FUZZY CONTROL AND NEURAL NETWORK

SV : NGUYỄN TÀI TỈNH____ SHSV: 20092747___LỚP: ĐK&TĐH5-K54
FUZZY CONTROL AND NEURAL NETWORK

Thiết kế bộ điều khiển nhiệt độ cho phòng làm việc
Cấu trúc mạch vòng điều khiển nhiệt độ phòng như sau:








Hình 1. Cấu trúc tổng quát mạch vòng điều khiển nhiệt độ phòng
Trong đó:


: tín hiệu đặt điện áp trong khoảng 0 10(V)


: tín hiệu phản hồi (V)
E : sai lệch giữa tín hiệu đặt và tín hiệu phản hồi -10   (V)
Udk : điện áp điều khiển biến tần 0  10(V)
n : tốc độ quay của động cơ 0 400 (vòng/phút)


: nhiệt độ phòng 10  độ
R : bộ điều chỉnh
Phòng là đối tượng phi tuyến có quan hệ với tốc độ n bằng phương trình:



=



R

Biến tần
Phòng
Cảm biến
nhiệt độ
Udk
E
n










-

+

SV : NGUYỄN TÀI TỈNH____ SHSV: 20092747___LỚP: ĐK&TĐH5-K54
Biến tần hệ số khuếch đại 40, thời gian trễ 1s do đó có hàm truyền đạt : 


=



Cảm biến nhiệt độ có nhiệm vụ phản hồi nhiệt độ quy đổi ra điện áp, nó có độ trễ rất nhỏ
nên coi xấp xỉ là khâu tỉ lệ có hàm truyền : 

= 0,2
Quan hệ giữa tín hiệu đặt 

và tín hiệu ra 

là phi tuyến :
+ Nếu 

= 0 => n=0 => 

=


=50
+ Nếu 

= 1 => n= 13,6 => 

=


= 44
+ Nếu 


= 6 => n= 92,3 => 

=


= 26
+ Nếu 

= 10 => n= 400 => 

=


= 10

Yêu cầu đặt ra lúc này là phải đi thiết kế bộ điều chỉnh R sao cho khi kích thích đầu vào
các 

thì thu được đầu ra là các giá trị 

tương ứng.Phương pháp dùng bộ điều khiển
PID tuyến tính kinh điển áp dụng trong trường hợp này còn rất nhiều hạn chế thậm chí là
không thể điều khiển được, bộ điều khiển mờ khắc phục hoàn toàn những gì thiếu sót mà
PID chưa làm được ! Sau đây em xin trình bày cả 2 phương pháp để thấy rõ sự khác biệt
của chúng và chọn ra giải pháp tối ưu nhất.

1. Bộ điều khiển PID
SV : NGUYỄN TÀI TỈNH____ SHSV: 20092747___LỚP: ĐK&TĐH5-K54

Hình 2. Mạch vòng điều chỉnh dùng PI với tham số Kp=20; Ki=49


Hình 3.Đáp ứng nhiệt độ khi 

= 0
SV : NGUYỄN TÀI TỈNH____ SHSV: 20092747___LỚP: ĐK&TĐH5-K54
Từ đồ thị thấy được đáp ứng nhiệt độ ra rất mất ổn định và có lúc vượt xa giá trị định
mức là 

rất nhiều lần;thay đổi các giá trị đặt khác cũng như các giá trị Kp, Ki khác
cũng cho kết quả cực xấu. Chứng tỏ bộ điều chỉnh PID gần như “bất lực” với đối
tượng phi tuyến.
2. Bộ điều khiển mờ
Nguyên tắc tổng hợp bộ điều khiển mờ hoàn toàn dựa vào những phương pháp
toán học trên cơ sở đònh nghóa các biến ngôn ngữ vào/ra và sự lựa chọn những luật
điều khiển. Do các bộ điều khiển mờ có khả năng xử lý các giá trò vào/ra biểu diễn
dưới dạng dấu phẩy động với độ chính xác cao nên chúng hoàn toàn đáp ứng được các
yêu cầu của một bài toán điều khiển “rõ ràng” và “chính xác”.
Bộ điều khiển mờ hoạt động chủ yếu dựa vào kinh nghiệm để thiết kế các luật
điều khiển, triển khai các mệnh đề hợp thành  xây dựng mô hình luật hợp thành .

2.1. Xác định các biến ngơn ngữ vào/ra
Đầu vào bộ ĐKM ở đây là sai lệch E, đầu ra là điện áp điều khiển biến tần
E=[-10  ]
Udk =[0  10]
Hàm liên thuộc các biến ngơn ngữ được chọn như sau:


=

[


























































]



= [

















]
2.2. Xây dựng luật hợp thành


E

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11
Udk
0

1
1

3

5
3

5

SV : NGUYỄN TÀI TỈNH____ SHSV: 20092747___LỚP: ĐK&TĐH5-K54
2.3. Chọn luật hợp thành Max-Min

2.4. Giải mờ bằng phương pháp trọng tâm


2.5. Mô phỏng

Trên cửa sổ MATLAB đánh lệnh fuzzy thấy xuất hiện cửa sổ FIS EDITOR rồi sau
đó tiến hành thiết kế bộ ĐKM theo trình tự như sau:

Hình 4. Giao diện FIS
Chọn các vùng sai lệch E và Udk như hình dưới đây

Hình 5. Các vùng sai lệch E
SV : NGUYỄN TÀI TỈNH____ SHSV: 20092747___LỚP: ĐK&TĐH5-K54

Hình 6. Các vùng Udk
Tạo luật điều khiển theo nguyên tắc hợp thành đã chọn phía trên


Hình 7. Luật hợp thành
Cửa sổ Rule Viewer và Surface thu được như sau:
SV : NGUYỄN TÀI TỈNH____ SHSV: 20092747___LỚP: ĐK&TĐH5-K54


Hình 8. Cửa sổ Rule Viewer và Surface
SV : NGUYỄN TÀI TỈNH____ SHSV: 20092747___LỚP: ĐK&TĐH5-K54

Tiến hành mô phỏng trên MATLAB/SIMULINK

Hình 9. Mạch vòng điều chỉnh dùng bộ điều khiển mờ
Kt qu c:

Hình 10. Đáp ứng nhiệt độ khi 

= 0
SV : NGUYỄN TÀI TỈNH____ SHSV: 20092747___LỚP: ĐK&TĐH5-K54
 Nếu đặt đầu vào 

= 0 thì đáp ứng đầu ra 

= 

ngay tức thời


Hình 11. Đáp ứng nhiệt độ khi 

= 1
 Nếu đặt đầu vào 

= 1 với steptime = 1s thì đáp ứng đầu ra  ở 

sau
một khoảng thời gian thì tiến đến giá trị xác lập là 

như đã yêu cầu (do đối tượng
có quán tính )

SV : NGUYỄN TÀI TỈNH____ SHSV: 20092747___LỚP: ĐK&TĐH5-K54

Hình 12. Đáp ứng nhiệt độ khi 

= 6
 Nếu đặt đầu vào 

= 6 với steptime =1 thì đáp ứng đầu ra tiến đến giá trị xác lập
là 



SV : NGUYỄN TÀI TỈNH____ SHSV: 20092747___LỚP: ĐK&TĐH5-K54

Hình 13. Đáp ứng nhiệt độ khi 

= 10
 Nếu đặt đầu vào 

= 10 thì đáp ứng đầu ra  vẫn ở 

sau đó một
khoảng thời gian quá độ sẽ bằng 



 Vậy bộ điều khiển mờ đã thiết kế hoàn toàn điều khiển được nhiệt độ của phòng
theo ý muốn

Thực tế đối tượng phòng luôn chịu những tác động phát sinh như : nhiệt độ ngoài trời,
độ ẩm không khí, sự phân bố nhiệt độ không đồng đều… Nên nhu cầu tất yếu đặt ra là bộ
ĐK thiết kế phải vẫn điều khiển tốt nhiệt độ phòng theo ý muốn khi có nhiễu tác động.
Sau đây xét hệ mạch vòng điều khiển khi có nhiễu tác động đầu ra với nguồn nhiễu có
công suất 0,01; thời gian trích mẫu 0,1

SV : NGUYỄN TÀI TỈNH____ SHSV: 20092747___LỚP: ĐK&TĐH5-K54

Hình 14. Mạch vòng điều chỉnh khi có nhiễu tác động


Hình 15. Đáp ứng đầu ra khi có nhiễu và 

= 10
SV : NGUYỄN TÀI TỈNH____ SHSV: 20092747___LỚP: ĐK&TĐH5-K54
 Với 

= 10 khi có nhiễu tác động thì đáp ứng đầu ra nhiệt độ không khác
nhiều so với trường hợp lý tưởng không có nhiễu. Nhiệt độ ra vẫn bám sát giá trị
xác lập là 

sau quá trình quá độ. Với các 

khác có nhiễu tác động, kết quả
thu được cũng gần như hoàn toàn giống trường hợp không có nhiễu

 KẾT LUẬN : Bộ điều khiển mờ đã thiết kế thỏa mãn hoàn toàn những yêu
cầu đặt ra trong cả trường hợp lý tưởng ( không có nhiễu ) lẫn trường hợp
không lý tưởng ( có nhiễu tác động, ngoài thực tế ).