Vì tớn hiệu điều khiển đối tợng là cỏc tớn hiệu rõ”, nên tín hiƯu ra của bộ điều khiển mờ trớc khi đa vào điều khiển đối tợng phải qua khõu giải mờ nằm trong bộ giao diện đầu r
Khõu giải mờ đợc lựa chọn làm việc theo phơng phỏp điểm trọng tâm.
Thiết bị hợp thành mà bản chất của nú là sự triển khai luật hợp thành R đợc xõy dựng trờn cơ sở luật điều khiển (hay cũn gọi là luật quyết định). Giao diện đầu ra (khõu chấp hành) gồm khõu giải mờ và cỏc khõu giao diện trực tiếp với đối tợng. Do cỏc bộ điều khiển mờ cú khả năng xử lý cỏc giỏ trị vào/ra biểu diễn dới dạng dấu phẩy động với độ chớnh xỏc cao nên chúng
hoàn toàn đỏp ứng đợc cỏc yờu cầu của bài toỏn điều khiển, rừ ràng và chớnh xỏc.
Các tớn hiệu đầu ra y của đối tợng đợc đo bằng cỏc bộ cảm biến và đợc xử lý sơ bộ trớc khi đa vào bộ điều khiển. Cỏc tớn hiệu này cũng là các “tín hiƯu rõ”, do vậy đĨ bộ điỊu khiĨn mờ hiĨu chúng, tín hiƯu y và ngay cả tớn hiệu chủ đạo x phải đợc mờ hoỏ.
Cần chọn cỏc hàm thuộc cú phần chồng lờn nhau và phủ kớn miền giỏ trị vật lý để trong quỏ trỡnh điều khiển khụng xuất hiện lỗ hổng.
Cịng nh− vậy đối với biến ra, cỏc hàm thuộc dạng hỡnh thang với độ xếp chồng lên nhau rất nhỏ, nhỡn chung khụng phụ thuộc với bộ điều khiển mờ vỡ những lý do đ trỡnh bày trờn. Nú tạo ra một vùng “chết” (dead ...) trong trạng thỏi làm việc của bộ điỊu khiĨn.
(Trong một vài trờng hợp đặc biệt, chọn hàm thuộc dạng hỡnh thang hoàn toàn hợp lý, đú là trờng hợp mà sự thay đổi cỏc miền giỏ trị của tớn hiệu vào khụng kộo theo sự thay đổi bắt buộc tơng ứng cho miền giỏ trị của tớn hiệu ra).
Núi chung hàm thuộc đợc chọn sao cho miỊn tin cậy cđa nó chỉ có một phần tử, hay núi cỏch khỏc chỉ tồn tại một điểm vật lý cú độ phơ thc bằng độ cao của tập mờ.
Tối −u
Sau khi bộ điều khiển mờ đ đợc tổng hợp, cú thể ghép nối nó với đối tợng điều khiển thực hoặc với một đối tợng mụ phỏng đĨ thư nghiƯm.
Trong quỏ trỡnh thử nghiệm cần đặc biệt kiểm tra xem cú lỗ hổng nào trong quỏ trỡnh làm việc hay khụng, tức là phải xỏc định xem tập cỏc luật điều khiển đợc xõy dựng cú đầy đủ hay khụng để khắc phục.
Nguyên nhõn của hiện tợng lỗ hỉng” có thĨ do viƯc thiết lập các nguyờn tắc điều khiển chung quanh điểm làm việc khụng phủ lờn nhau hoàn toàn, hoặc là cú một số kết quả sai trong cỏc nguyờn tắc điều khiển đợc thiết lập.
Một nguyờn nhõn nữa cú thể xảy ra là cỏc bộ điỊu khiĨn làm viƯc khụng ổn định.
Trong mọi tr−ờng hỵp trớc hết nờn xem xột lại cỏc luật điều khiển cơ sở. Sau khi đ đảm bảo đợc bộ điều khiển làm việc ổn định và khụng cú cỏc lỗ hổng, bớc tiếp theo là tối u trạng thỏi làm viƯc cđa nó theo các chỉ tiờu khỏc nha Chỉnh định bộ điều khiển theo cỏc chỉ tiờu trờn này chủ yếu đợc thực hiện thụng qua viƯc hiƯu chỉnh hàm thc và thiết lập thờm cỏc nguyờn tắc điều khiển bổ sung hoặc sửa đổi lại cỏc nguyờn tắc đ cú.
3.6 Mụ phỏng bộ điều khiĨn mờ trên MATLAB 3.6.1 Giới thiƯu MATLAB - SIMULINK
MATLAB (Matrix Laboratory) là một là một bộ chơng trỡnh phần mỊm lớn vỊ lĩnh vực toán số, một cụng cụ phần mềm của Math Work C
Phần chớnh của chơng trỡnh là cỏc hàm toỏn học, cỏc chức năng xuất nhập dữ liệu và khả năng điều khiển chu trỡnh, một số hộp cụng cụ liờn quan đến điỊu khiĨn hƯ thống, xư lý tín hiƯu, tối u hoỏ. MATLAB cú nhiều hàm toỏn; cú một số lệnh đặc biệt để khai bỏo hoặc xử lý vector và ma trận; cỏc phộp so sỏnh và phộp tớnh logic và (AND), hoặc (OR), phủ định (NOT) và hoặc loại trừ (XOR). Bờn cạnh khả năng nhập lệnh trực tiếp, MATLAB cũn cho phép viết và cất nhiều chuỗi lệnh trong cỏc scripts dới dạng file với ký tự ASCII (m-file).
MATLAB cú cỏc lệnh cú tỏc dụng điều khiển màn hỡnh, phục vụ xuất và nhập dữ liệu theo phơng thức đối thoại với ngời sư dơng; nhập và xt dữ liệu; biểu diễn bằng đồ hoạ hai chiều, ba chiềụ
Hộp cụng cụ hệ thống điều khiển cung cấp cộng cụ để khảo sỏt, thiết kế hƯ thống điỊu khiĨn nh−:
- Mô tả cỏc hệ tuyến tớnh dừng dới dạng liờn tục hay giỏn đoạn (hàm truyền đạt, sơ đồ phõn bố điểm khụng - điểm cực, mụ hỡnh trạng thỏi, mụ hỡnh đặc tớnh tần số).
- Chuyển đổi hoặc xử lý hệ, phõn tớch đỈc tính hƯ thống. - Thiết kế và tối u cỏc khõu điều chỉnh.
Hộp công cơ xư lý tín hiƯu cđa MATLAB cho phép chế biến, lọc và phõn tớch cỏc số liệu thu thập đợc; phân tích tín hiƯu bằng phép biến đổi Fourier rời rạc; thiết kế các bộ lọc số.
Công cơ SIMULINK
SIMULINK là phần chơng trỡnh mở rộng của MATLAB để mụ hỡnh hoỏ, mụ phỏng và khảo sỏt hệ thống động học. Giao diện đồ hoạ trờn màn hình cđa SIMULINK cho phộp thể hiện hệ thống dới dạng sơ đồ tớn hiƯu với các khối chức năng. SIMULINK cú th viện phong phỳ, cú sẵn số lợng lớn cỏc khối chức năng cho cỏc hệ tuyến tính, phi tuyến và rời rạc. SIMULINK là một cụng cụ mạnh để mụ hỡnh hoỏ và mụ phỏng cỏc hệ thống kỹ thuật vật lý trờn cơ sở sơ đồ khố SIMULINK cho phộp mụ tả hệ thống tuyến tính, hệ phi tuyến, cỏc mụ hỡnh trong thời gian liờn tục, giỏn đoạn hay một hƯ kết hỵp cả liờn tục và giỏn đoạn.
Để mụ hỡnh hoỏ SIMULINK cung cấp một giao diện đồ hoạ để xõy dựng mụ hỡnh nh là một sơ đồ khố
Th− viƯn cđa SIMULINK bao gồm các khối nh− khối nhận tín hiƯu, cỏc nguồn tớn hiệu, cỏc phần tử tuyến tớnh, cỏc phần tử phi tuyến, cỏc đầu nối chuẩn trong đó có hộp cơng cơ logic mờ (Fuzzy Logic Toolbox).
Hộp cơng cơ hộp cơng cơ logic mờ có thĨ:
- Cung cấp cụng cụ để tạo lập cỏc hệ thống suy diễn mờ (FIS: Fuzzy Inference Systems).
- Cho phộp tớch hợp hệ thống mờ để mụ phỏng với SIMULINK.
Hộp này có ba loại cụng cụ là: cỏc hàm lệnh, cụng cụ đồ hoạ hoặc tơng tỏc, cỏc khối SIMULINK.
Cỏc hàm hệ thống suy diễn mờ amf: Thờm hàm thuộc vào FIS. arules: Thờm luật vào FIS. ađvar: Thêm biến vào FIS. defuzz: Hàm thuộc giải mờ.
evalfis: Thực hiƯn tính tốn suy diƠn mờ. evalmf: Xác định hàm thuộc generic.
gensurf: Tạo mặt điều khiển của FIS đầu r getfis: Tạo tính chất hƯ thống mờ.
mf2mf: Chun giao tham số giữa cỏc hàm. mfstrch: TriĨn khai hàm thc.
newfis: Tạo FIS mớị
plotfis: Hiển thị đồ thị FIS vào rạ
plotmf: Hiển thị tất cả hàm thuộc cho một biến. readfis: Tải FIS từ đĩ
rmmf: Xoỏ hàm thuộc từ FIS. rmvar: Xoá biến từ FIS.
setfis: Xác lập tính chất cho hƯ mờ. showsfis: Hiển thị FIS khảo sỏt. showrule: Hiển thị cỏc luật. writefis: Lu FIS vào đĩ
Cỏc cụng cụ giao diện đồ hoạ cđa ng−ời sư dơng fuzzy: Biên tập FIS cơ bản.
mfedit: Biờn tập hàm thuộc.
ruleview: Xem các luật và đồ thị suy diễn mờ. surfview: Xem mỈt điỊu khiĨn đầu rạ
Các khối cđa SIMULINK Khối điỊu khiĨn logic mờ
Cỏc hàm thuộc
Hộp cơng cơ gồm có kiĨu hàm thuộc, xõy dựng từ một số hàm cơ bản: cỏc hàm tuyến tớnh (hỡnh tam giac, hỡnh thang), hàm phõn bố Gauss (đờng cong Gauss và hỡnh chuụng), đờng cong sigmoid và cỏc đờng cong Z, S, …
Sau khi đ xõy dựng mụ hỡnh của hệ thống cần nghiờn cứu, bằng cách ghép nối các khối cần thiết thành sơ đồ cấu trỳc của hệ, ngời sư dơng có thĨ khởi động quỏ trỡnh mụ phỏng. Trong qỳa trỡnh mụ phỏng ta có thể trích tín hiệu tại vị trớ bất kỳ của sơ đồ cấu trỳc và hiển thị đặc tớnh của tớn hiệu đú lờn màn hỡnh.
Khi FLC đ đợc tạo lập, cú thể ghi nú vào đĩa (ở dạng tệp *fis) nh là dạng văn bản m ASCII để cú thể biờn tập, thay đổ FLC cũng cú thể ghi l−u vào khụng gian làm việc của MATLAB nh− là biến ma trận (ma trận FIS).
3.6.2 Sơ đồ cấu trỳc bộ điều khiển mờ
Mặt điều khiển
Trớc khi bớc vào xõy dựng s đồ cấu trỳc bộ điỊu khiĨn mờ, ta quan sỏt mặt điều khiển thu đợc sau khi xõy dựng cỏc hàm thuộc của cỏc tập mờ vào r Mặt điều khiển thể hiện trờn khụng gian sự kết hợp của cỏc tập mờ vào để tạo tập mờ r Quan sỏt mặt điều khiển ta cú thể thấy đợc hành vi của hệ thống điỊu khiĨn.
Trong điỊu khiĨn mờ, khụng cú mụ hỡnh toỏn học của đối tợng nh−ng khi mô phỏng ta phải nối bộ điều khiển mờ với đối tợng. Cụ thể là ở đõy ỏp dụng giả thiết van tiết lu cú đặc tớnh nhiệt tuyến tớnh, mụ hỡnh tuyến tớnh bậc nhất và lũ ung cú mụ hỡnh tuyến tính bậc nhất, thời gian trƠ là 5 s.
Đặc tớnh nhiệt của van tiết l−u
Giả thiết đặc tớnh nhiệt của van là tuyến tớnh nh ở bảng 3.4 . Bảng 3. 4. Đặc tớnh nhiệt của van tiết l−u
Độ mở van NhiƯt độ (° C) 0 0 10 130 20 260 30 390 40 520 50 670 60 830 70 960 Hỡnh 3.5 Mặt điều khiển
80 1090
90 1210
100 1300
Bộ điỊu khiĨn mờ PD
Sơ đồ của bộ điều khiển mờ PD đợc trỡnh bày ở hỡnh 3.6. Thành phần cđa bộ điỊu khiĨn mờ PD bao gồm sai lệch giữa tớn hiệu chủ đạo và tớn hiệu ra cđa hƯ thống ET và đạo hàm của sai lệch DET. Thành phần vi phân giúp cho hƯ thống phản ứng chớnh xỏc hơn với những biến đổi lớn cđa sai lƯch theo thời gian.
Để đạt đợc mức tớn hiệu đầu ra mong muốn, phải điều chỉnh độ khuếch đại của bộ điều khiển mờ tức là phải thay đổi cỏc tập mờ một cỏch thớch hợp. Việc này đũi hỏi nhiều thời gian. Để đơn giản ta coi bộ điều khiển mờ đ đợc tổng hợp cú hệ số khuếch đại k0 đợc mắc nối tiếp với bộ khuếch đại cú hệ số khuếch đại k. Nh vậy, điều chỉnh giỏ trị của k1 là ta đ thực hiện điều chỉnh độ khuếch đại của bộ điỊu khiĨn mờ.
Cỏch làm này mang lại kết quả rừ rệt là việc xỏc định hệ số khuếch đại k mong muốn rất nhanh và có tính trực quan caọ
Thay đổi giỏ trị tớn hiệu chủ đạo theo cỏc mức yờu cầu 820, 830, ..., 1210 (° C), điều chỉnh gớa trị hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại k1, thu đợc kết quả ở bảng 3.5 và đồ thị một số đỏp ứng trỡnh bày ở cỏc hỡnh 3.7, 3.8, 3.9
Bảng3.5. Bảng giỏ trị hệ số khuếch đại k1 Ngăn NhiƯt độ (° C) K1 Ghi chú M12 830 1,091 Vùng d−ới M13 900 1,192 Vùng d−ới M14 870 1,147 Vùng trên 920 1,217 Vùng d−ới M15 940 1,245 Vùng trên 980 1,301 Vùng d−ới M16 1000 1,328 Vùng trên 1030 1,328 Vùng d−ới M17 1050 1,399 Vùng trên Hỡnh 3.6. Bộ điều khiển mờ PD
1040 1,385 Vùng d−ới M18 1090 1,4593 Vùng trên 1085 1,448 Vùng d−ới M19 1120 1,500 Vùng trên 1115 1,4938 Vùng d−ới M20 1150 1,546 Vùng trên 1140 1,536 Vùng d−ới M21 1170 1,575 Vùng trên 1170 1,575 Vùng d−ới M22 1190 1,608 Vùng trên 1190 1,608 Vùng d−ới M23 1200 1,620 Vùng trên 1200 1,620 Vùng d−ới M24 1205 1,632 Vùng trên 1205 1,632 Vùng d−ới M25 1207 1,632 Vùng trên 1207 1,632 Vùng d−ới M26 1210 1,637 Vùng trên 1210 1,637 Vùng d−ới M27 1170 1,575 Vùng trên 1170 1,575 Vùng d−ới M28 1120 1,500 Vùng trên 1120 1,500 Vùng d−ới
Hình 3.8. Đỏp ứng của hệ thống cú bộ điều khiĨn mờ PD với nhiƯt độ đỈt 1000 ° C
Bộ điỊu khiĨn mờ PI
Bộ điều khiển mờ theo luật PI đợc sử dụng đĨ triƯt tiêu sai lƯch tĩnh của hệ thống. Bộ điều khiển mờ PI đợc tổng hợp trờn cơ sở bộ điều khiển mờ PD, bằng cỏch mắc nối tiếp ở đầu ra bộ điều khiển mờ PD một khõu tớch phõn .Thành phần k2 là khõu khuếch đạ Điều chỉnh giỏ trị hệ số k để đạt đợc tớn hiệu đầu ra mong muốn.
Sơ đồ bộ điều khiển mờ PI đợc trỡnh bày ở hỡnh 3.10.
Thay đổi giỏ trị tớn hiệu chủ đạo theo cỏc mức yờu cầu 820, 830, ..., 1210 (° C), điều chỉnh gớa trị hệ số k của bộ khuếch đại k2, thu đợc kết quả ở bảng 3.6 và đồ thị một số đỏp ứng trỡnh bày ở cỏc hỡnh 3.11, 3.12, 3.13.
Hình 3. 9. Đỏp ứng của hệ thống cú bộ điỊu khiĨn mờ PD với nhiệt độ đặt 1210 ° C
Bảng 3.6. Bảng giỏ trị hệ số khuếch đại k2 Mođun NhiƯt độ (° C) K2 Ghi chú M12 830 1,102 Vùng d−ới M13 900 1,3085 Vùng d−ới M14 870 1,265 Vùng trên 920 1,370 Vùng d−ới M15 940 1,3725 Vùng trên 980 1,435 Vùng d−ới M16 1000 1,462 Vùng trên 1030 1,510 Vùng d−ới M17 1050 1,5423 Vùng trờn Hỡnh 3.10. Bộ điỊu khiĨn mờ PI
1040 1,525 Vùng d−ới M18 1090 1,605 Vùng trên 1085 1,595 Vùng d−ới M19 1120 1,658 Vùng trên 1115 1,647 Vùng d−ới M20 1150 1,700 Vùng trên 1140 1,685 Vùng d−ới M21 1170 1,750 Vùng trên 1170 1,750 Vùng d−ới M22 1190 1,772 Vùng trên 1190 1,772 Vùng d−ới M23 1200 1,785 Vùng trên 1200 1,785 Vùng d−ới M24 1205 1,795 Vùng trên 1205 1,795 Vùng d−ới M25 1207 1,795 Vùng trên 1207 1,795 Vùng d−ới M26 1210 1,802 Vùng trên 1210 1,802 Vùng d−ới M27 1170 1,750 Vùng trên 1170 1,750 Vùng d−ới M28 1120 1,658 Vùng trên 1120 1,658 Vùng d−ới
Hình 3. 13. Đỏp ứng của hệ thống cú bộ điỊu khiĨn mờ PI với nhiệt độ đặt 1210 C
Bộ điỊu khiĨn mờ PD+PI
Để cú đặc tớnh động học và chất lợng điều khiển tốt hơn, bộ điều khiển mờ tổng hợp gồm bộ điều khiển PD và bộ điều khiển mờ PI mắc song song với nhaụ ở đầu ra cú thờm bộ khuếch đại k3.
Thay đổi giỏ trị tớn hiệu chủ đạo theo cỏc mức yờu cầu 820, 830, ..., 1210 (° C), điỊu chỉnh gớa trị hệ số k của bộ khuếch đại k3, thu đợc kết quả ở bảng 3.7 và đồ thị một số đỏp ứng trỡnh bày ở cỏc hỡnh 3.15, 3.16, 3.17.
Hỡnh 3. 12. Đỏp ứng của hƯ thống có bộ điỊu khiĨn mờ PI với nhiệt độ đặt 1000 ° C
Hỡnh 3. 15. Đỏp ứng của hƯ thống có bộ điỊu khiĨn mờ PD+PI với nhiệt độ đặt 820 ° C
Hình 3. 17. Đỏp ứng của hệ thống cú bộ điều khiển mờ PD+PI với nhiƯt độ đỈt 1210 ° C
Hình 3. 16. Đỏp ứng của hệ thống cú bộ điỊu khiĨn mờ PD+PI với nhiệt độ đặt 1000 C
Bảng 3.7. Bảng giỏ trị hệ số khuếch đại k1, k2, k3 Ngăn NhiƯt độ (° C) K1 K2 K3 Ghi chú M12 830 1,091 1,102 0,5232 Vùng d−ới M12 900 1,192 1,3085 0,5220 Vùng d−ới M14 870 1,147 1,265 0,5225 Vùng trên 920 1,217 1,370 0,5185 Vùng d−ới M15 940 1,245 1,3725 0,5230 Vùng trên 980 1,301 1,435 0,5239 Vùng d−ới M16 1000 1,328 1,462 0,5243 Vùng trên 1030 1,328 1,510 0,5230 Vùng d−ới M17 1050 1,399 1,5423 0,5230 Vùng trên 1040 1,385 1,525 0,5230 Vùng d−ới M18 1090 1,4593 1,605 0,5228 Vùng trên 1085 1,448 1,595 0,5230 Vùng d−ới M19 1120 1,500 1,658 0,5234 Vùng trên 1115 1,4938 1,647 0,5225 Vùng d−ới M20 1150 1,546 1,700 0,5230 Vùng trên 1140 1,536 1,685 0,5225 Vùng d−ới M21 1170 1,575 1,750 0,5226 Vùng trên 1170 1,575 1,750 0,5226 Vùng d−ới M22 1190 1,608 1,772 0,5234 Vùng trên 1190 1,608 1,772 0,5234 Vùng d−ới M23 1200 1,620 1,785 0,5234 Vùng trên 1200 1,620 1,785 0,5234 Vùng d−ới M24 1205 1,632 1,795 0,5233 Vùng trên 1205 1,632 1,795 0,5233 Vùng d−ới
M25 1207 1,632 1,795 0,5235 Vùng trên 1207 1,632 1,795 0,5235 Vùng d−ới M26 1210 1,637 1,802 0,5243 Vùng trên 1210 1,637 1,802 0,5243 Vùng d−ới M27 1170 1,575 1,750 0,5226 Vùng trên 1170 1,575 1,750 0,5226 Vùng d−ới M28 1120 1,500 1,658 0,5234 Vùng trên 1120 1,500 1,658 0,5234 Vùng d−ới