Ứng dụng logic mờ để điều khiển hệ bóng tay đòn

Luận văn Cao học 1 Khóa 14
Học viên: Lê Đức Minh GVHD: PGs.Ts Lại Khắc Lãi

LỜI MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài.
Việc nâng cao chất lượng điều khiển trong ngành Điều khiển - Tự động
luôn là vấn đề cấp thiết được nhiều nhà khoa học quan tâm. Các hệ thống 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 thì 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 góp phần nâng cao năng suất lao động, cải thiện điều kiện làm việc,
đáp ứng công cuộc CNH - HĐH đất nước. Mặt khác các bộ điều khiển thông
minh nói trên có xu hướng sẽ được dần đưa vào chương trình giảng dạy tại 1
số trường cao đẳng nghề trọng điểm cho sinh viên tiếp cận. Đây cũng chính là
mong muốn của bản thân tôi sau khi tốt nghiệp sẽ chế tạo 1 thiết bị ứng dụng
logic mờ để điều khiển tại phòng thí nghiệm của Trường Cao đẳng nghề Cơ
điện Phú Thọ là nơi tôi đang công tác.
Xuất phát từ yêu cầu khách quan và nguyện vọng của bản thân với sự
hướng dẫn của PGs.Ts Lại Khắc Lãi tôi đã chọn đề tài nghiên cứu “Ứng dụng
logic mờ để điều khiển Hệ bóng - Tay đòn” với đối tượng điều khiển là Hệ
Bóng - Tay đòn tại phòng thí nghiệm Điện tử của Trường Đại học Kỹ thuật
Công nghiệp Thái Nguyên. Đề tài này là 1 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 1 bộ điều khiển trong thực tế.
2. Mục tiêu nghiên cứu.
- Phân tích đặc tính động học của Hệ bóng - tay đòn và lựa chọn các
phương pháp để xác định mô hình hệ thống.

- Xây dựng bộ điều khiển logic mờ để cải thiện chất lượng và mức độ
ổn định của Hệ bóng - tay đòn.
- Thực nghiệm trên mô hình vật lý (Hệ Bóng - Tay đòn tại Phòng thí
nghiệm khoa Điện tử Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái
Nguyên) để kiểm nghiệm lại bộ điều khiển logic mờ nhằm đánh giá khả năng
cũng như hoàn thiện bộ điều khiển đã xây dựng và đưa vào ứng dụng thực
tiễn.
Luận văn Cao học 2 Khóa 14
Học viên: Lê Đức Minh GVHD: PGs.Ts Lại Khắc Lãi

3. Nội dung của luận văn:
Với mục tiêu đặt ra, nội dung luận văn bao gồm các chương sau:
- Chương 1: Tổng quan về điều khiển mờ
- Chương 2: Hệ Bóng - Tay đòn (Beam and Ball)
- Chương 3: Thiết kế điều khiển hệ Bóng - Tay đòn
- Kết luận và kiến nghị
4. Phương pháp và phương pháp luận:
- Nghiên cứu lý thuyết để rút ra kết luận và đưa ra các thuật toán điều
khiển.
- Mô hình hóa và mô phỏng để kiểm nghiệm kết quả nghiên cứu.
- Tiến hành thực nghiệm để khẳng định kết quả nghiên cứu.

Luận văn Cao học 3 Khóa 14
Học viên: Lê Đức Minh GVHD: PGs.Ts Lại Khắc Lãi

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN MỜ
1 . 1. Tổng quan về logic mờ
1.1.1. Quá trình phát triển của logic mờ
Lý thuyết mờ ra đời ở Mỹ, ứng dụng đầu tiên ở Anh nhưng phát
triển mạnh mẽ nhất là ở Nhật. Trong lĩnh vực Tự động hoá logic mờ ngày
càng được ứng dụng rộng rãi. Nó thực sự hữu dụng với các đối tượng phức
tạp mà ta chưa biết rõ hàm truyền, logic mờ có thể giải quyết các vấn đề
mà điều khiển kinh điển không làm được.
1.1.2. Khái niệm về tập mờ
1.1.2.1 . Tập kinh điển
Cho một tập hợp A, một phần tử x thuộc A được ký hiệu: x∈A
Để biểu diễn một tập hợp A trên nền X, ta dùng hàm thuộc μ
A
(x) với:

1
()

0
A
khi x A
x
khi x A







(1.1)
μ
A
(x) chỉ nhận 1 trong 2 giá trị “1” hoặc “0”.
Ký hiệu

x x X x
thỏa mãn 1 số tính chất nào đó

. Ta n
ói tập A
được định nghĩa trên tập nền X.
1.1.2.2. Định nghĩa tập mờ
Tập mờ B xác định trên tập kinh điển M là một tập mà mỗi phần tử
của nó là một cặp giá trị (x, μ
B
(x)), với x
∈

M và μ
B
(x) là một ánh xạ:
1.1.2.3. Các thông số đặc trưng cho tập mờ
- Độ cao của một tập mờ
- Miền xác định của tập mờ B
- Miền tin cậy của tập mờ B
1.2. Các phép toán trên tập mờ
- Phép hợp hai tập mờ: A

B
- Phép bù tập mờ:
1.3. Biến ngôn ngữ và giá trị của biến ngôn ngữ
Một biến ngôn ngữ thường bao gồm 4 thông số: X, T, U, M với:
- X: Tên của biến ngôn ngữ.
- T: Tập các giá trị ngôn ngữ.
Luận văn Cao học 4 Khóa 14
Học viên: Lê Đức Minh GVHD: PGs.Ts Lại Khắc Lãi

- U: Không gian nền mà trên đó biến ngôn ngữ X nhận các giá trị rõ.
- M: Chỉ ra sự phân bố của T trên U.
1.4. Luật hợp thành mờ.
1.4.1. Mệnh đề hợp thành
1.4.2. Mô tả mệnh đề hợp thành
- Công thức Min

- Công thức Prod
1.4.3. Luật hợp thành mờ
Luật hợp thành là tên gọi chung của mô hình R biểu diễn một hay nhiều
hàm liên thuộc cho một hay nhiều mệnh đề hợp thành.

-
Luật hợp thành MAX-MIN nếu
μ
B’1
(y); μ
B’2
(y); μ
B’3
(y) thu được qua
phép
lấy Min còn phép hợp thực hiện theo luật Max.
- Luật hợp thành MAX-PROD nếu μ
B’1
(y); μ
B’2
(y); μ
B’3
(y) thu được qua
phép PROD còn phép hợp thực hiện theo luật Max.
- Luật hợp thành SUM-MIN nếu μ
B’1
(y); μ
B’2
(y); μ
B’3
(y) thu được qua
phép lấy MIN còn phép còn phép hợp thực hiện theo luật SUM.
1.4.4. Các cấu trúc cơ bản của luật hợp thành:
- Cấu trúc SISO
- Cấu trúc MISO

1.4.5. Luật hợp thành đơn có cấu trúc SISO
1.4.5.1. Luật hợp thành MAX-MIN
Luật hợp thành MAX-MIN là tên gọi mô hình (ma trận) R của mệnh
đề hợp thành AB khi hàm liên thuộc μ
AB
(x,y) của nó được xây dựng
theo quy tắc MAX-MIN.

1.4.5.2. Luật hợp thành MAX-PROD
Cũng giống như đã làm với luật hợp thành MAX-MIN, ma trận R của
luật hợp thành MAX-PROD được xây dựng gồm các hàng là m giá trị rời
rạc của đầu
r
a μ
B’
(y
1
),
μ
B’
(y
2
)
μ
B’
(y
m
) cho n giá trị rõ
đ
ầ

u

v
à
o
x
1
,
x
2
, ,x
n
.
1.4.5.3. Thuật toán xây dựng R
Phương pháp xây dựng R cho mệnh đề hợp thành một điều kiện R:
AB, theo MAX-MIN hay MAX-PROD
1.4.5.4. Luật hợp thành đơn có cấu trúc MISO
Luận văn Cao học 5 Khóa 14
Học viên: Lê Đức Minh GVHD: PGs.Ts Lại Khắc Lãi

Các bước xây dựng luật hợp thành R như sau:
- Rời rạc hoá miền xác định hàm liên thuộc μ
A1
(x
1
), μ
A2
(x
2
), ,

μ
Ad
(x
d
), μ
B
(y) của các mệnh đề điều kiện và mệnh đề kết luận.
- Xác định độ thoả mãn H cho từng véctơ các giá trị rõ đầu vào là véctơ
tổ hợp d điểm mẫu thuộc miền xác định của các hàm liên thuộc μ
Ai
(x
i
), (i=1, 2,
, d).
1.4.6. Luật của nhiều mệnh đề hợp thành
1.4.6.1. Luật hợp thành của 2 mệnh đề hợp thành
1.4.6.2. Thuật toán xây dựng luật chung của nhiều mệnh đề hợp thành
- Bước 1: Rời rạc hoá
- Bước 2: Xác định các véctơ
μ
Ak
và
μ
Bk
- Bước 3: Xác định mô hình cho luật điều khiển
-
Bước 4: Xác định luật hợp thành
1.4.7. Luật hợp thành SUM-MIN và SUM-PROD
1 . 5. Giải mờ
Giải mờ là quá trình xác định một giá trị rõ y’ nào đó có thể chấp

nhận được từ hàm liên thuộc μ
B’
(y) của giá trị mờ B’ (tập mờ B’).
1 . 6 . Đ i ề u kh i ể n m ờ
1.6.1. Cấu trúc của bộ điều khiển mờ
Một bộ điều khiển mờ gồm 3 khâu cơ bản:
- Khâu mờ hoá.
- Thực hiện luật hợp thành.
- Khâu giải mờ.

1.6.2. Các bước tổng hợp bộ điều khiển mờ
- Khảo sát đối tượng
- Mờ hoá các biến ngôn ngữ vào/ra
- Xây dựng các luật điều khiển
- Chọn thiết bị hợp thành và chọn nguyên tắc giải mờ.
- Tối ưu hệ thống sau khi thiết kế
1.6.3. Bộ điều khiển mờ tĩnh
Bộ điều khiển tĩnh là bộ điều khiển mờ có quan hệ vào/ra y(x), với x là
đầu vào và y là đầu ra, theo dạng một phương trình đại số.
1.6.4. Bộ điều khiển mờ động
Luận văn Cao học 6 Khóa 14
Học viên: Lê Đức Minh GVHD: PGs.Ts Lại Khắc Lãi

Bộ điều khiển mờ động là bộ điều khiển mờ mà đầu vào có xét tới trạng
thái động của đối tượng như vận tốc, gia tốc, đạo hàm của gia tốc
1.7. 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.
1.8. Hệ điều khiển thích nghi mờ

Hệ điều khiển thích nghi mờ là hệ điều khiển thích nghi được xây
dựng trên cơ sở của hệ mờ
1.8.1. Phân loại
- Bộ điều khiển mờ tự chỉnh
- Bộ điều khiển mờ tự thay đổi cấu trúc
1.8.2. Các phương pháp điều khiển thích nghi mờ
- Phương pháp trực tiếp
- Phương pháp gián tiếp
1.9. Tổng hợp bộ điều khiển thích nghi mờ ổn định.
1.9.1. Cơ sở lý thuyết
Xét một hệ phi tuyến SISO được mô tả bởi phương trình:
y
( n )
=
f ( y, y', y
( n 1)
) + bu ; y = x là biến trạng thái (1.48)

y
(
n)
= f
(
y) + bu
Trong đó u là đầu vào, y là đầu ra, hàm phi tuyến f(.) và hằng số b được
giả thiết chưa biết
' ( 1)
, , ,
T
n

y y y y




. Mục tiêu là thiết kế bộ điều khiển mờ
để tạo ra tín hiệu điều khiển u sao cho tín hiệu ra y(t) của hệ thống bám theo
quỹ đạo
y
d
cho trước nào đó.
1.9.2. Thuật toán tổng hợp bộ điều khiển mờ thích nghi
Ta tiến hành xây dựng bộ điều khiển mờ theo trình tự sau:
- Định nghĩa các hàm liên thuộc
- Xây dựng hàm mờ cơ sở
- Xác định luật thích nghi
'
()
T
n
e P e
  


- Xây dựng bộ điều khiển
'
()
T
n
e P e

  


1.10. Kết luận chương 1
Trong nội dung chương 1 tác giả có trình bày lại 1 số các khái niệm về
điều khiển mờ, các phép toán trên tập mờ, luật hợp thành mờ, các phương
Luận văn Cao học 7 Khóa 14
Học viên: Lê Đức Minh GVHD: PGs.Ts Lại Khắc Lãi

pháp giải mờ, cấu trúc của bộ điều khiển mờ từ đó nêu lên các bước tổng hợp
bộ điều khiển mờ trong đó có bộ điều khiển mờ tĩnh, bộ điều khiển mờ động
và trình bày thêm 1 số vấn đề về bộ điều khiển mờ lai. Đây là những kiến
thức liên quan làm cơ sở để chế tạo nên bộ điều khiển cho hệ Bóng - Tay đòn
cần xây dựng.

Luận văn Cao học 8 Khóa 14
Học viên: Lê Đức Minh GVHD: PGs.Ts Lại Khắc Lãi

Chương 2
HỆ BÓNG TAY ĐÒN (BEAM AND BALL)
2.1. Giới thiệu hệ Bóng - Tay đòn









Hình 2.1: Ảnh chụp 1 bàn thí nghiệm hệ Bóng-Tay đòn
Hệ Bóng-Tay đòn (B-T) là 1 hệ điều khiển phức tạp, nó giống như việc
điều khiển quĩ đạo của tên lửa hay định vị một vệ tinh trong vũ trụ. Trong
phạm vi luận văn sẽ tập trung nghiên cứu về hệ Bóng - Tay đòn nằm trong
bảng thí nghiệm SRV2 của Lab-Volt (Italia).
2.2. Mô tả toán học cho hệ Bóng - Tay đòn
Mô hình hệ Bóng - Tay đòn được mô tả như hình 2.2

Khớp cố
định

Tayđòn

Tay biên

Bánh
truyền lực


Bánh răng
chủ đạo

Hình 2.2. Mô hình hệ Bóng-Tay đòn


Luận văn Cao học 9 Khóa 14
Học viên: Lê Đức Minh GVHD: PGs.Ts Lại Khắc Lãi

Tay đòn một đầu được gắn vào khớp cố định, đầu kia nối với tay biên.
Trục động cơ được gắn với bánh răng chủ đạo. Động cơ truyền lực qua các
bánh răng và qua tay biên tới tay đòn làm cho tay đòn chuyển động theo kiểu
bập bênh.

Để lấy thông tin về vị trí của quả bóng, tay đòn được chế tạo như hình
2, gồm 2 thanh đặt song song, thanh 1 là điện trở dây quấn, thanh 2 là thanh
kim loại được mạ bóng. Hệ cánh tay đòn thực chất được chế tạo như 1 biến
trở, quả bóng là con trượt của biến trở.
Ngoài ra hệ còn có khâu phản hồi về góc của cánh tay đòn so với
phương ngang, vòng phản hồi này được gọi là vòng phản hồi trong. Khi cánh
tay đòn nằm ngang tín hiệu ở đầu ra của khâu phản hồi (SHAFT ANGLE)
bằng 0V.
2.2.1 . Hàm truyền của hệ quả bóng lăn trên mặt nghiêng
Quả bóng thép đặt trên cánh tay đòn được mô tả như hình 2.4. Bóng lăn
trên mặt nghiêng và nó chịu tác dụng của các lực sau





- Lực F là lực ma sát tác động song song với phương chuyển động.
F
F
n
X
Y

Hình 2.4. Các lực tác dụng lên quả bóng

0
3

1
2
-7
7
Hình 2.3. Cấu trúc cánh tay đòn
+U
CC
-U
CC
Luận văn Cao học 10 Khóa 14
Học viên: Lê Đức Minh GVHD: PGs.Ts Lại Khắc Lãi

- Trọng lực của bóng được phân tích thành 2 thành phần: F
n
là thành
phần vuông góc với phương chuyển động và 1 thành phần song song với
phương chuyển động.
Áp dụng luật Niutơn ta có:

2
2
sin
dx
m mg F
dt


(2.1)
2
2

cos
n
dy
m mg F
dt


(2.2)
Vì quả bóng luôn duy trì sự tiếp xúc với mặt phẳng nên y = 0 và
2
2
0
dy
dt

. Do đó F
n
= mg.cos
Vậy lực duy nhất ảnh hưởng tới mô men của quả bóng là lực ma sát F.
Độ lớn của mô men do lực này gây ra là (F.r)
Trong đó r là bán kính của bóng.
Phương trình của chuyển động quay là:
r.F
dt
d
J 


Gọi góc quay là  ta có: x = r. 



 .r
dt
d
dt
dx

Thay vào phương trình (2.1) ta được:

2
2
2
2
2
r
K
1
gSin
r
J
m
mgSin
dt
xd







Với
m
J
K
2


Đối với một quả cầu ta có:
 sing
7
5
dt
xd
2
2

Với góc  nhỏ ta coi sin = . Do đó:
 g
7
5
dt
xd
2
2

Chuyển sang dạng toán tử Laplace ta được:
P
2
X(p) =

7
5
g(p). Thay g = 9,8m/sec
2
ta có hàm truyền:

2
P
7
)p(
)p(X


(m/rad) (2.3)
Luận văn Cao học 11 Khóa 14
Học viên: Lê Đức Minh GVHD: PGs.Ts Lại Khắc Lãi


 
2
P
8,4
rad
inch
)p(α
)p(X

(inch/độ)
2.2.2. Hàm truyền của hệ động cơ + tải
- Phương trình cân bằng điện áp trong mạch phần ứng động cơ là:

U = R
ư
I
ư
+ K
m

đ
(2.4)
- Phương trình cân bằng mô men:
tr
t
§T
K
BJ
MM



(2.5)
- Các thông số kỹ thuật của động cơ và tải:
R
ư
= 9,0 
K
e
= 0,075N-m/amp
J
t
= 7,35.10

-4
N-m-sec
2
/rad
B = 1,6.10
-3
N-msec/rad
K
tr
= 75
Từ phương trình (2.4) và (2.5) với  =
t
d
K

ta được hàm truyền của
động cơ và tải là:
50P
85
)p(U
)p(



(2.6)
Khi quả bóng ở đầu mút bên trái, điện áp đầu ra của bộ chuyển đổi A/D
là -2V.
Với mỗi độ của góc trục động cơ () ta có 1/16 độ của góc tay đòn (),
do đó  = 16
Khoảng cách giữa 2 đầu tay đòn là 16 inch, do đó tỉ lệ giữa vị trí và

điện áp là 4 inch/vol
Khi đặt vào động cơ điện áp +2,5V sẽ tạo ra góc lệch 90 độ, do đó tỉ lệ
điện áp - góc là 2,5/90 = 0,0277 V/độ. Kết quả ta được:











Vol
sec
rad
7,35P
297
)p(U
)p(ω
(2.7)
Gọi  là góc quay của tải với  = d/dt hay dưới dạng toán tử:
Luận văn Cao học 12 Khóa 14
Học viên: Lê Đức Minh GVHD: PGs.Ts Lại Khắc Lãi

(p) =
P
)p(
Thay vào (2.6) ta được:

)7,35P(P
297
)p(U
)p(θ


(2.8)




Từ các kết quả trên ta có sơ đồ cấu trúc của hệ Bóng - Tay đòn như
hình 2.5. Trong đó G
1
(p), G
2
(p) là các bộ điều khiển.
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):





Hình 2.6. Sơ đồ bộ khuếch đại đảo dùng KĐTT
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.

27 V/rad
0,73 V/inch
G
2
(p)
G
1
(p)
0,03
V/®é

297
P(P+35,7)

17
P
2
Góc trục
Vị trí bóng

X
Đặt
Hình 2.5. Sơ đồ cấu trúc hệ B-T

A
R
v

u
v

OA
-
+
u
r

R
v0

i
v+

i
p

R
p

Luận văn Cao học 13 Khóa 14
Học viên: Lê Đức Minh GVHD: PGs.Ts Lại Khắc Lãi







Hình 2.9. Sơ đồ nguyên lý bộ điều chỉnh PI sử dụng KĐTT.
2.3.1.3 Mạch điều chỉnh tỉ lệ - tích phân - vi phân (PID)

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.







Hình 2.11. Bộ điều chỉnh PID
a. Sơ đồ mạch điện;
b. Đặc tính tần biên logarit.
2.3.2. Sơ đồ lắp đặt điều khiển thực nghiệm hệ Bóng - Tay đòn
Sơ đồ thực nghiệm hệ Bóng - Tay đòn được chỉ ra trên hình 2.13

R
v0

i
p

R
v

u
v

u
r

OA
-
+
A
C
i
v

R
p

OA
1

-
+
1/τ
1

1/τ
2

1/τ
3

-20
20
L(dB)
ω(s

-1
)
R
3

R
1

C
1

R
2

C
2

R
v

R
v0

u
v

u
r

I

1

I
2

I
3

Luận văn Cao học 14 Khóa 14
Học viên: Lê Đức Minh GVHD: PGs.Ts Lại Khắc Lãi










2.4. Kết luận chương 2
Chương 2 trình bày mô tả cấu trúc và mô tả toán học của hệ thống thí
nghiệm Beam and Ball. Đồng thời trình bày cấu trúc thực tế của các qui luật
điều khiển. 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 và tiến hành thực
nghiệm để kiểm tra các thuật toán điều khiển sẽ được trình bày ở chương 3.

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
+12
Khuếch đại
công suất
G
2
Hình 2.13: Sơ đồ điều khiển hệ B-T bằng bộ điều khiển PID kinh điển

Luận văn Cao học 15 Khóa 14
Học viên: Lê Đức Minh GVHD: PGs.Ts Lại Khắc Lãi

Chương 3
THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN HỆ BÓNG - TAY ĐÒN
3.1. Điều khiển hệ Bóng - Tay đòn bằng bộ điều khiển kinh điển

Sơ đồ cấu trúc hệ Bóng - tay đòn với các thông số được chỉ ra ở chương
2 (Hình 3.1)





Để tính toán các bộ điều khiển G
1
và G
2
ta sử dụng phương pháp tối ưu
modul, tối ưu đối xứng.
- Bộ điều khiển G
1
điều khiển theo qui luật tỉ lệ, vi, tích phân, có các
tham số: Kp = 6; Ki = 0,12; Kd = 2,9.
- Bộ điều khiển G
2
điều khiển theo qui luật tỉ lệ, tích phân, có các tham
số: Kp = 1,2; Ki = 0,02.





Hình 3.2: Sơ đồ mô phỏng hệ B-T với bộ điều khiển kinh điển
Sơ đồ mô phỏng được chỉ ra trên hình 3.2. Kết quả mô phỏng với các
giá trị đặt khác nhau được chỉ ra trên hình 3.3 và 3.4. Trong đó: Hình 3.3 là
đáp ứng động khi sử dụng bộ điều khiển PID kinh điển, với kích thích là hàm

1(t) trong trường hợp không có nhiễu tác động vào quả bóng; Hình 3.4 là đáp
ứng quá độ có kể đến nhiễu.
Hình 3.1. Sơ đồ cấu trúc hệ B-T

0,0277
0,73
G
2
(p)
G
1
(p)

297
P(P+35,7)

4.8
P
2
Góc trục
Vị trí bóng

X
Đặt
4.8
s
2
297
s +37.5s
2

t
y
PID
PID2
PID
PID1
.73
1.6
1

.0277
Luận văn Cao học 16 Khóa 14
Học viên: Lê Đức Minh GVHD: PGs.Ts Lại Khắc Lãi

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Thoi gian (s)
Vi tri

Hình 3.3: Đáp ứng động của hệ thống với hàm 1(t) khi không có nhiễu
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5
0
0.2
0.4
0.6

0.8
1
Thoi gian (s)
Vi tri

Hình 3.4: Đáp ứng động của hệ thống với hàm 1(t) 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 B-T 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. Có rất nhiều phương pháp khác nhau có thể sử dụng để khắc phục
nhược điểm này.

Luận văn Cao học 17 Khóa 14
Học viên: Lê Đức Minh GVHD: PGs.Ts Lại Khắc Lãi

3.2. Điều khiển hệ Bóng - Tay đòn bằng bộ điều khiển mờ
Như đã đề cập ở trên, hệ thống B-T có 2 mạch vòng điều khiển, mạch
vòng trong điều khiển độ nghiêng của tay đòn, mạch vòng ngoài điều khiển vị
trí của quả bóng, mạch vòng ngoài rất nhạy cảm với nhiễu tác động vào bóng.
Vì vậy có thể sử dụng điều khiển mờ để nâng cao khả năng kháng nhiễu cho
hệ thống. Sơ đồ cấu trúc điều khiển mờ cho hệ B-T như hình 3.5.





Hình 3.5: Sơ đồ mô phỏng hệ B-T khi sử dụng bộ điều khiển mờ
Bộ điều khiển mờ cho mạch vòng ngoài có 2 đầu vào là sai lệch và tích
phân của sai lệch. Mỗi đầu vào được mờ hóa bởi 5 tập mờ, đầu ra được mờ

hóa bởi 9 tập mờ. Miền xác định và hình dạng các hàm liên thuộc đầu vào, ra
được biểu diễn trên hình 3.6.


4.8
s
2
297
s +37.5s
2
t
y
Out1
Subsystem
PID
1/s
.73
1.6
du/dt
1

Luận văn Cao học 18 Khóa 14
Học viên: Lê Đức Minh GVHD: PGs.Ts Lại Khắc Lãi


Hình 3.6: Hình dạng các tập mờ đầu vào, ra
Vào2
Vào1
-2
-1

0
1
2
2
0
1
2
3
4
1
-1
0
1
2
3
0
-2
-1
0
1
2
-1
-3
-2
-1
0
1
-2
4
-3

-2
-1
0
Bảng 3.1: Luật điều khiển của bộ điều khiển mờ
Bộ điều khiển mờ có 25 luật điều khiển được xây dựng theo nguyên tắc tuyến
tính với luật tổng quát:
R
ij
: if int1 = i và int2 = j then out = i+j
Các luật điều khiển cụ thể được liệt kê trong Bảng 3.1
Sử dụng luật suy diễn Max-min, giải mờ bằng phương pháp trọng tâm,
quan hệ vào - ra của bộ điều khiển mờ được biểu diễn trên Hình 3.7.
Kết nối bộ điều khiển mờ vào hệ thống và tiến hành chạy mô phỏng
trong trường hợp không có nhiễu và có nhiễu tác động ta thu được các kết quả
như hình 3.8 và hình 3.9. Trong đó hình 3.8 là đáp ứng động của hệ thống khi
không có nhiễu tác động; Hình 3.9 là đáp ứng động khi có nhiễu tác động.
Luận văn Cao học 19 Khóa 14
Học viên: Lê Đức Minh GVHD: PGs.Ts Lại Khắc Lãi










Hình 3.7: Quan hệ vào-ra của bộ điều khiển mờ

Hình 3.8: Đáp ứng khi sử dụng điều khiển mờ không có nhiễu tác động


0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Thoi gian (s)
Vi tri

Luận văn Cao học 20 Khóa 14
Học viên: Lê Đức Minh GVHD: PGs.Ts Lại Khắc Lãi

Hình 3.9: Đáp ứng khi sử dụng điều khiển mờ khi có nhiễu tác động
Để so sánh với bộ điều khiển kinh điển, ta tiến hành mô phỏng song
song 2 bộ điều điều khiển. Các kết quả thu được biểu diễn trên các hình 3.10,
hình 3.11 và hình 3.12.
Từ các kết quả mô phỏng ta thấy rằng bộ điều khiển mờ đã cho đáp ứng
tốt hơn so với bộ điều khiển kinh điển trong cả trường hợp không có nhiễu và
có nhiễu tác động.







Hình 3.10: So sánh đáp ứng khi sử dụng PID kinh điển
và điều khiển mờ khi không có nhiễu tác động

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Thoi gian (s)
Vi tri

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
Thoi gian (s)
Vi tri

PID kinh điển
PID mờ
Luận văn Cao học 21 Khóa 14
Học viên: Lê Đức Minh GVHD: PGs.Ts Lại Khắc Lãi












Hình 3.11: So sánh đáp ứng khi sử dụng PID kinh điển
và điều khiển mờ khi có nhiễu tác động

Hình 3.12: Đáp ứng khi sử dụng PID kinh điển
và điều khiển mờ khi thay đổi giá trị



PID kinh điển
PID mờ
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
Thoi gian (s)
Vi tri

PID kinh điển
PID mờ
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

PID kinh điển
PID mờ
Luận văn Cao học 22 Khóa 14
Học viên: Lê Đức Minh GVHD: PGs.Ts Lại Khắc Lãi

3.3. Kết quả thực nghiệm tại Trung tâm thí nghiệm Trường Đại học
KTCN Thái Nguyên






Hình 3.13: Hệ Bóng - Tay đòn (B-T) tiến hành thực nghiệm
Hệ Bóng - Tay đòn (B-T) (Hình 3.13) tiến hành thực nghiệm nằm trong
bảng thí nghiệm SRV2 do hãng Lab-Volt (Italia) chế tạo tại Phòng 211Trung

tâm thí nghiệm - Trường Đại học kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên. Hệ
Bóng - Tay đòn (B-T) này cũng là một ví dụ điển hình về hệ thống phi tuyến
cấp 4.







Sơ đồ thí nghiệm như hình 3.13, 3.14. Trong thí nghiệm này ta thay bộ
điều khiển G
1
bằng bộ điều khiển mờ. Như vậy mạch vòng trong vẫn sử dụng
phương pháp điều khiển kinh điển còn mạch vòng ngoài là điều khiển mờ. Để
C
2
R
2
Góc trục

Vị trí bóng

C
2
R
2
R
4
R

3
-
+
-
+
-
-
+
-
+U
-U
-12
+12
Khuyếch đại
công suất

G
2
Hình 3.14: Sơ đồ điều khiển hệ Bóng-Tay đòn bằng bộ điều khiển mờ

FLC
G
1


Luận văn Cao học 23 Khóa 14
Học viên: Lê Đức Minh GVHD: PGs.Ts Lại Khắc Lãi

kết nối bộ điều khiển mờ vào hệ thống ta dùng CARD chuyển đổi và phần
mền MATLAB điều khiển thực (real time).

Đặc tính động của hệ thống ứng với giá trị đặt khác nhau được chỉ ra
trên hình 3.15 và hình 3.16. Ta thấy rằng viên bi luôn bám sát vị trí đặt ngay
cả khi có nhiễu lớn tác động





Hình 3.15: Vị trí viên bi ứng với giá trị đặt khác nhau
và khi có nhiễu tác động vào viên bi
0 50 100 150 200 250 300
-0.2
-0.1
0
0.1
0.2
Thoi gian (giay)
Goc (rad)

Hình 3.16: Góc nghiêng của tay đòn ứng với giá trị đặt khác nhau
3.4. Kết luận chương 3
Chương 3 đã trình bày kết quả thiết kế, mô phỏng và thực nghiệm việc
điều khiển hệ bóng tay đòn bằng bộ PID kinh điển và bộ điều khiển mờ. Các
kết quả thu được cho thấy việc sử dụng điều khiển mờ có thể nâng cao chất
lượng điều khiển và khả năng kháng nhiễu cho hệ BT đáp ứng được yêu cầu
đặt ra của bộ điều khiển đề xuất.
0 50 100 150 200 250 300
-0.2
-0.1
0

0.1
0.2
Thoi gian (giay)
Vi tri (mm)

Luận văn Cao học 24 Khóa 14
Học viên: Lê Đức Minh GVHD: PGs.Ts Lại Khắc Lãi


KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
* Kết luận
Lý thuyết logic mờ đã có nhiều áp dụng thành công trong lĩnh vực điều
khiển và Bộ điều khiển Hệ bóng - Tay đòn chỉ là 1 trong những ứng dụng cụ
thể. So với kỹ thuật điều khiển kinh điển, kỹ thuật điều khiển mờ thích hợp
với các đối tượng phức tạp, khó xác định. Trong nội dung luận văn tác giả
trình bày lại 1 số lý thuyết về điều khiển mờ, các phép toán trên tập mờ, luật
hợp thành mờ, các phương pháp giải mờ, cấu trúc của bộ điều khiển mờ, đồng
thời trình bày cấu trúc thực tế của các qui luật điều khiển từ đó làm cơ sở để
tính toán các thông số của bộ điều khiển mờ cho hệ Bóng - Tay đòn cần xây
dựng. Từ kết quả thực nghiệm thu được cho thấy việc sử dụng điều khiển mờ
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.
* Kiến nghị
Để hoàn thiện được đề tài này thì cần phải tiếp tục nghiên cứu từ đó
ứng dụng vào những đối tượng có tính thực tế hơn, đây cũng chính là nguyện
vọng của tôi để phục vụ công việc giảng dạy tại Trường Cao đẳng nghề Cơ
điện Phú Thọ là nơi tôi đang công tác. Kết quả này cũng có thể mở rộng thêm
để sử dụng trong việc thiết kế các bộ điều khiển mờ trong điều khiển ra đa,
tầm và hướng pháo trên tàu chiến, xe tăng, điều khiển cân bằng cho máy bay
không người lái…