* Sơ đồ mụ phỏng của bộ điều khiển mờ động
Hỡnh 4.6:Sơ đồ cấu trỳc của bộ điều khiển mờ động * Định nghĩa cỏc biến vào ra:
Bộ điều khiển mờ gồm cú hai đầu vào và một đầu ra.
- Đầu vào thứ 1 là điện ỏp đặt vào bộ điều khiển, đại lượng này được ký hiệu là UH.
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 84 Chuyờn ngành tự động húa
- Đầu vào thứ 2 là đạo hàm của đầu vào thứ nhất, đại lượng này được ký hiệu là dUH.
- Đầu ra của bộ điều khiển mờ là giỏ trị điện ỏp một chiều, đại lượng này được ký hiệu là U.
Hỡnh 4.7: Định nghĩa cỏc biến vào ra của bộ điều khiển mờ * Định nghĩa tập mờ (giỏ trị ngụn ngữ) cho cỏc biến vào ra:
- Xỏc định miền giỏ trị vật lý cho cỏc biến vào ra:
Điện ỏp vào UH được chọn trong miền giỏ trị [-1,+1] volt; Đạo hàm dUH cú miền giỏ trị nằm trong khoảng [-1,+1] volt; Điện ỏp một chiều U nằm trong khoảng [-1,+1]volt.
- Xỏc định số lượng tập mờ cần thiết: về nguyờn tắc, số lượng tập mờ cho mỗi biến ngụn ngữ nờn nằm trong khoảng từ 3 đến 10. Nếu số lượng ớt hơn 3 thỡ ớt cú ý nghĩa vỡ khụng thực hiện được việc lấy vi phõn; Nếu lớn hơn 10 thỡ con người khú cú khả năng bao quỏt hết cỏc trường hợp xảy ra.
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 85 Chuyờn ngành tự động húa
Vỡ vậy, chọn số lượng tập mờ cho mỗi biến ngụn ngữ là 7. Ta ký hiệu 7 biến ngụn ngữ như sau:
Âm nhiều NB Âm vừa NM Âm ớt NS Khụng ZE Dương ớt PS Dương vừa PM Dương nhiều PB
Với những ký hiệu như trờn thỡ miền xỏc định ngụn ngữ của cỏc biến vào là:
UH {NB, NM, NS, ZE, PS, PM, PB}
dUH {NB, NM, NS, ZE, PS, PM, PB}
Vỡ bộ điều khiển mờ được thiết kế theo mụ hỡnh mờ của Sugeno bậc "0" nờn biến ra của nú cú dạng cỏc hằng số như sau:
U{-0.8572, -0.5715, -0.2858, 0, 0.2858, 0.5715, 0.8572}
Tương ứng là: U {NB, NM, NS, ZE, PS, PM, PB}
- Xỏc định kiểu hàm liờn thuộc: tất cả cỏc hàm liờn thuộc của hai biến vào cú dạng gaussmf.
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 86 Chuyờn ngành tự động húa
Hỡnh 4.8: Định nghĩa cỏc tập mờ cho biến UH của bộ điều khiển mờ
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 87 Chuyờn ngành tự động húa
Hỡnh 4.10: Định nghĩa cỏc tập mờ cho biến U của bộ điều khiển mờ
- Rời rạc hoỏ tập mờ.
Độ phõn giải của cỏc dải trị phụ thuộc được chọn trước hoặc là cho cỏc nhúm điều khiển mờ loại dấu phẩy động (cỏc số dj biểu diễn dưới dạng dấu phẩy động cú độ chớnh xỏc đơn) hoặc nguyờn ngắn (giỏ trị phụ thuộc là cỏc số nguyờn cú độ phụ thuộc là cỏc số cú độ dài 2 byte hoặc theo byte). Phương phỏp rời rạc húa sẽ là yếu tố quyết định độ chớnh xỏc và tốc độ bộ điều khiển.
* Xõy dựng cỏc luật điều khiển:
Theo kinh nghiệm thiết kế, cỏc luật điều khiển được xõy dựng theo bảng sau, tổng cộng cú 49 luật điều khiển:
Uđk UH NB NM NS ZE PS PM PB d UH NB NB NB NB NB NS PS PB NM NB NB NM NM ZE PS PB NS NB NB NS NS ZE PM PB ZE NB NB NS ZE PS PB PB PS NB NM ZE PS PS PB PB PM NB NS ZE PM PM PB PB PB NB NS PS PB PB PB PB
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 88 Chuyờn ngành tự động húa
Hỡnh 4.11: Xõy dựng cỏc luật điều khiển cho bộ điều khiển mờ * Chọn thiết bị hợp thành và nguyờn lý giải mờ
Triển khai luật hợp thành và tổng hợp cỏc giỏ trị mờ. Thiết bị hợp thành ta chọn theo nguyờn tắc Prod – Probor.
Cỏc tập mờ sau khi triển khai qua nhiều thiết bị hợp thành sẽ đưa về cỏc giỏ trị thực theo cỏch thức giải mờ, cỏch thức này cú ảnh hưởng khụng nhỏ đến trạng thỏi làm việc cũng như độ phức tạp của hệ thống. Chọn giải mờ theo phương phỏp Wtaver.
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 89 Chuyờn ngành tự động húa
Hỡnh 4.12: Quan sỏt tớn hiệu vào ra của bộ mờ
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 90 Chuyờn ngành tự động húa
Sử dụng cụng cụ Toolbox Fuzzy Logic và Simulink của phần mềm Matlab để xõy dựng bộ điều khiển mờ theo những thiết kế trờn. Cụng cụ Toolbox Fuzzy Logic cho phộp người sử dụng thiết kế bộ điều khiển mờ nhanh chúng, chớnh xỏc và cho phộp kết xuất kết quả ra vựng Workspace để tiến hành mụ phỏng bằng cụng cụ Simulink của Matlab.
Kết quả mụ phỏng
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 91 Chuyờn ngành tự động húa
4.3. So sỏnh chất lƣợng khi dựng bộ điều khiển PID và Mờ
4.3.1. Kết quả mụ phỏng của bộ điều khiển Mờ và PID sau khi thiết kế
* Sơ đồ mụ phỏng của bộ điều khiển PID và Mờ
Hỡnh 4.15: Sơ đồ mụ phỏng bộ điều khiển mờ và PID thiết kế
* Kết quả mụ phỏng
Hỡnh 4.16:Kết quả mụ phỏng của bộ điều khiển Mờ và PID khi tớn hiệu vào là hàm 1(t)
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 92 Chuyờn ngành tự động húa
Nhận xột:
- Ta thấy cả hai bộ điều khiển đều cú ưu điểm là triệt tiờu được sai lệch tĩnh - Đặc tớnh quỏ độ của hệ thống của bộ điều khiển PID tốt hơn bộ điều khiển mờ động. Ở trạng thỏi xỏc lập khụng cú sai lệch tĩnh, khụng cú độ quỏ điều chỉnh, thời gian hệ khắc phục được phụ tải là tm =7s.
4.3.2. So sỏnh chất lƣợng cỏc bộ điều khiển mờ với cỏc dạng hàm liờn thuộc khỏc nhau
4.3.2.1. Hàm liờn thuộc đầu vào và đầu ra dạng tam giỏc
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 93 Chuyờn ngành tự động húa
Hỡnh 4.18.Định nghĩa cỏc tập mờ cho biến dUH của bộ điều khiển mờ
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 94 Chuyờn ngành tự động húa
4.3.2.2. Hàm liờn thuộc đầu vào và đầu ra dạng hỡnh thang
Hỡnh 4.20. Định nghĩa cỏc tập mờ cho biến UH của bộ điều khiển mờ
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 95 Chuyờn ngành tự động húa
Hỡnh 4.22. Bề mặt đặc trưng cho quan hệ vào ra của bộ điều khiển mờ
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 96 Chuyờn ngành tự động húa
Hỡnh 4.24.Hàm đỏp ứng đầu ra với cỏc bộ điều khiển mờ tương ứng với cỏc dạng hàm liờn thuộc khỏc nhau
Nhận xột:
- Ta thấy cả hai bộ điều khiển đều cú ưu điểm là triệt tiờu được sai lệch tĩnh - Đặc tớnh quỏ độ của bộ điều khiển mờ Fuzzy – gaussmf so với bộ điều khiển mờ Fuzzy – trimf cú chất lượng gần như nhau. Do vậy ta thấy hàm liờn thuộc dạng tam giỏc và hàm liờn thuộc dạng gauss với cựng luật điều khiển cú đỏp ứng đầu ra gần giống nhau.
- Đặc tớnh quỏ độ của bộ điều khiển mờ Fuzzy – trapmf (dạng hỡnh thang) tốt hơn so với bộ điều khiển mờ Fuzzy – gaussmf (dạng Gauss), thời gian xỏc lập của Fuzzy – trapmf là tm = 5s, và thời gian xỏc lập Fuzzy – gaussmf là tm = 12s. Tuy nhiờn, hỡnh dỏng của cỏc tập mờ dạng trapmf khụng đồng đều nhau, phải chỉnh định rất nhiều, do võy, trong trường hợp khụng yờu cầu về thời gian đỏp ứng thỡ ta vẫn cú thể dựng bộ điều khiển Fuzzy – gaussmfs.
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 97 Chuyờn ngành tự động húa
- Thời gian xỏc lập của bộ điều khiển mờ Fuzzy – trapmf là tm = 5s tốt hơn so với bộ điều khiển PID cú thời gian xỏc lập là tm=7s.
4.3.3. Kết luận chƣơng 4
Bộ điều khiển PID, trong luận văn chỳng tụi thiết kế theo tiờu chuẩn tối ưu đối xứng vỡ đối tượng cú hành vi tớch phõn, qua mụ phỏng kiểm chứng với tỏc động đầu vào là hàm đơn vị đó cho kết quả khỏ tốt cụ thể là sai lệch tĩnh bằng khụng và thời gian quỏ độ khoảng 7s .
Bộ điều khiển Fuzzy: thụng số của đối tượng cho như trờn, và hàm truyền tương ứng, chỳng tụi đó thiết kế bộ điều khiển mờ động PD theo mụ hỡnh Sugeno bậc khụng với hai đầu vào (đầu vào thứ hai là đạo hàm của đầu vào thứ nhất), và một đầu ra. Kết mụ phỏng với đỏp ứng step khỏ tốt, cụ thể sai lệch tĩnh bằng khụng, thời gian quỏ độ bằng khoảng 12 (s).
Trong luận văn này, chỳng tụi đó khảo sỏt đỏp ứng đầu ra của hệ thống với cỏc bộ điều khiển mờ với nhiều dạng hàm liờn thuộc khỏc nhau, cụ thể là ba dạng: dạng trimf, dạng trapmf và dạng gaussmf, mỗi dạng cho cỏc đỏp ứng đầu ra là khỏc nhau:
- Dạng trimf ( hỡnh tam giỏc) và dạng gaussmf ( dạng hàm phõn bố
gauss) cho kết quả đỏp ứng đầu ra là như nhau cụ thể là khụng cú sai lệch tĩnh là thời gian quỏ độ là 12s. Tuy nhiờn, ưu điểm là dạng hàm trimf và gaussmf cú dạng đối xứng nờn dễ dàng thiết kế và thuận lợi cho việc rời rạc húa khi đưa vào vi xử lý để thực hiện bộ điều khiển mờ.
- Dạng trapmf (hỡnh thang) cho đỏp ứng tốt hơn cả so với hai dạng
hàm trimf và gaussmf cụ thể là thời gian đỏp ứng quỏ độ khoảng 4s. Tuy nhiờn, như trong luận văn chỳng tụi thực hiện hàm trapmf dạng khụng đối xứng, cỏc hàm liờn thuộc khụng cú cựng dạng với nhau do vậy sẽ khụng thuận lợi cho việc thiết kế. Để cú được đỏp ứng
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 98 Chuyờn ngành tự động húa
như trờn (thời gian quỏ độ) thỡ người thiết kế phải cú đầy đủ hiểu biết về đặc tớnh của đối tượng và hiểu biết đầy đủ về cơ chế làm việc của bộ điều khiển mờ, đặc biệt là bộ điều khiển mờ động.
Trờn thực tế điều khiển mờ vẫn chưa được ứng dụng rộng rói, cũn rất nhiều vấn đề về điều khiển mờ cần được nghiờn cứu kỹ hơn, như tớnh ổn định, tớnh phi tuyến …của hệ mờ trước khi đưa vào ứng dụng rộng rói trong cụng nghiệp.
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 99 Chuyờn ngành tự động húa
KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ VÀ HƢƠNG NGHIấN CỨU TIẾP THEO 1. Kết luận
Luận văn này đó giải quyết được một số nội dung sau:
1. Đó thiết kế bộ điều khiển pin mặt trời trờn cơ sở lý thuyết mờ và PID kinh điển.
2. Đó khảo sỏt chất lượng của cỏc bộ điều khiển mờ khi thay đổi dạng
hàm liờn thuộc của cỏc đầu vào và cỏc đầu ra của đối tượng.
3. Cỏc phương phỏp thiết kế đều được kiểm chứng bằng mụ phỏng và
mở ra khả năng ứng dụng một lý thuyết mới trong việc thiết kế cỏc hệ thống tự động trong cụng nghiệp.
2. Kiến nghị và hƣớng nghiờn cứu tiếp theo
1. Tiến hành thớ nghiệm thực để kiểm tra chất lượng của bộ điều khiển. 2. Thiết kế giao diện của bộ điều khiển.
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 100 Chuyờn ngành tự động húa
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. J.Rizk, and Y.Chaiko, Solarb Tracking System: More Efficient Use of Solar Panels, World Academy of Science, Engineering and Technology 41 2008
2. Bựi Cụng Cường & Nguyễn Doón Phước, Hệ mờ, mạng nơron & ứng dụng, NXB KH & KT 2001.
3. Nguyễn Hoàng Cương, Bựi Cụng Cường, Nguyễn Doón Phước, Phan Xuõn Minh & Chu Văn Hỷ, Hệ mờ và ứng dụng, NXB KH & KT 1998. 4. Phan Xuõn Minh & Nguyễn Doón Phước: Lý thuyết điều khiển mờ, NXB
KH & KT 2004.
5. Phạm Cụng Ngụ, Lý thuyết điều khiển tự động, NXB Khoa học kỹ thuật,
1998.
6. Đặng Đỡnh Thụng, Năng lượng mặt trời và ứng dụng, NXB Khoa học kỹ
thuật, 2005.
7. Nguyễn Xuõn Quỏnh, Lý thuyết mạch logic và kỹ thuật số, NXB Đại học và giỏo dục chuyờn nghiệp, 1991