Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển sử dụng đại số gia tử ứng dụng cho đối tượng công nghiệp

i






















ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP


VŨ HUY CÔNG

TÊN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN SỬ DỤNG ĐẠI SỐ GIA TỬ
ỨNG DỤNG CHO ĐỐI TƢỢNG CÔNG NGHIỆP






LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa






Thái Nguyên - 2014

ii

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các kết quả
đƣợc viết chung với các tác giả khác đều đƣợc sự đồng ý của đồng tác giả
trƣớc khi đƣa vào luận văn. Các kết quả trong luận văn là trung thực và chƣa
từng đƣợc công bố trong bất kỳ công trình nào khác.

Tác giả



Vũ Huy Công
















iii

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

iv

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC HÌNH viii
CHƢƠNG I: TỔNG QUAN CHUNG VỀ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG 4
1.1. Một số nguyên tắc điều khiển trong công nghiệp 4
1.1.1. Điều khiển ổn định 5
1.1.2. Điều khiển theo chƣơng trình 7
1.2. Các phƣơng pháp điều khiển 8
1.2.1. Điều khiển kinh điển 8
1.2.2. Điều khiển hiện đại 9
1.2.3. Điều khiển thông minh 9
1.3. Một số bộ điều khiển trong hệ thống tự động 11
1.3.1. Bộ điều khiển PID 11
1.3.2. Bộ điều khiển PID số 12
1.3.3. Bộ điều khiển mờ 14
1.3.3.1. Giới thiệu 14
1.3.3.2. Bộ điều khiển mờ 14
1.3.3.3. Ƣu nhƣợc điểm của bộ điều khiển mờ 17
1.3.4. Bộ điều khiển sử dụng đại số gia tử 17
1.4. Chất lƣợng của hệ thống điều khiển tự động và yêu cầu khi
thiết kế 19
1.4.1. Chỉ tiêu chất lƣợng ở trạng thái tĩnh 20
1.4.2. Chỉ tiêu chất lƣợng ở trạng thái quá độ 20
1.4.3. Các chỉ tiêu tích phân 21
1.5. Một số phƣơng pháp đánh giá chất lƣợng hệ thống tự động 22
1.5.1. Đánh giá chất lƣợng hệ thống ở trạng thái xác lập 22
1.5.2. Đánh giá trực tiếp chất lƣợng hệ thống ở quá trình quá độ 22
1.5.3. Đánh giá chất lƣợng hệ thống qua tiêu chuẩn tích phân 23
1.6. Kết luận chƣơng 1 25
CHƢƠNG II: LÝ THUYẾT ĐẠI SỐ GIA TỬ VÀ PHƢƠNG
PHÁP THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN 26

v

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

2.1. Lý thuyết Đại số gia tử 26
2.1.1. Đại số gia tử của biến ngôn ngữ 26
2.1.1.1. Biến ngôn ngữ 26
2.1.1.2. Đại số gia tử của biến ngôn ngữ 28
2.1.1.3. Các tính chất cơ bản của ĐSGT tuyến tính 30
2.1.2. Các hàm đo trong đại số gia tử tuyến tính 31
2.1.3. Phƣơng pháp lập luận mờ sử dụng đại số gia tử 33
2.2. Thiết kế bộ điều khiển sử dụng Đại số gia tử 40
2.3. Kết luận chƣơng 2 42
CHƢƠNG III: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN SỬ DỤNG ĐẠI SỐ
GIA TỬ CHO HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG BÁM CHÍNH XÁC 43
3.1. Xây dựng mô hình toán học đối tƣợng 43
3.1.1. Lựa chọn đối tƣợng 43
3.1.2. Xây dựng mô hình toán học đối tƣợng 45
3.2. Nghiên cứu thiết kế và nâng cao chất lƣợng bộ điều khiển 45
3.2.1.Thiết kế bộ điều khiển mờ 46
3.2.2.Thiết kế bộ điều khiển sử dụng Đại số gia tử 50
3.2.3. Mô phỏng bộ điều khiển HAC và Fuzzy trên Matlab: 52
3.2.4. Đánh giá chất lƣợng theo tiêu chuẩn tích phân bình phƣơng
sai lệch 53
3.3. Thí nghiệm trên mô hình hệ thống truyền động bám chính xác 55
3.3.1.Giới thiệu mô hình hệ thống thí nghiệm 55
3.3.2. Cấu trúc điều khiển và bộ điều khiển HAC 57
3.3.3. Kết quả thí nghiệm 61
3.4. Kết luận chƣơng 3 62
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 63

TÀI LIỆU THAM KHẢO 64
vi

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

CHỮ VIẾT TẮT
Các ký hiệu:

Tổng độ đo tính mờ của các gia tử âm

Tổng độ đo tính mờ của các gia tử dƣơng

Giá trị định lƣợng của phần tử trung hòa
AX Đại số gia tử
AX Đại số gia tử tuyến tính đầy đủ
W Phần tử trung hòa trong đại số gia tử
Các chữ viết tắt:
ĐTĐK Đối tƣợng điều khiển
ĐSGT Đại số gia tử
ĐCTĐTĐĐ Điều chỉnh tự động truyền động điện
ĐKTĐ Điều khiển tùy động
ĐLNN Định lƣợng ngữ nghĩa
TBĐK Thiết bị điều khiển
QTQĐ Quá trình quá độ
LLXX Lập luận xấp xỉ
TC Thiết bị chấp hành
DSP digital signal processor
FAM Fuzzy Associative Memory
FLC Fuzzy Logic Control
GA Genetic Algorithm

SQM Semantic Quantifying Mapping
HAC Hedge Algebras-based Controller
MeDe5 Mechatronic Demonstrate Setup-2005
PID Proportional – Integral – Derivative
DSP digital signal processor
SAM Semantic Associative Memory
SISO Single-Input-Single-Output



vii

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1. Bảng Tính âm, dƣơng của các gia tử 30
Bảng 2.2. Các tập mờ của các biến ngôn ngữ 35
Bảng 2.3. Bảng FAM - Kinh nghiệm của các phi công 35
Bảng 2.4. Kết quả điều khiển sử dụng lập luận mờ qua 4 chu kỳ 35
Bảng 2.5. Mô hình ngữ nghĩa định lƣợng 37
Bảng 2.6. Tổng hợp kết quả điều khiển mô hình máy bay hạ cánh 39
Bảng 3.1- Luật điều khiên mờ 49
Bảng 3.2. Lựa chọn tham số cho các biến E, IE, U 50
Bảng.3.3 SAM 51
Bảng 3.4. Giá trị tiêu chuẩn tích phân I
4
theo tốc độ biến thiên của sai lệch khi
α
1

=0.2 54
Bảng 3.5. Giá trị tiêu chuẩn tích phân I
4
theo tốc độ biến thiên của sai
lệch khi α
1
=1.5 54
viii

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

DANH MỤC CÁC HÌNH

H1.1. Sơ đồ cấu trúc 5
H1.2. Sơ đồ cấu trúc hệ thống hở 6
H1.3. Sơ đồ hệ điều khiển thích nghi 7
H1.4. Sơ đồ bộ điều khiển PID 11
Hình 1.5. Bộ điều khiển PID số 12
Hình 1.6. Sơ đồ khối chức năng FLC 15
Hình 1.7. Bộ điều khiển mờ động 16
Hình1.8. a) Nguyên lý điều khiển mờ lai 17
b) Vùng tác động của các bộ điều khiển 17
Hình 1.9. Hàm quá độ của một hệ thống điều khiển 20
Hình 1.10. Sai lệch của hệ thống điều khiển 23
Hình 2.1. Đƣờng cong ngữ nghĩa định lƣợng 38
Hình 2.2. Khoảng xác định và khoảng ngữ nghĩa của các biến 38
Hình 2.3 mô hình mờ trong điều khiển 40
Hình 3.1. MEDE 5 44
Hình 3.2. Định nghĩa các biến vào ra của bộ điều khiển mờ 46
Hình 3.3. Định nghĩa các tập mờ cho biến E của bộ điều khiển mờ 48

Hình 3.4. Định nghĩa các tập mờ cho biến DE của bộ điều khiển mờ 48
Hình 3.5. Định nghĩa các tập mờ cho biến U của bộ điều khiển mờ 49
Hình 3.6. Bề mặt đặc trƣng cho quan hệ vào ra của bộ điều khiển mờ 50
Hình 3.7. Mặt cong ngữ nghĩa định lƣợng 51
Hình 3.8. Sơ đồ mô phỏng hệ thống 52
Hình 3.9. Kết quả mô phỏng bằng HAC và FLC 52
Hình 3.10. Sơ đồ mô phỏng và đánh giá chỉ tiêu 54
Hình 3.11. Mô hình hệ thống truyền động bám chính xác 55
Hình 3.12. Arduino Board 56
Hình 3.13. Động cơ servo và cơ cấu bánh răng 57
ix

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Hình 3.14. Cấu trúc điều khiển hệ thống truyền động bám chính xác 57
Hình 3.15. Bộ điều khiển HAC 58
Hình 3.16. State Variable Function 58
Hình 3.17. Cổng kết nối vào ra 59
Hình 3.18. Cổng thiết lập cấu hình thời gian thực 59
Hình 3.19. Cổng đọc tín hiệu từ encoder 59
Hình 3.20. Cổng tín hiệu vào ra PWM tƣơng tự 60
Hình 3.21. Cổng tín hiệu vào ra số 60
Hình 3.22. Điều khiển tốc độ và chiều quay 60
Hình 3.23. Đáp ứng hệ thống với bộ HAC 2 đầu vào 61
Hình 3.24. Sai lệch e(t) 61
1


MỞ ĐẦU

1. Tính khoa học và cấp thiết của luận án
Hiện nay, việc nâng cao chất lƣợng của hệ thống điều khiển luôn đƣợc các
nhà khoa học quan tâm nghiên cứu với các phƣơng pháp điều khiển mới.
Cùng với việc thiết kế hệ tuyến tính, ngƣời ta có thể chế tạo đƣợc các hệ
thống điều khiển phi tuyến nhờ máy tính có bộ nhớ lớn.
Hệ mờ và logic mờ do L. Zadeh đƣa ra năm 1965 đã cố gắng mô tả một
cách toán học những khái niệm mơ hồ mà logic kinh điển không làm đƣợc.
Đó là việc xây dựng các các phƣơng pháp lập luận xấp xỉ để mô hình hóa quá
trình suy luận của con ngƣời.
Các tác giả N.C. Ho và W. Wechler đã xây dựng cấu trúc toán học cho
biến ngôn ngữ qua việc định lƣợng biến ngôn ngữ bằng một giá trị thực trong
khoảng [0,1]. Do đó, lý thuyết đại số gia tử (Hedge Algebra - HA) tỏ ra khá
hiệu quả trong việc đơn giản hóa quá trình tính toán dựa trên tập ngôn ngữ tự
nhiên.
Tuy nhiên, trong lĩnh vực điều khiển các đối tƣợng phi tuyến, việc áp dụng
ĐSGT còn là một vấn đề mới và chỉ đƣợc một số ít các nhà khoa học quan
tâm nghiên cứu. Vì vậy, luận án đề xuất một phƣơng pháp mới là sử dụng đại
số gia tử trong bài toán điều khiển các đối tƣợng phi tuyến. Kết quả nghiên
cứu sẽ khẳng định thêm hiệu quả của lý thuyết ĐSGT với đối tƣợng phi tuyến
và mở ra khả năng ứng dụng trong thực tế.
2. Phạm vi nghiên cứu, đối tƣợng và phƣơng pháp luận
Luận văn đã nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển sử dụng đại số gia tử và
và phát triển phƣơng pháp thiết kế cho một số đối tƣợng công nghiệp
Phƣơng pháp luận của việc nghiên cứu là xuất phát từ lý thuyết về Đại
số Gia tử, thiết kế bộ điều khiển , mô phỏng và kiểm chứng kết quả của việc
2


nghiên cứu lý thuyết cuối cùng là tiến hành thí nghiệm thực để đánh giá cả
mô phỏng lẫn lý thuyết.

Việc kiểm nghiệm chất lƣợng bộ điều khiển sử dụng Đại số Gia tử trên
mô hình vật lý cụ thể là hệ thống truyền động bám chính xác cho thấy có thể
giải quyết thành công các vấn đề điều khiển phức tạp khác trong các hệ thống
công nghiệp ví dụ: Điều khiển hệ thống chuyển động bám chính xác (theo
nguyên lý hoạt động của máy in) và hệ thống Ball and Beam (theo nguyên lý
điều khiển chuyển động cánh tay robot).
3. Mục tiêu của luận án
Đề xuất phƣơng pháp thiết kế bộ điều khiển mới sử dụng đại số gia tử
áp dụng cho một số lớp đối tƣợng công nghiệp.
Kiếm chứng bằng mô phỏng và thực nghiệm trên mô hình vật lý cụ thể
4. Ý nghĩa lí luận và thực tiễn
4.1. Ý nghĩa lý luận:
Nghiên cứu ứng dụng một công cụ tính toán mềm mới trong lĩnh vự
điều khiển và tự động hóa
Nâng cao chất lƣợng cho bộ điều khiển giúp đơn giản hóa đƣợc quá
trình thiết kế, loại bỏ thông tin không cần thiết
4.2. Ý nghĩa thực tiễn:
Mở ra khả năng ứng dụng bộ điều khiển sử dụng Đại số Gia tử điều
khiển các đối tƣợng công nghiệp, đặc biệt các đối tƣợng phi tuyến, tham số
bất định thông tin không rõ dàng nhƣ máy Điều hòa nhiệt độ, Máy giặt, điều
khiển mức nƣớc trong các Bolong hơi của các nhà máy:( Sản xuất Giấy, Nhiệt
điện…)
Kết quả nghiên cứu của luận án sẽ mở ra một hƣớng thiết kế mới trong
lĩnh vực điều khiển tự động và khả năng áp dụng trong thực tế.

3


5. Nội dung và bố cục của luận án
Luận án được bố cục thành 3 chương với nội dụng như sau:

Chương 1: Tổng quan các phương pháp thiết kế hệ thống tự động
Chương 2: Lý thuyết Đại số gia tử và phương pháp thiết kế bộ điều
khiển
Chương 3: Thiết kế bộ điều khiển sử dụng đại số gia tử cho hệ thống
truyền động bám chính xác
Trên cơ sở các kết quả đạt đƣợc trong chƣơng 2 và 3, luận án xây dựng
mô hình thí nghiệm kiểm chứng các kết quả lý thuyết đã đạt đƣợc. Kết quả
thể hiện bằng lập trình mô phỏng trên MATLAB và kiểm chứng bằng thí
nghiệm trên mô hình hệ truyền động chính xác tại phòng thí nghiệm Điện -
Điện tử - Trƣờng ĐHKT Công nghiệp.
6. kết luận và kiến nghị
Kết luận:
Luận văn đã nghiên cứu thiết kế một bộ điều khiển sử dụng đại số gia
tử và đánh giá theo tiêu chuẩn tích phƣơng bình phƣơng sai lệch.
Phƣơng pháp thiết kế đƣợc kiểm chứng bằng mô phỏng và thí nghiệm
cụ thể. Điều này càng chứng tỏ khả năng ứng dụng của bộ điều khiển sử dụng
đại số gia tử trong việc thiết kế các hệ thống tự động trong công nghiệp.

Kiến Nghị
1. Nghiên cứu thí nghiệm bộ điều khiển sử dụng Đại số gia tử trên các đối
tƣợng vật lý cụ thể khác đặc biệt là các hệ thống có độ tuyến tính cao.
2. Nghiên cứu chế tạo và tích hợp bộ điều khiển sử dụng đại số gia tử trên
các chip VI sử lý và đƣa vào sử dụng trong thực tế.
3. Xây dụng bộ công cụ để bổ xung vào Toolbook của Matlap về đại số
gia tử để thuận lợi cho việc thiết kế hệ thống.

4


CHƢƠNG I

TỔNG QUAN CHUNG VỀ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG

Ngày nay, các hệ thống tự động có mặt rất nhiều trong đời sống và
trong sản xuất hàng hóa. Sự phát triển hệ thống tự động trên thế giới đã đạt
đƣợc nhiều thành quả và đã có nhiều tiến bộ. Điều khiển tự động đã đƣợc áp
dụng rộng rãi trong nhiều ngành khác nhau, đƣợc nhiều ngƣời đóng góp sức
lực giải quyết nhiều bài toán từ thực hành đến lý thuyết, phát minh và chế tạo
ra nhiều hệ thống điều khiển tự động từ đơn giản đến phức tạp. Chỉ riêng điều
khiển các hệ tuyến tính đã chiếm khoảng 20 năm cho các nhà nghiên cứu điều
khiển để đƣa ra phƣơng pháp thiết kế điều khiển nhƣ hiện nay.
Muốn tổng hợp một hệ thống điều chỉnh tự động ta phải nghiên cứu đặc
tính của đối tƣợng điều chỉnh và nguyên lý tác động của máy điều chỉnh.
Các đặc tính của đối tƣợng điều chỉnh xem nhƣ tồn tại khách quan không phụ
thuộc vào ý muốn của con ngƣời. Việc nghiên cứu các đặc tính của đối tƣợng
điều chỉnh đã đƣợc học trong giáo trình nhận dạng. Nhiệm vụ của máy điều
chỉnh(Bộ điều khiển) là phải tạo ra đƣợc tín hiệu điều chỉnh u theo một quy
luật nào đó và đƣợc gọi là quy luật điều chỉnh nhằm đảm bảo chất lƣợng của
quá trình điều chỉnh.
Quy luật điều chỉnh là sự mô tả có tính toán học mối liên hệ giữa tín
hiệu ra và tín hiệu vào cuả máy ĐC viết dƣới dạng u=f(e).
Các quy luật điều chỉnh đƣợc chia làm 3 loại chính là:
+Quy luật điều chỉnh vị trí
+Quy luật điều chỉnh liên tục
+Quy luật điều chỉnh xung số
Ngoài ra còn có các luật điều chỉnh theo logic mờ, mạng nơron , trí tuệ nhân
tạo. …
Quy luật điều chỉnh vị trí bao gồm điều chỉnh 2 vị trí, điều chỉnh 3 vị trí và
5

điều chỉnh vị trí với cơ cấu chấp hành có tốc độ không đổi.
Điều chỉnh liên tục bao gồm: qui luật tích phân (I), tỷ lệ(P), quy luật tỷ lệ vi
phân (PD); tỷ lệ tích phân (PI); tỷ lệ vi tích phân (PID).
Điều chỉnh xung số cũng có các quy luật nhƣ điều chỉnh liên tục nhƣng tín
hiệu không đƣợc truyền đi liên tục. Trong thiết bị điều chỉnh xung còn có
phần tử điều chế xung mà tham số của nó là chu kỳ xung T và hệ số điền đầy
xung (, với thiết bị điều chỉnh số có thêm 1 tham số quan trọng nữa là chu kỳ
lấy mẫu và quy luật của nó đƣợc mô tả bằng phƣơng trình sai phân (đã đƣợc
nghiên cứu ở môn điều khiển số).
Các luật điều chỉnh dựa theo logic mờ, mạng nơron , trí tuệ nhân tạo, đại số
gia tử hiện nay đã và đang đƣợc tiến hành nghiên cứu; tuy nhiên việc thiết kế
các hệ thống này phải dựa vào những hiểu biết căn bản của các quy luật điều
chỉnh tuyến tính.
1.1. Một số nguyên tắc điều khiển trong công nghiệp
1.1.1. Điều khiển ổn định
Nguyên tắc này giữ tín hiệu ra bằng một hằng số trong quá trình điều
khiển
a.Phương pháp điều khiển theo sai lệch
Là nguyên tắc mà tín hiệu điều khiển x(t) đƣợc thành lập dựa trên sự
sai lệch của lƣợng ra so với lƣợng vào: x(t) = f [ y(t) - u(t) ]
Sơ đồ cấu trúc nhƣ sau:





H1.1. Sơ đồ cấu trúc


ĐTĐK

TBĐK
x(t)
e(t)
y(t)
u(t)
(-)
TB đo lƣờng và
chuyển đổi tín hiệu
f(t)

6


Trong đó:
TBĐK : Thiết bị điều khiển, có nhiệm vụ tác động lên đối tƣợng điều
khiển theo một qui luật đặt sẵn trong thiết bị.
ĐTĐK : Đối tƣợng cần điều khiển ( Cơ cấu chấp hành ), là tập hợp
những phƣơng tiện kỹ thuật nhƣ máy móc, thiết bị, khí cụ cần chịu những
tác động nào đó để đạt đƣợc mục đích điều khiển đề ra.
u(t) : Tín hiệu vào
y(t) : Tín hiệu ra.
x(t) : Tín hiệu điều khiển tác động lên đối tƣợng.
e(t) : sai lệch điều khiển
f(t) : tín hiệu tác động từ bên ngoài
b.Phương pháp điều khiển theo nhiễu loạn (bù nhiễu)
Là nguyên tắc mà tín hiệu điều khiển x(t) đƣợc thành lập dựa trên tin
tức về nhiễu loạn. Những hệ thống đƣợc xây dựng theo nguyên tắc này là
những hệ thống hở (Không có liên hệ ngƣợc). Sơ đồ cấu trúc nhƣ sau:

H1.2. Sơ đồ cấu trúc hệ thống hở
Trong đó :
TB 1 là thiết bị để đo nhiễu.
TB 2 là thiết bị để tạo ra tín hiệu điều khiển x(t).
c.Phương pháp điều khiển thích nghi
Là nguyên tắc mà tín hiệu điều khiển x(t) đƣợc thành lập dựa vào tất cả
các yếu tố ảnh hƣởng đến đại lƣợng cần điều khiển.
Sơ đồ hệ điều khiển thích nghi :

ĐTĐK
TBĐK
f(t)
x(t)
y(t)
TB 1
TB 2
7



H1.3 Sơ đồ hệ điều khiển thích nghi
Trong đó:
TPT : Thiết bị phân tích tín hiệu vào ( Xác định tính chất của tín hiệu
vào VD tốc độ, gia tốc của tín hiệu vào ).
TPĐ : Thiết bị phân tích đối tƣợng ( Xác định đặc tính động học của
đối tƣợng cấn điều khiển ).
TT : Thiết bị tính toán ( Xác định phƣơng pháp biến đổi đặc tính của
thiết bị điều khiển chính ).
TC : Thiết bị chấp hành (có nhiệm vụ chỉnh định thiết bị điều khiển
theo các tín hiệu nhận đƣợc từ thiết bị tính toán ).

v(t) : Là hàm tự chỉnh, nó là hàm đa tham số.
v(t)=f [x(t), n(t), u(t), y(t) ]
1.1.2. Điều khiển theo chƣơng trình
là hệ thống có lƣợng ra biến đổi theo một chƣơng trình định sẵn. Quy
luật này đƣợc gọi là chƣơng trình điều khiển, nó có thể là quy luật biến đổi
theo thời gian một cách liên tục hoặc rời rạc; hoặc là quy luật biến đổi theo
không gian. Các quy luật điều khiển đƣợc tạo nên do phần mềm điều khiển.
ĐTĐK
TC
TPĐ
TPT
TT
TBĐK
u(t)
y(t)
x(t)
Thiết bị phụ chính
Hệ thống chính
v(t)
f(t)
8


1.1.3. Điều khiển tuỳ động
Là hệ có lƣợng ra biến đổi theo đúng quy luật của lƣợng vào và lƣợng vào
là hàm bất kỳ của không gian và thời gian hoàn toàn không biết trƣớc, để tạo
ra hệ này phải gồm hai phần:
- Hệ điều khiển theo chƣơng trình.
- Thiết bị đo các đại lƣợng vật lý thực tế và gia công tạo chƣơng
trình điều khiển đầu vào.

Hệ thống tùy động thực chất là hệ thống ĐCTĐTĐĐ thực hiện điều
khiển vị trí với lƣợng đặt trƣớc biến thiên tùy ý. Hệ thống tùy động đƣợc ứng
dụng rất rộng rãi trong thực tiễn. Nhiệm vụ cơ bản của hệ là thực hiện điều
khiển cơ cấu chấp hành bám sát chính xác đối với lƣợng đặt vị trí, đại lƣợng
điều khiển (lƣợng đầu ra) thƣờng là vị trí không gian của cơ cấu sản xuất, khi
lƣợng đặt thay đổi trong quá trình làm việc thì hệ thống có thể làm cho đại
lƣợng điều khiển bám sát và duy trì một một cách chính xác vị trí của cơ cấu
sản xuất theo yêu cầu. Lƣợng đặt trong hệ thống tùy động cũng nhƣ đại lƣợng
điều khiển là vị trí (hay đại lƣợng điện đại diện cho vị trí), đƣơng nhiên có thể
là chuyển vị góc, chuyển vị dài, vì thế hệ thống tùy động này gọi là hệ thống
tùy động vị trí và buộc phải có phản hồi vị trí. Hệ thống tùy động vị trí là một
hệ thống tùy động nghĩa hẹp, về nghĩa rộng mà nói, lƣợng đầu ra của hệ thống
tùy động không nhất thiết phải là vị trí, mà có thể là các đại lƣợng khác,
chẳng hạn nhƣ máy làm giấy, máy dệt nhiều trục sử dụng nhiều động cơ có
thể coi là hệ thống tùy động đồng tốc, v.v Hệ thống tùy động nói chung
cũng còn gọi là hệ thống bám.
1.2. Các phƣơng pháp điều khiển
1.2.1. Điều khiển kinh điển
Mô tả toán học dùng để phân tích và thiết kế hệ thống là hàm truyền. Đặc
điểm của phƣơng pháp này rất đơn giản và áp dụng thuận lợi cho hệ thống
tuyến tính bất biến một ngõ vào, một ngõ ra, kỹ thuật thiết kế trong miền tần
số. Các phƣơng pháp phân tích và thiết kế hệ thống dựa trên đặc tính tần số:
9


biểu đồ Nyquist, biểu đồ Bode, bộ điều khiển PID (Proportional – Integral –
Derivative).
1.2.2. Điều khiển hiện đại
Mô tả toán học dùng để phân tích và thiết kế hệ thống là phƣơng trình
trạng thái. Phƣơng pháp này có thể áp dụng cho hệ thống phi tuyến, biến đổi

theo thời gian, nhiều ngõ vào, nhiều ngõ ra với kỹ thuật thiết kế trong miền
thời gian, bộ điều khiển hồi tiếp trạng thái.
- Điều khiển tối ƣu
- Điều khiển bền vững
- Điều khiển thích nghi
- Điều khiển thích nghi bền vững
1.2.3. Điều khiển thông minh
Về nguyên tắc không cần dùng mô hình toán học để thiết kế hệ thống.
Đặc điểm của phƣơng pháp là việc mô phỏng, bắt chƣớc các hệ thống thông
minh sinh học. Bộ điều khiển có khả năng xử lý thông tin không chắc chắn,
có khả năng học, có khả năng xử lý lƣợng lớn thông tin. Các phƣơng pháp
thiết kế hệ thống:
+ Hệ mờ và logic mờ đã đƣợc sử dụng là một cách tiếp cận khá hiệu quả
cho nhận dạng và điều khiển các hệ thống phi tuyến nhờ khả năng xấp xỉ của
nó. Tuy nhiên vẫn còn một số vấn đề cần đƣợc giải quyết, chẳng hạn nhƣ bao
nhiêu luật mờ là thực sự cần thiết cho việc xấp xỉ có hiệu quả đối với một hệ
phi tuyến chƣa biết trƣớc, các hàm liên thuộc đƣợc chọn nhƣ thế nào
+ Mạng nơron có khả năng xử lý song songvới tốc độ xử lý nhanh, có
khả năng học thích nghi, nó thích ứng trong quá trình tự chỉnh trong điều
chỉnh tự động. Nó có khả năng tổng quát hóa do đó có thể áp dụng để dự báo
lỗi hệ thống tránh đƣợc những sự cố đáng tiếc mà các hệ thống khác có thể
gây ra. Tuy nhiên, một nhƣợc điểm khi dùng mạng nơron là chƣa có phƣơng
pháp luận chung khi thiết kế cấu trúc mạng cho các bài toán nhận dạng và
10


điều khiển mà phải cần tới kiến thức của chuyên gia. Mặt khác khi xấp xỉ
mạng nơron với một hệ phi tuyến sẽ khó khăn khi luyện mạng vì có thể không
tìm đƣợc điểm tối ƣu toàn cục
Việc kết hợp giữa mạng nơron và logic mờ cho bài toán nhận dạng và

điều khiển cũng đã đƣợc các nhà khoa học nghiên cứu. Các hệ lai đã phần nào
nâng cao đƣợc chất lƣợng điều khiển, tuy nhiên việc thiết kế cấu trúc bộ điều
khiển vẫn rất khó khăn, cần nhiều tới kiến thức chuyên gia…
+ Giải thuật di truyền - Genetic Algorithm (GA) thuộc lớp các giải thuật
tìm kiếm tiến hoá. Khác với phần lớn các giải thuật khác tìm kiếm theo điểm,
giải thuật GA thực hiện tìm kiếm song song trên một tập đƣợc gọi là quần thể
các lời giải có thể. Thông qua việc áp dụng các toán tử gien, giải thuật GA
tráo đổi thông tin giữa các cực trị và do đó làm giảm thiểu khả năng kết thúc
giải thuật tại một cực trị địa phƣơng. Trong thực tế, giải thuật GA đã đƣợc áp
dụng thành công trong nhiều lĩnh vực, điển hình là các hệ lai giải thuật di
truyền với mạng nơ ron hay giải thuật di truyền với hệ mờ.
+ Lý thuyết đại số gia tử tỏ ra khá hiệu quả trong việc đơn giản hóa quá
trình tính toán dựa trên tập ngôn ngữ tự nhiên. Đại số gia tử chứa tập các giá
trị của một biến ngôn ngữ (biến mà giá trị của nó đƣợc lấy trong miền ngôn
ngữ) là một cấu trúc đại số đủ mạnh để tính toán, tiên đề hóa sao cho cấu trúc
thu đƣợc mô phỏng tốt ngữ nghĩa ngôn ngữ và có thể xem nhƣ một cơ sở cho
một loại logic mờ. Ngày nay, trong lĩnh vực điều khiển mờ, các nhà khoa học
cả trong và ngoài nƣớc đều đang rất quan tâm nghiên cứu phƣơng pháp điều
khiển dựa trên đại số gia tử nhƣ một công cụ mới, khá đầy đủ và đã đạt đƣợc
một số thành quả khả quan. Đại số gia tử cũng đã đƣợc ứng dụng cùng với
phƣơng pháp nội suy để giải quyết bài toán lập luận mờ đa điều kiện, việc giải
quyết bài toán này cũng thể hiện tính ƣu việt của nó đối với những bài toán có
cấu trúc toán học yếu. Các nghiên cứu và ứng dụng trong những năm gần đây
bƣớc đầu cho thấy: việc sử dụng kết hợp các phƣơng pháp tính toán mềm với
11


nhau khi biểu diễn tri thức sẽ thu đƣợc hiệu quả cao hơn trong nhận dạng và
điều khiển các hệ phi tuyến. Hiện nay, việc nghiên cứu kết hợp đại số gia tử
và logic mờ đã đƣợc một số tác giả nghiên cứu áp dụng cho bài toán chuẩn

đoán bệnh, nhận dạng hệ phi tuyến.
1.3. Một số bộ điều khiển trong hệ thống tự động
1.3.1. Bộ điều khiển PID
PID là bộ điều khiển tỷ lệ - tích - vi phân (Proportional-Integral-
Derivative). Bộ điều khiển PID điều khiển đối tƣợng SISO theo nguyên tắc
sai lệch:

H1.4 Sơ đồ bộ điều khiển PID
Nếu e(t) càng lớn thì thông qua thành phần tỷ lệ làm cho x(t) càng lớn
(vai trò của khâu P).
Nếu e(t) chƣa bằng không thì thông qua thành phần tích phân, PID vẫn
tạo tín hiệu điều chỉnh (vai trò của khâu I).
Nếu e(t) thay đổi lớn thì thông qua thành phần vi phân, phản ứng thích
hợp x(t) càng nhanh ( vai trò của khâu D).
Bộ điều khiển PID đƣợc mô tả bởi
hàm truyền đạt sau:
PID D
i
1
W (s)=k (1+ +T s)
T
m
s

K
m
là hệ số khuyếch đại
T
i
hằng số tích phân

T
D
hằng số vi phân
Một số hạn chế của bộ điều khiển PID
- khi hệ thống bị tác động bởi nhiễu, nhiễu sẽ đƣợc đƣa đến đầu vào
thông qua mạch phản hồi và tổng hợp cùng với tín hiệu mẫu do vậy tín
Đối tƣợng
(-)
PID
e(t)
x(t)
u(t)
y(t)
12


hiệu điều khiển cũng sẽ bao gồm nhiễu. Đây là một trong những nguyên
nhân ảnh hƣởng đến tính ổn định của hệ thống và độ chính xác điều khiển.
- Biên độ sai lệch giữa tín hiệu mẫu và tín hiệu ra là lớn và luôn
tồn tại trong suốt quá trình điều khiển. Sai lệch này có xu hƣớng tăng
khi thông số của đối tƣợng thay đổi.
- Bộ điều khiển PID đƣợc thiết kế trên cơ sở mô hình tuyến tính hoá
với những thông số chính xác của đối tƣợng trong khi thực tế đối tƣợng là
phi tuyến và thông số là không chính xác.
Tuy nhiên, nếu hệ thống làm việc trong môi trƣờng ít bị ảnh hƣởng
của nhiễu, thông số của đối tƣợng chỉ thay đổi nhỏ trong quá trình làm
việc và yêu cầu về độ chính xác cũng nhƣ ổn định không cao thì PID vẫn
là một giải pháp hiệu quả
1.3.2. Bộ điều khiển PID số
Hầu hết các bộ điều khiển công nghiệp hiện nay đƣợc xây dựng trên

nền máy tính số, vì thế thuật toán PID cũng cần đƣợc biểu diễn dƣới dạng phù
hợp cho việc lập trình cài đặt. Bộ PID rời rạc đọc sai số, tính toán và xuất ngõ
ra điều khiển theo một khoảng thời gian xác định (không liên tục) - thời gian
lấy mẫu T. Thời gian lấy mẫu cần nhỏ hơn đơn vị thời gian của hệ thống.
Không giống các thuật toán điều khiển đơn giản khác, bộ điều khiển PID có
khả năng xuất tín hiệu ngõ ra dựa trên giá trị trƣớc đó của sai số cũng nhƣ tốc
độ thay đổi sai số. Điều này giúp cho quá trình điều khiển chính xác và ổn
định hơn.
Cấu trúc cơ sở của hệ thống điều khiển số:

Hình 1.5 Bộ điều khiển PID số
13


Trong đó:
- Khâu DAC: có thể không tồn tại một cách tƣờng minh, mà ẩn dƣới
dạng thiết bị có chức năng DA. Tín hiệu số đƣợc xử lý từ máy tính hoặc từ hệ
VXL cần phải chuyển sang tín hiệu tƣơng tự để điều khiển khâu chấp hành. Vì
vậy cần có bộ biến đổi từ tín hiệu số sang tín hiệu tƣơng tự gọi tắt là DAC.
- Khâu ADC: thƣờng sử dụng khi đo đạc giá trị thực của đại lƣợng ra (ví
dụ: đo dòng), biến đổi tín hiệu liên tục thành tín hiệu gián đoạn.
Việc biến đổi từ tín hiệu liên tục thành tín hiệu rời rạc gọi là quá trình cắt
mẫu, thông thƣờng khoảng thời gian cắt mẫu là không đổi. Giữa hai lần lấy
mẫu liên tiếp nhau, bộ cắt mẫu không nhận một thông tin nào cả. Phần tử lƣu
giữ sẽ chuyển đổi tín hiệu đã đƣợc lấy mẫu thành tín hiệu gần liên tục, tiệm
cận với tín hiệu trƣớc, khi nó đƣợc lấy mẫu. Phần tử lƣu giữ ở đây đơn giản
nhất là phần tử chuyển đổi tín hiệu mẫu thành tín hiệu có dạng bậc thang và
không đổi giữa hai thời điểm lấy mẫu gọi là phần tử lƣu giữ bậc không.
- Bộ điều khiển: sử dụng vi xử lý (microprocessor: µP),vi điều khiển
(microcontroller: µC) hoặc vi xử lý tín hiệu (digital signal processor: DSP)

- Hàm truyền đạt của bộ điều khiển PID là:

- T là chu kỳ trích mẫu tín hiệu:

Trong hệ thống điều khiển số tồn tại hai loại tín hiệu: Tín hiệu liên tục
và tín hiệu rời rạc, trong khi đó tín hiệu đƣa vào đối tƣợng điều khiển và
tín hiệu đo lƣờng là tín hiệu liên tục. Để đƣa tín hiệu đó vào máy tính số ta
phải biến đổi tín hiệu từ liên tục sang rời rạc. Trong thực tế khâu điều khiển
và đối tƣợng điều khiển là tƣơng tự vì vậy tín hiệu rời rạc lại đƣợc khôi phục
lại thành liên tục. Nếu tín hiệu liên tục đƣợc giữ không đổi trong suốt thời
14


gian giữa hai lần lấy mẫu, gọi là quá trình lƣu giữ bậc không.
Trong quá trình lấy mẫu tín hiệu ta phải quan tâm đến chu kỳ lấy mẫu T. Việc
chọn T nhƣ thế nào cho thích hợp là rất quan trọng trong hệ thống điều khiển
số. Nếu chọn T lớn quá có thể làm cho hệ thống điều khiển mất ổn định vì
thiếu thông tin. Nếu chọn T nhỏ quá thì có thể đẫn tới lƣợng thông tin bị thừa
và phần cứng có thể không đáp ứng đƣợc (phụ thuộc vào độ phân giải của
thiết bị ADC) và có thể làm cho hệ thống tác động chậm.
1.3.3. Bộ điều khiển mờ
1.3.3.1. Giới thiệu
Từ những năm đầu của thập kỷ 90, hệ logic mờ (Fuzzy logic system)
đƣợc các nhà khoa học kỹ thuật đặc biệt quan tâm nghiên cứu và ứng dụng
vào sản xuất. Tập mờ và logic mờ (Fuzzy set and Fuzzy logic) dựa trên các
suy luận của con ngƣời về các thông tin “không chính xác” hoặc “ không đầy
đủ” về hệ thống để hiểu biết và điều khiển hệ thống một cách chính xác. Cho
đến nay, đã có rất nhiều tài liệu nghiên cứu lý thuyết và các kết quả ứng dụng
logic mờ trong điều khiển hệ thống, tuy vậy cả về mặt phƣơng pháp luận và
tính nhất loạt cho ứng dụng thực tế của logic mờ vẫn còn đang là một miền

đất hứa và phát triển mạnh mẽ. Logic mờ có khả năng mô tả các trạng thái sự
việc khi sử dụng các mức độ thay đổi giữa đúng và sai, có khả năng lƣợng
hóa các hiện tƣợng nhập nhằng hoặc là thông tin hiểu biết về các đối tƣợng
không đủ hoặc không chính xác và cho phép phân loại các lớp quan niệm
chèn lấp lên nhau.
1.3.3.2. Bộ điều khiển mờ
Điều khiển mờ chính là bắt chƣớc cách xử lý thông tin và điều khiển
của con ngƣời đối với các đối tƣợng, do vậy điều khiển mờ đã giải quyết
thành công các vấn đề điều khiển phức tạp trƣớc đây chƣa giải quyết đƣợc.
Những ý tƣởng cơ bản trong hệ điều khiển mờ là tích hợp kiến thức của các
chuyên gia trong thao tác vào các bộ điều khiển trong quá trình điều khiển,
15


quan hệ giữa các đầu vào và đầu ra của hệ điều khiển mờ đƣợc thiết lập
thông qua việc lựa chọn các luật điều khiển mờ (if - then) trên các biến
ngôn ngữ. Luật điều khiển (if - then) là một cấu trúc điều kiện dạng (Nếu -
Thì) trong đó có một số từ đƣợc đặc trƣng bởi các hàm liên thuộc liên tục.
Các luật mờ và các thiết bị suy luận mờ là những công cụ gắn liền với việc sử
dụng kinh nghiệm chuyên gia trong việc thiết kế các bộ điều khiển.
Ngày nay với sự phát triển của khoa học kỹ thuật cùng việc áp dụng các
phƣơng pháp điều khiển đã chắp cánh cho sự phát triển đa dạng của các hệ
điều khiển mờ trong đó vấn đề tổng hợp đƣợc một bộ điều khiển mờ một cách
chặt chẽ và ứng dụng cho đối tƣợng cụ thể nhằm nâng cao chất lƣợng điều
khiển đang là sự quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu
Sơ đồ chức năng bộ điều khiển mờ cơ bản (FLC) nhƣ hình 1.5, gồm
khối mờ hoá, khối hợp thành và khối giải mờ.

Hình 1.6 Sơ đồ khối chức năng FLC

Khối mờ hoá có nhiệm vụ biến đổi các giá trị rõ đầu vào thành một
miền giá trị mờ với hàm liên thuộc đã chọn ứng với biến ngôn ngữ đầu vào đã
đƣợc định nghĩa.
Khối hợp thành dùng để biến đổi các giá trị mờ hoá của biến ngôn
ngữ đầu vào thành các giá trị mờ của biến ngôn ngữ đầu ra theo các luật hợp
thành bao gồm tập các luật "Nếu Thì" dựa vào các luật mờ cơ sở, đƣợc
ngƣời thiết kế viết ra cho thích hợp với từng biến và giá trị của các biến ngôn
ngữ theo quan hệ mờ vào/ra. Khối hợp thành là phần cốt lõi của bộ điều khiển

16


mờ, vì nó có khả năng mô phỏng những suy đoán của con ngƣời để đạt đƣợc
mục tiêu điều khiển mong muốn nào đó.
Khối giải mờ biến đổi các giá trị mờ đầu ra thành các giá trị rõ để điều
khiển đối tƣợng. Một bộ điều khiển mờ chỉ gồm các khối thành phần nhƣ vậy
đƣợc gọi là bộ điều khiển mờ cơ bản.
* Bộ điều khiển mờ động: để mở rộng ứng dụng cho các bài toán điều khiển,
ngƣời ta thƣờng bổ sung thêm vào bộ điều khiển mờ cơ bản các khâu tích
phân, đạo hàm, bộ điều khiển có dạng nhƣ hình 1.6 đƣợc gọi là bộ điều khiển
mờ động.

Hình 1.7 Bộ điều khiển mờ động
* Bộ điều khiển mờ lai (F-PID): là bộ điều khiển trong đó thiết bị điều khiển
gồm 2 thành phần: Thành phần điều khiển kinh điển và thành phần điều khiển
mờ. Bộ điều khiển F-PID có thể thiết lập dựa trên hai tín hiệu là sai lệch e(t) và
đạo hàm của nó e’(t). Bộ điều khiển mờ có đặc tính rất tốt ở vùng sai lệch lớn,
ở đó với đặc tính phi tuyến của nó có thể tạo ra phản ứng động rất nhanh. Khi
quá trình của hệ tiến gần đến điểm đặt (sai lệch e(t) và đạo hàm của nó e’(t) xấp
xỉ bằng 0) vai trò của bộ điều khiển mờ (FLC) bị hạn chế nên bộ điều khiển sẽ

làm việc nhƣ một bộ điều chỉnh PID bình thƣờng. Trên hình 1.7 thể hiện ý
tƣởng thiết lập bộ điều khiển mờ lai F-PID và phân vùng tác động của chúng.
y
e

Bộ
điều
khiển
mờ cơ
bản


I
P
D