Thiết kế mô hình điều khiển giữ thăng bằng cho tời kéo trên các tàu dịch vụ dựa trên kỹ thuật điều khiển mờ la

1

Mục lục :
Mục lục:....................................................................................................................01
Lời cảm ơn: ..............................................................................................................07
Phụ lục 1:…………………………………………………………………………..77

Danh mục các bảng:
Bảng 1.1: Bảng thông số làm việc của tời…………………………………………10
Bảng 2.1: Ảnh hưởng của các giá trị Kp, Kd, Ki lên mô hình ................................17
Bảng 3.1: Thông số làm việc mô hình …………………………………………….31
Bảng 3.2: Ảnh hưởng của các giá trị Kp, Kd, Ki lên mô hình ................................35
Bảng 3.3: Sai số vị trí tải khi có nhiểu dùng bộ điều khiển PID ..............................36
Bảng 3.4: Bảng luật mờ xác định ngõ ra Kp.............................................................44
Bảng 3.5: bảng luật mờ chọn ngõ ra KD...................................................................45
Bảng 3.6: Bảng luật mờ xác định KI.........................................................................46
Bảng 3.7: Sai số vị trí tải khi có nhiễu dùng bộ điều khiển Mờ PID........................48
Bảng 3.8: Sai số vị trí tải khi có nhiễu dùng bộ điều khiển Mờ trượt……………..54
Danh mục các hình:
Hình 1.1: Mô hình demo của hãng Scantrol ............................................................09
Hình 1.2: Mô hình của hãng ACE Winch ...............................................................09
Hình 1.3: Hình ảnh làm việc của tời kéo trong môi trường biển..............................10
Hình 1.4: Hình ảnh làm việc của cầu trong môi trường biển .................................10
Hình 1.5: Mô phỏng bộ điều khiển Fuzzy_PID trên Simuli ……………………....11
Hình 1.6: Kết quả mô phỏng bộ điều khiển Fuzzy_PID…………………………...11
Hình 1.7: Cơ cấu truyền động bằng thủy lực ……………………...........................12
Hình 1.8: Cơ cấu truyền động trực tiếp motor điện ................................................13
Hình 1.9: Sơ đồ mô hình cơ khí của hệ thống tời kéo..............................................13
Hình 1.10: Sơ đồ khối ổn định vị trí tải dùng STM32 F3 Discovery .....................14
Hình 2.1: Bộ điều khiển PID ...................................................................................16

2

Hình 2.2: Hàm liên thuộc .........................................................................................18
Hình 2.3: Các dạng hàm thuộc .................................................................................19
Hình 2.4: Tập mờ của biến tốc độ ...........................................................................19
Hình 2.5: Hàm liên thuộc hình chuông ...................................................................23
Hình 2.6: Hàm liên thuộc hình thang .......................................................................24
Hình 2.7: Cấu trúc điều khiển mờ.............................................................................26
Hình 2.8: Sơ đồ khối của hệ thống ...........................................................................27
Hình 2.9: Bộ mờ của ngỏ vào và ngỏ ra…………………………………………....29
Hình 3.1: Dạng mô hình hóa của tời kéo ................................................................30
Hình 3.2: Sơ đồ khối simulink mô phỏng hệ thống hệ thống tời kéo .....................32
Hình 3.3: Đáp ứng nhiểu sóng và vị trí tải ..............................................................33
Hình 3.4: Sơ đồ khối simulink mô phỏng hệ thống hệ thống tời kéo ....................33
Hình 3.5: Đáp ứng nhiễu sóng, điểm đặt, vị trí tải………………………………....34
Hình 3.6: Bộ điều khiển PID ...................................................................................34
Hình 3.7: Sơ đồ khối simulink mô phỏng hệ thống hệ thống tời kéo ....................36
Hình 3.8: Bộ điều khiển PID ...................................................................................36
Hình 3.9: Đáp ứng vị trí tải khi có nhiễu tần số 0.5 Hz ...........................................37
Hình 3.10: Đáp ứng vị trí tải khi có nhiễu tần số 2 Hz.............................................37
Hình 3.11: Đáp ứng vị trí tải khi có nhiễu tần số 0.5 Hz .........................................38
Hình 3.12: Đáp ứng vị trí tải khi có nhiễu tần số 2 Hz.............................................38
Hình 3.13: Cấu trúc bộ điều khiển mờ PID………………………………………..39
Hình 3.14: Tập mờ ngỏ vào e ..................................................................................40
Hình 3.15: Tập mờ ngỏ vào de ................................................................................40
Hình 3.16: Tập mờ ngỏ ra Kp .................................................................................41
Hình 3.17: Tập mờ ngỏ ra Kd .................................................................................42
Hình 3.18: Tập mờ ngỏ ra Ki ..................................................................................42
Hình 3.19: Luật suy diễn xác định Kp .....................................................................44

Hình 3.20: Luật suy diễn xác định Kd......................................................................46
Hình 3.21: Luật suy diễn xác định Ki.......................................................................47


3

Hình 3.22: Sơ đồ khối simulink mô phỏng hệ thống hệ thống tời kéo ...................47
Hình 3.23: Bộ điều khiển mờ PID…………………………………………………48
Hình 3.24: Kết quả mô phỏng khi không có nhiễu sóng………………………..…48
Hình 3.25: Đáp ứng vị trí tải khi có nhiễu tần số 0.5 Hz..........................................49
Hình 3.26: Đáp ứng vị trí tải khi có nhiễu tần số 2 Hz.............................................49
Hình 3.27: Đáp ứng vị trí tải khi có nhiễu tần số 0.5 Hz..........................................50
Hình 3.28: Đáp ứng vị trí tải khi có nhiễu tần số 2 Hz.............................................50
Hình 3.29: Cấu trúc bộ điều khiển mờ trượt PID .....................................................51
Hình 3.30: Mặt trượt S(e) .........................................................................................51
Hình 3.31: Sơ đồ khối simulink mô phỏng hệ thống hệ thống tời kéo ...................53
Hình 3.32: Bộ điều khiển mờ trượt PID………………………………………...….53
Hình 3.33: Đáp ứng vị trí tải khi có nhiễu tần số 0.5 Hz..........................................54
Hình 3.34: Đáp ứng vị trí tải khi có nhiễu tần số 2 Hz.............................................55
Hình 3.35: Đáp ứng vị trí tải khi có nhiễu tần số 0.5 Hz..........................................55
Hình 3.36: Đáp ứng vị trí tải khi có nhiễu tần số 2 Hz.............................................56
Hình 4.1: Mô hình cơ khí của hệ thống ...................................................................57
Hình 4.2: Mô hình thực hệ thống …….....................................................................58
Hình 4.3 : Board điều khiển hệ thống ...................................................................59
Hình 4.4: Hai động cơ điều khiển quay tang trống và kéo tấm bệ ..........................59
Hình 4.5: Board mở rộng STM32 F3 Discovery ....................................................60
Hình 4.6: Encoder đo tốc độ motor .........................................................................61
Hình 4.7: Cảm biến hồng ngoại ...............................................................................61
Hình 4.8: Board công suất điều khiển động cơ .......................................................62
Hình 5.1: Sơ đồ khối simulink điều khiển mờ trượt PID..........................................64

Hình 5.2: Sơ đồ khối điều khiển motor làm giao động tấm bệ ................................65
Hình 5.3: Sơ đồ khối cảm biến encoder ..................................................................65
Hình 5.4: Sơ đồ khối cảm biến hồng ngoại .............................................................65
Hình 5.5: Sơ đồ khối SCI_Module ..........................................................................66
Hình 5.6: Sơ đồ khối U điều khiển motor ...............................................................67


4

Hình 5.7: Sơ đồ khối mặt trượt S(e)..........................................................................67
Hình 5.8: Giao diện lập trình.....................................................................................69
Hình 5.9: Giao diện hiển thị khi chạy ứng dụng ......................................................60
Hình 5.10: Đáp ứng vị trí tải.....................................................................................71
Hình 5.11: Đáp ứng vị trí tải.....................................................................................72

LỜI CẢM ƠN


5

Luận văn này được thực hiện tại Trường Đại học giao thông vận tải thành
phố Hồ Chí Minh. Để hoàn thành được luận văn này tôi đã nhận được rất nhiều sự
động viên, giúp đỡ của nhiều cá nhân và tập thể.
Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS. Đặng Xuân Kiên đã
trực tiếp hướng dẫn tôi thực hiện luận văn của mình. Xin cùng bày tỏ lòng biết ơn
chân thành tới các thầy cô giáo, người đã đem lại cho tôi những kiến thức bổ trợ, vô
cùng có ích trong những năm học vừa qua.
Cũng xin gửi lời cám ơn chân thành tới Ban Giám hiệu nhà trường, Phòng
Đào tạo sau đại học, Khoa điện-điện tử viễn thông đã tạo điều kiện cho tôi trong quá
trình học tập và hoàn thiện luận văn này.

Cuối cùng tôi xin gửi lời cám ơn đến gia đình, bạn bè, những người đã luôn
bên tôi, động viên và khuyến khích tôi trong quá trình thực hiện đề tài nghiên cứu
của mình.


6

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU
1.1 Đặt vấn đề
Ngày nay, kỹ thuật điều khiển và tự động hoá không còn là một khái niệm
mơ hồ nữa mà đó là một ứng dụng thực tiễn, đã được sử dụng rộng rãi trên thế giới
và trong nhiều lĩnh vực. Trong những thập kỷ gần đây, với sự phát triển mạnh mẽ
của khoa học kỹ thuật trong đó là ngành máy tính điện tử và công nghệ điện tử.
Cùng với đó là sự bùng nổ thông tin, cộng với sự phát hiện nhiều quy luật điều
khiển mới như: kỹ thuật điều khiển mờ, điều khiển thích nghi, điều khiển nơron, …,
Các công nghệ này đang được ứng dụng ngày càng phổ biến và cấp thiết trong quá
trình sản xuất, nhất là trong các ngành công nghiệp đòi hỏi sự chính xác cao và có
khả năng nguy hiểm như công nghiệp hóa lọc dầu, công nghiệp hóa chất, sản xuất
thép, xi măng… đã thúc đẩy kỹ thuật điều khiển và tự động hoá công nghệ phát
triển mạnh mẽ, sâu rộng và ngày càng hoàn thiện hơn. Với sự phát triển như vậy,
việc áp dụng luật điều khiển thông minh cho các thiết bị điều khiển trên tàu thủy
ngày càng được phổ biến.
Như chúng ta đã biết, các tàu dịch vụ thường lắp đặt các tời kéo công suất
lớn, dùng để nâng hạ các thiết bị mà các thiết bị đó làm việc trong môi trường dưới
biển chẳng hạn như đưa robot xuống biển làm việc. Do tác động của sóng biển làm
cho tàu sẽ nhấp nhô lên xuống và như thế sẽ làm cho tời lắp trên tàu cũng nhấp nhô
lên xuống theo tàu. Như vậy, tời sẽ bị nâng lên hoặc hạ xuống làm cho thiết bị tải
gắn vào tời đang làm việc dưới biển cũng bị dịch chuyển lên hay dịch chuyển
xuống. Vấn đề yêu cầu thực tiễn ở đây là làm sao thiết bị tải đang làm việc dưới
biển không bị dịch chuyển lên xuống là rất cần thiết, như sóng cấp 4 có thể làm cho

thiết bị làm việc nâng lên hoặc hạ xuống tới 4m. Trong luận văn này sẽ đưa ra một
giải pháp để giải quyết vấn đề này, sử dụng một cảm biến đo chuyển động lên
xuống của tàu, kết hợp với bộ điều khiển mờ lai để điều khiển tời kéo tải lên hay hạ
xuống, để bù vào độ dịch chuyển của tải do sóng tác động vào tàu.


7

Ngoài ra, bộ điều khiển cũng có thể áp dụng cho các thiết bị cẩu lắp trên tàu,
nó chỉ khác là tải làm việc trên cạn. Nên sẽ có một số thông số thay đổi trong quá
trình xây dựng mô hình toán học.
1.2 Các công trình nghiên cứu liên quan
1.2.1 Các mô hình điều khiển bù nhấp nhô
1.2.1.1 Hệ thống mô hình hãng SCANTROL
Hệ thống mô hình điều khiển bù nhấp nhô của hãng SCANTROL [9].

Hình 1.1: Mô hình demo của hãng Scantrol
Hệ thống gồm một tấm được chuyển động lên xuống, là mô phỏng cho sự
chuyển động của tàu trên sóng. Trên tấm có một cảm biến đo độ nhấp nhô và một
tời điện. Hệ thống điều khiển dây tời được kéo lên hay thả xuống, để giữ vật ở vị trí
ổn định theo chuyển động của tấm.
1.2.1.2 Hệ thống của hãng ACE WINCH
Hệ thống tời kéo có bộ điều khiển bù nhấp nhô của hãng ACE WINCH [10].

Hình 1.2: Mô hình của hãng ACE WINCH


8

Hệ thống làm việc tốt chỉ trong các điều kiện sau:

Bảng 1.1: Các thông số làm việc của tời
Khoảng cách dịch chuyển của tải do sóng tác động
Chu kỳ nhấp nhô của sóng
Tải trọng
Chiều dài dây cáp trên tang trống
Bù nhấp nhô
Tốc độ lớn nhất của tang trống
Moment lớn nhất

5m(+/-2.5)
8s
12 tấn
4000m
90%
120rpm
11.5KNM

1.2.2 Các hệ thống thực tế bên ngoài

Hình 1.3: Hình ảnh làm việc của tời kéo trong môi trường biển

Hình1.4: Hình ảnh làm việc của cẩu trong môi trường biển


9

Ta thấy rằng các hệ thống tời kéo và cẩu dùng trên biển rất là phổ biến, việc
giữ ổn định vị trí tải là rất cần thiết, nhất là thời tiết trên biển thay đổi liên tục. Do
vậy áp dụng bộ điều khiển bù nhấp nhô là rất hợp lý, sẽ cho ta vị trí tải mong muốn.
1.3 Các bài báo nghiên cứu liên quan đến đề tài

Hiện nay hãng sản xuất tời kéo SCANTROL, ACE WINCH đã đưa bộ điều
khiển giữ thăng bằng vào trong hệ thống tời kéo. Thuật toán thường dùng là bộ điều
khiển PID để giữ thăng bằng.
Những bài báo đã nghiên cứu về vấn đề này [1], [2], [3], dùng bộ điều khiển
Fuzzy_PID để điều khiển hệ thống tời thủy lực, phương pháp xây dựng được mô
phỏng lại trên Hình 1.5 bằng Matlab:

Hình 1.5: Mô phỏng bộ điều khiển Fuzzy_PID trên Simulink.
Kết quả mô phỏng thể hiện trên Hình 1.6:

Hình 1.6: Kết quả mô phỏng bộ điều khiển Fuzzy_PID
Bằng khảo sát thông qua kết quả mô phỏng, có thể thấy đáp ứng đầu ra hệ
thống dao động tương đối mạnh xung quanh vị trí đặt. Điều này cho thấy khả năng
thích nghi của phương pháp này chưa cao. Từ những đánh giá trên, luận văn này


10

trình bày phương pháp điều khiển mờ lai với kiểu lai ghép mờ PID vàkiểu lai ghép
mờ trượt PID, với mong muốn tìm ra bộ điều khiển tốt nhất khắc phục được ảnh
hưởng của sóng biển lên sự ổn định vị trí tải.
1.4 Giới hiệu cấu hình của hệ thống
Có hai loại cấu hình truyền động ở thực tế bên ngoài:
1.4.1 Truyền động bằng thủy lực

Hình 1.7: Cơ cấu truyền động bằng thủy lực
Trong mô hình trên, hệ thống truyền động bằng tời thủy lực. Hệ thống gồm
có tang trống quấn cáp, cáp được truyền động qua puly. Để quay tang trống sẽ có 1
nguồn thủy lực được bơm vào motor thủy lực của tang trống. Nguồn thủy lực được
cung cấp thông qua một bơm và van điện từ. Có một cảm biến đo độ nhấp nhô của

tời để đưa vào bộ điều khiển. Bộ điều khiển làm nhiệm vụ điều khiển đóng mở van
điện từ, cho nguồn thủy lực vào motor thủy lực theo chiều quay ngược hay quay
thuận của tang trống, để bù vào độ nhấp nhô tương ứng của nhiễu sóng bên ngoài,
làm vị trí tải được ổn định.


11

1.4.2 Truyền động trực tiếp bằng motor điện

Hình 1.8: Cơ cấu truyền động trực tiếp motor điện
Trong mô hình trên, hệ thống truyền động bằng motor điện. Hệ thống gồm
có tang trống quấn cáp, cáp được truyền động qua puly. Để quay tang trống sẽ được
motor điện quay truyền động qua hộp số. Có một cảm biến đo độ nhấp nhô của tời
để đưa vào bộ điều khiển. Bộ điều khiển làm nhiệm vụ điều khiển motor quay thuận
hay nghịch, để bù vào độ nhấp nhô tương ứng của nhiễu sóng bên ngoài, làm vị trí
tải được ổn định. Trong luận văn sẽ áp dụng cơ cấu truyền động này để xây dựng
mô hình toán và luật điều khiển cho hệ tời kéo.

Hình 1.9: Sơ đồ mô hình cơ khí của thống tời kéo


12

Hình 1.10: Sơ đồ khối điều khiển dùng STM32-F3 Discovery.
Như vậy theo mô hình cơ khí trên, ta thấy khi hệ thống hoạt động vị trí đặt tải
sẽ không ổn định do tác động của sóng biển (hay mô hình là bệ tạo nhấp nhô).Do
đó, ta phải thiết kế bộ điều khiển làm sao để điều khiển tang trống quay thuận hay
nghịch, để bù vào vị trí của tải bị nâng lên hay hạ xuống.
1.5 Mục tiêu của đề tài

Mục tiêu của đề tài là thiết kế bộ điều khiển, điều khiển tang trống quay
thuận hay nghịch bù vào vị trí của tải bị nâng lên hay hạ xuống, để làm được điều
này thì phải giải quyết các công việc sau:
- Mô hình hóa hệ thống với sai số nhỏ nhất: Thiết lập công thức toán học cho
hệ thống.
- Thiết kế và tìm luật điều khiển phù hợp nhất để cho chất lượng tốt nhất: có
thể dùng một số phương pháp điều khiển ổn định như: PID, mờ PID, mờ trượt PID.
- Mô phỏng được các luật điều khiển trước khi áp dụng vào mô hình thực.
- Chế tạo mô hình thực với mạch điện tử, giao tiếp với board STM32 F3
Discovery gồm: bộ nguồn, bộ công suất và bộ cảm biến để điều khiển ổn định của
hệ thống.
1.6 Phạm vi của đề tài
Đề tài thiết kế bộ điều khiển, điều khiển tang trống quay thuận hay nghịch để
bù vào vị trí của tải bị nâng lên hay hạ xuống dưới tác động của nhiễu sóng biển.
Trong phạm vi cho phép và đáp ứng của mô hình có sai số chấp nhận được.


13

Với các yêu cầu, mục tiêu và phạm vi của đề tài thì đề tài được chia thành
các chương sau:
- Chương 1: Tổng quan về đề tài nghiên cứu hệ thống ổn định vị trí tải của
tời kéo.
- Chương 2: Cơ sở lý thuyết về các phương pháp điều khiển.
- Chương 3: Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống ổn định vị trí tải của tời kéo.
- Chương 4: Thi công mô hình ổn định vị trí tải của tời kéo.
- Chương 5: Kết quả kiểm nghiệm mô hình thực tế.
- Chương 6: Kết luận và hướng phát triển.

14

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN LIÊN QUAN
2.1 Phương pháp điều khiển PID
Sử dụng phương trình toán học chúng ta đã thành lập được, từ đó thiết
kế các phương pháp điều khiển cho hệ thống ổn định vị trí tải của tời kéo. Hệ thống
của chúng ta khảo sát là sự kết hợp motor quay tang trống để giữ vị trí tải theo vị trí
mong muốn. Có một vài kỹ thuật được sử dụng để điều khiển giữ vị trí tải ổn định.
Kỹ thuật PID là một trong những kỹ thuật điều khiển kinh điển hầu như là phổ biến
nhất.

Hình 2.1: Bộ điều khiển PID
Trong bộ điều khiển PID trên, hàm truyền của khâu PID là :
(2.1)
Với: Kp: độ lợi khâu tỉ lệ
KI: độ lợi khâu tích phân
KD: độ lợi khâu vi phân
Việc hiệu chỉnh phù hợp ba thông số KP, KI, KD sẽ làm tăng chất lượng điều
khiển. Ảnh hưởng của ba thông số này lên chất lượng điều khiển hệ thống như bảng
2.1 sau:

Bảng 2.1: Ảnh hưởng của các giá trị Kp, Kd, Ki


15

Đáp ứng vòng Thời gian
kín
tăng

Vọt lố

Thời gian quá
độ

Sai số xác lập

Giảm

Tăng

Ít thay đổi

Giảm

Giảm

Tăng

Tăng

Tiến về không

Tăng

Giảm

Giảm

Thay đổi ít

Các bước thực hiện bộ điều khiển PID
Bước 1 : Khảo sát đặc tính động của mô hình cần điều khiển
Bước 2 : Xác định các hệ sốbộđiều khiển Kp, Kd và Ki. Dựa vào đặc tính của
mô hình, sự ảnh hưởng của các thông số lên bộ điều khiển và qua nhiều bước thử
sai chúng ta có được các hệ số điều khiển với đáp ứng như mong muốn.
Đối với hệ thống ổn định vị trí tải chúng ta đang khảo sát thì sóng biển là
nguyên nhân gây ra nhiễu hệ thống, ảnh hưởng rất lớn đến việc điều khiển và gây
khó khăn rất nhiều cho việc điều khiển chính xác theo mong muốn. Vì vậy chúng ta
cẩn phải nghiên cứu nhiều luật điều khiển cao cấp hơn để điều khiển ổn định hệ
thống một cách tốt hơn.
2.2 Phương pháp điều khiển mờ
2.2.1 Khái niệm cơ bản
Để hiểu rõ khái niệm “MỜ” [4] là gì ta hãy thực hiện phép so sánh sau:
Trong toán học phổ thông ta đã học khá nhiều về tập hợp, ví dụ như tập các
số thực R, tập các số nguyên tố P={2,3,5,...}… Những tập hợp như vậy được gọi là
tập hợp kinh điển hay tập rõ, tính “RÕ” ở đây được hiểu là với một tập xác định S
chứa n phần tử thì ứng với phần tử x ta xác định được một giá trị y=S(x).Giờ ta xét
phát biểu thông thường về tốc độ một chiếc xe môtô : chậm, trung bình, hơi nhanh,
rất nhanh. Phát biểu “CHẬM” ở đây không được chỉ rõ là bao nhiêu km/h,
như vậy từ “CHẬM” có miền giá trị là một khoảng nào đó, ví dụ 5km/h – 20km/h
chẳng hạn. Tập hợp L={chậm, trung bình, hơi nhanh, rất nhanh} như vậy được gọi
là một tập các biến ngôn ngữ. Với mỗi thành phần ngôn ngữ Xk. của phát biểu trên


16

nếu nó nhận được một khả năng µ(xk) thì tập hợp F gồm các cặp (x, µ(xk)) được
gọi là tập mờ.
2.2.2 Định nghĩa tập mờ

Tập mờ F xác định trên tập kinh điển B là một tập mà mỗi phần tử của nó là
một cặp giá trị (x, µF(x)), với x € X và µF(x) là một ánh xạ:
µF(x) : B → [0 1]
Trong đó: µF gọi là hàm thuộc, B gọi là tập nền.
2.2.3 Các thuật ngữ trong logic mờ

Hình 2.2: Hàm liên thuộc
Độ cao tập mờ F là giá trị h = SupµF(x), trong đó supµF(x) chỉ giá trị nhỏ
nhất trong tất cả các phần tử bị chặn trên của hàm µF(x).
Miền xác định của tập mờ F, ký hiệu là S là tập con thoả mãn:
S = SuppµF(x) = { x€B | µF(x) > 0 }
Miền tin cậy của tập mờ F, ký hiệu là T là tập con thỏa mãn:
T = { x€B | µF(x) = 1 }
Các dạng hàm thuộc (membership function): Trong logic mờ có rất nhiều
dạng hàm thuộc như: Gaussian, PI-shape, S-shape, Sigmoidal, Z-shape…


17

Hình 2.3: Các dạng hàm thuộc
2.2.3.1 Biến ngôn ngữ
Biến ngôn ngữ là phần tử chủ đạo trong các hệ thống dùng logic mờ. Ở đây
các thành phần ngôn ngữ của cùng một ngữ cảnh được kết hợp lại với nhau.
Để minh hoạ về hàm thuộc và biến ngôn ngữ ta xét ví dụ sau:
Xét tốc độ của một chiếc xe môtô, ta có thể phát biểu xe đang chạy:
- Rất chậm (VS)

- Chậm (S)

- Trung bình (M)

- Nhanh (F)

- Rất nhanh (VF)
Những phát biểu như vậy gọi là biến ngôn ngữ của tập mờ. Gọi x là giá trị
của biến tốc độ, ví dụ x =10km/h, x = 60km/h … Hàm thuộc tương ứng của các
biến ngôn ngữ trên được ký hiệu là:
µVS(x), µS(x), µM(x), µF(x), µVF(x

Hình 2.4: Tập mờ của biến tốc độ


18

Như vậy biến tốc độ có hai miền giá trị:
- Miền các giá trị ngôn ngữ:
N = { rất chậm, chậm, trung bình, nhanh, rất nhanh }
- Miền các giá trị vật lý:
V = { x€B | x ≥ 0 }
Biến tốc độ được xác định trên miền ngôn ngữ N được gọi là biến ngôn ngữ.
Với mỗi x€B ta có hàm thuộc :
x → µX= { µVS(x), µS(x), µM(x), µF(x), µVF(x) }
Ví dụ hàm thuộc tại giá trị rõ x=65km/h là:
µX(65) = { 0;0;0.75;0.25;0 }
2.2.3.2 Các phép toán trên tập mờ
Cho X,Y là hai tập mờ trên không gian nền B, có các hàm thuộc tương ứng
là µX, µY, khi đó:
- Phép hợp hai tập mờ: X U Y.
+ Theo luật Max: µxUy(b) = Max{ µX(b) , µY(b) }
+ Theo luật Sum: µxUy(b) = Min{ 1, µX(b) + µY(b) }

+ Tổng trực tiếp: µxUy(b) = µX(b) + µY(b) - µX(b).µY(b)
- Phép giao hai tập mờ: X ᴖY
+ Theo luật Min: µXᴖY(b) = Min{ µX(b) , µY(b) }
+ Theo luật Lukasiewicz: µXᴖY(b) = Max{0, µX(b)+µY(b)-1}
+ Theo luật Prod: µXᴖY(b) = µX(b).µY(b)
- Phép bù tập mờ: µXC(b) = 1- µX(b)


19

2.2.4 Luật hợp thành
2.2.4.1 Mệnh đề hợp thành
Ví dụ điều khiển mực nước trong bồn chứa, ta quan tâm đến 2 yếu tố:
+ Mực nước trong bồn L = {rất thấp, thấp, vừa}
+ Góc mở van ống dẫn G = {đóng, nhỏ, lớn}
Ta có thể suy diễn cách thức điều khiển như thế này :
Nếu mực nước = rất thấp

Thì

góc mở van = lớn

Nếu mực nước = thấp

Thì

góc mở van = nhỏ

Nếu mực nước = vừa

Thì

góc mở van = đóng

Trong ví dụ trên ta thấy có cấu trúc chung là “Nếu A thì B”. Cấu trúc này gọi
là mệnh đề hợp thành, A là mệnh đề điều kiện, C = A→B là mệnh đề kết luận.
Định lý Mamdani:
“Độ phụ thuộc của kết luận không được lớn hơn độ phụ thuộc điều kiện”
Nếu hệ thống có nhiều đầu vào và nhiều đầu ra thì mệnh đề suy diễn có dạng
tổng quát như sau :
If N = ni and M = mi and … Then R = ri and K = ki and ….
2.2.4.2 Luật hợp thành mờ
Luật hợp thành là tên gọi chung của mô hình biểu diễn một hay nhiều hàm
thuộc cho một hay nhiều mệnh đề hợp thành.Các luật hợp thành cơ bản:
+ Luật Max – Min
+ Luật Max – Prod
+ Luật Sum – Min
+ Luật Sum – Prod


20

Thuật toán xây dựng mệnh đề hợp thành cho hệ SISO (Sole Input Sole
Output).
Luật mờ cho hệ SISO có dạng “If A Then B”
Chia hàm thuộc µA(x) thành n điểm xi, i = 1,2,…,n
Chia hàm thuộc µB(y) thành m điểm yj , j = 1,2,…,m
Xây dựng ma trận quan hệ mờ R
(2.2)
Hàm thuộc µB’(y) đầu ra ứng với giá trị rõ đầu vào xk có giá trị µB’(y) =

Aᵗ.R , với Aᵗ = { 0,0,0,…,0,1,0….,0,0 }. Số 1 ứng với vị trí thứ k.
Trong trường hợp đầu vào là giá trị mờ A’ thì µB’(y) là :µB’(y) = { I1,I2,I3,
…,Im} với Ik=maxmin{ai,rik }.
* Thuật toán xây dựng mệnh đề hợp thành cho hệ MISO (Multi Input
Sole Output)
Luật mờ cho hệ MISO có dạng:
“If cd1 = A1 and cd2 = A2 and … Then rs = B”
Các bước xây dựng luật hợp thành R:
Rời rạc các hàm thuộc µA1(x1), µA2(x2), … , µAn(xn), µB(y)
Xác định độthỏa mãn H cho từng véctơ giá trị rõ đầu vào x={c1,c2,…,cn}
trong đó ci là một trong các điểm mẫu của µAi(xi). Từ đó suy ra H =
Min{ µA1(c1), µA2(c2), …, µAn(cn) }
Lập ma trận R gồm các hàm thuộc giá trị mờ đầu ra cho từng véctơ giá trị mờ
đầu vào:
µB’(y) = Min{ H, µB(y) } hoặc µB’(y) = H. µB(y)


21

2.2.5 Giải mờ
Giải mờ là quá trình xác định giá trị rõ ở đầu ra từ hàm thuộc µB’(y) của tập
mờ B’. Có 2 phương pháp giải mờ:
2.2.5.1 Phương pháp cực đại
Các bước thực hiện:
- Xác định miền chứa giá trị y’, y’ là giá trị mà tại đó µB’(y) đạt Max
G = { y€Y | µB’(y)= H }
- Xác định y’ theo một trong 3 cách sau:
+ Nguyên lý trung bình
+ Nguyên lý cận trái
+ Nguyên lý cận phải

Hình 2.5: Hàm liên thuộc hình chuông
Nguyên lý trung bình: y’ = (y1+y2)/2
Nguyên lý cận trái: chọn y’ = y1
Nguyên lý cận phải: chọn y’ = y2
2.2.5.2 Phương pháp trọng tâm
Điểm y’ được xác định là hoành độ của điểm trọng tâm miền được bao bởi
trục hoành và đường µB’(y).


22

Công thức xác định:
(2.3)
Trong đó S là miền xác định của tập mờ B’
*Phương pháp trọng tâm cho luật Sum-Min
Giả sử có m luật điều khiển được triển khai, ký hiệu các giá trị mờ đầu ra của
luật điều khiển thứ k là µB’k(y) thì với quy tắc Sum-Min hàm thuộc sẽ là:
, và y’ được xác định:
(2.4)
Trong đó và

i=1,2,….,m

Hình 2.6: Hàm liên thuộc hình thang
Xét riêng cho trường hợp các hàm thuộc dạng hình thang như hình trên
(2.5)
(2.6)
*Phương pháp độ cao
Từ công thức (2.4), nếu các hàm thuộc có dạng Singleton thì ta được:

(2.7)


23

Đây là công thức giải mờ theo phương pháp độ cao.
2.2.6 Mô hình mờ Tagaki-Sugeno
Mô hình mờ mà ta nói đến trong các phần trước là mô hình Mamdani.Ưu
điểm của mô hình Mamdani là đơn giản, dễthực hiện nhưng khả năng mô tảhệ
thống không tốt.Trong kỹ thuật điều khiển người ta thường sử dụng mô hình mờ
Tagaki-Sugeno (TS).
Tagaki-Sugeno đưa ra mô hình mờ sử dụng cả không gian trạng thái mờ lẫn
mô tả linh hoạt hệ thống. Theo Tagaki/Sugeno thì một vùng mờ LXᵏ được mô tả bởi
luật:
Rsk : If x = LXᵏ Then xˈ= A(xᵏ)x + B(xᵏ)u

(2.8)

Luật này có nghĩa là: nếu véctơ trạng thái x nằm trong vùng LXᵏ thì hệ thống
được mô tả bởi phương trình vi phân cục bộ xˈ= A(xᵏ)x + B(xᵏ)u. Nếu toàn bộ các
luật của hệ thống được xây dựng thì có thể mô tả toàn bộ trạng thái của hệ trong
toàn cục. Trong (2.8) ma trận A(xᵏ) và B(xᵏ) là những ma trận hằng của hệ thống ở
trọng tâm của miền LXᵏ được xác định từ các chương trình nhận dạng. Từ đó rút ra
được:
(2.9)
Với wk(x) € [0, 1] là độ thỏa mãn đã chuẩn hoá của x* đối với vùng mờ LXᵏ
Luật điều khiển tương ứng với (2.8) sẽ là:
Rck: If x = LXᵏ Then u = K(xᵏ)x
Và luật điều khiển cho toàn bộ không gian trạng thái có dạng:
(2.10)

Từ (2.8) và (2.9) ta có phương trình động học cho hệ kín:
(2.11)


24

2.2.7 Bộ điều khiển mờ
2.2.7.1 Cấu trúc một 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
Xét bộ điều khiển mờ MISO sau, với véctơ đầu vào X = [ U1 U2 …….Un]ᵗ

Hình 2.7: Cấu trúc bộ điều khiển mờ
2.2.7.2 Nguyên lý điều khiển mờ

Hình 2.8:Sơ đồ khối của hệ thống


25

* Các bước thiết kế hệ thống điều khiển mờ
+ Giao diện đầu vào gồm các khâu: mờ hóa và các khâu hiệu chỉnh như tỷ lệ,
tích phân, vi phân …
+ Thiếp bị hợp thành: sự triển khai luật hợp thành R
+ Giao diện đầu ra gồm: khâu giải mờ và các khâu giao diện trực tiếp với đối
tượng.
2.2.7.3 Thiết kế bộ điều khiển mờ
Các bước thiết kế:

Bước 1: Định nghĩa tất cả các biến ngôn ngữ vào/ra.
Bước 2: Xác định các tập mờ cho từng biến vào/ra (mờ hoá).
+ Miền giá trị vật lý của các biến ngôn ngữ.
+ Số lượng tập mờ.
+ Xác định hàm thuộc.
+ Rời rạc hoá tập mờ.
Bước 3: Xây dựng luật hợp thành.
Bước 4: Chọn thiết bị hợp thành.
Bước 5: Giải mờ và tối ưu hoá.
2.3 Bộ điều khiển Mờ - Trượt
Giả sử Y0 là tín hiệu ra mong muốn, Y là tín hiệu ra thực tế, e(t) = Yo – Y là
vector sai lệch động học của hệ thống, e(t) = ( e1, e2, e3……en).
Bài toán đặt ra là phải thiết kế bộ điều khiển mờ có tín hiệu điều khiển U
thỏa mãn để sai lệch vector e(t) → 0 trong một khoảng thời gian hữu hạn. Xét hàm
chuyển đổi .Với n=2, , µ qui định độ dốc của đường thẳng được gọi là đường
chuyển đổi của tín hiệu điều khiển U.