Thạc Sĩ Ứng dụng hệ mờ điều khiển hệ thống nâng từ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
2
LỜI CẢM ƠN

Sau thời gian nghiên cứu, làm việc khẩn trương và được sự hướng dẫn tận
tình giúp đỡ của thầy giáo TS. Nguyễn Hoài Nam, luận văn với đề tài “Ứng
dụng hệ mờ điều khiển hệ thống nâng từ” đã được hoàn thành.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới:
Thầy giáo hướng dẫn TS. Nguyễn Hoài Nam đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ
tôi hoàn thành luận văn.
Các thầy cô giáo Trường Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên đã
quan tâm động viên, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập để hoàn thành
luận văn này.
Mặc dù đã cố gắng hết sức, song do điều kiện thời gian và kinh nghiệm
thực tế của bản thân còn ít, cho nên đề tài không thể tránh khỏi thiếu sót. Vì
vậy, tôi mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy giáo, cô giáo và các
bạn bè đồng nghiệp.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Thái Nguyên, ngày .tháng .năm 2015
Học viên

Công Thị Phương Thảo



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
3
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN . .
LỜI CẢM ƠN . 1
MỤC LỤC . 3
DANH MỤC HÌNH VẼ 6
MỞ ĐẦU . 9
1. Lý do chọn đề tài 9
2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài . 11
3. Mục tiêu nghiên cứu 11
4. Dự kiến các kết quả đạt được . 12
5. Phương pháp nghiên cứu . 12
CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT HỆ MỜ 13
1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ 13
1.2. KHÁI QUÁT CHUNG VỀ TẬP MỜ . 13
1.2.1. Định nghĩa tập mờ 13
1.2.2. Các phép toán trên tập mờ 15
1.2.2.1.Phần bù của một tập mờ 15
1.2.2.2. Hợp của các tập mờ 16
1.2.2.3.Giao của các tập mờ 17
1.2.2.4. Phép suy diễn mờ 18
1.3. CẤU TRÚC CỦA BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ . 19
1.3.1. Sơ đồ khối bộ điều khiển mờ 19
1.3.1.1. Mờ hoá 19
1.3.1.2. Khối luật hợp thành (khối thiết bị hợp thành) 20
1.3.1.3. Giải mờ . 21
1.3.2. Phân loại bộ điều khiển mờ 24
1.3.2.1. Bộ điều khiển mờ tĩnh 25
1.3.2.2. Bộ điều khiển mờ động . 26
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
4
1.3.3. Các bước tổng hợp bộ điều khiển mờ . 27
CHƯƠNG II: MÔ HÌNH TOÁN CỦA HỆ THỐNG NÂNG TỪ VÀ THIẾT
KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ . 29
2.1. MÔ HÌNH TOÁN CỦA HỆ THỐNG NÂNG TỪ . 29
2.1.1. Đặt vấn đề . 29
2.1.2. Mô hình toán học 30
2.2. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ . 31
2.2.1.Thiết kế hệ mờ bằng công cụ Fuzzy trong Matlab 32
2.2.2. Thiết kế bộ điều khiển mờ sử dụng mô hình toán của hệ thống nâng
từ . 37
2.2.2.1. Thiết kế bộ điều khiển mờ tĩnh cho đối tượng . 38
2.2.2.2. Thiết kế bộ điều khiển mờ động cho đối tượng 41
2.2.2.3. So sánh bộ điều khiển mờ tĩnh và bộ điều khiển mờ động 45
CHƯƠNG III: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG NÂNG TỪ 48
3.1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ THỐNG NÂNG TỪ . 48
3.2. THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH THỰC HỆ THỐNG NÂNG TỪ 48
3.2.1. Cuộn dây . 49
3.2.2. Phần động 49
3.2.3. Thiết bị đo góc 49
3.2.4. Card Arduino 50
3.2.5. Cánh tay đòn . 51
3.2.6.Mô hình thực của hệ thống nâng từ . 52
Chương IV: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ CHO HỆ THỐNG NÂNG
TỪ . 54
4.1. GIỚI THIỆU THƯ VIỆN ARDUINO TRONG SIMULINK 54
4.1.1. Khối Arduino IO Setup . 54
4.1.2. Khối Real - Time Pacer . 55
4.1.3. Khối Maglev Coil . 56
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
5
4.1.4. Khối thiết bị đo góc 58
4.2. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ CHO HỆ THỐNG NÂNG TỪ 59
4.2.1. Thiết kế bộ điều khiển mờ 60
4.2.2. Sơ đồ hệ thống điều khiển mờ thời gian thực sử dụng Simulink . 61
4.2.3. Kết quả điều khiển thực 62
4.3. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PI CHO HỆ THỐNG NÂNG TỪ . 63
4.3.1. Sơ đồ hệ thống điều khiển PI thời gian thực sử dụng Simulink . 63
4.3.2. Kết quả điều khiển sử dụng bộ điều khiển PI . 64
4.4. So sánh kết quả điều khiển thực khi sử dụng bộ điều khiển mờ và bộ
điều khiển PI 65
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ . 66
TÀI LIỆU THAM KHẢO . 67


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
6
DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Hàm liên thuộc µ A (x) có mức chuyển đổi tuyến tính . 14
Hình 1.2: Tập bù A của tập mờ A . 15
Hình 1.3: Hợp hai tập mờ có cùng tập nền X . 17
Hình 1.4: Giao hai tập mờ có cùng tập nền X . 17
Hình 1.5: Cấu trúc bộ điều khiển mờ cơ bản 19
Hình 1.6: Mô tả hàm liên thuộc của luật hợp thành 21
Hình 1.7: Phương pháp giải mờ cực đại 23
Hình 1.8: Phương pháp giải mờ trọng tâm 23
Hình 1.9: Các cấu trúc bộ điều khiển mờ 25
Hình 1.10: Hệ điều khiển mờ động PI 27
Hình 1.11: Hệ điều khiển mờ PD 27
Hình 1.12: Hệ điều khiển mờ theo luật PID 27
Hình 1.13: Hệ thống điều khiển mờ PID . 28
Hình 2.1: Mô hình hệ thống nâng từ đơn giản 31
Hình 2.2: Giao diện thiết kế mô hình mờ Mamdani . 33
Hình 2.3: Giao diện các tập mờ đầu vào . 34
Hình 2.4: Giao diện các tập mờ đầu ra 34
Hình 2.5: Giao diện soạn thảo đầu vào . 35
Hình 2.6: Giao diện soạn thảo luật mờ 36
Hình 2.7: Đường đặc tính 36
Hình 2.8: Giao diện mô phỏng quá trình hoạt động của bộ mờ 37
Hình 2.9: Các hàm liên thuộc của tín hiệu đầu vào 39
Hình 2.10: Các hàm liên thuộc của tín hiệu đầu ra . 40
Hình 2.11: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển hệ thống nâng từ sử dụng mờ tĩnh . 40
Hình 2.12: Tín hiệu đầu ra sử dụng bộ điều khiển mờ tĩnh 41
Hình 2.13: Các hàm liên thuộc của tín hiệu đầu vào khối mờ thứ nhất 42
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
7
Hình 2.14: Các hàm liên thuộc của tín hiệu đầu ra khối mờ thứ nhất 42
Hình 2.15: Các hàm liên thuộc của tín hiệu đầu vào khối mờ thứ hai 42
Hình 2.16: Các hàm liên thuộc của tín hiệu đầu ra khối mờ thứ hai 43
Hình 2.17: Các hàm liên thuộc của tín hiệu đầu vào khối mờ thứ 3 43
Hình 2.18: Các hàm liên thuộc của tín hiệu đầu ra khối mờ thứ 3 . 44
Hình 2.19: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển hệ thống nâng từ sử dụng mờ động 44
Hình 2.20: Tín hiệu đầu ra sử dụng bộ điều khiển mờ động 45
Hình 3.1: Thiết bị đo góc 334 xung, 2 kênh . 49
Hình 3.2: Card Arduino UNO . 50
Hình 3.3: Hệ thống điều khiển nâng từ . 52
Hình 4.1: Khối Arduino IO Setup . 54
Hình 4.2: Giao diện định nghĩa cho khối Arduino IO Setup 55
Hình 4.3: Khối Real - Time Pacer . 55
Hình 4.4: Giao diện khối Real-Time Pacer . 56
Hình 4.5: Khối Maglev Coil 56
Hình 4.6: Sơ đồ khối Voltage 57
Hình 4.7: Giao diện của khối Analog Write 57
Hình 4.8: Sơ đồ khối Direction . 58
Hình 4.9: Giao diện khối Digital Write . 58
Hình 4.10: Khối thiết bị đo góc . 58
Hình 4.11: Giao diện khối Encoder Read . 59
Hình 4.12: Các hàm liên thuộc của tín hiệu vào bộ điều khiển mờ 60
Hình 4.13: Các hàm liên thuộc tín hiệu ra bộ điều khiển mờ . 61
Hình 4.14: Luật hợp thành mờ 61
Hình 4.15: Sơ đồ hệ thống điều khiển hệ thống nâng từ sử dụng bộ điều khiển
mờ 62
Hình 4.16: Kết quả điều khiển sử dụng bộ điều khiển mờ . 62
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
8
Hình 4.17: Sơ đồ hệ thống điều khiển hệ thống nâng từ sử dụng bộ điều khiển
PI . 64
Hình 4.18: Kết quả điều khiển PI 64