NGHIÊN cứu ỨNG DỤNG điều KHIỂN mờ THÍCH NGHI CHO bộ THÍ NGHIỆM TRUYỀN ĐỘNG BÓNG – TAY đòn

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
LẠI THỊ THANH HOA
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN MỜ
THÍCH NGHI CHO BỘ THÍ NGHIỆM TRUYỀN
ĐỘNG BÓNG – TAY ĐÒN
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số: 60 52 02 16
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Thái Nguyên, 2014
Công trình được hoàn thành tại
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN
Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS Nguyễn Thanh Hà
Phản biện 1: PGS.TS Nguyễn Hữu Công
Phản biện 2: PGS.TS Nguyễn Như Hiển
Luận văn này được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn
Họp tại: TRƯỜNG ĐH KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THÁI
NGUYÊN
Vào hồi 17 giờ 30 ngày 23 tháng 8 năm 2014
Có thể tìm hiểu luận văn tại:
- Trung tâm học liệu Đại học Thái Nguyên
- Thư viện trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC
LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN
Bài báo khoa học
Hai giải pháp mới điều khiển hệ Ball and Beam
Tác giả: Vũ Nguyên Hải, Lại Thị Thanh Hoa
Đã được phản biện và đồng ý đăng trên tạp chí Khoa học & Công
nghệ - Đại học Thái Nguyên.
1
MỞ ĐẦU

Điều khiển - Tự động đang là một trong những ngành
trọng điểm của ngành công nghiệp điện trên đà phát triển một cách
tích cực trong nền công nghiệp của nước nhà. Cùng với sự phát
triển của khoa học kỹ thuật hiện đại, việc nâng cao chất lượng điều
khiển luôn là vấn đề cấp thiết được nhiều nhà khoa học trong và
ngoài nước quan tâm. Như chúng ta đã biết, các thiết bị ứng dụng
điều khiển kinh điển chủ yếu được thiết kế theo phương pháp tuyến
tính hóa gần đúng. Khi thông số của hệ thống thay đổi mà thông số
của bộ điều khiển giữ nguyên dẫn đến làm giảm độ chính xác điều
khiển ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm.
Với sự ra đời của lý thuyết điều khiển mới (điều khiển thích
nghi, điều khiển mờ mạng nơ ron…) đã tạo điều kiện cho việc xây
dựng các bộ điều khiển thông minh đáp ứng yêu cầu công nghệ ngày
càng cao của nền sản xuất hiện đại. Đặc biệt các bộ điều khiển thông
minh nói trên còn được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp quốc
phòng mà mức độ điều khiển đòi hỏi độ chính xác rất cao đảm bảo
loại bỏ các nhiễu tiền định và nhiễu ngẫu nhiên…
Đề tài: “Nghiên cứu ứng dụng điều khiển mờ thích nghi cho
bộ thí nghiệm truyền động Bóng - Tay đòn” là nghiên cứu ứng dụng
lý thuyết vào điều khiển hệ vật lý trong phòng thí nghiệm đây là một
bước rất quan trọng không thể thiếu trong quá trình thiết kế bộ điều
khiển trong thực tế. Kết quả của đề tài có thể sử dụng để thiết kế các
bộ điều khiển trên cơ sở lý thuyết mờ để điều khiển tầm và hướng
pháo trên tàu chiến, điều khiển cân bằng cho máy bay không người
lái…
2
Đề tài này đặt ra mục tiêu chính là: Xây dựng bộ điều khiển
mờ thích nghi điều khiển bộ thí nghiệm truyền động Bóng - Tay đòn
tại Phòng thí nghiệm khoa Điện tử Trường Đại học Kỹ thuật Công
nghiệp - Đại học Thái Nguyên.

3
CHƯƠNG I:
TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG
1.1 CÁC HỆ ĐIỀU KHIỂN KINH ĐIỂN
1.1.1 Tổng hợp bộ điều khiển tuyến tính
Các bộ điều chỉnh PID tuyến tính (Bao gồm P, PI, PD và PID) đã
được nghiên cứu và phát triển tới mức hoàn thiện. Để xác định thông
số tối ưu (Kp, Ki,Kd) của PID ta có thể dùng phương pháp môdul tối
ưu, phương pháp môđul đối xứng và các phần mềm chuyên dụng (ví
dụ MATLAB) để tự động xác định tối ưu các thông số PID. Đặc
điểm của các phương pháp này là cần phải biết chính xác mô hình
của đối tượng.
1.1.2 Tổng hợp hệ điều khiển phi tuyến
Thực tế các hệ thống và các đối tượng vật lý ít nhiều đều có tính
phi tuyến, chúng chỉ tuyến tính trong 1 vùng làm việc nào đó. Vì vậy
việc nghiên cứu tổng hợp hệ phi tuyến có ý nghĩa thực tiễn và phổ
biến. Để phân tích và tổng hợp hệ phi tuyến ta phải dùng các phương
pháp gần đúng:
- Phương pháp tuyến tính hoá gần đúng
- Phương pháp tuyến tính hoá điều hoà
- Phương pháp tuyến tính hoá từng đoạn
- Phương pháp mặt phẳng pha
1.2 LOGIC MỜ VÀ ĐIỀU KHIỂN MỜ
1.2.1 Giới thiệu
1.2.1.1 Lịch sử ra đời và phát triển
1.2.1.2 Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ
Cấu trúc chung của một bộ điều khiển mờ gồm 4 khối: Khối mờ
hoá, khối hợp thành, khối luật mờ và khối giải mờ
4
1.2.3 Bộ điều khiển mờ động

Là bộ điều khiển mờ mà đầu vào có xét tới các trạng thái động
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 PI).
1.2.4 Hệ điều khiển mờ lai
Hệ mờ lai viết tắt là F-PID là hệ điều khiển trong đó thiết bị điều
khiển gồm 2 thành phần: Thành phần điều khiển kinh điển và thành
phần điều khiển mờ.
1.3 ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI
1.3.1 Giới thiệu
Điều khiển thích nghi là tổng hợp các kỹ thuật nhằm chỉnh
định các bộ điều chỉnh trong mạch điều khiển nhằm thực hiện hay
duy trì chất lượng của hệ thống ở một mức độ nhất định khi thông số
của quá trình được điều khiển không biết trước hoặc thay đổi theo
thời gian.
1.3.2 Tổng hợp hệ điều khiển thích nghi trên cơ sở lý thuyết
tối ưu cục bộ (Phương pháp Gradient)
5
0 10 20 30 40 t(s)
-1
-0.5
0
0.5
1
Hình 1.13: Đáp ứng của đối tượng và mô hình với kích thích
xung chữ nhật. Chỉ tiêu chất lượng được đánh giá theo tích phân
bình phương sai lệch J=1,477
Phương pháp Gradient giúp ta dễ dàng tìm ra luật điều khiển
nhưng chỉ giới hạn ở miền biến thiên thông số trong dải hẹp. Khó
khảo sát vùng ổn định của hệ thống, đặc biệt đối với hệ bậc cao thì

không thể xác định được vùng ổn định chính xác.
1.3.3 Tổng hợp hệ thống ĐK thích nghi trên cơ sở ổn định
tuyệt đối
1.3.4 Tổng hợp hệ thống điều khiển thích nghi dùng lý thuyết
Lyapunov
So với luật Gradient, luật điều chỉnh xây dựng từ lý thuyết
Lyapunov đơn giản hơn bởi vì nó không yêu cầu phải lọc tín hiệu.
- Phương pháp hàm Lyapunov có một số ưu điểm trong bài toán
ổn định. Bởi vì nó được xây dựng trên cơ sở các hàm đã biết, không
đòi hỏi tìm nghiệm bằng các thuật toán phức tạp. Kinh nghiệm trong
vấn đề xây dựng hàm Lyapunov là tìm hàm tối ưu cho từng trường
hợp cụ thể, tức là tìm hàm cho điều kiện đủ tốt nhất của bài toán ổn
định.
- Đối với các hệ có vế phải phụ thuộc thời gian việc xây dựng
hàm Lyapunov gặp khó khăn hơn nhiều so với hệ dừng (không phụ
thuộc thời gian).
- Vấn đề xây dựng hàm Lyapunov trong miền cho trước đối với
hệ phi tuyến không thể khẳng định đã giải quyết một cách trọn vẹn
và đầy đủ. Thực tế cho thấy chưa có một loại hàm Lyapunov nào
mang tính tổng quát
1.3.5 Điều khiển mờ thích nghi
Hệ điều khiển thích nghi mờ là hệ điều khiển thích nghi được
xây dựng trên cơ sở của hệ mờ.
6
1.3.5.1 Các phương pháp điều khiển thích nghi mờ
Với nội dung của đề tài “Nghiên cứu ứng dụng điều khiển mờ
nơron cho hệ thí nghiệm truyền động bóng - tay đòn”. Ta phải thực
hiện những nội dung sau:
+ Xây dựng mô hình toán cho hệ thí nghiệm truyền động bóng –
tay đòn

+ Thiết kế bộ điều khiển mờ nơron cho hệ thí nghiệm truyền động
bóng – tay đòn
+ Tiến hành mô phỏng và làm thí nghiệm trên hệ thống thực.
7
Cơ cấu
thích nghi
Nhận dạng
Đối tượng
Bộ điều khiển
Hình 1.19 Cấu trúc phương pháp điều khiển thích nghi trực tiếp
Chỉnh định
Phiếm hàm
mục tiêu
Đối tượng
Bộ điều khiển
Hình 1.20 Cấu trúc phương pháp điều khiển thích nghi gián tiếp
CHƯƠNG 2
HỆ BÓNG TAY ĐÒN
2.1. GIỚI THIỆU HỆ BÓNG – TAY ĐÒN
Hệ bóng – tay đòn là một hệ điều khiển phức tạp, nó giống như
việc điều khiển quỹ đạo của tên lửa hay định vị một vệ tinh trong vũ
trụ.
2.2. MÔ TẢ TOÁN HỌC CHO HỆ BÓNG – TAY ĐÒN
2.2.1 . Hàm truyền của hệ quả bóng lăn trên mặt nghiêng
8
F
F
n
X
Y

α
Hình 2.4: Các lực tác dụng lên quả bóng
Khớp cố
định
Tayđòn
Tay biên
Bánh truyền
lực
Bánh răng
chủ đạo
Hình 2.2: Mô hình hệ Bóng-Tay đòn
2.2.2. Hàm truyền của hệ động cơ + tải
Từ các kết quả trên ta có sơ đồ cấu trúc của hệ Bóng-Tay đòn
2.3. ĐIỀU KHIỂN PID KINH ĐIỂN CHO HỆ BÓNG – TAY ĐÒN
2.3.1. Các bộ điều chỉnh tương tự
2.3.1.1 Bộ điều chỉnh tỉ lệ (P)
Hiện nay, hầu hết các bộ điều chỉnh tỉ lệ đều đực xây dựng
trên cơ sở các bộ khuếch đại thuật toán (KĐTT) kết hợp với các điện
9
Hình 2.5: Sơ đồ cấu trúc hệ B&B
0,0277
0,73
G
2
(s)
G
1
(s)
297
s(s+37,5)

4,8
s
2
Góc trục
Vị trí bóng
θ
X
Đặt
-
-
trở. Các sơ đồ khuếch đại dùng KĐTT thường sử dụng 2 cách mắc
đó là sơ đồ khuếch đại đảo và sơ đồ khuếch đại không đảo, sơ đồ
khuếch đại đảo thường được sử dụng nhiều hơn vì dải thông rộng
hơn.
2.3.1.2 Bộ điều chỉnh tỉ lệ - tích phân (PI)
Bộ điều chỉnh tỉ lệ - tích phân là loại bộ điều chỉnh được sử
dụng nhiều nhất trong thiết kế các hệ điều chỉnh tự động dùng trong
công nghiệp.
2.3.1.3 Mạch điều chỉnh tỉ lệ - tích phân - vi phân (PID)
10
Bộ điều chỉnh PID có nhiều cách thức thực hiện khác nhau, về
nguyên tắc có thể thiết kế 1 sơ đồ tổ hợp chung và cũng có thể thiết
dạng ba bộ điều chỉnh P, I, D độc lập, sau đó sử dụng mạch cộng để
được bộ điều chỉnh PID
2.3.1.4 Bộ điều chỉnh tích phân (I)
Hình 2.12: Sơ đồ mạch điện bộ điều chỉnh tích phân
2.3.2. Sơ đồ lắp đặt điều khiển thực nghiệm hệ Bóng - Tay đòn
11
Góc trục
-12

Vị trí bóng
C
1
R
1
R
4
R
3
-
+
R
1
C
1
G
1
C
2
R
2
R
4
R
3
-
+
R
2
C

2
-
+
-
+U
-U
-
+
-
+U
-U
+1
2
Khuếch đại
công suất
G
2
Các kết quả thu được từ chương này làm cơ sở để tính toán các
thông số của các bộ điều khiển kinh điển, điều khiển mờ. Sau đó tiến
hành thực nghiệm để kiểm tra các thuật toán điều khiển, các nội dung
này sẽ được trình bày ở chương 3.
12
CHƯƠNG III
THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN HỆ BÓNG - TAY ĐÒN
3.1. Điều khiển hệ Bóng - Tay đòn bằng bộ điều khiển kinh điển


Trong luận văn này tác giả sử dụng phương pháp chọn - thử để
thu được thông số của các bộ điều khiển G
1

và G
2
Hình 3.2: Sơ đồ mô phỏng hệ bóng – tay đòn với bộ điều khiển
kinh điển
13
Hình 3.1: Sơ đồ cấu trúc hệ B&B
0,0277
0,73
G
2
(s)
G
1
(s)
297
s(s+37,5)
4,8
s
2
Góc trục
Vị trí bóng
θ
X
Đặt
-
-
4.8
s
2
297

s +37.5s
2
Out1
Tin hieu dat
PID
PID2
PID
PID1
.73
.0277
Hình 3.3: Đáp ứng động của hệ thống khi không có nhiễu
Hình 3.4: Đáp ứng động của hệ thống khi có nhiễu tác động
* Nhận xét:
Từ các kết quả mô phỏng trên ta thấy khi sử dụng các bộ điều
khiển kinh điển để điều khiển hệ bóng – tay đòn thì đáp ứng của hệ
thống khá tốt nếu không có nhiễu. Song khi có nhiễu tác động vào
quả bóng thì vị trí quả bóng dao động khá nhiều. Để khắc phục hiện
14
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
Thoi gian (s)
Vi tri

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
Thoi gian (s)
Vi tri


ĐƯ quá độ
TH đặt
ĐƯ quá độ
TH đặt
tượng này cần phải có giải pháp để bộ điều khiển có thể thay đổi
thông số của chúng một cách linh hoạt. Trong luận văn này tác giả đề
xuất sử dụng bộ điều khiển Mờ-Nơron.
3.2. Thiết kế bộ điều khiển thích nghi mờ cho hệ Bóng - Tay đòn
3.2.1. Cấu trúc bộ điều khiển thích nghi mờ
Hình 3.6: Sơ đồ khối bộ điều khiển thích nghi mờ
theo mô hình mẫu
3.2.2. Kết quả mô phỏng
Sau khi thiết kế xong bộ điều khiển mờ thích nghi, kết nối vào đối
tượng ta có sơ đồ mô phỏng như hình 3.9 và kết quả mô phỏng được
chỉ ra trên các hình 3.10 và hình 3.11 và hình 3.12.
ε
U
C

Mô hình
mẫu G
m
FLC
cơ bản
Cơ cấu
thích nghi
Đối tượng
G
+
-
e
FLC
u
y
y
m
+
K
-
15
Hình 3.9: Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển mờ thích nghi
Hình 3.10: Đặc tính động của hệ thống với bộ điều khiển mờ thích
nghi khi không có nhiễu
16
y
y0
In1 Out1
Plant
a

b.s+1
Mo hinh
.26
Kd
1
s
Integrator
-K-
Gama
FLC
co ban
du/dt
Out1
Dat
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
Thoi gian (s)
Vi tri
Hình 3.11: Đặc tính động của hệ thống với bộ điều khiển mờ thích
nghi khi có nhiễu
17
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
0
0.2

0.4
0.6
0.8
1
1.2
Thoi gian (s)
Vi tri
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
Thoi gian (s)
Vi tri
FLC
PID
Hình 3.12: Đặc tính động của hệ thống khi sử dụng PID kinh điển
và khi sử dụng bộ điều khiển mờ thích nghi có nhiễu
* Nhận xét:
Từ các kết quả mô phỏng ta thấy khi không có nhiễu tác
động vào hệ Bóng - Tay đòn thì đặc tính động của hệ thống khi sử
dụng PID kinh điển và bộ điều khiển mờ thích nghi không khác nhau
nhiều. Khi có nhiễu tác động, đáp ứng động của hệ điều khiển thích
nghi mờ tốt hơn.
3.3. Kết quả thực nghiệm
Sơ đồ thí nghiệm như hình trên. Trong thí nghiệm này, ta thay bộ
điều khiển G

1
bằng bộ điều khiển mờ thích nghi. Như vậy mạch vòng
trong vẫn sử dụng phương pháp điều khiển kinh điển còn mạch vòng
ngoài là điều khiển mờ thích nghi. Để kết nối bộ điều khiển mờ vào
18
hệ thống ta dùng card chuyển đổi NI USB 6008 và dùng phần mền
MATLAB điều khiển thực (real time).
Hình 3.19. Đặc tính điều chỉnh hệ bóng – tay đòn khi sử dụng bộ
điều khiển mờ thích nghi với tín hiệu đặt thay đổi
19
10 20 30 40 50
t(s)
-1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
Vị trí
Hình 3.18: Đặc tính động của hệ thống khi sử dụng bộ điều khiển mờ nơron ở
vòng ngoài với tín hiệu đặt không đổi
10 20 30 40 50
t(s)
-1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0

0.2
Vị trí
Hình 3.18: Đặc tính động của hệ thống khi sử dụng bộ điều khiển mờ nơron ở
vòng ngoài với tín hiệu đặt không đổi
10 20 30 40 50
t(s)
-1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
Vị trí
Hình 3.18: Đặc tính động của hệ thống khi sử dụng bộ điều khiển mờ nơron ở
vòng ngoài với tín hiệu đặt không đổi
0 50 100 150 t(s)
-1
-0.5
0
0.5
Vị
trí

10 20 30 40 50
t(s)
-1
-0.8
-0.6
-0.4

-0.2
0
0.2
Vị
trí
Hình 3.18: Đặc tính động của hệ thống khi sử dụng bộ điều khiển mờ
thích nghi ở vòng ngoài với tín hiệu đặt không đổi
3.4. Kết luận chương 3
Nội dung toàn chương 3 tác giả đã giải quyết các vấn đề sau:
Trình bày kết quả thiết kế, mô phỏng và thực nghiệm việc
điều khiển hệ bóng tay đòn bằng bộ PID kinh điển.
Trình bày kết quả thiết kế, mô phỏng và thực nghiệm việc
điều khiển hệ bóng tay đòn bằng bộ điều khiển mờ thích nghi theo
mô hình mẫu song song.
Các kết quả thu được từ đặc tính động và đặc tính điều chỉnh
cho thấy việc sử dụng điều khiển mờ thích nghi có thể nâng cao chất
lượng điều khiển và khả năng kháng nhiễu cho hệ bóng – tay đòn.
Đồng thời cũng khẳng định tính khả thi của bộ điều khiển đề xuất.
20
KẾT LUẬN – ĐÁNH GIÁ
Luận văn đã thực hiện được những công việc sau:
- Đã tìm hiểu về đối tượng là hệ thí nghiệm truyền động bóng –
tay đòn tại phòng thí nghiệm Khoa Điện tử - Trường Đại học kỹ
thuật công nghiệp; xây dựng mô hình toán cho hệ thống.
- Thiết kế bộ điều khiển PID kinh điển.
- Thiết kế bộ điều khiển mờ thích nghi.
- Tiến hành mô phỏng và làm thí nghiệm thực trên hệ thí nghiệm
truyền động bóng – tay đòn sử dụng bộ điều khiển PID kinh điển và
bộ điều khiển mờ thích nghi. So sánh các kết quả khi có nhiễu và
không có nhiễu ứng với 2 bộ điều khiển.

Đánh giá nội dung của đề tài:
Đề tài đã hoàn thành các nội dung yêu cầu. Kết quả của đề tài có
thể sử dụng để thiết kế các bộ điều khiển trên cơ sở lý thuyết mờ để
điều khiển các hệ thống thực như hệ thống rađa, máy bay không
người lái…
Những kiến nghị nghiên cứu tiếp theo
Tiếp tục nghiên cứu đề xuất các giải pháp mới nhằm nâng cao
tính kháng nhiễu cho hệ Bóng - Tay đòn.
21