Thiết kế mô hình điều khiển giữ thăng bằng cho tời kéo trên các tàu dịch vụ dựa trên kỹ thuật điều khiển mờ la

Trong luận văn này sẽ đưa ra mộtgiải pháp để giải quyết vấn đề này, sử dụng một cảm biến đo chuyển động lênxuống của tàu, kết hợp với bộ điều khiển mờ lai để điều khiển tời kéo tải lên h

Mục lục :

Mục lục: 01

Lời cảm ơn: 07

Phụ lục 1:……… 77

Danh mục các bảng: Bảng 1.1: Bảng thông số làm việc của tời………10

Bảng 2.1: Ảnh hưởng của các giá trị Kp, Kd, Ki lên mô hình .17

Bảng 3.1: Thông số làm việc mô hình ……….31

Bảng 3.2: Ảnh hưởng của các giá trị Kp, Kd, Ki lên mô hình .35

Bảng 3.3: Sai số vị trí tải khi có nhiểu dùng bộ điều khiển PID 36

Bảng 3.4: Bảng luật mờ xác định ngõ ra Kp 44

Bảng 3.5: bảng luật mờ chọn ngõ ra KD 45

Bảng 3.6: Bảng luật mờ xác định KI 46

Bảng 3.7: Sai số vị trí tải khi có nhiễu dùng bộ điều khiển Mờ PID 48

Bảng 3.8: Sai số vị trí tải khi có nhiễu dùng bộ điều khiển Mờ trượt……… 54

Danh mục các hình: Hình 1.1: Mô hình demo của hãng Scantrol .09

Hình 1.2: Mô hình của hãng ACE Winch .09

Hình 1.3: Hình ảnh làm việc của tời kéo trong môi trường biển 10

Hình 1.4: Hình ảnh làm việc của cầu trong môi trường biển .10

Hình 1.5: Mô phỏng bộ điều khiển Fuzzy_PID trên Simuli ……… 11

Hình 1.6: Kết quả mô phỏng bộ điều khiển Fuzzy_PID……… 11

Hình 1.7: Cơ cấu truyền động bằng thủy lực ……… 12

Hình 1.8: Cơ cấu truyền động trực tiếp motor điện .13

Hình 1.9: Sơ đồ mô hình cơ khí của hệ thống tời kéo 13

Hình 1.10: Sơ đồ khối ổn định vị trí tải dùng STM32 F3 Discovery .14

Hình 2.1: Bộ điều khiển PID .16

Hình 2.2: Hàm liên thuộc 18

Hình 2.3: Các dạng hàm thuộc 19

Hình 2.4: Tập mờ của biến tốc độ .19

Hình 2.5: Hàm liên thuộc hình chuông .23

Hình 2.6: Hàm liên thuộc hình thang 24

Hình 2.7: Cấu trúc điều khiển mờ 26

Hình 2.8: Sơ đồ khối của hệ thống 27

Hình 2.9: Bộ mờ của ngỏ vào và ngỏ ra……… 29

Hình 3.1: Dạng mô hình hóa của tời kéo .30

Hình 3.2: Sơ đồ khối simulink mô phỏng hệ thống hệ thống tời kéo .32

Hình 3.3: Đáp ứng nhiểu sóng và vị trí tải .33

Hình 3.4: Sơ đồ khối simulink mô phỏng hệ thống hệ thống tời kéo .33

Hình 3.5: Đáp ứng nhiễu sóng, điểm đặt, vị trí tải……… 34

Hình 3.6: Bộ điều khiển PID .34

Hình 3.7: Sơ đồ khối simulink mô phỏng hệ thống hệ thống tời kéo .36

Hình 3.8: Bộ điều khiển PID .36

Hình 3.9: Đáp ứng vị trí tải khi có nhiễu tần số 0.5 Hz 37

Hình 3.10: Đáp ứng vị trí tải khi có nhiễu tần số 2 Hz 37

Hình 3.11: Đáp ứng vị trí tải khi có nhiễu tần số 0.5 Hz 38

Hình 3.12: Đáp ứng vị trí tải khi có nhiễu tần số 2 Hz 38

Hình 3.13: Cấu trúc bộ điều khiển mờ PID……… 39

Hình 3.14: Tập mờ ngỏ vào e .40

Hình 3.15: Tập mờ ngỏ vào de .40

Hình 3.16: Tập mờ ngỏ ra Kp .41

Hình 3.17: Tập mờ ngỏ ra Kd .42

Hình 3.18: Tập mờ ngỏ ra Ki .42

Hình 3.19: Luật suy diễn xác định Kp 44

Hình 3.20: Luật suy diễn xác định Kd 46

Hình 3.21: Luật suy diễn xác định Ki 47

Hình 3.22: Sơ đồ khối simulink mô phỏng hệ thống hệ thống tời kéo .47

Hình 3.23: Bộ điều khiển mờ PID………48

Hình 3.24: Kết quả mô phỏng khi không có nhiễu sóng……… …48

Hình 3.25: Đáp ứng vị trí tải khi có nhiễu tần số 0.5 Hz 49

Hình 3.26: Đáp ứng vị trí tải khi có nhiễu tần số 2 Hz 49

Hình 3.27: Đáp ứng vị trí tải khi có nhiễu tần số 0.5 Hz 50

Hình 3.28: Đáp ứng vị trí tải khi có nhiễu tần số 2 Hz 50

Hình 3.29: Cấu trúc bộ điều khiển mờ trượt PID 51

Hình 3.30: Mặt trượt S(e) 51

Hình 3.31: Sơ đồ khối simulink mô phỏng hệ thống hệ thống tời kéo .53

Hình 3.32: Bộ điều khiển mờ trượt PID……… ….53

Hình 3.33: Đáp ứng vị trí tải khi có nhiễu tần số 0.5 Hz 54

Hình 3.34: Đáp ứng vị trí tải khi có nhiễu tần số 2 Hz 55

Hình 3.35: Đáp ứng vị trí tải khi có nhiễu tần số 0.5 Hz 55

Hình 3.36: Đáp ứng vị trí tải khi có nhiễu tần số 2 Hz 56

Hình 4.1: Mô hình cơ khí của hệ thống .57

Hình 4.2: Mô hình thực hệ thống …… 58

Hình 4.3 : Board điều khiển hệ thống 59

Hình 4.4: Hai động cơ điều khiển quay tang trống và kéo tấm bệ .59

Hình 4.5: Board mở rộng STM32 F3 Discovery .60

Hình 4.6: Encoder đo tốc độ motor .61

Hình 4.7: Cảm biến hồng ngoại 61

Hình 4.8: Board công suất điều khiển động cơ .62

Hình 5.1: Sơ đồ khối simulink điều khiển mờ trượt PID 64

Hình 5.2: Sơ đồ khối điều khiển motor làm giao động tấm bệ 65

Hình 5.3: Sơ đồ khối cảm biến encoder .65

Hình 5.4: Sơ đồ khối cảm biến hồng ngoại .65

Hình 5.5: Sơ đồ khối SCI_Module .66

Hình 5.6: Sơ đồ khối U điều khiển motor .67

Hình 5.7: Sơ đồ khối mặt trượt S(e) 67

Hình 5.8: Giao diện lập trình 69

Hình 5.9: Giao diện hiển thị khi chạy ứng dụng 60

Hình 5.10: Đáp ứng vị trí tải 71

Hình 5.11: Đáp ứng vị trí tải 72

LỜI CẢM ƠN

Luận văn này được thực hiện tại Trường Đại học giao thông vận tải thànhphố Hồ Chí Minh Để hoàn thành được luận văn này tôi đã nhận được rất nhiều sựđộng viên, giúp đỡ của nhiều cá nhân và tập thể

Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS Đặng Xuân Kiên đãtrực tiếp hướng dẫn tôi thực hiện luận văn của mình Xin cùng bày tỏ lòng biết ơnchân thành tới các thầy cô giáo, người đã đem lại cho tôi những kiến thức bổ trợ, vôcùng có ích trong những năm học vừa qua

Cũng xin gửi lời cám ơn chân thành tới Ban Giám hiệu nhà trường, PhòngĐào tạo sau đại học, Khoa điện-điện tử viễn thông đã tạo điều kiện cho tôi trong quátrình học tập và hoàn thiện luận văn này

Cuối cùng tôi xin gửi lời cám ơn đến gia đình, bạn bè, những người đã luônbên tôi, động viên và khuyến khích tôi trong quá trình thực hiện đề tài nghiên cứucủa mình

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU

1.1 Đặt vấn đề

Ngày nay, kỹ thuật điều khiển và tự động hoá không còn là một khái niệm

mơ hồ nữa mà đó là một ứng dụng thực tiễn, đã được sử dụng rộng rãi trên thế giới

và trong nhiều lĩnh vực Trong những thập kỷ gần đây, với sự phát triển mạnh mẽcủa khoa học kỹ thuật trong đó là ngành máy tính điện tử và công nghệ điện tử.Cùng với đó là sự bùng nổ thông tin, cộng với sự phát hiện nhiều quy luật điềukhiển mới như: kỹ thuật điều khiển mờ, điều khiển thích nghi, điều khiển nơron, …,Các công nghệ này đang được ứng dụng ngày càng phổ biến và cấp thiết trong quátrình sản xuất, nhất là trong các ngành công nghiệp đòi hỏi sự chính xác cao và cókhả năng nguy hiểm như công nghiệp hóa lọc dầu, công nghiệp hóa chất, sản xuấtthép, xi măng… đã thúc đẩy kỹ thuật điều khiển và tự động hoá công nghệ pháttriển mạnh mẽ, sâu rộng và ngày càng hoàn thiện hơn Với sự phát triển như vậy,việc áp dụng luật điều khiển thông minh cho các thiết bị điều khiển trên tàu thủyngày càng được phổ biến

Như chúng ta đã biết, các tàu dịch vụ thường lắp đặt các tời kéo công suấtlớn, dùng để nâng hạ các thiết bị mà các thiết bị đó làm việc trong môi trường dướibiển chẳng hạn như đưa robot xuống biển làm việc Do tác động của sóng biển làmcho tàu sẽ nhấp nhô lên xuống và như thế sẽ làm cho tời lắp trên tàu cũng nhấp nhôlên xuống theo tàu Như vậy, tời sẽ bị nâng lên hoặc hạ xuống làm cho thiết bị tảigắn vào tời đang làm việc dưới biển cũng bị dịch chuyển lên hay dịch chuyểnxuống Vấn đề yêu cầu thực tiễn ở đây là làm sao thiết bị tải đang làm việc dướibiển không bị dịch chuyển lên xuống là rất cần thiết, như sóng cấp 4 có thể làm chothiết bị làm việc nâng lên hoặc hạ xuống tới 4m Trong luận văn này sẽ đưa ra mộtgiải pháp để giải quyết vấn đề này, sử dụng một cảm biến đo chuyển động lênxuống của tàu, kết hợp với bộ điều khiển mờ lai để điều khiển tời kéo tải lên hay hạxuống, để bù vào độ dịch chuyển của tải do sóng tác động vào tàu

Ngoài ra, bộ điều khiển cũng có thể áp dụng cho các thiết bị cẩu lắp trên tàu,

nó chỉ khác là tải làm việc trên cạn Nên sẽ có một số thông số thay đổi trong quátrình xây dựng mô hình toán học

1.2 Các công trình nghiên cứu liên quan

1.2.1 Các mô hình điều khiển bù nhấp nhô

1.2.1.1 Hệ thống mô hình hãng SCANTROL

Hệ thống mô hình điều khiển bù nhấp nhô của hãng SCANTROL [9]

Hình 1.1: Mô hình demo của hãng Scantrol

Hệ thống gồm một tấm được chuyển động lên xuống, là mô phỏng cho sựchuyển động của tàu trên sóng Trên tấm có một cảm biến đo độ nhấp nhô và mộttời điện Hệ thống điều khiển dây tời được kéo lên hay thả xuống, để giữ vật ở vị trí

ổn định theo chuyển động của tấm

1.2.1.2 Hệ thống của hãng ACE WINCH

Hệ thống tời kéo có bộ điều khiển bù nhấp nhô của hãng ACE WINCH [10]

Hình 1.2: Mô hình của hãng ACE WINCH

Hệ thống làm việc tốt chỉ trong các điều kiện sau:

Bảng 1.1: Các thông số làm việc của tời

Khoảng cách dịch chuyển của tải do sóng tác động 5m(+/-2.5)

Hình 1.3: Hình ảnh làm việc của tời kéo trong môi trường biển

Hình1.4: Hình ảnh làm việc của cẩu trong môi trường biển

Ta thấy rằng các hệ thống tời kéo và cẩu dùng trên biển rất là phổ biến, việcgiữ ổn định vị trí tải là rất cần thiết, nhất là thời tiết trên biển thay đổi liên tục Dovậy áp dụng bộ điều khiển bù nhấp nhô là rất hợp lý, sẽ cho ta vị trí tải mong muốn.

1.3 Các bài báo nghiên cứu liên quan đến đề tài

Hiện nay hãng sản xuất tời kéo SCANTROL, ACE WINCH đã đưa bộ điềukhiển giữ thăng bằng vào trong hệ thống tời kéo Thuật toán thường dùng là bộ điềukhiển PID để giữ thăng bằng

Những bài báo đã nghiên cứu về vấn đề này [1], [2], [3], dùng bộ điều khiểnFuzzy_PID để điều khiển hệ thống tời thủy lực, phương pháp xây dựng được môphỏng lại trên Hình 1.5 bằng Matlab:

Hình 1.5: Mô phỏng bộ điều khiển Fuzzy_PID trên Simulink.

Kết quả mô phỏng thể hiện trên Hình 1.6:

Hình 1.6: Kết quả mô phỏng bộ điều khiển Fuzzy_PID

Bằng khảo sát thông qua kết quả mô phỏng, có thể thấy đáp ứng đầu ra hệthống dao động tương đối mạnh xung quanh vị trí đặt Điều này cho thấy khả năngthích nghi của phương pháp này chưa cao Từ những đánh giá trên, luận văn này

trình bày phương pháp điều khiển mờ lai với kiểu lai ghép mờ PID vàkiểu lai ghép

mờ trượt PID, với mong muốn tìm ra bộ điều khiển tốt nhất khắc phục được ảnhhưởng của sóng biển lên sự ổn định vị trí tải

1.4 Giới hiệu cấu hình của hệ thống

Có hai loại cấu hình truyền động ở thực tế bên ngoài:

1.4.1 Truyền động bằng thủy lực

Hình 1.7: Cơ cấu truyền động bằng thủy lực

Trong mô hình trên, hệ thống truyền động bằng tời thủy lực Hệ thống gồm

có tang trống quấn cáp, cáp được truyền động qua puly Để quay tang trống sẽ có 1nguồn thủy lực được bơm vào motor thủy lực của tang trống Nguồn thủy lực đượccung cấp thông qua một bơm và van điện từ Có một cảm biến đo độ nhấp nhô củatời để đưa vào bộ điều khiển Bộ điều khiển làm nhiệm vụ điều khiển đóng mở vanđiện từ, cho nguồn thủy lực vào motor thủy lực theo chiều quay ngược hay quaythuận của tang trống, để bù vào độ nhấp nhô tương ứng của nhiễu sóng bên ngoài,làm vị trí tải được ổn định

1.4.2 Truyền động trực tiếp bằng motor điện

Hình 1.8: Cơ cấu truyền động trực tiếp motor điện

Trong mô hình trên, hệ thống truyền động bằng motor điện Hệ thống gồm

có tang trống quấn cáp, cáp được truyền động qua puly Để quay tang trống sẽ đượcmotor điện quay truyền động qua hộp số Có một cảm biến đo độ nhấp nhô của tời

để đưa vào bộ điều khiển Bộ điều khiển làm nhiệm vụ điều khiển motor quay thuậnhay nghịch, để bù vào độ nhấp nhô tương ứng của nhiễu sóng bên ngoài, làm vị trítải được ổn định Trong luận văn sẽ áp dụng cơ cấu truyền động này để xây dựng

mô hình toán và luật điều khiển cho hệ tời kéo

Hình 1.9: Sơ đồ mô hình cơ khí của thống tời kéo

Hình 1.10: Sơ đồ khối điều khiển dùng STM32-F3 Discovery.

Như vậy theo mô hình cơ khí trên, ta thấy khi hệ thống hoạt động vị trí đặt tải

sẽ không ổn định do tác động của sóng biển (hay mô hình là bệ tạo nhấp nhô).Do

đó, ta phải thiết kế bộ điều khiển làm sao để điều khiển tang trống quay thuận haynghịch, để bù vào vị trí của tải bị nâng lên hay hạ xuống

1.5 Mục tiêu của đề tài

Mục tiêu của đề tài là thiết kế bộ điều khiển, điều khiển tang trống quaythuận hay nghịch bù vào vị trí của tải bị nâng lên hay hạ xuống, để làm được điềunày thì phải giải quyết các công việc sau:

- Mô hình hóa hệ thống với sai số nhỏ nhất: Thiết lập công thức toán học cho

hệ thống

- Thiết kế và tìm luật điều khiển phù hợp nhất để cho chất lượng tốt nhất: cóthể dùng một số phương pháp điều khiển ổn định như: PID, mờ PID, mờ trượt PID

- Mô phỏng được các luật điều khiển trước khi áp dụng vào mô hình thực

- Chế tạo mô hình thực với mạch điện tử, giao tiếp với board STM32 F3Discovery gồm: bộ nguồn, bộ công suất và bộ cảm biến để điều khiển ổn định của

hệ thống

1.6 Phạm vi của đề tài

Đề tài thiết kế bộ điều khiển, điều khiển tang trống quay thuận hay nghịch để

bù vào vị trí của tải bị nâng lên hay hạ xuống dưới tác động của nhiễu sóng biển.Trong phạm vi cho phép và đáp ứng của mô hình có sai số chấp nhận được

Với các yêu cầu, mục tiêu và phạm vi của đề tài thì đề tài được chia thànhcác chương sau:

- Chương 1: Tổng quan về đề tài nghiên cứu hệ thống ổn định vị trí tải củatời kéo

- Chương 2: Cơ sở lý thuyết về các phương pháp điều khiển

- Chương 3: Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống ổn định vị trí tải của tời kéo

- Chương 4: Thi công mô hình ổn định vị trí tải của tời kéo

- Chương 5: Kết quả kiểm nghiệm mô hình thực tế

- Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN LIÊN QUAN

2.1 Phương pháp điều khiển PID

Sử dụng phương trình toán học chúng ta đã thành lập được, từ đó thiết

kế các phương pháp điều khiển cho hệ thống ổn định vị trí tải của tời kéo Hệ thốngcủa chúng ta khảo sát là sự kết hợp motor quay tang trống để giữ vị trí tải theo vị trímong muốn Có một vài kỹ thuật được sử dụng để điều khiển giữ vị trí tải ổn định

Kỹ thuật PID là một trong những kỹ thuật điều khiển kinh điển hầu như là phổ biếnnhất

Hình 2.1: Bộ điều khiển PID

Trong bộ điều khiển PID trên, hàm truyền của khâu PID là :

(2.1)Với: Kp: độ lợi khâu tỉ lệ

KI: độ lợi khâu tích phânKD: độ lợi khâu vi phânViệc hiệu chỉnh phù hợp ba thông số KP, KI, KD sẽ làm tăng chất lượng điềukhiển Ảnh hưởng của ba thông số này lên chất lượng điều khiển hệ thống như bảng2.1 sau:

Bảng 2.1: Ảnh hưởng của các giá trị Kp, Kd, Ki

Đáp ứng vòng

kín Thời gian tăng Vọt lố Thời gian quá độ Sai số xác lập

Các bước thực hiện bộ điều khiển PID

Bước 1 : Khảo sát đặc tính động của mô hình cần điều khiển

Bước 2 : Xác định các hệ sốbộđiều khiển Kp, Kd và Ki Dựa vào đặc tính của

mô hình, sự ảnh hưởng của các thông số lên bộ điều khiển và qua nhiều bước thửsai chúng ta có được các hệ số điều khiển với đáp ứng như mong muốn

Đối với hệ thống ổn định vị trí tải chúng ta đang khảo sát thì sóng biển lànguyên nhân gây ra nhiễu hệ thống, ảnh hưởng rất lớn đến việc điều khiển và gâykhó khăn rất nhiều cho việc điều khiển chính xác theo mong muốn Vì vậy chúng tacẩn phải nghiên cứu nhiều luật điều khiển cao cấp hơn để điều khiển ổn định hệthống một cách tốt hơn

2.2 Phương pháp điều khiển mờ

2.2.1 Khái niệm cơ bản

Để hiểu rõ khái niệm “MỜ” [4] là gì ta hãy thực hiện phép so sánh sau:Trong toán học phổ thông ta đã học khá nhiều về tập hợp, ví dụ như tập các

số thực R, tập các số nguyên tố P={2,3,5, }… Những tập hợp như vậy được gọi làtập hợp kinh điển hay tập rõ, tính “RÕ” ở đây được hiểu là với một tập xác định Schứa n phần tử thì ứng với phần tử x ta xác định được một giá trị y=S(x).Giờ ta xétphát biểu thông thường về tốc độ một chiếc xe môtô : chậm, trung bình, hơi nhanh,rất nhanh Phát biểu “CHẬM” ở đây không được chỉ rõ là bao nhiêu km/h,như vậy từ “CHẬM” có miền giá trị là một khoảng nào đó, ví dụ 5km/h – 20km/hchẳng hạn Tập hợp L={chậm, trung bình, hơi nhanh, rất nhanh} như vậy được gọi

là một tập các biến ngôn ngữ Với mỗi thành phần ngôn ngữ Xk của phát biểu trên

nếu nó nhận được một khả năng µ(xk) thì tập hợp F gồm các cặp (x, µ(xk)) đượcgọi là tập mờ.

2.2.2 Định nghĩa tập mờ

Tập mờ F xác định trên tập kinh điển B là một tập mà mỗi phần tử của nó làmột cặp giá trị (x, µF(x)), với x € X và µF(x) là một ánh xạ:

µF(x) : B → [0 1]

Trong đó: µF gọi là hàm thuộc, B gọi là tập nền

2.2.3 Các thuật ngữ trong logic mờ

Hình 2.3: Các dạng hàm thuộc 2.2.3.1 Biến ngôn ngữ

Biến ngôn ngữ là phần tử chủ đạo trong các hệ thống dùng logic mờ Ở đâycác thành phần ngôn ngữ của cùng một ngữ cảnh được kết hợp lại với nhau

Để minh hoạ về hàm thuộc và biến ngôn ngữ ta xét ví dụ sau:

Xét tốc độ của một chiếc xe môtô, ta có thể phát biểu xe đang chạy:

- Rất chậm (VS) - Chậm (S)

- Trung bình (M) - Nhanh (F)

- Rất nhanh (VF)Những phát biểu như vậy gọi là biến ngôn ngữ của tập mờ Gọi x là giá trịcủa biến tốc độ, ví dụ x =10km/h, x = 60km/h … Hàm thuộc tương ứng của cácbiến ngôn ngữ trên được ký hiệu là:

µVS(x), µS(x), µM(x), µF(x), µVF(x

Hình 2.4: Tập mờ của biến tốc độ

Như vậy biến tốc độ có hai miền giá trị:

- Miền các giá trị ngôn ngữ:

N = { rất chậm, chậm, trung bình, nhanh, rất nhanh }

+ Theo luật Max: µxUy(b) = Max{ µX(b) , µY(b) }

+ Theo luật Sum: µxUy(b) = Min{ 1, µX(b) + µY(b) }

+ Tổng trực tiếp: µxUy(b) = µX(b) + µY(b) - µX(b).µY(b)

- Phép giao hai tập mờ: X ᴖY

+ Theo luật Min: µXᴖY(b) = Min{ µX(b) , µY(b) }

+ Theo luật Lukasiewicz: µXᴖY(b) = Max{0, µX(b)+µY(b)-1}

+ Theo luật Prod: µXᴖY(b) = µX(b).µY(b)

- Phép bù tập mờ: µXC(b) = 1- µX(b)

2.2.4 Luật hợp thành

2.2.4.1 Mệnh đề hợp thành

Ví dụ điều khiển mực nước trong bồn chứa, ta quan tâm đến 2 yếu tố:

+ Mực nước trong bồn L = {rất thấp, thấp, vừa}

+ Góc mở van ống dẫn G = {đóng, nhỏ, lớn}

Ta có thể suy diễn cách thức điều khiển như thế này :

Nếu mực nước = rất thấp Thì góc mở van = lớn

Nếu mực nước = thấp Thì góc mở van = nhỏ

Nếu mực nước = vừa Thì góc mở van = đóng

Trong ví dụ trên ta thấy có cấu trúc chung là “Nếu A thì B” Cấu trúc này gọi

là mệnh đề hợp thành, A là mệnh đề điều kiện, C = A→B là mệnh đề kết luận

Định lý Mamdani:

“Độ phụ thuộc của kết luận không được lớn hơn độ phụ thuộc điều kiện”Nếu hệ thống có nhiều đầu vào và nhiều đầu ra thì mệnh đề suy diễn có dạngtổng quát như sau :

If N = ni and M = mi and … Then R = ri and K = ki and …

2.2.4.2 Luật hợp thành mờ

Luật hợp thành là tên gọi chung của mô hình biểu diễn một hay nhiều hàmthuộc cho một hay nhiều mệnh đề hợp thành.Các luật hợp thành cơ bản:

+ Luật Max – Min

+ Luật Max – Prod

+ Luật Sum – Min

+ Luật Sum – Prod

Thuật toán xây dựng mệnh đề hợp thành cho hệ SISO (Sole Input SoleOutput).

Luật mờ cho hệ SISO có dạng “If A Then B”

Chia hàm thuộc µA(x) thành n điểm xi, i = 1,2,…,n

Chia hàm thuộc µB(y) thành m điểm yj , j = 1,2,…,m

Xây dựng ma trận quan hệ mờ R

(2.2)Hàm thuộc µB’(y) đầu ra ứng với giá trị rõ đầu vào xk có giá trị µB’(y) =Aᵗ.R , với Aᵗ = { 0,0,0,…,0,1,0….,0,0 } Số 1 ứng với vị trí thứ k

Trong trường hợp đầu vào là giá trị mờ A’ thì µB’(y) là :µB’(y) = { I1,I2,I3,

…,Im} với Ik=maxmin{ai,rik }

* Thuật toán xây dựng mệnh đề hợp thành cho hệ MISO (Multi Input Sole Output)

Luật mờ cho hệ MISO có dạng:

“If cd1 = A1 and cd2 = A2 and … Then rs = B”

Các bước xây dựng luật hợp thành R:

Rời rạc các hàm thuộc µA1(x1), µA2(x2), … , µAn(xn), µB(y)

Xác định độthỏa mãn H cho từng véctơ giá trị rõ đầu vào x={c1,c2,…,cn}trong đó ci là một trong các điểm mẫu của µAi(xi) Từ đó suy ra H =Min{ µA1(c1), µA2(c2), …, µAn(cn) }

Lập ma trận R gồm các hàm thuộc giá trị mờ đầu ra cho từng véctơ giá trị mờđầu vào:

µB’(y) = Min{ H, µB(y) } hoặc µB’(y) = H µB(y)

Hình 2.5: Hàm liên thuộc hình chuông

Nguyên lý trung bình: y’ = (y1+y2)/2

Nguyên lý cận trái: chọn y’ = y1

Nguyên lý cận phải: chọn y’ = y2

2.2.5.2 Phương pháp trọng tâm

Điểm y’ được xác định là hoành độ của điểm trọng tâm miền được bao bởitrục hoành và đường µB’(y)

Công thức xác định:

(2.3)Trong đó S là miền xác định của tập mờ B’

*Phương pháp trọng tâm cho luật Sum-Min

Giả sử có m luật điều khiển được triển khai, ký hiệu các giá trị mờ đầu ra củaluật điều khiển thứ k là µB’k(y) thì với quy tắc Sum-Min hàm thuộc sẽ là:

, và y’ được xác định:

(2.4)Trong đó và i=1,2,….,m

Hình 2.6: Hàm liên thuộc hình thang

Xét riêng cho trường hợp các hàm thuộc dạng hình thang như hình trên

(2.5)(2.6)

*Phương pháp độ cao

Từ công thức (2.4), nếu các hàm thuộc có dạng Singleton thì ta được:

(2.7)

Đây là công thức giải mờ theo phương pháp độ cao.

2.2.6 Mô hình mờ Tagaki-Sugeno

Mô hình mờ mà ta nói đến trong các phần trước là mô hình Mamdani.Ưuđiểm của mô hình Mamdani là đơn giản, dễthực hiện nhưng khả năng mô tảhệthống không tốt.Trong kỹ thuật điều khiển người ta thường sử dụng mô hình mờTagaki-Sugeno (TS)

Tagaki-Sugeno đưa ra mô hình mờ sử dụng cả không gian trạng thái mờ lẫn

mô tả linh hoạt hệ thống Theo Tagaki/Sugeno thì một vùng mờ LXᵏ được mô tả bởiluật:

Rsk : If x = LXᵏ Then xˈ= A(xᵏ)x + B(xᵏ)u (2.8)Luật này có nghĩa là: nếu véctơ trạng thái x nằm trong vùng LXᵏ thì hệ thốngđược mô tả bởi phương trình vi phân cục bộ xˈ= A(xᵏ)x + B(xᵏ)u Nếu toàn bộ cácluật của hệ thống được xây dựng thì có thể mô tả toàn bộ trạng thái của hệ trongtoàn cục Trong (2.8) ma trận A(xᵏ) và B(xᵏ) là những ma trận hằng của hệ thống ởtrọng tâm của miền LXᵏ được xác định từ các chương trình nhận dạng Từ đó rút rađược:

(2.9)Với wk(x) € [0, 1] là độ thỏa mãn đã chuẩn hoá của x* đối với vùng mờ LXᵏLuật điều khiển tương ứng với (2.8) sẽ là:

2.2.7 Bộ điều khiển mờ

2.2.7.1 Cấu trúc một 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

Xét bộ điều khiển mờ MISO sau, với véctơ đầu vào X = [ U1 U2 …….Un]ᵗ

Hình 2.7: Cấu trúc bộ điều khiển mờ 2.2.7.2 Nguyên lý điều khiển mờ

Hình 2.8:Sơ đồ khối của hệ thống

* Các bước thiết kế hệ thống điều khiển mờ

+ Giao diện đầu vào gồm các khâu: mờ hóa và các khâu hiệu chỉnh như tỷ lệ,tích phân, vi phân …

+ Thiếp bị hợp thành: sự triển khai luật hợp thành R

+ Giao diện đầu ra gồm: khâu giải mờ và các khâu giao diện trực tiếp với đốitượng

2.2.7.3 Thiết kế bộ điều khiển mờ

Các bước thiết kế:

Bước 1: Định nghĩa tất cả các biến ngôn ngữ vào/ra

Bước 2: Xác định các tập mờ cho từng biến vào/ra (mờ hoá)

+ Miền giá trị vật lý của các biến ngôn ngữ

Bước 5: Giải mờ và tối ưu hoá

2.3 Bộ điều khiển Mờ - Trượt

Giả sử Y0 là tín hiệu ra mong muốn, Y là tín hiệu ra thực tế, e(t) = Yo – Y làvector sai lệch động học của hệ thống, e(t) = ( e1, e2, e3……en)

Bài toán đặt ra là phải thiết kế bộ điều khiển mờ có tín hiệu điều khiển Uthỏa mãn để sai lệch vector e(t) → 0 trong một khoảng thời gian hữu hạn Xét hàmchuyển đổi Với n=2, , µ qui định độ dốc của đường thẳng được gọi là đườngchuyển đổi của tín hiệu điều khiển U

Bài toán điều khiển sai lệch trạng thái trên trở thành bài toán tìm hàm điềukhiển u = u(y), sao cho s(e) tiến tới 0 Để có điều này thì thì khi s(e) ˃0 thì vàngược lại, tức là phải thỏa mãn điều kiện trượt Điều kiện này đảm bảo sai lệch e sẽgiảm nếu như y chưa nằm trên mặt cong s(e)=0 Mặt cong s(e)=0 gọi là mặt congtrượt.

Chọn U:

(2.12)Hàm Sign(S) được thay bằng bộ điều khiển mờ theo quy tắt mờ Sugeno với:Ngỏ vào là S: S = (âm, zero, dương) = (NE, ZE, PO)

Ngỏ ra là Sign(S): Output ( âm, zero, dương) =(NE, ZE, PO)

Phương pháp suy diễn mờ MAX-MIN

Phương pháp giải mờ trung bình trọng số

Hình 2.9: Bộ mờ ngõ vào và ngõ ra

S is Ze then output is ZE

If S is Ne then output is NE

If S is PO then output is PO

CHƯƠNG III: MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG ỔN ĐỊNH VỊ TRÍ TẢI CỦA

TỜI KÉO

3.1 Mô hình hóa của đối tượng

Hệ thống được mô hình hóa như dạng sau [1], [2], [3]:

Hình 3.1: Dạng mô hình hóa của tời kéo

Hệ thống gồm có thiết bị tải được liên kết qua cơ cấu truyền động bởi dâycáp, puly và tang trống Để quay trang trống có thể dùng động cơ điện hay thủy lực

Toàn bộ bệ tời được đặt trên tàu và được dịch chuyển lên xuống cùng với tàu bởitác động của sóng biển.

Trong đó: Zs là độ dịch chuyển của tàu do sóng biển tác động

Zl là vị trí mới của tải khi có nhiễu sóng tác động vào tàu

Zr là vị trí của tải cần ổn định mong muốn

Hệ thống được mô hình dưới dạng phương trình toán học như sau:

(3.1)(3.2)(3.3)Phương trình trạng thái của mô hình:

(3.4)(3.5)(3.6)(3.7)

Bảng 3.1: Thông số mô hình tời kéo loại lai trực tiếp motor điện.

Lực nổi của tải (trong đó là thể tích tải)Lực nổi của dây cáp( Với là thể tích dây cáp)Momen động cơ điện lai tang trống

Momen tảiMomen quán tính của tang trống

Hệ số damping

Từ các phương trình trên ta tiến hành mô phỏng hệ thống bằng chương trìnhmatlab simulink khảo sát dao động của hệ thống, từ đó nghiên cứu và áp dụng cácthuật toán phù hợp để điều khiển hệ thống về vị trí mong muốn

3.2 Mô phỏng quá trình giao động của hệ thống

Ta dùng Matlab Simulink để mô phỏng một số chuyển động cơ bản của hệthống

Hình 3.3 : Đáp ứng của nhiễu sóng biển và đáp ứng vị trí của tải

3.2.3 Trong trường hợp 2

Nhiễu sóng tác động, tải được thả theo vị trí đặt với bộ điều khiển tham gia.Nhưng bộ điều khiển này chỉ thiết kế để kéo thả vật theo vị trí đặt mà chưa lấy tínhiệu nhiễu sóng vào xử lý để điều khiển

Hình 3.4: Sơ đồ khối simulink mô phỏng hệ thống tời kéo Kết quả: Đáp ứng màu xanh là nhiễu sóng theo thời gian, đáp ứng màu xám

là điểm đặt vị trí tải mong muốn theo thời gian, đáp ứng màu hồng là vị trí của tảitheo thời gian

Hình 3.5: Đáp ứng của nhiễu sóng và đáp ứng vị trí tải Kết luận: Chúng ta đã mô hình hóa được hệ thống, xây dựng và mô phỏng

trên Matlab Ta thấy rằng khi có nhiễu sóng tác động thì vị trí ổn định của tải theo

vị trí đặt mong muốn sẽ mất ổn định Nên ta cần lấy tín hiệu nhiễu của sóng và xâydựng một bộ điều khiển phù hợp, để điều khiển giữvị trí tải theo điểm đặt mongmuốn

3.3 Phương pháp điều khiển PID

3.3.1 Lý thuyết phương pháp điều khiển PID

Sử dụng phương trình toán học chúng ta đã thành lập được, từ đóthiết kế các phương pháp điều khiển cho hệ thống ổn định vị trí tải của tời kéo Kỹthuật PID là một trong những kỹ thuật điều khiển kinh điển hầu như là phổ biếnnhất

Hình 3.6: Bộ điều khiển PID

Trong bộ điều khiển PID trên, hàm truyền của khâu PID là:

(3.8)Với :

Kp: độ lợi khâu tỉ lệ

KI: độ lợi khâu tích phân

KD: độ lợi khâu vi phân

Việc hiệu chỉnh phù hợp 3 thông số KP, KI, KD sẽ làm tăng chất lượng điềukhiển Ảnh hưởng của 3 thông số này lên chất lượng điều khiển hệ thống như bảngsau Ảnh hưởng của các giá trị Kp, Kd, Ki lên mô hình

Bảng 3.2: Ảnh hưởng của các giá trị Kp, Kd, Ki

Đáp ứng vòng

kín Thời gian tăng Vọt lố Thời gian quá độ Sai số xác lập

Các bước thực hiện bộ điều khiển PID:

Bước 1: Khảo sát đặc tính động của mô hình cần điều khiển

Bước 2: Xác định các hệ số bộ điều khiển Kp, Kd và Ki Dựa vào đặc tínhcủa mô hình, sự ảnh hưởng của các thông số lên bộ điều khiển và qua nhiều bướcthử sai chúng ta có được các hệ số điều khiển với đáp ứng như mong muốn

3.3.2 Mô phỏng hệ thống bằng phương pháp điều khiển PID

Hình 3.7: Sơ đồ khối simulink mô phỏng hệ thống tời kéo

Hình 3.8: Bộ điều khiển PID

Thông sốcho bộ điều khiển khi có nhiễu sóng tác động: KP=55, KD=5,KI=0.1 Với tín hiệu đặt là xung vuông biên độ là 1, chu kỳ là 5

Khi có nhiễu sóng biển tác động, ta có bảng sai số của bộ điều khiển PID nhưsau:

Bảng 3.3: Sai số vị trí tải khi có nhiễu sóng tác động

Hình 3.9: Đáp ứng của vị trí tải khi có nhiễu sóng tần số 0.5Hz

Hình 3.10: Đáp ứng của vị trí tải khi có nhiễu sóng tần số 2Hz

Khi tăng trọng lượng của tải:

Hình 3.11: Đáp ứng của vị trí tải khi có nhiễu sóng tần số 0.5Hz

Hình 3.12: Đáp ứng của vị trí tải khi có nhiễu sóng tần số 2Hz

Nhận xét: Kết quả cho thấy đáp ứng của hệ thống chưa tốt, thời gian xác lập

chậm và sai số tương đối lớn Khi ở tần số lớn hơn 1Hz và khi tăng trọng lượng tải

Như vậy khi có nhiễu tác động, ta thấy đáp ứng trượt ra khỏi vị trí cân bằng.Đồng thời, nhược điểm của phương pháp này là thời gian tinh chỉnh và tìm thông sốrất mất thời gian, và khi hệ thống thay đổi thì phải xây dựng lại bộ điều khiển mới.

3.4 Phương pháp điều khiển mờ - PID

Hình 3.13: Cấu trúc của bộ điều khiển mờ PID

Bản chất của bộ điều khiển Mờ - PID [5] vẫn là bộ điều khiển PID, điềukhiển hoạt động của hệ thống, nhưng các thông số KP, KI, KD không bất biến mà

nó thay đổi tùy thuộc vào sai số đưa vào bộ điều khiển Bộ điều khiển là sự kết hợpgiữa bộ điều khiển mờ, lựa chọn các thông số KP, KI, KD phù hợp dựa vào thông

số đầu vào là sai số hệ thống e(t) và tốc độ thay đổi sai số hay đạo hàm bậc nhất của

nó theo thời gian de(t)/dt Sau đó các thông số này được nhân vào các khối tỉ lệ, viphân, tích phân tương ứng trên bộ PID, bộ điều khiển này sẽ xuất ra tín hiệu điềukhiển u(t) để đáp ứng ngỏ ra đạt được như mong muốn và thỏa các điều kiện thiết

kế Từ điều này ta dễ dàng nhận thấy rằng trong bộ điều khiển phải có ba bộ điềukhiển mờ để chọn ra các thông số tương ứng KP, KI, KD cho cả bộ điều khiển.Dưới đây ta tiến hành xây dựng và thiết kế bộ điều khiển mờ đã giới thiệu ở trên

3.4.1 Xây dựng các tập mờ

3.4.1.1 Xây dựng các tập mờ cho các biến ngõ vào

Chọn các biến vào ra:

- Ld là vị trí của tải

- L là vị trí thực của tải

Ta chọn hai biến vào là sai lệch vị trí của tải là E, tốc độ sai lệch vị trí củatải là dE Với E= Ld-L, dE.

Chọn năm tập mờcho mỗi biến vào, các tập mờ này được phân hoạch mờtrêntập cơ sở chuẩn hóa và hàm liên thuộc trimf (dạng tam giác)

Chuẩn hóa tập cơ sở của biến vào E thuộc miền [-3 3]

E € { âm nhiều, âm ít, không, dương ít, dương nhiều }

€ { NB, NS, ZE, PS, PB }

Các tập mờ được thể hiện trên hình sau:

Hình 3.14: Tập mờ ngõ vào e

Chuẩn hóa tập cơ sở của biến vào dE thuộc miền [-30 30]

dE € { âm nhiều, âm ít, không, dương ít, dương nhiều }

€ { NB, NS, ZE, PS, PB }

Các tập mờ được thể hiện trên hình sau:

Hình 3.15: Tập mờ ngõ vào de

3.4.1.2 Xây dựng các tập mờ cho các biến ngõ ra

Tập mờ ngõ ra Kp:

Vì giá trị Kp có vai trò rất lớn trong bộ điều khiển PID, khi sai số và tốc độthay đổi sai số gần bằng 0, hệ số khuếch đại cũng không thể bằng 0 như các thờiđiểm sai số e(t)≠ 0, nếu sai số thay đổi từ 0 theo chiều tăng đến giá trị tương đối lớnrồi các bộ điều khiển mờ mới xuất ra các giá trị phù hợp tác động đến bộ điều khiểnlên hệ thống sẽ làm hệ thống dao động liên tục quanh điểm cân bằng do đó ta chọncác giá trị Kp lớn phù hợp với hệ thống ngay cả khi sai số e(t)=0

Miền giá trị của Kp [60 110] với năm tập mờ, trong đó:

Kp € {không, dương ít, dương trung bình, dương, dương nhiều}

Kp € {ZE, PS, PM, P, PM}

Các tập mờ được thể hiện trên hình sau:

Hình 3.16: Các tập mờ của ngõ ra Kp

Tập mờ ngõ ra Kd:

Tương tự việc chọn lựa miền giá trị cho các tập mờ Kp, ta chọn các giá trị

Kd thuộc miền làm việc ổn định và phù hợp với hệ thống

Miền giá trị của Kd là [10 20] với năm tập mờ:

Kd € {không, dương ít, dương trung bình, dương, dương nhiều}

Kd € {ZE, PS, PM, P, PM}

Các tập mờ được thể hiện trên hình sau:

Hình 3.17: Các tập mờ của ngõ ra Kd

Tập mờ ngõ ra Ki:

Tương tự việc chọn lựa miền giá trị cho các tập mờ Kp và Kd, ta chọn cácgiá trị Ki thuộc miền làm việc ổn định và phù hợp với hệ thống

Miền giá trị của Ki là [0.5 3] với năm tập mờ:

Ki € {không, dương ít, dương trung bình, dương, dương nhiều}

Ki € {ZE, PS, PM, P, PM}

Các tập mờ được thể hiện trên hình sau:

Hình 3.18: Các tập mờ của ngõ ra Ki

3.4.2 Hệ luật mờ và thiết bị hợp thành

Đây là phần quan trọng nhất của bộ điều khiển mờ, có vai trò quyết định đếnchất lượng cũng như hiệu quả của bộ điều khiển mờ Đối với hệ thống này ta sửdụng luật mờ Mamdani hay luật mờ “If – Then”

3.4.2.1 Hệ Luật mờ xác định Kp

Xác định Kp là xác định thông số khuếch đại của bộ điều khiển tỉ lệ, thông sốnày sẽ tác động đến sai số hiện tại, làm thay đổi độ vọt lố của đáp ứng đồng thờithay đổi thời gian tăng trưởng và tần số dao động của đáp ứng Do đó ta nhận thấyrằng nếu sai số hệ thống lớn, ta muốn đáp ứng nhanh về giá trị đặt mong muốn thìgiá trị Kp tương ứng phải lớn, nhưng khi sai số dần dần về không thì Kp lúc nàyphải nhỏ đi để tránh vọt lố quá lớn và khi sai số e(t) về không thì Kp lúc này cũngphải cực tiểu

Trong trường hợp cụ thể của hệ thống, phương pháp xác định các luật mờnhư sau: Giả sử ban đầu sai số hệ thống e(t) đang ở giá trị lớn theo chiều dương(PB) và tốc độ thay đổi rất lớn (PB) nghĩa là đáp ứng đang nhỏ hơn giá trị đặt vàđang theo xu hướng giảm Khi đó Kp phải lớn để bộ điều khiển tác động làm tăngđáp ứng ngõ ra của hệ thống lên để bù lại sai số thiếu hụt so với giá trị đặt, lượng bùcủa bộ điều khiển tác động vào hệ thống bằng tích số giữa Kp và e(t) Tác động nàylàm sai số e(t) tức thì tăng với tốc độ chậm dần, sau đó sẽ dừng lại và bắt đầu đitheo chiều giảm Sai số sẽ dần về không đồng thời tốc độ giảm bắt đầu tăng nghĩa làđáp ứng đang tiến về điểm đặt, vì mọi hệ thống đều có quán tính nên khi sai số e(t)giảm và tốc độ giảm de(t)/dt bắt đầu tăng thì Kp cũng phải giảm theo để bộ điềukhiển làm chậm tốc độ đạt đến điểm đặt của đáp ứng c(t) Điều đó đảm bảo rằng khiđáp ứng tiến đến điểm đặt thì sẽ ổn định và không đi tiếp Nhưng các hệ thống đều

có quán tính, do đó đáp ứng khi tiến đến giá trị đặt mặc dù tốc độ thay đổi (DE)giảm nhưng chưa bằng 0 tại giá trị đặt nên sẽ đi tiếp và vượt giá trị đặt hay sai sốe(t) sẽ tăng theo chiều âm đồng thời tốc độ tăng sẽ giảm Với sai số e(t) này thì Kpphải tăng phù hợp vì giờ đây e(t) về độ lớn sẽ bé hơn giá trị ban đầu, khi e(t) tăng