Một bộ điều khiển mờ cơ bản gồm cú 3 khâu:
- Khõu mờ hoỏ cú nhiệm vụ chuyển đổi một giỏ trị rừ đầu vào x0 thành một vector à gồm cỏc độ phụ thuộc của giỏ trị rừ đú theo cỏc giỏ trị mờ (tập mờ) đ định nghĩa cho biến ngụn ngữ đầu và
- Khõu thực hiện luật hợp thành, cú tờn gọi là thiết bị hợp thành, xử lý vector à và cho ra giỏ trị mờ B′ của biến ngụn ngữ đầu rạ
- Khõu giải mờ, cú nhiệm vụ chuyển đổi tập mờ B′thành một giỏ trị rừ y chấp nhận đợc cho đối tợng (tớn hiệu điều chỉnh).
1 h 2 h 1 y y2 y B à
Bộ điều khiển mờ cơ bản chỉ cú khả năng xử lý cỏc giỏ trị tớn hiệu hiện thời nờn nú thuộc nhúm cỏc bộ điều khiển tĩnh. Để mở rộng miền ứng dụng cđa chúng vào cỏc bài toỏn điều khiển động phải nối thờm cỏc khõu động học cần thiết thờm vào bộ điều khiển mờ cơ bản. Cỏc khõu động học đú chỉ cú nhiệm vụ cung cấp thờm cho bộ điều khiển mờ cơ bản cỏc giỏ trị đạo hàm hay tích phân cđa tín hiƯụ Bộ điều khiển mờ cơ bản cựng với cỏc khõu động bỉ sung sẽ đ−ỵc gọi là bộ điều khiển mờ.
2.6 Nguyên lý điỊu khiĨn mờ
2.6.1 Cấu trúc cđa một hƯ thống điỊu khiĨn mờ
S− đồ khối một hƯ thống điỊu khiển tự động với bộ điều khiển mờ đợc trỡnh bày ở hỡnh 2.17. R1: nếu ... thì Rq: nếu ... thì : : H1 Hq 1 x − à B' y' q x . . .
Hình 2.15. Sơ đồ khối bộ điều khiển mờ cơ bản
) (t x y'(t) ... dt d Bộ điỊu khiĨn mờ cơ bản ∫...dt
Hình 2.16. Sơ đồ khối một bộ điều khiển mờ động
Đối tợng Thiết bị đo Bộ điỊu khiển mờ x e u y -
Một hệ thống điều khiển mờ gồm cỏc khối chớnh: - Bộ điỊu khiĨn mờ.
- Đối tợng. - Thiết bị đ
trong đó, bộ điỊu khiĨn mờ bao gồm:
- Giao diện đầu vào (khõu mờ hoỏ, cỏc khõu phụ trợ nh tớch phõn, vi phân,...).
- Thiết bị hợp thành.
- Giao diện đầu ra (khõu giải mờ và cỏc khõu giao diƯn trực tiếp với đối t−ỵng).
2.6.2 Nguyờn tắc tổng hợp một bộ điều khiển mờ
Nguyên tắc tổng hợp một bộ điều khiển mờ hoàn toàn dựa vào cỏc phơng phỏp toỏn học trờn cơ sở định nghĩa cỏc biến ngụn ngữ vào/ra và sự lựa chọn cỏc luật điều khiển.
Bộ điỊu khiĨn mờ có hai thành phần cơ bản là luật điều khiển và nguyờn tắc triển kha
Luật điều khiển mờ cơ bản là tập cỏc mệnh đề hợp thành cú cấu trúc
Nếu ....thì....
Nguyờn tắc triển khai cỏc mệnh đề hợp thành đú là nguyờn tắc max - MIN hay sum - MIN.
Mụ hỡnh R của cỏc luật điều khiển đợc xõy dựng theo một nguyờn tắc triển khai đ chọn cú tờn gọi là luật hợp thành.
Cú thể túm tắt quy trỡnh thiết kế bộ điỊu khiĨn mờ theo l−u đồ tht toỏn ở hỡnh 2.18.
Xác định tớn hiệu vào/ra Xây dựng luật điỊu khiĨn Thiết kế bộ điỊu khiĨn mờ KT với đối tượng thực Không tốt Tốt
Hinh 2.18. Lu đồ thuật toỏn thiết kế bộ điều khiển mờ Mamdani Nếu …Thì Mờ hố Xỏc định đc suy diễn Giải mờ Kết thỳc Bắt đầu Chỉnh định lại luật điều khiển
Ch−ơng 3 - ứng dụng lý thuyết điều khiển mờ để nõng
cao chất lợng điều khiển nhiệt độ lũ nung nhà mỏy gạch granớt Trung Đụ
Nguyờn tắc tổng hợp bộ điỊu khiĨn mờ.
Nguyờn tắc tổng hợp một bộ điều khiển mờ hoàn toàn dựa vào những phơng phỏp toỏn học trờn cơ sở định nghĩa cỏc biến ngụn ngữ vào/ra và sự lựa chọn cỏc luật điều khiển.
Cỏc bớc tiến hành tổng hợp bộ điều khiển mờ: Định nghĩa tất cả cỏc biến ngụn ngữ vào và rạ
Định nghĩa tập mờ (giỏ trị ngụn ngữ) cho cỏc biến vào/r Xõy dựng cỏc luật điều khiển (cỏc mệnh đề hợp thành) Thiết bị hợp thành (max-MIN hay sum-MIN).
ĐiỊu khiĨn mờ đợc chia thành hai lớp bài toỏn điều khiển: điều khiển ớc lợng và mụ hỡnh mờ. Điều khiển ớc lợng mờ đợc ỏp dụng cho cỏc bài toỏn điều khiển mà đối tợng cú lợng thụng tin khụng đầy đủ. Mụ hỡnh mờ là bài toỏn xõy dựng mụ hỡnh cho đối tợng theo phơng phỏp mờ.
Trong luận văn này thuật toỏn đợc chọn là thuật toỏn điều khiển mờ Mamdanị
Cỏch thức làm việc của bộ điều khiĨn mờ Mamdani là hoàn toàn dựa trờn kinh nghiệm của cỏc chuyờn gi Do khụng thể xõy dựng đợc mụ hỡnh của đối tợng một cỏch chớnh xỏc nờn khụng thể thiết kế bộ điều khiển theo cỏc phơng phỏp thụng thờng. Tuy nhiờn vẫn cú thể thiết kế bộ điỊu khiĨn theo nguyờn tắc sai lệch bằng cỏch cài đặt cú chọn lọc cỏc luật điều khiển cho bộ điều khiển mờ. Mọi hoạt động cđa đối t−ỵng đ−ỵc điỊu khiĨn thụng qua cỏc luật điỊu khiĨn.
Điều khiển ớc lợng (cũn gọi là cơ chế suy diễn Mamdani) đợc sử dụng trong trờng hợp cả mệnh đề nguyờn nhõn và mệnh đề kết quả đều là cỏc
PS x= x=NB . PM u= : i R
giỏ trị mờ. Một lt điỊu khiĨn nh− vậy cho một hƯ MISO gồm hai biến vào và một biến ra có dạng sau:
Nếu và thì Ưu điểm của phơng phỏp Mamdani là:
- Có tính trực giác.
- Có tính phổ biến rộng rị
- Rất thích hỵp với suy nghĩ cđa con ng−ờị
3.1 Định nghĩa cỏc biến vào ra
Đối tợng điều khiển của hệ thống điều khiển mờ đợc nghiờn cứu là lũ nung gạch.granớt. Đại lợng vào của bộ điều khiển mờ chớnh là sai lệch (đợc ký hiệu bằng ET) giữa nhiệt độ cần giữ ổn định (tớn hiệu chủ đạo x) và nhiệt độ thực y (nhiệt độ đo đợc từ bộ cảm biến tớn hiệu ra của đối tợng) và đại lợng biến đổi theo thời gian của sai lệch (dET/dt) giữa tín hiƯu chđ đạo và tớn hiệu ra của đối tợng (đợc ký hiệu bằng DET).
Biến ra cđa bộ điỊu khiĨn mờ là độ mở van tiết lu Q. Q là một giỏ trị rừ.
3.2 Xỏc định tập mờ
3.2.1 Miền giỏ trị vật lý của cỏc biến ngụn ngữ vào ra
Biến ngụn ngữ sai lệch nhiệt độ ET đợc chọn trong miền giỏ trị từ - 10°C đến +10°C; tốc độ biến đỉi sai lƯch nhiƯt độ DET có giá trị chuẩn hoỏ từ - 0,1 đến 0,1; độ mở van Q cú giỏ trị từ 0 % đến 100 %.
3.2.2 Số l−ỵng tập mờ
Hình 3.1. Sơ đồ khối bộ điều khiển nhiệt độ
ET
DET MUX
∈ ET , LO LH, MH, , ZE P} , NS ZE, PS,PM} {N, ∈ Q ∈ DET {NM, {VL, VH}
Cỏc giỏ trị ngụn ngữ cho bộ điều khiển nhiệt độ cú thể xỏc định nh sau:
∈
ET {âm vừa , õm ớt, khụng, dơng ớt, dơng vừa}.
∈
DET {âm, khụng, dơng}.
∈
Q {rất nhỏ, nhỏ, lớn ít, lớn vừa, rất lớn}.
Ký hiƯu tiếng Anh cđa cỏc giỏ trị ngụn ngữ nh sau: âm vừa - NM (Negative Medium).
âm - N (Negative).
âm ít - NS (Negative Small). không - ZE (Zero).
d−ơng ít - PS (Positive Small). d−ơng - P (Positive).
d−ơng vừa - PM (Positive Medium). rất nhỏ - VL (Very_ Low).
nhỏ - LO (Low).
lớn ít - LH (Little_High). lớn vừa - MH (Medium_ High). rất lớn - VH ( Very_ High).
Nh− vậy, miền xỏc định ngụn ngữ của cỏc biến vào ra là:
3.2.3 Xỏc định cỏc hàm thuộc
Cỏc hàm thuộc của biến vào ET đ−ỵc chọn nh− sau:
- Hàm thuộc NM: hỡnh thang có tham số [-20 -20 -6 0]. - Hàm thuộc NS: hỡnh tam giỏc cú tham số [-6 -3 0]. - Hàm thuộc ZE: hỡnh tam giỏc cú tham số [ -3 0 3]. - Hàm thuộc PS: hỡnh tam giác có tham số [0 3 6].
- Hàm thuộc PM: hình thang có tham số [4 6 20 20].
Đồ thị cỏc hàm thuộc của biến vào ET đợc trỡnh bày ở hỡnh 3.2.
Cỏc hàm thuộc của biến vào DET đợc chọn nh− sau:
- Hàm thuộc N: hỡnh tam giỏc cú tham số [-0. 1 -0.1 0]. - Hàm thuộc ZE: hỡnh tam giỏc cú tham số [-0.05 0 0.05]. - Hàm thuộc P: hỡnh tam giác có tham số [0 0.1 0.1].
Đồ thị cỏc hàm thuộc của biến vào DET đợc trỡnh bày ở hỡnh 3.3. Hỡnh 3.2. Đồ thị cỏc hàm thuộc cđa biến vào ET
Cỏc hàm thuộc của biến ra Q đợc chọn nh sau:
- Hàm thuộc VL: hỡnh thang cú tham số [-10 -10 20 40]. - Hàm thuộc LO: hỡnh tam giỏc cú tham số [20 40 60]. - Hàm thuộc LH: hỡnh tam giỏc cú tham số [ 40 60 80]. - Hàm thuộc MH: hỡnh tam giỏc cú tham số [60 80 100]. - Hàm thuộc VH: hỡnh tam giác có tham số [ 60 100 100]. Đồ thị cỏc hàm thuộc của biến ra Q đợc trỡnh bày ở hỡnh 3.4.
3.3 Xõy dựng cỏc luật điều khiển
Để điều khiển đợc đối tợng cần xõy dựng cỏc luật điều khiển. Cỏc luật điều khiển thể hiện hiểu biết của chuyờn gia về đối tợng.
Bảng 3.1. Cỏc luật điỊu khiĨn cđa bộ điỊu khiĨn mờ R1: nếu (ET = NM) và (DET = N) thỡ (Q = VL) hoặc R2: nếu (ET = NM) và (DET = ZE) thỡ (Q = LO) hoặc R3: nếu (ET = NM) và (DET = P) thỡ (Q = LH) hoặc R4: nếu (ET = NS) và (DET = N) thỡ (Q = LO) hoặc R5: nếu (ET = NS) và (DET = ZE) thỡ (Q = LH) hoặc R6: nếu (ET = NS) và (DET = P) thỡ (Q = MH) hoặc R7: nếu (ET = ZE) và (DET = N) thỡ (Q = LH) hoặc R8: nếu (ET = ZE) và (DET = ZE) thỡ (Q = MH) hoặc
R9: nếu (ET = ZE) và (DET = P) thỡ (Q = MH) hc R10: nếu (ET = PS) và (DET = N) thỡ (Q = LH) hc R11: nếu (ET = PS) và (DET = ZE) thỡ (Q = MH) hc R12: nếu (ET = PS) và (DET = P) thỡ (Q = VH) hc R13: nếu (ET = PM) và (DET = N) thỡ (Q = LH) hc R14: nếu (ET = PM) và (DET = ZE) thỡ (Q = VH) hc R15: nếu (ET = PM) và (DET = P) thỡ (Q = VH)
Bảng 3.2. Bảng biểu diễn quan hệ cỏc luật điều khiển Sai lƯch nhiƯt độ
ET
Thay đỉi sai lƯch nhiƯt độ DET Độ mở van Q NM N VL NM ZE LO NM P LH NS N LO NS ZE LO NS P MH ZE N LH ZE ZE MH ZE P MH PS N LH PS ZE MH PS P VH PM N LH PM ZE VH PM P VH
Bảng 3. 3. Bảng biểu diễn cỏc luật điều khiển d−ới dạng ma trận Q DET N ZE P ET NM VL LO LH NS LO LH MH ZE LH MH MH PS LH MH VH PM LH VH VH 3.4 Chọn thiết bị hợp thành
Luật hợp thành của bộ điều khiển mờ là luật max-MIN
3.5 Chọn nguyờn lý giải mờ
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).