BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP.HCM
--------- oOo --------

NGUYỄN HỮU TUYỀN

ĐIỀU KHIỂN MỜ THÍCH NGHI
HỆ NÂNG VẬT TRONG TỪ TRƯỜNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

TP. HỒ CHÍ MINH 12 - 2012


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP.HCM
--------- oOo --------

NGUYỄN HỮU TUYỀN

ĐIỀU KHIỂN MỜ THÍCH NGHI
HỆ NÂNG VẬT TRONG TỪ TRƯỜNG

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
MÃ SỐ: 60520216

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. ĐỒNG VĂN HƯỚNG

TP. HỒ CHÍ MINH 12 - 2012


LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

I

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
----------------------------

LỜI CAM ĐOAN
Tôi tên : Nguyễn Hữu Tuyền
Sinh ngày: 29 - 02- 1982
Học viên lớp cao học 2007 ngành Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa –
Trường Đại Học Giao Thơng Vận Tải TP Hồ Chí Minh.
Hiện đang cơng tác tại Khoa Điện – Điện tử – Trường Cao Đẳng Nghề
Tiền Giang.
Xin cam đoan : Đề tài “Điều khiển mờ thích nghi hệ nâng vật trong từ
trường” do thầy giáo, TS. Đồng Văn Hướng hướng dẫn là cơng trình nghiên
cứu của riêng tôi. Tất cả tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng.
Tác giả xin cam đoan tất cả nội dung trong luận văn đúng như nội dung
trong đề cương và yêu cầu của thầy giáo hướng dẫn. Nếu sai tơi hồn tồn
chịu trách nhiệm trước Hội đồng khoa học và trước pháp luật

TP. Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2012

Tác giả luận văn

Nguyễn Hữu Tuyền


LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

II

LỜI CẢM ƠN
Tôi xin gởi lời cảm ơn chân thành đến:
- Trường Đại Học Giao Thơng Vận Tải Thành Phố Hồ Chí Minh, phịng
Khoa Học và Công Nghệ đã hỗ trợ tạo mọi điều kiện thuận lợi để Tơi hồn thành
tập luận văn này.
- Tồn thể quý Thầy Cô Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải Thành Phố
Hồ Chí Minh và Trường Đại Học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh đã nhiệt tình
giảng dạy Tôi trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu tại Trường Đại Học Giao
Thông Vận Tải Thành Phố Hồ Chí Minh trong các năm học qua.
- Thầy TS. Đồng Văn Hướng, người thầy đã tận tình hướng dẫn, truyền đạt,
giúp đỡ và động viên Tôi trong suốt thời gian qua để Tơi có thể hồn thành luận văn
tốt nghiệp này.
- Ban Giám Hiệu, các Thầy, Cô và quý đồng nghiệp Trường Cao Đẳng Nghề
Tiền Giang đã tạo mọi điều kiện thuận lợi và hỗ trợ cho Tôi rất nhiều trong q
trình học tập, cơng tác và trong suốt thời gian thực hiện luận văn tốt nghiệp này.
- Xin cảm ơn tất cả người thân và gia đình đã giúp đỡ và hỗ trợ Tôi trên bước
đường học tập và nghiên cứu.
Trân trọng kính chào!
TP. Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2012

Người thực hiện

Nguyễn Hữu Tuyền


LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

III

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... I
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ II
MỤC LỤC ................................................................................................................. III
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ.................................................................................... V
CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU...........................................................................................1
1.1. Đặt vấn đề ...................................................................................................1
1.2. Nội dung, mục tiêu – nhiệm vụ của đề tài .................................................2
1.2.1. Nội dung ...........................................................................................2
1.2.2. Mục tiêu – nhiệm vụ của đề tài .......................................................3
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT........................................................................4
2.1. Điều khiển trượt ..........................................................................................4
2.1.1. Điều khiển trượt bám ........................................................................4
2.1.2. Điều khiển trượt ổn định hóa ...........................................................7
2.2. Điều khiển mờ ...........................................................................................8
2.2.1. Tập mờ ..............................................................................................8
2.2.2. Hàm liên thuộc ................................................................................ 9
2.2.3. Biến ngôn ngữ ............................................................................... 10
2.2.4. Các phép tốn trên tập mờ ............................................................. 11
2.2.5. Tính chất các phép toán trên tập mờ ............................................. 13
2.2.6. Bộ điều khiển mờ .......................................................................... 14

2.3. Bộ điều khiển mờ trượt ............................................................................ 20
2.4. Điều khiển mờ thích nghi ................................................................. 23
2.4.1. Hồi tiếp tuyến tính hóa hệ phi tuyến ............................................. 23
2.4.2. Điều khiển mờ thích nghi gián tiếp ............................................... 27
2.4.3. Trình tự thiết kế bộ điều khiển IAC .............................................. 30
CHƯƠNG 3: KHẢO SÁT ĐỐI TƯỢNG ............................................................ 34
3.1. Hệ maglev ................................................................................................ 34
3.2. Phương trình mơ tả hệ thống.................................................................... 34


LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

IV

CHƯƠNG 4: ĐIỀU KHIỂN VÀ MÔ PHỎNG HỆ NÂNG VẬT TRONG TỪ
TRƯỜNG ....................................................................................... 37
4.1. Ổn định hóa hệ thống bằng phương pháp điều khiển trượt ..................... 37
4.1.1. Mặt trượt và tín hiệu điều khiển .................................................... 37
4.1.2. Mô phỏng hệ thống điều khiển trượt ............................................. 39
4.2. Ổn định hóa hệ thống bằng phương pháp điều khiển trượt ..................... 61
4.2.1. Thay thế hàm Sign bằng khâu xử lí mờ ........................................ 61
4.2.2. Mơ phỏng hệ thống mờ trượt......................................................... 62
4.3. Ổn định hóa hệ thống bằng phương pháp mờ thích nghi ........................ 83
4.3.1. Xây dựng bộ điều khiển mờ thích nghi gián tiếp .......................... 83
4.3.2. Mơ phỏng hệ thống điều khiển mờ thích nghi .............................. 86
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN .................................................................................. 108
5.1. Đánh giá kết quả .................................................................................... 108
5.2. Kết luận .................................................................................................. 109
5.3. Hướng phát triển đề tài .......................................................................... 110
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 110



LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

V

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Xe điện chạy trên đệm từ trường ................................................................ 1
Hình 1.2 Giữ phi thuyền con thoi............................................................................... 2
Hình 2.1 Hàm signum ................................................................................................ 6
Hình 2.2 Hàm saturation ............................................................................................ 6
Hình 2.3 Hàm tanh ..................................................................................................... 7
Hình 2.4 Miền tin cậy, miền xác định, biên và độ cao của tập mờ ............................ 9
Hình 2.5 Các dạng hàm liên thuộc cơ bản ............................................................... 10
Hình 2.6 Biến ngơn ngữ ........................................................................................... 11
Hình 2.7 Giao của hai tập mờ .................................................................................. 11
Hình 2.8 Hợp của hai tập mờ ................................................................................... 12
Hình 2.9 Bù của hai tập mờ..................................................................................... 13
Hình 2.10 Sơ đồ khối bộ điều khiển mờ .................................................................. 14
Hình 2.11 Bộ điều khiển mờ dạng MISO ............................................................... 15
Hình 2.12 Phương pháp giải mờ theo độ cao .......................................................... 15
Hình 2.13 Phương pháp giải mờ trung bình cực đại ................................................ 16
Hình 2.14 Phương pháp giải mờ cận trái/phải cực đại ............................................. 17
Hình 2.15 Phương pháp giải mờ trọng tâm .............................................................. 17
Hình 2.16 Phương pháp giải mờ trung bình trọng số............................................... 18
Hình 2.17 Phương pháp giải mờ trọng tâm của tổng ............................................... 18
Hình 2.18 Nguyên lý điều khiển mờ ........................................................................ 19
Hình 2.19 Bộ điều khiển trượt 2 ngõ vào ................................................................. 21
Hình 2.20 Bộ điều khiển trượt 3 ngõ vào ................................................................. 21
Hình 2.21 Dạng hàm thuộc Gausian ........................................................................ 23

Hình 2.22 Hệ thống điều khiển mờ thích nghi ......................................................... 32
Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ nâng vật từ trường .............................................................. 34
Hình 3.2 Hệ nâng vật từ trường ............................................................................... 35
Hình 4.1 Sơ đồ simulink điều khiển trượt hệ thống nâng vật từ trường .................. 40


LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

VI

Hình 4.2 Sơ đồ simulink bộ điều khiển trượt ........................................................... 40
Hình 4.3 Sơ đồ simulink khối Sign .......................................................................... 41
Hình 4.4 Sơ đồ simulink hàm f(x)............................................................................ 41
Hình 4.5 Sơ đồ simulink hàm g(x) ........................................................................... 41
Hình 4.6 Sơ đồ simulink khối hệ nâng vật trong từ trường ..................................... 42
Hình 4.7 Vị trí của viên bi khi tín hiệu đặt là hằng số ............................................. 42
Hình 4.8 Điện áp điều khiển khi tín hiệu đặt là hằng số .......................................... 43
Hình 4.9 Mặt trượt S khi tín hiệu đặt là hằng số ...................................................... 43
Hình 4.10 Vị trí của viên bi khi tín hiệu đặt thay đổi .............................................. 44
Hình 4.11 Điện áp điều khiển khi tín hiệu đặt thay đổi ........................................... 44
Hình 4.12 Mặt trượt S khi tín hiệu đặt thay đổi ....................................................... 44
Hình 4.13 Vị trí của viên bi khi khối lượng hịn bi tăng 10%.................................. 45
Hình 4.14 Điện áp điều khiển khi khối lượng hòn bi tăng 10% .............................. 45
Hình 4.15 Mặt trượt S khi khối lượng hịn bi tăng 10% .......................................... 46
Hình 4.16 Vị trí của viên bi khi khối lượng hịn bi tăng 20%.................................. 46
Hình 4.17 Điện áp điều khiển khi khối lượng hòn bi tăng 20% .............................. 46
Hình 4.18 Mặt trượt S khi khối lượng hịn bi tăng 20% .......................................... 47
Hình 4.19 Vị trí của viên bi khi khối lượng hịn bi tăng 30%.................................. 47
Hình 4.20 Điện áp điều khiển khi khối lượng hòn bi tăng 30% .............................. 47
Hình 4.21 Mặt trượt S khi khối lượng hịn bi tăng 30% .......................................... 48

Hình 4.22 Vị trí của viên bi khi khối lượng hòn bi giảm 10% ................................ 48
Hình 4.23 Điện áp điều khiển khi khối lượng hịn bi giảm 10% ............................. 48
Hình 4.24 Mặt trượt S khi khối lượng hịn bi giảm 10% ......................................... 49
Hình 4.25 Vị trí của viên bi khi khối lượng hịn bi giảm 20% ................................ 49
Hình 4.26 Điện áp điều khiển khi khối lượng hịn bi giảm 20% ............................. 49
Hình 4.27 Mặt trượt S khi khối lượng hịn bi giảm 20% ......................................... 50
Hình 4.28 Vị trí của viên bi khi khối lượng hịn bi giảm 30% ................................ 50
Hình 4.29 Điện áp điều khiển khi khối lượng hịn bi giảm 30% ............................. 50
Hình 4.30 Mặt trượt S khi khối lượng hòn bi giảm 30% ......................................... 51


LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

VII

Hình 4.31 Vị trí của viên bi khi điện trở cuộn dây tăng 10% .................................. 51
Hình 4.32 Điện áp điều khiển khi điện trở cuộn dây tăng 10% ............................... 52
Hình 4.33 Mặt trượt S khi điện trở cuộn dây tăng 10% ........................................... 52
Hình 4.34 Vị trí của viên bi khi điện trở cuộn dây tăng 20% .................................. 52
Hình 4.35 Điện áp điều khiển khi điện trở cuộn dây tăng 20% ............................... 53
Hình 4.36 Mặt trượt S khi điện trở cuộn dây tăng 20% ........................................... 53
Hình 4.37 Vị trí của viên bi khi điện trở cuộn dây tăng 30% .................................. 53
Hình 4.38 Điện áp điều khiển khi điện trở cuộn dây tăng 30% ............................... 54
Hình 4.39 Mặt trượt S khi điện trở cuộn dây tăng 30% ........................................... 54
Hình 4.40 Vị trí của viên bi khi điện trở cuộn dây giảm 10% ................................. 54
Hình 4.41 Điện áp điều khiển khi điện trở cuộn dây giảm 10% .............................. 55
Hình 4.42 Mặt trượt S khi điện trở cuộn dây giảm 10% .......................................... 55
Hình 4.43 Vị trí của viên bi khi điện trở cuộn dây giảm 20% ................................. 55
Hình 4.44 Điện áp điều khiển khi điện trở cuộn dây giảm 20% .............................. 56
Hình 4.45 Mặt trượt S khi điện trở cuộn dây giảm 20% .......................................... 56

Hình 4.46 Vị trí của viên bi khi điện trở cuộn dây giảm 30% ................................. 56
Hình 4.47 Điện áp điều khiển khi điện trở cuộn dây giảm 30% .............................. 57
Hình 4.48 Mặt trượt S khi điện trở cuộn dây giảm 30% .......................................... 57
Hình 4.49 Vị trí của viên bi khi nhiễu có biên độ 0.001 .......................................... 58
Hình 4.50 Điện áp điều khiển khi nhiễu có biên độ 0.001 ....................................... 58
Hình 4.51 Mặt trượt S khi nhiễu có biên độ 0.001 .................................................. 58
Hình 4.52 Vị trí của viên bi khi nhiễu có biên độ 0.005 .......................................... 59
Hình 4.53 Điện áp điều khiển khi nhiễu có biên độ 0.005 ....................................... 59
Hình 4.54 Mặt trượt S khi nhiễu có biên độ 0.005 .................................................. 59
Hình 4.55 Vị trí của viên bi khi nhiễu có biên độ 0.01 ............................................ 60
Hình 4.56 Điện áp điều khiển khi nhiễu có biên độ 0.01 ......................................... 60
Hình 4.57 Mặt trượt S khi nhiễu có biên độ 0.01 .................................................... 60
Hình 4.58 Mờ hố mặt trượt S với 7 hàm thuộc dạng Gauss................................... 61
Hình 4.59 Sơ đồ Simulink điều khiển mờ trượt hệ nâng vật từ trường ................... 63


LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

VIII

Hình 4.60 Sơ đồ Simulink khối điều khiển mờ trượt .............................................. 63
Hình 4.61 Sơ đồ Simulink mặt trượt ........................................................................ 64
Hình 4.62 Sơ đồ Simulink khối mờ cho mặt trượt ................................................... 64
Hình 4.63 Vị trí của viên bi khi tín hiệu đặt là hằng số ........................................... 65
Hình 4.64 Điện áp điều khiển khi tín hiệu đặt là hằng số ........................................ 65
Hình 4.65 Mặt trượt S khi tín hiệu đặt là hằng số .................................................... 65
Hình 4.66 Vị trí của viên bi khi tín hiệu đặt thay đổi .............................................. 66
Hình 4.67 Điện áp điều khiển khi tín hiệu đặt thay đổi ........................................... 66
Hình 4.68 Mặt trượt S khi tín hiệu đặt thay đổi ....................................................... 67
Hình 4.69 Vị trí của viên bi khi khối lượng hòn bi tăng 10%.................................. 67

Hình 4.70 Điện áp điều khiển khi khối lượng hịn bi tăng 10% .............................. 68
Hình 4.71 Mặt trượt S khi khối lượng hịn bi tăng 10% .......................................... 68
Hình 4.72 Vị trí của viên bi khi khối lượng hịn bi tăng 20%.................................. 68
Hình 4.73 Điện áp điều khiển khi khối lượng hịn bi tăng 20% .............................. 69
Hình 4.74 Mặt trượt S khi khối lượng hịn bi tăng 20% .......................................... 69
Hình 4.75 Vị trí của viên bi khi khối lượng hịn bi tăng 30%.................................. 69
Hình 4.76 Điện áp điều khiển khi khối lượng hịn bi tăng 30% .............................. 70
Hình 4.77 Mặt trượt S khi khối lượng hịn bi tăng 30% .......................................... 70
Hình 4.78 Vị trí của viên bi khi khối lượng hịn bi giảm 10% ................................ 70
Hình 4.79 Điện áp điều khiển khi khối lượng hịn bi giảm 10% ............................. 71
Hình 4.80 Mặt trượt S khi khối lượng hòn bi giảm 10% ......................................... 71
Hình 4.81 Vị trí của viên bi khi khối lượng hịn bi giảm 20% ................................ 71
Hình 4.82 Điện áp điều khiển khi khối lượng hòn bi giảm 20% ............................. 72
Hình 4.83 Mặt trượt S khi khối lượng hịn bi giảm 20% ......................................... 72
Hình 4.84 Vị trí của viên bi khi khối lượng hịn bi giảm 30% ................................ 72
Hình 4.85 Điện áp điều khiển khi khối lượng hòn bi giảm 30% ............................. 73
Hình 4.86 Mặt trượt S khi khối lượng hịn bi giảm 30% ......................................... 73
Hình 4.87 Vị trí của viên bi khi điện trở cuộn dây tăng 10% .................................. 74
Hình 4.88 Điện áp điều khiển khi điện trở cuộn dây tăng 10% ............................... 74


LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

IX

Hình 4.89 Mặt trượt S khi điện trở cuộn dây tăng 10% ........................................... 74
Hình 4.90 Vị trí của viên bi khi điện trở cuộn dây tăng 20% .................................. 75
Hình 4.91 Điện áp điều khiển khi điện trở cuộn dây tăng 20% ............................... 75
Hình 4.92 Mặt trượt S khi điện trở cuộn dây tăng 20% ........................................... 75
Hình 4.93 Vị trí của viên bi khi điện trở cuộn dây tăng 30% .................................. 76

Hình 4.94 Điện áp điều khiển khi điện trở cuộn dây tăng 30% ............................... 76
Hình 4.95 Mặt trượt S khi điện trở cuộn dây tăng 30% ........................................... 76
Hình 4.96 Vị trí của viên bi khi điện trở cuộn dây giảm 10% ................................. 77
Hình 4.97 Điện áp điều khiển khi điện trở cuộn dây giảm 10% .............................. 77
Hình 4.98 Mặt trượt S khi điện trở cuộn dây giảm 10% .......................................... 77
Hình 4.99 Vị trí của viên bi khi điện trở cuộn dây giảm 20% ................................. 78
Hình 4.100 Điện áp điều khiển khi điện trở cuộn dây giảm 20% ............................ 78
Hình 4.101 Mặt trượt S khi điện trở cuộn dây giảm 20% ........................................ 78
Hình 4.102 Vị trí của viên bi khi điện trở cuộn dây giảm 30% ............................... 79
Hình 4.103 Điện áp điều khiển khi điện trở cuộn dây giảm 30% ............................ 79
Hình 4.104 Mặt trượt S khi điện trở cuộn dây giảm 30% ........................................ 79
Hình 4.105 Vị trí của viên bi khi nhiễu có biên độ 0.001 ........................................ 80
Hình 4.106 Điện áp điều khiển khi nhiễu có biên độ 0.001 ..................................... 80
Hình 4.107 Mặt trượt S khi nhiễu có biên độ 0.001 ................................................ 81
Hình 4.108 Vị trí của viên bi khi nhiễu có biên độ 0.005 ........................................ 81
Hình 4.109 Điện áp điều khiển khi nhiễu có biên độ 0.005 ..................................... 81
Hình 4.110 Mặt trượt S khi nhiễu có biên độ 0.005 ................................................ 82
Hình 4.111 Vị trí của viên bi khi nhiễu có biên độ 0.01 .......................................... 82
Hình 4.112 Điện áp điều khiển khi nhiễu có biên độ 0.01 ....................................... 82
Hình 4.113 Mặt trượt S khi nhiễu có biên độ 0.01 .................................................. 83
Hình 4.114 Hàm liên thuộc của các biến trạng thái x1 và x3 .................................... 85
Hình 4.115 Sơ đồ simulink mô phỏng bộ điều khiển mờ thích nghi gián tiếp ........ 86
Hình 4.116 Sơ đồ simulink bộ điều khiển thích nghi gián tiếp ............................... 87
Hình 4.117 Thành phần điều khiển chế độ trượt...................................................... 87


LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

X


Hình 4.118 Mệnh đề điều kiện mờ ........................................................................... 88
Hình 4.119 Khối tính sai số ngõ ra và sai số bám .................................................... 88
Hình 4.120 Vị trí của viên bi khi tín hiệu đặt là hằng số ........................................ 89
Hình 4.121 Dịng điện điều khiển khi tín hiệu đặt là hằng số .................................. 89
Hình 4.122 Điện áp điều khiển khi tín hiệu đặt là hằng số ...................................... 89
Hình 4.123 Vị trí của viên bi khi tín hiệu đặt thay đổi ............................................ 90
Hình 4.124 Dịng điện điều khiển khi tín hiệu đặt thay đổi ..................................... 90
Hình 4.125 Điện áp điều khiển khi tín hiệu đặt thay đổi ......................................... 91
Hình 4.126 Vị trí của viên bi khi khối lượng hịn bi tăng 10%................................ 91
Hình 4.127 Dịng điện điều khiển khi khối lượng hịn bi tăng 10% ........................ 92
Hình 4.128 Điện áp điều khiển khi khối lượng hòn bi tăng 10% ............................ 92
Hình 4.129 Vị trí của viên bi khi khối lượng hịn bi tăng 20%................................ 92
Hình 4.130 Dịng điện điều khiển khi khối lượng hịn bi tăng 20% ........................ 93
Hình 4.131 Điện áp điều khiển khi khối lượng hòn bi tăng 20% ............................ 93
Hình 4.132 Vị trí của viên bi khi khối lượng hịn bi tăng 30%................................ 93
Hình 4.133 Dịng điện điều khiển khi khối lượng hòn bi tăng 30% ........................ 94
Hình 4.134 Điện áp điều khiển khi khối lượng hịn bi tăng 30% ............................ 94
Hình 4.135 Vị trí của viên bi khi khối lượng hòn bi giảm 10% .............................. 94
Hinh 4.136 Dòng điện điều khiển khi khối lượng hòn bi giảm 10% ....................... 95
Hình 4.137 Điện áp điều khiển khi khối lượng hịn bi giảm 10% ........................... 95
Hình 4.138 Vị trí của viên bi khi khối lượng hịn bi giảm 20% .............................. 95
Hình 4.139 Dịng điện điều khiển khi khối lượng hịn bi giảm 20% ....................... 96
Hình 4.140 Điện áp điều khiển khi khối lượng hòn bi giảm 20% ........................... 96
Hình 4.141 Vị trí của viên bi khi khối lượng hịn bi giảm 30% .............................. 96
Hình 4.142 Dịng điện điều khiển khi khối lượng hòn bi giảm 30% ....................... 97
Hình 4.143 Điện áp điều khiển khi khối lượng hịn bi giảm 30% ........................... 97
Hình 4.144 Vị trí của viên bi khi điện trở cuộn dây tăng 10% ................................ 98
Hình 4.145 Dòng điện điều khiển khi điện trở cuộn dây tăng 10% ......................... 98
Hình 4.146 Điện áp điều khiển khi điện trở cuộn dây tăng 10% ............................. 98



LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

XI

Hình 4.147 Vị trí của viên bi khi điện trở cuộn dây tăng 20% ................................ 99
Hình 4.148 Dịng điện điều khiển khi điện trở cuộn dây tăng 20% ......................... 99
Hình 4.149 Điện áp điều khiển khi điện trở cuộn dây tăng 20% ............................. 99
Hình 4.150 Vị trí của viên bi khi điện trở cuộn dây tăng 30% .............................. 100
Hình 4.151 Dịng điện điều khiển khi điện trở cuộn dây tăng 30% ....................... 100
Hình 4.152 Điện áp điều khiển khi điện trở cuộn dây tăng 30% ........................... 100
Hình 4.153 Vị trí của viên bi khi điện trở cuộn dây giảm 10% ............................. 101
Hình 4.154 Dịng điện điều khiển khi điện trở cuộn dây giảm 10%...................... 101
Hình 4.155 Điện áp điều khiển khi điện trở cuộn dây giảm 10% .......................... 101
Hình 4.156 Vị trí của viên bi khi điện trở cuộn dây giảm 20% ............................. 102
Hình 4.157 Dòng điện điều khiển khi điện trở cuộn dây giảm 20%...................... 102
Hình 4.158 Điện áp điều khiển khi điện trở cuộn dây giảm 20% .......................... 102
Hình 4.159 Vị trí của viên bi khi điện trở cuộn dây giảm 30% ............................. 103
Hình 4.160 Dịng điện điều khiển khi điện trở cuộn dây giảm 30%...................... 103
Hình 4.161 Điện áp điều khiển khi điện trở cuộn dây giảm 30% .......................... 103
Hình 4.162 Vị trí của viên bi khi nhiễu có biên độ 0.001 ...................................... 104
Hình 4.163 Dịng điện điều khiển khi nhiễu có biên độ 0.001 .............................. 104
Hình 4.164 Điện áp điều khiển khi nhiễu có biên độ 0.001 ................................... 105
Hình 4.165 Vị trí của viên bi khi nhiễu có biên độ 0.005 ...................................... 105
Hình 4.166 Dịng điện điều khiển khi nhiễu có biên độ 0.005 .............................. 105
Hình 4.167 Điện áp điều khiển khi nhiễu có biên độ 0.005 ................................... 106
Hình 4.168 Vị trí của viên bi khi nhiễu có biên độ 0.01 ........................................ 106
Hình 4.169 Dịng điện điều khiển khi nhiễu có biên độ 0.01 ................................ 106
Hình 4.170 Điện áp điều khiển khi nhiễu có biên độ 0.01 ..................................... 107



LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

1

Chương 1: MỞ ĐẦU
1.1. Đặt vấn đề
Những năm đầu của thập niên 70 của thế kỉ 20, một ngành điều khiển học kỹ
thuật mới được phát triển rất mạnh mẽ và đem lại nhiều thành tựu bất ngờ trong lĩnh
vực điều khiển đó là điều khiển thích nghi. Đặc điểm nổi bậc của điều khiển thích
nghi là có thể giải quyết các vấn đề mà điều khiển cổ điển khơng thể thực hiện được
đó là đảm bảo tính ổn định của hệ thống phi tuyến. Tuy nhiên trong nhiều ứng dụng
trong thực tế nhằm để tăng cường tính bền vững chất lượng điều khiển của hệ thống
khi có sự hiện diện của các yếu tố bất định hoặc biến đổi không biết trước trong
thông số hệ thống người ta sẽ sử dụng thêm mơ hình mờ để nhận dạng trực tuyến
các thông số bất biến. Sau đó tính tốn luật điều khiển tuyến tính hố theo nguyên
lý chắc chắn tương đương để đảm bảo chất lượng bộ điều khiển.
Việc nghiên cứu và sử dụng bộ điều khiển mờ thích nghi điều khiển hệ thống
nâng vật trong từ trường là một lĩnh vực quan trọng và cần thiết trong cuộc sống, do
có rất nhiều ứng dụng trong thực tế như:
- Xe điện chạy trên đệm từ trường với tốc độ và khối lượng chuyên chở hàng
hoá cao

Hình 1.1. Xe điện chạy trên đệm từ trường


LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

2


- Giữ ổn định cho phi thuyền con thoi:

Hình 1.2. Giữ phi thuyền con thoi
Chính vì thế mà luận văn: ‘Điều khiển Mờ Thích Nghi hệ nâng vật trong từ
trường’ được thực hiện để xác nhận những ưu điểm của bộ điều khiển mờ thích
nghi.
1.2. Nội dung, mục tiêu – nhiệm vụ của đề tài
1.2.1. Nội dung: nội dung của luận văn được trình bày trong 5 chương như sau:
 Chương 1: Mở đầu
Giới thiệu sơ lược về đề tài nghiên cứu thực hiện và đề ra nội dung, mục tiêu –
nhiệm vụ của đề tài.
 Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Trình bày nội dung các vấn đề cơ bản về điều khiển trượt, mờ trượt và điều
khiển mờ thích nghi và các cơ sở lý thuyết liên quan để thực hiện đề tài.


LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

3

 Chương 3: Khảo sát đối tượng
Trình bày về sơ đồ khối và phương trình tốn học mơ tả hệ thống.
 Chương 4: Điều khiển và mơ phỏng hệ nâng vật trong từ trường
Trình bày các phương pháp điều khiển và ổn định hoá hệ thống bằng các bộ
điều khiển trượt, mờ trượt và điều khiển mờ thích nghi. Từ đó so sánh kết quả của
các phương pháp điều khiển này với nhau.
 Chương 5: Kết luận và hướng phát triển đề tài
Đưa ra những kết luận, đánh giá và các ý kiến đề nghị cho hướng nghiên cứu
phát triển đề tài.
 Phụ lục: Liệt kê các tài liệu nghiên cứu liên quan để thực hiện luận văn.

1.2.2. Mục tiêu – nhiệm vụ của đề tài
 Nghiên cứu lý thuyết điều khiển trượt, mờ, mờ trượt, điều khiển mờ thích
nghi.
 Tìm hiểu mơ hình hệ nâng vật trong từ trường (Magnetic Levitation).
 Xây dựng sơ đồ Simulink để mô phỏng hệ nâng vật trong từ trường bằng bộ
điều khiển trượt, mờ trượt và điều khiển mờ thích nghi. Xét các yếu tố ảnh hưởng
đến chất lượng hệ thống như khối lượng viên bi, tín hiệu đặt và điện trở cuộn dây
thay đổi, ảnh hưởng của nhiễu. Từ đó đánh giá kết quả mơ phỏng của 3 phương
pháp điều khiển này.


LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

4

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 . Điều khiển trượt
2.1.1 . Điều khiển trượt bám
Đối tượng điều khiển: xét hệ thống phi tuyến biểu diễn bởi phương trình vi
phân (2.1):
&&
& y(n 1) )  g(y, y,
&&
& y(n 1) )u
y(n)  f (y, y,
y,...,
y,...,

(2.1)


&x 3  &
& x n  y(n 1)
Đặt: x1  y, x 2  y,
y,...,

(2.2)

Ta được biểu diễn trạng thái như (2.3):
 x&1  x 2
 x&  x
3
 2
M
 x&  x
n
 n 1
 x&n  f (x)  g(x)u

(2.3)

y  x1

Xác định tín hiệu điều khiển u sao cho tín hiệu ra y bám theo tín hiệu đặt r.
Mặt trượt: Định nghĩa tín hiệu sai lệch như (2.4):

và hàm S

e=y–r

(2.4)


S  e(n 1)  a n 2e(n 2)  ...  a1e& a 0e

(2.5)

Trong đó: a0, a1, …, an-3, an-2 là các hệ số được chọn trước sao cho đa thức đặc
trưng của phương trình vi phân (2.6) sau Hurwitz (có tất cả các nghiệm với phần
thực âm).
e(n 1)  a n 2e(n 2)  ...  a1e& a 0e  0

(2.6)

Khi đó nếu S = 0 thì sai lệch e  0khi t  
Thay (2.4) và (2.2) vào (2.5), ta được (2.7):
S  x n  a n 2 x n 1  ...  a1x 2  a 0 x1  (r (n 1)  a n 2 r (n 2)  ...  a1r& a 0 r)

(2.7)

Phương trình S = 0 xác định một mặt trong không gian n chiều gọi là mặt trượt
(sliding surface).


LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

5

Vấn đề: xác định luật điều khiển u để đưa các quỹ đạo pha của hệ thống về mặt
trượt và duy trì trên mặt trượt một cách bền vững đối với các biến động của f(x) và
g(x).
Lấy đạo hàm (2.7) và áp dụng (2.2), ta có (2.8):

& a 0 (x 2  r)
&
S& f (x)  g(x)u  a n 2 (x n  r (n 1) )  ...  a1 (x 3  &
r)

(2.8)

Có thể chọn u sao cho: S& Wsign(S)
Trong đó: W là hằng số dương chọn trước. Luật điều khiển xác định bởi (2.9):
u

1
& a 0 (x 2  r)
&  Wsign(S)]
[f (x)  a n 2 (x n  r (n 1) )  ...  a1 (x 3  &
r)
g(x)

(2.9)

Tính bền vững của luật điều khiển: trong điều kiện có sai số mơ hình, luật điều
khiển (2.9) ln đưa được quỹ đạo pha của hệ thống về mặt trượt S = 0 nếu điều
kiện sau được thỏa mãn:
Nếu S  0 thì S& 0
Nếu S  0 thì S& 0

(2.10)

Nếu S  0 thì S& 0
Phương pháp chọn mặt trượt: hàm S ở (2.5) phải thỏa mãn hai điều kiện sau:

-

S không phụ thuộc tường minh vào u nhưng S& phụ thuộc tường minh vào

u (bậc tương đối bằng 1).
-

Phương trình vi phân (2.6) Hurwitz (để nghiệm e  0khi t   )

Hiện tượng dao động (chattering): Trong thực tế, các khâu chấp hành trong hệ
thống điều khiển ln có thời gian trễ. Hệ quả là tín hiệu điều khiển u không thể
thay đổi giá trị một cách tức thời khi quỹ đạo pha vừa chạm mặt trượt để đảm bảo
điều kiện (2.10) nếu S  0 thì S& 0 . Kết quả là quỹ đạo pha sẽ vượt qua mặt trượt
một đoạn và sẽ quay về mặt trượt sau đó khi u thay đổi giá trị theo (2.9). Quá trình
được lặp lại và kết quả là quỹ đạo pha dao động quanh mặt trượt. Hiện tượng này
gọi là hiện tượng chattering, gây ra các hiệu ứng không mong muốn như:
-

Phát sinh sai số điều khiển.

-

Làm phát nóng mạch điện tử.

-

Mài mịn các bộ phận cơ khí.


LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT


-

6

Kích động các mode tần số cao khơng mơ hình hóa làm giảm chất lượng

điều khiển hoặc mất ổn định.
Để khắc phục hiện tượng chattering ta có thể:
- Giảm biên độ của u bằng cách giảm hệ số W trong (2.9). Tuy nhiên điều này
làm giảm tính bền vững của hệ thống điều khiển đối với sai số của mơ hình.
- Thay hàm signum bởi hàm saturation hoặc hàm tanh.
sign(x)
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
-0.2
-0.4
-0.6
-0.8
-1
-5

-4

-3


-2

-1

0

1

2

3

4

5

3

4

5

Hình 2.1. Hàm signum
sat(x)
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0

-0.2
-0.4
-0.6
-0.8
-1
-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

Hình 2.2. Hàm saturation


LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

7

tanh(x)
1

0.8
0.6
0.4
0.2
0
-0.2
-0.4
-0.6
-0.8
-1
-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4


5

Hình 2.3. Hàm tanh
2.1.2 . Điều khiển trượt ổn định hóa
Đối tượng điều khiển: xét hệ thống được biểu diễn như (2.11)
 x&1  f1 (x1 , x 2 )

 x&2  f 2 (x1 , x 2 )  g(x1 , x 2 )u

(2.11)

Mục tiêu điều khiển: đưa vector trạng thái x về 0.
Mặt trượt được định nghĩa như (2.12):
S  x 2  (x1 )

(2.12)

Trong đó: (x1 ) được chọn thỏa mãn các điều kiện sau:
- (0)  0 .
- Hệ thống con x&1  f (x1, (x1 )) có điểm cân bằng ổn định tiệm cận tại gốc
tọa độ (trên mặt trượt S  0  x 2  (x1 )  x&1  f (x1, (x1 ))  x1  0khi t   ).
- S có bậc tương đối bằng 1.
Luật điều khiển như (2.13):


S& x&2 
f1 (x1 , x 2 )  f 2 (x1 , x 2 )  g(x1 , x 2 )u 
f1 (x1, x 2 )
x1
x1


Có thể chọn u sao cho: S& Wsign(S)

(2.13)


LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

8

Trong đó: W là hằng số dương chọn trước. Luật điều khiển được xác định
bởi (2.14):
u

1

[f 2 (x) 
f1 (x1 )  Wsign(S)]
g(x)
x1

(2.14)

2.2. Điều khiển mờ
Khái niệm về logic mờ được giáo sư L.A Zadeh đưa ra lần đầu tiên năm 1965,
tại trường Đại học Berkeley, bang California – Mỹ. Từ đó lý thuyết mờ đã được
xem là một trong những phương pháp điều khiển thơng minh có sự phát triển vượt
bậc và được ứng dụng rộng rãi trong thực tế.
Năm 1970 tại trường Mary Queen, London – Anh, Ebrahim Mamdani đã dùng
logic mờ để điều khiển máy hơi nước mà ông không thể điều khiển được bằng

phương pháp cổ điển. Tại Đức Hann Zimmermam đã dùng logic mờ cho các hệ ra
quyết định. Tại Nhật logic mờ được ứng dụng vào nhà máy xử lý nước Fuji
Electronic vào năm 1983, hệ thống xe điện ngầm của Hitachi năm 1987.
Lý thuyết mờ ra đời tại Mỹ, ứng dụng đầu tiên tại Anh nhưng phát triển mạnh
mẽ nhất là tại Nhật. Ngày nay, trong lĩnh vực tự động hóa logic mờ ngày càng được
ứng dụng rộng rãi, nó thực sự hữu dụng với các đối tượng phức tạp mà ta chưa biết
rõ hàm truyền, logic mờ có thể giải quyết vấn đề mà phương pháp điều khiển kinh
điển không thể làm được.
2.2.1. Tập mờ
Tập mờ Ã xác định trên tập cơ sở X là một tập hợp mà mỗi thành phần của nó
là một cặp giá trị (x, μÃ(x)), trong đó x Є X và μÃ(x) là ánh xạ:
μà :X → [0,1]
Ánh xạ μÃ(x) được gọi là hàm liên thuộc (Membership function) của tập mờ Ã.
Hàm liên thuộc đặc trưng cho độ phụ thuộc của một thành phần bất kỳ thuộc tập mờ
cơ sở X vào tập mờ Ã.
Ký hiệu tập mờ:
Tập mờ Ã định nghĩa trên tập cơ sở X rời rạc hữu hạn được kí hiệu như sau:


LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

9

~

A



~


A

( xi

)

(2.15)

xi

i

Tập mờ Ã định nghĩa trên tập cơ sở X liên tục vô hạn được kí hiệu như sau:
~

A



(x

~

)

A

(2.16)


x

2.2.2. Hàm liên thuộc
Các thuật ngữ sử dụng trong logic mờ:
μ(x)

Độ cao

1

x

Miền tin cậy
Biên

Miền xác định

Hình 2.4. Miền tin cậy, miền xác định, biên và độ cao của tập mờ
- Miền tin cậy (Lõi): là miền gồm các phần tử x của tập cơ sở X sao cho
μÃ(x)= 1.





T  x X  ~ ( x)  1
A

(2.17)


- Miền xác định (Miền nền): là miền gồm các phần tử x của tập cơ sở x sao cho
μÃ(x)>0.

S

 x X  (x)  0

(2.18)

~

A

- Biên: là gồm các phần tử x của tập cơ sở X sao cho 0<μÃ(x)<1.





E  x X 0   ~ ( x)  1
A

- Độ cao: là cận trên nhỏ nhất của hàm liên thuộc.

(2.19)


LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

10


~
hgt   A   sup  ~ ( x)
A
 
xX

(2.20)

Các dạng hàm liên thuộc thường gặp:

μ(x
)

μ(x
)

1

μ(x
)

1

1

x
a) Dạng tam giác

x

b) Dạng hình thang

μ(x
)

c) Dạng hình chữ nhật

μ(x
)

1

x

μ(x
)

1

1

x
d) Dạng Singleton

x
e) Dạng Gauss

μ(x
)


f) Dạng chng

μ(x
)

1

x

μ(x
)
1
0.5

x
g) Dạng vai

1
x

h) Dạng sigmoid

x
j) Dạng dsigmoid

Hình 2.5. Các dạng hàm liên thuộc cơ bản
2.2.3. Biến ngôn ngữ
Để thiết kế bộ điều khiển bắt chước sự suy nghĩ, xử lý thông tin và ra quyết
định của con người thì phải biểu diễn được ngơn ngữ tự nhiên dưới dạng tốn học.
Để thực hiện điều này thì người ta sẽ sử dụng tập mờ để biểu diễn biến ngôn ngữ tự

nhiên để biểu diễn những thông tin mơ hồ, không chắc chắn của đối tượng.


LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

11

Ví dụ: Xét bài tốn điều khiển tốc độ xe, ta có những giá trị ngôn ngữ: Slow,
Ok, Fast. Mỗi giá trị ngôn ngữ sẽ được xác định bằng một tập mờ định nghĩa trên
tập cơ sở là tập các số thực dương chỉ giá trị vật lý x của biến tốc độ V.
µ
slow

1

0

20

ok

fast

40

V(km/h
)

60


Hình 2.6. Biến ngôn ngữ
 Hàm liên thuộc của các tập mờ tương ứng là: μSlow(x), μOk(x), μFast(x)
 Biến tốc độ V có 2 miền giá trị:
- Miền giá trị ngơn ngữ: N = {Slow, Ok, Fast}
- Miền giá trị vật lý (giá trị rõ): V ={x є R│x ≥ 0}
 Biến ngôn ngữ là biến tốc độ V xác định trên miền các giá trị ngơn ngữ N.
2.2.4. Các phép tốn trên tập mờ
 Phép giao:
~

Định nghĩa: giao của tập mờ Ã và B có cùng cơ sở X là một tập mờ xác định
trên cơ sở X có dạng như sau:
μ (x)
~

B

1-

Ã
0

x

Hình 2.7.Giao của hai tập mờ


LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

12


Các công thức lấy giao hai tập mờ:
- Công thức Zadeh: 

~

~

A B



( x)  min  ~ ( x),  ~ ( x)

- Công thức Lukasiewicz: 
- Công thức Einstein: 

~

~

A B

~

~

A B

A




B

~

~

A B

(2.21)



( x)  max 0,  ~ ( x)   ~ ( x)  1

( x) 

A

B

(2.22)

 ( x)  ( x)
~

~


A

B

2  (  ~ ( x)   ~ ( x))   ~ ( x)  ~ ( x)
A

- Công thức xác suất: 



B

A

B

( x )   ~ ( x)  ~ ( x)
A

(2.23)
(2.24)

B

 Phép hợp:
~

Định nghĩa: Hợp của tập mờ Ã và B có cùng cơ sở X là một tập mờ xác định
trên cơ sở X có dạng như sau:

μ (x)
~

B

1-

Ã
0

x

Hình 2.8. Hợp của hai tập mờ
Các công thức lấy hợp hai tập mờ:
- Công thức Zadeh: 

~

~

A B



( x)  max  ~ ( x),  ~ ( x)

- Công thức Lukasiewicz: 
- Công thức Einstein: 

~


B

~

~

A B

(2.25)

~

(2.26)

 ( x)   ( x)
~

~

A

B

(2.27)

1   ~ ( x)   ~ ( x)
A

- Công thức xác suất: 






( x)  min  1,  ~ ( x)   ~ ( x) 
A B
A
B


~

~ ( x) 

A B

A

B

( x)   ~ ( x)   ~ ( x)   ~ ( x)  ~ ( x)
A

B

A

B


(2.28)