2.6.1. Sơ đồ cấu trúc chung
Một bộ điều khiển mờ bao gồm các khối chức năng sau:
Hình 2.19. Mô hình của một bộ điều khiển mờ
Giao diện vào : Nhiệm vụ chuyển đổi A-D, ngoài ra còn làm một số nhiệm vụ
khác nhƣ chuẩn hóa tín hiệu, lấy các tham số động của tín hiệu.
Giao diện ra: Biến đổi D-A.
Mờ hóa: Biến đổi mỗi giá trị rõ đầu vào thành vector
Thiết bị hợp thành: Bản chất của nó là triển khai luật hợp thành R đƣợc xây
dựng trên cơ sở các luật điều khiển
Giải mờ: Biến đổi mỗi tập mờ đầu ra B’(y) thành giá trị rõ y0 tƣơng ứng với x0 ở đầu vào.
Trái tim của bộ điều khiển mờ chính là luật điều khiển. Các luật điều khiển mờ cơ bản là tập các mệnh đề hợp thành có cấu trúc If…then… và nguyên tắc triển khai các mệnh đề hợp thành đó có tên là MAX-MIN hay SUM-MIN… Mô hình R của luật điều khiển đƣợc xây dựng theo một nguyên tắc triển khai đã chọn trƣớc và có tên gọi là luật hợp thành. Thiết bị thực hiện luật hợp thành trong bộ điều khiển mờ gọi là thiết bị hợp thành.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Để thiết bị thực hiện luật điều khiển làm việc đúng chế độ phải chọn cho nó các biến ngôn ngữ hợp lý có khả năng biểu diễn các đại lƣợng vào/ra chuẩn và phù hợp với luật điều khiển.
Dạng đúng của luật điều khiển mờ cơ bản đƣợc hình thành nhờ quá trình luyện tập và kinh nghiệm thiết kế. Trong quá trình thiết kế và kiểm chứng bằng mô phỏng, ngƣời thiết kế có thể thêm hoặc bớt, chỉnh sửa các luật điều khiển sao cho phù hợp với các yêu cầu của quá trình công nghệ.
2.6.2. Phân loại bộ điều khiển mờ
Có rất nhiều cách phân loại bộ điều khiển mờ, nhƣng ở đây chúng ta quan tâm đến 2 cách phân loại:
Theo số lƣợng đầu vào và đầu ra:
SISO (Signal Input Signal Output)
MISO (Multi Input Signal Output)
MIMO (Multi Input Multi Output)
Vì việc cài đặt luật hợp thành cho bộ điều khiển có nhiều đầu ra rất khó khăn. Mặt khác một bộ điều khiển mờ có m đầu ra thì dễ dàng tách đƣợc thành m bộ điều khiển [3].
Theo bản chất của tín hiệu vào bộ điều khiển phân ra:
Bộ điều khiển mờ tĩnh: Nếu chỉ quan tâm đến xử lý các t.hiệu hiện thời.
Bộ điều khiển mờ động: Nếu có sự tham gia của đạo hàm hoặc tích
phân tín hiệu.
2.6.3. Các bƣớc tổng hợp bộ điều khiển mờ
Cấu trúc chung của một bộ điều khiển mờ
Vào
(-)
FLC ĐT
Đo lƣờng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Các bƣớc tổng hợp bộ điều khiển mờ:
Bƣớc 1: Khảo sát đối tƣợng, định nghĩa đƣợc các biến vào/ra và miền xác định của
chúng: đối tƣợng biến đổi nhanh hay chậm, có trễ hay không, tính phi tuyến của đối tƣợng
Bƣớc 2: Định nghĩa các biến ngôn ngữ vào/ra và mờ hóa chúng.
Về nguyên tắc số lƣợng các giá trị ngôn ngữ cho mối biến ngôn ngữ nên nằm trong khoảng từ 3 đến 10 giá trị. Nếu số lƣợng giá trị ít hơn 3 thì có ít ý nghĩa, vì không thực hiện đƣợc việc lấy vi phân. Nếu lớn hơn 10, con ngƣời khó có khả năng bao quát, vì con ngƣời phải nghiên cứu đầy đủ để đồng thời phân biệt khoảng 5 đến 9 phƣơng án khác nhau và có khả năng lƣu giữ trong một thời gian ngắn
Xác định hàm liên thuộc rất quan trọng vì quá trình làm việc của bộ điều khiển mờ rất phụ thuộc vào dạng và kiểu hàm liên thuộc. Nói chung là không có một lời khuyên nào khác cho việc chọn hàm liên thuộc là hãy chọn hàm liên thuộc từ những dạng hàm đã biết trƣớc và mô hình hoá nó cho đến khi nhận đƣợc bộ điều khiển mờ làm việc nhƣ mong muốn.
Cần chọn các hàm liên thuộc có phần chồng lên nhau và phủ kín miền giá trị vật lý để trong quá trình điều khiển không xuất hiện “lỗ trống”. Trong trƣờng hợp với một giá trị vật lý rõ x0 của biến đầu vào mà tập mờ B’ đầu ra có độ cao bằng 0 (miền xác định là tập rỗng) và bộ điều khiển không thể đƣa ra quyết định điều khiển nào đƣợc gọi là hiện tƣợng “cháy nguyên tắc”, lý do là hoặc không định nghĩa đƣợc nguyên tắc điều khiển phù hợp hoặc là do các tập mờ của biến ngôn ngữ có những “lỗ hổng”.
Cũng nhƣ vậy đối với biến ra, các hàm liên thuộc dạng hình thang với với độ xếp chồng lên nhau rất nhỏ, nhìn chung không phù hợp với bộ điều khiển mờ vì những lý do đã trình bày ở trên. Nó tạo ra một vùng “chết” trong trạng thái làm việc của bộ điều khiển.
Trong một vài trƣờng hợp đặc biệt, chọn hàm liên thuộc hình thang hoàn toàn hợp lý, đó là trƣờng hợp mà sự thay đổi các miền giá trị của tín hiệu vào không kéo
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
theo sự thay đổi bắt buộc tƣơng ứng cho miền giá trị của tín hiệu ra. Nói chung, hàm liên thuộc đƣợc chọn sao cho miền tin cậy của nó chỉ có một phần tử, hay nói cách khác chỉ tồn tại một điểm vật lý có độ phụ thuộc bằng độ cao của tập mờ.
Bƣớc 3: Xây dựng các luật điều khiển
Khi xây dựng các luật điều khiển cần lƣu ý là ở vùng lân cận điểm không thì không đƣợc tạo ra các “lỗ hổng”, bởi vì khi gặp phải “lỗ hổng” xung quanh điểm làm việc bộ điều khiển sẽ không thể làm việc đúng theo nhƣ trình tự đã định.
Ngoài ra cần để ý rằng, trong phần lớn các bộ điều khiển, tín hiệu ra sẽ bằng không khi tất các các tín hiệu vào bằng không.
Nếu cần, có thể chọn hệ số an toàn cho từng luật điều khiển, tức là khi thiết lập luật hợp thành chung R không phải tất các các luật điều khiển Rk, k = 1, 2, …, n đƣợc tham gia một cách bình đẳng mà theo một hệ số an toàn định trƣớc. Ngoài những hệ số an toàn cho từng luật điều khiển còn có hệ số an toàn cho từng mệnh đề điều kiện của mọi luật điều khiển khi số mệnh đề của nó nhiều hơn 1.
Bƣớc 4: Chọn thiết bị hợp thành
Sử dụng luật MAX-MIN Sử dụng luật MAX-PROD Sử dụng luật SUM-MIN Sử dụng luật SUM-PROD
Bƣớc 5: Giải mờ và mô phỏng và tối ƣu hóa
Phƣơng pháp giải mờ đƣợc chọn cũng gây ảnh hƣởng đến độ phức tạp và trạng thái làm việc của toàn bộ hệ thống. Thƣờng trong thiết kế hệ thống điều khiển mờ, giải mờ bằng phƣơng pháp điểm trọng tâm có ƣu điểm hơn cả.
Bƣớc 6: Tối ƣu hóa hệ mờ
Sau khi bộ điều khiển mờ đã đƣợc thực hiện, có thể ghép nối nó với đối tƣợng điều khiển thực hoặc với một đối tƣợng mô phỏng để thử nghiệm. Trong quá trình thử nghiệm cần đặc biệt kiểm tra xem có tồn tại “lỗ hổng” nào trong quá trình làm việc hay không, tức là phải xác định xem tập các luật điều khiển đƣợc xây dựng có đầy đủ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
hay không để khắc phục. Nguyên nhân của hiện tƣợng “lỗ hổng” có thể do việc thiết lập các nguyên tắc điều khiển chung quanh điểm làm việc không phủ lên nhau hoàn toàn, hoặc là có một số kết quả sai trong các nguyên tắc điều khiển đƣợc thiết lập. Một hiện tƣợng nữa có thể xảy ra là bộ điều khiển làm việc không ổn định, vì nó nằm quá xa điểm làm việc. Trong mọi trƣờng hợp trƣớc hết nên xem lại các luật điều khiển cơ sở.
Sau khi đã đảm bảo đƣợc bộ điều khiển làm việc ổn định và không có các “lỗ hổng”, bƣớc tiếp theo là tối ƣu trạng thái làm việc của nó theo các chỉ tiêu khác nhau. Chỉnh định bộ điều khiển theo các chỉ tiêu này chủ yếu đƣợc thực hiện thông qua việc hiệu chỉnh hàm liên thuộc và thiết lập thêm các nguyên tắc điều khiển bổ sung hoặc sửa đổi lại các nguyên tắc điều khiển đã có. Việc chỉnh định sẽ rất có hiệu quả nếu nhƣ đƣợc thực hiện trên một hệ kín.
Khi xử lý các kết quả chỉnh định cần đặc biệt để ý khi các hệ thống không phụ thuộc vào thời gian hoặc các hệ thống có hằng số thời gian trễ T1 lớn. Những tính chất này của hệ sẽ làm cho các biến đổi khi chỉnh định thƣờng khó nhận biết. Trong các trƣờng hợp đó tốt hơn là nên thực hiện từng bƣớc và ghi lại biên bản cho từng trƣờng hợp
Bƣớc 7: Thử nghiệm trên đối tƣợng thực 2.7. Điều khiển mờ tĩnh
Khái niệm: Điều khiển mờ tĩnh là bộ điều khiển mờ mà có quan hệ vào/ra mô tả bởi
hệ phƣơng trình đại số (Không xét đến các yếu tố động: vận tốc, gia tốc…)
Do vậy, ta đặt bài toán nhƣ sau: Cho đầu vào x và miền vật lý của nó x [x1
x2], và đầu ra y [y1 y2] với miền vật lý tƣơng ứng. Thiết kế bộ điều khiển mờ tĩnh với
các miền vật lý đầu ra đầu vào tƣơng ứng .
Thuật toán thiết kế ( giống các bƣớc tổng quát)
Bao gồm tất cả 7 bƣớc thiết kế, nhƣng lƣu ý khi ta chọn hình dạng và số lƣợng luật hợp thành sao cho phù hợp với bài toán (thông thường người ta chọn dạng hình
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
thang hay hình tam giác), và quan trọng hơn nữa là luật điều khiển, với các luật điều khiển do kinh nghiệm hay do yêu cầu công nghệ đặt ra.
Tổng hợp bộ điều khiển mờ tuyến tính từng đoạn
Cho trƣớc một quan hệ vào ra tuyến tính từng đoạn, thiết kế bộ điều khiển mờ có quan hệ trùng với quan hệ đấy.
Cách thiết kế giống nhƣ bộ điều khiển mờ tĩnh:
Mỗi giá trị rõ đầu vào phải làm tích cực hai luật điều khiển
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Hàm liên thuộc ra có dạng Sigleton
Luật hợp thành Max-min giải mờ bằng phƣơng pháp độ cao
2.8. Điều khiển mờ động
Đầu vào xét tới các yếu tố động của đối tƣợng: vận tốc, gia tốc…, tƣơng tự nhƣ điều khiển kinh điển trong điều khiển mờ có dạng:
Mô hình điều khiển tổng quát:
Đầu vào mờ : E và DE và đầu ra U
Mờ hóa các biến vào/ra bằng 5 tập mờ gồm:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Sai lệch (E)
Đạo hàm của sai lệch – tốc độ biến thiên của sai lệch (DE) Đầu ra của bộ điều khiển (U):
{ Dƣơng nhiều (DN), Dƣơng (D), Zero (Z), Âm (A), Âm nhiều (AN)}.
Xây dựng luật hợp thành theo 2 nguyên tắc Nguyên tắc 1: Giữ một trạng thái bằng 0
Nguyên tắc 2: Kí hiệu các tập mờ vào ra bằng các con số
2.9. Điều khiển mờ lai
Hệ mờ lai (Fuzzy Hybrid) là một hệ thống điều khiển tự động trong đó thiết bị điều khiển bao gồm: Phần điều khiển kinh điển và phần hệ mờ
Các dạng hệ mờ lai phổ biến:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Hệ mờ Cascade
Công tắc mờ
2.10. Kết luận chƣơng 2
- Chƣơng 2 luận văn đã hệ thống các kiến thức cơ bản về logic mờ và phƣơng pháp thiết kế bộ điều khiển nhằm phục vụ cho việc lập luận xấp xỉ, một thành phần khá quan trọng trong các ứng dụng mờ.
- Các kiến thức cơ sở trong chƣơng 2 là các kiến thức cơ sở cho các kết quả nghiên cứu và ứng dụng đƣợc trình bày ở chƣơng 3.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
CHƢƠNG III
NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG
BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ CHO ĐỐI TƢỢNG CÔNG NGHIỆP 3.1. Xây dựng mô hình toán học đối tƣợng
3.1.1. Lựa chọn đối tƣợng
Điều khiển chuyển động liên quan tới việc điều khiển chuyển động của hệ thống cơ học, và đƣợc sử dụng rộng rãi trong đóng gói, in ấn, dệt may và các ứng dụng công nghiệp khác. Các hệ thống điều khiển chuyển động có thể rất phức tạp do cần phải cân nhắc nhiều yếu tố khác nhau trong thiết kế. Mục đích của thiết kế điều khiển ở đây là nhằm đạt đƣợc cấu hình, tiêu chuẩn kỹ thuật và nhận diện đƣợc các tham số chính của hệ thống nhằm đáp ứng nhu cầu thực tế. Bộ điều khiển đƣợc kỳ vọng:
- Hệ thống đã thiết kế giảm đƣợc sai lệch theo đầu vào đặt. - Hệ thống tác động nhanh khi tham số của hệ thống biến thiên. - Giảm ảnh hƣởng của nhiễu tác động và nhiễu khi tính toán.
Thật khó tìm ra đƣợc các phƣơng pháp thiết kế mà xét đến tất cả những yếu tố này, đặc biệt đối với phƣơng pháp điều khiển thông thƣờng. Hầu hết các hệ thống này đều không tuyến tính, gần giống nhƣ các mô hình toán học tuyến tính có nhiễu và bất định về mô hình.
Bộ điều khiển tỷ lệ vi tích phân PID đƣợc sử dụng trong điều khiển chuyển động nhằm loại bỏ độ lệch lại gặp vấn đề liên quan tới ma sát,. Việc sử dụng kỹ thuật điều khiển phản hồi thƣờng đơn giản và hiệu quả vì việc sử dụng này không nhất thiết phải mang các đặc trƣng đƣợc chi tiết trong kỹ thuật. Tuy nhiên, tăng độ khuếch đại trong kỹ thuật điều khiển có thể khiến cho mạch không ổn định. Lực ma sát có thể đƣợc cân bằng bằng bộ điều khiển bù nhiễu nhƣng bộ điều khiển bù nhiễu này chỉ thích hợp khi biết trƣớc đƣờng đi của vận tốc thích hợp.
Thực tế, hệ thống điều khiển chuyển động thƣờng vận hành có tính bất định về mô hình. Tính bất định này là do không có thông tin, có thể đƣợc mô tả và đo lại. Tính bất định mô hình có thể chứa sự bất định về tham số và tính động học không đƣợc mô hình hóa. Tính động học không đƣợc mô hình hóa và tính bất định về tham số có ảnh
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
hƣởng tiêu cực lên hiệu quả kiểm soát và có thể dẫn đến tính không ổn định. Vì vậy, để đạt mức di chuyển theo quỹ đạo tiệm cận, thì tính bất định về tham số cần đƣợc xét đến với điều kiện cần đảm bảo một chu trình hoạt động khép kín.
Hình 3.1. MEDE 5
Hình 3.1 là mô hình nghiên cứu là một hệ thống thí nghiệm xây dựng từ mô hình có tên là MeDe5 (Mechatronic Demonstrate Setup-2005) do nhóm kĩ thuật điều khiển thuộc bộ môn kỹ thuật Điện, khoa Kỹ thuật Điện, Toán học và Khoa học máy tính thuộc Trƣờng Đại học Twente đã thiết kế. Kết cấu cơ khí đƣợc thiết kế dựa trên nguyên lý của công nghệ in, ụ trƣợt có thể chuyển động tiến và lùi một cách linh hoạt nhờ sự dẫn động của động cơ điện một chiều thông qua dây curoa. Trong mô hình ngƣời thiết kế đã bố trí toàn bộ động cơ điện, thanh trƣợt, ụ trƣợt, dây curoa,… trên một cái khung dẻo với mục đích để tạo ra sự rung lắc khi ụ trƣợt di chuyển. Nếu thiết kế đƣợc những thuật toán điều khiển tốt sẽ giúp cho quá trình gia tốc, giảm tốc của ụ trƣợt êm hơn, điều này dẫn đến mức độ rung lắc của khung đƣợc giảm
3.1.2. Xây dựng mô hình toán học đối tƣợng
Mô hình thiết bị là phi tuyến và mô hình động học bậc cao. Nhằm đạt đƣợc mô hình thiết bị đơn giản hơn, đầu tiên cần áp dụng quá trình tuyến tính hóa và sau đó mô hình tuyến tính theo bậc cao cần đƣợc giảm đến bậc thích hợp. Điều này cho phép sử dụng một hay nhiều phƣơng pháp điều khiển đã triển khai tốt cho các hệ thống tuyến tính.