Luận văn Nghiên cứu thiết kế, khảo sát hệ thống điều khiển sử dụng thuật toán mờ lai

n hiệu chủ ñạo x phải ñược mờ hoá. Trong nhiều trường hợp, ñộ chính xác của hệ thống không phải là ñiều quan tâm số một của bài toán tổng hợp bộ ñiều khiển, mà còn nhiều ñiểm khác quan trọng hơn cần xét với mức ñộ ưu tiên cao hơn như vấn ñề tiết kiệm năng lượng, không dao ñộng, robust (bền vững)... và trong nhiều trường hợp người ta cũng ñã rất thoả mãn khi hệ thống tổng hợp ñược làm việc ổn ñịnh và có ñộ bền vững cao. Trái tim của bộ ñiều khiển mờ chính là luật ñiều khiển mờ cơ bản có dạng là tập các mệnh ñề hợp thành cùng cấu trúc nếu ... thì ... và nguyên tắc triển khai các mệnh ñề hợp thành ñó có tên là nguyên tắc MAX - MIN và SUM - MIN... Mô hình R của luật ñiều khiển ñược xây dựng theo một nguyên tắc triển khai ñã chọn trước và có tên là luật hợp thành. Thiết bị thực hiện luật hợp thành trong bộ ñiều khiển mờ là thiết bị hợp thành. Hai thành phần cơ bản là luật ñiều khiển và nguyên tắc triển khai hình thành nên cuộc sống của bộ ñiều khiển mờ mà ở ñó nguyên tắc triển khai như một ñộng cơ và luật ñiều khiển như là nguồn cung cấp năng lượng cho ñộng cơ quay. ðể cho thiết bị thực hiện luật ñiều khiển làm việc ñúng chế ñộ phải chọn cho nó các biến ngôn ngữ hợp lý có khả năng biểu diễn các ñại lượng vào/ra chuẩn và phù hợp với luật ñiều khiển. Dạng ñúng của các luật ñiều khiển mờ cơ bản ñược hình thành nhờ quá trình luyện tập và kinh nghiệm thiết kế. Tuy thiết bị hợp thành là phần quan trọng nhất trong bộ ñiều khiển mờ, nhưng nó chưa phải là tất cả của một bộ ñiều khiển mờ. Trong nhiều trường Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật .. 32 hợp, các thông tin về sai lệch giữa tín hiệu chủ ñạo x và tín hiệu ra y chưa ñủ ñể tạo luật ñiều khiển. Với các bài toán ñiều khiển ñộng, bộ ñiều khiển mờ còn ñòi hỏi phải có các thông tin về ñạo hàm của sai lệch hay tích phân của sai lệch ñể cung cấp thêm cho các ñại lượng ñầu vào cho thiết bị hợp thành. Trong nhiều trường hợp, các ñại lượng vào này phải ñược số hoá một cách phù hợp cho thiết bị hợp thành. Tương tự như vậy với các giá trị ra của hệ thống, không phải trong trường hợp nào cũng cần các tín hiệu ra rõ mà có trường hợp lại cần giá trị tích phân của tín hiệu ra. ðối với các hệ thống ñiều khiển gián ñoạn có bộ ñiều khiển mờ, khi nó còn làm việc trên cơ sở các tín hiệu số, có thể thiết kế các bộ ñiều chỉnh luật P (luật tỉ lệ), theo luật I (luật tích phân) và theo luật D (luật vi phân) như sau: Hình 2.3. Bộ ñiều khiển mờ có khâu P, khâu D trong giao diện ñầu vào và khâu I trong giao diện ñầu ra. - Luật ñiều khiển P: yk = K.xk, trong ñó K là hệ số khuếch ñại - Luật ñiều khiển I: yk+1 = yk+ a I T T xk, với TI là hằng số tích phân. - Luật ñiều khiển D: yk+1 = a D T T (xk - yk), với TD là hằng số vi phân. Trong ñó Ta là chu kì gián ñoạn (chu kì lấy mẫu tín hiệu) ðối với các bài toán tổng thể phải cần ñến nhiều thiết bị thực hiện luật Luật ñiều khiển ðối tượng Thiết bị hợp thành và giải mờ I D P Thiết bị ño Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật .. 33 ñiều khiển kiểu mắc nối tiếp hoặc mắc song song hay mắc kiểu mạng như trong hình 2.4. Hình 2.4. Hệ ñiều khiển mờ với 2 thiết bị hợp thành nối song song 2.2 Các bước tổng hợp bộ ñiều khiển mờ ðể tổng hợp ñược các bộ ñiều khiển mờ và cho nó hoạt ñộng một cách hoàn thiện ta cần thực hiện qua các bước sau: - ðịnh nghĩa tất cả các biến ngôn ngữ vào và ra. - ðịnh nghĩa tập mờ (giá trị ngôn ngữ) cho các biến ngôn ngữ vào/ra. - Xây dựng các luật ñiều khiển (mệnh ñề hợp thành). - Chọn thiết bị hợp thành (MAX - MIN hay SUM - MIN). - Tối ưu hệ thống Luật ñiều khiển ðối tượng Thiết bị hợp thành và giải mờ thứ 1 I2 I1 P2 P1 D1 D2 Thiết bị hợp thành và giải mờ thứ 2 Luật ñiều khiển Thiết bị ño Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật .. 34 2.2.1. ðịnh nghĩa các biến vào ra ðại lượng vào thứ nhất của bộ ñiều khiển là chênh lệch nhiệt ñộ giữa giá trị ñặt và nhiệt ñộ thực ký hiệu ET. Ngoài ñộ chênh lệch còn sử dụng sự biến ñổi theo thời gian của sai lệch giữa tín hiệu chủ ñạo và tín hiệu ra của ñối tượng (ñạo hàm dt dET ). Ký hiệu là DET. Như vậy thiết bị hợp thành có hai biến vào một biến ra (cấu trúc bộ ñiều khiển mờ như hình 2.3.) 2.2.2. Xác ñịnh tập mờ Tiếp theo cần ñịnh nghĩa biến ngôn ngữ vào ra bao gồm số các tập mờ và dạng các hàm liên thuộc của chúng. ðể làm ñược việc ñó ta cần xác ñịnh: a. Miền giá trị vật lý của các biến ngôn ngữ (cơ sở) Sai lệch nhiệt ñộ ET ñược chọn trong miền giá trị từ -1 ñến +1 Tốc ñộ biến ñổi DET có giá trị biến ñổi từ -2 ñến +2 ðầu ra biến ñổi từ 0.2 ñến 1 b. Số lượng tập mờ (giá trị ngôn ngữ) Về nguyên tắc số lượng các giá trị ngôn ngữ cho mối biến ngôn ngữ nên nằm trong khoảng từ 3 ñến 10 giá trị. Nếu số lượng giá trị ít hơn 3 thì có ít ý nghĩa, vì không thực hiện ñược việc lấy vi phân. Nếu lớn hơn 10, con người khó có khả năng bao quát, vì con người phải nghiên cứu ñầy ñủ ñể ñồng thời phân biệt khoảng 5 ñến 9 phương án khác nhau và có khả năng lưu giữ trong một thời gian ngắn. Nói chung có thể xác ñịnh các biến ngôn ngữ cho hệ ñiều khiển nhiệt ñộ như các dạng sau: Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật .. 35 {âm, không, dương} hoặc {âm, âm ít, không, dương ít, dương} hoặc {âm nhiều, âm, âm ít, không, dương ít, dương, dương nhiều} Chẳng hạn chọn 7 giá trị ngôn ngữ và ký hiệu chữ viết tắt cho ñơn giản: âm nhiều : NB (Negativ Big) âm : NM (Negativ Medium) âm ít : NS (Negativ Small) không : ZR (Zero) dương ít : PS (Positiv Small) dương : PM (Positiv Medium) dương nhiều : PB (Positiv Big) Với qui ước như vậy thì miền giá trị ngôn ngữ của các biến vào ra sẽ là: ET ∈ {NB, NM, NS, ZR, PS, PM, PB} DET ∈ {NB, NM, NS, ZR, PS, PM, PB} OUT ∈ {NB, NM, NS, ZR, PS, PM, PB} c. Xác ñịnh hàm liên thuộc Xác ñịnh hàm liên thuộc rất quan trọng vì quá trình làm việc của bộ ñiều 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 ñã biết trước và mô hình hoá nó cho ñến khi nhận ñược bộ ñiều khiển mờ làm việc như mong muốn. Cần chọn các hàm liên thuộc có phần chồng lên nhau và phủ kín miền giá trị vật lý ñể trong quá trình ñiều khiển không xuất hiện “lỗ trống”. Trong trường hợp với một giá trị vật lý rõ x0 của biến ñầu vào mà tập mờ B’ ñầu ra có ñộ cao bằng 0 (miền xác ñịnh là tập rỗng) và bộ ñiều khiển không thể ñưa ra quyết ñịnh ñiều khiển nào ñược gọi là hiện tượng “cháy nguyên tắc”, lý do Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật .. 36 là hoặc không ñịnh nghĩa ñược nguyên tắc ñiều khiển phù hợp hoặc là do các tập mờ của biến ngôn ngữ co những “lỗ hổng”. Cũng như vậy ñối với biến ra, các hàm liên thuộc dạng hình thang với với ñộ xếp chồng lên nhau rất nhỏ, nhìn chung không phù hợp với bộ ñiều khiển mờ vì những lý do ñã trình bày ở trên. Nó tạo ra một vùng “chết” trong trạng thái làm việc của bộ ñiều khiển. Trong một vài trường hợp ñặc biệt, chọn hàm liên thuộc hình thang hoàn toàn hợp lý, ñó là trường hợp mà sự thay ñổi các miền giá trị của tín hiệu vào không kéo theo sự thay ñổi bắt buộc tương ứng cho miền giá trị của tín hiệu ra. Nói chung, hàm liên thuộc ñược chọn sao cho miền tin cậy của nó chỉ có một phần tử, hay nói cách khác chỉ tồn tại một ñiểm vật lý có ñộ phụ thuộc bằng ñộ cao của tập mờ. Trong ví dụ ñiều khiển nhiệt ñộ này tập mờ ñược chọn có dạng hình tam giác cân ( 1=α=β ) như vẽ trên. 2.3.3. Xây dựng các luật ñiều khiển Khi xây dựng các luật ñiều khiển cần lưu ý là ở vùng lân cận ñiểm không (ví dụ như trường hợp DT = ZE) không ñược tạo ra các “lỗ hổng”, bởi Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật .. 37 vì khi gặp phải “lỗ hổng” xung quanh ñiểm làm việc bộ ñiều khiển sẽ không thể làm việc ñúng theo như trình tự ñã ñịnh. Với bộ ñiều khiển nhiệt ñộ ta chọn các nguyên tắc ñiều khiển sau: ðể xây dựng luật hợp thành ta dựa trên hình vẽ luật chỉnh ñịnh PID dưới ñây. Hình 2. Luật chỉnh ñịnh PID 2.3.4. Chọn thiết bị hợp thành Có thể chọn thiết bị hợp thành theo những nguyên tắc như ñã trình bày trong chương 1 bao gồm: - Sử dụng luật MAX-MIN, MAX-PROD - Sử dụng luật SUM-MIN, SUM-PROD 2.3.5. Chọn nguyên lý giải mờ Phương pháp giải mờ ñược chọn cũng gây ảnh hưởng ñến ñộ phức tạp và trạng thái làm việc của toàn bộ hệ thống. Thường trong thiết kế hệ thống ñiều khiển mờ, giải mờ bằng phương pháp ñiểm trọng tâm có ưu ñiểm hơn cả. 2.3.6. Tối ưu hệ mờ Sau khi bộ ñiều khiển mờ ñã ñược thực hiện, có thể ghép nối nó với ñối tượng ñiều khiển thực hoặc với một ñối tượng mô phỏng ñể thử nghiệm. Trong quá trình thử nghiệm cần ñặc biệt kiểm tra xem có tồn tại “lỗ hổng” nào trong quá trình làm việc hay không, tức là phải xác ñịnh xem tập các luật ñiều khiển ñược xây dựng có ñầy ñủ hay không ñể khắc phục. Nguyên nhân Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật .. 38 của hiện tượng “lỗ hổng” có thể do việc thiết lập các nguyên tắc ñiều khiển chung quanh ñiểm làm việc không phủ lên nhau hoàn toàn, hoặc là có một số kết quả sai trong các nguyên tắc ñiều khiển ñược thiết lập. Một hiện tượng nữa có thể xảy ra là bộ ñiều khiển làm việc không ổn ñịnh, vì nó nằm quá xa ñiểm làm việc. Trong mọi trường hợp trước hết nên xem lại các luật ñiều khiển cơ sở. Sau khi ñã ñảm bảo ñược bộ ñiều khiển làm việc ổn ñịnh và không có các “lỗ hổng”, bước tiếp theo là tối ưu trạng thái làm việc của nó theo các chỉ tiêu khác nhau. Chỉnh ñịnh bộ ñiều khiển theo các chỉ tiêu này chủ yếu ñược thực hiện thông qua việc hiệu chỉnh hàm liên thuộc và thiết lập thêm các nguyên tắc ñiều khiển bổ sung hoặc sửa ñổi lại các nguyên tắc ñiều khiển ñã có. Việc chỉnh ñịnh sẽ rất có hiệu quả nếu như ñược thực hiện trên một hệ kín. Khi xử lý các kết quả chỉnh ñịnh cần ñặc biệt ñể 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 ñổi khi chỉnh ñịnh thường khó nhận biết. Trong các trường hợp ñó tốt hơn là nên thực hiện từng bước và ghi lại biên bản cho từng trường hợp. 2.3 Bộ ñiều khiển mờ lai 2.3.1 Khái quát Thực tế ứng dụng của kỹ thuật ñiều khiển mờ không phải cứ thay thế một bộ ñiều khiển kinh ñiển bằng một bộ ñiều khiển mờ thì hệ thống ñáp ứng tốt hơn. Trong nhiều trường hợp ñặc biệt ñể hệ thống có tính ñộng học tốt và bền vững cần phải thiết kế thiết bị ñiều khiển kết hợp giữa bộ ñiều khiển mờ và bộ ñiều khiển kinh ñiển. Từ ñó mới có khái niệm mờ lai ñể nâng cao chất lượng của hệ thống. Hệ mờ lai là một hệ thống ñiều khiển tự ñộng trong ñó thiết bị ñiều khiển có 2 thành phần: Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật .. 39 - Phần thiết bị ñiều khiển rõ (thường là bộ PID kinh ñiển) - Phần thiết bị ñiều khiển mờ Sử dụng bộ ñiều khiển mờ lai sẽ phát huy ñược cả ưu ñiểm của bộ ñiều khiển rõ và ñiều khiển mờ. Ta xét một cấu trúc ñiều khiển có hai cấu trúc vòng, một trong hai vòng sử dụng bộ ñiều khiển mờ. Vì vậy có 2 khả năng kết hợp là: • Bộ ñiều khiển mờ ñược sử dụng ở mạch vòng trong, mạch vòng ngoài sử dụng bộ ñiều khiển kinh ñiển PID. Bộ ñiều khiển mờ lai xây dựng theo phương pháp này ñược gọi là bộ mờ lai kinh ñiển. • Bộ ñiều khiển mờ ñược sử dụng ở mạch vòng trong, mạch vòng trong sử dụng bộ ñiều khiển kinh ñiển PID. Bộ ñiều khiển mờ lai xây dựng theo phương pháp này ñược gọi là bộ mờ lai chỉnh ñịnh mờ cho bộ ñiều khiển PID. So với hệ ñiều khiển kinh ñiển, hệ ñiều khiển mờ lai có nhiều tham số chỉnh ñịnh rất lớn. Bên cạnh các tham số K, Ti, Td giống như bộ ñiều khiển PID thông thường, ở bộ ñiều khiển mờ ta còn có thể chỉnh ñịnh các tham số khác như hàm liên thuộc, các luật hợp thành, các phép toán OR, AND, NOT, nguyên lý giải mờ vv Trong thực tế hệ ñiều khiển mờ lai ñược sử dụng ngày càng nhiều vì nó có các ưu ñiểm nổi bật so với hệ thông thường. Với khả năng tự chỉnh ñịnh lại các tham số của bộ ñiều khiển cho phù hợp với ñối tượng chưa biết rõ ñã ñưa bộ ñiều khiển mờ lai trở thành hệ ñiều khiển thông minh. Hệ ñiều khiển mờ lai có thể phân thành hai loại: Bộ ñiều khiển mờ tự chỉnh là bộ ñiều khiển mờ có khả năng chỉnh ñịnh các tham số của các tập mờ (các hàm liên thuộc) Bộ ñiều khiển mờ tự thay ñổi cấu trúc là bộ ñiều khiển mờ có khả năng chỉnh ñịnh lại các luật ñiều khiển. ðối với các loại này hệ thống có thể làm việc với một vài luật ñiều khiển ñã ñược chỉnh ñịnh trước hoặc chỉnh ñịnh trước hoặc chưa ñủ các luật. Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật .. 40 2.3.2 Cấu trúc của bộ ñiều khiển mờ ñiều chỉnh hệ số khuếch ñại ðây là bộ ñiều khiển ñơn giản, ñầu ra của bộ ñiều khiển mờ là hệ số khuếch ñại của bộ ñiều khiển PID. Hệ số K này thay ñổi theo sai lệch e và thay ñổi trong dải nhất ñịnh sơ ñồ ñiều khiển theo hình vẽ dưới ñây: Hình 2.5. Cấu trúc bộ mờ ñiều chỉnh hệ số khuếch ñại mờ 1 ñầu vào Hình 2.6. Cấu trúc bộ mờ chỉnh ñịnh hệ số khuếch ñại mờ 2 ñầu vào 2.3.3 Cấu trúc của bộ ñiều khiển mờ ñiều chỉnh hằng số tích phân ðây là bộ ñiều khiển với ñầu ra của bộ ñiều khiển mờ là hằng số thời gian của bộ ñiều khiển PID. Hằng số thời gian này thay ñổi theo sai lệch e và thay ñổi trong dải nhất ñịnh sơ ñồ ñiều khiển theo hình vẽ dưới ñây: Hình 2.7. Cấu trúc bộ mờ ñiều chỉnh hằng số Ti một ñầu vào Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật .. 41 Hình 2.8. Cấu trúc bộ mờ ñiều chỉnh hằng số Ti 2 ñầu vào 2.3.4 Cấu trúc của bộ ñiều khiển mờ ñiều chỉnh hằng số tích phân và hệ số khuếch ñại. ðây là bộ ñiều khiển mờ lai với hai bộ ñiều khiển mờ ñiều khiển hai thông số là hằng số thời gian Ti và hằng số k. ðầu ra của bộ ñiều khiển mờ thứ nhât chính là hằng số thời gian của bộ ñiều khiển PID và ñầu ra của bộ ñiều khiển mờ thứ hai là hệ số khuếch ñại . Hằng số thời gian và hệ số khuếch ñại này thay ñổi theo sai lệch e và thay ñổi trong dải nhất ñịnh sơ ñồ ñiều khiển theo hình vẽ dưới ñây: Hình 2.9. Cấu trúc bộ mờ 1 ñầu vào ñiều chỉnh hệ số khuếch ñại và hằng số Ti Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật .. 42 Hình 2.10. Cấu trúc bộ mờ 2 ñầu vào ñiều chỉnh hệ số khuếch ñại và hằng số Ti 2.4.5 Bộ ñiều khiển mờ cơ sở Vấn ñề ñặt ra của bản luận văn là xây dựng bộ ñiều khiển mờ cơ sở ñể áp dụng ñiều khiển cho các bộ ñiều khiển khác nhau và ñối tượng khác nhau. Bộ ñiều khiển mờ cơ sở sử dụng ñiều khiển cho ñối tượng làm việc ở các ñiều kiện khác nhau hay ñối tượng ñiều khiển thay ñổi thì ý tưởng là ta chỉ cần thay ñổi hệ số khuếch ñại ñầu vào và ra của bộ ñiều khiển mờ cơ sở thì ñ