Nghiên cứu ứng dụng điều khiển mờ thích nghi cho bộ thí nghiệm truyền động bóng tay đòn

i ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LẠI THỊ THANH HOA NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN MỜ THÍCH NGHI CHO BỘ – TAY ĐÕN Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: 60 52 02 16 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Thái Nguyên, 2014 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ii LỜI CAM ĐOAN Tên là: Lại Thị Thanh Hoa Sinh ngày 10 tháng năm 1988 Học viên lớp cao học khoá 14 - Tự động hố - Trƣờng Đại học Kỹ thuật Cơng nghiệp Thái Nguyên Hiện công tác khoa Sƣ phạm Kỹ thuật - Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Tôi xin cam đoan: đề tài “Nghiên cứu ứng dụng điều khiển mờ thích nghi cho thí nghiệm truyền động Bóng - Tay địn” thầy giáo, PGS TS Nguyễn Thanh Hà hƣớng dẫn công trình nghiên cứu riêng tơi Tất tài liệu tham khảo có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng Tác giả xin cam đoan tất nội dung luận văn nhƣ nội dung đề cƣơng yêu cầu thầy giáo hƣớng dẫn Nếu sai tơi hồn tồn chịu trách nhiệm trƣớc Hội đồng khoa học trƣớc pháp luật Thái Nguyên, ngày tháng năm 2014 Tác giả luận văn Lại Thị Thanh Hoa Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ iii LỜI CẢM ƠN Sau sáu tháng nghiên cứu, làm việc khẩn trƣơng, đƣợc động viên, giúp đỡ hƣớng dẫn tận tình thầy giáo hƣớng dẫn PGS TS Nguyễn Thanh Hà, luận văn với đề tài “Nghiên cứu ứng dụng điều khiển mờ thích nghi cho thí nghiệm truyền động Bóng - Tay địn” hồn thành Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến: Thầy giáo hƣớng dẫn PGS TS Nguyễn Thanh Hà tận tình dẫn, giúp đỡ tác giả hồn thành luận văn Khoa đào tạo Sau đại học, thầy giáo, cô giáo thuộc môn Kỹ thuật điện - Khoa Điện, phịng thí nghiệm Khoa Điện tử - Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên giúp đỡ tác giả suốt trình học tập nhƣ trình nghiên cứu thực luận văn Tồn thể đồng nghiệp, bạn bè, gia đình ngƣời thân quan tâm, động viên, giúp đỡ tác giả suốt q trình học tập hồn thành luận văn Tác giả luận văn Lại Thị Thanh Hoa MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ iv LỜI CẢM ƠN iii CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG 1.1CÁC HỆ ĐIỀU KHIỂN KINH ĐIỂN 1.1.1 Tổng hợp điều khiển tuyến tính 1.1.2 Tổng hợp hệ điều khiển phi tuyến 1.2 LOGIC MỜ VÀ ĐIỀU KHIỂN MỜ 1.2.1 Giới thiệu 1.2.1.1 Lịch sử đời phát triển 1.2.1.2 Sơ đồ khối điều khiển mờ 1.2.2 Bộ điều khiển mờ tĩnh 1.2.3 Bộ điều khiển mờ động 1.2.5 Nhận xét 13 1.3 ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI 13 1.3.1 Giới thiệu 13 1.3.2 Tổng hợp hệ điều khiển thích nghi sở lý thuyết tối ƣu cục (Phƣơng pháp Gradient) 17 1.3.3 Tổng hợp hệ thống ĐK thích nghi sở ổn định tuyệt đối 22 1.3.4 Tổng hợp hệ thống điều khiển thích nghi dùng lý thuyết Lyapunov 25 1.3.5 Điều khiển mờ thích nghi 29 1.3.5.1 Các phƣơng pháp điều khiển thích nghi mờ 30 KẾT LUẬN CHƢƠNG 31 Chƣơng 2: HỆ BÓNG TAY ĐÕN (BÓNG - TAY ĐÕN) 33 2.1 Giới thiệu hệ Bóng - Tay đòn 33 2.2 Mơ tả tốn học cho hệ Bóng - Tay đòn 33 2.2.1 Hàm truyền hệ bóng lăn mặt nghiêng 34 2.2.2 Hàm truyền hệ động + tải 36 2.3 Điều khiển PID kinh điển cho hệ Bóng - Tay địn 38 2.3.1 Các điều chỉnh tƣơng tự 38 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ v 2.3.1.1 Bộ điều chỉnh tỉ lệ (P): 39 2.3.1.2 Bộ điều chỉnh tỉ lệ - tích phân (PI): 43 2.3.1.3 Mạch điều chỉnh tỉ lệ - tích phân - vi phân (PID) 45 2.3.1.4 Bộ điều chỉnh tích phân (I) 47 2.3.2 Sơ đồ lắp đặt điều khiển thực nghiệm hệ Bóng - Tay đòn 48 2.4 Kết luận chƣơng 49 Chƣơng 3: THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN HỆ BÓNG - TAY ĐÕN 50 3.1 Điều khiển hệ Bóng - Tay đòn điều khiển kinh điển 50 3.2 Thiết kế điều khiển thích nghi mờ cho hệ Bóng - Tay địn 53 3.2.1 Cấu trúc điều khiển thích nghi mờ 53 3.2.2 Kết mô 55 3.3 Kết thực nghiệm 58 KẾT LUẬN CHUNG 61 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ LỜI MỞ ĐẦU Điều khiển - Tự động ngành trọng điểm ngành công nghiệp điện đà phát triển cách tích cực cơng nghiệp nƣớc nhà Cùng với phát triển khoa học kỹ thuật đại, việc nâng cao chất lƣợng điều khiển vấn đề cấp thiết đƣợc nhiều nhà khoa học nƣớc quan tâm Nhƣ biết, thiết bị ứng dụng điều khiển kinh điển chủ yếu đƣợc thiết kế theo phƣơng pháp tuyến tính hóa gần Khi thơng số hệ thống thay đổi mà thông số điều khiển giữ nguyên dẫn đến làm giảm độ xác điều khiển ảnh hƣởng đến chất lƣợng sản phẩm Với đời lý thuyết điều khiển (điều khiển thích nghi, điều khiển mờ mạng nơ ron…) tạo điều kiện cho việc xây dựng điều khiển thông minh đáp ứng yêu cầu công nghệ ngày cao sản xuất đại Đặc biệt điều khiển thơng minh nói cịn đƣợc ứng dụng rộng rãi cơng nghiệp quốc phịng mà mức độ điều khiển địi hỏi độ xác cao đảm bảo loại bỏ nhiễu tiền định nhiễu ngẫu nhiên… Đề tài: “Nghiên cứu ứng dụng điều khiển mờ thích nghi cho thí nghiệm truyền động Bóng - Tay đòn” nghiên cứu ứng dụng lý thuyết vào điều khiển hệ vật lý phịng thí nghiệm bƣớc quan trọng thiếu trình thiết kế điều khiển thực tế Kết đề tài sử dụng để thiết kế điều khiển sở lý thuyết mờ để điều khiển đa, tầm hƣớng pháo tàu chiến, xe tăng, điều khiển cân cho máy bay không ngƣời lái… Đề tài đặt mục tiêu là: Xây dựng điều khiển mờ thích nghi điều khiển thí nghiệm truyền động Bóng - Tay địn Phịng thí nghiệm khoa Điện tử Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG 1.1 CÁC HỆ ĐIỀU KHIỂN KINH ĐIỂN Trong hệ thống điều khiển phân cấp đại nhƣ hệ thống điều khiển đa cấp, hệ điều chỉnh tự động khâu cuối tác động lên đối tƣợng điều khiển Chất lƣợng trình ảnh hƣởng trực tiếp đến chất lƣợng q trình cơng nghệ bao gồm: chất lƣợng sản phẩm, suất lao động tiêu khác dây chuyền công nghệ Chất lƣợng hệ thống điều khiển tự động đƣợc đánh giá tính ổn định tiêu khác trình xác lập độ ổn định tiêu nói lên hệ thống làm việc đƣợc hay khơng, cịn chất lƣợng q trình độ nói tới việc hệ thống có đƣợc sử dụng hay khơng Vì việc nâng cao chất lƣợng hệ thống điều khiển tự động đề tài đƣợc nhiều tác giả nƣớc quan tâm Lý thuyết điều khiển kinh điển đời sớm có nhiều đóng góp lĩnh vực điều khiển học kỹ thuật nhƣ lĩnh vực điện, điện tử, quốc phòng, hàng hải Việc tổng hợp hệ điều khiển kinh điển chia thành loại: Tổng hợp hệ điều khiển tuyến tính hệ điều khiển phi tuyến 1.1.1 Tổng hợp điều khiển tuyến tính Các điều chỉnh PID tuyến tính (Bao gồm P, PI, PD PID) đƣợc nghiên cứu phát triển tới mức hoàn thiện Để xác định thông số tối ƣu (Kp, Ki,Kd) PID ta dùng phƣơng pháp mơdul tối ƣu, phƣơng pháp môđul đối xứng phần mềm chun dụng (ví dụ MATLAB) để tự động Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ xác định tối ƣu thông số PID Đặc điểm phƣơng pháp cần phải biết xác mơ hình đối tƣợng 1.1.2 Tổng hợp hệ điều khiển phi tuyến Thực tế hệ thống đối tƣợng vật lý nhiều có tính phi tuyến, chúng tuyến tính vùng làm việc Vì việc nghiên cứu tổng hợp hệ phi tuyến có ý nghĩa thực tiễn phổ biến Các phƣơng pháp phân tích tổng hợp hệ phi tuyến khơng tiến nhanh nhƣ hệ tuyến tính giai đoạn phát triển Hệ phi tuyến có đặc điểm riêng khác hẳn hệ tuyến tính, ví dụ tính tạo tần, tính phi tuyến, hệ phi tuyến khơng tn theo tính chất xếp chồng Vì để phân tích tổng hợp hệ phi tuyến ta phỉa dùng phƣơng pháp gần đúng, phƣơng pháp gần thƣờng dùng là: - Phƣơng pháp tuyến tính hố gần đúng: đƣợc áp dụng cho hệ gần tuyến tính, lúc sai lệch so với tuyến tính khơng q lớn Khi hệ thống làm việc lân cận điểm ta coi vùng làm việc hệ tuyến tính - Phƣơng pháp tuyến tính hố điều hồ : phƣơng pháp khảo sát hệ thống miền tần số gần giống với tiêu chuẩn Naiquyt Phƣơng pháp đƣợc gọi phƣơng pháp hàm mô tả.Việc dùng hàm mô tả cố gắng để mở rộng gần hàm truyền hệ tuyến tính sang hệ phi tuyến Hàm mô tả (hay hệ số khuyếch đại phức) khâu phi tuyến tỉ số thành phần đáp ứng đầu với kích thích hình sin đầu vào hệ có chứa nhiều khâu phi tuyến ta phải gộp tất chúng lại để đƣợc hàm mô tả tổ hợp Phƣơng pháp tuyến tính điều hồ cho phép đƣa kết hợp lývà dùng cho hệ thống bậc bất kỳ, song phƣơng pháp gần nên ta Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ phải kiểm tra lại độ xác kỹ thuật khác mơ máy tính - Phƣơng pháp tuyến tính hố đoạn: Từ đặc tuyến phi tuyến hệ ta chia thành nhiều đoạn nhỏ, đoạn nhỏ coi đoạn thẳng đƣợc mô tả phƣơng trình tuyến tính Phƣơng pháp có ƣu điểm tạo lời giải tƣơng đối xác cho hệ phi tuyến bất kỳ, Phƣơng trình vi phân dẫn phân đoạn tuyến tính giải đƣợc dễ dàng kỹ thuật tuyến tính thơng dụng - Phƣơng pháp mặt phẳng pha: tiện dùng cho hệ phi tuyến bậc Trong điều khiển kinh điển, tác động máy điều chỉnh đƣợc phân thành vùng: vùng tác động lớn vùng tác động nhỏ Vùng tác động lớn tồn hệ thống xa trạng thái cân bằng, có tác động lớn hệ thống nhanh chóng dịch chuyển trạng thái cân bằng, với tốc độ dịch chuyển lớn nhƣ hệ thống dễ dàng vƣợt qua trạng thái cân gây độ điều chỉnh lớn, điều khơng mong muốn Vì hệ thống gần đến trạng thái cân bằng, cần phải chuyển sang vùng tác động nhỏ để giảm độ điều chỉnh Xuất phát từ ý tƣởng điều chỉnh có cấu trúc thay đổi đời phát triển đáp ứng phần yêu cầu nâng cao chất lƣợng hệ điều khiển phi tuyến Tóm lại thời gian dài kể từ đời, lý thuyết điều khiển kinh điển có nhiều đóng góp để giải hàng loại toán điều khiển đặt thực tế Tuy nhiên chất lƣợng hệ thống đạt đƣợc mức độ khiêm tốn, hệ phi tuyến Với đời lý thuyết điều khiển đại nhƣ điều khiển mờ, điều khiển thích nghi, mạng nơron tạo điều kiện thuận lợi để nhà kỹ thuật nghiên cứu ứng dụng nhằm Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ngày nâng cao chất lƣợng hệ thống điều khiển tự đông, hệ thống lớn, hệ có tính phi tuyến mạnh khó mơ hình hố 1.2 LOGIC MỜ VÀ ĐIỀU KHIỂN MỜ 1.2.1 Giới thiệu 1.2.1.1 Lịch sử đời phát triển Từ năm 1965 đời lý thuyết lý thuyết tập mờ (Fuzzy set theory) giáo sƣ Lofti A Zadeh trƣờng đại học Califonia-Mỹ đƣa Từ lý thuyết đời đƣợc phát triển mạnh mẽ qua cơng trình khoa học nhà khoa học nhƣ: Năm 1972 GS Terano Asai thiết lập sở nghiên cứu hệ thống điều khiển mờ Nhật, năm 1980 hãng Smith Co bắt đầu nghiên cứu điều khiển mờ cho lò Những năm đầu thập kỷ 90 hệ thống điều khiển mờ mạng nơron (Fuzzy system and neural network) đƣợc nhà khoa học, kỹ sƣ sinh viên lĩnh vực khoa học kỹ thuật đặc biệt quan tâm ứng dụng sản xuất đời sống Tập mờ Lôgic mờ dựa thông tin “không đầy đủ” đối tƣợng để điều khiển đầy đủ đối tƣợng cách xác Trong năm gần lý thuyết tập mờ đƣợc ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực nhƣ: đồ vật dân dụng (điều hoà, máy giặt ), điều khiển nhiệt độ, điều khiển giao thơng vận tải, chẩn đốn điều trị bệnh y học v.v Các vi mạch chuyên dụng điều khiển mờ đƣợc chế tạo ngày hoàn thiện Điểm mạnh điều khiển mờ so với kỹ thuật điều khiển kinh điển áp dụng hiệu q trình chƣa đƣợc xác định rõ hay đo đạc xác, q trình đƣợc điều khiển điều kiện Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 49 Hình 2.13: Sơ đồ điều khiển hệ bóng – tay đòn điều khiển PID kinh điển - Hệ thống gồm điều khiển G1 G2 Thông số điều khiển đƣợc xác định thông số điện trở tụ điện mạch Ta cài đặt qui luật điều khiển khác nhƣ qui luật P, PI, PID 2.4 Kết luận chƣơng Nội dung toàn chƣơng tác giả đề cập đến vấn đề sau: Mô tả cấu trúc mơ tả tốn học hệ thống thí nghiệm Bóng – Tay địn Trình bày cấu trúc thực tế qui luật điều khiển Sơ đồ thực nghiệm hệ Bóng – Tay địn Các kết thu đƣợc từ chƣơng làm sở để tính tốn thơng số điều khiển kinh điển, điều khiển mờ Sau tiến hành thực nghiệm để kiểm tra thuật toán điều khiển, nội dung đƣợc trình bày chƣơng Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 50 Chƣơng THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN HỆ BÓNG - TAY ĐÕN 3.1 Điều khiển hệ Bóng - Tay địn điều khiển kinh điển Sơ đồ cấu trúc hệ Bóng - Tay địn với thơng số đƣợc chƣơng (Hình 2.13) Đặt G1(s) G2(s) - - 4,8 297 s(s+37,5) 0,0277 s X Góc trục 0,73 Vị trí bóng Hình 3.1: Sơ đồ cấu trúc hệ B&B Để tính tốn điều khiển G1 G2 ta sử dụng phƣơng pháp khác nhƣ phƣơng pháp modul tối ƣu, modul đối xứng, … Trong luận văn tác giả sử dụng phƣơng pháp chọn - thử, phƣơng pháp đƣợc dùng phổ biến Sau trình chọn - thử, ta thu đƣợc thông số điều khiển nhƣ sau: - Bộ điều khiển G1 điều khiển theo qui luật tỉ lệ, vi, tích phân, có tham số: Kp = 25; Ki = 0,008; Kd = 0,68 - Bộ điều khiển G2 điều khiển theo qui luật tỉ lệ, tích phân, có tham số: Kp = 70; Ki = 0,2 Sử dụng phần mềm Matlab-Simulink, ta có sơ đồ mơ đƣợc hình 3.2 Kết mơ với giá trị đặt khác đƣợc hình 3.3 3.4 Trong đó: Hình 3.3 đáp ứng động sử dụng điều khiển PID kinh điển, với kích thích hàm 1(t) trƣờng hợp khơng có nhiễu tác động vào bóng; Hình 3.4 đáp ứng độ có kể đến nhiễu Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 51 Out1 PID PID Tin hieu dat PID1 PID2 297 4.8 s2 +37.5s s2 0277 73 Hình 3.2: Sơ đồ mơ hệ BĨNG - TAY ĐÒN với điều khiển kinh điển 1.2 ĐƢ độ Vi tri 0.8 TH đặt 0.6 0.4 0.2 0 Thoi gian (s) 10 Hình 3.3: Đáp ứng động hệ thống khơng có nhiễu 1.2 ĐƢ q độ Vi tri 0.8 TH đặt 0.6 0.4 0.2 0 Thoi gian (s) 10 Hình 3.4: Đáp ứng động hệ thống có nhiễu tác động Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 52 1.2 Không nhiễu có nhiễu Vi tri 0.8 0.6 0.4 dat Khong nhieu 0.2 0 Thoi gian (s) Co nhieu 10 Hình 3.5: So sánh đáp ứng động hệ thống có nhiễu khơng nhiễu * Nhận xét: Từ kết mô ta thấy sử dụng điều khiển kinh điển để điều khiển hệ BĨNG - TAY ĐỊN đáp ứng hệ thống tốt khơng có nhiễu Cụ thể đấp ứng động hệ thống hình 3.3 tốt tín hiệu đáp ứng bám sát với tín hiệu đặt Song có nhiễu lớn ngẫu nhiên tác động vào bóng vị trí bóng dao động nhiều Đáp ứng động trƣờng hợp trình bày hình 3.4 với đặc tính nhấp nhơ, dao động quanh giá trị đặt Để khắc phục tƣợng cần phải có giải pháp để điều khiển thay đổi thơng số chúng cách linh hoạt Có nhiều phƣơng pháp khác sử dụng để khắc phục nhƣợc điểm này, nhƣ sử dụng điều khiển mờ, điều khiển thích nghi, điều khiển mờ kết hợp với mạng nơron,… Trong luận văn tác giả đề xuất sử dụng điều khiển Mờ thích nghi Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 53 3.2 Thiết kế điều khiển thích nghi mờ cho hệ Bóng - Tay địn 3.2.1 Cấu trúc điều khiển thích nghi mờ Nhƣ đề cập trên, hệ thống Bóng – Tay địn có mạch vịng điều khiển, mạch vịng điều khiển độ nghiêng tay địn, mạch vịng ngồi điều khiển vị trí bóng Qua mơ ta thấy mạch vịng ngồi nhạy cảm với nhiễu tác động vào bóng, mạch vịng nhạy cảm Vì vậy, để đơn giản ta giữ nguyên điều khiển PI mạch vòng trong, thay điều khiển G1 mạch vịng ngồi điều khiển thích nghi mờ theo mơ hình mẫu song song Sơ đồ khối hệ thống đƣợc hình 3.6 ym Mơ hình mẫu Gm Cơ cấu thích nghi e UC + - FLC - u K Đối tƣợng G + y FLC Hình 3.6: Sơ đồ khối điều khiển thích nghi mờ theo mơ hình mẫu Trong sơ đồ tín hiệu đầu tín hiệu đƣợc so sánh với đầu mơ hình mẫu, sai lệch y y đƣợc đƣa tới cấu thích nghi để hiệu chỉnh hệ số khuếch đại điều khiển mờ Qui luật hiệu chỉnh hệ số K theo [5] là: dK dt K (3.1) Với γ số tùy chọn nói lên tốc độ hội tụ thuật tốn thích nghi Nếu chọn γ lớn, tốc độ hội tụ nhanh, song làm hệ ổn định, chọn γ nhỏ quá, tốc độ hội tụ chậm Vì cần phải chọn giá trị γ cho phù hợp Biểu thức (3.1) ta thấy luật chỉnh định thích nghi khơng bao hàm mơ hình đối tƣợng, nên khơng thiết phải chọn mơ hình mẫu có bậc với Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 54 mơ hình đối tƣợng, mà chọn bậc tùy ý Trong luận văn, chọn mơ hình mẫu bậc có hàm số truyền là: Ym am b ms+1 0,1s+1 (3.2) Bộ điều khiển mờ có hàm liên thuộc đầu vào, đầu nhƣ hình 3.7a,b,c Quan hệ vào-ra đƣợc hình 3.8 a) b) c) Hình 3.7a,b,c: Hàm liên thuộc đầu vào đầu điều khiển mờ Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 55 Hình 3.8: Quan hệ vào-ra điều khiển mờ 3.2.2 Kết mô Sau thiết kế xong điều khiển mờ thích nghi, kết nối vào đối tƣợng ta có sơ đồ mơ nhƣ hình 3.9 kết mơ đƣợc hình 3.10 hình 3.11 hình 3.12 Trong đó: Hình 3.10 đặc tính động sử dụng điều khiển mờ thích nghi khơng có nhiễu; Hình 3.11 đặc tính động sử dụng điều khiển mờ thích nghi có nhiễu; Hình 3.12 kết so sánh đặc tính động sử dụng điều khiển PID kinh điển sử dụng điều khiển mờ thích nghi Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 56 y0 a b.s+1 Mo hinh y s -K- Integrator Gama Out1 In1 Out1 Dat 26 FLC co ban du/dt Plant Kd Hình 3.9: Sơ đồ mơ điều khiển mờ thích nghi Vi tri 1.2 y 0.8 y0 0.6 0.4 0.2 0 Thoi gian (s) 10 Hình 3.10: Đặc tính động hệ thống với điều khiển mờ thích nghi khơng có nhiễu Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 57 1.2 y Vi tri 0.8 y0 0.6 0.4 0.2 0 Thoi gian (s) 10 Hình 3.11: Đặc tính động hệ thống với điều khiển mờ thích nghi có nhiễu 1.2 FLC PID Vi tri 0.8 0.6 0.4 0.2 0 Thoi gian (s) 10 Hình 3.12: Đặc tính động hệ thống sử dụng PID kinh điển sử dụng điều khiển mờ thích nghi có nhiễu * Nhận xét: Từ kết mô ta thấy khơng có nhiễu tác động vào hệ Bóng - Tay địn đặc tính động hệ thống sử dụng PID kinh điển điều khiển mờ thích nghi khơng khác nhiều Khi có nhiễu tác động, đáp ứng động hệ điều khiển thích nghi mờ tốt Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 58 3.3 Kết thực nghiệm Hình 3.13: Sơ đồ điều khiển hệ BĨNG - TAY ĐỊN điều khiển mờ Sơ đồ thí nghiệm nhƣ hình 3.13 Trong thí nghiệm này, ta thay điều khiển G1 điều khiển mờ thích nghi Nhƣ mạch vịng sử dụng phƣơng pháp điều khiển kinh điển cịn mạch vịng ngồi điều khiển mờ thích nghi Để kết nối điều khiển mờ vào hệ thống ta dùng CARD chuyển đổi NI USB 6008 dùng phần mền MATLAB điều khiển thực Đặc tính động hệ thống ứng với vị trí đặt cố định đƣợc hình 3.13, đặc tính điều chỉnh đƣợc hình 3.14 Vị trí 0.2 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -1 10 20 30 40 50 t(s) Hình 3.13: Đặc tính động hệ thống sử dụng điều khiển mờ thích nghi vịng ngồi với giá trị đặt khơng đổi Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 59 Vị trí 0.5 -0.5 50 100 150 t(s) Hình 3.14 Đặc tính điều chỉnh hệ bóng – tay địn sử dụng điều khiển mờ thích nghi vịng ngồi với giá trị đặt thay đổi * Nhận xét: Tiến hành chạy mô với giá trị đặt cố định thay đổi, kết mô đƣợc Đặc tính động hệ thống sử dụng điều khiển mờ thích nghi vịng ngồi với giá trị đặt khơng đổi Đặc tính điều chỉnh hệ bóng - sử dụng điều khiển mờ thích nghi vịng ngồi với giá trị đặt thay đổi ta thấy: Khi khơng có nhiễu tác động vào hệ Bóng - Tay địn đặc tính động hệ thống sử dụng PID kinh điển điều khiển mờ thích nghi khơng khác nhiều Khi có nhiễu tác động so với điều khiển PID đáp ứng hệ sử dụng điều khiển thích nghi mờ ổn định, dao động bám sát với giá trị đặt Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 60 3.4 Kết luận chƣơng Nội dung toàn chƣơng tác giả giải vấn đề sau: Trình bày kết thiết kế, mô thực nghiệm việc điều khiển hệ bóng tay địn PID kinh điển Trình bày kết thiết kế, mô thực nghiệm việc điều khiển hệ bóng tay địn điều khiển mờ thích nghi theo mơ hình mẫu song song Các kết thu đƣợc từ đặc tính động đặc tính điều chỉnh cho thấy việc sử dụng điều khiển mờ thích nghi nâng cao chất lƣợng điều khiển khả kháng nhiễu cho hệ bóng – tay địn Đồng thời khẳng định tính khả thi điều khiển đề xuất Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 61 KẾT LUẬN CHUNG Điều khiển thích nghi nói chung thích nghi mờ nói riêng có nhiều áp dụng thành cơng lĩnh vực điều khiển Với luận văn "Nghiên cứu ứng dụng điều khiển thích nghi cho Bóng - Tay địn”, tác giả thực đƣợc số nội dung thu đƣợc số kết sau: Tìm hiểu tổng quan lý thuyết điều khiển tự động, sâu phân tích hệ điều khiển mờ, điều khiển thích nghi điều khiển tích nghi mờ làm sở cho việc tính tốn, thiết kế điều khiển cho đối tƣợng cụ thể Tìm hiểu hệ Bóng - Tay địn phịng thí nghiệm Khoa Điện tử - -`Trƣờng Đại học kỹ thuật cơng nghiệp; xây dựng mơ hình toán cho hệ thống Tổng hợp điều khiển PID kinh điển cho mạch vịng điều khiển góc nghiêng (mạch vịng trong) mạch vịng điều khiển vị trí (mạch vịng ngồi) hệ Bóng - Tay địn Tổng hợp điều khiển mờ thích nghi theo mơ hình mẫu song song cho mạch vịng ngồi hệ Bóng - Tay địn Mơ hình hóa mơ hệ thống phần mềm Matlab-Simulink so sánh kết có nhiễu khơng có nhiễu ứng với hai điều khiển PID kinh điển điều khiển mờ thích nghi Bƣớc đầu thực thí nghiệm điều khiển đề xuất hệ thống thực Kiến nghị: Tiếp tục nghiên cứu đề xuất giải pháp nhằm nâng cao tính kháng nhiễu cho hệ Bóng - Tay địn Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Nhƣ Hiển, Lại Khắc Lãi (2006), Hệ mờ mạng nơ ron kỹ thuật điều khiển, NXB Khoa học tự nhiên Công nghệ [2] Bùi Cơng Cƣờng, Nguyễn Dỗn Phƣớc (2006), Hệ mờ mạng nơ ron ứng dụng, NXB Khoa học Kỹ thuật [3] Phan Xuân Minh, Nguyễn Doãn Phƣớc (2006), Lý thuyết điều khiển mờ, NXB Khoa học Kỹ thuật [4] Nguyễn Trọng Thuần (2000), Điều khiển logic ứng dụng, NXB Khoa học Kỹ thuật [5] Nguyễn Doãn Phƣớc, Phan Xuân Minh, Hán Thành Trung (2003), Lý thuyết điều khiển phi tuyến, NXB Khoa học Kỹ thuật [6] Nguyễn Phùng Quang (2004), Matlab Simulink, NXB Khoa học Kỹ thuật [7] C Altrock and B Krause, "Fuzzy Logic and Neurofuzzy Technologies in Embedded Automotive Applications", Proceedings of Fuzzy Logic '93, pp A113-1 - A113-9 [8] R Lea, Y Jani, and H Berenji, "Fuzzy Logic Controller with Reinforcement Learning for Proximity Operations and Docking", Fifth IEEE International Symposium on Intelligent Control, 1990 [9] W Pedrycz, "Fuzzy Sets and Neurocomputations: Knowledge Representation and Processing in Intellingent Controllers", Fifth IEEE International Symposium on Intelligent Control, 1990, pp 626 - 630 [10] K P Archer and S Wang, "Fuzzy Set Representation of Neural Network Classification Boundaries", IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics, (July/August, 1991), pp 735-742 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 63 [11] A Blanco and M Delgado, "A Direct Fuzzy Inference Procedure By Neural Networks", Fuzzy Sets and Systems, (September 1993), pp 133141 [12] J M Keller and D J Hunt, "Incorporating Fuzzy Membership Functions into the Perceptron Algorithm", IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, (November, 1985), pp 693-699 [13] W Pedrycz, "Fuzzy Neural Networks and Neurocomputations", Fuzzy Sets and Systems, Vol 56, (May 1993), pp 1-28 [14] Berenji, Hamid R and Khedkar, Pratap "Learning and Tuning Fuzzy Logic Controllers Through Reinforcements" IEEE Transactions on Neural Networks Vol pp 724 - 740, 1992 [15] J M Keller, R R Yager, and H Tahani, "Neural Network Implementation of Fuzzy Logic" Fuzzy Sets and Systems (Vol 45), pp 1-12, 1992 [16] J M Keller, H Tahani, "Backpropagation Neural Networks for Fuzzy Logic" Information Sciences Vol 62, pp 205-221, 1992 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ... KẾ ĐIỀU KHIỂN HỆ BÓNG - TAY ĐÕN 50 3.1 Điều khiển hệ Bóng - Tay địn điều khiển kinh điển 50 3.2 Thiết kế điều khiển thích nghi mờ cho hệ Bóng - Tay địn 53 3.2.1 Cấu trúc điều khiển thích. .. thích nghi mờ Các điều khiển thích nghi rõ mờ có mạch vịng thích nghi đƣợc xây dựng sở phƣơng pháp: Cơ cấu thích nghi Bộ điều khiển Nhận dạng Đối tƣợng Hình 1.19 Cấu trúc phƣơng pháp điều khiển thích. .. hệ điều khiển thơng minh Hệ điều khiển thích nghi mờ phân thành loại: - Bộ điều khiển mờ tự chỉnh điều khiển mờ có khả chỉnh định tham số tập mờ (các hàm liên thuộc) - Bộ điều khiển mờ tự thay