3 5.15.45.86.26.56.87.1 VNN VN MN ZE MP VP VVP 0.5 1 Hình 4. 23 Tập mờ đầu ra u.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH78
Bảng 4. 2 Bảng luật mờ của góc Pitch.
e· e VVN VN MN ZE MP VP VVP VVN VVN VVN VVN VVN MN MN MP VN VVN VVN VVN VN MN ZE MP MN VVN VVN VN MN ZE MP VP ZE VVN VN ZE ZE VP VP VVP MP VN MN ZE MP VP VVP VVP VP MN ZE MP VP VVP VVP VVP VVP ZE MP VP VVP VVP VVP VVP
Bảng 4. 3 Bảng luật mờ của góc Yaw.
e· e VVN VN MN ZE MP VP VVP VVN VVN VVN VVN VVN MN MN MP VN VVN VVN VVN VVN VN MN ZE MN VVN VVN VVN VN ZE MP VP ZE VVN VN MN ZE MP VP VVP MP VN MN ZE MP VP VVP VVP VP MN ZE MP VP VVP VVP VVP VVP ZE MP VP VVP VVP VVP VVP
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH79 GĨC ĐẶT - + + - YAW PITCH GĨC ĐẶT SCOPE SCOPE TRMS FUZZY/PID CONTROLLER FUZZY/PID CONTROLLER
Hình 4. 24 Cấu trúc mô phỏng với bộ FUZZY/PID cho hệ thống TRMS.
Mơ phỏng đặc tính vịng kín dùng bộ điều khiển PID với tín hiệu tham chiếu là hàm bước:
Đối với góc pitch có giá trị tham chiếu là 10 độ. Đối với góc yaw có giá trị tham chiếu là 10 độ.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP – Y SINH80
Hình 4. 26 Mơ phỏng đáp ứng góc Yaw.
Nhận xét: Với bộ điều khiển PID cho đáp ứng góc pitch và góc yaw tốt và nhanh đối với tín hiệu là hàm bước. Thời gian đáp ứng góc pitch là 11s, góc yaw là 5s. Tuy nhiên đối với góc Pitch tín hiệu đáp ứng có sự sai lệch so với tín hiệu đặt là khoảng 0.35 độ.
Mơ phỏng đặc tính vịng kín dùng bộ điều khiển Fuzzy:
Đáp ứng của hệ TRMS với tín hiệu tham chiếu là hàm bước. Đối với góc pitch có giá trị tham chiếu là 10 độ.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH81
Hình 4. 27 Mơ phỏng đáp ứng góc Pitch khi góc đặt 10 độ.
BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP – Y SINH82
Nhận xét:Với bộ điều khiển Fuzzy cho đáp ứng góc pitch và góc yaw tốt và nhanh đối với tín hiệu là hàm bước. Thời gian đáp ứng góc pitch là 11s, góc yaw là 4s. Góc pitch khơng có sai lệch giữa tín hiệu đáp ứng và tín hiệu đặt.
Đáp ứng của hệ TRMS với tín hiệu tham chiếu là sóng sin:
Đối với góc pitch có giá trị tham chiếu với biên độ 10 độ (từ 0 đến 20 độ). Đối với góc yaw có giá trị tham chiếu với biên độ 10 độ (từ 0 đến 20 độ).
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP – Y SINH83
Hình 4. 30 Mơ phỏng đáp ứng góc Yaw khi góc đặt là sóng sin T=15s.
Nhận xét: Với bộ điều khiển Fuzzy cho đáp ứng góc pitch và góc yaw tốt và nhanh đối
với tín hiệu sóng sin. Đối với góc pitch thời gian là khoảng 3s, còn đối với trục yaw thời gian đáp ứng là 1s. Tuy nhiên đối với góc pitch đã có những sự vọt lố nhất định.
4.4.2Mơ hình điều khiển tốc độ động cơ:
TỐC ĐỘ ĐẶT - + SCOPE MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN NEURAL/FUZZY/ PID CONTROLLERTỐC ĐỘ ĐIỆN ÁP ĐIỀU KHIỂN
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH84
PID, luật Fuzzy và neural:
PID: nhóm sử dụng phương pháp Ziegler-Nichols để chọn thông số của bộ điều khiển PID.
Fuzzy: Đối với động cơ ba pha mà nhóm đang thực hiện, có hai thơng số đầu vào là sai số (e) và tốc độ sai số (de/dt) và đầu ra là điện áp (u).
Vì hệ thống đo tốc độ, do giá trị thực tế trả về có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn giá trị đặt nên giá trị đó có thể âm hoặc dương nên e và de/dt được chọn thuộc khoảng [-10 10] sau q trình mơ phỏng sẽ điều chỉnh tiền xử lí với giá trị thích hợp.
Hệ thống cần cung cấp điện áp tối đa 3.3 Vdc. Do đó, giá trị ngõ ra này được chọn thuộc khoảng [0 3.3] hoặc [0 10] (cần scale giá trị này về [0 3.3]).
3
-10-7-3.503.5710
VNN VN MN ZE MP VP VVP
0.5 1
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH85 3 0246810 VNN VN MN ZE MP VP VVP 0.5 1 Hình 4. 33 Tập mờ đầu ra u.
Bảng 4. 4 Bảng luậtmờ của hệ thống điều khiển động cơ.
e· e VVN VN MN ZE MP VP VVP VVN VVP VVP VVP VVP VP MP ZE VN VVP VVP VVP VP MP ZE MN MN VVP VVP VP MP ZE MN MN ZE VP VP MP ZE MN VN VN MP MP MP ZE MN VN VVN VVN VP MP ZE MN VN VVN VVN VVN VVP ZE MN VN VVN VVN VVN VVN
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH86
Neural:
Từ dữ liệu thu thập thực tế và qua tool “ident”, nhóm đã tìm hàm truyền của hệ thống như sau: 3 2 9.567 08
184.9 3.102 04 2.797 08
e
s s es e (4.2) Để tiến hành q trình training dữ liệu, nhóm sử dụng tool NARMA_L2 và cài đặt các thơng số như hình 4.34.
Hình 4. 34 Thơng số huấn luyện Neural cho động cơ ba pha.
Đáp ứng của hệ với tín hiệu tham chiếu là sóng Sin có biên độ 400 (từ 100 đến 900).
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH87
Hình 4. 35 Mơ phỏng đáp ứng PID khi ngõ vào là sóng sin.
Mơ phỏng đặc tính vịng kín với bộ điều khiển Fuzzy.
BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP – Y SINH88
Mơ phỏng đặc tính vịng kín với bộ điều khiển NEURAL.
Hình 4. 37 Mơ phỏng đáp ứng neural với giá trị đặt là sóng sin.
Nhận xét: Nhìn chung đáp ứng của các bộ điều khiển tương đối tốt bám theo quỹ đạo sóng sin. Tuy nhiên với bộ điều khiển PID tín hiệu đáp ứng còn chưa ổn định, tốc độ dưới 200 vòng/phút bắt đầu dao động rất mạnh. Với bộ điều khiển Fuzzy đáp ứng tốt nhưng với tốc độ dưới 380 vịng/phút thì khơng đáp ứng được.
Kết luận: Các bộ điều khiển đều có thể đáp ứng tương đối tốt. Tuy nhiên bộ điều khiển Neural phát huy được tối đa các đặc điểm như: đáp ứng nhanh, không vọt lố, khoảng đáp ứng rộng…
4.5 CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN:
BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP – Y SINH88
BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP – Y SINH89
Hình 4. 39 Giao diện điều khiển và quan sát trên PC.
Khối điều khiển giám sát gồm các slider để tùy chỉnh giá trị, các display, Scope để quan sát giá trị trả về, ….sau đó thơng qua chuẩn UART, giao tiếp với STM32F4 để truyền nhận dữ liệu.
4.5.2Chương trình điều khiển tốc độ động cơ ba pha:
Bộ điều khiển Neural được học học tập từ các thông số ngõ vào ra ở chương 4 đã đáp ứng tốt trong q trình mơ phỏng tuy nhiên khi thử nghiệm vào mơ hình đã có sự vọt lố của đáp ứng để khắc phục tình trạng đó bộ điều khiển Neural được cộng thêm thành phần KD (của bộ khiển PID) của tín hiệu lỗi ở ngõ ra để giảm sự vọt lố của tín hiệu.
BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP – Y SINH90
Hình 4. 40 Code bộ điều khiển Fuzzy điều khiển tốc độ động cơ ba pha.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH91
Hình 4. 42 Giao diện điều khiển và quan sát.
Khối điều khiển giám sát gồm các slider để tùy chỉnh giá trị, các display, Scope để quan sát giá trị trả về, ….sau đó thơng qua chuẩn UART, giao tiếp với STM32F4 để truyền nhận dữ liệu.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH92
CHƯƠNG 5. KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ
5.1 TÓM TẮT:
Ở chương này chủ yếu trình bày kết của các bộ điều khiển khác nhau (Fuzzy, Neural) của từng mơ hình phi tuyến được viết bằng phần mềm Matlab/Simulink là được nhúng vào Kit STM32F4 để kiểm nghiệm thực tế bằng kết quả đo của dạng sóng tín hiệu đặt và tín hiệu phản hồi với tín hiệu đặt là các thay đổi khác nhau (theo hàm bước, sóng Sin, và tăng theo hàm trễ bậc 1) thơng qua đó so sánh được ưu điểm và nhược điểm của từng bộ điều khiển khác nhau.
5.2 KẾT QUẢ ĐÁP ỨNG CỦA HAI HỆ PHI TUYẾN:
5.2.1Kết quả đáp ứng của hệ TRMS.
Kết quả đáp ứng của bộ điều khiển Fuzzy được vẽ trên 1 trục tọa độ với bộ điều khiển PID qua đó ta có thể thấy được sự trực quan của 2 bộ điều khiển.
Đáp ứng của hệ góc Pitch với tín hiệu tham chiếu là sóng Sin với biên độ là 10 độ (từ 5 đến 25 độ) và góc Yaw=0 độ.
BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP – Y SINH93
Đáp ứng của hệ góc Pitch với giá trị đặt thay đổi liên tục tăng theo hàm trễ bậc 1.
Hình 5. 2 Đáp ứng góc Pitch của hệ TRMS với giá trị đặt thay đổi liên tục.
Đáp ứng của hệ góc Pitch với giá trị đặt là 10 độ và góc Yaw là 10 độ.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH94
Đáp ứng của hệ góc Yaw với tín hiệu tham chiếu là sóng sin với biên độ là 10 độ (từ 5 đến 25 độ) và góc Pitch=0 độ.
Nhận xét: Khả năng đáp ứng của góc Pitch và góc Yaw của hệ TRMS trong từng bộ điều khiển có sự khác nhau rõ rệt. Mỗi bộ điều khiển có những ưu điểm và khuyết điểm khác nhau.
Đối với tín hiệu vào là sóng Sin khả năng đáp ứng của bộ điều khiển Fuzzy là tốt và nhanh hơn rõ rệt có khả năng bám theo quỹ đạo với sai số rất nhỏ dưới 1 độ. Về bộ điều khiển PID khả năng đáp ứng chậm khiến cho khả năng bám quỹ đạo của hệ chưa tốt.
Đối với tín hiệu vào thay đổi liên tục cả 2 bộ điều khiển đáp ứng tương đối giống nhau tuy nhiên tại thời điểm xác lập bộ điều khiển PID có sự vọt lố khá lớn. Tại những thời điểm tín hiệu vào tăng mạnh bộ điều khiển PID bị dao động và khả năng đáp ứng kém hơn so với bộ điều khiển Fuzzy.
Khi cả 2 động cơ chính và đi cùng hoạt động với giá trị góc đặt đều là 10 độ các động cơ ảnh hưởng lẫn nhau và sinh ra dao động. Bộ điều khiển PID có sự vọt lố, thời gian xác lập, biên độ dao động lớn hơn so với bộ điều khiển Fuzzy.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH95
Đáp ứng của hệ góc Pitch với giá trị đặt thay đổi liên tục tăng theo hàm trễ bậc 1.
Hình 5. 5 Đáp ứng góc Yaw của hệ TRMS với giá trị đặt thay đổi liên tục.
Đáp ứng của hệ góc Yaw với giá trị đặt là 10 độ và góc Pitch là 10 độ.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH96 Nhận xét: Khả năng đáp ứng của góc Yaw của hệ TRMS của bộ điều khiển Fuzzy tốt hơn so với bộ điều khiển PID.
Đối với tín hiệu vào là sóng Sin cả hai bộ điều khiển đáp ứng tương đối ổn định nhưng với thời gian hoạt động lâu thì bộ điều khiển PID khơng bám sát quỹ đạo và có sự sai lệch khá rõ rệt.
Đối với tín hiệu vào thay đổi liên tục bộ điều khiển PID có sự vọt lố khá lớn khi giá trị đặt tăng mạnh. Tại những thời điểm tín hiệu vào giảm bộ điều khiển lại có khả năng đáp ứng tốt hơn Fuzzy.
Khi cả 2 động cơ chính và đi cùng hoạt động với giá trị góc đặt đều là 10 độ các động cơ ảnh hưởng lẫn nhau và sinh ra dao động. Bộ điều khiển PID có sự vọt lố, thời gian xác lập, biên độ dao động lớn hơn so với bộ điều khiển Fuzzy.
Kết luận: Với từng loại thay đổi của tín hiệu đặt bộ điều khiển Fuzzy cũng cho chúng ta thấy mức độ hiệu quả về nhiều mặt như: đáp ứng nhanh, ổn định ít bị dao động, khơng vọt lố… so với bộ điều khiển PID. Bộ điều khiển Fuzzy có thể hoạt động tốt dưới tác động của nhiễu lớn với khả năng quay về quỹ đạo nhanh và ít bị vọt lố. Tuy nhiên tín hiệu điều khiển vẫn chưa tốt còn dao động khá nhiều. Khi hoạt động lâu các Encoder thường reset về giá trị khơng ngay tại vị trí đang hoạt động làm ảnh hưởng tới khả năng đáp ứng của giải thuật.
5.2.2 Mơ hình điều khiển tốc độ động cơ ba pha:
BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP – Y SINH97
Hình 5. 7 Đáp ứng động cơ khi giá trị đặt thay đổi theo hàm bước.
Đáp ứng của hệ với giá trị đặt thay đổi liên tục tăng/giảm theo hàm trễ bậc 1.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH98
Hình 5. 9 Điện áp điều khiển của từng bộ điều khiển.
Nhận xét: Nhìn chung cả ba bộ điều khiển đều đáp ứng tương đối tốt với từng loại thay đổi của giá trị đặt khác nhau từng bộ điều khiển có những ưu điểm và nhược điểm riêng.
Đối với giá trị đặt thay đổi theo hàm bước bộ điều khiển PID tỏ ra kém hiệu quả khi có thời gian xác lập lâu và có sự vọt lố khá lớn. Bộ điều khiển Fuzzy và Neural có thời gian xác lập bằng nhau tuy nhiên bộ điều khiển Neural lại bị vọt lố nhẹ nhưng lại có dạng sóng ổn định nhất trong ba bộ điều khiển.
Đối với giá trị đặt thay đổi thay đổi liên tục từ (200 đến 1000) hai bộ điều khiển PID và neural đáp ứng tốt và bám quỹ đạo trong mọi giá trị đặt trước. Bộ điều khiển Fuzzy do thiết kế các luật mờ và các hàm liên thuộc chưa tốt nên chỉ có thể đáp ứng trong khoản 300 đến 900.
Đối với điện áp điều khiển: các giá trị điện áp của bộ điều khiển PID và Fuzzy thay đổi liên tục mất ổn định. Với điện áp Neural ta có thể thấy điện áp ln ổn định.
Kết luận: Với từng loại thay đổi khác nhau của giá trị đặt chúng tôi nhận thấy kết quả đáp ứng neural tại thời điểm xác lập ổn định và tốt hơn so với hai giải thuật còn lại. Và với tín hiệu điện áp điều khiển chỉ có duy nhất tín hiệu của giải thuật neural đạt yêu cầu. Như vậy, bộ điều khiển neural đã tối thiểu hóa của sai số theo thời gian của giải thuật PID, và dải đáp ứng hẹp của giải thuật mờ.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH99 CHƯƠNG 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT
TRIỂN
6.1 KẾT LUẬN:
Sau thời gian tìm hiểu, nghiên cứu và thực hiện, nhóm đã hồn thành đề tài “Điều khiển hệ thống phi tuyến dùng giải thuật thông minh” trên hai mơ hình thực nghiệm là mơ hình máy bay trực thăng 2 bậc tự do ( TRMS) và mơ hình điều khiển tốc độ động cơ 3 pha. Qua mô phỏng bằng Matlab và kiểm nghiệm bằng thực tế mơ hình kết quả so sánh với cơng trình nghiên cứu khác, đã chứng minh được chất lượng, sự ổn định và đảm bảo các chí trong các q trình điều khiển.