Bộ điều khiển học mờ mô hình tham chiếu cho hệ thống nâng bi kim loại trong từ trường

ðẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ðẠI HỌC BÁCH KHOA LÊ VĨNH PHÚ ðỨC ðỀ TÀI BỘ ðIỀU KHIỂN HỌC MỜ MƠ HÌNH THAM CHIẾU CHO HỆ THỐNG NÂNG BI KIM LOẠI TRONG TỪ TRƯỜNG CHUYÊN NGÀNH: TỰ ðỘNG HĨA Niên khóa: 2008 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP Hồ Chí Minh, tháng 11 năm 2010 CƠNG TRÌNH ðƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ðẠI HỌC BÁCH KHOA ðẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học : PGS TS NGUYỄN THỊ PHƯƠNG HÀ (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét 1: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét 2: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Luận văn thạc sĩ ñược bảo vệ HỘI ðỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ðẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày tháng năm 2010 TRƯỜNG ðẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HOÀ Xà HỘI CHỦ NGHIà VIỆT NAM KHOA ðIỆN – ðIỆN TỬ ðộc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc -oOo Tp HCM, ngày tháng năm 2010 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: LÊ VĨNH PHÚ ðỨC Phái: NAM Ngày, tháng, năm sinh: 19 – 04 – 1977 Nơi sinh: Bến Tre Chuyên ngành: TỰ ðỘNG HÓA MSHV: 01508334 1- TÊN ðỀ TÀI: BỘ ðIỀU KHIỂN HỌC MỜ MƠ HÌNH THAM CHIẾU CHO HỆ THỐNG NÂNG BI KIM LOẠI TRONG TỪ TRƯỜNG 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: Thiết kế mơ hình hóa hệ thống nâng bi kim loại từ trường Nghiên cứu lý thuyết logic mờ điều khiển học mờ mơ hình tham chiếu ứng dụng vào hệ thống nâng bi kim loại từ trường Mô hệ thống dùng MATLAB/Simulink sử dụng giải thuật PD mờ FMRLC So sánh kết ñiều khiển Xây dựng ñiều khiển nhúng cho hệ nâng bi kim loại từ trường sử dụng vi ñiều khiển thời gian thực TMS320F28335 TI với giải thuật ñiều khiển ðánh giá kết dựa mơ hình thực nghiệm so sánh kết ñiều khiển 3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 02/2010 4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 11/2010 5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi ñầy ñủ học hàm, học vị ): PGS TS NGUYỄN THỊ PHƯƠNG HÀ Nội dung ñề cương Luận văn thạc sĩ Hội ðồng Chun Ngành thơng qua CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) CHỦ NHIỆM BỘ MÔN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên chữ ký) KHOA QL CHUYÊN NGÀNH (Họ tên chữ ký) PGS.TS Nguyễn Thị Phương Hà GVC.TS Nguyễn ðức Thành PGS.TS Nguyễn Hữu Phúc L IC M N! ðể hoàn thành luận văn xin chân thành cám ơn tới PGS.TS NGUYỄN THỊ PHƯƠNG HÀ, người ln tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, bảo truyền đạt kiến thức quý báu suốt thời gian thực luận văn Và quan trọng hết, PGS ñã gợi mở ñề tài ñịnh hướng nghiên cứu, quan tâm tạo thuận lợi cho suốt thời gian thực ñề tài Cám ơn cha mẹ ni dưỡng giáo dục nên người, người ln quan tâm hỗ trợ tạo điều kiện hết lịng động viên vật chất lẫn tinh thần suốt thời qua, ln dõi theo bước đường học tập Cảm ơn anh chị em gia đình ñã ñộng viên ủng hộ suốt thời gian qua ðặt biệt xin chân thành cảm ơn quý thầy Bộ mơn ðiều Khiển Tự ðộng tận tình giảng dạy truyền đạt kinh nghiệm, kiến thức q báu cho tơi suốt q trình học tập Những kiến thức kinh nghiệm ñã truyền cho tơi niềm đam mê nghiên cứu u thích khoa học Và cuối xin cảm ơn học viên lớp cao học 2008, ngành Tự ðộng Hóa Những buổi thảo luận mặt lý thuyết chun mơn, ý kiến đóng góp nguồn động lực cho tơi để hồn thành đề tài Lê V nh Phú ð c TÓM T T Ngày nay, với phát triển tiến vượt bậc lý thuyết ñiều khiển phi tuyến ñã áp dụng thàng công việc thiết kế tổng hợp ñiều khiển có chất lượng ñộ tin cậy cao Dựa tảng đó, tác giả đề tài ñề cập ñến việc thiết kế Bộ ðiều Khiển Học Mờ Theo Mơ Hình Tham Chiếu để giữ cân vị trí cho trước hệ thống nâng bi kim loại từ trường Phương pháp ñiều khiển áp dụng thành cơng nhiều lĩnh vực điều khiển khác như: điều khiển góc lái tàu [10], ñiều khiển ñộng AC, ñiều khiển hệ thống thắng ABS [11] … “ Hệ thống ñiều khiển học ” hệ thống có khả cải thiện chất lượng hệ thống ñiều khiển theo thời gian cách tương tác với môi trường xung quanh Hệ thống ñiều khiển học ñược thiết kế cho “bộ ñiều khiển học” có khả cải thiện chất lượng hệ kín cách tạo tín hiệu điều khiển đối tượng dựa vào thơng tin hồi tiếp từ đối tượng Bộ điều khiển học thơng thường thiết kế ñể bắt chước cách người ñiều khiển hệ thống học cách ñiều khiển hệ thống hoạt động Các tính chất q trình học bao gồm: (i) xu hướng tự nhiên người tập trung q trình học đặc biệt ý vào ñiều kiện hoạt ñộng hệ thống, thơng tin xác đáng ñể xác ñịnh cách nâng cao chất lượng hệ thống; (ii) sau học cách ñiều khiển ñối tượng số điều kiện hoạt động đó, ñiều kiện hoạt ñộng thay ñổi, cách tốt ñể ñiều khiển hệ thống phải học lại, (iii) người với kinh nghiệm quan trọng ñiều khiển hệ thống phạm vi hoạt ñộng khơng qn kinh nghiệm ñiều kiện làm việc thay ñổi Hệ thống nâng bi kim loại từ trường luận văn ñược dùng để thực phân tích minh họa khái niệm ñiều khiển học mờ ABSTRACT Nowadays, with the development and advancement of outstanding non-linear control theory has been applied in the design of quality control and reliability Based on that, the author of this thesis refers to the design of the Fuzzy Model Reference Learning Controller (FMRLC) for stability at a given location of the magnetic ball suspension system This method has been applied successfully in many areas of different drivers such as FMRLC for Cargo ship steering [10], FMRLC of induction motor, FMRLC for antiskid braking systems [11] A "learning system" is the control system can improve its quality over time by interacting with its the surrounding environment A learning control system is designed so that its "learning controller" has the potential to improve the performance of the closed-loop system by generating command inputs to the plant and utilizing feedback information from the plant Learning controllers are usually designed to mimic the maner in which a human in the loop control would learn how to control a system while it operates Some characteristics of the this human learning process may include: (i) a natural tendency for the human to focus their learning by paying particular attention on the current operating conditions of the system, since these may be most relevant to determining how to enhance performance, (ii) after learning how to control the plant for some operating condition, if the operating conditions change, then the best way to control the system may have to relearned, and (iii) a human with a significant experience at controlling the system in one operating region should not forget this experience if the operating condition changes Improve the system of metal balls in the magnetic field in this thesis is used to perform analysis and illustrate the concept of fuzzy learning controllers Một số thuật ngữ từ viết tắt dùng luận văn Associativity: Kết hợp Boundary: Bị chặn Center of Gravity (COG) Defuzzification: phương pháp giải mờ ñiểm trọng tâm Center-Average Defuzzification: phương pháp giải mờ trung bình Conjunction (Intersection): Giao Complement ( Negation): Bù Conclusion (Consequence): Kết luận Commutativity: Giao hoán Defuzzification: Giải mờ Degree of certainty: ðộ tin cậy, ñộ thỏa mãn, ñộ ñúng Disjunction (Union): Hợp DSP: Digital Signal Processing - Xử lý tín hiệu số Extension principle: Nguyên lý mở rộng FMRLC (Fuzzy Model Reference Learning Control): Bộ ñiều khiển học mờ mơ hình tham chiếu Fuzzy Inference Systems: Hệ mờ Fuzzy inverse model: Mơ hình ngược mờ Fuzzification: Mờ hóa Fuzzy proposition: Mệnh đề mờ Fuzzy set: Tập mờ Fuzzy PD : Bộ ñiều khiển PD mờ Binary fuzzy relation: Quan hệ mờ hai Implication: Kéo theo Knowledge-Base modifier: Bộ thay ñổi sở tri thức (luật) Linguistic variable: Biến ngôn ngữ Linguistic-numberic value: Biến ngôn ngữ số Linguistic value: Giá trị ngôn ngữ MCU: Microcontroller Unit – Vi ñiều khiển Monotonicity: ðơn ñiệu Max – Min composition: Hợp thành Max – Min Max – Product composition: Hợp thành Max – Product MAGLEV: Magnetic Levitation System – Hệ nâng vật từ trường MFs (Membership function): Hàm thành viên, hàm liên thuộc MFs of One Dimension: Hàm thành viên chiều (có đầu vào) MFs of Two Dimensions: Hàm thành viên chiều (có hai ñầu vào) Membership grades: Mức ñộ thành viên, ñộ liên thuộc Premise (Antecedent): Tiên ñề PD: Proportional – Derivative controller – Bộ ñiều khiển tỉ lệ - vi phân Singleton: Hàm dạng vạch S-Norm (T-coNorm): Các phép toán S-Norm T-Norm (Triangular norm): Các phép toán T-Norm Triangular MFs: Hàm thành viên tam giác Bell MFs : Hàm thành viên dạng chuông Gaussian MFs : Hàm thành viên dạng Gauss Mục lục Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 ðặt vấn ñề 1.2 Một số kết nghiên cứu hệ thống Maglev 1.2.1 Bộ điều khiển tuyến tính hóa hồi tiếp [36] 1.2.2 ðiều khiển phân bố cực có quan sát trạng thái [37] 1.2.3 Bộ ñiều khiển PD PWM [38] 1.3 Phương pháp ñiều khiển thực luận văn 1.4 Nội dung luận văn Thạc sĩ Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tập hợp mờ 2.1.1 Khái niệm tập hợp mờ 2.1.1.1 ðịnh nghĩa thuật ngữ 10 2.1.1.2 Các phép toán tập mờ 14 2.1.2 Thành lập hàm thành viên tham số 17 2.1.2.1 Hàm thành viên chiều (Hàm thành viên có ngõ vào) 18 2.1.2.2 Hàm thành viên hai chiều (Hàm thành viên có hai ngõ vào) 19 2.1.3 Phép giao phép hội tập mờ 21 2.1.4 Hệ quy tắc mờ suy luận mờ 24 2.2 Nguyên lý mở rộng quan hệ mờ 24 2.2.1.1 Nguyên lý mở rộng 24 2.2.1.2 Quan hệ mờ 25 2.2.2 Quy tắc mờ (Fuzzy If – Then Rules) 28 2.2.2.1 Biến ngôn ngữ 28 2.2.2.2 Quy tắc mờ 29 2.2.3 Suy luận mờ 30 2.2.3.1 Sự hợp thành quan hệ mờ 30 2.2.3.2 Suy luận mờ 31 2.2.3.2.1 Hệ luật có mệnh ñề ñiều kiện 32 2.2.3.2.2 Hệ luật có nhiều mệnh đề điều kiện 33 i 2.2.3.2.3 Hệ nhiều luật có nhiều mệnh đề điều kiện 34 2.3 Hệ mờ (Fuzzy Inference Systems) 35 2.3.1 Mô hình mờ Mamdani 36 2.3.2 Giải mờ 37 2.3.3 Mơ hình mờ Sugeno 40 2.4 ðiều khiển học mờ mô hình tham chiếu 41 2.4.1 Bộ ñiều khiển mờ 43 2.4.2 Hệ quy tắc (Rule-Base) 44 2.4.3 Mơ hình tham chiếu 45 2.4.4 Cơ chế học 46 2.4.4.1 Mơ hình ngược mờ 46 2.4.4.2 Bộ ñiều chỉnh sở tri thức 47 Chương 3: Thiết kế hệ thống MAGLEV 49 3.1 Tĩnh từ 49 3.1.1 Phân tích mạch từ 51 3.1.1.1 Nguồn dịng điện 52 3.1.1.2 Phương trình điện 58 3.1.1.3 Phương trình 60 3.1.1.4 Phương trình – ñiện 61 3.1.2 Phân tích lượng 61 3.2 Hệ nâng vật từ trường 66 3.2.1 Mạch từ 66 3.2.2 Mạch ñiện 67 3.2.3 Hệ thống khí 69 3.2.4 Mơ hình phi tuyến 69 3.2.5 Sơ ñồ Matlab/Simulink 70 3.3 Kết luận 72 Chương 4: Giải thuật ñiều khiển 73 4.1 ðặt vấn ñề 73 4.2 ðiều khiển PD kinh ñiển 73 4.3 ðiều khiển PD mờ 76 ii Chương 5: Bộ ñiều nhúng kết ñiều khiển thực Cảm biến ACS712 đo xác dịng điện AC DC, cảm biến đo dịng điện đến 5A Trên board có gắn thêm tầng khuếch ñại dùng opamp ñể tăng ñộ nhạy, độ lợi hiệu chỉnh từ 4.27 đến 47 dùng để đo dịng điện nhỏ Ngõ điện áp analog thay đổi tuyến tính với dịng ñiện ño ðộ nhạy cảm biến ñược tính theo biểu thức: S= Vref − Vdeflect I input Băng thơng thiết lập 34Hz ñể giảm nhiễu sử dụng hệ số khuếch đại lớn Băng thơng lớn 80KHz cảm biến đạt bỏ tụ C1 Hình 5.8 Cấu trúc bên ACS712 Hình 5.9 Sơ đồ nguyên lý Board ACS712 Luận văn Thạc sĩ Trang 115 Chương 5: Bộ ñiều nhúng kết ñiều khiển thực Hình 5.10 Driver mạch cơng suất PWM điều khiển cuộn dây nam châm Hình 5.11 Board nguồn cung cấp driver Luận văn Thạc sĩ Trang 116 Chương 5: Bộ ñiều nhúng kết ñiều khiển thực Hình 5.12 Board DSP điều khiển hệ MAGLEV (MCU) 5.2 Giới thiệu điều khiển nhúng Trong phần trình bày ứng dụng ñiều khiển PD mờ điều khiển học mờ mơ hình tham chiếu vào điều khiển đối tượng thực Q trình điều khiển đối tượng thực ñược thực vi ñiều khiển TMS320F28335 dựa vào hỗ trợ thư viện Target Support Package Real-Time Workshop Matlab 2009b – hỗ trợ cho vi ñiều khiển họ TI C2000 Bộ ñiều khiển ñược lập trình Simulink sử dụng Embedded Matlab Function C S-Function, sau ứng dụng biên dịch (Build) sang mã ngơn ngữ C cho vi điều khiển ñược biên dịch lần Code Composer Studio tạo thành tập tin thực thi nhúng vào TMS320F28335 Trong q trình điều khiển cần thu thập liệu ñiều khiển ñể quan sát ñáp ứng hệ thống MAGLEV, chất lượng ñiều ñiều khiển ñiều khiển hoạt ñộng di chuyển viên bi Dữ liệu vị trí di chuyển viên bi gửi máy tính thơng qua giao tiếp SCI(A) qua cổng USB máy tính, liệu lưu trữ ñể vẽ ñáp ứng hệ Luận văn Thạc sĩ Trang 117 Chương 5: Bộ ñiều nhúng kết điều khiển thực Hình 5.13 Thư viện Target Support Package TC2 cho họ TI C2000 Hình 5.14 Link matlab for Code Composer Kết hợp Matlab/Simulink – Code Composer – TMS320F28355 ñể xây dụng ứng dụng cho hệ MAGLEV Luận văn Thạc sĩ Trang 118 Chương 5: Bộ ñiều nhúng kết điều khiển thực Hình 5.15 Sử dụng chương trình Terminal để điều khiển thu tập liệu 5.3 Bộ điều khiển PD mờ Hình 5.16 Bộ ñiều khiển PD mờ nhúng vi ñiều khiển Luận văn Thạc sĩ Trang 119 Chương 5: Bộ ñiều nhúng kết ñiều khiển thực Bộ ñiều khiển PD mờ nhúng xây dựng thơng qua ba khối chức bản: khối đo vị trí viên bi dịng điện qua cuộn dây, khối nhận lệnh từ modul SCI(A) Read SCI/USB Command, khối ñiều khiển giữ cân vị trí viên bi – Regulation Control Hình 5.17 Khối điều khiển PD mờ giữ vị trí cân 5.4 Bộ điều khiển học mờ mơ hình tham chiếu Hình 5.18 Khối điều khiển FMRLC mờ giữ vị trí cân Luận văn Thạc sĩ Trang 120 Chương 5: Bộ ñiều nhúng kết ñiều khiển thực Kết điều khiển thời gian thực: Kết luận: 5.5 Tóm tắt Trong chương này, trình bày việc xây dựng ñiều khiển nhúng cho hệ MAGLEV với hai giải thuật: điều khiển PD mờ hai cấu hình điều khiển học mờ mơ hình tham chiếu Qua q trình thực điều khiển hệ MAGLEV thực, q trình ước lượng liệu đo vị trí dịng ñiện từ cảm biến quang cảm biến dòng ñiện quan trọng Nếu ñại lượng từ cảm biến xác giúp điều khiển hoạt ñộng ñúng chất lượng ñiều khiển ñược cải thiện rõ rệt So sánh ưu khuyết ñiểm hai điều khiển: Bộ điều khiển PD mờ: có cấu trúc ñơn giản ñiều khiển FMRLC, hệ quy tắc đơn giản có 11 luật nên điều khiển khơng cần thời gian tính tốn nhiều nên thích hợp cho việc thiết kế điều khiển vi xử lý tốc ñộ chậm giá thành thấp, chất lượng điều khiển khơng tốt FMRLC phần ñáp ứng ñược yêu cầu chất lượng phạm vi cho phép Bộ ñiều khiển FMRLC: có cấu trúc phức tạp hơn, chất lượng điều khiển tốt so với ñiều khiển PD mờ, điều khiển có khả giữ ổn định vị trí viên bi, ñáp ứng tốt với ñiều kiện tải thay ñổi ngoại lực tác ñộng Tuy nhiên ưu ñiểm lớn ñiều khiển ñó là: khả học để đáp ứng với điều kiện mơi trường làm việc thay ñổi ñã ñược thể rõ, thuật tốn cập nhật sở tri thức online hệ thống ñang làm việc Thứ hai , thủ tục thiết kế ñơn giản so với kỹ thuật thiết kế kinh ñiển Vấn ñề cách lựa chọn hàm thành viên, số lượng hàm thành viên… ñặt biệt ñộ lợi hiệu chỉnh ñầu vào ñầu ñiều khiển Về mặt ñộ lợi ñược lựa chọn dựa kinh nghiệm chuyên gia, nhiên ta ước lượng đại lượng kiến thức vật lý tác ñộng ñối tượng thông qua mô ñể lựa chọn giá trị thích hợp Luận văn Thạc sĩ Trang 121 Chương 6: Kết luận hướng phát triển Chương 6: Kết ñạt ñược hướng phát triển 6.1 Kết ñạt ñược Với ñề tài nghiên cứu điều khiển học mờ mơ hình tham chiếu áp dụng cho hệ thống nâng bi kim loại từ trường, tác giả hồn thành số kết sau: Trong hai chương luận văn, tác giả ñã giới thiệu lý thuyết sở hệ mờ thiết lập mơ hình tốn đối tượng MAGLEV nhằm đem lại nhìn tổng quan hệ thống ñiều khiển mờ ñối tượng nắm đặc tính động lực học đối tượng Mục tiêu q trình điều khiển: ổn định viên bi vị trí cân 0.01m ảnh hưởng tải thay ñổi nhiễu noại lực tác động Mơ hình phi tuyến hệ MAGLEV ñược xây dựng Matlab Simulink, so sánh mơ hình phi tuyến mơ hình tuyến tính hóa, thấy đối tượng MAGLEV đối tượng có đặc tính phi tuyến cao khơng ổn ñịnh (có cực nằm bên phải mặt phẳng phức), bên cạnh việc khảo sát ảnh hưởng nhiễu tác động lên hệ MAGLEV mơ phỏng, giúp lựa chọn tải dự đốn cơng suất nhiễu phù hợp mơ đối tượng MAGLEV Kết mơ cho thấy hệ MAGLEV ñáp ứng tốt ñối với giải thuật ñiều khiển khác Tác giả ñã sử dụng ba giải thuật ñiều khiển ñể ñiều khiển ñối tượng MAGLEV: giải thuật ñiều khiển PD mờ dựa kỹ thuật thiết kế ñiều khiển PD kinh điển để đảm bảo tính ổn định hệ thống, điều khiển học mờ mơ hình tham chiếu cải thiện chất lượng ñiều khiển PD mờ mục 4.3 ñưa thêm vào chế học Dựa vào kết mơ giải thuật điều khiển: PD mờ FMRLC cho thấy: Hai ñiều khiển có cách tiếp cận khác (một tuyến tính phi tuyến); phương pháp PD mờ dựa PD kinh điển xây dựng mơ hình tuyến tính hệ thống ñiểm làm việc – hệ thống MAGLEV ñối Luận văn Thạc sĩ Trang 122 Chương 6: Kết luận hướng phát triển tượng có tính phi tuyến cao – mà sử dụng phương pháp PD mờ (bộ ñiều khiển phi tuyến), chất lượng điều khiển cải thiện so với PD kinh ñiển ñộ vọt lố, thời gian xác lập ñáp ứng tốt với ñiều kiện ñầu xa ñiểm cân bằng, nhiên hệ thống có sai số xác lập ðối với ñiều khiển FMRLC so với điều khiển PD mờ kết mơ cho thấy: Cả hai ñiều khiển ñều cho kết ñáp ứng hệ thống tốt với nhiều tín hiệu đặt vị trí khác Tuy nhiên điều khiển PD mờ, độ thay đổi thơng số tải nhỏ, đặc biệt thay đổi tải, thay đổi lớn, tạo sai số xác lập lớn hệ thống ổn ñịnh ðối với ñiều khiển FMRLC cho kết ñáp ứng tốt sau ñiều khiển ñược học (về ñáp ứng sai số xác lập…), điều có ý nghĩa quan trọng, định chất lượng ñộ ổn ñịnh hệ thống Trong điều khiển FMRLC, tác giả đề cập ñến chất lượng ñiều khiển sử dụng hai cấu trúc khác nhau: cấu trúc biết trước hệ quy tắc (cơ sở luật if – then) cấu trúc với hệ quy tắc (tức ñiều khiển khơng biết cách điều khiển đối tượng) Phân tích kết mơ nhận thấy, chất lượng điều khiển hai cấu trúc điều khiển khơng khác nhiều sai số xác lập, khả ổn ñịnh ñối với tải thay ñổi nhiễu Và so sánh với điều khiển PD mờ hai điều khiển có tính ưu việt nhiều hơn, điều giải thích lý tính khả thi ñiều khiển FMRLC ñược sử dụng cho việc ñiều khiển ñối tượng thực Tham khảo kết lý thuyết thực hành ñã ñược nghiên cứu giới hệ MAGLEV, luận văn tác giả ñã hoàn thành việc xây dựng ñiều khiển nhúng cho đối tượng dựa hai thuật tốn: điều khiển PD mờ điều khiển FMRLC nằm mục đích so sánh đánh giá thuật tốn điều khiển So với trước ñây, ñể ñiều khiển ñối tượng hệ MAGLEV thơng thường hay sử dụng vi điều khiển như: 8051, AVR, PIC… nhiên dịng vi điều khiển thơng dụng nhúng giải thuật điều khiển đơn giản, khơng địi hỏi tốc độ tính tốn Luận văn Thạc sĩ Trang 123 Chương 6: Kết luận hướng phát triển cao, khối lượng nhớ lớn Và gặp tốn có ñộ phức tạp lớn hơn, cần trợ giúp máy tính, loại card điều khiển chun dụng với giá thành cao (như card Quanser, PCI, Advanced Tech…) Và bên cạnh đó, mơi trường lập trình đóng vai trị quan trọng, loại vi điều khiển khác việc lập trình giải thuật điều khiển sử dụng ngơn ngữ lập trình C khơng phải vấn đề đơn giản, thuật tốn địi hỏi khối lượng tính tốn lớn như: ñiều khiển mờ, ñiều khiển trượt hay mạng thần kinh nhân tạo Câu trả lời cho việc nhúng giải thuật vào vi điều khiển, hoạt động độc lập, với tốc độ tính tốn nhanh, khối lượng nhớ lớn, quan trọng môi trường lập trình trực quan, thân thiện dịng vi ñiều khiển C2000 Texas Instrument ñược hỗ trợ mơi trường Matlab Các điều khiển thực mơi trường lập trình Matlab Simulink, sau nhờ vào Real- Time Workshop chương trình biên dịch sang ngơn ngữ C đưa vào mơi trường biên dịch Code Composer Studio tạo mã thực thi chạy TMS320F28335 ðây là hướng giải cho việc nhúng giải thuật ñiều khiển, ñặc biệt giải thuật ñiều khiển thơng minh, địi hỏi khối lượng tính tốn lớn, với tốc độ cao Ngồi hàm hỗ trợ sẵn thư viện Matlab, người sử dụng tự xây dựng khối hàm riêng dựa cở sở Embedded Matlab Function, C SFunction dành cho vi ñiều khiển Với kết mô phong phú, kết ñiều khiển thực tốt, chứng tỏ hai ñiều khiển thực cho ñối tượng MAGLEV tác giả thực ñáp ứng ñược mục tiêu thiết kế ñề Như vậy, đến tác giả hồn thành nhiệm vụ ñược giao luận văn Tuy nhiên trình thực luận văn, thời gian có giới hạn nên kết gặp số hạn chế 6.2 Một số hạn chế: Khi sử dụng Real – Time Workshop Matlab, mã nguồn chương trình tạo ngơn ngữ C chưa phải mã tối ưu, làm thời gian lấy mẫu q trình điều khiển bị ảnh hưởng, làm giảm chất lượng ñiều khiển hệ MAGLEV Luận văn Thạc sĩ Trang 124 Chương 6: Kết luận hướng phát triển Luận văn chưa khảo sát cách ñầy ñủ ñặc tính ổn định hệ MAGLEV, điều khác biệt so với kỹ thuật thiết kế cho hệ tuyến tính ñiều kiện ổn ñịnh ñược ñảm bảo tìm hàm Lyapunov thích hợp Tại thời điểm này, giới chưa có hệ thống lý thuyết chứng minh tính ổn định hệ phi tuyến ñiều khiển mờ ñược thiết kế dựa kinh nghiệm ðây hướng ñi mở cho ñặc biệt quan tâm ổn ñịnh hệ phi tuyến hệ mờ Như ñã thấy chương 5, ñiều khiển FMRLC ñáp ứng tốt ñối với hệ thống thỏa mãn chất lượng yêu cầu hệ thống Tuy nhiên đảm bảo hệ thống ln ổn ñịnh, ñiều khác với việc thiết kế ñiều khiển PD mờ dựa ñiều khiển PD kinh ñiển áp dụng lý thuyết ổn ñịnh Lypunov ñể trì trạng thái ổn định hệ thống ñã làm mục 4.3 ðể khắc phục khuyết ñiểm hạn chế trên, tác giả ñưa hướng phát triển cho nghiên cứu tiếp theo, ứng dụng ñược nhiều lĩnh vực ñiều khiển tự ñộng Việt Nam 6.3 Hướng phát triển Mô hình MAGLEV sử dụng cuộn dây nam châm quấn 1000 vịng quanh lõi thép hình trụ để đạt tính tối ưu nam châm [6], [28] Tuy nhiên, dựa vào phương pháp quỹ ñạo nghiệm ta thấy cực thứ (ổn ñịnh) hệ thống ñiện tạo nằm chen hai cực hệ (phụ thuộc vào vị trí viên bi – vị trí viên bi gần bề mặt nam châm, cực tiến xa bên phải mặt phẳng phức) nên làm cho quỹ ñạo nghiệm uốn cong bên phải (tức khó ñiều khiển hơn) ðây nguyên nhân làm cho điều khiển khơng thể bám (tracking) theo tín hiệu mong muốn Do để cải thiện chất lượng hệ thống cần phải thiết kế lại nam châm cho cực thứ nằm xa phía bên trái mặt phẳng phức (nằm bên trái cực ổn ñịnh hệ cơ) Do cực thứ phụ thuộc vào tỷ số R/L (phụ thuộc vào ñiện trở ñiện cảm cuộn dây) nên dễ dàng cho thiết kế nam châm thỏa mãn ñiều kiện Như ñã ñề cập phần trước, cách thực ñiều khiển nhúng sử dụng ñề tài mở hướng ứng dụng kết hợp Matlab Simulink vi điều khiển ðối với dịng vi ñiều khiển C2000 TI cần xây dựng thêm thư viện Luận văn Thạc sĩ Trang 125 Chương 6: Kết luận hướng phát triển chuyên biệt ñiều khiển, tối ưu hóa mã ngơn ngữ C thời gian thực thi như: thư viện điều khiển thích nghi, thư viện ñiều khiển mờ mạng thần kinh nhân tạo Bên cạnh đó, vi điều khiển chưa có hỗ trợ Matlab Simulink, ñược ứng nhiều PIC Microchip, AVR Atmel…cần xây dựng thư viện liên kết phần cứng, ñể sử dụng Matlab Simulink mơi trường lập trình, tận dụng hỗ trợ Matlab khả tính tốn, xử lý số học Do việc thiết kế hệ mờ ñều dựa kinh nghiệm người điều khiển nên khơng có cơng cụ để phân tích tính ổn định hệ thống kỹ thuật điều khiển tuyến tính Ta thấy hệ quy tắc mờ điều khiển gồm có 121 luật, nhiên q trình học điều khiển cập số luật tác ñộng tùy thuộc vào ñiều kiện ñiểm làm việc môi trường Do hệ quy tắc ñược lưu nhớ, ñiều dẫn đến việc cịn nhiều nhớ (các luật) khơng ñược sử dụng Cho nên ñể sử dụng hết tài nguyên ñể chất lượng hệ thống cao hơn, tác giả ñề nghị phương pháp học nâng cao [16], phương pháp “học tập trung động học” (Dynamically Focused Learning) tức làm cách để kích thích tồn hệ quy tắc (tức sử dụng hết nhớ hệ quy tắc) tín hiệu vào thay đổi Ngồi nghiên cứu lý thuyết ổn ñịnh ñể áp dụng cho hệ mờ thực hệ tuyến tính, để có sở vũng đảm bảo tính ổn định hệ mờ Và cuối ta sử dụng mạng nơ ron nhân tạo kết hợp nơ ron – mờ ñể sử dụng triệt ñể khả học hai phương pháp bổ sung qua lại với nhằm mục đích cải thiện chất lượng hệ thống Hơn ta sử dụng giải thuật di truyền để tìm nghiệm tối ưu cho điều khiển, nghiệm ñộ lợi hiệu chỉnh, tâm hàm thành viên… cho điều khiển có chất lượng cao ổn ñịnh Luận văn Thạc sĩ Trang 126 Tài liệu tham khảo TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Andrzej M Pawlak, “ Sensors and Actuators in Mechatronics ” (Design and Applications), CRC Press Taylor & Francis Group [2] Benjamin C Kuo, “ Automatic Control Systems ”, Prentice Hall Inc., 1995 [3] Charles L Phillips/H Troy Nagle, “Digital Control System Analysis and Design ”, Prentice Hall Inc., 1984 [4] Christopher T Kilian, “ Morden Control Technology: Components and Systems ”, Delmar Thomson Learning [5] Donald A Neamen, “ Electronic Circuit Analysis and Design ”, McGraw-Hill Higher Education, 2000 [6] Edward P Furlani, “ Permanent Magnet and Electromechanical Devices ”Academic Press, Elsevier [7] Gene F Franlink, J David Powell, Michael L Workman, “ Digital Control of Dynamic Systems”, Addison Wesley, 1990 [8] Hugh Jack, “ Dynamic System Modeling and Control ”, 1993 – 2001 [9] J R Layne and K V Passino, “ Fuzzy Model Reference Learning Control ”, in Proc IEEE Conf Control Applications, Dayton, OH, Sept 1992 [10] J R Layne and K V Passino, “ Fuzzy Model Reference Learning Control for cargo ship steering ”, IEEE Conf Syst Mag [11] J R Layne, K V Passino and S Yurkovich, “ Fuzzy Model Reference Learning Control for antiskid braking systems”, in Proc IEEE Conf Decision Control, Tuscon, AZ, Dec 1992 [12] James R Carstens, P.E., “ Automatic Control Systems and Components ”, Prentice Hall, Inc., 1990 [13] Jan Jantzen, “ Foundations of Fuzzy Control ”, John Wiley & Sons Ltd 2007 [14] John R Brauer, “ Magnetic Actuators and Sensors ”, John Wiley & Sons Ltd 2006 [15] Jyh-Shing Roger Jang, Chuen-Tsai Sun, Eiji Mizutzni, “ Neural-Fuzzy and Soft Computing – A Computational Approach to Learning and Machine Intelligence ”, Prentice Hall, Inc., 1997 [16] K.M Passino, S Yurkovich, “ Fuzzy Control ”, Addision Wesley Longman Inc., 1998 [17] Kannan M Moudgalya, “ Digital Control ”, John Wiley & Sons Ltd 2007 Luận văn Thạc sĩ Trang 127 Tài liệu tham khảo [18] Katsuhiko Ogata, “ Morden Control Engineering ”, Prentice Hall, Inc., 1997 [19] Leonid Reznik, “ Fuzzy Controllers ”, Newnes – Oxford, 1997 [20] Margaret Glavin, “State Space Control of a Magnetic Suspension System”, April 2005 [21] Petros Ioannou, “Robust Adaptive Control”, 2003 [22] Richard C Dorf / Robert H Bishop, “ Modern Control Systems ”, Prentice Hall Inc., 2008 [23] Robert C Baker, P.E., “ Linear Electronics in Control Systems ”, Barks Publications, Inc., 1988 [24] Ron Mancini, “ Opamp for Everyone ”, Texas Instruments, Newnes – Elsevier 2003 [25] S.N Sivanandam, S.Sumathi and S.N Deepa, “ Introduction to Fuzzy Logic using MATLAB ”, Springer [26] Shafayet Hossain, “Design of a Robust Controller for a Magnetic Levitation System”, Wichita State University, Wichita, KS [27] Valluru B Rao, “ C++ Neural Network and Fuzzy Logic ”, M&T Books, IDG Books Worldwide, Inc [28] William Gerard Hurley, Senior Member, IEEE, and Werner H Wölfle, “Electromagnetic Design of a Magnetic Suspension System ”, IEEE Transactions on Education, Vol 40, No 2, MAY 1997 [29] William Gerard Hurley, Senior Member, IEEE, Martin Hynes, and Werner H Wölfle, “PWM Control of a Magnetic Suspension Syste”, IEEE Transactions on Education, Vol 40, No 2, MAY 1997 [30] Yung C Shin, Chengying Xu, “ Intelligent Systems –Modeling, Optimization and Control”, CRC Press Taylor& Francis Group [31] Zdenko Kovacic, Stjepan Bogdan, “Fuzzy Controller Design – Theory and Applications” , CRC Press Taylor & Francis Group [32] Nguyễn Thị Phương Hà, Huỳnh Thái Hoàng, “Lý Thuyết ðiều Khiển Tự ðộng”, NXB ðại Học Quốc Gia TP HCM 2005 [33] Huỳnh Thái Hoàng, “Hệ Thống ðiều Khiển Thông Minh”, NXB ðại Học Quốc Gia TP HCM 2006 [34] Dương Hoài Nghĩa, “ðiều Khiển Hệ Thống ða Biến”, NXB ðại Học Quốc Gia TP HCM 2007 [35] Nguyễn ðức Thành, “Matlab Ứng Dụng Trong ðiều Khiển”, NXB ðại Học Quốc Gia TP HCM 2004 Luận văn Thạc sĩ Trang 128 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ tên: LÊ VĨNH PHÚ ðỨC Phái: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 19 – 04 – 1977 Nơi sinh: Bến Tre ðịa liên lạc: 441C, Phú Hào, Phú Hưng, TP Bến Tre, Tỉnh Bến Tre Phone: 0753 817191 Mobile: 0917 205 379 eMail: levinhphuduc@yahoo.com, levinhphuduc@gmai.com Khóa (năm trúng tuyển): 2008 QUÁ TRÌNH ðÀO TẠO 1995 – 2000: Học đại học trường ðại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP HCM Chuyên ngành: ðiện – ðiện Tử 2008 – 2010: Học cao học trường ðại Học Bách Khoa TP HCM Chuyên ngành: Tự ðộng Hóa Q TRÌNH CƠNG TÁC 2001 – 2010: Làm việc trường Cao ðẳng Bến Tre ... 1- TÊN ðỀ TÀI: BỘ ðIỀU KHIỂN HỌC MỜ MƠ HÌNH THAM CHIẾU CHO HỆ THỐNG NÂNG BI KIM LOẠI TRONG TỪ TRƯỜNG 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: Thiết kế mơ hình hóa hệ thống nâng bi kim loại từ trường Nghiên cứu... mờ ñiều khiển học mờ mơ hình tham chiếu ứng dụng vào hệ thống nâng bi kim loại từ trường Mô hệ thống dùng MATLAB/Simulink sử dụng giải thuật PD mờ FMRLC So sánh kết ñiều khiển Xây dựng ñiều khiển. .. ñiều khiển ñiều khiển mờ 107 Hình 5.1 Bản vẽ 3D hệ thống MAGLEV 110 Hình 5.2 Mơ hình thực hệ thống nâng bi kim loại từ trường 110 Hình 5.3 Cấu trúc phần cứng điều khiển hệ thống