ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
VŨ NGUYÊN HẢI
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN MỜ
NƠRON CHO HỆ 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: TS. Đào Huy Du
Phản biện 1: TS. Nguyễn Văn Vỵ
Phản biện 2: TS. Đỗ Trung Hải
Luận văn này được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn
Họp tại: TRƯỜNG ĐH KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THÁI
NGUYÊN
Vào hồi 09 giờ 30 ngày 18 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.
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 nơron cho hệ
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 ra đa, 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 nơron 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
1.2.3 Bộ điều khiển mờ động
4
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 Nhận xét
Qua nghiên cứu ta nhận thấy rằng bộ điều khiển mờ có tính phi
tuyến mạnh, khả năng chống nhiễu cao, nó rất phù hợp với hệ có tính
phi tuyến, phụ thuộc thời gian, có tham số rải và thời gian trễ lớn.
1.3 MẠNG NƠ RON
1.3.1 Mô hình nơron sinh học
1.3.1.1 Xử lý thông tin trong bộ não
1.3.1.2 Các đặc tính cơ bản của não người
- Tính phân lớp
- Tính mô đun
- Mối liên kết
- Xử lý phân tán các tín hiêu vào
1.3.2 Phần tử xử lý
Mô hình phần tử xử lý (Processing elements) dạng M - P, do
Culloch và Pitts đề xuất năm 1943.
1.3.3 Các loại mô hình cấu trúc mạng nơron
Mạng nơron truyền thẳng một lớp
Mạng nơron truyền thẳng nhiều lớp
Mạng nơron chỉ có một nơron tự hồi quy
Mạng nơron hồi quy một lớp
Mạng có cấu trúc ngang - hạn chế
Mạng nơron hồi quy nhiều lớp
1.3.4 Các tính chất của mạng nơron
- Là hệ phi tuyến
5
- Là hệ xử lý song song
- Là hệ học và thích nghi
- Là hệ nhiều biến, là hệ nhiều đầu vào, nhiều đầu ra
1.3.5 Các luật học
1.3.5.1 Học có giám sát
1.3.5.2 Học củng cố
1.3.5.3 Học không có giám sát
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.
6
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
7
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
8
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)
9
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
10
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.
11
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
12
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
13
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 mờ nơron cho hệ Bóng - Tay đòn
3.2.1. Cấu trúc bộ điều khiển Mờ-Nơron (FNC - Fuzzy Neural
Controler)
Hình 3.7: Cấu trúc của bộ điều khiển Mờ-Nơron
3.2.2. Huấn luyện mạng
Để huấn luyện mạng FNC ta cần có bộ dữ liệu huấn luyện, tác giả
sử dụng mô hình mẫu để thu nhận tập dữ liệu huấn luyện.
14
Hình 3.12: Biểu đồ sai số giữa dữ liệu huấn luyện và dữ liệu vào
ra của FNC qua 30 kỳ huấn luyện
3.2.3. Kết quả mô phỏng
Hình 3.15: Đặc tính động của hệ thống với bộ điều khiển FNC khi
không có nhiễu
15
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
0
0.5
1
1.5
Thoi gian (s)
Vi tri
Hình 3.16: Đặc tính động của hệ thống với bộ điều khiển FNC khi
có nhiễu
* Nhận xét:
Từ các kết quả mô phỏng ta thấy bộ điều khiển Mờ-Nơron
(FNC) đề xuất có thể huấn luyện để điều khiển hệ thống Bóng - Tay
đòn với đặc tính động rất tốt khi không có nhiễu. Tuy nhiên khi có
nhiễu tác động thì bộ điều khiển này chưa khắc phục được nhiều.
Nguyên nhân là tập dữ liệu huấn luyện mạng chưa thật hoàn hảo.
16
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
3.3. Kết quả thực nghiệm
Sơ đồ thí nghiệm như hình 3.17. Trong thí nghiệm này, ta thay bộ
điều khiển G
1
bằng bộ điều khiển mờ nơron. Như vậy mạch vòng
trong vẫn sử dụng phương pháp điều khiển kinh điển còn mạch vòng
ngoài là điều khiển mờ nơron. Để kết nối bộ điều khiển mờ vào hệ
thống ta dùng card chuyển đổi NI USB 6008 và dùng phần mền
MATLAB điều khiển thực (real time).
17
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
Hình 3.19. Đặc tính điều chỉnh hệ bóng – tay đòn khi sử dụng bộ
điều khiển mờ nơron với tín hiệu đặt thay đổi
18
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
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 trường ĐH KTCN.
- Thiết kế bộ điều khiển PID kinh điển.
- Thiết kế bộ điều khiển mờ nơron
- Tiến hành mô phỏng và làm thí nghiệm thực sử dụng bộ điều
khiển PID kinh điển và bộ điều khiển mờ nơron trên hệ thí nghiệm
truyền động bóng – tay đòn tại phòng thí nghiệm trường ĐH KTCN.
So sánh và rút ra kết luận.
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
• Xây dựng tập dữ liệu huấn luyện hoàn thiện hơn với mục đích
nâng cao chất lượng bộ điều khiển mờ nơron.
19
