Điều khiển học hệ bồn nước đôi theo mô hình tham chiếu mờ

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (7.38 MB, 122 trang )

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
-------- --------

TRIỆU QUỐC SƠN

ĐIỀU
ỀU KHIỂN HỌC HỆ BỒN N
NƯỚC
ỚC ĐƠI
THEO MƠ HÌNH THAM CHI
CHIẾU
ẾU MỜ.
MỜ
Chuyên ngành: Tự
ự động hóa
Mã số: 10150048

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. H
HỒ CHÍ MINH, Tháng 06 năm 2013

CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG – HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS. HUỲNH THÁI HOÀNG
...........................................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Cán bộ chấm nhận xét 1 : ...........................................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 2 : ...........................................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại Học Bách Khoa, ĐHQG
TP.HCM, ngày . . . . . tháng . . . . năm . . . .
Thành phần của Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)
1. ………………………………………………………….
2. ………………………………………………………….
3. ………………………………………………………….
4. ………………………………………………………….
5. ………………………………………………………….
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Trưởng khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA QLCN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ
--------------------------

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc
---------o0o--------Tp. HCM, ngày . . . . . tháng 06 năm 2013

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: TRIỆU QUỐC SƠN

Phái: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 15/09/1981

Nơi sinh: THANH HÓA

Chuyên ngành: TỰ ĐỘNG HÓA
MSHV: 10150049
1- TÊN ĐỀ TÀI: Điều khiển học hệ bồn nước đôi theo mơ hình tham chiếu mờ.
2 - NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:
- Mơ hình hóa đối tượng hệ bồn nước đơi.
- Nghiên cứu, tìm hiểu phương pháp điều khiển mờ để điều khiển đối tượng hệ bồn nước
đơi.
- Nghiên cứu, tìm hiểu phương pháp điều khiển mờ học theo mơ hình tham chiếu để điều
khiển đối tượng hệ bồn nước đôi.
- Thực hiện mô phỏng bộ điều khiển phi tuyến với đối tượng hệ bồn nước đôi trong
MATLAB/Simulink.
- Thiết kế và thi cơng hồn chỉnh mơ hình phần cứng tượng hệ bồn nước đơi.
- Lập trình theo các phương pháp điều khiển phi tuyến đã tìm hiểu cho mơ hình hệ bồn
nước đơi thực nghiệm. Thay đổi thơng số mơ hình để kiểm tra khả năng điều khiển và
thích nghi của phương pháp điều khiển.
- So sánh chất lượng điều khiển của bộ điều khiển mờ với bộ điều khiển học trong kết
quả mô phỏng.
- So sánh chất lượng điều khiển của bộ điều khiển mờ với bộ điều khiển học trong
thực nghiệm.
3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: …./…./2013
4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: …./…./2013
5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. HUỲNH THÁI HOÀNG
Nội dung và đề cương Luận văn đã được hội đồng chuyên ngành thông qua.

C.BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN

KHOA QL CH.NGÀNH

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

Cán bộ hướng dẫn: TS. HUỲNH THÁI HỒNG
Học tên học viên:
Tên đề tài:

Khóa: 2010

TRIỆU QUỐC SƠN

ĐIỀU KHIỂN HỌC HỆ BỒN NƯỚC ĐÔI THAM CHIẾU THEO

MƠ HÌNH MỜ.
Nhận xét: ................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................

Đánh giá: ................................................................................................................
TPHCM, ngày

tháng

năm 2013

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN 1

Cán bộ hướng dẫn: ................................................
Học tên học viên:
Tên đề tài:

Khóa: 2010

TRIỆU QUỐC SƠN

ĐIỀU KHIỂN HỌC HỆ BỒN NƯỚC ĐƠI THAM CHIẾU THEO

MƠ HÌNH MỜ.
Nhận xét: ................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................

..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
Đánh giá: ................................................................................................................
TPHCM, ngày

tháng

năm 2013

CÁN BỘ PHẢN BIỆN 2

LỜI CÁM ƠN:
Trong quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp, tác giả đã nhận được nhiều sự
giúp đỡ, động viên từ phía gia đình, thầy cơ, anh chị và bạn bè học trong lớp cao
học tự động hoá khoá 2010 về kiến thức chuyên môn và về mặt tinh thần.
Qua đây, tác giả xin gửi lời cảm ơn tới mẹ và những người thân trong gia
đình đã tạo điều kiện về vật chất, tình thần qua đó tạo động lực để tác giả thực hiện
hoàn thành luận văn tốt nghiệp này.
Bên cạnh đó tác giả cũng xin gửi lời cảm ơn tới thầy Ts. Huỳnh Thái
Hoàng, người đã tận tình hướng dẫn và chỉ bảo trong suốt thời gian thực hiện luận
văn. Cùng với các thầy cô trong bộ môn Điều Khiển Tự Động đã trang bị cho tác
giả những kiến thức, kinh nghiệp để tạo tiền đề cơ sở lý thuyết để tác giả thực hiện
luận văn tốt nghiệp.
Lời cuối cùng, tác giả xin gửi cảm ơn đến các bạn bè đã giúp đỡ về mặt
chuyên môn, cũng như tinh thần giúp cho tác giả hoàn thành tốt luận văn tốt nghiệp.

TP. Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2013
Triệu Quốc Sơn

TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN THẠC SĨ
Nhiệm vụ của đề tài là tìm hiểu pháp điều khiển mờ và phương pháp điều
khiển mờ học theo mơ hình tham chiếu và vận dụng để điều khiển một đối tượng
phi tuyến cụ thể, đối tượng phi tuyến được chọn là hệ bồn nước đôi.
Phương pháp điều khiển mờ đã được giới thiệu và kiểm nghiệm là phương
pháp điều khiển tốt ở nhiều đề tài.
Phương pháp điều khiển mờ học theo mô hình tham chiếu đã được giới thiệu
ở một số đề tài trong nước ta, nhưng mới chỉ ở mức độ giới thiệu, mô phỏng bằng
m_file chứ chưa mô phỏng bằng simulink và thi cơng mơ hình thực nghiệm.
Nếu mơ phỏng bằng simulink thành cơng thì sẽ có thể nhúng vào mơ hình
thực nghiệm và vận dụng được cho nhiều đối tượng, tính chân thực và hiệu quả khi
mơ phỏng bằng simulink cũng cao hơn. Đề tài này tác giả tập trung tìm hiểu và vận
dụng để mơ phỏng bằng simulink và thi cơng mơ hình thực nghiệm để kiểm nghiệm
và so sánh phương pháp điều khiển học này và nêu ra ưu khuyết điểm của các bộ
điều khiển đã thiết kế trong đề tài.
Tác giả đã có cải tiến phương pháp điều khiển học này so với phương pháp
gốc được nêu trong sách hay ở các bài báo gần đây, phương pháp cải tiến này mới
và tác chưa thấy ở tạp chí nào.
Tác giả đã thiết kế và thi cơng hồn chỉnh hệ bồn nước đơi bằng thực nghiệm
và nhúng các giải thuật điều khiển trên vào mơ hình.
Kết quả đạt được đáp ứng được yêu cầu của đề tài.

Abstract
The main point of this thesis is learn fuzzy control method and Fuzzy Model

Reference Learning Control (FMRLC) method, applied to control a specific
nonlinear object. Nonlinear object is double tank system.
Fuzzy control method has been introduced and tested is a good control
method in a variety of thesis.
Fuzzy Model Reference Learning Control (FMRLC) method has been
introduced in a number of thesis and article in our country but only in the simulation
by m_file and not in simulink simulation and empirical model construction.
If emulation in simulink successfully we can embed on the model
experimental and and applied to a wide empirical model construction.
Subject author focuses learn and apply to construction simulation using
simulink and empirical models to test and compare this control methods and state
the strengths and weaknesses of the controllers designed in the subject.
The author has improved control methods compared to the original method
described in the book or in the recent article.
The author has complete design and construction of the double tank system
by experiment and control algorithms embedded in the model. Results achieved to
meet the requirements of the subject.

MỤC LỤC

MỤC LỤC
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI .......................................... 4
1.1 Đặt vấn đề......................................................................................................... 4
1.2 Điều khiển học theo mơ hình mờ. Fuzzy Model Reference Learning
Control (FMRLC). ................................................................................................ 7
1.3 Lịch sử phát triển của phương pháp FMRLC. ............................................ 8
1.4 Mục tiêu của luận văn. .................................................................................... 9
1.5 Kết quả dự kiến. .............................................................................................. 9
1.6 Phương pháp nghiên cứu. ............................................................................... 9

1.7 Sơ lược nội dung của luận văn ....................................................................... 9
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ......................................................................... 11
2.1 Điều khiển mờ ................................................................................................ 11
2.1.1 Khái niệm về tập hợp mờ ....................................................................... 11
2.1.2 Biến ngôn ngữ ......................................................................................... 12
2.1.3 Định nghĩa tập mờ .................................................................................. 12
2.1.4 Các thuật ngữ trong logic mờ ................................................................ 13
2.1.5 Thành lập hàm thành viên và tham số ................................................. 13
2.1.5.1 Hàm thành viên một chiều (Hàm thành viên có một ngõ vào) .... 14
2.1.6 Suy luận mờ ............................................................................................. 14
2.1.7 Giải mờ .................................................................................................... 15
2.1.8 Bộ điều khiển mờ .................................................................................... 16
2.1.8.1 Cấu trúc một bộ điều khiển mờ ..................................................... 16
2.1.8.2 Nguyên lý điều khiển mờ ................................................................ 16
2.1.8.3 Thiết kế bộ điều khiển mờ ............................................................... 17
2.2 Điều khiển mờ học theo mơ hình tham chiếu (FMRLC). ........................ 18
2.2.1 Phương pháp gốc .................................................................................... 18
2.2.1.1 Sơ đồ khối của phương pháp gốc được đề cập ở nhiều bài báo
(FMRLC). ..................................................................................................... 18
2.2.1.2 Bộ điều khiển mờ. ............................................................................ 19
2.2.1.3 Mơ hình ngược mờ:.......................................................................... 20
2.2.1.4 Cơ chế học: ....................................................................................... 20
2.2.1.5 Giải thuật thiết kế bộ điều khiển. ................................................... 21
2.2.2 Phương pháp đề xuất để cải tiến chất lượng bộ điều khiển (FMRLC).
........................................................................................................................... 22
2.2.2.1 Sơ đồ khối phương pháp cải tiến. ................................................... 22
2.2.2.2 Mơ hình mờ ngược .......................................................................... 22
2.2.2.3 Cập nhật trọng số bộ điều khiển mờ thuận ................................... 23
2.2.2.4 Giải thuật thiết kế bộ điều khiển. ................................................... 25
2.2.2.5 Đề xuất để cải tiến chất lượng bộ điều khiển (FMRLC) thêm. ... 26

LUẬN VĂN THẠC SỸ

Trang 1

MỤC LỤC

CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG VÀ ĐIỀU KHIỂN ....................................................... 28
3.1 Mơ hình hóa hệ bồn nước đơi ....................................................................... 28
3.1.1 Kích thước hệ bồn nước đơi. .................................................................. 28
3.1.2 Phương trình tốn học............................................................................ 28
3.1.3 Mô phỏng hệ bồn nước đôi. ................................................................... 30
3.1.3.1 Sơ đồ mô phỏng ................................................................................ 30
3.2 Thiết kế bộ điều khiển ................................................................................... 33
3.2.1 Bộ điều khiển mờ (fuzzy logic) .............................................................. 33
3.2.1.1 Xây dựng phương pháp điều mờ Sugeno (fuzzy logic Sugeno) ... 33
3.2.1.2 Các bước thiết lập dùng công cụ fuzzy của matlap: ..................... 35
3.2.1.3 Sơ đồ mô phỏng:............................................................................... 37
3.2.1.4 Kết quả mô phỏng bộ điều khiển mờ: ............................................ 38
3.2.1.5 Sơ đồ dùng khối fn để lập trình theo cở sở toán học đã nêu cho
bộ điều khiển mờ .......................................................................................... 38
3.2.2 Bộ điều khiển học .................................................................................... 40
3.2.2.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển học mờ theo mơ hình tham chiếu
........................................................................................................................ 40
3.2.2.2 Bộ điều khiển mờ ngược .................................................................. 41
3.2.2.2.1 Sơ đồ khối ................................................................................... 41
3.2.2.2.2 Hàm phụ thuộc biến đầu vào e(k). .......................................... 41
3.2.2.2.3 Hàm phụ thuộc biến đầu vào de(k). ...................................... 42
3.2.2.2.4 Các giá trị biến ra của bộ mờ ngược ...................................... 42

3.2.2.2.5 Luật hợp thành của bộ mờ ngược .......................................... 43
3.2.2.2.6 Đồ thị bộ điều khiển mờ ngược ............................................... 43
3.2.2.3 Mơ hình tham chiếu ......................................................................... 44
3.2.2.4 Bộ điều khiển mờ thuận .................................................................. 44
3.2.2.4.1 Hàm phụ thuộc .......................................................................... 44
3.2.2.4.2 Luật hợp thành ban đầu khi chưa cập nhật .......................... 44
3.2.2.4.3 Giải thuật cập nhật trọng số đầu ra bộ mờ thuận.................. 45
3.2.2.5 Các hệ số chuẩn hóa ........................................................................ 45
3.2.2.6 Kết quả mô phỏng với xử lý fixstep = 0.1. .................................... 46
3.2.2.6.3 Mô phỏng với xử lý fixstep = 0.01 ............................................ 50
3.2.2.6.4 Nhận xét chung kết quả mô phỏng. ........................................ 52
3.2.3 Bộ điều khiển học dạng khác ................................................................. 52
3.2.3.1 Kết quả mô phỏng ............................................................................ 53
3.2.3.2 Nhận xét kết quả mô phỏng ............................................................ 58
3.2.4 Bộ điều khiển PI. .................................................................................... 58
3.2.4.1 Sơ đồ mô phỏng ................................................................................ 58
3.2.4.2 Đáp ứng đầu ra................................................................................. 59
3.2.4.3 Nhận xét ............................................................................................ 60
CHƯƠNG 4: THI CƠNG MƠ HÌNH ..................................................................... 61
4.1 Thiết kế phần cứng ........................................................................................ 61
4.1.1 Mơ hình cơ khí ........................................................................................ 61
LUẬN VĂN THẠC SỸ

Trang 2

MỤC LỤC

4.1.2 Thông số bể trên...................................................................................... 62
4.1.3 Thông số động cơ .................................................................................... 62

4.1.4 Mơ hình sau khi thi cơng ........................................................................ 63
4.2.2 Mạch điều khiển ...................................................................................... 65
4.2.2.1 Chip TMS320F28335 ....................................................................... 65
4.2.2.2 Mạch công suất điều khiển động cơ bơm. .................................... 68
4.2.2.2.1 Sơ đồ kết nối.............................................................................. 68
4.2.2.2.2 Thông tin kỹ thuật .................................................................... 68
4.2.2.2.3 Sơ đồ nguyên lý mạch công suất điều khiển động cơ DC .... 69
4.2.2.2.4 Ảnh mạch công suất ................................................................ 70
4.2.2.3 Cảm biến áp suất ............................................................................. 70
4.2.2.4 Opto tần số cao để cách ly. ............................................................. 74
4.2.2.5 Op-amp để làm mạch đệm. ............................................................. 74
4.2.2.6 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển ................................................... 75
4.2.2.7 Mạch in của mạch điều khiển. ........................................................ 76
4.3 Thiết kế chương trình điều khiển thời gian thực cho hệ. ......................... 78
4.3.1 Giới thiệu các khối điều khiển ............................................................... 78
4.3.2 Các thiết lập trong các module. ............................................................. 79
4.3.2 Xây dựng chương trình điều khiển thời gian thực. ............................. 83
4.3.2.1 Điều khiển thời gian thực bộ điều khiển học. ................................ 83
4.3.2.1.1 Sơ đồ điều khiển ........................................................................ 83
4.3.2.2 Điều khiển thời gian thực bộ điều khiển mờ. ................................ 92
4.3.2.2.1 Sơ đồ thi công điều khiển mờ. .................................................. 92
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ ĐÁNH GIÁ ............................................................. 99
5.1 Kết luận .......................................................................................................... 99
5.1.1 Những kết quả đạt được: ....................................................................... 99
5.1.2 Những kết quả chưa đạt được: .............................................................. 99
5.2 Hướng phát triển của đề tài........................................................................ 100
Tài liệu tham khảo ................................................................................................. 101

LUẬN VĂN THẠC SỸ

Trang 3

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
1.1 Đặt vấn đề
Lý thuyết điều khiển và kỹ thuật điều khiển với nhiều vấn đề khác nhau có
thể gặp phải trong hệ thống điện và cơ khí. Các kỹ thuật điều khiển để kiểm sốt
đầu ra, đầu vào, nhiễu và tính khơng chắc chắn về mơ hình (mơ hình có sai số).
1. Đầu ra: đây là những biến hệ thống được yêu cầu nằm trong phạm vi nhất
định. Ví dụ mực nước trong hồ hoặc nhiệt độ trong một phòng, các biến đầu ra thay
đổi theo một số biến đầu vào độc lập.
2. Đầu vào: là những biến số có tác động kiểm sốt và điều khiển trạng thái
đầu ra của hệ thống.
Ví dụ: Điện áp (đầu vào) để điều khiển tốc độ (đầu ra) động cơ.
3. Nhiễu: là các yếu tố bên ngồi khơng kiểm sốt được và khơng được tiên
đốn trước có thể ảnh hưởng đến đầu ra của hệ thống.
Ví dụ: Tác động của môi trường xung quanh lên đối tượng.
4. Sự không chắc chắn trong hệ thống cần điều khiển phát sinh từ thực tế là
mơ hình hồn hảo của bất kỳ q trình vật lý là khơng thể thực hiện (chỉ có mơ hình
gần đúng). Mơ hình của bất kỳ hệ thống được thực hiện thường là trong điều kiện
nhất định và có thể thay đổi với thời gian.

Hình 1.1: Các yếu tố tác động lên đối tượng
Thơng tin phản hồi là một điều cần thiết trong quá trình điều khiển. Đầu vào
của hệ thống được sửa đổi dựa theo giá trị thông tin phản hồi từ kết quả đầu ra. Hệ
thống điều khiển hồi tiếp (vịng kín hệ thống ) được thể hiện trong hình.

LUẬN VĂN THẠC SỸ

Trang 4

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

Hình 1.2: Sơ đồ điều khiển
Mục đích của điều khiển là dựa vào các thông tin cần thiết để điều chỉnh giá
trị đầu vào sao cho đầu ra bám theo giá trị đặt. Bộ điều khiển chất lượng tốt là bộ
điều khiển hạn chế được ảnh hưởng của nhiễu bên ngoài tác động lên hệ thống và
những thay đổi cho phép bên trong hệ thống để tín hiệu đầu ra bám theo giá trị đặt
càng sớm càng tốt, ít dao động quanh tín hiệu đặt, độ vọt lố nhỏ...
Lý thuyết điều khiển tự động đã có rất nhiều phương pháp điều khiển để đảm
bảo mục tiêu điều khiển. Điều khiển thích nghi là phương pháp điều khiển linh hoạt
và mạnh so với phương pháp điều khiển hồi tiếp thông thường nhưng vẫn có những
hạn chế. Hạn chế dễ thấy nhất là cơ chế nhận dạng đối tượng và tính tốn luật điều
khiển đã được lập trình khi thiết kế bộ điều khiển và khơng thể thay đổi trong q
trình vận hành. Do đó khả năng cập nhật luật điều khiển của bộ điều khiển thích
nghi có giới hạn, nó chỉ có thể cập nhật một số thông số của bộ điều khiển trong
một lớp mơ hình định trước (lớp mơ hình có thơng số khơng chắc chắn hoặc thay
đổi). Điều khiển thích nghi không thể sử lý tất cả các yếu tố bất định không tham số
bao gồm động học tần số cao khơng mơ hình hóa và động học tần số thấp khơng mơ
hình hóa, nhiễu cảm biến và các yếu tố không chắc chắn về cấu trúc. Nếu đối tượng
thực tế có cấu trúc chỉ hơi khác so với đối tượng giả thiết khi thiết kế thì kết quả
thích nghi rất kém, thậm trí khơng đạt chất lượng. Khi động học đối tượng được mơ
hình hóa sai, ngay cả yếu tố bất định bé cũng dẫn đến trôi thông số và hệ thống
không ổn định [3].
Để khắc phục các khuyết điểm của phương pháp điều khiển thích nghi,
phương pháp điều khiển tái cấu trúc được đưa ra. Động lực của việc phát triển
phương pháp này là nhu cầu điều khiển các đối tượng có cấu trúc động học thay đổi.

Điều này có nghĩa là tại các thời điểm khác nhau mơ hình động học của đối tượng
được mơ tả bằng các phương trình trạng thái có dạng và các biến khác nhau. Sơ đồ
khối của hệ thống điều khiển tái cấu trúc như hình sau:

LUẬN VĂN THẠC SỸ

Trang 5

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

Hình 1.3: Sơ đồ điều khiển
Hệ thống có bộ nhớ lưu trữ cơ sở tri thức điều khiển và cơ sở tri thức mơ
hình của đối tượng. Ý tưởng chính là khả năng kiểm sốt tình huống, nhận biết sự
thay đổi cấu trúc, và sau đó thiết kế lại bộ điều khiển thời gian thực để bù lại các
thay đổi cấu trúc [3].
Để thực thi hệ thống điều khiển tái cấu trúc, người thiết kế phải đưa ra một
tập hợp các bộ điều khiển phù hợp với từng tình huống cụ thể và lưu trữ sẵn trong
cơ sở tri thức. Một bộ giám sát có khả năng chọn các bộ điều khiển đã lưu trữ trong
cơ sở tri thức. Trong nhiều trường hợp rất khó thực thi phương pháp điều khiển tái
cấu trúc vì khi thiết kế khơng thể hình dung được tất cả các tình huống xảy ra khi hệ
thống vận hành.
Một phương pháp điều khiển mạnh là điều khiển học (learning control) xuất
phát từ yêu cầu điều khiển hệ thống trong các thình huống thay đổi khơng dự tính
trước. Điều khiển học khơng chỉ có khả năng thích nghi, nhớ các luật điều khiển
mới mà cịn có khả năng chọn luật điều khiển phù hợp [3].

LUẬN VĂN THẠC SỸ

Trang 6

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

Sơ đồ khối của bộ điều khiển học như sau.

Hình 1.4: Sơ đồ điều khiển học
Hệ thống điều khiển học tổng quát có ba khối thực hiện chức năng học: học
mục tiêu, học điều khiển, học mơ hình đối tượng. Tuy nhiên tùy theo ứng dụng cụ
thể mà hệ thống không nhất thiết có cả 3 khối học nêu trên. Mỗi khối học có 2 ngõ
ra cập nhật cơ sở dữ liệu và cập nhật thủ tục chọn lựa. Ví dụ, khối học điều khiển
không chỉ học luật điều khiển để cập nhật cơ sở dữ liệu mà còn học cách chọn luật
điều khiển [3].
1.2 Điều khiển học theo mơ hình mờ. Fuzzy Model Reference Learning
Control (FMRLC).
Điều khiển mờ đã chứng tỏ được ưu điểm của nó khi điều khiển những hệ
phi tuyến phức tạp, có thơng số khó xác định. Khi mơ hình có thơng số biến đổi nhỏ
thì bộ điều khiển mờ vẫn hoạt động tốt, nhưng khi mơ hình có thơng số biến đổi lớn
thì nó có thể khơng đáp ứng được do hàm phục thuộc đầu ra của bộ điều khiển mờ
được thiết kế cố định nên bộ điều khiển mờ với hàm phụ thuộc (đầu ra) không được
cập nhật sẽ cho đáp ứng kém hoặc thậm chí khơng đáp ứng được [2, 3, 9].
Để có thể thay đổi hàm phụ thuộc của bộ điều khiển mờ ta dùng cơ chế học
bằng cách so sánh tín hiệu ra với một bộ tham chiếu, dùng tín hiệu chênh lệch này
để tính tốn và cập nhật trọng số của hàm phụ thuộc đầu ra của bộ điều khiển mờ.
Phương pháp tiếp cận đảm bảo sự thích ứng hội tụ các cơ sở quy tắc điều
khiển trong bộ điều khiển mờ, bộ điều khiển học mơ hình mờ theo mơ hình tham
chiếu (FMRLC). Bộ điều khiển học này học bằng cách cập nhật và ghi nhớ các
thông của số bộ điều khiển mờ đã thực hiện tốt chức năng của nó với các tín hiệu

LUẬN VĂN THẠC SỸ

Trang 7

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

vào trước đó. Phương pháp này kế thừa được tất cả các ưu điểm của phương pháp
điều khiển mờ và có tính thích nghi cao do có thể cập nhật tham số của bộ điều
khiển mờ. Trong quá trình cập nhật tham số nó cải thiện đáp ứng tốt hơn so với
trường hợp sử dụng bộ điều khiển mờ đơn thuần.
Đây là phương pháp điều khiển thơng minh và hiện đại có nhiều ưu điểm
vượt trội và phạm vị áp dụng lớn nên việc tìm hiểu nắm bắt, ứng dụng phương pháp
này vào mơ hình thực tế là rất cần thiết.
Phương pháp này mặc dù được giới thiệu và nghiên cứu nhiều nhưng ở trong
nước đa số mới chỉ giới thiệu và mơ phỏng (mơ phỏng dạng m_file chứ chưa có mơ
phỏng bằng simulink) chưa thử nghiệm chạy trên mơ hình thực và chưa được triển
khai vào thực tiễn. Tác giả nhận thấy đây là đề tài thú vị và thiết thực nên tác giả
chọn đề tài này. Mục đích của đề tài là lập sơ đồ mô phỏng bằng simulink và thi
cơng mơ hình thực tế nhằm giới thiệu, kiểm nghiệm và triển khai phương pháp điều
khiển này vào thực tiễn. Tác giả cũng có cố gắng cải tiến để mơ hình điều khiển
kiểu này đơn giản và hiệu quả hơn so với một số bài báo đã đăng ở một số tạp chí
về phương pháp này.
1.3 Lịch sử phát triển của phương pháp FMRLC.
Phương pháp tự chỉnh bộ điều khiển mờ được phát triển đầu tiên bởi
Mamdani và Procyk (1979). Cách tiếp cận này tiếp tục được xây dựng bởi nhiều tác
giả, đặc biệt là Yamazaki (1982) và Shao (1988). Thật khơng may những người
theo phương pháp này lúc đó khơng thành cơng bởi vì các bộ điều khiển được thiết
kế với khó khăn cho việc bám theo các tín hiệu từ các mơ hình tham chiếu. Các
thuật tốn FMRLC loại bỏ những hạn chế trước đó đã được giới thiệu đầu tiên bởi
Layne và Passino (1992), Layne và Passino (1993). Ý tưởng chính là dựa trên mơ

hình điều khiển thớch nghi tham chiu (MRAC) ca Astrăom v Wittenmark
(2008). Mt phương pháp tự học hoặc điều khiển thích nghi mờ được mô tả bởi
Kovai và Bogdan(2006) hoặc Driankovetal(1996). Phương pháp tự học biến đổi
hoặc tự chỉnh được Shieh et al (2006), Hao et a (2007) sử dụng thành công trong
lĩnh vực y sinh, Lin và Hsu (2003) sử dụng trong ngành công nghiệp ô tô,
Khaehintung et al. (2005) sử dụng trong kỹ thuật điện, Wu và Tomizuka (2010) sử
dụng trong khoa học tính tốn [13]. Phương pháp này cũng được vận dụng và cải
tiến áp dụng thành công cho hệ đa biến [11].
Sơ lược một số bài báo khoa học về phương pháp này:
- Một trong những bài báo đầu tiên sử dụng phương pháp này của J. Layne
and K. Passino để điều khiển đối tượng 'cargo ship' [6]. Sau bài báo này có nhiều
bài báo cũng sử dụng phương pháp này nhưng với những đối tượng khác nhau.
- Vivek G.Moudgal, Waihon Andrew Kwong, Kenvin M.Passino vận dụng
phương pháp FMRLC để điều khiển hệ đa biến [11].
- Otto Cerman , Petr Husek dụng phương pháp của Layne và Passino (1992)
[6] nhưng có cải tiến bằng cách đưa thêm vài biến trạng thái vào bộ điều khiển mờ.
Kết quả khi mô phỏng với một số đối tượng là chất lượng điều khiển tốt hơn so với
phương pháp gốc. Rất tiếc trong bài báo này chỉ nêu ra hướng sử lý là đưa thêm vài
biến trạng trái vào bộ điều khiển chứ không nêu cụ thể là đưa thêm những biến nào
và cách sử lý các biến đó như thế nào nên người đọc khó có thể làm theo lại giống
LUẬN VĂN THẠC SỸ

Trang 8

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

như cách mà tác giả bài báo này làm. Ở bài báo này người đọc chỉ có thể tham khảo
được ý tưởng là thêm biến trạng thái vào đầu vào bộ điều khiển mờ để tăng thêm
chất lượng bộ điều khiển theo phương pháp mờ học.

- Otto Cerman, Petr Husek, sử dụng phương pháp giống bài báo bài báo của
Layne và Passino (1992) [6]. Nhưng có cải tiến là bộ điều khiển mờ ban đầu được
thế kế có đặc tính điều khiển tốt luôn, để chất lượng điều khiển tốt luôn từ ban đầu
[14]. Ở bài báo này các hệ số bộ điều khiển mờ ban đầu được lấy từ kinh nghiệm
của tác giả.
Phương pháp này mặc dù được giới thiệu và nghiên cứu nhiều nhưng ở trong
nước đa số mới chỉ giới thiệu và mô phỏng chứ chưa chạy trên mô hình thực và
chưa được triển khai vào thực tiễn ở trong nước
Phương pháp này vẫn đang tiếp tục được sử dụng và cải tiến để cho đáp ứng
tốt hơn [11,13,14].
1.4 Mục tiêu của luận văn.
Nắm bắt và vận dụng phương pháp FMRLC.
Lập sơ đồ mô phỏng bằng simulink và thi cơng mơ hình thực tế nhằm giới
thiệu, kiểm nghiệm và triển khai phương pháp điều khiển này vào thực tiễn.
Cải tiến để mơ hình đơn giản và hiệu quả hơn so với một số bài báo đã đăng
ở một số tạp chí về phương pháp này [4, 6].
Áp dụng thuật tốn điều khiển hiện đại FMRLC vào mơ hình thực tế.
1.5 Kết quả dự kiến.
Thiết kế mơ hình thực với bộ điều khiển theo phương pháp FMRLC, và
phương pháp fuzzy, bộ điều khiển PID. Kiểm nghiệm và so sánh chất lượng của các
bộ điều khiển đó.
1.6 Phương pháp nghiên cứu.
- Thiết kế bộ điều khiển mờ rồi chạy mô phỏng.
- Thiết kế bộ điều khiển học theo mơ hình FMRLC rồi mô phỏng.
- Thiết kế bộ điều khiển PID.
- Khi mơ phỏng tốt rồi thì triển khai vào mơ hình thực tế.
1.7 Sơ lược nội dung của luận văn
Luận văn thực hiện nội dung qua 5 chương:
Chương 1: Giới thiệu chung về vấn đề điều khiển. Ưu nhược điểm của một số
phương pháp điều khiển mạnh đang phổ biến. Giới thiệu phương pháp điều khiển

học FMRLC. Trên cơ sở nghiên cứu tổng quan về các cơng trình liên quan, mục
tiêu của luận văn được xác định. Chương 1 cũng trình bày phương pháp nghiên cứu
luận văn. Cuối chương 1 là sơ lược nội dung luận văn.
Chương 2: Trình bày phương pháp điều khiển mờ và phương pháp điều khiển
học FMRLC. Chương 2 là nền tảng cơ sở lý thuyết để xây dựng thuật toán điều
khiển cho đối tượng thực là hệ bồn nước đôi.

LUẬN VĂN THẠC SỸ

Trang 9

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

Chương 3: Xây dựng mơ hình tốn học hệ bồn nước đơi, thiết kế giải thuật
điều khiển theo phương pháp FMRLC. Xây dựng mơ hình hệ, giải thuật điều khiển
trên Matlab/Simulink và tiến hành mô phỏng để kiểm tra so sánh giải thuật điều
khiển.
Chương 4: Trình bày thiết kế cơ khí, thiết kế mạch điện tử và các cảm biến sử
dụng cho mơ hình thực hệ bồn nước đơi. Xây dựng lưu đồ điều khiển và thiết kế
chương trình điều khiển thời gian thực cho hệ bồn nước đôi, đồng thời tiến hành
chạy thực hệ bồn nước đôi.
Chương 5: Nêu ưu điểm và hạn chế của giải thuật điều khiển đã thực hiện
trong luận văn, đóng góp khoa học và đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo để hoàn
thiện và mở rộng đề tài.

LUẬN VĂN THẠC SỸ

Trang 10

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 Điều khiển mờ
Điều khiển mờ đã được nêu rất kỹ và sử dụng ở nhiều đề tài và tài liệu nên
tác giả chỉ giới trình bày một phần về nó (phần tác giả vận dụng để làm bộ điều
khiển) trong đề tài [2, 3, 10].
2.1.1 Khái niệm về tập hợp mờ
Tập hợp kinh điển là một tập hợp có biên rõ ràng. Ví dụ tập hợp A bao gồm
các số thực lớn hơn 6 có thể được trình bày như sau
A  { x | x  6}

(2.1)

Trong đó nếu x lớn hơn giá trị biên rõ 6 thì x thuộc về tập A, ngồi ra x sẽ
khơng thuộc về tập kinh điển A. Mặc dù các tập hợp kinh điển phù hợp cho rất
nhiều ứng dụng và đã chứng minh là cơng cụ quan trọng cho tốn học và khoa học
máy tính, nhưng nó khơng phản ánh được khái niệm và cách nghĩ của con người là
trừu tượng và khơng chính xác. Như một ví dụ minh họa, về mặt tốn học ta có thể
mơ tả tập hợp người cao bao gồm những người có chiều cao lớn hơn 6 feet (1,829
m) được biểu diễn như hình 2.1. Nếu ta đặt A = “người cao” và x = “chiều cao” thì
điều này phát biểu khơng tự nhiên và khơng thích hợp khái niệm của con người về
“người cao”. Do bản chất phân đôi của tập kinh điển sẽ phân loại một người cao
6.001 ft là người cao nhưng người 5.999 ft thì khơng, sự phân loại này về mặt trực
giác không hợp lý. Sự khiếm khuyết bắt nguồn từ sự chuyển tiếp rõ ràng giữa sự
bao hàm và sự loại trừ trong một tập hợp.

Hình 2.1: Tập mờ và tập rõ của “người cao” và “nhiệt độ”.
Tương phản với tập hợp kinh điển, tập mờ (fuzzy set) là một tập hợp khơng

có biên rõ ràng. Có nghĩa là sự chuyển tiếp từ việc “thuộc về một tập” sang “không
thuộc về một tập” là từ từ (trơn) từng bước một. Và sự chuyển tiếp trơn này được
đặc tính bởi hàm thành viên làm cho tập mờ linh hoạt hơn trong việc mơ hình các
phát biểu ngơn ngữ được dùng hằng ngày như “nước nóng” hay “nhiệt độ cao”.

LUẬN VĂN THẠC SỸ

Trang 11

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1.2 Biến ngôn ngữ
Biến ngôn ngữ là phần tử chủ đạo trong các hệ thống dùng logic mờ. Ở đây
các thành phần ngôn ngữ của cùng một ngữ cảnh được kết hợp lại với nhau.
Để minh hoạ về hàm thuộc và biến ngôn ngữ ta xét ví dụ sau :
Xét tốc độ của một chiếc xe mơtơ, ta có thể phát biểu xe đang chạy:
- Rất chậm (VS)
- Chậm (S)
- Trung bình (M)
- Nhanh (F)
- Rất nhanh (VF)
Những phát biểu như vậy gọi là biến ngôn ngữ của tập mờ. Gọi x là giá trị
của biến tốc độ, ví dụ x =10km/h, x = 60km/h. Hàm phụ thuộc tương ứng của các
biến ngôn ngữ trên được ký hiệu là :
μVS(x), μS(x), μM(x), μF(x), μVF(x)

Hình 2.2: Giá trị của hàm phụ thuộc tương ứng
Như vậy biến tốc độ X có hai miền giá trị :
- Miền các giá trị ngôn ngữ :

N = { rất chậm, chậm, trung bình, nhanh, rất nhanh }
- Miền các giá trị vật lý :
V = { x∈B | x ≥ 0 }
Biến tốc độ được xác định trên miền ngôn ngữ N được gọi là biến ngôn ngữ.
Với mỗi x∈B ta có hàm thuộc :
x → μx = { μvs(x), μs(x), μM(x), μF(x), μvF(x) }
Ví dụ hàm thuộc tại giá trị rõ x=65km/h là:
μx(65) = { 0;0;0.75;0.25;0 }
2.1.3 Định nghĩa tập mờ
Tập mờ F xác định trên tập kinh điển B là một tập mà mỗi phần tử của nó là
một cặp giá trị (x, μF(x)), với x∈ X và μF(x) là một á nh xạ:
μF(x) : B → [0 1]
Trong đó: μF gọi là hàm thuộc, B gọi là tập nền.
Giá trị trong khoảng (0 1) biểu thị mức độ thành viên của một phần tử trong
một tập B đã cho.

LUẬN VĂN THẠC SỸ

Trang 12

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1.4 Các thuật ngữ trong logic mờ

Hình 2.3
• Độ cao tập mờ F là giá trị h = Sup (μF(x)), trong đó sup(μF(x)) chỉ giá trị
nhỏ nhất trong tất cả các chặn trên của hàm μF(x).
• Miền xác định của tập mờ F, ký hiệu là S là tập con thoả mãn :
S = Sup(μF(x)) = { x∈B | μF(x) > 0 }

• Miền tin cậy của tập mờ F, ký hiệu là T là tập con thoả mãn :
T = { x∈B | μF(x) = 1 }
• Các dạng hàm thuộc (membership function) trong logic mờ
Có rất nhiều dạng hàm thuộc như: Gaussian, PI-shape, S-shape, Sigmoidal,
Z-shape …

Hình 2.4 Các dạng hàm thuộc
2.1.5 Thành lập hàm thành viên và tham số
Như đã đề cập trước đây, một tập mờ hoàn toàn được đặc trưng bởi hàm
thành viên của nó, bởi vì hầu hết các tập mờ đang dùng có tập cơ sở là tồn bộ trục
thực R. Do đó về mặt thực tế, khơng thể liệt kê hết tất cả các hàm thành viên. Mục
này trình bày một số hàm thành viên tham số hóa thường dùng để định nghĩa hàm
thành viên một chiều và hai chiều. Các hàm thành viên có chiều cao hơn có thể
được định nghĩa theo một cách tương tự.

LUẬN VĂN THẠC SỸ

Trang 13

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1.5.1 Hàm thành viên một chiều (Hàm thành viên có một ngõ vào)
Định nghĩa Hàm thành viên dạng tam giác. Hàm thành viên dạng tam giác
được xác định bởi 3 tham số {a, b, c} như sau:
xa
 0,
xa

, a xb

b  a
triangle( x; a, b, c)  
c  x , b  x  c
cb
 0,
cx


(2.2)

Sử dụng hàm Max, Min ta có thể viết lại phương trình trên như sau:

 xa cx 
triangle( x; a, b, c)  max  min 
,
 ,0 
 ba c b  


Các tham số {a, b, c} (với a < b < c) xác định tọa độ

x

(2.3)

tại 3 góc của tam giác.

triangle ( x , 20, 60,80)

Hình 2.5: Ví dụ về 4 hàm thành viên cơ bản.

2.1.6 Suy luận mờ
Quy tắc suy luận cơ bản trong logic kinh điển là modus ponens, theo đó ta có
thể suy ra độ đúng của mệnh đề B từ độ đúng của mệnh đề A và phép kéo theo
AB. Ví dụ, nếu A đồng nhất với “the tomato is red” và B với “the tomato is ripe”,
khi đó nếu “the tomato is red” là đúng thì “the tomato is ripe” cũng đúng [13], [15].
Khái niệm này được minh họa như sau:

LUẬN VĂN THẠC SỸ

Trang 14

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Tuy nhiên, theo cách suy luận của con người, modus ponens được sử dụng
theo cách xấp xỉ. Ví dụ nếu ta có cùng mệnh đề “if the tomato is red, then it is ripe”
và ta biết rằng “the tomato is more or less red”, khi đó ta có thể suy ra rằng “the
tomato is more or less ripe”. Điều nay được viết như sau:

Trong đó A’ gần với A và B’ gần với B. Khi A, B, A’, B’ là các tập mờ có tập
cơ sở thích hợp, thủ tục suy diễn trước đây được gọi là suy luận mờ (cũng được gọi
là modus ponens tổng quát).
2.1.7 Giải mờ
Giải mờ là quá trình xác định giá trị rõ ở đầu ra từ hàm thuộc μB’(y) của tập
mờ B. Có 2 phương pháp giải mờ:
Phương pháp trọng tâm
Đây là phương pháp giải mờ được sử dụng nhiều nhất trong điều khiển.
Điểm y’ được xác định là hoành độ của điểm trọng tâm miền được bao bởi
trục hồnh và đường μB’(y).
Cơng thức xác định :

y'=

∫

µ( )

∫ µ( )

trong đó S là miền xác định của tập mờ B’

♦Phương pháp trọng tâm cho luật Sum-Min
Giả sử có m luật điều khiển được triển khai, ký hiệu các giá trị mờ đầu ra của
luật điều khiển thứ k là μB’k(y) thì với quy tắc Sum-Min hàm thuộc sẽ là
μB’(y) = ∑
μB’(y). và y’ được xác định

(2. 44)
trong đó

Hình 2.6. Minh họa một trường hợp
Xét riêng cho trường hợp các hàm thuộc dạng hình thang như hình trên :

LUẬN VĂN THẠC SỸ

Trang 15

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Chú ý hai công thức trên có thể áp dụng cả cho luật Max-Min

2.1.8 Bộ điều khiển mờ
2.1.8.1 Cấu trúc một bộ điều khiển mờ
Một bộ điều khiển mờ gồm 3 khâu cơ bản:
+ Khâu mờ hoá
+ Thực hiện luật hợp thành
+ Khâu giải mờ
Xét bộ điều khiển mờ MISO sau, với véctơ đầu vào X = [u1,u2, ... , un ]T

Hình 2.7: Cấu trúc một bộ điều khiển mờ [2]
2.1.8.2 Nguyên lý điều khiển mờ

Hình 2.8: Nguyên lý điều khiển mờ [2]

LUẬN VĂN THẠC SỸ

Trang 16

Điều khiển học hệ bồn nước đôi theo mô hình tham chiếu mờ

Tài liệu liên quan

Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về