3.1. Khái niệm
Trong thực tế để phát huy hết ưu điểm của mỗi loại bộ điều khiển mờ và bộ điều khiển rõ, người ta thường dùng các hệ kết hợp giữa hai loại bộ điều khiển truyền thống và điều khiển mờ với nhau, do vậy ta cĩ các hệ điều khiển mờ lai. Ta xét hệ điều khiển cĩ cấu trúc hai vịng, một trong hai vịng đĩ dùng bộ điều khiển mờ. Ta thấy cĩ hai khả năng nối: bộ điều khiển mờ dùng ở vịng thứ nhất, cịn vịng thứ hai là bộ điều khiển khơng mờ (hình 2.4a) hoặc vịng thứ nhất là bộ điều khiển truyền thống (chẳng hạn bộ điều khiển PID) và vịng thứ hai là bộ điều khiển mờ (hình 2.4b)
Định nghĩa: Hệ mờ lai (Fuzzy-hybrid) là một hệ thống điều khiển tự động trong đĩ thiết bị điều khiển bao gồm hai thành phần:
• Phần thiết bị điều khiển kinh điển.
• Phần hệ mờ.
Bộ điều khiển mà trong quá trình làm việc cĩ khả năng tự chỉnh định thơng số của nĩ cho phù hợp với sự thay đổi của đối tượng được gọi là bộ điều khiển thích nghi.
Phần lớn các hệ thống điều khiển mờ lai là hệ thích nghi, nhưng khơng phải mọi hệ lai là hệ thích nghi.
Ưu điểm chính của hệ điều khiển nối nhiều vịng là cĩ thể thiết kế bộ điều khiển cho mỗi vịng theo yêu cầu chất lượng riêng của vịng đĩ, vì vậy bộ điều khiển sẽ đơn giản hơn và chất lượng cao hơn, đặc biệt với hệ điều khiển cĩ cấu trúc như ở hình 2.4a, ta cĩ thể thiết kế bộ điều khiển mờ mà chưa quan tâm đến điều kiện ổn định, sau đĩ khi thiết kế bộ điều khiển cho mạch vịng ngồi mới
Bộ điều khiển khơng mờ Bộ điều khiển mờ Quá trình Hình 2.4a Bộ điều khiển mờ Bộ điều khiển truyền thống Quá trình Hình 2.4b
xét đến vấn đề ổn định của hệ. Với hệ cĩ cấu trúc như ở hình 2.4b, ta xét trường hợp mạch vịng trong dùng bộ điểu khiển PID truyền thống và mạch vịng ngồi dùng bộ điều khiển mờ.
Thực tế ứng dụng kỹ thuật mờ cho thấy rằng khơng phải cứ thay một bộ điều khiển mờ vào chỗ bộ điều khiển kinh điển là sẽ cĩ một hệ thống tốt hơn. Trong nhiều trường hợp, để hệ thống cĩ đặc tính động học tốt và bền vững cần phải thiết kế thiết bị điều khiển lai giữa bộ điều khiển mờ và bộ điều khiển kinh điển.
3.2. Hệ lai khơng thích nghi cĩ bộ điều khiển kinh điển
Hãy quan sát cấu trúc của một hệ lai trong hình 2.4 cĩ bộ tiền xử lý mờ. Nhiệm vụ điều khiển được giải quyết bằng bộ điều khiển kinh điển (ví dụ bộ điều khiển PID kinh điển) và các thơng số của bộ điều khiển khơng được chỉnh định thích nghi. Hệ mờ được sử dụng để điều chế tín hiệu chủ đạo cho phù hợp với hệ thống điều khiển. Về nguyên tắc, tín hiệu chủ đạo là một hàm thời gian bất kỳ và chỉ phụ thuộc vào những ứng dụng cụ thể. Một cấu trúc cụ thể của hệ mờ lai cĩ bộ tiền xử lý mờ như vậy được biểu diễn trong hình 2.5.
. . . Bộ tiền xử lý mờ Bộ điều
khiển Đối tượng
-
Hình 2.4: Bộ điều khiển mờ lai cĩ khâu tiền xử lý mờ
Bộ mờ -∆u ∆u P I R T K + 1 G(p) y x E, DE + ∆ - e Đối tượng
Tín hiệu chủ đạo x đưa vào hệ thống được điều chế qua bộ mờ. Tín hiệu vào x được so sánh với tín hiệu ra y của hệ thống và sai lệch E cùng đạo hàm DE của nĩ được đưa vào đầu vào của bộ lọc mờ tạo ra một lượng hiệu chỉnh ∆x, tín hiệu chủ đạo đã được lọc cĩ giá trị bằng x+∆x. Tác dụng của bộ lọc mờ trong tồn bộ hệ thống là làm cho hệ cĩ đặc tính động tốt hơn và nâng cao khả năng bền vững của hệ khi các thơng số của hệ biến đổi. Nguyên tắc điều khiển này sẽ được minh họa bằng ví dụ dưới đây với đối tượng gồm khâu tuyến tính cĩ mơ hình tốn học biểu diễn dưới dạng hàm truyền đạt
) 2 , 0 1 ( 1 ) ( p p p G + = (2.3)
nối tiếp với một khâu khuếch đại cĩ vùng kém nhạy cĩ độ rộng bằng 2∆u cùng với hệ số khuếch đại K. Bộ điều khiển được chọn là bộ điều khiển PI với các thơng số: KR = 10 và TI = 0.3s
Trước tiên cho hệ thống làm việc khơng cĩ bộ lọc mờ và các thơng số của bộ khuếch đại cĩ vùng kém nhạy như sau:
∆u = 1 k=0,5
Đáp ứng của hệ thống đối với tín hiệu vào là hàm bậc thang đơn vị. Kết quả với những giá trị ∆u, K khác nhau cịn cho thấy rằng đặc tính động của hệ thống sẽ xấu đi khi vùng kém nhạy rộng và hệ số khuếch đại lớn. Để hiệu chỉnh đặc tính động và nâng cao độ bền vững của hệ thống, một bộ lọc mờ được đưa vào hệ thống như hình 2.5. Bộ lọc mờ điều chế tín hiệu hiệu chỉnh ∆x dựa trên việc phân tích tín hiệu sai lệch E và đạo hàm DE của nĩ. Hàm liên thuộc của các đại lương vào E và DE được chọn dạng hình tam giác tiêu chuẩn và cho đại lương ra ∆x là dạng singleton (hình 2.6) µ -1 0 +1 E -20 0 +20 DE NB NS ZE PS PB -1 0 +1 µ NB NS ZE PS PB ∆x
Luật điều khiển cơ sở khơng phải sử dụng tất cả các nguyên tắc điều khiển vì tín hiệu vào cĩ dạng hàm bậc thang đơn vị cĩ độ biến đổi lớn, do vậy chỉ cần sử dụng một phần các nguyên tắc điều khiển. Luật điều khiển sẽ như sau:
DE NB NS ZE PS PB NB NB NS NS NS NS NS ZE E ZE NB NS ZE PS PB PS PS PS PS PS PB PB PS PB
Tất cả 18 luật điều khiển từ bảng trên cĩ cấu trúc chuẩn dưới dạng mệnh đề nguyên nhân và mệnh đề kết quả như sau:
NẾU E = ZE VÀ DE = NS THÌ ∆x = NS ………
Kết quả khẳng định bộ lọc mờ cải thiên rõ rệt đặc tính động ở chỗ quá trình quá độ kết thúc rất nhanh và hầu như khơng phụ thuộc vào ∆u.