Một phương pháp thực hiện bộ điều khiển mờ cho động cơ một chiều kích từ song song

Bài viết trình bày việc đề xuất thiết kế bộ điều khiển theo hướng tiếp cận bộ điều khiển mờ và thực hiện bằng mạch điện tử tương tự. Kết quả nghiên cứu cho thấy, bộ điều khiển thiết kế theo phương pháp này giữ được ưu điểm của bộ điều khiển mờ và có thể thực hiện đơn giản trên thiết bị vật lý.

Điều khiển – Cơ điện tử - Truyền thông MỘT PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ CHO ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ SONG SONG Nguyễn Hồng Việt1*, Lê Thị Huyền Trang2 Tóm tắt: Bộ điều khiển mờ (Fuzzy logic control) gồm ba phần: Mờ hóa đầu vào, thiết bị hợp thành giải mờ Bộ điều khiển mờ áp dụng vi điều khiển với cấu trúc lập trình, câu lệnh phức tạp Điều gây khó khăn áp dụng điều khiển mờ, đặc biệt với đối tượng đòi hỏi thời gian đáp ứng nhanh Nhóm tác giả đề xuất thiết kế điều khiển theo hướng tiếp cận điều khiển mờ thực mạch điện tử tương tự Kết nghiên cứu cho thấy, điều khiển thiết kế theo phương pháp giữ ưu điểm điều khiển mờ thực đơn giản thiết bị vật lý Từ khóa: Thiết kế điều khiển; Điều khiển mờ; Thiết kế mạch điện tuyến tính đoạn ĐẶT VẤN ĐỀ Cấu trúc điều khiển mờ gồm ba phần: Mờ hóa biến đầu vào, thiết bị hợp thành giải mờ Các biến vào mờ hóa, giá trị rõ biến ngơn ngữ đầu vào thành véc tơ có số phần tử số tập mờ đầu vào Thiết bị hợp thành xây dựng từ mệnh đề If… then…, lấy từ kinh nghiệm chuyên gia Giải mờ trình chuyển tập mờ đầu thành giá trị rõ, thực theo phương pháp điểm cực đại, điểm trọng tâm,….[1] Quá trình chỉnh định điều khiển mờ can thiệp hay thay đổi thành phần Khi thực điều khiển mờ thiết bị vật lý, ta cần phải làm bước thiết kế vi điều khiển [2, 3, 4] Một số báo thực điều khiển mờ theo hướng lợi dụng phần đặc tuyến bão hòa khuếch đại thuật tốn, CMOS để tạo nên hàm thuộc [5, 6] hay xấp xỉ hàm liên thuộc [7] Các cách thực có cấu trúc chương trình hay mạch điện phức tạp dẫn đến giảm thời gian đáp ứng hệ Xét cấu trúc điều khiển phản hồi sử dụng điều khiển mờ hình 1, đầu vào điều khiển sai lệch e, đầu u Với giá trị đầu vào, điều khiển xử lý đưa giá trị đầu u tác động lên đối tượng cần điều khiển Hình Cấu trúc điều khiển phản hồi Mối quan hệ đầu vào với đầu điều khiển (u e) thơng thường phi tuyến Tuy nhiên, đặc tính phi tuyến ta lấy xấp xỉ thành đoạn thẳng (tuyến tính hóa đoạn) Khi đó, điều khiển mờ thực mạch điện tử tuyến tính đoạn THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ Xét đối tượng động chiều kích từ song song, sử dụng điều khiển mờ có hai đầu vào sai lệch (e) đạo hàm sai lệch (de/dt) [8] Sử dụng điều khiển mờ mơ hình Sugeno, hình dạng khoảng giá trị hàm liên thuộc đầu vào hình 144 N H Việt, L T H Trang, “Một phương pháp thực hiện… chiều kích từ song song.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Hình Hình dạng hàm liên thuộc đầu vào Ta có mối quan hệ vào - điều khiển sau: Hình Mối quan hệ vào - điều khiển So sánh điều khiển mờ với điều khiển PID (áp dụng auto tuning tool) ta có đáp ứng đầu hệ: Hình Đáp ứng đầu hệ sử dụng điều khiển PID điều khiển mờ Ta thấy đáp ứng đầu hệ sử dụng điều khiển mờ điều khiển MATLAB Fcn (xấp xỉ đặc tuyến điều khiển mờ) bám theo giá trị đặt, khơng có độ điều chỉnh, thời gian đáp ứng 0.8s Để thực điều khiển thiết bị vật lý, nhóm tác giả thực tuyến tính đặc tuyến vào - điều khiển mờ, sau thực mạch điện tử tương tự THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN MỜ Khảo sát mối quan hệ đầu vào - điều khiển mờ ta có: Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san ACMEC, 07 - 2017 145 Điều khiển – Cơ điện tử - Truyền thông u u a) e e b) Hình Mối quan hệ vào - (a) xấp xỉ hóa mối quan hệ vào - (b) điều khiển mờ Xấp xỉ hóa quan hệ phi tuyến Đặc tuyến truyền đạt phi tuyến điều khiển mờ (a) xấp xỉ hóa theo hình (b) với phương trình đường thẳng sau: e  0.2,  0.2  e  0.83, e  0.83,  u  0.5; u  0.48e  0.4 (1) u  1.18e  0.18 So sánh điều khiển mờ điều khiển thực phương trình (khối MATLAB Fuc hình 4) ta thấy đáp ứng đầu hệ Như vậy, ta thiết kế mạch điện có mối quan hệ (1) để thay điều khiển mờ Thiết kế mạch điều khiển Mạch điện có đặc tuyến hình 5b thiết kế sử dụng khuếch đại thuật toán (OA) Cấu trúc mạch điện hình [9] Với giá trị Eng1 Eng2 ngưỡng điện áp âm Khuếch đại thuật toán OA1 việc e < |Eng1|, e < |Eng2| ngồi OA1 có thêm OA2, OA3 tác động, e > |Eng2| có thêm OA4, OA5 tác động Tín hiệu đầu OA1, OA3 OA5 tổng hợp qua mạch khuếch đại đảo dùng OA6, cụ thể sau: - Khi e < |Eng1|, D1, D3 khóa, điện áp u1 = u2 = 0, tín hiệu sai lệch e khuếch đại qua OA1 Điện áp đầu không đảo OA1 tính: u P1  R2 e  1 e R1  R (2) với β1 hệ số phân áp nhánh điện trở R1 nối tiếp R2 Viết phương trình định luật Kirchhoff, với up1 = un1, ta có: i3  i4  e  u p1 R3  u p1  uOA1 R4 (3) Thay (2) vào (3) ta được:   R4  R4  uOA1   1   1  e   R3  R3  (4) Qua mạch khuếch đại đảo sử dụng OA6, điện áp là: 146 N H Việt, L T H Trang, “Một phương pháp thực hiện… chiều kích từ song song.” Nghiên cứu khoa học công nghệ   R  R  R18 u    1   1  e    R3  R3  R5 (5) Hình Mạch điện tuyến tính đoạn - Khi |Eng1||Eng2|, D1 D3 dẫn, điện áp đầu tính theo (7) có điện áp mạch sử dụng OA4 OA5 tác động, chứng minh tương tự, ta có: R14    R16  R16  R18  R14 u  E ng  e  3   1  e R13    R15  R15  R17  R12 (8)   R  R  R18 R8    R10  R10  R18  R8 E ng1  e     1  e   1   1  e    R    R9  R6  R9  R11   R3  R3  R5 với β2, β3 hệ số phân áp biến trở WR2 WR3 Mối quan hệ u e biểu diễn hình 7, đó, độ nghiêng đoạn thẳng thay đổi nhờ hệ số phân áp β1, β2 β3 Ta dịch chuyển đặc tuyến theo trục tung nhờ tác động điện áp chiều U0 vào đầu vào đảo OA6 hình Để mạch điện hình có đặc tuyến phương trình (1) ta sử dụng khuếch u β3 β2 -U0 β1 e Eng1 Eng2 Hình Đặc tuyến truyền đạt mạch Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san ACMEC, 07 - 2017 147 Điều khiển – Cơ điện tử - Truyền thơng đại thuật tốn LM324, điốt 1N4001, điện trở 10kΩ, Eng1 = 0.2V, Eng2 = 0.83V, U0 = 0.5V, β1 = 0.5, β2 =0.75 β3 =0.73 Khi đó, ta thu kết sau: Hình Đặc tuyến điều khiển thực mạch điện tử Kết mô cho thấy, ta thực mạch điện tử tương tự dựa khuếch đại thuật toán để thực chức điều khiển mờ Trong trường hợp cần thay đổi hệ số khuếch đại toàn mạch ta cần thay đổi giá trị điện trở R18 KẾT LUẬN Nhóm tác giả đề xuất phương pháp thiết kế dựa xấp xỉ đường đặc tuyến vào điều khiển mờ Quá trình lấy xấp xỉ thành đoạn thẳng nhỏ để đảm bảo sai lệch phạm vi cho phép Khi đó, đường đặc tuyến sau lấy xấp xỉ thực linh kiện điện tử tương tự Quá trình xử lý mạch điều khiển mờ thay q trình xử lý tín hiệu mạch điện, làm tăng thời gian đáp ứng hệ TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] PGS TS Lại Khắc Lãi, “Điều khiển mờ-nơron”, Bài giảng Điều khiển mờ-nơron cho học viên cao học, 2016 [2].Yodyium Tipsuwan and Mo-Yuen Chow, “Fuzzy Logic Microcontroller Implementation for DC Motor Speed Control”, Industrial Electronics Society, 1999 IECON '99 Proceedings The 25th Annual Conference of the IEEE, pp 1271-1276 [3] Mare J Patyra, Janos L Gratner and Kirby Koster, “Digital Fuzzy Logic Controller: Design and Implementation”, IEEE Transaction on Fuzzy System, Vol.4, No 4,1996, pp 439-459 [4] Daijin Kim, “An Implementation of Fuzzy Logic Controller on the Reconfigurable FPGA System”, IEEE Transaction on Industrial Electronics, Vol.47, No (2000), pp 703-715 [5] Carlos Dualibe, Michel Verleysen and Paul G.A Jespers, “Design of Analog Fuzzy Logic Controller in CMOS Technologies”, Kluwer Academic Publishers, 2003 [6] Kyoko Tsukano and Takahiro Inoue, “Synthesis of Operational Transconductance Amplifier-Based Analog Fuzzy Functional Blocsks and Its Application”, IEEE Transaction on Fuzzy Systems, Vol 3, No1, 195, pp 63-67 [7] C Fantuzzi and R Rovatti, “On the approximation capabilities of the homogeneous Takagi-Sugenomodel”, in Fuzzy Systems, 1996., Proceedings of the Fifth IEEE International Conference on, vol 2, 1996 148 N H Việt, L T H Trang, “Một phương pháp thực hiện… chiều kích từ song song.” Nghiên cứu khoa học công nghệ [8] Bhaskar Roy and Shilpi Sisodiya, “Fuzzy Logic Controller Based Speed Analysis and Control of DC Shunt Motor”, International Journal for Research in Applied Science & Engineering Technology, Vol 3, 2015, pp 152-157 [9] Phạm Minh Hà, “Kỹ thuật mạch điện tử”, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, 1997, pp 224-225 ABSTRACT A METHOD IMPLEMENTATING THE FUZZY LOGIC CONTROLLER FOR DC SHUNT MOTOR A fuzzy logic control consists of three parts: input fuzzy, composite and defuzzification The fuzzy controller is applied on microcontrollers with structured programming, complex command That makes difficult to apply fuzzy control, especially for objects that require fast time response The controller in the direction of the fuzzy controller and perform the analog circuit is proposed to design The results show that the controller designed by this method holds the advantage of fuzzy controller and can be implemented simply on the physical device Key words: Controller design; Fuzzy control; Linear circuit design Nhận ngày 02 tháng năm 2017 Hoàn thiện ngày 10 tháng năm 2017 Chấp nhận đăng ngày 20 tháng năm 2017 Địa chỉ: Khoa Điện tử, Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên Email: vietcuong86vn@gmail.com Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san ACMEC, 07 - 2017 149 ... đầu hệ sử dụng điều khiển PID điều khiển mờ Ta thấy đáp ứng đầu hệ sử dụng điều khiển mờ điều khiển MATLAB Fcn (xấp xỉ đặc tuyến điều khiển mờ) bám theo giá trị đặt, khơng có độ q điều chỉnh, thời... Để thực điều khiển thiết bị vật lý, nhóm tác giả thực tuyến tính đặc tuyến vào - điều khiển mờ, sau thực mạch điện tử tương tự THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN MỜ Khảo sát mối quan hệ đầu vào - điều khiển. .. sánh điều khiển mờ điều khiển thực phương trình (khối MATLAB Fuc hình 4) ta thấy đáp ứng đầu hệ Như vậy, ta thiết kế mạch điện có mối quan hệ (1) để thay điều khiển mờ Thiết kế mạch điều khiển