Tài liệu luận văn nghiên cứu hệ thống điều khiển mờ bằng MATLAB, chương 9 ppt

Chương 9 MÔ PHỎNG HỆ ĐIỀU KHIỂN MỜ BẰNG MATLAB I. Giới thiệu về MatLab: MatLab vừa là môi trường vừa là ngôn ngữ lập trình được viết dựa trên cơ sở toán học như: lý thuyết ma trận, đại số tuyến tính, phân tích số, … nhằm sử dụng cho các mục đích tính toán khoa học và kỹ thuật. MatLab cho phép người sử dụng thiết kế các hộp công cụ của riêng mình. Ngày càng nhiều các hộp công cụ được tạo ra bởi các nhà nghiên cứu trên các lãnh vực khác nhau. Sau đây là một số hộp công cụ trong MatLab ứng dụng trong lónh vực điều khiển tự dộng: - Control System Toolbox: nền tảng của một nhóm các dụng cụ để thiết kế trong lãnh vực điều khiển. Bao gồm các hàm dành cho việc mô hình hoá, phân tích, thiết kế hệ thống điều khiển tự động. - Frequency Domain System Identification Toolbox: bao gồm một tập các file .m dùng cho việc mô hình hoá hệ tuyến tính dựa trên sự đo lường đáp tuyến tần số của một hệ thống. - Fuzzy Logic Toolbox: bao gồm một tập hoàn chỉnh các công cụ giao diện với người dùng dành cho việc thiết kế, mô phỏng và phân tích hệ thống suy luận mờ. - Neutral Network Toolbox: bao gồm một tập các hàm của MatLab dành cho việc thiết kế và mô phỏng mạng neutral. - Nonlinear Control Design Toolbox: là một giao diện đồ hoạ người dùng cho phép thiết kế hệ điều khiển tuyến tính và phi tuyến sử dụng kỹ thuật tối ưu trong miền thời gian. - Simulink: Simulink là phần mở rộng của MatLab tạo ra thêm một môi trường đồ hoạ dùng cho việc mô hình hoá, mô phỏng và phân tích hệ tuyến tính và phi tuyến động. - System Identification Toolbox: bao gồm các công cụ để phỏng tính và nhận dạng hệ thống. II. Xây dựng mô hình: 1. Yêu cầu cụ thể: Ta cần điều khiển dòng nước ra từ một bồn nước. Bồn nước gồm một đầu vào là dòng nước lạnh, một đầu vào là dòng nước nóng. Đầu ra sẽ là hỗn hợp của hai dòng nước nóng và lạnh. Yêu cầu đặt ra là phải giữ nhiệt độ và tốc độ của dòng nước ra không đổi ở một giá trò xác đònh trước. 2. Mô hình vật lý: Dùng Vi xử lý 8 bit ứng dụng giải thuật logic mờ để điều khiển nhiệt độ của lưu chất ra. Cần có các khâu cảm biến để hồi tiếp về, các khâu biến đổi A/D, D/A để chuyển đổi tín hiệu tương tự về dạng số để VXL xử lý dữ liệu và chuyển đổi tín hiệu từ dạng số sang tương tự để điều khiển khối công suất. BỘ ĐIỀU KHIỂN dòng nước ra dòng nước nóng dòng nước lạnh bồn nước KĐ KĐ KĐ KĐ VXL dòng nước ra dòng nước nóng dòng nước lạnh bồn nước A/D D/A BỘ ĐIỀU KHIỂN cảm biến nhiệt cảm biến lưu tốc 3. Mô hình toán học: Từ mô hình vật lý ta xác đònh mô hình toán học của các phần tử riêng lẻ: a. Khâu D/A: là khâu giữ bậc không (ZOH) Hàm truyền: TS 1 ) 1 Chuyển sang hệ rời rạc: T S e ZZG TS           1 )( 1 b. Khâu A/D: là khâu lấy mẫu với thời gian lấy mẫu là T. c. Bộ điều khiển số (VXL): Để cải thiện chất lượng của hệ, ta cho thêm khâu điều khiển I ở ngõ ra kết hợp với khâu Fuzzy để điều khiển. Khâu I sẽ được thực hiện nhờ phần mềm. Vì vậy trong VXL sẽ bao gồm các khâu sau: FUZZY I Tín hiệu điều khiển - + T  Khâu I: khâu tích phân Hàm truyền: S SG 1 )( 2   Khâu KĐCS: khâu khuếch đại công suất Giả sử công suất cực đại của mạch đóng mở van là P       PP PUk U i o i i k.Unếu k.Unếu .  Khâu Fuzzy: Bước 1. Đònh nghóa các biến vào ra: Ta gọi nhiệt độ cần ổn đònh là t o . Giả sử nhiệt độ môi trường cần điều khiển thay đổi trong khoảng ( t o - k, t o + k). Sai lệch giữa nhiệt độ cần điều khiển y 1 và tín hiệu chủ đạo x 1 .(Ký hiệu là et):  et  (-k, k) o C. Chọn k=20  et  (-20, 20) o C. Gọi v o là lưu tốc dòng nước ra cần giữ ổn đònh . Giả sử lưu tốc cần điều khiển thay đổi trong khoảng (v o - V, v o + V). (kg/s) Sai lệch giữa lưu tốc cần điều khiển y 2 và tín hiệu chủ đạo x 2 .(Ký hiệu là ev):  ev  (-V, V) kg/s. Chọn V=1  ev  (-1, 1) kg/s KĐ U i U o Đại lượng ngã vào của bộ điều khiển mờ là tín hiệu sai lệch vận tốc ev và tín hiệu sai lệch nhiệt độ et. Để hệ thống đạt được độ chính xác cao (sai lệch tónh bằng 0) ta thêm vào khâu tích phân phía sau khối mờ. Và do đó tín hiệu ngõ ra của bộ điều khiển mờ là tốc độ biến đổi công suất dp 1 tương ứng với tốc độ đóng mở van nước nóng và dp 2 tương ứng tốc độ đóng mở van nước lạnh. Giả sử dp 1  (-p, p) kW/s. dp 2  (-p, p) kW/s. Chọn p = 1  dp 1 , dp 2  (-1, 1) kw/s. Bước 2. Chọn số lượng tập mờ: Ta chọn 3 giá trò cho các biến ngõ vào Đối với et: Cold, Good, Hot. Đối với ev: Soft, Good, Hard. Chọn 5 giá trò cho các biến ngõ ra: CloseFast, CloseSlow, Steady, OpenSlow, OpenFast. Bước 3. Xác đònh hàm liên thuộc: Ta chọn tập mờ có hình thang và hình tam giác cân: Bước 4. Xây dựng các luật điều khiển:  0  1  2 flow temp Cold Good Hot  0 Soft OpenSlow OpenSlow OpenFast  1 Good CloseSlow Steady OpenSlow  2 Hard CloseFast CloseSlow CloseSlow Bảng luật điều khiển cho biến ra Cold  0  1  2 flow temp Cold Good Hot  0 Soft OpenFast OpenSlow OpenSlow  1 Good OpenSlow Steady CloseSlow  2 Hard CloseSlow CloseSlow CloseFast Bảng luật điều khiển cho biến ra Hot Rời rạc hóa hàm liên thuộc: Đối với biến vào sai lệch nhiệt độ et (temp):  cold =trapmf [–30 –30 –15 0]  good =trimf [–10 0 10]  hot =trapmf [0 15 30 30] Đối với biến vào sai lệch lưu tốc ev ( flow):  soft =trapmf [–3 –3 –0.8 0]  good =trimf [–0.4 0 0.4]  hard =trapmf [0 0.8 3 3] Đối với biến ra tốc độ đóng mở van nước lạnh và nóng:  CloseFast =trimf [–1 – 0.6 –0.3]  CloseSlow =trimf [– 0.6 –0.3 0]  Steady =trimf [–0.3 0 0.3]  OpenSlow =trimf [0 0.3 0.6]  OpenFast =trimf [0.3 0.6 1]  Đối với biến ra thứ nhất: Đặt ev=y ; et = x ; dp 1 = z Độ thỏa mãn của luật thứ k: H k ij = Min(  k (x i ),  k (y j )) i = -20… 20 ; j= -1… 1 Mô hình cho luật điều khiển: R k = (r k l,i,j ) 3 ; l = -1 … 1 r k l,i,j = MIN(H k i,j , k (z l )) Moõ hỡnh luaọt ủieu khieồn thửự k R = k k RU 8 0 R = (max (r k l (i, j) ) 3 ;k = 0 8 i j l 1 1 20 x z R k r l k (i ,j) r l k (i, j) = MIN( k (x i ), k (y j ), k (z l )) i j l 1 1 20 x z R r l(i, j) = max r l k (i, j) Mô hình luật điều khiển chung  Đối với biến ra thứ hai Tương tự như biến thứ nhất Bước 5. Giải mờ: Dùng phương pháp trọng tâm    S S dzz dzzy z )( )( '    Đối tượng cần điều khiển: Gọi t o là nhiệt độ ngã ra v o là vận tốc dòng chảy ngã ra T n là nhiệt độ dòng nước nóng T l là nhiệt độ dòng nước lạnh v n là vận tốc dòng nước nóng v l là vận tốc dòng nước lạnh Ta có mối quan hệ sau: ln llnn o vv TvTv t    [...]...vo  vn  vl Vậy mô hình toán học của hệ là: x1 + 1 S T - KĐCS FUZZY x2 + T 1 S - T = 1s ĐỐI TƯNG y2 K1 T = 1s KĐCS y1 K2 Chọn thời gian lấy mẫu T = 1s, các hệ số khuếch đại K1, K2 bằng 1 Biểu diễn mô hình với các biến dưới dạng vector Đặt X = (x1, x2), Y = (y1, y2) Mô hình trở thành: X + FUZZY - 1 S g(u) Với g(u) là quan hệ vào ra của khâu KĐCS f(u) là quan hệ vào ra của khâu đối tượng f(u) Y . Chương 9 MÔ PHỎNG HỆ ĐIỀU KHIỂN MỜ BẰNG MATLAB I. Giới thiệu về MatLab: MatLab vừa là môi trường. dụng cụ để thiết kế trong lãnh vực điều khiển. Bao gồm các hàm dành cho việc mô hình hoá, phân tích, thiết kế hệ thống điều khiển tự động. - Frequency Domain