Chương 4 Tổng hợp bộ điều khiển cho ĐCMC trên cơ sở hệ
4.3 Tổng hợp bộ điều khiển PID chỉnh định tham số mờ
4.3.2 Tổng hợp bộ điều khiển PID chỉnh định tham số mờ
4.3.2.4 Mô phỏng bộ điều khiển PID chỉnh định tham số mờ
Xây dựng mô hình mô phỏng trên Simulink ta có sơ đồ mô phỏng như H- 4.23
Với cấu trúc bên trong khối Update_PID có dạng như H-4.24
H- 4.22:Quan hệ vào- ra của bộ điều khiển mờ PID_Fuzzytuning
H- 4.23:Sơ đồ mô phỏng bộ ĐK PID chỉnh định tham số mờ
Bằng phép thử sai ta tìm được các hệ số tỉ lệ có giá trị là : sfe = 6; sfde = 0.01 ; sfα = 0.2 ; sfβ = 8
Tiến hành mô phỏng bộ chỉnh định mờ PID khi không có nhiễu, khi có nhiễu tải và khi có nhiễu tác động ở đầu vào đối tượng ta được các kết quả cho ở H-4.25, H-4.26, H4.27, H4.28, H-4.29, H-4.30
H- 4.24: Cấu trúc bên trong khối Update_PID
H- 4.25: Đáp ứng quá độ bộ PID chỉnh định tham số mờ khi không có nhiễu
H- 4.26: Đáp ứng quá độ bộ PID chỉnh định tham số mờ khi tín hiệu đặt thay đổi
H- 4.27: Đáp ứng quá độ bộ PID chỉnh định tham số mờ khi có nhiễu hằng tác
động đầu vào đối tượng
NhiÔu
H- 4.28: Đáp ứng quá độ bộ PID chỉnh định tham số mờ khi có nhiễu bậc thang tác động đầu vào đối tượng
H- 4.29: Đáp ứng quá độ bộ PID chỉnh định tham số mờ khi có nhiễu tải hằng tác động
NhiÔu
Nhiễu tải
Nhận xét: Ta thấy đáp ứng bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ PID thu được khá tốt. Khi không có nhiễu tác động thì đáp ứng thu được không có độ quá điều chỉnh, thời gian quá độ tqđ = 0.015s, sai lệch tĩnh st = 0. Khi tín hiệu đặt thay đổi thì tín hiệu ra luôn bám theo tín hiệu đặt. Khi có nhiễu tác động vào đầu vào đối tượng và khi có nhiễu tải tác động thì tín hiệu ra luôn bám theo tín hiệu đặt và hầu như không chịu ảnh hưởng của nhiễu. Như vậy bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ PID có khả năng kháng nhiễu cao và đáp ứng được yêu cầu thiết kế đề ra.
Nhằm chứng minh những kết luận trên ta tiến hành mô phỏng và so sánh đáp ứng đầu ra của bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ PID với các bộ điều khiển mờ tĩnh, mờ
động và các bộ điều khiển truyền thống đã thiết kế ở chương 2 4.3.3 So sánh chất lượng 3 bộ điều khiển mờ
Sơ đồ Simulink so sánh chất lượng các bộ điều khiển mờ cho ở H-31
H- 4.30: Đáp ứng quá độ bộ PID chỉnh định tham số mờ khi có nhiễu tải hình Sin tác động
Tiến hành mô phỏng các bộ đièu khiển mờ khi không có nhiễu và khi có nhiễu tác
động ta được kết quả cho ở các hình H-3.32, H-3.33, H-3.34, H-3.35, H-3.36, H-3.37 H-4.31: So sánh chất lượng các bộ điều khiển mờ
H-4.32: Đáp ứng quá độ của các bộ ĐK mờ khi không có nhiễu tác động
PD_Fuzzy P_Fuzzy
PID_Fuzzytuning
H-4.33: Đáp ứng quá độ của các bộ ĐK mờ khi tín hiệu đặt thay đổi
H-4.34: Đáp ứng quá độ của các bộ ĐK mờ khi nhiễu hằng tác động đầu vào đối tượng
PD_Fuzzy PID_Fuzzytuning
PD_Fuzzy P_Fuzzy PID_Fuzzytuning
NhiÔu
Nhận xét: Qua các kết quả mô phỏng , ta thấy khi không có nhiễu tác động thì bộ
điều khiển mờ tĩnh P_Fuzzy cho chất lượng kém nhất với độ quá điều chỉnh σmax = 8%, tqđ = 0.03s, st = 2%, bộ điều khiển mờ động PD_Fuzzy cho chất lượng tốt hơn bộ điều
khiển mờ tĩnh với các chỉ tiêu đạt được là σmax = 0, tqđ = 0.03s , st = 0%. Bộ điều khiển PID_Fuzzytuning cho chất lượng tốt nhất với σmax = 0, tqđ = 0.015s, st = 0. Khi tín hiệu
đặt thay đổi thì đáp ứng quá độ các bộ điều khiển mờ đều bám theo tín hiệu đặt nhưng bộ P_Fuzzy cho chất lượng kém nhất , bộ PID_Fuzzytuning cho chất lượng tốt nhất.
Khi có nhiễu tác động đầu vào đối tượng và khi có nhiễu tải tác động thì đáp ứng đầu ra của các bộ điều khiển mờ rất tốt và gần như không bị ảnh hưởng bới nhiễu. Như vậy các bộ điều khiển mờ vừa thiết kế có khả năng kháng nhiễu cao. Bảng 4.4 tổng kết chất lượng các bộ điều khiển mờ khi không có nhiễu tác động
H-4.35: Đáp ứng quá độ của các bộ ĐK mờ khi nhiễu tải hình Sin tác động
PD_Fuzzy
P_Fuzzy PID_Fuzzytuning
Nhiễu tải
PID_Fuzzytuning 0 0.015 0
4.3.4 So sánh chất lượng bộ chỉnh định PID mờ và các bộ ĐK truyền thống Sơ đồ mô phỏng trên Simulink so sánh các phương pháp điều khiển được cho ở H- 4.36
H- 4.36: So sánh chất lượng bộ ĐK chỉnh định PID mờ và các bộ ĐK truyÒn thèng
Tiến hành mô phỏng và so sánh chất lượng bộ chỉnh định mờ PID với các phương pháp khác khi không có nhiễu tác động và khi có nhiễu tác động ta được kết quả mô
phỏng ở các H-4.37, H-4.38, H-4.39, H-4.40, H-4.41, H-4.42, H-4.43
Từ kết quả H-4.37 ta thấy khi không có nhiễu tác động thì đáp ứng quá độ bộ điều khiển PID là kém nhất với độ quá điều chỉnh σmax = 12%, thời gian quá độ tqđ = 0.04s, sai lệch tĩnh st = 0%. Đáp ứng quá độ bộ điều khiển gán điểm cực có thời gian quá độ tqđ = 0.06s ,độ quá điều chỉnh bé hơn σmax = 3%, st = 0%. Đáp ứng bộ điều khiển LQR có chất lượng tốt hơn bộ gán điểm cực với σmax = 0%, tqđ = 0.04s, st = 0%. Đáp ứng bộ
điều khiển PID_Fuzzytuning có chất lượng tốt nhất với σmax = 0%, tqđ = 0.015s, st = 0%.
Bảng tống kết so sánh chất lượng bộ điều khiển PID chỉnh định tham số mờ với các bộ
điều khiển truyền thống khi không có nhiễu tác động được cho ở bảng 4.5
H- 4.37: Đáp ứng quá độ các bộ ĐK khi không có nhiễu tác động
PID
PID_Fuzzytuning LQR
Ploe_place
Pole_Place 3 0.06 0
LQR 0 0.04 0
PID_Fuzzytuning 0 0.015 0
H-4.38 là kết quả mô phỏng các bộ ĐK khi tín hiệu đặt thay đổi. Từ H-4.38 ta thấy khi tín hiệu đặt thay đổi thì đáp ứng đầu ra các bộ điều khiển đều bám theo tín hiệu đặt nhưng chất lượng các bộ điều khiển khác nhau thể hiện ở thời gian quá độ và độ quá
điều chỉnh. Bộ điều khiển PID có σmax = 2%, tqđ = 0.04s. Bộ điều khiển gán điểm cực có σmax = 1.6%, tq® = 0.06s. Bé ®iÒu khiÓn LQR cã σmax = 0%, tq® = 0.04s. Bé ®iÒu khiÓn PID_Fuzzytuning có σmax = 0%, tqđ = 0.015s. Như vậy khi tín hiệu đặt thay đổi bộ điều khiển PID_Fuzzy có chất lượng tốt nhất
H- 4.38: Đáp ứng quá độ các bộ điều khiển khi tín hiệu đặt thay đổi
PID
LQR Pole_Place PID_Fuzzytuning
H-4.39 là kết quả mô phỏng khi có nhiễu hằng tác động đầu vào đối tượng tại thời
điểm t =0.1s. Từ H-4.25 ta thấy bộ ĐK gán điểm cực cho chất lượng kém nhất, phản ứng mạnh nhất với nhiễu, thời gian bù nhiễu khoảng 0.04s, bộ ĐK tối ưu LQR cho chất lượng tốt hơn bộ ĐK gán điểm cực với thời gian bù nhiễu là 0.03s, bộ điều khiển PID cho chất lượng tốt hơn bộ ĐK tối ưu LQR phản ứng với nhiễu ít hơn và thời gian bù nhiễu là 0.03s, bộ ĐK PID_Fuzzytuning cho chất lượng tốt nhất và không bị ảnh hưởng của nhiễu.
H-4.39: Đáp ứng quá độ các bộ ĐK khi có nhiễu hằng tác động đầu vào
đối tượng
PID
Pole_Place LQR PID_Fuzzytuning
NhiÔu
H-4-40 là đáp ứng quá độ các bộ ĐK khi có nhiễu bậc thang tác động đầu vào đối tượng. Qua phân tích ta thấy bộ ĐK gán điểm cực cho chất lượng kém nhất với thời gian bù nhiễu là 0.04s, bộ điều khiển LQR cho chất lượng tốt hơn bộ điều khiển gán
điểm cực với thời gian bù nhiễu khoảng 0.03s, bộ điều khiển PID cho chất lượng tốt hơn với thời gian bù nhiễu khoảng 0.03s, bộ ĐK PID_fuzzytuning cho chất lượng tốt nhất và không bị ảnh hưởng bởi nhiễu.
H-4.40: Đáp ứng quá độ các bộ ĐK khi có nhiễu bậc thang tác động đầu vào đối tượng
NhiÔu
H-4.41 là đáp ứng quá độ các bộ ĐK khi có nhiễu tải hằng tác động tại thời điểm t= 0.1s. Từ kết quả trên ta thấy khi có nhiễu tải hằng tác động thì bộ bộ điều khiển gán
điểm cực cho chất lượng kém nhất và phản ứng mạnh nhất với nhiễu tải.Bộ điều khiển PID cho chất lượng điều khiển tốt hơn so với bộ điều khiển LQR và bộ điều khiển gán
điểm cực. Bộ ĐK PID_Fuzzytuning cho kết quả tốt nhất và không bị ảnh hưởng của nhiễu tải, tốc độ động cơ luôn bám theo tốc độ đặt.
H-4.41: Đáp ứng quá độ các bộ ĐK khi có nhiễu tải hằng tác động
H-4.42: Đáp ứng quá độ các bộ ĐK khi có nhiễu tải hình Sin tác động
Nhiễu tải PID
Pole_Place LQR PID_Fuzzytuning
Nhiễu tải PID Pole_Place LQR
PID_Fuzzytuning
H-4.43 là đáp ứng đầu ra các bộ điều khiển khi có nhiễu hằng tác động đầu vào đối tượng và nhiễu tải hình Sin tác động. Kết quả trên cho thấy bộ điều khiển
PID_Fuzzytuning cho chất lượng tốt nhất và không chịu ảnh hưởng bởi nhiễu tác động.
Tốc độ động cơ luôn bám theo tốc độ đặt. Như vậy bộ chỉnh định mờ PID đã đáp ứng
được yêu cầu thiết kế đặt ra ban đầu
H-4.43: Đáp ứng quá độ các bộ điều khiển khi có nhiễu hằng tác động
đầu vào và nhiễu tải hình Sin tác động
Nhiễu tải Nhiễu đầu vào
PID Pole_Place
PID_Fuzzytuning
LQR
KÕt luËn
Sau sáu tháng thực tập và làm luận văn, đến nay bản luận văn với đề tài “ ứng dụng Logic mờ điều khiển tốc độ động cơ một chiều “đã hoàn thành. Các kết quả và vấn đề
đã giải quyết trong luận văn bao gồm:
- Tìm hiểu các phương pháp thiết kế bộ điều khiển truyền thống áp dụng cho động cơ một chiều
- Tìm hiểu về cơ sở lý thuyết hệ mờ và thủ tục thiết kế bộ điều khiển mờ - Thiết kế bộ điều khiển mờ tĩnh cho động cơ một chiều
- Thiết kế bộ điều khiển mờ động cho động cơ một chiều
- Thiết kế bộ điều khiển PID chỉnh định tham số mờ cho động cơ một chiều
- So sánh chất lượng điều khiển 3 bộ điều khiển mờ và kết quả thu được là bộ điều khiển mờ tĩnh cho chất lượng kém nhất, bộ điều khiển PID chỉnh định tham số mờ cho chất lượng tốt nhất
- So sánh chất lượng bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ PID với các phương pháp điều khiển truyền thống. Chất lượng điều khiển thu được của phương pháp PID chỉnh định tham số mờ vượt trội hơn hẳn so với các phương pháp khác.
Đối tượng động cơ một chiều chỉ là một đối tượng cụ thể nhằm minh hoạ chất lượng
điều khiển của phương pháp chỉnh định mờ tham số bộ PID. Phương pháp này có thể áp dụng rộng rãi để điều khiển các đối tượng trong công nghiệp.
nghiên cứu và thiết kế bộ điều khiển PID chỉnh định tham số mờ có ý nghĩa thiết thực.
Tuy nhiên chất lượng thuật toán chỉnh định mờ tham số bộ PID phụ thuộc rất nhiều vào việc xác định các hệ số tỉ lệ sfe, sfde, sfα, sfβ. Trong nội dung đề tài việc xác định các hệ số này được tiến hành bằng phương pháp thử – sai gây mất nhiều thời gian và không hiệu quả. Vì vậy hướng phát triển tiếp theo của đề tài có thể là:
- Thiết kế bộ điều khiển mờ chỉnh định các hệ số tỉ lệ sfe, sfde, sfα,sfβ
- Thiết kế bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển Lead-Leg, Feedfoward, cascade
- Chế tạo bộ điều khiển mờ động, PID chỉnh định tham số mờ trên nền các hệ vi ®iÒu khiÓn.
Lêi kÕt
Sau hai năm học tập và làm luận văn tốt nghiệp, được sự dạy dỗ và hướng dẫn tận tình của các thầy cô, đến nay bản luận văn của em đã hoàn thành đúng thời hạn và đúng nội dung được giao. Em xin bày tỏ lòng kính trọng và lòng biết ơn sâu sắc đối với các thầy cô trong khoa đã dạy bảo em trong thời gian vừa qua. Em xin chân thành cảm ơn cô giáo, PGS.TS. Phan Xuân Minh đã theo dõi sát sao, gợi mở các hướng nghiên cứu, tận tình hướng dẫn chỉ bảo để em hoàn thành bản luận văn này.
Đề tài về thiết kế điều khiển mờ không phải là quá mới mẻ nhưng do lượng kiến thức còn hạn chế nên trong quá trình thực hiện không tránh khỏi những sai sót. Em kính mong nhận được nhận được các ý kiến đóng góp và nhận xét quý báu của các thầy cô để bản luận văn của em được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn
Hà Nội, ngày 30 tháng 10 năm 2008 Tác giả luận văn
Trịnh Xuân Tuyên
[5] Nguyễn Phùng Quang: Matlab & Simulink
[6] Tan kiong Howe : Evaluation of the transient response of a DC motor using Matlab/simulink, 2003
[7] Springer Science-Business media.Springer.com: Introduction to Fuzzy logic using
Matlab
[8] Leonid Reznik : Fuzzy controllers , 1997 [9] Kevin M. Passino : Fuzzy control
[10] William Siler and James J. Buckley: Fuzzy expert system and Fuzzy reasoning
[11] Roland S. Burns: Advanced control Engineering
[12] Control System Toolbox- DC motor control Demo. htm
[13] Luca Zaccarien : DC motor- Dynamic model and control techniques
Bản tóm tắt luận văn Tác giả: Trịnh xuân Tuyên
Đề tài: ứng dụng logic mờ điều khiển tốc độ động cơ một chiều Chuyên ngành: Điều khiển và tự động hoá
Khoá: 2006- 2008
Động cơ điện đóng vai trò vô cùng quan trong trong công nghiệp hiện nay. Động cơ
điện được dùng để chuyển hoá năng lượng điện thành năng lượng cơ cung cấp cho các máy sản xuất. Hiện nay có nhiều loại động cơ và động cơ điện một chiều được coi là loại động cơ điện cơ bản nhất. Mặc dù động cơ điện một chiều dã được điều khiển tốt bởi các bộ điều khiển truyền thống như bộ điều khiển PID, bộ điều khiển phản hồi trạng thái... nhưng trong một số trường hợp chất lượng điều khiển bị ảnh hưởng bởi nhiễu. Để khắc phục nhược điểm này và nâng cao chất lượng điều khiển ta có thể sử dông bé ®iÒu khiÓn mê.
Bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ PID được chọn làm nội dung chính trong luận văn và đối tượng điều khiển là động cơ mộ chiều. Bộ điều khiển này là sự kết hợp giữa bộ điều khiển kinh điển PID và bộ điều khiển mờ. Bộ điều khiển PID có nhiệm vụ
điều khiển tốc độ động cơ một chiều còn bộ điêu khiển mờ dùng để chỉnh định tham số bộ PID trong khoảng thời gian quá độ và khi có nhiễu tải tác động. Do đó chất lượng bộ
điều khiển được cải thiện như giảm độ quá điều chỉnh, giảm thời gian quá độ... Điều này được kiểm nghiệm và chứng minh thông qua việc so sánh đáp ứng quá độ của bộ
điều khiển này với các bộ điều khiển truyền thống.
Mục đích chính của luận văn là cải thiện chất lượng bộ điều khiển PID thông qua việc dùng bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ PID. Hiện nay bộ điều khiển PID là bộ điều khiển được dùng rông rãi và phổ biến nhất trong công nghiệp vì cấu trúc đơn giản, dễ thiết kế, dễ sử dụng, cho chất lượng bền vững trong các điều kiện vận hành. Vì
vậy việc nghiên cứu bộ điều khiển PID chỉnh định tham só mờ là một việc làm có ý nghĩa thiết thực. Phương pháp này có thể áp dụng rộng rãi để điều khiển các đối tượng khác trong công nghiệp.