FUZZY CONTROL AND NEURAL NETWORK

đi kèm file mô phỏng trên matlab

FUZZY CONTROL AND NEURAL NETWORK

Thiết kế bộ điều khiển nhiệt độ cho phòng làm việc

Cấu trúc mạch vòng điều khiển nhiệt độ phòng như sau:

Hình 1 Cấu trúc tổng quát mạch vòng điều khiển nhiệt độ phòng

Trong đó:

: tín hiệu đặt điện áp trong khoảng 0 10(V)

: tín hiệu phản hồi (V)

E : sai lệch giữa tín hiệu đặt và tín hiệu phản hồi -10 (V)

Udk : điện áp điều khiển biến tần 0 10(V)

n : tốc độ quay của động cơ 0 400 (vòng/phút)

: nhiệt độ phòng 10 độ

R : bộ điều chỉnh

Phòng là đối tượng phi tuyến có quan hệ với tốc độ n bằng phương trình:

=

Cảm biến nhiệt độ

Udk

-

+

Biến tần hệ số khuếch đại 40, thời gian trễ 1s do đó có hàm truyền đạt : =

Cảm biến nhiệt độ có nhiệm vụ phản hồi nhiệt độ quy đổi ra điện áp, nó có độ trễ rất nhỏ nên coi xấp xỉ là khâu tỉ lệ có hàm truyền : = 0,2

Quan hệ giữa tín hiệu đặt và tín hiệu ra là phi tuyến :

+ Nếu = 0 => n=0 => =

=50 + Nếu = 1 => n= 13,6 => =

= 44 + Nếu = 6 => n= 92,3 => =

= 26 + Nếu = 10 => n= 400 => =

= 10

Yêu cầu đặt ra lúc này là phải đi thiết kế bộ điều chỉnh R sao cho khi kích thích đầu vào các thì thu được đầu ra là các giá trị tương ứng.Phương pháp dùng bộ điều khiển PID tuyến tính kinh điển áp dụng trong trường hợp này còn rất nhiều hạn chế thậm chí là không thể điều khiển được, bộ điều khiển mờ khắc phục hoàn toàn những gì thiếu sót mà PID chưa làm được ! Sau đây em xin trình bày cả 2 phương pháp để thấy rõ sự khác biệt của chúng và chọn ra giải pháp tối ưu nhất

1 Bộ điều khiển PID

Hình 2 Mạch vòng điều chỉnh dùng PI với tham số Kp=20; Ki=49

Hình 3.Đáp ứng nhiệt độ khi = 0

Từ đồ thị thấy được đáp ứng nhiệt độ ra rất mất ổn định và cĩ lúc vượt xa giá trị định mức là rất nhiều lần;thay đổi các giá trị đặt khác cũng như các giá trị Kp, Ki khác cũng cho kết quả cực xấu Chứng tỏ bộ điều chỉnh PID gần như “bất lực” với đối

tượng phi tuyến

2 Bộ điều khiển mờ

Nguyên tắc tổng hợp bộ điều khiển mờ hoàn toàn dựa vào những phương pháp toán học trên cơ sở định nghĩa các biến ngôn ngữ vào/ra và sự lựa chọn những luật điều khiển Do các bộ điều khiển mờ có khả năng xử lý các giá trị vào/ra biểu diễn dưới dạng dấu phẩy động với độ chính xác cao nên chúng hoàn toàn đáp ứng được các yêu cầu của một bài toán điều khiển “rõ ràng” và “chính xác”

Bộ điều khiển mờ hoạt động chủ yếu dựa vào kinh nghiệm để thiết kế các luật điều khiển, triển khai các mệnh đề hợp thành  xây dựng mô hình luật hợp thành

2.1 Xác định các biến ngơn ngữ vào/ra

Đầu vào bộ ĐKM ở đây là sai lệch E, đầu ra là điện áp điều khiển biến tần

E=[-10 ]

Udk =[0 10]

Hàm liên thuộc các biến ngơn ngữ được chọn như sau:

=

[ ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )

( )]

= [ ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )]

2.2 Xây dựng luật hợp thành

2.3 Chọn luật hợp thành Max-Min

2.4 Giải mờ bằng phương pháp trọng tâm

2.5 Mô phỏng

Trên cửa sổ MATLAB đánh lệnh fuzzy thấy xuất hiện cửa sổ FIS EDITOR rồi sau

đó tiến hành thiết kế bộ ĐKM theo trình tự như sau:

Hình 4 Giao diện FIS Chọn các vùng sai lệch E và Udk như hình dưới đây

Hình 5 Các vùng sai lệch E

Hình 6 Các vùng Udk Tạo luật điều khiển theo nguyên tắc hợp thành đã chọn phía trên

Hình 7 Luật hợp thành Cửa sổ Rule Viewer và Surface thu được như sau:

Hình 8 Cửa sổ Rule Viewer và Surface

Tiến hành mô phỏng trên MATLAB/SIMULINK

Hình 9 Mạch vòng điều chỉnh dùng bộ điều khiển mờ Kết quả thu được:

Hình 10 Đáp ứng nhiệt độ khi = 0

Nếu đặt đầu vào = 0 thì đáp ứng đầu ra = ngay tức thời

Hình 11 Đáp ứng nhiệt độ khi = 1 Nếu đặt đầu vào = 1 với steptime = 1s thì đáp ứng đầu ra đ ở sau một khoảng thời gian thì tiến đến giá trị xác lập là như đã yêu cầu (do đối tượng

có quán tính )

Hình 12 Đáp ứng nhiệt độ khi = 6 Nếu đặt đầu vào = 6 với steptime =1 thì đáp ứng đầu ra tiến đến giá trị xác lập

là

Hình 13 Đáp ứng nhiệt độ khi = 10 Nếu đặt đầu vào = 10 thì đáp ứng đầu ra đ vẫn ở sau đó một

khoảng thời gian quá độ sẽ bằng

 Vậy bộ điều khiển mờ đã thiết kế hoàn toàn điều khiển được nhiệt độ của phòng theo ý muốn

Thực tế đối tượng phòng luôn chịu những tác động phát sinh như : nhiệt độ ngoài trời,

độ ẩm không khí, sự phân bố nhiệt độ không đồng đều… Nên nhu cầu tất yếu đặt ra là bộ

ĐK thiết kế phải vẫn điều khiển tốt nhiệt độ phòng theo ý muốn khi có nhiễu tác động Sau đây xét hệ mạch vòng điều khiển khi có nhiễu tác động đầu ra với nguồn nhiễu có công suất 0,01; thời gian trích mẫu 0,1

Hình 14 Mạch vòng điều chỉnh khi có nhiễu tác động

Hình 15 Đáp ứng đầu ra khi có nhiễu và = 10

Với = 10 khi có nhiễu tác động thì đáp ứng đầu ra nhiệt độ không khác nhiều so với trường hợp lý tưởng không có nhiễu Nhiệt độ ra vẫn bám sát giá trị xác lập là sau quá trình quá độ Với các khác có nhiễu tác động, kết quả thu được cũng gần như hoàn toàn giống trường hợp không có nhiễu

 KẾT LUẬN : Bộ điều khiển mờ đã thiết kế thỏa mãn hoàn toàn những yêu

cầu đặt ra trong cả trường hợp lý tưởng ( không có nhiễu ) lẫn trường hợp không lý tưởng ( có nhiễu tác động, ngoài thực tế )