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 N. H. Việt, L. T. H. Trang, “Một phương pháp thực hiện một chiều kích từ song song.” 144 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. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san ACMEC, 07 - 2017 145 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: Điều khiển – Cơ điện tử - Truyền thông N. H. Việt, L. T. H. Trang, “Một phương pháp thực hiện một chiều kích từ song song.” 146 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:         18.018.1,83.0 4.048.0,83.02.0 ;5.0,2.0 eue eue ue (1) 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: ee RR R uP 11 21 2    (2) với β1 là hệ số phân áp của nhánh điện trở R1 nối tiếp R2. Viết phương trình định luật Kirchhoff, với up1 = un1, ta có: 43 111 43 R uu R ue ii OApp     (3) Thay (2) vào (3) ta được: e R R R R uOA              3 4 1 3 4 11  (4) Qua mạch khuếch đại đảo sử dụng OA6, điện áp ra là: e u a) u e b) Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san ACMEC, 07 - 2017 147 e R R R R R R u 5 18 3 4 1 3 4 1               (5) Hình 6. Mạch điện tuyến tính từng đoạn. - Khi |Eng1|<e < |Eng2|, D1 dẫn, D3 khóa ngoài điện áp đầu ra tính theo (5) còn có điện áp của mạch sử dụng OA2 và OA3 tác động.        e R R E R R u ng 6 8 6 8 11 (6) Chứng minh tương tự, ta có, điện áp ra như sau: e R R R R R R e R R R R R R e R R E R R u ng 5 18 3 4 1 3 4 11 18 9 10 1 9 10 7 8 6 8 121                                 (7) - Khi e >|Eng2|, D1 và D3 dẫn, ngoài điện áp đầu ra tính theo (7) còn có điện áp của mạch sử dụng OA4 và OA5 tác động, chứng minh tương tự, ta có: e R R R R R R e R R R R R R e R R E R R e R R R R R R e R R E R R u ng ng 5 18 3 4 1 3 4 11 18 9 10 1 9 10 7 8 6 8 17 18 15 16 1 15 16 13 14 12 14 121 32                                                     (8) với β2, β3 là hệ số phân áp của biến trở WR2 và WR3. Mối quan hệ của u và e được biểu diễn như hình 7, trong đó, độ nghiêng của mỗi đoạn thẳng được thay đổi nhờ hệ số phân áp β1, β2 và β3. Ta có thể dịch chuyển đặc tuyến theo trục tung nhờ tác động điện áp một chiều U0 vào đầu vào đảo OA6 như hình 6. Để mạch điện hình 6 có đặc tuyến như phương trình (1) ta sử dụng khuếch Eng1 Eng2 Hình 7. Đặc tuyến truyền đạt của mạch. u e 0 β1 β2 β3 -U0 Điều khiển – Cơ điện tử - Truyền thông N. H. Việt, L. T. H. Trang, “Một phương pháp thực hiện một chiều kích từ song song.” 148 đại thuật toán LM324, điốt 1N4001, các điện trở 10kΩ, Eng1 = 0.2V, Eng2 = 0.83V, U0 = - 0.5V, β1 = 0.5, β2 =0.75 và β3 =0.73. Khi đó, ta thu được kết quả như sau: Hình 8. Đặc tuyến của bộ điều khiển khi thực hiện bằng mạch điện tử. Kết quả mô phỏng cho thấy, ta có thể thực hiện mạch điện tử tương tự dựa trên khuếch đại thuật toán để thực hiện chức năng của bộ điều khiển mờ. Trong trường hợp cần thay đổi hệ số khuếch đại của toàn mạch ta chỉ cần thay đổi giá trị của điện trở R18. 4. KẾT LUẬN Nhóm tác giả đề xuất phương pháp thiết kế dựa trên xấp xỉ đường đặc tuyến vào ra của bộ điều khiển mờ. Quá trình lấy xấp xỉ thành các đoạn thẳng có thể nhỏ để đảm bảo sai lệch trong phạm vi cho phép. Khi đó, đường đặc tuyến sau khi lấy xấp xỉ được thực hiện bằng các linh kiện điện tử tương tự. Quá trình xử lý trên mạch điều khiển mờ được thay thế bằng quá trình xử lý tín hiệu trên mạch điện, do vậy làm tăng thời gian đáp ứng của hệ. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. PGS. TS. Lại Khắc Lãi, “Điều khiển mờ-nơron”, Bài giảng Điều khiển mờ-nơron cho học viên cao học, 2016. [2].Yodyium Tipsuwan and Mo-Yuen Chow, “Fuzzy Logic Microcontroller Implementation for DC Motor Speed Control”, Industrial Electronics Society, 1999. IECON '99 Proceedings. The 25th Annual Conference of the IEEE, pp 1271-1276. [3]. Mare J. Patyra, Janos L. Gratner and Kirby Koster, “Digital Fuzzy Logic Controller: Design and Implementation”, IEEE Transaction on Fuzzy System, Vol.4, No. 4,1996, pp. 439-459. [4]. Daijin Kim, “An Implementation of Fuzzy Logic Controller on the Reconfigurable FPGA System”, IEEE Transaction on Industrial Electronics, Vol.47, No. 3 (2000), pp. 703-715. [5]. Carlos Dualibe, Michel Verleysen and Paul G.A Jespers, “Design of Analog Fuzzy Logic Controller in CMOS Technologies”, Kluwer Academic Publishers, 2003. [6]. Kyoko Tsukano and Takahiro Inoue, “Synthesis of Operational Transconductance Amplifier-Based Analog Fuzzy Functional Blocsks and Its Application”, IEEE Transaction on Fuzzy Systems, Vol 3, No1, 195, pp 63-67. [7]. C. Fantuzzi and R. Rovatti, “On the approximation capabilities of the homogeneous Takagi-Sugenomodel”, in Fuzzy Systems, 1996., Proceedings of the Fifth IEEE International Conference on, vol. 2, 1996. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san ACMEC, 07 - 2017 149 [8]. Bhaskar Roy and Shilpi Sisodiya, “Fuzzy Logic Controller Based Speed Analysis and Control of DC Shunt Motor”, International Journal for Research in Applied Science & Engineering Technology, Vol 3, 2015, pp 152-157. [9]. Phạm Minh Hà, “Kỹ thuật mạch điện tử”, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, 1997, pp 224-225. ABSTRACT A METHOD IMPLEMENTATING THE FUZZY LOGIC CONTROLLER FOR DC SHUNT MOTOR A fuzzy logic control consists of three parts: input fuzzy, composite and defuzzification. The fuzzy controller is applied on microcontrollers with structured programming, complex command. That makes difficult to apply fuzzy control, especially for objects that require fast time response. The controller in the direction of the fuzzy controller and perform the analog circuit is proposed to design. The results show that the controller designed by this method holds the advantage of fuzzy controller and can be implemented simply on the physical device. Key words: Controller design; Fuzzy control; Linear circuit design. Nhận bài ngày 02 tháng 5 năm 2017 Hoàn thiện ngày 10 tháng 6 năm 2017 Chấp nhận đăng ngày 20 tháng 7 năm 2017 Địa chỉ: Khoa Điện tử, Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên. Email: vietcuong86vn@gmail.com