Tr−ớc khi đi vμo những ứng dụng cụ thể của bộ điều khiển mờ, hãy nghiên cứu cấu trúc vμ nguyên lý lμm việc của một hệ thống điều khiển mờ. Trong hình 3.3 lμ một hệ thống điều khiển tự động với bộ điều khiển mờ.
Về nguyên tắc, hệ thồng điều khiển mờ cũng không có gì khác với các hệ thống
điều khiển tự động thông thường khác. Sự khác biệt ở đây lμ bộ điều khiển mờ lμm việc có tư duy như "bộ não" dưới dạng trí tuệ nhân tạo. Nếu khẳng định lμm việc với bộ điều khiển mờ có thể giải quyết được mọi vấn đề từ trước đến nay chưa giải quyết
được theo phương pháp kinh điển thì không hoμn toμn chính xác, vì hoạt động của bộ điều khiển phụ thuộc vμo kinh nghiệm vμ ph−ơng pháp rút ra kết luận theo t−
duy của con người, sau đó được cμi đặt vμo máy tính trên cơ sở của logic mờ. Hệ thống điều khiển mờ do đó cũng có thể coi nh− lμ một hệ thống neuron (hệ thần kinh), hay đúng hơn lμ một hệ thống điều khiển đ−ợc thiết kế mμ không cần biết trước mô hình của đối tượng.
Hệ thống điều khiển mờ đ−ợc thiết kế trên:
− dao diện đầu vμo bao gồm khâu Fuzzy hóa vμ các khâu phụ trợ thêm để thực hiện các bμi toán động nh− tích phân, vi phân …,
− thiết bị hợp thμnh mμ bản chất của nó sự triển khai luật hợp thμnh R đ−ợc xây dựng trên cơ sở luật điều khiển hay nh− trong một số các tμi liệu khác còn gọi lμ luật quyết định vμ
x e u
LuËt ®iÒu khiÓn
Thiết bị đo
Đối t−ợng Bé ®iÒu
khiÓn mê
y
−
e μ B' u
Hình 3.3: Hệ kín, phản hồi âm với sự tham gia của bộ điều khiển mờ
Giao diện
®Çu vμo
Giao diện
®Çu ra Thiết bị hợp
thμnh
− khâu giao diện đầu ra (khâu chấp hμnh) gồm khâu giải mờ vμ các khâu giao diện trực tiếp với đối t−ợng.
Nguyên tắc tổng hợp một bộ điều khiển mờ hoμn toμn dựa vμo những ph−ơng pháp toán học trên cơ sở định nghĩa các biến ngôn ngữ vμo/ra vμ sự lựa chọn những luật điều khiển. Do các bộ điều khiển mờ có khả năng xử lý các giá trị vμo/ra biểu diễn dưới dạng dấu phảy động với độ chính xác cao nên chúng hoμn toμn đáp ứng
đ−ợc các yêu cầu của một bμi toán điều khiển "rõ rμng" vμ "chính xác ".
Trong sơ đồ mạch điều khiển trong hình 3.1 có khâu đối t−ợng. Đối t−ợng nμy
đ−ợc điều khiển bằng đại l−ợng u lμ tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển mờ. Vì các tín hiệu điều khiển đối t−ợng lμ các "tín hiệu rõ", nên tín hiệu ra của bộ điều khiển mờ trước khi đưa vμo điều khiển đối tượng phải qua khâu giải mờ nằm trong bộ giao diện đầu ra. Các tín hiệu ra y của đối t−ợng đ−ợc đo bằng các bộ cảm biến vμ đ−ợc xử lý sơ bộ tr−ớc khi đ−a vμo bộ điều khiển. Các tín hiệu nμy cũng lμ các "tín hiệu rõ", do vậy để bộ điều khiển mờ hiểu đ−ợc chúng, tín hiệu y vμ ngay cả tín hiệu chủ
đạo x phải đ−ợc mờ hóa.
Thật ra trong nhiều trường hợp, độ chính xác của hệ thống không phải lμ điều quan tâm số một của bμi toán tổng hợp bộ điều khiển, mμ còn nhiều điểm khác quan trọng hơn cần xét với mức độ −u tiên cao hơn nh− vấn đề tiết kiệm năng lượng, không dao động, robust (bền vững)... vμ trong nhiều trường hợp người ta cũng đã rất thoả mãn khi hệ thống tổng hợp đ−ợc lμm việc ổn định vμ có độ bền v÷ng cao.
Trái tim của bộ điều mờ chính lμ luật điều khiển mờ cơ bản có dạng lμ tập các mệnh đề hợp thμnh cùng cấu trúc nếu thì vμ nguyên tắc triển khai các mệnh
x
LuËt ®iÒu khiÓn
Thiết bị hợp thμnh vμ giải
mê
P D
I Đối t−ợng
−
Thiết bị đo
y
Hình 3.4: Bộ điều khiển mờ có khâu P, khâu D ở đầu vào và I ở đầu ra.
đề hợp thμnh đó có tên lμ nguyên tắc max−MIN hay sum−MIN …. Mô hình R của luật điều khiển được xây dựng theo một nguyên tắc triển khai đã chọn trước vμ có tên gọi lμ luật hợp thμnh. Thiết bị thực hiện luật hợp thμnh trong bộ điều khiển mờ lμ thiết bị hợp thμnh. Hai thμnh phần cơ bản lμ luật điều khiển vμ nguyên tắc triển khai hình thμnh nên cuộc sống của bộ điều mờ mμ ở đó nguyên tắc triển khai nh−
một động cơ vμ luật điều khiển nh− lμ nguồn cung cấp năng l−ợng cho động cơ quay.
Để cho thiết bị thực hiện luật điều khiển lμm việc đúng chế độ phải chọn cho nó các biến ngôn ngữ hợp lý có khả năng biểu diễn các đại l−ợng vμo/ra chuẩn vμ phù hợp với luật điều khiển. Dạng đúng của các luật điều khiển mờ cơ bản đ−ợc hình thμnh nhờ quá trình luyện tập vμ kinh nghiệm thiết kế. Ch−ơng nμy sẽ trình bμy các ph−ơng pháp tổng hợp những bộ điều khiển mờ cơ bản nh− hệ mờ P, hệ mờ PID, hệ mờ tr−ợt. Những hệ mờ đặc biệt nh− hệ mờ lai, hệ mờ thích nghi sẽ đ−ợc mô tả sau trong ch−ơng 4.
Tuy thiết bị hợp thμnh lμ phần quan trọng nhất trong bộ điều khiển mờ, nh−ng nó ch−a phải lμ tất cả của một bộ điều khiển mờ. Trong nhiều tr−ờng hợp, các thông tin về sai lệch giữa tín hiệu chủ đạo x vμ tín hiệu ra y ch−a đủ để tạo luật điều khiển. Với các bμi toán điều khiển động, bộ điều khiển mờ còn đòi hỏi phải có các thông tin về đạo hμm của sai lệch hay tích phân của sai lệnh để cung cấp thêm các
đại lượng đầu vμo cho thiết bị hợp thμnh. ở nhiều trường hợp, các đại lượng vμo nμy phải đ−ợc số hóa một cách phù hợp cho thiết bị hợp thμnh. T−ơng tự nh− vậy với các giá trị ra của hệ thống, không phải trong tr−ờng hợp nμo cũng cần các tín hiệu ra rõ mμ có tr−ờng hợp lại cần giá trị tích phân của tín hiệu ra.
Đối với các hệ thống điều khiển gián đoạn có bộ điều khiển mờ, khi nó còn lμm việc trên cơ sở các tín hiệu số, có thể thiết kế các bộ điều chỉnh theo luật P (luật tỷ lệ), theo luật I (luật tích phân) vμ theo luật D (luật vi phân) nh− sau:
− luật điều khiển P: yk = K⋅xk , trong đó K lμ hệ số khuếch đại,
− luËt ®iÒu khiÓn I: yk+1= yk + k
I a x T T
với TI lμ hằng số tích phân,
− luËt ®iÒu khiÓn D: yk+1=
a D
T
T (xk - yk) với TD lμ hằng số vi phân,
trong đó Ta lμ chu kỳ gián đoạn (chu kỳ lấy mẫu tín hiệu).
Hình 3.4 lμ một ví dụ về điều khiển một đối t−ợng đơn giản có một tín hiệu vμo vμ một tín hiệu ra (hệ SISO) bằng bộ điều khiển mờ. Sai lệch e giữa tín hiệu chủ
đạo vμ tín hiệu ra đ−ợc đ−a vμo bộ điều chỉnh theo luật PD vμ sau đó đ−ợc đ−a vμo bộ điều khiển mờ, bộ điều chỉnh I đ−ợc dùng nh− một thiết bị chấp hμnh, đầu vμo lấy sau bộ giải mờ vμ đầu ra đ−ợc dẫn tới đối t−ợng.
Xét tiếp bμi toán điều khiển có thiết bị hợp thμnh cho phép lμm việc đ−ợc với ít nhất 2 vμo vμ 2 ra. Câu hỏi đ−ợc đặt ra lμ lμm thế nμo để chỉnh định một hệ thống không chỉ bao gồm một đại l−ợng chỉnh định mμ bao gồm hai đại l−ợng khác nhau?.
Vần đề nμy có thể giải quyết không có gì khó khăn khi chịu trả giá cho một ít khối l−ợng tính toán phát sinh bằng cách sử dụng hai thiết bị hợp thμnh trong hai bộ
điều khiển khác nhau. Những thiết bị nμy cùng xử lý tín hiệu vμo nh− nhau, nh−ng
đầu ra đ−ợc xác định theo các điều kiện vμ nguyên tắc khác nhau nh− trong hình 3.5.
y2
y1
x1
LuËt ®iÒu khiÓn 1
Thiết bị hợp thμnh vμ giải
mờ thứ nhất
Đối t−ợng
− P11 u1
D11 P21 D21 x2
−
LuËt ®iÒu khiÓn 2
Thiết bị hợp thμnh vμ giải
mờ thứ 2
I2 u2
P12 D12 P22 D22
I1
Thiết bị đo
Hình 3.5: Hệ điều khiển mờ nhiều chiều với hai thiết bị hợp thành.
Đối với các bμi toán tổng thể có thể phải cần đến nhiều thiết bị thực hiện luật
điều khiển theo kiểu đ−ợc mắc nối tiếp hoặc mắc song song hay mắc theo kiểu mạng nh− trong hình 3.6. Các hệ thống có cấu trúc nh− vậy rất cần thiết cho cả các hệ thống có nhiều đầu vμo, ví dụ nh− cho 10 đầu vμo hoặc nhiều hơn nữa. Trong những tr−ờng hợp nh− vậy nguyên tắc điều khiển phải đ−ợc biểu diễn rất chi tiết. Nếu nh−
chỉ dùng một thiết bị hợp thμnh thể hiện luật điều khiển thì luật điều khiển đó sẽ phải có dạng chung:
NÕuχ1 = A1kvμχ2 = A2kvμ χ3 = A3kvμ vμ χ9 = A9kvμ
Th× γ1=B1kvμ γ2=B2kvμ (3.1)
Thật dễ dμng nhận biết đ−ợc rằng phải lμ bậc thiên tμi vμ phải có lòng kiên nhẫn mới lμm đ−ợc công việc cμi đặt tổng quát luật điều khiển trên đây thμnh thiết
y2
y1
x1
LuËt ®iÒu khiÓn 1
Đối t−ợng
− u1
D1 x2
−
LuËt ®iÒu khiÓn 2
I2 u2
I1
Thiết bị đo
Hình 3.6: Hệ điều khiển mờ với hai thiết bị hợp thành nối song song.
P1
P2 D2
Thiết bị hợp thμnh vμ giải
mờ thứ 2 Thiết bị hợp thμnh vμ giải
mờ thứ nhất
bị hợp thμnh, sau đó phải thực hiện giải mờ nữa. Trong những trường hợp như vậy, cách tốt nhất lμ nên chia bμi toán điều khiển thμnh nhiều bμi toán khả thi đơn giản nh− chuyển luật (3.1) trên (mμ thực chất lμ luật điều khiển nhiều đầu vμo, nhiều
đầu ra) thμnh tập các luật chỉ có một đầu ra. Một điều cần nên biết lμ số l−ợng mệnh đề hợp thμnh tăng theo hμm số mũ so với số l−ợng tín hiệu đầu vμo của một hệ thống điều khiển mờ, chính vì thế số l−ợng luật điều khiển sẽ tăng lên rất nhiều cho mét bé ®iÒu khiÓn mê cã nhiÒu ®Çu vμo.
Tổng hợp các bộ điều khiển mờ phức tạp nh− vậy, đ−ơng nhiên không phải lμ một ph−ơng án thực tế vμ cũng không nên phát triển công nghệ theo h−ớng nμy.
Trong các chương mục tiếp theo, các phương pháp thiết kế các hệ thống đơn giản vμ những hướng dẫn tổng quát trong việc thiết kế hệ thống sẽ được đề cập tới.