intTypePromotion=1
zunia.vn Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z zunia.vn zunia.vn
ADSENSE
 » 
 » 

Khóa luận tốt nghiệp: Nghiên cứu điều khiển con lắc ngược quay

Chia sẻ: Sơ Dương | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:78

Thêm vào BST
Báo xấu
38
lượt xem 8
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đề tài "Nghiên cứu điều khiển con lắc ngược quay" đã nghiên cứu xây dựng mô hình toán học hệ con lắc ngược quay có xét đến động lực học của động cơ; tìm hiểu nguyên lý cân bằng của hệ thống; nghiên cứu thiết kế giải thuật điều khiển mờ cho hệ con lắc ngược quay dựa vào mô hình toán của nó; thiết kế phần cứng mô hình và thực nghiệm kiểm chứng.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Khóa luận tốt nghiệp: Nghiên cứu điều khiển con lắc ngược quay

  1. KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP [Type here]
  2. Khóa luận tốt nghiệp SV:Hoàng Trọng Tư PHIẾU GIAO ĐỀ TÀI KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP 1 Họ và tên sinh viên được giao đề tài Hoàng Trọng Tư, MSSV:14069601 2 Tên đề tài NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN CON LẮC NGƯỢC QUAY 3 Nội dung Nội đung đề tài gồm các chương sau: Chương 1. Giới thiệu. Nội đung chương này sẽ giới thiệu sơ lược về các phương pháp điều khiển hiện đại của hệ thống con lắc ngược quay, tổng quan về các câng trinh nghiên cứu và mục tiêu của luận văn. Chương 1 cũng đề cập đến phương pháp nghiên cứu của luận vẫn. Cuối chương này trình bày sơ lược nộỉ dung của luận văn. Chương 2. Cơ sở lý thuyết các phương pháp điểu khiển. Trình bày khái quát phương phảp điều khỉền được sử đụng trong luận văn là phương pháp điều khiển mờ. Chương 2 là nền tảng cơ sở lý thuyết để xây đựng thuật toán điều khiển cho hệ con lắc ngược quay. Chương 3. Nghiên cứu thuật toán điều khiển hệ thống con lắc ngược quay Chương này nghiên cứu mô hình toán học của con lắc ngược quay. Xây đụng mô hỉnh mô phòng hệ con lắc ngược quay,giải thuật điều khiển swing-up và giải thuật điều khiển cân bằng, ứng dụng mô phỏng trên Simulink của Matlab để kiểm tra các giải thuật điều khiển. Chương 4. Thiết kế và thi công mô hình con lắc ngược quay Chương này trình bày thiết kế phần cứng mô hỉnh con lắc ngược quay,cách nhúng giải thuật điều khiển từ Matlab xuống vỉ điều khiển điều khiển mô hlnh con lắc ngược quay, chạy thử nghỉận mô hình và truyền sổ liệu lẽn máy để vẽ đồ thị. Chương 5. Kết luận và đánh giá Chương này trình bày về những kểt quả đạt được trong luận vãn,ưu điểm và nhục điểm của giãi thuật điều khiển, những đổng góp và đề xuất hướng phát triển tiếp theo để hoàn thiện và mở rộng của luận văn cơ sở lý thuyết. ii
  3. Khóa luận tốt nghiệp SV:Hoàng Trọng Tư 4 Kết quả Nghiên cứu xây dựng mô hình toán học hệ con lắc ngược quay có xét đến động lực học của động cơ. Hiểu được nguyên lý cân bằng của hệ thống Nghiên cứu thiết kế giải thuật điều khiển mờ cho hệ con lắc ngược quay dựa vào mô hình toán của nó. Thiết kế phần cứng mô hình và thực nghiệm kiểm chứng. Giảng viên hướng dẫn Tp. HCM, ngày tháng 06 năm 2018 Sinh viên TƯ HOÀNG TRỌNG TƯ iii
  4. Khóa luận tốt nghiệp SV:Hoàng Trọng Tư NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- iv
  5. Khóa luận tốt nghiệp SV:Hoàng Trọng Tư MỤC LỤC MỤC LỤC ...................................................................................................................... v DANH MỤC CÁC BẢNG ........................................................................................... vii DANH MỤC CÁC HÌNH ...........................................................................................viii CHƯƠNG I PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ............................................................... 1 1.1 Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu ...................................................................... 1 1.2 Các nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố ................................................ 1 1.3 Mục tiêu và đối tượng nghiên cứu ...................................................................... 2 1.4 Nhiệm vụ của đề tài............................................................................................. 2 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT ................................................................................ 2 2.1 Bộ điều khiển mờ cơ bản .................................................................................... 3 2.1.1 Mờ hoá .......................................................................................................... 4 2.1.2 Sử dụng luật hợp thành ................................................................................. 5 2.1.3 Sử dụng các toán tử mờ - khối luật mờ......................................................... 5 2.1.4 Giải mờ ......................................................................................................... 6 2.2 Nguyên tắc thiết kế bộ điều khiển mờ ................................................................ 8 2.2.1 Định nghĩa các biến vào/ra ........................................................................... 9 2.2.2 Các định tập mờ ............................................................................................ 9 2.2.3 Xây dựng các luật điều khiển ..................................................................... 10 2.2.4 Chọn thiết bị hợp thành .............................................................................. 10 2.2.5 Chọn nguyên lý giải mờ .............................................................................. 10 2.2.6 Tối ưu .......................................................................................................... 11 2.3 Hướng dẫn về Matlab/Simulink,CCSv3.3 ........................................................ 11 2.4 Lập trình TMS320F28335 trên Simulink.......................................................... 17 CHƯƠNG 3 MÔ HÌNH CON LẮC NGƯỢC QUAY ................................................. 23 3.1 Mô tả ................................................................................................................. 23 3.2 Mô hình động .................................................................................................... 23 3.3 Chọn các biến yào-ra ......................................................................................... 25 3.4 Chuẩn hóa tập cơ sở của các biến vào-ra .......................................................... 26 v
  6. Khóa luận tốt nghiệp SV:Hoàng Trọng Tư 3.5 Chọn tập mờ cho các biến vào .......................................................................... 26 3.6 Chọn tập mờ cho biến ra .................................................................................... 28 3.7 Xây dựng tập luật mờ ........................................................................................ 29 3.8 Mô phỏng bằng matlab...................................................................................... 31 3.9 Giải thuật nhúng ................................................................................................ 32 3.10 Giải thích chương trình. .................................................................................. 33 CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ PHẦN CỨNG ...................................................................... 42 4.1 Phần cứng .......................................................................................................... 42 4.1.1 Board mạch chính: ...................................................................................... 42 4.1.2 Mạch công suất: .......................................................................................... 57 4.1.3 Mạch nguồn 24V/5A- 5V/1A ..................................................................... 60 4.1.4 Thiết bị đo vị trí và vận tốc . ....................................................................... 61 4.2 Mô hình hoàn chỉnh. ......................................................................................... 63 CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN Và HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ................................. 63 5.1 Kết quả đạt được ............................................................................................... 63 5.2 Hạn chế.............................................................................................................. 64 5.3 Hướng phát triển của đề tài ............................................................................... 64 vi
  7. Khóa luận tốt nghiệp SV:Hoàng Trọng Tư DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3.1 Thông số phương trình .................................................................................. 25 Bảng 5.1 Phân chia chức năng chân trên thanh ghi GPAMUX1 ................................. 51 Bảng 5.2 Phân chia chức năng chân trên thanh ghi GPAMUX2 ................................. 51 Bảng 5.3 Phân chia chức năng chân trên thanh ghi GPBMUX1 ................................. 52 Bảng 5.4 Phân chia chức năng chân trên thanh ghi GPBMUX2 ................................. 53 Bảng 5.5 Phân chia chức năng trên thanh ghi GPCMUX1 và GPCMUX2 ................. 53 Bảng 5.6 Thanh ghi điều khiển GPIO .......................................................................... 54 Bảng 5.7 Các thanh ghi dữ liệu .................................................................................... 54 vii
  8. Khóa luận tốt nghiệp SV:Hoàng Trọng Tư DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 2.1 Bộ điều khiến mờ cơ bản ................................................................................. 3 Hình 2.2 Một bộ điều khiển mờ động ............................................................................ 3 Hình 2.3 Hệ kín phản hồi âm và bộ điều khiến mờ ........................................................ 6 Hình 2.4 Bộ điều khiển mờ PID ..................................................................................... 8 Hình 2.5 Màn hình khởi động Matlab .......................................................................... 12 Hình 2.6 Cửa sổ thư viện Matlab ................................................................................. 13 Hình 2.7 Cửa sổ xây dựng mô hình .............................................................................. 14 Hình 2.8 Sơ đồ mô hình ................................................................................................ 14 Hình 2.9 Kết nối các khối ............................................................................................. 15 Hình 2.10 Chạy mô phỏng ............................................................................................ 15 Hình 2.11 khối Scope ................................................................................................... 16 Hình 2.12 Cài đặt thời gian lấy mẫu ............................................................................ 16 Hình 2.12 Cài đặt thời gian lấy mẫu ............................................................................ 17 Hình 2.13 Biểu tượng phần mềm CCSV3.3 ................................................................. 18 Hình 2.14 Cấu hình trên TMS320F28335 .................................................................... 18 Hình 2.15 Kiểm tra kết nối giữa Matlab và CCS ......................................................... 19 Hình 2.16 Cửa sổ thư viện ............................................................................................ 20 Hình 2.17 Cửa sổ thư viện ............................................................................................ 21 Hình 2.17 Cửa sổ thư viện ............................................................................................ 21 Hình 2.18 Biểu tượng phần mềm Terminal .................................................................. 22 Hình 2.19 Giao diện phần mềm Terinal ....................................................................... 22 Hình 3.1 Mô hình con lắc ngược quay ......................................................................... 23 Hình 3.2 Thiết lập các biến vào - ra trên FIS Editor của MatLAB .............................. 26 Hình 3.3 Các tập mờ của alpha ..................................................................................... 27 Hình 3.4 Các tập mờ của alpha_dot ............................................................................. 27 Hình 3.5 Các tập mờ của beta ....................................................................................... 28 Hình 3.6: Các tập mờ của beta_dot .............................................................................. 28 Hình 3.7 Các tập mờ của tô. ......................................................................................... 29 Hình 3.8 Fuzzy Logic ................................................................................................... 31 Hình 3.9: Đáp ứng của con lắc thứ nhất đối vói tín hiệu xung vuông.......................... 31 viii
  9. Khóa luận tốt nghiệp SV:Hoàng Trọng Tư Hình 3.10 :Kết quả mô phỏng hệ điều khiển giữ can bằng con lắc quay ..................... 32 Hình 3.11 Chương trình nhúng ..................................................................................... 32 Hình 3.12 Cài đặt khối eQEP ....................................................................................... 33 Hình 3.13 Cài đặt xung trong khối eQEP ..................................................................... 34 Hình 3.14 Cài đặt dữ liệu vào/ra cho khối eQEP ......................................................... 34 Hình 3.15 Tính toán đỗi xung sang góc(độ) ................................................................. 35 Hình 3.16 Tiền xử lý và hậu xử lý ................................................................................ 35 Hình 3.17 Khối Khối MATLAB Function2 ................................................................. 36 Hình 3.18 Chương trình cho phép điện áp ngõ ............................................................ 36 Hình 3.19 Khối DCX .................................................................................................... 37 Hình 3.19 Chương trình băm xung ............................................................................... 37 Hình 3.20 Khối ePWM ................................................................................................. 38 Hình 3.21 Cài đặt sô xung điều chế .............................................................................. 38 Hình 3.22 Chọn ePWMA ............................................................................................. 39 Hình 3.23 Khối DPIO DO ............................................................................................ 39 Hình 3.24 Chọn GPIO1 trong khối DPIO DO ............................................................. 40 Hình 3.25 Chuyển đổi dữ liệu sang mã ASCII ............................................................. 40 Hình 3.26 khối S-Funtion Builder 4 ............................................................................. 41 Hình 3.27 Cài dặt dữ liệu vào/ra cho khối S-Funtion Builder 4 .................................. 41 Hình 3.28 Chương trình hiển thị lên Terminal ............................................................. 42 Hình 3.29 Buil chương trình xuống CCS ..................................................................... 42 Hình 4.1 Sơ đồ chân của F28335 ................................................................................. 43 Hình 4.2 Kit DSP F28335............................................................................................. 43 Hình 4.3 Sơ đồ ngoại vi của TMS320F28335. ............................................................. 44 Hình 4.4 Sơ đồ khối F28335 ........................................................................................ 45 Hình 4.5 Bộ xử lý trung tâm (CPU) ............................................................................. 45 Hình 4.6 Cấu trúc bus ngoại F28335 ............................................................................ 46 Hình 4.7 Cấu trúc bộ nhớ truy cập trực tiếp ................................................................ 47 Hình 4.7 Tổ chức bộ nhớ .............................................................................................. 47 Hình 4.9 Sơ đồ tổng quát Kit DSP ............................................................................... 48 Hình 4.10 Sơ đồ khối chân F28335 .............................................................................. 50 Hình 4.11 Sơ đồ khối ePWM ....................................................................................... 55 Hình 4.12 Pha đồng bộ ePWM ..................................................................................... 56 ix
  10. Khóa luận tốt nghiệp SV:Hoàng Trọng Tư Hình 4.13 Chế độ đếm thời gian cơ bản ....................................................................... 57 Bảng 4.8 Khối thanh ghi ADC ..................................................................................... 57 Hình 4.15 Nguyên lý hoạt động của mạch cầu H. ........................................................ 59 Hình 4.16 Sơ đồ nguyên lý mạch công suất. ................................................................ 59 Hình 4.14 Mạch cầu H .................................................................................................. 58 Hình 4.17 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn ...................................................................... 60 Hình 4.18 encoder......................................................................................................... 61 Hình 4.19 sơ 2 kênh của encoder ................................................................................. 62 Hình 4.20 Động cơ DC servo ....................................................................................... 62 Hình 4.21 Mô hình thực tế............................................................................................ 63 x
  11. Khóa luận tốt nhiệp SV:Hoàng Trọng Tư Giới thiệu Ngày nay, nền kinh tế của nước ta đang trên đà phát triển mạnh mẽ,đời sống của người dân ngày càng nâng cao.Nhu cầu sử dụng điện năng trong đời sống sinh hoạt cũng như trong các nghành công nghiệp,nông nghiệp và dịch vụ là tăng không ngừng. Đây là cơ hội nhưng cũng là thách thức cho ngành điện với việc phát triển điện năng, phục vụ nhu cầu của xã hội. Một yêu cầu thiết yếu đặt ra đó chính là việc cung cấp điện một cách liên tục cho những nơi đặc biệt, những công ty xí nghiệp lớn, bệnh viện …và xa hơn nữa là cung cấp điện năng cho sinh hoạt khi lưới điện quốc gia bị xảy ra sự cố. Để thực hiện được việc này, yêu cầu đặt ra là phải có các trạm phát điện dự phòng cung cấp điện ngay khi lưới điện quốc gia bị mất.Trạm phát điện dự phòng đã ra đời từ rất lâu rồi và nó ngày càng khẳng định được vai trò cũng như tầm quan trọng trong việc phát triển xã hội, nâng cao đời sống nhân dân,….Vì vậy đòi hỏi yêu cầu đào tạo kỹ sư Điện tự động công nghiệp phải nắm vững kiến thức cơ bản của trạm phát điện dự phòng.Sau thời gian học tập tại trường,được sự chỉ bảo hướng dẫn nhiệt tình của thầy cô giáo trong ngành Điện tự động công nghiệp trường Đại học Công nghiệp Thành Phố Hồ Chí Minh,em đã kết thúc khoá học và đã tích luỹ được vốn kiến thức nhất định. Được sự đồng ý của nhà trường và thầy cô giáo trong khoa em được giao đề tài tốt nghiệp: “Nghiên cứu điều khiển con lắc ngược quay” Dựa và mô hình mô phỏng, tiến hành thiết kế và xây dựng mô hình thực ứng dựng vào hệ con lắc ngược. Khảo sát chi tiết các thành phần cấu tạo nên mô hình thực của hệ con lắc ngược và thiết kế thi công mô hỉnh con lắc ngược quay.Xây dựng được mô hỉnh thực của hệ con lắc ngược có nhúng thuật toán điều khiển sử dụng công nghệ tính toán mềm,giải quyết được những trường hợp nhiễu hệ thống và thực hiện được giải thuật swing-up, giải thuật giữ cân bằng được hệ con lắc ngược ở bất kì vị trí nào. So sánh giữa kết quả lý thuyết và thực tiễn, ta tiến hành kiểm chúng lại vấn đề của công trình rồi xây dụng hướng phát triển của công trình hoàn thiện hơn.Đồng thời, mở rộng phạm vi úng dụng của giải thuật điều khiển trên tất cả hệ thống thiếu cơ cấu truyền động.
  12. Khóa luận tốt nhiệp SV:Hoàng Trọng Tư Nội dung luận văn này nhằm đi sâu vào nghiên cứu hệ con lắc ngược và tồng hợp các giải pháp điều khiển nó.Xây dựng mô hình mô phỏng hệ con lắc trên một số giải pháp đó bằng phần mềm MATLAB để nghiên cứu đặc tính về đặc tính làm việc, thời gian xác lập giải thuật đưa lên (swing- up) và giải thuật cân bằng hệ con lắc ngược ờ vị trí hất kỉ. Đồng thời,dựa vào kết quà thu thâp được qua quá trình mô phỏng của giải thuật điều khiển,ta tiến hành so sánh đánh giá ưu khuyết điển của các giải thuật mà nhóm đã sử dụng trong luận vãn từ đó cải thiện thêm phương pháp điều khiển mô hình con lắc ngược quay. Khảo sát giải thuật giữ cân bằng cho hệ con lắc ngược ờ vị trí cân bằng,điều khiển mờ trực tiếp. Xây dựng giải thuật swing-up cho hệ con lắc ngược,truyền cho con lắc một năng lượng đủ lớn cần thiết để làm cho con lắc ngược chuyển động đến vị trí mong muốn. Thực hiện mô phỏng hệ con lắc ngược bằng giải thuật vừa đề xuất ờ ừên với tín hiệu điều khiển và vị trí góc đặt khác nhau.Đồng thời thiết kế thi công mô hình thực của hệ con lắc ngược vói thông số thích họp đã chọn được trong lúc mô phòng mô hình toán của hệ con lắc ngược. Khi đã chọn được thuật toán điều khiển tính toán mềm thích hợp và thi công xong mô hình thực của hệ con lắc ngược,ta tiến hành thiết kế và xây dựng giải thuật điều khiển hệ con lắc ngược có nhúng thuật toán điều khiển tính toán mềm để điều khiển hệ con lắc ngược.Sau đó đem kết quả thu thập được từ việc ứng dựng thực tế kiểm chứng lại.
  13. Khóa luận tốt nhiệp SV:Hoàng Trọng Tư CHƯƠNG I PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN 1.1 Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu Con lắc ngược quay là hệ thống có cơ cấu chấp hành bên dưới (under-actuated), tức là số lượng ngõ vào điều khiển ít hơn số lượng ngõ ra. Hệ thống được mô tả bao gồm cánh tay (arm) và con lắc vật lý (pendulum). Cánh tay gắn với trục của động cơ, con lắc có thể dao động tự do quanh cánh tay.Con lắc ngược quay thường được sử dụng để nghiên cứu điều khiển hệ phi tuyến và trong một số lĩnh vực khác, bởi vì nó đơn giản để phân tích động học và thử nghiệm mặc dù nó có độ phi tuyến cao và động lực kép giữa hai thanh. 1.2 Các nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố Đến nay đã có rất nhiều nghiên cứu sử dụng các thuật toán khác nhau để điều khiển hệ thống con lắc ngược quay như điều khiển tuyến tính hóa, điều khiển phi tuyến,điều khiển thông minh, … [1] Zhongmin W. và các đồng nghiệp sử dụng bộ điều khiển PID với phương pháp phi tuyến để điều khiển đưa con lắc từ vị trí cân bằng ổn định phía dưới lên vị trí cân bằng không ổn định mới phía trên (swing-up) với góc lệch khoảng 150 nhưng hệ thống con lắc ổn định sau thời gian khoảng 8,7s. [2] Sukontanakarn V. và các công sự của ông đã sử dụng các giải thuật PD để xác định vị trí và điều khiển mờ để giữ vị trí cân bằng cho hệ thống con lắc ngược quay nhưng con lắc cân bằng chưa ổn định tuyệt đối do thiết kế bộ điều khiển và bàn đặt con lắc bị rung khi điều khiển. [3] Khalil Sultan đã nghiên cứu điều khiển con lắc đơn trên xe bằng phương pháp PID kết hợp với mô phỏng Matlab để mô phỏng và giữ con lắc ở vị trí cân bằng thẳng đứng với thời gian ổn định của con lắc khoảng 4.5s nhưng mới chỉ ở trong phòng thí nghiệm [4] Khanesar M.A. Sử dụng phương pháp điều khiển trượt phân cấp để điều khiển ổn định cân bằng con lắc ngược nhưng việc xác định mặt trượt là rất khó và hệ thống cân bằng ổn định trong thời gian khoảng 25s. 1
  14. Khóa luận tốt nhiệp SV:Hoàng Trọng Tư [5] William V. và các đồng nghiệp điều khiển cân bằng hệ thống con lắc ngược bằng sử dụng mạng neural. Ở đây đã huấn luyện điều khiển để hệ cân bằng ổn định thành công, tuy nhiên kết quả chưa được như mong muốn và thời gian ổn định chưa cao.khiển PID cho con lắc ngược quay nhưng tác giả đã nghiên cứu xét ở cấp độ mô men bỏ qua động học của động cơ. 1.3 Mục tiêu và đối tượng nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu Tìm hiểu về hệ con lắc ngược quay và phương pháp cân bằng. Áp dụng phương pháp điều khiển mờ đẻ điều khiển cân bằng cho hệ con lắc ngược quay. Đối tượng nghiên cứu Hệ con lắc ngược quay. Các giải thuật điều khiển mờ. 1.4 Nhiệm vụ của đề tài Xây dựng mô hình toán học cho hê con lắc ngược quay. Thiết kế bộ điều khiển mờ điều khiển cân bằng cho hệ. Mô phỏng trên phần mềm Matlab/simulink. CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT Cho đến nay, điều khiển mờ đã khẳng định được vị trí khá quan trọng trong kỹ thuật điều khiển hiện đại. Điều khiển mờ cho độ chính xác đáng kể và khả năng thực hiện vì tínhđơn giản trong cấu trúc của hệ thống. Những ứng dụng rộng rãi của điều khiển mờ như: điều khiển nhiệt độ, điều khiển giao thông vận tải, điều khiển trong các lĩnh vực sản xuất hàng hóa công nghiệp, ... Khi tổng hợp và thiết kế các bộ điều khiển theo phương pháp kinh ổn, chúng ta có tlẻ gặp bế tắc khi bài toán có độ phức tạp đáng kể, độ phi tuyến lớn, thường xuyên thay đổi trạng thái và cấu trúc của đối tượng, ... và khi thực hiện nó thì có thể phải chi phí lớn mà độ tin cậy lại không cao. Có thể khắc phục những đặc điểm này khi thực 2
  15. Khóa luận tốt nhiệp SV:Hoàng Trọng Tư hiện thiết kế và thực hiện bộ điều khiển dựa trên cơ sở logic mờ. Các bộ điều khiển được thiết kế trên cơ sở logic mờ được gọi là bộ điều khiển mờ. Chúng có chung ật đặc điểm là làm việc theo nguyên tắc sao chép lại kinh nghiệm, tri thức của con người trong quá trình điều khiển và vận hành các hệ thống máy móc. 2.1 Bộ điều khiển mờ cơ bản Một bộ điều khiển mờ cơ bản thường bao gồm các khâu: fuzzy hóa, thiết bị hợp thành (thiết bị thực hiện luật hợp thành) và khâu giải mờ. Một bộ điều khiển mờ chỉ gồm 3 thành phần trên gọi là bộ điều khiển mờ cơ bản. Hình 2.1 Bộ điều khiến mờ cơ bản Hình 2.2 Một bộ điều khiển mờ động Do bộ điều khiển mờ cơ bản chỉ có khả năng xử lý các giá trị tín hiệu hiện thời nên nó thuộc nhóm các bộ điều khiển mờ tĩnh.Để mở rộng miền ứng dụng của chúng vào các bài toán điều khiển động, các khâu động học cần thiết sẽ đuợc đua thêm vào bộ điều khiển mờ cơ bản. Các khâu động đó chỉ có nhiệm vụ cung cấp thêm cho bộ điều khiển mờ cơ bản các giá trị đạo hàm hay tích phân ủa tín hiệu. Cùng với những khâu động bổ xung này, bộ điều khiển không còn là bộ điều khiển mờ cơ bản nữa mà đơn thuần nó đuợc gọi là bộ điều khiển mờ. Khâu mờ hoá: Có nhiệm vụ biến đổi giá trị rõ đầu vào thành một miền giá trị 3
  16. Khóa luận tốt nhiệp SV:Hoàng Trọng Tư mờ với hàm liên thuộc đã chọn ứng với biến ngôn ngữ đầu vào đã đuợc định nghĩa từ truớc. Khối hợp thành: Biến đổi các giá trị mờ của biến ngôn ngữ đầu vào thành các giá trị mờ của biến ngôn ngữ đầu ra theo các luật hợp thành. Khối luật mờ (suy luận mờ): Bao gồm tập các liật “NẾU ... THÌ ...” dựa vào các luật mờ cơ bản, đuợc thiết kế và viết ra cho thích họp với từng biến và giá trị của các biến ngôn ngữ theo quan hệ mờ vào/ra. Khối luật mờ và khối họp thành là phần cốt lõi của bộ điều khiển mờ, vì nó có khả năng mô phỏng những suy đoán của con nguời để đạt đuợc mục tiêu điều khiển mong muốn nào đó. Khối giải mờ: Biến đổi các giá trị mờ đầu ra thảnh các giá trị rõ để điều khiển đối tuợng. 2.1.1 Mờ hoá Các tín hiệu điều khiến (gồm tín hiệu điều khiến chủ đạo và các tín hiệu trạng thái, ...) là các “tín hiệu rõ” nên đế bộ điều khiến mờ hiếu đuợc chúng thì các tín hiệu đó cần đuợc mờ hoá. Mờ hoá đuợc định nghĩa như là sự ánh xạ các giá trị thục X* eU thành tập các giá trị mờ A xác định trên tập nền u. Nguyên tắc chung của việc thực hiện mờ hoá là tập các giá trị thực đầu vào sẽ tạo ra tập mờ A với hàm thuộc có giá trị đủ rộng tại các điểm rõ X* (Neu có nhiễu ở đầu vào thì việc mờ hoá sẽ góp phần khử nhiễu). Việc mờ hoá phải tạo điều kiện đơn giản cho tính toán sau này. Có nhiều phương pháp mờ hoá, nhung thông thuờng có thể dùng một trong ba phương pháp sau: Mờ hoả đơn trị (singleton): Từ các điểm giá trị thực x*eU, lấy các giá trị đơn trị của tập mờ A. Mờ hoả Gaus (Gaussian): Từ các điểm giá trị thực x*eU, lấy các giá trị trong tập mờ A với hàm thuộc có dạng Gaus. Mờ hoá hình tam giác (triangular): Từ các điểm giá trị thực x*eU, lấy các giá trị của tập mờ A với hàm thuộc có dạng hĩnh tam giác hay hình thang. Mờ hoá các đơn trị cho phép tính toán về sau rất đơn giản nhưng không khử đuợc nhiễu đầu vào, mờ hoá Gaus hay mờ hoá hĩnh tam giác không những cho phép tính toán 4
  17. Khóa luận tốt nhiệp SV:Hoàng Trọng Tư về sau tuơng đối đơn giản mà còn đồng thời có thể khử nhiễu đầu vào. 2.1.2 Sử dụng luật hợp thành Truớc khi áp dụng phương pháp hợp thành, cần phải xác định cẩn thận trọng số của các luật. Mỗi luật đều có trọng số là một số duơng thuộc khoảng [0, 1], Nói chung trọng số này thuơng là 1, trong quá trình hợp thành có thế thay đổi trọng số của nó tuỳ theo các yếu tố khác hoặc giải bài toán tối ưu hoá trọng số. Khi trọng số thích hợp đã đuợc xác định cho mỗi luật thì phương pháp hợp thành đuợc thực hiện. Hệ quả là một tập mờ đuợc đại diện bởi một hàm thuộc gọi là tập mờ đầu ra. Có thê sử dụng các phương pháp hợp thành theo luật: max-MIN, max- PROD, Zadeh, Lukasiewicz, Diene s-Rescher. 2.1.3 Sử dụng các toán tử mờ - khối luật mờ Mỗi một đầu vào đã mờ hoá sẽ đuợc sử dụng trong mệnh đề tuơng ứng với mỗi luật. Nếu mệnh đề của luật có nhiều thành phần thì cần sử dụng các toán tử để thu đuợc một con số đại diện cho kết quả của mệnh đề trong luật đó. Đầu vào của toán tử mờ là hai hay nhiều hơn các giá trị liên thuộc từ các biến đầu vào đã đuợc mờ hoá. Đầu ra là một giá trị thực. Xét hệ mờ với nhiều đầu vào và một đầu ra, nếu có n đầu vào và m đầu ra thì ta có thể tách ra thành m hệ, mỗi hệ có n đầu vào và một đầu ra. Luật mờ cơ sở là luật chứa một tập các luật “NẾU ... THÌ ...” có dạng sau: R v ( k ) \ Nếu X1 là và ... và xn là Ak thì y là Bk Trong đó: A* và Bk là các tập mờ trong U i e R n . Nếu có m luật mờ cơ sở thì k = 1 ..m. Luật mờ trên đuợc gọi là luật mờ chính tắc. Từ luật mờ chính tắc, ta có một số mệnh đề khác: Mệnh đề bộ phận: Nếu là Ak và ... và xm là A^ thì y là Bk với m < n. Mệnh đề hoặc: 5
  18. Khóa luận tốt nhiệp SV:Hoàng Trọng Tư Nếu X1 là AỊ và ... và xm là A^ hoặc xm+l là J4^+1 và ... và xn là A^ thì y là Bk. 2.1.4 Giải mờ Với bộ điều khiến mờ tổng hợp như trên cho dù với một hay nhiều luật điều khiển (mệnh đề hợp thành), cũng chưa thể áp dụng đuợc trong điều khiển đối tuợng vì đầu ra vẫn đang chỉ là giá trị mờ B.Một bộ điều khiến mờ hoàn chỉnh phải có thêm khâu giải mờ. Giải mờ là sự ánh xạ từ tập mờ B’ (đầu ra của khối hợp thảnh và suy luận mờ) thành giá trị đầu ra rõ y.Như vậy nhiệm vụ của giải mờ là tìm một giá trị rõ ở đầu ra làm đại diện cho tập mờ B’, đó chính là đại lượng điều khiển đối tượng. Hình 2.3 Hệ kín phản hồi âm và bộ điều khiến mờ Khi giải mờ cần chú ý: Việc tính toán cần đơn giản: đây là đều quan trọng để giảm thời gian tính toán vì các bộ điều khiển mờ thường đòi hỏi làm việc thời gian thực (real time). Tính liên tục: một sự thay đổi nhỏ trong tập mờ B’ chỉ làm thay đổi nhỏ trong kết quả giải mờ, nghĩa là không gây ra thay đổi đột biến giá trị giải mờ y Tính hợp lý của kết quả: điểm rõ y’ là điểm đại diện của tập mờ B’, điều này có thể cảm nhận trực giác tính hợp lý của kết quả khi đã có hàm thuộc của tập mờ B’. Có 3 phương pháp giải mờ thường dùng là: phương pháp cực đại, phương pháp trọng tâm và phương pháp trung bình tâm . Về nguyên tắc, hệ thống điều khiến mờ cũng giống với các hệ thống điều khiển bình thường khác. Sự khác biệt ở đây là bộ điều khiến mờ làm việc có tư duy như “bộ não” dưới dạng trí tuệ nhân tạo. Chất lượng hoạt động của bộ điều khiến mờ phụ thuộc vào kinh nghiệm và phương pháp rút ra kết luận theo tư duy con người, sau đó được cài đặt trên máy tính trên cơ sở của logic mờ. Hệ thống điều khiến mờ do đó cũng có thế 6
  19. Khóa luận tốt nhiệp SV:Hoàng Trọng Tư coi như là một hệ thống neuron, hay đúng hơn là một hệ thống điều khiến được thiết kế mà không cần biết trước mô hình toán học của đối tượng. Hệ thống điều khiến mờ được thiết kế gồm các thảnh phần: Giao diện đầu vào: Bao gồm khâu fuzzy hóa và các thành phần phụ trợ thêm để thực hiện các bài toán động nhu tích phân, vi phân, ... Thiết bị hợp thành: Bản chất của thành phần này là sự triển khai luật hợp thành R đuợc xây dựng trên cơ sở luật điều khiển hay như trong một số các tài liệu khác còn gọi là luật quyết định. Giao diện đầu ra (khâu chấp hành): gồm khâu giải mờ và các khâu giao diện trực tiếp với đối tuợng. Nguyên lý tổng hợp bộ điều khiển mờ hoàn toàn dựa vào những phương pháp toán học dựa trên cơ sở định nghĩa các biến ngôn ngữ (tập mờ) vào/ra và lựa chọn những luật điều khiển theo kinh nghiệm. Trong sơ đồ ở hĩnh vẽ trên, khâu đối tuợng đuợc điều khiển bằng đại luợng u là tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển mờ.Vì các tín hiệu điều khiển đối tuợng là các “tín hiệu rõ” nên tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển mờ truớc khi đua vào điều khiển đối tuợng phải thông qua khâu giải mờ nằm trong bộ giao diện đầu ra.Tín hiệu ra y của đối tuợng đuợc đo bằng cảm biến và đuợc xử lý sơ bộ truớc khi đưa vào bộ điều khiển.Các tín hiệu này cũng là các “tín hiệu rõ”, do vậy để bộ điều khiển mờ có thể hiểu đuợc chúng khi tín hiệu y và ngay cả tín hiệu đặt X cũng phải được mờ hóa thông qua khâu mờ hóa trong bộ giao diện đầu vào. Chất luợng của một hệ điều khiển không chỉ đuợc đánh giá qua độ chính xác của hệ thống mà trong nhiều truờng hợp nguời ta còn quan đến các chỉ tiêu khác nhu độ dao động, tính bền vững (robust), vấn đề tiết kiệm năng luợng, ... Thành phần trọng tâm của bộ điều khiển mờ đó chính là hệ luật điều khiển, chúng là tập các mệnh đề hợp thành cùng cấu trúc NẾU ... THÌ ... và nguyên tắc triển khai các mệnh đề hợp thảnh đó có tên gọi là nguyên tắc max-MIN hay sum- MIN, ... Mô hình R của luật điều khiến đuợc xây dụng theo một nguyên tắc triển khai đã chọn truớc và đuợc gọi là luật hợp thành. Thiết bị thực hiện luật hợp thành trong bộ điều khiển gọi là thiết bị hợp thành. Trong nhiều truờng hợp, các thông tin về sai lệnh giữa tín hiệu chủ đạo X và tín 7
  20. Khóa luận tốt nhiệp SV:Hoàng Trọng Tư hiệu ra y chưa đủ đế tạo ra một hệ luật điều khiến. Với các bài toán điều khiến động, bộ điều khiến mờ còn đòi hỏi phải có các thông tin về đạo hàm của sai lệnh hay tích phân của sai lệnh để cung cấp thêm các đại luợng đầu vào cho thiết bị hợp thành. Hầu hết các đại luợng này phải đuợc số hóa một cách phù hợp cho thiết bị hợp thành. Tuơng tự như vậy với các giá trị ra của hệ thống, không phải trong truờng hợp nào cũng cần các tín hiệu ra rõ mà có truờng hơp lại cần giá trị tích phân của tín hiệu ra. Chúng ta có thể thiết kế bộ điều chỉnh theo luật p (Propotional - Tỉ lệ), theo luật I (Integral - Tích phân) và theo luật D (Derivative - Vi phân) nhu sau: Luật điều khiển P: uk - K.ek, trong đó K là hệ số khuếch đại. Luật điều khiển I: uk+l - u k + — e k Ị trong đó T Ị là hằng số tích phân. Luật điều khiển D: U k + Ị - T D ( e k + u k ) , trong đó T D là hằng số vi phân. Hình 2.4 Bộ điều khiển mờ PID Hình vẽ trên là ví dụ đơn giản về một hệ điều khiển mờ PID. Sai lệch giữa tín hiệu đặt và tín hiệu ra đuợc đưa vào bộ điều chỉnh theo luật p và D, sau đó đuợc đưa vào bộ điều khiển mờ. Bộ điều chỉnh I đuợc dùng như một thiết bị chấp hành, đầu vào lấy sau bộ giải mờ và đầu ra đuợc đưa tới đối tuợng. 2.2 Nguyên tắc thiết kế bộ điều khiển mờ Như đã biết, chất luợng của bộ điều khiển mờ phụ thuộc rất nhiều vào kinh nghiệm của nguời điều khiến. Nếu khéo léo trong tối ưu hóa hệ thống thì các bộ điều khiến mờ cũng có thế làm việc ổn định, bền vững và có thế còn làm việc tốt hơn sự linh hoạt của con nguời. Các buớc cần thiết đế thiết kế và tổng hợp bộ điều khiến mờ: - Định nghĩa tất cả các biến ngôn ngữ vào và ra. - Định nghĩa tập mờ (giá trị ngôn ngữ) cho các biến vào/ra. 8
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

TL.01: Bộ Tiểu Luận Triết Học
207 tài liệu
1479 lượt tải
THÔNG TIN
TRỢ GIÚP
HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG
Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2