- Bộ điều khiển PI có đặc tính rất tốt trong các kết quả mô phỏng. Vì vậy với các đối tƣợng xác định đƣợc thông số, nên thiết kế bộ điều khiển kinh điển hoặc bộ điều khiển số. Đối với các đối tƣợng không thể, hoặc khó xác định đƣợc thông số của chúng, ta thiết kế theo phƣơng pháp mờ.
- Các bộ điều khiển mờ chỉ tác động tốt với 1 giá trị đặt, với giá trị đặt khác tồn tại sai lệch tĩnh. Vì vậy, các bài toán điều khiển theo chu trình ta nên thiết kế theo phƣơng pháp kinh điển, số, hoặc sử dụng mờ lai.
- Đặc tính quá độ của hệ thống khi có bộ điều khiển PID là tƣơng đối tốt. Ở trạng thái xác lập không có sai lệch tĩnh, thời gian hệ khắc phục đƣợc phụ tải là tƣơng đối tốt. Ƣu điểm nổi bật của nó là triệt tiêu đƣợc sai lệch tĩnh và nhiễu phụ tải do có thành phần tích phân, luôn bám theo tín hiệu đặt.
- Bộ điều khiển mờ tĩnh, mặc dù đáp ứng của hệ thống không có độ quá điều chỉnh nhƣng thời gian để hệ thống khắc phục đƣợc phụ tải kéo dài, tác động chậm hơn bộ điều khiển PID, bộ điều khiển mờ động và bộ điều khiển ứng dụng đại số gia tử.
- Bộ điều kiển ứng dụng đại số gia tử có phản ứng nhanh nhất, thể hiện ở thời gian quá độ ít nhất, triệt tiêu nhanh nhiễu phụ tải. Nhƣợc điểm lớn nhất của bộ điều khiển cũng giống nhƣ các bộ điều khiển mờ: chỉ tác động tốt với một giá trị đặt duy nhất.
4.5. TỔNG KẾT
Để khẳng định phƣơng pháp, trong chƣơng này đã đƣa ra một ví dụ minh hoạ về điều khiển: “Bài toán điều khiển lò điện trở”. Trên cơ sở yêu cầu của hệ thống và các thông số cũng nhƣ mô hình toán học của hệ thống . Lời giải bài toán đƣợc thể hiện trên cả cách tiếp cận bằng logic mờ và đại số gia tƣ̉ . Kết quả đã cho thấy nhƣ̃ng ƣu điểm vƣợt trội của phƣơng pháp sƣ̉ dụng đại số gia tƣ̉ so với sƣ̉ dụng logic mờ truyền thống.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
KẾT LUẬN
Nhƣ đã trình bày trong phần mở đầu, đề tài “Nghiên cứu ứng dụng đại số gia tử trong điều khiển” là một đề tài phong phú và phức tạp. Cụ thể, sử dụng đại số gia tử giải quyết các bài toán điều khiển mà các bài toán này có các tham số là các giá trị phi tuyến.
Trong bản luận văn này, tôi đã trình bày một số vấn đề sau:
Nghiên cứu lý thuyết mờ, bộ điều khiển mờ và ứng dụng của nó trong bài toán điều khiển. Xây dựng đƣợc thuật toán điều khiển.
Nghiên cứu lý thuyết đại số gia tử và ứng dụng đại số gia tử xây dựng thuật toán thực hiện bài toán điều khiển.
So sánh một số lợi điểm của phƣơng pháp điều khiển sử dụng đại số gia tử so với điều khiển mờ truyền thống trong bài toán cụ thể “Điều khiển lò nhiệt”. Nghiên cƣ́u khảo sát và đề xuất phƣơng pháp chọn các gia tử hợp lý để xác
định giá trị ngƣ̃ nghĩa định lƣợng, cụ thể cho bài toán nói trên.
Tuy nhiên với trình độ và thời gian có hạn nên luận văn không tránh khỏi sai sót. Vì vậy tôi rất mong nhận đƣợc sự giúp đỡ của các thầy giáo, cô giáo và cộng tác của đồng nghiệp.
Cuối cùng, một lần nữa tôi xin chân thành bày tỏ lòng biết hơn sâu sắc đến thầy giáo hƣớng dẫn TS. Vũ Nhƣ Lân, các thầy giáo, cô giáo Viện Công nghệ thông tin, Khoa Công nghệ thông tin – Đại học Thái Nguyên, trƣờng Đại học Công nghệ thông tin và truyền thông – Đại học Thái Nguyên, Phòng thực hành triển khai – trƣờng Đại học Công nghệ thông tin và truyền thông và các đồng nghiệp đã giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt
[1]. Bùi Công Cƣờng, Nguyễn Doãn Phƣớc, Hệ mờ mạng nơron và ứng dụng, NXB Khoa học kỹ thuật, 2000.
[2]. Bùi Công Cƣờng, Nguyễn Hoàng Phƣơng, Nguyễn Doãn Phƣớc, Phan Xuân Minh, Chu Văn Hỷ, Hệ mờ và ứng dụng, NXB Khoa học kỹ thuật, 1999. [3]. N.V.Lan, Vũ Chấn Hƣng, Đặng Thành Phu, tạp chí “Tin học và điều khiển”,
Điều khiển trong điều kiện bất định trên cơ sở logic mờ và khả năng sử dụng đại số gia tử trong các luật điều khiển, T.18, S.3, 211-212, 2002.
[4]. Phạm Công Ngô, Lý thuyết điều khiển tự động, NXB Khoa học kỹ thuật, 1998.
[5]. Phan Xuân Minh, Nguyễn Doãn Phƣớc, Lý thuyết điều khiển mờ, NXB Khoa học kỹ thuật, 1997.
[6]. Đỗ Trung Tuấn, Hệ chuyên gia, NXB Giáo dục, 1999.
[7]. Nguyễn Trọng Thuần, Điều khiển logic và ứng dụng, NXB Khoa học kỹ thuật, 2002.
[8]. Nguyễn Tiến Duy ,ứng dụng đại số gia tử cho bài toán điều khiển mô hình máy bay hạ cánh,luận văn cao học 2007
Tiếng Anh
[9]. Cho Y.W., Park M, An indirect model reference adaptive fuzzy control SISO Takagi-Sugeno model, Fuzzy set and system, 131 197-215, 2002.
[10]. Ho N.C., Wechler W. Hedge algebras, An algebraic approach to structure of sets linguistic truth values, Fuzzy set and system, 35, 218-293, 1990.
[11]. Ho N.C., Wechler, Extended hedge algebras and their application to fuzzy logic, Fuzzy set and system, 52, 259-281, 1992.
[12]. Ho N.C, Nam H.V, Khang T.D, Chau N.H, Hedge algebras, linguistic-value logic and their application to fuzzy logic reasoning, Internat. J. Uncertainly fuzziness knowledge-based systems, 7 (4), 347-361, 1999.
[13]. Ho N.C, Nam H.V, An algebraic approach to linguistic hedges in Zadeh’s fuzzy logic, Fuzzy set and system, 129, 229-254, 2002.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
[14]. Ross T.J, Fuzzy logic with Engineering applications, International Edition, McGraw-Hill, Inc, 1997.
[15]. RJ Mark II IEEE, Fuzzy logic Tecnology and Application, 1994.
[16]. M.N. Uddin, T.S. Radwan, M.A. Rahman – IEEE, Performances of Novel Fuzzy Logic Based Indirect vector Control for Induction Motor Drive, 2000. [17]. William S.Levine, Using Matlab to analyze and Design Control System,
University of Maryland, 1999.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan Luận văn “ Ứng dụng đại số gia tử trong điều khiển lò điện trở” là công trình nghiên cứu của riêng tôi dƣới sƣ̣ hƣớng dẫn của TS . Vũ Nhƣ Lân. Các số liệu và thông tin sử dụng trong luận văn này là trung thực. Tôi xin chịu trách nhiệm về lời cam đoan của mình.
Tác giả
Đặng Ngọc Linh
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ... 1
CHƢƠNG I ... 4
GIỚI THIỆU CƠ SỞ LÝ THUYẾT MỜ VÀ LOGIC MỜ ... 4
1.1. KHÁI NIỆM VỀ TẬP MỜ VÀ LOGIC MỜ ... 4
1.1.1. Định nghĩa tập mờ ... 4
1.1.2. Độ cao, miền xác định và miền tin cậy của tập mờ ... 4
1.2. CÁC PHÉP TOÁN LOGIC TRÊN TẬP MỜ ... 5
1.2.1. Phép hợp hai tập mờ ... 6
1.2.2. Phép giao hai tập mờ... 8
1.2.3. Phép bù của một tập mờ... 10
1.2.4. Phép kéo theo ... 12
1.3. QUAN HỆ MỜ ... 13
1.3.1. Khái niệm quan hệ mờ ... 13
1.3.2. Phép hợp thành ... 14 1.3.3. Phƣơng trình quan hệ mờ ... 14 1.4. MỜ HÓA ... 14 1.5. LUẬT HỢP THÀNH MỜ. ... 16 1.5.1. Mệnh đề hợp thành ... 16 1.5.2. Mô tả mệnh đề hợp thành mờ ... 17 1.5.3. Luật hợp thành mờ ... 22
1.5.4. Thuật toán thực hiện luật hợp thành đơn max-MIN, max-PROD cấu trúc SISO ... 24
1.5.5. Thuật toán xác định luật hợp thành đơn cấu trúc MISO ... 29
1.5.6. Thuật toán xác định luật hợp thành kết hợp max-MIN, max-PROD ... 30
1.5.7. Thuật toán xác định luật hợp thành kết hợp sum-MIN, sum-PROD ... 34
1.6. GIẢI MỜ ... 35
1.6.1. Phƣơng pháp cực đại ... 36
1.6.2. Phƣơng pháp trọng tâm ... 38
1.7. TỔNG KẾT ... 40
CHƢƠNG 2 ... 41
GIỚI THIỆU VỀ NGUYÊN TẮC ĐIỀU KHIỂN BẰNG LOGIC MỜ ... 41
2.1. BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ CƠ BẢN ... 41
2.1.1. Mờ hoá ... 42
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
2.1.2. Sử dụng các toán tử mờ - khối luật mờ ... 43
2.1.3. Sử dụng luật hợp thành ... 44
2.1.4. Giải mờ ... 44
2.2. NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN MỜ ... 45
2.3. NGUYÊN TẮC TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ ... 47
2.3.1. Định nghĩa các biến vào/ra ... 48
2.3.2. Xác định tập mờ ... 48
2.3.3. Xây dựng các luật điều khiển... 49
2.3.4. Chọn thiết bị hợp thành ... 49
2.3.4. Chọn nguyên lý giải mờ ... 49
2.3.5. Tối ƣu ... 50
2.4. TỔNG KẾT ... 50
CHƢƠNG 3 ... 51
CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA ĐẠI SỐ GIA TỬ VÀ SUY LUẬN MỜ ... 51
3.1. ĐẠI SỐ GIA TỬ ... 51
3.1.1. Dẫn nhập ... 51
3.2.2. Định nghĩa đại số gia tử ... 52
3.2. CÁC ĐẠI LƢỢNG ĐO TRÊN ĐẠI SỐ GIA TỬ ... 55
3.2.1. Các hàm đo ... 55
3.2.2. Định lƣợng đại số gia tử ... 56
3.2.2.1. Tính mờ của một giá trị ngôn ngữ ... 57
3.2.2.2. Xây dựng hàm định lƣợng ngữ nghĩa trên cơ sở độ đo tính mờ của gia tử ... 58
3.3. CHUYỂN ĐIỀU KHIỂN MỜ SANG ĐIỀU KHIỂN DÙNG ĐẠI SỐ GIA TỬ ... 59
3.3.1. Điều khiển mờ kinh điển ... 59
3.3.2. Điều khiển sử dụng đại số gia tử ... 59
3.4. TỔNG KẾT ... 60
CHƢƠNG 4 ... 61
ĐIỀU KHIỂN LÕ ĐIỆN TRỞ SỬ DỤNG LOGIC MỜ VÀ ĐẠI SỐ GIA TỬ ... 61
4.1 CÔNG NGHỆ VÀ MÔ TẢ TOÁN HỌC CỦA LÕ ĐIỆN TRỞ... 61
4.1.1. Khái niệm chung ... 61
4.1.2. Sơ đồ về kết cấu lò điện trở ... 62
4.1.3. Lựa chọn các phƣơng án cho mạch lực của lò ... 65
4.1.4. Mô hình đối tƣợng điều khiển... 66
4.2. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ. ... 67
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
4.2.1. Bộ điều khiển mờ tĩnh... 67
4.2.2. Bộ điều khiển mờ động ... 70
4.2.3. Thiết kế bộ điều khiển số và điều khiển mờ cho lò ... 74
4.2.4. Thiết kế bộ điều khiển PID kinh điển ... 77
4.2.5. Thiết kế bộ điều khiển số ... 79
4.2.6. Mô phỏng bộ điều khiển số ... 80
4.2.7. Thiết kế bộ điều khiển mờ tĩnh ... 81
4.2.8. Thiết kế bộ điều khiển mờ động. ... 85
4.3. ĐIỀU KHIỂN MỜ SỬ DỤNG ĐẠI SỐ GIA TỬ ... 90
4.3.2. Thiết kế mờ sử dụng đại số gia tử cho lò nƣớng ... 93
4.4. TỔNG HỢP KẾT QUẢ ... 98
4.4.1. Tác động của các bộ điều chỉnh ... 98
4.4.2. Kết luận ... 103
4.5. TỔNG KẾT ... 103
KẾT LUẬN ... 104
TÀI LIỆU THAM KHẢO ... 105
Tiếng Việt ... 105
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 :Tập mờ và tập rõ ... 4
Hình 1.2 : Mô tả giá trị ngôn ngữ bằng tập mờ ... 15
Hình 1.3 : a. Hàm thuộc thấp(x) và tăng(y) ... 21
Hình 1.3 b. B’(y) xác định theo quy tắc hợp thành MIN ... 21
Hình 1.3 c. B’(y) xác định theo quy tắc hợp thành PROD ... 21
Hình 1.4 a: Giá trị đầu vào rõ; Hình 1.4 b: Giá trị đầu vào mờ ... 22
Hình 1.5: Bộ điều khiển mờ với quy tắc max-MIN ... 24
Hình1.6 : Rời rạc hoá hàm thuộc ... 25
Hình 1.7: Xây dựng R theo quy tắc max-PROD ... 27
Hình 1.8 : Hàm thuộc của các giá trị thấp, cao cho biến nhiệt độ và tăng, giảm cho biến điều khiển ... 30
Hình 1.9: Hàm thuộc của hợp hai luật điều khiển ... 31
Hình 1.10 : Mô hình hoá với quy tắc sum-MIN ... 35
Hình 1.11 : Mô hình bộ điều khiển mờ ... 35
Hình 1.12: Giải mờ bằng phƣơng pháp cực đại ... 36
Hình 1.17 a: Giá trị rõ y’ là hoành độ của điểm trọng tâm ... 39
Hình 1.17 b: Xác định giá trị rõ y’ theo phƣơng pháp điểm trọng tâm ... 39
khi miền giá trị của tập mờ B’ không liên thông ... 39
Hình 2.1 : Bộ điều khiển mờ cơ bản ... 41
Hình 2.2: Một bộ điều khiển mờ động ... 42
Hình 2.3 : Hệ kín, phản hồi âm và bộ điều khiển mờ ... 45
Hình 2.4 : Bộ điều khiển mờ PID... 47
Hình 3.1: Tính mờ của giá trị ngôn ngữ ... 57
Hình 4.1 : Cấu tạo lò điện trở dạng buồng ... 64
Hình 4.2 sơ đồ rơle kết hợp với Thyristor ... 65
Hình 4.3 :Dùng hai Thyristor mắc ngƣợc cực ... 66
Hình 4.11 : Sơ đồ mạch động lực ... 74
Hình 4.12 : đồ thị tín hiệu điều khiển ... 75
Hình 4.13 : Sơ đồ khối hệ thống điều khiển nhiệt độ lò điện trở dùng máy tính... 76
Hình 4.14 : Sơ đồ khâu phản hồi ... 76
Hình 4.15 : Sơ đồ cấu trúc của hệ thống ... 77
Hình 4.15.1 : Sơ đồ cấu trúc của hệ thống ... 77
Hình 4.15.2 : Sơ đồ cấu trúc của hệ thống ... 78
Hình 4.15.3 : Sơ đồ cấu trúc của hệ thống ... 78
Hình 4.16 : cấu trúc của hệ thống ... 79
Hình 4.17 : Sơ đồ cấu trúc hệ thống ... 80
Hình 4.18 : Kết quả mô phỏng (giá trị đặt 150oC, 200oC, 250oC) ... 80
Hình 4.19 : Hàm liên thuộc đầu vào ET ... 82
Hình 4.20: Hàm liên thuộc đầu ra ... 82
Hình 4.21: luật điều khiển ... 83
Hình 4.22: Chọn thiết bị hợp thành và nguyên lý giải mờ ... 83
Hình 4.23 : quan hệ vào ra của bộ điều khiển mờ ... 84
Hình 4.24 : Sơ đồ cấu trúc của hệ thống bộ điều khiển mờ tĩnh ... 84
Hình 4.25 : Kết quả mô phỏng (với các giá trị đặt 150oC, 200oC, 250oC) ... 85
Hình 4.26: Hàm liên thuộc đầu vào ET ... 86
Hình 4.27: Hàm liên thuộc đầu vào DET ... 86
Hình 4.28:Hàm liên thuộc đầu ra ... 87
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 4.29 : Chọn thiết bị hợp thành và nguyên lý giải mờ... 88
Hình 4.30 : mối quan hệ vào ra của bộ điều khiển mờ ... 88
Hình 4.31: Sơ đồ cấu trúc hệ thống bộ điều khiển mờ động ... 89
Hình 4.32 : Kết quả mô phỏng (với các giá trị đặt 150oC, 200oC, 250oC) ... 89
Hình 4.33: Sơ đồ điều khiển mờ HAC ... 91
Hình 4.35:Đƣờng cong ngữ nghĩa trung bình. ... 97
Hình 4.36: Sơ đồ cấu trúc hệ thống bộ điều khiển mờ động ... 97
Hình 4.37 :Kết quả mô phỏng (với các giá trị đặt 150oC, 200oC, 250oC) ... 97
Hình 4.38: Sơ đồ mô phỏng hệ thống ... 98
Hình 4.39 : Kết quả mô phỏng đặt nhiệt độ lò 200 oC ... 99
Hình 4.40 : Kết quả mô phỏng đặt nhiệt độ lò 225 oC ... 99
Hình 4.41 : Kết quả mô phỏng đặt nhiệt độ lò 250 oC ... 100
Hình 4.42 : Kết quả mô phỏng đặt nhiệt độ lò 150 oC ... 100
Hình 4.43 : Điều khiển tổng hợp nhiệt độ lò theo quá trình tăng nhiệt(150:200:250)oC .. 101
Hình 4.44 : Điều khiển tổng hợp nhiệt độ lò theo quá trình giảm nhiệt(250:200:150)oC . 101 Hình 4.45: Sơ đồ mô phỏng hệ thống khi có tác động của nhiễu ... 102
Hình 4.46: Kết quả mô phỏng ... 102
DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng 1.1: bảng mệnh đề logic ... 17
Bảng 1.2: bảng quan hệ tất cả các giá trị có đƣợc B’(y)|x = R(x, y) ... 25
Bảng 1.3 : Bảng giá trị đầu ra tƣơng ứng B’(xi), với giá trị đầu vào xi ... 27
Bảng 4.1 : trạng thái của biến ngôn ngữ ... 81
Bảng 4.2 : trạng thái của biến ngôn ngữ ... 86
Bảng 4.3 : biến đầu vào 1(ET) ... 93
Bảng 4.4: Đối với biến đầu vào 2(DET) ... 93
Bảng 4.5: Đối với biến điều khiển (OUT): ... 94
Bảng 4.6 : chuyển bảng FAM sang bảng SAM ... 95
Bảng 4.7 : Xây dựng đƣờng cong ngữ nghĩa định lƣợng ... 96
DANH MỤC CÁC KÝ TỰ VÀ TÊN VIẾT TẮT Chữ viết tắt Tên đầy đủ
ĐSGT Đại số gia tử Luật P Luật Propotional Luật I Luật Integral Luật D Luật Derivative FLC Fuzzy Logic Control
FAM Fuzzy Associative Memory
HAC Hedge Algebra-based Controller ĐLNN Đại lƣợng ngữ nghĩa
SAM Semantization Association Memory