Các hệ truyền động điện của hệ điều khiển vị trí dùng động cơ không đồng
bộ, điều khiển các chế độ làm việc thì dải điều chỉnh tốc độ hẹp, độ êm dịu thấp,
gây tổn thất năng lượng đáng kể, hiệu suất thấp đối với những hệ yêu cầu công suất
cao. Giải pháp thay thế hệ truyền động điện hiện nay bằng hệ truyền động điện T-Đ
sẽ khắc phục được các nhược điểm trên.
95 trang |
Chia sẻ: lylyngoc | Lượt xem: 2432 | Lượt tải: 0
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Luận văn Nghiên cứu tổng hợp bộ điều chỉnh lai sử dụng trong hệ thống tuỳ động, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
or
Bộ phận chỉnh lưu bán dẫn
thyristo cần điều khiển không bao giờ
tách khỏi mạch điện phát xung, vì vậy
khi phân tích hệ thống thường xem
chúng như một khâu, Lượng đầu vào của
khâu này là điện áp điều khiển Uct của
mạch phát xung, lượng đầu ra là điện áp
chỉnh lưu không tải lý tưởng Ud0. Nếu
coi hệ số khuyếch đại Ks giữa chúng
bằng hằng số, thì bộ phát xung và chỉnh lưu bán dẫn được coi là khâu khuyếch đại
thuần tuý chậm sau (trễ), mà tác dụng chậm sau là do thời gian mất điều khiển của
bộ bán dẫn gây ra. Thời gian mất điều khiển Ts có độ lớn thay đổi theo thời điểm
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
47
phát sinh sự biến động của điện áp điều khiển Uci. Thời gian mất điều khiển lớn
nhất có thể xẩy ra là thời gian giữa hai lần thay đổi pha tự nhiên nó liên quan tới tần
số nguồn điện xoay chiều, hình thức mạch chỉnh lưu và được xác định theo biểu
thức:
mf
1
Tsmax
(3-37)
Trong đó: f – tần số dòng điện xoay chiều.
m – số lần đập mạch của điện áp chỉnh lưu trong một chu kỳ.
Tương ứng với thời gian thích nghi của hệ thống mà nói, Ts có giá trị không
lớn nên thực tế có thể lấy giá trị thời gian mất điều khiển trung bình Ts = Tsmax/2, và
thường coi là hằng số.
Dùng hàm bậc thang đơn vị để biểu thị sự chậm sau thì quan hệ giữa đầu vào
và đầu ra của thiết chỉnh lưu và phát xung bán dẫn thyristor sẽ là:
Ud0 = Ks.Uct.1(t – Ts) (3-38)
Theo định lý chuyến dời phép biến đổi Laplace, thì hàm truyền là:
psT
s
tc
0d eK
(P)U
(p)U
(3-39)
Trong biểu thức (3-39) có chứa hàm số mũ psTe , nó làm cho hệ thống
không phải là hệ thống pha cực tiểu, việc phân tích và thiết kế kha phức tạp. Để đơn
giản hoá, trước tiên ta phải khai triển psTe thành cấp số Taylo và biểu thức (3-39)
trở thành:
...
33
s
22
ss
s
p
s
T
spsT
s
ct
0d
pT
3!
1
pT
2!
1
pT1
K
e
K
eK
(P)U
(p)U
(3-40)
Vì Ts có giá trị rất nhỏ nên ta có thể bỏ qua các giá trị bậc cao của nó. Hàm
số truyền của bộ chỉnh lưu và phát xung bán dẫn thyristor có thể coi một cách gần
đúng là khâu quán tính bậc nhất.
pT1
K
(P)U
(p)U
s
s
ct
0d
(3-41)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
48
Sơ đồ cấu trúc của bộ chỉnh lưu bán dẫn thyristor:
Hình 3-21 Sơ đồ cấu trúc của bộ chỉnh lưu bán dẫn thyristor
a) khi chuẩn xác; b) khi gần đúng
III.3.3. Hàm truyền của máy phát tốc
Trong mạch vòng tốc độ, người ta phải tạo ra một tín hiệu điện áp tỷ lệ với
tốc độ động cơ. Để làm được điều đó thông thường người ta dùng máy phát tốc, nó
được nối cứn trục với động cơ.
Hàm truyền của máy phát tốc:
pT1
K
(p)w
ω
ω
FT
(3-42)
Trong đó: T - hằng số thời gian của máy phát tốc.
K - hệ số phản hồi máy phát tốc.
III.3.4. Hàm truyền của thiết bị đo dòng điện
Cũng như mạch vòng tốc độ để lấy tín hiệu dòng điện quay trở lại đầu vào
khống chế hệ thống người ta tạo một tín hiệu điện áp tỷ lệ với tín hiệu dòng điện.
Có nhiều cách để lấy tín hiệu dòng điện nhưng đơn giản nhất có thể có thể dùng
máy biến dòng.
Hàm truyền của khâu lấy tín hiệu dòng điện:
pT1
K
(p)w
I
I
FT
(3-43)
Trong đó: I - hằng số thời gian của máy máy biến dòng.
KI - hệ số phản hồi dòng điện.
III.4. TỔNG HỢP HỆ ĐIỀU KHIỂN RI, R, R
Việc tổng hợp các bộ điều khiển RI, R đều được tiến hành theo phương
pháp tiêu chuẩn mô dun tối ưu hoặc tiêu chuẩn mô dun đối xứng.
Kse
TsP
Uct(p) Ud0(p)
pT1
K
s
s
Uct(p) Ud0(p)
a) b)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
49
Nguyên tắc chung để thiết kế hệ thống điều khiển hai mạch vòng kín là: bắt đầu từ
vòng trong, từng vòng từng vòng một mở rộng ra ngoài. Có nghĩa, trước tiên ta phải
thiết kế bộ điều chỉnh dòng điện, tiếp đến coi cả mạch vòng dòng điện là một khâu
trong hệ thống điều chỉnh tốc độ quay để thiết kế bộ điều chỉnh tốc độ quay, tiếp tục
coi cả mạch vòng tốc độ là một khâu chong hệ thống điều chỉnh vị trí để thiết kế bộ
điều chỉnh vị trí.
III.4.1. Tổng hợp bộ điều khiển dòng điện RI
Trong các hệ thống truyền động điện tự động cũng như trong hệ chấp hành
thì mạch vòng điều chỉnh dòng điện là mạch vòng cơ bản chức năng cơ bản của các
mạch vòng dòng điện là trực tiếp hoặc gián tiếp xác định mô men kéo của động cơ,
ngoài ra còn có chức năng bảo vệ, điều chỉnh gia tốc...
Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện như sau:
Trong đó:
R
L
uT
: Hằng số thời gian điện từ của động cơ
R = RB + RK +Rưd + Rs
L = Lb + Lk + Lưd
Ti =R.C : Hằng số thời gian của cảm biến (sensor) dòng điện
Bỏ qua ảnh hưởng của sức điện động, ta có sơ đồ cấu trúc thu gọn như sau:
Uiđ
(-)
iR
p.T1p.T1
K
vdk
CL
KΦ
u
u
T.p1
R
1
Jp
1
i
i
pT1
K
KΦ
Mc (-)
Ui(p)
I
H ì nh 3-22 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
50
Hình 3-23 Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng dòng điện
Từ sơ đồ hình (3-22) và (3-23) ta có hàm truyền của đối tượng điều khiển
mạch vòng điều chỉnh dòng điện:
uivdk
icl
dk
i0 T.p1T.p1pT1T.p1
1
.
R
K.K
pU
I(p)
(p)S
(3-44)
Trong đó:
Tsi = Ti + Tv +Tđk<< Tư , bỏ qua các hệ số bậc cao ta có:
usi
icl
oi T.p1T.p1
R
K.K
(p)S
(3-45)
Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu modul ta có hàm truyền của hệ thống kín:
2
ζζ
OMi
p.η2η21
1
(p)F
(3-46)
Mặt khác ta có:
(p)S(p).F(p)S
(p)F
(p)R
(p)S(p).R1
(p)S.pR
(p)F
oiOMioi
OMi
i
ioi
oii
OMi
pη1pη.2
)T.p)(1T.p(1
R
K.K
1
(p)R
ζζ
usi
iCL
i
Chọn = min (Tsi, Tư) = Tsi
Vậy ta có hàm truyền của bộ điều chỉnh dòng điện:
usiiCL
u
si
iCL
u
i T.p
1
1
T.K.K2.
T.R
R
T
.K.K.p2
T.p1
(p)R
(3-47)
Ri(p) là khâu tỷ lệ - tích phân (PI)
Kết quả khi tổng hợp mạch vòng dòng điện bằng tiêu chuẩn tối ưu modul ta có:
I(p)
Ri(p) S0i(p)
UIđ
(-)
UI(p) Udk(p)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
51
pT21
1
p.T2.p.T2.1
1
(p)U
(p)
(p)F
si
22
sisiid
i
OMi
(3-48)
III.4.2. Tổng hợp bộ điều khiển tốc độ R
Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng tốc độ như sau:
Hình 3-25 Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng tốc độ
Trong đó:
)T.p(1
KΦ
.
p.cT.Φ.K
R
.
K
1
.
p).T2(1
1
(p)S
ωisi
ωo
Đặt
ωsisω TT2.T
sωT
rất nhỏ. Ta có:
)T.pp(1.T.Φ.K.K
K.R
(p)S
sωci
ω
oω
Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu modul:
22
ζζ
OMω
pη2p.η2.1
1
(p)F
(3-49)
(p)S(p).F(p)S
(p)F
(p)R
oωOMωoω
OMω
ω
(3-50)
)ηp(1.η.2
T.p1p.T.KΦ.K
K.R
1
(p)ωR
ζζ
sωci
ω
Chọn σ = Ts
Ta có hàm truyền của bộ điều chỉnh tốc độ theo tiêu chuẩn tối ưu modul:
sωω
ci
ω
T.2.K.R
T.KΦ.K
(p)R
(3-51)
R ω(p) là khâu tỷ lệ (P)
Tiêu chuẩn này được sử dụng khi hệ thống khởi động đã mang tải, lúc đó ta
không coi IC là nhiễu nữa.
R(p) S0(p)
Ud (p)
(-)
U(p)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
52
Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu đối xứng:
33
ζ
22
ζζ
ζ
OMω
p.η8p.η8.p.η4.1
p.η4.1
(p)F
(3-52)
oωωOMoω
OMω
ω S.FS
F
(p)R
p).η(1pη.8
)T.pp(1.T.K.K
K.R
p.η41
(p)R
ζ
22
ζ
sωcθi
ω
ζ
ω
Chọn σ = Ts
Ta có hàm truyền của bộ điều chỉnh tốc độ theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng:
p.T.8
T.KΦ.K
ωK.R
p.T41
(p)R
2
sω
ci
sω
ω
(3-53)
R(p) là khâu tích phân- tỷ lệ (PI)
Kết quả khi tổng hợp mạch vòng tốc độ bằng tiêu chuẩn tối ưu modul ta có:
ωsωω
22
sωsωd
K
1
.
p.T21
1
K
1
.
pT2p.T21
1
(p)ω
ω(p)
(3-54)
Kết quả khi tổng hợp mạch vòng tốc độ bằng tiêu chuẩn tối ưu đối xứng ta có:
ωsωω
33
sω
22
sωsωd
K
1
.
p.T41
1
K
1
.
p.T8p.T8p.T41
1
(p)ω
ω(p)
III.4.3. Tổng hợp mạch vòng vị trí
Hình 3-26 Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng vị trí
R(p)
đ (p)
(-)
ωsωd
ωsωd
K
1
.
pT41
1
(p)ω
ω(p)
K
1
.
p.T21
1
(p)ω
ω(p)
KpTspTspTs
KpTspd
p
1
.
.8.841
1
1
.
.21
1
)(
)(
3322
22
P
K r
(p)
θ
θ
T.p+1
K
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
53
Tổng hợp mạch vòng vị trí cũng tương tự như tổng hợp mạch vòng tốc độ, ta
dùng tiêu chuẩn tối ưu modul và tiêu chuẩn tối ưu đối xứng.
Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng vị trí như hình 3-25
Trong đó:
i
1
K r
: Hệ số khuếch đại của bộ truyền lực (3-55)
Ts =T +2.Tsi =T +2(Tđk + Tv + Ti) (3-56)
Tổng hợp theo tiêu chuẩn tối ưu modul
22
ζζ
OMT
pη2p.η2.1
1
(p)F
(3-57)
Từ sơ đồ cấu trúc hình (3-14), ta có:
)T.p+p(1p)..T2.+(1
K
K
.rK
=(p)S
θ
θ
sω
ω
T0
(3-58)
Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu modul ta có :
=
(p)S(p).F(p)S
(p)F
=(p)θR
oTTOMoT
TOM
)pT+p)(1.T2+(1
K
θK.K
.
pη2+pη2+1
1
)pT+p(1p).T2+(1
K
K.K
2p2
δ
η2+p
δ
η2+1
1
=
θθ
θ
sω
ω
r
22
δδsω
ω
r
p).T+(1
p).η+(1
.p.η.2
)T.p2+p(1.K
K.K
1
=(p)R
θ
θ
θ
ζ
δ
sωω
r
Chọn:
θT=ηζ
Ta có hàm truyền của bộ điều chỉnh vị trí theo tiêu chuẩn tối ưu modul :
p).T2+(1
θ
T.2.K.K
K
=(p)R sω
r
ω
θ
θ
(3-59)
Với:
p.K+K=R DPθ
(3-60)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
54
θr
ω
P T.2K.K
K
=K
θ
(3-61)
θθ T.K.K
T.K
=K
r
sωω
D
(3-62)
R(p) là khâu tỷ lệ - đạo hàm (PD).
Tổng hợp theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng
p.η8p.η8.p.η4.1
p.η4.1
(p)F
3
ζ
2
ζζ
ζ
OMT
(3-63)
Khi tổng hợp mạch vòng vị trí theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng thì ta có hàm
truyền đối tượng :
)pT+p(1p).T4+(1
K
K.K
=(p)S
θsω
ω
r
oT
θ
(3-64)
Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu đối xứng ta có :
p.T+1
p).η+(1
.p.η.2
)T.p2+p(1.K
K.K
1
=
(p)S(p).F(p)S
(p)F
=(p)R
θ
ζ
ζ
sωω
roTTOMoT
TOM
θ
θ
Chọn:
θζ T=η
Ta có hàm truyền của bộ điều chỉnh vị trí theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng:
p).T4.+(1
T.2.K.K
K
=(p)R sω
θθr
ω
θ
(3-65)
R(p) cũng là khâu tỷ lệ- đạo hàm (PD)
III.5. TÍNH PHI TUYẾN CỦA BỘ ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ
Bộ điều khiển vị trí nhằm đảm bảo thời gian quá độ ngắn, đồng thời độ chính
xác tĩnh nằm trong giới hạn cho phép. Ta xét quá trình bắt đầu hãm,lúc đó tín hiệu
đặt và tín hiệu phản hồi xấp xỉ nhau nghĩa là:
h21
R).(
(3-66)
21h
: Quãng đường hãm
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
55
h
: Vận tốc thời điểm bắt đầu quá trình hãm quãng đường hãm lớn nhất
được tính theo công thức:
hmax
hMax
r
2
Max
K.
.
2
1
ε
ω
(3-67)
Trong đó:
hMax
: Gia tốc hãm cực đại cho trước.
Từ 3-66 và 3-67 ta có:
hhMax
R.
hMax
r
2
Max
h
K.K.
.
2
1
Chọn
KR
r1
hMax
K.
.2
K
(3-68)
Quãng đường đi được lúc hãm là :
= 2hmax =
ε
ω
r
2
h
K. (3-69)
Khi tổng hợp bộ điều khiển vị trí
R
, ta đã chọn được hàm truyền đạt kiểu PD
với hệ số khuếch đại
θ
K
= const. Quan hệ tĩnh
)(f
trong quá trình hãm
(công thức 3-67) được vẽ trên hình (3.27) ta thấy:
Khi cho quãng đường là
1
thì tốc độ là
1
tương ứng với hệ số khuếch đại
là
1
K
, khi cho quãng đường là
2
mà vẫn giữ nguyên hệ số
1
K
thì tốc độ là
2
nhưng thực chất theo quan hệ phi tuyến thì tốc độ là
'
2
.Nghĩa là cần hệ số
khuếch đại
2
K
.Tương tự khi cho quãng đường là
3
thì cầu phải có
3
K
. Như
vậy khi
càng nhỏ thì hệ số khuếch đại
R
càng lớn để đạt được tốc độ lớn tăng
lên thích ứng với quá trình hãm nhanh theo yêu cầu.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
56
'
0
Hình 3-27 Quan hệ giữa
và
Qua phân tích ta thấy quan hệ
)(f
là phi tuyến và việc chọn
R
chỉ
chứa hệ số khuếch đại
θ
K
= const là không hợp lý. Để giải quyết vấn đề này nghĩa là
phải thực hiện bộ điều khiển phi tuyến. Trong bản luận văn này tôi đề xuất phương
pháp dùng bộ điều khiển mờ kết hợp với bộ điều khiển PID.
Các khâu trong hệ điều khiển vị trí đều được phân tích và mô hình hoá,
tuyến tính hoá khi cần thiết, phục vụ cho quá trình mô phỏng hệ thống.
Hệ điều khiển vị trí tuyến tính được thiết kế theo phương pháp kinh điển đó
đã được tổng hợp dựa vào các tiêu chuẩn tối ưu môdul và tối ưu đối xứng nhằm đạt
được chất lượng điều khiển tốt nhất.
Tuy vậy ta đã chứng minh được đặc tính điều khiển của bộ điều khiển vị trí là
phi tuyến nên để nâng cao chất lượng điều khiển của hệ thống thì thực hiện một bộ
điều khiển vị trí phi tuyến là cần thiết và vô cùng cấp bách. Đặc biệt khi cần thiết
kế các hệ điều khiển vị trí đáp ứng được các chỉ tiêu chất lượng cao và rất cao về
thời gian quá độ ngắn, độ chính xác cao…
Sau khi tổng hợp ra các hộ điều khiển, ta có sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều
khiển vị trí động cơ một chiều như Hình vẽ ( 3-28)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
57
Hình 3-28 Sơ đồ cấu trúc của hệ điều chỉnh vị trí
III.6. TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ VÀ MÔ PHỎNG HỆ TUỲ ĐỘNG VỊ
TRÍ KHI SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID
III.6.1.Tính toán các thông số hệ tuỳ động vị trí đối với động cơ điện một chiều
kích từ độc lập.
* Các thông số cho trước:
Pđm : Công suất định mức của động cơ 75kW
Uđm : Điện áp định mức của động cơ 220 V
nđm : Tốc độ quay định mức của động cơ 1500 v/p
Lư : Điện cảm phần ứng 0,0022 H
Rư : Điện trở phần ứng 0,0253
Ti : Hằng số thời gian của máy biến dòng 0,0025 s
TCL: Hằng số thời gian của bộ chỉnh lưu 0,003s
Tđk : Hằng số thời gian của mạch điều khiển bộ chỉnh lưu 0,00015s
T
: Hằng số thời gian của máy phát tốc 0,0015s
T
: Hằng số thời gian của bộ cảm biến vị trí 0,3s
L: Chiều dài quãng đường cần di chuyển 110 m
r: Bán kính trục truyền tải cuối cùng 0,35 m
P2T1
1
si
PT1
K
ω
ω
PTC
R
cu
JP
1
iK
1
R R
JP
1
PT1
K
đ(p)
(p) (p)
đ
(-) (-)
(-)
Ui(p)
I
MC
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
58
dm
: Hiệu suất định mức của động cơ 90%
Các phƣơng trình phản ứng phần ứng trong động cơ một chiều:
uuuu
I).RR(EU
Uư: Điện áp phần ứng
Eư: Sức điện động phần ứng
Rư: Điện trở mạch phần ứng
Iư: Dòng điện phần ứng
Rư = rư + rcf + rb + rct
rư : Điện trở cuộn dây phần ứng
rcf : Điện trở cực từ phụ
rb : Điện trở cuộn bù
rct : Điện trở tiếp xúc chổi điện
ω.θ
a.Π2
N.p
=ω.θ.k=Eu
p: Số đôi cực từ chính.
N: Số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng.
: Từ thông kích từ dưới một cực từ.
: Tốc độ góc.
a.2
N.p
k
: Hệ số cấu tạo động cơ.
Eư = ke..n
n: Tốc độ roto
55,9
n
60
n2
(3-70)
s/rad1,157
55,9
1500
55,9
n
dm
dm
(3-71)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
59
k.105,0
55,9
k
k
e
(3-72)
+ Phương trình đặc tính cơ điện:
u
fuu
I.
Φk
R+R
Φk
U
=ω
+ Phương trình đặc tính cơ:
( ) M.Φk
R+R
Φk
U
=ω 2
tuu
(3-73)
Trong đó:
Φk
M
=I
dt
u
Mđt = Mcơ = M
+ Tính mômen định mức
dmdmdm
.MP
477,4Nm
157,1
75.10
ω
P
M
3
dm
dm
dm
(3-74)
253,1=
1,381
4,477
=
I
M
=Φk
u
dm
(3-75)
+ Hằng số thời gian phần ứng.
s087,0=
0253,0
0022,0
=
R
L
=T
u
u
u
Từ sơ đồ cấu trúc hình (3-24) ta có: Uđ = Kcl.Uđk
Mặt khác ta có:
)
T.P
1
+1(
T.K.K.2
T.R
=R
uisicl
u
i
s10.65,5ms15,0ms3ms5,2TTTT
3
dkVii
s
22=K,Ω0253,0=R,s087,0=T cluu
Chọn Uđk = 7v
018,0
1.381
7
dm
id
i
I
U
K
(3-76)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
60
)
084,0
1
1.(632,0)
.087,0
1
1.(
10.65,5.018,0.22.2
087,0.0253,0
3- PP
Ri
(3-77)
Theo hình (3-24) ta có:
K.U
d
chọn
V7,4U
d
ω
03,0
1,157
7,4U
K d
ω
ω
ω
(3-78)
Mặt khác ta có:
s013,0T
T.2TT
i
sω
sωsω
Với
s10.65,5T:s10.5,1T
3
i
3
sω
Ta có:
( )
)s(034,0=
253,1
022,0.45,2
=
Φk
R.J
=T 22C
(3-79)
76,34=
013,0.2.03,0.022,0
034,0.253,1.014,0
=
T.2.K.R
T.Φk.K
=)P(R
sωωu
ci
ω
(3-80)
52,0
034,0.253,1
022,0
.
Tk
Ru
(3-81)
Ta có:
r.n..2r.l
vßng50
35,0..2
110
r..2
l
n
)rad(.100r..2
r
l
ππ
odθ U=K.θ
+Hệ số khuếch đại của cảm biến vị trí
03,0
.100
10
odUK
(3-82)
1
0
ω..ω.θ tKdtK rr
(3-83)
Trong đó Kr hệ số khuếch đại bộ truyền lực
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
61
1
1,157
314
t
Kr
(3-84)
+ Bộ điều chỉnh vị trí
R
)P.T.21.(
T.2.K.K
K
R
r
sω
θθ
ω
θ
)P.0143,01.(5625,1)P.0715,0.21.(
3,0.2.32,0.1
03,0
III.6.2. Mô phỏng hệ điều khiển vị trí sử dụng bộ điều khiển PID
Thay các thông số đã tính được vào sơ đồ trên hình (3–27) và dùng simulink
ta có sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển như trên hình vẽ (Hình 3-28).
Cho chạy chương trình mô phỏng với nhiều giá trị vị trí đặt ta có kết quả
như các đồ thị được vẽ ở các hình (3-29); (3-30).
Hình 3-28 Sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển vị trí bằng bộ điều khiển PID
Hình 3-29 Các tín hịệu vị trí đầu ra tương ứng với các giá trị khác nhau của
vị trí đặt đầu vàođặt = 10V, I = 318.1 A.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
62
Hình 3-30 Các tín hịệu vị trí đầu ra tương ứng với các giá trị khác nhau của
vị trí đặt đầu vàođặt = 15V, I = 318.1 A.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
63
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
64
* Nhận xét:
Trên đây là kết quả mô phỏng với các vị trí khác nhau và cho kết quả của hệ
thống tương đối tốt. Song do tính chất phi tuyến của hệ thống trong mạch vòng vị
trí, cho nên để nâng cao chất lượng hơn nữa ta sẽ nghiên cứu và ứng dụng bộ điểu
khiển mờ vào mạch vòng vị trí để nâng cao chất lượng tốt hơn cho hệ thống.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
65
CHƢƠNG IV THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI
Điểm mạnh cơ bản của điều khiển mờ so với kỹ thuật điều khiển kinh điển là
nó áp dụng rất hiệu quả trong các quá trình chưa được xác định rõ hay không thể đo
đạc chính xác, các quá trình được điều khiển ở điều kiện thiếu thông tin. Điều khiển
mờ đã tích hợp kinh nghiệm của các chuyên gia để điều khiển mà không cần hiểu
biết nhiều về các thông số của hệ thống.
Điều khiển mờ chiếm một vị trí quan trọng trong điều khiển học kỹ thuật hiện
đại, đến nay điều khiển mờ đã là một phương pháp điều khiển nổi bật bởi tính linh
hoạt và đã thu được những kết quả khả quan trong nghiên cứu, ứng dụng lý thuyết
tập mờ, logic mờ và suy luận mờ. Những ý tưởng cơ bản trong hệ điều khiển logic
mờ là tích hợp kiến thức của các chuyên gia trong thao tác vào các bộ điều khiển
trong quà trình điều khiển, quan hệ giữa các đầu vào và đầu ra của hệ điều khiển
logic mờ được thiết lập thông qua việc lựa chọn các luật điều khiển mờ (như luật
IF-THEN) trên các biến ngôn ngữ. Luật điều khiển IF – THEN là một cấu trúc điều
khiển dạng NẾU – THÌ, trong đó có một từ được đặc trưng 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.
So với các giải pháp kỹ thuật từ trước tới nay được áp dụng để tổng hợp các hệ
thống điều khiển bằng điều khiển mờ có những ưu điểm rõ rệt sau:
- Khối lượng công việc thiết kế giảm đi nhiều do không cần sử dụng mô hình
đối tượng trong việc tổng hợp hệ thống.
- Bộ điều khiển mờ để dễ hiểu hơn so với các bộ điều khiển khác (cả về kỹ
thuật) và dễ dàng thay đổi. Đối với các bài toán thiết kế có độ phức tạp cao, giải
pháp dùng bộ điều khiển mờ cho phép giảm khối lượng tính toán và giá thành sản
phẩm.
- Trong nhiều trường hợp bộ điều khiển mờ làm việc ổn định hơn, bền vững
hơn khả năng chống nhiễu cao hơn và chất lượng điều khiển cao hơn.
Ngày nay, với tốc độ phát triển vượt bậc của tin học và sự tương đối hoàn thiện
của lý thuyết điều khiển đã chắp cánh cho sự phát triển đa dạng và phong phú của các
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
66
hệ điều khiển mờ. Tuy nhiên vấn đề tổng hợp được một bộ điều khiển mờ một cách
chặt chẽ và ứng dụng cho một đối tượng cụ thể nhằm nâng cao chất lượng điều khiển
đang là sự quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu.
IV.1. SƠ ĐỒ KHỐI CỦA BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ
Cấu trúc chung của bộ điều khiển mờ gồm bốn khối: khối mờ hoá, khối hợp
thành, khối luật mờ và khối giải mờ ( Hình 4-1 ).
Khối luật mờ và khối hợp thành là phần cốt lõi của bộ điều khiển mờ vì nó có
khả năng mô phỏng những suy nghĩ, suy đoán của con người để đạt được mục tiêu
điều khiển mong muốn.
Trong điều khiển logic mờ, kinh nghiệm chuyên gia cùng các kỹ năng, kỹ xảo
đóng vai trò quan trọng trong việc lựa chọn các biến trạng thái và biến điều khiển.
Các biến vào của bộ điều khiển logic mờ thưòng là trạng thái, sai lệch trạng thái,
đạo hàm sai lệch trạng thái, tích phân sai lệch, v.v ..
Số lượng các tập mờ là trọng tâm cần lưu ý khi thiết kế các hệ điều khiển
logic mờ. Trong một miền giá trị ta có thể chọn số tập mờ khác nhau, thông thường
miền giá trị mờ đầu vào được chia thành nhiều tập mờ gối lên nhau. Thường người
ta chia số tập mờ từ 3 đến 9 giá trị, số lượng các tập mờ đầu vào xác định số lượng
lớn nhất các luật điều khiển mờ trong hệ điều khiển logic mờ.
Khối hợp thành có nhiệm vụ đưa vào tập mờ đầu vào (trong tập cơ sở U) và
tập các luật mờ (do người thiết kế đặt ra) để tạo thành tập mờ đầu ra (trong tập cơ sở
V). Hay nói cách khác là nhiệm vụ của khối hợp thành là thực hiện ánh xạ tập mờ
đầu vào (trong U) thành tập mờ đầu ra (trong V) theo các luật mờ đã có. Các
KHỐI
MỜ HOÁ
KHỐI
HỢP THÀNH
KHỐI
GIẢI MỜ
KHỐI
HỢP THÀNH
VÀO RA
Hình 4-1 Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
67
nguyên lý logic mờ được áp dụng trong khối hợp thành để tổ hợp từ các luật mờ IF
– THEN trong luật mờ cơ bản thành thao tác gán một tập mờ A‟ (trong U) tới tập
mờ B‟ (trong V). Ta đã biết rằng các luật mờ IF - THEN được diễn giải thành các
quan hệ mờ trong không gian miền U*V.
Khi dùng quy tắc MAX – MIN thì dấu “*” được thay thế bằng cách lấy cực
tiểu. Khi dùng quy tắc MAX – PROD thì dấu “*” được thực hiện bằng phép nhân
bình thường. Các luật mờ cơ bản là tập hợp các luật mờ IF – THEN được xây dựng
trên các biến ngôn ngữ, các luật mờ này được đặc trưng cho mối liên hệ giữa đầu
vào và đầu ra của hệ, nó là trái tim của hệ điêu khiển logic mờ. Sử dụng luật mờ cơ
bản này làm công cụ để suy luận và đưa ra các đáp ứng một cách có hiệu quả.
Ta xét hệ mờ với nhiều đầu vào và một đầu ra (hệ MISO) với U = U1xU2x …
xUn R
n. Nếu hệ có m đầu ra từ y1, y2, … yn thì có thể phân thành m hệ mỗi hệ có
n đầu vào và một đầu ra.
Luật cơ sở là luật có dạng sau:
Ru
(1)
: Nếu x1 là An
1
Và…Và xn là An
1
Thì y là B
1
Trong đó Ai
1
là B
1
là các tập hợp mờ trong U1 R
n
và V
R, nếu có M
luật mờ cơ sở thì 1 = 1, 2, …, M.
Luật mờ trên là luật mờ chính tắc, từ luật mờ chính tắc trên có một số mệnh
khác bổ trợ khác.
Giải mờ được định nghĩa như gán một tập mờ B‟ trong V
R ( Là đầu ra
của thiết bị hợp thành) với một giá trị rõ y*
V. Như vậy phép giải mờ là cụ thể
hoá một điểm trong V mà nó có thể hiện rõ nhất tập mờ B‟ . Tuy nhiên tập mờ B‟
được xây dựng theo các cách khác nhau.
Để chọn phương pháp giải mờ thích hợp ta có thể dựa vào các tiêu chuẩn sau
đây:
- Tính tin cậy: Điểm y* phải đại diện cho tập mờ B‟ một cách trực giác, ví dụ
có thể nằm ở gần giữa miền xác định của tập mờ B hoặc là điểm của hàm liên thuộc
cao nhất trong B.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
68
- Đơn giản trong tính toán: ây là tiêu chuẩn quan trọng vì trong điều khiển
mờ các tính toán đều làm việc trong chế độ thời gian thực.
- Tính liên tục: Thể hiện ở việc làm khi có sự thay đổi nhỏ trong B‟ sẽ
không gây sự biến đổi lớn trong y*.
IV.2. NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN MỜ
Về nguyên lý, hệ thống điều khiển mờ cũng gồm các khối chức năng tương
tự như hệ điều khiển truyền thống, điểm sai khác ở đây là sử dụng bộ điều khiển mờ
làm việc có tư duy như “bộ não” dưới dạng trí tuệ nhân tạo. Nếu khẳng định làm
việc với bộ điều khiển mờ có thể giải quyết được theo phương pháp kinh điển thì
không hoàn toàn chính xác, vì hoạt động của bộ điều khiển phụ thuộc vào kinh
nghiệm và phương pháp rút ra kết luận theo tư duy của con người, sau đó được cài
đặt vào máy tính trên cơ sở của logic mờ.
Hệ thống điều khiển mờ được thiết kế trên:
- Giao diện đầu vào bao gồm khâu mờ hoá và các khâu phụ trợ thêm để thực
hiện các bài toán động như tích phân, vi phân...
- Thiết bị hợp thành mà bản chất của nó là sự triển khai luật hợp thành R được
xây dựng trên cơ sở luật điều khiển (luật mờ).
- Khâu giao diện đầu ra (chấp hành) gồm khâu giải mờ và các khâu giao diện
trực tiếp với đối tượng.
Nguyên tắc tổng hợp một bộ điều khiển mờ hoàn toàn dựa vào những phương
pháp toán học trên cơ sở định nghĩa các biến ngôn ngữ vào/ ra và sự lựa chọn luật
điều khiển. Do các bộ điều khiển mờ có khả năng xử lý các giá trị vào/ra biểu diễn
dưới dạng dấu phảy động với độ chính xác cao nên chúng hoàn toàn đáp ứng được
các yêu cầu của một bài toán điều khiển “rõ ràng” và “chính xác”.
IV.3. NHỮNG NGUYÊN TẮC TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ
Như ta đã biết hệ thống điều khiển mờ có mục đích mô phỏng suy nghĩ điều
khiển của con người để điều khiển một đối tượng nào đó. Nhìn chung, hiểu biết của
con người để điều khiển một đối tượng kỹ thuật nào đó có thể phân tích thành hai
loại:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
69
+ Loại hiểu biết rõ: Conscious knowledge.
+ Loại hiểu biết chưa rõ Subconscious knowledge.
- Khi xây dựng bộ điều khiển mờ, với các hiểu biết rõ thì ta dùng luật
“Nếu... thì” và diễn đạt điều đó vào hệ thống mờ. Với các hiểu biết chưa rõ lúc điều
khiển ta phải đo lường trực tiếp trên đối tượng, các số liệu vào ra lúc đó, sau đó tập
hợp lại thành tập các dữ liệu vào – ra và ta sử dụng để xây dựng bằng cách chuyển
đổi hiểu biết của con người thành bộ điều khiển mờ với bộ số liệu vào - ra như hình
vẽ 4-2.
Giả thiết rằng, người thiết kế đã có đủ các kinh nghiệm và muốn chuyển nó
thành thiết bị hợp thành trong một bộ điều khiển mờ thì ta phải tiến hành các bước
sau đây:
Bƣớc 1: Định nghĩa tất cả các biến ngôn ngữ vào và ra
HIỂU BIẾT VỀ
ĐỐI TƯỢNG
HIỂU BIẾT RÕ HIỂU BIẾT
CHƯA RÕ
CÁC LUẬT
NÊU…THÌ…
SỬ DỤNG CHUYÊN GIA MÔ
PHỎNGOẠT ĐỘNG CỦA ĐỐI
TƯỢNG
HỆ MỜ
ĐO LƯỜNG CẶP DỮ LIỆU
VÀO RA
Hình 4-2 Mô hình chuyển đổi hiểu biết của con người và hệ mờ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
70
Ở bước này tuỳ theo yêu cầu điều khiển và kinh nghiệm chuyên ra mà việc
chọn các biến vào – ra vừa có tính khách quan vừa có tính chủ quan của người thiết
kế. Giả sử rằng nếu bộ điều khiển mờ làm chức năng của một bộ điều chỉnh ( nghĩa
là bộ điều khiển nằm trong mạch kín với điều khiển thời gian thực và mục đích
chính là đảm bảo sai lệch cho phép giữa tín hiệu đặt và tín hiệu cần điều khiển) thì
biến đầu vào có thể chọn làm sai lệch và đạo hàm của sai lệch, biến ra là đại lượng
phản ánh tín hiệu cần điều khiển. Nếu bộ điều khiển làm chức năng tạo ra tín hiệu
đặt cho hệ thống (có thể là hệ kín hoặc hệ hở, có thể bộ điều khiển làm việc ở thời
gian thực hoặc không ở thời gian thực) thì số biến vào – ra hoàn toàn phụ thuộc
việc phân tích tình hình cụ thể với yêu cầu chung là tập biến ngôn ngữ vào - ra này
phải phủ hết không gian biến vào ra.
Bƣớc 2: Định nghĩa tập mờ ( giá trị ngôn ngữ ) cho các biến vào – ra
Các việc cần làm trong bước này bao gồm:
a) Xác định miền giá trị vật lý cho các biến vào – ra .
Đây là miền giá trị rõ tới hạn cho các biến vào – ra, do vậy việc xác định căn
cứ hoàn toàn vào đối tượng cụ thể.
b) Số lƣợng tập mờ ( giá trị ngôn ngữ ) cho các biến.
Nguyên lý chung là số lượng các giá trị ngôn ngữ cho mỗi biến nên nằm trong
khoảng từ 3 đến 9 giá trị. Nếu số lượng các giá trị này nhỏ hơn 3 thì việc chọn là
quá thô, nếu số lượng này lớn hơn 9 thì quá mịn (con người khó có khả năng cảm
nhận quá chi li), ảnh hưởng đến bộ nhớ và tốc độ tính toán.
Ví dụ: Một hệ điều khiển có hai biến vào (n = 2) với số lượng tập mờ cho biến
1 là N1 = 5, số lượng cho biến 2 là N2 = 7 và một biến ra y với N = 5, chọn hàm liên
thuộc dạng hình tam giác ta có tập mờ vào - ra như hình vẽ 4-3
2S CES 1 B1 B2
0 1 1x 01
1
01
2x
X 1
1
1(X )
2
02
0 2 x02
1x 2
1X
(X ) 2
S
1
2 CES 1 BB1 2 B3S 3
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
71
0
0 y 2yy 10
BCESS
(y)
1
12 1
y
y
B2
Hình vẽ 4-3 Ví dụ chọn tập dữ liệu vào - ra.
Trong đó: ký hiệu S3 , S2 , S1 : rất nhỏ, nhỏ vừa, nhỏ.
B3 , B2 , B1 : rất lớn, lớn vừa, lớn.
CE: Trung bình. 1 – B1, 2 – B2 ,3 – B3 : là khoảng giá trị tới hạn của các
tập X1, X2 và Y.
a) Xác định dạng hàm liên thuộc.
Đây là một điểm cực kỳ quan trọng vì quá trình làm việc của bộ điều khiển mờ
rất phụ thuộc vào kiểu hàm liên thuộc. Cần chọn các hàm liên thuộc có phần chồng
nên nhau và phủ kín miền giá trị vật lý để trong quá trình điều khiển không xuất
hiện “ lỗ hổng ”. Trong kỹ thuật thường ưu tiên chọn hàm liên thuộc kiểu hình tam
giác hoặc hình thang, khi cần thiết và có lý do rõ ràng mới chọn hàm liên thuộc
khác.
Bƣớc 3: Xây dựng các luật điều khiển.
Đây là tập các luật: “ Nều – Thì ” với một hoặc nhiều điều kiện khi xây dựng
các luật phải dựa vào bản chất vật lý, dựa vào các số liệu đo đạc và kinh nghiệm
chuyên gia, đồng thời phải lưu ý rằng hầu hết các bộ điều khiển sẽ có tín hiệu ra
bằng 0 khi tất cả các tín hiệu vào bằng 0. Trong bước này cần thực hiện các công
việc sau:
- Đầu tiên dựa vào từng cặp dữ liệu vào – ra đã biết để tạo ra từng luật riêng
biệt. Cần lưu ý là với mỗi giá trị vào – ra ta sẽ chọn tập mờ nào có giá trị hàm liên
thuộc lớn nhất.
Ví dụ: Theo hình 4-3 với hai cặp giá trị ( x101; x
1
02; y
1
0 ) và ( x
2
01; x
2
02; y
2
0 ) ta
có hai luật:
R4: Nếu x1 là B1 và x2 là S1 thì y là CE;
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
72
R5: Nếu x1 là B1 và x2 là CE thì y là S1;
- Xác định cấp độ mỗi luật : Nếu có các luật gây xung đột thì cần xác định
trọng số cuả các luật này. Ví dụ: Xác định trọng số các luật ở hình 3.17.Giá trị rõ đo
được cho ra R4 là x
1
01; x
1
02; y
1
0 tương ứng với B1 ( x
1
01 ) = 0,8, S1 (x
1
02) = 0,6, CE ( x
1
01)
= 0,8; như vậy trọng số cho R4 là 0,8x0,6x0,8 = 0,384.
Giá trị rõ đo được cho R5 là x
2
01; x
2
02; y
2
0 thì B1 ( x
2
01 ) = 0,6, CE ( x
2
02 ) = 1, B1 (
y
2
0 ) = 0,7; như vậy trọng số của R5 là 0,6x1x0,7 = 0,42.
- Xác định tập đầy đủ các luật “ Nếu – thì ” và lập bảng luật theo tập vào. Dựa
vào từng luật riêng, trọng số của luật (Nếu có xung đột) và kinh nghiệm chuyên gia
ta thành lập bảng luật đó là bảng luật theo tập dữ liệu vào.
Bảng 4-1 Các luật điều khiển
x1/x2 S3 S2 S1 CE B1 B2 B3
S2 B2
S1 CE
CE S2 S1 B1 CE B1 B2 B3
B1 CE
B2 B1
Ví dụ: Ta có các luật điều khiển sau ( các ký hiệu theo bảng )
R1 : Nếu X1 = S2 và X2 = CE thì Y = B2 hoặc
R2 : Nếu X1 = S1 và X2 = CE thì Y = CE hoặc
R3 : Nếu X1 = CE và X2 = S2 thì Y = S1 hoặc
R4 : Nếu X1 = B1 và X2 = S1 thì Y = CE hoặc
R5 : Nếu X1 = B1 và X2 = CE thì Y = B1 hoặc
R6 : Nếu X1 = CE và X2 = S3 thì Y = S2 hoặc
R7 : Nếu X1 = B2 và X2 = CE thì Y = B1 hoặc
R8 : Nếu X1 = CE và X2 = B1 thì Y = B1 hoặc
R9 : Nếu X1 = CE và X2 = B1 thì Y = B1 hoặc
R10 : Nếu X1 = CE và X2 = B2 thì Y = B2 hoặc
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
73
R11 : Nếu X1 = CE và X2 = B3 thì Y = B3 hoặc
Để dễ ràng minh hoạ cách lập bảng dự liệu vào, ta mô tả trường hợp có hai tín
hiệu vào x1 , x2 ở hình 4-3 vì x1 có 5 tập và x2 có 7 tập giá trị mờ nên ta có bảng với
5x7 = 35 ô. Mỗi ô của bảng sẽ biểu thị một giá trị của tập kết quả, chẳng hạn với
các luật từ R1 đến R11 như trên sẽ được ghi ở bảng dữ liệu vào (bảng 4-1). Ta có thể
tổ hợp đầy đủ quan hệ giữa x1 , x2 để tạo thành 35 luật và điền kín bảng, tuy vậy
thực tế không cần sử dụng hết cả 35 luật nói trên. Khi biểu diễn thành bảng dữ liệu
vào, ta dễ ràng quan sát và hiệu chỉnh để được kết quả ra mong muốn.
Khi gặp các luật xung đột, nghĩa là có phần “Nếu” như nhau nhưng phần
“Thì” lại khác nhau (thực tế có thể xẩy ra như vậy) thì ta tính trọng số để chọn luật
có trọng số lớn nhất.
Bƣớc 4: Chọn thiết bị hợp thành ( MAX –MIN hay SUM – MIN... );
Ta có thể chọn thiết bị hợp thành theo các nguyên tắc :
Sử dụng công thức :
AB ( x ) = MAX A (x), B (x)
Để có luật MAX – MIN; MAX – PROD;
Sử dụng công thức: Lukasiewicscos luật SUM – MIN; SUM – PROD;
Sử dụng tổng Einstein.
Sử dụng tổng trực tiếp...
Bƣớc 5: Chọn nguyên lý giải mờ:
Từ hàm liên thuộc hợp thành để xác định của tập mờ đầu ra, ta có thể chọn
phương pháp giải mờ thích hợp để xác định giá trị rõ đầu ra của bộ giải mờ. Thường
thì chọn phương pháp giải mờ trọng tâm vì kết quả đầu ra có sự tham gia đầy đủ của
tất cả các luật từ R1 đến R11.
Bƣớc 6: Tối ƣu hoá:
Sau khi bộ điều khiển mờ đã được tổng hợp ta ghép nó với đối tượng mô
phỏng để thử nghiệm. Quá trình thử nghiệm trên mô hình sẽ cho ta trước tiên kiểm
tra các “lỗ hổng”, nếu có “lô hổng” xuất hiện thì có thể phải điều chỉnh lại độ phủ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
74
nên nhau của các giá trị ngôn ngữ, điều chỉnh lại luật điều khiển. Ngoài ra nếu bộ
điều khiển làm việc không ổn định thì phải kỉêm tra lại luật “ Nếu – thì ” cơ sở.
Sau khi biết chắc bộ điều khiển đã làm việc ổn định và không có “lỗ hổng”, ta
có thể tối ưu hoá các trạng thái làm việc của nó theo các chỉ tiêu khác nhau. Chỉnh
định bộ điều khiển theo các chỉ tiêu này thường là phải hiệu chỉnh hàm liên thuộc,
thiết kế các nguyên tắc điều khiển phụ hoặc thay đổi một số nguyên tắc điều khiển.
IV.4. CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ
IV.4.1. Phƣơng pháp tổng hợp kinh điển
Trước khi đi vào việc phân tích và tổng hợp các bộ điều khiển mờ, cũng cần
lược qua một cách nhắn ngọn các phương pháp tổng hợp kinh điển, vì đứng trên
một phương diện nào đó điều này cũng thật là thú vị. Phương pháp kinh điển bao
gồm các bước :
1) Xây dựng mô hình đối tượng đủ chính xác.
2) Đơn giản hoá mô hình.
3) Tuyến tính hoá mô hình tại điểm làm việc.
4) Chọn bộ điều khiển thích hợp và xác định các tính chất mà bộ điều khiển
phải có .
5) Tính toán các thông số của bộ điều khiển .
6) Kểm tra bộ điều khiển vừa thiết kế bằng cách ghép mô hình đối tượng
điều khiển , nếu kết quả không được như mong muốn quay lại bước 2 cho
đến khi đạt được kết quả mong muốn.
7) Đưa bộ điều khiển vừa thiết kế vào điều khiển đối tượng thực vàkiểm tra
quá trình làm việc của hệ thống. Nếu chưa đạt yêu cầu thiết kế lại bộ điều
khiển theo các bước từ 1 đến7 cho đến khi đạt được các chỉ tiêu chất
lượng mong muốn.
Nhìn chung phương pháp tổng hợp kinh điển thường gặp những khó khăn do
việc phải xây dựng được mô hình đối tượng trước khi thiết kế các bộ điều khiển .
Mặt khác các bộ điều khiển phải đựoc thiết kế dựa trên cơ sở kỹ thuật và đảm bảo
tính chất phù hợp đối tượng của các bộ điều khiển này.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
75
Song trong thực tế khi thiết kế hệ điều khiển mờ không nhất thiết phải biết
trước mô hình mà chỉ cần thể hiện những hiểu biết về đối tượng qua các biến ngôn
ngữ về động học của đối tượng, những biến này lại được phản chiếu qua các biến
ngôn ngữ và các nguyên tắc điều khiển cơ sở của bộ điều khiển mờ. Trong nhiều
trường hợp khả nang nhận dạng đối tượng qua mô hình cực kỳ khó khăn và nhiều
trường hợp không thể thực hiện được, nên việc tổng hợp hệ thống điều khiển bằng
thiết kế bộ điều khiển mờ cho phép tiết kiệm rất nhiều công sức giá thành lại rẻ. Đó
là điểm mạnh của điều khiển mờ trong việc thiết kế các hệ thống điều khiển các đối
tượng phức tạp, các đối tượng mà trong việc xây dựng mô hình cực kỳ khó khăn.
Ngay cả đối với các đối tượng điều khiển đơn giản quy trình thiết kế hệ thống mờ
cũng ngắn hơn so với quy trình thiết kế hệ thống điều khiển kinh điển.
IV.4.2. Bộ điều khiển mờ tĩnh
Bộ điều khiển mờ tĩnh là bộ điều khiển mờ có quan hệ vào/ra y(x) liên hệ nhau
theo một phương trình đại số (tuyến tính hoặc phi tuyến). Các bộ điều khiển tĩnh
điển hình là bộ khuyếch đại P, bộ điều khiển relay hai vị trí, ba vị trí v.v…Một
trong các dạng hay dùng của bộ điều khiển mờ tĩnh là bộ điều khiển mờ tuyến tính
từng đoạn, nó cho phép ta thay đổi mức độ điều khiển trong các phạm vi khác nhau
của quá trình, do đó nâng cao được chất lượng điều khiển.
Bộ điều khiển mờ tĩnh có ưu điểm là đơn giản, dễ thiết kế, song nó có nhược
điểm là chất lượng điều khiển không cao vì chưa đề cập đến các trạng thái động (
vận tốc, gia tốc…) của quá trình, do đó nó chỉ được sử dụng trong các trường hợp
đơn giản.
IV.4.3. Bộ điều khiển mờ động
Một trong các dạng hay dùng của bộ điều khiển mờ mà đầu vào có xét tới
các trạng thái động của đối tượng. Ví dụ đối với hệ điều khiển theo sai lệch thì đầu
vào của bộ điều khiển mờ ngoài tín hiệu sai lệch e theo thời gian còn có các đạo
hàm của sai lệch giúp cho bộ điều khiển phản ứng kịp thời các biến động đột xuất
của đối tượng.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
76
Các bộ điều khiển mờ động hay được dùng hiện nay là bộ điều khiển mờ theo
luật tỉ lệ tích phân, tỉ lệ vi phân và tỉ lệ vi tích phân (I, PI, PD và PID ).
Một bộ điều khiển mờ theo luật I có thể thiết kế từ một bộ điều khiển mờ
theo luật P (bộ điều khiển mờ tuyến tính) bằng cách mắc nối tiếp một khâu tích
phân kinh điển vào trước hoặc sau khối mờ đó. Do tính phi tuyến của hệ mờ, nên
việc mắc khâu tích phân trước hay sau hệ mờ hoàn toàn khác nhau.
Khi mắc nối tiếp ở đầu vào một bộ điều khiển mờ theo luật tỉ lệ một khâu vi phân
sẽ có được một bộ điều khiển mờ theo luật tỉ lệ vi phân PD.
Thành phần của bộ điều khiển này cũng giống như bộ điều khiển theo luật
PD thông thường bao gồm sai lệch giữa tín hiệu chủ đạo và tín hiệu ra của hệ thống
e và đạo hàm của sai lệch e‟. Thành phần vi phân giúp cho hệ thống phản ứng chính
xác hơn với những biến đổi lớn của sai lệch theo thời gian. Phát triển tiếp từ ví dụ
về bộ điều khiển mờ theo luật P thành bộ điều khiển mờ theo luật PD hoàn toàn đơn
giản.
Bộ điều khiển mờ theo luật PI thông thường được sử dụng để triệt tiêu sai
lệch tĩnh của hệ thống. Bộ điêug khiển mờ PI được thiết kế trên cơ sở của bộ
điều khiển mờ PD, bằng cách mắc nối tiếp ở đầu ra của bộ điều khiển PD mờ
một khâu tích phân.
Trong kỹ thuật điều khiển kinh điển, bộ điều khiển PID được biết đến như
là một giải pháp đa năng và có miền ứng dụng rộng lớn. Định nghĩa về bộ điều
khiển theo luật PID kinh điển trước đây vẫn có thể sử dụng cho một bộ điều
khiển mờ theo luật PID. Bộ điều khiển mờ theo luật PID được thiết kế theo hai
thuật toán:
- Thuật toán chỉnh định PID mờ hoặc.
- Thuật toán PID tốc độ.
Bộ điều khiển mờ được thiết kế theo thuật toán chỉnh định PID có 3 đầu vào
gồm sai lệch e giữa tín hiệu chủ đạo và tín hiệu ra, đạo hàm và tích phân của sai
lệch. Đầu ra của bộ điều khiển mờ chính là tín hiệu điều khiển u(t).
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
77
e
dt
d
Tdt.e
T
1
eKtu
t
0
D
I
( 4-1 )
Với thuật toán PID tốc độ, bộ điều khiển PID có 3 đầu vào: sai lệch e giữa tín
hiệu đầu vào và tín hiệu chủ đạo, đạo hàm bậc nhất e‟ và đạo hàm bậc hai e‟‟ của sai
lệch. Đầu ra của hệ mờ là đạo hàm
dt
du của tín hiệu điều khiển u(t).
e
dt
d
e
T
1
e
dt
d
K
dt
du
2
2
I
( 4-2)
Bộ điều khiển PID mờ được thiết kế trên cơ sở của bộ điều khiển PD mờ
bằng cách mắc nối tiếp ở đầu ra của bộ điều khiển PD mờ một khâu tích.
Cho đến nay, nhiều dạng cấu trúc của PID mờ hay còn được gọi là bộ điều
khiển mờ ba thành phần đã được nghiên cứu. Các dạng cấu trúc này thường được
thiết lập trên cơ sở tách bộ điều chỉnh PID thành hai bộ điều chỉnh PD và PI. Việc
phân chia này chỉ nhằm mục đích thiết lập các hệ luật cho PD và PI gồm hai biến
vào, một biến ra, thay vì phải thiết lập ba biến vào.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
78
IV.5. TỔNG HỢP HỆ THỐNG VỚI BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI CHO MẠCH
VÒNG VỊ TRÍ.
Như đã nêu ở phần III. 5 do quan hệ = f( ) là phi tuyến và để thực hiện
bộ điều khiển phi tuyến, trong bản luận văn này em đề xuất phương pháp dùng bộ
điều khiển PID kết hợp với bộ điều khiển mờ.
Hình 4-4 Vị trí đặt bộ điều khiển mờ trong hệ điều khiển vị trí
Do quan hệ xác lập của
)(f
là phi tuyến. Để đạt được quan hệ phi
tuyến này ta tách bộ điều khiển R thành hai khâu điều khiển làm việc song song.
Một khâu PD với hệ số khuếch đại là hằng số và một khâu là phi tuyến như Hình
(4-4).
Việc tổng hợp khâu PD được tíên hành theo phương pháp truyền thống như ở
chương trước đây ta xét phương pháp tổng hợp bộ điều khiển mờ.
IV.5.1. Mờ hóa
Bộ điều khiển mờ ta sẽ thiết kế bao gồm hai biến trạng thái mờ đầu vào và
một biến mờ đầu ra. Mỗi biến này lại được chia thành nhiều giá trị tập mờ (Tập mờ
con). Số giá trị mờ trên mỗi biến được chọn để phủ hết các khả năng cần thiết sao
cho khả năng điều khiển là lớn nhất trong khi chỉ cần một số tối thiểu các luật điều
khiển mờ.
0,3S+1
Vị trí đặt
-
+
SS1
PID
SS2
Vị trí Fuzzy Logic Controller
Phản hồi vị trí
+
+
0,0318
đ
dt
θΔd
Mux
x
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
79
+ Chọn 7 tập giá trị ngôn ngữ cho biến đầu vào là sai lệch vị trí (hay E) :
Góc âm lớn (AL), góc âm (A), góc âm nhỏ (AN), góc Zero (ZE), góc dương nhỏ
(DN), góc dương(D), góc dương lớn.
+Chọn 7 tập giá trị ngôn ngữ cho biến đầu vào là đạo hàm sai lệch vị trí
d/dt (hay DET): Âm lớn (AL), âm (A), âm nhỏ (AN), Zero (ZE), dương nhỏ
(DN), dương (D), d ương lớn (DL).
Sự phân bố của các hàm liên thuộc của đầu vào đưa ra trên Hình 4-5.
Hình 4-5 Sự phân bố các giá trị mờ của biến đầu vào
Bộ điều khiển mờ đầu ra là tín hiệu mờ „Hệ số khuếch đại Uđk‟. Ta chọn 7 giá
trị mờ cho biến đầu ra: Âm lớn (AL), Âm(A), Âm nhỏ (AN), Zero (ZE), Dương nhỏ
(DN), Dương(D), dương lớn (DL) . Sự phân bố của các giá trị mờ được chọn như
trên Hình vẽ 4-6.
Hình 4-6 Sự phân bố các giá trị mờ của biến đầu ra: Hệ số khuếch đại
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
80
IV.5. 2. Luật điều khiển và luật hợp thành
Mỗi luật điều khiển là một hàm của các giá trị ngôn ngữ, được miêu tả thông
qua hai biến trạng thái đầu vào và một biến điều khiển mờ đầu ra.
Luật điều khiển thứ i là Ri được viết như sau:
Ri: Nếu sai lệch vị trí đặt Ai và đạo hàm sai lệch vị trí là Bi thì hệ số khuếch
đại là Ci.
Trong đó Ai, Bi và Ci là các giá trị mờ của các biến mờ “Vị trí đặt”, “đạo
hàm vị trí” và “Hệ số khuếch đại”.
Luật hợp thành được xây dựng trên cơ sở nguyên lý hợp thành MAX – MIN.
Hình 4-7 Các luật điều khiển mờ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
81
IV.5.3. Giải mờ
Giải mờ có thể được thực hiện theo các phương pháp điểm trọng tâm, phương
pháp trung bình hay phương pháp cực đại. Do miền xác định của các giá trị mờ đầu
ra là miền liên thông nên ta sẽ giải mờ theo phương pháp trọng tâm. Giá trị rõ x
được xác định theo phương pháp điểm trọng tâm như ở công thức:
dx)x(
dx)x(.x
x
S
B
S
B
0
μ
( 4-3 )
Trong đó: S là miền xác định của tập mờ B.
IV.6. MÔ PHỎNG HỆ TUỲ ĐỘNG VỊ TRÍ KHI CÓ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ
Ta có hệ điều chỉnh vị trí có đặc tính điều chỉnh phi tuyến nhờ có bộ điều
khiển mờ như hình 4-8.
Hình 4-8 Sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển vị trí có bộ điều khiển mờ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
82
Sử dụng phần mềm Matlab để mô phỏng hệ điều khiển mờ, ở đây ta tiến hành
theo hai bước:
Mô phỏng bộ điều khiển mờ: Việc xây dựng bộ điều khiển mờ dựa trên
công cụ Fuzzy của phần mềm Matlab. Các hàm liên thuộc của các giá trị mờ trong
các biến vào và ra được chọn như trên hình: 4-5 và 4-6.
Hình 4-9 là quan hệ vào – ra của bộ điều khiển mờ.
Hình 4-9 Quan hệ vào – ra của bộ điều khiển mờ.
Mô phỏng toàn hệ: Trên hình 4-8 là sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển vị trí có
sử dụng bộ điều khiển mờ. Tiến hành chạy chương trình mô phỏng với nhiều giá trị
vị trí đặt khác nhau, hệ thống khảo sát với dòng điện tải I = 318.1A (tải định mức).
Cho chạy chương trình mô phỏng với nhiều giá trị của vị trí đặt ta có kết quả trên
các hình:( 4-10 ); (4-11).
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
83
Hình 4-10 Kết quả mô phỏng với đặt = 10v
Bộ điều khiển PID Bộ điều khiển PID kết hợp BĐK mờ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
84
Hình 4-11: Kết quả mô phỏng với đặt = 15v
Bộ điều khiển PID Bộ điều khiển PID kết hợp BĐK mờ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
85
NHẬN XÉT
+ Khi khởi động và hãm đặt với vị trí đặt: đ = 10V, đ = 15V thời gian quá
độ khi khởi động hệ thống có sử dụng bộ điều khiển mờ giảm được từ (1 3)s tức
là chiếm từ (7 20)% so với khi không có bộ điều khiển mờ.
+ Tốc độ trong quá trình khởi động nhanh chóng đạt trạng thái ổn định và ít
dao động. Gia tốc của hệ thống khi có bộ điều khiển mờ ít biến thiên và giữ ổn định.
+Khi chọn các tập giá trị mờ và luật điều khiển thích hợp thi luật điều khiển
mờ giúp cho hệ đạt được độ chính xác cao, ngay cả với giá trị đặt rất nhỏ. Khi vị trí
đặt lớn hơn định mức ngoài việc giảm thời gian quá độ, bộ điều khiển mờ còn giảm
độ qúa điều chỉnh đặc biệt trong quá trình hãm.
+Hệ thống mô phỏng đã được xét phụ tải định mức, điều đó càng chứng tỏ
tính bền vững cao của hệ điều khiển.
Như vậy hệ thống làm việc ở chế độ không tải hoặc có tải đảm bảo được chất
lượng tĩnh và động tốt hơn khi dùng hệ PID kinh điển
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
86
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
1. Kết luận:
- Trong bản luận văn này đã nghiên cứu khảo sát cho một số kết quả như
sau:
+ Khảo sát tổng quan về hệ thống tuỳ động vị trí, quá trình tính toán đề cập
đến các thông số: Điện cơ, điện từ, mômen quán tính, mômen cản. Từ đó mô phỏng
cho kết quả: Tốc độ, vị trí, dòng điện. Với kết quả này giúp cho việc đánh giá, khảo
sát và nâng cao chất lượng
+ Các hệ truyền động điện của hệ điều khiển vị trí dùng động cơ không đồng
bộ, điều khiển các chế độ làm việc thì dải điều chỉnh tốc độ hẹp, độ êm dịu thấp,
gây tổn thất năng lượng đáng kể, hiệu suất thấp đối với những hệ yêu cầu công suất
cao. Giải pháp thay thế hệ truyền động điện hiện nay bằng hệ truyền động điện T-Đ
sẽ khắc phục được các nhược điểm trên. Khi khảo sát tính toán cho thấy chất lượng
hệ thống tốt hơn hẳn hệ sẵn có. Đồng thời hê T - Đ mang lại nhiều ưu điểm: Chất
lượng đặc tính khởi động và hãm tốt, hiệu suất cao, viêc điều chỉnh và thay đổi tốc
độ dễ ràng, tạo ra chế độ tự động điều chỉnh thích hợp với tải. Ở hệ thống này ta đưa
thêm mạch vòng vị trí làm cho độ chính xác của hệ cao hơn.
+ Để nâng cao chất lượng hệ T - Đ bản luận văn còn nghiên cứu và ứng dụng
điều khiển mờ để tạo ra luật mờ lai với hệ thống này chất lượng làm việc được
nâng lên rất nhiều so với hệ T - Đ kinh điển: Làm giảm thời gian quá độ khi khởi
động, gia tốc trong quá trình làm việc ổn định làm cho hệ thống làm việc êm dịu
hơn, không gây giật và tốc độ động cơ giữ không đổi trong quá trình khởi động với
những vị trí đặt khác nhau.
2.Kiến nghị:
-Để giảm thiểu năng lượng điện tiêu thụ, tăng thời gian sử dụng cáp nâng cần
cải tạo hệ TĐĐ động cơ rotor dây quấn của thiết bị nâng hiện nay bằng giải pháp
sử dụng hệ T-Đ kết hợp với bộ điều khiển mờ, mờ trượt, mờ thích nghi, nơ ron...
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
87
- Với mục tiêu hiện đại hoá hệ thống thiết bị nâng, hệ thống thang máy, các
máy gia công CNC… khi xây dựng mới cần trang bị hệ truyền động điện T-Đ có
kết nối với máy tính.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
88
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Võ Quang Lạp, Trần Thọ, Cơ sở điều khiển tự động truyền động điện, NXB khoa
học và kỹ thuật - Hà Nội, 2001.
2. Nguyễn Bính, Điện tử công suất, NXB khoa học và kỹ thuật - Hà Nội, 1996.
3. Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Nguyễn Thị Hiền, Truyền động điện, NXB
khoa học và kỹ thuật - Hà Nội.
4. Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi, Điều
chỉnh tự động truyền động điện, NXB khoa học và kỹ thuật, 2002.
5. Phạm Công Ngô, Lý thuyết điều khiển tự động, NXB khoa học và kỹ thuật - Hà
Nội, 1994.
6.Phan Xuân Minh, Nguyễn Doãn Phước, Lý thuyết điều khiển mờ, NXB KH và Kỹ
thuật, Hà Nội, 1997.
7.Nguyễn Thương Ngô, Lý thuyết điều khiển tự động hiện đại, NXB khoa học và kỹ
thuật - Hà Nội, 1999.
8. Nguyễn Phùng Quang, Điều khiển tự động truyền động điện xoay chiều 3 pha,
NXB Giáo dục.
9. Nguyễn Phùng Quang, Matlab và Simulink, NXB khoa học và kỹ thuật - Hà Nội,
2004.
10. Trương Quốc Thành, Phạm Quang Dũng, Máy và thiết bị nâng, NXB khoa học
và kỹ thuật- Hà Nội, 1999.
11. Trịnh Đình Đề, Phân tích tổng hợp hệ thống điều khiển truyền động điện, NXB
khoa học và kỹ thuật - Hà Nội, 1983.
12. Võ Quang Lạp, Trần Xuân Minh, Kỹ Thuật biến đổi, ĐHKTCN,1998.
13. Nguyễn Hoàng Hải, Lập trình Matlab, NXB khoa học và kỹ thuật - Hà Nội,
2003.
14. Nguyễn Như Hiển, Nguyễn Mạnh Tùng, Điều khiển Lôgic và PLC, NXB khoa
học tự nhiên và công nghệ- Hà Nội, 2007.
15. Nguyễn Trọng Thuần, Điều khiển logic và ứng dụng, NXB khoa học và kỹ thuật
- Hà Nội, 2004.
16. RJ Marks II, Fuzzy Logic Technology and Application, I EEE, 1994.
17. Klir G.J. and Yuan B, Fuzzy Sets and Fuzzy logic; Theory and Applications,
Prentice Hall, 1995.
Các file đính kèm theo tài liệu này:
- Luận văn Nghiên cứu tổng hợp bộ điều chỉnh lai sử dụng trong hệ thống tuỳ động.pdf