Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển sử dụng đại số gia tử ứng dụng cho đối tượng công nghiệp ( luận văn thạc sĩ)

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

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

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

/>

iii

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

/>

iv

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

/>

v

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

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

/>

vi

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

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

/>

vii

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 I4 theo tốc độ biến thiên của sai lệch khi
α1 =0.2 ........................................................................................................... 54
Bảng 3.5. Giá trị tiêu chuẩn tích phân I4 theo tốc độ biến thiên của sai
lệch khi α1 =1.5 ............................................................................................. 54

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

/>

viii

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

/>

ix

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

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

/>

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.


Luận vận đậy đu ở file:Luận vận Full