Điều khiển thông minh đối tượng phi tuyến

Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHÙ THỊ NGỌC HIẾU ĐIỀU KHIỂN THÔNG MINH ĐỐI TƯỢNG PHI TUYẾN Chuyên ngành : Tự Động Hóa Mã ngành: 605260 LUẬN VĂN THẠC SĨ Tp Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2007 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học : TS NGUYỄN ĐỨC THÀNH Cán chấm nhận xét : Cán chấm nhận xét : Luận văn thạc sĩ bảo vệ HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày tháng năm ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc -oOo Tp HCM, ngày tháng năm 2007 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: …… PHÙ THỊ NGỌC HIẾU Giới tính : Nữ Ngày, tháng, năm sinh : 06/01/1981 … Nơi sinh : Tp HCM Chuyên ngành : Tự động hóa Khoá (Năm trúng tuyển) : K16 (năm 2005) 1- TÊN ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN THÔNG MINH ĐỐI TƯỢNG PHI TUYẾN 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: − Tìm hiểu sở lý thuyết điều khiển thích nghi điều khiển mờ − Ứng dụng vào điều khiển giữ cân hệ lắc ngược 2D (2D Inverted Pendulum) điều khiển bám đối tượng hệ bồn nước 3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : (Ngày bắt đầu thực LV ghi Quyết định giao đề tài): 4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS NGUYỄN ĐỨC THÀNH CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) CN BỘ MÔN QL CHUYÊN NGÀNH (Họ tên chữ ký) Nội dung đề cương Luận văn thạc sĩ Hội Đồng Chun Ngành thơng qua TRƯỞNG PHỊNG ĐT-SĐH Ngày…… tháng …… năm…… TRƯỞNG KHOA QL NGÀNH LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, xin gởi đến cha mẹ lời cảm ơn chân thành ni nấng dạy dỗ nên người Tôi xin chân thành cảm ơn Thầy, Cô khoa Điện-Điện tử hỗ trợ kiến thức thời gian học trường Tôi xin chân thành cảm ơn Thầy Nguyễn Đức Thành cung cấp cho tơi kiến thức q báu tận tình hướng dẫn tơi thời gian thực đề tài Tôi xin chân thành cảm ơn đồng nghiệp, bạn bè ủng hộ, động viên thời gian thực đề tài Trong trình thực đề tài cố gắng thu thập tài liệu nghiên cứu để hồn thành luận văn, nhiên khơng thể tránh khỏi thiếu sót Mong nhận đóng góp từ q Thầy, Cơ bạn bè Tháng 12 năm 2007 Học viên Phù Thị Ngọc Hiếu TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Luận văn thạc sĩ báo cáo kết thực đề tài ‘Điều khiển thông minh đối tượng phi tuyến’ Nội dung luận văn gồm chương: Chương I : Giới thiệu tổng quan, giới thiệu phương pháp điều khiển đối tượng lắc ngược 2D đối tượng hệ bồn nước nghiên cứu, từ đưa hướng thực luận văn Chương II : Trình bày sở lí thuyết Hệ mờ Chương III : Trình bày sở lí thuyết Điều khiển mờ thích nghi trực tiếp Chương IV : Khảo sát đối tượng, xây dựng mô hình tốn, khảo sát mơ hình kết nối phần cứng Khảo sát cơng cụ Simulink Matlab, chương trình biên dịch Wincon 4.2 hỗ trợ cho phần thực thi điều khiển đối tượng thực Chương V : Trình bày cách thiết kế điều khiển, kết mơ phịng kết thực thi đối tượng thực Trình bày nhận xét, kết luận hướng phát triển đề tài TĨM TẮT LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ tên : PHÙ THỊ NGỌC HIẾU Ngày, tháng, năm, sinh : 06-01-1981 Nơi sinh : Tp.HCM Địa liên lạc : 21 Đường 11, Khu phố 3, P.Linh Chiểu,Q.Thủ Đức,Tp.HCM QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO : 1999 – 2004 : Học đại học, chuyên ngành Tự Động Hóa, Khoa Điện – Điện tử, trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM 2005 – 2007 : Học Cao học, chuyên ngành Tự Động Hóa trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM Q TRÌNH CÔNG TÁC : 2004 – đến : Cán giảng dạy Khoa Điện tử,Trường Đại học SPKT Tp.HCM ABSTRACT In this thesis, the direct adaptive fuzzy algorism has been proposed Then, two plant : a two-dimentional inverted pendulum (2D inverted pendulum) and a coupled tank, are used to prove the effect of this algorism For plant of 2D inverted pendulum, the objective is balance it The proposed method in this thesis : First, the system of the two-dimentinal inverted pendulum is divided two subsystem using decentralize control theory and linear system theory at its equilibrium point Then, designing two controller using direct adaptive fuzzy controller for two subsystem Simulation is performed to prove the effect of this method For plant of coupled tank, the objective is tracking control, simulation and implementation are also performed Luận văn Cao học i MỤC LỤC CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 1.1 GIỚI THIỆU NHỮNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐÃ ĐƯC NGHIÊN CỨU 1.1.1 Đối tượng lắc ngược 2D 1.1.2 Đối tượng hệ bồn nước 1.2 HƯỚNG NGHIÊN CỨU ĐỀ NGHỊ 1.3 GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI CHƯƠNG II: LÍ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN MỜ 2.1 TẬP MỜ (FUZZY SET) 2.1.1 Tập cổ điển tập mờ 2.1.2 Các hàm liên thuộc thường duøng 2.2 TẬP MỜ (Fuzzy rule) 2.3 SUY LUẬN MỜ (hay suy luận xấp xỉ (Approximate Reasoning)) 2.4 LUẬT HP THÀNH MỜ 2.4.1 Định nghóa luật hợp thaønh 2.4.2 Các luật hợp thành mờ 2.5 CAÙC PHƯƠNG PHÁP GIẢI MỜ 2.5.1 Phương pháp điểm cực đại 2.5.2 Phương pháp trọng tâm (CoG) 10 Luận văn Cao học ii 2.5.3 Phương pháp độ cao 11 2.6 ĐIỀU KHIỂN MỜ 12 2.6.1 Thiết kế điều khiển mờ 12 2.6.2 Giới thiệu số phương pháp xây dựng điều khiển mờ 12 CHƯƠNG III: LÍ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI 3.1 GIỚI THIỆU 14 3.2 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI 15 3.3 HỒI TIẾP TUYẾN TÍNH HÓA HỆ PHI TUYẾN 16 3.4 ĐIỀU KHIỂN MỜ THÍCH NGHI TRỰC TIẾP 19 3.4.1 Hệ mờ Takagi-Sugeno 19 3.4.2 Xaây dựng điều khiển mờ thích nghi trực tiếp 22 3.4.3 Mờ thích nghi trực tiếp thiết kế dựa vào điều khiển LQR 30 CHƯƠNG IV: KHẢO SÁT ĐỐI TƯNG ĐIỀU KHIỂN 4.1 ĐỐI TƯNG CON LẮC NGƯC 2D 34 4.1.1 Mô hình đối tượng 34 4.1.2 Xây dựng mô hình toán đối tượng 37 4.1.3 Vị trí lắc theo phương x phương y 41 4.2 KHẢO SÁT ĐỐI TƯNG HỆ BỒN NƯỚC 43 Luận văn Cao học iii 4.2.1 Mô tả hệ thống 43 4.2.2 Những cấu hình khác hệ bồn nước 46 4.2.3 Xây dựng phương trình toán 47 4.3 CÔNG CỤ SIMULINK CỦA MATLAB VÀ CHƯƠNG TRÌNH WINCON VERSION 4.2 49 4.3.1 Công cụ Simulink Matlab 50 4.3.2 Chương trình Wincon 4.2 hãng Quanser 50 CHƯƠNG V: KẾT QUẢ ĐIỀU KHIỂN VÀ KẾT LUẬN 5.1 GIỮ CÂN BẰNG HỆ CON LẮC NGƯC 2D 53 5.1.1 Dùng điều khiển LQR 53 5.1.2 Duøng mờ thích nghi trực tiếp 57 5.1.3 Dùng mờ thích nghi trực tiếp thiết kế dựa vào điều khiển LQR 64 5.2 ĐIỀU KHIỂN BÁM ĐỐI TƯNG HỆ BỒN NƯỚC 70 5.2.1 Cấu hình 70 5.2.2 Caáu hình 83 5.2.3 Cấu hình 98 5.3 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 109 TÀI LIỆU THAM KHAÛO 110 Luận văn Cao học 97 Hình 5.90: Mực nước bồn L1[cm] Hình 5.91: Điện áp điều khiển Vp[V] Nhận xét: Tương tự trường hợp điều khiển hệ bồn nước cấu hình 1: kết điều khiển tốt, sai số nhỏ Tuy nhiên sai số thời điểm đầu lớn Luận văn Cao học 98 điều khiển cần thời gian để thích nghi, tự điều chỉnh Trong phần mô phỏng, thời điểm thông số mô hình đường kính Outlet1, Outlet2 thay đổi đáp ứng dao động sau nhanh chóng trở trạng thái ổn định chứng tỏ điều khiển có khả thích nghi với thông số mô hình thay đổi 5.2.3 Cấu hình 5.2.3.1 Thiết kế điều khiển Hệ phương trình vi phân hệ bồn nước dạng cấu hình 2:  ∂ K p v p − A o1 2gL1 L1 =   ∂t A t1   ∂ L = A o1 2gL1 − A o 2gL  ∂t A t2  Đặt biến trạng thái: x1= L1, x2= L2, y= x2 Vector z chứa biến trạng thái heä: z = [1 x x& x2 T x& ] Bộ mờ xấp xỉ luật điều khiển u* gồm ngõ vào x1 x2 Do x1, x2 mực nước hai bồn nên tầm ngõ vào [0, 30]cm Hình 5.92: Tập mờ ngõ vào x1 Luận văn Cao học 99 Hình 5.93: Tập mờ ngõ vào x2 Các thông số khác: K0= 0.6, η= 0.1, Du= 0.07, β0= 10, Me= 30 1 0  Q = 20 * 0  0 0 0 0 0 0 0  0 0 0 1 5.2.3.2 Kết mô Hình 5.94: Sơ đồ Simulink mô điều khiển hệ bồn nước dạng Luận văn Cao học 100 Mục đích điều khiển mực nước bồn L2 bám theo tín hiệu đặt Kết mô trình bày trường hợp nhiễu có nhiễu ngõ Nhiễu nhiễu ngẫu nhiên có trị trung bình Mean phương sai Var tác động vào ngõ L2 hệ thống Đường kính Outlet1, Outlet2 Dmo= 0.47625cm Mực nước bồn đo đơn vị cm, điện áp đo đơn vị Volt Trường hợp tín hiệu đặt dạng xung vuông Trường hợp không nhiễu Hình 5.95: Kết điều khiển Hình 5.96: Sai số điều khiển Luận văn Cao học 101 Hình 5.97: Mực nước bồn Hình 5.98: Điện áp điều khiển Trường hợp nhiễu Var= 0.01, Mean= 0.1 Hình 5.99: Kết điều khiển Luận văn Cao học 102 Hình 5.100: Sai số điều khiển Hình 5.101: Mực nước bồn Hình 5.102: Điện áp điều khiển Luận văn Cao học 103 Trường hợp tín hiệu đặt dạng sin Trường hợp không nhiễu Hình 5.103: Kết điều khiển Hình 5.104: Sai số điều khiển Hình 5.105: Mực nước bồn Luận văn Cao học 104 Hình 5.106: Điện áp điều khiển Trường hợp nhiễu Var= 0.01, Mean= 0.1 Hình 5.107: Kết điều khiển Hình 5.108: Sai số điều khiển Luận văn Cao học 105 Hình 5.109: Mực nước bồn Hình 5.110: Điện áp điều khiển 5.2.3.3 Kết điều khiển mô hình thực Hình 5.111: Mô hình điều khiển đối tượng thực Luận văn Cao học 106 Hình 5.112: Sơ đồ khối Actual Plant Kết điều khiển Thông số điều khiển K0= 0.5, η= 0.1, Du= 0.05, β0= 10, Me= 30 1 0  Q = 30 * 0  0 0 0 0 0 0 0 0 0  0 1 Luận văn Cao học 107 Hình 5.113: Kết điều khiển L2[cm] Hình 5.114: Sai số điều khiển Err[cm] Luận văn Cao học 108 Hình 115: Mực nước bồn L1[cm] Hình 5.116: Điện áp điều khiển Vp[V] Luận văn Cao học 109 Nhận xét: Hệ bồn nước dạng mô hình phi tuyến khó điều khiển dạng cấu hình hệ bồn nước khảo sát Do nước chảy vào bồn không tỉ lệ tuyến tính với điện áp điều khiển mà lượng nước từ bồn chảy qua Outlet1 5.3 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Đề tài “Điều khiển thông minh đối tượng phi tuyến” giới thiệu thuật toán mờ thích nghi trực tiếp hai đối tượng minh hoạ cho thuật toán điều khiển Đối với đối tượng lắc ngược 2D mục tiêu điều khiển giữ cân hệ lắc quanh vị trí cân thẳng đứng Bộ khiển mờ thích nghi trực tiếp xây dựng cho hệ lắc 2D quan tâm đến góc lệch lắc nên biến góc quay động không điều khiển Để khắc phục nhược điểm này, mờ thích nghi trực tiếp xây dựng dựa vào điều khiển LQR với mục đích kết hợp ưu điểm điều khiển LQR thích nghi Kết mô tốt Hạn chế phần phương trình phi tuyến hệ lắc ngược 2D phức tạp nên chưa khảo sát phương trình phi tuyến hệ Ngoài ra, đối tượng lắc ngược 2D thực mô chưa thực điều khiển thực Đối với đối tượng hệ bồn nước mục tiêu điều khiển bám điều khiển cho kết điều khiển tốt, bền vững với nhiễu, thích nghi thông số mô hình thay đổi Để hoàn thiện đề tài hơn, hướng phát triển đề tài xây dựng thêm phần swing up chạy kiểm tra mô hình thực đối tượng lắc ngược Thuật toán mờ thích nghi phạm vi đề tài khảo sát đối tượng SISO, hướng phát triển mở rộng thuật toán điều khiển áp dụng cho đối tượng MIMO Luận văn Cao học 110 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] TS Huỳnh Thái Hoàng, “Bài giảng Điều khiển thông minh”, thảo tháng 4/2006 [2] TS Nguyễn Thiện Thành, “Bài giảng Ngôn ngữ lập trình nâng cao”, năm 2005 [3] TS Nguyễn Đức Thành, “Matlab ứng dụng điều khiển”, NXB Đại học Quốc Gia, năm 2004 [4] TS Dương Hoài Nghóa, “Bài giảng môn học Điều khiển phi tuyến”, năm 2005 [5] TS Huỳnh Thài Hoàng, “Bài giảng Hệ mờ”, thảo tháng 2/2006 Các báo: [6] Kevin M Passino, “Stable Multi_Input Multi-Output Direct Adaptive Fuzzy Control”, IEEE Transactions, Vol 4, No 3, 6/1999 [7] Salim Laboid, Mohamed Seghir Boucherit, “Indirect Adaptive Fuzzy Control of A Class SISO Nonlinear Systems”, Arabian Journal for Sicence and Engineering, Vol 31, No 1B, 1/2005 [8] Wang L.X., “Stable Adaptive Fuzzy Controllers with Application to Inverted Pendulum Tracking”, IEEE transactions on System, Vol 26, No 5, 1996 [9] Tong S., Li H X., “Direct Adaptive Fuzzy output tracking control”, Fuzzy Sets and Systems, No 128, 2002 [10] Tong S., Wang T., Jang J T, “Fuzzy Adaptive Output Control of Nonlinear System”, Fuzzy Sets and Systems, No 111, 2000 [11] Tao Wang and Shaocheng Tong, “Adaptive Fuzzy Output Feedback Control for SISO Nonlinear Systems”, ICIC International, Vol 2, No 1, 2/2006 [12] Wang T., S C Tong, “Adaptive fuzzy output feedback control for SISO nonlinear systems”, Proc of the Third International Conference on Machine Learning and Cybernetics, Shanghai, China, 2004 Luận văn Cao hoïc 111 [13] Najib Essounbouli, Abdelaziz Hamzaoui, “Direct and Indirect Robust Adaptive Fuzzy Controllers for a Class Nonlinear System”, International Journal of Control, Automation, and System, Vol 4, No 2, 4/2006 [14] Osamu Fujita, Kuniharu Uchimura, “Trial-and-Error Correlation Learning to Control an Inverted Pendulum” Proceeding of the 3rd International Conference on Fuzzy Logic, Neural Nets and Soft Computing, 8/1994 [15] Dario Maraval, “Hybrid Fuzzy Control of the Inverted Pendulum via Vertical Forces”, International Journal of Interlligent Systems, Vol 20, 2005 [16] Mircea Dulau, “Model Reference Adaptive Control and Fuzzy Model Reference Learning Control for the Inverted Pendulum Comparative Analysis”, Wseas Int Conf on Dynamical Systems and Control, Italy, 11/2005 [17] Kevin M Passino, Jeffrey T Spooner…, “Adaptive Fuzzy Control: Experiments and Comparative Analyses”, IEEE Transactions, Vol 5, No 2, May 1997 [18] Kevin M Passino, Jeffrey T Spooner…, “Stable direct adaptive control using fuzzy system and neural networks”, IEEE Transactions, 1995, pp 249-254 [19] Kevin M Passino, Jeffrey T Spooner…, “Stable adaptive control using fuzzy systems and neural networks”, IEEE Transactions, vol 4, pp 339-359, Aug 1996 [20] Haojian Xu, “Robust Adaptive Control for A Class of MIMO Nonlinear Systems with Guarantteed Error Bounds”, CATI Technical Report, No 20-05-01 [21] Quanser , Instructor Manual [22] Mss Yang Rong, “Geometric Techniques for Control of a 2-DOF Spherical Inverted Pendulum”, 2000 ... vực điều khiển đối tượng phi tuyến Điều khiển mờ (Fuzzy control) phương pháp điều khiển thông minh lâu đời, đơn giản, có hiệu để điều khiển đối tượng phi tuyến Kó thuật điều khiển với ưu điểm điều. .. thực đề tài ? ?Điều khiển thông minh đối tượng phi tuyến? ?? Nội dung luận văn gồm chương: Chương I : Giới thiệu tổng quan, giới thiệu phương pháp điều khiển đối tượng lắc ngược 2D đối tượng hệ bồn... ĐIỀU KHIỂN THÔNG MINH ĐỐI TƯỢNG PHI TUYẾN 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: − Tìm hiểu sở lý thuyết điều khiển thích nghi điều khiển mờ − Ứng dụng vào điều khiển