4. Phương phỏp nghiờn cứu
4.2. Trỡnh tự thiết kế bộ điều khiển PID mờ
Khi tổng cỏc bộ điều khiển mờ cần lưu ý đến tớnh phi tuyến khỏ mạnh của bộ điều khiển mờ. Phần lớn cỏc đối tượng điều khiển trong thực tế cú tớnh phi tuyến, phụ thuộc vào thời gian, cú hằng số trễ lớn và tham số rải. Đối với hệ thống như vậy ứng dụng kỹ thuật điều khiển mờ là rất thớch hợp. Tuy vậy, nền tảng cho ứng dụng thành cụng kỹ thuật điều khiển mờ là kiến thức, kinh nghiệm và sự hiểu biết của cỏc chuyờn gia về hệ thống đú. Trong qỳa trỡnh thiết kế bộ điều khiển mờ khụng nhất thiết phải biết trước mụ hỡnh đối tượng điều khiển mà chỉ cần thể hiện những hiểu biết về đối tượng, qua
cỏc biến ngụn ngữ thể hiện động học của đối tượng. Núi chung, quy trỡnh thiết kế bộ điều khiển mờ ngắn hơn quy trỡnh thiết kế bộ điều khiển kinh điển. Cỏc bước xõy dựng thiết bị điều khiển mờ. Cho đến nay vẫn chưa cú cỏc nguyờn tắc chuẩn mực cho việc thiết kế khảo sỏt tớnh ổn định, chất lượng…, đối với bộ điều khiển mờ cũng như nguyờn lý tối ưu cỏc bộ điều khiển mờ về mặt lý thuyết. Cỏc nguyờn tắc dưới đõy là cần thiết lựa chọn bộ điều khiển: [8, 9, 10]
- Khụng bao giờ ỏp dụng bộ điều khiển mờ khi cú thể dễ dàng giải quyết tốt vấn đề bằng bộ điều khiển kinh điển. Khi ỏp dụng bộ điều khiển mờ, trước hết cần đi phõn tớch, thu thập cỏc kinh nghiệm và thể hiện nú trờn cơ sở logic mờ. Một giải phỏp rất hiệu quả là kết hợp cỏc bộ điều khiển kinh điển với logic mờ để phỏt huy được ưu điểm của cả hai bộ điều khiển.
- Việc sử dụng bộ điều khiển mờ cho cỏc hệ thống yờu cầu độ an toàn cao vẫn cũn hạn chế do chỉ cú thể xỏc định được chất lượng của hệ thống bằng thực nghiệm.
- Cỏc bộ điều khiển mờ phải được phỏt triển qua thực nghiệm.
Cỏc bước thiết kế bộ điều khiển mờ
Chỳng ta cú thể thấy rằng cỏc phần chớnh của việc thiết kế bộ điều khiển mờ thường như sau:
Hai bước thiết kế đầu tiờn (1) và (2) chỉ ra rằng, trong việc thiết kế một bộ điều khiển mờ, trước tiờn, từ yờu cầu thiết kế đặt ra phải nhận diện được cỏc biến chớnh của quỏ trỡnh và cỏc biến điều khiển và xỏc định tập cỏc thuật ngữ (kớ hiệu) để mưu tả giỏ trị của mỗi biến ngụn ngữ. Vớ dụ, một tập thuật ngữ {nhỏ, trung bỡnh, rộng} khụng thể thỏa món trong một vài lĩnh vực và việc sử dụng một tập năm số hạng như {rất nhỏ, nhỏ, trung bỡnh, rộng, rất rộng} cú thể được thay thế. Do đú số lược cỏc tập mờ của khụng gian vào – ra sẽ được chọn đủ rộng để cung cấp một sự đủ thớch hợp và cũn đủ nhỏ để tiết kiệm khụng gian của bộ nhớ. Số lượng này cú một ảnh hưởng cơ bản đến chất lượng bộ điều khiển cú thể thu được. Hơn nữa, cỏc bộ kiểu hỡnh dạng khỏc nhau của cỏc hàm liờn thuộc vớ dụ: như hỡnh tam giỏc, hỡnh thang, và kiểu hỡnh chuụng..., cú
thể được dựng làm giỏ trị của mỗi biến ngụn ngữ cũng ảnh hưởng khụng nhỏ đế chất lượng của bộ điều khiển mờ.
Với cỏc bước thiết kế (4) và (5), khụng cú một phương phỏp cú hệ thống nào để thực hiện việc thiết kế một thiết bị hợp thành và lựa chọn một bộ giải mờ. Hầu hết cỏc nhà thiết kế sử dụng cỏc kinh nghiệm nghiờn cứu và cỏc kết quả thực nghiệm để đưa ra những hướng dẫn cho những sự lựa chọn này.
Bước thiết kế thứ 6) thực chất là kiểm tra và hiệu chỉnh lại bộ điều khiển trong điều khiện mụi trường mụ phỏng (nếu như cú thể vỡ tạo mụ hỡnh toỏn học thớch hợp cho một hệ thống lớn phức tạp, phi tuyến là rất khú) hay trong mụi trường làm việc thực tế. Khi hiệu chỉnh ta cú thể tận dụng kinh nghiệm đó cú về một số tớnh chất của bộ điều khiển kinh điển PID cho bộ điều khiển mờ. Nếu thiết kế dự đó hiệu chỉnh mà vẫn chưa thỏa món yờu cầu đặt ra thỡ ta phải quay lại bước (1) để làm lại.
Hỡnh 4.5: Lưu đồ thiết kế một bộ điều khiển mờ
Bước thiết kế thứ (3) trong việc xỏc định cỏc luật điều khiển mờ phụ thuộc rất lớn vào bản chất vật lý (trạng thỏi tự nhiờn vốn cú) của cỏc đối tượng điều khiển. Núi chung, cú bốn phương phỏp để tạo nờn cỏc luật điều khiển mờ và cỏc luật này khụng độc lập với nhau. Một sự kết hợp của chỳng cú thể là cần thiết để xõy dựng một phương phỏp điều khiển hiệu quả cho việc tạo nờn cỏc luật điều khiển mờ. Đú là bốn phương phỏp:
- Kinh nghiệm chuyờn gia và hiểu biết của cỏc kỹ sư điều khiển: Cỏc luật điều khiển mờ được thiết kế nhờ việc xem xột cỏc hoạt động của con người và/hoặc hiểu biết của cỏc kỹ sư điều khiển. Đặc biệt hơn, chỳng cú thể hỏi một chuyờn gia để biểu diễn trớ thức của người này trong thuật ngữ tập mờ, đú là để biểu diễn phương phỏp làm việc trong cỏc luật mờ Nếu – Thỡ. Chỳng ta cú thể hỏi một kỹ sư điều khiển để liệt kờ cỏc phương thức dựa trờn hiểu biết của người này về quỏ trỡnh điều khiển. Cuối cựng, dựng thủ tục tỡm kiếm loại từ để tạo nờn cỏc luật điều khiển mờ.
- Mụ phỏng một hành động điều khiển của người vận hành: Chỳng tỏ cú thể mụ phỏng một hành động kỹ năng của người vận hành hay đặc tớnh điều khiển trong thuật ngữ của tập mờ sử dụng với dữ liệu vào – ra để liờn kết với cỏc hành động động điều khiển của người vận hành. Sau đú chỳng ta cú thể nhận được “mụ hỡnh vào – ra” như một bộ điều khiển mờ.
- Dựa trờn mụ hỡnh mờ hoặc phõn tớch đặc tớnh của một qỳa trỡnh điều khiển: Trong trường hợp này, nếu cỏc luật điều khiển mờ được tạo ra dựa trờn hoặc là mụ hỡnh mờ hoặc là phõn tớch đặc tớnh của qỳa trỡnh điều khiển. Nếu chỳng ta cú một hỡnh mờ của quỏ trỡnh hoặc nếu chỳng ta biết một vài tớnh chất cú ớch của quỏ trỡnh, chỳng ta cú thể thiết kế tạo ra một tập cỏc luật điều khiển mờ để đạt được hoạt động tối ưu. Phương phỏp này được ỏp dụng trong hệ thống điều khiển thớch nghi mờ.
- Dựa trờn việc học (hay tự tổ chức): Rất nhiều bộ điều khiển mờ đó được xõy dựng để mụ phỏng khả năng ra quyết định của bộ nóo con ngươi. Gần đõy, rất nhiều sự nghiờn cứu cố gắng định hướng vào việc mụ phỏng việc học của con người, chủ yếu là khả năng tạo nờn cỏc luật điều khiển mờ và sửa chữa chỳng dựa trờn kinh nghiệm của hoạt động của hệ thống. Đõy là một hướng phỏt triển cao của điều khiển thớch nghi mờ. Logic mờ kết hợp với mạng Nơron nhõn tạo, ANN tạo nờn một hệ thống tự thớch nghi với sự thay đổi của đối tượng điều chỉnh. Vớ dụ: một cỏch phối hợp đơn giản nhất là ANN quan sỏt nhận dạng đối tượng sau đú căn cứ trờn nhữn phiếm hàm mục tiờu để thay đổi, tạo ra cỏc luật điều khiển mờ.
4.3. Mụ hỡnh toỏn của bộ PID mờ
u(t) = Kpe(t) + KI∫ ( ) +KD ( ) = KP[e(t) + ∫ ( ) + TD ( ) ] (4.20) GPID(s)=KP + + KDs; T1= ; TD= ; ∝= ; KI = ∝. (4.21) Cỏc tham số KP, KI, KD được chỉnh theo từng bộ điều khiển mờ riờng biệt dựa trờn sai lệch e(t) và đạo hàm de(t). Cú nhiều phương phỏp khỏc nhau để chỉnh định bộ PID như là dự trờn phiếm hàm mục tiờu, chỉnh định trực tiếp, chỉnh định theo Zhao, Tomizuka và Isaka… Nguyờn tỏc chung là bắt đầu với cỏc giỏ trị Kp, KI, KD theo Zeigler-Nichols, sau đú dựa vào đỏp ứng và thay đổi dần để tỡm ra hướng chỉnh định thớch hợp. Bộ điều khiển PID gồm sự kếp hợp của 3 khõu điều khiển tỷ lệ (P), tớch phõn (I) và vi phõn (D) nờn nhược điểm của khõu này trong điều khiển được ưu điểm của khõu kia khắc phục. Vỡ vậy đối tượng điều khiển luụn được giữ ổn định bằng
phẳng bởi khõu tỷ lệ, khõu tớch phõn tự động hiệu chỉnh độ sai lệch (offset) của khõu tỷ lệ, đồng thời khõu vi phõn giỳp bộ điều khiển PID phản ứng nhanh với nhiễu ngoài.