Điều khiển học hệ bồn nước đôi theo mô hình tham chiếu mờ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRIỆU QUỐC SƠN ĐIỀU ỀU KHIỂN HỌC HỆ BỒN N NƯỚC ỚC ĐƠI THEO MƠ HÌNH THAM CHI CHIẾU ẾU MỜ MỜ Chuyên ngành: Tự ự động hóa Mã số: 10150048 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP H HỒ CHÍ MINH, Tháng 06 năm 2013 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG – HCM Cán hướng dẫn khoa học : TS HUỲNH THÁI HOÀNG (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét : (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét : (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại Học Bách Khoa, ĐHQG TP.HCM, ngày tháng năm Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) ………………………………………………………… ………………………………………………………… ………………………………………………………… ………………………………………………………… ………………………………………………………… Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn Trưởng khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA QLCN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc -o0o Tp HCM, ngày tháng 06 năm 2013 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: TRIỆU QUỐC SƠN Phái: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 15/09/1981 Nơi sinh: THANH HÓA Chuyên ngành: TỰ ĐỘNG HÓA MSHV: 10150049 1- TÊN ĐỀ TÀI: Điều khiển học hệ bồn nước đơi theo mơ hình tham chiếu mờ - NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: - Mơ hình hóa đối tượng hệ bồn nước đơi - Nghiên cứu, tìm hiểu phương pháp điều khiển mờ để điều khiển đối tượng hệ bồn nước đơi - Nghiên cứu, tìm hiểu phương pháp điều khiển mờ học theo mơ hình tham chiếu để điều khiển đối tượng hệ bồn nước đôi - Thực mô điều khiển phi tuyến với đối tượng hệ bồn nước đôi MATLAB/Simulink - Thiết kế thi cơng hồn chỉnh mơ hình phần cứng tượng hệ bồn nước đơi - Lập trình theo phương pháp điều khiển phi tuyến tìm hiểu cho mơ hình hệ bồn nước đơi thực nghiệm Thay đổi thơng số mơ hình để kiểm tra khả điều khiển thích nghi phương pháp điều khiển - So sánh chất lượng điều khiển điều khiển mờ với điều khiển học kết mô - So sánh chất lượng điều khiển điều khiển mờ với điều khiển học thực nghiệm 3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: …./…./2013 4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: …./…./2013 5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS HUỲNH THÁI HOÀNG Nội dung đề cương Luận văn hội đồng chuyên ngành thông qua C.BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN KHOA QL CH.NGÀNH NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN Cán hướng dẫn: TS HUỲNH THÁI HOÀNG Học tên học viên: Tên đề tài: Khóa: 2010 TRIỆU QUỐC SƠN ĐIỀU KHIỂN HỌC HỆ BỒN NƯỚC ĐƠI THAM CHIẾU THEO MƠ HÌNH MỜ Nhận xét: Đánh giá: TPHCM, ngày tháng năm 2013 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN Cán hướng dẫn: Học tên học viên: Tên đề tài: Khóa: 2010 TRIỆU QUỐC SƠN ĐIỀU KHIỂN HỌC HỆ BỒN NƯỚC ĐÔI THAM CHIẾU THEO MƠ HÌNH MỜ Nhận xét: Đánh giá: TPHCM, ngày tháng năm 2013 CÁN BỘ PHẢN BIỆN NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN Cán hướng dẫn: Học tên học viên: Tên đề tài: Khóa: 2010 TRIỆU QUỐC SƠN ĐIỀU KHIỂN HỌC HỆ BỒN NƯỚC ĐÔI THAM CHIẾU THEO MƠ HÌNH MỜ Nhận xét: Đánh giá: TPHCM, ngày tháng năm 2013 CÁN BỘ PHẢN BIỆN LỜI CÁM ƠN: Trong trình thực luận văn tốt nghiệp, tác giả nhận nhiều giúp đỡ, động viên từ phía gia đình, thầy cơ, anh chị bạn bè học lớp cao học tự động hoá khoá 2010 kiến thức chuyên môn mặt tinh thần Qua đây, tác giả xin gửi lời cảm ơn tới mẹ người thân gia đình tạo điều kiện vật chất, tình thần qua tạo động lực để tác giả thực hoàn thành luận văn tốt nghiệp Bên cạnh tác giả xin gửi lời cảm ơn tới thầy Ts Huỳnh Thái Hồng, người tận tình hướng dẫn bảo suốt thời gian thực luận văn Cùng với thầy cô môn Điều Khiển Tự Động trang bị cho tác giả kiến thức, kinh nghiệp để tạo tiền đề sở lý thuyết để tác giả thực luận văn tốt nghiệp Lời cuối cùng, tác giả xin gửi cảm ơn đến bạn bè giúp đỡ mặt chuyên môn, tinh thần giúp cho tác giả hoàn thành tốt luận văn tốt nghiệp TP Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2013 Triệu Quốc Sơn TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN THẠC SĨ Nhiệm vụ đề tài tìm hiểu pháp điều khiển mờ phương pháp điều khiển mờ học theo mơ hình tham chiếu vận dụng để điều khiển đối tượng phi tuyến cụ thể, đối tượng phi tuyến chọn hệ bồn nước đôi Phương pháp điều khiển mờ giới thiệu kiểm nghiệm phương pháp điều khiển tốt nhiều đề tài Phương pháp điều khiển mờ học theo mô hình tham chiếu giới thiệu số đề tài nước ta, mức độ giới thiệu, mô m_file chưa mô simulink thi cơng mơ hình thực nghiệm Nếu mơ simulink thành cơng nhúng vào mơ hình thực nghiệm vận dụng cho nhiều đối tượng, tính chân thực hiệu mô simulink cao Đề tài tác giả tập trung tìm hiểu vận dụng để mô simulink thi công mô hình thực nghiệm để kiểm nghiệm so sánh phương pháp điều khiển học nêu ưu khuyết điểm điều khiển thiết kế đề tài Tác giả có cải tiến phương pháp điều khiển học so với phương pháp gốc nêu sách hay báo gần đây, phương pháp cải tiến tác chưa thấy tạp chí Tác giả thiết kế thi cơng hồn chỉnh hệ bồn nước đơi thực nghiệm nhúng giải thuật điều khiển vào mơ hình Kết đạt đáp ứng u cầu đề tài Abstract The main point of this thesis is learn fuzzy control method and Fuzzy Model Reference Learning Control (FMRLC) method, applied to control a specific nonlinear object Nonlinear object is double tank system Fuzzy control method has been introduced and tested is a good control method in a variety of thesis Fuzzy Model Reference Learning Control (FMRLC) method has been introduced in a number of thesis and article in our country but only in the simulation by m_file and not in simulink simulation and empirical model construction If emulation in simulink successfully we can embed on the model experimental and and applied to a wide empirical model construction Subject author focuses learn and apply to construction simulation using simulink and empirical models to test and compare this control methods and state the strengths and weaknesses of the controllers designed in the subject The author has improved control methods compared to the original method described in the book or in the recent article The author has complete design and construction of the double tank system by experiment and control algorithms embedded in the model Results achieved to meet the requirements of the subject MỤC LỤC MỤC LỤC CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Điều khiển học theo mơ hình mờ Fuzzy Model Reference Learning Control (FMRLC) 1.3 Lịch sử phát triển phương pháp FMRLC 1.4 Mục tiêu luận văn 1.5 Kết dự kiến 1.6 Phương pháp nghiên cứu 1.7 Sơ lược nội dung luận văn CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 11 2.1 Điều khiển mờ 11 2.1.1 Khái niệm tập hợp mờ 11 2.1.2 Biến ngôn ngữ 12 2.1.3 Định nghĩa tập mờ 12 2.1.4 Các thuật ngữ logic mờ 13 2.1.5 Thành lập hàm thành viên tham số 13 2.1.5.1 Hàm thành viên chiều (Hàm thành viên có ngõ vào) 14 2.1.6 Suy luận mờ 14 2.1.7 Giải mờ 15 2.1.8 Bộ điều khiển mờ 16 2.1.8.1 Cấu trúc điều khiển mờ 16 2.1.8.2 Nguyên lý điều khiển mờ 16 2.1.8.3 Thiết kế điều khiển mờ 17 2.2 Điều khiển mờ học theo mơ hình tham chiếu (FMRLC) 18 2.2.1 Phương pháp gốc 18 2.2.1.1 Sơ đồ khối phương pháp gốc đề cập nhiều báo (FMRLC) 18 2.2.1.2 Bộ điều khiển mờ 19 2.2.1.3 Mơ hình ngược mờ: 20 2.2.1.4 Cơ chế học: 20 2.2.1.5 Giải thuật thiết kế điều khiển 21 2.2.2 Phương pháp đề xuất để cải tiến chất lượng điều khiển (FMRLC) 22 2.2.2.1 Sơ đồ khối phương pháp cải tiến 22 2.2.2.2 Mơ hình mờ ngược 22 2.2.2.3 Cập nhật trọng số điều khiển mờ thuận 23 2.2.2.4 Giải thuật thiết kế điều khiển 25 2.2.2.5 Đề xuất để cải tiến chất lượng điều khiển (FMRLC) thêm 26 LUẬN VĂN THẠC SỸ Trang CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ ĐÁNH GIÁ CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ ĐÁNH GIÁ 5.1 Kết luận 5.1.1 Những kết đạt được: - Thiết kế mô điều khiển PID để điều khiển đối tượng - Thiết kế mô điều khiển mờ để điều khiển đối tượng - Giới thiệu cải tiến điều khiển FMRLC Bộ điều khiển có cấu chúc đơn giản dễ thực thi - Thiết kế cải tiến mô simulink điều khiển FMRLC 25 luật để điều khiển đối tượng - Thiết kế cải tiến mô simulink điều khiển FMRLC 121 luật để điều khiển đối tượng - So sánh kết mô điều khiển mờ điều khiển FMRLC - Thi cơng mơ hình thực hệ bồn nước đơi - Xây dựng chương trình điều khiển PID thời gian thực vận dụng vào mơ hình - Xây dựng chương trình điều khiển mờ thời gian thực vận dụng vào mơ hình - Xây dựng chương trình điều khiển FMRLC thời gian thực dụng vào mơ hình 5.1.2 Những kết chưa đạt được: - Do thời gian hạn chế nên tác giả viết code simulink cho trường hợp tác giả đề xuất cải tiến mà không viết lại code simulink theo dạng phương pháp gốc để so sánh - Do cịn thiếu kinh nghiệm thi cơng phần cứng kinh nghiệm lập trình cho DSP lúc ban đầu nên làm, tác giả dùng công truyền thông nối tiếp cổng tác giả dùng để quan sát tín hiệu từ DSP gửi lên máy tính Do điều khiển mực nước thiết lập cố định lúc đầu sơ đồ simulink nên việc thay đổi hay điều chỉnh mức nước mơ hình chạy khơng thực Nếu muốn điều chình mức nước chạy từ máy tính theo tác giả dùng thêm truyền thơng nối SCI, phải thay đổi lại board mạch điện tử Do thời gian hạn chế nên tác giả không kịp làm lại - Do thời gian tìm hiểu DSP ít, thời gian hạn chế chưa có kinh nghiệm nhiều nên chạy mơ hình thực tác giả khơng tải trọng số điều khiển mờ thuận trình điều khiển để quan sát quát trình cập nhật trọng số mờ thuận Tác giả không tải trọng số cập nhật sau trình chạy để thiết lập làm trọng số ban đầu cho điều khiển mờ thuận để vận dụng cho lúc chạy lần sau khác - Mơ hình phần khí tác giả khơng tốt nên thời gian mực nước thực bồn bám theo tín hiệu đặt dài, điều khơng mong muốn ban đầu tác giả, để tín hiệu đẹp theo tác giả thay đổi kích LUẬN VĂN THẠC SỸ Trang 99 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ ĐÁNH GIÁ thước mơ hình chọn động bơm phù hợp hơn, hạn chế thời gian nên tác giả không làm - Do nhiễu khơng loại bỏ hồn tồn nên điều khiển khơng phải điều khiển học có chất lượng điều khiển không tốt 5.2 Hướng phát triển đề tài Vận dụng phương pháp điều khiển học theo mơ hình FMRLC vào đối tượng khác nữa, đặc biệt đối tượng yêu cầu tác động nhanh Vận dụng phương pháp điều khiển học theo mô hình FMRLC cho hệ nhiều biến đầu vào đầu Kết hợp phương pháp FMRLC phương pháp điều khiển khác mờ trượt, để điều khiển đối tượng Tiếp tục tìm hiểu kỹ thêm vai trị khâu hệ điều khiển theo phương pháp FMRLC Tiếp tục cải tiến (theo phương pháp chung theo đặc điểm riêng đối tượng cụ thể) để điều khiển theo mơ hình FMRLC để có chất lượng tốt LUẬN VĂN THẠC SỸ Trang 100 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tham khảo [1] Nguyễn Thị Phương Hà, Huỳnh Thái Hoàng, Cơ sở lý thuyết điều khiển tự động, NXB Đại học quốc gia TPHCM [2] Nguyễn Thị Phương Hà, Lý thuyết điều khiển nâng cao, NXB Đại học quốc gia TPHCM [3] Huỳnh Thái Hồng, Hệ thống điều khiển thơng minh, NXB Đại học quốc gia TPHCM 2006 [4] Y.Yuan, Y.Feng, and W.Gu, ''Fuzzy model reference learning control for aircraft pitch autopilot design," in Proceedings of 8th International Conference on Control, Automation, Robotics and Vision, vol 3, 2004 [6 ] J Layne and K Passino, ''Fuzzy model reference learning con-trol for cargo ship steering," IEEE Control Systems Magazine, vol 13(6), 1993 [8] Adrian-Vasile Duka, Stelian Emilian Oltean, Mircea Dulău, "MODEL REFERENCE ADAPTIVE VS LEARNING CONTROL FOR THE INVERTED PENDULUM A COMPARATIVE CASE STUDY", CEAI, Vol 9, No 3;4, pp.6775, 2007 [9] M Passino and S Yurkovich, Fuzzy Control Addision-Wesley, 1998 [10] Jffery Ray Layne , "fuzzy model learning control", 1992 [11] Vivek G.Moudgal, Waihon Adrew Kwrong, Kevin M.passino, "Fuzzy learning control for a Flexible-link Robot", IEEE TRANSACTIONS ON FUZZY SYSTEMS VOL 3, NO2, 1995 [12] Vivek G Moudgal, Weihon Andew Kwong, " Fuzzy learning Robot control for Flexible-link ", IEEE Transaction on fuzzy systems, vol.3, NO.2, 1995 [13] Otto Cerman, Petr Husek ,"Fuzzy Model Reference Learning Control with Convergent Rule Base ", 228346 LearnForm sponsored by the European Union, 2011 [14] Otto Cerman , Petr Husek, "Fuzzy Model Reference Learning Control with Modied Adaptation Mechanism", [15] Tài liệu sử dụng kit TMS320F28335 hãng TI [16] MPXV5004 data sheet hãng Freescale Semiconductor, http://www.freescale.com/support LUẬN VĂN THẠC SỸ Trang 101 PHẦN LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ tên: TRIỆU QUỐC SƠN Ngày sinh: 15/09/1981 Nơi sinh: Thanh Hóa Địa liên lạc: Khoa điện đại học Công Nghiệp tp.HCM Điện thoại: 01233400110 QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO - Từ năm 2000 tới năm 2005: Học đại học Bách Khoa Hà Nội - Từ năm 2010 tới nay: Học cao học Bách Khoa TP.HCM QUÁ TRÌNH CƠNG TÁC - Từ năm 2005 tới năm 2007: Giảng dạy trường Cao Đẳng số 4, quân khu 4, quốc phòng - Từ năm 2007 tới 2010: Công tác nhà máy luyện gang Thanh Hà - Từ năm 2010 tới nay: Giảng dạy trường đại học Công Nghiệp TP.HCM LUẬN VĂN THẠC SỸ Trang 102 PHỤ LỤC PHỤ LỤC Phụ lục - Code khối Embedded sơ đồ Simulink hình 3.19 phần 3.2.1.5: Code trương trình khối fcn %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% function v = fcn(e,de) %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% % tinh e_trai; e_phai if (e=1) e=1; end if (e