Thiết kế bộ điều khiển mờ trượt điều khiển tốc độ động cơ

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ***** - LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGÀNH TỰ ĐỘNG HÓA THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ TRƯỢT ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ Học viên: Người HD khoa học: HỒ THỊ VIỆT NGA PGS TS NGUYỄN DOÃN PHƯỚC THÁI NGUYÊN 2008 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ***** - LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGÀNH TỰ ĐỘNG HÓA THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ TRƯỢT ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ Học viên: Người HD khoa học: HỒ THỊ VIỆT NGA PGS TS NGUYỄN DOÃN PHƯỚC THÁI NGUYÊN 2008 ĐẠI HỌC THÁI NGUN TRƯỜNG ĐHKT CƠNG NGHIỆP CỘNG HỒ Xà HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc THUYẾT MINH LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT ĐỀ TÀI THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ TRƯỢT ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ Học viên Lớp Chuyên ngành Người HD khoa học Ngày giao đề tài Ngày hoàn thành KHOA ĐT SAU ĐẠI HỌC : Hồ Thị Việt Nga : Cao học khoá : Tự động hố : PGS – TS Nguyễn Dỗn Phước : : NGI HNG DN HC VIấN Luận văn tốt nghiệp Lời nói đầu Hiện đất n-ớc ta thời kỳ đổi mới, thời kỳ công nghiệp hoá đại hoá với phát triển công nghệ thông tin, ngành kỹ thuật điện tử phát triển kỹ thuật điều khiển tự động hoá Hệ truyền động động phận quan trọng thiếu đ-ợc trình tự động hoá Hệ thống có chuyển động học (dây chuyền sản xuất, ng-ời máy ) hệ thống động điện làm khâu trung gian để chuyển hoá điện thành với đặc tính cần thiết Việc điều khiển xác dòng tạo nên chuyển động phức tạp dây chuyền công nghệ nhiệm vụ hệ thống truyền động động Một vấn đề quan trọng dây truyền tự động hoá việc điều chỉnh tốc độ động truyền động đ-ợc sử dụng rÊt réng r·i nã cã rÊt nhiỊu -u ®iĨm bật với kỹ thuật vi xử lý công nghệ thông tin phát triển Việc thiết kế điều khiển theo ph-ơng pháp kinh điển phụ thuộc vào mô hình toán học hệ, việc mô tả hệ thống xác kết điều khiển có chất l-ợng cao Tuy nhiên việc xây dựng mô hình to¸n häc chÝnh x¸c cđa hƯ thèng rÊt khã tr-ớc thay đổi tải, thay đổi thông số, nhiễu hệ thống Trong năm gần ngành khoa học đà đ-ợc hình thành phát triển mạnh mẽ điều khiển lôgic mờ mà công cụ toán học lý thuyết tập mờ Jadeh Khác hẳn với kỹ thuật điều khiển kinh điển hoàn toàn dựa vào độ xác tuyệt đối thông tin mà nhiều ứng dụng không cần thiết có đ-ợc, điều khiển mờ cóa thể xử lý thông tin không rõ ràng hay không đầy đủ thông tin mà xác nhận thấy đ-ợc quan hệ chúng với mô tả đ-ợc ngôn ngữ, đà cho định S húa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn tốt nghiệp xác Chính khả đà làm cho điều khiển mờ chụp đ-ợc ph-ơng thứ sử lý thông tin điều khiển ng-ời, đà giải thành công toán điều khiển phức tạp Trong khuôn khổ đồ án tốt nghiệp đà vào nghiên cứu thuật toán điều khiển mờ ứng dụng điều khiển mờ tr-ợt điều khiển tốc độ động Tuỳ theo đối t-ợng mà áp dụng luật điều kiện khác nhau, nhiên điều khiển có đầy đủ -u điểm điều khiển mờ bản, nh-ng chúng đ-ợc tích hợp đơn giản, dễ hiểu, làm việc ổn định, có đặc tính động học tốt, tính bền vững cao làm việc tốt thông tin đối t-ợng không đầy đủ không xác Một số không chịu ảnh h-ởng nhiễu nh- thay đổi theo thời gian đối t-ợng điều khiển Sau thời gian tìm hiểu nghiên cứu đến đồ án em đà hoàn thành với kết tốt Thành công phải kể đến giúp đỡ tận tình thày cô giáo môn ĐKTĐ tr-ờng Đại học Bách khoa Hà Nội, thày cô giáo tr-ờng Đại học Kỹ thuật Công Nghiệp Thái nguyên Đặc biệt Thầy PGS TS Ngun Do·n Ph-íc ng-êi ®· trùc tiÕp h-íng dÉn tôi, đà hết lòng ủng hộ cung cấp cho kiến thức quý báu Tôi xin dành cho thầy lời cảm ơn sâu sắc Do thời gian, kiến thức kinh nghiệm thực tế có hạn nên đồ án không tránh khỏi thiếu sót Em mong nhận đ-ợc ý kiến bảo thày cô giáo bạn bè đồng nghiệp để đồ án em đ-ợc hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! Thái nguyên, ngày 15/5/2008 Học viên Hồ Thị Việt Nga S húa bi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn tốt nghiệp Mục lục Nội dung Trang Giới thiệu chung điều khiển mờ vai trò Lời nói đầu Mục lục Ch-ơng I ứng dụng thực tế I.1 Cấu trúc I.2 Không gian Input Output I.3 Khâu mờ hoá I.4 Cơ sở luật mờ I.5 Mô tơ suy diễn I.6 Khâu giải mờ 10 I.7 ứng dụng 10 Ch-ơng II Lôgic mờ tập mờ 14 14 II.1 Kiến thức lôgic mờ II.1.1 Ôn nhanh lôgic mệnh đề cổ điển 14 II.1.2 Lôgic mờ 15 II.1.2.1 Phép phủ định 15 II.1.2.2 Một cách định nghĩa phần bù tập mờ 16 II.1.2.3 Phép hội 17 II.1.2.4 Định nghÜa tỉng qu¸t phÐp giao cđa hai tËp mê 18 II.1.2.5 Phép tuyển 18 II.1.2.6 Định nghĩa tổng quát phép hỵp cđa hai tËp mê 19 II.1.2.7 Mét sè quy tắc với phép hội phép tuyển 20 II.1.2.8 Luật De Morgan 21 II.1.2.9 PhÐp kÐo theo 22 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn tốt nghiệp 24 II.1.2.10 Một số dạng hàm kéo theo cụ thể 24 II.1.3 Quan hệ mờ II.1.3.1 Quan hệ mờ phép hợp thành 24 II.1.3.2 Phép hợp thành 25 II.1.3.3 Tính chuyển tiếp 26 II.1.3.4 Ph-ơng trình quan hệ mờ 26 27 II.1.4 Suy luận xấp xỉ suy diễn mờ Ch-ơng III 33 điều khiển mờ III.1 Nguyên lý làm việc 35 III.2 Lý thuyết tập mờ điều khiển 39 III.2.1 Định nghÜa tËp mê 39 III.2.2 PhÐp suy diÔn mê 42 III.2.2.1 Xác định giá trị mệnh đề hợp thµnh 42 III.2.2.2 PhÐp tÝnh suy diƠn mê 46 III.2.3 Phép hợp mờ 47 III.2.3.1 Xác định giá trị luật hợp thành 47 III.2.3.2 Phép tính hợp tập mờ 49 III.2.4 Giải mờ 50 III.2.4.1 Ph-ơng pháp điểm cực đại 51 III.2.4.2 Ph-ơng pháp điểm trọng tâm 52 III.3 Bé ®iỊu khiĨn mê III.3.1 CÊu tróc cđa điều khiển mờ 56 56 III.3.1.1 Mờ hoá 57 III.3.1.2 Thiết bị hợp thành 58 III.3.1.3 Khâu giải mê 60 III.3.2 ThiÕt kÕ bé ®iỊu khiĨn mê Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyờn 61 http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn tốt nghiệp III.3.2.1 Các b-ớc thực chung 61 III.3.2.2 Quan hệ truyền đạt 62 III.3.2.3 Tổng hợp điều khiển có quan hệ truyền đạt cho 64 tr-ớc 66 III.3.3 Cấu trúc ®iỊu khiĨn mê th«ng minh III.3.3.1 ThÝch nghi trùc tiÕp gián tiếp 67 III.3.3.2 Bộ điều khiển mờ tự chØnh cÊu tróc 68 III.3.3.3 Bé ®iỊu khiĨn mê tù chỉnh có mô hình theo dõi 69 III.3.3.4 Bộ điều khiển mờ lai 71 Ch-ơng IV điều khiển tr-ợt ý nghÜa øng dơng 73 ®iỊu khiĨn thÝch nghi bền vững IV.1 Xuất phát điểm ph-ơng pháp điều khiển tr-ợt 73 IV.2 Thiết kế điều khiển tr-ợt ổn định bền vững 76 IV.3 Thiết kế điều khiển tr-ợt bám bền vững 82 Ch-ơng V Xây dung điều khiển mờ tr-ợt 84 V.1 Thiết kế luật điều khiển tr-ợt cho động điện 84 V.2 Cơ sở hệ điều khiển tr-ợt mờ từ điều khiển tr-ợt 85 kinh điển V.3 Các b-ớc thực thiết kế bé ®iỊu khiĨn mê 87 V.4 ThiÕt kÕ bé ®iỊu khiển mờ tr-ợt cho động 88 Ch-ơng VI Mô nhận xét kết 92 Tài liệu tham kh¶o Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại hc Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn tốt nghiệp Ch-ơng I Giới thiệu chung điều khiển mờ vai trß øng dơng thùc tÕ BÊt kú mét ng­êi có tri thức hiểu suy luận đời thường suy luận khoa häc chỈt chÏ, hay triĨn khai øng dơng, logic toán học cổ điển nhiều định lý toán học quan trọng thu qua lập luận logic cổ điển đà đóng vai trò quan trọng Nhưng đáng tiếc, logic toán học cổ điển đà chật hẹp mong muốn tìm kiếm sở vững cho suy luận phù hợp với toán nẩy sinh từ công việc nghiên cứu thiết kế hệ thống phức tạp, đặc biệt cố gắng đưa suy ln gièng nh­ c¸ch ng­êi vÉn th­êng sư dơng vào lĩnh vực trí tuệ nhân tạo (chẳng hạn, hệ chuyên gia, hệ hỗ trợ định, ) hay vào công việc điều khiển vận hành hệ thống lớn, phức tạp cho kịp thời hiệu Việc thiết kế điều khiển theo ph-ơng pháp kinh điển phụ thuộc vào mô hình toán học hệ, việc mô tả hệ thống xác kết điều khiển có chất l-ợng cao Tuy nhiên việc xây dựng mô hình toán học xác hệ thống khó tr-ớc thay đổi tải, thay đổi thông số, nhiễu hệ thống Trong năm gần ngành khoa học đà đ-ợc hình thành phát triển mạnh mẽ cách tiÕp cËn cña lý thuyÕt tËp mê (Fuzzy Set Theory), bắt đầu với công trình L Zadeh, 1965 Trong phát triển đa dạng lý thuyết tập mờ hệ mờ, logic mờ ( Fuzzy Logic) giữ vai trò Khác hẳn với kỹ thuật ®iỊu khiĨn kinh ®iĨn lµ hoµn toµn dùa vµo Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn tốt nghiệp độ xác tuyệt đối thông tin mà nhiều ứng dụng không cần thiết có được, điều khiển mờ xử lý thông tin không rõ ràng hay không đầy đủ thông tin mà xác nhận thấy đ-ợc quan hƯ cđa chóng víi vµ cịng chØ cã thể mô tả đ-ợc ngôn ngữ, đà cho định xác Chính khả đà làm cho điều khiển mờ chụp đ-ợc ph-ơng thứ sử lý thông tin điều khiển ng-ời, đà giải thành công toán điều khiển phức tạp I.1 Cấu trúc Tư tưởng điều khiển dựa vào logic mờ đưa kinh nghiệm chuyên gia người vận hành giỏi hệ thống vào thiết kế điều khiển trình quan hệ vào/ra (input-output) cho tập luật điều khiển mờ (dạng luật ifthen) Cấu trúc (Basic architecture) x Mờ hoá (x) Mô tơ suy diễn (y) Cơ sở luật mờ Giải mờ y Đối t-ợng Hình 1.1 Cấu trúc điều khiển mờ Cấu trúc điều khiển dựa vào logic mờ (fuzzy logic control - FLC) gồm bốn thành phần (hình 1.1): khâu mờ hoá (a fuzzifier), sở luật mờ (a fuzzy rule base), môtơ suy diễn (an inference engine) khâu giải mờ (a defuzzifier) Nếu đầu sau công đoạn giải mờ tín hiệu điều khiển (thường gọi tín hiệu điều chỉnh) có hệ định sở logic mờ S húa bi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ... 76 IV.3 Thiết kế điều khiển tr-ợt bám bền vững 82 Ch-ơng V Xây dung điều khiển mờ tr-ợt 84 V.1 Thiết kế luật điều khiển tr-ợt cho động điện 84 V.2 Cơ sở hệ điều khiển tr-ợt mờ từ điều khiển tr-ợt... TỰ ĐỘNG HÓA THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ TRƯỢT ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ Học viên: Người HD khoa học: HỒ THỊ VIỆT NGA PGS TS NGUYỄN DOÃN PHƯỚC THÁI NGUYÊN 2008 ĐẠI HỌC THÁI NGUN TRƯỜNG ĐHKT CƠNG... cần thiết Việc điều khiển xác dòng tạo nên chuyển động phức tạp dây chuyền công nghệ nhiệm vụ hệ thống truyền động động Một vấn đề quan trọng dây truyền tự động hoá việc điều chỉnh tốc độ động