a. Giới thiệu chung
Bộ điều khiển mà trong quỏ trỡnh làm việc tự điều chỉnh thụng số của nú cho phự hợp với sự thay đổi của đối tượng được gọi là bộ điều khiển thớch nghi. Một hệ thống điều khiển thớch nghi, cho dự cú hay khụng sự tham gia của hệ mờ, là hệ thống phỏt triển cao và cú tiềm năng đặc biệt, song gắn liền với những ưu điểm đú là khối lượng tớnh toỏn thiết kế rất lớn.
Thực tế ứng dụng kỹ thuật điều khiển mờ cho thấy: khụng phải là cứ thay một bộ điều khiển mờ vào chỗ bộ điều khiển kinh điển thỡ sẽ cú một hệ thống tốt hơn. Trong nhiều trường hợp, để hệ thống cú đặc tớnh động học tốt và bền vững cần phải thiết kế thiết bị điều khiển lai giữa bộ điều khiển mờ và bộ điều khiển kinh điển.
Hệ mờ lai (viết tắt là F-PID) là một hệ thống điều khiển tự động trong đú thiết bị điều khiển bao gồm hai thành phần:
- Thành phần điều khiển kinh điển. - Thành phần điều khiển mờ.
Sử dụng bộ điều khiển mờ lai sẽ phỏt huy được ưu điểm của cả bộ điều khiển mờ và bộ điều khiển rừ.
b. Cỏc dạng hệ mờ lai phổ biến
b1. Hệ lai khụng thớch nghi cú bộ điều khiển kinh điển
Hóy quan sỏt hỡnh 3.22a của một hệ lai cú bộ tiền xử lý mờ. Nhiệm vụ điều khiển được giải quyết bằng bộ điều khiển kinh điển và cỏc thụng số của bộ điều khiển khụng được chỉnh định thớch nghi. Hệ mờ được sử dụng để điều chế tớn hiệu chủ đạo cho phự hợp với hệ thống điều khiển. Về nguyờn tắc, tớn hiệu chủ đạo là một hàm thời gian bất kỳ và phụ thuộc vào những ứng dụng cụ thể. Một cấu trỳc cụ thể của hệ mờ lai cú bộ tiền xử lý mờ như vậy được biểu diễn trong hỡnh 3.21b
Hỡnh 3.22a - Bộ điều khiển mờ lai cú khõu tiền xử lý mờ
PID
Tớn hiệu chủ đạo x đưa vào hệ thống được điều chế qua bộ mờ. Tớn hiệu vào x được so sỏnh với tớn hiệu ra y của hệ thống và sai lệch E cựng đạo hàm DE của nú được đưa vào đầu vào bộ lọc mờ tạo ra một lượng hiệu chỉnh ∆x, tớn hiệu chủ đạo đó được lọc cú giỏ trị x + ∆x. Tỏc dụng của bộ lọc mờ trong toàn bộ hệ thống là làm cho hệ thống cú đặc tớnh động tốt hơn và nõng cao khả năng bền vững của hệ khi cỏc thụng số trong hệ biến đổi.
b2. Hệ mờ lai Cascade
Một cấu trỳc mờ lai khỏc được biểu diễn trong hỡnh 3.23, ở đú phần bự tớn hiệu điều chỉnh ∆u được lấy từ bộ điều khiển mờ.
Hỡnh 3.23 - Cấu trỳc hệ mờ lai Cascade
Trong trường hợp hệ thống cú cấu trỳc như trờn thỡ việc chọn cỏc đại lượng đầu vào của hệ mờ phụ thuộc vào từng ứng dụng cụ thể. Tất nhiờn cỏc đại lượng thường được sử dụng làm tớn hiệu vào của hệ mờ là tớn hiệu chủ đạo x, sai lệch E, tớn hiệu ra y cựng với đạo hàm hoặc tớch phõn của cỏc đại lượng này. Về nguyờn tắc cú thể sử dụng cỏc đại lượng khỏc của đối tượng cũng như sử dụng cỏc nhiễu xỏc định được.
b3. Điều khiển cụng tắc thớch nghi bằng khúa mờ
Điều khiển theo kiểu chuyển đổi khõu điều khiển cú tham số và cấu trỳc phự hợp với điểm làm việc của đối tượng đũi hỏi thiết bị điều khiển phải chứa đựng tất cả cỏc khõu cú cấu trỳc và tham số khỏc nhau cho từng trường hợp ( Hỡnh 3.24 ). Hệ thống sẽ tự chọn khõu điều khiển cú tham số phự hợp với đối tượng. Điều khiển cụng tắc chuyển đổi vị trớ để chọn khõu điều khiển phự hợp được thực hiện bằng khúa mờ.
Hỡnh 3.24 - Chọn bộ điều khiển thớch nghi bằng khúa mờ
Thụng thường thỡ cỏc khõu điều khiển được dựng trong trường hợp này là cỏc khõu cú cấu trỳc như nhau nhưng tham số khỏc nhau. Khỏc với việc chỉnh định thụng số thớch nghi trong cỏc hệ tự chỉnh, cỏc thụng số ở đõy được chỉnh định cứng qua cụng tắc chuyển đổi. Ưu điểm chớnh của hệ thống này là cỏc bộ điều khiển làm việc độc lập với nhau, do vậy cú thể kiểm tra tớnh ổn định của hệ ứng với từng trường hợp riờng biệt. Cỏc đại lượng vào của hệ mờ được xỏc định theo từng ứng dụng cụ thể.
3.2.5.5. Tổng hợp hệ điều khiển mờ lai khụng thớch nghi cú bộ điều khiển kinh điển . điển .
Như đó phõn tớch ở phần 1.1.2 và phần 2.1.6 ta thấy hàm truyền ổ đỡ từ là khụng ổn định cú tớnh phi tuyến cao, việc xỏc định trước thụng số của ổ là rất khú khăn, do vậy, trong bản luận văn này, em đề xuất phương phỏp dựng bộ điều khiển PID kết hợp với bộ điều khiển mờ.
Ta thiết kế bộ điều khiển mờ bao gồm một biến trạng thỏi mờ đầu vào và một biến mờ đầu ra. Mỗi biến này lại được chia thành nhiều giỏ trị tập mờ (Tập mờ con). Số giỏ trị mờ trờn mỗi biến được chọn để phủ hết cỏc khả năng cần thiết sao cho khả năng điều khiển là lớn nhất trong khi chỉ cần một số tối thiểu cỏc luật điều khiển mờ. Sử dụng cụng cụ Toolbox Fuzzy Logic và Simulink của phần mềm Matlab để xõy dựng bộ điều khiển mờ lai. Cụng cụ này cho phép người sử dụng thiết kế điều khiển mờ nhanh chúng, chớnh xỏc và cho phép xuất kết quả ra vựng Workspace để tiến hành mụ phỏng bằng cụng cụ Simulink của Matlab.
Hỡnh 3.25 - Sự phõn bố cỏc giỏ trị mờ của biến vào
Hỡnh 3.26 - Sự phõn bố cỏc giỏ trị mờ của biến ra
* Luật điều khiển và luật hợp thành
Luật hợp thành được xõy dựng trờn cơ sở nguyờn lý hợp thành MAX – MIN.
0
* Giải mờ
Giải mờ cú thể được thực hiện theo cỏc phương phỏp điểm trọng tõm, phương phỏp trung bỡnh hay phương phỏp cực đại. Do miền xỏc định của cỏc giỏ trị mờ đầu ra là miền liờn thụng nờn ta sẽ giải mờ theo phương phỏp trọng tõm. Giỏ trị rừ x được xỏc định theo phương phỏp điểm trọng tõm như ở cụng thức:
∫ x.àB (x)dx x = S
∫ μ B (x)dx
S
Trong đú: S là miền xỏc định của tập mờ B.
Sử dụng phần mềm Matlab để mụ phỏng hệ điều khiển mờ, ở đõy ta tiến hành theo hai bước:
* Mụ phỏng bộ điều khiển mờ: Việc xõy dựng bộ điều khiển mờ dựa trờn cụng cụ Fuzzy của phần mềm Matlab. Cỏc hàm liờn thuộc của cỏc giỏ trị mờ trong cỏc biến vào và ra được chọn như trờn hỡnh: 3-25 và 3-26.
Hỡnh 3.28 - Quan hệ vào – ra của bộ điều khiển mờ.
3.3. Mụ phỏng cỏc bộ điều khiển đó thiết kế 3.3.1. Mụ phỏng với bộ điều khiển PID
Hỡnh 3.29 – Sơ đồ mụ phỏng với bộ PID kinh điển
Kết qủa mụ phỏng:
Hỡnh 3.30 - Kết quả mụ phỏng chuyển vị theo phương x của ổ từ cú sử dụng bộ PID kinh điển
Với bộ thụng số của bộ điều khiển PID: Kp = 10, Ki = 100, Kd = 0.5. Ta thấy hệ thống cú đỏp ứng khỏ nhanh, thời gian xỏc lập ngắn và khụng cú sai lệch tĩnh.
3.3.2. Mụ phỏng với bộ điều khiển nõng cao
Ổ ừ
Hỡnh 3.31 – Sơ đồ mụ phỏng hệ cú sử dụng hệ điều khiển mờ lai F-PID
t
Hỡnh 3.31 – Sơ đồ mụ phỏng hệ cú sử dụng hệ điều khiển mờ lai F-PID
Hỡnh 3.32 - Kết quả mụ phỏng chuyển vị theo phương x cú sử dụng hệ điều khiển mờ lai F-PID
Để cú thể so sỏnh thấy được ưu điểm của bộ điều khiển nõng cao ta cú thể quan sơ đồ mụ phỏng và cỏc kết quả trờn cựng một đồ thị như sau:
Hỡnh 3.33 - Sơ đồ mụ phỏng hệ cú sử dụng bộ PID kinh điển và hệ điều khiển mờ lai F-PID
Hỡnh 3.34- Kết quả mụ phỏng chuyển vị theo phương x cú sử dụng bộ
KẾT LUẬN
Nội dung trong chương này đó hoàn thành được một số vấn đề như sau :
Hoàn thành việc thiết kế và mụ phỏng hệ thống cú sử dụng bộ điều khiển PID kinh điển và bộ điều khiển mờ lai với hệ truyền động khụng tiếp xỳc cú sử dụng bộ treo từ tớnh. Từ kết quả mụ phỏng trờn phần mềm Matlab, ta rỳt ra được kết luận: Nếu dựng bộ điều khiển PID thỡ độ chớnh xỏc cũng như thời gian quỏ độ đạt kết quả khụng cao. Nhưng khi sử dụng bộ PID kết hợp với bộ điều khiển mờ thỡ thời gian quỏ độ đảm bảo yờu cầu đặt ra, chất lượng hệ thống tốt hơn.
Điều này được thể hiện qua cỏc điểm sau:
Cỏc thụng số đặc trưng Với bộ điều khiển PIDkinh điển Với bộ điều khiển mờ laiF-PID Thời gian đỏp ứng 0.07s 0.07s
Thời gian quỏ độ 0.45 s 0.3s Độ quỏ điều chỉnh 23% 5%
Điều này thể hiện được ưu điểm của bộ điều khiển mờ lai F-PID so với bộ điều khiển kinh điển PID.
* KẾT LUẬN
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Sau một thời gian làm luận văn, tỏc giả đó hoàn thành luận văn tốt nghiệp được giao với nội dung: “Nghiờn cứu hệ truyền động khụng tiếp xỳc sử dụng bộ treo từ
tớnh”.
Cụ thể khối lượng cụng việc tỏc giả đó thực hiện như sau:
1. Nghiờn cứu tổng quan về hệ truyền động khụng tiếp xỳc sử dụng bộ treo từ tớnh:
+ Khỏi niệm ổ đỡ từ: Cấu tạo, nguyờn lý làm việc và ứng dụng của ổ đỡ từ. + Tổng quỏt về hệ truyền động khụng tiếp xỳc sử dụng bộ treo từ tớnh.
+ Cấu trỳc đặc trưng của một hệ thống truyền động động cơ được trang bị cỏc ổ đỡ từ tớnh.
2. Phõn tớch cỏc tớnh chất điều khiển của bộ treo từ tớnh, cỏc nguyờn tắc điều khiển ổ đỡ. Từ đú, đưa ra mụ hỡnh tổng quỏt của hệ truyền động.
3. Mụ phỏng hệ truyền động bằng phần mềm Matlab- Simulink trong cả 2 trường hợp hệ cú sử dụng bộ điều khiển PID kinh điển và bộ điều khiển mờ lai F- PID.
- Kiểm nghiệm cho thấy bộ điều khiển mờ PID thực thi tốt hơn bộ điều khiển PID tuyến tớnh truyền thống.
Cú thể thấy rằng sự phỏt triển mạnh mẽ của kỹ thuật vi xử lý và cụng nghệ thụng tin học như tốc độ mỏy tớnh rất lớn, cấu hỡnh cao và đặc biệt là cỏc phần mềm ứng dụng hỗ trợ đó mở ra khả năng ứng dụng cú hiệu quả việc điều khiển đối tượng.
Việc nghiờn cứu và phỏt triển của đề tài chỉ dừng lại ở việc mụ phỏng kiểm tra trờn mỏy tớnh chưa kiểm nghiệm bằng bộ điều khiển thực tế. Đõy chớnh là gợi ý cho hướng đi của đề tài.
Sau đõy là một số đề xuất về hướng nghiờn cứu tiếp theo trờn cơ sở thừa kế những kết quả nghiờn cứu của luận văn:
Trong một hệ thống từ treo chấp hành cú nhiều nguyờn nhõn dẫn đến trễ cú thể xảy ra. Độ trễ cú thể do những nguyờn nhõn sau:
+ Tụn thõt săt trong lừi sắt chấp hành
+ Trờ tư thụng theo dũng điện , nguyờn nhõn là do dũng điện xoỏy (dũng điện phucụ).
+ Bóo hoà điện ỏp trong bộ điều khiển dũng điện .
+ Đỏp ứng tần số bị giới hạn của bộ điều khiển dong điờn. + Đỏp ứng tần số sensor bị giới hạn.
+ Phần tử độ trễ bậc nhất của một điện trở và một từ trở của cuộn dõy v.v.... Tuỳ thuộc vào ưng dụng , một vai trong số nhưng điểm này cú thể gõy ra những vấn đề nghiờm trọng đến hệ thống. Ảnh hưởng của độ trễ trong một hệ thống từ treo là quan trọng, nú cú thể làm hỏng (phỏ huỷ) tớnh ổn định của một hệ thống treo. Bởi vậy, cần nghiờn cứu để khắc phục cho những ảnh hưởng trờn trong hướng nghiờn cứu tiếp theo.
Khảo sỏt hệ với chuyển dịch đồng thời và đầy đủ theo cả hai phương x và y, sự ảnh hưởng của nhiễu phụ tải và tỏc động xuyờn chéo hai phương lẫn nhau.
Hoàn thiện hệ thống sử dụng bộ điều khiển mờ lai và tiến hành ỏp dụng mụ hỡnh thực nghiệm để kiểm chứng lớ thuyết.
Thiết kế và ứng dụng bộ điều khiển mờ lai chỉnh định tham số bộ điều khiển PID cho hệ thống. Tớch hợp bộ điều khiển PID, bộ điều khiển mờ lai, bộ điều khiển mờ lai chỉnh định tham số bộ điều khiển PID vào hệ thống.
Tỏc giả hy vọng luận văn này cú thể làm nền tảng cho những đề tài tiếp theo, từng bước khai thỏc và hiện thực hoỏ ứng dụng việc sử dụng bộ treo từ tớnh trong điều khiển quỏ trỡnh núi riờng và trong cụng nghiệp núi chung.
Một lần nữa tỏc giả xin trõn thành cảm ơn thầy giỏo PGS.TS Nguyễn Như Hiển
Thỏi Nguyờn, ngày 30 thỏng 7 năm 2009
Tỏc giả
Luận văn Thạc sỹ Chuyên ngành Tự động hoá
* Tiếng Việt
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Nguyễn Như Hiển; Bựi Chớnh Minh (2007); “Điều khiển phi tuyến thớch nghi và bền vững hệ truyền động nối khớp mềm”, Tạp chớ Khoa học & Cụng nghệ cỏc
trường đại học kỹ thuật, Hà Nội.
[2]. Nguyễn Như Hiển,Bựi Chớnh Minh, [2007] “Thiết kế bộ điều khiển phi tuyến bền vững cho hệ truyền động nối khớp mềm”, Tạp chớ Khoa học & Cụng nghệ cỏc
trường đại học kỹ thuật, Hà Nội.
[3]. Nguyễn Như Hiển, Lại Khắc Lói(2007), Hệ mờ và nơ ron, Nhà xuất bản khoa học tự nhiờn và cụng nghệ, Hà Nội.
[4]. Phan Xuõn Minh, Nguyễn Doón Phước (2006), Lý thuyết điều khiển mờ, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội.
[5]. Nguyễn Phựng Quang (2006), Matlab &Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội.
[6]. Hoàng Minh Sơn (2006), Điều khiển quỏ trỡnh, nhà xuất bản Bỏch khoa- Hà Nội.
* Tiếng Anh
[7]. Akira Chiba, Tadashi Fukao,Osamu Ichikawa, Masahide Oshima, asatsugu Takemoto and David G. Dorrell, Magnetic Bearings and Bearingless Drives.
[8]. A. Hamler et al., Passive magnetic bearing, Journal of Magnetism and
Magnetic Materials, 272–276 (2004) 2379–2380
[9]. B. Lu et al., Linear parameter-varying techniques for control of a magnetic bearing system, Control Engineering Practice 16 (2008) 1161–1172.
[10]. Chen, K.-Y. et al., A self-tuning fuzzy PID-type controller design for
unbalance compensation in an active magnetic bearing, Expert Systems with
Applications (2009), doi:10.1016/j.eswa.2008.10.055.
[11]. C. Colin Roberts, The multiple attractions of magnetic bearings, World pumps December 2006, 0262 1762/06.
[12].G-R. Duan and D. Howe, Robust Magnetic Bearing Control via Eigenstructure
Assignment Dynamical Compensation, IEEE Transactions on Control Systems
[13]. H.-Y. Kim, C.-W. Lee, Design and control of active magnetic bearing system
with Lorentz force-type axial actuator, Mechatronics 16 (2006) 13–20.
[14]. I.S. Cade et al., Rotor/active magnetic bearing transient control using wavelet
predictive moderation, Journal of Sound and Vibration 302 (2007) 88–103.
[15]. J. Shi et al., Synchronous disturbance attenuation in magnetic bearing systems
using adaptive compensating signals, Control Engineering Practice 12 (2004) 283–
290.
[16]. J.Y. Hung et al., Nonlinear control of a magnetic bearing system, Mechatronics 13 (2003) 621–637
[17]. Marjan Golob, Boris Tovornik, Modeling and control of the magnetic
suspension system, ISA Transactions 42 (2003) 89–100.
[18]. M.O.T. Cole et al., Towards fault-tolerant active control of rotor–magnetic
bearing systems, Control Engineering Practice 12 (2004) 491–501.
[19]. T.M. Lim, D. Zhang, Control of Lorentz force-type self-bearing motors with
hybrid PID and robust model reference adaptive control scheme, Mechatronics 18
(2008) 35–45.
[20]. Z. Gosiewski, A. Mystkowski, Robust control of active magnetic suspension:
Analytical and experimental results, Mechanical Systems and Signal Processing 22
(2008) 1297–1303.