ứng dụng bộ điều khiển mờ lai và scada trong hệ thống thử bơm

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG
–– —— && –– ——



LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP




Đề tài

Ư
Ư
Ù
Ù
N
N
G
G


D
D
U
U
Ï
Ï
N

N
G
G


B
B
O
O
Ä
Ä


Đ
Đ
I
I
E
E
À
À
U
U


K
K
H
H
I

I
E
E
Å
Å
N
N


M
M
Ơ
Ơ
Ø
Ø


L
L
A
A
I
I


V
V
A
A
Ø

Ø


S
S
C
C
A
A
D
D
A
A


T
T
R
R
O
O
N
N
G
G


H
H
E

E
Ä
Ä


T
T
H
H
O
O
Á
Á
N
N
G
G


T
T
H
H
Ư
Ư
Û
Û


B

B
Ơ
Ơ
M
M






GVHD : Th. PHAN NGUYỄN PHỤC QUỐC
SVTH : 1. NGUYỄN TUẤN ANH - 49700039
2. NGÔ HOÀNG QUÂN - 49701157
NIÊN KHÓA 1997 - 2002




Tháng 1/2002
Lời Cám ƠnLời Cám Ơn

Có lẽ để bày tỏ lòng biết ơn của chúng em đến tất cả mọi người thì những
lời cám ơn dưới đây chẳng thể nào tả hết, bởi vì sự giúp đỡ của mọi người quả là
quá lớn lao.
Trước hết, chúng em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy Phan Nguyễn
Phục Quốc, là giáo viên hướng dẫn, người đã giới thiệu chúng em với công ty
Vinh Nam, người thầy luôn nhiệt tình với học trò, cùng tất cả các thầy cô giáo
trong bộ môn Điều Khiển Tự Động đã tạo cho chúng em một nền tảng kiến thức
cần thiết cho sự nghiệp của chúng em sau này.

Tiếp đến, chúng em xin chân thành cảm ơn toàn thể ban lãnh đạo và tất cả
các anh chò trong công ty Vinh Nam đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để chúng em
hoàn thành nhiệm vụ, đặc biệt chúng em xin gửi lời cảm ơn đến anh Thái Công
Hùng – Giám đốc công ty – đã cho phép và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho
chúng em đến thực tập tại công ty, anh Nguyễn An – Trưởng phòng kỹ thuật, anh
Bùi Văn Quang, anh Nguyễn Vónh Thuận, anh Nguyễn Hoàng Thanh Hải, là
những người đã trực tiếp hướng dẫn chúng em trong quá trình nghiên cứu và hoàn
thành luận văn.
Cuối cùng, chúng em xin chân thành cảm ơn tất cả.
HCMC, 14.1.2002

Nguyễn Tuấn Anh
Ngô Hoàng Quân


Nhận xét của giáo viên hướng dẫn

Nhận xét của giáo viên phản biện

Nhaọn xeựt cuỷa coõng ty Vinh Nam

Mục lục i

MỤC LỤC
Lời Cám Ơn
Nhận Xét
Giới Thiệu Đề Tài

Phần 1 Lý thuyết điều khiển mờ 1
Chương 1 Các khái niệm cơ bản 2
1. Khái niệm về tập mờ 2
2. Các phép toán trên tập mờ 4
3. Biến ngôn ngữ và các giá trò của nó 8
4. Luật hợp thành mờ 10
5. Giải mờ 15
Chương 2 Điều khiển mờ 21
1. Bộ điều khiển mờ cơ bản 21
2. Những nguyên tắc tổng hợp bộ điều khiển mờ 22
3. Hệ điều khiển mờ lai 28
4. Chỉnh đònh mờ tham số bộ điều khiển PID 32
Phần 2 PLC S7-400 và Tập lệnh 37
Chương 1 Ngôn ngữ lập trình STL 38
1. Cấu trúc lệnh và trạng thái kết quả 39
2. Các lệnh cơ bản 45
3. Các lệnh toán học 55
4. Lệnh logic tiếp điểm trên thanh ghi trạng thái 57
5. Lệnh đổi kiểu dữ liệu 62

6. Các lệnh điều khiển chương trình 66
7. Bộ thời gian (Timer) 71
8. Bộ đếm (Counter) 75
9. Kỹ thuật lập trình 78
9.1. Lập trình tuyến tính và lập trình có cấu trúc 78
9.2. Tổ chức bộ nhớ CPU 79
9.3. Trao đổi dữ liệu giữa CPU và các modules mở rộng 80
9.4. Gọi khối FC 81
9.5. Instance block và thủ tục gọi khối FB 81
Chương 2 Điều khiển mờ với S7-400 82
1. Chương trình FCPA 82
2. Sử dụng DB mờ vơi FB30 (Fuzzy Control) 82
3. Module mềm PID 83
Mục lục ii

Chương 3 Thuật toán điều khiển PID 93
1. Điều khiển PID liên tục 93
2. Dạng rời rạc của bộ điều khiển PID 95
2.1. Sự hiệu chỉnh thực tế của bộ điều khiển 96
2.2. Kỹ thuật antiwindup bộ tích phân 96
2.3. Chức năng cụ thể của các thành phần trong PID 101
Phần 3 HMI/SCADA (Development with iFIX/Intellution) 107
1. Tổng quan 108
1.1. Giới thiệu về iFIX 108
1.2. Thu thập dữ liệu 108
1.3. Quản lý dữ liệu 108
2. Cấu trúc 109
2.1. Giới thiệu về đồ họa (Graphics) 109
2.2. Thẻ (Tags) 111
2.3. Scheduler 112

2.4. Trình quản lý cơ sở dữ liệu (Database Manager) 114
2.5. Báo động (Alarming) 115
Phần 4 Thiết kế kỹ thuật sơ đồ công nghệ hệ thống thủ bơm 117
Chương 1 Tổng quan 118
1. Mục đích của hệ thống thử bơm 118
2. Thuyết minh kỹ thuật 118
2.1. Phương trình năng lượng 118
2.2. Tổn thất dọc đường trong ống 120
2.3. Tổn thất cục bộ trong đường ống 122
3. Phương pháp nghiên cứu và ứng dụng lý thuyết giải quyết bài toán 126
3.1. Phương pháp nghiên cứu 126
3.2. Thiết kế bộ điều khiển mờ để chỉnh đònh tham số bộ điều khiển PID
127
3.3. Thiết kế mô hình và Lập trình điều khiển 128
4. Hướng dẫn vận hành hệ thống 132
5. Bảng chú giải tên của các thiết bò sử dụng 133
6. Bảng Chú Giải Các Đại Lượng Vật Lý và Các Thuật Ngữ Sử Dụng 134
Chương 2 Các thiết bò dùng trong luận văn 135
1. PLC S7-400 135
2. Combined Liquid Flow Transducer/Transmitter (Cảm biến lưu lượng)140
3. Proportional Solenoid Valves & Modules (Van điều khiển tỉ lệ) 141
DIP Switch 143
4. General Purpose Pressure Transducers/ Transmitters (GEMS
Transinstruments) (Cảm biến áp suất lưu lượng) 143
Mục lục iii

5. Pump (Bơm) 143
6. Tủ điện 144
7. Đặt cấu hình – Kết nối các thiết bò 144
7.1. Sơ đồ chung 144

7.2. Kết nối các thiết bò trong mạng Industrial Ethernet 145
7.3. Đặt cấu hình cho S7-400 149
7.4. Kết nối các thiết bò của mô hình hệ thống thử bơm vào PLC 150
Chương 3 Chương trình chính 153
1. Diễn giải hệ thống 153
1.1. iFIX 153
1.2. Step 7 Manager 153
1.3. Lưu đồ giải thuật 153
2. Giao diện 155
2.1. Màn hình chính 155
2.2. Màn hình đặt giá trò 156
2.3. Màn hình xem báo động 158
2.4. Màn hình hiển thò kết quả 159
2.5. Màn hình About Program 160
3. Chương trình điều khiển 161
3.1. Cấu trúc chương trình 161
3.2. Project LVTN 161
Chương 4 Kết quả thi công và hướng mở rộng đề tài 163
1. Kết quả thi công 163
1.1. Điều khiển một điểm [lưu lượng] 163
1.2. Điều khiển 7 điểm [lưu lượng] 165
2. Hướng mở rộng đề tài 168

Tài liệu tham khảo
Phụ lục 1 : Đặc điểm kỹ thuật của một số thiết bò
Phụ lục 2 : Chương trình điều khiển hệ thống viết trên iFIX V2.21
Phụ lục 3 : Chương trình điều khiển hệ thống viết trên Step7

GIỚI THIỆU ĐỀ TÀIGIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
–– —— && –– ——


Những năm đầu của thập kỷ 90, một ngành điều khiển kỹ thuật mới được
phát triển rất mạnh mẽ và đã đem lại nhiều thành tựu bất ngờ trong lónh vực điều
khiển, đó là điều khiển mờ. Ưu điểm cơ bản của điều khiển mờ so với các
phương pháp điều khiển kinh điển là có thể tổng hợp được bộ điều khiển mà
không cần biết trước đặc tính của đối tượng một cách chính xác.
Trong thực tế để phát huy hết ưu điểm của mỗi loại bộ điều khiển mờ và bộ
điều khiển rõ (kinh điển), người ta thường dùng các hệ kết hợp giữa hai loại bộ
điều khiển truyền thống và điều khiển mờ với nhau, ta gọi đó là bộ điều khiển
mờ lai.
Từ đó, việc kết hợp giữa bộ điều khiển kinh điển và bộ điều khiển mờ chính
là cơ sở lý thuyết cho đề tài này.
Một trong những đơn vò nghiên cứu và ứng dụng các thành tựu khoa học đã
đưa cơ sở lý thuyết này vào ứng dụng thực tế, công ty TNHH TM&DV Vinh
Nam, với dự án Hệ thống thử bơm và Máy nén khí, được lắp đặt tại xí nghiệp
liên doanh VietsoPetro.
Quasự giới thiệu của thầy Phan Nguyễn Phục Quốc, những người thực hiện
đã được công ty giao cho việc thực hiện một mô hình Demo thu nhỏ của dự án
(dó nhiên là đơn giản hơn hệ thống thật) với tên gọi “ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU
KHIỂN MỜ LAI VÀ SCADA TRONG HỆ THỐNG THỬ BƠM” với mục đích
thử nghiệm thành công cơ sở lý thuyết này. Bên cạnh đó, những người thực hiện
còn nghiên cứu ứng dụng SCADA (Supersisory Control And Data Acquisition)
vào việc điều khiển và giám sát cũng như thu thập số liệu của hệ thống.
Hệ thống thử bơm là một hệ thống có quán tính lớn, các thông số của hệ
thống lại hoàn toàn không biết trước, vì thế để điều khiển hệ thống, những người
thực hiện đã kết hợp giữa bộ điều khiển kinh điển PID và lý thuyết điều khiển

mờ để hệ thống có thể tự chỉnh đònh các thông số của nó nhằm đưa hệ thống đạt
được yêu cầu của bài toán.
Nhận thấy tầm ứng dụng to lớn của PLC SIMATIC S7-400 sẵn có tại công
ty và phần mềm rất hiệu quả Step7, những người thực hiện đã tranh thủ đưa vào
ứng dụng cho hệ thống của mình.





Như vậy, nội dung của luận văn gồm những phần chính như sau:

• Cơ sở lý thuyết:
Phần 1: Lý thuyết điều khiển mờ
Phần 2: PLC SIMATIC S7-400 và Tập lệnh
Phần 3: HMI/SCADA (Development with iFIX – Intellution)
• Ứng dụng – Vận hành
Phần 4: Thiết kế kỹ thuật sơ đồ công nghệ hệ thống thử bơm

Việc gì cũng có khó khăn, trở ngại của nó, không nhiều thì ít (thời gian,
thiết bò, ) và do đó, sai sót, khuyết điểm,… là điều không tránh khỏi. Những
người thực hiện kính mong quý thầy cô cũng như các anh chò trong công ty thông
cảm và lượng thứ. Mọi ý kiến góp ý, những người thực hiện đều xin ghi nhận.
Cuối cùng, những người thực hiện xin chân thành cảm ơn tất cả.

Sinh viên

Nguyễn Tuấn Anh
Ngô Hoàng Quân

Mặt Trước Của Mô Hình Hệ Thống



Maởt Sau Cuỷa Moõ Hỡnh Heọ Thoỏng








P
P
h
h
a
a
à
à
n
n


1
1

LL
LL
YY
YY
ÙÙ
ÙÙ


TT
TT
HH
HH
UU
UU
YY
YY
EE
EE
ÁÁ
ÁÁ
TT
TT

ÑÑ
ÑÑ
II
II
EE
EE
ÀÀ
ÀÀ
UU
UU


KK
KK
HH
HH
II
II
EE
EE
ÅÅ
ÅÅ
NN
NN


MM

MM
ÔÔ
ÔÔ
ØØ
ØØ


Phần 1: Điều khiển mờ

ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN MỜ VÀ SCADA TRONG HỆ THỐNG THỬ BƠM Trang 2

Chương
11
11


C
C
A
A
Ù
Ù
C
C


K
K
H
H

A
A
Ù
Ù
I
I


N
N
I
I
E
E
Ä
Ä
M
M


C
C
Ơ
Ơ


B
B
A
A

Û
Û
N
N



1. KHÁI NIỆM VỀ TẬP MỜ
1.1. Đònh nghóa tập mờ
Hàm phụ thuộc
A
µ
(x) đònh nghóa trên tập A được đònh nghóa trong tập hợp
kinh điển chỉ có hai giá trò là 1 nếu x thuộc A hoặc 0 nếu x không thuộc A. Ta
thấy cách biểu diễn như vậy sẽ không phù hợp với những tập mô tả “mờ” như
tập B gồm các số thực dương nhỏ hơn nhiều so với 6
B ={ x∈R | x << 6 } (1.1)
Hoặc tập C gồm các số thực gần bằng 3
C ={ x∈R | x ≈ 3 } (1.2)
Lý do với những đònh nghóa mờ như vậy chưa đủ để xác đònh được một số
x=3,5 có thuộc B hay không hoặc x=2,5 có thuộc C hay không. Nếu đã không
khẳng đònh được x=3,5 có thuộc B hay không thì cũng không thể khẳng đònh được
x=3,5 không thuộc B. Vậy thì x=3,5 thuộc B bao nhiêu phần trăm?. Giả sử rằng
câu trả lời đó có thì hàm phụ thuộc µ
B
(x) tại điểm x=3,5 phải có một giá trò trong
khoảng [0,1], tức là
0 <
B
µ

< 1 (1.3)
Hàm số cho biết độ phụ thuộc của các phần tử vào tập mờ gọi là hàm liên
thuộc.
Như đã trình bày ở phần trước, từ phát biểu mô tả tập hợp kinh điển ta hoàn
toàn có thể suy ra hàm đặc trưng của tập hợp. Trái lại từ phát biểu mô tả tập
hợp mờ ta không thể suy ra hàm liên thuộc. Do đó hàm liên thuộc phải được
nêu lên như là một điều kiện trong đònh nghóa tập mờ.
Đònh nghóa 1.1: Tập mờ F xác đònh trên tập kinh điển M là một tập mà mỗi phần
tử của nó là một cặp các giá trò (x, µ
F
(x)) trong đó x ∈ M và µ
F
là ánh xạ.
Phần 1: Điều khiển mờ

ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN MỜ VÀ SCADA TRONG HỆ THỐNG THỬ BƠM Trang 3
m
1
m
2
m
3
m
4
0
1
µ
F
(x)

x ∈ M
x
µ
F
: M → [0, 1] (1.4)
Ánh xạ µ
F
(x) được gọi là hàm liên thuộc (hoặc hàm phụ thuộc) của tập mờ
F. Tập kinh điển mờ được gọi là cơ sở của tập mờ F.
Sử dụng các hàm liên thuộc để tính độ phụ thuộc của một phần tử x nào đó
có hai cách: tính trực tiếp (nếu µ
F
(x) cho trước dưới dạng công thức tường minh)
hoặc tra bảng (nếu µ
F
(x) cho dưới dạng bảng).
Các hàm liên thuộc thường có dạng trơn được gọi là hàm liên thuộc kiểu S.
Đối với hàm liên thuộc kiểu S do các công thức biểu diễn µ
F
(x) có độ phức tạp
lớn nên thời gian tính độ phụ thuộc cho một phần tử lâu. Bởi vậy trong kỹ thuật
điều khiển mờ thông thường các hàm liên thuộc kiểu S hay được thay gần đúng
bằng một hàm tuyến tính từng đoạn và được gọi là hàm liên thuộc có mức
chuyển đổi tuyến tính.

Hàm liên thuộc µ
F
(x) như trên với m
1
= m
2
và m
3
= m
4
chính là một hàm phụ
thuộc của một tập kinh điển.
1.2. Độ cao, miền xác đònh và miền tin cậy của tập mờ
Thông thường các hàm liên thuộc đều có độ cao bằng 1. Điều đó nói rằng
các tập mờ đều có ít nhất một phần tử có độ phụ thuộc bằng 1. Trong thực tế
không phải tập mờ nào cũng có phần tử có độ phụ thuộc bằng 1, tương ứng với
điều đó thì không phải mọi hàm liên thuộc đều có độ cao là 1.
Đònh nghóa 1.2: Độ cao của tập mờ F (trên cơ sở M) là giá trò
H = sup µ
F
(x) (1.5)
Một tập mờ với ít nhất một phần tử có độ phụ thuộc bằng 1 được gọi là tập
mờ chính tắc tức là H =1, ngược lại một tập mờ F với H<1 được gọi là tập mờ
không chính tắc.
Đònh nghóa 1.3: Miền xác đònh của tập mờ F (trên cơ sở M), được ký hiệu bởi S là
tập con của M thỏa mãn
Hình 1.1

: Hàm liên thuộc có mức chuyển đổi tuyến tính.
Phần 1: Điều khiển mờ

ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN MỜ VÀ SCADA TRONG HỆ THỐNG THỬ BƠM Trang 4
S = { x∈M | µ
F
(x) > 0 } (1.6)
Đònh nghóa 1.4: Miền tin cậy của tập mờ F (trên cơ sở M), được ký hiệu bởi T là
tập con của M thỏa mãn
T = { x∈M | µ
F
(x) = 1 } (1.7)













2. CÁC PHÉP TOÁN TRÊN TẬP MỜ
2.1. Phép hợp hai tập mờ
Đònh nghóa hợp hai tập mờ có cùng cơ sở: Hợp của hai tập mờ A và B có cùng
cơ sở M là một tập mờ cũng xác đònh trên cơ sở M với hàm liên thuộc
)(x

BA∪
µ
=Max{ )(~ x
A
µ
, )(~ x
B
µ
} (1.8)
Ngoài ra còn có những công thức tính hợp hai tập mờ như:
)(x
BA∪
µ
= min{1, )(x
A
µ
+ )(x
B
µ
} (Phép hợp Lukasiewicz) (1.9)
)(x
BA∪
µ
= )(x
A
µ
+ )(x
B
µ
– )(x

A
µ
)(x
B
µ
(Tổng trực tiếp) (1.10)
Công thức (1.8) cũng áp dụng được cho hai tập mờ không cùng cơ sở như đã
làm đối với giao của hai tập mờ






x
µ
F
(x)

1

0

miền tin cậy
miền xác đònh
Hình 1.2: Minh họa về miền xác đònh và miền tin cậy của một tập mờ

Phần 1: Điều khiển mờ

ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN MỜ VÀ SCADA TRONG HỆ THỐNG THỬ BƠM Trang 5

Đònh nghóa hợp hai tập mờ không cùng cơ sở : Hợp hai tập mờ A có hàm liên
thuộc )(x
A
µ
(đònh nghóa trên cơ sở X) và
B
~
có hàm liên thuộc )(y
B
µ
(đònh nghóa
trên cơ sở Y) là một tập mờ xác đònh trên cơ sở X×Y với hàm liên thuộc :
),( yx
BA∪
µ
=max{ ),( yx
A
µ

, ),( yx
B
µ
} (1.11)
trong đó
),( yx
A
µ
= )(x
A
µ
với mọi y∈Y (1.12)
),( yx
B
µ
= )(y
B
µ
với mọi x∈X (1.13)

µ

x

µ
A
(x) µ
B
(x)

Hình 1.3: Hợp của hai tập mờ cùng cơ sở

)(x
A
µ
x
)(y
B
µ
a)
x
X×Y
y
),( yx
A
µ
x
X×Y

),( yx
B
µ
b)
Phần 1: Điều khiển mờ

ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN MỜ VÀ SCADA TRONG HỆ THỐNG THỬ BƠM Trang 6
)(µ
B
A
x
∩














2.2. Phép giao hai tập mờ
Đònh nghóa giao hai tập mờ cùng cơ sở: Giao của hai tập mờ A và B có cùng cơ
sở X là một tập mờ xác đònh trên cơ sở X có hàm liên thuộc:
A ∩B:

BA
µ
∩
(x) = min{
A
µ (x) , )(µ
B
x } (1.14)









Tuy nhiên có nhiều cách khác đònh nghóa giao hai tập mờ như:
)(µ
BA
x
∩

=Max {0,
A
µ (x)+ )(µ
B
x –1} (Phép giao Lukasiewicz) (1.15)
)(µ
BA

x
∩
=
A
µ
B
µ (Tích đại số) (1.16)
Công thức (1.14) cũng áp dụng được cho hợp hai tập mờ không cùng cơ sở
bằng cách đưa cả hai tập mờ về cùng một cơ sở là tích của hai cơ sở đã cho.
y
),( yx
BA∪
µ

x
c)
Hình 1.4: Phép hợp hai tập mờ không cùng cơ sở
a) Hàm liên thuộc của hai tập mờ A và B.
b) Đưa hai tập mờ về cùng một cơ sở.
c) Giao hai tập mờ cùng cơ sở là tích hai cơ sở X và Y.

A
~µ
B
~µ

Hình 1.5: Giao hai tập mờ cùng cơ sở
Phần 1: Điều khiển mờ

ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN MỜ VÀ SCADA TRONG HỆ THỐNG THỬ BƠM Trang 7

Ví dụ: Có hai tập mờ A (đònh nghóa trên cơ sở X) và B (đònh nghóa trên cơ sở Y).
Do hai cơ sỡ X và Y độc lập với nhau nên hàm liên thuộc )(x
A
µ
(x
∉
X) của tập
mờ A sẽ không phụ thuộc vào Y và ngược lại )(y
B
µ
(y
∉
Y) của tập mờ B cũng
sẽ không phụ thuộc vào X. Như vậy trên cơ sở mới là tập tích X×Y của hai cơ sở
thì hàm liên thuộc )(x
A
µ
phải là một mặt cong dọc theo trục y và hàm liên thuộc
)(y
B
µ
phải là một mặt cong dọc theo trục x. Để phân biệt được chúng, kí hiệu A
sẽ được dùng để chỉ tập mờ A trên cơ sở X×Y .Tương tự cho kí hiệu B . Với
những kí hiệu đó thì:
)(),( xyx
AA
µµ
= ∀y∈Y (1.17)
)(),( yyx
BB

µµ
= ∀x∈X (1.18)
Đònh nghóa giao hai tập mờ không cùng cơ sở: Giao của hai tập mờ
A
~
có hàm
liên thuộc )(~ x
A
µ
đònh nghóa trên cơ sở X và tập mờ
B
~
có hàm liên thuộc )(~ y
B
µ

đònh nghóa trên cơ sở Y là một tập mờ đònh nghóa trên cơ sở X×Y có hàm liên
thuộc.
),( yx
BA∩
µ

=Min { ),( yx
A
µ
, ),( yx
B
µ
} (1.19)
trong đó

),( yx
A
µ
= )(x
A
µ
với mọi y∈Y (1.20)
),( yx
B
µ
= )(y
B
µ
với mọi x∈X (1.21)















)(~ x

A
µ
x
)(~ y
B
µ

a)
x
y
),( yx
A
µ
x
X×Y
),( yx
B
µ
b)
Phần 1: Điều khiển mờ

ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN MỜ VÀ SCADA TRONG HỆ THỐNG THỬ BƠM Trang 8

2.3. Phép bù của một tập mờ
Bù của một tập mờ
A
~
có cơ sở là X và hàm liên thuộc là )(~ x
A
µ
là một tập
mờ
C
A
xác đònh trên cùng cơ sở X với hàm liên thuộc:
)(µ
C
A
x =1- )(~ x
A
µ
(1.22)




3. BIẾN NGÔN NGỮ VÀ CÁC GIÁ TRỊ CỦA NÓ

Con người suy nghó và giao tiếp với nhau bằng ngôn ngữ tự nhiên. Vì vậy
muốn thiết kế một bộ điều khiển bắt chước sự suy nghó, xử lí thông tin và ra
quyết đònh của con người trước tiên chúng ta cần phải biểu diễn được ngôn ngữ tự
0
1
)(µ
A
~ x
x
1
a)
b)
Hình 1.7: Tập bù A
C
của tập mờ A
a) Hàm liên thuộc của tập mờ A
b) Hàm liên thuộc của tập mờ A
C

x
(
)
yx
BA
,
∩
µ
y
c)
Hình 1.4: Phép giao hai tập mờ không cùng cơ sở

a) Hàm liên thuộc của hai tập mờ A và B.
b) Đưa hai tập mờ về cùng một cơ sở.
c) Giao hai tập mờ cùng cơ sở là tích hai cơ sở X và Y.

Phần 1: Điều khiển mờ

ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN MỜ VÀ SCADA TRONG HỆ THỐNG THỬ BƠM Trang 9
nhiên bằng mô hình toán học. Đặc điểm của ngôn ngữ tự nhiên là chứa thông tin
mơ hồ, không chắc chắn, mà tập hợp mờ cũng chứa thông tin mơ hồ không chắc
chắn nên rõ ràng chúng ta thấy ngay rằng có thể dùng tập hợp mờ để biểu diễn
ngôn ngữ tự nhiên. Trong mục này chúng ta xét khái niệm biến mờ.
Ví dụ để minh họa về biến mờ và biến ngôn ngữ
Xét phản ứng của một con người trong việc điều khiển chiếc xe mà ông ta
đang lái trên con đường.
- Đại lượng điều khiển thứ nhất là con đường trước mặt. Ông ta có nhiệm
vụ điều khiển chiếc xe đi đúng phần đường qui đònh, tức là phải luôn giữ cho xe
nằm trong phần đường bên phải kể từ vạch phân cách, trừ những trường hợp phải
vượt qua xe khác. Để làm được công việc đó, thậm chí ông ta cũng không cần
phải biết chính xác rằng xe của ông hiện thời cách vạch phân cách bao nhiêu
centimeter, chỉ cần nhìn vào con đường trước mặt, ông ta có thể suy ra rằng xe
hiện đang cách vạch phân cách nhiều hay ít và từ đó đưa ra quyết đònh phải đánh
tay lái sang phải hay sang trái mạnh hay nhẹ
- Đại lượng điều khiển thứ hai là tốc độ xe. Ông ta phải điều khiển tốc độ
xe tùy thuộc vào con đường trước mặt mà có lúc ông phải chạy chậm hay chạy
nhanh. Ví dụ đoạn đường nào ít người vắng vẻ thì ông ta có thể tăng tốc độ của
xe và chạy nhanh, đoạn đường nào nhiều người thì ông ta phải giảm tốc độ và
chạy chậm
- Ngoài hai đại lượng điều khiển ở trên thì còn có những đại lượng khác mà
ông ta cần quan tâm trong quá trình điều khiên là: áp suất hơi trong lốp, nhiệt độ
máy, áp suất dầu cao hay thấp

Với ví dụ trên ta có thể lấy biến tốc độ làm ví dụ.
Với tốc độ thì ta có thể nói là cho xe chạy với tốc độ chậm, hoặc cho xe chạy với
tốc độ trung bình, hoặc là cho xe chạy với tốc độ nhanh.
Với các từ :
-Chậm
-Trung bình
-Nhanh
là thay thế cho tốc độ trong một khoảng vận tốc nào đó. Do đó mà mỗi giá trò
ngôn ngữ đó của biến tốc độ được xác đònh bằng một tập mờ đònh nghóa trên cơ
sở là tập các số thực dương chỉ giá trò vật lí của biến tốc độ v như 40km/h, 50km/h
Vậy ta có các khái niệm sau:
Biến ngôn ngữ là biến mà giá trò của nó là các từ (tốc độ). Biến này nhận
các giá trò ngôn ngữ (chậm, trung bình, nhanh) làm giá trò cho nó.
Phần 1: Điều khiển mờ

ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN MỜ VÀ SCADA TRONG HỆ THỐNG THỬ BƠM Trang 10
Vậy giá trò ngôn ngữ là giá trò của biến ngôn ngữ
4. LUẬT HP THÀNH MỜ
4.1. Mệnh đề hợp thành
Trên đây biến ngôn ngữ (ví dụ biến v chỉ tốc độ xe) được xác đònh thông
qua các giá trò mờ của nó. Cùng là một đại lượng vật lý chỉ tốc độ nhưng biến v
có hai khái niệm.
• Là biến vật lý với các giá trò rõ như v=40km/h hay v=75km/h, (miền xác
đònh là tập kinh điển).
• Là biến ngôn ngữ với các giá trò mờ như rất chậm, chậm, trung bình, (miền
xác đònh là tập các tập mờ).
Để phân biệt chúng, sau đây là ký hiệu La mã ν sẽ được dùng để chỉ biến
tốc độ v là biến ngôn ngữ.
Cho hai biến ngôn ngữ χ và γ. Nếu biến χ nhận giá trò (mờ) A có hàm liên
thuộc µ

A
(x) và γ nhận giá trò (mờ) B có hàm liên thuộc µ
B
(y) thì hai biểu thức
χ = A (1.23a)
γ = B (1.23b)
được gọi là hai mệnh đề.
Ký hiệu mệnh đề (1.23a) là p và (1.23b) là q thì mệnh đề hợp thành
p ⇒ q (từ p suy ra q), hoàn toàn tương xứng với luật điều khiển (mệnh đề hợp
thành một điều kiện)
NẾU χ = A THÌ γ = B
Trong đó mệnh đề p được gọi là mệnh đề điều kiện và q là mệnh đề hợp
thành.
Mệnh đề hợp thành trên là một ví dụ đơn giản về bộ điều khiển mờ. Nó cho
phép từ một giá trò đầu vào x
0
hay cụ thể hơn là từ độ phụ thuộc µ
A
(x
0
) đối với
tập mờ A của giá rò đầu vào x
0
xác đònh hệ số thỏa mãn của mệnh đề kết luận
của giá trò đầu ra y. Biểu diễn hệ số thỏa mãn mệnh đề q của y như một tập mờ
B’ cùng cơ sở với B thì mệnh đề hợp thành chính là ánh xạ µ
A
(x
0
) → µ

B’
(y).
Mô tả mệnh đề hợp thành:
Ánh xạ µ
A
(x
0
) → µ
B’
(y) chỉ ra rằng mệnh đề hợp thành là một tập mà mỗi
phần tử là một giá trò (µ
A
(x
0
), µ
B’
(y)), tức là mỗi phần tử là một tập mờ. Mô tả
mệnh đề hợp thành chính là mô tả ánh xạ trên.
Sau đây, ánh xạ µ
A
(x
0
) → µ
B’
(y) sẽ được gọi là hàm liên thuộc của luật hợp
thành. Trong toán logic kinh điển, giữa mệnh đề hợp thành p ⇒ q và các mệnh
đề điều kiện p, kết luận q có các quan hệ sau:
Phần 1: Điều khiển mờ

ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN MỜ VÀ SCADA TRONG HỆ THỐNG THỬ BƠM Trang 11

P q p ⇒⇒ q
0 0 1
0 1 1
1 0 0
1 1 1

Nói cách khác: mệnh đề hợp thành p ⇒ q có giá trò logic của qvp
Biểu thức tương đương cho hàm liên thuộc của mệnh đề hợp thành sẽ là
A ⇒ B → Max{1 - µ
A
(x), µ
B
(y) } (1.24)
Hàm liên thuộc của mệnh đề hợp thành (1.24) có cơ sở là tập tích hai tập cơ
sở đã có. Do có sự mâu thuẫn rằng p ⇒ q luôn có giá trò đúng (giá trò logic 1) khi
p sai nên sự chuyển đổi tương đương từ mệnh đề hợp thành p⇒q kinh điển sang
mệnh đề hợp thành mờ A ⇒ B như (1.24) không áp dụng được trong kỹ thuật
điều khiển mờ.
Nhằm khắc phục nhược điểm trên, đã có nhiều ý kiến khác nhau về nguyên
tắc xây dựng hàm liên thuộc µ
A⇒B
(x,y) song nguyên tắc của Mamdani “ Độ
phụ thuộc của kết luận không được lớn hơn độ phụ thuộc của điều kiện “ là
có tính thuyết phục hơn cả và hiện đang được sử dụng nhiều nhất để mô tả luật
mệnh đề thành mờ trong kỹ thuật điều khiển.
Từ nguyên tắc của Mamdani có được các công thức xác đònh hàm liên thuộc
sau cho mệnh đề hợp thành A ⇒ B:
µ
A⇒B
(x,y) = Min {µ

A
(x), µ
B
(y)} (Công thức Max-Min)
µ
A⇒B
(x,y) = µ
A
(x).µ
B
(y) (Công thức Max-Prod)
Hai công thưc trên cho mệnh đề hợp thành A ⇒ B được gọi là mệnh đề hợp
thành.
Giả sử biến ngôn ngữ χ chỉ tốc độ và γ chỉ sự tác động ga xe. Luật điều
khiển cho xe chạy với tốc độ trung bình không đổi sẽ tương đương với mệnh đề
hợp thành mờ một điều kiện sau
NẾU χ = chậm THÌ γ = tăng (1.25)
với µ
chậm
(x), µ
tăng
(y) (như trong hình 1.8a) có hàm liên thuộc µ
chậm⇒tăng
(x,y) sử
dụng qui tắc Max-Min tại một giá trò rõ x=x
0
là phần dưới của hàm µ
tăng
(y) bò cắt
bởi đường H=µ

chậm
(x
0
) (hình 1.8b), còn hình 1.8c là hàm liên thuộc của (1.8a) với
quy tắc Max-Prod.

Phần 1: Điều khiển mờ

ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN MỜ VÀ SCADA TRONG HỆ THỐNG THỬ BƠM Trang 12
x
0

4.2. Luật hợp thành mờ
Hàm liên thuộc µ
chậm⇒tăng
(x
0
,y) trong ví dụ trên với một giá trò vật lý rõ x=x
0

có cùng cơ sở với µ
tăng
(y). Tổng quát lên thì hàm liên thuộc µ
A⇒B
(x,y) của mệnh
đề hợp thành A⇒B bây giờ sẽ ký hiệu ngắn gọn thành R tại một giá trò rõ x=x
0
là
một hàm liên thuộc cho một giá trò mờ nào đó của biến ngôn ngữ y.
a)
µ
µ
chậm

(x)

x
µ
µ
tăng
(x)
x
c)
µ
chậm
(x)

x
x
0

µ
chậm⇒tăng
(x
0
,y)

µ
µ
µ
tăng
(x)
x
H

b)
µ
µ
chậm
(x)

x
µ
µ
tăng
(x)
x
µ
chậm⇒tăng
(x
0
,y)
H
Hình 1.8: Hàm liên thuộc của luật hợp thành µ
chậm
⇒
tăng
(x,y)
a) Hàm liên thuộc µ
chậm
(x) vàµ
tăng
(y)
b) µ
chậm⇒tăng

(x
0
,y) với qui tắc Miax-Min
c) µ
chậm⇒tăng
(x
0
,y) với qui tắc Max-Prod

Phần 1: Điều khiển mờ

ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN MỜ VÀ SCADA TRONG HỆ THỐNG THỬ BƠM Trang 13
x
Luật hợp thành là tên gọi chung mô hình R biểu diễn (một hay nhiều) hàm
liên thuộc µ
A⇒B
(x,y) cho (một hay nhiều) mệnh đề hợp thành A⇒B. Nếu hàm
liên thuộc µ
A⇒B
(x,y) được biểu diễn theo qui tắc Max-Min thì R có tên gọi là luật
hợp thành Max-Min. Cũng như vậy R sẽ còn có những tên gọi khác nhau như:
• Luật hợp thành Max-Prod nếu qui tắc sử dụng là Max-Prod.
• Luật hợp thành Sum-Min nếu qui tắc sử dụng là Sum-Min.
• Luật hợp thành Sum-Prod nếu qui tắc sử dụng là Sum-Prod
Ký hiệu giá trò đầu ra là B’ thì hàm liên thuộc của B’ với qui tắc Max-Min
sẽ là
µ
B’
(y) = µ
R

(x
0
, y) = Min { µ
A
(x
0
), µ
B
(y) } (1.26)
tức là khi độ cao của B bằng 1, tập mờ B’ (cùng cơ sở với B) sẽ có độ cao
H = µ
A
(x
0
) (1.27)
Từ này về sau trong mệnh đề hợp thành A⇒B cũng như trong luật hợp
thành R đại lượng H sẽ có tên gọi là độ thỏa mãn mệnh đề điều kiện hay ngắn
gọn là độ thỏa mãn.
Cùng với (1.27) công thức (1.26) viết được thành
µ
B’
(y) = µ
R
(x
0
, y) = Min { H, µ
B
(y) } (1.28)
Với qui tắc Max-Prod hàm liên thuộc của B’ sẽ là
µ

B’
(y) = µ
R
(x
0
, y) = µ
A
(x
0
).µ
B
(y) = H.µ
B
(y) (1.29)
Tóm lại, để xác đònh hàm liên thuộc µ
B’
(y) của giá trò đầu ra B’ khi đầu vào
là một giá trò rõ x
0
phải thực hiện các bước của thuật toán sau:
• Xác đònh độ thỏa mãn H theo (1.27).
• Tính µ
B’
(y) từ H theo (1.28) hoặc (1.29).
Trong trường hợp tín hiệu đầu vào A’ là một giá trò mờ với hàm liên thuộc
µ
A’
(x), đầu ra B’ cũng là một giá trò mờ có hàm liên thuộc µ
B’
(y) là phần dưới của

hàm µ
B
(y) bò chặn trên bởi độ thỏa mãn
H = Max Min{ µ
A’
(x), µ
A
(x) } (1.30)

Nếu xem luật hợp thành (1.25) như là một luật điều khiển của bộ điều
khiển mờ thì đầu ra sẽ là một giá trò mờ có hàm liên thuộc µ
B’
(y).
4.3. Luật hợp thành của mệnh đề nhiều điều kiện
Một mệnh đề hợp thành với d mệnh đề điều kiện
NẾU χ
1
= A
1
VÀ χ
2
= A
2
V VÀ χ
d
= A
d
THÌ γ = B (1.31)
bao gồm d biến ngôn ngữ đầu vào χ
1

, χ
2
, , χ
d
và một biến đầu ra y cũng được
mô hình hóa giống như việc mô hình hóa mệnh đề hợp thành có một điều kiện,