Tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật nghiên cứu ứng dụng điều khiển mờ nơron cho hệ thí nghiệm truyền động bóng tay đòn

Đặc biệt các bộ điều khiển thôngminh nói trên còn được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp quốcphòng mà mức độ điều khiển đòi hỏi độ chính xác rất cao đảm bảoloại bỏ các nhiễu tiền định

Người hướng dẫn khoa học: TS Đào Huy Du

Phản biện 1: TS Nguyễn Văn Vỵ

Phản biện 2: TS Đỗ Trung Hải

Luận văn này được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn Họp tại: TRƯỜNG ĐH KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THÁI

NGUYÊN

Vào hồi 09 giờ 30 ngày 18 tháng 8 năm 2014

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm học liệu Đại học Thái Nguyên

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC

LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN

Bài báo khoa học

Hai giải pháp mới điều khiển hệ Ball and Beam

Tác giả: Vũ Nguyên Hải, Lại Thị Thanh Hoa

Đã được phản biện và đồng ý đăng trên tạp chí Khoa học & Công nghệ - Đại học Thái Nguyên

MỞ ĐẦU

Điều khiển - Tự động đang là một trong những ngànhtrọng điểm của ngành công nghiệp điện trên đà phát triển một cáchtích cực trong nền công nghiệp của nước nhà Cùng với sự pháttriển của khoa học kỹ thuật hiện đại, việc nâng cao chất lượng điềukhiển luôn là vấn đề cấp thiết được nhiều nhà khoa học trong vàngoài nước quan tâm Như chúng ta đã biết, các thiết bị ứng dụngđiều khiển kinh điển chủ yếu được thiết kế theo phương pháp tuyếntính hóa gần đúng Khi thông số của hệ thống thay đổi mà thông sốcủa bộ điều khiển giữ nguyên dẫn đến làm giảm độ chính xác điềukhiển ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm

Sự ra đời của lý thuyết điều khiển mới (điều khiển thíchnghi, điều khiển mờ mạng nơ ron…) đã tạo điều kiện cho việc xâydựng các bộ điều khiển thông minh đáp ứng yêu cầu công nghệ ngàycàng cao của nền sản xuất hiện đại Đặc biệt các bộ điều khiển thôngminh nói trên còn được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp quốcphòng mà mức độ điều khiển đòi hỏi độ chính xác rất cao đảm bảoloại bỏ các nhiễu tiền định và nhiễu ngẫu nhiên…

Đề tài: “Nghiên cứu ứng dụng điều khiển mờ nơron cho hệ

thí nghiệm truyền động Bóng - Tay đòn” là nghiên cứu ứng dụng lý

thuyết vào điều khiển hệ vật lý trong phòng thí nghiệm đây là mộtbước rất quan trọng không thể thiếu trong quá trình thiết kế bộ điềukhiển trong thực tế Kết quả của đề tài có thể sử dụng để thiết kế các

bộ điều khiển trên cơ sở lý thuyết mờ để điều khiển ra đa, điều khiểncân bằng cho máy bay không người lái…

Đề tài này đặt ra mục tiêu chính là: Xây dựng bộ điều khiển

mờ nơron điều khiển bộ thí nghiệm truyền động Bóng - Tay đòn tạiPhòng thí nghiệm khoa Điện tử Trường Đại học Kỹ thuật Côngnghiệp - Đại học Thái Nguyên

CHƯƠNG I:

TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG 1.1 CÁC HỆ ĐIỀU KHIỂN KINH ĐIỂN

1.1.1 Tổng hợp bộ điều khiển tuyến tính

Các bộ điều chỉnh PID tuyến tính (Bao gồm P, PI, PD và PID) đãđược nghiên cứu và phát triển tới mức hoàn thiện Để xác định thông

số tối ưu (Kp, Ki,Kd) của PID ta có thể dùng phương pháp môdul tối

ưu, phương pháp môđul đối xứng và các phần mềm chuyên dụng (ví

dụ MATLAB) để tự động xác định tối ưu các thông số PID Đặcđiểm của các phương pháp này là cần phải biết chính xác mô hìnhcủa đối tượng

1.1.2 Tổng hợp hệ điều khiển phi tuyến

Thực tế các hệ thống và các đối tượng vật lý ít nhiều đều có tínhphi tuyến, chúng chỉ tuyến tính trong 1 vùng làm việc nào đó Vì vậyviệc nghiên cứu tổng hợp hệ phi tuyến có ý nghĩa thực tiễn và phổbiến Để phân tích và tổng hợp hệ phi tuyến ta phải dùng các phươngpháp gần đúng:

- Phương pháp tuyến tính hoá gần đúng

- Phương pháp tuyến tính hoá điều hoà

- Phương pháp tuyến tính hoá từng đoạn

- Phương pháp mặt phẳng pha

1.2 LOGIC MỜ VÀ ĐIỀU KHIỂN MỜ

1.2.1 Giới thiệu

1.2.1.1 Lịch sử ra đời và phát triển

1.2.1.2 Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ

Cấu trúc chung của một bộ điều khiển mờ gồm 4 khối: Khối mờhoá, khối hợp thành, khối luật mờ và khối giải mờ

1.2.3 Bộ điều khiển mờ động

Là bộ điều khiển mờ mà đầu vào có xét tới các trạng thái độngcủa đối tượng Các bộ điều khiển mờ động hay được dùng hiện nay

là bộ điều khiển mờ theo luật tỉ lệ tích phân, tỉ lệ vi phân và tỉ lệ vitích phân ( I, PI, PD và PI)

1.2.4 Nhận xét

Qua nghiên cứu ta nhận thấy rằng bộ điều khiển mờ có tính phituyến mạnh, khả năng chống nhiễu cao, nó rất phù hợp với hệ có tínhphi tuyến, phụ thuộc thời gian, có tham số rải và thời gian trễ lớn

1.3 MẠNG NƠ RON

1.3.1 Mô hình nơron sinh học

1.3.1.1 Xử lý thông tin trong bộ não

1.3.1.2 Các đặc tính cơ bản của não người

Mạng nơron truyền thẳng nhiều lớp

Mạng nơron chỉ có một nơron tự hồi quy

Mạng nơron hồi quy một lớp

Mạng có cấu trúc ngang - hạn chế

Mạng nơron hồi quy nhiều lớp

1.3.4 Các tính chất của mạng nơron

- Là hệ phi tuyến

Với nội dung của đề tài “Nghiên cứu ứng dụng điều khiển mờ

nơron cho hệ thí nghiệm truyền động bóng - tay đòn” Ta phải thực

hiện những nội dung sau:

+ Xây dựng mô hình toán cho hệ thí nghiệm truyền động bóng –tay đòn

+ Thiết kế bộ điều khiển mờ nơron cho hệ thí nghiệm truyền độngbóng – tay đòn

+ Tiến hành mô phỏng và làm thí nghiệm trên hệ thống thực

CHƯƠNG 2

HỆ BÓNG TAY ĐÒN 2.1 GIỚI THIỆU HỆ BÓNG – TAY ĐÒN

Hệ bóng – tay đòn là một hệ điều khiển phức tạp, nó giống nhưviệc điều khiển quỹ đạo của tên lửa hay định vị một vệ tinh trong vũtrụ

2.2 MÔ TẢ TOÁN HỌC CHO HỆ BÓNG – TAY ĐÒN

2.2.1 Hàm truyền của hệ quả bóng lăn trên mặt nghiêng

chủ đạo

Hình 2.2: Mô hình hệ Bóng-Tay đòn

2.2.2 Hàm truyền của hệ động cơ + tải

Từ các kết quả trên ta có sơ đồ cấu trúc của hệ Bóng-Tay đòn

2.3 ĐIỀU KHIỂN PID KINH ĐIỂN CHO HỆ BÓNG – TAY ĐÒN 2.3.1 Các bộ điều chỉnh tương tự

2.3.1.1 Bộ điều chỉnh tỉ lệ (P)

Hiện nay, hầu hết các bộ điều chỉnh tỉ lệ đều đực xây dựngtrên cơ sở các bộ khuếch đại thuật toán (KĐTT) kết hợp với các điệntrở Các sơ đồ khuếch đại dùng KĐTT thường sử dụng 2 cách mắc

Hình 2.5: Sơ đồ cấu trúc hệ B&B

0,0277 0,73

-đó là sơ đồ khuếch đại đảo và sơ đồ khuếch đại không đảo, sơ đồkhuếch đại đảo thường được sử dụng nhiều hơn vì dải thông rộnghơn.

2.3.1.2 Bộ điều chỉnh tỉ lệ - tích phân (PI)

Bộ điều chỉnh tỉ lệ - tích phân là loại bộ điều chỉnh được sửdụng nhiều nhất trong thiết kế các hệ điều chỉnh tự động dùng trongcông nghiệp

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, vềnguyên tắc có thể thiết kế 1 sơ đồ tổ hợp chung và cũng có thể thiếtdạng ba bộ điều chỉnh P, I, D độc lập, sau đó sử dụng mạch cộng đểđược bộ điều chỉnh PID

2.3.1.4 Bộ điều chỉnh tích phân (I)

Hình 2.12: Sơ đồ mạch điện bộ điều chỉnh tích phân

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

-R2

C2

+-+U

U-

++U

U

+1

2

Khuếch đại công suất

G2

Các kết quả thu được từ chương này làm cơ sở để tính toán cácthông số của các bộ điều khiển kinh điển, điều khiển mờ Sau đó tiếnhành thực nghiệm để kiểm tra các thuật toán điều khiển, các nội dungnày sẽ được trình bày ở chương 3.

CHƯƠNG III THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN HỆ BÓNG - TAY ĐÒN

3.1 Điều khiển hệ Bóng - Tay đòn bằng bộ điều khiển kinh điển

Tin hieu dat

PID PID2

PID PID1

.73 0277

Hình 3.3: Đáp ứng động của hệ thống khi không có nhiễu

Hình 3.4: Đáp ứng động của hệ thống khi có nhiễu tác động

* Nhận xét:

Từ các kết quả mô phỏng trên ta thấy khi sử dụng các bộ điềukhiển kinh điển để điều khiển hệ bóng – tay đòn thì đáp ứng của hệthống khá tốt nếu không có nhiễu Song khi có nhiễu tác động vàoquả bóng thì vị trí quả bóng dao động khá nhiều Để khắc phục hiệntượng này cần phải có giải pháp để bộ điều khiển có thể thay đổi

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0

thông số của chúng một cách linh hoạt Trong luận văn này tác giả đềxuất sử dụng bộ điều khiển Mờ-Nơron

3.2 Thiết kế bộ điều khiển mờ nơron cho hệ Bóng - Tay đòn 3.2.1 Cấu trúc bộ điều khiển Mờ-Nơron (FNC - Fuzzy Neural Controler)

Hình 3.7: Cấu trúc của bộ điều khiển Mờ-Nơron

3.2.2 Huấn luyện mạng

Để huấn luyện mạng FNC ta cần có bộ dữ liệu huấn luyện, tác giả

sử dụng mô hình mẫu để thu nhận tập dữ liệu huấn luyện

Hình 3.12: Biểu đồ sai số giữa dữ liệu huấn luyện và dữ liệu vào

ra của FNC qua 30 kỳ huấn luyện

Hình 3.16: Đặc tính động của hệ thống với bộ điều khiển FNC khi

có nhiễu

* Nhận xét:

Từ các kết quả mô phỏng ta thấy bộ điều khiển Mờ-Nơron(FNC) đề xuất có thể huấn luyện để điều khiển hệ thống Bóng - Tayđòn với đặc tính động rất tốt khi không có nhiễu Tuy nhiên khi cónhiễu tác động thì bộ điều khiển này chưa khắc phục được nhiều.Nguyên nhân là tập dữ liệu huấn luyện mạng chưa thật hoàn hảo

3.3 Kết quả thực nghiệm

Sơ đồ thí nghiệm như hình 3.17 Trong thí nghiệm này, ta thay bộ

điều khiển G1 bằng bộ điều khiển mờ nơron Như vậy mạch vòng

trong vẫn sử dụng phương pháp điều khiển kinh điển còn mạch vòng

ngoài là điều khiển mờ nơron Để kết nối bộ điều khiển mờ vào hệ

thống ta dùng card chuyển đổi NI USB 6008 và dùng phần mền

MATLAB điều khiển thực (real time)

Hình 3.18: Đặc tính động của hệ thống khi sử dụng bộ điều khiển mờ nơron ở

vòng ngoài với tín hiệu đặt không đổi

Hình 3.18: Đặc tính động của hệ thống khi sử dụng bộ điều khiển mờ

nơron ở vòng ngoài với tín hiệu đặt không đổi

Hình 3.19 Đặc tính điều chỉnh hệ bóng – tay đòn khi sử dụng bộ

điều khiển mờ nơron với tín hiệu đặt thay đổi

Hình 3.18: Đặc tính động của hệ thống khi sử dụng bộ điều khiển mờ nơron ở

vòng ngoài với tín hiệu đặt không đổi

Hình 3.18: Đặc tính động của hệ thống khi sử dụng bộ điều khiển mờ nơron ở

vòng ngoài với tín hiệu đặt không đổi

KẾT LUẬN – ĐÁNH GIÁ

Luận văn đã thực hiện được những công việc sau:

- Đã tìm hiểu về đối tượng là hệ thí nghiệm truyền động bóng – tay đòn tại phòng thí nghiệm trường ĐH KTCN

- Thiết kế bộ điều khiển PID kinh điển

- Thiết kế bộ điều khiển mờ nơron

- Tiến hành mô phỏng và làm thí nghiệm thực sử dụng bộ điềukhiển PID kinh điển và bộ điều khiển mờ nơron trên hệ thí nghiệmtruyền động bóng – tay đòn tại phòng thí nghiệm trường ĐH KTCN

So sánh và rút ra kết luận

Đánh giá nội dung của đề tài:

Đề tài đã hoàn thành các nội dung yêu cầu Kết quả của đề tài cóthể sử dụng để thiết kế các bộ điều khiển trên cơ sở lý thuyết mờ đểđiều khiển các hệ thống thực như hệ thống rađa, máy bay khôngngười lái…

Những kiến nghị nghiên cứu tiếp theo

 Xây dựng tập dữ liệu huấn luyện hoàn thiện hơn với mục đíchnâng cao chất lượng bộ điều khiển mờ nơron