i

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
LẠI THỊ THANH HOA NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN MỜ THÍCH
NGHI CHO BỘ –
TAY ĐÕN

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số: 60 52 02 16 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Thái Nguyên, 2014
ii

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là: Lại Thị Thanh Hoa

Thầy giáo hƣớng dẫn PGS. TS Nguyễn Thanh Hà đã tận tình chỉ dẫn,
giúp đỡ tác giả hoàn thành luận văn này.
Khoa đào tạo Sau đại học, các thầy giáo, cô giáo thuộc bộ môn Kỹ
thuật điện - Khoa Điện, phòng thí nghiệm Khoa Điện tử - Trƣờng Đại học Kỹ
thuật Công nghiệp Thái Nguyên đã giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học
tập cũng nhƣ quá trình nghiên cứu thực hiện luận văn.
Toàn thể các đồng nghiệp, bạn bè, gia đình và ngƣời thân đã quan tâm,
động viên, giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập và hoàn thành bản luận
văn.
Tác giả luận văn Lại Thị Thanh Hoa

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN i
iv

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

LỜI CẢM ƠN iii
CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG 1
1.1CÁC HỆ ĐIỀU KHIỂN KINH ĐIỂN 1
1.1.1 Tổng hợp bộ điều khiển tuyến tính 1
1.1.2 Tổng hợp hệ điều khiển phi tuyến 2
1.2 LOGIC MỜ VÀ ĐIỀU KHIỂN MỜ 4
1.2.1 Giới thiệu 4

2.4. Kết luận chƣơng 2 49
Chƣơng 3: THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN HỆ BÓNG - TAY ĐÕN 50
3.1. Điều khiển hệ Bóng - Tay đòn bằng bộ điều khiển kinh điển 50
3.2. Thiết kế bộ điều khiển thích nghi mờ cho hệ Bóng - Tay đòn 53
3.2.1. Cấu trúc bộ điều khiển thích nghi mờ 53
3.2.2. Kết quả mô phỏng 55
3.3. Kết quả thực nghiệm 58
KẾT LUẬN CHUNG 61

1

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

LỜI MỞ ĐẦU
Điều khiển - Tự động đang là một trong những ngành trọng điểm của
ngành công nghiệp điện trên đà phát triển một cách tích cực trong nền công
nghiệp của nƣớc nhà. Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật hiện đại,
việc nâng cao chất lƣợng điều khiển luôn là vấn đề cấp thiết đƣợc nhiều nhà
khoa học trong và ngoài nƣớc quan tâm. Nhƣ chúng ta đã biết, các thiết bị
ứng dụng điều khiển kinh điển chủ yếu đƣợc thiết kế theo phƣơng pháp tuyến
tính hóa gần đúng. Khi thông số của hệ thống thay đổi mà thông số của bộ
điều khiển giữ nguyên dẫn đến làm giảm độ chính xác điều khiển ảnh hƣởng
đến chất lƣợng sản phẩm.
Với sự ra đời của lý thuyết điều khiển mới (điều khiển thích nghi, điều
khiển mờ mạng nơ ron…) đã tạo điều kiện cho việc xây dựng các bộ điều
khiển thông minh đáp ứng yêu cầu công nghệ ngày càng cao của nền sản xuất
hiện đại. Đặc biệt các bộ điều khiển thông minh nói trên còn đƣợc ứng dụng
rộng rãi trong công nghiệp quốc phòng mà mức độ điều khiển đòi hỏi độ
chính xác rất cao đảm bảo loại bỏ các nhiễu tiền định và nhiễu ngẫu nhiên…
Đề tài: “Nghiên cứu ứng dụng điều khiển mờ thích nghi cho bộ thí

Việc tổng hợp các hệ điều khiển kinh điển có thể chia thành 2 loại: Tổng
hợp hệ điều khiển tuyến tính và hệ điều khiển phi tuyến.
1.1.1 Tổng hợp bộ điều khiển tuyến tính
Các bộ điều chỉnh PID tuyến tính (Bao gồm P, PI, PD và PID) đã đƣợc
nghiên cứu và phát triển tới mức hoàn thiện. Để xác định thông số tối ƣu (Kp,
Ki,Kd) của PID ta có thể dùng phƣơng pháp môdul tối ƣu, phƣơng pháp
môđul đối xứng và các phần mềm chuyên dụng (ví dụ MATLAB) để tự động
2
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

xác định tối ƣu các thông số PID. Đặc điểm của các phƣơng pháp này là cần
phải biết chính xác mô hình của đối tƣợng.
1.1.2 Tổng hợp hệ điều khiển phi tuyến
Thực tế các hệ thống và các đối tƣợng vật lý ít nhiều đều có tính phi
tuyến, chúng chỉ tuyến tính trong 1 vùng làm việc nào đó. Vì vậy việc nghiên
cứu tổng hợp hệ phi tuyến có ý nghĩa thực tiễn và phổ biến. Các phƣơng pháp
phân tích và tổng hợp hệ phi tuyến không tiến bộ nhanh nhƣ hệ tuyến tính và
hiện nay còn đang trong giai đoạn phát triển. Hệ phi tuyến có những đặc điểm
riêng khác hẳn hệ tuyến tính, ví dụ tính tạo tần, tính phi tuyến, hệ phi tuyến
không tuân theo tính chất xếp chồng. Vì vậy để phân tích và tổng hợp hệ phi
tuyến ta phỉa dùng các phƣơng pháp gần đúng, các phƣơng pháp gần đúng
thƣờng dùng là:
- Phƣơng pháp tuyến tính hoá gần đúng: nó đƣợc áp dụng cho các hệ
gần tuyến tính, lúc đó sai lệch so với tuyến tính không quá lớn. Khi hệ thống
làm việc ở lân cận một điểm nào đó ta có thể coi vùng làm việc đó của hệ là
tuyến tính.
- Phƣơng pháp tuyến tính hoá điều hoà : là phƣơng pháp khảo sát hệ
thống trong miền tần số gần giống với tiêu chuẩn Naiquyt. Phƣơng pháp này
còn đƣợc gọi là phƣơng pháp hàm mô tả.Việc dùng hàm mô tả là một cố gắng
để mở rộng gần đúng hàm truyền của hệ tuyến tính sang hệ phi tuyến.

ra trong thực tế. Tuy nhiên chất lƣợng của hệ thống cũng chỉ đạt đƣợc ở mức
độ khiêm tốn, nhất là đối với hệ phi tuyến. Với sự ra đời của các lý thuyết
điều khiển hiện đại nhƣ điều khiển mờ, điều khiển thích nghi, mạng nơron
đã tạo điều kiện thuận lợi để các nhà kỹ thuật nghiên cứu ứng dụng nhằm
4
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

ngày càng nâng cao chất lƣợng của hệ thống điều khiển tự đông, nhất là đối
với các hệ thống lớn, hệ có tính phi tuyến mạnh và khó mô hình hoá.

1.2 LOGIC MỜ VÀ ĐIỀU KHIỂN MỜ
1.2.1 Giới thiệu
1.2.1.1 Lịch sử ra đời và phát triển
Từ năm 1965 đã ra đời một lý thuyết mới đó là lý thuyết tập mờ (Fuzzy
set theory) do giáo sƣ Lofti A. Zadeh ở trƣờng đại học Califonia-Mỹ đƣa ra.
Từ khi lý thuyết đó ra đời nó đƣợc phát triển mạnh mẽ qua các công trình
khoa học của các nhà khoa học nhƣ: Năm 1972 GS Terano và Asai thiết lập ra
cơ sở nghiên cứu hệ thống điều khiển mờ ở Nhật, năm 1980 hãng Smith Co.
bắt đầu nghiên cứu điều khiển mờ cho lò hơi Những năm đầu thập kỷ 90
cho đến nay hệ thống điều khiển mờ và mạng nơron (Fuzzy system and neural
network) đƣợc các nhà khoa học, các kỹ sƣ và sinh viên trong mọi lĩnh vực
khoa học kỹ thuật đặc biệt quan tâm và ứng dụng trong sản xuất và đời sống.
Tập mờ và Lôgic mờ đã dựa trên các thông tin “không đầy đủ” về đối tƣợng
để điều khiển đầy đủ về đối tƣợng một cách chính xác.
Trong những năm gần đây lý thuyết tập mờ đã đƣợc ứng dụng rất rộng
rãi trong nhiều lĩnh vực nhƣ: các đồ vật dân dụng (điều hoà, máy giặt ), điều
khiển nhiệt độ, điều khiển trong giao thông vận tải, chẩn đoán và điều trị bệnh
trong y học v.v Các vi mạch chuyên dụng của điều khiển mờ cũng đã đƣợc
chế tạo và ngày càng hoàn thiện.
Điểm mạnh cơ bản của điều khiển mờ so với kỹ thuật điều khiển kinh

6
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu 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 ngƣời để đạt 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 một bộ điều khiển logic mờ thƣờng là trạng thái,
sai lệch trạng thái, đạo hàm sai lệch trạng thái, tích phân sai lệch v.v
Số lƣợng các tập mờ là trọng tâm cần lƣu ý khi thiết kế hệ điều khiển
logic mờ. Trong một miền giá trị ta có thể chọn số tập mờ khác nhau, thông
thƣờng miền giá trị mờ đầu vào đƣợc chia thành nhiều tập mờ gối lên nhau.
Thƣờng ngƣời ta chia số tập mờ từ 3 đến 9 giá trị, số lƣợng các tập mờ đầu
vào xác định số lƣợng lớn nhất các luật điều khiển mờ trong hệ điều khiển
logic mờ.
Khối hợp thành có nhiệm vụ đƣa vào tập mờ đầu vào ( trong tập cơ sở U )
và tập các luật mờ ( do ngƣời thiết kế lập 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 nguyên lý logic mờ đƣợc 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
Khối mờ
hoá
Khối hợp

và V R. Nếu hệ có m đầu ra từ y
1
, y
2
, ,y
n
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 x
1
là A
n
1
Và Và x
n
là A
n
1
Thì y là B
1
(1.1)
Trong đó A
i
1
là B
1
là các tập mờ trong U

1.2.2 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 phƣơng trình đại số (tuyến tính hoặc phi tuyến). Các bộ ĐK
tĩnh điển hình là bộ khuếch đại P, bộ điều khiển relay hai vị trí, ba vị trí…
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 đƣợc chất lƣợng điều khiển.
Bộ điều khiển mờ tĩnh có ƣu điểm là đơn giản, dễ thiết kế, song nó có
nhƣợc điểm là chất lƣợng điều khiển không cao vì chƣa đề cập đến các trạng
động ( vân tốc, gia tốc ) của quá trình, do đó nó chỉ đƣợc sử dụng trong các
trƣờng hợp đơn giản.
1.2.3 Bộ điều khiển mờ động
Bộ điều khiển mờ động là bộ điều khiển mờ mà đầu vào có xét tới các
trạng thái động của đối tƣợng. 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 với các
biến động đột xuất cuả đối tƣợng.
9
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

Các bộ điều khiển mờ động hay đƣợc 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 PI).
Một bộ điều khiển mờ theo luật I có thể thiết kế từ một bộ mờ theo luật P
(bộ điều khiển mờ tuyến tính) bằng cách mắc nối tiếp một khâu tích phân kinh
điển vào trƣớc hoặc sau khối mờ đó. Do tính phi tuyến của hệ mờ, nên việc
mắc khâu tích phân trƣớc hay sau hệ mờ hoàn toàn khác nhau (Hình 1.2 a,b).

Bộ điều
khiển mờ

E
Hình 1.2 (a,b): Hệ điều khiển mờ theo luật PI
-
Đối tƣợng

Bộ điều
khiển mờ E

(b)
10
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

Trong kỹ thuật điều khiển kinh điển, bộ điều khiển PID đƣợc biết đến nhƣ
là một giải pháp đa năng và có miền ứng dụng rộng lớn. Định nghĩa về bộ
điều khiển theo luật PID kinh điển trƣớc đây vẫn có thể sử dụng cho một bộ
điều khiển mờ theo luật PID. Bộ điều khiển mờ theo luật PID đƣợc thiết kế
theo hai thuật toán:
- Thuật toán chỉnh định PID
- Thuật toán PID tốc độ.

dt
d
K
dt
du
2
2
I
(1.7)
Do trong thực tế thƣờng có một hoặc hai thành phần trong (1.6), (1.7)
đƣợc bỏ qua nên thay vì thiết kế một bộ điều khiển PID hoàn chỉnh ngƣời ta
lại thƣờng tổng hợp các bộ điều khiển PI hoặc PD
Bộ điều khiển PID mờ đƣợc 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 phân
(hình 1.4).

E
E’
Đối tƣợng dt
d

I

Bộ điều
khiển mờ
Hình 1.4: Hệ điều khiển mờ PID
11

e(t)
Hình 1.5 các vùng tác động của FLC và PID
FLC
PID
Đối tƣợng
dt
d

u
y
12
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu
Sự chuyển đổi giữa các vùng tác động của FLC và PID có thể thực hiện
nhờ khoá mờ hoặc dùng chính FLC. Nếu sự chuyển đổi dùng FLC thì ngoài
nhiệm vụ là bộ điều chỉnh FLC còn làm nhiệm vụ giám sát hành vi của hệ
thống để thực hiện sự chuyển đổi. Việc chuyển đổi tác động giữa FLC và PID
có thể thực hiện nhờ luật đơn giản sau:
if e(t) dƣơng lớn và
)t(e

dƣơng lớn thì u là FLC
if e(t) dƣơng nhỏ và
)t(e

dƣơng nhỏ thì u là PID
Để thực hiện chuyển đổi mờ giữa các mức FLC
và bộ chuyển đổi PID, ta có thể thiết lập nhiều bộ

dt)t(e
t
0
Di
K
(1.10)
Nhƣ vậy các hệ số của bộ điều chỉnh PID mới phụ thuộc các tín hiệu đầu
vào, tổng quát hơn là phụ thuộc vào trạng thái của hệ. Nếu coi các hệ số K
Pi
,
e’(t)
PID
2PID
1
PID
3

Hình 1.6 Vùng tác
động của các bộ điều
chỉnh PID

e’(t)
13
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

K
Di

Hệ mờ hàm tính hệ số K
I
với hệ luật:
Ru(i): if ER is E
P
and CER is CE
q
then K
i
I
= K
Ii
(.)
Khi các hệ số K
Pi
, K
Di
và K
Ii
đƣợc mờ hoá bởi các tập mờ, có thể xem
nhƣ hệ lúc đó gồm 3 tập mờ chuẩn đối với các hệ số K
Pi
, K
Di
và K
Ii
. Trong
trƣờng hợp này, các hệ số của bộ điều chỉnh PID mới có thể tính nhƣ sau:
K
PN

y
Di
,
y
Ii
tƣơng ứng là tâm các tập mờ của hệ số K
Pi
, K
Di

và K
Ii
đƣợc mờ hoá.
1.2.5 Nhận xét
Qua nghiên cứu ta nhận thấy rằng bộ điều khiển mờ có tính phi tuyến
mạnh, khả năng chống nhiễu cao, nó rất phù hợp với hệ có tính phi tuyến, phụ
thuộc thời gian, có tham số rải và thời gian trễ lớn. Hiện nay việc thiết kế bộ
điều khiển mờ còn phụ thuộc rất nhiều vào kinh nghiệm vận hành hệ thống và
kiến thức chuyên gia mà chƣa có đƣợc những phƣơng pháp chuẩn hoá để thiết
kế bộ điều khiển mờ.
1.3 ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI
1.3.1 Giới thiệu
Lý thuyết điều khiển thích nghi ra đời từ những năm 50 của thế kỷ 20 và
đã đƣợc hình thành nhƣ một môn khoa học, từ tƣ duy trở thành hiện thực, từ
cách giải quyết những vấn đề cơ bản trở thành bài toán tổng quát, từ vấn đề về
14
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

sự tồn tại và khả năng có thể giải quyết đến những áp dụng định hƣớng xuất
phát từ tính bền vững và chất lƣợng.

đặt trước IP
*

Nhiễu
biết trước
Tín hiệu vào
Hệ thống
điều chỉnh
Cơ cấu
thích nghi
So sánh
Đo lƣờng theo
tiêu chuẩn IP
Hình 1.7: Cấu trúc cơ bản của hệ thống thích nghi
15
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

Mạch vòng thích nghi thông qua cơ cấu thích nghi để điều khiển thông số
của hệ thống điều chỉnh, hay thay đổi các đầu vào theo cơ cấu thích hợp để
tiêu chuẩn đặt trƣớc IP
*
và tiêu chuẩn IP có sai lệch nhỏ nhất.
Cấu trúc của hệ thống thích nghi gồm ba khâu cơ bản:
Đo lƣờng theo tiêu chuẩn IP nào đó.
Khâu so sánh.
Cơ cấu thích nghi.
Các chỉ tiêu IP có thể là: Các chỉ số tĩnh, các chỉ số động, các chỉ số

Điều chỉnh hệ số
khuyếch đại
Đối tƣợng
16
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

Kiểu thứ hai, điều khiển theo mô hình mẫu: hay dùng trong điều
khiển động cơ, hệ servo Bộ điều chỉnh gồm hai mạch vòng: Mạch vòng
trong là mạch vòng cơ bản. Các thông số của bộ điều chỉnh đƣợc hiệu chỉnh nhờ mạch vòng ngoài
dựa trên cơ sở sai số giữa mô hình mẫu Y
m
và quá trình Y. Vấn đề là xác
định cơ cấu hiệu chỉnh này sao cho ổn định và sai số tiến về bằng 0. Đây
không phải là vấn đề đơn giản, thông thƣờng không thể bằng các mạch tuyến
tính theo sai số của các thông số. (Hình 1.9)
Kiểu thứ 3, các bộ tự chỉnh (hình 1.10) bộ điều chỉnh gồm hai mạch vòng.
Mạch vòng trong là mạch vòng cơ bản. Các thông số của bộ điều chỉnh đƣợc
hiệu chỉnh nhờ mạch vòng ngoài. Mạch này gồm hệ đánh giá thông số (Hệ
quan sát) và hệ tính toán thiết kế. Hệ tự chỉnh có nhiều phƣơng pháp thiết kế
trên cơ sở biến đổi pha, biên độ, phân bố cực Hình 1.18 cũng đƣợc xem
nhƣ có mô hình ẩn.

của quá trình
Tính toán
thiết kế
Tín hiệu
chủ đạo
Tín hiệu ra
17
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu
1.3.2 Tổng hợp hệ điều khiển thích nghi trên cơ sở lý thuyết tối ƣu cục
bộ (Phƣơng pháp Gradient)
Khảo sát một hệ thống bậc hai: Sử dụng cấu trúc mô hình mẫu song
song với hệ điều chỉnh. Hình 1.11

Mô hình mẫu cho bởi phƣơng trình:
( 1 + a
1
p + a
2
p
2
) Y
m
= b
0

hai phần:
Một phần b
0
là chuẩn và một phần điều chỉnh do cơ cấu thích nghi. Ở
đây ta cần điều chỉnh
b
ˆ
0
( , t) để hội tụ về b
0
.
Hàm mục tiêu của việc điều chỉnh này là hàm cực tiểu (1.29):

dt)t(
2
1
dt)t,(L
2
1
)IP(
tt
t
2
tt
t
k
k
k
k
Min (1.29)

chỉnh, phụ thuộc gián tiếp vào sai lệch b
0
-
b
ˆ
0
( , t)
Áp dụng phƣơng pháp Gradient, ta tìm luật thích nghi cơ bản:

0
0
b
ˆ
)]IP[(
K)IP(Kgrad)t,(b
ˆ
(1.30)
Trong đó: +
0
b
ˆ
: Chỉ rõ luật thay đổi
0
b
ˆ
( , t).
+ K: Hệ số thích nghi có giá trị dƣơng.
Tƣơng ứng có tốc độ thay đổi của thông số điều chỉnh
0
b

)t,(L
K
2
1
dt
b
ˆ
d
(1.32)
Luật thích nghi (1.32) đƣợc gọi là luật MIT.
Để xác định cơ cấu thích nghi, ta đạo hàm = Y
m
- Y
s
theo
0
b
ˆ
:

0
s
0
s
0
m
0
b
ˆ
Y

0
s
b
ˆ
Y
Là hàm độ nhạy của hệ điều chỉnh đối với thông số
0
b
ˆ
.
19
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

Lấy đạo hàm riêng hai vế của phƣơng trình (1.28) theo b
0
ta có:

0
s
2
0
s
1
0
s
b
ˆ
Y
a
b

b
ˆ
Y
t
a
b
ˆ
Y

(1.36)
Viết gọn lại ta đƣợc:

u
b
ˆ
Y
)papa1(
o
s
2
21
(1.37)
So sánh phƣơng trình (1.37) với phƣơng trình (1.27) ta rút ra:

0
M
o
s
b
Y

0
(K > 0)
Trƣờng hợp tổng quát, ta có mô hình mẫu cho bởi phƣơng trình:

m
0j
j
jm
n
0i
i
i
p)t,(bYpa
(1.41)
Đối tƣợng điều khiển đƣợc biểu diễn bởi phƣơng trình:

m
0j
j
js
n
0i
i
i
p)t,(b
ˆ
Yp)t,(a
ˆ
(1.42)