Chuong03 nhap mon dktm

Microsoft PowerPoint Chuong03 Nhap mon DKTM ppt [Compatibility Mode] Môn họcMôn học NHẬP MÔN ĐIỀU KHIỂN THÔNG MINHNHẬP MÔN ĐIỀU KHIỂN THÔNG MINH Giảng viên PGS TS Huỳnh Thái Hoàng Bộ môn Điều Khiển Tự[.]

Môn học

NHẬP MÔN ĐIỀU KHIỂN THÔNG MINH

Giảng viên: PGS TS Huỳnh Thái Hoàng

Bộ môn Điều Khiển Tự Động

Khoa Điện – Điện Tử Đại học Bách Khoa TP.HCM

Đại học Bách Khoa TP.HCM Email: hthoang@hcmut.edu.vn Homepage: http://www4.hcmut.edu.vn/~hthoang

Chương 3 ĐIỀU KHIỂN MỜ U U Ờ Ờ

Giới hiệ điề khiể ờ

Nội dung chương 3

 Giới thiệu điều khiển mờ

 Thiết kế bộ điều khiển mờ dựa vào kinh nghiệm

 Bộ điều khiển PID mờ

 Thiết kế bộ điều khiển mờ dùng lý thuyết Lyapunov

 Thiết kế và mô phỏng hệ thống điều khiển mờ dùng Matlab

 Thực thi bộ điều khiển mờ dùng vi điều khiển

 Thực thi bộ điều khiển mờ dùng PLC

GIỚI THIỆU ĐIỀU KHIỂN MỜ

Hệ thống điều khiển bởi người vận hành

Đối tượng điều khiển

 Thực tế có những đối tượng ĐK rất phức tạp, có tính phi tuyến cao khó ĐK bằng phương pháp thông thường do không thể xác định được mô hình toán của đối tượng.

 Con người với khả năng xử lý tinh xảo của bộ não sau khi trải qua quá trình đào tạo và tích lũy kinh nghiệm lại

có thể điều khiển được các đối tượng phức tạp mà không cần biết gì về mô tả toán học của đối tượng

không cần biết gì về mô tả toán học của đối tượng.

Điều khiển mờ

Đối tượng

điều khiển

 Điều khiển mờ cung cấp phương pháp để biểu diễn, xử

lý và thực thi tri thức trực giác của con người.

 Kinh nghiệm chuyên gia được tích hợp vào bộ điều

khiển mờ trong quá trình thiết kế hệ thống.

Cấu trúc bộ điều khiển mờ

Bộ điều khiển mờ cơ bản

Cấu trúc bộ điều khiển mờ

Bộ điều khiển mờ cơ bản

Hậu

xử lý suy diễn

 Bộ điều khiển mờ cơ bản:

 Bộ điều khiển mờ cơ bản:

 hệ qui tắc điều khiển rút ra từ kinh nghiệm chuyên giatrong việc điều khiển đối tượng

 khâu mờ hóa chuyển giá trị rõ phản hồi từ ngõ ra của đốitượng thành giá trị mờ để hệ qui tắc có thể suy luận được

 khâu giải mờ chuyển giá trị mờ suy luận được ở ngõ ra

 khâu giải mờ chuyển giá trị mờ suy luận được ở ngõ racủa hệ qui tắc thành giá trị rõ để điều khiển đối tượng

Cấu trúc bộ điều khiển mờ

Bộ điều khiển mờ cơ bản

 vi phân, tích phân tín hiệu

 chuẩn hóa, lượng tử hóa

 chuẩn hóa, lượng tử hóa

 lọc nhiễu

 Hậu xử lý: bộ khuếch đại chuyển tín hiệu giải mờ chuẩn ậu ử ý bộ uếc đạ c uyể ệu g ả ờ c uẩ hóa thành giá trị vật lý.

Thiết kế bộ điều khiển mờ

Thiế kế d à ki h hiệ h ê i

 Thiết kế dựa vào kinh nghiệm chuyên gia

 Thiết kế bộ điều khiển PID mờ

Thiết kế d t ê lý th ết L

 Thiết kế dựa trên lý thuyết Lyapunov

Thiết kế bộ điều khiển mờ dựa vào kinh nghiệm chuyên gia

Thiết kế dựa vào kinh nghiệm chuyên gia

 Bước 1: Xác định biến vào biến ra (và biến trạng thái nếu

 Bước 1: Xác định biến vào, biến ra (và biến trạng thái, nếu

cần) của đối tượng

 Bước 2: Chuẩn hóa biến vào, biến ra về miền giá trị [0,1] hay

[ 1 1]

[1,1]

 Bước 3: Định nghĩa các giá trị ngôn ngữ cho biến vào và biến

ra; định lượng các giá trị ngôn ngữ bằng các tập mờ ; ị ợ g g ị g g g ập

 Bước 4: Xây dựng hệ qui tắc mờ bằng cách vẽ hình minh họa

để có ý tưởng đưa ra một số qui tắc điển hình, sau đó áp dụng tính liên tục của hệ mờ và tính đối xứng để đưa ra các qui tắc

tính liên tục của hệ mờ và tính đối xứng để đưa ra các qui tắc còn lại

 Bước 5: Chọn PP suy diễn (MAX–MIN hay MAX–PROD)

B ớ 6 Ch PP iải ờ (t tâ h t/bì h ó t ố)

 Bước 6: Chọn PP giải mờ (trọng tâm hay t/bình có trọng số)

 Bước 7: Mô phỏng hoặc thực nghiệm đánh giá kết quả, tinh

chỉnh các thông số của BĐK để đạt chất lượng mong muốn.g g g

Thí dụ: Điều khiển mờ giữ cân bằng hệ con lắc ngược

ml x

Các biến vào và biến ra của bộ điều khiển

 Chọn các biến vào/ra:

 Chọn các biến vào/ra:

4 biến vào: góc lệch của con lắc, vận tốc góc của con lắc vị trí xe và tốc độ xe

biến ra là lực tác dụng vào xe

 Tập cơ sở của các biến phụ thuộc chủ yếu vào đối

 Tập cơ sở của các biến phụ thuộc chủ yếu vào đối tượng, ta chọn như sau:

1 ,

1

, 3 0

1

4 3

Định nghĩa các giá trị ngôn ngữ cho các biến vào

x

1

1 Góc lệch

Định nghĩa các giá trị ngôn ngữ biến ra

là số lẽ đối với bài toán điều khiển ổn định hóa hoặc

ằ san bằng sai lệch

Qui tắc điều khiển mờ được đưa ra dựa vào kinh nghiệm

Qui tắc điều khiển mờ được đưa ra dựa vào kinh nghiệm

Mô phỏng điều khiển mờ giữ cân bằng hệ con lắc ngược

Kết quả điều khiển

Thiết kế bộ điều khiển PID mờ

Điều khiển PD mờ dùng hệ qui tắc Mamdani

 Bộ điều khiển PD mờ thường được sử dụng trong

 Bộ điều khiển PD mờ thường được sử dụng trong các trường hợp sau đây:

 Đối tượng có khâu tích phân lý tưởng hoặc

 Đối tượng có khâu tích phân lý tưởng, hoặc

 Ổn định hóa trạng thái của đối tượng xung

quanh điểm cân bằng ( x u ) trong đó u  0

quanh điểm cân bằng , trong đó ( x u , ) u  0

Trình tự thiết kế bộ điều khiển PD mờ

 Bước 1: Xác định tầm giá trị của:

 Bước 1: Xác định tầm giá trị của:

 biến vào: sai số (E) và vi phân sai số (DE)

 biến ra: tín hiệu điều khiển (U)

B ớ 2 Xá đị h á hệ ố h ẩ hó biế à biế ề

 Bước 2: Xác định các hệ số chuẩn hóa biến vào, biến ra về

miền giá trị [1,1]

 Bước 3: Định nghĩa các giá trị ngôn ngữ cho biến vào và biến ị g g ị g g

ra; định lượng các giá trị ngôn ngữ bằng các tập mờ

 Bước 4: Xây dựng hệ qui tắc mờ bằng cách vẽ hình minh họa

để có ý tưởng đưa ra một số qui tắc điển hình sau đó áp dụng

để có ý tưởng đưa ra một số qui tắc điển hình, sau đó áp dụng tính liên tục của hệ mờ và tính đối xứng để đưa ra các qui tắc còn lại

B ớ 5 Ch PP diễ (MAX MIN h MAX PROD)

 Bước 5: Chọn PP suy diễn (MAX–MIN hay MAX–PROD)

 Bước 6: Chọn PP giải mờ (trọng tâm hay t/bình có trọng số)

 Bước 7: Mô phỏng hoặc thực nghiệm đánh giá kết quả, tinh p g g g q

chỉnh các thông số của BĐK để đạt chất lượng mong muốn

Thí dụ

Thí dụ ĐK PD mờ ĐK PD mờ hướng chuyển động của tàu hướng chuyển động của tàu

 Phương trình vi phân mô tả đối tượng:

1 )

(

1

1 )

2 1

3

2 1 2

1

t t

k t

t t

Tín hiệu vàoệ (t)( ) (radian) là góc của bánh lái( ) g

Tín hiệu ra (t) (radian) là góc (hướng) chuyển động của tàu

Thí dụ

Thí dụ ĐK PD mờ ĐK PD mờ hướng chuyển động của tàu (tt) hướng chuyển động của tàu (tt)

 Tín hiệu vào BĐK mờ cơ bản: e ( t )   ( t )  ( t ) và e (t)

 Do đối tượng có khâu t/phân lý tưởng nên dùng BĐK PD mờ

 Tín hiệu vào BĐK mờ cơ bản: e ( t )   r ( t )   ( t ) và e (t)

 Tín hiệu ra BĐK mờ cơ bản: (t)

 Các hệ số chuẩn hóa:K  1 /  K  100 K  80  / 180

 Các hệ số chuẩn hóa:K1  1 /  , K2  100 , KU  80  / 180

Thí dụ

Thí dụ ĐK PD mờ ĐK PD mờ hướng chuyển động của tàu (tt) hướng chuyển động của tàu (tt)

 Các tập mờ tương ứng với các giá trị ngôn ngữ của các biến

 Các tập mờ tương ứng với các giá trị ngôn ngữ của các biếnvào/ra:

Thí dụ

Thí dụ ĐK PD mờ ĐK PD mờ hướng chuyển động của tàu (tt) hướng chuyển động của tàu (tt)

 Hệ qui tắc mờ điều khiển được đưa ra dựa vào kinh

 Hệ qui tắc mờ điều khiển được đưa ra dựa vào kinh nghiệm:

 Phương pháp suy diễn MAX-MIN

 Phương pháp giải mờ trung bình trọng số g p p g g ọ g

Thí dụ

Thí dụ ĐK PD mờ ĐK PD mờ hướng chuyển động của tàu (tt) hướng chuyển động của tàu (tt)

 Kết quả điều khiển:

 Kết quả điều khiển:

Điều khiển PI mờ dùng hệ qui tắc Mamdani

 Bộ điều khiển PI mờ nếu thiết kế tốt có thể điều khiể điề khiể đối t t iề là iệ ộ

khiển điều khiển đối tượng trong miền làm việc rộng với sai số xác lập bằng 0.

Trình tự thiết kế bộ điều khiển PI mờ

 Bước 1: Xác định tầm giá trị của:

 Bước 1: Xác định tầm giá trị của:

 biến vào: sai số (E) và vi phân sai số (DE)

 biến ra: vi phân của tín hiệu điều khiển (DU)

B ớ 2 Xá đị h á hệ ố h ẩ hó biế à biế ề

 Bước 2: Xác định các hệ số chuẩn hóa biến vào, biến ra về

miền giá trị [1,1]

 Bước 3: Định nghĩa các giá trị ngôn ngữ cho biến vào và biến ị g g ị g g

ra; định lượng các giá trị ngôn ngữ bằng các tập mờ

 Bước 4: Xây dựng hệ qui tắc mờ bằng cách vẽ hình minh họa

để có ý tưởng đưa ra một số qui tắc điển hình sau đó áp dụng

để có ý tưởng đưa ra một số qui tắc điển hình, sau đó áp dụng tính liên tục của hệ mờ và tính đối xứng để đưa ra các qui tắc còn lại

B ớ 5 Ch PP diễ (MAX MIN h MAX PROD)

 Bước 5: Chọn PP suy diễn (MAX–MIN hay MAX–PROD)

 Bước 6: Chọn PP giải mờ (trọng tâm hay t/bình có trọng số)

 Bước 7: Mô phỏng hoặc thực nghiệm đánh giá kết quả, tinh p g g g q

chỉnh các thông số của BĐK để đạt chất lượng mong muốn

Thí dụ điều khiển vị trí cánh tay máy

u(t): moment tác động lên trục quay của cánh tay máy

(t): góc quay (vị trí) của cánh tay máy,

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

M: khối lượng của cánh tay máy (M = 1 0kg)

M: khối lượng của cánh tay máy (M = 1.0kg)

m: khối lượng vật nặng (m = 0.1 kg)

l: chiều dài cánh tay máy (l = 0.4 m)

l C : khoảng cách từ trọng tâm cánh tay máy đến trục

l C : khoảng cách từ trọng tâm cánh tay máy đến trục quay (l C = 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

Thí dụ điều khiển vị trí cánh tay máy (tt)

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

 Bộ điều khiển: PI mờ

 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: K  8

Thí dụ điều khiển vị trí cánh tay máy (tt)

 Các tập mờ tương ứng với các giá trị ngôn ngữ của các biến vào/ra:

 Các tập mờ tương ứng với các giá trị ngôn ngữ của các biến vào/ra:

Thí dụ điều khiển vị trí cánh tay máy (tt)

 Hệ i tắ ờ điề khiể đ đ d à ki h hiệ

 Hệ qui tắc mờ điều khiển được đưa ra dựa vào kinh nghiệm:

 Phương pháp suy diễn MAX-MIN

 Phương pháp giải mờ trung bình trọng số

Thí dụ điều khiển vị trí cánh tay máy (tt)

 Kết ả điề khiể

 Kết quả điều khiển:

Điều khiển PID mờ dùng hệ qui tắc Mamdani

 Nhận xét: Rất khó đưa ra được hệ qui tắc điều khiển PID mờ theo cấu hình trên

khiển PID mờ theo cấu hình trên

Điều khiển PID mờ dùng hệ qui tắc Mamdani

 Thường bộ điều khiển PID mờ được thực hiện bằng cách kết hợp bộ điều khiển PI mờ và PD mờ

cách kết hợp bộ điều khiển PI mờ và PD mờ

Điều khiển PID mờ dùng qui tắc Sugeno

~ )

(

~ )

(

~ )

Thí dụ điều khiển mức chất lỏng trong bồn chứa

 PTVP mô tả đặc tính động học hệ bồn chứa:

 ( ) 2 ( )

1)

h  ( ) 2 ( )

)(

)

( ku t C a gh t

h A

t

min max

)(h A A h A

A( ) max  min h  Amin

h h

Thí dụ điều khiển mức chất lỏng trong bồn chứa (tt)

 Kết quả điều khiển dùng bộ điều khiển PID kinh điển thiết kế dựa vào

 Kết quả điều khiển dùng bộ điều khiển PID kinh điển thiết kế dựa vào

mô hình tuyến tính xung quanh điểm làm việc h=20cm

 Chất lượng điều khiển không tốt tại các điểm làm việc ở xa điểm

Thí dụ điều khiển mức chất lỏng trong bồn chứa (tt)

 Bộ điề khiể PI ờ S

 Bộ điều khiển: PI mờ Sugeno

Thí dụ điều khiển mức chất lỏng trong bồn chứa (tt)

Thí dụ điều khiển mức chất lỏng trong bồn chứa (tt)

 Kết quả điều khiển dùng bộ điều khiển PID mờ Sugeno

 Kết quả điều khiển dùng bộ điều khiển PID mờ Sugeno

 Chất lượng điều khiển gần như tương đương nhau tại mọi điểm làm việc

Thiết kế bộ điều khiển mờ

åå dựa vào lý thuyết ổn định Lyapunov

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

),

( u x 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:

0



 ( , u )  ,u0

e x xx

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

 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

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

) ,

 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

So sánh ổn định Lyapunov và ổn định tiệm cận Lyapunov

Ổn định Lyapunov Ổn định tiệm cận Lyapunov

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

Thiết kế bộ điều khiển mờ dùng phương pháp Lyapunov

ù 1 ù đị h h h h ùi û đ h đ

 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

Thí dụ: TK bộ điều khiển mờ dùng PP Lyapunov

Chọn hàm Lyapunov

Đạo hàm của hàm Lyapunov theo thời gian

Tín hiệu điều khiển thỏa mãn điều kiện ổn định

Chọn các điểm đặc tính thỏa mãn điều kiện ổn định

Định nghĩa hệ mờ dựa trên các điểm đặc tính

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

Mặt đặc tính của hệ mờ sau khi thiết kế

Kết quả điều khiển giữ cân bằng hệ con lắc ngược

 Bộ điề khiể ờ đã thiết kế ĩ khả ă điề khiể hệ

 Bộ điều khiển mờ đã thiết kế cĩ khả năng điều khiển hệ con lắc ngược về trạng thái cân bằng từ trạng thái đầu khác 0

khác 0.

ĐIỀU KHIỂN MỜ DÙNG PLC

Phần mềm FuzzyControl++ và NeuroSystem

 Sảm phầm của Siemens dùng với Simatic S7 và

 Sảm phầm của Siemens, dùng với Simatic S7 và Simatic WinCC.

Phần mềm điều khiển mờ Fuzzy Control++

Phần mềm điều khiển mờ Fuzzy Control++

 Dùng để thiết kế các bộ điề khiển mờ cho Simatic

 Dùng để thiết kế các bộ điều khiển mờ cho Simatic S7-300, S7-400 và Simatic WinCC

 Dùng ở mọi cấp tự động hóa từ bộ điều khiển cục

 Dùng ở mọi cấp tự động hóa, từ bộ điều khiển cục

bộ đến bộ điều khiển tối ưu nhà máy

 Có thể kết hợp với bộ điều khiển PID kinh điển để p kết hợp ưu điểm của hai bộ điều khiển.

 SV tự đọc thêm tài liệu: Simatic S7-300 Fuzzy Control User Manual

CÁC VÍ DỤ ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN THỰC TẾ

Các ứng dụng trong điều khiển

 Điều khiển PID mờ và các ứng dụng trong điều

 Điều khiển PID mờ và các ứng dụng trong điều

khiển các quá trình công nghiệp.

 Điều khiển robot cần trục

 Điều khiển robot, cần trục,

 Điều khiển xe ô tô, tàu điện,…