Tài liệu luận văn nghiên cứu hệ thống điều khiển mờ bằng MATLAB, chương 9 ppt

Chương 9
MÔ PHỎNG HỆ ĐIỀU KHIỂN MỜ BẰNG MATLAB
I. Giới thiệu về MatLab:
MatLab vừa là môi trường vừa là ngôn ngữ lập trình được
viết dựa trên cơ sở toán học như: lý thuyết ma trận, đại số tuyến
tính, phân tích số, … nhằm sử dụng cho các mục đích tính toán
khoa học và kỹ thuật.
MatLab cho phép người sử dụng thiết kế các hộp công cụ
của riêng mình. Ngày càng nhiều các hộp công cụ được tạo ra
bởi các nhà nghiên cứu trên các lãnh vực khác nhau. Sau đây là
một số hộp công cụ trong MatLab ứng dụng trong lónh vực điều
khiển tự dộng:
- Control System Toolbox: nền tảng của một nhóm các dụng
cụ để thiết kế trong lãnh vực điều khiển. Bao gồm các hàm
dành cho việc mô hình hoá, phân tích, thiết kế hệ thống điều
khiển tự động.
- Frequency Domain System Identification Toolbox: bao
gồm một tập các file .m dùng cho việc mô hình hoá hệ tuyến
tính dựa trên sự đo lường đáp tuyến tần số của một hệ thống.
- Fuzzy Logic Toolbox: bao gồm một tập hoàn chỉnh các
công cụ giao diện với người dùng dành cho việc thiết kế, mô
phỏng và phân tích hệ thống suy luận mờ.
- Neutral Network Toolbox: bao gồm một tập các hàm của
MatLab dành cho việc thiết kế và mô phỏng mạng neutral.
- Nonlinear Control Design Toolbox: là một giao diện đồ
hoạ người dùng cho phép thiết kế hệ điều khiển tuyến tính và
phi tuyến sử dụng kỹ thuật tối ưu trong miền thời gian.
- Simulink: Simulink là phần mở rộng của MatLab tạo ra
thêm một môi trường đồ hoạ dùng cho việc mô hình hoá, mô
phỏng và phân tích hệ tuyến tính và phi tuyến động.
- System Identification Toolbox: bao gồm các công cụ để

phỏng tính và nhận dạng hệ thống.
II. Xây dựng mô hình:
1. Yêu cầu cụ thể:
Ta cần điều khiển dòng nước ra từ một bồn nước. Bồn nước
gồm một đầu vào là dòng nước lạnh, một đầu vào là dòng nước
nóng. Đầu ra sẽ là hỗn hợp của hai dòng nước nóng và lạnh.
Yêu cầu đặt ra là phải giữ nhiệt độ và tốc độ của dòng nước ra
không đổi ở một giá trò xác đònh trước.
2. Mô hình vật lý:
Dùng Vi xử lý 8 bit ứng dụng giải thuật logic mờ để điều
khiển nhiệt độ của lưu chất ra. Cần có các khâu cảm biến để hồi
tiếp về, các khâu biến đổi A/D, D/A để chuyển đổi tín hiệu
tương tự về dạng số để VXL xử lý dữ liệu và chuyển đổi tín
hiệu từ dạng số sang tương tự để điều khiển khối công suất.
BỘ
ĐIỀU KHIỂN
dòng nước ra
dòng nước nóng dòng nước lạnh
bồn nước
KĐ
KĐ
KĐ
KĐ
VXL
dòng
nước
ra
dòng nước nóng dòng nước lạnh
bồn nước
A/D

D/A
BỘ ĐIỀU KHIỂN
cảm biến nhiệt
cảm biến lưu
tốc
3. Mô hình toán học:
Từ mô hình vật lý ta xác đònh mô hình toán học của các
phần tử riêng lẻ:
a. Khâu D/A: là khâu giữ bậc không (ZOH)
Hàm truyền:
TS
1
)
1
Chuyển sang hệ rời rạc:
T
S
e
ZZG
TS











1
)(
1
b. Khâu A/D: là khâu lấy mẫu với thời gian lấy mẫu là T.
c. Bộ điều khiển số (VXL):
Để cải thiện chất lượng của hệ, ta cho thêm khâu điều
khiển
I ở ngõ ra kết hợp với khâu Fuzzy để điều khiển.
Khâu
I sẽ được thực hiện nhờ phần mềm. Vì vậy trong VXL
sẽ bao gồm các khâu sau:
FUZZY I
Tín hiệu điều khiển
-
+
T
 Khâu I: khâu tích phân
Hàm truyền:
S
SG
1
)(
2

 Khâu KĐCS: khâu khuếch đại công suất
Giả sử công suất cực đại của mạch đóng mở van là P







PP
PUk
U
i
o
i
i
k.Unếu
k.Unếu
.
 Khâu Fuzzy:
Bước 1. Đònh nghóa các biến vào ra:
Ta gọi nhiệt độ cần ổn đònh là t
o
. Giả sử nhiệt độ môi trường
cần điều khiển thay đổi trong khoảng (
t
o
- k, t
o
+ k).
Sai lệch giữa nhiệt độ cần điều khiển y
1
và tín hiệu chủ đạo
x
1
.(Ký hiệu là et):
 et  (-k, k)

o
C.
Chọn k=20
 et  (-20, 20)
o
C.
Gọi v
o
là lưu tốc dòng nước ra cần giữ ổn đònh . Giả sử lưu
tốc cần điều khiển thay đổi trong khoảng (v
o
- V, v
o
+ V). (kg/s)
Sai lệch giữa lưu tốc cần điều khiển y
2
và tín hiệu chủ đạo
x
2
.(Ký hiệu là ev):
 ev  (-V, V) kg/s.
Chọn V=1
 ev  (-1, 1) kg/s
KĐ
U
i
U
o