Luận văn Xây dựng bộ điều khiển mờ thích nghi để cân bằng tải cho hệ hai động cơ một chiều kích từ độc lập nối cứng trục

MỞ ĐẦU . 1

1. Mục tiêu của luận văn . 1

2. Mục tiêu nghiên cứu. 1

3. Nội dung của luận văn. 2

Chương 1. 2

TỔNG QUAN BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN HAI ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU. 3

NỐI CỨNG TRỤC. 3

1.1. Tổng quan về điều khiển tốc độ động cơ 1 chiều . 3

1.1.1. Các chỉ tiêu kỹ thuật để đánh giá hệ thống điều chỉnh tốc độ [1]. 3

1.1.1.1. Hướng điều chỉnh tốc độ. 3

1.1.1.2. Phạm vi điều chỉnh tốc độ (Dãy điều chỉnh). 3

1.1.1.3. Độ cứng của đặc tính cơ khi điều chỉnh tốc độ. 4

1.1.1.4. Độ bằng phẳng hay độ liên tục trong điều chỉnh tốc độ . 4

1.1.1.5. Tổn thất năng lượng khi điều chỉnh tốc độ: . 5

1.1.1.6. Tính kinh tế của hệ thống khi điều chỉnh tốc độ:. 5

1.1.2. Một số phương pháp điều khiển tốc độ động cơ 1 chiều . 5

1.1.2.1. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ

. 5

1.1.2.2. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông. 6

1.1.2.3. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ trên mạch phần ứng 7

1.1.2.4. Điều chỉnh tốc độ bằng cách rẽ mạch phần ứng . 8

1.1.2.5. Điều chỉnh tốc độ bằng hệ thống máy phát - động cơ ( F - Đ ) . 10

1.2. Bài toán điều khiển hai động cơ một chiều nối cứng trục . 11

1.2.1. Giải pháp truyền thống [8] . 13

1.2.2. Giải pháp đề xuất [1, 9, 10]. 17

1.3. Mô hình điều khiển hệ thống . 19

1.3.1. Đặt vấn đề. 19

1.3.2. Xây dựng cấu trúc điều khiển . 20

1.3.3. Mô hình điều khiển hệ thống 02 động cơ một chiều . 22

1.4. Kết luận chương 1 . 25

Chương 2. 26

TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ THÍCH NGHI . 26

2.1. Tổng quan hệ logic mờ và điều khiển mờ. 26

2.1.1. Hệ Logic mờ. 26

pdf80 trang | Chia sẻ: honganh20 | Ngày: 26/02/2022 | Lượt xem: 314 | Lượt tải: 2download
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Luận văn Xây dựng bộ điều khiển mờ thích nghi để cân bằng tải cho hệ hai động cơ một chiều kích từ độc lập nối cứng trục, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
g công suất đặt vào hệ thống F - Đ quá lớn: gấp 3 lần công tải yêu cầu, vốn đầu tư lớn. + Hiệu suất hoạt động của hệ thống tương đối thấp:  = Pcơ2/Pđ < 0,75 + Đặc tính cơ dốc nên khi có dao động ở phụ tải thì thể hiện rõ hơn nữa. + Ngoài ra, do các máy phát một chiều có từ dư, đặc tính từ hóa có trể nên khó điều chỉnh sâu tốc độ. 11 - Nhận xét: Với hệ thống F - Đ vòng hở ta không thể thực hiện việc ổn định tốc độ động cơ là nhiệm vụ cần thiết đối với các hệ thống truyền động nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm được gia công trên máy, nâng cao chất lượng kỹ thuật của một qui trình công nghệ mà máy sản xuất tham gia hoặc nâng cao năng suất của máy.  Kết luận Trong các phương pháp trên thì phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách điều chỉnh điện áp phần ứng có các ưu điểm hơn như sau : 1) Phạm vi điều chỉnh rộng, do tác động điều khiển tác động ở phần điều khiển của BBĐ nên công suất điều khiển nhỏ dẫn đến dễ thực hiện điều chỉnh trơn và tổn hao công suất điều khiển nhỏ. 2) Việc thay đổi điện áp phần ứng cụ thể là làm giảm U dẫn đến mô men ngắn mạch giảm, dòng ngắn mạch giảm. Điều này rất có ý nghĩa trong lúc khởi động động cơ. 3) Độ sụt tốc tuyệt đối trên toàn dải điều chỉnh ứng với một mô men tải xác định là như nhau. Tuy vậy phương pháp này đòi hỏi công suất BBĐ để điều chỉnh điện áp cấp cho mạch phần ứng động cơ lớn, song nó là không đáng kể so với ưu điểm của nó. Vậy nên phương pháp này được sử dụng rộng rãi. 1.2. Bài toán điều khiển hai động cơ một chiều nối cứng trục Trong thực tế sản xuất công nghiệp nhiều dây chuyền công nghệ yêu cầu sử dụng động cơ một chiều công suất đến hàng trăm, thậm chí hàng nghìn KW, có sơ đồ nguyên lý làm việc với tải được thể hiện trên hình 1.1. Thiết bị cán Block là khâu cuối cùng trong dây chuyền cán thép hiện đại yêu cầu sử dụng công suất vào khoảng 5000 KW là một thí dụ điển hình. Hệ thống quạt gió lò, 12 BBĐ AC Động cơ Tải trạm nén khí, trạm bơm,là các hệ thống điển hình mà ở đó thường yêu cầu sử dụng động cơ công suất lớn. Hình 1.1: Nguyên lý hệ thống một động cơ một chiều làm việc với tải Việc sử dụng động cơ công suất lớn để đáp ứng được yêu cầu của tải gặp một số khó khăn. Trước tiên phải kể đến khó khăn trong thiết kế, chế tạo các động cơ công suất lớn cũng như giá thành của chúng là khá cao. Hơn nữa việc vận chuyển động cơ này từ nơi sản xuất đến nơi sử dụng cũng như việc lắp đặt chúng vào vị trí làm việc gặp không ít trở ngại vì yếu tố trọng lượng và kích thước. Vận hành động cơ công suất lớn đồng nghĩa với việc đi kèm với nó là thiết bị biến đổi (bộ chỉnh lưu có điều khiển đối với động cơ một chiều) công suất lớn, trong khi đó công suất các BBĐ bị giới hạn bởi khả năng chịu dòng và áp của các dụng cụ, đặc biệt là về khả năng chịu dòng. Tương tự như đã đặt vấn đề đối với việc thiết kế, chế tạo động cơ công suất lớn, có thể khẳng định rằng rất khó và cũng rất đắt để thiết kế, chế tạo các bộ biến đổi công suất lớn tương xứng. 13 Giải pháp khắc phục các khó khăn, hạn chế khi chỉ sử dụng một động cơ công suất lớn đó là thay vì sử dụng 01 động cơ công suất lớn ta sử dụng 02 hay nhiều hơn 02 động cơ có tổng công suất bằng công suất của động cơ cần thay thế, các động cơ được chọn yêu cầu có cùng tốc độ định mức và công suất định mức có thể khác nhau trong giới hạn cho phép, nối cứng trục như hình 1.2. Hình 1.2: Giải pháp sử dụng 02 động cơ nối cứng trục với tải Ưu điểm: Tính khả thi trong việc thiết kế, chế tạo động cơ cũng như bộ biến đổi đi kèm có công suất nhỏ hơn; quá trình vận chuyển, lắp ráp, vận hành dễ dàng hơn. Đặc biệt là đối với giải pháp đề xuất, bằng cách lựa chọn tổ nối dây của máy biến áp lực một cách hợp lý cho phép giảm thiểu ảnh hưởng của thành phần sóng hài bậc 3 do bộ biến đổi tạo ra đối với lưới điện. 1.2.1. Giải pháp truyền thống [8] Trước hết ta phân tích giải pháp đơn giản nhất là thay thế 01 động cơ một chiều bởi 02 động cơ một chiều giống nhau có tổng công suất bằng công suất động cơ cần thay thế, các động cơ đã nêu có chung tốc độ định mức. Yêu cầu đặt ra là trong quá trình vận hành hai động cơ trên luôn đóng góp phần công suất của mình cho phụ tải chung là như nhau. Yêu cầu khắt khe này không thực hiện Động cơ 1 Tải Động cơ 2 14 BBĐ A C Động cơ 2 Tả i Động cơ 1 Ckt1 Ckt2 được nếu không có sự can thiệp của điều khiển bởi lẽ trong thực tế ta không thể tìm được hai động cơ giống nhau tuyệt đối. Một giải pháp giúp hai động cơ trên luôn có các dòng kích từ bằng nhau, các dòng phần ứng như nhau đó là thực hiện mắc nối tiếp các cuộn kích từ, mắc nối tiếp các cuộn dây phần ứng như hình 1.3. Khi đó sự đóng góp của hai động cơ là hoàn toàn giống nhau. Giải pháp tưởng như đơn giản tuy nhiên không thể thực hiện trong thực tế bởi lẽ điện áp cấp cho kích từ, điện áp cấp cho phần ứng yêu cầu tăng gấp hai lần, điều nay đồng nghĩa với việc công suất của thiết bị biến đổi yêu cầu tăng gấp hai lần - khó khăn này đã đề cập ở trên. Ta có thể kết luận ở đây giải pháp 02 động cơ chỉ dùng chung 01 bộ biến đổi là không khả thi trong thực tế ` Hình 1.3: Giải pháp truyền thống sử dụng 02 động cơ với 2 cuộn phần ứng, kích từ mắc nối tiếp 15 Driver 2 ơ 2 Driver 1 AC AC Động cơ 1 Động c Tải Qua các phân tích trên, giải pháp điều khiển cho 02 động cơ yêu cầu phải dùng 02 bộ biến đổi như hình 1.4. Tuy nhiên nhiều nghiên cứu đã chứng minh rằng nếu không có mối liên hệ ràng buộc giữa hai bộ biến đổi sẽ không tạo nên sự đóng góp công suất như nhau của 02 động cơ. Thực tế đã khẳng định rằng, nếu 02 bộ biến đổi cấp nguồn cho 02 động cơ làm việc độc lập có thể dẫn đến trạng thái nguy hiểm cụ thể là: một động cơ làm việc non tải, động cơ còn lại bị quá tải tải có thể vượt quá mức cho phép; trường hợp xấu hơn nữa một động cơ ngoài việc kéo toàn bộ tải còn phải kéo cả động cơ còn lại. Hình 1.4: Hệ thống 02 động cơ với 2 bộ biến đổi (điều khiển) riêng rẽ Một trong các thiết kế đã áp dụng đó là sử dụng cấu trúc với 02 mạch vòng điều khiển, mạch vòng tốc độ chung bên ngoài, mạch vòng dòng điện kép bên trong, tín hiệu ra của mạch vòng tốc độ là tín hiệu đặt cho các mạch vòng dòng điện được thể hiện như hình 1.5. Sự sai khác về dòng điện của hai động cơ được hiệu chỉnh bằng cách thay đổi thông số của các bộ điều khiển của mạch vòng dòng điện một cách phù hợp. Với giải pháp này đã đáp ứng được yêu cầu của sản xuất. Tuy nhiên, do thông số của các bộ điều khiển là cố định, trong quá trình vận hành khi thông số của hệ thống thay đổi, dẫn đến sự sai khác tương đối lớn về dòng điện của các động cơ (đôi khi có thể lên đến 15%). Chính vì vậy, cùng với quá trình vận hành, cán bộ kỹ thuật cần phải chỉnh định lại thông số 16 của các bộ điều khiển sao cho hệ thống làm việc ổn định theo mong muốn - đây là nhược điểm cơ bản của phương pháp thiết kế truyền thống đã nêu. Tốc độ đặt (-) BĐK Tốc Độ (-) (+) (+) (-) BĐK Dòng Điện 1 BĐK Dòng Điện 2 I1 I2 BBĐ 2 UA UB UC Động cơ 2 Động cơ 1 Tải BBĐ1 UA UB UC Máy phát tốc Hình 1.5: Giải pháp điều khiển truyền thống với 2 mạch vòng điều khiển (vòng điều khiển dòng kép) 17 1.2.2. Giải pháp đề xuất [1, 9, 10] Giải pháp đề xuất trong luận văn này được phát triển dựa theo giải pháp vừa nêu tuy nhiên có sự thay đổi. Cụ thể, giữ nguyên cấu trúc điều khiển hai mạch vòng điều khiển, bộ điều khiển mạch vòng tốc độ bên ngoài chung cho cả 02 động cơ với thông số cố định (có thể sử dụng bộ điều khiển PID), hai bộ điều khiển mạch vòng dòng điện bên trong riêng cho 02 động cơ sử dụng các bộ điều khiển mờ, với bộ điều khiển dòng điện động cơ 1 là bộ điều khiển mờ thông thường, tín hiệu ra của bộ điều khiển này là tín hiệu mẫu cho bộ điều khiển dòng của động cơ thứ hai (bộ điều khiển mờ thích nghi theo mô hình mẫu). Các thông số của bộ điều khiển mờ sẽ được hiệu chỉnh dựa trên sai lệch về dòng điện giữa 02 động cơ như hình 1.6 ở trên. Với cách đặt vấn đề như trên thì bộ điều khiển dòng của động cơ thứ 2 là bộ điều khiển thích nghi có thể được lựa chọn là bộ điều khiển PID thích nghi, mờ thích nghi và ở đây luận văn đề cuất bộ điều khiển được thiết kế là bộ điều khiển mờ thích nghi theo mô hình mẫu và mô hình mẫu ở đây được tạo bởi bộ điều khiển dòng động cơ thứ nhất cùng một phần thông số của động cơ đó. Với cấu trúc này trong quá trình vận hành, dòng điện động cơ thứ nhất được xem là dòng mẫu, dòng động cơ thứ 2 luôn bám dòng động cơ 1 với sai số nhỏ nhất. Có nghĩa dòng phần ứng của cả hai động cơ luôn bằng nhau, đó cũng là điều mà chúng ta mong đợi. 18 Tốc độ đặt (-) BĐK Tốc Độ I1 (-)  I 2 I1 (-) e2 βI2 e1 Luật TN SVF2 βI2 (-) (-) I1 BĐK Dòng Điện 2  I2 BBĐ2 UA UB UC Động cơ 2 Động cơ 1 Tải SVF1 BĐK Dòng Điện 1 BBĐ1 UA UB UC Hình 1.6: Giải pháp điều khiển đề xuất sử dụng bộ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu 19 1.3. Mô hình điều khiển hệ thống Một hệ thống nói chung dựa trên cấu trúc điều khiển như hình 1.6 bao gồm 2 động cơ một chiều kích từ độc lập, 2 động cơ một chiều sẽ được nối cứng trục với nhau qua hệ thống khớp nối và đai truyền. Hai động cơ nối cứng trục được gọi là Master Motor và Slave Motor dùng để điều khiển tốc độ quay. Ngoài ra, trên hệ thống còn gắn một máy phát tốc (Sensor đo tốc độ) đưa tín hiệu phản hồi tốc độ về bộ điều khiển. 1.3.1. Đặt vấn đề Việc xây dựng mô hình toán học cho đối tượng điều khiển có một ý nghĩa rất quan trọng cả về mặt kỹ thuật và kinh tế. Việc xây dựng mô hình toán càng chính xác, tỷ mỉ bao nhiêu thì hệ thống làm việc càng an toàn bấy nhiêu. Hơn nữa, việc xây dựng mô hình toán học chính xác còn nâng cao được hiệu suất của hệ thống. Nếu thiếu chính xác thì hệ thống có thể làm việc kém chất lượng hoặc không làm việc được. Vì vậy việc xây dựng mô hinh toán học phải đáp ứng được các yêu cầu sau: - Về mặt kỹ thuật phải đảm bảo yêu cầu công nghệ và các thông số phù hợp với thiết bị. - Về mặt kinh tế, các thông số tính toán được chọn trong khi thoả mãn các yêu cầu kỹ thuật phải đảm bảo có chi phí mua sắm hợp lý Sơ đồ nguyên lý động cơ điện một chiều [7]: Rf E CKT U - + IKT Hình 1.7: Sơ đồ nguyên lý động cơ một chiều kích từ độc lập 20 Nguyên tắc hoạt động của động cơ điện một chiều: Pha 1: Từ trường của rotor cùng cực với stator, sẽ đẩy nhau tạo ra chuyển động quay của rotor Pha 2: Rotor tiếp tục quay Pha 3: Bộ phận chỉnh điện sẽ đổi cực sao cho từ trường giữa stator và rotor cùng dấu, trở lại pha 1 Hình 1.8: Nguyên tắc hoạt động của động cơ một chiều 1.3.2. Xây dựng cấu trúc điều khiển Ở phần trên ta đã chọn loại động cơ một chiều kích từ độc lập, quan hệ dòng áp mạch phần ứng động cơ được mô tả bởi phương trình vi phân: uu u u u u dI U I R L E dt    (1.1) Uu: Điện áp phần ứng động cơ (V). Iu: Đòng điện mạch phần ứng động cơ (A). Eu: Suất điện động phần ứng (V). Ru: Điện trở mạch phần ứng ( ). Lu: Điện cảm mạch phần ứng (H). Khi từ thông động cơ không đổi thì suất điện động phần ứng: Eu = Cu (1.2) 21 Với : Cu là hằng số động cơ.  là tốc độ góc của động cơ (rad/s). Phương trình cân bằng mô men của động cơ được xác định theo biểu thức (1.3): C d M M J dt    (1.3) Trong đó: M = Cu.Ia là mô men điện từ của động cơ (Nm). MC là mô men cản - tải (Nm). J là mô men quán tính (Kgm2) Từ các phương trình (1.1) và (1.3) ta có mô tả của động cơ một chiều dưới dạng không gian trạng thái như sau: 1 1 u u C u u u u u u u u u d C I M dt J J dI R C I I U dt L L L             (1.4) Viết dưới dạng ma trận ta được: 1 0 0 1 0 u C u u u u u u u u C MJd R C I I Udt L L L                                     (1.5) Hay viết dưới dạng ký hiệu x, y: x Ax+Bu y Cx    (1.6) Với : u x I         gọi là véc tơ biến trạng thái của hệ thống (động cơ). y =  gọi là tín hiệu đầu ra của hệ thống (tốc độ góc của động cơ). 22 0 u u u u u C A R C L L           gọi là ma trận trạng thái của hệ thống (1.7) 1 0 1 0 u J B L            gọi là ma trận đầu vào của hệ thống (1.8)  1 0C  gọi là ma trận đầu ra của hệ thống (1.9) Từ trên ta xây dựng được cấu trúc trạng thái động của động cơ như hình 1.9: Hình 1.9: Sơ đồ cấu trúc trạng thái động của động cơ một chiều 1.3.3. Mô hình điều khiển hệ thống 02 động cơ một chiều Tương tự như trường hợp một động cơ, từ (1.1) ta có phương trình cân bằng áp cho hai động cơ như sau: 1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2 2 u u u u u u u u u u u u dI U I R L E dt dI U I R L E dt       (1.10) Uu Iu Cu M  (-) Eu Mc (-) Cu 1 J 1 s 1 u uR L s 23 Nhìn chung, trong thực tế các tham số của hai động cơ ít nhiều là khác nhau, bởi vì như đã đề cập ở trên, ta không thể chế tạo được hai động cơ giống nhau tuyệt đối. Phương trình cân bằng mô men của hệ: 1 2 C d M M M J dt     (1.11) Trong đó: M1 = Cu1.Iu1 là mô men điện từ của động cơ 1. M2 = Cu2.Iu2 là mô men điện từ của động cơ 2. Uu1 Iu1 Cu1 M1  (-) Eu2 Mc (-) Cu2 1 J 1 s 1 1 1 u uR L s 2 2 1 u uR L s Uu2 (-) Iu2 Cu2 M2 Cu1 Eu1 Hình 1.10: Cấu trúc trạng thái động của hệ thống 02 động cơ một chiều chung tải, nối cứng trục 24 J là mô men quán tính quy về trục động cơ của 2 động cơ (nối cứng trục). Từ đó ta có mô hình trạng thái động của hệ hai động cơ một chiều nối cứng trục, chung tải được mô tả bởi sơ đồ cấu trúc trạng thái động như hình 1.10. Từ sơ đồ cấu trúc trạng thái động ở trên, ta nhận thấy khi nối cứng trục (chung tải) và như đã phân tích ở trên cần phải có bộ điều khiển thích nghi cho 01 trong 02 động cơ để động cơ được điều khiển thích nghi sẽ biến đổi theo động cơ còn lại. Với cách điều khiển như vậy, ta có cấu trúc điều khiển thích nghi hệ thống 02 động cơ một chiều chung tải, nối cứng trục như hình 1.11. Hình 1.11: Sơ đồ cấu trúc điều khiển thích nghi của hệ thống 02 động cơ một chiều chung tải, nối cứng trục (-) Bộ điều dòng 1 Bộ điều tốc độ Luật thích nghi ĐC1 BBĐ1 ĐC2 BBĐ2 (-) (-) (-) Cu 1/Js đ  Bộ điều dòng 2 25 1.4. Kết luận chương 1 Chương 1 của luận văn đã giải quyết được một số vấn đề sau: - Tổng quan về điều khiển động cơ một chiều; - Xây dựng bài toán điều khiển 02 động cơ một chiều nối cứng trục chung phụ tải; - Xây dựng mô hình điều khiển với cấu trúc điều khiển động cơ một chiều thông thường nhưng chung phụ tải. 26 Chương 2 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ THÍCH NGHI 2.1. Tổng quan hệ logic mờ và điều khiển mờ Khi gặp các bài toán điều khiển mà đối tượng khó mô tả bởi một mô hình toán học hoặc có thể mô tả được song mô hình của nó lại phức tạp và phi tuyến, hay có các tham số thay đổi, đối tượng biến đổi chậm có trễ . . ., thì logic mờ tỏ ra chiếm ưu thế rõ rệt. Ngay cả ở những bài toán điều khiển đã thành công khi sử dụng nguyên tắc điều khiển kinh điển thì việc áp dụng điều khiển logic mờ vẫn mang lại cho hệ thống sự cải tiến về tính đơn giản, gọn nhẹ và nhất là không phải thay bằng bộ điều khiển khác khi tham số của đối tượng bị thay đổi trong một phạm vi khá rộng, điều này bộ điều khiển kinh điển không đáp ứng được. Chính vì vậy trong đề tài này tôi sử dụng thuật toán mờ thích nghi để phát huy những ưu điểm của bộ điều khiển kể trên. 2.1.1. Hệ Logic mờ 2.1.1.1. Khái niệm về tập mờ Tập mờ là một tập hợp mà mỗi phần tử cơ bản của nó còn được gán thêm một giá trị thực trong khoảng [0,1] để chỉ thị “độ phụ thuộc” của phần tử đó vào tập mờ đã cho. Khi độ phụ thuộc bằng 0 thì phần tử cơ bản đó sẽ hoàn toàn không thuộc tập đã cho (xác suất phụ thuộc bằng 0), ngược lại với độ phụ thuộc bằng 1, phần tử cơ bản sẽ thuộc tập hợp với xác suất 100. Như vậy, bên cạnh phần tử x, để xác định xem x có thuộc tập mờ hay không còn cần phải có thêm độ phụ thuộc (x). Nếu ký hiệu x là phần tử cơ bản và (x) là độ phụ thuộc của nó thì cặp [x, (x)] sẽ là một phần tử của tập mờ. Cho x chạy khắp trong tập hợp, ta sẽ có hàm (x) và hàm này được gọi là "hàm thuộc". 27 Một tập mờ được định nghĩa trên tập kinh điển A là tập các hàm liên thuộc A(x) được biểu diễn bởi hai giá trị là 1 khi x  A và 0 khi x  A, ví dụ A={xR / 4<x<10} như hình 2.1: Ngoài ra tập mờ còn được biểu diễn bởi các hàm liên thuộc: - Hàm hình thang - Hàm Gauss - Hàm hình chuông - Hàm Singleton (hay Kronecker) 2.1.1.2. Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ Cấu trúc chung của một bộ điều khiển mờ gồm 4 khối: Khối mờ hoá, khối hợp thành, khối luật mờ và khối giải mờ (hình 2.2). 4 10 x A(x) 0 1 Hình 2.1: Hàm thuộc biến ngôn ngữ Khối mờ hoá Khối hợp thành Khối giải mờ Khối luật mờ Hình 2.2: Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ 28 *. Luật hợp thành mờ Bộ thông số vào/ra mờ được định nghĩa trên cơ sở là các biến ngôn ngữ vào ra là các hàm liên thuộc được coi như là các neural (hệ thần kinh). Vì vậy hệ logic mờ được coi như hệ làm việc có tư duy như “bộ não dưới dạng trí tuệ nhân tạo”. Nếu khẳng định khi sử dụng hệ logic mờ trong điều khiển là có thể giải quyết được mọi bài toán mà hệ điều khiển kinh điển PID chưa giải quyết được thì chưa hẳn đã chính xác, vì hoạt động của bộ điều khiển mờ phụ thuộc rất nhiều vào kinh nghiệm hiểu biết đối tượng và tổng kết những kết quả theo tư duy của người làm điều khiển, từ đó mới xác định được tham số tối ưu cho bộ điều khiển mờ. Với các đặc điểm trên có thể nói bộ điều khiển mờ có hai tính chất cơ bản: - Một hệ thống trí tuệ nhân tạo (điều khiển thông minh) - Một hệ thống điều khiển được thiết kế mà không cần biết trước mô hình của đối tượng. Bộ não của hệ logic mờ là luật hợp thành và luật hợp thành là tên chung gọi mô hình R biểu diễn một hay nhiều hàm thuộc cho một hay nhiều mệnh đề hợp thành, nói cách khác luật hợp thành được hiểu là một tập hợp của nhiều mệnh đề hợp thành có chung một dạng cấu trúc: Nếu A1 = Ak1 và . . . và An = Akn Thì B1 = Bk1 và . . . và Bm = Bkm với k = 1,2, Một luật hợp thành có thể có các dạng: - Luật hợp thành đơn cho hai loại: cấu trúc SISO; cấu trúc MISO - Luật hợp thành có nhiều mệnh đề hợp thành Ta có thể mô tả các dạng luật hợp thành như hình 2.3 29 *. Luật hợp thành với một tín hiệu điều khiển và một đáp ứng ra của hệ logic mờ được gọi là Luật hợp thành đơn. Các mệnh đề của luật hợp thành đơn có dạng: Nếu A = A Thì B = B. Về bản chất, mệnh đề hợp thành đơn chính là một phép toán “phép suy diễn” (Từ A suy ra B). Những “tín hiệu” vào/ra Ak/Bk của luật hợp thành được gọi là biến ngôn ngữ . Những giá trị Ak1 và Bk1 của biến ngôn ngữ trong hệ logic mờ được gọi là các giá trị ngôn ngữ. *. Như ở hình 2.3 đã minh họa thì một hệ logic mờ MIMO đều có thể đưa được về thành mạng nối song song của nhiều hệ logic mờ MISO. Bởi vậy để cài đặt mệnh đề hợp thành với cấu trúc: Nếu A1=Ak1 và  và An=Akn thì B1=Bk1 và  và Bm=Bkm (2.1) Cho hệ logic mờ MIMO ta chỉ cần cài đặt nhiều lần song song mệnh đề có một đầu ra ứng với hệ MISO là đủ: Nếu A1=Ak1 và  và An=Akn thì B=Bk (2.2) H×nh 2.4: LuËt hîp thµnh lµ bé n·o cña bé ®iÒu khiÓn mê. Hình 2.3: Luật hợp thành 30 *. Để cài đặt luật hợp thành có các mệnh đề dạng (2.1) ta thực hiện các bước sau: Thực hiện việc kết hợp (mờ hóa) tất cả các giá trị đầu vào các biến ngôn ngữ Ak(đầu vào) để có được một giá trị Hq duy nhất làm đại diện hình 2.4). Giả sử rằng tại đầu vào có các giá trị rõ xj(của đầu vào Aj ). Vậy để tính giá trị đại diện Hq tương ứng của mệnh đề hợp thành đó ta tiến hành hai bước sau: - Xác định tất cả các giá trị Hqj =Aqj(xj ). - Xác định Hq là giá trị nhỏ nhất trong số các giá trị Hqj đã tính được. Giá trị Hq được gọi là độ thỏa mãn đầu vào của mệnh đề hợp thành kép đã cho và lúc này mệnh đề đó được xem như tương đương với mệnh đề đơn. Nếu A=Aq thì B= Bq , (2.3) Trong đó là tập mờ nhận Hq làm độ thỏa mãn. Nói cách khác từ các giá trị rõ xj của các đầu vào Ak ta đã thông qua những tập mờ Akj chuyển thành một giá trị rõ x làm đại diện để với nó có được: Hq = (x). (2.4) Nếu A1 = A11 và . . . và Am = A1m th ì B = B1 Nếu A1 = Ak1 và . . . và Am = Akm th ì B = Bk Với q = , 2, . . ., k Hq = )x(min jA mj1 qj   Nếu A1 = Aq1 và . . . và Am = Aqm th ì B = Bq Nếu A = Aq th ì B = Bq A có giá trị rõ đầu vào là xj = 1, 2, ..., m Hình 2.4: Mờ hoá 31 Thực hiện phép suy diễn mờ để xác định giá trị mờ Bq cho mệnh đề hợp thành (2.3). Kết quả phép suy diễn mờ AB sẽ là một tập mờ B' cùng nền với B và có hàm thuộc AB(y) thỏa mãn: A(x)  AB(y) với mọi A(x), B(y)  0,1. (2.5) Khi B(y) = 0 sẽ có AB(y) =0. (2.6) Nếu có A1 (x) < A2 (x) thì cũng có A1B(y) < A2B(y) (2.7) Nếu có B1 (y) < B2 (x) thì cũng có AB1 (y) < AB2 (y) (2.8) Hai công thức xác định AB(y) thường được dùng trong điều khiển là: AB(y) = minA(x0), B(y) Luật min. (2.9) AB(y) = A(x0)B(y) Luật prod. (2.10) Thực hiện phép hợp mờ để có được giá trị mờ cho luật hợp thành từ tất cả các giá trị mờ của từng mệnh đề hợp thành trong luật hợp thành đó. Việc thực hiện phép hợp mờ được minh họa trong hình 2.6: Hình 2.5: Thực hiện phép suy diễn mờ 32 Hợp AB của hai tập mờ A và B được hiểu là một tập mờ gồm tất các phần tử của hai tập A, B đã cho, trong đó hàm thuộc AB (x) của phần tử của AB không được mâu thuẫn với phép hợp của hai tập kinh điển. Hai công thức thường dùng trong điều khiển là: AB(x) = maxA(x) , B(x) Luật MAX. (2.11) AB(x) = min1, A(x)+B(x) Luật SUM. (2.12) Tóm lại, nếu: Mệnh đề “Nếu A=A1 thì B =B1” có giá trị là C1 . (2.13) Mệnh đề “Nếu A =Ak thì B =Bk” có giá trị là Ck thì toàn bộ luật hợp thành sẽ có giá trị là C = C1    Ck . *. Giải mờ Sau khi đã có kết quả của luật hợp thành là một tập mờ, trước khi đưa ra giá trị điều khiển ta phải giải mờ tập mờ đó. Điều đó cũng dễ hiểu vì đối tượng chỉ làm việc với những giá trị cụ thể (giá trị rõ) chứ không làm việc với những Hình 2.6: Thực hiện phép hợp mờ 33 Hình 2.7: Những nguyên lý giải mờ. giá trị mờ. Giải mờ là quá trình xác định một giá trị rõ y0 nào đó từ tập nền của tập mờ B' để làm đại diện cho B' (là tập mờ kết quả của luật hợp thành). Trong điều khiển thường sử dụng ba phương pháp giải mờ chính: Điểm trung bình: Giá trị rõ y0 là giá trị trung bình của các giá trị có độ thỏa mãn cực đại của B’(y). Nguyên lý này thường được dùng khi miền dưới hàm B’(y) là một miền lồi và như vậy y0 cũng sẽ là giá trị có độ phụ thuộc lớn nhất. Trong trường hợp B' gồm các hàm liên thuộc dạng đối xứng thì giá trị rõ y0 không phụ thuộc vào độ thỏa mãn đầu vào của luật điều khiển. * Điểm cực đại: Giá trị rõ y0 được lấy bằng cận trái/phải cực đại của B’(y). Giá trị rõ lấy theo nguyên lý cận trái/phải này sẽ phụ thuộc tuyến tính vào độ thỏa mãn đầu vào của luật điều khiển hình 2.7. Điểm trọng tâm: Phương pháp này sẽ cho ra kết quả y0 là hoành độ của điểm trọng tâm miền được bao bởi trục hoành và đường B’(y). Đây là nguyên lý được dùng nhiều nhất. 34 HÖ Logic Mê yB' R1: nÕu th×  Rq: nÕu th× Fuzzy hãa  x i Gi¶i mê i Hình 2.8: Cấu trúc một hệ logic mờ Cấu trúc hệ logic mờ Giống như một bộ điều khiển kinh điển, một hệ logic mờ cũng có thể có nhiều tín hiệu vào và nhiều tín hiệu ra. Ta phân chia chúng thành các nhóm. + Nhóm SISO có một đầu vào và một đầu ra. + Nhóm MIMO có nhiều đầu vào và nhiều đầu ra. + Nhóm SIMO có một đầu vào và nhiều đầu ra. + Nhóm MISO có nhiều đầu vào và một đầu ra. Do bản chất là một hệ thực hiện các luật hợp thành (kinh nghiệm điều khiển của con người) trong đó các kinh nghiệm này lại thể hiện dưới dạng ngôn ngữ có các giá trị ngôn ngữ là tập mờ nên một hệ logic mờ phải có các khâu cơ bản như hình 2.8. + Khâu Fuzzy hóa có nhiệm vụ chuyển đổi một giá trị rõ đầu vào x0 thành một vector  gồm các độ phụ thuộc của giá trị rõ đó theo các giá trị mờ (tập mờ) đã định nghĩa cho biến ngôn ngữ đầu vào. + Khâu thực hiện luật hợp thành, có tên gọi là thiết bị hợp thành, xử lý vector  và cho ra giá trị mờ B' của biến ngôn ngữ đầu ra. 35 + Khâu giải mờ, có nhiệm vụ chuyển đổi tập mờ B' thành một giá trị rõ y' chấp nhận được cho đối tượng (tín hiệu điều chỉnh). 2.1.2. Bộ điều khiển mờ 2.1.2.1. Bộ điều khiển mờ động Bộ điều khiển mờ động là bộ điều khiển mờ có xét tới các trạng thái động của đối tượng. Ví dụ đối với hệ điều khiển theo sai lệch thì đầu vào của bộ điều khiển mờ ngoài tính hiệu sai lệch e theo thời gian còn có các đạo hàm, tích phân của sai lệch giúp cho bộ điều khiển phản ứng kịp thời với các thay đổi đ

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • pdfluan_van_xay_dung_bo_dieu_khien_mo_thich_nghi_de_can_bang_ta.pdf
Tài liệu liên quan