Nguyễn Hữu Công và Đtg<br />
<br />
Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br />
<br />
116 (02): 123 - 128<br />
<br />
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN SỬ DỤNG ĐẠI SỐ GIA TỬ<br />
CHO MỘT SỐ ĐỐI TƢỢNG CÔNG NGHIỆP<br />
Nguyễn Hữu Công1*, Ngô Kiên Trung2,<br />
Nguyễn Tiến Duy , Nguyễn Phƣơng Huy2, Nguyễn Hồng Quang3<br />
2<br />
<br />
1<br />
<br />
Đại Học Thái Nguyên, 2Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – ĐH Thái Nguyên,<br />
3<br />
Trường Cao đẳng Công nghiệp Phúc Yên<br />
<br />
TÓM TẮT<br />
Đại số gia tử đƣợc đề xuất và phát triển từ những năm 1990, tuy nhiên các ứng dụng của nó chủ<br />
yếu trong lĩnh vực công nghệ thông tin. Việc ứng dụng đại số gia tử trong lĩnh vực điều khiển đã<br />
đạt đƣợc một số thành công và hiệu quả khi áp dụng vào một số mô hình đơn giản. Với hy vọng<br />
rằng, đại số gia tử sẽ là một lý thuyết mới để thiết kế bộ điều khiển trong các hệ thống tự động nói<br />
chung.<br />
Với ý tƣởng đó, bài báo giới thiệu và đƣa ra phƣơng pháp thiết kế bộ điều khiển sử dụng đại số gia<br />
tử cho một số đối tƣợng khó điều khiển trong công nghiệp. Việc đánh giá chất lƣợng của hệ thống<br />
tự động có sử dụng đại số gia tử đã đƣợc kiểm chứng bằng mô phỏng và mở ra khả năng ứng dụng<br />
trong thực tế.<br />
Từ khóa: Đại số gia tử, điều khiển sử dụng đại số gia tử, hệ thống tự động, đối tượng có tham số<br />
biến đổi, đối tượng có hệ số trễ lớn.<br />
<br />
ĐẶT VẤN ĐỀ*<br />
Logic mờ tỏ ra khá ƣu điểm trong lĩnh vực<br />
điều khiển các đối tƣợng có thông tin không<br />
rõ ràng, không đầy đủ. Đại số gia tử - Hedge<br />
Algebra (HA) là công cụ tính toán mềm - một<br />
cách tiếp cận mới trong tính toán cho bộ điều<br />
khiển mờ nên các nhà nghiên cứu có hƣớng<br />
tới việc ứng dụng trong lĩnh vực điều khiển<br />
và tự động hóa. HA đã đƣợc nghiên cứu trong<br />
một số bài toán nhận dạng, chẩn đoán [2] …<br />
và đã có những thành công đáng kể trong lĩnh<br />
vực điều khiển áp dụng cho một số bài toán xấp<br />
xỉ và điều khiển mô hình đơn giản [4], [5].<br />
<br />
sánh, cần thử nghiệm trên một số lớp đối<br />
tƣợng khó điều khiển: đối tƣợng tuyến tính có<br />
tham số thay đổi; đối tƣợng có trễ mà hằng số<br />
trễ lớn tới 40% so với hằng số thời gian; đối<br />
tƣợng phi tuyến đƣợc tuyến tính hóa.<br />
PHƢƠNG PHÁP THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU<br />
KHIỂN SỬ DỤNG ĐẠI SỐ GIA TỬ<br />
HA là sự phát triển dựa trên tƣ duy logic về<br />
ngôn ngữ [4], [5]. Bộ điều khiển sử dụng HA<br />
ứng dụng vào các hệ thống trong công nghiệp<br />
- Hedge Algebra based Controller (HAC)<br />
gồm 3 khối nhƣ Hình 1.<br />
Quantified us<br />
Normalizatio xs<br />
Denormalizatio<br />
Rule Base &<br />
n<br />
n<br />
HA-IRMd<br />
& SQMs (I)<br />
(III)<br />
(II)<br />
HA<br />
Controller<br />
<br />
u<br />
<br />
Để có thể khẳng định rõ hơn vai trò của HA<br />
trong việc thiết kế bộ điều khiển, vấn đề đặt ra<br />
cần nghiên cứu, trải nghiệm việc ứng dụng HA<br />
để điều khiển cho một số lớp đối tƣợng rộng<br />
hơn và khó điều khiển hơn trong công nghiệp.<br />
<br />
x<br />
<br />
Xuất phát từ mục tiêu trên, nhóm nghiên cứu<br />
đã tiến hành thiết kế, mô phỏng và so sánh<br />
chất lƣợng hệ thống khi sử dụng bộ điều<br />
khiển bằng HA so với bộ điều khiển sử dụng<br />
locgic mờ. Để thấy rõ khả năng sử dụng HA<br />
trong điều khiển, khi tiến hành thiết kế và so<br />
<br />
Trong đó: x giá trị đặt đầu vào; xs giá trị<br />
ngữ nghĩa đầu vào; u giá trị điều khiển và us<br />
giá trị ngữ nghĩa điều khiển. Bộ HAC gồm<br />
các khối sau:<br />
- Khối I - Normalization & SQMs (Ngữ nghĩa<br />
hoá): biến đổi tuyến tính x sang xs.<br />
<br />
*<br />
<br />
- Khối II - Quantified Rule Base & HA-IRMd<br />
(Suy luận ngữ nghĩa và hệ luật ngữ nghĩa):<br />
<br />
Tel: 0913 589758, Email: conghn@tnu.edu.vn<br />
<br />
Hình 1. Sơ đồ khối bộ điều khiển HAC<br />
<br />
123<br />
<br />
Nguyễn Hữu Công và Đtg<br />
<br />
Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br />
<br />
thực hiện phép nội suy ngữ nghĩa từ xs sang us<br />
trên cơ sở ánh xạ ngữ nghĩa định lƣợng và<br />
điều kiện hệ luật.<br />
- Khối III – Denormalization (Chuẩn hoá đầu<br />
ra): biến đổi tuyến tính us sang u.<br />
ÁP DỤNG HAC CHO MỘT SỐ ĐỐI<br />
TƢỢNG TRONG CÔNG NGHIỆP<br />
Điều khiển hệ thống truyền động bám<br />
chính xác - hệ thống phi tuyến đã đƣợc<br />
tuyến tính hóa.<br />
Mô hình hệ thống<br />
<br />
Hình 2. MEDE 5<br />
<br />
Hình 2 là mô hình tên là MeDe5<br />
(Mechatronic Demonstrate Setup-2005) do<br />
nhóm kĩ thuật điều khiển thuộc Trƣờng Đại<br />
học Twente thiết kế [3]. Kết cấu cơ khí đƣợc<br />
thiết kế dựa trên nguyên lý của công nghệ in,<br />
con trƣợt có thể chuyển động tiến và lùi một<br />
cách linh hoạt nhờ sự dẫn động của động cơ<br />
điện một chiều thông qua dây curoa. Trong<br />
mô hình ngƣời thiết kế đã bố trí toàn bộ động<br />
cơ điện, thanh trƣợt, con trƣợt, dây curoa, …<br />
trên một cái khung dẻo với mục đích để tạo ra<br />
sự rung lắc khi con trƣợt di chuyển. Phát triển<br />
mô hình có thể ứng dụng trong thực tiễn nhƣ<br />
máy vẽ 2 chiều, 3 chiều, máy CNC hay các hệ<br />
thống điều vị trí khiển chính xác khác. Nếu<br />
thiết kế đƣợc những thuật toán điều khiển tốt<br />
sẽ giúp cho quá trình gia tốc, giảm tốc của<br />
con trƣợt êm hơn, điều này dẫn đến mức độ<br />
rung lắc của khung đƣợc giảm. Hệ thống trên<br />
đã đƣợc kiểm chứng bằng một số phƣơng<br />
pháp điều khiển kết hợp MRAS trong [3] với<br />
mục tiêu điều khiển chuyển động đến một vị<br />
trí chính xác theo giá trị đặt hoặc chuyển<br />
động theo một quỹ đạo mẫu cho trƣớc.<br />
Trong tính toán, khi bỏ qua những thành phần<br />
phi tuyến của lực ma sát, ta nhận đƣợc mô<br />
124<br />
<br />
116 (02): 123 - 128<br />
<br />
hình toán của đối tƣợng là khâu bậc 6 tuyến<br />
tính. Nếu coi dây curoa nối giữa động cơ và<br />
con trƣợt là cứng và bỏ qua khối lƣợng rôto<br />
của động cơ thì đối tƣợng sẽ có dạng một<br />
khâu bậc 4 tuyến tính. Nếu ta coi khung là<br />
vững chắc thì đối tƣợng sẽ có dạng một khâu<br />
bậc 2 đƣợc biểu diễn bằng hệ phƣơng trình<br />
trạng thái có dạng (2):<br />
dv<br />
d<br />
km<br />
.V c signV<br />
u<br />
m<br />
m<br />
m<br />
<br />
<br />
V<br />
<br />
X<br />
<br />
V<br />
<br />
X<br />
<br />
(1)<br />
<br />
V<br />
dv<br />
m<br />
1<br />
<br />
0<br />
0<br />
<br />
V<br />
X<br />
<br />
dc<br />
m signV<br />
0<br />
<br />
km<br />
m u<br />
0<br />
<br />
(2)<br />
<br />
Trong đó V, X: vận tốc và vị trí của con trƣợt<br />
so với hệ toạ độ gốc.<br />
Thiết kế bộ điều khiển<br />
Bộ điều khiển gồm có hai đầu vào và một đầu<br />
ra. Đầu vào thứ 1 là điện áp đặt vào bộ điều<br />
khiển ký hiệu là E, đầu vào thứ 2 là đạo hàm<br />
của đầu vào thứ nhất ký hiệu là IE. Đầu ra của<br />
bộ điều khiển là giá trị điện áp một chiều ký<br />
hiệu là U.<br />
- Thiết kế bộ điều khiển mờ - FLC:<br />
Sử dụng Matlab - Simulink thiết kế bộ FLC<br />
với bảng luật điều khiển trong mô hình mờ<br />
nhƣ trong Bảng 1.<br />
Bảng 1. Luật điều khiển<br />
<br />
- Thiết kế bộ điều khiển HAC:<br />
Chọn bộ tham số tính toán:<br />
G = {Negative (N), Positive (P};<br />
H– = { Little (L)}; H+ ={Very (V)};<br />
Tính toán các giá trị định lƣợng ngữ nghĩa<br />
cho biến E, IE và U, chuyển Bảng 1 sang<br />
bảng SAM nhƣ trong Bảng 2.<br />
<br />
Nguyễn Hữu Công và Đtg<br />
<br />
Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br />
<br />
Bảng 2. SAM<br />
<br />
116 (02): 123 - 128<br />
<br />
theo giá trị đặt và sau một khoảng thời gian<br />
xác định, sai lệch của hệ thống tiến dần đến 0.<br />
- Kết quả mô phỏng cho thấy bộ điều khiển<br />
HAC ổn định, độ quá điều chỉnh nhỏ và tác<br />
động nhanh. Điều này cho thấy tính khả thi<br />
của việc ứng dụng bộ HAC vào thực tế trong<br />
những hệ thống truyền động bám chính xác<br />
với yêu cầu đảo chiều liên tục.<br />
<br />
Mặt cong ngữ nghĩa định lƣợng biểu diễn mối<br />
quan hệ vào - ra thể hiện ở Hình 3.<br />
<br />
Hình 3. Mặt cong ngữ nghĩa định lượng<br />
<br />
- Mô phỏng FLC và HAC nhƣ sơ đồ Hình 4<br />
và kết quả mô phỏng nhƣ hình 5.<br />
<br />
Điều khiển đối tƣợng tuyến tính có tham số<br />
biến đổi<br />
Mô hình hệ thống<br />
Hệ thống điều khiển ở đây là một hệ tùy động<br />
sử dụng động cơ một chiều điều chỉnh góc<br />
quay. Các điện áp đầu ra tƣơng ứng với các<br />
sai lệch so với điện áp đặt đƣợc liên kết với<br />
một bộ khuếch đại vi sai. Chúng xác định các<br />
đáp ứng phản hồi đƣợc sử dụng làm các biến<br />
đầu vào cho bộ điều khiển để tạo ra các đại<br />
lƣợng điều khiển theo mong muốn. Động cơ<br />
một chiều điều chỉnh góc quay có sơ đồ cấu<br />
trúc nhƣ Hình 6 với các thông số:<br />
b = 0,1 Nms: momen ma sát<br />
K = 0,01 Nm/Amp: hệ số cấu tạo<br />
L = 0,5 H: điện cảm phần ứng<br />
J=0,01kgm2: momen quán tính<br />
R=1Ω: điện trở mạch phần ứng.<br />
<br />
Hình 4. Mô phỏng hệ thống với FLC và HAC<br />
<br />
Hình 6. DC motor<br />
<br />
Mô hình hóa động cơ điện một chiều từ Hình<br />
6 đƣợc các phƣơng trình [3], [4], [5].<br />
J<br />
<br />
d 2 (t )<br />
dt 2<br />
<br />
L<br />
<br />
di (t )<br />
dt<br />
<br />
R i (t ) u (t ) K<br />
<br />
LJ<br />
K<br />
<br />
Lb RJ<br />
bR K 2<br />
(t )<br />
(t ) u (t )<br />
K<br />
K<br />
<br />
Hình 5. Kết quả mô phỏng với HAC và FLC<br />
<br />
Nhận xét:<br />
- Đã thiết kế bộ điều khiển PI-mờ và HAC với<br />
hai đầu vào và một đầu ra. Kết mô phỏng cho<br />
thấy cả hai bộ điều khiển đều ổn định, bám<br />
<br />
(t )<br />
<br />
b<br />
<br />
d (t )<br />
dt<br />
<br />
K i (t )<br />
<br />
(3)<br />
<br />
d (t )<br />
dt<br />
<br />
(4)<br />
(5)<br />
<br />
125<br />
<br />
Nguyễn Hữu Công và Đtg<br />
<br />
Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br />
<br />
116 (02): 123 - 128<br />
<br />
Thiết kế bộ điều khiển<br />
<br />
Hình 7. Mô phỏng với FLC, HAC và HAC1<br />
0.2<br />
0.18<br />
0.16<br />
0.14<br />
<br />
(a)<br />
<br />
Inertia moment J<br />
<br />
Đối với hệ thống này thì chất lƣợng bộ điều<br />
khiển phụ thuộc vào mômen quán tính J và<br />
điện trở mạch phần ứng Rƣ. Thiết kế hệ thống<br />
với bộ điều khiển ứng với các trƣờng hợp<br />
biến đổi của mômen quán tính J và điện trở<br />
Rƣ khi không có nhiễu phụ tải và khi có nhiễu<br />
phụ tải. Bộ điều khiển gồm có hai đầu vào và<br />
một đầu ra. Đầu vào thứ 1 là điện áp đặt vào<br />
bộ điều khiển ký hiệu là Ch, đầu vào thứ 2 là<br />
đạo hàm của đầu vào thứ nhất ký hiệu là dCh.<br />
Đầu ra của bộ điều khiển là giá trị điện áp<br />
một chiều ký hiệu là U.<br />
<br />
J<br />
<br />
0.12<br />
0.1<br />
0.08<br />
0.06<br />
0.04<br />
0.02<br />
<br />
- Thiết kế bộ điều khiển mờ - FLC với luật<br />
điều khiển theo Bảng 3.<br />
<br />
0<br />
<br />
0<br />
<br />
0.05<br />
<br />
0.1<br />
<br />
0.15<br />
0.2<br />
Time (s)<br />
<br />
0.25<br />
<br />
0.3<br />
<br />
0.35<br />
<br />
2<br />
Ru<br />
1.8<br />
<br />
Bảng 3. Luật điều khiển<br />
<br />
1.6<br />
<br />
(b)<br />
<br />
Armature resistor Ru<br />
<br />
1.4<br />
1.2<br />
1<br />
0.8<br />
0.6<br />
0.4<br />
0.2<br />
0<br />
<br />
0<br />
<br />
0.1<br />
<br />
0.2<br />
<br />
0.3<br />
<br />
0.4<br />
<br />
0.5<br />
Time (s)<br />
<br />
0.6<br />
<br />
0.7<br />
<br />
0.8<br />
<br />
0.9<br />
<br />
1<br />
<br />
Hình 8. Tham số biến thiên: J (a) và Ru (b)<br />
The system output<br />
1.5<br />
<br />
- Thiết kế bộ điều khiển HAC với = và<br />
HAC1 với<br />
. Tính toán các giá trị định<br />
lƣợng ngữ nghĩa cho các biến và chuyển Bảng<br />
3 sang bảng SAM nhƣ trong Bảng 4.<br />
Bảng 4. SAM<br />
<br />
Angular position (rad)<br />
<br />
1<br />
<br />
0.5<br />
<br />
0<br />
<br />
FLC<br />
Load<br />
disturbance<br />
HAC<br />
HAC1<br />
Desired<br />
trajectory<br />
<br />
-0.5<br />
<br />
-1<br />
<br />
-1.5<br />
<br />
0<br />
<br />
5<br />
<br />
10<br />
<br />
15<br />
<br />
20<br />
Time (s)<br />
<br />
25<br />
<br />
30<br />
<br />
35<br />
<br />
40<br />
<br />
Hình 9. Đáp ứng hệ với xung vuông<br />
The system output<br />
3.5<br />
3<br />
<br />
Angular position (rad)<br />
<br />
2.5<br />
2<br />
FLC<br />
Load<br />
disturbance<br />
Desired<br />
trajectory<br />
HAC<br />
HAC1<br />
<br />
1.5<br />
1<br />
0.5<br />
0<br />
-0.5<br />
<br />
0<br />
<br />
5<br />
<br />
10<br />
<br />
15<br />
<br />
20<br />
Time (s)<br />
<br />
25<br />
<br />
30<br />
<br />
35<br />
<br />
40<br />
<br />
Hình 10. Đáp ứng hệ với xung bậc thang<br />
<br />
Nhận xét:<br />
- Sử dụng Matlab - Simulink thực hiện mô<br />
phỏng với FLC, HAC và HAC1 theo hình 7<br />
với các tham số J, Ru thay đổi nhƣ hình 8. Kết<br />
quả mô phỏng nhƣ hình 9, 10.<br />
126<br />
<br />
- Đã xây dựng bộ điều khiển FLC và HAC<br />
cho một đối tƣợng cụ thể có tham số biến đổi.<br />
Kết quả mô phỏng cho thấy động cơ đƣợc<br />
điều khiển bám theo giá trị đặt rất tốt tƣơng<br />
ứng với 3 bộ điều khiển.<br />
<br />
Nguyễn Hữu Công và Đtg<br />
<br />
Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br />
<br />
- Kết quả mô phỏng chứng tỏ rằng thuật toán<br />
và cách thức xây dựng bộ điều khiển HAC<br />
cho hệ thống điều khiển là đúng đắn, bộ điều<br />
khiển HAC có thể áp dụng đƣợc trong lĩnh<br />
vực điều khiển cho các đối tƣợng có tham số<br />
biến đổi<br />
<br />
116 (02): 123 - 128<br />
<br />
Hình 11. Mô phỏng FLC và HAC<br />
<br />
Điều khiển đối tượng có trễ với hệ số trễ lớn<br />
<br />
HAC - FLC - 1(t)<br />
<br />
Mô hình hệ thống<br />
<br />
1.2<br />
<br />
1<br />
<br />
Xét đối tƣợng có hàm truyền:<br />
<br />
FLC<br />
HAC<br />
<br />
0.8<br />
<br />
109 s<br />
<br />
1.2e<br />
(6)<br />
275s 1<br />
<br />
0.6<br />
<br />
K<br />
<br />
W( s)<br />
<br />
0.4<br />
<br />
Các đối tƣợng có trễ thƣờng gặp nhiều trong<br />
công nghiệp và bài toán điều khiển luôn là<br />
một vấn đề đƣợc quan tâm. Thông thƣờng khi<br />
thiết kế bộ điều khiển, việc xấp xỉ có thể dẫn<br />
đến sai số lớn nếu thời gian trễ là đáng kể so<br />
với hằng số thời gian T. Tuy nhiên, việc thiết<br />
kế bộ điều khiển đảm bảo chất lƣợng với đối<br />
tƣợng (6) là rất khó khăn khi đáng kể so với<br />
T (trong trƣờng hợp này =40%T). Vì vậy,<br />
để kiểm chứng bộ điều khiển sử dụng ĐSGT,<br />
thiết kế bộ điều khiển HAC cho đối tƣợng này<br />
và so sánh chất lƣợng với một bộ PD mờ.<br />
Thiết kế bộ điều khiển<br />
Bộ điều khiển gồm có hai đầu vào và một đầu<br />
ra. Đầu vào thứ 1 là điện áp đặt vào bộ điều<br />
khiển ký hiệu là E, đầu vào thứ 2 là đạo hàm<br />
của đầu vào thứ nhất ký hiệu là DE. Đầu ra<br />
của bộ điều khiển là giá trị điện áp một chiều<br />
ký hiệu là U.<br />
- Thiết kế một bộ điều khiển mờ - FLC với<br />
luật điều khiển nhƣ bảng 5.<br />
Bảng 5. Luật điều khiển<br />
E<br />
DE<br />
NB<br />
NS<br />
ZE<br />
PS<br />
PB<br />
<br />
NB<br />
<br />
NS<br />
<br />
ZE<br />
<br />
PS<br />
<br />
PB<br />
<br />
NB<br />
NB<br />
NS<br />
NS<br />
ZE<br />
<br />
NB<br />
NS<br />
NS<br />
ZE<br />
PS<br />
<br />
NB<br />
NS<br />
ZE<br />
PS<br />
PB<br />
<br />
NS<br />
ZE<br />
PS<br />
PS<br />
PB<br />
<br />
ZE<br />
PS<br />
PB<br />
PB<br />
PB<br />
<br />
- Thiết kế bộ điều khiển HAC.<br />
- Sử dụng Matlab - Simulink thực hiện mô<br />
phỏng với FLC và HAC nhƣ Hình 11. Kết<br />
quả mô phỏng nhƣ Hình 12.<br />
<br />
0.2<br />
<br />
0<br />
<br />
-0.2<br />
<br />
0<br />
<br />
500<br />
<br />
1000<br />
<br />
1500<br />
<br />
Time (s)<br />
<br />
Hình 12. Đáp ứng quá độ với 1(t)<br />
<br />
Nhận xét:<br />
- Đã xây dựng bộ điều khiển FLC và HAC<br />
cho một đối tƣợng có trễ với hệ số trễ rất lớn,<br />
đáp ứng đƣợc chất lƣợng điều chỉnh nhƣ sai<br />
lệch tĩnh, độ quá điều chỉnh, thời gian quá độ.<br />
- Kết quả mô phỏng cho thấy bộ điều khiển<br />
HAC có thể áp dụng trong lĩnh vực điều<br />
khiển cho đối tƣợng có trễ với hệ số trễ lớn,<br />
đáp ứng đƣợc yêu cầu về chất lƣợng.<br />
KẾT LUẬN<br />
- Bài báo đã giới thiệu một phƣơng pháp mới<br />
thiết kế bộ điều khiển, đó là sử dụng đại số<br />
gia tử nhƣ một công cụ tính toán mềm áp<br />
dụng đƣợc trong lĩnh vực điều khiển. Nhóm<br />
nghiên cứu đã thiết kế và tiến hành mô phỏng<br />
trên máy tính với rất nhiều đối tƣợng khác<br />
nhau. Tuy nhiên, nội dung bài báo chỉ trình<br />
bày việc xây dựng bộ điều khiển HAC với<br />
một số đối tƣợng khó điều khiển trong thực<br />
tế: hệ thống truyền động bám chính xác, đối<br />
tƣợng tuyến tính có tham số biến đổi và đối<br />
tƣợng có trễ với hệ số trễ lớn. Thông qua 3<br />
trƣờng hợp cụ thể cho ta thấy hệ thống tự<br />
động sử dụng bộ điều khiển là HAC đều đáp<br />
ứng đƣợc các yêu cầu về chất lƣợng và mở ra<br />
khả năng ứng dụng trong thực tế.<br />
- Trong quá trình thiết kế hệ thống cho thấy<br />
đƣợc ƣu điểm khi sử dụng HAC, đó là sử<br />
127<br />
<br />