Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển sử dụng đại số gia tử ứng dụng cho đối tượng công nghiệp

1i

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG 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 TƯỢNG CÔNG NGHIỆP

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa

Thái Nguyên - 2014


2i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các kết quả
được viết chung với các tác giả khác đều được sự đồng ý của đồng tác giả
trước khi đưa vào luận văn. Các kết quả trong luận văn là trung thực và chưa
từng được 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

/>

33

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

/>

44

MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC HÌNH ............................................................................ viii

CHƯƠNG 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 chương trình....................................................... 7
1.2. Các phương 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. Ưu nhược điểm của bộ điều khiển mờ .................................... 17
1.3.4. Bộ điều khiển sử dụng đại số gia tử ...........................................
17
1.4. Chất lượng của hệ thống điều khiển tự động và yêu cầu khi
thiết kế

......................................................................................... . 19

1.4.1. Chỉ tiêu chất lượng ở trạng thái tĩnh .......................................... 20
1.4.2. Chỉ tiêu chất lượng ở trạng thái quá độ ......................................
20
1.4.3. Các chỉ tiêu tích phân................................................................. 21


55

1.5. Một số phương pháp đánh giá chất lượng hệ thống tự động .........
22
1.5.1. Đánh giá chất lượng hệ thống ở trạng thái xác lập..................... 22
1.5.2. Đánh giá trực tiếp chất lượng hệ thống ở quá trình quá độ ........
22
1.5.3. Đánh giá chất lượng hệ thống qua tiêu chuẩn tích phân ............
23
1.6. Kết luận chương 1 ........................................................................ . 25

CHƯƠNG II: LÝ THUYẾT ĐẠI SỐ GIA TỬ VÀ PHƯƠNG
PHÁP THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN .................................................. 26
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

/>

66

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. Phương 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 chương 2 ........................................................................ . 42
CHƯƠNG 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 tượng.......................................... 43
3.1.1. Lựa chọn đối tượng ....................................................................
43
3.1.2. Xây dựng mô hình toán học đối tượng....................................... 45
3.2. Nghiên cứu thiết kế và nâng cao chất lượng 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 lượng theo tiêu chuẩn tích phân bình phương
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 chương 3 ........................................................................ . 62


77

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................. 63
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................... 64

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

/>

88

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 dương



Giá trị định lượng 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 tượng điều khiển

ĐSGT

Đại số gia tử

ĐCTĐTĐĐ Điều chỉnh tự động truyền động điện

ĐKTĐ

Điều khiển tùy động

ĐLNN

Định lượng 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
SISO

Semantic Associative Memory
Single-Input-Single-Output


99

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

/>

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1. Bảng Tính âm, dương 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 lượng ..................................................... 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. Đường cong ngữ nghĩa định lượng ............................................... 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 trưng cho quan hệ vào ra của bộ điều khiển mờ ........ 50
Hình 3.7. Mặt cong ngữ nghĩa định lượng .................................................... 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

/>

99

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 tương 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

/>

10
1
0

MỞ ĐẦU
1. Tính khoa học và cấp thiết của luận án
Hiện nay, việc nâng cao chất lượng của hệ thống điều khiển luôn được các
nhà khoa học quan tâm nghiên cứu với các phương pháp điều khiển
mới. Cùng với việc thiết kế hệ tuyến tính, người ta có thể chế tạo được
các hệ thống điều khiển phi tuyến nhờ máy tính có bộ nhớ lớn.
Hệ mờ và logic mờ do L. Zadeh đưa ra năm 1965 đã cố gắng mô tả một
cách toán học những khái niệm mơ hồ mà logic kinh điển không làm được.
Đó là việc xây dựng các các phương pháp lập luận xấp xỉ để mô hình hóa quá
trình suy luận của con người.
Các tác giả N.C. Ho và W. Wechler đã xây dựng cấu trúc toán học cho
biến ngôn ngữ qua việc định lượng 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 tượng phi tuyến, việc áp dụng

ĐSGT còn là một vấn đề mới và chỉ được một số ít các nhà khoa học quan
tâm nghiên cứu. Vì vậy, luận án đề xuất một phương pháp mới là sử dụng đại
số gia tử trong bài toán điều khiển các đối tượng phi tuyến. Kết quả nghiên
cứu sẽ khẳng định thêm hiệu quả của lý thuyết ĐSGT với đối tượng phi tuyến
và mở ra khả năng ứng dụng trong thực tế.
2. Phạm vi nghiên cứu, đối tượng và phương pháp luận
Luận văn đã nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển sử dụng đại số gia tử và
và phát triển phương pháp thiết kế cho một số đối tượng công nghiệp
Phương 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 lượng 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 têu của luận án
Đề xuất phương pháp thiết kế bộ điều khiển mới sử dụng đại số gia tử
áp dụng cho một số lớp đối tượng công nghiệp.
Kiếm chứng bằng mô phỏng và thực nghiệm trên mô hình vật lý cụ thể
4. Ý nghĩa lí luận và thực tễn
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 lượng cho bộ điều khiển giúp đơn giản hóa được quá
trình thiết kế, loại bỏ thông tin không cần thiết
4.2. Ý nghĩa thực tễn:
Mở ra khả năng ứng dụng bộ điều khiển sử dụng Đại số Gia tử điều
khiển các đối tượng công nghiệp, đặc biệt các đối tượng phi tuyến, tham
số bất định thông tin không rõ dàng như máy Điều hòa nhiệt độ, Máy giặt,
điều khiển mức nước trong các Bolong hơi của các nhà máy:( Sản xuất Giấy,
Nhiệt điện…)
Kết quả nghiên cứu của luận án sẽ mở ra một hướng 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 được trong chương 2 và 3, luận án xây dựng
mô hình thí nghiệm kiểm chứng các kết quả lý thuyết đã đạt được. 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 - Trường 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 phương bình phương sai lệch.
Phương pháp thiết kế được 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
tượng 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 đưa 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.


CHƯƠNG I
TỔNG QUAN CHUNG VỀ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG
Ngày nay, các hệ thống tự động có mặt rất nhiều trong đời sống và
trong sản xuất hàng hóa. Sự phát triển hệ thống tự động trên thế giới đã đạt
được nhiều thành quả và đã có nhiều tiến bộ. Điều khiển tự động đã được áp
dụng rộng rãi trong nhiều ngành khác nhau, được nhiều người đóng góp sức
lực giải quyết nhiều bài toán từ thực hành đến lý thuyết, phát minh và chế
tạo ra nhiều hệ thống điều khiển tự động từ đơn giản đến phức tạp. Chỉ riêng
điều khiển các hệ tuyến tính đã chiếm khoảng 20 năm cho các nhà nghiên
cứu điều khiển để đưa ra phương pháp thiết kế điều khiển như hiện nay.
Muốn tổng hợp một hệ thống điều chỉnh tự động ta phải nghiên cứu
đặc tính của đối tượng điều chỉnh và nguyên lý tác động của máy điều
chỉnh. Các đặc tính của đối tượng điều chỉnh xem như tồn tại khách quan
không phụ thuộc vào ý muốn của con người. Việc nghiên cứu các đặc tính của
đối tượng điều chỉnh đã được học trong giáo trình nhận dạng. Nhiệm vụ
của máy điều chỉnh(Bộ điều khiển) là phải tạo ra được tín hiệu điều chỉnh u
theo một quy luật nào đó và được gọi là quy luật điều chỉnh nhằm đảm bảo
chất lượng của quá trình điều chỉnh.
Quy luật điều chỉnh là sự mô tả có tính toán học mối liên hệ giữa tín

hiệu ra và tín hiệu vào cuả máy ĐC viết dưới dạng u=f(e).
Các quy luật điều chỉnh được chia làm 3 loại chính là:
+Quy luật điều chỉnh vị trí
+Quy luật điều chỉnh liên tục
+Quy luật điều chỉnh xung số
Ngoài ra còn có các luật điều chỉnh theo logic mờ, mạng nơron , trí tuệ
nhân tạo. …
Quy luật điều chỉnh vị trí bao gồm điều chỉnh 2 vị trí, điều chỉnh 3 vị trí và


5

điều chỉnh vị trí với cơ cấu chấp hành có tốc độ không đổi.
Điều chỉnh liên tục bao gồm: qui luật tích phân (I), tỷ lệ(P), quy luật tỷ lệ vi
phân (PD); tỷ lệ tích phân (PI); tỷ lệ vi tích phân (PID).
Điều chỉnh xung số cũng có các quy luật như điều chỉnh liên tục nhưng tín
hiệu không được truyền đi liên tục. Trong thiết bị điều chỉnh xung còn có
phần tử điều chế xung mà tham số của nó là chu kỳ xung T và hệ số điền đầy
xung (, với thiết bị điều chỉnh số có thêm 1 tham số quan trọng nữa là chu
kỳ lấy mẫu và quy luật của nó được mô tả bằng phương trình sai phân (đã
được nghiên cứu ở môn điều khiển số).
Các luật điều chỉnh dựa theo logic mờ, mạng nơron , trí tuệ nhân tạo, đại số
gia tử hiện nay đã và đang được tiến hành nghiên cứu; tuy nhiên việc thiết
kế các hệ thống này phải dựa vào những hiểu biết căn bản của các quy luật
điều chỉnh tuyến tính.
1.1. Một số nguyên tắc điều khiển trong công nghiệp
1.1.1. Điều khiển ổn định
Nguyên tắc này giữ tín hiệu ra bằng một hằng số trong quá trình điều
khiển
a.Phương pháp điều khiển theo sai lệch

Là nguyên tắc mà tín hiệu điều khiển x(t) được thành lập dựa trên
sự sai lệch của lượng ra so với lượng vào:

x(t) = f [ y(t) - u(t) ]

Sơ đồ cấu trúc như sau:
u(t)

e(t)
(-)

TBĐK

x(t)

f(t)

TB đo lường và
chuyển đổi tín
hiệu

H1.1. Sơ đồ cấu trúc

ĐTĐK

y(t)


Trong đó:
TBĐK : Thiết bị điều khiển, có nhiệm vụ tác động lên đối tượng điều

khiển theo một qui luật đặt sẵn trong thiết bị.
ĐTĐK : Đối tượng cần điều khiển ( Cơ cấu chấp hành ), là tập hợp
những phương tiện kỹ thuật như máy móc, thiết bị, khí cụ...cần chịu những
tác động nào đó để đạt được mục đích điều khiển đề ra.
u(t) : Tín hiệu vào
y(t) : Tín hiệu ra.
x(t) : Tín hiệu điều khiển tác động lên đối tượng.
e(t) : sai lệch điều khiển
f(t) : tín hiệu tác động từ bên ngoài
b.Phương pháp điều khiển theo nhiễu loạn (bù nhiễu)
Là nguyên tắc mà tín hiệu điều khiển x(t) được thành lập dựa trên tin
tức về nhiễu loạn. Những hệ thống được xây dựng theo nguyên tắc này là
những hệ thống hở (Không có liên hệ ngược). Sơ đồ cấu trúc như sau:
TBĐK
TB 1
f(t)
TB 2

x(t)

y(t)
ĐTĐK

H1.2. Sơ đồ cấu trúc hệ thống hở
Trong đó :
TB 1 là thiết bị để đo nhiễu.
TB 2 là thiết bị để tạo ra tín hiệu điều khiển x(t).
c.Phương pháp điều khiển thích nghi
Là nguyên tắc mà tín hiệu điều khiển x(t) được thành lập dựa vào tất cả
các yếu tố ảnh hưởng đến đại lượng cần điều khiển.

Sơ đồ hệ điều khiển thích nghi :


Thiết bị phụ chính
TT
TPT

TC

u(t)

TPĐ

v(t)
TBĐK

x(t)

f(t)
ĐTĐK

y(t)

Hệ thống chính

H1.3 Sơ đồ hệ điều khiển thích nghi
Trong đó:
TPT : Thiết bị phân tích tín hiệu vào ( Xác định tính chất của tín hiệu
vào VD tốc độ, gia tốc của tín hiệu vào...).
TPĐ : Thiết bị phân tích đối tượng ( Xác định đặc tính động học của

đối tượng cấn điều khiển ).
TT : Thiết bị tính toán ( Xác định phương pháp biến đổi đặc tính của
thiết bị điều khiển chính ).
TC : Thiết bị chấp hành (có nhiệm vụ chỉnh định thiết bị điều khiển
theo các tín hiệu nhận được từ thiết bị tính toán ).
v(t) : Là hàm tự chỉnh, nó là hàm đa tham số.
v(t)=f [x(t), n(t), u(t), y(t)....]
1.1.2. Điều khiển theo chương trình
là hệ thống có lượng ra biến đổi theo một chương trình định sẵn.
Quy luật này được gọi là chương trình điều khiển, nó có thể là quy luật
biến đổi theo thời gian một cách liên tục hoặc rời rạc; hoặc là quy luật biến
đổi theo không gian. Các quy luật điều khiển được tạo nên do phần mềm điều
khiển.


8

1.1.3. Điều khiển tuỳ động
Là hệ có lượng ra biến đổi theo đúng quy luật của lượng vào và lượng vào
là hàm bất kỳ của không gian và thời gian hoàn toàn không biết trước, để tạo
ra hệ này phải gồm hai phần:
- Hệ điều khiển theo chương trình.
- Thiết bị đo các đại lượng vật lý thực tế và gia công tạo chương
trình điều khiển đầu vào.
Hệ thống tùy động thực chất là hệ thống ĐCTĐTĐĐ thực hiện điều
khiển vị trí với lượng đặt trước biến thiên tùy ý. Hệ thống tùy động được ứng
dụng rất rộng rãi trong thực tiễn. Nhiệm vụ cơ bản của hệ là thực hiện điều
khiển cơ cấu chấp hành bám sát chính xác đối với lượng đặt vị trí, đại lượng
điều khiển (lượng đầu ra) thường là vị trí không gian của cơ cấu sản xuất, khi
lượng đặt thay đổi trong quá trình làm việc thì hệ thống có thể làm cho

đại lượng điều khiển bám sát và duy trì một một cách chính xác vị trí của cơ
cấu sản xuất theo yêu cầu. Lượng đặt trong hệ thống tùy động cũng như đại
lượng điều khiển là vị trí (hay đại lượng điện đại diện cho vị trí), đương nhiên
có thể là chuyển vị góc, chuyển vị dài, vì thế hệ thống tùy động này gọi là hệ
thống tùy động vị trí và buộc phải có phản hồi vị trí. Hệ thống tùy động vị trí
là một hệ thống tùy động nghĩa hẹp, về nghĩa rộng mà nói, lượng đầu ra của
hệ thống tùy động không nhất thiết phải là vị trí, mà có thể là các đại
lượng khác, chẳng hạn như máy làm giấy, máy dệt nhiều trục sử dụng nhiều
động cơ có thể coi là hệ thống tùy động đồng tốc, v.v... Hệ thống tùy
động nói chung cũng còn gọi là hệ thống bám.
1.2. Các phương pháp điều khiển
1.2.1. Điều khiển kinh điển
Mô tả toán học dùng để phân tích và thiết kế hệ thống là hàm truyền.
Đặc điểm của phương pháp này rất đơn giản và áp dụng thuận lợi cho hệ
thống tuyến tính bất biến một ngõ vào, một ngõ ra, kỹ thuật thiết kế trong


9

miền tần số. Các phương pháp phân tích và thiết kế hệ thống dựa trên đặc
tính tần số:


1
0

biểu đồ Nyquist, biểu đồ Bode, bộ điều khiển PID (Proportional – Integral –
Derivative).
1.2.2. Điều khiển hiện đại
Mô tả toán học dùng để phân tích và thiết kế hệ thống là phương

trình trạng thái. Phương pháp này có thể áp dụng cho hệ thống phi tuyến,
biến đổi theo thời gian, nhiều ngõ vào, nhiều ngõ ra với kỹ thuật thiết kế
trong miền thời gian, bộ điều khiển hồi tiếp trạng thái.
- Điều khiển tối ưu
- Điều khiển bền vững
- Điều khiển thích nghi
- Điều khiển thích nghi bền vững
1.2.3. Điều khiển thông minh
Về nguyên tắc không cần dùng mô hình toán học để thiết kế hệ
thống. Đặc điểm của phương pháp là việc mô phỏng, bắt chước các hệ
thống thông minh sinh học. Bộ điều khiển có khả năng xử lý thông tin
không chắc chắn, có khả năng học, có khả năng xử lý lượng lớn thông tin.
Các phương pháp thiết kế hệ thống:
+ Hệ mờ và logic mờ đã được sử dụng là một cách tiếp cận khá hiệu quả
cho nhận dạng và điều khiển các hệ thống phi tuyến nhờ khả năng xấp xỉ của
nó. Tuy nhiên vẫn còn một số vấn đề cần được giải quyết, chẳng hạn như bao
nhiêu luật mờ là thực sự cần thiết cho việc xấp xỉ có hiệu quả đối với một hệ
phi tuyến chưa biết trước, các hàm liên thuộc được chọn như thế nào...
+ Mạng nơron có khả năng xử lý song songvới tốc độ xử lý nhanh, có
khả năng học thích nghi, nó thích ứng trong quá trình tự chỉnh trong
điều chỉnh tự động. Nó có khả năng tổng quát hóa do đó có thể áp dụng để
dự báo lỗi hệ thống tránh được những sự cố đáng tiếc mà các hệ thống
khác có thể gây ra. Tuy nhiên, một nhược điểm khi dùng mạng nơron là chưa


1
1

có phương pháp luận chung khi thiết kế cấu trúc mạng cho các bài toán
nhận dạng và

10

điều khiển mà phải cần tới kiến thức của chuyên gia. Mặt khác khi xấp xỉ
mạng nơron với một hệ phi tuyến sẽ khó khăn khi luyện mạng vì có thể không
tìm được điểm tối ưu toàn cục...
Việc kết hợp giữa mạng nơron và logic mờ cho bài toán nhận dạng và
điều khiển cũng đã được các nhà khoa học nghiên cứu. Các hệ lai đã phần nào
nâng cao được chất lượng điều khiển, tuy nhiên việc thiết kế cấu trúc bộ điều
khiển vẫn rất khó khăn, cần nhiều tới kiến thức chuyên gia…
+ Giải thuật di truyền - Genetic Algorithm (GA) thuộc lớp các giải thuật
tìm kiếm tiến hoá. Khác với phần lớn các giải thuật khác tìm kiếm theo điểm,
giải thuật GA thực hiện tìm kiếm song song trên một tập được gọi là quần thể
các lời giải có thể. Thông qua việc áp dụng các toán tử gien, giải thuật GA
tráo đổi thông tin giữa các cực trị và do đó làm giảm thiểu khả năng kết thúc
giải thuật tại một cực trị địa phương. Trong thực tế, giải thuật GA đã được áp
dụng thành công trong nhiều lĩnh vực, điển hình là các hệ lai giải thuật di
truyền với mạng nơ ron hay giải thuật di truyền với hệ mờ.
+ Lý thuyết đại số gia tử tỏ ra khá hiệu quả trong việc đơn giản hóa quá
trình tính toán dựa trên tập ngôn ngữ tự nhiên. Đại số gia tử chứa tập các
giá trị của một biến ngôn ngữ (biến mà giá trị của nó được lấy trong miền
ngôn ngữ) là một cấu trúc đại số đủ mạnh để tính toán, tiên đề hóa sao cho
cấu trúc thu được mô phỏng tốt ngữ nghĩa ngôn ngữ và có thể xem như một
cơ sở cho một loại logic mờ. Ngày nay, trong lĩnh vực điều khiển mờ, các nhà
khoa học cả trong và ngoài nước đều đang rất quan tâm nghiên cứu phương
pháp điều khiển dựa trên đại số gia tử như một công cụ mới, khá đầy đủ và
đã đạt được một số thành quả khả quan. Đại số gia tử cũng đã được ứng
dụng cùng với phương pháp nội suy để giải quyết bài toán lập luận mờ đa
điều kiện, việc giải quyết bài toán này cũng thể hiện tính ưu việt của nó đối

với những bài toán có cấu trúc toán học yếu. Các nghiên cứu và ứng dụng


11

trong những năm gần đây bước đầu cho thấy: việc sử dụng kết hợp các
phương pháp tính toán mềm với