Giải thuật điều khiển

3 MÔ HÌNH HÓA VÀ GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN

3.3.2 Giải thuật điều khiển

Có rất nhiều giải thuật điều khiển có thể điều chỉnh vị trí của đầu hàn về đúng tâm của rãnh hàn khi đã biết hƣớng lệch của đầu hàn và độ lệch cƣờng độ dòng điện bên trái và bên phải tâm rãnh hàn, nhƣng ở đây chúng tôi lựa chọn giải thuật điều khiển mờ để điều khiển vị trí đầu hàn vì những lý do sau đây:

o Hƣớng lệch có thể xác định dễ dàng nhƣng hệ số tỷ lệ giữa sai lệch cƣờng độ dòng điện giữa hai nửa chu kỳ trái – phải và độ lệch thực tế của đầu hàn tùy thuộc vào từng điều kiện hàn cụ thể (Vật liệu, bề mặt phôi hàn, nguồn điện hàn đƣợc sử dụng, máy hàn và dây hàn… ). Vì vậy ta không biết đƣợc chính xác đầu hàn đang lệch bao nhiêu cho cùng một độ lệch cƣờng độ dòng điện hàn ở các điều kiện hàn khác nhau.

o Đầu vào của bộ điều khiển mờ có thể nằm trong một khoảng (đƣợc đặc trƣng bằng một biến ngôn ngữ) mà không cần biết chính xác giá trị vào là bao nhiêu.

3.3.2.1 Đầu vào và đầu ra của bộ điều khiển mờ

Đầu vào thứ nhất của bộ điều khiển là sai lệch cƣờng độ dòng điện giữa hai đỉnh cực đại tƣơng ứng với hai vị trí cực trái và phải của đầu hàn so với mặt phân giác của rãnh hàn.Và chỉ cần một đầu vào này cũng đủ để bộ điều khiển mờ hội tụ, tuy nhiên tốc độ đáp ứng bộ điều khiển là khá chậm (chậm hội tụ).

Để nâng cao chất lƣợng bộ điều khiển ta thêm vào đầu vào thứ hai chính là tốc độ thay đổi của sai lệch cƣờng độ dòng điện hàn ở trên.

Thực chất tín hiệu cấp vào bộ điều khiển mờ là tín hiệu số, kết quả của phƣơng pháp lấy mẫu và biến đổi Analog sang Digital, là những số nguyên 12bit. Vì thế để đơn giản cho việc hiện thực bộ điều khiển ta chọn không gian của hai đầu vào là [-1;1] liên hệ với tín hiệu số ở trên bằng hệ số tỷ lệ.

22

Tƣơng tự tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển mờ cũng nằm trong khoảng [-1;1] và liên hệ với hệ số điều rộng xung PWM cấp cho động cơ bằng một hệ số tỷ lệ đƣợc xác định trong thực nghiệm.

3.3.2.2 Mô hình tổng quan bộ điểu khiển mờ

d/dt Kdei Kei Mờ hóa Luật hợp thành Luật mờ

Giải mờ Ku Driver điều khiển

vị trí đầu hàn Cảm biến Hall ADC Lọc nhiễu Đầu hàn Vị trí Dòng điện hàn Điện áp tương tự Tín hiệu số Không sai lệch - ei dei u Tín hiệu số

Hình 3-7 Tổng quan mô hình bộ điều khiển dùng Fuzzy

Cảm biến Hall đo cƣờng độ dòng điện hàn trong dây dẫn và xuất ra giá trị điện áp tuơng tự một chiều, điện áp này sẽ đƣợc lọc thông thấp bằng phần cứng, sau đó vi điều khiển sẽ lấy mẫu và chuyển đổi thành tín hiệu số. Tín hiệu này sẽ đƣợc làm mƣợt bằng bộ lọc mềm (FIR hoặc FFT). Tín hiệu ra của bộ lọc sẽ đƣợc dùng để tính toán độ lệch cƣờng độ dòng điện ei = max1 – max2 hoặc ei = max2 – max1 (theo3.3.1), hiệu số này sau khi lấy tỷ lệ nhỏ lại để ei thuộc khoảng [-1; 1] chính là đầu vào thứ nhất của bộ điều khiển mờ.

Hiệu số ei này sau khi lấy vi phân trong khoảng thời gian một chu kỳ điều khiển chính là đầu vào thứ hai của bộ điều khiển mờ dei.

Cả hai đầu vào sẽ đƣợc mờ hóa thành những biến ngôn ngữ. Từ những biến ngôn ngữ này bộ điều khiển mờ sẽ quyết định đầu ra bằng những luật mờ cơ sở sau đó đƣợc giải mờ để quyết định đầu ra cụ thể dựa trên luật hợp thành max – product. Đầu ra distance của bộ điều khiển sẽ đƣợc nhân với một hệ số để trở thành giá trị PWM điều khiển động cơ.

23

3.3.2.3 Các hàm liên thuộc và biến ngôn ngữ

Các hàm liên thuộc cho đầu vào và đầu ra đều đƣợc chọn là hàm tam giác. Không gian giá trị vật lý của đầu vào ei đƣợc chia thành các miền nhƣ hình sau bởi các hàm liên thuộc tam giác đặc trƣng bởi các biến ngôn ngữ: NB: negative big, NM: negative medium, NS: negative small, ZE: zero, PS: positive small, PM: positive medium, PB: positive big.

Hình 3-8Hàm liên thuộc của đầu vào ei

Tƣơng tự không gian vật lý của đầu vào dei đƣợc chia thành các miền nhƣ Hình 3-9 bởi các hàm liên thuộc tam giác cân đặc trƣng cho các biến ngôn ngữ: NB: negative big, NS: negative small, ZE: zero, PS: positive small, PB: positive big.

Hình 3-9Hàm liên thuộc của đầu vào dei

24

Hình 3-10Hàm liên thuộc của đầu ra distance

3.3.2.4 Nguyên tắc thiết kế bộ điều khiển mờ

Dựa vào những nguyên tắc nhƣ phần 3.3.1 thì ei chỉ âm khi đầu hàn lệch về phía phải so với mặt phẳng tâm rãnh hàn và dƣơng khi đầu hàn lệch về phía trái rãnh hàn. Hay nói cách khác ei càng gần đạt đến giá trị NB: negative big thì cần phải điều chỉnh cho đầu ra distance càng gần đến PB: positive big để đầu hàn về vị trí chính giữa rãnh (di chuyển về phía trái) càng nhanh. Tƣơng tự ngƣợc lại cho trƣờng hợp đầu hàn lệch trái (ei positive) thì cần điều chỉnh đầu hàn về phía phải rãnh hàn (negative).

Giả sử dei đang có giá trị âm, tức là sai số ei hiện tại đang nhỏ hơn sai số ei quá khứ.Nếu lúc đó ei đang dƣơng (lệch trái) thì có nghĩa đầu hàn đang chuyển động về phải (để ei giảm), lúc đó cần giảm giá trị âm của đầu ra distance so với khi không xét đến dei.Còn nếu lúc đó ei đang âm (lệch phải) thì có nghĩa đầu hàn đang chuyển động về phía phải thêm nữa, lúc đó cần tăng giá trị dƣơng của đầu ra distance so với khi không xét tới dei. Vậy khi dei có giá trị càng âm (negative big) thì ta cần tăng giá trị đầu ra distance càng dƣơng (positive big).

Tƣơng tự ngƣợc lại nếu dei có giá trị càng dƣơng (positive big) thì ta cần giảm giá trị đầu ra distance càng âm (negative big).

3.3.2.5 Các luật mờ cơ sở

Dựa vào các nguyên tắc ở phần trên ta thiết lập các luật suy diễn mờ dựa trên các biến ngôn ngữ.Đầu vào ei có 7 biến ngôn ngữ, đầu vào dei có 5 biến ngôn ngữ,

25

vậy ta cần thiết lập 7 x 5 = 35 luật để mô tả tất cả hệ thống.Đầu ra distance có 7 biến ngôn ngữ nên sẽ có những luật có cùng hệ quả đầu ra. Các luật đƣợc thiết lập cụ thể nhƣ sau:

o Luật 1: Nếu ei là NB và dei là NB thì distance là PB.

o Luật 2: Nếu ei là NB và dei là NS thì distance là PB.

o Luật 3: Nếu ei là NB và dei là ZE thì distance là PB.

o ……

o Luật 34: Nếu ei là PB và dei là PS thì distance là NB.

o Luật 35: Nếu ei là PB và dei là PB thì distance là NB

Bảng 3-1 Các luật suy diễn mờ

DISTANCE EI NB NM NS ZE PS PM PB DEI NB PB PB PM PM ZE NS NM NS PB PB PM PS ZE NM NB ZE PB PM PS ZE NS NM NB PS PB PM ZE NS NM NB NB PB PM PS ZE NM NM NB NB 3.3.2.6 Luật hợp thành và giải mờ

Ứng dụng logic mờ trong bài toán này:

o Phép OR thay bằng hàm MAX.

o Phép AND thay bằng hàm MIN.

o Luật hợp thành đƣợc sử dụng là MAX – PRODUCT.

o Phƣơng pháp giải mờ CENTER OF GRAVITY.

Giải bài toán với một trƣờng hợp cụ thể bất kỳ khi ei = x và dei = y, khi đó đầu ra distance= z. Ta cần tính giá trị đầu ra z này cho mỗi trƣờng hợp (x;y).

26 Ta có:

( ) [min( ( ), ( ))]. ( )

z

x

y

z

o z_k [ 1;1]: khoảng giá trị đầu ra.

o k = 1…N, độ lớn của N quyết đinh độ mịn của đầu ra nhƣng phụ thuộc vào khả năng tính toán của vi xử lý.

Vậy: 7, 5 1, 1

( ) ( )

z



z

Trong đó: là phép toán hợp n phần tử đƣợc thay bằng hàm MAX. Cuối cùng ta có đầu ra của bộ điểu khiển mờ nhƣ sau:

1 1

( ).

( )

z z

z

z

Với giá trị đầu ra này ta nhân với một hệ số biến đổi để cho ra giá trị cấp xung PWM cho động cơ điều khiển vị trí đầu hàn.