88 Duc-Cuong Quach, Quan Yin, Chunjie Zhou, Vu-Thinh Doan VCM2012
Thiết kế bộ điều khiển mờ thích nghi trực tiếp cho hệ điều
khiển vị trí DC servo có mô hình chưa xác định chính xác sử
dụng vi điều khiển dsPIC
Design a Direct Adaptive Fuzzy controller for an uncertain DC
servo postion control system using dsPIC microcontroller
Duc-Cuong Quach
1,2
, Quan Yin
1
, Chunjie Zhou
1
, Vu-Thinh Doan
2
1
Department of Control Science and Engineering, Huazhong University of Science and Technology,
Wuhan, 430074, P.R. China
2
Trường ĐH Nha Trang
e-Mail: [email protected]

Tóm tắt
Bài báo đưa ra vấn đề sử dụng thuật toán điều khiển mờ thích nghi trực tiếp (DAF - Direct Adaptive Fuzzy
algorithm) để điều khiển vị trí động cơ DC servo. Dựa trên nguyên lý ổn định Lyapunov, bộ điều khiển DAF
được thiết kế khi chưa biết tham số động cơ DC, điều mà có thể xảy ra trong thực tế, vì nhiều trường hợp các
tham số của hệ không thể xác định chính xác và thay đổi theo thời gian do điều kiện làm việc và quá trình lão
hóa của hệ thống. Trong những tình huống trên, bộ điều khiển PI/PID truyền thống khó có thể đáp ứng được
các yêu cầu điều khiển chất lượng cao, vấn đề này sẽ được giải quyết bằng phương thức điều khiển DAF. Từ

t
Nm/A hệ số mô men động cơ
K
f
Nm.s/rad hệ số ma sát trục động cơ
J Kgm
2
mô men quán tính của hệ
i A dòng điện động cơ
U V điện áp phần ứng động cơ E V điện áp nguồn cấp
T
E
, T
L

Nm mô men điện, mô men tải
w

rad/s vận tốc góc
f

rad
góc vị trí rotor
x

,
( )

1. Giới thiệu chung
Trong hệ thống tự động hóa truyền động điện công
nghiệp, ngoài yêu cầu điều khiển tốc độ, lĩnh vực
điều khiển vị trí cũng chiếm một vai trò hết sức
quan trọng. Ta có thể thấy điều khiển vị trí xuất
hiện trong các hệ thống thiết bị như: tay máy, rô
bốt, các máy CNC… Những hệ thống điều khiển
vị trí này thường dùng động cơ DC, AC và động
cơ bước. Mặc dù động cơ AC với nguyên lý điều
khiển tựa hướng từ trường FOC, động cơ bước với
kỹ thuật điều khiển vi bước được phát triển nhiều
trong hệ điều khiển vị trí. Tuy nhiên trên thực tế hệ
truyền động vị trí sử dụng động cơ DC vẫn được
dùng rộng rãi [1-6], [8] vì nó có đặc tính điều
khiển tốt, dải công suất và điện áp nguồn rộng phù
hợp với nhiều ứng dụng khác nhau. Đặc biệt ở các
hệ truyền động công suất nhỏ và điện áp thấp,
động cơ DC tỏ ra rất linh hoạt và có nhiều ưu điểm
so với động cơ AC.
Trước đây các hệ thống điều khiển DC servo thông
thường sử dụng bộ điều khiển PID hoặc cấu trúc
điều khiển hai mạch vòng PI [1]. Những giải thuật
điều khiển truyền thống này có ưu điểm dễ thực
hiện, cho kết quả điều khiển tốt nếu như mô hình
toán học của hệ thống tuyến tính và có các thông
số xác định chính xác [5], [7]. Tuy nhiên trong
thực tế đa phần các hệ thống truyền động điện
không tuyến tính trên toàn bộ điểm làm việc [4], ví
dụ khi động cơ hoạt động trong vùng dòng điện
không liên tục, vùng bão hòa từ đồng thời các

dsPIC, phần 5 kết quả thực nghiệm và cuối cùng
kết luận sẽ được đưa ra trong phần 6.
u
( )
t

 


H. 1 Hệ thống điều khiển vị trí DC motor sử dụng bộ điều khiển DAF

2. Mô hình hệ thống
2.1 Hệ thống điều khiển vị trí DC servo
Mô hình hệ thống bao gồm động cơ DC và bộ điều
khiển DAF như trên H.1. Đây là hệ thống SISO
với tín hiệu vào là vị trí yêu cầu y
m
và tín hiệu ra
góc quay y của trục động cơ. Đối tượng điều khiển
bao gồm bộ băm áp cầu H có nguồn nuôi là E kết
nối với động cơ DC. Trong sơ đồ mạch sử dụng
một khối R-L block để tạo ra các mô hình có điện
trở và điện cảm khác nhau. Bộ điều khiển DAF cài
đặt trên dsPIC sẽ đọc tín hiệu phản hồi góc quay từ
encoder và ước lượng giá trị PWM tối ưu để điều
khiển góc quay động cơ bám theo tín hiệu vị trí
yêu cầu y
m
.


E f L
T J K T
w w

  
(4)
E t
T K i

(5)
f w


(6)
Trong đó R, L, K
b
và K
t
lần lượt là điện trở, điện
cảm, hệ số từ thông và hệ số mô men của động cơ.
K
f
và J là hệ số ma sát và mô men quán tính của hệ
truyền động. Khi thiết kế bộ điều khiển tổng quát,
các tham số này được xem như chưa xác định.
, ,
f w
i,T
E
và T

 
 

 
 
 
 
 
 
 

 
 
 
 
 



 
 
 
 
 
 
 
(7)
T
0
+E


 







  









(8)

3. Thiết kế giải thuật điều khiển DAF
Để thuận tiện trong các phép biến đổi toán học, đặt
1 2
[ , ] [ , ] [ , ]
T T T
x x x xx
f f
 
   và chuyển phương


( ) 0
f b t
RK K K
f x x
JR
x


  
Giá trị điều khiển tối ưu xác định từ công thức (9).

 
*
2
1
( )
u x f
b
x

 

 
*
1
( )
u x f
b
x

  
(11)
Ma trận đặc tính của sai số.

2 1
0 1
k k
A
 
 

 
 
 

Trong đó hệ số k
i
(i = 1÷2) là hằng số dương chưa
xác định. Để hệ thống ổn định thì phương trình
(11) phải ổn định tương đương với
A
phải là ma
trận ổn định. Từ công thức (11).
1 2
m
e y y k e k e
   
    
(12)
Với

*
1
( )
T
m
u y f
b
k e x

   (14)
Trong công thức (14) vector
2 1
[ , ]
T
k k
k  được lựa
chọn cho phù hợp với yêu cầu đặc tính hội tụ về 0
của sai số e. Bộ điều khiển DAF được thiết kế cho
một hệ DC servo tổng quát nên các thông số như
R,K
f
, J… xem như chưa xác định, dẫn tới
hàm
( )
f
x
và hệ số b chưa biết. Chính vì vậy giá trị
Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6 91
ij ij
u
q


Trong đó SP
i
(1 ≤ i ≤ m) và SV
j
(1 ≤ j ≤ n) lần lượt
là các tập mờ của biến x
1
và x
2
được mờ hóa bởi
các hàm thuộc
1
x
i
m
và
2
x
j
m
. Sử dụng luật hợp thành
tích, mờ hóa singleton, giải mờ theo phương pháp
trung bình trọng số, ta có giá trị đầu ra của hệ mờ
theo (15).
1 2

q q q


* * *
1 2
( ) [ , , , ]
T
m n
ξ x
x x x




Trong đó
*
( ( 1))
i m j ij
q q
 
 ;
1 2
1 2
*
( ( 1))
1 1
x x

xấp xỉ u
*
và hệ thỏa mãn tiêu chuẩn ổn
định Lyapunov, thì vector
θ
được cập nhật theo
phương trình (17).
2
( )
T
d
dt
θ
e p ξ
x
g (17)
Trong đó
g
là hằng số cập nhật dương, p
2
là cột
cuối của ma trận P
2x2
với P thỏa mãn phương trình
Lyapunov (18).
T
A P PA Q
 
(18)
Q là ma trận đối xứng xác định dương.

dòng điện CSNE151-100 được nối vào kênh
ADC0 của dsPIC để quan sát tải động cơ.
 DC motor và drive: Bộ băm áp sử dụng cầu H
toàn phần với mosfet IRF460. IRF460 được
cách ly với dsPIC qua opto TLP250. Điện áp
nguồn E có thể thay đổi từ 0 đến 30VDC.

4.2 Thực hiện bộ điều khiển DAF
Bộ điều khiển DAF thiết kế điều khiển vị trí DC
servo trong phạm vi góc -2  2 được cấu hình
như sau:
 Cấu hình bộ fuzzy logic: Hệ thống mờ T-S bao
gồm 2 đầu vào (xem H.1): vị trí góc
f
và vận
tốc góc
f

lần lượt được ký hiệu bởi x
1
và x
2
.
92 Duc-Cuong Quach, Quan Yin, Chunjie Zhou, Vu-Thinh Doan VCM2012
Tất cả các biến đều được mờ hóa bằng 5 tập
mờ dạng tam giác cân như trên H.4.
2

1
2
x

1
3
x

1
4
x

1
5
x

( )
4000
rad


1
x

H. 4 Dạng tập mờ đầu vào của 2 biến x
1
, x
2

 Giá trị góc x

( ( ) | ( )) ( ) ( ( ))
T
u k k k k
x θ θ ξ x (19)
 Cập nhật luật thích nghi: Luật thích nghi sẽ
cập nhật giá trị phần tử
*
l
q
của vector
θ
theo
phương trình rời rạc (20)
* *
2
* * *
( ) ( ) ( ( ))
( 1) ( ) ( )
T
l l
l l l
k k k
k k k
e p xq g x
q q q


 




 

5( 1)
l i j
  

Trong quá trình thực nghiệm, các giá trị tham số
của bộ điều khiển DAF được cài đặt như sau:
g
=
3, A = [0, 1; -50, -10] nên k = [50, 10]T, chọn ma
trận Q = [100, 0; 0, 100] từ phương trình (18) có
giá trị P = [265, 1; 1, 5.1], nên p2 = [1; 5.1]. Giải
thuật điều khiển DAF và giản đồ thời gian hệ
thống thể hiện trên H.5 và H.6.
( ( 1) | ( 1)) 2047
u k k
   
x θ
( ), ( )
k k
e x
1 2
( ), ( ), ( ( ))
x x
i j
k k k
 
ξ x

H. 7 Mô hình hệ thống thực nghiệm
H. 8 Đáp ứng bám theo góc yêu cầu và sai số
trong trường hợp vận tốc góc của tín hiệu
đặt là hằng số và động cơ chạy ở chế độ
không tải

Trên H.8 đáp ứng vị trí góc bám theo tín hiệu đặt
trước với sai số trong vùng ổn định vào khoảng
±0.004rad. Tại các thời điểm vận tốc góc thay đổi
đột ngột (t = 0.0, 0.25, 0.5, 0.75, 1.0 và 1.5 sec) sai
số tăng đột biến và giá trị sai số này tỷ lệ thuận với
vận tốc góc tại đó. Khi vị trí yêu cầu y
m
biến đổi
dao động với tần số và biên độ không cố định, đáp
ứng góc ra y vẫn bám theo giá trị góc yêu cầu
(xem trên H.9).

H. 9 Đáp ứng quá độ và sai số góc vị trí bám
theo tín hiệu analog có biên độ tần số giới
hạn
H. 10 Đáp ứng của hệ khi thông số đối tượng thay
đổi

H.10 thể hiện đáp ứng của hệ thống bám theo tín
hiệu từ mô hình mẫu G
ref

Dap ung toc do goc (rad/s)0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2
-0.2
-0.1
0
0.1
0.2
Thoi gian (sec)
Sai so vi tri (rad)Sai so ym(t)-y(t)
Toc do goc
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5
-40
-20
0
20
40
Thoi gian (sec)
Dap ung toc do goc (rad/s)0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5
-0.1
-0.05
0
0.05

4
4.5
Thoi gian (sec)
Dap ung vi tri goc quay khi thay doi thong so mo hinh (rad)Gia tri dat ym(t)
Truong hop 1, y1(t)
Truong hop 2, y2(t)
94 Duc-Cuong Quach, Quan Yin, Chunjie Zhou, Vu-Thinh Doan VCM2012
 Trường hợp 2: động cơ kéo máy phát (tăng mô
men quán tính gấp 2 lần so với trường hợp 1),
mạch phần ứng sử dụng khối R-L block với
điện trở 2 và điện cảm 10mH (xem H.1).
H. 11 Đáp ứng của hệ khi có tải đột ngột

Động cơ đang ở trạng thái giữ vị trí (tại t = 2.75
sec) thì xuất hiện xung lực tác động lên trục động
cơ (mô men tác động lớn gấp 1.55 lần mô men
định mức) (xem trên H.11). Hệ thống ổn định sau
tác động xung lực với độ vọt lố của vị trí là
0.22rad và thời gian quá độ là 0.1sec.
Từ các kết quả thực nghiệm trên, có thể nhận thấy
lượng sai số của hệ thống luôn khác 0. Sai số này
xuất phát từ nhiều nguyên nhân như:
Giá trị điều khiển ước lượng từ bộ mờ
( | )


Tài liệu tham khảo
[1] M.L. Hung.; H.T Yau.; P.Y Chen.; H.Y. Su.;
Intelligent Control Design and Implementation
of DC Servo Motor. International Symposium
on Computer, Communication, Control and
Automation, 2010.
[2] R. Guo.; Position Servo Control of a DC
Electromotor Using a Hybrid Method based on
Model Reference Adaptive Control (MRAC).
International Conference on Computer,
Mechatronics , Control and Electronic
Engineering (CMCE), 2010.
[3] R.S. Gargees.; A.K.Z Mansoor.; R.A. Khalil.;
DSP Based Adjustable Close-Loop DC motor
Speed Control. Al-Rafidain Engineering
Vol.19, No.5, October 2011.
[4] R.G. Fernando.; F.M. Yahia.; Efficient Position
Control of DC Servo Motor Using
Backpropagation Neural Network. Seventh
International Conference on Natural
Computation, 2011.
[5] R. Garrido.; D. Calderon.; A. Soria.; Adaptive
Fuzzy Control of DC Motor. CIEP, Puebla
MEXICO, October 2006.
[6] Y.L. Cui.; H.L. Lu.; J.B. Fan.; Design and
Simulation of cascade fuzzy self-adaptive PID
speed control of a thyristor-driven DC motor.
Proceedings of the Fifth International
Conference on Machine Learning and

-20
0
20
40
Thoi gian (sec)
Dap ung toc do goc (rad/s)0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5
-0.2
-0.1
0
0.1
0.2
Thoi gian (sec)
Sai so vi tri (rad)Sai so ym(t)-y(t)
Dap ung toc do
Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6 95 Mã bài: 25
[10] M. Bahita.; K. Belarbi.; Feedback adaptive
control of aclass of nonlinear systems using
fuzzy approximators. International Journal of
Information Technology Convergence and
Services (IJITCS) Vol.1, No.1, Feb 2011.
[11] Y.P. Pan.; D.P. Huang.; Z.H. Sun.; Direct

Tools Libraries. 2004
[20] J. Zambada.; Measuring Speed and Position
with QEI Module. Microchip Technology Inc,
2005.

Duc-Cuong Quach received the
B.S. degree in Electrical
Machines and Power Electronics
from Ha Noi University of
Science and Technology in 2002
and M.S. degree in Automation
Engineering from Ho Chi Minh
City University of Transport,
Viet Nam, in 2008. He is currently a doctor
candidate in the Department of Control Science
and Engineering, Huazhong University of Science
and Technology, Wuhan, PR China. His research
includes Wireless control system, Intelligent
control theory and Embedded systems apply to
Power electronic and Electric drives.

Quan Yin received the M.S.
and Ph.D. degrees in Control
Theory and Control
Engineering from Huazhong
University of Science and
Technology, Wuhan, China, in
1995 and 2001, respectively.
He is currently an associate
professor in the department of

from Nha Trang University
(NTU) in 2007. From 2008 to
2011, he worked in Electrical and Electronics
Faculty. From 2011 he is teaching in Information
Technology Faculty.