Nghiên cứu áp dụng lý thuyết mờ trong điều khiển quá trình

Việc nghiên cứu đối tượng điều khiển để đưa ra sách lược điều khiển và sau đó là thiết kế bộ điều khiển là một công việc thường gặp không ít khó khăn tuỳ thuộc vào điều kiện thực hiện ,

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG LÝ THUYẾT MỜ TRONG

ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH

Môc lôc Lêi cam ®oan

3.3 Nh÷ng nguyªn t¾c tæng hîp bé ®iÒu khiÓn mê 43

Ch−¬ng 4: M« pháng hÖ thèng 54

Lời nói đầu

Điều khiển quá trình không phải là một lĩnh vực mới, nhưng luôn chiếm vị trí quan trọng hàng đầu trong tự động hoá công nghiệp Công việc nghiên cứu và ứng dụng hệ thống điều khiển quá trình là công việc tổng hợp của nhiều lĩnh vực khác nhau như công nghệ sản suất, công nghệ điều khiển và đương nhiên hệ thống sẽ là tích hợp của nhiều khâu, nhiều phần tử như thiết bị công nghệ, thiết bị điều khiển , thiết bị chấp hành, phần mềm

Việc nghiên cứu đối tượng điều khiển để đưa ra sách lược điều khiển và sau

đó là thiết kế bộ điều khiển là một công việc thường gặp không ít khó khăn Điều khiển quá trình không phải là một lĩnh vực mới, nhưng luôn chiếm vị trí quan trọng hàng đầu trong tự động hoá công nghiệp Công việc nghiên cứu và ứng dụng hệ thống điều khiển quá trình là công việc tổng hợp của nhiều lĩnh vực khác nhau như công nghệ sản suất, công nghệ điều khiển và đương nhiên hệ thống sẽ là tích hợp của nhiều khâu, nhiều phần tử như thiết bị công nghệ , thiết bị điều khiển , thiết bị chấp hành Việc nghiên cứu đối tượng điều khiển để đưa ra sách lược điều khiển và sau đó là thiết kế bộ điều khiển là một công việc thường gặp không ít khó khăn tuỳ thuộc vào điều kiện thực hiện , việc xác định các mô hình toán học của đối tượng

điều khiển có thể áp dụng phương pháp lý thuyết hoặc phương pháp thực nghiệm hay kết hợp hai phương pháp tuy nhiên mục đích cuối cùng là cần có một mô hình toán học có ích cho sự phát triển của hệ thống

Để nâng cao năng lực thực nghiệm của bản thân Tôi đã đăng ký đề tài mang tính thực nghiệm với mô hình điều khiển mức nước tự chế tạo Công việc đầu tiên là mô tả toán học của mô hình sau đó chọn cấu trúc điều khiển là điều khiển phản hồi –

một cấu trúc được trong hầu hết các hệ thống điều khiển tự động Bộ điều khiển PID cũng là bộ điều khiển thích hợp cho phần lớn các quá trình công nghiệp Bộ PID

tương tự được thực hiện bằng linh kiện điện tử đã dần dần được thay thế bởi nó bộc

lộ những nhược điểm quan trọng khi đứng trước sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ số với vi xử lý Do vậy nhiệm vụ tiếp theo của đề tài là nghiên cứu và ứng dụng

bộ điều khiển PID số tuy nhiên việc thực nghiệm xác định mô hình toán học của

đối tượng điều khiển có thể còn thiếu những thông tin quan trọng cần cho việc thiết lập các tham số bộ điều khiển , hơn nữa ảnh hưởng về nhiễu không đo được cũng là những yếu tố khiến cho viếc xác định các tham số của bộ điều khiển chưa thoả mãn

Do vậy, nhiệm vụ tiếp theo và cần thiết của đề tài là nghiên cứu , thiết kế bộ chỉnh

định mờ nâng cao chất lượng điều khiển

Bản luận văn gồm bốn chương

Chương một : Tổng quan

Chương hai : Cơ sở sở của điều khiển quá trình

Chương ba : Bộ điều khiển mờ

Tôi xin trân trọng cảm ơn các thầy, cô đã tận tình giúp đỡ trong quá trình đào tạo tại bộ môn Tự động hoá công nghiệp – khoa Điện , trường ĐHBK Hà Nội

Chương 1: Tổng quan

1.1 Mở đầu

Từ nhiều thập kỷ qua , để đánh giá để đánh giá mức độ phát triển của nền kinh tế quốc dân , người ta không thể không đánh giá trình độ áp dụng kỹ thuật điều khiển tự động ở nước ta , từ vài thâp kỷ gần đây , tuy mức độ áp dụng kỹ thuật điều khiển chưa cao đều khắp các lĩnh vức nhưng tốc độ áp dụng cực kỳ to lớn và thâm nhập hầu hết vào các nên kinh tế quốc dân Đặc biệt trong điều khiển quá trình khai thác, chế biến năng lượng Điều khiển tự động chiếm vai trò ngày càng quan trọng,

nó đảm trách vai trò ngày càng quan trọng , nó đảm trách vai trò điều khiển, giám sát và được xếp vào phạm trù các phạm trù các hệ thống điều khiển quá trình

(proccess Controlsystem , PSC )

Một hệ thống điều khiển quá trình chứa dựng trong đó toàn bộ các giải pháp

đo lường , điều khiển vận hành và giám sát nhằm đảm bảo các yêu cầu của quá trình

và thiết bị công nhgệ như chất lượng sản phẩm , sản lượng , hiệu quả sản xuất , an toàn cho con người , máy móc và môi trường

Trong hệ thống điều khiển quá trình , thiết bị điều khiển đóng vai trò quan trọng hàng đầu Nó có nhiệm vụ tạo ra tín hiệu điều khiển thíh hợp tác động lên đối tượng điều khiển thông qua những phần tử chấp hành nhằm ổn định hệ thống , duy trì giá trị mong muốn cố định hoặc thay đổi theo một quy luật cho trước với những chỉ tiêu chất lượng cho trước Để thực hiện nhiệm vụ đó , cấu trúc điều khiển phản

hồi với bộ điều kiện Tỷ lệ – Tích phân – Vi phân ( proprtional Integral Derivative

Controller , PID) được sủ dụng rất phổ biến trong điều khiển ở hầu hết các quá trình

công nghiệp Bộ điều khiển PID có cẩutúcvà nguyên lý làm việc đơn giản , dễ hiểu

đặc tính bền vững và dễ sử dụng đối với người làm thực tế Tuy nhiên phù thuộc vào

đặc tính của đối tượng điều khiển mà lựa chọn hoặc chỉ dùng bộ điều khiển tỷ lệ P khi quá trình có đặc tính tích phân mạnh , ví dụ như bài toán điều khiển mức chất

lỏng trong bình chứa hoặc dùng bộ PI là đủ nếu như quá trình có tính của một khâu

quán tính bậc nhất và không có thời gian trễ hoặc có yêu cầu chính là chất lượng ở trạng thái xác lập còn đặc tính bám ở quá trình quá độ không được đặt lên hàng đầu phần mềm

Ví dụ tiêu biểu là bài toán điều khiển lưu lượng Chọn luật PID nếu như có

quá trình đặc tính của một khâu quán tính bậc hai và có trễ tương đối nhỏ Tóm lại

phạm vi ứng dụng của các bộ điều khiển PID là quá trình có thể mô tả bằng các mô

hình bậc thấp , thông thường là bậc nhất à bậc hai

Bộ điền khiển PID tương tự thường thực hiện bằng phần cứng với các linh kiện điện tử , chúng có những nhược điểm khá rõ rệt là khả năng hiệu chỉnh tham số hạn chế , hầu như được thiết kế , chế tạo chỉ thực vụ cho một hoặc một lớp đối tượng

điều khiển , cụ thể không được chế tạo theo chuẩn đồng loạt không có cơ hội thích nghi tham số

Ngày nay do công nghệ vi xử lý , máy tính số phát triển , nên hầu hết các bộ

điều khiển PID được thực hiện bằng công nghệ số- xây dựng trên nền máy tính số chúng hoàn toàn khắc phục được bộ điều khiển tương tự Ngoài ra bộ điều khiển số còn có thêm những ưu điểm quan trọng như thiận tiện trong việc truyền và lưu giữ thông tin trong thời gian dài , không hạn chế , độ chính xác có thể đạt được mong muốn khi lựa chọn thời gian trích mẫu hợp lý và cấu hình phần cứng cho phép

Các bộ điều khiển PID luôn được các nhà khoa học quan tâm nhằm tìm các phương pháp chỉnh định tham số một cách hiệu quả và chính xác hơn nhưng đối với những giải pháp điều khiển hiện đại , bộ điều khiển PID được coi là lớp các bộ điều khiển truyền thống Tuy nhiên cũng có điều rất thú vị là PID truyền thống vẫn là cơ

sở nghiên cứu phát triển cho các bộ điều khiển hiện đại , đặc biệt hơn là trong những

bộ điều khiển hiện đại vẫn có mặt của bộ điều khiển PID – gọi là sự “lai ” , điều đó cũng có nghĩa là người thiết lế sẽ yên tâm hơn

Qua thực té cho thấy, chất lượng điều chỉnh của bộ điều khiển PID phụ thuộc rất nhiều vào việc lựa chọn luật điều khiển trong thuật toán PID, vào việc lựa chọn

các tham số KP,KI hay KD Đã có rất nhiều phương pháp tính toán, cho phép lựa chọn một bộ tham số để áp đặt cho bộ điều khiển, hầu hết phương pháp chính định tham số PID chỉ áp dụng được cho các quá trình ổn định hoặc có thể có một khâu tích phân bậc nhất, chỉ một số ít phương pháp đề cập tới quá trình không ổn định Ngoài ra, việc áp dụng cho một quá trình cụ thể với vô số những điều kiện rằng buộc như giới hạn vật lý của cơ cấu chấp hành, giới hạn về tốc độ xử lý của các phần

tử tính toán đã không thể xây dựng một phương pháp có tính bài bản mà vẫn phụ thuộc nhiều vào kinh nghiệm vận hành quá trình

Một hạn chế quan trọng nữa về phạm vi ứng dụng của bộ điều khiển PID là khi mô hình toán học của qúa trình không đáp ứng đầy đủ các thông tin cần thiết và hơn nữa quá trình công nghệ còn luôn chịu tác động của nhiễu loạn ( có thể từ bên ngoài hoặc ngay bên trong đối tượng điều khiển ) thì việc chinh định các tham số của bộ điều khiển sẽ là khó khăn Vì vậy, một giải pháp thường được chú ý là áp dụng lý thuyết mờ để thiết kế bộ chính định mở nhằm hỗ trợ thích nghi tham số bộ

điều khiển PID cho những trường hợp vừa nêu Đó là giải pháp thiết kế thiết bị lai giữa bộ điều khiển mờ và bộ điều khiển kinh điền - bộ điều khiển PID đã được quen thuộc và sử dụng từ rất lâu, điều đó giúp đơn giản hoá công việc thiết kế mà vẫn đảm bảo cho hệ thống có đặc tính động học tốt và bền vững (robust )

Trong quá trình thực nghiệm, với một chút kinh nghiệm cho thấy mặc dù đã

áp dụng một số công cụ mạnh để xác định mô hình quá trình, song do quá trìh có tính phí tuyến, nhiễu và trễ nên kết quả thu được đã không thật sự tin cậy, ngoài ra

để có một mô hình toán học cụ thể cần áp dụng các phương pháp xấp xỉ mô hình,

đây cũng là yếu tố dẫn đến một mô hình còn thiếu thông tin có ích Một mô hình thiếu sự chính xác cần thiết sẽ là không thích hợp với việc chỉnh định các tham số cho bộ điều khiển kinh điền Với lý do đó, nhiệm vụ đặt ra cho luận văn là cần đưa

ra giải pháp dùng bộ điều khiển mở thích nghi chỉnh định tham số cho bộ PID ý tưởng chính của phương pháp là luôn theo sát diễn biến của quá trình và chỉnh định

tham số của bộ điều khiển PID theo diễn biến đó Ngoài ra, việc thực nghiệm với biến tần số có thể giúp khai thác các bộ biến tần có hiệu quả hơn

1.2 Đặt vấn đề

Điều khiển quá trình là matt lĩnh vực ứng dụng quan trọng của kỹ thuật điều khiển trong các ngành năng lượng và hóa chất Nội dung của điều khiển quá trình kết nối chặt chẽ nền tảng của lý thuyết điều khiển tự đọng với các bài toán của quá trình công nghệ

Điều khiển tự động chiếm vai trò ngày càng quan trọng trong các ngành công nghiệp chế biến, khai thác và năng lượng Trong mỗi nhà máy công nghiệp hiện đại

hệ thống điều khiển giám sát là thành phần không thể thiếu Các hệ thống điều khiển

và giám sát được sử dụng trong những lĩnh vực đó có một số đặc thù chung được gọi

là các hệ thống điều khiển quá trình (Process Control System, PCS) Một hệ thống

điều khiển quá trình chứa đựng trong đó toàn bộ các giải pháp đo lường, điều khiển, vận hành và giám sát nhằm đảm bảo các yêu cầu của quá trình và thiết bị công nghệ như chất lượng sản phẩm, sản lượng, hiệu quả sản xuất, an toàn cho con người, máy móc và môi trường

Trong sản xuất công nghiệp điều khiển quá trình được hiểu là điều khiển các thông

số công nghệ trong quá trình sản xuất như nhiệt độ, áp xuất, lưu lượng, định lượng, mức, nồng độ, phản ứng hóa học Vì vậy điều khiển quá trình thường có trong một thiết bị công nghiệp, công đoạn hoặc dây truyền sản xuất, đặc trưng cho quá trình sản xuất liên tục như trong các nhà máy sản xuất hóa chất, nhiệt điện, vật liệu xây dựng, công nghiệp thực phẩm rượu bia

Trong nhiều ngành công nghiệp cần sử dụng tới van để đống mở điều khiển mức nước Có nhiều loại van khác nhau như van điều khiển nhờ tín hiệu dòng 4 dến 20mA và van chỉ đống mở ON hoặc OFF

Van điều khiển là thiết bị chấp hành phổ biến nhất trong lĩnh vực điều khiển quá trình là van điều khiển Van điều khiển điều chỉnh lưu lượng chất lỏng như gas, hơi

nước, nước, hoặc hợp chất hóa học để bù đắp nhiễu tảI và giữ biến quá trình cần điều khiển càng gần giá trị đặt mong muốn càng tốt

Van điều khiển hình bao gồm thân van, phần chỉnh bên trong, một cơ cấu chấp hành cung cấp lực dẫn động để vận hành van, và các phụ kiện khác nhau bao gồm bộ định vị van, thiết bị chuyển đổi, bộ điều chỉnh áp lực, chống rung hoặc công tắc giới hạn

Van điều khiển là một phần thiết yếu của mạch vòng điều khiển Không chính xác khi nói rằng van điều khiển là phần quan trọng nhất trong mạch vòng, mạch vòng điều khiển như một chuỗi các thiết bị, giống như bất kỳ một chuỗi nào khác, toàn bộ chuỗi cũng tốt như một liên kết yếu nhất Điều quan trọng là đảm bảo rằng van điều khiển không phảI là liên kết yếu nhất

Cấu trúc cơ bản của van điều khiển:

Hình 1-7 Cấu trúc tiêu biểu của một van cầu khí nén

Một van điều khiển bao gồm thân van được ghép nối với một cơ chế chấp hành cùng với các phụ kiện liên quan Trên hình 1-7 là hình ảnh mặt cắt của một van cầu khí nén với cơ chế truyền động màng rung lò xo

Phần thân van cùng các phụ kiện được gắn với đường ống, đóng vai trò phần

tử điều khiển Độ mở van và lưu lượng qua van được xác định bởi hình dạng và vị trí chốt van

Khi sử dụng van này có nhược điểm là giá thành cao thường dùng co các đường ống

có kích thước trung bình và nhỏ Với các đường ống có kích thước lớn người ta thường dung van đóng mở ON hoặc OFF Người ta thường dùng động cơ để đóng

mở các van này.Vì vậy việc thiết kế hệ thống điều khiển van là một vấn đề hết sức quan trọng.Việc điều khiển van này có thể điều khiển bằng hệ thống rơle, hệ thống

bộ điều khioển PID thông thường bộ điều khiển PID xung và bộ điều khiển mờ Đây

là vấn đề chính để tôI nghiên cứu luận văn này

Chương 2 Cơ sở hệ thống điều khiển quá trình

2.1- Tổng quan về hệ thống điều khiển quá trình :

2.1.1- Quá trình và các biến quá trình :

Điều khiển quá trình được hiểu là ứng dụng kỹ thuật điều khiển tự động trong

điều khiển, vận hành và giám sát các quá trình công nghệ, nhằm đảm bảo chất lượng sản phẩm, hiệu quả sản xuất và an toàn cho con người, máy móc và môi trường

Việc xây dựng một hệ thống điều khiển quá trình bao bồm nhiều bước như phân tích, thiết kế, lập trình, chỉnh định và đưa vào vận hành, ta gọichung là các nhiệm vụ phát triển hệ thống

- Biến vào là một đại lượng hoặc một điều kiện phản ánh tác động từ bên ngoài vào quá trình, ví dụ như lưu lượng dòng nguyên liêu, dòng chất lưu, nhiệt độ hơi nước cấp nhiệt

- Biến ra là một đại lượng hoặc một điều kiện thể hiện tác động của quá trình

ra bên ngoài, ví dụ lưu lượng sản phẩm ra, áp suất khí nén trong bình khí hay áp suất cần duy trì của hệ thống cấp nước công nghiệp

- Biến trạng thái mang thông tin về trạng thái bên trong quá tình, ví dụ mức chất lỏng, nhiệt độ lò, áp suất hơi

Tuy nhiên, trong một quá trình công nghệ thì không phải biến vào nào cũng

có thể can thiệp được và không phải biến ra, biến trạng thái nào cũng được điều khiển (hình 1.1) Do đó các biến vào cũng cần phân biệt : Biến đièu khiển là một biến vào của quá trình có thể can thiệp trực tiếp từ bên ngoài, qua đó tác động tới biến ra theo ý muốn, còn lại các biến không can thiệp được một cách trực tiếp hay gián tiếp nhưng trong quá trình đang quan tâm coi là nhiễu Biến cần điều khiển là một biển ra hoặc một biến trạng thái của quá trình được điều khiển, điều chỉnh sao cho gần với một giá trị mong muốn hay giá trị đặt hoặc bám theo một biến chủ đạo như hình vẽ:

Trong thực tế, những biến cần điều khiển tiêu biểu nhất trong các hệ thống

điều khiển quá trình là những biến ra như nhiệt độ, lưu lượng, áp suất, mức các biến ra hoặc biến trạng thái còn lại của quá trình có thể chỉ cần được ghi chép hoặc hiền thị

Các quá trình công nghệ có thể được phân loại theo nhiều quan điểm khác nhau Khi thì dựa trên số lượng biến ra : một quá trình chỉ có một biến ra được gọi là quá trình đơn biến ; ngược lại, quá trình có nhiều biến ra là quá trình đa biến Khi thì dựa vào số lượng biến ra/ra, ta có cách phân biệt ; một quá trình có một biến vào - một biến ra được gọi tắt là SiSO (single input - single output ) ; quá trình nhiều vào - nhiều ra được gọi là MIMO ( multple inputs - multiple 0utputs ) có thể nói hầu hết quá trình công nghệ đều là những quá trình đa biến, quá trình MIMO

Ngoài ra, dựa trên đặc tính của các đại lượng đặc trưng ( biến ra hoạc biến trạng thái tiêu biểu ), ta cũng có thể phân loại các quá trình thành quá trình liên tục, quá trình gián đoạn, quá trình rời rạc và quá trình mẻ Các đại lượng đặc trưng cho quá trình liên tục là các biến tương tự, tức chúng có thể lấy một giá trị bất kỳ trong phạm vi giới hạn, ví dụ như quá trình trao đổi nhiệt, quá trình bay hơi, quá trình vận chuyển chất lỏng quá trình gián đoạn có bản chất giống như quá trình liên tục, tuy nhiên các biến vào ra chỉ được quan sát tại những thời điểm gián đoạn nhất định

Đặc trưng cho quá trình rời rạc là các đại lượng thường được biểu diễn bằng các biến

số nguyên hay biến logic, ví dụ như quá trình đóng bao, đóng chai quá trình mẻ

là một quá trình hỗn hợp, các đại lượng đặc trưng của quá trình mẻ bao gồm cả các biến tương tự và biến rời rạc Đặc biệt, yếu tố thời gian và yếu tố sự kiện đóng một vai trò quan trọng trong một quá trình mẻ

Nhìn từ quan điểm của lý thuyết điều khiển, ta có thể phân biệt bài toán điều chỉnh, bài toán bám Nhiệm vụ điều chỉnh là thiết lập hoạc duy trì biến đầu ra tại một giá trị đặt cho trước trong khi có tác động của nhiễu, trong khi yêu cầu của điều khiển bám là biến đầu ra bám theo một tín hiệu chủ đạo liên tục thay đổi ( biết trước hoặc không biết trước ) Bài toàn bám được quan tâm nhiều hơn trong lĩnh vực điều khiển máy móc, điều khiển chuyển động

Trong điều khiển quá trình, bìa toán điều chỉnh chiếm vai trò chủ yếu, bởi các giá trị đặt thường cổ định hoặc ít thay đổi trong chế độ vận hành bình thường Các ví

dụ tiêu biểu cho bài toán điều chỉnh bao bồm điều chỉnh nhiệt độ, áp suất, mức, lưu

lượng các biến cần điều khiển được quan tâm trong các quá trình này đều là các biến tương tự, vì vậy cần đặt ra các yêu cầu đặc trưng cho khả năng chuyển đổi và xử

lý tín hiệu của các thiết bị đo, điều khiển và chấp hành

Xét về khả năng vận hành và điều khiển của quá trình, ta thường phải quan tâm đến giới hạn vật lý của các trang thiết bị cũng như những quan hệ phụ thuộc giữa các đại lượng là những trở ngại không nhỏ trong việc thực hiện các giải pháp

điều khiển Đặc biệt, các quá trình công nghệ hiện đại thường được thiết kế tối ưu về mặt an toàn, tiết kiệm năng lượng và chi phí đầu tư, nhưng lại gây nhiều khó khăn cho việc thiết kế điều khiển, đây là bìa toán tối ưu cần được nỗ lực giải quyết

Thực tế cho thấy, ngay cả khi quá trình công nghệ là một đối tượng dễ điều khiển về mặt toán học, tức là ta hoàn toàn có thể đưa ra các luật điều khiển để đạt các chỉ tiêu chất lượng một cách lý tưởng, song các luật điều khiển đó không thể thực hiện được do các điều kiện ràng buộc Mỗi thiết bị chấp hành chỉ có hiệu lực trong một phạm vi làm việc bởi sự ràng buộc về mặt vật lý Đặc tính động học của mỗi van điều khiển, mỗi động cơ hoặc máy bơm cũng chỉ có giới hạn, chúng không thể tác động nhanh tuỳ ý theo yêu cầu của thuật toán điều khiển Cũng là những yếu

tố ràng buộc của yêu cầu chế độ vận hành, một số biến trạng thái hay biến ra cũng phải thoả mãn về giá trị và tốc độ biến thiên

2.1.2 Các thành phầm cơ bản của hệ thống điều khiển quá trình :

Các hệ thống điều khiển quá trình công nghiệp có thể đơn giản đến tương đối phức tạp, nhưng chúng đều cấu trúc bởi ba thành phần cơ bản là thiết bị đo, thiết bị chấp hành và thiết bị điều khiển Chức năng của mỗi thành phần của hệ thống và quan hệ các tín hiệu được mô tả trên hình (1.2)

Hình 1.2

Các thuật ngữ thường dùng :

- Giá trị đặt : Set point (SP), Set Value (SV)

- Tín hiệu điều khiển : Control Signal, Controller 0utput (C0)

- Biến cần điều khiển : Controled Variable (CV)

- Đại lượng đo : Process Vaiue (PV)

- Tín hiệu đo : Process Measurement (PM)

Sơ đồ trên đây dựa trên câú trúc ghép nối truyền thống với các tín hiệu tương

tự và vào/ra tập trung Trong thực tế người ta có thể sử dụng các cấu trúc ghép nối khác như vào ra phân tán và sử dụng các công nghệ bus trường Khi đó quan hệ liên kết giữa các thành phần trong hệ thống có thể khác một chút về mặt hình thức, nhưng bản chất trao đổi thông tin không có gì khác biệt

Đặc trưng cơ bản của các thành phần trong hệ thống (hình 1.2)

* Thiết bị đo : Có chức năng cung cấp một tín hiệu ra tỷ lệ theo một nghĩa nà

đó với đại lượng đo Một thiết bị đo thường gồm hai thành phần cơ bản là cảm biến

và bộ chuyển đổi đo chuẩn ( transmitter ), tín hiệu ra từ cảm biến được khuyếch đại,

điều hoà và chuyển đôỉ sang một dạng thích hợp cho thiết bị điều khiển, chỉ báo hoặc truyền xa, ví dụ dòng điện, điện áp, số xung thiết bị đo có nhiệm vụ phải phản ánh chính xác diễn biến của quá trình Trong nhiều trường hợp, vai trò của thiết

bị đo có quyết định to lớn đến độ chính xác của quá trình điều khiển Người ta thường phải xử lý tín hiệu đo như lọc nhiễu, hạn chế biến độ trước khi thực hiện các luật điều khiển

Ngày nay, để phù hợp với công nghệ điều khiển cũng như khả năng truyền thông, đầu ra của các bộ chuyển đổi được chuẩn hoá có thể là điện áp 0-10V, dòng

điện 4-20mA và ứng dụng công nghệ bus trường

* Thiết bị điều khiển : (controller ) là một thiết bị tự động thực hiện chức năng điều khiển theo luật điều khiển đã thiết lập, là thành phần cốt lõi của một hệ thống điều khiển công nghiệp Một bộ điều khiển có thể hiểu là một thiết bị điều khiển cứng, đơn lẻ ( ví dụ bộ điều khiển nhiệt độ ), một khối phần mềm cài đặt trong thiết bị điều khiển chia sẻ (PLC, máy tính )

Trên cơ sở các tin hiệu vào ( tín hiệu đo, tín hiệu đặt ) và một cấu trúc điều khiển/sách lược điều khiển được lựa chọn, bộ điều khiển thực hiện thuật toán điều khiển và đưa ra tín hiệu điều khiển để can thiệp trở lại quá trình kỹ thuật thông qua các thiết bị chấp hành Tuỳ theo dạng tín hiệu vào ra và phương pháp thể hiện luật

điều khiển, một thiết bị điều khiển có thể được xếp loại là điều khiển tương tự (analog controller ), thiết bị điều khiển logic (logic controller ) hay thiết bị điều khiển số ( digital controller ) Một thiết bị điều khiển số được xây dựng trên nền tảng máy tính số, có thể thay thế chức năng của một thiết bị điều khiển tương tự hoặc một thiết bị điều khiển logíc

Thiết bị điều khiển số có thể chấp nhận các đầu vào/ra là tín hịêu số hoạc tin hiệu tương tự với sự tích hợp các thành phần chuyển đổi tương tự - số như cần thiết, tuy nhiên thuật toán điều khiển bao giờ cũng được thực hiện bằng máy tính số Một thiết bị điều khiển số không những cho chất lượng và tin cậy cao hơn, mà còn có thể

đảm nhiệm nhiều chức năng điều khiển, tính toán và hiến thị

* Thiết bị chấp hành : ( actuator system, jinal control elêmnt ) nhận tín hiệu

ra từ bộ điều khiển và thực hiện tác động can thiệp tới biến điều khiển Các thiết bị chấp hành tiêu biểu trong công nghiệp là các bộ biến đổi điện tử công suất, động cơ

điện, van điều khiển, máy bơm, quạt gió ví dụ, tuý theo tin hiệu điều khiển mà một van điều khiển thay đổi độ mở van và do đó thay đổi lưu lượng cấp, qua đó điều chỉnh mức chất lỏng trong bình Một máy bơm có điều chỉnh tốc độ ( bơm ba pha với biến tần chẳng hạn ) cũng có thể sử dụng để thay đổi áp suất dòng chất lỏng hoặc dòng khí và qua đó điều chỉnh lưu lượng

2.2- Mô hình hoá quá trình :

2.2.1- Đặt vấn đề :

Hầu hết các phương pháp điều khiển hiện đại đều dựa trên cơ sở mô hình toán học Về nguyên tắc, có hai phương pháp cơ bản để xây dựng mô hình toán học cho một quá trình là :

* Mô hình hoá bằng lý thuyết hay còn gọi là mô hình hoá vật lý đi từ các định luật cơ bản của vật lý và hoá học kết hợp các thông số kỹ thuật của thiết bị công nghệ, kết quả nhận được là các phươnảctình vi phân ( thường hoặc đạo hàm riêng )

và phương trình đại số, phương pháp lý thuyết có ưu điểm là cho ta hiểu sâu các quan hệ bên trong của quá trình liên quan trực tiếp tới các hiện tượng vật lý, hoá học hoặc sinh học Nếu được tiến hành chi tiết, mô hình lý thuyết sẽ cho ta xác định

được tương đối chính xác cấu trúc của mô hình

Tuy nhiên, cách thức tiền hành xây dựng một mô hình lý thuyết phụ thuộc rất nhiều vào quá trình cụ thể, khó có thể công thức hoá Vì vậy, công việc này đòi hỏi nhiều kinh nghiệm, công sức và thời gian Kết quả một mô hình lý thuyết chính xác phải được xác định trên các quan hệ động học của thiết bị đo, của thiết bị chấp hành hoặc của các thiết bị công nghệ, phải xác định được các điều kiện vận hành, điều kiện môi trường, hơn nữa cũng cần phải xác định được mô hình nhiễu tác động vào quá trình

Qua những ưu nhược điểm trên, ta thấy mô hình lý thuyết ít phù hợp cho việc xác định các tham số của bộ điều khiển

* Mô hình hoá bằng thực nghiệm hay còn gọi là phương pháp hộp đen hay nhận dạng quá trình, dựa trên thông tin ban đầu về quá trình, quan sát tín hiệu vào -

ra thực nghiệm và phân tích các số liệu thu được để xác định cấu trúc và các tham số mô hình từ một lớp các mô hình thích hợp Hiện nay, các phương pháp thực nghiệm

được áp dụng khá phổ biến vì có thể sử dụng các công cụ phần mềm hiện đại hỗ trợ rất mạnh chức năng nhận dạng trực tuyến cũng như ngoại tuyến

Tuy vậy, phương pháp thực nghiệm thuần tuý, chẳng hạn đối với quá trình

được coi là hộp đen với các số liệu vào - ra lấy từ thực nghiệm cũng còn những hạn chế như độ chính xác của mô hình còn phụ thuộc vào độ tin cậy của các phép đo Ngoài ra, sau đó còn phải dựa vào việc giả thiết một lớp mô hình thích hợp và phải thực hiện theo một quá trình lặp với những công cụ mô phỏng Trong thực tế, nếu sử dụng kết hợp cả hai phương pháp lý thuyết và thực nghiệm sẽ cho một mô hình có giá trị hơn cho mục đích sử dụng

2.2.2 Phân loại phương pháp nhận dạng :

Các phương pháp thực nghiệm hiện nay vô cùng phong phú, có thể phân loại các phương pháp nhận dạng từ nhiều góc nhìn khác nhau, ví dụ về vài cachs phân loại

* Theo dạng mô hình sử dụng trực tiếp, mô hình tuyến tính bậc nhất và bậc hai ( có hoặc không có trễ, có hoặc không dao động, có hoặc không có thành phần tích phân ) là những dạng thực dụng nhất trong điều khiển quá trình với các phương pháp kinh điển Với các phương pháp điều khiển hiện đại khác cho phép sử dụng các mô hình phức tạp hơn

* Nhận dạng chủ động và nhận dạng bị động : nhận dạng chủ động khi tín hiệu vào được chủ động lựa chọn và kích thích ( thực tế hay sử dụng tin hiệu dạng bậc thang, xung vuông và dao động điều hoà ) đây là phương pháp tốt nhất khi điều kiện thực tế cho phép Trong thực tế, khi hệ thống đang vận hành, việc nhận dạng chủ động có thể không được thực hiện vi những lý do công nghệ, khi ấy phải chấp nhận sử dụng số liệu vào/ra vận hành thực và ta có phương pháp nhận dạng bị động 2.2.3 Các bước tiến hành :

Cũng như nhiều công việc phát triển hệ thống khác, nhận dạng hầu như bao giờ cũng là một quá trình lặp, bao gồm các bước :

- Thu thập, khai thác thông tin ban đầu về quá trình

- Lựa chọn phương pháp nhận dạng ( trực tuyến/ngoại tuyến, vòng hở/vòng kín, chủ động/bị động) chọn thuật toán ước lượng tham số và tiêu chuẩn đánh giá mô hình

- Tiến hành lấy số liệu thực nghiệm cho từng cấp biến vào/ra trên cơ sở phương pháp nhận dạng đã chọn, xử lý thô các số liệu nhằm loại bỏ những giá trị đo kém tin cậy

- Quyết định về dạng mô hình (phí tuyến/tuyến tính, liên tục/gián đoạn ) theo mục đích sử dụng và khả năng ứng dụng của phương pháp nhận dạng đã chọn, đưa ra giả thiết ban đầu về cấu trúc mô hình ( bậc từ số/mẫu số, có trễ hay không trễ )

- Xác định các tham số mô hình tho phương pháp/thuật toán đã họn

- Mô phỏng, kiềm chứng và đánh giá mô hình nhận được theo các tiêu chuẩn

và nếu có thể lặp lại một hoặc một số trong các bước trên

2.2.4 Xác định các tham số của mô hình :

* Các phương pháp dựa trên đáp ứng quá độ :

Các phương pháp trực tiếp dựa trên đồ thị đáp ứng quá độ rất được ưa chuộng với những người làm thực tế bởi tính trực quan và đơn giản Tất nhiên, độ chính xác của các mô hình nhận được tuy không cao ( vì thường sử dụng mô hình bậc thấp,

ảnh hưởng của nhiễu không được giải quyết tốt) nhưng có thể đáp ứng số lớn các bài toán điều khiển quá trình

Để áp dụng phương pháp này, cần phải xác định mô hình sử dụng có đặc tính thuộc trường hợp nào dưới đây :

* Đặc tính quan tính : có thể xấp xỉ thành mô hình quân tính bậc nhất hoặc bậc hai

có trễ (F0PDT - First - 0rder - phus - Dead Time, S0pdt - Second- 0rder - Plus - Dead

- Time)

* Đặc tính dao động tắt dần có thể xấp xỉ về mô hình dao động bậc hai

* Đặc tính tích phân có thể xấp xỉ về mô hình quân tính bậc nhất hoặc bậc hai có trễ cộng thêm thành phần tích phân

Nhóm các phương pháp này là : i) phương pháp kê tiếp tuyến, ii) phương pháp hai hay ba điểm quy chiều, iii) phương pháp diện tích

* Các phương pháp dựa trên đáp ứng tần số :

Nhận dạng dựa trên số liệu đặc tính đáp ứng tần số trước hết có thể phục vụ các phương pháp thiết kế điều khiển trực tiếp trên miền tần số Với phương pháp này, quá trình được kích thích chủ động bằng tín hiệu hình sin hoặc kích thích bằng tín hiệu dạng xung, tuy nhiên, phương pháp này thường khó khả thi đối với nhiều quá trình công nghiệp

* Các phương pháp bình phương tối thiểu :

Đối với những quá trình phức tạp hoặc những quá trình đòi hỏi cao về chất lượng điều khiển, có thể áp dụng phương pháp nhận dạng chính xác hơn những phương pháp trên Một phương pháp được coi là đa năng dựa trên nguyên lý đơn giản và quen thuộc - nguyên lý bình phương tối thiểu ( Least Squares, LS) thực chất bài toán nhận dạng được đưa về bài toán tối ưu ví hàm mục tiêu cần cực tiểu hoá là tổng bình phương sai lệch ( có thể với hệ số trọng lượng ) giữa các số liệu quan sát thực và các giá trị tính toán ước lượng

Việc áp dụng các phương pháp nhận dạng được thực hiện cho một quá trình

cụ thể ở mục ( ) chương bốn

2.3 Cơ sở thiết kế điều khiển :

Sau khi xác định được bài toán điều khiển, bước tiếp theo là thiết kế điều khiển Công việc thiết kế điều khiển được tiến hành theo hai bước cơ bản là thiết kế cấu trúc điều khiển và thiết kế bộ điều khiển

2.3.1 Cấu trúc điều khiển :

Cấu trúc điều khiển hay còn gọi là sách học điều khiển thể hiện quan hệ về mặt cấu trúc giữa các biến chủ đạo ( giá trị đặt ), biến đo và biến điều khiển thông qua các bộ điều khiển và các phần từ cấu hình hệ thống khác ( ví dụ, các khâu tính

toán, lựa chọn, bù trễ ) kết quả là đưa ra được sơ đồ khối mô tả chi tiết cấu trúc của

hệ thống điều khiển Trên cơ sở đó sẽ thực hiện bước tiếp theo là lựa chọn cấu trúc

và các tham sốcủa bộ điều khiển

Trong thực tế, hầu hết các hệ thống điều khiển quá trình đều có cấu trúc điều khiển dựa trên sự kết hợp hoặc mở rộng của hai nguyên lý điều khiển cơ bản, đó là

điều khiển phân hồi và điều khiển thẳng

Hình 1.8

- Cấu trúc tổng quát của điều khiển truyền thẳng được mô tả trên hình (1.8)

đặc điểm cơ bản của điều khiển truyền thẳng là yêu cầu phải biết rõ thông tin về quá trình và ảnh hưởng của nhiễu ( phải đo được nhiễu) đây là nhược điểm lớn nhất của

điều khiển truyền thẳng Nếu đáp ứng được yêu cầu trên thì điều khiển truyền thẳng

có ưu điểm quan trọng là khả năng loại bỏ nhiễu trước khi nó kịp ảnh hưởng xấu tới quá trình

- Với bài toán điều khiển là thiết lập và duy trì một đại lượng cần điều khiển tại một giá trí đặt cho trước trong khi có tác động của nhiễu ( có thể không đo được )

ta nên chọn cấu trúc điều khiển phân hồi

Điều khiển phân hồi ( F eedback control ) hay còn gọi là điều khiển vòng kín ( elosed - loop control ) dựa trên nguyên tắc liên tục đo ( hoặc quan sát ) giá trị biến

được điều khiển và phản hồi thông tin về bộ điều khiển để tính toán lại giá trị của biến điều khiển Trong các sách lược điều khiển, điều khiển phản hồi đóng vai trò quan trọng hàng đầu Điều khiển phản hồi được sử dụng gần như trong tất cả các hệ thống điều khiển tự động

Có thể nói " điều khiển phản hồi là cách duy nhất để ổn định một quá trình không ổn định " {1}

Cấu trúc tổng quát của một hệ thống điều khiển phản hồi được minh hoạ trên hình (1.9)

Điều khiển phản hồi có hai cấu hình hay dùng là :

* Cấu hình điều khiển một bậc tự do : bộ điều khiển thực hiện luật điều khiển dựa trên sai lệch giữa giá trị quan sát dược của biến được điều khiển với giá trị đặt

Ví dụ, luật tỷ lệ, tích phân, vi phân trong bộ điều khiển PID Bộ điều khiển chỉ tính toán đầu ra của nó dựa theo sai lệch, không phân biệt sai lệch đó là do nhiễu quá trình hay do thay đổi giá trị đặt gây ra Nói cách khác, trong hầu hết trường hợp ta sẽ gặp khó khăn trong việc chỉnh định bộ điều khiển để thoả mãn yêu cầu đáp ứng bám giá trị đặt và đáp ứng loại bỏ nhiễu

* Một cấu hình điều khiển khác, bộ điều khiển chứa hai khâu trong ứng với hai đầu vào, có thể chỉnh định một cách độc lập để đưa ra đáp ứng các yêu cầu riêng

về bám giá trị đặt cũng như loại bỏ nhiễu - gọi là bộ điều khiển phân hồi có cấu hình

điều khiển hai bậc tự do Về bản chất, cấu hình điều khiển hai bậc tự do là sự kết hợp của điều khiển phản hồi và điều khiển thẳng, nó cũng chiếm ưu thế khi lựa chọn ứng dụng trong công nghiệp

2.3.2 Lựa chọn bộ điều khiển :

Các bộ điều khiển phản hồi là những thành phần cốt lõi của mỗi hệ thống điều khiển tự động Bộ điều khiển phản hồi có chức năng nhận tín hiệu, do sánh với tín hiệu đặt, thực hiện thuật toán điều khiển và đưa ra tín hiệu điều khiển để can thiệp vào biếu điều khiển thông qua thiết bị chấp hành Trong một hệ thống điều khiển quá trình, các bộ điều khiển phản hồi có thể đựơc thực hiện dưới dạng một thiết bị

điều khiển vòng đơn ( Single - Loop Controller, SLC ) Distrbuted Control System ), PLC 9 Programmable Logic Controller ) hoặc máy tính PC công nghiệp

Từ hơn sáu thập kỷ nay, PID là bộ điều khiển thông dụng nhất trong các hệ thống điều khiển quá trình bởi vì :

* Cấu trúc và nguyên lý hoạt động đơn giản , dễ hiểu và dễ sử dụng đối với những người làm thực tế

* Có rất nhiều phương pháp và công cụ mạnh hỗ trợ chỉnh định các tham số của bộ điều khiển

* Các luật điều khiển P, PI và PID thích hợp cho một phần lớn các quá trình công nghiệp

Nhiều báo cáo đã đưa ra các con số thống kê rằng hơn 90 % bài toán điều khiển quá trình công nghiệp được giải quyết với các bộ điều khiển PID, trong đó khoảng trên 90 % thực hiện luật PI, 5 % thực hiện luật P thuần tuý, khoảng 3% thực hiện luật PID đầy đủ, còn lại về trước, các bộ điều khiển PID còn phổ biến đực thực hiện theo kỹ thuật tương tự, chủ yếu được lắp ráp bằng linh kiện bán dẫn như transisto, IC tuyển tính một số khác bằng công nghệ khí nén Chúng bộc lộ những nhược điểm khá quan trọng là :

* Do kết cấu " cứng " nên khả năng hiệu chỉnh tham số hạn chế, hầu như được thiết kế, chế tạo chỉ phục vụ cho một hoặc một lớp đối tượng điều khiển cụ thể, không được chế tạo theo chuẩn đồng loạt

* Hạn chế khả năng tự chỉnh định tham số

* Hạn chế tích hợp các chức năng khác như tính toán, ra thông báo, cảnh báo

* Thiết bị chịu ảnh hưởng lớn của các yếu tố môi trường như nhiệt độ, độ ẩm, nhiễu

Ngày nay, do công nghệ vi xử lý, máy tính số phát triển, nên hâù hết các bộ

điều khiển PID được thực hiện bằng kỹ thuật số - xây dựng trên nền máy tính số Chúng hoàn toàn khắc phục được những nhược điểm của bộ điều khiển tương tự

Ngoài ra, bộ điều khiển số còn có thêm ưu điểm quan trọng như điều khiển số thuận tiện trong việc truyền và lưu giữ thông tin trong thời gian dài, không hạn chế, độ chính xác có thể đạt được mong muốn khi lựa chọn thời gian trích mẫu hợp lý và cấu hình phần cứng cho phép

Chương 3

bộ điều khiển mờ

3.1 Khái niệm cơ bản

3.1.1 Bộ điều khiển mờ lý tưởng

Trên góc độ điều khiển thì con người có khả năng tuyệt vời của bộ điều khiển

mờ hoàn chỉnh Để hiểu rõ ta xét hoạt động lái xe của một người lái xe trên đường xem ông ta xử lý những thông tin gì và xử lý chúng như thế nào:

+ Đại lượng điều khiển thứ nhất là con đường trước mặt Người lái xe có

nhiệm vụ điều khiển chiếc xe đi đúng phần đường quy định, tức là phải luôn giữ cho

xe nằm trong phần đường bên phải kể từ vạch phân cách, trừ trường hợp vượt xe khác, tránh các phương tiện lưu thông khác trên đường Để làm được việc đó người lái xe phải biết xe của mình đang ở đâu bằng các quan sát vạch phân cách trên

đường, quan sát các vật cố định khác có trên đường, quan sát các chướng ngại vật nhờ đó mà người lái xe phải quyết định đánh lái sang trái hay sang phải, đánh lái mạnh hay yếu

+ Đại lượng điều khiển thứ hai là tốc độ của xe Với nguyên tắc để xe chạy

êm và an toàn cũng như tiết kiệm xăng… người lái xe có nhiệm vụ giữ ổn định tốc

độ cho xe, tránh phanh gấp hoặc gia tốc đột ngột không cần thiết Giá trị tốc độ xe phải giữ cũng phụ thuộc nhiều vào môi trường xung quanh như thời tiết, cảnh quan, mật độ xe trên đường và cũng còn phụ thuộc việc ông người lái xe có quen đường hay không Tuy nhiên, quy luật điều khiển này hoàn toàn không cố định Giả sử phía

trước có xe chạy chậm thì người lái xe phải giảm tốc độ cho đến khi vượt được chiếc

xe đó

+ Ngoài hai đại lượng cần điều khiển chính như trên người lái xe còn phải theo dõi tình trạng làm việc của xe như nước làm mát có quá nóng, dầu bôi trơn có còn đủ, lượng xăng trong bình, nhiệt độ trong xe, áp suất hơi trong lốp, nhiệt độ máy, để có thể phân tích, nhận định kịp thời các lỗi hư hỏng của xe Tất cả các sự thay đổi tham số ở trên người lái xe có thể nhận biết trực tiếp qua các đèn tín hiệu trong xe, song cũng có thể nhận biết gián tiếp qua phản ứng của xe với các đại lượng

điều khiển

Người lái, xe trong quá trình lái xe, đã thực hiện tuyệt vời chức năng của bộ

điều khiển, từ thu thập thông tin, thực hiện thuật toán điều khiển (trong đầu) cho đến

đưa ra tín hiệu điều khiển kịp thời mà không cần phải biết chính xác về vị trí, tốc độ, tình trạng của xe Hoàn toàn ngược lại với khái niệm điều khiển chính xác, người lái

xe cũng chỉ cần đưa ra những đại lượng điều khiển theo nguyên tắc xử lý mờ như:

- Nếu xe hướng nhẹ ra vạch phân cách thì đánh lái nhẹ sang phải

- Nếu xe hướng mạnh ra vạch phân cách thì đánh lái mạnh sang phải

- Nếu đường có độ dốc lớn thì về số

- Nếu gặp chướng ngại vật thì phải giảm tốc độ

- Nếu đường tốt, tầm nhìn thoảng thì có thể tăng tốc độ

Các nguyên lý điều khiển mờ như trên, tuy có khác nhau về số lượng các mệnh đề điều kiện, song đều cùng có một cấu trúc:

nếu điều kiện 1 và điều kiện n thì quyết định 1 và quyết định m

Dựa trên nguyên lý điều khiển mờ của người lái xe thực hiện việc lái xe các nhà khoa học cũng xây dựng lại mô hình điều khiển theo nguyên lý mờ để có thể áp

dụng cho các lĩnh vực điều khiển khác nhau đó chính là hệ thống điều khiển mờ, mà

lý thuyết của nó là logic mờ

3.1.2 Nhắc lại về tập kinh điển:

a, Khái niệm về tập hợp

Tập hợp có thể coi là sự xếp đặt chung lại các vật, các đối t−ợng có cùng

chung một tính chất Các vật, các đối t−ợng đó đ−ợc gọi là phần tử của tập hợp Ví

dụ: một lớp trong đó có các thành viên của lớp, một tổng công ty trong có các công

ty thành viên

Cho một tập hợp A Một phần tử x thuộc A đ−ợc ký hiệu bằng x∈ , ng−ợc Alại ký hiệu x∉A để chỉ x không thuộc A Một tập hợp không có phần tử nào đ−ợc gọi là tập rỗng, tập rỗng ký hiệu ∅.

Có nhiều cách để ký hiệu một tập hợp nh−: liệt kê các phần tử của tập hợp, biểu diễn thông qua tính chất tổng quát của các phần tử

Cho hai tập hợp A và B nếu mọi phần tử của A cũng là phần tử của B thì A

đ−ợc gọi là tập con của B và ký hiệu bằng A⊆B Nếu trong B còn có ít nhất một phần tử không thuộc A thì A đ−ợc gọi là tập con thực của B và ký hiệu bằng A⊂ BHai tập hợp A và B cùng đồng thời thoả mãn A⊆B và B⊆A thì nói là chúng bằng nhau và ký hiệu bằng A= Với hai tập bằng nhau thì mọi phần tử của tập này Bcũng là phần tử của tập kia và ng−ợc lại

A∩B, là một tập hợp, gồm các phần tử vừa thuộc A, vừa thuộc B hình 1.1b

+ Hợp của hai tập hợp A, B được ký hiệu bằng A∪B, là một tập hợp, gồm tất cả các phần tử của A và của B hình 1.1c

+ Bù của một tập hợp A, được ký hiệu bằng AC, là một tập hợp gồm các phần

tử không thuộc A

+ Tích của hai tập hợp A, B ký hiệu là AìB, là một tập hợp mà mỗi phần tử của nó là một cặp (x,y) trong đó x∈ và A y∈ Hai tập hợp A, B được gọi là thừa B

số của phép nhân Trong trường hợp A = B thì tích AìB thường được viết thành A2

Tích hai tập hợp sẽ là tập rỗng nếu như một trong hai tập thừa số là tập rỗng Ngược lại nếu tích là tập rỗng thì ít nhất phải có một tập thừa số là tập rỗng

Phép nhận tập hợp không có tính giao hoán

c, Hàm liên thuộc(phụ thuộc)

Hàm liên thuộc của tập hợp A thể hiện mức độ phụ thuộc của các giá trị trong tập hợp đó Nếu x ∈ A thì có độ phụ thuộc là 1, còn x ∉ A thì có độ phụ thuộc 0 Hàm liên thuộc của tập hợp A ký hiệu là àA(x)

Axkhi0

Axkhi1)x(

A

Hàm liên thuộc của tập hợp như hình 1.2

tập hợp thể hiện qua hàm liên thuộc như sau:

)x()x()

x()

x()x()

x()x()x()x()

1

AC = ưà

à

)y()x()

y,x

B

à ì

3.1.3 Khái niệm về tập mờ

Trước tiên ta xem xét sự khác nhau giữa tập mờ và tập hợp kinh điển thông qua khái niệm hàm liên thuộc Hàm liên thuộc àA của tập hợp kinh điển chỉ có hai giá trị chính xác là 0 và 1 như hình 1.2, do vậy nếu ta đã biết tập hợp A thì cũng xác

định được hàm liên thuộc àA(x) của nó và ngược lại, nếu đã biết hàm liên thuộc

Như vậy, ở logic mờ không có sự suy luận thuận ngược như với tập hợp kinh

điển Vì vậy trong định nghĩa tập mờ phải nêu thêm về hàm liên thuộc này do vai trò của nó là làm rõ ra chính tập mờ đó

Hình 1.3: Hàm liên thuộc của tập mờ.

à B (x)

x 0

1

à C (x)

x 0

1

Mỗi biến điều khiển cũng có một miền giá trị vật lý ví dụ tốc độ động cơ trong

khoảng 0 đến 3000 vòng/phút, và như vậy biến ngôn ngữ cũng có miền giá trị vật lý tương ứng

Các giá trị của biến ngôn ngữ cũng có miền giá trị vật lý tương ứng ví dụ tốc

1

0,08

+ Chậm là khoảng từ 35km/h đến 45km/h,

+ Trung bình là khoảng từ 40km/h đến 50km/h,

+ Nhanh là khoảng từ 45km/h đến 60km/h

+ Rất nhanh là khoảng lớn hơn 80km/h

Các biến ngôn ngữ được thể hiện qua các hàm liên thuộc tương ứng

→

00

33,0

67,00

h/km

rất nhanh nhanh

nh b trung chậm

chậm rất

à

→

0

5,0

5,000

h/km

rất nhanh nhanh

nh b trung chậm

chậm rất

3.1.5 Luật hợp thành mờ

a Mệnh đề hợp thành

Luật mờ cơ bản là luật mô tả bởi quan hệ: Nếu Thì (IF THEN ), một cách tổng quát có dạng:

Nếu <các mệnh đề mờ điều kiện> THì <các mệnh đề mờ kết luận>

Một mối quan hệ Nếu Thì gọi là một mệnh đề hợp thành, trong một mệnh đề hợp thành có thể có một mệnh đề điều kiện hoặc nhiều mệnh đề điều kiện

và một hoặc nhiều mệnh đề kết luận

Một số dạng mệnh đề mờ:

x = A và x1 = A1 và x2 ≠ B

x1 = A1 và x2 = A2 và và xn = An

x1 = A1 hoặc x2 = A2 hoặc hoặc xn = An (1.9)

(lưu ý rằng các phép logic và (and), hoặc (or), Phủ định (not) trong logic mờ tương ứng các phép giao, hợp, bù)

Ví dụ một số mệnh đề hợp thành phát biểu theo biến ngôn ngữ như sau:

Nếu x = A thì y = B

Nếu xe đang chạy chậm thì tăng ga lên

Nếu xe đang chạy rất chậm thì tăng mạnh ga lên

Trong hệ mờ luật mờ là bộ não của nó, người thiết kế phải dựa vào kinh nghiệm của mình mà phát biểu và xây dựng cho được một tập mờ dạng này làm cơ

sở cho việc triển khai thiết kế tiếp theo

b Qui tắc hợp thành

Từ một giá trị đầu vào x0 hay cụ thể hơn là độ phụ thuộc àA(x0) ta phải xác

định được đầu ra hay độ phụ thuộc của đầu ra Độ phụ thuộc đầu ra sẽ là một tập mờ gọi là tập mờ àB'(y), tập mờ B' cùng cơ sở với tập mờ kết luận B

Như trên hình 1.14, àA(x) là mệnh đề điều kiện ví dụ tốc độ xe chậm, àB(y) là

mệnh đề kết luận ví dụ tăng bàn đạp ga, thì từ một giá trị rõ x0 (một giá trị tốc độ xác định) ta xác định được tập mờ đầu ra àB'(y) (theo qui tắc MIN của Mandani) chính là àA⇒B(x0,y) (là tập mờ tô đậm trên hình 1.14b)

Như vậy, biểu diễn hệ số thỏa mãn mệnh đề kết luận như một tập mờ B' cùng cơ sở với B thì mệnh đề hợp thành chính là ánh xạ

Mô tả mệnh đề hợp thành chính là mô tả ánh xạ trên, có nghĩa là phải tìm

được hàm liên thuộc àA⇒B(x,y) cho mệnh đề hợp thành A⇒ B, có nhiều cách mô tả mệnh đề hợp thành gọi là các qui tắc hợp thành đó là:

1- Công thức Zadeh: (qui tắc hợp thành Zadeh)

àA⇒B(x,y) = MAX{MIN{àA(x), àB(y)}, 1 - àA(x)} (1.11a)

2- Công thức Lukasiewicz: (qui tắc hợp thành Lukasiewicz)

àA⇒B(x,y) = MIN{1, 1 - àA(x) + àB(y)} (1.11b)

3- Công thức Kleene-Dienes: (qui tắc hợp thành Kleene-Dienes)

àA⇒B(x,y) = MAX{1 - àA(x), àB(y)} (1.11c)

Theo nguyên tắc của Mandani " Độ phụ thuộc của kết luận không đ−ợc lớn

hơn độ phụ thuộc của điều kiện" ta có cách xác định hàm liên thuộc àA⇒B(x,y) cho mệnh đề hợp thành A⇒ B nh− sau

4- Công thức MIN: (qui tắc hợp thành MIN của Mandani, sách gọi là qui tắc

hợp thành MAX-MIN)

àA⇒ B(x,y) = MIN{àA(x), àB(y)} (1.11d)

5- Công thức PROD: (qui tắc hợp thành MIN của Mandani, sách gọi là qui

tắc hợp thành MAX-PROD)

àA⇒B(x,y) = àA(x)àB(y) (1.11e)

Các công thức (1.11a, , 1.11e) cho mệnh đề hợp thành A⇒B đ−ợc gọi là các quy tắc hợp thành Hai quy tắc hợp thành theo Mamdani là MIN (MAX-MIN) và PROD (MAX-PROD) hay đ−ợc sử dụng hơn cả

Xét mệnh đề hợp thành một điều kiện: Nếu x = A thì y = B, (x có thể là tốc độ

xe, y là bàn đạp ga, A là chậm, B là tăng) x đ−ợc xác định bởi các hàm liên thuộc

àA(x), và y đ−ợc xác định bởi các hàm liên thuộc àB(y) thì hàm liên thuộc àA⇒B(x,y)

sử dụng quy tắc MIN và quy tắc PROD tại một giá trị rõ x =x0 đ−ợc chỉ ra trên

c Luật hợp thành

Để đơn giản người ta ký hiệu mệnh đề hợp thành A⇒B tại một giá trị rõ

0

x

x = là R Tên gọi chung của mô hình R (ma trận) là luật hợp thành

Hàm liên thuộc àA⇒B(x,y) của mô hình R được biểu diễn theo cách tổ hợp các mệnh đề hợp thành nào, theo quy tắc hợp thành nào thì luật hợp thành có tên gọi là

+ Hàm liên thuộc àA⇒B(x,y) được tổ hợp theo phép hợp Lukasiewier: àA ∪B(x)

= min{1, àA(x) + àB(x)} và quy tắc MIN thì ta có luật hợp thành SUM-MIN

+ Hàm liên thuộc àA⇒B(x,y) được tổ hợp theo phép hợp Lukasiewier: àA ∪B(x)

= min{1, àA(x) + àB(x)} và quy tắc PROD thì ta có luật hợp thành SUM-PROD

Chú ý: Nếu luật hợp thành chỉ có một mệnh đề hợp thành (không phải tổ hợp) thì

thực chất chưa thể hiện được khái niệm MAX hoặc SUM, khi đó luật hợp thành MAX-MIN tương đương SUM-MIN, MAX-PROD tương đương SUM-PROD

Ký hiệu giá trị mờ đầu ra là B' thì hàm liên thuộc của B' tại một giá trị rõ x0với quy tắc MAX-MIN sẽ là:

àB'(y) = àR(x0,y) = MIN{àA(x0) àB(y)} (1.12)

Từ công thức (1.12) ta thấy khi độ cao của tập mờ B là 1 thì độ cao của tập mờ B' sẽ chính là độ cao của tập mờ A tại x0, hình 1.14b

Như vậy: H(x0)=àA(x0)

Ta gọi )H(x0 là độ thỏa mãn mệnh đề điều kiện hay gọi tắt là độ thỏa mãn

Thì hai luật hợp thành MAX-MIN và MAX-PROD được viết như sau:

1- Luật hợp thành MAX-MIN:

àB'(y) = àR(x0,y) = MIN{H(x0), àB(y)} (1.13a)

2- Luật hợp thành MAX-PROD:

àB'(y) = àR(x0,y) = H(x0)àB(y) (1.13b)

Do đó để xác định hàm liên thuộc àB'(y) ta phải xác định độ thỏa mãn H(x0)sau đó có thể sử dụng các công thức (1.13a) hoặc (1.13b)

Ví dụ bộ điều khiển mờ với luật hợp thành MAX-MIN như hình 1.15

* Cách xác định độ thỏa mãn H(x0)

Cách xác định độ thỏa mãn H(x0) đ−ợc chỉ ra trên hình 1.16

+ Khi tín hiệu vào là một giá trị rõ x0 hình 1.16a

+ Khi tín hiệu vào là một giá trị mờ với hàm liên thuộc àA'(x) hình 1.16b

3.1.6 Ưu điểm nh−ợc điểm của điều khiển mờ

- Khỗi l−ợng công việc thiết kế giảm đi nhiều do không cần sử dụng mô hình

đối t−ợng trong việc tổng hợp hệ thống

- Bộ điều khiển mờ dễ hiểu hơn so với các bộ điều khiển khác và dễ dàng thay

đổi

Hình 1.16: Xác định độ thỏa mãn H ( x0)

a, Với giá trị vào rõ x 0

b, Với giá trị vào mờ có hàm liên thuộcàA' (x)

àA (x)

x 0

)x(

à

x a,

àA (x)

à

x b,

àA' (x)

)x(

Hình 1.15: Bộ điều khiển mờ theo luật MAX-MIN

- Đối với các bài toán thiết kế có độ phức tạp cao, giải pháp dùng bộ điều khiển mờ cho phép giảm khối lượng tính toán và giảm giá thành sản phẩm

- Trong nhiều trường hợp bộ điều khiển mờ làm việc ổn định hơn, bền vững hơn và chất lượng điều khiển cao hơn

- Điều khiển mờ có thể sử dụng cho các hệ thống không cần biết chính xác mô hình đối tượng

- Vì hệ thống điều khiển mờ gần với nguyên lý điều khiển của con người (con người không có các cảm biến để cảm nhận chính xác đối tượng), do đó các bộ cảm biến sử dụng có thể không cần độ chính xác cao

+ Việc nghiên cứu về lý thuyết đối với lý thuyết mờ chưa thật hoàn thiện (tính

ổn định, tính phi tuyến, tối ưu.)

+ Cho đến nay chưa có nguyên tắc chuẩn mực cho việc thiết kế cũng như chưa thể khảo sát tính ổn định, tính bền vững, chất lượng, quá trình quá độ cũng như quá trình ảnh hưởng của nhiễu cho các bộ điều khiển mờ

3.1.7 Yêu cầu khi thiết kế hệ điều khiển mờ

- Không thiết kế hệ điều khiển mờ cho các bài toán mà hệ điều khiển kinh

điển có thể dễ dàng thực hiện được như các bộ điều khiển P, PI, PD, PID

- Hạn chế sử dụng điều khiển mờ cho các hệ thống cần đảm bảo độ an toàn cao do những yêu cầu về chất lượng và mục đích của hệ thống điều khiển mờ chỉ có thể xác định và đạt được qua thực nghiệm

- Hệ thống điều khiển mờ là hệ thống điều khiển mang tính chuyên gia, gần với nguyên lý điều khiển của con người, do đó người thiết kế phải hoàn toàn đủ hiểu biết và kinh nghiệm về hệ thống cần điều khiển mới có thể thiết kế được hệ điều khiển mờ

3.1.8 Bộ điều khiển mờ cơ bản

Bộ điều khiển mờ cơ bản có dạng như hình 2.1

Bộ điều khiển mờ cơ bản gồm ba khâu chính là khâu mờ hoá, thiết bị thực hiện luật hợp thành và khâu giải mờ

Do bộ điều khiển mờ cơ bản chỉ có khả năng xử lý các giá trị tín hiệu hiện thời nên nó thuộc nhóm các bộ điều khiển mờ tĩnh Tuy vậy, để mở rộng miền ứng dụng của chúng vào các bài toán điều

các giá trị đạo hàm hay tích phân của tín

hiệu Cùng với các khâu động bổ sung này, bộ điều khiển mờ cơ bản sẽ được gọi là

bộ điều khiển mờ

3.2 Nguyên lý điều khiển mờ

Về nguyên lý, hệ thống điều khiển mờ cũng không có gì khác với các hệ thống điều khiển khác Sự khác biệt ở đây là bộ điều khiển mờ làm việc có tư duy như “bộ não” dưới dạng trí tuệ nhân tạo

Hình 2.1 Bộ điều khiển mờ cơ bản

Hình 2.2 Bộ điều khiển mờ động

Hệ thống điều khiển mờ làm việc dựa trên kinh nghiệm và phương pháp rút ra kết luận theo tư duy của con người, sau đó được cài đặt vào máy tính trên cơ sở của logic mờ

khiển mờ hình 2.3 gồm các khâu chính là:

là “các tín hiệu rõ”, nên tín hiệu ra của bộ điều khiển mờ trước khi đưa ra điều khiển

đối tượng phải qua khâu giải mờ Các tín hiệu ra y của đối tượng được đo bằng cảm biến và được xử lý sơ bộ trước khi đưa vào bộ điều khiển Các tín hiệu này cùng tín hiệu chủ đạo cũng là các “tín hiệu rõ”, do vậy để bộ điều khiển mờ hiểu được chúng

ta phải mờ hoá chúng

Hình 2.3 Mạch điều khiển với bộ điều khiển mờ