Trong thực tế, hệ tự thích nghi đ−ợc sử dụng nhiều vì những −u điểm của nó so với các hệ thống điều khiển thông thường. Khả năng tự chỉnh định lại các thông số của bộ điều khiển cho phù hợp với đối t−ợng ch−a biết rõ đã đ−a hệ thích nghi trở thμnh một hệ điều khiển thông minh. So với những bộ điều khiển kinh điển, bộ điều khiển mờ có rất nhiều tham số nên miền chỉnh định cho hệ mờ rất lớn. Bên cạnh nh÷ng tham sè gièng nh− mét bé ®iÒu khiÓn kinh ®iÓn, vÝ dô bé PID mê còng cã 3 tham số gồm độ khuếch đại KR, hằng số tích phân TI, hằng số vi phân TD…, một bộ
điều khiển mờ còn có thêm những hμm thuộc cho các giá trị mờ, luật điều khiển, các phép toán hoặc, và, thiết bị hợp thμnh vμ nguyên lý giải mờ cũng lμ những tham số chỉnh định đ−ợc.
4.3.1 Các ph−ơng pháp điều khiển mờ thích nghi
Các bộ điều khiển mờ thích nghi có khả năng chỉnh định các tham số của tập mờ (các hμm thuộc) gọi lμ bộ điều khiển mờ tự chỉnh (Self-Tuning-Controller). Bộ
điều khiển mờ có khả năng chỉnh định lại các luật điều khiển, ví dụ chuyển từ thì γ = NS thμnh thì γ = ZE , đ−ợc gọi lμ bộ điều khiển mờ tự thay đổi cấu
Bé ®iÒu khiÓn 1
Bé ®iÒu khiÓn n Bé ®iÒu chỉnh mờ
Đối t−ợng
x
u
y
−
Hình 4.7: Chọn bộ điều khiển
"thích nghi" bằng khóa mờ.
chỉnh định hoặc với bộ điều khiển còn ch−a đủ các luật điều khiển. Các luật điều khiển cần đ−ợc bổ sung thêm sẽ đ−ợc thiết lập trong quá trình "học".
Hệ thống điều khiển cơ bản của hệ thích nghi hoμn toμn giống nh− các hệ thống điều khiển một mạch vòng thông thường. Các tính chất của đối tượng dưới tác dụng của điều khiển, th−ờng đ−ợc tiến hμnh nhận dạng qua hệ kín hoặc thông qua các đại l−ợng đặc tr−ng của hệ nh− độ quá điều chỉnh cực đại, thời gian quá điều chỉnh cực đại, bình phương sai lệch, tích phân sai số tuyệt đối…. Mạch vòng thích nghi cho hệ điều khiển mờ hoặc không mờ đều được xây dựng dựa trên hai phương pháp:
− Ph−ơng pháp trực tiếp thực hiện qua việc nhận dạng th−ờng xuyên các tham số của đối t−ợng trong hệ kín (hình 4.8). Quá trình nhận dạng thông số của đối t−ợng có thể thực hiện bằng cách th−ờng xuyên đo trạng thái của tín hiệu vμo/ra của đối t−ợng vμ chọn một thuật toán nhận dạng hợp lý. Tất nhiên lμ phải đi kèm với giả thiết lμ mô hình của đối tượng đã biết trước (ví dụ như đối t−ợng có mô hình
p p
sT K +
1 của một khâu quán tính bậc một có trễ vμ các tham số Kp , Tp cần phải đ−ợc nhận dạng). Mô hình của đối t−ợng cũng có thể lμ mô
hình mờ. Mô hình mờ lμ mô hình biểu diễn d−ới dạng câu điều kiện: nếu ...
thì hoặc d−ới dạng ma trận quan hệ R (ma trận biểu diễn luật hợp thμnh).
− Ph−ơng pháp gián tiếp thực hiện thông qua phiếm hμm mục tiêu của hệ kín xây dựng dựa trên các chỉ tiêu chất l−ợng (hình 4.9). Chất l−ợng của hệ thống
đ−ợc phản ánh qua các tham số của phiếm hμm mục tiêu. Phiếm hμm mục tiêu có thể đ−ợc xây dựng dựa trên các chỉ tiêu chất l−ợng động của hệ thống nh−
độ quá điều chỉnh cực đại, thời gian quá điều chỉnh, các chỉ tiêu ở miền tần số,
x y
− x y
−
Đối t−ợng Bé ®iÒu
khiÓn
Hình 4.8: Ph−ơng pháp điều khiển thích nghi trùc tiÕp
Nhận dạng tham sè Chỉnh định
Bé ®iÒu khiÓn
Hình 4.9: Ph−ơng pháp điều khiển thích nghi gián tiếp
Chỉnh định PhiÕm hμm
mục tiêu
Đối t−ợng
độ rộng giải thông tần, biên độ cộng hưởng hay các tiêu chuẩn tích phân sai lệch vμ cũng có thể xây dựng nhiều chỉ tiêu trong cùng một phiếm hμm.
4.3.2 Bộ điều khiển mờ tự chỉnh cấu trúc
Bộ điều khiển mờ tự chỉnh định các luật điều khiển đ−ợc gọi lμ bộ điều khiển mờ tự chỉnh cấu trúc. Bộ chỉnh định đ−ợc thiết kế đảm bảo đầu ra lμ giá trị hiệu chỉnh của tín hiệu điều khiển u(t) (tín hiệu ra của bộ điều khiển). Để thay đổi luật
điều khiển trước tiên lμ phải xác định được quan hệ giữa giá trị được hiệu chỉnh ở
đầu ra của bộ điều khiển với giá trị biến đổi ở đầu vμo. Do vậy cần có mô hình thô
của đối tượng, mô hình nμy dùng để tính toán giá trị đầu vμo tương ứng với một giá
trị đầu ra cần đạt đ−ợc của bộ điều khiển. Dựa trên tín hiệu ra mong muốn vμ tín hiệu vμo tương ứng của bộ điều khiển có thể xác định vμ hiệu chỉnh các nguyên tắc
điều khiển, các nguyên tắc nμy đảm bảo chất l−ợng điều khiển của hệ thống. Một câu hỏi đ−ợc đặt ra lμ những giá trị nμo của tín hiệu điều khiển u(t) (tín hiệu ra của bộ điều khiển) sẽ lμm cho chất l−ợng của hệ thống xấu đi?. Để trả lời đ−ợc câu hỏi nμy phải xác định đ−ợc đặc tính động học của hệ thống. Đối với những đối t−ợng bậc cao có thời gian trễ lớn có thể có thời gian chỉnh định chậm, còn đối với các hệ thống bậc thấp có thời gian trễ nhỏ yêu cầu thời gian chỉnh định nhanh. Tóm lại, việc chỉnh định chỉ có ý nghĩa khi quá trình chỉnh định kết thúc trước khi hệ thống kết thúc quá trình quá độ.
4.3.3 Bộ điều khiển mờ tự chỉnh có mô hình theo dõi
Một hệ tự chỉnh không những chỉnh định trực tiếp tham số của bộ điều khiển mμ còn chỉnh định cả tham số của mô hình đối t−ợng đ−ợc gọi lμ bộ tự chỉnh có mô
hình theo dõi (Model−Based Controller MBC). Với bộ điều khiển nh− vậy hệ mờ
Đối t−ợng Mô hình đối
t−ợng
H×nh 4.10: §iÒu khiÓn thÝch nghi có mô hình theo dõi.
Tạo tín hiệu
®iÒu khiÓn PhiÕm hμm
mục tiêu
Nhận dạng
nhận dạng đối t−ợng, đ−ợc gọi lμ "mô hình đối t−ợng mờ". Hệ tự chỉnh mờ có cấu trúc như hình 4.10 đã được áp dụng trong hệ thống điều khiển đường tầu điện ngầm ở Sendai/Nhật bản vμ trong các hệ thống điều khiển mức, các hệ thống mμ mức độ khó thực hiện do hằng số thời gian trễ của đối t−ợng gây ra.
Bộ điều khiển mờ có mô hình theo dõi MBC bao gồm ba thμnh phần chính:
1) Mô hình đối tượng mờ (thường có dạng ma trận qua hệ), được xác định trong khi hệ thống đang lμm việc bằng cách đo vμ phân tích các tín hiệu đầu vμo/ra của đối t−ợng. Vì mô hình của đối t−ợng gián tiếp xác định các luật hợp thμnh của bộ điều khiển do vậy bộ điều khiển MBC cũng chính lμ bộ điều khiển mờ tự chỉnh cấu trúc.
2) Các chỉ tiêu chất lượng được sử dụng trong phiếm hμm mục đích thường được
đưa dưới dạng hμm thuộc. Thí dụ như trong hệ thống điều khiển mức, độ chênh so với mức mong muốn đ−ợc biếu diễn bằng hμm thuộc dạng hình tam giác, trong đó đỉnh của tam giác chính lμ giá trị mức mong muốn. Nếu cần tối −u
đồng thời nhiều phiếm hμm mục đích, có thể tổ hợp các chỉ tiêu tương ứng theo toán tử liên kết min.
3) Lựa chọn tín hiệu điều khiển u từ tập hợp của các tín hiệu điều khiển xác định từ mô hình đối t−ợng vμ đảm bảo chỉ tiêu chất l−ợng nμo đó của hệ thống tốt nhÊt.
Những bμi toán thiết kế theo cấu trúc nμy th−ờng có những giả thiết nh− sau:
1) Những thông tin về mô hình đối t−ợng còn rất ít khi bắt đầu quá trình điều khiển. Bởi vậy thông th−ờng quá trình nhận dạng phải bắt đầu với ma trận quan hệ "rỗng". Theo kinh nghiệm của các ph−ơng pháp cũ thì nên bắt đầu với mô hình của đối t−ợng đ−ợc nhận dạng ở hệ hở đ−ợc gọi lμ mô hình ban đầu.
2) Trong những trường hợp đặc biệt, ở giai đoạn đầu do thiếu thông tin về đối t−ợng nên các quyết định điều khiển không thoả mãn đ−ợc phiếm hμm mục tiêu, hay nói một cách khác lμ không thỏa mãn đ−ợc các chỉ tiêu chất l−ợng đặt ra. Trong những tr−ờng hợp nh− vậy nên thiết kế thêm một bộ điều khiển phụ với chức năng ít nhất lμ giữ cho hệ thống lμm việc ổn định cho đến khi mô hình
đối t−ợng mờ đ−ợc xác định hoμn toμn. Đơn giản nhất lμ nên giữ lại giá trị tín hiệu điều khiển u(t) của bước trước đó.
Thực hiện từng phần của bộ điều khiển mờ tự chỉnh có mô hình theo dõi phụ thuộc rất nhiều vμo đối tượng điều khiển. Các phương pháp thiết kế vμ các cấu trúc khác nhau của hệ thống nμy có thể tìm thấy trong tμi liệu tham khảo "LIU. M.H.
Fuzzy−Modellbildung und ihre Anwendung, 1994".