Ứng dụng logic mờ để điều khiển hệ bóng tay đòn

Xuất phát từ yêu cầu khách quan và nguyện vọng của bản thân với sự hướng dẫn của PGs.Ts Lại Khắc Lãi tôi đã chọn đề tài nghiên cứu “Ứng dụng logic mờ để điều khiển Hệ bóng - Tay đòn” với

Học viên: Lê Đức Minh GVHD: PGs.Ts Lại Khắc Lãi

LỜI MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Việc nâng cao chất lượng điều khiển trong ngành Điều khiển - Tự động luôn là vấn đề cấp thiết được nhiều nhà khoa học quan tâm Các hệ thống điều khiển kinh điển chủ yếu được thiết kế theo phương pháp tuyến tính hóa gần đúng Khi thông số của hệ thống thay đổi thì thông số của bộ điều khiển giữ nguyên dẫn đến làm giảm độ chính xác điều khiển ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm

Với sự ra đời của lý thuyết điều khiển mới (điều khiển thích nghi, điều khiển mờ mạng nơ ron…) đã tạo điều kiện cho việc xây dựng các bộ điều khiển thông minh đáp ứng yêu cầu công nghệ ngày càng cao của nền sản xuất hiện đại góp phần nâng cao năng suất lao động, cải thiện điều kiện làm việc, đáp ứng công cuộc CNH - HĐH đất nước Mặt khác các bộ điều khiển thông minh nói trên có xu hướng sẽ được dần đưa vào chương trình giảng dạy tại 1

số trường cao đẳng nghề trọng điểm cho sinh viên tiếp cận Đây cũng chính là mong muốn của bản thân tôi sau khi tốt nghiệp sẽ chế tạo 1 thiết bị ứng dụng logic mờ để điều khiển tại phòng thí nghiệm của Trường Cao đẳng nghề Cơ điện Phú Thọ là nơi tôi đang công tác

Xuất phát từ yêu cầu khách quan và nguyện vọng của bản thân với sự

hướng dẫn của PGs.Ts Lại Khắc Lãi tôi đã chọn đề tài nghiên cứu “Ứng dụng logic mờ để điều khiển Hệ bóng - Tay đòn” với đối tượng điều khiển là Hệ

Bóng - Tay đòn tại phòng thí nghiệm Điện tử của Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Đề tài này là 1 nghiên cứu ứng dụng lý thuyết vào điều khiển hệ vật lý trong phòng thí nghiệm đây là một bước rất quan trọng không thể thiếu trong quá trình thiết kế 1 bộ điều khiển trong thực tế

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Phân tích đặc tính động học của Hệ bóng - tay đòn và lựa chọn các phương pháp để xác định mô hình hệ thống

- Xây dựng bộ điều khiển logic mờ để cải thiện chất lượng và mức độ

ổn định của Hệ bóng - tay đòn

- Thực nghiệm trên mô hình vật lý (Hệ Bóng - Tay đòn tại Phòng thí nghiệm khoa Điện tử Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên) để kiểm nghiệm lại bộ điều khiển logic mờ nhằm đánh giá khả năng cũng như hoàn thiện bộ điều khiển đã xây dựng và đưa vào ứng dụng thực tiễn

Học viên: Lê Đức Minh GVHD: PGs.Ts Lại Khắc Lãi

3 Nội dung của luận văn:

Với mục tiêu đặt ra, nội dung luận văn bao gồm các chương sau:

- Chương 1: Tổng quan về điều khiển mờ

- Chương 2: Hệ Bóng - Tay đòn (Beam and Ball)

- Chương 3: Thiết kế điều khiển hệ Bóng - Tay đòn

- Kết luận và kiến nghị

4 Phương pháp và phương pháp luận:

- Nghiên cứu lý thuyết để rút ra kết luận và đưa ra các thuật toán điều khiển

- Mô hình hóa và mô phỏng để kiểm nghiệm kết quả nghiên cứu

- Tiến hành thực nghiệm để khẳng định kết quả nghiên cứu

Học viên: Lê Đức Minh GVHD: PGs.Ts Lại Khắc Lãi

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN MỜ

1 1 Tổng quan về logic mờ

1.1.1 Quá trình phát triển của logic mờ

Lý thuyết mờ ra đời ở Mỹ, ứng dụng đầu tiên ở Anh nhưng phát triển mạnh mẽ nhất là ở Nhật Trong lĩnh vực Tự động hoá logic mờ ngày càng được ứng dụng rộng rãi Nó thực sự hữu dụng với các đối tượng phức tạp mà ta chưa biết rõ hàm truyền, logic mờ có thể giải quyết các vấn đề

mà điều khiển kinh điển không làm được

1.1.2 Khái niệm về tập mờ

1.1.2.1 Tập kinh điển

Cho một tập hợp A, một phần tử x thuộc A được ký hiệu: x∈ A

Để biểu diễn một tập hợp A trên nền X, ta dùng hàm thuộc μA(x) với:

1 ( ) 0

A

khi x A x

khi x A

μA(x) chỉ nhận 1 trong 2 giá trị “1” hoặc “0”

Ký hiệu xxX x thỏa mãn 1 số tính chất nào đó  Ta nói tập A được định nghĩa trên tập nền X

1.1.2.2 Định nghĩa tập mờ

Tập mờ B xác định trên tập kinh điển M là một tập mà mỗi phần tử

của nó là một cặp giá trị (x, μ B (x)), với x∈ M và μ B (x) là một ánh xạ:

1.1.2.3 Các thông số đặc trưng cho tập mờ

1.3 Biến ngôn ngữ và giá trị của biến ngôn ngữ

Một biến ngôn ngữ thường bao gồm 4 thông số: X, T, U, M với:

- X: Tên của biến ngôn ngữ

- T: Tập các giá trị ngôn ngữ

Học viên: Lê Đức Minh GVHD: PGs.Ts Lại Khắc Lãi

- U: Không gian nền mà trên đó biến ngôn ngữ X nhận các giá trị rõ

- M: Chỉ ra sự phân bố của T trên U

Luật hợp thành MAX-MIN là tên gọi mô hình (ma trận) R của mệnh

đề hợp thành AB khi hàm liên thuộc μA  B(x,y) của nó được xây dựng theo quy tắc MAX-MIN

1.4.5.2 Luật hợp thành MAX-PROD

Cũng giống như đã làm với luật hợp thành MAX-MIN, ma trận R của luật hợp thành MAX-PROD được xây dựng gồm các hàng là m giá trị rời rạc của đầu ra μB’(y1), μB’(y2) μB’(ym) cho n giá trị rõ đầu vào x1,

x2, ,xn

1.4.5.3 Thuật toán xây dựng R

Phương pháp xây dựng R cho mệnh đề hợp thành một điều kiện R:

AB, theo MAX-MIN hay MAX-PROD

1.4.5.4 Luật hợp thành đơn có cấu trúc MISO

Học viên: Lê Đức Minh GVHD: PGs.Ts Lại Khắc Lãi

Các bước xây dựng luật hợp thành R như sau:

- Rời rạc hoá miền xác định hàm liên thuộc μA1(x1), μA2(x2), ,

μAd(xd), μB(y) của các mệnh đề điều kiện và mệnh đề kết luận

- Xác định độ thoả mãn H cho từng véctơ các giá trị rõ đầu vào là véctơ

tổ hợp d điểm mẫu thuộc miền xác định của các hàm liên thuộc μAi(xi), (i=1, 2, , d)

1.4.6 Luật của nhiều mệnh đề hợp thành

1.4.6.1 Luật hợp thành của 2 mệnh đề hợp thành

1.4.6.2 Thuật toán xây dựng luật chung của nhiều mệnh đề hợp thành

- Bước 1: Rời rạc hoá

1.6.1 Cấu trúc của bộ điều khiển mờ

Một bộ điều khiển mờ gồm 3 khâu cơ bản:

- Khâu mờ hoá

- Thực hiện luật hợp thành

- Khâu giải mờ

1.6.2 Các bước tổng hợp bộ điều khiển mờ

- Khảo sát đối tượng

- Mờ hoá các biến ngôn ngữ vào/ra

- Xây dựng các luật điều khiển

- Chọn thiết bị hợp thành và chọn nguyên tắc giải mờ

- Tối ưu hệ thống sau khi thiết kế

1.6.3 Bộ điều khiển mờ tĩnh

Bộ điều khiển tĩnh là bộ điều khiển mờ có quan hệ vào/ra y(x), với x là đầu vào và y là đầu ra, theo dạng một phương trình đại số

1.6.4 Bộ điều khiển mờ động

Học viên: Lê Đức Minh GVHD: PGs.Ts Lại Khắc Lãi

Bộ điều khiển mờ động là bộ điều khiển mờ mà đầu vào có xét tới trạng thái động của đối tượng như vận tốc, gia tốc, đạo hàm của gia tốc

1.7 Hệ điều khiển mờ lai

Hệ mờ lai viết tắt là F-PID là hệ điều khiển trong đó thiết bị điều khiển gồm 2 thành phần: Thành phần điều khiển kinh điển và thành phần điều khiển

mờ

1.8 Hệ điều khiển thích nghi mờ

Hệ điều khiển thích nghi mờ là hệ điều khiển thích nghi được xây dựng trên cơ sở của hệ mờ

1.8.1 Phân loại

- Bộ điều khiển mờ tự chỉnh

- Bộ điều khiển mờ tự thay đổi cấu trúc

1.8.2 Các phương pháp điều khiển thích nghi mờ

- Phương pháp trực tiếp

- Phương pháp gián tiếp

1.9 Tổng hợp bộ điều khiển thích nghi mờ ổn định

y  y y y    Mục tiêu là thiết kế bộ điều khiển mờ

để tạo ra tín hiệu điều khiển u sao cho tín hiệu ra y(t) của hệ thống bám theo

quỹ đạo y d cho trước nào đó

1.9.2 Thuật toán tổng hợp bộ điều khiển mờ thích nghi

Ta tiến hành xây dựng bộ điều khiển mờ theo trình tự sau:

- Định nghĩa các hàm liên thuộc

- Xây dựng hàm mờ cơ sở

- Xác định luật thích nghi '

( )

T n

Học viên: Lê Đức Minh GVHD: PGs.Ts Lại Khắc Lãi

pháp giải mờ, cấu trúc của bộ điều khiển mờ từ đó nêu lên các bước tổng hợp

bộ điều khiển mờ trong đó có bộ điều khiển mờ tĩnh, bộ điều khiển mờ động

và trình bày thêm 1 số vấn đề về bộ điều khiển mờ lai Đây là những kiến thức liên quan làm cơ sở để chế tạo nên bộ điều khiển cho hệ Bóng - Tay đòn cần xây dựng

Học viên: Lê Đức Minh GVHD: PGs.Ts Lại Khắc Lãi

2.2 Mô tả toán học cho hệ Bóng - Tay đòn

Mô hình hệ Bóng - Tay đòn được mô tả như hình 2.2

Khớp cố

Tay biên

Bánh truyền lực Bánh răng

chủ đạo

Hình 2.2 Mô hình hệ Bóng-Tay đòn

Học viên: Lê Đức Minh GVHD: PGs.Ts Lại Khắc Lãi

Tay đòn một đầu được gắn vào khớp cố định, đầu kia nối với tay biên Trục động cơ được gắn với bánh răng chủ đạo Động cơ truyền lực qua các bánh răng và qua tay biên tới tay đòn làm cho tay đòn chuyển động theo kiểu bập bênh

Để lấy thông tin về vị trí của quả bóng, tay đòn được chế tạo như hình

2, gồm 2 thanh đặt song song, thanh 1 là điện trở dây quấn, thanh 2 là thanh kim loại được mạ bóng Hệ cánh tay đòn thực chất được chế tạo như 1 biến trở, quả bóng là con trượt của biến trở

Ngoài ra hệ còn có khâu phản hồi về góc của cánh tay đòn so với phương ngang, vòng phản hồi này được gọi là vòng phản hồi trong Khi cánh tay đòn nằm ngang tín hiệu ở đầu ra của khâu phản hồi (SHAFT ANGLE) bằng 0V

2.2.1 Hàm truyền của hệ quả bóng lăn trên mặt nghiêng

Quả bóng thép đặt trên cánh tay đòn được mô tả như hình 2.4 Bóng lăn trên mặt nghiêng và nó chịu tác dụng của các lực sau

- Lực F là lực ma sát tác động song song với phương chuyển động

Học viên: Lê Đức Minh GVHD: PGs.Ts Lại Khắc Lãi

- Trọng lực của bóng được phân tích thành 2 thành phần: Fn là thành phần vuông góc với phương chuyển động và 1 thành phần song song với phương chuyển động

Vậy lực duy nhất ảnh hưởng tới mô men của quả bóng là lực ma sát F

Độ lớn của mô men do lực này gây ra là (F.r)

ddtdx

Thay vào phương trình (2.1) ta được:

2

2 2

2 2

r

K1

gSin

r

Jm

mgSindt

xd

xd

2 2

Với góc  nhỏ ta coi sin =  Do đó:  g

7

5dt

xd

2 2

Chuyển sang dạng toán tử Laplace ta được:

)p(X



 (m/rad) (2.3)

Học viên: Lê Đức Minh GVHD: PGs.Ts Lại Khắc Lãi

P

8,4rad

inch)

p(α

)p(

2.2.2 Hàm truyền của hệ động cơ + tải

- Phương trình cân bằng điện áp trong mạch phần ứng động cơ là:

K

BJ

85)

p(U

)p(

,35P

297)

p(U

)p(ω

(2.7)

Gọi  là góc quay của tải với  = d/dt hay dưới dạng toán tử:

Học viên: Lê Đức Minh GVHD: PGs.Ts Lại Khắc Lãi

P

)p(



Thay vào (2.6) ta được:

)7,35P(P

297)

p(U

)p(θ

Học viên: Lê Đức Minh GVHD: PGs.Ts Lại Khắc Lãi

Hình 2.9 Sơ đồ nguyên lý bộ điều chỉnh PI sử dụng KĐTT

2.3.1.3 Mạch điều chỉnh tỉ lệ - tích phân - vi phân (PID)

Bộ điều chỉnh PID có nhiều cách thức thực hiện khác nhau, về nguyên tắc có thể thiết kế 1 sơ đồ tổ hợp chung và cũng có thể thiết dạng ba bộ điều chỉnh P, I, D độc lập, sau đó sử dụng mạch cộng để được bộ điều chỉnh PID

Hình 2.11 Bộ điều chỉnh PID

a Sơ đồ mạch điện;

2.3.2 Sơ đồ lắp đặt điều khiển thực nghiệm hệ Bóng - Tay đòn

Sơ đồ thực nghiệm hệ Bóng - Tay đòn được chỉ ra trên hình 2.13

Học viên: Lê Đức Minh GVHD: PGs.Ts Lại Khắc Lãi

2.4 Kết luận chương 2

Chương 2 trình bày mô tả cấu trúc và mô tả toán học của hệ thống thí nghiệm Beam and Ball Đồng thời trình bày cấu trúc thực tế của các qui luật điều khiển Các kết quả thu được từ chương này làm cơ sở để tính toán các thông số của các bộ điều khiển kinh điển, điều khiển mờ và tiến hành thực nghiệm để kiểm tra các thuật toán điều khiển sẽ được trình bày ở chương 3

Khuếch đại công suất

G2

Hình 2.13: Sơ đồ điều khiển hệ B-T bằng bộ điều khiển PID kinh điển

Học viên: Lê Đức Minh GVHD: PGs.Ts Lại Khắc Lãi

Chương 3 THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN HỆ BÓNG - TAY ĐÒN 3.1 Điều khiển hệ Bóng - Tay đòn bằng bộ điều khiển kinh điển

Sơ đồ cấu trúc hệ Bóng - tay đòn với các thông số được chỉ ra ở chương

Hình 3.2: Sơ đồ mô phỏng hệ B-T với bộ điều khiển kinh điển

Sơ đồ mô phỏng được chỉ ra trên hình 3.2 Kết quả mô phỏng với các giá trị đặt khác nhau được chỉ ra trên hình 3.3 và 3.4 Trong đó: Hình 3.3 là đáp ứng động khi sử dụng bộ điều khiển PID kinh điển, với kích thích là hàm 1(t) trong trường hợp không có nhiễu tác động vào quả bóng; Hình 3.4 là đáp ứng quá độ có kể đến nhiễu

Hình 3.1 Sơ đồ cấu trúc hệ B-T

0,0277 0,73

PID PID2

PID PID1

.73 1.6 1

.0277

Học viên: Lê Đức Minh GVHD: PGs.Ts Lại Khắc Lãi

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Học viên: Lê Đức Minh GVHD: PGs.Ts Lại Khắc Lãi

3.2 Điều khiển hệ Bóng - Tay đòn bằng bộ điều khiển mờ

Như đã đề cập ở trên, hệ thống B-T có 2 mạch vòng điều khiển, mạch vòng trong điều khiển độ nghiêng của tay đòn, mạch vòng ngoài điều khiển vị trí của quả bóng, mạch vòng ngoài rất nhạy cảm với nhiễu tác động vào bóng

Vì vậy có thể sử dụng điều khiển mờ để nâng cao khả năng kháng nhiễu cho

hệ thống Sơ đồ cấu trúc điều khiển mờ cho hệ B-T như hình 3.5

Hình 3.5: Sơ đồ mô phỏng hệ B-T khi sử dụng bộ điều khiển mờ

Bộ điều khiển mờ cho mạch vòng ngoài có 2 đầu vào là sai lệch và tích phân của sai lệch Mỗi đầu vào được mờ hóa bởi 5 tập mờ, đầu ra được mờ hóa bởi 9 tập mờ Miền xác định và hình dạng các hàm liên thuộc đầu vào, ra được biểu diễn trên hình 3.6

.73

1.6 du/dt

1

Học viên: Lê Đức Minh GVHD: PGs.Ts Lại Khắc Lãi

Bảng 3.1: Luật điều khiển của bộ điều khiển mờ

Bộ điều khiển mờ có 25 luật điều khiển được xây dựng theo nguyên tắc tuyến tính với luật tổng quát:

Rij: if int1 = i và int2 = j then out = i+j Các luật điều khiển cụ thể được liệt kê trong Bảng 3.1

Sử dụng luật suy diễn Max-min, giải mờ bằng phương pháp trọng tâm, quan hệ vào - ra của bộ điều khiển mờ được biểu diễn trên Hình 3.7

Kết nối bộ điều khiển mờ vào hệ thống và tiến hành chạy mô phỏng trong trường hợp không có nhiễu và có nhiễu tác động ta thu được các kết quả như hình 3.8 và hình 3.9 Trong đó hình 3.8 là đáp ứng động của hệ thống khi không có nhiễu tác động; Hình 3.9 là đáp ứng động khi có nhiễu tác động

Học viên: Lê Đức Minh GVHD: PGs.Ts Lại Khắc Lãi

Hình 3.7: Quan hệ vào-ra của bộ điều khiển mờ

Hình 3.8: Đáp ứng khi sử dụng điều khiển mờ không có nhiễu tác động

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Thoi gian (s)

Học viên: Lê Đức Minh GVHD: PGs.Ts Lại Khắc Lãi

Hình 3.9: Đáp ứng khi sử dụng điều khiển mờ khi có nhiễu tác động

Để so sánh với bộ điều khiển kinh điển, ta tiến hành mô phỏng song song 2 bộ điều điều khiển Các kết quả thu được biểu diễn trên các hình 3.10, hình 3.11 và hình 3.12

Từ các kết quả mô phỏng ta thấy rằng bộ điều khiển mờ đã cho đáp ứng tốt hơn so với bộ điều khiển kinh điển trong cả trường hợp không có nhiễu và

có nhiễu tác động

Hình 3.10: So sánh đáp ứng khi sử dụng PID kinh điển

và điều khiển mờ khi không có nhiễu tác động

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

0.4

0.6

0.8

1 1.2

Học viên: Lê Đức Minh GVHD: PGs.Ts Lại Khắc Lãi

Hình 3.11: So sánh đáp ứng khi sử dụng PID kinh điển

và điều khiển mờ khi có nhiễu tác động

Hình 3.12: Đáp ứng khi sử dụng PID kinh điển

và điều khiển mờ khi thay đổi giá trị

PID kinh điển PID mờ

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

0.4

0.6

0.8

1 1.2

Học viên: Lê Đức Minh GVHD: PGs.Ts Lại Khắc Lãi

3.3 Kết quả thực nghiệm tại Trung tâm thí nghiệm Trường Đại học KTCN Thái Nguyên

Hình 3.13: Hệ Bóng - Tay đòn (B-T) tiến hành thực nghiệm

Hệ Bóng - Tay đòn (B-T) (Hình 3.13) tiến hành thực nghiệm nằm trong bảng thí nghiệm SRV2 do hãng Lab-Volt (Italia) chế tạo tại Phòng 211Trung tâm thí nghiệm - Trường Đại học kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Hệ Bóng - Tay đòn (B-T) này cũng là một ví dụ điển hình về hệ thống phi tuyến cấp 4

Sơ đồ thí nghiệm như hình 3.13, 3.14 Trong thí nghiệm này ta thay bộ điều khiển G1 bằng bộ điều khiển mờ Như vậy mạch vòng trong vẫn sử dụng phương pháp điều khiển kinh điển còn mạch vòng ngoài là điều khiển mờ Để

G 2

Hình 3.14: Sơ đồ điều khiển hệ Bóng-Tay đòn bằng bộ điều khiển mờ

FLC

G1