Nghiên cứu nâng cao chất lượng bộ điều khiển mờ ứng dụng cho đối tượng công nghiệp

i
..

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGUYỄN THỊ HẢI ANH

NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG
BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ ỨNG DỤNG CHO ĐỐI
TƢỢNG CÔNG NGHIỆP

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

Thái Nguyên - 2014

i


ii

LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là: Nguyễn Thị Hải Anh
Sinh ngày 02 tháng 06 năm 1981
Học viên lớp Cao học khóa 14 - Tự động hoá - Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công
nghiệp Thái Nguyên - Đại học Thái Nguyên
Hiện đang công tác tại Trƣờng Cao đẳng nghề Yên Bái
Tôi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu và kết
quả trong luận văn là hồn tồn trung thực và chƣa từng đƣợc cơng bố trong bất kỳ
cơng trình nào khác.

Tơi xin cam đoan rằng mọi thơng tin trích dẫn trong luận văn đều chỉ rõ nguồn
gốc./.

Tác giả

Nguyễn Thị Hải Anh

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

/>

iii

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN: ........................................................................................................... i
MỤC LỤC .................................................................................................................... iii
MỞ ĐẦU ........................................................................................................................ 1
CHƢƠNG I: TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG .......................... 3
1.1. Các hệ thống điều khiển tự động ............................................................................. 3
1.1.1. Điều khiển truyền thẳng ....................................................................................... 3
1.1.1.1. Cấu trúc cơ bản của điều khiển truyền thẳng ................................................... 3
1.1.1.2. Các tính chất của điều khiển truyền thẳng........................................................ 4
1.1.1.3. Ứng dụng của điều khiển truyền thẳng............................................................. 5
1.1.2. Điều khiển phản hồi.............................................................................................. 5
1.1.2.1. Cấu trúc cơ bản của điều khiển phản hồi.......................................................... 5
1.1.2.2. Vai trò của điều khiển phản hồi ........................................................................ 7
1.1.3. Điều khiển phản hồi kết hợp điều khiển truyền thẳng.......................................... 8
1.2. Giới thiệu một số bộ điều khiển phản hồi trong công nghiệp ................................. 8
1.2.1. Bộ điều khiển PID ................................................................................................ 9

1.2.1.1. Cấu trúc bộ điều khiển PID .............................................................................. 9
1.2.1.2. Ƣu nhƣợc điểm ............................................................................................... 10
1.2.2. Bộ điều khiển PID số .......................................................................................... 10
1.2.2.1. Cấu trúc bộ điều khiển PID số ........................................................................ 11
1.2.2.2. Ƣu nhƣợc điểm ............................................................................................... 12
1.2.3. Bộ điều khiển sử dụng logic mờ ......................................................................... 13
1.2.3.1. Giới thiệu ........................................................................................................ 13
1.2.3.2. Điều khiển mờ ................................................................................................ 14
1.2.3.3. Ƣu nhƣợc điểm ............................................................................................... 16
1.3. Chất lƣợng của hệ thống điều khiển tự động và yêu cầu khi thiết kế ................... 16
1.3.1. Các chỉ tiêu chất lƣợng của quá trình điều chỉnh ............................................... 17
1.3.1.1. Chỉ tiêu chất lƣợng ở trạng thái tĩnh ............................................................... 17
1.3.1.2. Chỉ tiêu chất lƣợng ở trạng thái quá độ .......................................................... 18
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

/>

iv

1.3.1.3. Các chỉ tiêu tích phân ..................................................................................... 18
1.3.2. Đánh giá chất lƣợng hệ thống ở trạng thái xác lập ............................................. 19
1.3.3. Đánh giá trực tiếp chất lƣợng hệ thống ở trạng thái quá độ ............................... 20
1.3.4. Đánh giá chất lƣợng hệ thống qua tiêu chuẩn tích phân .................................... 20
1.4. Kết luận chƣơng 1 ................................................................................................. 22
CHƢƠNG II: LOGIC MỜ VÀ PHƢƠNG PHÁP THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ...... 24
2.1. Khái niệm chung.................................................................................................... 24
2.1.1. Lịch sử phát triển và khái niệm mở đầu ............................................................ 24
2.1.2. Logic rõ và sự xuất hiện Logic mờ..................................................................... 25
2.2. Một số vấn đề về cơ sở toán học của logic mờ ..................................................... 25
2.2.1. Nhắc lại về tập kinh điển (G.Cantor) ................................................................ 25

2.2.1.1. Khái niệm về tập hợp ...................................................................................... 25
2.2.1.2. Các phép tính của tập hợp .............................................................................. 27
2.2.2. Định nghĩa tập mờ ............................................................................................. 28
2.2.3. Các phép toán trên tập mờ có cùng tập nền ....................................................... 31
2.2.3.1. Phép hợp hai tập mờ ....................................................................................... 31
2.2.3.2. Phép giao hai tập mờ ...................................................................................... 32
2.2.3.3. Phép bù hai tập mờ ......................................................................................... 32
2.2.4. Các phép tốn trên tập mờ khơng cùng tập nền ................................................ 33
2.2.4.1. Phép giao hai tập mờ ...................................................................................... 33
2.2.4.2. Phép hợp hai tập mờ ....................................................................................... 34
2.3. Biến ngôn ngữ và giá trị của biến ngôn ngữ ........................................................ 34
2.4. Luật hợp thành ....................................................................................................... 35
2.4.1.Mệnh đề hợp thành .............................................................................................. 36
2.4.2. Quy tắc hợp thành .............................................................................................. 36
2.5. Giải mờ .................................................................................................................. 41
2.5.1. Phƣơng pháp cực đại .......................................................................................... 41
2.5.2. Phƣơng pháp điểm trọng tâm ............................................................................. 42
2.5.2.1. Phƣơng pháp điểm trọng tâm cho luật hợp thành Sum – Min........................ 43
2.5.2.2. Phƣơng pháp độ cao ....................................................................................... 44
2.6. Cấu trúc chung của bộ điều khiển mờ .................................................................. 45
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

/>

v

2.6.1. Sơ đồ cấu trúc chung .......................................................................................... 45
2.6.2. Phân loại bộ điều khiển mờ ................................................................................ 46
2.6.3. Các bƣớc tổng hợp bộ điều khiển mờ ................................................................ 46
2.7. Điều khiển mờ tĩnh ............................................................................................... 49

2.8. Điều khiển mờ động ............................................................................................. 51
2.9. Điều khiển mờ lai ................................................................................................. 52
2.10. Kết luận chƣơng ................................................................................................. 54
CHƢƠNG III: NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG ................................... 55
BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ CHO ĐỐI TƢỢNG CÔNG NGHIỆP .................................... 55
3.1. Xây dựng mơ hình tốn học đối tƣợng .................................................................. 55
3.1.1. Lựa chọn đối tƣợng ............................................................................................ 55
3.1.2. Xây dựng mơ hình tốn học đối tƣợng ............................................................... 56
3.2. Nghiên cứu thiết kế và nâng cao chất lƣợng bộ điều khiển .................................. 57
3.3. Thí nghiệm trên mơ hình hệ thống truyền động bám chính xác ........................... 66
3.3.1. Giới thiệu mơ hình hệ thống thí nghiệm ............................................................ 66
3.3.2. Cấu trúc điều khiển và bộ điều khiển HAC........................................................ 68
3.3.3. Kết quả thí nghiệm ............................................................................................. 72
3.4. Kết luận chƣơng 3 ................................................................................................. 73
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...................................................................................... 74
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................ 76

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

/>

vi

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Các ký hiệu:
Ký hiệu 9 biến ngôn ngữ
Âm nhiều

NB (Negative Big)

Âm vừa

NM (Negative Medium)

Âm ít

NS (Negative Slow)

Âm rất ít

NVS (Negative Very Slow)

Khơng

ZE (Zero)

Dƣơng rất ít

PVS (Positive Very Slow)

Dƣơng ít

PS (Positive Slow)

Dƣơng vừa

PM (Positive Medium)

Dƣơng nhiều

PB ((Positive Big)

Các chữ viết tắt:
ĐTĐK :

Đối tƣợng điều khiển

ĐKTĐ:

Điều khiển tự động

BĐK:

Bộ điều khiển

TBĐK :

Thiết bị điều khiển

QTQĐ :

Quá trình quá độ

FLC (Fuzzy Logic Control): Điều khiển logic mờ
DCS (Distributed control system ): Hệ thống điều khiển phân tán
PLC (Programmable logic controller): Thiết bị điều khiển lập trình
PID (Proportional-Integral-Derivative): Bộ điều khiển tỷ lệ - tích - vi phân
SISO (Single Input – Single Output): Đầu vào đơn - đầu ra đơn

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

/>

vii

DAC (Digital-to-analog converter): Analog chuyển đổi
ADC (Analog-to-digital converter): Kỹ thuật số chuyển đổi
µP (microprocessor ): Vi xử lý
µC (microcontroller) : Vi điều khiển

µA: hàm thuộc của tập hợp A
DSP (digital signal processor ): Vi xử lý tín hiệu
F-PID: Bộ điều khiển mờ lai
LQR (Linear-quadratic regulator): Phƣơng pháp điều chỉnh tuyến tính bậc hai
CNC (Computer(ized) Numerical(ly) Control(led): Điều khiển bằng máy tính
MRAS (Middle River Aircraft Systems): Phƣơng pháp điều khiển thích nghi
tham chiếu theo mơ hình MRAS
HAC (home access center): Bộ điều khiển truy cập trung tâm

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

/>

viii

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3.1. Luật điều khiển mờ ...................................................................................... 60

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

/>

ix

DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1. Cấu trúc cơ bản điều khiển truyền thẳng ........................................................ 4
Hình 1.2. Cấu trúc điều khiển phản hồi .......................................................................... 6
Hình 1.3. Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển PID ................................................................... 9
Hình 1.4. Bộ điều khiển PID số .................................................................................... 11
Hình 1.5. Sơ đồ khối chức năng FLC ........................................................................... 14
Hình 1.6. Bộ điều khiển mờ động ................................................................................ 15
Hình 1.7. a) Nguyên lý điều khiển mờ lai ....................... Error! Bookmark not defined.
b) Vùng tác động của các bộ điều khiển .......... Error! Bookmark not defined.
Hình 1.8. Hàm quá độ của một hệ thống điều khiển .................................................... 18
Hình 1.9. Sai lệch của hệ thống điều khiển .................................................................. 21
Hình 2.1. Mơ tả cho mệnh đề ....................................................................................... 27
Hình 2.2. Hiệu hai tập hợp ........................................................................................... 27
Hình 2.3. Giao hai tập hợp ........................................................................................... 27
Hình 2.4. Hợp hai tập hợp ............................................................................................ 27
Hình 2.5. Tích hai tập hợp ........................................................................................... 28
Hình 2.6. Hàm liên thuộc của tập mờ. .......................................................................... 28
Hình 2.7. Hàm liên thuộc tập mờ ................................................................................. 29
số tự nhiên nhỏ hơn 6 nhiều ......................................................................................... 29
Hình 2.8.Dạng hàm liên thuộc ...................................................................................... 30
Hình 2.9. Phép hợp của hai tập mờ .............................................................................. 31
Hình 2.10. Giao của hai tập mờ .................................................................................... 32
Hình 2.11. Phép bù của tập mờ .................................................................................... 33
Hình 2.12. Đƣa hai tập về cùng tập nền ....................................................................... 33
Hình 2.13. Giao hai tập mờ .......................................................................................... 34
Hình 2.14. Hợp hai tập mờ ........................................................................................... 34

Hình 2.15. Hàm thuộc của biến tốc độ ......................................................................... 35
Hình 2.16. Mệnh đề điều kiện ...................................................................................... 37
Hình 2.17. Miền khơn liên thơng có thể y’ = 0 ............................................................ 43
Hình 2.18. Tập mờ có hàm liên thuộc hình thang ........................................................ 44
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

/>

x

Hình 2.19. Mơ hình của một bộ điều khiển mờ............................................................ 45
Hình 3.1. MEDE 5 ........................................................................................................ 56
Hình 3.2. Định nghĩa các biến vào ra của bộ điều khiển mờ ....................................... 57
Hình 3.3. Định nghĩa các tập mờ cho biến E của bộ điều khiển mờ ............................ 59
Hình 3.4. Định nghĩa các tập mờ cho biến DE của bộ điều khiển mờ ......................... 60
Hình 3.5. Định nghĩa các tập mờ cho biến U của bộ điều khiển mờ ........................... 60
Hình 3.6. Mơ phỏng bộ điều khiển mờ theo tiêu chuẩn tích phƣơng bình phƣơng
sai lệch ........................................................................................................................ 62
Hình 3.7. Các luật điều khiển đã đƣợc giản lƣợc cho bộ điều khiển mờ ..................... 62
Hình 3.8. Quan sát tín hiệu vào ra của bộ mờ .............................................................. 63
Hình 3.9. Bề mặt đặc trƣng cho quan hệ vào ra của bộ điều khiển mờ........................ 64
Hình 3.10. Sơ đồ cấu trúc của bộ điều khiển PI mờ ..................................................... 64
Hình 3.11. Đáp ứng đầu ra của bộ PI mờ với kích thích 1(t) ....................................... 65
Hình 3.12. Đáp ứng đầu ra của bộ PI mờ với kích thích xung pulse ........................... 65
Hình 3.13. Mơ hình hệ thống truyền động bám chính xác ........................................... 66
Hình 3.14. Arduino Board ............................................................................................ 67
Hình 3.15. Động cơ servo và cơ cấu bánh răng ........................................................... 68
Hình 3.16. Cấu trúc điều khiển hệ thống truyền động bám chính xác ......................... 68
Hình 3.17. Bộ điều khiển HAC .................................................................................... 69
Hình 3.18. State Variable Function .............................................................................. 69

Hình 3.19. Cổng kết nối vào ra..................................................................................... 70
Hình 3.20. Cổng thiết lập cấu hình thời gian thực ....................................................... 70
Hình 3.21. Cổng đọc tín hiệu từ encoder...................................................................... 70
Hình 3.22. Cổng tín hiệu vào ra PWM tƣơng tự .......................................................... 71
Hình 3.23. Cổng tín hiệu vào ra số ............................................................................... 71
Hình 3.24. Điều khiển tốc độ và chiều quay ................................................................ 71
Hình 3.25. Đáp ứng hệ thống với bộ HAC 2 đầu vào .................................................. 72
Hình 3.26. Sai lệch e(t) ................................................................................................. 72

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

/>

1

MỞ ĐẦU
1. Tính khoa học và cấp thiết của luận văn
Bộ điều khiển kinh điển PID đã và đang đƣợc sử dụng rộng rãi để
điều khiển các đối tƣợng SISO bởi vì tính đơn giản của nó cả về cấu trúc lẫn
nguyên lý làm việc. Tuy nhiên bộ điều khiển PID vẫn còn một số hạn chế nhƣ
trong xử lý nhiễu, tính ổn định của hệ thống khi thơng số của đối tƣợng thay
đổi…
Những năm đầu thập kỷ 90 đến nay đã xuất hiện một xu hƣớng nghiên
cứu mới đó là các phƣơng pháp điều khiển thông minh sử dụng logic mờ do
L. Zadeh đƣa ra với nhiều ƣu điểm mà logic kinh điển khơng làm đƣợc. Điều
khiển mờ chính là bắt chƣớc cách xử lý thông tin và điều khiển của con ngƣời
đối với các đối tƣợng.
Vấn đề nâng cao chất lƣợng cho các hệ thống công nghiệp, đặc biệt trong
các quá trình sản xuất đang là vấn đề dành đƣợc nhiều sự quan tâm nghiên cứu.
Vì vậy luận văn nghiên cứu phát triển phƣơng pháp điều khiển mờ và áp dụng

trên thiết bị thực là hệ thống điều khiển truyền động bám chính xác.
2. Phạm vi nghiên cứu, đối tƣợng và phƣơng pháp luận
Luận văn nghiên cứu về logic mờ và phát triển phƣơng pháp thiết kế bộ
điều khiển sử dụng logic mờ cho một số lớp đối tƣợng trong công nghiệp.
Phƣơng pháp luận của việc nghiên cứu là xuất phát từ lý thuyết về logic
mờ, thiết kế bộ điều khiển, mô phỏng để kiểm chứng kết quả của việc nghiên
cứu lý thuyết; cuối cùng là tiến hành thí nghiệm thực để đánh giá cả mơ phỏng
lẫn lý thuyết.
Việc kiểm nghiệm chất lƣợng bộ điều khiển mờ trên mơ 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 cơng nghiệp, ví dụ nhƣ điều
khiển máy vẽ có khả năng vẽ liên tục các đƣờng nét của một hình cho trƣớc.


2

3. Mục tiêu của luận văn
- Nghiên cứu nâng cao chất lƣợng bộ điều khiển mờ áp dụng cho một số
lớp đối tƣợng trong công nghiệp.
- Kiểm chứng bằng mô phỏng và thực nghiệm trên mơ hình vật lý cụ thể.
4. Ý nghĩa lí luận và thực tiễn
4.1. Ý nghĩa lí luận:
- Nghiên cứu ứng dụng một cơng cụ tính toán mềm trong lĩnh vực điều
khiển và tự động hoá.
- Nâng cao chất lƣợng cho bộ điều khiển mờ giúp đơn giản hóa đƣợc q
trình thiết kế, loại bỏ thơng tin thừa.
4.2. Ý nghĩa thực tiễn
Mở ra khả năng ứng dụng bộ điều khiển mờ để điều khiển các đối tƣợng
công nghiệp, đặc biệt vào các đối tƣợng phi tuyến, tham số bất định, thông tin
không rõ ràng nhƣ: máy điều hoà nhiệt độ, máy giặt; điều khiển mức trong các

balong hơi của các nhà máy giấy, nhà máy nhiệt điện,....
5. Nội dung và bố cục của luận văn
Luận văn được bố cục thành 3 chương với nội dung như sau:
Chƣơng 1: Tổng quan hệ thống điều khiển tự động
Chƣơng 2: Logic mờ và phƣơng pháp thiết kế bộ điều khiển
Chƣơng 3: Nghiên cứu nâng cao chất lƣợng bộ điều khiển mờ
6. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Do trình độ và thời gian hạn chế, em rất mong nhận đƣợc những ý kiến
góp ý của các thầy, cơ giáo và các ý kiến đóng góp của đồng nghiệp.
Đặc biệt, em xin chân thành cảm ơn sự hƣớng dẫn tận tình của
PGS.TS.Nguyễn Hữu Công và sự giúp đỡ của các thầy cô giáo trong khoa Điện
tử, khoa Điện - trƣờng Đại học Kỹ thuật cơng nghiệp Thái Ngun.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

/>

3

CHƢƠNG I
TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG
1.1. Các hệ thống điều khiển tự động
Hệ thống tự động từ đơn giản đến phức tạp có mặt rất nhiều trong đời sống và
đã đƣợc áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Hệ thống điều khiển là một
liên kết của nhiều thành phần, tạo nên một cấu hình hệ thống có khả năng đáp ứng chất
lƣợng của các q trình cơng nghệ. Ổn định mới chỉ là điều kiện cần đối với một hệ
thống ĐKTĐ. Chất lƣợng một hệ thống điều khiển đƣợc đánh giá qua chỉ tiêu tính ổn
định và chỉ tiêu chất lƣợng ở trạng thái xác lập, quá trình quá độ. Do sự phức tạp của
các hệ thống cần điều khiển ngày càng lớn, bài toán cải thiện và nâng cao chất lƣợng
hệ thống đạt đƣợc hiệu suất tối ƣu luôn đƣợc các nhà khoa học trong và ngồi nƣớc

quan tâm nghiên cứu và khơng ngừng phát triển.
Hệ thống điều khiển kiểu vòng hở (open-loop)
). Trái với các hệ thống điều khiển vòng hở, một hệ thống điều khiển kiểu vịng
kín(closed-loop) sử dụng thêm một giá trị đo của tín hiệu
). Giá
trị đo này đƣợc gọi là tín hiệu phản hồi (feedback signal). Thƣờng thì sự sai khác giữa
tín hiệu ra của q trình và tín hiệu vào đối sánh đƣợc khuyếch đại và sử dụng để điều
khiển quá trình sao cho sự sai khác liên tục giảm. Khái niệm phản hồi đƣợc coi là nền
tảng cho việc phân tích và thiết kế các hệ thống điều khiển.
1.1.1. Điều khiển truyền thẳng
1.1.1.1. Cấu trúc cơ bản của điều khiển truyền thẳng
1.1

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

/>

4
Nhiễu
quá trình
Biến điều
khiển

Biến chủ đạo
(giá trị đặt)

Bộ điều khiển

Đối tƣợng
điều khiển

Biến cần
điều khiển

Hình 1.1. Cấu trúc cơ bản điều khiển truyền thẳng

,
.
1.1.1.2. Các tính chất của điều khiển truyền thẳng
Điều khiển truyền thẳng tuy đơn giản và ƣu điểm quan trọng nhất của điều khiển
truyền thẳng là khả năng loại bỏ nhiễu trƣớc khi nó kịp ảnh hƣởng xấu tới quá trình,
quá trình thiết kế . Song nhƣợc điểm lớn nhất của điều khiển truyền thẳng là cần phải
biết rõ thơng tin về q trình và ảnh hƣởng của nhiễu. Tuy nhiên, mơ hình đối tƣợng
và mơ hình nhiễu khơng bao giờ chính xác, khơng phải nhiễu nào cũng đo đƣợc, nên
sai lệch tĩnh bao giờ cũng tồn tại. Thực tế, bộ điều khiển lý tƣởng khơng bao giờ có
tính khả thi. Quan trọng hơn nữa, bộ điều khiển trong điều khiển truyền thẳng khơng
có khả năng ổn định một q trình khơng ổn định.
- Ƣu điểm : đơn giản; tác động nhanh (bù nhiễu kịp thời trƣớc khi ảnh hƣởng
tới đầu ra).
- Hạn chế : phải đặt thiết bị đo nhiễu; Không loại trừ đƣợc ảnh hƣởng của nhiễu
không đo đƣợc; Nhạy cảm với sai lệch mơ hình; Bộ điều khiển lý tƣởng có thể khơng
ổn định hoặc khơng thực hiện đƣợc; Khơng có khả năng ổn định một q trình khơng
ổn định.

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

/>

5

1.1.1.3. Ứng dụng của điều khiển truyền thẳng
Mặc dù có những vấn đề nhƣ phân tích trên song sách lƣợc điều khiển truyền
thẳng vẫn đƣợc sử dụng rộng rãi vì hai lý do:
Thứ nhất, điều khiển truyền thẳng tác động nhanh, cho phép loại bỏ đáng kể
ảnh hƣởng của nhiễu, trƣớc khi nhiễu kịp tác động xấu vào hệ thống, cũng nhƣ giúp hệ
thống đáp ứng nhanh với giá trị đặt thay đổi. Ứng dụng chủ yếu với các bài tốn đơn
giản, q trình pha cực tiểu, u cầu chất lƣợng không cao.
Thứ hai điều khiển truyền thẳng tuy không có khả năng ổn định một q trình
khơng ổn định. Nếu kết hợp một cách khéo léo với điều khiển phản hồi, điều khiển
truyền thẳng có thể cải thiện đặc tính quá độ của hệ thống một cách đáng kể nhƣ bù
nhiễu đo đƣợc (chủ yếu là bù tĩnh), lọc trƣớc (tiền xử lý) tín hiệu chủ đạo.
- Bài tốn điều khiển đơn giản: một số bài toán điều khiển đơn giản, chủ yếu
cho những quá trình ổn định, yêu cầu chất lƣợng vừa phải có thể sử dụng sách lƣợc
điều khiển truyền thẳng thuần tuý.
-

: điều khiển phản hồi có thể kết hợp sử dụng điều

khiển truyền thẳng dƣới nhiều hình thức, ví dụ kết hợp cùng mức hoặc trong cấu trúc
điều khiển tầng.
-

thống điều khiển cấp nguyên liệu (đá vôi, đất sét, thạch cao và phụ gia) và nhiên liệu
(than, dầu, khơng khí) sử dụng sách lƣợc điều khiển tỉ lệ.
1.1.2. Điều khiển phản hồi
1.1.2.1. Cấu trúc cơ bản của điều khiển phản hồi
Cấu trúc tổng quát của một hệ thống điều khiển phản hồi đƣợc minh hoạ trên
hình 1.2. Có thể nói, hầu hết cấu hình điều khiển
.

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

/>

6

f(t)
x(t)

y(t)

u(t)

e(t)
BĐK
(-)

Đối tƣợng
ĐK

TB đo lƣờng và chuyển
đổi tín hiệu

Hình 1.2. Cấu trúc điều khiển phản hồi
Trong đó:
x(t) : Biến chủ đạo (giá trị đặt)
y(t) : Biến cần điều khiển
u(t) : Biến điều khiển
e(t) : Sai lệch điều khiển
f(t) : Nhiễu quá trình

Hệ thống điều khiển phản hồi là một hệ thống điều khiển có khuynh hƣớng duy
trì một mối quan hệ đƣợc định trƣớc giữa các giá trị biến thiên của hệ thống bằng các
phép so sánh giữa các giá trị này, sử dụng sự sai khác nhƣ một phƣơng thức điều
khiển. Hệ thống điều khiển phản hồi thƣờng sử dụng hàm mô tả một mối quan hệ xác
định trƣớc giữa tín hiệu ra và tín hiệu vào đối sánh để điều khiển q trình. Bộ điều
khiển có chức năng nhận tín hiệu đo, so sánh với tín hiệu đặt, thực hiện thuật tốn điều
khiển và đƣa ra tín hiệu điều khiển để can thiệp vào biến điều khiển thông qua thiết bị
chấp hành. Trong một hệ thống điều khiển phản hồi, các bộ điều khiển có thể đƣợc
thực hiện dƣới dạng một thiết bị điều khiển vòng đơn, hoặc một khối phần mềm cài
đặt trong thiết bị điều khiển chia sẻ nhƣ DCS, PLC hoặc máy tính cá nhân cơng
nghiệp. Một bộ điều khiển đa biến bao giờ cũng đƣợc cài đặt trên một thiết bị điều
khiển chia sẻ. Bên cạnh những chức năng điều khiển cơ sở, các thiết bị điều khiển chia
sẻ cịn có thể thực hiện nhiều chức năng khác nhƣ tính tốn, ghi chép, cảnh giới và
điều khiển cao cấp.

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

/>

7

1.1.2.2. Vai trò của điều khiển phản hồi
Một câu hỏi đƣợc đặt ra thƣờng xuyên là điều khiển phản hồi có vai trị quan
trọng nhƣ thế nào trong các hệ thống điều khiển tự động nói chung. Có thể trả lời ngay
rằng điều khiển phản hồi là sách lƣợc điều khiển cơ bản nhất, không thể thay thế trong
hầu hết các hệ thống điều khiển. Mặc dù việc sử dụng phản hồi làm tăng độ phức tạp
và làm giảm độ ổn định của hệ thống, đồng thời làm giảm hệ số khuyếch đại giữa tín
hiệu ra và tín hiệu vào, những lợi ích mà phƣơng pháp điều khiển phản hồi mang lại
bao gồm làm giảm sai số của hệ thống, giảm độ nhạy của hệ thống đối với biến thiên
của các tham số, điều chỉnh đáp ứng nhất thời dễ dàng hơn, giảm ảnh hƣởng của nhiễu

và giảm sai số ở trạng thái thƣờng trực khiến việc sử dụng phản hồi trong các hệ thống
điều khiển là một xu thế tất yếu bất kể những nhƣợc điểm nêu trên.
- Ổn định hệ kín: một đặc tính rất quan trọng của hiệu suất nhất thời của một hệ
thống là tính ổn định (stability) của hệ thống. Một hệ thống ổn định đƣợc định nghĩa là
một hệ thống có đáp ứng ln nằm trong một khoảng xác định. Điều đó có nghĩa là,
nếu các tín hiệu vào và nhiễu tác động tới hệ thống đều nằm trong những khoảng xác
định và đáp ứng của hệ thống có độ lớn nằm trong một khoảng xác định, thì hệ thống
đƣợc coi là ổn định. Đáp ứng của hệ thống với tín hiệu vào hay một điều kiện ban đầu
sẽ có dạng giảm dần, khơng thay đổi hay tăng dần theo thời gian. Vị trí các điểm cực
của hàm chuyển của hệ thống trong mặt phẳng s cũng chỉ ra tính ổn định của đáp ứng
nhất thời. Hệ thống có các điểm cực đều nằm ở bên trái trục ảo sẽ có đáp ứng giảm
dần, trong khi hệ thống có các điểm cực nằm bên phải trục ảo có đáp ứng trung tính
hoặc tăng dần. Nhƣ vậy, để có đƣợc một hệ thống ổn định, các điểm cực của hàm
chuyển của hệ thống cần phải nằm ở bên trái của trục ảo trong mặt phẳng s.
- Loại bỏ nhiễu bất định: hiệu ứng quan trọng của phản hồi trong một hệ thống
điều khiển là sự điều khiển và loại trừ một phần ảnh hƣởng của tín hiệu nhiễu. Một tín
hiệu nhiễu là tín hiệu khơng đƣợc mong muốn gây ảnh hƣởng đến tín hiệu ra của hệ
thống, làm tín hiệu ra của hệ thống bị sai lệch. Các bộ khuyếch đại điện tử có nhiễu
sinh ra từ bên trong các mạch tích hợp hay transitor. Anten radar thƣờng bị nhiễu gây
ra bởi những cơn gió mạnh. Nhiều hệ thống phát ra những tín hiệu bị biến dạng gây ra
bởi các phần tử phi tuyến. Một vấn đề chúng ta thƣờng gặp trong các hệ thống phản
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

/>

8

hồi là nhiễu sinh ra bởi các bộ cảm biến trong khối phản hồi. Một trong những điểm
ƣu việt của các hệ thống phản hồi là khả năng làm giảm bớt ảnh hƣởng của nhiễu. Khi
nhiễu không đo đƣợc hoặc mơ hình nhiễu bất định thì ảnh hƣởng của nó chỉ có thể triệt

tiêu thơng qua ngun lý phản hồi.
- Bền vững với sai lệch mơ hình: khả năng điều chỉnh đáp ứng nhất thời cũng
nhƣ đáp ứng ở trạng thái thƣờng trực là một lợi ích của việc sử dụng hệ thống điều
khiển phản hồi. Các số tham số của hệ thống có thể cần phải đƣợc điều chỉnh để hệ
thống có đƣợc đáp ứng nhƣ mong đợi. Mơ hình đối tƣợng khơng chính xác, do vậy
việc hiệu chỉnh tín hiệu điều khiển chỉ có thể thơng qua quan sát diễn biến đầu ra. Một
trong những nguyên nhân chủ yếu của việc sử dụng phản hồi, cho dù làm tăng giá
thành và độ phức tạp của hệ thống, là khả năng làm giảm sai số ở trạng thái thƣờng
trực của hệ thống. Sai số ở trạng thái thƣờng trực của một hệ thống vịng kín thƣờng
nhỏ hơn vài lần so với sai số của hệ thống vòng hở. Từ đó các tham số của hệ thống có
thể đƣợc điều chỉnh để đạt đƣợc đáp ứng mong muốn cho hệ thống. Nếu đƣợc thiết kế
tốt thì ngay cả tồn tại sai lệch mơ hình ở một mức độ nào đó, bộ điều khiển vẫn có khả
năng triệt tiêu sai
.
1.1.3. Điều khiển phản hồi kết hợp điều khiển truyền thẳng
Điều khiển phản hồi và điều khiển truyền thẳng cũng có thể đƣợc phối hợp để
tận dụng những ƣu điểm và khắc phục những nhƣợc điểm của mỗi sách lƣợc.
Điều khiển phản hồi kết hợp truyền thẳng cũng có thể thực hiện dƣới nhiều
hình thức khác nhau. Ví dụ trong điều khiển tầng, bộ điều khiển vịng ngồi là điều
khiển phản hồi, trong khi bộ điều khiển vịng trong có thể là điều khiển truyền thẳng.
Để có thể nâng cao chất lƣợng của điều khiển phản hồi, ta có thể bổ sung các khâu
truyền thẳng nhƣ: khâu bù nhiễu giúp hệ thống loại bỏ nhanh và hiệu quả hơn ảnh
hƣởng của nhiễu q trình; Khâu bù tín hiệu chủ đạo, giúp hệ thống duy trì tại điểm
làm việc và đáp ứng trơn tru hơn với thay đổi giá trị đặt.
1.2. Tổng quan một số bộ điều khiển phản hồi trong công nghiệp

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

/>

9

Lý thuyết điều khiển kinh điển ra đời rất sớm và đã có nhiều đóng góp trong
các lĩnh vực của điều khiển. Trong một thời gian dài kể từ khi ra đời, lý thuyết điều
khiển kinh điển đã có nhiều đóng góp để giải quyết hàng loạt bài tốn điều khiển đặt ra
trong thực tế. Tuy nhiên chất lƣợng của hệ thống cũng chỉ đạt đƣợc ở mức độ khiêm
tốn, nhất là với hệ phi tuyến.
Bên cạnh các hệ điều khiển kinh điển thì những năm gần đây, các bộ điều khiển
thông minh nhƣ điều khiển mờ, neural đã đƣợc áp dụng rất mạnh mẽ vào kỹ thuật điều
khiển và đã tỏ rõ đƣợc ƣu việt của mình. Các phƣơng pháp này đã tạo điều kiện thuận
lợi để các nhà kỹ thuật nghiên cứu ứng dụng nhằm ngày càng nâng cao chất lƣợng của
hệ thống điều khiển tự động, nhất là đối với các hệ thống lớn, hệ có tính phi tuyến
mạnh và khó mơ hình hố.
1.2.1. Bộ điều khiển PID
1.2.1.1. Cấu trúc bộ điều khiển PID
Bộ điều khiển kinh điển PID đã và đang đƣợc sử dụng rộng rãi để điều
khiển các đối tƣợng SISO bởi vì tính đơn giản của nó cả về cấu trúc lẫn nguyên lý làm
việc. Bộ điều chỉnh này làm việc rất tốt trong các hệ thống có qn tính lớn nhƣ điều
khiển nhiệt độ, điều khiển mức,... và trong các hệ điều khiển tuyến tính hay có
mức độ phi tuyến thấp. PID là bộ điều khiển tỷ lệ - tích - vi phân (ProportionalIntegral-Derivative).
e(t)

x(t)

PID

u(t)

Đối tƣợng

y(t)

(-)

Hình 1.3. Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển PID
Bộ điều khiển PID đƣợc mô tả bởi hàm truyền đạt sau:
u t

KP e t

de t
1
e t dt TD
TI
dt

WPID s

U s
E s

KP 1

1
TD s
TI s

(1.1)

Với: KP là hệ số khuyếch đại;

TI hằng số tích phân;
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

/>

10

TD hằng số vi phân.
Bộ điều khiển PID điều khiển đối tƣợng SISO theo nguyên tắc sai lệch:
Nếu e(t) càng lớn thì thơng qua thành phần tỷ lệ làm cho x(t) càng lớn (vai trò
của khâu P).
Nếu e(t) chƣa bằng khơng thì thơng qua thành phần tích phân, PID vẫn tạo tín
hiệu điều chỉnh (vai trị của khâu I).
Nếu e(t) thay đổi lớn thì thơng qua thành phần vi phân, phản ứng thích hợp x(t)
càng nhanh ( vai trị của khâu D).
1.2.1.2. Ƣu nhƣợc điểm
- Khi hệ thống bị tác động bởi nhiễu, nhiễu sẽ đƣợc đƣa đến đầu vào
thông qua mạch phản hồi và tổng hợp cùng với tín hiệu mẫu do vậy tín hiệu
điều khiển cũng sẽ bao gồm nhiễu. Đây là một trong những nguyên nhân ảnh hƣởng
đến tính ổn định của hệ thống và độ chính xác điều khiển.
- Biên độ sai lệch giữa tín hiệu mẫu và tín hiệu ra là lớn và ln tồn tại
trong suốt q trình điều khiển. Sai lệch này có xu hƣớng tăng khi thông số của
đối tƣợng thay đổi.
- Bộ điều khiển PID đƣợc thiết kế trên cơ sở mơ hình tuyến tính hố với những
thơng số chính xác của đối tƣợng trong khi thực tế đối tƣợng là phi tuyến và thơng
số là khơng chính xác.
Tuy nhiên, nếu hệ thống làm việc trong mơi trƣờng ít bị ảnh hƣởng của nhiễu,
thông số của đối tƣợng chỉ thay đổi nhỏ trong quá trình làm việc và yêu cầu về độ
chính xác cũng nhƣ ổn định khơng cao thì PID vẫn là một giải pháp hiệu quả.
1.2.2. Bộ điều khiển PID số

Máy tính có thể hoạt động nhƣ một bộ bù hay bộ điều khiển trong hệ thống điều
khiển phản hồi và chỉ nhận dữ liệu tại một khoảng thời gian nhất định. Bộ điều khiển
số không thể lấy mẫu liên tục theo thời gian, nó cần đƣợc rời rạc ở một vài mức. Khi
cho hệ số lấy mẫu ngắn bên trong thời gian vi phân có thể đạt đƣợc xấp xỉ một sai
phân có giới hạn và tích phân qua việc lấy tổng. Hệ thống máy tính sử dụng dữ liệu
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

/>

11

đƣợc trích mẫu trong khoảng thời gian xác định, kết quả là tín hiệu đƣợc lấy mẫu liên
tục. Các tín hiệu đã đƣợc trích mẫu có thể biến đổi từ miền s sang miền z theo mối
quan hệ z = esT. Biến z trong miền tần số phức cũng có các tính chất tƣơng tự nhƣ
trong miền Laplace. Ta sử dụng hàm truyền có biến đổi z để phân tích sự ổn định và
đáp ứng tức thời của hệ thống.
Hầu hết các bộ điều khiển công nghiệp hiện nay đƣợc xây dựng trên nền máy
tính số, vì thế thuật tốn PID cũng cần đƣợc biểu diễn dƣới dạng phù hợp cho việc lập
trình cài đặt. Bộ PID rời rạc đọc sai số, tính tốn và xuất ngõ ra điều khiển theo một
khoảng thời gian xác định (không liên tục) - thời gian lấy mẫu T. Thời gian lấy mẫu
cần nhỏ hơn đơn vị thời gian của hệ thống. Không giống các thuật toán điều khiển đơn
giản khác, bộ điều khiển PID có khả năng xuất tín hiệu ngõ ra dựa trên giá trị trƣớc đó
của sai số cũng nhƣ tốc độ thay đổi sai số. Điều này giúp cho quá trình điều khiển
chính xác và ổn định hơn.
1.2.2.1. Cấu trúc bộ điều khiển PID số
Có 4 cấu trúc của bộ điều khiển số, ở đây ta giới thiệu một dạng cấu trúc cơ bản
của hệ thống điều khiển số:

Hình 1.4. Bộ điều khiển PID số
Trong đó:

- Khâu DAC: có thể không tồn tại một cách tƣờng minh, mà ẩn dƣới dạng thiết
bị có chức năng DA. Tín hiệu số đƣợc xử lý từ máy tính hoặc từ hệ VXL cần phải
chuyển sang tín hiệu tƣơng tự để điều khiển khâu chấp hành. Vì vậy cần có bộ biến đổi
từ tín hiệu số sang tín hiệu tƣơng tự gọi tắt là DAC.
- Khâu ADC: thƣờng sử dụng khi đo đạc giá trị thực của đại lƣợng ra (ví dụ: đo
dịng), biến đổi tín hiệu liên tục thành tín hiệu gián đoạn.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

/>

12

Việc biến đổi từ tín hiệu liên tục thành tín hiệu rời rạc gọi là q trình cắt mẫu,
thơng thƣờng khoảng thời gian cắt mẫu là không đổi. Giữa hai lần lấy mẫu liên tiếp
nhau, bộ cắt mẫu không nhận một thông tin nào cả. Phần tử lƣu giữ sẽ chuyển đổi tín
hiệu đã đƣợc lấy mẫu thành tín hiệu gần liên tục, tiệm cận với tín hiệu trƣớc, khi nó
đƣợc lấy mẫu. Phần tử lƣu giữ ở đây đơn giản nhất là phần tử chuyển đổi tín hiệu mẫu
thành tín hiệu có dạng bậc thang và khơng đổi giữa hai thời điểm lấy mẫu gọi là phần
tử lƣu giữ bậc không.
- Bộ điều khiển: sử dụng vi xử lý (microprocessor: µP),vi điều khiển
(microcontroller: µC) hoặc vi xử lý tín hiệu (digital signal processor: DSP)
- Hàm truyền đạt của bộ điều khiển PID số là:

- T là chu kỳ trích mẫu tín hiệu:
Trong hệ thống điều khiển số tồn tại hai loại tín hiệu: Tín hiệu liên tục và
tín hiệu rời rạc, trong khi đó tín hiệu đƣa vào đối tƣợng điều khiển và tín hiệu đo
lƣờng là tín hiệu liên tục. Để đƣa tín hiệu đó vào máy tính số ta phải biến đổi tín
hiệu từ liên tục sang rời rạc. Trong thực tế khâu điều khiển và đối tƣợng điều khiển
là tƣơng tự vì vậy tín hiệu rời rạc lại đƣợc khôi phục lại thành liên tục. Nếu tín hiệu
liên tục đƣợc giữ khơng đổi trong suốt thời gian giữa hai lần lấy mẫu, gọi là quá

trình lƣu giữ bậc khơng.
Trong q trình lấy mẫu tín hiệu ta phải quan tâm đến chu kỳ lấy mẫu T. Việc
chọn T nhƣ thế nào cho thích hợp là rất quan trọng trong hệ thống điều khiển số. Nếu
chọn T lớn quá có thể làm cho hệ thống điều khiển mất ổn định vì thiếu thơng tin. Nếu
chọn T nhỏ q thì có thể đẫn tới lƣợng thơng tin bị thừa và phần cứng có thể khơng
đáp ứng đƣợc (phụ thuộc vào độ phân giải của thiết bị ADC) và có thể làm cho hệ
thống tác động chậm.
1.2.2.2. Ƣu nhƣợc điểm
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

/>

13

- Đa số đại lƣợng vật lý trong thực tế là các đại lƣợng liên tục, các linh kiện
tƣơng tự có sự tác động nhanh, gần nhƣ tức thời và liên tục trong khi đó các linh kiện
số làm việc với các đại lƣợng rời rạc. Vì vậy vấn đề độ chính xác và tác động nhanh
ln là vấn đề đặt ra với điều khiển số.
- Điều khiển số là điều khiển phức tạp và không linh hoạt bằng điều khiển
tƣơng tự vì các biến điều khiển khó truy nhập, trừ chƣơng trình phần mềm đã dự tính.
- Ngày nay 80% các linh kiện trên thị trƣờng là linh kiện số nên trong kỹ thuật
đang có xu hƣớng chuyển từ kỹ thuật tƣơng tự sang kỹ thuật số. Các linh kiện số cho
phép các thao tác phức tạp một cách rất chắc chắn.
- Các chƣơng trình phần mềm cho phép tối ƣu hố điều khiển và thay đổi các tính
năng mong muốn. Vì các chức năng điều khiển đƣợc thực hiện bằng phần mềm cho nên
với cùng một thiết bị phần cứng (một bộ vi xử lý và các giao diện) đƣợc sử dụng cho mọi
ứng dụng. Điều này dẫn đến giảm các chi tiết dự phịng, do đó giảm giá thành.
Các yếu tố trên đã chứng tỏ điều khiển số là một bƣớc phát triển hoàn toàn phù
hợp với xu thế phát triển của điều khiển tự động và tự động hoá. Ngày nay, điều khiển
số ngày càng chiếm ƣu thế và làm cơ sở cho sự phát triển của các hệ thống điều khiển

thông minh.
1.2.3. Bộ điều khiển sử dụng logic mờ
1.2.3.1. Giới thiệu
Từ những năm đầu của thập kỷ 90, hệ logic mờ (Fuzzy logic system) đƣợc các
nhà khoa học kỹ thuật đặc biệt quan tâm nghiên cứu và ứng dụng vào sản xuất. Tập
mờ và logic mờ (Fuzzy set and Fuzzy logic) dựa trên các suy luận của con ngƣời về
các thơng tin “khơng chính xác” hoặc “ không đầy đủ” về hệ thống để hiểu biết và điều
khiển hệ thống một cách chính xác. Cho đến nay, đã có rất nhiều tài liệu nghiên cứu lý
thuyết và các kết quả ứng dụng logic mờ trong điều khiển hệ thống, tuy vậy cả về mặt
phƣơng pháp luận và tính nhất loạt cho ứng dụng thực tế của logic mờ vẫn còn đang là
một miền đất hứa và phát triển mạnh mẽ. Logic mờ có khả năng mô tả các trạng thái
sự việc khi sử dụng các mức độ thay đổi giữa đúng và sai, có khả năng lƣợng hóa các

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

/>

14

hiện tƣợng nhập nhằng hoặc là thông tin hiểu biết về các đối tƣợng khơng đủ hoặc
khơng chính xác và cho phép phân loại các lớp quan niệm chèn lấp lên nhau.
1.2.3.2. Điều khiển mờ
Điều khiển mờ chính là bắt chƣớc cách xử lý thông tin và điều khiển của con
ngƣời đối với các đối tƣợng, do vậy điều khiển mờ đã giải quyết thành công các vấn đề
điều khiển phức tạp trƣớc đây chƣa giải quyết đƣợc. Những ý tƣởng cơ bản trong hệ
điều khiển mờ là tích hợp kiến thức của các chuyên gia trong thao tác vào các bộ điều
khiển trong quá trình điều khiển, quan hệ giữa các đầu vào và đầu ra của hệ điều
khiển mờ đƣợc thiết lập thông qua việc lựa chọn các luật điều khiển mờ (if then) trên các biến ngôn ngữ. Luật điều khiển (if - then) là một cấu trúc điều kiện dạng
(Nếu - Thì) trong đó có một số từ đƣợc đặc trƣng bởi các hàm liên thuộc liên tục. Các
luật mờ và các thiết bị suy luận mờ là những công cụ gắn liền với việc sử dụng kinh

nghiệm chuyên gia trong việc thiết kế các bộ điều khiển.
Ngày nay với sự phát triển của khoa học kỹ thuật cùng việc áp dụng các
phƣơng pháp điều khiển đã chắp cánh cho sự phát triển đa dạng của các hệ điều khiển
mờ trong đó vấn đề tổng hợp đƣợc một bộ điều khiển mờ một cách chặt chẽ và ứng
dụng cho đối tƣợng cụ thể nhằm nâng cao chất lƣợng điều khiển đang là sự quan tâm
của nhiều nhà nghiên cứu
Sơ đồ chức năng bộ điều khiển mờ cơ bản (FLC) nhƣ hình 1.5, gồm khối mờ
hố, khối hợp thành và khối giải mờ.

Hình 1.5. Sơ đồ khối chức năng FLC
Khối mờ hố có nhiệm vụ biến đổi các giá trị rõ đầu vào thành một miền giá trị
mờ với hàm liên thuộc đã chọn ứng với biến ngôn ngữ đầu vào đã đƣợc định nghĩa.
Khối hợp thành dùng để biến đổi các giá trị mờ hoá của biến ngôn ngữ đầu
vào thành các giá trị mờ của biến ngôn ngữ đầu ra theo các luật hợp thành bao gồm tập
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

/>

15

các luật "Nếu ... Thì" dựa vào các luật mờ cơ sở, đƣợc ngƣời thiết kế viết ra cho thích
hợp với từng biến và giá trị của các biến ngôn ngữ theo quan hệ mờ vào/ra. Khối hợp
thành là phần cốt lõi của bộ điều khiển mờ, vì nó có khả năng mơ phỏng những suy
đốn của con ngƣời để đạt đƣợc mục tiêu điều khiển mong muốn nào đó.
Khối giải mờ biến đổi các giá trị mờ đầu ra thành các giá trị rõ để điều khiển
đối tƣợng. Một bộ điều khiển mờ chỉ gồm các khối thành phần nhƣ vậy đƣợc gọi là bộ
điều khiển mờ cơ bản.
* Bộ điều khiển mờ động: để mở rộng ứng dụng cho các bài toán điều khiển, ngƣời ta
thƣờng bổ sung thêm vào bộ điều khiển mờ cơ bản các khâu tích phân, đạo hàm, bộ
điều khiển có dạng nhƣ hình 1.6 đƣợc gọi là bộ điều khiển mờ động.

I
e

P

Bộ
điều
khiển
mờ cơ
bản

y

D

Hình 1.6. Bộ điều khiển mờ động

* Bộ điều khiển mờ lai (F-PID): là bộ điều khiển trong đó thiết bị điều khiển gồm 2
thành phần: Thành phần điều khiển kinh điển và thành phần điều khiển mờ. Bộ điều
khiển F-PID có thể thiết lập dựa trên hai tín hiệu là sai lệch e(t) và đạo hàm của nó e’(t).
Bộ điều khiển mờ có đặc tính rất tốt ở vùng sai lệch lớn, ở đó với đặc tính phi tuyến của
nó có thể tạo ra phản ứng động rất nhanh. Khi quá trình của hệ tiến gần đến điểm đặt
(sai lệch e(t) và đạo hàm của nó e’(t) xấp xỉ bằng 0) vai trò của bộ điều khiển mờ (FLC)
bị hạn chế nên bộ điều khiển sẽ làm việc nhƣ một bộ điều chỉnh PID bình thƣờng. Trên
hình 1.7 thể hiện ý tƣởng thiết lập bộ điều khiển mờ lai F-PID và phân vùng tác động
của chúng.

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

/>