Một phương pháp thực hiện bộ điều khiển mờ cho động cơ một chiều kích từ song song

Bài viết trình bày việc đề xuất thiết kế bộ điều khiển theo hướng tiếp cận bộ điều khiển mờ và thực hiện bằng mạch điện tử tương tự. Kết quả nghiên cứu cho thấy, bộ điều khiển thiết kế theo phương pháp này giữ được ưu điểm của bộ điều khiển mờ và có thể thực hiện đơn giản trên thiết bị vật lý.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Một phương pháp thực hiện bộ điều khiển mờ cho động cơ một chiều kích từ song song Điều khiển – Cơ điện tử - Truyền thông MỘT PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ CHO ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ SONG SONG Nguyễn Hoàng Việt1*, Lê Thị Huyền Trang2 Tóm tắt: Bộ điều khiển mờ (Fuzzy logic control) gồm ba phần: Mờ hóa đầu vào, thiết bị hợp thành và giải mờ. Bộ điều khiển mờ được áp dụng trên các vi điều khiển với cấu trúc lập trình, câu lệnh phức tạp. Điều đó gây khó khăn khi áp dụng điều khiển mờ, đặc biệt với các đối tượng đòi hỏi thời gian đáp ứng nhanh. Nhóm tác giả đề xuất thiết kế bộ điều khiển theo hướng tiếp cận bộ điều khiển mờ và thực hiện bằng mạch điện tử tương tự. Kết quả nghiên cứu cho thấy, bộ điều khiển thiết kế theo phương pháp này giữ được ưu điểm của bộ điều khiển mờ và có thể thực hiện đơn giản trên thiết bị vật lý. Từ khóa: Thiết kế bộ điều khiển; Điều khiển mờ; Thiết kế mạch điện tuyến tính từng đoạn. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Cấu trúc bộ điều khiển mờ gồm ba phần: Mờ hóa biến đầu vào, thiết bị hợp thành và giải mờ. Các biến vào được mờ hóa, mỗi giá trị rõ của biến ngôn ngữ đầu vào thành véc tơ có số phần tử bằng số tập mờ đầu vào. Thiết bị hợp thành xây dựng từ các mệnh đề If… then…, được lấy từ kinh nghiệm của chuyên gia. Giải mờ là quá trình chuyển tập mờ đầu ra thành giá trị rõ, có thể thực hiện theo phương pháp điểm cực đại, điểm trọng tâm,….[1]. Quá trình chỉnh định bộ điều khiển mờ cũng can thiệp hay thay đổi các thành phần trên. Khi thực hiện bộ điều khiển mờ trên thiết bị vật lý, ta cần phải làm tuần tự các bước như đã thiết kế trên vi điều khiển [2, 3, 4]. Một số bài báo thực hiện bộ điều khiển mờ theo hướng lợi dụng phần đặc tuyến bão hòa của khuếch đại thuật toán, CMOS để tạo nên các hàm thuộc [5, 6] hay xấp xỉ các hàm liên thuộc [7]. Các cách thực hiện như trên có cấu trúc chương trình hay mạch điện phức tạp dẫn đến giảm thời gian đáp ứng của hệ. Xét cấu trúc điều khiển phản hồi sử dụng bộ điều khiển mờ như hình 1, đầu vào bộ điều khiển là sai lệch e, đầu ra u. Với mỗi một giá trị đầu vào, bộ điều khiển xử lý và đưa ra một giá trị đầu ra u tác động lên đối tượng cần điều khiển. Hình 1. Cấu trúc điều khiển phản hồi. Mối quan hệ giữa đầu vào với đầu ra của bộ điều khiển (u và e) thông thường phi tuyến. Tuy nhiên, đặc tính phi tuyến này ta có thể lấy xấp xỉ thành các đoạn thẳng (tuyến tính hóa từng đoạn). Khi đó, bộ điều khiển mờ có thể được thực hiện bằng mạch điện tử tuyến tính từng đoạn. 2. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ Xét đối tượng là động cơ một chiều kích từ song song, sử dụng bộ điều khiển mờ có hai đầu vào là sai lệch (e) và đạo hàm sai lệch (de/dt) [8]. Sử dụng bộ điều khiển mờ mô hình Sugeno, hình dạng và khoảng giá trị các hàm liên thuộc đầu vào như hình 2. 144 N. H. Việt, L. T. H. Trang, “Một phương pháp thực hiện… một chiều kích từ song song.” Nghiên cứu khoa học công nghệ Hình 2. Hình dạng các hàm liên thuộc đầu vào. Ta có mối quan hệ vào - ra của bộ điều khiển như sau: Hình 3. Mối quan hệ vào - ra của bộ điều khiển. So sánh bộ điều khiển mờ với bộ điều khiển PID (áp dụng auto tuning tool) ta có đáp ứng đầu ra của hệ: Hình 4. Đáp ứng đầu ra của hệ khi sử dụng bộ điều khiển PID và bộ điều khiển mờ. Ta thấy đáp ứng đầu ra của hệ khi sử dụng bộ điều khiển mờ và bộ điều khiển MATLAB Fcn (xấp xỉ đặc tuyến bộ điều khiển mờ) bám theo giá trị đặt, không có độ quá điều chỉnh, thời gian đáp ứng 0.8s. Để thực hiện bộ điều khiển trên thiết bị vật lý, nhóm tác giả thực hiện tuyến tính đặc tuyến vào - ra của bộ điều khiển mờ, sau đó thực hiện bằng mạch điện tử tương tự. 3. THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN MỜ Khảo sát mối quan hệ đầu vào - ra của bộ điều khiển mờ ta có: Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san ACMEC, 07 - 2017 145  Điều khiển – Cơ điện tử - Truyền thông u u e e a) b) Hình 5. Mối quan hệ vào - ra (a) và xấp xỉ hóa mối quan hệ vào - ra (b) của bộ điều khiển mờ. Xấp xỉ hóa quan hệ phi tuyến Đặc tuyến truyền đạt phi tuyến của bộ điều khiển mờ (a) có thể được xấp xỉ hóa theo hình (b) với các phương trình đường thẳng sau: e  0.2, u  0.5;  0.2  e  0.83, u  0.48e  0.4 (1) e  0.83, u  1.18e  0.18  So sánh bộ điều khiển mờ và bộ điều khiển được thực hiện như phương trình 1 (khối MATLAB Fuc trong hình 4) ta thấy đáp ứng đầu ra của hệ như nhau. Như vậy, ta có thể thiết kế mạch điện có mối quan hệ (1) để thay thế bộ điều khiển mờ. Thiết kế mạch điều khiển Mạch điện có đặc tuyến như hình 5b có thể thiết kế sử dụng khuếch đại thuật toán (OA). Cấu trúc mạch điện như hình 6 [9]. Với các giá trị Eng1 và Eng2 là các ngưỡng điện áp âm. Khuếch đại thuật toán OA1 việc khi e < |Eng1|, khi e < |Eng2| ngoài OA1 có thêm OA2, OA3 tác động, khi e > |Eng2| có thêm OA4, OA5 tác động. Tín hiệu đầu ra OA1, OA3 và OA5 được tổng hợp qua mạch khuếch đại đảo dùng OA6, cụ thể như sau: - Khi e < |Eng1|, D1, D3 khóa, điện áp u1 = u2 = 0, tín hiệu sai lệch e được khuếch đại qua OA1. Điện áp đầu không đảo OA1 được tính: R2 u P1  e  1 e (2) R1  R 2 với β1 là hệ số ...