Nghiên cứu giải thuật điều khiển hệ con nêm ngược

Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA o O o - VÕ BÁ THI NGHIÊN CỨU GIẢI THUẬT ðIỀU KHIỂN HỆ CON NÊM NGƯỢC Chuyên ngành: Tự Động Hóa LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, Tháng 12 năm 2009 CƠNG TRÌNH ðƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ðẠI HỌC BÁCH KHOA ðẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học : TS Hồng Minh Trí Cán chấm nhận xét : Cán chấm nhận xét : Luận văn thạc sĩ ñược bảo vệ HỘI ðỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ðẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày tháng năm ðẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ðẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM ðộc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc -oOo Tp HCM, ngày 30 tháng 11 năm 2009 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Võ Bá Thi Giới tính : Nam Ngày, tháng, năm sinh :06/10/1982 Nơi sinh : Bến Tre Chun ngành :Tự ðộng Hóa Khố (Năm trúng tuyển) : 2007 1- TÊN ðỀ TÀI: Nghiên cứu giải thuật ñiều khiển hệ nêm ngược 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: Tìm hiểu lý thuyết ñiều khiển mờ lý thuyết ñiều khiển mờ nơron thích nghi trực tiếp .Ứng dụng nghiên cứu ñiều khiển hệ nêm ngược mơ mơ hình thực Chế tạo mơ hình thực nêm ngược 3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 30/11/2009 5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS Hồng Minh Trí Nội dung ñề cương Luận văn thạc sĩ ñã ñược Hội ðồng Chuyên Ngành thông qua CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) CHỦ NHIỆM BỘ MÔN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên chữ ký) LỜI CẢM ƠN Trước hết , em xin gởi đến thầy Hồng Minh Trí lời cám ơn sâu sắc Thầy giúp đỡ hướng dẫn em hoàn thành luận văn Em xin chân thành cảm ơn thầy cô mơn ðiều khiển tự động Khoa ðiện – ðiện tử Trường ðại Học Bách Khoa TPHCM ñã dạy truyền thụ kiến thức cho em suốt trình học tập nghiên cứu trường Cuối cho em xin ñược gửi lời cảm ơn tới người thân, gia đình bạn bè động viên, khuyến khích em suốt trình học tập nghiên cứu Em xin chân thành cám ơn Học viên Võ Bá Thi TÓM TẮT LUẬN VĂN Ngày nay, với hổ trợ máy tính lý thuyết điều khiển hệ phi tuyến ñược nghiên cứu phát triển nhiều việc ứng dụng lý thuyết ñiều khiển ñiều khiển đối tượng cơng nghiệp dân dụng ngày phát triển Hiện có nhiều lý thuyết phương pháp ñiều khiển phi tuyến khác ñược nghiên cứu ñiều khiển trượt, ñiều khiển dự báo, điều khiển mờ, điều khiển thích nghi , Trong luận văn , học viên trình bày nghiên cứu ứng dụng phương pháp ñiều khiển mờ phương pháp điều khiển mờ nơron thích nghi việc điều khiển hệ nêm ngược ðề tài tìm hiểu sở lý thuyết ñiều khiển mờ trực tiếp, lý thuyết điều khiển nơron mờ thích nghi trực tiếp việc ứng dụng lý thuyết vào ñiều khiển ñối tượng cụ thể hệ nêm ngược Bố cục luận văn gồm chương : Chương : Trình bày giới thiệu sơ lược lý thuyết ñiều khiển , hệ nêm ngược hướng giải vấn đề Chương 2: Trình bày sở lý thuyết ñiều khiển mờ lịch sử ñời phương pháp ñiều khiển mờ Chương : Trình bày sở lý thuyết điều khiển mờ nơron thích nghi trực tiếp lịch sử lý thuyết điều khiển thích nghi Chương : Ứng dụng lý thuyết ñiều khiển mờ thiết kế ñiều khiển mờ ñiều khiển hệ nêm ngược Chương : Ứng dụng lý thuyết thiết kế ñiều khiển mờ nơron thích nghi trực tiếp điều khiển hệ nêm ngược Chương : Trình bày thiết kế , thi cơng chế tạo mơ hình thực hệ ngược Chương : Tổng kết ñánh giá luận văn hướng phát triển đề tài Võ Bá Thi Luận Văn Thạc Só CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ ðỀ TÀI 1.1 Giới thiệu vấn ñề Hiện nay, lý thuyết ñiều khiển phi tuyến ñược nghiên cứu phát triển ứng dụng rộng rãi ñể ứng dụng ñiều khiển nhiều đối tượng hệ thống cơng nghiệp dân dụng Trong thực tế, phần lớn ñối tượng cần ñiều khiển ñối tượng phi tuyến Khi thiết kế điều khiển, thường sử dụng mơ hình tương tự mơ hình thực tế xây dựng theo ñiều kiện ñịnh: ñiều kiện làm việc, chế ñộ làm việc ñối tượng Ứng dụng phương pháp điều khiển khác để tìm lời giải tốn điều khiển hệ thống thực tế hướng ñi mà nghiên cứu ñể ñưa lý thuyết ứng dụng thực tế Có nhiều phương pháp áp dụng để điều khiển hệ phi tuyến: phương pháp tuyến tính hóa, phương pháp ñiều khiển trượt, phương pháp ñiều khiển dùng mạng thần kinh, phương pháp ñiều khiển mờ, phương pháp ñiều khiển thích nghi… Từ suy nghĩ ứng dụng lý thuyết ñiều khiển ñể ñiều khiển hệ nêm ngược với ñồng ý giáo viên hướng dẫn , học viên tiến hành thực ñề tài : “ Nghiên cứu giải pháp ñiều khiển hệ nêm ngược “ Hệ thống nêm ngược hệ thống ứng dụng dùng mô tả cách thức hoạt động hệ thống cân mơ hình tàu lĩnh vực hàng hải Hệ thống dùng trọng lực vật nặng thông qua lực kéo motor ñể cân trọng tâm hệ thống Chương -3- Võ Bá Thi Luận Văn Thạc Só Hình 1.1: Mơ hình hệ nêm ngược 1.2 Mục tiêu nghiên cứu: Tìm hiểu lý thuyết điều khiển mờ Tìm hiểu lý thuyết điều khiển thích nghi Nghiên cứu lập trình ứng dụng điều khiển mơ hình nêm ngược Matlab Áp dụng ñiều khiển hệ nêm ngược ñối tượng thực 1.3 Hướng giải ñề tài ðề tài nghiên cứu sử dụng phương pháp điều khiển thích nghi ñiều khiển mờ ñể ñiều khiển hệ nêm ngược 1.3.1 ðiều khiển mờ: Bộ ñiều khiển mờ ñiều khiển ñược xây dựng dựa kinh nghiệm thực tế hệ thống Vì để sử dụng phương pháp ñiều khiển mờ ñể ñiều khiển hệ nêm ngược trước hết phải giải vấn đề sau: Chương -4- Võ Bá Thi Luận Văn Thạc Só Xây dựng qui tắc ñiều khiển hệ nêm ngược thực tế Biến qui tắc ñiều khiển thành qui luật ñiều khiển 3.Hiệu chỉnh thơng số điều khiển cho hợp thực tế 1.3.2 ðiều khiển thích nghi : ðiều khiển thích nghi tổng hợp kĩ thuật nhằm tự ñộng chỉnh ñịnh ñiều chỉnh mạch ñiều khiển nhằm thực hay trì mức độ định chất lượng hệ thơng số q trình điều khiển khơng biết trước hay thay ñổi theo thời gian Do thực tế yếu tố bất định ln xuất tốn ñiều khiển nên ñiều khiển thích nghi hữu ích ứng dụng ñiều khiển ñối tượng thực ðiều khiển thích nghi có nhiều phương pháp điều khiển thích nghi khác tùy theo cách chỉnh ñịnh thơng số điều khiển Sơ đồ sau biểu diễn sơ ñồ khối tổng quát hệ thống ñiều khiển thích nghi: Nhận dạng ðiều kiện làm việc Chỉnh định thơng số r(t) e(t) + u(t) Bộ điều khiển _ Đối tượng điều khiển Hình 1.2: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển thích nghi Chương -5- y(t) Võ Bá Thi Luận Văn Thạc Só Phương pháp hoạch định độ lợi thơng số điều khiển thay đổi theo điều kiện làm việc khơng cần khối nhận dạng Nếu thơng số đối tượng ước lượng khối nhận dạng ñiều khiển ñược hiệu chỉnh dựa vào thơng số mơ hình đối tượng ta có sơ đồ điều khiển thích nghi gián tiếp Nếu thơng số điều khiển hiệu chỉnh trực tiếp khối nhận dạng ta có sơ ñồ ñiều khiển thích nghi trực tiếp Nếu khối chỉnh định có sử dụng mơ hình chuẩn chiến lược chỉnh định thơng số tối thiểu sai lệch đầu mơ hình chuẩn đầu hệ thống thật ta có sơ đồ điều khiển thích nghi theo mơ hình chuẩn ðể thiết kế điều khiển thích nghi ta cần ý giải vấn đề: Nhận dạng mơ hình hóa đối tượng: ñối tượng cần nhận dạng ñơn giản ta tính tốn cho phương trình động lực học hay mơ hình tốn đối tượng Tuy nhiên đối tượng phức tạp khơng thể tính tốn hết đặc tính động học đối tượng tiến hành nhận dạng đối tượng thông số ngõ vào ngõ ñối tượng Xác ñịnh mục tiêu ñiều khiển ñiều kiện chất lượng hệ thống Xây dựng giải thuật điều khiển ước lượng thơng số cho điều khiển Chương -6- Võ Bá Thi Luận Văn Thạc Só CHƯƠNG II LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN MỜ Khái niệm Logic mờ ñưa L.A Zadeh, giáo sư thuộc trường ðại học Berkeley - Mỹ Các ñiều khiển mờ có ưu điểm khơng cần biết rõ hàm truyền ñối tượng, hữu dụng ñiều khiển đối tượng phức tạp mà khơng biết phương trình tốn đối tượng Vì vậy, ngày kỹ thuật điều khiển mờ ñang dần ñược áp dụng rộng rãi ứng dụng khoa học kỹ thuật, công nghiệp dân 2.1 Khái niệm điều khiển mờ Bộ điều khiển bắt chước theo chiến lược điều khiển dựa vào thông tin không rõ ràng người gọi điều khiển mờ (FLC – Fuzzy Logic Controller) Cơ sở toán học điều khiển mờ lý thuyết tập mờ logic mờ Một hệ thống ñiều khiển mờ tập hợp qui tắc điều khiển dạng Nếu … Thì … để mơ hành vi người đưa vào cấu trúc điều khiển hệ thống Ngôn ngữ tự nhiên mà người sử dụng để suy nghó, trao đổi thông tin, xử lý thông tin có tính chất không rõ ràng Mặc dù thông tin trao đổi không rõ ràng người hiểu nhau, suy nghó điều khiển tốt đối tượng, người mong muốn thiết kế điều khiển bắt chước khả xử lý thông tin không rõ ràng 2.2 Tập mờ Khái niệm: Tập hợp rõ có biên rõ ràng Cho phần tử hoàn toàn xác định phần tử có thuộc tập hợp hay không Xét tập hợp rõ A hình 2.a, ta thấy a ∈ A b ∉ A Chương -7- Võ Bá Thi Luận Văn Thạc Só PHỤ LỤC Chương trình mfile sfuntion cho ñiều khiển mờ: function mh = mhoa(x); % Chương trình mờ hóa tín hiệu vào if x=1 x = 1; end if x