nghiên cứu nâng cao chất lượng truyền động điện một chiều sử dụng trong hệ tùy động

<span class="text_page_counter">Trang 1</span><div class="page_container" data-page="1">

<b>---o0o---THUYẾT MINH</b>

<b>LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT</b>

<b>ĐỀ TÀI:</b>

<b>ĐIỆN MỘT CHIỀU SỬ DỤNG TRONG HỆ TUỲ ĐỘNG</b>

Học viên: Trần Thị Nam Lớp: CHK9

Chuyên ngành: Tự động hoá

Người HD khoa học: TS.Nguyễn Thanh Hà Ngày giao đề tài: 01/05/2008

Ngày hoàn thành: 20/02/2009

TS. Nguyễn Văn HùngTS.Nguyễn Thanh HàTrần Thị Nam

</div><span class="text_page_counter">Trang 2</span><div class="page_container" data-page="2">

I.2. Sơ đồ khối tổng quát của hệ truyền động 1 I.3. Một số phương pháp đánh giá độ ổn định và chất

lượng của hệ thống

2 I.3.1. Các thông số đánh giá độ ổn định 2

I.4. Mơ hình tốn học của động cơ một chiều 4 I.4.1. Mơ hình tốn học ở chế độ xác lập của động cơ một I.5. Mơ hình tốn học của bộ biến đổi 8

II.1. Giới thiệu bộ điều khiển kinh điển PID 11 II.1.1. Các luật điều khiển

11 a.Luật điều khiển tỉ lệ (P)

b.Luật điều khiển tích phân (I) c.Luật điều khiển vi phân (D)

d.Luật điều khiển tỉ lệ - tích phân (PI)

12 e. Luật điều khiển tỉ lệ - vi phân (PD)

f. Luật điều khiển tỉ lệ - vi phân – tích phân (PID) 13 II.1.2. Các bộ điều khiển

13 a.Bộ điều khiển tỉ lệ (P)

</div><span class="text_page_counter">Trang 3</span><div class="page_container" data-page="3">

b. Bộ điều khiển tích phân - tỉ lệ (PI) 15 c. Bộ điều khiển tỉ lệ - tích phân – vi phân (PID) 16 II.1.3. Chọn bộ điều khiển và đặt thông số cho bộ điều

II.2.1 Cấu trúc của bộ điều khiển mờ

21 a. Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ

II.2.2. Các bước tổng hợp một bộ điều khiển mờ 22

II.4.1. Phương pháp tổng hợp kinh điển 27

III.1. Ứng dụng của hệ tuỳ động vị trí 35 III.2. Cấu tạo nguyên lý làm việc của hệ thống tuỳ động

vị trí

III.3. So sánh hệ thống tuỳ động vị trí với hệ thống điều tốc

37 III.4. Phân loại hệ thống tuỳ động vị trí 38

</div><span class="text_page_counter">Trang 4</span><div class="page_container" data-page="4">

III.4.1. Hệ thống tuỳ động vị trí kiểu mơ phỏng 38 III.4.2 Hệ thống tuỳ động vị trí kiểu số 39 III.4.2.1. Hệ thống tuỳ động vị trí kiểu pha số 39 III.4.2.2 Hệ thống tuỳ động điều khiển xung số 40 III.4.3. Hệ thống tuỳ động điều khiển kiểu mã số 41

III.5.2. Phân loại cần cẩu tháp

42 a. Phân loại theo chức năng di chuyển

b. Phân loại theo cách bốc dỡ hàng

43 c. Phân loại theo sức nâng của cần cẩu

d. Phân loại theo cơ cấu truyền lực

III.5.3. Đặc điểm và chế độ làm việc của cần cẩu tháp 43 III.5.4. Các chuyển động cơ bản của cần cẩu tháp

44 a. Chuyển động của cơ cấu nâng hạ

b. Chuyển động của xe con trên cần c. Chuyển động quay của cần

d. Quá trình làm việc của cần cẩu tháp trong một chu kỳ bốc dỡ hàng

III.5.5. Sơ đồ động học của cơ cấu nâng hạ cần cẩu tháp 46 a.Trường hợp khi cho trước phụ tải tĩnh G, lực cản

FC, chuyển động tịnh tiến với vận tốc v

</div><span class="text_page_counter">Trang 5</span><div class="page_container" data-page="5">

IV.1. Xây dựng hàm truyền của các khâu trong hệ thống điều khiển

IV.1.2. Bộ chỉnh lưu bán dẫn Thyristor 56

IV.1.4. Hàm truyền của thiết bị đo điện 58 IV.1.5. Tổng hợp hệ điều khiển R<small>i</small>, R<small>ω</small>, R<small>φ</small>

58 a. Tổng hợp bộ điều khiển dòng địên R<small>i</small>

b. Tổng hợp bộ điều khiển tốc độ R<small>ω</small> 60

IV.2. Mô phỏng hệ thống truyền động cần cẩu tháp với

IV.2.1. Tính tốn các thơng số hệ điều khiển vị trí đối với

động cơ một chiều kích từ độc lập ⁶⁷ IV.2.2. Xây dựng sơ đồ mô phỏng bằng MATLAB

IV.3. Tổng hợp hệ thống với bộ điều khiển PID kết hợp

</div><span class="text_page_counter">Trang 6</span><div class="page_container" data-page="6">

<b>DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ</b>

1-1 Sơ đồ khối tổng quát của hệ truyền động điện 1 1-2 Hệ thống truyền động động cơ một chiều kích từ 1-4 Sơ đồ cấu trúc khi tuyến tính hố 7 1 -5 Sơ đồ cấu trúc khi từ thông không đổi 8

2-1 Sơ đồ hệ thống điều khiển tự động sử dụng bộ điều khiển P

14 2-2 Sơ đồ hệ thống với bộ điều khiển PI 15 2-3 Sơ đồ hệ thống với bộ điều khiển PID 17 2-4 Đặc tính quá độ của bộ điều khiển PID 17 2-5 Các khối chức năng của bộ điều khiển mờ 21 2-6 Cấu trúc tổng quát của một hệ mờ 22

2-8 Bộ điều khiển mờ có khâu P, khâu D trong giao diện đầu vào và khâu I trong giao diện đầu ra

26 2-9 Mơ hình chuyển đổi hiểu biết của con người và hệ

3-1 Sơ đồ nguyên lý hệ thống tuỳ động vị trí kiểu chiết 36

</div><span class="text_page_counter">Trang 7</span><div class="page_container" data-page="7">

3-2 Sơ đồ nguyên lý hệ thống tuỳ động kiểu mô phỏng 38 3-3 Sơ đồ nguyên lý hệ thống tuỳ động điều khiển góc 3- 7 Sơ đồ động học của cơ cấu nâng han cần cẩu tháp 47 4-1 Hệ truyền động Thyristor – Động cơ 49 4-2 Mạch điện thay thế của động cơ một chiều 50 4-3 Sơ đồ cấu trúc động cơ một chiều 52 4-4 Tuyến tính hố đoạn đặc tính từ hố và đặc tính tải 53

4-6 Sơ đồ cấu trúc khi từ thông không đổi 54 4-7 Các sơ đồ cấu trúc thu gọn

4-10 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện 59 4-11 Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng dòng điện 59 4-12 Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng tốc độ 60

</div><span class="text_page_counter">Trang 8</span><div class="page_container" data-page="8">

4-13 Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vịng vị trí 62 4-14 Sơ đồ cấu trúc hệ điều chỉnh vị trí 64

4-16 Sơ đồ mơ phỏng hệ điều khiển vị trí bằng bộ điều khiển PID

70 4-17 Các tín hiệu vị trí đầu ra tương ứng với các giá trị

khác nhau của vị trí đặt đầu vào φ<small>đặt</small> = 10V, I = 51A

71 4-18 Các tín hiệu vị trí đầu ra tương ứng với các giá trị

khác nhau của vị trí đặt đầu vào φ<small>đặt</small> = 15V, I = 51A

72 4-19 Các tín hiệu vị trí đầu ra tương ứng với các giá trị

khác nhau của vị trí đặt đầu vào φ<small>đặt</small> = 10V

4-25 Sơ đồ mơ phỏng hệ điều khiển vị trí có bộ điều khiển mờ

77 4-26 Quan hệ vào – ra của bộ điều khiển mờ 78 4-27 Kết quả mô phỏng với φ<small>đặt </small>= 10 V, I =51 A 79 4-28 Kết quả mô phỏng với φ<small>đặt </small>= 15 V, I =51 A 80 4-29 Kết quả mô phỏng với φ<small>đặt </small>= 10 V 81 4-30 Kết quả mô phỏng với φ<small>đặt </small>= 15 V 82

</div><span class="text_page_counter">Trang 9</span><div class="page_container" data-page="9">

<b>Mở ĐầU</b>

Ngy nay, tự động hóa đang được các nhà máy quan tâm đặc biệt và được ứng dụng trong nhiều máy công cụ, trong nhiều lĩnh vực sản xuất và đã đem lại những hiệu quả nhất định. Để sản xuất được nhiều sản phẩm, thì việc nâng cao chất lượng và tăng khả năng tự động hóa ngày càng được lưu tâm của các doanh nghiệp, trong đó nếu hệ truyền động điện được nâng cao chất lượng cùng với công nghệ sản xuất mới sẽ tạo được nhiều sản phẩm có chất lượng.

Hệ truyền động điện được nâng cao chất lượng sẽ làm giảm tiêu hao điện năng và giảm giá thành sản phẩm, ngồi ra cịn góp phần làm gọn nhẹ và giảm sức lao động.Do đó một yêu cầu cấp thiết được đặt ra là làm thế nào để nâng cao được chất lượng của hệ thống.Với mục tiêu trên luận văn này sẽ đi nghiên cứu, tìm hiểu và ứng dụng điều khiển mờ kết hợp với bộ điều khiển kinh điển PID để nâng cao chất lượng của hệ thống sử dụng cho hệ tùy động.

Bản luận văn có cấu trúc gồm các phần như sau:

<i>Chương I: Tổng quan về hệ truyền động điện một chiều Chương II: Giới thiệu các bộ điều khiển. </i>

<i>Chương III: Tổng quan về hệ tùy động</i>

<i>Chương IV: Tổng hợp và mô phỏng hệ thống điều khiển.</i>

Tôi xin chân thành cảm ơn sâu sắc đến thầy giáo TS.Nguyễn Thanh Hà – người đã hướng dẫn, giúp đỡ tơi hồn thành bản luận văn này.

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo ở Khoa điện – Trường Đại Học Kỹ Thuật Cơng Nghiệp đã đóng góp ý kiến và tạo điều kiện thuận lợi cho tơi hồn thành bản luận văn.

Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu Trường Đại Học Công Nghiệp Thái Nguyên, Khoa Sau Đại Học đã tạo những điều kiện thuận lợi nhất cho tơi hồn thành khóa học.

</div><span class="text_page_counter">Trang 10</span><div class="page_container" data-page="10">

Do thời gian và trình độ có hạn nên bản luận văn này khơng tránh khỏi những thiếu sót, tơi rất mong nhận được những ý kiến chỉ bảo của thầy cơ, ý kiến đóng góp của bạn bè, đồng nghiệp để luận văn của tơi được hồn thiện hơn.

<b> Tôi xin chân thành cảm ơn!</b>

<i><b>Thái Nguyên, ngày 20 tháng 02 năm 2009 </b></i>

<b>Học viên </b>

<b> Trần Thị Nam</b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 11</span><div class="page_container" data-page="11">

<b>LỜI CAM ĐOAN</b>

Tơi xin cam đoan luận văn này là cơng trình do tôi tổng hợp và nghiên cứu. Trong luận văn có sử dụng một số tài liệu tham khảo như đã nêu trong phần tài liệu

</div><span class="text_page_counter">Trang 12</span><div class="page_container" data-page="12">

Động cơ điện nói chung và động cơ điện một chiều nói riêng là thiết bị điện từ quay, làm việc theo nguyên lý điện từ. Khi đặt một dây dẫn vào trong từ trường và cho dòng điện chạy qua dây dẫn thì từ trường sẽ tác dụng một lực từ vào dây dẫn làm dây dẫn chuyển động. Động cơ điện biến đổi điện năng thành cơ năng.

 Ưu điểm của động cơ một chiều:

- Động cơ điện một chiều có thể dùng làm động cơ hay máy phát trong các điều kiện làm việc khác nhau.

- Động cơ điện một chiều có ưu điểm lớn nhất là điều chỉnh tốc độ và khả năng quá tải vì vậy được ứng dụng trong những nghành cơng nghiệp có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ như cán thép, hầm mỏ, giao thông vận tải…

- Động cơ điện một chiều có cấu tạo khơng q phức tạp và khó khăn cho việc chế tạo và sửa chữa.Động cơ điện một chiều có dải điều chỉnh rộng và cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển đơn giản.

- Hiệu suất làm việc của động cơ điện một chiều tương đối cao. Với động cơ công suất nhỏ khoảng 75% -85%, động cơ cơng suất trung bình và lớn khoảng 85%-94%.

<b>I. 2.Sơ đồ khối tổng quát của hệ truyền động điện</b>

Năng lượng

</div><span class="text_page_counter">Trang 13</span><div class="page_container" data-page="13">

ĐL: Thiết bị đo lường

Động cơ thường được dùng là động cơ điện một chiều, động cơ không đồng bộ xoay chiều, động cơ bước. Các động cơ điện được cấp nguồn điện từ bộ biến đổi. Các bộ biến đổi thường được dùng là các bộ chỉnh lưu có điều khiển tiristor, các bộ biến tần tranzitor….Các bộ điều khiển ở đây có hai chức năng:

Thứ nhất là biến đổi điện năng từ dạng này sang dạng khác, thứ hai là mang thông tin để điều khiển các thông số đầu ra bộ biến đổi.

*Hệ truyền động điện một chiều thường được phân loại:

+ Hệ điều chỉnh tự động truyền động điện điều chỉnh duy trì lượng đặt trước khơng đổi.Ví dụ: Duy trì tốc độ khơng đổi, duy trì mơmen khơng đổi.

+ Hệ điều chỉnh tự động truyền động tùy động( hệ bám) là hệ điều chỉnh vị trí, trong đó cần điều khiển tự động theo lượng đặt trước biến thiên tùy ý, chúng ta thường gặp ở truyền động quay ăng ten, quay rada, các cơ cấu ăn dao máy cắt gọt kim loại…

+ Hệ điều chỉnh tự động truyền động theo chương trình, thực chất là hệ điều khiển vị trí nhưng đại lượng điều khiển phải tuân theo một chương trình định trước, thơng thường đại lượng điều khiển ở đây là các quỹ đạo chuyển động trong không gian phức tạp nên cấu trúc của nó thường gồm nhiều trục, chương trình điều khiển được ghi lại bằng bìa, băng, đĩa từ… thường gặp các hệ điều khiển theo chương trình trong trung tâm gia cơng cắt gọt kim loại, hoạt động của robot trong sản xuất.

<b>I.3.Một số phương pháp đánh giá độ ổn định và chất lượng của hệ thốngI.3.1.Các thông số đánh giá độ ổn định</b>

<b>a.Tiêu chuẩn đại số</b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 14</span><div class="page_container" data-page="14">

<b> Tiêu chuẩn Routh: Giả sử hệ thống có phương trình đặc tính hệ kín như</b>

sau: a<small>o</small>.p<small>n</small> +a<small>1</small>.p<small>n-1</small> +a<small>2</small>.p<small>n-2</small> +…..+a<small>n-1</small>.p +a = 0

Tiêu chuẩn Routh phát biểu: Điều kiện cần và đủ để hệ thống tự động điện ổn định theo tiêu chuẩn Routh là:

- a<small>i</small> phải dương

- Các số hạng trong cột thứ nhất của bảng Routh cũng phải dương.



<b>Tiêu chuẩn Huwithz: Cũng với giả thiết như trên hệ thống có phương trình</b>

đặc tính kín như sau: a<small>0</small>p<small>n</small> + a<small>1</small>p<small>n-1</small> + a<small>2</small>p<small>n-2</small> + …+ a<small>n-1</small>p + a<small>n</small> = 0 Tiêu chuẩn Huwithz phát biểu như sau:

Điều kiện cần và đủ để hệ thống điều khiển tự động ổn định là: - a<small>i</small> phải dương

- Các định thức Huwithz phải dương

<b>b.Tiêu chuẩn ổn định theo đặc tính tần số</b>

Một trong các tiêu chuẩn thường dùng là tiêu chuẩn ổn định Nyquit đối với đặc tính tần Logarit.

Tiêu chuẩn ổn định Nyquit đối với đặc tính tần Logarit được phát biểu như sau: Điều kiện cần và đủ để hệ thống tự động điều khiển kín ổn định khi hệ hở ổn định là số chuyển đổi dương bằng số chuyển đổi âm của đường đặc tính () với đường thẳng (-) trong khoảng L() dương. Theo hình vẽ (1-2) thì hệ thống đạt tiêu chuẩn ổn định.

<b>I.3.2 Các chỉ tiêu chất lượng</b>

<b>a. Chỉ tiêu đánh giá chất lượng thơng qua đặc tính q độ</b>

Áp dụng cho phương pháp tổng hợp theo modul tối ưu:

</div><span class="text_page_counter">Trang 15</span><div class="page_container" data-page="15">

+ Tiêu chuẩn tích phân bình phương (ISE) theo tiêu chuẩn này đánh giá nặng sai lệch lớn và đánh giá nhẹ sai lệch nhỏ và tiêu chuẩn đánh giá bởi tích phân sau:

<small>0∞</small>

+ Tiêu chuẩn ITAE: Theo tiêu chuẩn này đánh giá nhẹ sai lệch ban đầu, nhưng đánh giá rất nặng sai lệch trong quá trình q độ và được đánh giá theo tích

Trong đó: e(t) là hàm sai lệch

Các tiêu chuẩn ổn định đại số và các chỉ tiêu chất lượng được đánh giá qua đặc tính q độ hay dùng nhất vì nó dễ áp dụng và có tính tường minh, trực quan, thuyết phục.

<b>I.4. Mơ hình tốn học của động cơ một chiều</b>

Động cơ điện một chiều có nhiều loại, nhưng động cơ điện một chiều kích từ độc lập hay được sử dụng nhiều vì nó có nhiều ưu điểm, sơ đồ thay thế động cơ một chiều kích từ độc lập như sau:

<i> Hình 1-2. Hệ thống truyền động động cơ một chiều kích từ độc lập</i>

ĐC: Động cơ một chiều

</div><span class="text_page_counter">Trang 16</span><div class="page_container" data-page="16">

U<small>ư</small>: Điện áp đặt vào phần ứng động cơ

<b>I.4.1 Mơ hình tốn học ở chế độ xác lập của động cơ một chiều kích từ độc lập</b>

+ Phương trình cân bằng điện áp phần ứng:

<i><small>ω=</small>^U^uư^−I_{K . φ}^uư^{. R}^u</i>^¿

<b>I.4.2 Mơ hình tốn học ở chế độ q độ động cơ một chiều kích từ độc lập</b>

Hệ phương trình được viết cho động cơ như sau: + Với mạch kích từ:

U<small>KT</small>(p) = R<small>KT</small>.I<small>KT</small> (p) + N<small>KT</small>.p. <small>KT</small> (p) + p.L<small>KT</small>.I<small>KT</small> (p) + Đối với mạch phần ứng:

U<small>ư</small>(p) = R<small>ư</small>.I<small>ư</small> (p) + p.L<small>ư</small>.I<small>ư</small> (p)+ p.N<small>KT</small>.<small>KT</small> (p) + E(p)

Trong biểu thức trên dấu (-) khi khử từ, dấu (+) khi tham gia từ hóa. + Phương trình cân bằng mơ men:

<i>dω</i>¿<i>^dt</i>^¿¿^¿

</div><span class="text_page_counter">Trang 17</span><div class="page_container" data-page="17">

M<small>ĐT </small>: Mô men điện từ của động cơ M<small>C</small> : Mô men cản của phụ tải

J: Mơ men qn tính của hệ đã quy đổi về trục động cơ

C: Hằng số phụ thuộc vào cấu tạo của động cơ : Từ thông máy điện một chiều

: Vận tốc góc(rad/s)

Từ các phương trình trên có thể xây dựng sơ đồ cấu trúc tổng quát của động cơ một chiều kích từ độc lập:

<i>Hình 1-3. Sơ đồ cấu trúc tổng quát của động cơ một chiều kích từ độc lập</i>

Khối (1) biểu diễn cho phản ứng phần ứng, từ đó thấy tính phi tuyến của sơ đồ là rất cao. Như vậy có thể tuyến tính hóa lân cận điểm làm việc và các phương trình tuyến tính hóa được viết như sau:

</div><span class="text_page_counter">Trang 18</span><div class="page_container" data-page="18">

Từ hệ phương trình trên ta xác định được sơ đồ cấu trúc tuyến tính hóa như sau:

<i>Hình 1-4 Sơ đồ cấu trúc khi tuyến tính hóa</i>

Khi động cơ có từ thơng khơng đổi, các phương trình được viết như sau: k = const = Cu

U(p) = R<small>ư</small>.I(p)(1+ T<small>ư</small> p) + Cu.(p) Cu.I(p) – M<small>C</small>(p) = J.p.(p)

</div><span class="text_page_counter">Trang 19</span><div class="page_container" data-page="19">

Từ hệ phương trình trên có thể xây dựng được sơ đồ cấu trúc của hệ thống trong trường hợp từ thơng khơng đổi như sau:

<i>Hình 1-5 Sơ đồ cấu trúc khi từ thơng khơng đổi</i>

Khi động cơ có điện áp khơng đổi, từ các hệ phương trình tổng qt được thành lập ở trên và khi sử dụng sơ đồ tuyến tính hóa lân cận điểm làm việc, thay U(p) vào, tính tốn tương tự ta có hàm truyền của động cơ như sau:

W(p) =

k<small>1</small>, k<small>2</small> là các hệ số, T<small>1</small>, T<small>2</small>, T<small>3</small> là các hằng số thời gian.

<b>I.5.Mơ hình tốn học của bộ biến đổi </b>

Mơ hình tổng quát của bộ biến đổi ba pha mắc theo sơ đồ cầu: Mạch chỉnh lưu cầu ba pha gồm các thành phần chủ yếu:

<i>Hình 1-6 Mạch động lực bộ biến đổi</i>

Sơ đồ mạch điện gồm 6 tiristor công suất. Các điện áp U<small>2</small> xoay chiều cung cấp cho bộ chỉnh lưu.Các tiristor T<small>1,2,3 </small> và T<small>2,4,6</small> có nhiệm vụ điều chỉnh dòng điện để cung

</div><span class="text_page_counter">Trang 20</span><div class="page_container" data-page="20">

cấp nguồn điện một chiều cho tải.Chiều điện áp như hình vẽ. Các tiristor thay nhau dẫn dịng nhưng lệch pha nhau một góc =120⁰.

Các biểu thức tính toán được viết như sau:

} = 2,34 U<small>2</small> cos với tải thuần trở U<small>ngmax </small>=

√

<i>6.U</i>₂_{= 2,45U}₂

Phương trình cân bằng điện áp của bộ biến đổi:

<small>1</small>.Ud<small>0</small>cos<small>min</small> = <small>2</small>.E<small>ưdm</small>+ <i><small>Σ</small></i>(U<small>v</small>) + I<small>ưmax</small>.R<small>ư</small><i><small>Σ</small></i> + U<i><small>μ</small></i>_max

Với :

Ud<small>0 </small>: Điện áp không tải của chỉnh lưu <small>1 </small>: hệ số tính đến sự giảm của điện áp lưới <small>2</small> : hệ số tính đến dự trữ của máy biến áp <small>min</small>: góc điều khiển cực tiểu

<i><small>Σ</small></i>(U<small>v</small>): Tổng sụt áp trên các van R<small>ư</small><i><small>Σ</small></i>: Điện trở tổng cộng của phần ứng R<small>ư</small><i><small>Σ</small></i> = R<small>ư </small>+ R<small>ba¿</small> 2 R<small>ư</small>

I<small>ưmax</small> : Dòng điện phần ứng cực đại

U<i><small>μ</small></i>_max: Sụt áp cực đại do hiện tượng trùng dẫn E<small>ưdm</small>: Sức điện động định mức của động cơ E<small>ưdm </small>= U<small>đm</small> - I<small>ưdm</small>,R<small>ư</small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 21</span><div class="page_container" data-page="21">

<b>I.6.Hàm truyền của bộ biến đổi:</b>

<i>Hình 1-7 Sơ đồ tổng quát của bộ biến đổi</i>

T<small>v0</small>: kể tới sự khơng đồng thời của tín hiệu điều khiển với góc mở của tiristor T<small>đk</small>: Hằng số thời gian của mạch chỉnh lưu.

k<small>cl</small> :hệ số khuếch đại của bộ chỉnh lưu

<b>*) Kết luận: Động cơ một chiều với những ưu điểm như điều chỉnh tốc độ dễ</b>

dàng và khả năng quá tải lớn nên được ứng dụng nhiều trong những ngành cơng nghiệp có u cầu cao về điều chỉnh tốc độ. Cùng với những ưu điểm khác về cấu tạo, dải điều chỉnh, cấu trúc mạch lực và ứng dụng của các phương pháp điều khiển thông minh, hệ truyền động điện một chiều ngày càng được ứng dụng nhiều trong thực tế đem lại những hiệu quả cao trong sản xuất và góp phần giảm nhẹ sức lao động.

</div><span class="text_page_counter">Trang 22</span><div class="page_container" data-page="22">

<b>CHƯƠNG 2</b>

<b>GiíI THIƯU C¸C Bé §IỊU KHIĨNII.1.Giới thiệu bộ điều khiển kinh điển PID</b>

<b>II.1.1.Các luật điều khiểna.Luật điều khiển tỷ lệ (P)</b>

Tín hiệu điều khiển trong luật tỉ lệ xác định theo biểu thức: U(t) = k<small>p</small>.e(t)

k<small>p</small> : Hệ số tỉ lệ, hay còn gọi là hệ số khuếch đại

Luật điều khiển tỉ lệ theo tiêu chuẩn của khâu khuếch đại: Tín hiệu ra ln trùng pha và tỉ lệ với tín hiệu vào. Điều khiển tỉ lệ có ưu điểm là tác động nhanh và làm việc tốt với một số đối tượng công nghiệp. Quy luật này khi làm việc với các đối tượng tĩnh thì hệ thống điều khiển ln tồn tại sai lệch tĩnh. Để giảm sai lệch tĩnh phải tăng k<small>p</small> , nhưng khi đó dẫn tới hệ thống sẽ mất ổn định do dao động của hệ thống tăng và độ quá điều chỉnh lớn.

<b>b.Luật điều khiển tích phân(I)</b>

Tín hiệu điều khiển được xác định theo biểu thức: U(t) =

T<small>i</small> : Hằng số thời gian tích phân

U<small>0</small> : Giá trị đầu ra của bộ biến đổi tại đầu thời điểm làm việc

Trong quy luật tích phân giá trị điều khiển U(t) chỉ đạt giá trị xác lập(quá trình điều khiển đã kết thúc)khi e(t) = 0, hay cũng có thể nói tín hiệu ra được xác định bằng tích phân tín hiệu vào. Quy luật này có ưu điểm triệt tiêu được sai lệch tĩnh, nhưng tín hiệu ra ln chậm pha so với tín hiệu vào do đó hệ thống ln tác động chậm. Đây là nhược điểm của quy luật này, vì vậy khơng sử dụng quy luật này một mình mà phải phối hợp với các quy luật khác để việc điều khiển đối tượng đạt kết quả .

<b>c.Luật điều khiển vi phân(D)</b>

Tín hiệu điều khiển được xác định:

</div><span class="text_page_counter">Trang 23</span><div class="page_container" data-page="23">

U(t) = T<small>d</small>.

T<small>d</small> : Hằng số thời gian vi phân

Tín hiệu ra được xác định bằng vi phân của tín hiệu ra. Ưu điểm của quy luật là độ tác động nhanh, rút ngắn thời gian quá độ nhưng có nhược điểm là: lượng quá điều chỉnh thường vượt quá trị số cho phép và phản ứng với các nhiễu cao tần. Luật điều khiển vi phân cũng không được sử dụng một mình và phải phối hợp với các quy luật điều khiển khác.

<b>e.Luật điều khiển tỉ lệ- tích phân (PI)</b>

Kết hợp luật điều khiển tỉ lệ (P) với luật điều khiển tích phân (I) để hình thành luật điều khiển tỉ lệ - tích phân (PI).

Tín hiệu điều khiển được xác định: U(t) = k<small>p</small>[ e(t) +

<i>T_i</i>

∫

<i>e(t )dt +U</i>₀

Luật này vừa tác động nhanh(nhanh hơn quy luật tích phân nhưng chậm hơn quy luật tỉ lệ)vừa triệt tiêu sai lệch tĩnh. Do có những ưu điểm trên nên luật điều khiển PI được ứng dụng rộng rãi trong thực tế, đáp ứng được yêu cầu chất lượng của hầu hết q trình cơng nghệ. Tuy nhiên do ảnh hưởng của thành phần tích phân nên tốc độ tác động của quy luật PI bị chậm, do đó nếu đối tượng có nhiễu liên tục mà địi hỏi độ chính xác điều chỉnh cao thì quy luật PI khơng đáp ứng được.

<b>f.Luật điều khiển tỉ lệ - vi phân (PD)</b>

Kết hợp luật điều khiển tỉ lệ với luật điều khiển vi phân để hình thành luật điều khiển tỉ lệ - vi phân (PD):

Tín hiệu điều khiển được xác định theo biểu thức: U(t)= k<small>p </small>[e(t) + T<small>d</small>.

<i>de(t )</i>

Nhờ có thêm thành phần vi phân làm cho tốc độ tăng nhanh(nhanh hơn quy luật tỉ lệ). Tuy nhiên chính thành phần vi phân sẽ phản ứng với các nhiễu cao tần bậc nhỏ do vậy mà quy luật PD khơng làm giảm được sai lệch tĩnh. Vì vậy trong

</div><span class="text_page_counter">Trang 24</span><div class="page_container" data-page="24">

công nghiệp quy luật này chỉ sử dụng ở những nơi đòi hỏi độ tác động nhanh như điều khiển tay máy.

<b>g.Luật điều khiển tỉ lệ- tích phân – vi phân (PID)</b>

Tín hiệu điều khiển được xác định theo công thức:

Đây là luật điều khiển đáp ứng được yêu cầu về chất lượng của hầu hết các q trình cơng nghệ. Có thể nói quy luật PID tương đối hoàn hảo, tuy nhiên việc hiệu chỉnh tham số của nó khá phức tạp địi hỏi người sử dụng phải có trình độ nhất e(k), u(k) là những đại lượng rời rạc hoặc số T: Thời gian lấy mẫu

<b>II.1.2.Các bộ điều khiển</b>

<b>a. Bộ điều khiển P (Bộ điều khiển khuếch đại tỉ lệ)</b>

Là dạng đơn giản nhất thuộc họ PID. Thuật toán khuếch đại tỉ lệ đưa ra tín hiệu điều khiển u(t) tỉ lệ với giá trị tức thời của tín hiệu sai lệch điều khiển e(t): u(t) = k<small>p</small>.e(t).

Khi xuất hiện tín hiệu sai lệch e(t), thơng qua bộ điều khiển tín hiệu này được khuếch đại lên k<small>p</small> lần. Mục đích của việc khuếch đại tín hiệu đầu vào của bộ điều khiển chính là tạo khả năng bù trừ sai lệch cho tín hiệu ra

</div><span class="text_page_counter">Trang 25</span><div class="page_container" data-page="25">

<i>Hình 2-1.Sơ đồ hệ thống điều khiển tự động sử dụng bộ điều khiển P</i>

Nguyên tắc làm việc: Khi tín hiệu sai lệch e(t) lớn, đáp ứng đầu ra y(t) sẽ rất nhỏ so với tín hiệu đặt x(t). Để cho giá trị y(t) tiến gần giá trị xác lập x(t) bộ điều khiển phải tạo ra khả năng bù trừ sai lệch bằng cách khuếch đại tín hiệu điều khiển có giá trị lớn để duy trì sự ổn định của hệ thống hoặc ngược lại khi tín hiệu sai lệch e(t) nhỏ, đại lượng đầu ra y(t) tiến gần giá trị xác lập thì sự tác động của điều khiển lên đối tượng u(t) sẽ nhỏ bớt đi để đảm bảo sự ổn định của hệ thống.

Bộ điều khiển (P) có cấu trúc đơn giản song nó ln tồn tại sai số ở chế độ xác lập. Nếu cấu trúc hàm truyền hệ hở của hệ thống khơng chứa khâu tích phân thì sai số xác lập sẽ làm 1 hằng số.

e = <i>^{lim e (t )}<small>t →∞</small></i> <small>=</small><i>^X_k</i>⁰

X<small>0</small>: Biên độ tín hiệu đầu vào

k: Hệ số khuếch đại của hàm truyền hệ hở khâu tích phân có mặt trong hệ thống sẽ dẫn đến triệt tiêu sai lệch tĩnh

Từ cơng thức rút ra kết luận:

Khi hệ điều khiển có hệ số khuếch đại k<small>p</small> nhỏ dẫn tới k nhỏ lúc này sai lệch tĩnh e(t) sẽ giảm, kích thích của hệ thống vẫn không dao động nhưng để đảm bảo sai số nhỏ thì k<small>p </small>phải có giá trị lớn. Yêu cầu này mâu thuẫn với điều khiển để đạt được chất lượng như mong muốn trong chế độ quá độ. Vì khi tăng hệ số khuếch đại k<small>p</small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 26</span><div class="page_container" data-page="26">

đến một giá trị xác định nào đó thì hệ thống bắt đầu dao động và làm cho nó mất ổn định trước khi đạt được giá trị khuếch đại mong muốn.

<b>b.Bộ điều khiển tích phân – tỉ lệ (PI) </b>

Là dạng điều khiển sử dụng phổ biến trong họ PID. So với bộ điều khiển p, bộ điều khiển PI mở rộng thêm thành phần tích phân (cịn gọi là tác động tích phân) với mục đích triệt tiêu sai lệch tĩnh, tác động tích phân đưa ra tín hiệu điều khiển tỉ lệ với tích lũy của sai lệch điều khiển quan sát được e(t).

<i> Hình 2-2.Sơ đồ hệ thống với bộ điều khiển PI</i>

Hàm truyền của bộ điều khiển PI là:

Trong thực tế việc chọn thông số điều chỉnh k<small>p</small>, T<small>i</small> để phù hợp với đối tượng, đáp ứng được các chỉ tiêu chất lượng của quá trình quá độ là vấn đề hết sức quan trọng vì tín hiệu ra của bộ biến đổi chậm pha so với tín hiệu vào một góc( -

2 0) chính là phụ thuộc vào tham số này. Về tốc độ tác động thì quy luật PI chậm hơn so với qui luật tỉ lệ và nhanh hơn quy luật tích phân.

</div><span class="text_page_counter">Trang 27</span><div class="page_container" data-page="27">

Về tính chất của luật điều khiển tỉ lệ thì nó có đáp ứng tốt xong tồn tại sai số tĩnh lớn khi tăng hệ số k<small>p</small> lên cao thì sai số giảm nhỏ,dao động trong quá trình quá độ lại lớn dẫn đến chất lượng của quá trình quá độ xấu đi và khi k<small>p</small> quá lớn thì hệ thống mất tác động.

Khi k<small>p</small> đạt giá trị tối ưu thì chất lượng đáp ứng của hệ thống chỉ phụ thuộc vào thời gian tích phân. Khi T<small>i</small> lớn có nghĩa là tín hiệu U(t) có giá trị nhỏ, ảnh hưởng của khâu tích phân đến đáp ứng q độ ít vì vậy mà bộ điều khiển PI hoạt động như bộ điều khiển tỉ lệ. Tức là đáp ứng đầu ra ổn định nhưng sai số vẫn còn lớn so với yêu cầu.

Khi T<small>i</small> giảm nhỏ(T<small>i</small>≤1) thì thành phần tích phân có tác động tích cực, đáp ứng q độ chưa có dao động nhưng sai số xác lập lúc này = 0. Khi giảm nhỏ T<small>i</small> đến một trị số nào đó thì q trình q độ khơng cịn đơn điệu mà nó trở thành q trình dao động. Như vậy có thể thấy rằng thơng số T<small>i</small> ảnh hưởng lớn đến chất lượng của quá trình quá độ. Việc lựa đặt T<small>i</small> làm cho chất lượng quá trình quá độ tốt lên hoặc ngược lại và có thể làm cho hệ thống mất ổn định.

Thiết bị PI được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp. Tuy nhiên do ảnh hưởng của thành phần tích phân nên tốc độ tác động của bộ điều khiển bị chậm đi. Nếu đối tượng có nhiễu tác động liên tục mà địi hỏi độ chính xác cao thì ở bộ điều khiển này khơng đáp ứng được.

<b>c.Bộ điều khiển tỉ lệ- tích phân –vi phân (PID)</b>

Các bộ điều khiển tỉ lệ -tích phân (PI) hoặc tỉ lệ - vi phân(PD) đã đáp ứng được các yêu cầu về chất lượng trong quá trình điều khiển. Tuy nhiên chúng còn tồn tại một số nhược điểm cơ bản, ví dụ như ở bộ điều khiển PD rất nhạy với tín hiệu nhiễu vì bản thân PD là bộ lọc thông cao, với độ lọc lớn hơn sẽ làm tăng ảnh hưởng của nhiễu. Với bộ điều khiển PI lại là nguyên nhân kéo dài thời gian tăng tốc và thời gian xác lập. Để thỏa mãn yêu cầu về chất lượng người ta sử dụng tổ hợp điều khiển tỉ lệ- tích phân – vi phân (PID). Bộ điều khiển PID kết hợp được những điểm mạnh của các bộ điều khiển P,PI,PD, nhằm cải thiện quá trình quá độ, đồng thời tăng độ chính xác cho hệ thống.

</div><span class="text_page_counter">Trang 28</span><div class="page_container" data-page="28">

Sơ đồ khối của bộ điều khiển PID:

<i>Hình 2-3. Sơ đồ hệ thống với bộ điều khiển PID</i>

Trong quá trình hoạt động của bộ điều khiển PID, hiệu quả của điều khiển tích phân là loại trừ sự truyền tín hiệu tăng theo tỉ lệ, đặc biệt sự truyền tăng theo tỉ lệ nhiễu lớn bằng các hiệu chỉnh liên tục, hoặc lặp lại đầu ra thiết bị điều khiển. Tốc độ mà tác động đó lặp lại nhân đơi hoặc lặp lại tác động tỉ lệ một lần nữa xác định bằng tốc độ lặp lại T<small>i</small>.

<i>Hình 2-4.Đặc tính q độ của bộ điều khiển PID</i>

</div><span class="text_page_counter">Trang 29</span><div class="page_container" data-page="29">

Đối với thành phần vi phân trong bộ điều khiển PID, thì tác động điều khiển có khuynh hướng dự phịng trước các thay đổi trong tín hiệu sai số do đó làm giảm khuynh hướng dao động. Tác động điều khiển là tác động tốc độ. Khoảng thời gian T<small>d</small> gọi là tốc độ suất hoặc còn gọi là thời gian sớm lên tính bằng phút.Hệ số khuếch đại k<small>d</small> là khoảng thời gian T<small>d</small> mà trong đó tác động vi phân làm cho tác động hình thành bởi điều khiển tỉ lệ sớm hơn.

Trong thực tế bộ điều khiển PID có thể được hình thành từ việc mắc nối tiếp hai bộ điều khiển PI và PD. Lúc này hàm truyền bộ điều khiển có dạng:

Với N là giá trị cho trước ( N = 500  1000).

<b>II.1.3.Chọn bộ điều khiển và đặt thông số cho bộ điều khiển</b>

Các bước tính chọn thơng số cho bộ điều khiển PID theo tiêu chuẩn:

</div><span class="text_page_counter">Trang 30</span><div class="page_container" data-page="30">

Thông số Bộ điều

1).Cho bộ điều khiển hoạt động ở chế độ P. Các tác động vi phân và tích phân đóng kín hồn tồn, nghĩa là đặt T<small>i</small> =  , T<small>d</small> = 0. Lúc này bộ điều khiển là bộ điều khiển tỉ lệ.

2). Tăng hệ số khuếch đại k<small>p</small> đến một giá trị nào đó đáp ứng đầu ra xuất hiện có dao động với biên độ khơng đổi(ở biên giới ổn định).

3).Đo chu kỳ dao động T<small>OSC</small>, lúc này đọc giá trị k<small>p</small> , đây là giá trị khuếch đại tới hạn k<small>pth</small>.

4).Từ đó tùy thuộc vào việc sử dụng bộ điều khiển mà đặt thông số cho nó theo bảng. Chú ý rằng sự hội tụ của tiêu chuẩn này chỉ đảm bảo với độ dự trữ ổn định biên độ là 6dB[ L() = 6dB].

Trong trường hợp hệ số khuếch đại k<small>0</small>, thời gian trễ L, hằng số thời gian  của đối tượng đã biết trước thì việc chọn các thơng số của bộ điều khiển có thể dựa vào bảng sau để xác định theo phương pháp môdul tối ưu, với x = e<small>1</small>/e<small>2</small> .100% là độ quá Ngoài ra việc chọn đặt các thơng số PID cịn có một số phương pháp như của Chien, Hrones, Reswieka, cũng có thể chọn các thông số của bộ điều khiển theo tiêu chuẩn modul tối ưu cho các đối tượng có hàm truyền G(s) =

</div><span class="text_page_counter">Trang 31</span><div class="page_container" data-page="31">

- Khi hệ thống làm việc với bộ điều khiển có cấu trúc tỉ lệ thì hệ thống ln tồn tại sai số ở chế độ xác lập. Để giảm sai số ta tăng hệ số khuếch đại lên, nhưng nếu (k<small>0</small>.k<small>p</small>  k<small>gh</small>) thì đáp ứng của hệ thống bắt đầu dao động và hệ thống mất ổn định. - Bộ điều khiển P: hầu hết không sử dụng trong thực tế vì bộ điều khiển này trừ được sai lệch tĩnh nhưng lại ảnh hưởng tới quá trình quá độ và dễ gây mất ổn định hệ thống.

</div><span class="text_page_counter">Trang 32</span><div class="page_container" data-page="32">

Giao

diện vào ^{Mã hoá} ^{Thiết bị}_{hợp thành} ^{Giải mờ} ^Giaodiện ra

- Bộ điều khiển PI: Có ưu điểm tác động nhanh, triệt tiêu được sai lệch nhưng nếu đối tượng có nhiễu tác động liên tục mà địi hỏi chính xác cao thì bộ điều khiển PI không đáp ứng được.

- Bộ điều khiển PD: Chỉ sử dụng ở những nơi đòi hỏi tốc độ tác động nhanh.

- Bộ điều khiển PID: Đây là bộ điều khiển hoàn hảo nhất(độ tác động nhanh hơn cả bộ điều khiển tỉ lệ), đáp ứng được yêu cầu về chất lượng của hầu hết các quy trình cơng nghệ. Nhưng việc hiệu chỉnh tham số của nó rất khó khăn, phức tạp địi hỏi người sử dụng phải có trình độ nhất định vì vậy bộ điều khiển này chỉ được sử dụng ở những nơi cần thiết khi bộ điều khiển PI không đáp ứng được yêu cầu về chất lượng điều chỉnh.

<b>II.2. Bộ điều khiển mờ</b>

<b>II.2.1Cấu trúc của bộ điều khiển mờa.Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ</b>

Hoạt động của một bộ điều khiển mờ phụ thuộc vào khả năng và phương pháp rút ra kết luận theo tư duy của con người sau đó được cài đặt vào máy tính trên cơ sở logic mờ.

Một bộ điều khiển mờ bao gồm ba khối cơ bản: Khối mờ hóa, thiết bị hợp thành, và khối giải mờ. Ngồi ra cịn có khối giao diện vào và giao diện ra.

<i> Hình 2-5 Các khối chức năng của bộ điều khiển mờ</i>

+ Khối mờ hóa : Có chức năng chuyển mỗi giá trị rõ của biến ngôn ngữ đầu vào thành vecto  có số phần tử bằng số tập mờ đầu vào.

+ Thiết bị hợp thành: bản chất của nó là sự triển khai luật hợp thành R được xây dựng trên cơ sở luật điều khiển.

</div><span class="text_page_counter">Trang 33</span><div class="page_container" data-page="33">

+ Khối giải mờ: Có nhiệm vụ chuyển tập mờ đầu ra thành giá trị rõ y<small>0</small>(ứng với mỗi giá trị rõ x<small>0 </small>để điều khiển đối tượng)

+ Giao diện đầu ra: Thực hiện chuyển đổi tín hiệu ra( từ số sang tương tự) để điểu khiển đối tượng.

Nguyên tắc tổng hợp một bộ điều khiển mờ hoàn tồn dựa vào những phương pháp tốn học trên cơ sở định nghĩa 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 trị vào/ra biểu diễn dưới dạng dấu phẩy động với độ chính xác cao nên chúng hồn tồn đáp ứng được các yêu cầu của một bài toán điều khiển “rõ ràng” và “chính xác”.

<b>b.Phân loại bộ điều khiển mờ</b>

Bộ điều khiển mờ được phân loại theo những quan điểm khác nhau: Theo số lượng đầu vào và đầu ra ta phân ra các bộ điều khiển mờ: + một vào – một ra (SISO)

+ Nhiều vào – một ra (MISO) + Nhiều vào - nhiều ra (MIMO)

Bộ điều khiển mờ MIMO rất khó cài đặt thiết bị hợp thành. Mặt khác một bộ điều khiển n đầu ra dễ dàng cài đặt thành m bộ điều khiển mờ chỉ có một đầu ra vì vậy bộ điều khiển mờ MIMO chỉ có ý nghĩa lý thuyết,thực tế khơng dùng.

Theo bản chất của tín hiệu đưa vào bộ điều khiển ta phân ra bộ điều khiển mờ tĩnh và bộ điều khiển mờ động. Bộ điều khiển mờ tĩnh chỉ có khả năng xử lý các tín hiệu hiện thời, bộ điều khiển mờ động có sự tham gia của các giá trị đạo hàm hay tích phân của tín hiệu, chúng được ứng dụng cho các bài tốn điều khiển động.

Bộ điều khiển mờ tĩnh chỉ có khả năng xử lý các tín hiệu hiện thời.Để mở rộng miền ứng dụng của chúng vào các bài toán điều khiển động, các khâu động học cần thiết sẽ được nối thêm vào bộ điều khiển mờ tĩnh nhằm cung cấp cho bộ điều khiển các giá trị đạo hàm hay tích phân của tín hiệu . Cùng với những khâu động học bổ sung này, bộ điều khiển tĩnh sẽ trở thành bộ điều khiển mờ động.

<b>II.2.2.Các bước tổng hợp một bộ điều khiển mờ</b>

Cấu trúc tổng quát của một hệ điều khiển mờ được chỉ ra trên hình vẽ:

</div><span class="text_page_counter">Trang 34</span><div class="page_container" data-page="34">

<b>Khối hợp thành</b>

<b>Khối luật mờ</b>

<i>Hình 2-6 Cấu trúc tổng quát của một hệ mờ</i>

Với một miền compact X  R<small>n</small> ( n là số đầu vào) các giá trị vật lý của biến ngôn ngữ đầu vào và một đường phi tuyến g(x) tùy ý nhưng liên tục cùng các đạo hàm của nó trên X thì bao giờ cũng tồn tại một bộ điều khiển mờ cơ bản có quan hệ:

<i><small>x∈ X</small></i>

<i>|y</i>(<i>x</i>)<i>−g</i>(<i>x</i>)|

_{<  với  là một số thực dương bất kỳ cho trước.}

Điều đó cho thấy kỹ thuật điều khiển mờ có thể giải quyết được một bài tốn tổng hợp điều khiển (tĩnh) phi tuyến bất kỳ.

Để tổng hợp các bộ điều khiển mờ và cho nó hoạt động một cách hồn thiện ta cần thực hiện thơng qua các bước sau:

1) Khảo sát đối tượng, từ đó định nghĩa tất cả các biến ngôn ngữ vào, ra và miền xác định của chúng. Trong bước này cần chú ý một số đặc điểm cơ bản của đối tượng như: Đối tượng biến đổi nhanh hay chậm? Có trễ hay khơng? Tính phi tuyến nhiều hay ít…Đây là những thơng tin rất quan trọng để quyết định miền xác định của biến ngôn ngữ đầu vào, nhất là các biến động học ( gia tốc, vận tốc…) đối với tín hiệu biến thiên nhanh cần chọn miền xác định của vận tốc và gia tốc và ngược lại.

2) Mờ hóa các biến ngôn ngữ vào/ra: Trong bước này cần xác định số lượng tập mờ và hình dạng các hàm liên thuộc cho mỗi biến ngôn ngữ. Số lượng các tập mờ cho mỗi biến ngôn ngữ được chọn tùy ý. Tuy nhiên nếu chọn ít q thì việc điều chỉnh khơng mịn, chọn nhiều q thì khó khăn khi cài đặt luật hợp thành, q trình tính tốn lâu, hệ thống dễ mất ổn định. Hình dạng các hàm liên thuộc có thể chọn hình tam giác, hình thang…

</div><span class="text_page_counter">Trang 35</span><div class="page_container" data-page="35">

3) Xây dựng các luật điều khiển (mệnh đề hợp thành): Đây là bước quan trọng và khó khăn nhất trong q trình thiết kế bộ điều khiển mờ. Việc xây dựng luật điều khiển phụ thuộc nhiều vào tri thức và kinh nghiệm vận hành hệ thống của các chuyên gia. Hiện nay thường sử dụng một vài nguyên tắc xây dựng luật hợp thành đủ để hệ thống làm việc, sau đó mơ phỏng và chỉnh định dần các luật hoặc áp dụng một số thuật toán tối ưu.

4) Chọn thiết bị hợp thành (MAX – MIN) hoặc MAX – PROD hoặc SUM – MIN hoặc SUM – PROD và chọn nguyên tắc giải mờ ( trung bình, cận trái, cận phải, điểm trọng tâm, độ cao)

5) Tối ưu hệ thống: Sau khi thiết kế xong bộ điều khiển mờ, ta cần mơ hình hóa và mô phỏng hệ thống để kiểm tra kết quả, đồng thời chỉnh định lại một số tham số để có chế độ làm việc tối ưu. Các tham số có thể điều chỉnh trong bước này là: Thêm, bớt luật điều khiển, thay đổi trọng số các luật, thay đổi hình dạng và miền xác định của các hàm liên thuộc.

<b>II.3. Nguyên lý điều khiển mờ</b>

Hệ thống điều khiển mờ được thiết kế trên cơ sở:

- Giao diện đầu vào bao gồm khâu mờ hoá và các khâu phụ trợ thêm để thực hiện các bài toán động như tích phân, vi phân...

- Thiết bị hợp thành mà bản chất của nó là sự triển khai luật hợp thành R được xây dựng trên cơ sở luật điều khiển (luật mờ)

- Khâu giao diện đầu ra (chấp hành) gồm khâu giải mờ và các khâu giao diện trực tiếp với đối tượng.

</div><span class="text_page_counter">Trang 36</span><div class="page_container" data-page="36">

Trong sơ đồ mạch điện trên, đối tượng được điều khiển bằng đại lượng U là tín hiệu ra của bộ điều khiển mờ. Vì các tín hiệu điều khiển đối tượng là “tín hiệu rõ” nên tín hiệu của bộ điều khiển mờ trước khi đưa vào đối tượng điều khiển phải qua khâu giải mờ nằm trong các bộ điều khiển đầu ra. Các tín hiệu ra y của đối tượng được đo bằng các bộ cảm biển và được xử lý sơ bộ trước khi đưa vào bộ điều khiển. Các tín hiệu này cũng là các “tín hiệu rõ” do vậy để bộ điều khiển mờ hiểu được chúng, tín hiệu y và cả tín hiệu chủ đạo x cũng phải được mờ hóa.

Trọng tâm của bộ điều khiển mờ chính là luật điều khiển mờ cơ bản có dạng là tập hợp các mệnh đề hợp thành cấu trúc Nếu …thì và nguyên tắc triển khai các mệnh đề hợp thành đó có tên là nguyên tắc Max- min hay Sum – min. Mơ hình R của luật điều khiển được xây dựng theo một nguyên tắc triển khai đã chọn trước và có tên gọi là luật hợp thành. Thiết bị thực hiện luật hợp thành trong bộ điều khiển mờ là thiết bị hợp thành.

Để thiết bị thực hiện luật điều khiển làm việc đúng chế độ phải chọn cho nó các biến ngơn ngữ hợp lý có khả năng biểu diễn các đại lượng vào/ra chuẩn và phù hợp

</div><span class="text_page_counter">Trang 37</span><div class="page_container" data-page="37">

với các luật điều khiển. Dạng đúng của các luật điều khiển mờ cơ bản được hình thành nhờ quá trình luyện tập và kinh nghiệm thiết kế.

Ngồi ra với các bài tốn điều khiển động, bộ điều khiển mờ địi hỏi phải có các thông tin về đạo hàm của sai lệch hay tích phân của sai lệch để cung cấp thêm các đại lượng đầu vào cho thiết bị hợp thành.

Đối với các hệ thống điều khiển gián đoạn có bộ điều khiển mờ, khi nó cịn làm việc dựa trên cơ sở các tín hiệu số , có thể thiết kế các bộ điều khiển theo luật P, luật điều khiển D như sau:

- Luật điều khiển P: y<small>k</small> = k.x<small>k</small> k: hệ số khuếch đại - Luật điều khiển I: y<small>k+1</small> = y<small>k</small> + Trong đó T<small>a</small> là chu kỳ gián đoạn (chu kỳ lấy mẫu tín hiệu)

<i>Hình 2-8.Bộ điều khiển mờ có khâu P, khâu D trong giao diện đầu vào và khâu Itrong giao diện đầu ra.</i>

Hình (2-8) trên là một ví dụ điều khiển một đối tượng đơn giản có một tín hiệu vào và một tín hiệu ra (hệ SISO) bằng bộ điều khiển mờ. Sai lệch e giữa tín hiệu ra và tín hiệu chủ đạo được đưa vào bộ điều khiển mờ, bộ điều khiển I được dùng như một thiết bị chấp hành, đầu vào lấy sau bộ giải mờ và đầu ra được dẫn tới đối tượng.

</div><span class="text_page_counter">Trang 38</span><div class="page_container" data-page="38">

Với hệ mờ cú nhiều đầu vào và nhiều đầu ra(hệ MIMO) thỡ nguyờn tắc điều khiển được biểu diễn rất chi tiết. Nếu chỉ dựng một thiết bị hợp thành thể hiện luật điều khiển thỡ luật điều khiển phải cú dạng chung:

Nếu x<small>1</small> = A<small>1</small> và x<small>2 </small>= A<small>2</small>^k và ….x<small>9</small> = A<small>9</small> và …. thỡ y<small>1</small> = B<small>1</small>^k và y<small>2</small> = B<small>2</small>^k và ….

Khi gặp những bài toỏn này, cỏch tốt nhất nờn chia bài toỏn điều khiển thành nhiều bài toỏn, khả thi đơn giản như chuyển luật điều khiển trờn thành cỏc luật chỉ cú một đầu ra. Ngoài ra số lượng mệnh đề hợp thành tăng theo hàm số mũ so với số lượng tớn hiệu đầu vào của một hệ thống điều khiển mờ, chớnh vỡ thế số lượng luật điều khiển tăng lờn rất nhiều cho một bộ điều khiển mờ cú n đầu vào.

<b>*.Những nguyờn tắc tổng hợp bộ điều khiển mờ</b>

- Khi xõy dựng bộ điều khiển mờ, với cỏc hiểu biết rừ thỡ ta dựng luật “Nếu...Thỡ” và diễn đạt điều đú vào hệ thống mờ. Với cỏc hiểu biết chưa rừ lỳc điều khiển ta phải đo lường trực tiếp trờn đối tượng, cỏc số liệu vào ra lỳc đú, sau đú tập hợp lại thành tập cỏc dữ liệu vào – ra và ta sử dụng để xõy dựng bằng cỏch chuyển đổi hiểu biết của con người thành bộ điều khiển mờ với bộ số liệu vào - ra như hỡnh vẽ.

<i>Hỡnh 2-9. Mụ hỡnh chuyển đổi hiểu biết của con người và hệ mờ</i>

<b>II.4. Cỏc bộ điều khiển mờ</b>

Hiểu biết về đối t ợ ng

Hiểu biết rõ

Các luật Nếu...Thì

Hệ mờ

Hiểu biết ch a rõ

Sử dụng chuyên gia mô phỏng

Đ o l ờng cặp dữ liệu vào ra hoạt động của đối t ợ ng

</div><span class="text_page_counter">Trang 39</span><div class="page_container" data-page="39">

<b>II.4.1. Phương pháp tổng hợp kinh điển</b>

Trước khi đi vào việc phân tích và tổng hợp các bộ điều khiển mờ, cũng cần lược qua một cách ngắn gọn các phương pháp tổng hợp kinh điển, vì đứng trên một phương diện nào đó điều này cũng thật là thú vị. Phương pháp kinh điển bao gồm các bước :

1) Xây dựng mơ hình đối tượng đủ chính xác. 2) Đơn giản hố mơ hình.

3) Tuyến tính hố mơ hình tại điểm làm việc.

4) Chọn bộ điều khiển thích hợp và xác định các tính chất mà bộ điều khiển phải có .

5) Tính tốn các thơng số của bộ điều khiển .

6) Kiểm tra bộ điều khiển vừa thiết kế bằng cách ghép mơ hình đối tượng điều khiển , nếu kết quả không được như mong muốn quay lại bước 2 cho đến khi đạt được kết quả mong muốn.

7) Đưa bộ điều khiển vừa thiết kế vào điều khiển đối tượng thực và kiểm tra quá trình làm việc của hệ thống. Nếu chưa đạt yêu cầu thiết kế lại bộ điều khiển theo các bước từ 1 đến 7 cho đến khi đạt được các chỉ tiêu chất lượng mong muốn.

Nhìn chung phương pháp tổng hợp kinh điển thường gặp những khó khăn do việc phải xây dựng được mơ hình đối tượng trước khi thiết kế các bộ điều khiển . Mặt khác các bộ điều khiển phải đựoc thiết kế dựa trên cơ sở kỹ thuật và đảm bảo tính chất phù hợp đối tượng của các bộ điều khiển này.

Song trong thực tế khi thiết kế hệ điều khiển mờ không nhất thiết phải biết trước mơ hình mà chỉ cần thể hiện những hiểu biết về đối tượng qua các biến ngôn ngữ về động học của đối tượng, những biến này lại được phản chiếu qua các biến ngôn ngữ và các nguyên tắc điều khiển cơ sở của bộ điều khiển mờ. Trong nhiều trường hợp khả nang nhận dạng đối tượng qua mơ hình cực kỳ khó khăn và nhiều trường hợp không thể thực hiện được, nên việc tổng hợp hệ thống điều khiển bằng thiết kế bộ điều khiển mờ cho phép tiết kiệm rất nhiều công sức giá thành lại rẻ. Đó

</div><span class="text_page_counter">Trang 40</span><div class="page_container" data-page="40">

Luật hợp thành

là điểm mạnh của điều khiển mờ trong việc thiết kế các hệ thống điều khiển các đối tượng phức tạp, các đối tượng mà trong việc xây dựng mơ hình cực kỳ khó khăn. Ngay cả đối với các đối tượng điều khiển đơn giản quy trình thiết kế hệ thống mờ cũng ngắn hơn so với quy trình thiết kế hệ thống điều khiển kinh điển.

<b>II.4.2. Bộ điều khiển mờ tĩnh</b>

Bộ điều khiển mờ tĩnh là bộ điều khiển mờ có quan hệ vào/ra y(x) liên hệ nhau theo một phương trình đại số (tuyến tính hoặc phi tuyến). Các bộ điều khiển tĩnh điển hình là bộ khuyếch đại P, bộ điều khiển relay hai vị trí, ba vị trí v.v…Một trong các dạng hay dùng của bộ điều khiển mờ tĩnh là bộ điều khiển mờ tuyến tính từng đoạn, nó cho phép ta thay đổi mức độ điều khiển trong các phạm vi khác nhau của q trình, do đó nâng cao được chất lượng điều khiển.

Bộ điều khiển mờ tĩnh có ưu điểm là đơn giản, dễ thiết kế, song nó có nhược điểm là chất lượng điều khiển khơng cao vì chưa đề cập đến các trạng thái động (vận tốc, gia tốc…) của q trình, do đó nó chỉ được sử dụng trong các trường hợp đơn giản.

<b>II.4.3. Bộ điều khiển mờ động</b>

Một trong các dạng hay dùng của bộ điều khiển mờ mà đầu vào có xét tới các trạng thái động của đối tượng. Ví dụ đối với hệ điều khiển theo sai lệch thì đầu vào của bộ điều khiển mờ ngồi tín hiệu sai lệch e theo thời gian cịn có các đạo hàm của sai lệch giúp cho bộ điều khiển phản ứng kịp thời các biến động đột xuất của đối tượng. Các bộ điều khiển mờ động hay được dùng hiện nay là bộ điều khiển mờ theo luật tỉ lệ tích phân, tỉ lệ vi phân và tỉ lệ vi tích phân (I, PI, PD và PID ).

<b>II.4.3.1. Bộ điều khiển theo luật I</b>

Một bộ điều khiển mờ theo luật I có thể thiết kế từ một bộ điều khiển mờ theo luật P (bộ điều khiển mờ tuyến tính) bằng cách mắc nối tiếp một khâu tích phân kinh điển vào trước hoặc sau khối mờ đó. Do tính phi tuyến của hệ mờ, nên việc mắc khâu tích phân trước hay sau hệ mờ hoàn toàn khác nhau. Cụ thể ở đây ta lấy ví dụ khâu tích phân được mắc ở đầu ra hệ mờ. Hình vẽ 2.6

</div>