nghiên cứu ứng dụng logic mờ trong hệ điều khiển vị trí động cơ 1 chiều kích từ độc lập

Lêi nãi ®Çu

§iÒu khiÓn vÞ trÝ thêng lµ m¹ch vßng ®iÒu khiÓn ngoµi cïng trong c¸c

hÖ ®iÒu khiÓn tù ®éng nªn nã ¶nh hëng trùc tiÕp tíi chÊt lîng ®iÒu khiÓn cña

hÖ thèng, ®ã lµ mét cÇu nèi quan träng vµ lµ nÒn t¶ng ®Ó x©y dùng c¸c hÖ

truyÒn ®éng ®iÖn trong c«ng nghiÖp. V× vËy viÖc nghiªn cøu vµ ¸p dông c¸c

tiÕn bé khoa häc míi trong qu¸ tr×nh tæng hîp hÖ ®iÒu khiÓn vÞ trÝ nh»m ®¹t ®-

îc c¸c chØ tiªu chÊt lîng cao ®ang lµ nh÷ng vÊn ®Ò ®ang ®îc ®Æt ra.

Tríc ®©y ta thêng dïng c¸c bé ®iÒu khiÓn tù ®éng víi c¸c bé ®iÒu chØnh

P, PI, PD, PID... C¸c bé ®iÒu khiÓn nµy lµm viÖc rÊt tèt trong c¸c hÖ thèng cã

qu¸n tÝnh lín nh ®iÒu khiÓn nhiÖt ®é, ®iÒu khiÓn møc... C¸c hÖ ®iÒu khiÓn

tuyÕn tÝnh hay cã møc ®é phi tuyÕn thÊp ... Tuy nhiªn trªn thùc tÕ hÖ ®iÒu

khiÓn vÞ trÝ sö dông c¸c bé ®iÒu khiÓn RI, Rω, Rϕ víi c¸c luËt ®iÒu khiÓn PID

phæ dông kh«ng ®¸p øng ®îc c¸c yªu cÇu cao vÒ chØ tiªu chÊt lîng cña hÖ

thèng ®iÒu khiÓn ( nh thêi gian qua ®é ng¾n, ®é chÝnh x¸c cao vµ rÊt cao, ®Æc

biÖt trong kü thuËt ®iÒu robot).

Ngµy nay, do øng dông c¸c tiÕn bé khoa häc kü thuËt trong ®iÖn tö vµ

tin häc mµ c¸c hÖ thèng ®iÒu khiÓn tù ®éng ®îc ph¸t triÓn vµ cã sù thay ®æi rÊt

lín. C«ng nghÖ vi m¹ch ph¸t triÓn khiÕn cho viÖc s¶n suÊt c¸c thiÕt bÞ ®iÖn tö

ngµy cµng hoµn thiÖn vµ c¸c bé biÕn ®æi ®iÖn tö c«ng suÊt trong c¸c hÖ thèng

®iÒu khiÓn kh«ng nh÷ng ®¸p øng ®îc kh¶ n¨ng t¸c ®éng nhanh, ®é chÝnh x¸c

cao mµ cßn gãp phÇn gi¶m kÝch thíc vµ h¹ gi¸ thµnh cña hÖ thèng. §Æc biÖt

trong nh÷ng thËp kû gÇn ®©y sù ph¸t triÓn m¹nh mÏ vµ cµng hoµn thiÖn cña lý

thuyÕt tËp mê, hµng lo¹t c¸c øng dông cña lý thuyÕt tËp mê, logic mê vµ ®iÒu

khiÓn mê ®· vµ ®ang më ra mét kû nguyªn míi trong ®iÒu khiÓn häc kü thuËt.

Tuy lµ ngµnh kü thuËt ®iÒu khiÓn non trÎ nhng nh÷ng øng dông trong c«ng

nghiÖp cña ®iÒu khiÓn mê thËt lµ réng r·i nh ®iÒu khiÓn nhiÖt ®é, ®iÒu khiÓn

giao th«ng vËn t¶i, ®iÒu khiÓn trong c¸c lÜnh vùc d©n dông vµ ngay c¶ trong

ngµnh y häc ®· cã sù tham gia cña ®iÒu khiÓn mê.Tíi nay ®· cã nhiÒu s¶n

phÈm c«ng nghiÖp ®îc t¹o ra nhê ¸p dông kü thuËt ®iÒu khiÓn mê, ®Æc biÖt ë

NhËt B¶n hÖ ®iÒu khiÓn logic mê ®îc ¸p dông rÊt thµnh c«ng.

1

ChÝnh v× thÕ mµ viÖc ®i s©u nghiªn cøu vµ ¸p dông lý thuyÕt mê, logic

mê vµ ®iÒu khiÓn mê trong qu¸ tr×nh tæng hîp hÖ ®iÒu khiÓn vÞ trÝ ®· trë nªn

hÕt søc cÇn thiÕt vµ hÊp dÉn.

Tuú theo c¸c yªu cÇu cô thÓ mµ hÖ ®iÒu khiÓn vÞ trÝ thêng ®ßi hái c¸c

chØ tiªu chÊt lîng cao nh thêi gian t¸c ®éng nhanh ®Æc biÖt lµ thêi gian h·m,

®é chÝnh x¸c cao, ®é bÒn v÷ng tèt... víi c¸c h¹n chÕ vÒ momen vµ tèc ®é cho

phÐp. Trong qu¸ tr×nh tÝnh to¸n, tæng hîp theo ph¬ng ph¸p kinh ®iÓn ta ¸p

dông c¸c chØ tiªu tèi u modul vµ tèi u ®èi xøng, ®Ó thiÕt kÕ hÖ ®iÒu chØnh vÞ trÝ

tho¶ m·n c¸c chØ tiªu chÊt lîng trªn ë møc cao nhÊt, cïng víi viÖc ¸p dông lý

thuyÕt tËp mê ta cã thÓ dÔ dµng gi¶i quyÕt ®îc vÊn ®Ò nªu trªn. Do c¸ch gi¶i

quyÕt vÊn ®Ò cña hÖ mê rÊt gièng víi c¸c hµnh vi cña con ngêi mµ ta vÉn th￾êng gÆp, c¸c luËt ®iÒu khiÓn ®îc viÕt díi d¹ng c¸c biÓu thøc ng«n ng÷ nªn

®iÒu khiÓn mê rÊt thÝch hîp cho c¸c hÖ thèng ®iÒu khiÓn phi tuyÕn, hÖ thèng

khã x¸c ®Þnh th«ng sè ®èi tîng hay c¸c th«ng sè ®o ®¹c ®îc ph¶i chÊp nhËn

sai sè lín, hÖ thèng cÇn ph¶i cã kh¶ n¨ng thÝch nghi cao... Dùa vµo c¸c c¬ së

lý thuyÕt to¸n häc trªn c¸c tËp mê cïng víi c¸c kiÕn thøc, kinh nghiÖm vµ sù

hiÓu biÕt cña c¸c chuyªn gia – nh÷ng ngêi ®· tõng ®iÒu khiÓn hÖ thèng b»ng

tay– ta cã thÓ lËp ra c¸c thuËt to¸n ®iÒu khiÓn mê, trªn c¬ së ®ã thiÕt kÕ hÖ

®iÒu khiÓn logic mê ®Ó c¶i thiÖn chÊt lîng ®iÒu khiÓn cña hÖ thèng.

XuÊt ph¸t tõ nh÷ng vÊn ®Ò mµ thùc tiÔn ®Æt ra trªn ®©y, ®îc sù ®ång ý

cña Bé m«n §iÖn Tù §éng Trêng §¹i Häc Hµng H¶i vµ ThÇy gi¸o híng dÉn

Ths TrÇn Anh Dòng vµ Ks Ph¹m T©m Thµnh t¸c gi¶ ®· chän ®Ò tµi thiÕt kÕ tèt

nghiÖp:

Nghiªn cøu øng dông logic mê trong hÖ ®iÒu khiÓn vÞ trÝ

Néi dung cña b¶n ®å ¸n ®îc t¸c gi¶ chia lµm bèn ch¬ng.

Ch¬ng thø nhÊt tr×nh bµy tæng quan vÒ hÖ ®iÒu khiÓn vÞ trÝ hiÖn ®îc sö

dông phæ biÕn vµ réng r·i trong c«ng nghiÖp. Ph©n tÝch vµ m« h×nh ho¸ c¸c

kh©u chñ yÕu trong hÖ thèng vµ tæng hîp c¸c bé ®iÒu khiÓn dßng ®iÖn, bé ®iÒu

khiÓn tèc ®é vµ bé ®iÒu khiÓn vÞ trÝ. Trong ch¬ng nµy còng chøng minh ®Æc

tuyÕn ®iÒu chØnh cña bé ®iÒu khiÓn vÞ trÝ lµ phi tuyÕn vµ vÊn ®Ò ¸p dông ®iÒu

khiÓn mê ®Ó thùc hiÖn ®Æc tuyÕn ®iÒu khiÓn phi tuyÕn nµy.

2

Ch¬ng hai sÏ hÖ thèng l¹i mét sè kiÕn thøc c¬ së vÒ lý thuyÕn tËp mê.

C¸c c¬ së to¸n häc cña hÖ mê ®îc tr×nh bµy theo ph¬ng ph¸p më réng c¸c

kiÕn thøc ®· cã trªn c¸c hÖ logic kinh ®iÓn. §ång thêi ®a vµo mét hÖ thèng

c¸c kh¸i niÖm, ®Þnh nghÜa trªn c¸c tËp mê, th«ng qua c¸c biÕn ng«n ng÷ vµ

c¸c gi¸ trÞ ng«n ng÷, nghiªn cøu c¸c luËt mê IF-THEN ®ã lµ tr¸i tim cña hÖ

thèng ®iÒu khiÓn mê.

Ch¬ng thø ba nãi vÒ viÖc thiÕt kÕ hÖ ®iÒu khiÓn mê qua viÖc ph©n tÝch

chi tiÕt trªn s¬ ®å khèi cña mét bé ®iÒu khiÓn c¬ b¶n.

Ch¬ng bèn dµnh ®Ó tr×nh bµy øng dông cô thÓ cña ®iÒu khiÓn mê trong

hÖ ®iÒu khiÓn vÞ trÝ. Trong ch¬ng nµy sÏ ph©n tÝch tØ mØ tõng bíc cña qu¸ tr×nh

thiÕt kÕ bé bï mê. §Ó thÊy ®îc hiÖu qu¶ cña bé ®iÒu khiÓn mê t¸c gi¶ sÏ m«

pháng, kh¶o s¸t hÖ thèng ®iÒu khiÓn vÞ trÝ trong c¶ hai trêng hîp cã vµ kh«ng

cã bé bï mê øng víi mçi gi¸ trÞ tham sè ®Çu vµo.

ViÖc ¸p dông kü thuËt ®iÒu khiÓn mê trong ®iÒu khiÓn tù ®éng truyÒn

®éng ®iÖn nãi chung vµ ®iÒu khiÓn vÞ trÝ nãi riªng lµ nh÷ng vÊn ®Ò lín vµ cã

nhiÒu høa hÑn kh¶ quan. §©y chØ lµ nh÷ng bíc vËn dông ban ®Çu cña ®Ò tµi,

dùa vµo nh÷ng kÕt qu¶ ®· ®¹t ®îc ta cã thÓ thiÕt kÕ ®îc bé ®iÒu khiÓn mê

th«ng minh h¬n, gi¶i quyÕt ®îc nhiÒu vÊn ®Ò h¬n trªn c¬ së bé ®iÒu khiÓn mê

nhiÒu ®Çu vµo, nhiÒu ®Çu ra (MIMO) cung cÊp thªm cho bé ®iÒu khiÓn mê c¸c

gi¸ trÞ ®¹o hµm hay tÝch ph©n cña tÝn hiÖu ta ®¹t ®îc hÖ ®iÒu khiÓn mê ®éng,

bé ®iÒu khiÓn mê lai (Fuzzy Hybrid Controler), bé ®iÒu khiÓn mê trît (Fuzzy

Sliding Controler). . .

Trong qu¸ tr×nh thùc hiÖn ®Ò tµi ®· ph¸t sinh nhiÒu vÊn ®Ò khã kh¨n nh

vÒ mÆt lý thuyÕt tËp mê cha hoµn thiÖn, nguån tµi liÖu cßn h¹n chÕ. Song ®Ó

®¹t ®îc kÕt qu¶ nµy T¸c gi¶ ®· nhËn ®îc sù gióp ®ì nhiÖt t×nh cña c¸c ThÇy,

C« cïng c¸c b¹n ®· vµ ®ang nghiªn cøu vÒ ®iÒu khiÓn mê. T¸c gi¶ v« cïng

biÕt ¬n sù gióp ®ì tËn t×nh cña ThÇy gi¸o híng dÉn Ths TrÇn Anh Dòng, Ks

Ph¹m T©m Thµnh vµ c¸c ThÇy c« trong Khoa §iÖn Bé m«n §iÖn Tù §éng

C«ng nghiÖp ®· hÕt lßng gióp ®ì ®éng viªn vµ t¹o mäi ®iÒu kiÖn thuËn lîi ®Ó

T¸c gi¶ hoµn thµnh b¶n ®å ¸n nµy ®óng thêi h¹n.

3

Do thêi gian thiÕt kÕ ®å ¸n vµ tr×nh ®é b¶n th©n cßn nhiÒu h¹n chÕ nªn

b¶n ®å ¸n nµy kh«ng thÓ tr¸nh khái nh÷ng thiÕu sãt. T¸c gi¶ còng biÕt ¬n vµ

tr©n träng mäi ý kiÕn gãp ý, x©y dùng cña c¸c ThÇy, c¸c C« vµ c¸c b¹n ®Ó b¶n

®å ¸n nµy ®îc hoµn thiÖn h¬n.

H¶i phßng, th¸ng 02 n¨m 2005

Sinh viªn

§Æng v¨n viÕt

Môc lôc

Lêi nãi ®Çu........................................................................................................1

Môc lôc.............................................................................................................5

4

Ch¬ng 1:Tæng quan vÒ hÖ ®iÒu khiÓn vÞ trÝ vµ vÊn ®Ò ¸p dông ®iÒu khiÓn

mê trong hÖ ®iÒu khiÓn vÞ trÝ .8 …………………………………………………

1.1-TruyÒn ®éngT- § ®¶o chiÒu ®iÒu khiÓn chung...........................................9

1.2 M« h×nh to¸n häc hÖ chÊp hµnh T-§.........................................................11

1.2.1 M« h×nh to¸n häc ®éng c¬ ®iÖn mét chiÒu kÝch tõ ®éc lËp................. 11 …

1.2.2. M« h×nh to¸n häc bé chØnh lu cã ®iÒu khiÓn......................................15

1.3. CÊu tróc hÖ ®iÒu khiÓn vÞ trÝ vµ ph¬ng ph¸p tæng hîp c¸c m¹ch vßng...15

1.3.1.Tæng hîp m¹ch vßng dßng ®iÖn ..................................................17

1.3.2 Tæng hîp m¹ch vßng tèc ®é.........................................................19

1.3.3 Tæng hîp m¹ch vßng vÞ trÝ...........................................................21

1.4.TÝnh phi tuyÕn cña ®iÒu khiÓn vÞ trÝ...........................................................23

1.5 KÕt luËn.....................................................................................................25

Ch¬ng 2: Mét sè kiÕn thøc c¬ së cña logic mê trong c¸c hÖ mê...................26

2.1- Nh¾c l¹i vÒ tËp hîp kinh ®iÓn...................................................................26

2.2- C¸c phÐp to¸n trªn tËp hîp.......................................................................27

2.2.1- HiÖu cña hai tËp hîp...................................................................28

2.2.2 - Giao cña hai tËp hîp..................................................................28

2.2.3- Hîp cña hai tËp hîp....................................................................29

2.2.4- PhÐp bï cña tËp hîp....................................................................30

2.2.5- TÝch cña hai tËp hîp....................................................................31

2.3- Lý thuyÕt tËp mê trong ®iÒu khiÓn mê.....................................................32

2.3.1- §Þnh nghÜa tËp mê.......................................................................32

2.3.2 - Mét sè thuéc tÝnh cña tËp mê.....................................................33

2.3.3- BiÕn ng«n ng÷.............................................................................34

2.4- C¸c phÐp to¸n trªn tËp mê........................................................................35

2.4.1 PhÐp hîp hai tËp mê.....................................................................35

2.4.1.1-Hîp hai tËp mê theo luËt max.........................................36

2.4.1.2-Hîp hai tËp mê theo luËt sum (Lukasiewicz).................36

2.4.2 PhÐp giao hai tËp mê....................................................................37

2.4.2.1- Giao hai tËp mê theo luËt min .......................................39

2.4.2.2-Giao cña hai tËp mê theo luËt tÝch ®¹i sè........................39

5

2.4.3 PhÐp bï cña mét tËp mê...............................................................40

2.5 C¸c biÕn ng«n ng÷ vµ c¸c luËt mê if- then...........................................42

2.5.1 Tõ c¸c biÕn sè häc tíi c¸c biÕn ng«n ng÷....................................42

2.5.2 C¸c luËt mê if- then.................................................................44

2.5.2.1 C¸c mÖnh ®Ò mê..............................................................44

2.5.2.2 DiÔn gi¶i gi¸ trÞ ch©n lý cña phÐp to¸n kÐo theo.............45

2.6 KÕt luËn.....................................................................................................46

Ch¬ng 3: CÊu tróc bé ®iÒu khiÓn mê.............................................................47

3.1 TÝn hiÖu vµo/ra...........................................................................................49

3.2 Kh©u mê hãa..............................................................................................51

3.3 ThiÕt bÞ hîp thµnh......................................................................................52

3.3.1 ThiÕt bÞ hîp thµnh lµ Max- Min...................................................52

3.3.2 ThiÕt bÞ hîp thµnh lµ Max- Prod..................................................52

3.3.3 ThiÕt bÞ hîp thµnh lµ Sum- Prod...................................................52

3.3.4 ThiÕt bÞ hîp thµnh lµ Sum- Min....................................................53

3.4 Kh©u gi¶i mê.............................................................................................53

3.3.1- Ph¬ng ph¸p cùc ®¹i...................................................................53

3.3.2- Ph¬ng ph¸p ®iÓm träng t©m......................................................54

3.5 LuËt mê c¬ b¶n..........................................................................................55

3.6 Nguyªn t¾c tæng hîp bé ®iÒu khiÓn mê.....................................................57

3.7 TÝnh æn ®Þnh cña hÖ ®iÒu khiÓn mê...........................................................58

3.8 KÕt luËn.....................................................................................................59

Ch¬ng 4: øng dông kh©u bï mê trong m¹ch vßng ®iÒu khiÓn vÞ trÝ............61

4.1 TÝnh to¸n c¸c th«ng sè vµ m« pháng hÖ ®iÒu khiÓn vÞ trÝ khi cha cã bé

®iÒu khiÓn mê................................................................................................. 61

4.1.1 TÝnh to¸n c¸c th«ng sè hÖ ®iÒu chØnh vÞ trÝ ®éng c¬ ®iÖn mét

chiÒu kÝch tõ ®éc lËp............................................................................61

4.1.2 M« pháng hÖ ®iÒu khiÓn vÞ trÝ khi cha cã bï mê........................65

4.2 Tæng hîp kh©u bï mê...............................................................................71

4.2.1 Mê hãa.........................................................................................73

6

4.2.2. LuËt ®iÒu khiÓn vµ luËt hîp thµnh...............................................75

4.2.3 Gi¶i mê.........................................................................................77

4.3 M« pháng hÖ ®iÒu khiÓn vÞ trÝ khi cã bï mê.............................................77

4.3.1-Ch¬ng tr×nh m« pháng viÕt trªn M- file.....................................79

4.3.2-KÕt qu¶ m« pháng .......................................................................83

4.4 NhËn xÐt kÕt qu¶ m« pháng......................................................................92

4.5 KÕt luËn chung...........................................................................................93

Tµi liÖu tham kh¶o...........................................................................................96

7

Ch¬ng 1 Tæng quan vÒ hÖ ®iÒu khiÓn vÞ trÝ vµ

vÊn ®Ò ¸p dông ®iÒu khiÓn mê trong hÖ

®iÒu khiÓn vÞ trÝ

Ngµy nay, c¸c hÖ ®iÒu khiÓn vÞ trÝ ®Æc biÖt lµ c¸c hÖ ®iÒu khiÓn c¸c

Robot c«ng suÊt lín, hÖ truyÒn ®éng ®iÖn mét chiÒu kiÓu T-§ ®ang ngµy cµng

®îc øng dông réng r·i v× nã ®¶m b¶o tèt c¸c chØ tiªu tÜnh vµ ®éng cña hÖ

thèng, dÔ dµng thùc hiÖn c¸c truyÒn ®éng cã c«ng suÊt lín vµ tÝnh bÒn v÷ng

cao. CÊu tróc chung cña hÖ ®iÒu khiÓn vÞ trÝ gåm ba m¹ch vßng tõ trong ra

ngoµi lµ: m¹ch vßng dßng ®iÖn, m¹ch vßng tèc ®é vµ m¹ch vßng vÞ trÝ nh trªn

h×nh 1.1.

H×nh 1.1: S¬ ®å cÊu tróc chung cña hÖ ®iÒu chØnh vÞ trÝ sö dông hÖ chÊp

hµnh T-§

Trong ®ã:

RI: Bé ®iÒu khiÓn dßng ®iÖn.

Rω: Bé ®iÒu khiÓn tèc ®é.

Rϕ: Bé ®iÒu khiÓn vÞ trÝ.

§C: §éng c¬ ®iÖn mét chiÒu kÝch tõ ®éc lËp.

8

Ki, Kω, Kϕ: C¸c hÖ sè khuÕch ®¹i.

Ti, Tω, Tϕ: C¸c h»ng sè thêi gian.

FT: M¸y ph¸t tèc.

1.1 truyÒn ®éng T- § ®¶o chiÒu ®iÒu khiÓn chung

So víi hÖ truyÒn ®éng F-§ th× hÖ truyÒn ®éng T-§ ®¶o chiÒu khã kh¨n

h¬n do c¸c chØnh lu dÉn dßng theo mét chiÒu vµ ta chØ ®iÒu khiÓn ®îc thêi

®iÓm van më cßn thêi ®iÓm ®ãng van phô thuéc vµo ®iÖn ¸p nguån. V× vËy

yªu cÇu ®èi víi hÖ T-§ ®¶o chiÒu lµ ®é an toµn ph¶i cao vµ logic ®iÒu khiÓn

ph¶i chÆt chÏ. Tuy nhiªn do lîi thÕ cña c¸c hÖ T-§ lµ ®é t¸c ®éng nhanh,

kh«ng g©y ån µo vµ do c¸c van b¸n dÉn cã hÖ sè khuÕch ®¹i c«ng suÊt lín nªn

c¸c hÖ ®iÒu khiÓn cã cÊu tróc nhiÒu vßng, møc ®é tù ®éng hãa cao thêng sö

dông hÖ T-§. §èi víi tõng d¶i c«ng suÊt cña ®éng c¬ vµ yªu cÇu vÒ tÇn sè

khëi ®éng lín hay nhá mµ ta sö dông c¸c nguyªn t¾c ®iÒu khiÓn kh¸c nhau,

trong c¸c hÖ ®iÒu khiÓn vÞ trÝ yªu cÇu ®é chÝnh x¸c, thêi gian t¸c ®éng nhanh

ta thêng dïng c¸c hÖ truyÒn ®éng kh«ng tiÕp ®iÓm dïng hai bé biÕn ®æi cã thÓ

®iÒu khiÓn chung hoÆc riªng. §Ó ®¶m b¶o cho viÖc ®¶o chiÒu thùc hiÖn nhanh

vµ tr¬n chu ta sö dông hÖ T-§ gåm hai bé biÕn ®æi nèi chÐo nhau, ®iÒu khiÓn

chung nh trªn h×nh 1.2 [9]

H×nh 1.2: HÖ truyÒn ®éng T-§ ®¶o chiÒu ®iÒu khiÓn chung

9