NGHIÊN cứu ỨNG DỤNG điều KHIỂN mờ THÍCH NGHI CHO bộ THÍ NGHIỆM TRUYỀN ĐỘNG BÓNG – TAY đòn

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LẠI THỊ THANH HOA NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN MỜ THÍCH NGHI CHO BỘ THÍ NGHIỆM TRUYỀN ĐỘNG 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: PGS. TS Nguyễn Thanh Hà Phản biện 1: PGS.TS Nguyễn Hữu Công Phản biện 2: PGS.TS Nguyễn Như Hiển Luận văn này được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn Họp tại: TRƯỜNG ĐH KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN Vào hồi 17 giờ 30 ngày 23 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. Với 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 thích nghi cho bộ 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 tầm và hướng pháo trên tàu chiến, 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 thích nghi 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 ĐỘNG 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 1.2.1.1 Lịch sử ra đời và phát triển 1.2.1.2 Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ 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 4 1.2.3 Bộ điều khiển mờ động 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 Hệ điều khiển mờ lai Hệ mờ lai viết tắt là F-PID là hệ điều khiển trong đó thiết bị điều khiển gồm 2 thành phần: Thành phần điều khiển kinh điển và thành phần điều khiển mờ. 1.3 ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI 1.3.1 Giới thiệu Điều khiển thích nghi là tổng hợp các kỹ thuật nhằm chỉnh định các bộ điều chỉnh trong mạch điều khiển nhằm thực hiện hay duy trì chất lượng của hệ thống ở một mức độ nhất định khi thông số của quá trình được điều khiển không biết trước hoặc thay đổi theo thời gian. 1.3.2 Tổng hợp hệ điều khiển thích nghi trên cơ sở lý thuyết tối ưu cục bộ (Phương pháp Gradient) 5 0 10 20 30 40 t(s) -1 -0.5 0 0.5 1 Hình 1.13: Đáp ứng của đối tượng và mô hình với kích thích xung chữ nhật. Chỉ tiêu chất lượng được đánh giá theo tích phân bình phương sai lệch J=1,477 Phương pháp Gradient giúp ta dễ dàng tìm ra luật điều khiển nhưng chỉ giới hạn ở miền biến thiên thông số trong dải hẹp. Khó khảo sát vùng ổn định của hệ thống, đặc biệt đối với hệ bậc cao thì không thể xác định được vùng ổn định chính xác. 1.3.3 Tổng hợp hệ thống ĐK thích nghi trên cơ sở ổn định tuyệt đối 1.3.4 Tổng hợp hệ thống điều khiển thích nghi dùng lý thuyết Lyapunov So với luật Gradient, luật điều chỉnh xây dựng từ lý thuyết Lyapunov đơn giản hơn bởi vì nó không yêu cầu phải lọc tín hiệu. - Phương pháp hàm Lyapunov có một số ưu điểm trong bài toán ổn định. Bởi vì nó được xây dựng trên cơ sở các hàm đã biết, không đòi hỏi tìm nghiệm bằng các thuật toán phức tạp. Kinh nghiệm trong vấn đề xây dựng hàm Lyapunov là tìm hàm tối ưu cho từng trường hợp cụ thể, tức là tìm hàm cho điều kiện đủ tốt nhất của bài toán ổn định. - Đối với các hệ có vế phải phụ thuộc thời gian việc xây dựng hàm Lyapunov gặp khó khăn hơn nhiều so với hệ dừng (không phụ thuộc thời gian). - Vấn đề xây dựng hàm Lyapunov trong miền cho trước đối với hệ phi tuyến không thể khẳng định đã giải quyết một cách trọn vẹn và đầy đủ. Thực tế cho thấy chưa có một loại hàm Lyapunov nào mang tính tổng quát 1.3.5 Điều khiển mờ thích nghi Hệ điều khiển thích nghi mờ là hệ điều khiển thích nghi được xây dựng trên cơ sở của hệ mờ. 6 1.3.5.1 Các phương pháp điều khiển thích nghi mờ Với nội dung của đề tài “Nghiên cứu ứng dụng điều khiển mờ nơron cho hệ thí nghiệm truyền động bóng - tay đòn”. 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. 7 Cơ cấu thích nghi Nhận dạng Đối tượng Bộ điều khiển Hình 1.19 Cấu trúc phương pháp điều khiển thích nghi trực tiếp Chỉnh định Phiếm hàm mục tiêu Đối tượng Bộ điều khiển Hình 1.20 Cấu trúc phương pháp điều khiển thích nghi gián tiếp 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 8 F F n X Y α Hình 2.4: Các lực tác dụng lên quả bóng Khớp cố định Tayđòn Tay biên Bánh truyền lực Bánh răng chủ đạo Hình 2.2: Mô hình hệ Bóng-Tay đòn [...]... luận văn này tác giả đề xuất sử dụng bộ điều khiển Mờ- Nơron 3.2 Thiết kế bộ điều khiển thích nghi mờ cho hệ Bóng - Tay đòn 3.2.1 Cấu trúc bộ điều khiển thích nghi mờ ym Mô hình mẫu Gm ε + Hình 3.6: Sơ đồ khối bộ điều Cơ cấuthích nghi mờ khiển theo mô hình thích nghi mẫu e UC y FLC u Đối tượng K 3.2.2 Kết quả mô phỏng G cơ bản + Sau khi thiết kế xong bộ điều khiển mờ thích nghi, kết nối vào đối FLC tượng... thực nghi m việc điều khiển hệ bóng tay đòn bằng bộ PID kinh điển Trình bày kết quả thiết kế, mô phỏng và thực nghi m việc điều khiển hệ bóng tay đòn bằng bộ điều khiển mờ thích nghi theo mô hình mẫu song song Các kết quả thu được từ đặc tính động và đặc tính điều chỉnh cho thấy việc sử dụng điều khiển mờ thích nghi có thể nâng cao chất lượng điều khiển và khả năng kháng nhiễu cho hệ bóng – tay đòn. .. thống khi sử dụng PID kinh điển và khi sử dụng bộ điều khiển mờ thích nghi có nhiễu * Nhận xét: Từ các kết quả mô phỏng ta thấy khi không có nhiễu tác động vào hệ Bóng - Tay đòn thì đặc tính động của hệ thống khi sử dụng PID kinh điển và bộ điều khiển mờ thích nghi không khác nhau nhiều Khi có nhiễu tác động, đáp ứng động của hệ điều khiển thích nghi mờ tốt hơn 3.3 Kết quả thực nghi m Sơ đồ thí nghi m như... khả thi của bộ điều khiển đề xuất 21 KẾT LUẬN – ĐÁNH GIÁ Luận văn đã thực hiện được những công việc sau: - Đã tìm hiểu về đối tượng là hệ thí nghi m truyền động bóng – tay đòn tại phòng thí nghi m Khoa Điện tử - Trường Đại học kỹ thuật công nghi p; xây dựng mô hình toán cho hệ thống - Thiết kế bộ điều khiển PID kinh điển - Thiết kế bộ điều khiển mờ thích nghi - Tiến hành mô phỏng và làm thí nghi m thực... làm thí nghi m thực trên hệ thí nghi m truyền động bóng – tay đòn sử dụng bộ điều khiển PID kinh điển và bộ điều khiển mờ thích nghi So sánh các kết quả khi có nhiễu và không có nhiễu ứng với 2 bộ điều khiển Đánh giá nội dung của đề tài: Đề tài đã hoàn thành các nội dung yêu cầu 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 các hệ thống thực như... quả thực nghi m Sơ đồ thí nghi m như hình trên Trong thí nghi m này, ta thay bộ điều khiển G1 bằng bộ điều khiển mờ thích nghi Như vậy mạch vòng trong vẫn sử dụng phương pháp điều khiển kinh điển còn mạch vòng ngoài là điều khiển mờ thích nghi Để kết nối bộ điều khiển mờ vào 19 hệ thống ta dùng card chuyển đổi NI USB 6008 và dùng phần mền MATLAB điều khiển thực (real time) Vị trí 0.2 0 -0.2 -0.4 -0.6... động của hệ thống khi sử dụng bộ điều khiển mờ thích nghi ở vòng ngoài với tín hiệu đặt không đổi Vị trí 0.5 Vị trí 0.2 0 -0.2 -0.4 0 -0.5 -1 0 50 100 150 t(s) -0.6 Hình 3.19 Đặc tính điều chỉnh hệ bóng – tay đòn khi sử dụng bộ -0.8 điều khiển mờ thích nghi với tín hiệu đặt thay 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... tính toán các thông số của các bộ điều khiển kinh điển, điều khiển mờ Sau đó tiến hành thực nghi m để kiểm tra các thuật toán điều khiển, các nội dung này sẽ được trình bày ở chương 3 13 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... du/dt Plant Kd Hình 3.9: Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển mờ thích nghi 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 Hình 3.10: Đặc tính động của hệ thống với bộ điều khiển mờ thích nghi khi không có nhiễu 10 17 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 3.11: Đặc tính động của hệ thống với bộ điều khiển mờ thích nghi khi có nhiễu 1.2 FLC PID 1 Vi tri 0.8... 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 toán (KĐTT) kết hợp với . ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHI P LẠI THỊ THANH HOA NGHI N CỨU ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN MỜ THÍCH NGHI CHO BỘ THÍ NGHI M TRUYỀN ĐỘNG BÓNG – TAY ĐÒN Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã. nghi Hệ điều khiển thích nghi mờ là hệ điều khiển thích nghi được xây dựng trên cơ sở của hệ mờ. 6 1.3.5.1 Các phương pháp điều khiển thích nghi mờ Với nội dung của đề tài Nghi n cứu ứng dụng. - Tay đòn 3.2.1. Cấu trúc bộ điều khiển thích nghi mờ Hình 3.6: Sơ đồ khối bộ điều khiển thích nghi mờ theo mô hình mẫu 3.2.2. Kết quả mô phỏng Sau khi thiết kế xong bộ điều khiển mờ thích nghi,