Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.4. Bộ điều khiển PI – Mờ
2.4.1. Cấu trúc bộ điều khiển Mờ
Ứng dụng đầu tiên của điều khiển Mờ là điều khiển động cơ hơi nước, dùng hệ qui tắc mờ Mamdani năm 1974. Ngày nay, có rất nhiều hệ thống điều khiển trong công nghiệp và dân dụng áp dụng phương pháp điều khiển Mờ như: Điều khiển hệ thống thắng và tăng tốc của xe lửa, hệ thống lái xe; điều khiển robot; điều khiển máy giặt, máy ảnh tự động…
Điều khiển Mờ cung cấp phương pháp để biễu diễn, xử lý và thực thi tri thức trực giác của con người và kinh nghiệm chuyên gia được tích hợp vào bộ điều khiển Mờ trong quá trình thiết kế hệ thống.
Hình 2.10: Sơ đồ khối bộ điều khiển Mờ
Sơ đồ khối của bộ điều khiển Mờ trình bày ở hình 2.10 gồm thành phần chính là bộ điều khiển Mờ cơ bản với ba khối chức năng là mờ hóa, hệ qui tắc mờ và giải mờ. Thực tế trong một số trường hợp khi ghép bộ điều khiển Mờ vào hệ
thống điều khiển cần thêm hai khối tiền xử lý và hậu xử lý. Chức năng của từng khối trong sơ đồ trên được mô tả sau đây:
Tiền xử lý
Bộ điều khiển Mờ cơ bản là bộ điều khiển tĩnh. Để có thể điều khiển động, cần có thêm các tín hiệu vi phân, tích phân của giá trị đo, những tín hiệu này được tạo ra bởi các mạch vi phân, tích phân trong khối tiền xử lý. Tín hiệu vào bộ điều khiển thường là giá trị rõ từ các mạch đo, bộ tiền xử lý có chức năng xử lý các giá trị đo này trước khi đưa vào bộ điều khiển Mờ cơ bản. Khối tiền xử lý có thể: lượng tử hóa hoặc làm tròn giá trị đo, chuẩn hóa hoặc tỉ lệ giá trị đo vào tầm giá trị chuẩn, lọc nhiễu.
Bộ điều khiển Mờ cơ bản
Thành phần chính của bộ điều khiển Mờ cơ bản là hệ qui tắc điều khiển, hệ qui tắc này có thể rút ra từ kinh nghiệm chuyên gia trong việc điều khiển đối tượng.
- Khâu mờ hóa chuyển giá trị rõ phản hồi từ ngõ ra của đối tượng thành giá trị mờ để hệ qui tắc có thể suy luận được.
1
2
' ' '
'
( ) ( )
( )
n
A A
A
x x x
x
- Hệ qui tắc mờ là phát biểu nếu-thì, trong đó mệnh đề điều kiện và mệnh đề kết luận là các mệnh đề mờ. Trong mệnh đề điều kiện có thể có các phép giao, phép hợp hoặc phép phủ định. Hệ qui tắc mờ có thể xem là mô hình toán học biểu diễn tri thức, kinh nghiệm của con người trong việc giải quyết bài toán dưới dạng các phát biểu ngôn ngữ.
- Phương pháp suy diễn là sự kết hợp các giá trị ngôn ngữ của ngõ vào sau khi mờ hóa với hệ qui tắc để rút ra kết luận giá trị mờ của ngõ ra. Hai phương pháp suy diễn thường dùng trong điều khiển là MAX-MIN và MAX-PROD.
Có hai loại qui tắc điều khiển thường dùng:
+ Qui tắc mờ Mamdani
+ Qui tắc mờ Sugeno
- Khâu giải mờ là chuyển đổi giá trị mờ ở ngõ ra của hệ mờ thành giá trị rõ.
Trong các bài toán về điều khiển thường sử dụng giải mờ dựa vào điểm trọng tâm.
+ Phương pháp trọng tâm: Đây là phương pháp giải mờ thường dùng nhất trong điều khiển. Phương pháp này được trình bày ở hình 2.11, giá trị giải mờ là:
*
( ) ( )
(2.31) ( )
( )
k k k
Y
k k
Y
y y dy
y u y
y y dy u y
Hình 2.11: Phương pháp trọng tâm
+ Phương pháp trung bình có trọng số: Phương pháp này chỉ sử dụng khi ngõ ra là hợp của các hàm liên thuộc đối xứng. Phương pháp này được minh họa ở hình 2.12, giá trị giải mờ là:
* ( ) ( )
(2.32) ( ) ( )
a a b b
y a b
Hình 2.12: Phương pháp trung bình có trọng số Khối hậu xử lý
Trong trường hợp các giá trị mờ ở ngõ ra của các quy tắc được định nghĩa trên tập cơ sở chuẩn thì giá trị rõ sau khi giải mờ phải được nhân với một hệ số tỷ lệ
để trở thành giá trị vật lý. Khối hậu xử lý thường gồm các mạch khuếch đại (có thể chỉnh độ lợi), đôi khi khối hậu xử lý có thể có khâu tích phân.