THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ TRƯỢT ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ

Luận văn tốt nghiệp 2

S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
xác. Chính khả năng này đã làm cho điều khiển mờ sao chụp đ-ợc ph-ơng thứ
sử lý thông tin và điều khiển con ng-ời, đã giải quyết thành công các bài toán
điều khiển phức tạp.
Trong khuôn khổ đồ án tốt nghiệp tôi đã đi vào nghiên cứu thuật toán
điều khiển mờ và ứng dụng điều khiển mờ tr-ợt điều khiển tốc độ động cơ. Tuỳ
theo từng đối t-ợng mà áp dụng các luật điều kiện khác nhau, tuy nhiên các
bộ điều khiển này đều có đầy đủ -u điểm của bộ điều khiển mờ cơ bản, nh-ng
chúng đ-ợc tích hợp đơn giản, dễ hiểu, làm việc ổn định, có đặc tính động học
tốt, tính bền vững cao và làm việc tốt ngay cả khi thông tin của đối t-ợng
không đầy đủ hoặc không chính xác. Một số còn không chịu ảnh h-ởng của
nhiễu cũng nh- sự thay đổi theo thời gian của đối t-ợng điều khiển.
Sau thời gian tìm hiểu và nghiên cứu đến nay bản đồ án của em đã
hoàn thành với kết quả tốt. Thành công này phải kể đến sự giúp đỡ tận tình
của các thày cô giáo trong bộ môn ĐKTĐ tr-ờng Đại học Bách khoa Hà Nội,
các thày cô giáo tr-ờng Đại học Kỹ thuật Công Nghiệp Thái nguyên. Đặc biệt
là Thầy PGS TS Nguyễn Doãn Ph-ớc ng-ời đã trực tiếp h-ớng dẫn tôi, đã
hết lòng ủng hộ và cung cấp cho tôi những kiến thức hết sức quý báu. Tôi xin
dành cho thầy lời cảm ơn sâu sắc.
Do thời gian, kiến thức và kinh nghiệm thực tế có hạn nên đồ án này
không tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận đ-ợc các ý kiến chỉ bảo
của các thày cô giáo và của bạn bè đồng nghiệp để bản đồ án của em đ-ợc
hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!
Thái nguyên, ngày 15/5/2008
Học viên

Hồ Thị Việt Nga

Luận văn tốt nghiệp 3

S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
Mục lục

Nội dung Trang

Lời nói đầu


Mục lục

Ch-ơng I
Giới thiệu chung về điều khiển mờ và vai trò
ứng dụng trong thực tế
6
I.1 Cấu trúc cơ bản
7
I.2 Không gian Input Output
8
I.3 Khâu mờ hoá
8
I.4 Cơ sở các luật mờ
9
I.5 Mô tơ suy diễn
9
I.6 Khâu giải mờ
10
I.7
ứng dụng
10
Ch-ơng II
Lôgic mờ và các tập mờ cơ bản
14
II.1 Kiến thức cơ bản về lôgic mờ
14
II.1.1 Ôn nhanh về lôgic mệnh đề cổ điển
14
II.1.2 Lôgic mờ
15
II.1.2.1 Phép phủ định
15
II.1.2.2 Một cách định nghĩa phần bù của một tập mờ
16
II.1.2.3 Phép hội
17
II.1.2.4 Định nghĩa tổng quát phép giao của hai tập mờ
18
II.1.2.5 Phép tuyển
18
II.1.2.6 Định nghĩa tổng quát phép hợp của hai tập mờ
19
II.1.2.7 Một số quy tắc với phép hội và phép tuyển
20
II.1.2.8 Luật De Morgan
21
II.1.2.9 Phép kéo theo
22

Luận văn tốt nghiệp 4

S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
II.1.2.10 Một số dạng hàm kéo theo cụ thể
24
II.1.3 Quan hệ mờ
24
II.1.3.1 Quan hệ mờ và phép hợp thành
24
II.1.3.2 Phép hợp thành
25
II.1.3.3 Tính chuyển tiếp
26
II.1.3.4 Ph-ơng trình quan hệ mờ
26
II.1.4 Suy luận xấp xỉ và suy diễn mờ
27
Ch-ơng III
điều khiển mờ
33
III.1 Nguyên lý làm việc
35
III.2 Lý thuyết tập mờ trong điều khiển
39
III.2.1 Định nghĩa tập mờ
39
III.2.2 Phép suy diễn mờ
42
III.2.2.1 Xác định các giá trị của mệnh đề hợp thành
42
III.2.2.2 Phép tính suy diễn mờ
46
III.2.3 Phép hợp mờ
47
III.2.3.1 Xác định các giá trị của luật hợp thành
47
III.2.3.2 Phép tính hợp các tập mờ
49
III.2.4 Giải mờ
50
III.2.4.1 Ph-ơng pháp điểm cực đại
51
III.2.4.2 Ph-ơng pháp điểm trọng tâm
52
III.3 Bộ điều khiển mờ
56
III.3.1 Cấu trúc của một bộ điều khiển mờ
56
III.3.1.1 Mờ hoá
57
III.3.1.2 Thiết bị hợp thành
58
III.3.1.3 Khâu giải mờ
60
III.3.2 Thiết kế bộ điều khiển mờ
61

Luận văn tốt nghiệp 5

S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
III.3.2.1 Các b-ớc thực hiện chung
61
III.3.2.2 Quan hệ truyền đạt
62
III.3.2.3 Tổng hợp bộ điều khiển có quan hệ truyền đạt cho
tr-ớc
64
III.3.3 Cấu trúc bộ điều khiển mờ thông minh
66
III.3.3.1 Thích nghi trực tiếp và gián tiếp
67
III.3.3.2 Bộ điều khiển mờ tự chỉnh cấu trúc
68
III.3.3.3 Bộ điều khiển mờ tự chỉnh có mô hình theo dõi
69
III.3.3.4 Bộ điều khiển mờ lai
71
Ch-ơng IV
điều khiển tr-ợt và ý nghĩa ứng dụng trong
điều khiển thích nghi bền vững
73
IV.1 Xuất phát điểm của ph-ơng pháp điều khiển tr-ợt
73
IV.2 Thiết kế bộ điều khiển tr-ợt ổn định bền vững
76
IV.3 Thiết kế bộ điều khiển tr-ợt bám bền vững
82
Ch-ơng V
Xây dung bộ điều khiển mờ tr-ợt
84
V.1 Thiết kế luật điều khiển tr-ợt cho động cơ điện
84
V.2 Cơ sở hệ điều khiển tr-ợt mờ từ điều khiển tr-ợt
kinh điển
85
V.3 Các b-ớc thực hiện thiết kế bộ điều khiển mờ
87
V.4 Thiết kế bộ điều khiển mờ tr-ợt cho động cơ
88
Ch-ơng VI
Mô phỏng và nhận xét kết quả
92

Tài liệu tham khảo








Luận văn tốt nghiệp 6

S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
Ch-ơng I
Giới thiệu chung về điều khiển mờ
và vai trò ứng dụng trong
thực tế

Bất kỳ một người nào có tri thức đều hiểu rằng ngay trong những suy
luận đời thường cũng như trong các suy luận khoa học chặt chẽ, hay khi triển
khai ứng dụng, logic toán học cổ điển và nhiều định lý toán học quan trọng
thu được qua những lập luận bằng logic cổ điển đã đóng vai trò rất quan
trọng.
Nhưng đáng tiếc, logic toán học cổ điển đã quá chật hẹp đối với những
ai mong muốn tìm kiếm những cơ sở vững chắc cho những suy luận phù hợp
hơn với những bài toán nẩy sinh từ công việc nghiên cứu và thiết kế những hệ
thống phức tạp, đặc biệt là những cố gắng đưa những suy luận giống như
cách con người vẫn thường sử dụng vào các lĩnh vực trí tuệ nhân tạo (chẳng
hạn, như trong các hệ chuyên gia, các hệ hỗ trợ quyết định, ) hay vào trong
công việc điều khiển và vận hành các hệ thống lớn, phức tạp sao cho kịp thời
và hiệu quả.
Việc thiết kế bộ điều khiển theo ph-ơng pháp kinh điển phụ thuộc vào
mô hình toán học của hệ, việc mô tả hệ thống càng chính xác thì kết quả điều
khiển càng có chất l-ợng cao. Tuy nhiên việc xây dựng mô hình toán học
chính xác của hệ thống rất khó khi không biết tr-ớc sự thay đổi của tải, thay
đổi của thông số, nhiễu hệ thống
Trong những năm gần đây một ngành khoa học mới đã đ-ợc hình
thành và phát triển mạnh mẽ đó là cách tiếp cận của lý thuyết tập mờ (Fuzzy
Set Theory), bắt đầu với công trình của L. Zadeh, 1965. Trong sự phát triển đa
dạng của lý thuyết tập mờ và các hệ mờ, logic mờ ( Fuzzy Logic) giữ một vai
trò cơ bản. Khác hẳn với kỹ thuật điều khiển kinh điển là hoàn toàn dựa vào

Luận văn tốt nghiệp 7

S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
độ chính xác tuyệt đối của thông tin mà trong nhiều ứng dụng không cần thiết
hoặc không thể có được, điều khiển mờ có thể xử lý những thông tin không
rõ ràng hay không đầy đủ những thông tin mà sự chính xác của nó chỉ
nhận thấy đ-ợc giữa các quan hệ của chúng với nhau và cũng chỉ có thể mô tả
đ-ợc bằng ngôn ngữ, đã cho ra những quyết định chính xác. Chính khả năng
này đã làm cho điều khiển mờ sao chụp đ-ợc ph-ơng thứ sử lý thông tin và
điều khiển con ng-ời, đã giải quyết thành công các bài toán điều khiển phức
tạp.
I.1. Cấu trúc cơ bản
Tư tưởng cơ bản của điều khiển dựa vào logic mờ là đưa các kinh
nghiệm chuyên gia của những người vận hành giỏi hệ thống vào trong thiết kế
các bộ điều khiển các quá trình trong đó quan hệ vào/ra (input-output) được
cho bởi một tập các luật điều khiển mờ (dạng luật ifthen).
Cấu trúc cơ bản (Basic architecture).






Cấu trúc cơ bản của một bộ điều khiển dựa vào logic mờ (fuzzy logic
control - FLC) gồm bốn thành phần chính (hình 1.1): khâu mờ hoá (a
fuzzifier), một cơ sở các luật mờ (a fuzzy rule base), một môtơ suy diễn (an
inference engine) và khâu giải mờ (a defuzzifier). Nếu đầu ra sau công đoạn
giải mờ không phải là một tín hiệu điều khiển (thường gọi là tín hiệu điều
chỉnh) thì chúng ta có một hệ quyết định trên cơ sở logic mờ.

Mờ hoá
Mô tơ
suy diễn
Cơ sở
luật mờ
Giải mờ
Đối
t-ợng
x
Hình 1.1 Cấu trúc cơ bản của
bộ điều khiển mờ
(x)
(y)
y

Luận văn tốt nghiệp 8

S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
I.2 Không gian Input-Output.
Vì mục tiêu của bộ điều khiển mờ là tính toán các giá trị của các biến
điều khiển từ quan sát và đo lường các biến trạng thái của quá trình được điều
khiển sao cho hệ thống vận hành như mong muốn. Như vậy việc chọn các
biến trạng thái và các biến điều khiển phải đặc trưng cho các phép toán (the
operator) của bộ điều khiển mờ và có tác động cơ bản lên sự quá trình thực
hiện bộ FLC.
Kinh nghiệm và các tri thức về công nghệ đóng vai trò rất quan trọng
trong việc lựa chọn các biến. Ví dụ các biến vào thường là trạng thái (state)
sai lầm trạng thái (state error, state error derivate, state error integral , ). Khi
sử dụng biến ngôn ngữ, biến ngôn ngữ đầu vào x sẽ gồm các biến ngôn ngữ
input x
i
xác định trên không gian nền U
i
và tương tự với biến đầu ra y gồm
các biến ngôn ngữ output y
j
trên không gian nền
U
j
. Khi đó
x = {(x
i
, U
i
), {A
xi
(1), , A
xi
(k
i
)},{
xi
(1), ,
xi
(k
i
)}: i = 1,2, , n}
y = {(y
i
, V
i
), {A
yi
(1), , A
yi
(k
i
)},{
yi
(1), ,
yi
(k
i
)}: i = 1,2, , m}
ở đây x
i
là biến ngôn ngữ xác định trên không gian nền U
i
, nhận từ - giá trị A
x
i
với hàm thuộc x
i
( k) với k= 1 , 2 , , k
i
. Tương tự cho các biến output y
j
.
Ví dụ x
1
là biến tốc độ trên không gian nền là miền giá trị vật lý U
1
= [0,
200km/h]. Biến ngôn ngữ tốc độ có thể có các từ giá trị
{rất chậm, chậm, trung bình, nhanh, rất nhanh}.
Mỗi giá trị ngôn ngữ của biến này được xác định bằng một tập mờ trên U
với các hàm thuộc chậm
(
u), , trung bình
(
u).
I.3 Khâu mờ hoá.
Vì nhiều luật cho dưới dạng dùng các biến ngôn ngữ với các từ thông
thường. Như vậy với những giá trị (rõ) quan sát được ,đo được cụ thể, để có
thể tham gia vào quá trình điều khiển thì cần thiết phải mờ hoá.

Luận văn tốt nghiệp 9

S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
Có thể định nghĩa, mờ hoá là một ánh xạ (mapping) từ không gian các
giá trị quan sát được (rõ) vào không gian của các từ - tập mờ trên không gian
nền của các biến ngôn ngữ input.
Ví dụ ứng với biến ngôn ngữ tốc độ, ta cho phép mờ hoá bằng ánh xạ
- Tốc độ một xe tải đo được: u = 75km/h.
- Từ đó có: (rất chậm(75), chậm(75), trung bình(75), nhanh(75), rất nhanh(75) ).
I.4 Cơ sở các luật mờ
Dạng tổng quát của các luật điều khiển mờ là bộ các quy tắc mờ dạng
IF . THEN, trong đó các điều kiện đầu vào và cả các biến ra ( hệ quả ) sử
dụng các biến ngôn ngữ. Viết ở dạng tổng quát, cơ sở các luật mờ trong các
hệ thống nhiều biến vào (input) và một biến ra (output) ( tức là với các hệ
MISO ) cho dưới dạng sau:
Cho x
1
, x
2
, , x
m
là các biến vào của hệ thống, y là biến ra (thường là
các biến ngôn ngữ). Các tập A
i j
, B
j
, với i=1 , , m , j = 1,,n là các tập
mờ trong các không gian nền tương ứng của các biến vào và biến ra đang sử
dụng của hệ thống. Các R
j
là các suy diễn mờ (các luật mờ ) dạng "Nếu
thì'' (dạng if t h e n )
R
1
Nếu x
1
là A
11
và và x
m
là A
m1
thì y là B
1

R
2
Nếu x
2
là A
12
và và x
m
là A
m2
thì y là B
2


R
n
Nếu x
n
là A
1n
và và x
m
là A
mn
thì y là B
n

Cho Nếu x
1
là A
1
* và và x
m
là A
m
*
Tính y là B*

I.5 Mô tơ suy diễn
Đây là phần cốt lõi nhất của FLC trong quá trình mô hình hoá các bài
toán điều khiển và chọn quyết định của con người trong khuôn khổ vận dụng

Luận văn tốt nghiệp 10

S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
logic mờ và lập luận xấp xỉ. Do các hệ thống được xét dưới dạng hệ vào/ra
nên luật suy diễn modus ponens suy rộng đóng một vai trò rất quan trọng.
Suy luận xấp xỉ, phép hợp thành và phép kéo theo của logic mờ sẽ quyết
định những công việc chính trong quá trình tính toán cũng như trong quá trình
rút ra kết luận.
I.6 Khâu giải mờ
Đây là khâu thực hiện quá trình xác định một gía trị rõ có thể chấp nhận
được làm đầu ra từ hàm thuộc của giá trị mờ đầu ra. Có hai phương pháp giải
mờ chính: Phương pháp cực đại và phương pháp điểm trọng tâm. Tính toán
theo các phương pháp này không phức tạp.
I.7. ứng dụng
ứng dụng đầu tiên của điều khiển mờ phải kể đến của nhóm Mamdani
và Assilian năm 1974. Từ đấy phạm vi ứng dụng thực tiễn của điều khiển mờ
trong các lĩnh vực khác nhau đã hết sức rộng: từ điều khiển lò nung xi măng
[Larsen,1980- đây là ứng dụng thực sự đầu tiên vào sản xuất công nghiệp],
quản lý các bãi đỗ xe [Sugeno và cộng sự 1984,1985, 1989], điều khiển vận
hành hệ thống giao thông ngầm, quản lý nhóm các thang máy [Fujitec,1988],
điều chỉnh việc hoà clo trong các nhà máy lọc nước, điều khiển hệ thống
máy bơm làm sạch nước [Yagishita et al., 1985], điều khiển hệ thống năng
lượng và điều khiển phản ứng hạt nhân [Bernard,1988, Kinoshita et al., 1988],
máy bay trực thăng [Sugeno, 1990], v.v, cho tới thám sát các sự cố trên
đường cao tốc [Hsiao et al., 1993] các thiết bị phần cứng mờ [fuzzy hardware
devices, Togai và Watanabe, 1986, nhóm cộng tác với GS. Yamakawa, 1986,
1987,1988 ].
Trong số những ứng dụng thực sự thành công trong thực tiễn còn phải
nhắc tới tới bộ FLC dùng trong quản lý sân bay [Clymer et al. ,1992], các hệ
thống điều khiển đường sắt và các hệ thống cần cẩu container [Yasunobu và
Miyamoto, 1985, Yasunobu et al., 1986, 1987]. Một ứng dụng rất hay của

Luận văn tốt nghiệp 11

S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
điều khiển mờ là hệ điều khiển the camera tracking control system của
NASA ,1992 .
Chúng ta cũng không thể không nhắc tới các máy móc trong gia đinh
dùng FLC đang bán trên thị trường thế giới: máy điều hoà nhiệt độ [hãng
Mitsubishi], máy giặt [Matsushita, Hitachi, Sanyo], các video camera [Sanyo,
Matsushita], tivi, camera [hãng Canon], máy hút bụi, lò sấy (microwave oven)
[Toshiba] vv.
Ngay từ 1990, trong một bài đăng ở tạp chí AI Expert, Vol.5, T.J.
Schwartz đã viết:
Tại Nhật bản đã có hơn 120 ứng dụng của điều khiển mờ .
Sự phát triển của công nghệ mờ
Trong quá trình phát triển của Lý thuyết tập mờ và công nghệ mờ tại
Nhật bản phải nhắc tới dự án lớn LIFE (the Laboratory for International Fuzzy
Engineering) 1989 -1995 do G.S. T.Terano (Tokyo Institute of Technology)
làm Giám đốc điều hành - theo sáng kiến và sự tài trợ chính của Bộ ngoại
thương và công nghiệp Nhật bản. Phòng thí nghiệm LIFE được thiết kế bởi
G.S. M. Sugeno. Chính Giáo sư cũng đã thuyết phục được nhiều công ty công
nghiệp hàng đầu của Nhật bản cung cấp tài chính và nhân lực, trở thành thành
viên tập thể của dự án và chính họ trực tiếp biến các sản phẩm của phòng thí
nghiệm thành sản phẩm hàng hoá.
Và kết quả là, theo Datapro, nền công nghiệp sử dụng công nghệ mờ
của Nhật bản, năm 1993 có tổng doanh thu khoảng 650 triệu USD, thì tới năm
1997 đã ước lượng cỡ 6,1 tỷ USD và hiện nay hàng năm nền công nghiệp Nhật
bản chi 500 triệu USD cho nghiên cứu và phát triển lý thuyết mờ và công
nghệ mờ. Theo Giáo sư T. Terano quá trình phát triển của công nghệ mờ có
thể chia thành 4 giai đoạn sau:
* Giai đoạn 1: Lợi dụng tri thức ở mức thấp.
Thực chất: Những ứng dụng trong công nghiệp chủ yếu là biễu diễn tri thức

Xem chi tiết: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ TRƯỢT ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ