Điều khiển bám hệ quang điện tử trong môi trường rung lắc sử dụng bộ điều khiển PID mờ thích nghi

ủa động cơ khi đó là: 
2
48850.5
( )
1500 41523
mG s
s s

 
 (20) 
Nghiên cứu khoa học công nghệ 
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san ACMEC, 07 - 2017                              163
Ngoài  ra để đo  tốc độ  Ae Ad   của kênh nghiêng  ta sử dụng một con quay hồi  tốc 
(gyro scope). Con quay hồi  tốc được đặt  tại 2 trục e và d của kênh nghiêng. Tín hiệu từ 
con quay hồi tốc được trả về bộ điều khiển để so sánh với tín hiệu đặt từ vòng điều khiển 
bám bên ngoài. 
Hàm truyền của gyro scope được rút ra như sau [6]: 
2
2500
70 25000
gyroG
s s

 
 (21) 
4. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID THÍCH NGHI DỰA TRÊN GIẢI THUẬT MỜ 
CHO VÒNG ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ 
Cấu trúc của bộ điều khiển PID thích nghi mờ: 
Hình 4. Cấu trúc bộ điều khiển PID thích nghi dựa trên giải thuật mờ. 
Đầu vào của bộ điều khiển là sai số e(t) giữa vị trí đặt mong muốn và đầu ra; và tốc độ 
của sự  thay đổi sai  số de/dt; đầu  ra  là các hệ số  , ,p i dK K K   . Cấu  trúc giải  thuật mờ bao 
gồm 2 đầu vào và 3 đầu ra được chỉ ra trên hình 5   
Hình 5. Cấu trúc giải thuật mờ. 
 Nhiệm vụ của khối mờ là thu được hệ số  , ,p i dK K K    tối ưu bằng cách áp dụng một số 
điều chỉnh. Các hệ số  , ,p i dK K K  này đều được giới hạn trong 1 dải giá trị, tức: 
 in ax[ , ]p p M p MK K K   in ax[ , ]i i M i MK K K  n ax[ , ]d d Mi d MK K K   (22) 
Dựa trên các kết quả đạt được từ bộ điều khiển PID trước đó, ta thu được dải giá trị của 
3 thông số  , ,p i dK K K  lần lượt là: 
 Đối với kênh nghiêng: 
 in ax[ , ] [25;75]p M p MK K    in ax[ , ] [1;8]i M i MK K    in ax[ , ] [1;9]d M d MK K    (23) 
 Đối với kênh xoay 
 in ax[ , ] [20;70]p M p MK K    in ax[ , ] [2;10]i M i MK K    in ax[ , ] [2,5;9,5]i M i MK K    (24) 
Các hệ số  , ,p i dK K K của bộ điều khiển PID thích nghi sẽ được xác định từ các hệ số 
của bộ chỉnh định mờ theo biểu thức: 
Điều khiển – Cơ điện tử - Truyền thông 
 N. M. Tiến, L. V. Định, , “Điều khiển bám hệ quang điện tử PID mờ thích nghi.”           164    
 ; ;
p p Max i i Max d d Max
p i d
p Max p Min i Max i Min d Max d Min
K K K K K K
K K K
K K K K K K
  
     
  
    
  
 (25) 
Mờ hóa đầu vào cho  ( ), ( ), , ,p i de t de t K K K  với các tập mờ NB, NM, NS, ZE, PS, PM, 
PB tương ứng là âm lớn, âm vừa, âm nhỏ, không, dương nhỏ, dương lớn          
Hình 6. Hàm liên thuộc của e(t)-de(t) cho 2 kênh. 
Hình 7. Hàm liên thuộc của , ,p i dK K K   
Hình 8. Cấu trúc tổng thể hệ thống điều khiển EOTS. 
Nghiên cứu khoa học công nghệ 
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san ACMEC, 07 - 2017                              165
5. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 
5.1 Kiểm tra sự ảnh hưởng do tốc độ góc của bệ đặt thay đổi 
Hình 9. Đáp ứng góc của kênh nghiêng và kênh xoay với a) ( 0)Pi Pj Pk     
b)
( 5)Pi Pj Pk     (rad/s). 
Bảng 2. Thống kê các kết quả mô phỏng. 
  Thời gian đáp 
ứng  (s) 
Độ quá điều 
chỉnh (%) 
Thời gian xác 
lập (s) 
Sai lệch tĩnh 
(%) 
Tốc độ góc của 
bệ (rad/s) 
Kênh  PID  Fuzzy-
PID 
PID  Fuzzy-
PID 
PID  Fuzzy-
PID 
PID  Fuzzy-
PID 
0  pitch  0.003  0.033  15.698  0.473  0.352  0.151  0  0 
yaw  0.01  0.041  11.798  0.505  0.156  0.136  0  0 
5  pitch  0.003  0.036  18.452  0.505  0.471  0.127  0  0 
yaw  0.01  0.039  13.068  0.505  0.274  0.128  0.25 0 
10  pitch  0.003  0.037  19.880  0.496  0.534  0.137  0.25 0 
yaw  0.01  0.039  15.698  0.430  0.597  0.139  0.5  0 
15  pitch  0.003  0.038  21.341  0.404  0.605  0.141  0.5  0 
yaw  0.01  0.040  17.039  0.314  0.809  0.142  0.5  0 
Hình 10. Đáp ứng góc của kênh nghiêng và kênh xoay với ( 10)Pi Pj Pk     (rad/s) 
và ( 15Pi Pj Pk     (rad/s). 
Điều khiển – Cơ điện tử - Truyền thông 
 N. M. Tiến, L. V. Định, , “Điều khiển bám hệ quang điện tử PID mờ thích nghi.”           166    
Từ bảng 2 ta có thể thấy rõ tính hiệu quả của bộ điều khiển PID thích nghi so với bộ 
điều khiển PID thông thường đặc biệt khi hoạt động trong các môi trường rung lắc không 
đứng yên dẫn đến chuyển động quay của bệ đỡ của hệ. Khi tốc độ góc của bệ bằng 0 thì 
với bộ điều khiển PID thông thường độ quá điều chỉnh (15,69%), với bộ điều khiển PID tự 
chỉnh định dựa trên luật mờ (0.473%) , đồng thời thời gian xác lập của bộ PID tự chỉnh 
định cũng nhanh (0,151s) so với  bộ PID thông thường (0.352s). Đặc biệt khi tốc độ góc 
của bệ tăng cao như tại tốc độ góc là 15 rad/s thì kết quả này lại càng rõ. Bộ PID thông 
thường độ quá điều chỉnh  lên đến 21,341% và  thời gian xác lập  là 0.604s (đối với kênh 
nghiêng) trong khi với bộ PID tự chỉnh định thì chỉ là 0.404% và 0.141s. 
5.2 Kiểm tra sự ảnh hưởng do gia tốc quán tính ly tâm thay đổi 
Tiến hành mô phỏng trong các trường hợp gia tốc quán tính ly tâm của bệ đặt tăng dần 
trong quá trình bệ quay với cả 2 bộ điều khiển PID thích nghi và PID thông thường. 
Hình 11. Đáp ứng của kênh nghiêng và kênh xoay khi gia tốc quán tính ly tâm thay đổi 
a) với bộ điều khiển PID; b) với bộ điều khiển PID thích nghi. 
Từ hình 11 trên ta có thể thấy ngay với bộ điều khiển PID thông thường thì khi gia tốc 
quán tính ly tâm thay đổi thì sai lệch tĩnh trong các đáp ứng góc của kênh nghiêng và kênh 
xoay tăng dần. Với bộ điều khiển PID thích nghi dựa trên hệ mờ của 2 kênh nghiêng và 
xoay đều không tồn tại sai lệch tĩnh khi gia tốc quán tính ly tâm có thay đổi. Điều đó cho 
thấy tính hiệu quả của bộ điều khiển PID thích nghi dựa trên hệ mờ. 
6. KẾT LUẬN 
Bài báo đã đề xuất bộ điều khiển PID thích nghi dựa trên hệ mờ cho hệ thống quang 
điện  tử  bám  mục  tiêu  khi  hoạt  động  trong  các  môi  trường  rung  lắc  khi  đặt  hệ  trên  các 
phương tiện di chuyển như tàu thuyền, xe chuyên dụng, xe tăng ..vv. Bài báo cũng đã đề 
cập đến những ảnh hưởng của nhiễu: ảnh hưởng của 1 trục lên trục còn lại khi quay, sự 
ảnh hưởng do chuyển động quay của bệ đặt và momen lực quán tính ly tâm gây ra bởi sự 
mất cân bằng tĩnh của hệ đến nhiệm vụ bám mục tiêu của hệ. Bộ điều khiển đề xuất đảm 
bảo được yêu cầu bám mục tiêu cho hệ quang điện tử và có độ quá chỉnh và thời gian xác 
lập nhỏ hơn so với bộ PID thông thường. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1]. J.  Hilkert,  "Inertially Stabilized Platform Technology,"  IEEE  Control  Systems 
Magazine, pp. 26-46, 2008. 
[2]. Maher  Abdo,  Ahmad  Reza  Vali,  Alireza  Toloei  and  Mohammad  Reza  Arvan, 
"Research on the Cross-Coupling of a Two Axes Gimbal System with Dynamic 
Unbalance," International Journal of Advanced Robotic Systems, vol. 10, pp. 80, 2013 
Nghiên cứu khoa học công nghệ 
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san ACMEC, 07 - 2017                              167
[3]. Maher  Abdo,  Ali  Reza  Toloei,  Ahmad  Reza  Vali  and  Mohammad  Reza  Arvan, 
"Cascade Control System for Two Axes Gimbal System with Mass Unbalance," 
International Journal of Scientific & Engineering Research, vol. 4, no. 9, pp. 903, 2013. 
[4]. Zhiming  Zhao  and  Xiaoyang  Yuan,  "Backstepping Designed Sliding Mode Control 
for a Two-Axis Tracking System," IEEE, pp. 1593-1598, 2010 
[5]. Maher  Abdo,  Ahmad  Reza  Vali,  Ali  Reza  Toloei  and  Mohammad  Reza  Arvan, 
"Modeling Control and Simulation of Two Axes Gimbal Seeker Using Fuzzy PID" 
The 22nd Iranian Conference on Electrical Engineering (ICEE 2014), pp. 1342, 2014. 
[6]. Ho-Pyeong Lee and Inn-Eark Yoo, "Robust Control Design for a Two-axis Gimbaled 
Stabilization System," IEEE, pp. 45-52, 2008. 
[7]. Minh  Xuân  Phan,  Tien  Ngo  Manh,  Nhan  Nguyen  Duc,  Duyen  Ha  Thi  Kim,  Lien 
Truong Thi Bich, “Tracking control for the Electro-Optical tracking system Based on 
the self-tuning Fuzzy PID control”,VCCA-2015. 
[8]. M.  Abdo,  A.  R.  Toloei,  A.  R.  Vali  and  M.  R.  Arvan,  "Modeling, Control and 
Simulation of Cascade Control Servo System for One Axis Gimbal Mechanism," IJE 
Transactions A, vol. 27, no. 1, pp. 157-170, 2014. 
[9]. E. DiBenedetto, Classical Mechanics,  “Theory and Mathematical Modeling”,  2011, 
Birkhauser, New York. 
[10]. Tien Ngo Manh, Minh Phan Xuan, Duyen Ha Thi Kim, Minh Pham Ngoc, “Some of 
new research results in the Deverlopment of Mobile Robot mounted Camera 
automatically Seaching and Tracking Moving Target”, The Vietnam Conference on 
Mechatronics VCM6, ISBN 978-604-62-0753-5; 12/2012. 
[11]. Tien  Ngo  Manh,  Khanh  Pham  Xuan,    Phuoc  Nguyen  Doan,  Minh  Phan 
Xuan,“Proposed improvements controller parameter adjustment to adaptive the PID, 
applications replacement of industrial controllers”,  Journal  of  Science  and 
Technology 05/2011 - Hanoi University of Industry, ISSN 1859 3585, Tr 25-30. 
[12]. Tien  Ngo  Manh,  “Research, design and integrating the electro-optical system to 
monitor the short range objects, applying for the islands”, report of project Vietnam 
Academy of Science and Technology 2013-2014, 3/2015 
ABSTRACT 
TRACKING CONTROL FOR ELECTRO-OPTICAL TRACKING SYSTEM IN 
VIBRATION ENVIRONMENT BASED ON SELF-TUNING FUZZY PID CONTROL 
In this paper, controlling Electro-optical tracking system (EOTS) when 
operating in vibration, unstable environment such as ship, air plane, tank is 
researched. This makes the base body of EOTS has angular motion. In this paper, 
we also mention the effect of centrifugal force torque which is the cause of static 
mass unbalance on the rotating of pitch and yaw channel. The controller used in 
this paper is self-tuning Fuzzy PID controller. The overall control system is built 
and simulated in Matlab for the self-tuning Fuzzy PID controller and a 
conventional PID controller. 
Keywords: Electro-optical tracking system; Gimbal; PID; Fuzzy-PID; Tracking. 
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: 1Viện Vật Lý, Viện Hàn Lâm KH&CN Việt Nam;   
               2 Đại học Bách khoa Hà Nội;  
              3 Đại học Công nghiệp Hà Nội. 
          * E-mail: nmtien@iop.vast.ac.vn