kì của dao động đó là T gh . Tham số cho bộ điều khiển PID chọn theo bảng sau: Bộ điều khiển p K I T D T P 0.5K gh ∞ 0 PI 0.45K gh 1 1.2 gh T 0 PID 0.6K gh 2T gh 0.5T gh Bảng 1.2. Bảng tính các thông số PID theo Z- N 2 1.4. Giải thuật bầy đàn PSO (Particle Swarm Optimization) 1.4.1. Thuật toán PSO chuẩn 1.4.1.1. Mở đầu Thuật toán Particle Swarm Optimization (PSO) được Eberhat và Kennedy đề nghị lần đầu tiên năm 1995. Đây là thuật toan tiến hóa mới khác với các kỹ thuật tính toán tiến hóa trước đây ở chỗ nó dựa trên việc mô phỏng cách cư xử xã hội Trong một hệ thống PSO, mỗi phần tử trong bầy đàn ẽ thay đổi vị trí bằng cách di chuyển nhiều vị trí khác nhau trong không gian tìm kiếm cho đến khi tìm được vị trí tốt nhất. Khái niệm về sự thay đổi những điểm tìm kiếm của giải thuật PSO được biểu diễn ở hình 1.18: 0 X i k V i k V i P best P best X i k+1 V i k+1 V i G best G best i i Hình 1.18: Sự cập nhật vị trí của mỗi cá thể trong quần thể 1.4.1.2. Thuật toán tối ưu ầy đàn PSO *) Mô tả thuật toán PSO : Bước 1: Khởi tạo Học viên : Ngô Thị Kiều Oanh HDKH: PGS.TS. Lại Khắc Lãi 3 Nghiên cứu giải thuật bầy đàn và ứng dụng tìm thông số tối ưu cho bộ điều khiển Chọn số N các cả thể (kích thước quần thể) với chỉ số đi từ 0 đến (N-1). Với mỗi cá thể i, khởi tạo ngẫu nhiên vector vị trí X i , vector vận tốc V i . Vị trí tốt nhất của cá thể thứ i, P i và chỉ số g của cá thể tốt nhất khởi tạo bằng 0. Bước 2: Lặp Với mỗi cá thể thứ i, có vector vị trí X i và vector vận tốc V i . 2.1. Tính giá trị hàm mục tiêu f(X i ) 2.2. Nếu f(X i ) nhỏ hơn f(P i ), gán P i = X i 2.3. Nếu f(P i ) nhỏ hơn f(P g ), gán g = i 2.4. Cập nhật vận tốc V i theo công thức: V id = V id + c 1 r 1 (P id - X id ) + c 2 r 2 (P gd - X id ) (1.48) Trong đó: d = 0, 1, 2, , (D - 1) i = 0, 1, 2, , (N - 1) c 1 và c 2 là hai hằng số dương r 1 và r 2 là hai giá trị ngẫu nhiên trong đoạn [0,1]. 2.5. Cập nhật vector vị trí X i theo công thức: X id = X id + V id (1.49) 2.6. Nếu chỉ số hội tụ đạt ngưỡng, dừng việc tìm kiếm, nếu không, lặp lại bước 2. 1.4.2. Các cải tiến của thuật toán PSO Kết luận chương 1: Động cơ điện một chiều được sử dụng rộng rãi và phổ biến trong các dây chuyền thiết bị, các cơ cấu vận hành như thang máy, máy nâng Chất lượng điều chỉnh tốc độ cao, có phạm vi điều chỉnh rộng, dễ dàng điều khiển. Bộ điều khiển PID có thể sử dụng để điều khiển bất kỳ quá trình nào mà có đầu ra đo được. Hoạt động tin cậy, đơn giản và dễ dàng cài đặt tham số cũng như bảo trì hệ thống. Phương pháp tối ưu bầy đàn sử dụng sự tương tác giữa các cá thể trong một quần thể để khám phá không gian tìm kiếm. Thuật toán có nhiều ứng dụng quan trọng trong tất cả các lĩnh vực mà ở đó đòi hỏi phải giải quyết các bài toán tối ưu hóa. CHƯƠNG II MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU Học viên : Ngô Thị Kiều Oanh HDKH: PGS.TS. Lại Khắc Lãi 4 Nghiên cứu giải thuật bầy đàn và ứng dụng tìm thông số tối ưu cho bộ điều khiển 2.1. Xây dựng mô hình toán động cơ một chiều Ua Ra Ra Ub Tm Jm Bm θ Ia Hình 2.1. Sơ đồ nguyên lý động cơ điện một chiều 2.2. Xây dựng các khối mô phỏng động cơ một chiều trên Simulink của phần mềm Matlab Mô hình động cơ một chiều trên Simulink Hình 2.3. Mô hình động cơ một chiều trên Simulink khi đã thay số liệu 2.3. Xây dựng bộ điều khiển PID kinh điển điều khiển vị trí động cơ một chiều Bộ điều khiển PID được dùng rộng rãi trong các ứng dụng điều khiển bởi vì thuật toán điều khiển đơn giản và tiết kiệm về kinh tế. Học viên : Ngô Thị Kiều Oanh HDKH: PGS.TS. Lại Khắc Lãi 5 Nghiên cứu giải thuật bầy đàn và ứng dụng tìm thông số tối ưu cho bộ điều khiển Hình 2.4. Hệ thống điều khiển vị trí động cơ một chiều sử dụng bộ điều khiển PID Kết luận chương II: - Việc xây dựng được mô hình đối tượng nói chung và động cơ một chiều nói riêng trong đề tài giúp các cán bộ kỹ thuật có thể kiểm tra các nguyên lý hoạt động, các đặc tính, các phương pháp điều khiển. Qua đó kiểm chứng được tính khả thi của nghiên cứu, tiết kiệm về chi phí. - Xây dựng bộ điều khiển vị trí động cơ sử dụng thuật toán Zigler – Nichols được xem là khá đơn giản và hiệu quả, được sử dụng rộng rãi trong việc tổng hợp và xây dựng hệ thống điều khiển. Tuy nhiên nhược điểm của phương pháp này là phải bằng thực nghiệm do tìm các tham số tối ưu. Mỗi lần tham số của đối tượng thay đổi, người vận hành phải chỉnh định lại từ đầu. CHƯƠNG III ỨNG DỤNG GIẢI THUẬT BẦY ĐÀN ĐỂ XÁC ĐỊNH THÔNG SỐ TỐI ƯU CỦA BỘ ĐIỀU KHIỂN PID 3.1. Xây dựng lưu đồ thuật toán Học viên : Ngô Thị Kiều Oanh HDKH: PGS.TS. Lại Khắc Lãi 6 Nghiên cứu giải thuật bầy đàn và ứng dụng tìm thông số tối ưu cho bộ điều khiển Bé ®iÒu khiÓn PID §éng c¬ mét chiÒu α (−) u ThuËt to¸n PSO Hµm môc tiªu Kp Ki Kd e y Hình 3.1. Cấu trúc bộ điều khiển PID-PSO Các bước tìm tham số bộ điều khiển PID bằng giải thuật bầy đàn: • Bước 1:Thiết lập các giá trị cho giải thuật bầy đàn Khởi tạo kích thước của quần thể n; Số bước lặp Kmax; Trọng số quán tính C1 và C2; Số chiều không gian tìm kiếm d. • Bước 2: Khởi tạo giá trị vị trí X k và vận tốc V k với giá trị ngẫu nhiên cho mỗi cá thể thứ i trong quần thể. • Bước 3: Đánh giá hàm đối tượng và ghi lại các giá trị Pik và Gik của mỗi cá thể. Đánh giá hàm mục tiêu trong không gian d. • Bước 4. So sánh hàm mục tiêu của mỗi cá thể với giá trị Pik và cập nhật giá trị tốt nhất của mỗi cá thể. • Bước 5. Cập nhật vị trí và vận tốc của mỗi cá thể theo biểu thức 3.1 và 3.2 • Bước 6. Lặp lại từ bước 2 đến bước 5 cho tới khi đủ số lần lặp n. Ghi lại các giá trị tối ưu Kp và Kd. • Bước 7. Chạy và kiểm tra mô hình hệ thống trên Simulink với các tham số tối ưu của bộ điều khiển PID. 3.2. Lập trình tìm tham số bộ điều khiển PID bằng giải thuật bầy đàn Dưới đây là chương trình được viết trên m_file của phần mềm matlab: %% Toi uu tham so bo dieu khien PID bang giai thuat bay dan %% Chuong trinh duoc xay dung boi Ngo Thi Kieu Oanh %% Email: Oanh.tnut.na@gmail.com %% Dien thoai: 0948110966 %% Khoi tao cho PSO clc clear all Học viên : Ngô Thị Kiều Oanh HDKH: PGS.TS. Lại Khắc Lãi 7 Nghiên cứu giải thuật bầy đàn và ứng dụng tìm thông số tối ưu cho bộ điều khiển n = 50; % Kich thuoc quan the Kmax =150; % So buoc lap d = 2; % So chieu khong gian tim kiem c2 =1.2; % Tham so C1 (He so gia toc) c1 = 0.12; % Tham so C2 w =0.9; % Trong so quan tinh f=0*ones(n,Kmax) % Ham muc tieu R1 = rand(d, n); %Tao ma tran ngau nhien gom d hang va n cot R2 = rand(d, n); fc =0*ones(n,1); % Muc tieu hien tai Xik = 10*(rand(d, n)-0.7); % Vi tri ca the thu i tai the he thu k Vik = 0.2*randn(d, n); % Van toc ca the thu i tai the he thu k Pbest = Xik; % Vi tri tot nhat cua ca the thu i for i = 1:n fc(i) = Oanh_K14(Xik(:,i)) end flb = fc; % Muc tieu tot nhat cua ca the thu i for i=1:n Gbest(:,i) = Pbest(:,g); end Vik = w *Vik + c1*(R1.*(Pbest-Xik)) + c2*(R2.*(Gbest-Xik)); Xik = Xik + Vik; %% Vong lap chinh J = 0 ; % Buoc lap dau tien while ( J < Kmax ) J = J + 1; for i = 1:n, fc(i) = Oanh_K14(Xik(:,i)) ; end for i = 1:n if fc(i) < flb(i) flb(i) = fc(i); Pbest(:,i) = Xik(:,i) ; end end Học viên : Ngô Thị Kiều Oanh HDKH: PGS.TS. Lại Khắc Lãi 8 Nghiên cứu giải thuật bầy đàn và ứng dụng tìm thông số tối ưu cho bộ điều khiển [fcgb,g] = min(flb); % fcgb: Muc tieu tot nhat hien tai cua %ca the trong quan the if fcgb < fgb fgb = fcgb; % Muc tieu tot nhat cua ca the trong quan the for i=1:n Gbest(:,i) = Pbest(:,g); end end Vik = w *Vik + c1*(R1.*(Pbest-Xik)) + c2*(R2.*(Gbest-Xik)); Xik = Xik + Vik; sprintf('Buoc lap thu %3.0f ', J ) end % Ket thuc vong lap while xx=f(:,50); [Y,I] = min(xx); Xik(:,I); Kp = Xik(1) Kd = Xik(2) 3.3. Xây dựng mô hình hệ thống điều khiển vị trí động cơ điện một chiều trên Matlab – Simulink Mô hình hệ thống điều khiển trên Simulink như hình vẽ dưới đây: Học viên : Ngô Thị Kiều Oanh HDKH: PGS.TS. Lại Khắc Lãi 9 Nghiên cứu giải thuật bầy đàn và ứng dụng tìm thông số tối ưu cho bộ điều khiển Hình 3.3. Hệ thống điều khiển vị trí động cơ sử dụng bộ điều khiển PID-PSO Học viên : Ngô Thị Kiều Oanh HDKH: PGS.TS. Lại Khắc Lãi 10 [...]... do bộ nguồn cho mạch không ổn định; trong quá trình làm việc, các linh kiện trong mô hình có ssự tỏa nhiệt, có sự trôi tín hiệu; do nhiễu Học viên : Ngô Thị Kiều Oanh 22 HDKH: PGS.TS Lại Khắc Lãi Nghiên cứu giải thuật bầy đàn và ứng dụng tìm thông số tối ưu cho bộ điều khiển CHƯƠNG VI KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI * Kết luận: Đề tài: "Nghiên cứu giải thuật bầy đàn và ứng dụng tìm thông số tối. .. Lãi Nghiên cứu giải thuật bầy đàn và ứng dụng tìm thông số tối ưu cho bộ điều khiển Lượng quá điều chỉnh: δ = θ max − θ yc = 10, 4 − 10 = 0, 4 Sai lệch tĩnh: St % = θ yc − θ xl θ yc = 10 − 9,95 100 = 0,5% 10 Dòng điện khởi động ứng với tín hiệu đặt là 0,382 A, thời gian xác lập là 2s 4.2 Kết quả mô phỏng hệ thống khi sử dụng giải thuật tối ưu bầy đàn tìm tham số PID Quá trình tối ưu theo thuật toán bầy. .. ưu cho bộ điều khiển" đã đạt được một số kết quả như sau: 1.Đánh giá tổng quan về các phương pháp tổng hợp bộ điều khiển PID 2.Mô hình hóa động cơ một chiều trên phần mềm Matlab-Simulink 3 .Ứng dụng giải thuật bầy đàn để xác định thông số tối ưu của bộ điều khiển PID 4.Xây dựng được mô hình thực nghiệm đáp ứng yêu cầu của bài toán Các kết quả nghiên cứu cho thấy giải thuật tối ưu bầy đàn có thể áp dụng. .. nghiệm tối ưu với các bài toán chứa nhiều tham số 3 Triệt tiêu nhiễu tác động trong quá trình làm việc Học viên : Ngô Thị Kiều Oanh 23 HDKH: PGS.TS Lại Khắc Lãi Nghiên cứu giải thuật bầy đàn và ứng dụng tìm thông số tối ưu cho bộ điều khiển TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Doãn Phước; Lý thuyết điều khiển phi tuyến-NXB Khoa học và Kỹ thuật [2] Phan Xuân Minh, Nguyễn Doãn Phước; Lý thuyết điều khiển mờ-... toán bầy đàn sau 150 bước lặp giá trị tính được là Kp = 1,2888; Kd = 2,2992 Toi uu tham so bo dieu khien PID bang thuat toan PSO 8 6 4 Kd Kp; Kd 2 Kp 0 -2 -4 -6 0 50 100 150 Buoc lap Kmax Hình 4.8: Độ hội tụ của các tham số Kp, Kd khi sử dụng giải thuật bầy đàn Học viên : Ngô Thị Kiều Oanh 15 HDKH: PGS.TS Lại Khắc Lãi Nghiên cứu giải thuật bầy đàn và ứng dụng tìm thông số tối ưu cho bộ điều khiển 1.4.. .Nghiên cứu giải thuật bầy đàn và ứng dụng tìm thông số tối ưu cho bộ điều khiển CHƯƠNG IV KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 4.1 Kết quả mô phỏng hệ thống khi sử dụng phương pháp cổ điển Ziegler – Nichols tìm tham số PID Sau khi chỉnh định tham số theo phương pháp Ziegler – Nichols, hệ thống ổn định với Kp = 5; Ki = 0; Kd = 0,4 như hình dưới đây: Hình 4.1 Hệ số Kp; Ki; Kd khi hệ thống ổn... trí thì phương pháp tổng hợp bộ điều khiển PID – PSO có phần nhỉnh hơn do lượng quá điều chỉnh bằng 0, sai lệch tĩnh St(%) là 0,1, dòng điện phần ứng khi xảy ra quá độ rất nhỏ, khả năng bám vị trí tốt CHƯƠNG V Học viên : Ngô Thị Kiều Oanh 19 HDKH: PGS.TS Lại Khắc Lãi Nghiên cứu giải thuật bầy đàn và ứng dụng tìm thông số tối ưu cho bộ điều khiển MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM 5.1 Vài nét về bo mạch Arduino Để... dụng cho nhiều bài toán tối ưu khác nhau Tuy nhiên hạn chế của thuật toán là với các đối tượng phức tạp, có nhiều yếu tố ảnh hưởng thì số bước lặp của thuật toán tăng, thời gian tính toán khá lớn * Hướng phát triển của đề tài: 1 Giải quyết bài toán tìm tham số tối ưu cho bộ điều khiển ứng dụng cho các đối tượng có sự thay đổi tham số mạnh trong quá trình làm việc 2 Cải tiến thuật toán tối ưu bầy đàn. .. Lãi Nghiên cứu giải thuật bầy đàn và ứng dụng tìm thông số tối ưu cho bộ điều khiển 1.4 1.2 Theta(rad) 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0 1 2 3 4 5 t(s) 6 7 8 9 10 Hình 4.2 Đáp ứng vị trí của hệ khi tín hiệu vào là hàm bước nhảy 2.5 2 W(rad/s) 1.5 1 0.5 0 -0.5 0 1 2 3 4 5 t(s) 6 7 8 9 10 Hình 4.3 Đáp ứng tốc độ góc với tín hiệu hàm bước nhảy Học viên : Ngô Thị Kiều Oanh 12 HDKH: PGS.TS Lại Khắc Lãi Nghiên cứu giải. .. máy tính thông qua giao thức Serial Do đó mà có thể viết chương trình để đổ vào bo mạch hoặc không cần viết chương trình trên Arduino Sơ đồ nguyên lý bo mạch Arduino trên Proteus như hình vẽ 5.2 dưới đây Học viên : Ngô Thị Kiều Oanh 20 HDKH: PGS.TS Lại Khắc Lãi Nghiên cứu giải thuật bầy đàn và ứng dụng tìm thông số tối ưu cho bộ điều khiển 5.2 Mạch cầu H 5.3 Vài hình ảnh về mạch thực tế sử dụng trong . các tham số Kp, Kd khi sử dụng giải thuật bầy đàn Học viên : Ngô Thị Kiều Oanh HDKH: PGS.TS. Lại Khắc Lãi 15 Nghiên cứu giải thuật bầy đàn và ứng dụng tìm thông số tối ưu cho bộ điều khiển 0 1. PGS.TS. Lại Khắc Lãi 9 Nghiên cứu giải thuật bầy đàn và ứng dụng tìm thông số tối ưu cho bộ điều khiển Hình 3.3. Hệ thống điều khiển vị trí động cơ sử dụng bộ điều khiển PID-PSO Học viên. Ziegler- Nichols thứ hai Học viên : Ngô Thị Kiều Oanh HDKH: PGS.TS. Lại Khắc Lãi 2 Nghiên cứu giải thuật bầy đàn và ứng dụng tìm thông số tối ưu cho bộ điều khiển Phương pháp này thay bộ điều khiển