Ứng dụng logic mờ điều khiển tốc độ động cơ một chiều

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC øng dụng logic mờ điều khiển tốc độ động chiều ngành: điều khiển tự động hoá M Số: trịnh xuân tuyên người hướng dẫn khoa học: PGS.TS phan xuân minh H NI 2008 Trường ĐHBK Hà Nội Luận văn cao học Lời cam đoan Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu thực Các số liệu kết luận văn trung thực chưa công bố công trình khoa học Tác giả luận văn Trịnh Xuân Tuyên HDKH: PGS.TS Phan Xuân Minh SVTH: Trịnh Xuân Tuyên Trường ĐHBK Hà Nội Luận văn cao häc Mơc lơc Lêi cam ®oan .1 Môc lôc Mở đầu Danh mơc c¸c b¶ng Danh môc hình vẽ Chương 1: Mô hình hoá động điện chiều 1.1 Cấu tạo động điện chiÒu 11 1.1.1 PhÇn tÜnh 11 1.1.2 PhÇn quay .12 1.2 Phân loại động điện mét chiÒu 13 1.3 Nguyên lý làm việc động ®iƯn mét chiỊu 13 1.4 Xây dựng mô hình toán động ®iƯn mét chiỊu 14 1.5 Mô đặc tính vòng hở động chiỊu 19 Ch­¬ng 2: Điểm qua số phương pháp thiết kế truyền thống cho động chiều 2.1 Thiết kế điều khiĨn PID t­¬ng tù 23 2.1.1 Phương pháp tự chỉnh phản hồi Rơle Asttrom-Hagglund 2.1.2 Thiết kế điều khiển PID cho động chiều 2.2 Thiết kế điều khiển không gian trạng thái 24 .26 31 2.2.1 Xây dựng mô hình không gian trạng thái động chiều 32 2.2.2 Thiết kế điều khiển phản hồi trạng thái gán điểm cùc 33 2.2.3 ThiÕt kÕ bé ®iỊu khiÓn tèi ­u LQR 40 Ch­¬ng : C¬ së lý thut vỊ hƯ logic mê 3.1 Kh¸i niƯm vỊ tËp mê 47 3.1.1 Định nghĩa tập mờ 48 3.1.2 C¸c thuật ngữ logic mờ HDKH: PGS.TS Phan Xuân Minh 48 SVTH: Trịnh Xuân Tuyên Trường ĐHBK Hà Nội Luận văn cao học 3.2 Các phép toán tập mờ 50 3.2.1 PhÐp hỵp hai tËp mê 50 3.2.2 PhÐp giao hai tËp mê 52 3.2.3 PhÐp bï cña mét tËp mê .54 3.3 CÊu tróc cđa bé ®iỊu khiĨn mê 54 3.3.1 Khâu mờ hoá 55 3.3.2 Kh©u thùc luật hợp thành 3.3.3 Khâu giải mờ 56 63 3.4 Phương pháp tổng hợp điều khiển mờ 3.4.1 Phân loại điều khiển mờ 3.4.2 Nguyên lý điều khiÓn mê 69 69 69 3.4.3 Nguyên tắc tổng hợp điều khiển mờ .71 3.4.4 C¸c b­íc thùc xây dựng điều khiển mờ 72 Chương : Tổng hợp điều khiển cho ĐCMC sở hệ logic mờ 4.1 Tổng hợp điều khiển mờ tĩnh .73 4.2 Tỉng hỵp bé ®iỊu khiĨn mê ®éng 77 4.3 Tổng hợp điều khiển PID chỉnh định tham số mờ 81 4.3.1 CÊu tróc bé ®iỊu khiĨn PID chỉnh định tham số mờ 81 4.3.2 Tổng hợp điều khiển PID chỉnh định tham sè mê 83 4.3.2.1 X©y dùng thuật toán điều khiển 83 4.3.2.2 Luật chỉnh định , 86 4.3.2.3 ThiÕt kế điều khiển PID chỉnh định tham số mờ .87 4.3.2.4 Mô điều khiển PID chỉnh định tham số mờ 93 4.3.3 So sánh chất lượng điều khiển ®iỊu khiĨn mê 98 4.3.4 So sánh chất lượng ĐK PID chỉnh định mờ ĐK truyền thống 101 HDKH: PGS.TS Phan Xuân Minh SVTH: Trịnh Xuân Tuyên Trường ĐHBK Hà Nội Luận văn cao học Kết luận .109 Hướng phát triển đề tài 110 Lêi kÕt 111 Tài liệu tham khảo 112 Bản tóm tắt luận văn 113 Abstract 114 HDKH: PGS.TS Phan Xu©n Minh SVTH: Trịnh Xuân Tuyên Trường ĐHBK Hà Nội Luận văn cao học Mở đầu Lý thuyết hệ mờ ®­ỵc khëi x­íng bëi Lotfi A Zadeh thc The University of California Zadeh đà đưa khả sử dụng lý thuyết hệ mờ làm công cụ phân tích hệ động học giới thực phức tạp Tuy nhiên , nghiên cứu mang tính khai phá Mamdani cộng Queen Mary College Anh lý thuyết hệ mờ có khả ứng dụng ứng dụng điều khiển Từ hầu hết điều khiển mờ dựa mô hình đề xuất Mamdani luật logic mờ thu từ kinh nghiệm chuyên gia, định luật vật lý thông tin dự đoán trình Lý dÉn tíi suy nghÜ ¸p dơng logic mê để điều khiển nằm chỗ nhiều trường hợp người cần dựa vào kinh nghiệm điều khiển đối tượng cho dù đối tượng có thông số kĩ thuật không đắn thường xuyên bị thay đổi ngẫu nhiên Do mô hình toán học đối tượng điều khiển không xác, chưa nói tới chúng hoàn toàn bị sai Việc điều khiển theo kinh nghiệm bị đánh giá không xác yêu cầu kĩ thuật đề song đà giải vấn đề trước mắt đảm bảo mặt định tính tiêu chất lượng định trước Động điện chiều đối tượng công nghiệp Về phương diện ®iỊu khiĨn ®éng c¬ mét chiỊu cã nhiỊu ­u viƯt so với loại động khác, cấu trúc điều khiển đơn giản, chất lượng điều chỉnh cao , dải điều chỉnh tốc độ rộng Ngày động chiều không sử dụng rộng rÃi công nghiệp tính chất điều khiển ưu việt sở để phân tích thiết kế hệ thống điều khiển cho loại động khác Về mặt điều khiển động chiều đà áp dụng với điều khiển từ kinh điển đến đại nh­ bé ®iỊu khiĨn PID, bé ®iỊu khiĨn tèi ­u, điều khiển thích nghivà chất lượng điều khiển thu tốt Câu hỏi đặt liệu nâng cao chất lượng điều khiển hệ thống cách kết hợp điều khiển mờ với điều khiển không Với cách suy nghĩ vậy, đề tài ứng dụng logic mờ điều khiển tốc độ động chiều đà chọn làm nội dung luận văn HDKH: PGS.TS Phan Xuân Minh SVTH: Trịnh Xuân Tuyên Trường ĐHBK Hà Nội Luận văn cao học Về bố cục luận văn chia làm bốn chương: Chương I :Mô hình hoá động chiều Chương II : Điểm qua số phương pháp thiết kế truyền thống cho động chiều Ch­¬ng III: C¬ së vỊ lý thut vỊ hƯ logic mờ Chương IV: Tổng hợp điều khiển động chiều sở hệ logic mờ HDKH: PGS.TS Phan Xuân Minh SVTH: Trịnh Xuân Tuyên Trường ĐHBK Hà Nội Luận văn cao học Danh mục bảng Bảng 1.1: Thông số động chiều .20 B¶ng 2.1: Lùa chọn tham số ĐK PID theo phương pháp Ziegler-Nichols 26 Bảng 4.1 Luật điều khiển mờ cho bé ®iỊu khiĨn mê PD 79 Bảng 4.2: Luật điều khiển cho biến ngôn ngữ H1 90 B¶ng 4.3: Luật điều khiển cho biến ngôn ngữ H2 90 B¶ng 4.4: So sánh chất lượng ĐK 3phương pháp ĐK mờ 101 Bảng 4.5 : Chất lượng ĐK PID_Fuzzytuning ĐK truyền thống 103 Danh mục hình vẽ H-1.1: Cấu tạo động mét chiÒu 11 H-1.2: Giản đồ thay động mét chiỊu kÝch tõ ®éc lËp 13 H-1.3: Sơ đồ cấu trúc động chiÒu 16 H-1.4: Tuyến tính hoá dặc tính từ hoá đặc tính mô men tải 16 H-1.5: Sơ đồ cấu trúc tuyến tính hoá động điện chiều 18 H-1.6: Sơ đồ cấu trúc động chiều từ thông không đổi 19 H-1.7: Sơ đồ mô động điện chiều 21 H-1.8: Mô hình Simulink mô ®éng c¬ mét chiỊu 21 H-1.9: Thông số động chiều .21 H-1.10: Đáp ứng vòng hở động chiều có nhiễu tải tác động 22 H-2.1: Cấu trúc hệ thống phản hồi Rơle 25 H-2.2: Đặc tính dao động tới hạn hệ thống phản hồi Rơle 25 H-2.3: Đặc tính dao động tới hạn động mét chiỊu 26 H-2.4: S¬ ®å m« pháng bé ®iỊu khiĨn PID 27 H-2.6: Đáp ứng độ ĐK PID nhiễu tác động 28 H-2.7: Đáp ứng độ ĐK PID tín hiệu đặt thay đổi .28 H-2.8: Đáp ứng độ ĐK PID có nhiễu tác động 29 H-2.9: Đáp ứng độ ĐK PID có nhiễu bậc thang tác động 29 HDKH: PGS.TS Phan Xuân Minh SVTH: Trịnh Xuân Tuyên Trường ĐHBK Hà Nội Luận văn cao học H-2.10: Đáp ứng độ ĐK PID có nhiễu tải tác động 30 H-2.11: Đáp ứng độ ĐK PID có nhiễu tải hình Sin tác động .31 H-2.12: Cấu trúc ĐK phản hồi trạng thái 34 H-2.13: CÊu tróc bé ĐK phản hồi trạng thái gán điểm cực cho động chiều 35 H-2.14: Sơ đồ mô ĐK phản hồi trạng thái gán điểm cực .37 H-2.15: Đáp ứng độ ĐK gán ®iĨm cùc kh«ng cã nhiƠu 37 H-2.16: Đáp ứng độ ĐK gán điểm cực tín hiệu đặt thay đổi 38 H-2.17: Đáp ứng độ ĐK gán điểm cực nhiễu tác động 38 H-2.18: Đáp ứng độ ĐK gán điểm cực nhiễu bậc thang tác động 39 H-2.19: Đáp ứng độ ĐK gán điểm cực nhiễu tải tác động 39 H-2.20: Đáp ứng độ ĐK gán điểm cực nhiễu tải hình Sin tác ®éng 40 H-2.21: CÊu tróc bé §K tèi ­u LQR cho động môt chiều 41 H-2.22: Sơ đồ mô ĐK tối ưu LQR .42 H-2.23: Đáp ứng độ ĐK tối ưu LQR nhiễu tác động 43 H-2.24: Đáp ứng độ ĐK tối ưu LQR tín hiệu đặt thay đổi 43 H-2.25: Đáp ứng độ ĐK tối ưu LQR có nhiễu tác động .44 H-2.26: Đáp ứng độ ĐK tối ưu LQR có nhiễu bậc thang tác động 44 H-2.27: Đáp ứng độ ĐK tối ưu LQR có nhiễu tải tác động 45 H-2.28: Đáp ứng độ ĐK tối ưu LQR có nhiễu tải hình Sin tác động 45 H-3.1a: Hàm thuộc kiểu tam gi¸c 48 H-3.1b: Hàm thuộc kiểu hình thang .48 H-3.2: Miªn tin cậy miền xác định hàm thuộc kiểu h×nh thang 49 H-3.3: CÊu tróc bé điều khiển mờ 55 H-3.4a: Hàm thuộc àchậm(x) àtăng(y) 59 H-3.4b: Hàm thuộc àB(y) xác định theo qui tắc Min 59 H-3.4c: Hµm thuéc àB(y) xác định theo qui tắc Prod 59 H-3.5: Giải mờ theo phương pháp cực đại 64 HDKH: PGS.TS Phan Xuân Minh SVTH: Trịnh Xuân Tuyên Trường ĐHBK Hà Nội Luận văn cao học H-3.6: Giải mờ theo nguyên lý cận trái .64 H-3.7: Gi¶i mê theo nguyên lý cận phải 65 H-3.8: Giải mờ theo nguyên lý trung b×nh 66 H-3.9: Giải mờ theo phương pháp điểm trọng tâm 67 H-3.10: TËp mê cã hàm thuộc hình thang 68 H-3.11: Bé ®iỊu khiĨn mê ®éng 69 H-3.12: Hệ kín phản hồi âm với tham gia cđa bé ®iỊu khiĨn mê 70 H-4.1: Định nghĩa hàm thuộc cho biến ngôn ngữ E .74 H-4.2: Định nghĩa hàm thuộc cho biến ngôn ngữ U 74 H-4.3: Quan hƯ vµo- cđa bé ®iỊu khiĨn mê tÜnh 75 H-4.4: Sơ đồ Simulink mô điều khiển mờ tĩnh .75 H-4.5: Đáp ứng độ điều khiển mờ tĩnh nhiễu .76 H-4.6: Đáp ứng ®é bé ®iỊu khiĨn mê tÜnh tÝn hiƯu ®Ỉt thay đổi 76 H-4.7: Định nghĩa hàm thuộc cho biến ngôn ngữ E1 78 H-4.8: Định nghĩa hàm thuộc cho biến ngôn ng÷ DE1 78 H-4.9: Định nghĩa hàm thuộc cho biến ngôn ngữ U1 78 H-4.10 : Giao diÖn thiÕt kÕ bé ®iỊu khiĨn mê ®éng PD 79 H-4.11: Sơ đồ Simulink mô bé ®iỊu khiĨn mê ®éng PD 80 H-4.12: Đáp ứng độ điều khiển mờ ®éng PD kh«ng cã nhiƠu 80 H-4.13: Đáp ứng độ điều khiển mờ động PD tín hiệu đặt thay đổi 81 H-4.14: Cấu trúc điều khiển PID chỉnh định tham số mờ .82 H-4.15: CÊu tróc tht to¸n PID chỉnh định tham số mờ .83 H-4.16: Sù ¶nh h­ëng cđa tham sè β đến đặc tính độ 85 H-4.17: Sơ đồ khối tính toán tham số vµ β .85 H-4.18: Phân tích đáp ứng độ đối tượng 86 H-4.19: Định nghĩa tập mờ cho biến ngôn ngữ E2, DE 87 HDKH: PGS.TS Phan Xu©n Minh SVTH: Trịnh Xuân Tuyên ... điều khiển mờ .98 H-4.32: Đáp ứng độ ĐK mờ nhiễu tác động 99 H-4.33: Đáp ứng độ ĐK mờ tín hiệu đặt thay đổi 99 H-4.34: Đáp ứng độ ĐK mờ có nhiễu tác động 100 H-4.35: Đáp ứng độ. .. dùng để mô động thiết kế điều khiển nhằm nâng cao chất lượng điều khiển động 1.5 Mô đặc tính vòng hở động chiều Để mô đặc tính vòng hở động ta cần xác định thông số động Ta chọn loại động chiều kích... 2.1.2 Thiết kế điều khiển PID cho động chiều áp dụng phương pháp phản hồi Rơle Astrom-Hagglund động chiều ta đặc tính dao động tới hạn động H-2.3 H-2.3: Đặc tính dao động tới hạn động chiều Dựa vào