Tiểu luận môn học Điều khiển mờ TIỂU LUẬN ĐIỀU KHIỂN MỜ A Giớithiệu điều khiển mờ: 1.1 Tổng quan logic mờ: Lý thuyết điều khiển giải toán điều khiển với thông số đối tượng đầy đủ, nhiên với hệ thống phức tạp, tính phi tuyến cao, thơng số đầu vào khơng xác thiếu khơng đủ để biểu diễn hệ thống phương trình tốn học phương pháp điều khiển cịn nhiều khuyết điểm Chính khó khăn làm xuất lý thuyết điều khiển mô theo tư người hay gọi điều khiển trí tuệ nhân tạo Phương pháp điều khiển dựa đặc điểm, hành vi nhận thức người đối tượng để đưa định điều khiển, phương pháp áp dụng trường hợp thiếu thông tin thông tin đối tượng khơng xác Khái niệm logic mờ Zedeh nêu lần đầu vào 1965, từ lý thuyết mờ nghiên cứu phát triển không ngừng Mặc dù cịn nhiều tranh cãi tính xác, mức độ chặt chẽ lý thuyết điều khiển mờ ứng dụng lý thuyết mờ giải toàn điều khiển phạm vi ứng dụng ngày nhiều đời sống minh chứng cho đắn ưu điểm phương pháp điều khiển Những ưu điểm điều khiển mờ so với điều khiển kinh điển: - Có thể tổng hợp điều khiển mà khơng biết xác cấu trúc tham số đầy đủ hệ thống - Sử dụng kinh nghiệm vận hành thực tế đối tượng để đưa luật điều khiển Nhược điểm phương pháp điều khiển mờ người thiết kế phải có am hiểu định quy luật hoạt động đối tượng Với ưu, nhược điểm nêu trên, điều khiển mờ thường ứng dụng hệ thống như: Nguyễn Đắc Huyên-Lớp K34.TĐH.QNg Trang / 10 Tiểu luận môn học Điều khiển mờ - Hệ thống điều khiển phi tuyến - Hệ thống điều khiển có thơng số đầu vào thay đổi khơng xác - Hệ thống khơng xác định tham số mơ hình tốn học Bộ điều khiển mờ bao gồm khối chức điều khiển kinh điển nhiên luật điều khiển “Nếu….Thì….” theo điều kiện tùy thuộc vào hiểu biết người thiết kế Do để có điều khiển mờ chất lượng phải tổng quát hóa đặc tính vận hành thiết bị thành quy luật chung Một cách tổng quát, hệ thống điều khiển mờ tập hợp quy tắc dạng “Nếu…Thì…” mơ theo suy luận người áp dụng vào hệ thống điều khiển Chính điều mà chưa có ngun tắc thức để thiết kế điều khiển mờ đạt chất lượng cao 1.2 Cơ sở toán học logic mờ: a Tâ ̣p hợp mờ Đinh ̣ nghia: ̃ Tập mờ F xác định tập kinh điể n M tập mà phần tử cặp giá trị (x,mF(x)) x ∈ M mF ánh xa ̣ mFM ∈ [0,1] Tập kinh điể n M đươ ̣c gọi sở tập mờ F Ánh xa ̣ mF đươ ̣c gọi hàm phu ̣ thuộc tập mờ F Ý nghiã : Tập mờ F hàm ánh xa ̣ giá trị x có thể phần tử tập kinh điể n M sang số nằm để mức độ phu ̣ thuộc thật vào tập M Độ phu ̣ thuộc có nghĩa x không thuộc tập M, độ phu ̣ thuộc có nghĩa x hồn tồn đa ̣i diê ̣n cho tập M Khi mF(x) tăng dần thì độ phu ̣ thuộc x tăng dần Điề u ta ̣o đường cong qua phần tử tập hơ ̣p Nguyễn Đắc Huyên-Lớp K34.TĐH.QNg Trang / 10 Tiểu luận môn học Điều khiển mờ Hình 1.1 Đồ thị tập hợp mờ Một tập mờ bao gồm thành phần: Miề n làm viê ̣c [x1, x2] gồm số thực tăng dần nằm tru ̣c hoành Đoa ̣n [0,1] tru ̣c tung thể hiê ̣n độ phu ̣ thuộc tậpmờ Đường cong hàm số mF(x) xác định độ phu ̣ thuộc tương ứng phần tử tậpmờ b Các tính chất đặc điểm tâ ̣p mờ: Độ cao dạng chiń h tắ c tâ ̣p mờ Độ cao tập mờ giá trị cực đa ̣i độ phu ̣ thuộc phần tử tập mờ Hình 1.2.Độ cao dạng chính tắc tập mờ 1.3 Bộ điều khiển mờ: Bộ điều khiển xây dựng dựa sở lý thuyết điều khiển mờ gọi điều khiển mờ a Cấu trúc điều khiển mờ: Nguyễn Đắc Huyên-Lớp K34.TĐH.QNg Trang / 10 Tiểu luận môn học Điều khiển mờ Bộ điều khiển mờ bao gồm ba khối bản: Mờ hóa đầu vào, thiết bị hợp thành giải mờ R1: Nếu…Thì… H1 X y’ Rn: Nếu…Thì… Hn Hình 1.3: Sơ đồ khối điều khiển mờ Trong khối trên, khối luật mờ khối hợp thành phận điều khiển Dựa tư duy, kinh nghiệm người thiết kế để triển khai luật điều khiển nhằm đạt mục đích mong muốn Cấu trúc điều khiển mờ bao gồm khâu hình vẽ 1.4 Luật điều khiển e Giao diện đầu vào e x - Thiết bị hợp thành B’ Giao diện đầu Bộ điều khiển mờ u Đối tượng u y Thiết bị đo Hình 1.4: Cấu trúc hệ thống sử dụng điều khiển mờ Trong đó: - Giao diện đầu vào bao gồm khâu mờ hóa khâu phụ trợ khác (khâu tỉ lệ, tích phân, vi phân…) để thực điều khiển tự động - Thiết bị hợp thành: Khâu triển khai luật hợp thành R xây dựng sở luật điều khiển - Giao diện đầu ra: Gồm khâu giải mờ khâu tác động đến đối tượng điều khiển Nguyễn Đắc Huyên-Lớp K34.TĐH.QNg Trang / 10 Tiểu luận môn học Điều khiển mờ Về cấu trúc hệ thống điều khiển mờ không khác so với hệ thống điều khiển tự động thông thường Sự khác biệt điều khiển mờ làm việc theo luật có tư tư người, dạng trí tuệ nhân tạo b Nguyên tắc tổng hợp điều khiển mờ: Nguyên tắc tổng hợp điều khiển mờ hoàn toàn dựa sở toán học, cách định nghĩa biến ngôn ngữ vào phương pháp lựa chọn luật điều khiển Quá trình xây dựng điều khiển mờ đạt chất lượng điều khiển tốt, thỏa mãn yêu cầu đặt vấn đề không đơn giản Lý thuyết điều khiển mờ đến chưa nghiên cứu hoàn thiện phương pháp điều khiển khác, ngồi chưa có ngun tắc chuẩn mực cho việc thiết kế, khảo sát tính ổn định, tính bền vững, chất lượng điều khiển, q trình độ hệ thống sử dụng điều khiển mờ, người ta đưa số nguyên tắc tổng hợp điều khiển mờ: - Không thiết kế điều khiển mờ để giải vấn đề mà dễ dàng thực điều khiển kinh điển Với số tốn điều khiển kết hợp phương pháp điều khiển kinh điển với điều khiển mờ để tận dụng ưu điểm phương pháp - Đối với hệ thống cần độ an toàn cao, việc sử dụng điều khiển mờ cịn hạn chế yêu cầu chất lượng mục đích hệ thống xác định thơng qua thực nghiệm - Bộ điều khiển mờ phải thiết kế phát triển thơng qua thực nghiệm Ngồi trình xây dựng luật điều khiển mờ, cần tận dụng tối đa hiểu biết kinh nghiệm người thiết kế hệ thống để đưa luật điều khiển tốt B Đối tượng: Cho đối tượng điều khiển hình vẽ: Nguyễn Đắc Huyên-Lớp K34.TĐH.QNg Trang / 10 Tiểu luận môn học Điều khiển mờ Mô tả đối tượng: Đối tượng bình chứa bia, mức bia bơm vào qua van V1 hút bơm bia Mức bia bình điều khiển van V1 cấp vào tức điều chỉnh lưu lượng cấp vào bình hoạt động điều khiển mức bia bình theo tín hiệu báo mức liên tục LT I Mơ hình đối tượng: 1.1 Các thơng số bản: A= 1000: Diê ̣n tić h mặt cắt ngang bồn [cm2] a = 1.625 : Diê ̣n tić h mặt cắt ngang đường ống khỏi bơm [cm2] h_max: Chiề u cao lớn mức nước bồn [cm] Qin: Lưu lươ ̣ng bia chảy vào bình Qout: Lưu lươ ̣ng bia bơm khỏi bình g= 981 : Gia tớ c trọng trường [cm2/s] Kv=0.3: Hệ số góc mở van 1.2.Tìm phương trình tốn học mơ tả đối tượng: Triể n khai phương trình tốn đớ i với độ cao mực nước h: - Khố i lươ ̣ng bia bình: Nguyễn Đắc Huyên-Lớp K34.TĐH.QNg Trang / 10 Tiểu luận môn học Điều khiển mờ 𝑚 = 𝜌𝐴ℎ - Lưu lươ ̣ng bia cấp vào qua van điều khiển tuyến tính V1: Qout = Kv *𝑎* √2𝑔ℎ - Áp du ̣ng cân khố i lươ ̣ng ta có: 𝑑[ρAh] 𝑑𝑡 = ρQin − ρQout 𝑑ℎ 𝑄𝑖𝑛 𝑑𝑡 𝐴 Kv ∗a∗ √2𝑔ℎ 𝐴 1.2.1.Sử dụng MATLAB mô điều khiển đối tượng PID: 1.2.2.Đối tượng: Đối tượng bình chứa bia có dạng mơ tả tốn học matlap sau: Với hàm Fcn sau: Nguyễn Đắc Huyên-Lớp K34.TĐH.QNg Trang / 10 Tiểu luận môn học Điều khiển mờ 1.2.3 Sử dụng Matlap simulink mô tả đối tượng sử dụng điều khiển PID: Sau nhiều trường hợp Tuning thử với thông số Kp, Ki, Kd khác nhau, ta chọn Kp= 135, Ki =6.98, Kd = 0.12 sau: Đáp ứng đầu mức: Hình Hình Nguyễn Đắc Huyên-Lớp K34.TĐH.QNg Trang / 10 Tiểu luận môn học Điều khiển mờ 1.1 Sử dụng MATLAB mô điều khiển đối tượng PID mờ: Đáp ứng đầu mức điều khiển Fuzzy-PID: Với luật mờ điều khiển mức h dùng điều khiển Sugeno: 1.2 Phân tích đáp ứng mơ hình điều khiển trên: Nguyễn Đắc Huyên-Lớp K34.TĐH.QNg Trang / 10 Tiểu luận mơn học Điều khiển mờ Mơ hình chung: Đáp ứng điều khiển ngõ so sánh hai phương pháp: - Đáp ứng hai loại điều khiển đạt ổn định Tuy nhiên điều khiển PID có chất lượng khơng tốt điều khiển PID có bù mờ - Với phương pháp điều khiển PID kinh điển tham số tính tốn cho đối tượng cụ thể cho một hệ thống - Với phương pháp điều khiển mờ PID có bù mờ, tự chỉnh định bù vào tham số Kp, KI, Kd PID -Hết- Nguyễn Đắc Huyên-Lớp K34.TĐH.QNg Trang 10 / 10