NGHIÊN cứu ỨNG DỤNG điều KHIỂN mờ NƠRON CHO hệ THÍ NGHIỆM TRUYỀN ĐỘNG BÓNG – TAY đòn

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP VŨ NGUYÊN HẢI NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN MỜ NƠRON CHO HỆ THÍ NGHIỆM TRUYỀN Đ#NG BÓNG – TAY ĐÒN Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 60 52 02 16 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Thái Nguyên, 2014 Công trình được hoàn thành tại TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN Người hướng dẫn khoa học: TS. Đào Huy Du Phản biện 1: TS. Nguyễn Văn Vỵ Phản biện 2: TS. Đỗ Trung Hải Luận văn này được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn Họp tại: TRƯỜNG ĐH KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN Vào hồi 09 giờ 30 ngày 18 tháng 8 năm 2014 Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm học liệu Đại học Thái Nguyên - Thư viện trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN Bài báo khoa học Hai giải pháp mới điều khiển hệ Ball and Beam Tác giả: Vũ Nguyên Hải, Lại Thị Thanh Hoa Đã được phản biện và đồng ý đăng trên tạp chí Khoa học & Công nghệ - Đại học Thái Nguyên. 1 MỞ ĐẦU Điều khiển - Tự động đang là một trong những ngành trọng điểm của ngành công nghiệp điện trên đà phát triển một cách tích cực trong nền công nghiệp của nước nhà. Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật hiện đại, việc nâng cao chất lượng điều khiển luôn là vấn đề cấp thiết được nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước quan tâm. Như chúng ta đã biết, các thiết bị ứng dụng điều khiển kinh điển chủ yếu được thiết kế theo phương pháp tuyến tính hóa gần đúng. Khi thông số của hệ thống thay đổi mà thông số của bộ điều khiển giữ nguyên dẫn đến làm giảm độ chính xác điều khiển ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm. Sự ra đời của lý thuyết điều khiển mới (điều khiển thích nghi, điều khiển mờ mạng nơ ron…) đã tạo điều kiện cho việc xây dựng các bộ điều khiển thông minh đáp ứng yêu cầu công nghệ ngày càng cao của nền sản xuất hiện đại. Đặc biệt các bộ điều khiển thông minh nói trên còn được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp quốc phòng mà mức độ điều khiển đòi hỏi độ chính xác rất cao đảm bảo loại bỏ các nhiễu tiền định và nhiễu ngẫu nhiên… Đề tài: “Nghiên cứu ứng dụng điều khiển mờ nơron cho hệ thí nghiệm truyền động Bóng - Tay đòn” là nghiên cứu ứng dụng lý thuyết vào điều khiển hệ vật lý trong phòng thí nghiệm đây là một bước rất quan trọng không thể thiếu trong quá trình thiết kế bộ điều khiển trong thực tế. Kết quả của đề tài có thể sử dụng để thiết kế các bộ điều khiển trên cơ sở lý thuyết mờ để điều khiển ra đa, điều khiển cân bằng cho máy bay không người lái… 2 Đề tài này đặt ra mục tiêu chính là: Xây dựng bộ điều khiển mờ nơron điều khiển bộ thí nghiệm truyền động Bóng - Tay đòn tại Phòng thí nghiệm khoa Điện tử Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên. 3 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ ĐIỀU KHIỂN TỰ Đ#NG 1.1 CÁC HỆ ĐIỀU KHIỂN KINH ĐIỂN 1.1.1 Tổng hợp bộ điều khiển tuyến tính Các bộ điều chỉnh PID tuyến tính (Bao gồm P, PI, PD và PID) đã được nghiên cứu và phát triển tới mức hoàn thiện. Để xác định thông số tối ưu (Kp, Ki,Kd) của PID ta có thể dùng phương pháp môdul tối ưu, phương pháp môđul đối xứng và các phần mềm chuyên dụng (ví dụ MATLAB) để tự động xác định tối ưu các thông số PID. Đặc điểm của các phương pháp này là cần phải biết chính xác mô hình của đối tượng. 1.1.2 Tổng hợp hệ điều khiển phi tuyến Thực tế các hệ thống và các đối tượng vật lý ít nhiều đều có tính phi tuyến, chúng chỉ tuyến tính trong 1 vùng làm việc nào đó. Vì vậy việc nghiên cứu tổng hợp hệ phi tuyến có ý nghĩa thực tiễn và phổ biến. Để phân tích và tổng hợp hệ phi tuyến ta phải dùng các phương pháp gần đúng: - Phương pháp tuyến tính hoá gần đúng - Phương pháp tuyến tính hoá điều hoà - Phương pháp tuyến tính hoá từng đoạn - Phương pháp mặt phẳng pha 1.2 LOGIC MỜ VÀ ĐIỀU KHIỂN MỜ 1.2.1 Giới thiệu   ! Cấu trúc chung của một bộ điều khiển mờ gồm 4 khối: Khối mờ hoá, khối hợp thành, khối luật mờ và khối giải mờ 1.2.3 Bộ điều khiển mờ động 4 Là bộ điều khiển mờ mà đầu vào có xét tới các trạng thái động của đối tượng. Các bộ điều khiển mờ động hay được dùng hiện nay là bộ điều khiển mờ theo luật tỉ lệ tích phân, tỉ lệ vi phân và tỉ lệ vi tích phân ( I, PI, PD và PI). 1.2.4 Nhận xét Qua nghiên cứu ta nhận thấy rằng bộ điều khiển mờ có tính phi tuyến mạnh, khả năng chống nhiễu cao, nó rất phù hợp với hệ có tính phi tuyến, phụ thuộc thời gian, có tham số rải và thời gian trễ lớn. 1.3 MẠNG NƠ RON 1.3.1 Mô hình nơron sinh học "#$%&'(')( "*+,-)('. - Tính phân lớp - Tính mô đun - Mối liên kết - Xử lý phân tán các tín hiêu vào 1.3.2 Phần tử xử lý Mô hình phần tử xử lý (Processing elements) dạng M - P, do Culloch và Pitts đề xuất năm 1943. 1.3.3 Các loại mô hình cấu trúc mạng nơron Mạng nơron truyền thẳng một lớp Mạng nơron truyền thẳng nhiều lớp Mạng nơron chỉ có một nơron tự hồi quy Mạng nơron hồi quy một lớp Mạng có cấu trúc ngang - hạn chế Mạng nơron hồi quy nhiều lớp 1.3.4 Các tính chất của mạng nơron - Là hệ phi tuyến 5 - Là hệ xử lý song song - Là hệ học và thích nghi - Là hệ nhiều biến, là hệ nhiều đầu vào, nhiều đầu ra 1.3.5 Các luật học "/012'! "/01' "/"01&'2'! Với nội dung của đề tài “3'45 5'67' ! ((8,'8! 9'2':9;<. Ta phải thực hiện những nội dung sau: + Xây dựng mô hình toán cho hệ thí nghiệm truyền động bóng – tay đòn + Thiết kế bộ điều khiển mờ nơron cho hệ thí nghiệm truyền động bóng – tay đòn + Tiến hành mô phỏng và làm thí nghiệm trên hệ thống thực. 6 CHƯƠNG 2 HỆ BÓNG TAY ĐÒN 2.1. GIỚI THIỆU HỆ BÓNG – TAY ĐÒN Hệ bóng – tay đòn là một hệ điều khiển phức tạp, nó giống như việc điều khiển quỹ đạo của tên lửa hay định vị một vệ tinh trong vũ trụ. 2.2. MÔ TẢ TOÁN HỌC CHO HỆ BÓNG – TAY ĐÒN 2.2.1 . Hàm truyền của hệ quả bóng lăn trên mặt nghiêng 7 F F n X Y α 0=>?*$@67'$4A -2' Khớp cố định Tayđòn Tay biên Bánh truyền lực Bánh răng chủ đạo 0=?B&=8C2':D9; [...]... hiểu về đối tượng là hệ thí nghiệm truyền động bóng – tay đòn tại phòng thí nghiệm trường ĐH KTCN - Thiết kế bộ điều khiển PID kinh điển - Thiết kế bộ điều khiển mờ nơron - Tiến hành mô phỏng và làm thí nghiệm thực sử dụng bộ điều khiển PID kinh điển và bộ điều khiển mờ nơron trên hệ thí nghiệm truyền động bóng – tay đòn tại phòng thí nghiệm trường ĐH KTCN So sánh và rút ra kết luận Đánh giá nội dung của... động thì bộ điều khiển này chưa khắc phục được nhiều Nguyên nhân là tập dữ liệu huấn luyện mạng chưa thật hoàn hảo 17 3.3 Kết quả thực nghiệm Sơ đồ thí nghiệm như hình 3.17 Trong thí nghiệm này, ta thay bộ điều khiển G1 bằng bộ điều khiển mờ nơron Như vậy mạch vòng trong vẫn sử dụng phương pháp điều khiển kinh điển còn mạch vòng ngoài là điều khiển mờ nơron Để kết nối bộ điều khiển mờ vào hệ thống... tính điều chỉnh hệ bóng – tay đòn khi sử dụng bộ điều khiển mờ nơron với tín hiệu đặt thay đổi Vị trí 0.2 0 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -1 t(s) 10 20 30 40 50 Hình 3.18: Đặc tính động của hệ thống khi sử dụng bộ điều khiển mờ nơron ở vòng ngoài với tín hiệu đặt không đổi 19 KẾT LUẬN – ĐÁNH GIÁ Luận văn đã thực hiện được những công việc sau: - Đã tìm hiểu về đối tượng là hệ thí nghiệm truyền động bóng – tay đòn. .. một cách linh hoạt Trong luận văn này tác giả đề xuất sử dụng bộ điều khiển Mờ- Nơron 3.2 Thiết kế bộ điều khiển mờ nơron cho hệ Bóng - Tay đòn 3.2.1 Cấu trúc bộ điều khiển Mờ- Nơron (FNC - Fuzzy Neural Controler) Hình 3.7: Cấu trúc của bộ điều khiển Mờ- Nơron 3.2.2 Huấn luyện mạng Để huấn luyện mạng FNC ta cần có bộ dữ liệu huấn luyện, tác giả sử dụng mô hình mẫu để thu nhận tập dữ liệu huấn luyện 15... tính toán các thông số của các bộ điều khiển kinh điển, điều khiển mờ Sau đó tiến hành thực nghiệm để kiểm tra các thuật toán điều khiển, các nội dung này sẽ được trình bày ở chương 3 12 CHƯƠNG III THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN HỆ BÓNG - TAY ĐÒN 3.1 Điều khiển hệ Bóng - Tay đòn bằng bộ điều khiển kinh điển Đặt - G1(s) - 297 s(s+37,5) G2(s) 0,0277 θ 4,8 s2 X Góc trục 0,73 Vị trí bóng Hình 3.1: Sơ đồ cấu trúc hệ... 8 9 10 Hình 3.4: Đáp ứng động của hệ thống khi có nhiễu tác động * Nhận xét: Từ các kết quả mô phỏng trên ta thấy khi sử dụng các bộ điều khiển kinh điển để điều khiển hệ bóng – tay đòn thì đáp ứng của hệ thống khá tốt nếu không có nhiễu Song khi có nhiễu tác động vào quả bóng thì vị trí quả bóng dao động khá nhiều Để khắc phục hiện 14 tượng này cần phải có giải pháp để bộ điều khiển có thể thay đổi... bộ điều khiển FNC khi không có nhiễu 16 1.2 1 Vi tri 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0 1 2 3 4 5 6 Thoi gian (s) 7 8 9 10 Hình 3.16: Đặc tính động của hệ thống với bộ điều khiển FNC khi có nhiễu * Nhận xét: Từ các kết quả mô phỏng ta thấy bộ điều khiển Mờ- Nơron (FNC) đề xuất có thể huấn luyện để điều khiển hệ thống Bóng - Tay đòn với đặc tính động rất tốt khi không có nhiễu Tuy nhiên khi có nhiễu tác động thì bộ điều. .. của hệ động cơ + tải Từ các kết quả trên ta có sơ đồ cấu trúc của hệ Bóng- Tay đòn Đặt - G1(s) - 297 s(s+37,5) G2(s) 0,0277 θ 4,8 s2 X Góc trục 0,73 Vị trí bóng Hình 2.5: Sơ đồ cấu trúc hệ B&B 2.3 ĐIỀU KHIỂN PID KINH ĐIỂN CHO HỆ BÓNG – TAY ĐÒN 2.3.1 Các bộ điều chỉnh tương tự 2.3.1.1 Bộ điều chỉnh tỉ lệ (P) Hiện nay, hầu hết các bộ điều chỉnh tỉ lệ đều đực xây dựng trên cơ sở các bộ khuếch đại thuật... chung và cũng có thể thiết dạng ba bộ điều chỉnh P, I, D độc lập, sau đó sử dụng mạch cộng để được bộ điều chỉnh PID 2.3.1.4 Bộ điều chỉnh tích phân (I) Hình 2.12: Sơ đồ mạch điện bộ điều chỉnh tích phân 2.3.2 Sơ đồ lắp đặt điều khiển thực nghiệm hệ Bóng - Tay đòn C1 C1 R1 R3 + C2 R1 R4 R2 R3 G1 Khuếch đại công suất C2 + R4 +U R2 - G2 -U +1 2 +U -12 -U - + Vị trí bóng + Góc trục 11 Các kết quả thu được... đổi NI USB 6008 và dùng phần mền MATLAB điều khiển thực (real time) Vị trí 0.2 Vị trí 0.2 0 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 0 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -1 t(s) 10 20 30 40 50 Hình 3.18: Đặc tính động của hệ thống khi sử dụng bộ điều khiển mờ nơron ở vòng ngoài với tín hiệu đặt không đổi -1 t(s) 10 20 30 40 50 Hình 3.18: Đặc tính động của hệ thống khi sử dụng bộ điều khiển mờ nơron ở vòng ngoài với tín hiệu đặt không . dựng mô hình toán cho hệ thí nghiệm truyền động bóng – tay đòn + Thiết kế bộ điều khiển mờ nơron cho hệ thí nghiệm truyền động bóng – tay đòn + Tiến hành mô phỏng và làm thí nghiệm trên hệ thống. HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP VŨ NGUYÊN HẢI NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN MỜ NƠRON CHO HỆ THÍ NGHIỆM TRUYỀN Đ#NG BÓNG – TAY ĐÒN Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 60 52 02 16 TÓM. độ điều khiển đòi hỏi độ chính xác rất cao đảm bảo loại bỏ các nhiễu tiền định và nhiễu ngẫu nhiên… Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng điều khiển mờ nơron cho hệ thí nghiệm truyền động Bóng - Tay đòn