Lời nói đầu
Điều khiển vị trí thờng là mạch vòng điều khiển ngoài cùng trong các
hệ điều khiển tự động nên nó ảnh hởng trực tiếp tới chất lợng điều khiển của
hệ thống, đó là một cầu nối quan trọng và là nền tảng để xây dựng các hệ
truyền động điện trong công nghiệp. Vì vậy việc nghiên cứu và áp dụng các
tiến bộ khoa học mới trong quá trình tổng hợp hệ điều khiển vị trí nhằm đạt đ-
ợc các chỉ tiêu chất lợng cao đang là những vấn đề đang đợc đặt ra.
Trớc đây ta thờng dùng các bộ điều khiển tự động với các bộ điều chỉnh
P, PI, PD, PID Các bộ điều khiển này làm việc rất tốt trong các hệ thống có
quán tính lớn nh điều khiển nhiệt độ, điều khiển mức Các hệ điều khiển
tuyến tính hay có mức độ phi tuyến thấp Tuy nhiên trên thực tế hệ điều
khiển vị trí sử dụng các bộ điều khiển R
I
, R

, R

với các luật điều khiển PID
phổ dụng không đáp ứng đợc các yêu cầu cao về chỉ tiêu chất lợng của hệ
thống điều khiển ( nh thời gian qua độ ngắn, độ chính xác cao và rất cao, đặc
biệt trong kỹ thuật điều robot).
Ngày nay, do ứng dụng các tiến bộ khoa học kỹ thuật trong điện tử và
tin học mà các hệ thống điều khiển tự động đợc phát triển và có sự thay đổi rất
lớn. Công nghệ vi mạch phát triển khiến cho việc sản suất các thiết bị điện tử
ngày càng hoàn thiện và các bộ biến đổi điện tử công suất trong các hệ thống
điều khiển không những đáp ứng đợc khả năng tác động nhanh, độ chính xác
cao mà còn góp phần giảm kích thớc và hạ giá thành của hệ thống. Đặc biệt
trong những thập kỷ gần đây sự phát triển mạnh mẽ và càng hoàn thiện của lý
thuyết tập mờ, hàng loạt các ứng dụng của lý thuyết tập mờ, logic mờ và điều
khiển mờ đã và đang mở ra một kỷ nguyên mới trong điều khiển học kỹ thuật.
Tuy là ngành kỹ thuật điều khiển non trẻ nhng những ứng dụng trong công

Nội dung của bản đồ án đợc tác giả chia làm bốn chơng.
Chơng thứ nhất trình bày tổng quan về hệ điều khiển vị trí hiện đợc sử
dụng phổ biến và rộng rãi trong công nghiệp. Phân tích và mô hình hoá các
khâu chủ yếu trong hệ thống và tổng hợp các bộ điều khiển dòng điện, bộ điều
khiển tốc độ và bộ điều khiển vị trí. Trong chơng này cũng chứng minh đặc
tuyến điều chỉnh của bộ điều khiển vị trí là phi tuyến và vấn đề áp dụng điều
khiển mờ để thực hiện đặc tuyến điều khiển phi tuyến này.
2
Chơng hai sẽ hệ thống lại một số kiến thức cơ sở về lý thuyến tập mờ.
Các cơ sở toán học của hệ mờ đợc trình bày theo phơng pháp mở rộng các
kiến thức đã có trên các hệ logic kinh điển. Đồng thời đa vào một hệ thống
các khái niệm, định nghĩa trên các tập mờ, thông qua các biến ngôn ngữ và
các giá trị ngôn ngữ, nghiên cứu các luật mờ IF-THEN đó là trái tim của hệ
thống điều khiển mờ.
Chơng thứ ba nói về việc thiết kế hệ điều khiển mờ qua việc phân tích
chi tiết trên sơ đồ khối của một bộ điều khiển cơ bản.
Chơng bốn dành để trình bày ứng dụng cụ thể của điều khiển mờ trong
hệ điều khiển vị trí. Trong chơng này sẽ phân tích tỉ mỉ từng bớc của quá trình
thiết kế bộ bù mờ. Để thấy đợc hiệu quả của bộ điều khiển mờ tác giả sẽ mô
phỏng, khảo sát hệ thống điều khiển vị trí trong cả hai trờng hợp có và không
có bộ bù mờ ứng với mỗi giá trị tham số đầu vào.
Việc áp dụng kỹ thuật điều khiển mờ trong điều khiển tự động truyền
động điện nói chung và điều khiển vị trí nói riêng là những vấn đề lớn và có
nhiều hứa hẹn khả quan. Đây chỉ là những bớc vận dụng ban đầu của đề tài,
dựa vào những kết quả đã đạt đợc ta có thể thiết kế đợc bộ điều khiển mờ
thông minh hơn, giải quyết đợc nhiều vấn đề hơn trên cơ sở bộ điều khiển mờ
nhiều đầu vào, nhiều đầu ra (MIMO) cung cấp thêm cho bộ điều khiển mờ các
giá trị đạo hàm hay tích phân của tín hiệu ta đạt đợc hệ điều khiển mờ động,
bộ điều khiển mờ lai (Fuzzy Hybrid Controler), bộ điều khiển mờ trợt (Fuzzy
Sliding Controler). . .

1.4.Tính phi tuyến của điều khiển vị trí 23
1.5 Kết luận 25
Chơng 2: Một số kiến thức cơ sở của logic mờ trong các hệ mờ 26
2.1- Nhắc lại về tập hợp kinh điển 26
2.2- Các phép toán trên tập hợp 27
2.2.1- Hiệu của hai tập hợp 28
2.2.2 - Giao của hai tập hợp 28
2.2.3- Hợp của hai tập hợp 29
2.2.4- Phép bù của tập hợp 30
2.2.5- Tích của hai tập hợp 31
2.3- Lý thuyết tập mờ trong điều khiển mờ 32
2.3.1- Định nghĩa tập mờ 32
2.3.2 - Một số thuộc tính của tập mờ 33
2.3.3- Biến ngôn ngữ 34
2.4- Các phép toán trên tập mờ 35
2.4.1 Phép hợp hai tập mờ 35
2.4.1.1-Hợp hai tập mờ theo luật max 36
2.4.1.2-Hợp hai tập mờ theo luật sum (Lukasiewicz) 36
2.4.2 Phép giao hai tập mờ 37
2.4.2.1- Giao hai tập mờ theo luật min 39
2.4.2.2-Giao của hai tập mờ theo luật tích đại số 39
5
2.4.3 Phép bù của một tập mờ 40
2.5 Các biến ngôn ngữ và các luật mờ if- then 42
2.5.1 Từ các biến số học tới các biến ngôn ngữ 42
2.5.2 Các luật mờ if- then 44
2.5.2.1 Các mệnh đề mờ 44
2.5.2.2 Diễn giải giá trị chân lý của phép toán kéo theo 45
2.6 Kết luận 46
Chơng 3: Cấu trúc bộ điều khiển mờ 47

Tài liệu tham khảo 96
7
Chơng 1 Tổng quan về hệ điều khiển vị trí và
vấn đề áp dụng điều khiển mờ trong hệ
điều khiển vị trí
Ngày nay, các hệ điều khiển vị trí đặc biệt là các hệ điều khiển các
Robot công suất lớn, hệ truyền động điện một chiều kiểu T-Đ đang ngày càng
đợc ứng dụng rộng rãi vì nó đảm bảo tốt các chỉ tiêu tĩnh và động của hệ
thống, dễ dàng thực hiện các truyền động có công suất lớn và tính bền vững
cao. Cấu trúc chung của hệ điều khiển vị trí gồm ba mạch vòng từ trong ra
ngoài là: mạch vòng dòng điện, mạch vòng tốc độ và mạch vòng vị trí nh trên
hình 1.1.
Hình 1.1: Sơ đồ cấu trúc chung của hệ điều chỉnh vị trí sử dụng hệ chấp
hành T-Đ
Trong đó:
R
I
: Bộ điều khiển dòng điện.
R

: Bộ điều khiển tốc độ.
R

: Bộ điều khiển vị trí.
ĐC: Động cơ điện một chiều kích từ độc lập.
8
K
i
, K


cấp dòng cho nghịch lu, còn bộ biến đổi kia làm việc ở chế độ đợi. Giả thiết

1
< /2;
2
> /2 sao cho E
d1
E
d2
thì dòng điện chỉ có thể chảy từ K
1
sang
động cơ mà không thể chảy từ K
1
sang K
2
đợc. Để đạt đợc trạng thái này thì
các góc điều khiển phải thoã mãn điều kiện:
2
-
1
.
Nếu tính đến góc chuyển mạch à và góc khoá thì giá trị lớn nhất của
góc điều khiển của bộ biến đổi đang ở chế độ nghịch lu đợi phải là:

max
= - (à
max
+ )
và giá trị nhỏ nhất của góc điều khiển của bộ biến đổi đang làm việc ở chế độ

Trong thực tế điều khiển thờng dùng phơng pháp điều khiển chung
không đối xứng, tức là
2
> -
1
, khi đó E
d1
> E
d2
và không có dòng điện
cân bằng.
Trong các phơng pháp điều khiển chung, mặc dù đã đảm bảo E
d1
E
d2
,
tức là không xuất hiện giá trị trung bình của dòng cân bằng, song giá trị tức
thời của sức điện động các bộ chỉnh lu e
d1
(t), e
d2
(t) luôn khác nhau, do đó vẫn
xuất hiện thành phần dòng cân bằng. Để hạn chế biên độ của dòng cân bằng
thờng dùng các cuộn kháng cân bằng L
cb
.
10
1.2 Mô hình toán học hệ chấp hành T-Đ
1.2.1 Mô hình toán học động cơ điện một chiều kích từ độc lập
Cho đến nay động cơ điện một chiều vẫn còn dùng rất phổ biến trong

== IkI
a
Np
M


11
Trong đó:
p

: Số đôi cực của động cơ.
N: Số thanh dẫn phần ứng dới một cực từ.
a : Số mạch nhánh song song của dây quấn phần ứng.
K = p.N/ 2.a : Hệ số kết cấu của máy.
Mômen điện từ kéo cho phần ứng quay quanh trục, các dây quấn phần
ứng quét qua từ thông và trong các dây quấn này cảm ứng sức điện động:
)21(
2
.
,
==


k
a
Np
E
Trong đó là tốc độ góc của roto.
Trong chế độ xác lập có thể tính đợc tốc độ qua phơng trình cân bằng
điện áp phần ứng:

Mạch phần ứng:
[ ] [ ] [ ] [ ]
)51()(.)()(.)()(
0000
++++++=+ ppKpIILppIIRpUU
Buu

Mạch kích từ:
[ ] [ ]
)61()(.)()(
00
+++=+ pIILppIIRpUU
kkkkkokkk
Phơng trình chuyển động cơ học:
[ ] [ ] [ ] [ ]
)71()()()(.)(
00
+=+++ pJpMMpIIpK
BBpCB

Nếu bỏ qua các vô cùng bé bậc cao thì từ các phơng trình trên có thể
viết đợc các phơng trình của gia số:
[ ]
)81().1)(()( )(.)(
0
+=+
uuB
TppIRpKpKpU

)91().1).((.)( +=

)()(.
p
Jp
pMcpICu

=

)1)((.])(.[)(
u
pTpIRMcpICu
Jp
Cu
pU +=








++=+
pJR
Cu
pTpIR
Jp
pMcCu
pU
u
2

=
pT
Cu
JR
p
Cu
JR
Cu
pMc
ppU
RCu
JR
pI
u
Hình 1.6: Mô hình tuyến tính hoá động cơ một chiều kích từ độc lập
Gọi
2
Cu
JR
T
c
=
là hằng số thời gian điện cơ, ta có mô hình dòng điện của
động cơ một chiều nh trên hình 1.6 [11]
1.2.2. Mô hình toán học bộ chỉnh lu có điều khiển
Mạch điều khiển biến đổi điện áp một chiều U
dk
thành xung điện áp có
góc thích hợp đa vào mở Thyristor cấp nguồn cho động cơ. [2]
Sơ đồ bộ chỉnh lu có điều khiển nh trên hình 1.7

.

++
===

Vdk
cl
tp
cl
dk
d
cl
TpTp
K
eK
pU
pU
pW
v
Hình 1.7: Sơ đồ khối mạch chỉnh lu có điều khiển
1.3 Cấu trúc hệ điều khiển vị trí và phơng pháp
tổng hợp các mạch vòng
Trong hệ điều chỉnh vị trí có ba mạch vòng: mạch vòng dòng điện,
mạch vòng tốc độ, mạch vòng vị trí. Hệ thống truyền động này bắt buộc phải
đảo chiều đợc. [11]
Hình 1.8 là sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển vị trí sử dụng động cơ điện một
chiều.
Quan hệ giữa và :

+=

Hình 1.10: Mạch vòng dòng điện
Từ sơ đồ trên hình 1.9 và hình 1.10 ta có hàm truyền của đối tợng điều
khiển của mạch vòng điều chỉnh dòng điện:
)181(
)1)(1)(1)(1(
.
)(
)(
)(

++++
==
PTPTPTPT
R
K
K
pU
pU
pS
uivdk
u
i
cl
dk
i
oi
Trong đó:
T
dk
100 às, T

cl
oi
áp dụng tiêu chuẩn tối u modul ta có hàm truyền hệ thống kín:
)201(
221
1
22

++
=
pp
F
OMi


Mặt khác trên hình 1. 10 ta có:
)211(
).(1
).(
)(
+
=
oii
oii
OMi
SpR
SpR
pF
))(1(
)(

22
221
1
)1)(1(
/.
221
1
)(
pp
PTPT
RKK
pp
pR
usi
uicl
i




)1(2.
)1)(1(
1
)(
pp
PTPT
R
K
K
pR




+=
+
=
PTTKK
TR
R
T
KKp
PT
pR
usiicl
uu
u
si
icl
u
i
R
i
(p) là khâu tỷ lệ - tích phân (PI).
Vậy sơ đồ cấu trúc của hệ điều chỉnh vị trí còn lại nh trên hình 1.11,
trong đó ta lấy hàm truyền đạt của mạch vòng dòng điện là khâu quán tính bậc
nhất, bỏ qua các vô cùng bé bậc cao. [11]
18
Hình 1.11: Sơ đồ cấu trúc của hệ điều chỉnh vị trí
1.3.2 Tổng hợp mạch vòng tốc độ
Viết gọn sơ đồ hình 1.11 ta có sơ đồ mạch vòng điều chỉnh tốc độ nh

22

++
=
pp
F
OMw


)1(.
)(

OMow
OMw
owOMwow
OMw
w
FS
F
SFS
F
pR

=

=






19
)1(2.
)1(
.
1
)(
pp
pTpTCuK
KR
pR
swCi
w
w


+
+
=
Chọn
sw
T=


Ta có:
)251(
2

)( =
sww

)(





OMo
OM
oOMo
OM
FS
F
SFS
F
pR

=

=






+++
+

+
+++


)1(.8.
)1(
.
41
)(
22
pp
pTpTCuK
KR
p
pR
sCi







+
+
+
=
Ta chọn

= T
s

ta có:

[11]
20
1.3.3 Tổng hợp mạch vòng vị trí
Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều chỉnh vị trí còn lại nh hình 1.13.
Hình 1.13: Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều chỉnh vị trí
Trong đó:
i
K
r
1
=
: Hệ số khuếch đại của bộ truyền lực. (1-27)
T
s


= T

+ 2T
si
= T

+ 2(T
dk
+ T
v
+ T
i
). (1-28)
Tổng hợp mạch vòng vị trí cũng tơng tự nh tổng hợp mạch vòng tốc độ,




KpTp
p
sd
Khi dùng chuẩn tối u đối xứng.
Viết gọn sơ đồ hình 1.13 ta có sơ đồ mạch vòng điều chỉnh vị trí nh trên
hình 1.14.
Hình 1.14: Sơ đồ mạch vòng điều chỉnh vị trí
21
Nếu khi tổng hợp mạch vòng vị trí R

(p) dùng chuẩn tối u modul, ta có
hàm truyền của đối tợng nh sau:
)311(
)1()21(
.
)(
++
=
pTppT
K
K
K
pS
s
r
o


)(
Chọn

= T

ta có:
)321()21(
2
)( += pT
TKK
K
pR
s
r




)331()( += pKKpR
D

Với



TKK
K
K
r
2

r
o




áp dụng tiêu chuẩn tối u đối xứng, ta có:
pT
p
p
pTpK
KK
pR
s
r








+
+
+
=
1
1
2.

đó tín hiệu đặt và tín hiệu phản hồi xấp xỉ nhau nghĩa là:
)361().(
21

h
R



h
=
1
-
2
: Quãng đờng hãm.

h
: Vận tốc tại thời điểm bắt đầu quá trình hãm.
Quãng đờng hãm lớn nhất đợc tính theo công thức:
)371(.
2
1
max
2
max
max
=
h
h


1
max
=
Kr
K
h



Quãng đờng đi đợc trong lúc hãm là:
)391(
.
.2
2
max
==



Kr
h
h
Khi tổng hợp bộ điều khiển vị trí R

(p), ta đã chọn đợc hàm truyền đạt
là khâu tích phân- đạo hàm (PD) với hệ số khuếch đại K

= Const. Quan hệ
tĩnh = f() trong quá trình hãm đợc vẽ trên hình 1.16, ta thấy:
23

Nh vậy khi càng nhỏ thì yêu cầu hệ số khuếch đại của R

càng lớn
để đạt đợc tốc độ hãm tăng lên thích ứng với quá trình hãm nhanh theo yêu
cầu.
Qua phân tích ta thấy quan hệ = f() là phi tuyến và việc chọn R

chỉ chứa hệ số khuếch đại K

= Const là không hợp lý. Để giải quyết vấn đề
này nghĩa là phải thực hiện bộ điều khiển phi tuyến. Bản đồ án này sẽ đề xuất
phơng pháp bù. ở một giá trị sẽ bù một giá trị tơng ứng. Việc bù này
sẽ đợc thực hiện bằng bộ điều khiển mờ, gọi là bộ bù mờ.
1.5 Kết luận
24
Chơng 1 cho ta một cách nhìn tổng quát về hệ điều khiển vị trí, sự ứng
dụng phổ biến và rộng rãi của hệ điều khiển vị trí trong công nghiệp.
Các khâu trong hệ điều khiển vị trí đều đợc 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 đợc thiết kế theo phơng pháp kinh điển
nó đã đợc tổng hợp dựa vào các tiêu chuẩn tối u modul và tiêu chuẩn tối u đối
xứng nhằm đạt đợc chất lợng điều khiển tốt nhất.
Tuy vậy đã chứng minh đợc đặc tính điều khiển của bộ điều khiển vị trí
là phi tuyến nên để nâng cao chất lợng điều khiển của hệ thống thì việc thực
hiện 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 đợc các chỉ tiêu chất lợng cao
và rất cao về thời gian quá độ ngắn, độ chính xác cao
25