Nâng cao chất lượng của bộ điều khiển mờ để điều khiển cho hệ phi tuyến

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ĐINH XUÂN DƯ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG CỦA BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ ĐỂ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ PHI TUYẾN Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: 60520216 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Thái Nguyên, 2014 i LỜI CAM ĐOAN Tên là: Đinh Xuân Dư Sinh ngày: 04/10/1979 Học viên lớp cao học Khố 14 - Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa - Trường Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên Hiện công tác tại: Khoa Điện, Điện Tử - Trường Cao đẳng Công Nghiệp Nam Định Xin cam đoan luận văn “ Nâng cao chất lượng điều khiển mờ để điều khiển cho hệ phi tuyến ” Thầy giáo PGS.TS Nguyễn Hữu Công hướng dẫn cơng trình nghiên cứu riêng tơi Tất tài liệu tham khảo có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng Tác giả xin cam đoan tất nội dung luận văn nội dung đề cương yêu cầu thầy giáo hướng dẫn Nếu có vấn đề nội dung luận văn tác giả xin hoàn toàn chịu trách nhiệm với lời cam đoan mình./ Thái Nguyên, ngày tháng năm 2014 Học viên Đinh Xuân Dư ii Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ LỜI CẢM ƠN Sau thời gian nghiên cứu, làm việc khẩn trương, nghiêm túc hướng dẫn Thầy giáo PGS.TS Nguyễn Hữu Công , luận văn với đề tài “ Nâng cao chất lượng điều khiển mờ để điều khiển cho hệ phi tuyến ” hoàn thành Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới: Thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Hữu Cơng tận tình dẫn, giúp đỡ tác giả hoàn thành luận văn Các giảng viên thuộc Khoa Điện; Khoa Điện tử; Phòng Sau đại học … Trường Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên số đồng nghiệp, quan tâm động viên, giúp đỡ tác giả suốt trình học tập để hoàn thành luận văn Mặc dù với cố gắng triệt để, song hạn chế điều kiện thời gian kinh nghiệm thực tế thân nên đề tài khơng thể tránh khỏi thiếu sót Vì vậy, tác giả mong nhận đóng góp ý kiến thầy giáo, giáo bạn bè đồng nghiệp Từ đó, góp phần đưa ứng dụng đề tài nghiên cứu vào thực tế cách rộng rãi, hiệu Tôi xin chân thành cảm ơn! Học viên Đinh Xuân Dư Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN iii MỤC LỤC iiii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ vii LỜI NÓI ĐẦU 1 Lý chọn đề tài 2 Mục tiêu cần đạt Ý nghĩa khoa học, ý nghĩa thực tiễn đề tài CHƯƠNG TỔNG QUÁT HỆ THỐNG VIÊN BI CÁNH TAY ĐỒN (BALL AND BEAM) 1.1 Giới thiệu số mơ hình hệ thống Ball and Beam 1.1.1 Giới thiệu mơ hình Ball àn Beam 1.1.2 Các cơng trình nghiên cứu thực 1.2 Mơ hình tốn học hệ thống Ball and Beam 14 1.2.1 Tuyến tính hóa xung quanh điểm làm việc hệ thống 18 1.3 Các yêu cầu điều khiển cho hệ thống Ball and Beam 22 1.4 Kết luận 29 CHƯƠNG 30 2.1 Khái niệm tập mờ 31 2.2 Các phép tốn tập mờ có tập [4] 37 2.2.1 Phép hợp hai tập mờ 37 2.2.2 Phép giao hai tập mờ 37 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 2.2.3 Phép bù hai tập mờ 38 2.2.4 Các phép tốn tập mờ khơng tập [4] 38 2.3 Biến ngôn ngữ giá trị biến ngôn ngữ [2],[4] 40 2.4 Luật hợp thành 41 2.4.1 Mệnh đề hợp thành 41 2.4.2 Quy tắc hợp thành [3],[4] 42 2.5 Giải mờ 44 2.5.1 Phương pháp cực đại 44 2.5.2 Phương pháp điểm trọng tâm 45 2.5.3 Phương pháp điểm trọng tâm cho luật hợp thành Sum – Min 46 2.5.4 Phương pháp độ cao 47 2.6 Cấu trúc điều khiển mờ tĩnh mờ động 48 2.6.1 Bộ điều khiển mờ tĩnh 48 2.6.2 Bộ điều khiển mờ động 53 2.7 Kết luận 57 CHƯƠNG 3:MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ 59 3.1 Bộ điều khiển mờ nơron với luật mờ 59 3.2 Mạng thích nghi mờ dựa sở suy luận 64 3.3 Bộ điều khiển mờ thích nghi trưc tiếp 70 3.4 Áp dụng phương pháp để nâng cao chất lượng cho điều khiển mờ 74 3.4.1 Thiết kế điều khiển mờ động 74 3.4.2 Bộ điều khiển thích nghi mờ dựa sở suy luận 80 3.4.3 Bộ điều khiển thích nghi mờ trực tiếp 86 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 3.5 Mơ hình hệ thống chạy thực nghiệm 92 3.6 Kết luận chương 97 TÀI LIỆU THAM KHẢO 99 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Stt Viết tắt Ý nghĩa PID Proportional Integral Derivative PI Proportional Integral FLC Fuzzy Controller Logic Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Danh mục hình vẽ Trang Hình 1.1 Mơ hình Ball and beam dạng Hình 1.2 Mơ hình Ball beam dạng Hình 1.3 Mơ hình Ball Beam trường ĐHKT Hongkong Hình 1.4 Mơ hình điều khiển cho GBB1004 Hình 1.5 Mơ hình điều khiển cho GBB2004 Hình 1.6 Mơ hình Ball Beam cơng ty Megachem Hình 1.7 Mơ hình Ball Beam ĐH Bắc Florida 10 Hình 1.8 Mơ hình Ball Beam ĐHKT Australia 11 Hình 1.9 Wedcam on board ĐHKT Australia 11 Hình 1.10: Sơ đồ ball and beam 12 Hình 1.11 Sơ đồ điều khiển Ball and Beam PID 19 Hình 1.12.Mơ motor simulink 21 Hình 1.13 Đáp ứng đầu motor 22 Hình 1.14 Sơ đồ điều khiển vị trí bóng 22 Hình 1.15 Thay PID khối khuếch đại (Zeigler Nichols) 23 Hình 1.17 Sơ đồ mơ điều khiển PID 24 Hình 1.18 Đáp ứng vị trí ball 24 Hình 2.1: Hàm thuộc tập mờ NĨNG LẠNH 30 Hình 2.2: Hàm thuộc tập mờ DỄ CHỊU 30 Hình 2.3: Phép hợp hai tập mờ 31 Hình 2.4: Giao hai tập mờ 31 Hình 2.5: Phép bù tập mờ 32 vii Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Hinh 2.6 Đưa hai tập tập 32 Hình 2.8 Hợp hai tập mờ 33 Hình 2.9 Hàm thuộc biến tốc độ 33 Hình 2.10 Mệnh đề điều kiện 35 Hình 2.11: Miền khơng liên thơng y‟ = 38 Hình 2.12: Tập mờ có hàm liên thuộc hình thang 40 Hình 2.13: Bộ điều khiển mờ tĩnh 41 Hình 2.14: Tập mờ hình thang 41 Hình 2.15: Tập hàm liên thuộc tập mờ đầu vào (i = 1;2) 42 Hình 2.16: Bộ điều khiển mờ động với đầu vào đầu 45 Hình 2.17: Mơ hình điều khiển mờ theo luật I 46 Hình 2.18: Bộ điều khiển mờ PI 47 Hình 3.1 Bộ điều khiển mờ với luật mờ 49 Hình 3.2 Mạng thích nghi mờ dựa sở suy luận 54 Hình 3.3 Điều khiển thích nghi trực tiếp 59 Hình 3.4 Các hàm liên thuộc tập mờ đầu vào 61 Hình 3.5 Các hàm liên thuộc tập mờ đầu vào 62 Hình 3.6 Các hàm liên thuộc tập mờ đầu 62 Hình 3.7 Chọn luật điều khiển 63 Hình 3.8 Chọn luật hợp thành 63 Hình 3.9 Quan hệ đầu vào đầu 64 Hình 3.10 Mô điều khiển hệ Ball and Beam PD-Fuzzy 64 Hình 3.9 Đáp ứng đầu hai điều khiển 65 Hình 3.10: Tập mẫu bao gồm đầu vào đầu để huấn luyện mạng neron 66 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Hình 3.11: Dạng hàm liên thuộc cho đầu vào 66 Hình 3.12:Dạng hàm liên thuộc cho đầu vào 67 Hình 3.13:Đường cong nội suy thể mối quan hệ đầu đầu vào 68 Hình 3.14:Sai lệch trình huấn luyện 69 Hình 3.15:Quá trình kiểm tra liệu huấn luyện liệu kiểm tra 69 Hình 3.16:Dạng hàm liên thuộc cho đầu vào 69 Hình 3.17:Dạng hàm liên thuộc cho đầu vào 70 Hình 3.18:Đường cong nội suy thể mối quan hệ đầu đầu vào 70 Hình 3.19 Đáp ứng đầu hệ Ball and beam tương ứng điều khiển 71 Hình 3.20 Bộ điều khiển mờ thích nghi trực tiếp 71 Hình 3.21 Hàm thuộc sai lệch e(t) 72 Hình 3.22 Hàm thuộc đạo hàm sai lệch de(t) 72 Hình 3.23 Sơ đồ mô hệ Ball and Beam với điều khiển DAFC 73 Hình 3.24 Kết mơ đáp ứng vị trí có điều khiển DAFC Hình 3.25 Kết mơ có điều khiển DAFC thay đổi giá trị đặt 75 Hình 3.26 Tập mờ đầu dạng singleton chỉnh định 75 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ LỜI NĨI ĐẦU Trong lĩnh vực điều khiển có nhiều dạng điều khiển : điều khiển kinh điển, điều khiển bền vững, điều khiển phân tán, điều khiển mờ, điều khiển thích nghi, điều khiển noron trí tuệ nhân tạo điều khiển số Trong điều khiển số thường coi điều khiển phức tạp Các biến điều khiển khó truy nhập, trừ trường hợp chương trình phần mềm dự kiến Nếu ta sử dụng xử lý để thực nhiều chức cần phải thực tầm nhìn tổng thể Điều khiển số lĩnh hội tinh thần điều khiển tương tự mạch vòng bên làm gần liên tiếp, chia cắt toán lớn thành toán nhỏ Những năm đầu thập kỷ 90, ngành điều khiển kỹ thuật phát triển mạnh mẽ đem lại nhiều thành tựu bất ngờ lĩnh vực điều khiển, điều khiển mờ Ưu điểm điều khiển mờ so với phương pháp điều khiển kinh điển tổng hợp điều khiển mà khơng cần biết trước đặc tính đối tượng cách xác Mơ hình thí nghiệm Ball and Beam phòng thi nghiệm Đo lường – Điều khiển sử dụng để kiểm chứng thuật toán đưa đề tài Đề tài “Nâng cao chất lượng điều khiển mờ để điều khiển cho hệ phi tuyến” đề xuất với mục đích: Mô điều mờ cho hệ thống Ball and beam phần mềm MatLab Nâng cao chất lượng điều mờ cho hệ thống Ball and beam phần mềm MatLab thực nghiệm đối tượng thực Nội dung đề tài bao gồm: Chương 1: Tổng quan hệ thống ball and beam Chương 2: Lý thuyết logic mờ điều khiển mờ Chương 3: Nâng cao chất lượng điều khiển mờ Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 16 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 16 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 16 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 16 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 16 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 16 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 16 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 17 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 17 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 17 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 17 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 17 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 17 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 17 j b Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 17 ... nghiệm Đo lường – Điều khiển sử dụng để kiểm chứng thuật toán đưa đề tài Đề tài Nâng cao chất lượng điều khiển mờ để điều khiển cho hệ phi tuyến đề xuất với mục đích: Mơ điều mờ cho hệ thống Ball... phương pháp để nâng cao chất lượng cho điều khiển mờ 74 3.4.1 Thiết kế điều khiển mờ động 74 3.4.2 Bộ điều khiển thích nghi mờ dựa sở suy luận 80 3.4.3 Bộ điều khiển thích nghi mờ trực... lĩnh vực điều khiển có nhiều dạng điều khiển : điều khiển kinh điển, điều khiển bền vững, điều khiển phân tán, điều khiển mờ, điều khiển thích nghi, điều khiển noron trí tuệ nhân tạo điều khiển