3.4.1. Giới thiệu chung.
Hệ mờ lai (Fuzzy- hybrid) là một hệ thống điều khiển tự động trong đó thiết bị điều khiển bao gồm 2 thành phần:
- Phần thiết bị điều khiển rõ (thường là bộ điều khiển kinh điển PID) - Phần thiết bị điều khiển mờ.
47
Sử dụng bộ điều khiển mờ lai sẽ phát huy được ưu điểm của cả bộ điều khiển mờ và bộ điều khiển rõ. Ta xét hệ thống điều khiển có hai cấu trúc vòng, một trong hai vòng điều khiển sử dụng bộ điều khiển mờ. Vì vậy có hai khả năng kết hợp là:
- Khả năng 1: Bộ điều khiển mờ được sử dụng ở mạch vòng điều khiển trong; mạch vòng điều khiển ngoài sử dụng bộ điều khiển kinh điển PID. Bộ điều khiển mờ lai xây dựng theo phương pháp này được gọi là bộ điều khiển mờ lai kinh điển.
Hình 3. 9.Mô hình bộ điều khiển mờ lai kinh điển
- Khả năng 2: Bộ điều khiển kinh điển PID được sử dụng ở mạch vòng điều khiển trong; mạch vòng điều khiển ngoài sử dụng bộ điều khiển mờ để bù tham số cho bộ điều khiển PID.
48
Khi thiết kế bộ điều khiển mờ lai, trước hết ta có thể thiết kế bộ điều khiển mờ ở mạch vòng trong mà chưa cần quan tâm đến điều kiện ổn định của hệ thống. Sau đó thiết kế bộ điều khiển PID ở mạch vòng ngoài ta mới cần xét đến vấn đề ổn định. Như vậy bộ điều khiển PID ở mạch vòng ngoài sẽ thực hiện chức năng giám sát ổn định của hệ thống, còn bộ điều khiển mờ ở mạch vòng trong sẽ đảm bảo chất lượng điều chỉnh cho hệ thống. Chức năng giám sát của bộ điều khiển PID ở mạch vòng ngoài được lý giải như sau: nếu bộ điều khiển mờ ở mạch vòng trong hoạt động tốt tức là đảm bảo chất lượng điều chỉnh cho hệ thống thì bộ điều khiển PID ở mạch vòng ngoài được "nghỉ ngơi", không tham gia vào công việc điều chỉnh. Khi bộ điều khiển mờ ở mạch vòng trong hoạt động không tốt, có khuynh hướng gây mất ổn định cho hệ thống thì bộ điều khiển PID ở mạch vòng ngoài sẽ can thiệp nhằm đưa hệ thống về trạng thái ổn định.
Do cấu trúc đơn giản và bền vững nên các bộ điều khiển PID được dùng phổ biến trong công nghiệp. Chất lượng của hệ thống phụ thuộc vào các tham số Kp, TI, TD của bộ điều khiển PID. Nhưng vì các hệ số của bộ điều khiển PID chỉ được tính toán cho một chế độ làm việc cụ thể của hệ thống, do vậy trong quá trình vận hành luôn phải chỉnh định các hệ số này cho phù hợp với thực tế để phát huy tốt hiệu quả của bộ điều khiển. Dựa theo nguyên lý chỉnh định đó, ta thiết kế bộ điều khiển mờ ở vòng ngoài để chỉnh định tham số bộ PID ở vòng trong.
3.4.2. Bộ điều khiển mờ lai chỉnh định mờ tham số bộ điều khiển PID.
Do cấu trúc đơn giản và bền vững nên các bộ điều khiển PID (tỷ lệ, tích phân, vi phân) đã và được dùng phổ biến trong các hệ thống điều khiển công nghiệp. Nếu viết theo hàm thời gian thì tín hiệu ra của bộ điều khiển PID là:
e τdτ T dedtt T 1 t e k t u t D 0 I P (3-7)
Hàm truyền đạt của bộ điều khiển PID có dạng:
k p p k k s T s T 1 1 k s R I D P D I P (3-8)
49
Trong đó e(t) là tín hiệu đầu vào, u(t) là tín hiệu đầu ra, kP được gọi là hệ số khuếch đại, TI là hằng số tích phân, TD là hằng số vi phân.
Hình 3. 11. Mô hình bộ điều khiển mờ lai chỉnh định mờ tham số bộ điều khiển PID
Chất lượng của hệ thống phụ thuộc vào các tham số kP, TI, TD của bộ điều khiển PID. Nhưng vì các hệ số này chỉ được tính toán cho một chế độ làm việc cụ thể của hệ thống, do đó khi hệ thống điều khiển có sự thay đổi ta cần phải chỉnh định lại các hệ số này nhằm đảm bảo chất lượng điều chỉnh như mong muốn. Thông thường việc chỉnh định các tham số này được tiến hành theo phương pháp "thăm dò" nên không hiệu quả. Chính vì vậy, phương án thiết kế bộ điều khiển mờ có khả năng tự động chỉnh định các tham số kP, TI, TD của bộ điều khiển PID là một công việc có ý nghĩa. Cơ sở của phương pháp này là dựa vào việc phân tích sai lệch e(t) và đạo hàm của sai lệch, các tham số kP, TI, TD sẽ được tự động chỉnh định theo phương pháp chỉnh định mờ của Zhao, Tomizuka và Isaka (Hình 3.12).
50 max P min P P k ,k k và max D min D D k ,k k (3-9)
Để có 0 kP, kD 1 thì Zhao, Tomizuka và Isaka đã chuẩn hoá các tham số đó như sau: m in P m ax P m in P P P k k k k k m in D m ax D m in D D D k k k k k D I T T α (3-10)
Hình 3. 12.Cấu trúc bên trong bộ chỉnh định mờ
Như vậy bộ chỉnh định mờ sẽ có hai đầu vào là e(t), đạo hàm của e(t) và ba đầu ra là kP, kD và , do đó có thể xem như nó gồm ba bộ chỉnh định mờ, mỗi bộ gồm có hai đầu vào và một đầu ra.
Trong nội dung của luận văn này, tác giả chọn phương án thiết kế bộ điều khiển mờ lai. Phương án thiết kế bộ điều khiển mờ lai chỉnh định mờ tham số bộ điều khiển PID có mức độ phức tạp cao hơn những cũng hứa hẹn nhiều kết quả bất ngờ nên sẽ là hướng nghiên cứu tiếp theo của luận văn.
3.5. Tổng hợp hệ thống với bộ điều khiển PID kết hợp bộ điều khiển mờ cho điều khiển chuyển động ổn định tần số máy phát Diezen. khiển chuyển động ổn định tần số máy phát Diezen.
Do quan hệ ω = f(Δφ) là phi tuyến và để thực hiện bộ điều khiển phi tuyến, trong luận văn này tôi đề xuất phương pháp dùng bộ điều khiển PID kết hợp với bộ điều khiển mờ.
Bộ điều khiển ở vòng trong cho mạch vòng điều chỉnh vị trí cho hệ hệ thống điều khiển vector biến tần - động cơ 3 không đồng bộ dùng khâu điều chỉnh PD kinh
51
điển, bộ điều chỉnh mờ vòng ngoài có nhiệm vụ là phải tự động điều chỉnh được hai tham số Kp, KD của bộ PD.
Lý do chỉ sử dụng bộ điều khiển mờ lai PD mà không sử dụng bộ điều khiển mờ lai PID là vì:
- Khi sử dụng bộ điều khiển mờ lai, bộ điều khiển mờ đóng vai trò quyết định chất lượng điều chỉnh của hệ thống. Bộ điều khiển kinh điển PD hay PID đóng vai trò là xử lý với chức năng giám sát tính ổn định của hệ thống. Vì vậy, việc sử dụng bộ điều khiển PD hay PID trong bộ điều khiển mờ lai không ảnh hưởng nhiều đến chất lượng của hệ thống điều chỉnh vị trí.
- Nếu sử dụng bộ điều khiển mờ lai PID, nhiệm vụ thiết kế sẽ phức tạp hơn so với việc thiết kế bộ điều khiển mờ lai PD.
Bộ điều khiển mờ lai PD được thiết kế theo mô hình mờ Sugeno bậc "0", có nghĩa là các hàm liên thuộc đầu ra có dạng hằng số. Các bước tiến hành tổng hợp bộ điều chỉnh vị trí dùng bộ điều khiển mờ lai PD như sau:
1. Định nghĩa các biến vào ra: Bộ điều khiển mờ lai PD gồm có hai đầu vào và một đầu ra.
- Đầu vào thứ 1 là sai lệch giữa vị trí đặt và vị trí thực của hệ thống, đại lượng này được ký hiệu là ET.
- Đầu vào thứ 2 là tốc độ biến thiên theo thời gian của sai lệch giữa vị trí đặt và vị trí thực của hệ thống, đại lượng này được ký hiệu là DET.
- Đầu ra của bộ điều khiển mờ lai là giá trị điện áp một chiều, đại lượng này được ký hiệu là U.
2. Định nghĩa tập mờ (giá trị ngôn ngữ) cho các biến vào ra.
- Xác định miền giá trị vật lý cho các biến vào ra: Sai lệch ET được chọn trong miền giá trị [-10,+10] rad; tốc độ biến đổi DET của sai lệch cũng có miền giá trị nằm trong khoảng [-10,+10] rad và điện áp một chiều U nằm trong khoảng [-10,+10]V.
- Xác định số lượng tập mờ cần thiết: về nguyên tắc, số lượng tập mờ cho mỗi biến ngôn ngữ nên nằm trong khoảng từ 3 đến 10. Nếu số lượng ít hơn 3 thì ít có ý nghĩa vì không thực hiện được việc lấy vi phân; Nếu lớn hơn 10 thì con người khó có khả
52
năng bao quát hết các trường hợp xảy ra. Vì vậy, chọn số lượng tập mờ cho mỗi biến ngôn ngữ là 5. Ta ký hiệu 5 biến ngôn ngữ như sau:
Âm nhiều - S2 Âm ít - S1 Không - Z0 Dương ít - B1 Dương nhiều - B2
Với những ký hiệu như trên thì miền xác định ngôn ngữ của các biến vào là: ET {S2, S1, Z0, B1, B2}
DET {S2, S1, Z0, B1, B2}
Vì bộ điều khiển mờ lai được thiết kế theo mô hình mờ của Sugeno bậc "0" nên biến ra của nó có dạng các hằng số như sau:
U{-10,-7.5,-5,-2.5, 0, 2.5, 5, 7.5, 10}
- Xác định kiểu hàm liên thuộc: Tất cả các hàm liên thuộc của hai biến vào có dạng hình tam giác.
- Rời rạc hoá tập mờ.
3. Xây dựng các luật điều khiển
Theo kinh nghiệm thiết kế, các luật điều khiển được xây dựng theo bảng sau, tổng cộng có 25 luật điều khiển:
Uđk DET S2 S1 Z0 B1 B2 ET S2 -10 -7.5 -5 -2.5 0 S1 -7.5 -5 -2.5 0 2.5 Z0 -5 -2.5 0 2.5 5 B1 -2.5 0 2.5 5 7.5 B2 0 2.5 5 7.5 10
Sử dụng công cụ Toolbox Fuzzy Logic và Simulink của phần mềm Matlab để xây dựng bộ điều khiển mờ lai theo những thiết kế trên. Công cụ Toolbox Fuzzy
53
Logic cho phép người sử dụng thiết kế bộ điều khiển mờ nhanh chóng, chính xác và cho phép kết xuất kết quả ra vùng Workspace để tiến hành mô phỏng bằng công cụ Simulink của Matlab.
Hình 3. 13. Định nghĩa các biến vào ra của bộ điều khiển mờ lai PD
Hình 3. 14 .Định nghĩa các tập mờ cho biến ET của bộ điều khiển mờ lai PD
.
54
Hình 3. 16 . Định nghĩa các tập mờ cho biến U của bộ điều khiển mờ lai PD
Hình 3. 17. Xây dựng các luật điều khiển cho bộ điều khiển mờ lai PD
55
Hình 3. 19. Quan sát tín hiệu vào ra của bộ mờ lai PD.
3.6. Mô phỏng hệ điều chỉnh vị trí sử dụng bộ điều khiển mờ lai PD. 3.6.1. Bộ điều khiển mờ lai PD nối song song. 3.6.1. Bộ điều khiển mờ lai PD nối song song.
56
Hình 3. 21. Đáp ứng vị trí bộ điều chỉnh mờ lai PD nối song song.
Hình 3. 22. Đáp ứng tốc độ bộ điều chỉnh mờ lai PD nối song song.
57
3.6.2. Bộ điều khiển mờ lai PD nối nối tiếp.
Hình 3. 24 . Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển mờ lai PD nối nối tiếp.
Hình 3. 25. Đáp ứng vị trí bộ điều chỉnh mờ lai PD nối nối tiếp.
Hình 3. 26. Đáp ứng tốc độ bộ điều chỉnh mờ lai PD nối nối tiếp.
58
3.7. So sánh chất lượng bộ điều khiển PID và bộ điều khiển mờ lai PD.
Hình 3. 28. Sơ đồ mô phỏng so sánh chất lượng bộ điều khiển PID và bộ điều khiển mờ lai PD.
a.Kết quả mô phỏng với khoảng dịch chuyển 0.01rad
59
Hình 3. 30. Đáp ứng tốc độ với khoảng dich chuyển 0.01 rad
Hình 3. 31 Đáp ứng mô men với khoảng dich chuyển 0.01 rad