Nghiên cứu giải thuật bầy đàn và ứng dụng tìm thông số tối ưu cho bộ điều khiển
CHƯƠNG I
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1.1. Giới thiệu chung về động cơ một chiều
1.1.1. Cấu tạo động cơ điện một chiều
Cấu tạo của động cơ điện một chiều gồm hai phần chính là phần tĩnh (Stator) và phần động (Rotor).
Hình 1.1. Động cơ một chiều trong thực tế
Hình 1.2. Cấu tạo động cơ một chiều
1.1.2. Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều.
1.1.3. Phân loại động cơ điện một chiều
Động cơ điện một chiều kích từ độc lập
Học viên : Ngô Thị Kiều Oanh HDKH: PGS.TS. Lại Khắc Lãi
1
Nghiên cứu giải thuật bầy đàn và ứng dụng tìm thông số tối ưu cho bộ điều khiển
Động cơ điện một chiều kích từ song song
Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp
Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp
1.2. Các phương pháp điều khiển động cơ điện một chiều
•Điều chỉnh điện áp phần ứng
•Thay đổi giá trị điện trở phụ
•Điều chỉnh kích từ
1.3. Bộ điều khiển PID
1.3.1.1. Bộ điều khiển tỷ lệ (P)
1.3.1.2. Bộ điều khiển tích phân (I)
1.3.1.3. Bộ điều khiển vi phân (D)
1.3.2. Phương pháp điều chỉnh bộ PID
1.3.2.1. Phương pháp Ziegler- Nichols thứ nhất
Xác định thông số của bộ điều khiển PID dựa vào đáp ứng của hệ hở:
PID
§èi t îng
C(S)

1.2
T
T K
2T
1
0.5T
1
Bảng 1.1. Bảng tính các thông số PID theo Z- N
1
1.3.2.2. Phương pháp Ziegler- Nichols thứ hai
Học viên : Ngô Thị Kiều Oanh HDKH: PGS.TS. Lại Khắc Lãi
2
Nghiên cứu giải thuật bầy đàn và ứng dụng tìm thông số tối ưu cho bộ điều khiển
Phương pháp này thay bộ điều khiển PID trong hệ kín bằng bộ khuếch đại, sau đó tăng K cho đến khi hệ nằm
ở biên giới ổn định, tức là hệ kín trở thành khâu dao động điều hòa. Lúc này ta có K
gh
và chu kì của dao động
đó là T
gh
. Tham số cho bộ điều khiển PID chọn theo bảng sau:
Bộ điều khiển
p
K
I
T
D
T
P 0.5K
gh
∞

i
k
V
i
P
best
P
best
X
i
k+1
V
i
k+1
V
i
G
best
G
best
i
i
Hình 1.18: Sự cập nhật vị trí của mỗi cá thể trong quần thể
1.4.1.2. Thuật toán tối ưu ầy đàn PSO
*) Mô tả thuật toán PSO :
Bước 1: Khởi tạo
Học viên : Ngô Thị Kiều Oanh HDKH: PGS.TS. Lại Khắc Lãi
3
Nghiên cứu giải thuật bầy đàn và ứng dụng tìm thông số tối ưu cho bộ điều khiển
Chọn số N các cả thể (kích thước quần thể) với chỉ số đi từ 0 đến (N-1). Với mỗi cá thể i, khởi tạo

2.4. Cập nhật vận tốc V
i
theo công thức:
V
id
= V
id
+ c
1
r
1
(P
id
- X
id
) + c
2
r
2
(P
gd
- X
id
) (1.48)
Trong đó:
d = 0, 1, 2, , (D - 1)
i = 0, 1, 2, , (N - 1)
c
1
và c

Học viên : Ngô Thị Kiều Oanh HDKH: PGS.TS. Lại Khắc Lãi
4
Nghiên cứu giải thuật bầy đàn và ứng dụng tìm thông số tối ưu cho bộ điều khiển
2.1. Xây dựng mô hình toán động cơ một chiều
Ua
Ra Ra
Ub
Tm
Jm
Bm
θ
Ia
Hình 2.1. Sơ đồ nguyên lý động cơ điện một chiều
2.2. Xây dựng các khối mô phỏng động cơ một chiều trên Simulink của phần mềm Matlab
Mô hình động cơ một chiều trên Simulink
Hình 2.3. Mô hình động cơ một chiều trên Simulink khi đã thay số liệu
2.3. Xây dựng bộ điều khiển PID kinh điển điều khiển vị trí động cơ một chiều
Bộ điều khiển PID được dùng rộng rãi trong các ứng dụng điều khiển bởi vì thuật toán điều khiển
đơn giản và tiết kiệm về kinh tế.
Học viên : Ngô Thị Kiều Oanh HDKH: PGS.TS. Lại Khắc Lãi
5
Nghiên cứu giải thuật bầy đàn và ứng dụng tìm thông số tối ưu cho bộ điều khiển
Hình 2.4. Hệ thống điều khiển vị trí động cơ một chiều sử dụng bộ điều khiển PID
Kết luận chương II:
- Việc xây dựng được mô hình đối tượng nói chung và động cơ một chiều nói riêng trong đề tài giúp
các cán bộ kỹ thuật có thể kiểm tra các nguyên lý hoạt động, các đặc tính, các phương pháp điều khiển. Qua
đó kiểm chứng được tính khả thi của nghiên cứu, tiết kiệm về chi phí.
- Xây dựng bộ điều khiển vị trí động cơ sử dụng thuật toán Zigler – Nichols được xem là khá đơn
giản và hiệu quả, được sử dụng rộng rãi trong việc tổng hợp và xây dựng hệ thống điều khiển. Tuy nhiên
nhược điểm của phương pháp này là phải bằng thực nghiệm do tìm các tham số tối ưu. Mỗi lần tham số của

k
với giá trị ngẫu nhiên cho mỗi cá thể thứ i trong quần
thể.
• Bước 3: Đánh giá hàm đối tượng và ghi lại các giá trị Pik và Gik của mỗi cá thể. Đánh giá hàm mục
tiêu trong không gian d.
• Bước 4. So sánh hàm mục tiêu của mỗi cá thể với giá trị Pik và cập nhật giá trị tốt nhất của mỗi cá
thể.
• Bước 5. Cập nhật vị trí và vận tốc của mỗi cá thể theo biểu thức 3.1 và 3.2
• Bước 6. Lặp lại từ bước 2 đến bước 5 cho tới khi đủ số lần lặp n. Ghi lại các giá trị tối ưu Kp và Kd.
• Bước 7. Chạy và kiểm tra mô hình hệ thống trên Simulink với các tham số tối ưu của bộ điều khiển
PID.
3.2. Lập trình tìm tham số bộ điều khiển PID bằng giải thuật bầy đàn
Dưới đây là chương trình được viết trên m_file của phần mềm matlab:
%% Toi uu tham so bo dieu khien PID bang giai thuat bay dan
%% Chuong trinh duoc xay dung boi Ngo Thi Kieu Oanh
%% Email: [email protected]
%% Dien thoai: 0948110966
%% Khoi tao cho PSO
clc
clear all
Học viên : Ngô Thị Kiều Oanh HDKH: PGS.TS. Lại Khắc Lãi
7
Nghiên cứu giải thuật bầy đàn và ứng dụng tìm thông số tối ưu cho bộ điều khiển
n = 50; % Kich thuoc quan the
Kmax =150; % So buoc lap
d = 2; % So chieu khong gian tim kiem
c2 =1.2; % Tham so C1 (He so gia toc)
c1 = 0.12; % Tham so C2
w =0.9; % Trong so quan tinh
f=0*ones(n,Kmax) % Ham muc tieu

Học viên : Ngô Thị Kiều Oanh HDKH: PGS.TS. Lại Khắc Lãi
8
Nghiên cứu giải thuật bầy đàn và ứng dụng tìm thông số tối ưu cho bộ điều khiển
[fcgb,g] = min(flb); % fcgb: Muc tieu tot nhat hien tai cua
%ca the trong quan the

if fcgb < fgb
fgb = fcgb; % Muc tieu tot nhat cua ca the trong quan the

for i=1:n
Gbest(:,i) = Pbest(:,g);
end
end
Vik = w *Vik + c1*(R1.*(Pbest-Xik)) + c2*(R2.*(Gbest-Xik));
Xik = Xik + Vik;

sprintf('Buoc lap thu %3.0f ', J )

end % Ket thuc vong lap while

xx=f(:,50);
[Y,I] = min(xx);
Xik(:,I);
Kp = Xik(1)
Kd = Xik(2)
3.3. Xây dựng mô hình hệ thống điều khiển vị trí động cơ điện một chiều trên Matlab – Simulink
Mô hình hệ thống điều khiển trên Simulink như hình vẽ dưới đây:
Học viên : Ngô Thị Kiều Oanh HDKH: PGS.TS. Lại Khắc Lãi
9
Nghiên cứu giải thuật bầy đàn và ứng dụng tìm thông số tối ưu cho bộ điều khiển

0
0.5
1
1.5
2
2.5
t(s)
W(rad/s)
Hình 4.3. Đáp ứng tốc độ góc với tín hiệu hàm bước nhảy
Học viên : Ngô Thị Kiều Oanh HDKH: PGS.TS. Lại Khắc Lãi
12
Nghiên cứu giải thuật bầy đàn và ứng dụng tìm thông số tối ưu cho bộ điều khiển
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
-0.1
-0.05
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0.4
t(s)
Ia(A)Ia
Hình 4.4. Dòng điện phần ứng động cơ trong quá trình làm việc
Toc do goc
Hình 4.6. Đáp ứng tốc độ góc với tín hiệu đặt dạng xung
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
-0.3
-0.2
-0.1
0
0.1
0.2
0.3
0.4
Ia(A)
t(s)Ia
Hình 4.7. Dòng điện phần ứng động cơ khi tín hiệu đặt dạng xung
Nhận xét về các chỉ tiêu chất lượng của hệ thống:
Thời gian xảy ra quá độ nhanh:
1,6( )
d
t s
q
=
Học viên : Ngô Thị Kiều Oanh HDKH: PGS.TS. Lại Khắc Lãi
14
Nghiên cứu giải thuật bầy đàn và ứng dụng tìm thông số tối ưu cho bộ điều khiển
Lượng quá điều chỉnh:

4
6
8
Buoc lap Kmax
Kp; Kd
Toi uu tham so bo dieu khien PID bang thuat toan PSO
Kd
Kp
Hình 4.8: Độ hội tụ của các tham số Kp, Kd khi sử dụng giải thuật bầy đàn
Học viên : Ngô Thị Kiều Oanh HDKH: PGS.TS. Lại Khắc Lãi
15
Nghiên cứu giải thuật bầy đàn và ứng dụng tìm thông số tối ưu cho bộ điều khiển
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
t(s)
Theta(rad)
Hình 4.9 : Đáp ứng vị trí của hệ khi tín hiệu vào là hàm bước nhảy
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
-0.2
0
0.2
0.4
0.6

t(s)
Theta(rad)Vi tri dat
Vi tri bam
Hình 4.12. Vị trí bám của đối tượng
Học viên : Ngô Thị Kiều Oanh HDKH: PGS.TS. Lại Khắc Lãi
17
Nghiên cứu giải thuật bầy đàn và ứng dụng tìm thông số tối ưu cho bộ điều khiển
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
t(s)
W(rad/s)Toc do goc
Hình 4.13. Đáp ứng tốc độ góc với tín hiệu đặt dạng xung
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
-0.02

Sai lệch tĩnh:
10 9,99
% .100 0,1%
10
yc
xl
yc
S
t
θ θ
θ
−
−
= = =
Dòng điện khởi động ứng với tín hiệu đặt là 0,1047 A, thời gian xác lập là 4s
4.2. So sánh hai phương pháp tổng hợp bộ điều khiển PID
Phương pháp Kp Kd
Lượng quá
điều chỉnh
Sai lệch tĩnh
(%)
Thời gian quá
độ (s)
Ziegler-Nichols 5 0,4 0,4 0,5 1,6
PID-PS0 1,2888 2,2992 0 0,1 1,7
Bảng 4.1 So sánh các chỉ tiêu chất lượng của hai phương pháp tổng hợp bộ PID
Kết luận chương 4:
Qua kiểm nghiệm bằng việc mô phỏng hệ thống trên phần mềm Matlab-Simulink ta rút ra các kết
luận sau:
-Cả hai phương pháp tổng hợp bộ điều khiển đều tương đối đơn giản.

Encorder
Arduino
H-Bridge
21
Nghiên cứu giải thuật bầy đàn và ứng dụng tìm thông số tối ưu cho bộ điều khiển
Hình 5.7. Kết quả trên mô hình thực
Nhận xét: Tín hiệu thu được từ mô hình mô phỏng và mô hình thực có sự sai khác. Nguyên nhân
do bộ nguồn cho mạch không ổn định; trong quá trình làm việc, các linh kiện trong mô hình có ssự
tỏa nhiệt, có sự trôi tín hiệu; do nhiễu
Học viên : Ngô Thị Kiều Oanh HDKH: PGS.TS. Lại Khắc Lãi
22
Nghiên cứu giải thuật bầy đàn và ứng dụng tìm thông số tối ưu cho bộ điều khiển
CHƯƠNG VI
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI
* Kết luận:
Đề tài: "Nghiên cứu giải thuật bầy đàn và ứng dụng tìm thông số tối ưu cho bộ điều khiển"
đã đạt được một số kết quả như sau:
1.Đánh giá tổng quan về các phương pháp tổng hợp bộ điều khiển PID
2.Mô hình hóa động cơ một chiều trên phần mềm Matlab-Simulink
3.Ứng dụng giải thuật bầy đàn để xác định thông số tối ưu của bộ điều khiển PID.
4.Xây dựng được mô hình thực nghiệm đáp ứng yêu cầu của bài toán.
Các kết quả nghiên cứu cho thấy giải thuật tối ưu bầy đàn có thể áp dụng cho nhiều bài
toán tối ưu khác nhau. Tuy nhiên hạn chế của thuật toán là với các đối tượng phức tạp, có nhiều
yếu tố ảnh hưởng thì số bước lặp của thuật toán tăng, thời gian tính toán khá lớn.
* Hướng phát triển của đề tài:
1. Giải quyết bài toán tìm tham số tối ưu cho bộ điều khiển ứng dụng cho các đối tượng có sự
thay đổi tham số mạnh trong quá trình làm việc.
2. Cải tiến thuật toán tối ưu bầy đàn nhằm xác định nhanh nghiệm tối ưu với các bài toán
chứa nhiều tham số.
3. Triệt tiêu nhiễu tác động trong quá trình làm việc.