dieu khien thong minh huynh thai hoang chuong03 dieu khien mo cuuduongthancong com

Thiết kế bộ điều khiển mờ åå dựa vào lý thuyết ổn định Lyapunov... Thiết kế bộ điều khiển mờ dùng phương pháp Lyapunov Bước 1: Xác định phương trình trạng thái mô tả đặc tính động học c

Trang 1

Môn h c

NH P MÔN I U KHI N THÔNG MINH

Gi ng viên: PGS TS Hu nh Thái Hoàng

B môn i u Khi n T ng

Khoa i n – i n T

i h c Bách Khoa TP.HCM Email: hthoang@hcmut.edu.vn Homepage: http://www4.hcmut.edu.vn/~hthoang

Trang 2

Ch ng 3

I U KHI N M U

Trang 3

Gi i hi đi khi

N i dung ch ng 3

 Gi i thi u đi u khi n m

 Thi t k b đi u khi n m d a vào kinh nghi m

 B đi u khi n PID m

 Thi t k b đi u khi n m dùng lý thuy t Lyapunov

 Thi t k và mô ph ng h th ng đi u khi n m dùng Matlab

 Th c thi b đi u khi n m dùng vi đi u khi n

 Th c thi b đi u khi n m dùng PLC

Trang 4

GI I THI U I U KHI N M

Trang 5

tuy n cao khó K b ng ph ng pháp thông th ng do không th xác đ nh đ c mô hình toán c a đ i t ng.

 Con ng i v i kh n ng x lý tinh x o c a b não sau khi tr i qua quá trình đào t o và tích l y kinh nghi m l i

có th đi u khi n đ c các đ i t ng ph c t p mà không c n bi t gì v mô t toán h c c a đ i t ng

không c n bi t gì v mô t toán h c c a đ i t ng.

Trang 6

lý và th c thi tri th c tr c giác c a con ng i.

 Kinh nghi m chuyên gia đ c tích h p vào b đi u khi n m trong quá trình thi t k h th ng.

Trang 8

suy di n

Gi i m

H u

x lý suy di n

 B đi u khi n m c b n:

 h qui t c đi u khi n rút ra t kinh nghi m chuyên giatrong vi c đi u khi n đ i t ng

 khâu m hóa chuy n giá tr rõ ph n h i t ngõ ra c a đ i

t ng thành giá tr m đ h qui t c có th suy lu n đ c

 khâu gi i m chuy n giá tr m suy lu n đ c ngõ ra

c a h qui t c thành giá tr rõ đ đi u khi n đ i t ng

Trang 9

suy di n

Gi i m

 chu n hóa, l ng t hóa

 l c nhi u

 H u x u lý: b khu ch ý b u c đ i chuy n tín hi u gi i m chu n đ c uy u g c u

Trang 10

Thi t k b đi u khi n m

 Thi t k d a vào kinh nghi m chuyên gia

 Thi t k b đi u khi n PID m

Thi t k d t ê lý th t L

 Thi t k d a trên lý thuy t Lyapunov

Trang 11

Thi t k b đi u khi n m Thi t k b đi u khi n m

d a vào kinh nghi m chuyên gia

Trang 12

Thi t k d a vào kinh nghi m chuyên gia

 B c 3: nh ngh a các giá tr ngôn ng cho bi n vào và bi n

ra; ; đ nh l ng các giá tr ngôn ng b ng các t p m g g g g g p

 B c 4: Xây d ng h qui t c m b ng cách v hình minh h a

đ có ý t ng đ a ra m t s qui t c đi n hình, sau đó áp d ng tính liên t c c a h m và tính đ i x ng đ đ a ra các qui t c

tính liên t c c a h m và tính đ i x ng đ đ a ra các qui t c còn l i

 B c 5: Ch n PP suy di n (MAX–MIN hay MAX–PROD)

 B c 6: Ch n PP gi i m (tr ng tâm hay t/bình có tr ng s )

 B c 7: Mô ph ng ho c th c nghi m đánh giá k t qu , tinh

ch nh các thông s c a B K g đ đ t ch t l ng mong mu n.g g

Trang 13

Thí d : i u khi n m gi cân b ng h con l c ng c Thí d : i u khi n m gi cân b ng h con l c ng c

ml x

Trang 14

Các bi n vào và bi n ra c a b đi u khi n

 Ch n các bi n vào/ra:

4 bi n vào: góc l ch c a con l c, v n t c góc c a con l c v trí xe và t c đ xe

Trang 15

1 ,

1

, 3 0

1

4 3

Trang 16

nh ngh a các giá tr ngôn ng cho các bi n vào

Trang 17

 Chú ý: S l ng giá tr ngôn ng tùy ch n, th ng

là s l đ i v i bài toán đi u khi n n đ nh hóa ho c san b ng sai l ch

Trang 18

Qui t c đi u khi n m đ c đ a ra d a vào kinh nghi m Qui t c đi u khi n m đ c đ a ra d a vào kinh nghi m

Trang 19

Qui t c đi u khi n m đ c đ a ra d a vào kinh nghi m Qui t c đi u khi n m đ c đ a ra d a vào kinh nghi m

Trang 20

Mô ph ng đi u khi n m gi cân b ng h con l c ng c

Trang 21

K t qu đi u khi n

Trang 22

Thi t k b đi u khi n PID m Thi t k b đi u khi n PID m Thi t k b đi u khi n PID m Thi t k b đi u khi n PID m

Trang 23

i u khi n PD m dùng h qui t c Mamdani

 B đi u khi n PD m th ng đ c s d ng trong

 B đi u khi n PD m th ng đ c s d ng trong các tr ng h p sau đây:

 i t ng có khâu tích phân lý t ng ho c

 i t ng có khâu tích phân lý t ng, ho c

 n đ nh hóa tr ng thái c a đ i t ng xung

quanh đi m cân b ng ( u x ) trong đó u  0

quanh đi m cân b ng , trong đó ( u , x ) u  0

Trang 24

Trình t thi t k b đi u khi n PD m

 B c 1: Xác đ nh t m giá tr c a:

 bi n vào: sai s (E) và vi phân sai s (DE)

 bi n ra: tín hi u đi u khi n (U)

 B c 2: Xác đ nh các h s chu n hóa bi n vào, bi n ra v

mi n giá tr [1,1]

 B c 3: nh ngh a các giá tr ngôn ng cho bi n vào và bi n g g g g

ra; đ nh l ng các giá tr ngôn ng b ng các t p m

đ có ý t ng đ a ra m t s qui t c đi n hình sau đó áp d ng

đ có ý t ng đ a ra m t s qui t c đi n hình, sau đó áp d ng tính liên t c c a h m và tính đ i x ng đ đ a ra các qui t c còn l i

 B c 7: Mô ph ng ho c th c nghi m p g g đánh giá k t qu , tinh g q

ch nh các thông s c a B K đ đ t ch t l ng mong mu n

Trang 25

1

1 )

2 1

3

2 1 2

1

t t

k t

t t

Trang 27

Thí d

Thí d K PD m K PD m h h ng chuy n ng chuy n đ ng c a tàu (tt) đ ng c a tàu (tt)

 Các t p m t ng ng v i các giá tr ngôn ng c a các bi n

 Các t p m t ng ng v i các giá tr ngôn ng c a các bi nvào/ra:

Trang 28

Thí d

 H qui t c m đi u khi n đ c đ a ra d a vào kinh

 H qui t c m đi u khi n đ c đ a ra d a vào kinh nghi m:

Trang 29

Thí d

 K t qu đi u khi n:

Trang 30

i u khi n PI m dùng h qui t c Mamdani

 B đi u khi n PI m n u thi t k t t có th đi u

khi n đi u khi n đ i t ng trong mi n làm vi c r ng

Trang 31

Trình t thi t k b đi u khi n PI m

 B c 1: Xác đ nh t m giá tr c a:

 bi n vào: sai s (E) và vi phân sai s (DE)

 bi n ra: vi phân c a tín hi u đi u khi n (DU)

 B c 2: Xác đ nh các h s chu n hóa bi n vào, bi n ra v

mi n giá tr [1,1]

 B c 3: nh ngh a các giá tr ngôn ng cho bi n vào và bi n g g g g

ra; đ nh l ng các giá tr ngôn ng b ng các t p m

đ có ý t ng đ a ra m t s qui t c đi n hình sau đó áp d ng

đ có ý t ng đ a ra m t s qui t c đi n hình, sau đó áp d ng tính liên t c c a h m và tính đ i x ng đ đ a ra các qui t c còn l i

 B c 7: Mô ph ng ho c th c nghi m p g g đánh giá k t qu , tinh g q

ch nh các thông s c a B K đ đ t ch t l ng mong mu n

Trang 32

Thí d đi u khi n v trí cánh tay máy

u (t): moment tác đ ng lên tr c quay c a cánh tay máy

(t): góc quay (v trí) c a cánh tay máy,

J: moment quán tính c a cánh tay máy (J = 0.05 kg.m2)

M: kh i l ng c a cánh tay máy (M = 1 0kg)

M: kh i l ng c a cánh tay máy (M = 1.0kg)

m: kh i l ng v t n ng (m = 0.1 kg)

l: chi u dài cánh tay máy (l = 0.4 m)

l C : kho ng cách t tr ng tâm cánh tay máy đ n tr c

l C : kho ng cách t tr ng tâm cánh tay máy đ n tr c quay (lC = 0.15 m)

( sin )

( )

( ) ( J  ml2)   ( t )  B   ( t )  ( ml  MlC ) g sin  ( t )  u ( t )

( J  ml  t  B  t  ml  MlC g  t  u t

Trang 33

Thí d đi u khi n v trí cánh tay máy (tt)

 Tín hiệu vào bộ điều khiển mờ cơ bản: E  (t) (t) và DE

 B đi u khi n: PI m

 Tín hiệu vao bộ đieu khien mơ cơ ban: E r (t) (t) va

 Tín hiệu ra bộ điều khiển mờ cơ bản: DU

 Độ lợi tiền xử lý: K1 1/ K2  5 / 

DE

 Độ lợi hậu xử lý: 

Trang 34

 Các t p m t ng ng v i các giá tr ngôn ng c a các bi n vào/ra:

Trang 35

Trang 36

 K t đi khi

 K t qu đi u khi n:

Trang 37

i u khi n PID m dùng h qui t c Mamdani

 Nh n xét: R t khó đ a ra đ c h qui t c đi u khi n PID m theo c u hình trên

khi n PID m theo c u hình trên

Trang 38

i u khi n PID m dùng h qui t c Mamdani

 Th ng b đi u khi n PID m đ c th c hi n b ng cách k t h p b đi u khi n PI m và PD m

cách k t h p b đi u khi n PI m và PD m

Trang 39

i u khi n PID m dùng qui t c Sugeno

~ )

(

~ )

(

~ )

Trang 40

Thí d đi u khi n m c ch t l ng trong b n ch a

 PTVP mô t đ c tính đ ng h c h b n ch a:

 ( ) 2 ( )

1)

h  ( ) 2 ( )

)(

)

h A

t

min max

)

A( ) max  min h  Amin

h h

Trang 41

Thí d đi u khi n m c ch t l ng trong b n ch a (tt)

 K t qu đi u khi n dùng b đi u khi n PID kinh đi n thi t k d a vào

mô hình tuy n tính xung quanh đi m làm vi c h=20cm

 Ch t l ng đi u khi n không t t t i các đi m làm vi c xa đi m

Trang 42

 B đi khi PI S

 B đi u khi n: PI m Sugeno

Trang 43

Trang 44

 K t qu đi u khi n dùng b đi u khi n PID m Sugeno

 Ch t l ng đi u khi n g n nh t ng đ ng nhau t i m i đi m làm

vi c

Trang 45

Thiết kế bộ điều khiển mờ

åå dựa vào lý thuyết ổn định Lyapunov

Trang 46

Điểm cân bằng của hệ phi tuyến

 X ùt h ä hi t á â t û bởi hươ t ì h t th ùi

),(x u

f

x 

 Xet hệ phi tuyen mo ta bơi phương trình trạng thai sau:

 Một điểm trạng thái x e được gọi là điểm cân bằng nếu như hệđang ở trạng thái x e và không có tác động nào từ bên ngoài thì hệ

õ è â t i đ ù

se nam nguyen tại đo

 Dễ thấy điểm cân bằng phải là nghiệm của phương trình:

x f

x 

 H ä hi t á ù th å ù hi à đi å â b è h ë kh â ù đi å

 Hệ phi tuyến có thể có nhiều điểm cân bằng hoặc không có điểmcân bằng nào Điều này hoàn toàn khác so với hệ tuyến tính , hệtuyến tính luôn luôn có 1 điểm cân bằng là x e = 0

Trang 47

 f x u u

x

Gi û ử h ä th á ù đi å â b è 0

(1)Giả sử hệ thống có điểm cân bằng x e = 0

 Hệ thống đươc goi làä g ï g ï ổn địnhị

Lyapunov tại điểm cân bằng

x e = 0 nếu với  > 0 bất kỳ

bao giờ cũng tồn tai  phu

bao giơ cung ton tại  phụ

thuộc  sao cho nghiệm x (t)

của phương trình (1) với điều

àkiện đầu x(0) thỏa mãn:

0 ,

) (

)

0

(    x t   t 

x

Trang 48

Ổn định tiệm cận Lyapunov

 Ch h ä hi t á kh â kí h thí h â t û bởi PTTT

 Cho hệ phi tuyen khong kích thích mo ta bơi PTTT:

0

) , ( 

 f x u u

x

Gi û ử h ä th á ù đi å â b è 0

(1)Giả sử hệ thống có điểm cân bằng x e = 0

 Hệ thống được gọi làä g ï g ï ổn địnhị

tiệm cận Lyapunov tại điểm

cân bằng x e = 0 nếu với  > 0

bất kỳ bao giờ cũng tồn tai 

bat ky bao giơ cung ton tại 

phụ thuộc  sao cho nghiệm

x (t) của phương trình (1) với

đi à ki ä đ à (0) h û

điều kiện đầu x(0) thỏa mãn:

0)

(lim

)0

Trang 49

So sánh ổn định Lyapunov và ổn định tiệm cận Lyapunov

Ổn định Lyapunov Ổn định tiệm cận Lyapunov

Trang 50

Định lý ổn định Lyapunov

 Định lý ổn định Lyapunov: Cho hệ phi tuyến không kích thích mô

 Định ly on định Lyapunov: Cho hệ phi tuyen khong kích thích motả bởi phương trình trạng thái:

0

) , ( 

 f x u u

N á t à t i h ø V( ) h

Giả sử hệ thống có điểm cân bằng x e = 0.

Nếu tồn tại hàm V (x) sao cho:

ii) V (0)  0

i) V (x)  0, x

ii) V (0)  0

iii) V(x)  0, x  0

Thì hệ thống (1) ổn định Lyapunov tai điểm 0

Thì hệ thong (1) on định Lyapunov tại điem 0

Chú ý: Hàm V (x) thường được chọn là hàm toàn phương theo biến

t th ùi

trạng thái

Trang 51

Thiết kế bộ điều khiển mờ dùng phương pháp Lyapunov

 Bước 1: Xác định phương trình trạng thái mô tả đặc tính động

học của đối tượng

 Bước 2: Chon hàm Lyapunov bán xác định dương, hàm

 Bươc 2: Chọn ham Lyapunov ban xac định dương, ham

Lyapunov là hàm của các biến trạng thái và có liên quan đến tín hiệu điều khiển

 Bước 3: Tìm điều kiện ràng buộc của sao cho đạo hàm theo

thời gian của hàm Lyapunov bán xác định âm

 Bước 4: Nếu không tìm đươc biểu thức tường minh thỏa mãn

 Bươc 4: Neu khong tìm được bieu thưc tương minh thoa man

điều kiện ràng buộc ở bước 2 thì ta chọn một số điểm đặc tính và tín giá trị tín hiệu điều khiển thỏa mãn điều kiện ràng buộc

t i ù đi å đ ë tí h

tại các điểm đặc tính

 Bước 5: Thiết kế bộ điều khiển mờ có mặt điều khiển chứa

các điểm đặc tính tính toán đươc ở bước 4 ë ï

Trang 52

Thí dụ: TK bộ điều khiển mờ dùng PP Lyapunov

Trang 53

Chọn hàm Lyapunov

Trang 54

Đạo hàm của hàm Lyapunov theo thời gian

Trang 55

Tín hiệu điều khiển thỏa mãn điều kiện ổn định

Trang 56

Chọn các điểm đặc tính thỏa mãn điều kiện ổn định

Trang 57

Định nghĩa hệ mờ dựa trên các điểm đặc tính

 Các tập mờ định nghĩa cho các tín hiệu vàộp ị g ä

Trang 58

Mặt đặc tính của hệ mờ sau khi thiết kế

Trang 59

Kết quả điều khiển giữ cân bằng hệ con lắc ngược

 B đi khi đã thi t k ĩ kh đi khi h

 B đi u khi n m đã thi t k cĩ kh n ng đi u khi n h con l c ng c v tr ng thái cân b ng t tr ng thái đ u khác 0

khác 0.

Trang 60

I U KHI N M DÙNG PLC

Trang 61

Ph n m m FuzzyControl++ và NeuroSystem

 S m ph m c a Siemens dùng v i Simatic S7 và

 S m ph m c a Siemens, dùng v i Simatic S7 và Simatic WinCC.

Trang 62

Ph n m m đi u khi n m Fuzzy Control++

Trang 63

Ph n m m đi u khi n m Fuzzy Control++

 Dùng đ thi t k các b đi khi n m cho Simatic

 Dùng đ thi t k các b đi u khi n m cho Simatic S7-300, S7-400 và Simatic WinCC

 Dùng m i c p t đ ng hóa t b đi u khi n c c

 Dùng m i c p t đ ng hóa, t b đi u khi n c c

b đ n b đi u khi n t i u nhà máy

 Có th k t h p v i b p đi u khi n PID kinh đi n đ

k t h p u đi m c a hai b đi u khi n.

 SV t đ c thêm tài li u : Simatic S7-300 Fuzzy Control User Manual

Trang 64

CÁC VÍ D NG D NG

I U KHI N TH C T

Trang 65

Các ng d ng trong đi u khi n

 i u khi n PID m và các ng d ng trong đi u

khi n các quá trình công nghi p.

 i u khi n robot c n tr c

 i u khi n robot, c n tr c,

 i u khi n xe ô tô, tàu đi n,…

Trang 66

Sau khi h c xong ch ng này SV ph i có kh n ng:

K t qu h c t p d ki n

Sau khi h c xong ch ng này, SV ph i có kh n ng:

 Thi t k b đi u khi n m

 Mô ph ng h th ng đi u khi n m dùng Matlab

 Th c hi n b đi u khi n m trên vi đi u khi n, PLC

Tiêu đề	Điều Khiển Thông Minh Huỳnh Thái Hoàng
Tác giả	H. T. Hoàng
Trường học	Trường Đại học Bách Khoa TP.HCM
Chuyên ngành	Kỹ thuật điều khiển
Thể loại	Giáo trình
Năm xuất bản	2014
Thành phố	TP.HCM

Định dạng
Số trang	66
Dung lượng	911,21 KB