Xây dựng bộ điều khiển PID mờ (FPID) trên giao diện Visual Basic
MỤC LỤC
Các phép toán trên tập mờ
Ta thấy sẽ có nhiều cách khác nhau để xác định giao của hai tập mờ và nh vậy một bài toán điều khiển mờ có thể có nhiều lời giải khác nhau khi ta sử dụng các công thức khác nhau cho phép giao của hai tập mờ. Tơng tự nh với phép bù của một tập hợp trong tập hợp kinh điển, ta có, với một tập mờ A xác định trên tập nền X, có hàm liên thuộc là àA(x) thì tập bù của tập mờ A cũng là một tập mờ xác định trên tập nền X và đợc ký hiệu bởi AC.
Biến ngôn ngữ và các gía trị của nó
Hàm liên thuộc à(àA) của một phép bù mờ mạnh đợc gọi là hàm phủ định mạnh. Các số hạng này có thể đợc biểu diễn bởi các tập mờ mà có hàm liên thuộc nh hình 1.11.
Luật hợp thành mờ 1. Mệnh đề hợp thành mờ
Luật hợp thành mờ
Việc mô hình nó cũng giống nh việc mô hình hoá mệnh đề hợp thành có một điều kiện, trong đó liên kết và giữa các mệnh đề điều kiện (hay các giá trị mờ) đợc thực hiện bằng phép giao các tập mờ A1, A2, .., Ad với nhau. Khi xây dựng luật hợp thành mờ ta cần chú ý: từng mệnh đề nên đợc mô hình hoá thống nhất theo một quy tắc chung, chẳng hạn theo quy tắc max-MIN hay max- PROD ..Khi đó các luật hợp thành (luật điều khiển) Rk sẽ có tên chung là luật hợp thành max-MIN hay luật hợp thành max-PROD.
Giải mờ (rõ hoá tập mờ)
Phơng pháp cực đại
Thuật toán triển khai luật hợp thành R theo quy tắc sum-MIN hay sum-PROD cũng bao gồm các bớc nh khi triển khai R theo quy tắc max-MIN hay max-PROD mà ta đã đề cập ở trên. Trong trờng hợp đó thông thờng một khoảng con liên thông trong G sẽ đợc chọn làm khoảng liên thông có mức u tiên cao nhất, ví dụ là G1, sau đó áp dụng một trong ba nguyên lý nói trên với miền G1 thay cho G.
Phơng pháp điểm trọng tâm
Giá trị rõ lấy theo nguyên lý cận trái này sẽ phụ thuộc tuyến tính vào đáp ứng vào của luật điều khiển quyết định. Giá trị rõ lấy theo nguyên lý cận phải này sẽ phụ thuộc tuyến tính vào đáp ứng vào của luật điều khiển quyết định. Đối với luật hợp thành áp dụng quy tắc hợp thành max-PROD thì miền G sẽ chỉ có một điểm duy nhất và do đó cả ba nguyên lý trên sẽ cho ra cùng một kết quả.
Phơng pháp điểm trọng tâm sẽ cho kết quả y' là hoành độ của điểm trọng tâm miền đợc bao bởi trục hoành và đờng àB'(y), xem hình 1.15. Công thức trên cho phép tính giá trị y' với độ chính xác cao và sự có mặt của tất cả các tập mờ đầu ra của mọi luật điều khiển, tuy nhiên lại không để ý tới độ thoả. Vì vậy để tránh trờng hợp này, khi định nghĩa hàm liên thuộc cho từng giá trị mờ của các biến ngôn ngữ nên chú ý để sao cho miền xác định của các giá trị mờ đầu ra là các miền liên thông.
Giới thiệu
- Trong nhiều trờng hợp bộ điều khiển mờ làm việc ổn định hơn, bền vững (robust) hơn và chất lợng điều khiển cao hơn.
Cấu trúc cơ bản của các bộ điều khiển logic mờ
Do bộ điều khiển mờ cơ bản (FLC) chỉ có khả năng xử lý các giá trị tín hiệu hiện thời nên nó thuộc nhóm các bộ điều khiển tĩnh. Tuy nhiên để mở rộng miền ứng dụng của chúng vào các bài toán điều khiển động, các khâu động học cần thiết sẽ đợc nối thêm vào bộ điều khiển mờ cơ bản (hình 1.17). Các khâu đó chỉ có nhiệm vụ cung cấp thêm cho bộ điều khiển mờ cơ bản các giá trị đạo hàm hay tích phân của tín hiệu.
Phơng pháp thiết kế bộ điều khiển mờ
Hơn nữa, các kiểu khác nhau của các hàm liên thuộc, ví dụ, đều, tam giác, hình thang, và kiểu hình chuông, có thể đợc dùng làm các giá trị ngôn ngữ của mỗi biến ngôn ngữ. Với các bớc thiết kế (4) và (5), không có một phơng pháp có hệ thống nào để thực hiện việc thiết kế một thiết bị hợp thành và lựa chọn một bộ giải mờ. Bớc thiết kế thứ (3) trong việc xác định các luật điều khiển mờ phụ thuộc rất lớn vào bản chất (trạng thái tự nhiên) của các đối tợng đợc điều khiển.
Đặc biệt hơn, chúng ta có thể hỏi một chuyên gia để biểu diễn tri thức của ngời này trong thuật ngữ tập mờ, đó là để biểu diễn phơng pháp làm việc này trong các luật mờ nếu-thì. Mô phỏng một hành động điều khiển của ngời vận hành: Chúng ta có thể mô phỏng một hành động kỹ năng của ngời vận hành hay đặc tính. Ngày nay, rất nhiều sự nghiên cứu cố gắng định hớng vào việc mô phỏng việc học của con ngời, chủ yếu là khả năng tạo nên các luật điều khiển mờ và sửa chữa chúng dựa trên kinh nghiệm (hay sự hoạt động của hệ thống).
Giới thiệu
Khi đối tợng và bộ điều khiển vẫn đợc coi là tuyết tính hay nói một cách khác là có thể bỏ qua đặc tính phi tuyến của hệ thống thì có thể kiểm tra tính ổn định của hệ thống dựa trên các tiêu chuẩn đại số và tần số tuyến tính thông thờng. Nhng khi sử dụng bộ điều khiển mờ để điều khiển đối tợng thì do tính chất phi tuyến của bộ điều khiển mờ nên chính nó lại làm tăng thêm tính phi tuyến của hệ thống. Do vậy muốn kiểm tra tính ổn định và tin cậy của hệ thống điều khiển mờ thì phải sử dụng các tiêu chuẩn ổn định dành cho hệ phi tuyết tính.
Khảo sát tính ổn định của hệ mờ 1. Phơng pháp mặt phẳng pha
Tiêu chuẩn ổn định Lyapunov
T tởng của phơng pháp Lyapunov đợc xây dựng trên cơ sở bảo tồn năng lợng của một hệ vật lý. Hệ vật lý này có năng lợng toàn bộ ở trạng thái cân bằng bằng không, ở xung quanh vị trí cân bằng, năng lợng của hệ thống lớn hơn không và có xu hớng tiến về không. Để kiểm tra đợc tính ổn định của hệ thống tại vị trí cân bằng xe, cần xác định đ- ợc hàm năng lợng V(x), gọi là hàm Lyapunov, phụ thuộc vào trạng thái của hệ thống.
Trong lĩnh vực điều khiển mờ thì hàm này đợc lựa chọn bởi các chuyên gia dựa trên kinh nghiệm hiểu biết của họ. Xét một hệ thống điều khiển mờ với một đối tợng điều khiển phi tuyến đợc. Nếu Uf nằm trong lớp Uc thì hệ thống điều khiển mờ là ổn định, ngợc lại thì điều chỉnh thiết kế FLC để loại bỏ các nhân tố không ổn định.
Tiêu chuẩn ổn định tần số của Popov
Tìm lớp các đầu vào Uc có thể chấp nhận đợc bằng cách giải bất ph-. Điều kiện để áp dụng tiêu chuẩn Popov là đối tợng điều khiển có hàm truyền G(p) tuyến tính và có khả năng lọc các tần số cao. Tiêu chuẩn Popov sử dụng khái niệm hàm hai cực, tức là những hàm phức dạng G(p) =.
Xây dựng phần mềm điều khiển mờ và một số ứng dụng
Xây dựng phần mềm điều khiển mờ bằng ngôn ngữ lập trình Visual C++ 6.0
Nhằm thực hiện các nghiên cứu về lý thuyết, cài đặt các thuật toán, các công thức, và giúp nghiên cứu sâu hơn về đề tài thì việc xây dựng một phần mềm mô. Đứng trớc yêu cầu đó, em đã xây dựng một phần mềm viết bằng ngôn ngữ lập trình Visual C++ 6.0 để mô phỏng hệ thống điều khiển mờ mà đề tài đang nghiên cứu. Việc xây dựng bảng luật này (các luật IF - THEN) phải dựa trên các biến ngôn ngữ đã nhập vào và phải đảm bảo sự đồng nhất, tức là không thừa hay thiếu các biến ngôn ngữ so với bảng chứa biến ngôn ngữ.
Môdul này đã cài đặt cả bốn thuật toán của bốn luật hợp thành (MAX - MIN, MAX - PROD, SUM - MIN và SUM - PROD), và thuật toán giải mờ của phơng pháp điểm trọng tâm. Phần này giúp ích cho việc kiểm chứng các thuật toán đã cài đặt bằng việc so sánh các kết quả đầu ra với các kết quả khi tính toán bằng tay. Để có thể quan sát các dạng tín hiệu vào bộ mờ và ra khỏi bộ mờ một cách trực quan, môdul này cung cấp một phần biểu diễn các tín hiệu vào và ra khỏi bộ mờ dới dạng các đồ thị.
Mô phỏng hệ chuyển động của cần trục
Sau khi chạy chơng trình và nhập các biến ngôn ngữ trên cùng với các tập mờ của nó và soạn thảo bộ luật điều khiển mờ nh trên, ta có thể tiến hành chạy mô phỏng.
Mô phỏng hệ điều khiển sức căng máy cuốn phim
Để thực hiện việc cuốn phim một cách đồng đều thì nhất thiết cần phải duy trì một sức căng thích hợp trong quá trình cuốn phim. Cuộn phim ở phía cuốn phim sẽ có kích thớc tăng dần lên, còn cuộn phim ở phía nhả phim sẽ có kích thớc giảm dần đi. Các tập mờ và hàm liên thuộc của chúng đợc định nghĩa nh trên hình 2.10.
Sau khi chạy chơng trình và nhập các biến ngôn ngữ trên cùng với các tập mờ của nó và soạn thảo bộ luật điều khiển mờ nh trên, ta có thể tiến hành chạy mô phỏng bộ mờ với các dạng tín hiệu vào (ET1 và ET2) khác nhau.