ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
HUỲNH NGỌC TÙNG
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÒ ĐIỆN TRỞ SỬ DỤNG
PHƢƠNG PHÁP PID MỜ TỰ CHỈNH
Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điều Khiển và Tự Động Hóa Mã số: 60 52 02 16
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Đà Nẵng – Năm 2016
Công trình được hoàn thành tại ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS Đoàn Quang Vinh
Phản biện 1: TS Phan Văn Hiền
Phản biện 2: TS Trần Đình Khôi Quốc
Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 27 tháng 8 năm 2016
Có thể tìm hiểu luận văn tại:
- Trung tâm Thông tin – Học liệu, Đại học Đà Nẵng
MỞ ĐẦU 1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
T nh Đ n m trong hu vực T y Nguyên, à một trong nh ng t nh trồng c y công nghiệp và nông nghiệp ớn nhất trong nước, đ ng g p cho P c t nh 50
thu hoạch c c c y công nghiệp và nông nghiệp thường à m mư Ph n ớn đều động tại h u ph i sấy, một số c đ u tư cho s n ph i nhưng ại phụ thuộc vào thời ti t.
Còn các loại máy sấy, t sấy được dùng rộng rãi nhất hiện nay ở trong t nh à m y sấy v ngang, các hệ thống lò sấy t nh, sấy dùng năng ượng mặt trời, loại này gi thành tư ng đối c o, chư c hả năng tự động điều ch nh nhiệt trong buồng sấy hông inh động tức thời nên có khả năng dẫn tới quá nhiệt àm th y đổi chất ượng sản phẩm.
ên cạnh đ điều khiển ổn đ nh nhiệt độ à vấn đề đặt r nh m nâng cao chất ượng sản phẩm và độ ền sản phẩm Với phư ng ph p điều khiển PID, khi tham số c qu trình điều khiển th y đổi thì các thông số c a bộ điều khiển PID c n phải được t nh to n cài đặt lại.
Tuy nhiên, trong thực t nhiều giải pháp tổng hợp, c c ộ điều khiển PI thường b b t c khi gặp nh ng ài to n c độ phức tạp cao, phi tuy n lớn, thường xuyên th y đổi trạng thái và cấu trúc c đối tượng...
Việc nghiên cứu ứng dụng một phư ng ph p điều hiển hiện đại vào thực tiễn à hoàn toàn c n thi t và ph hợp với yêu c u hiện n y mà c c điện trở đ ng ngày càng được d ng phổ i n và việc Thi t k bộ điều khiển nhiệt độ điện trở s dụng phư ng ph p PI mờ tự ch nh à nhu c u c n phải nghiên cứu nh m tìm ra nh ng t nh năng
ưu việt, giải pháp an toàn, kinh t trong khai thác s dụng cho phù hợp với điều kiện c t nh nhà
ột ộ điều hiển nhiệt điện trở tự động d tìm th m số theo uật mờ tự ch nh, với hoảng tinh ch nh đ rộng xung qu nh gi tr đạt được t phư ng ph p thực nghiệm Ziegler-Nichols, b ng kỹ thuật logic mờ à c n thi t Trong đ , ộ điều khiển PID gi vai trò là bộ điều khiển chính, tạo tín hiệu điều khiển đối tượng và bộ điều khiển mờ gi vai trò là bộ quan sát, cung cấp thông số phù hợp cho bộ điều khiển PID theo thời gian thực.
Trong nh ng nghiên cứu g n đ y, ộ điều khiển mờ với nh ng ưu điểm h n so với các bộ điều khiển cổ điển. So với các giải pháp trong kỹ thuật điều khiển t trước đ n n y, để tổng hợp các hệ thống điều khiển thì phư ng ph p tổng hợp hệ thống điều khiển b ng logic mờ c nh ng ưu điểm.
Với nh ng đặc điểm c đối tượng c n điều khiển, do vậy để đ p ứng được yêu c u c a thực tiễn sản suất cũng như trong ĩnh vực về các ứng dụng điều khiển ổn đ nh nhiệt độ, người thực hiện đã ựa chọn đề tài Thi t k bộ điều khiển nhiệt độ điện trở s dụng phư ng ph p PI mờ tự ch nh để nghiên cứu.
2. CÁC MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI
Với bộ điều hiển nhiệt điện trở tự động d tìm th m số theo uật mờ tự ch nh mong muốn cho t quả: Qu trình qu độ hông c độ qu điều ch nh, àm việc ổn đ nh, ền v ng, điều hiển nhiệt độ ng nhiệt độ đặt, thời gi n đạt tới nhiệt độ đặt hợp , ộ điều hiển c n đ p ứng được yêu c u về thời gian thực.
3. Đ I TƢ NG VÀ PHẠM VI NGHI N CỨU
Điều khiển nhiệt độ c a lò nhiệt điện trở có công suất nhỏ.
nhiệt à mô hình phi tuy n Đặc trưng c nhiệt c đặc tính
là khâu quán tính bậc cao, được xấp x về khâu quán tính bậc nhất có trễ àm truyền c nhiệt được x c đ nh ng phư ng ph p thực nghiệm
Cấp nhiệt tối đ cho (công suất vào P = 100%) nhiệt độ tăng d n, sau một khoảng thời gian nhiệt độ đạt đ n giá tr ão h Đặc tính theo thời gian có thể biểu diễn như hình vẽ:
n t n n t
T x c đinh được hàm truyền g n đúng c a lò nhiệt là:
( ) ( ) 4. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Nghiên cứu mục đ ch, nghĩ và gi tr c a việc ứng dụng tự động h trong điều khiển nhiệt độ.
Nghiên cứu các giải pháp tự động h , c c phư ng ph p điều khiển ứng dụng trong điều khiển nhiệt độ, lựa chọn các giải pháp thi t k .
Tìm hiểu sự áp dụng tự động h trong điều khiển nhiệt độ ở một số mô hình, thi t b điều khiển nhiệt độ đ ng được áp dụng trong thực tiễn ở trong t nh
S dụng ph n mềm MATLAB mô phỏng kiểm chứng thuật toán điều khiển c c c phư ng ph p điều khiển.
Đ nh gi toàn ộ bản luận văn, đề ngh hướng phát triển đề tài.
5. CỤC ĐỀ TÀI
Chư ng 1: Tổng quan về đo ường và c c phư ng ph p đo nhiệt
độ
Chư ng 2: Tổng qu n về điện trở và c c phư ng ph p điều hiển nhiệt độ
Chư ng 3: thuy t ogic mờ, điều hiển mờ và PI mờ tự ch nh
Chư ng 4: Thi t ộ điều hiển nhiệt độ PID mờ tự ch nh 6. T NG QUAN TÀI LIỆU NGHI N CỨU
Trong uận văn được s dụng h i nguồn tài iệu th m hảo ch nh:
Nguồn tài iệu th m hảo ti ng việt ch y u à c c tài iệu c c ài o tại c c hội ngh c điện t , Tạp ch ho học vi t
Nguồn tài iệu th m hảo nước ngoài s dụng c ản à tài iệu [9], Li-Xin Wang (1997), A course in Fuzzy systems and control, prentice-Hall Internatinal, Inc và ài o, Tạp ch ho học vi t
CHƢƠNG 1. LÝ THUYẾT T NG QUAN VỀ ĐO LƢỜNG VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐO NHIỆT ĐỘ
1.1. HỆ TH NG ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ Khái niệm về hệ thống điều khiển nhiệt độ 1.1.1.
Sơ đồ tổng quát của hệ thống điều khiển nhiệt độ 1.1.2.
Hệ thống đo lƣờng cơ bản 1.1.3.
1.2. CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐO NHIỆT ĐỘ Các phƣơng pháp đo tiếp xúc 1.2.1.
Nhiệt kế nhiệt điện trở (Resistance Thermometer) a.
Nhiệt kế cặp nhiệt ngẫu (Thermocouples) b.
Đo nhiệt độ cao bằng phương pháp tiếp xúc c.
Đo nhiệt độ bằng phƣơng pháp không tiếp xúc 1.2.2.
Các loại cảm biến 1.2.3.
Nhiệt điện trở kim loại (RTD) a.
Điện trở oxit kim loại (Thermistor) b.
Thermocouple (Cặp nhiệt điện) c.
Bù nhiệt của môi trƣờng 1.2.4.
Các thông ố về cảm biến nhiệt độ 1.2.5.
1.3. KẾT LUẬN
Chư ng 1 nh m mục đ ch nghiên cứu tổng quan về về c c phư ng ph p đo ường, c c h i niệm về hệ thống đo ường điều khiển nhiệt độ, các loại cảm bi n nhiệt độ. Qua tìm hiểu ph n t ch c sở thuy t sẽ giúp người thực hiện c c sở lựa giải ph p điều khiển, lựa chọn cảm bi n nhiệt độ phù hợp với yêu c u và đư r phư ng n thi t k ph n cứng, lập trình ph n mềm điều khiển hệ thống tốt h n
CHƢƠNG 2. T NG QUAN VỀ LÒ ĐIỆN TRỞ VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ 2.1. GIỚI THIỆU VỀ LÒ ĐIỆN
Đặc điểm của lò điện 2.1.1.
Nguyên lý làm việc của lò điện trở 2.1.2.
Khi d ng điện chạy qua vật dẫn c điện trở là R, nó sẽ toả ra nhiệt ượng trong vật thể theo đ nh luật Joule- ence Năng ượng nhiệt này sẽ đốt nóng bản thân vật dẫn hoặc gián ti p đốt nóng các vật nung x p g n đ Nh ng thi t b nung làm việc theo nguyên t c này được gọi là điện trở.
2.2. PHÂN LOẠI LÒ ĐIỆN TRỞ
Theo phƣơng pháp toả nhiệt, ta chia lò điện trở thành 2.2.1.
hai nhóm
Lò điện trở tác dụng trực tiếp a.
Lò điện trở tác dụng gián tiếp b.
Phân loại theo nhiệt độ làm việc 2.2.2.
Phân loại theo nơi dùng 2.2.3.
Phân loại theo nơi dùng 2.2.4.
Phân loại theo đặc tính làm việc 2.2.5.
Phân loại theo kết cấu lò 2.2.6.
Phân loại theo mục đích ử dụng 2.2.7.
2.3. VẬT LIỆU LÀM DÂY ĐIỆN TRỞ
Yêu cầu của vật liệu để chế tạo dây điện trở 2.3.1.
Vật liệu làm dây điện trở 2.3.2.
Dây điện trở bằng hợp kim a.
Dây điện trở bằng kim loại b.
Các loại lò điện trở thông dụng 2.3.3.
Khống chế và ổn định nhiệt độ lò điện trở 2.3.4.
2.4. HÀM TRUYỀN CỦA LÒ ĐIỆN TRỞ Đối tƣợng lò nhiệt
2.4.1.
Lò nhiệt là mô hình phi tuy n Đặc trưng c a lò nhiệt là khâu quán tính nhiệt, khi b t đ u cung cấp năng ượng đ u vào cho lò nhiệt thì nhiệt độ c tăng t t Để đạt tới nhiệt độ c n cung cấp thì mất khoảng thời gi n h dài Đ y ch nh à đặc tính quán tính c a lò nhiệt.
X c đ nh hàm truyền g n đúng c a lò nhiệt d ng đ nh nghĩ ( ) ( )
( ) (2.1)
Tín hiệu đ u vào là hàm nấc đ n v (P = 100%) Dễ dàng chứng minh được:
( )
( ) (2.2)
Suy ra
( )
( ) (2.3)
Vậy hàm truyền đối tượng lò nhiệt:
( )
( ) (2.4)
Khai triển Taylo g n đúng t được hàm truyền hệ thống bậc 2
( )
( )( ) (2.5) Với: L: thời gian trễ; T: thời gian quán tính.
K: hệ số tỷ lệ cho bi t quan hệ vào và ra ở ch độ xác lập G(s): hàm truyền lò nhiệt
Mô phỏng đặc tính tự nhiên của lò nhiệt trên matlab 2.4.2.
imulink nhƣ au
Mô hình lò nhiệt với thông số bi t trước K = 400, T = 450s, L = 60s. Trong thực t khi lò nhiệt chư nung đã c nhiệt độ xấp x b ng nhiệt độ môi trường hoặc đã được gia nhiệt trước đ , do vậy ở đ y t thêm nhiệt độ n đ u b ng 37 tư ng ứng là nhiệt độ môi trường
Hình 2.1. Mô hình lò nhi t trong matlab simulink
Dùng simulink ta xây dựng mô hình hệ thống như (hình 2.2), đư tín hiệu dạng hàm ước ở ngõ vào c đối tượng với 100% công suất, s u đ nhập thông số cho lò và chạy mô phỏng, đo đ p ứng ở ngõ ra c đối tượng có dạng như (hình 2.3)
Hình 2.2. ố tượng lò nhi t
Đường đặc tính tự nhiên c đối tượng lò nhiệt có thông số:
K = 400, T = 450s, L = 60s, với 100% công suất ở ngõ vào có dạng như (hình 2.3)
Hình 2.3. c tính tự nhiên của lò nhi t
2.5. CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ TRUYỀN TH NG
Điều khiển ON/OFF 2.5.1.
M ph ng đi u khiển ON/OFF a.
Mô hình hệ thống đi u khi n ON/OFF ổn định nhiệt trong b.
matlab simulink
Thuật toán đi u khiển c.
Phư ng ph p điều khiển ON/OFF c n được gọi à phư ng ph p đ ng ng t thường dùng khâu relay có trễ: c cấu chấp hành sẽ đ ng nguồn để cung cấp năng ượng ở mức tối đ cho thi t b tiêu thụ nhiệt n u nhiệt độ đặt yđặt(t) ớn h n nhiệt độ đo y(t), ngược lại mạch điều khiển sẽ ng t mạch cung cấp năng ượng khi nhiệt độ đặt nhỏ h n nhiệt độ đo
Kết quả m ph ng đi u khiển ON/OFF d.
Điều khiển ON/OFF cho lò nhiệt c độ lợi (giá tr đặt) K = 400;
thời gia trễ L = 60s, thời gi n qu n t nh T 450s; Tđặt 200 0C
n 2.11 n ủ n t n t t 0C Điều khiển PID theo ZIEGLER NICHOLS 2.5.2.
Tổng quan v bộ đi u khiển P D a.
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Dap ung thoi gian (giay)
Nhiet do (oC)
DAC TINH TU NHIEN CUA LO NHIET
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
-50 0 50 100 150 200 250
Dap ung he thong bo dieu khien Relay
Thoi gian (s )
Nhiet do (C)
Th Dat Th on/ off Th s ai lec h on/ off
ơ đ Đi u khiển PID b.
n 2.2. Sơ ồ khối b ều khiển PID T c hàm điều khiển:
( ) ( ) ∫ ( ) ( )
Thuật toán xác định tham số bộ đi u khiển PID theo Ziegler- c.
Nichols
Xác định bằng đặc tính lò nhiệt d.
Xây dựng phương tr nh trạng thái cho hệ thống đi u khiển e.
nhiệt độ
Thuật toán xác định các tham số PID của bộ đi u khiển lò f.
nhiệt
Xây dựng h m truy n bộ đi u khiển P D g.
Chương tr nh h.
Kết quả mô ph ng đi u khiển PID i.
* K t quả mô phỏng hệ thống nhiệt 1 với bộ điều khiển PI i t thông số hông c h u ão h
n 2.3 ng T t T 0
* K t quả mô phỏng hệ thống nhiệt 1 với bộ điều khiển PI i t thông số hông c h u ão h
nh 2.4. ng T t T
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 -100
-50 0 50 100 150 200 250 300
Dap ung he thong bo dieu khien PID1 co thong so
Thoi gian (s)
Nhiet do (C)
Th Dat Th thuc PID1 Th Sai lech PID
0 500 1000 1500 2000 2500
-50 0 50 100 150 200
250 Dap ung he thong bo dieu khien PID1 co thong so
Thoi gian (s )
Nhiet do (C)
Th Dat Th thuc PID1 Th Sai lec h PID
2.6. KẾT LUẬN
Qua việc tìm hiểu c c phư ng ph p điều khiển nhiệt độ đã rút r được c c ưu điểm, hạn ch c a t ng phư ng ph p điều khiển thông thường (ON /OFF) với phư ng ph p điều hiển PI theo ieg er Nicho s và t đ àm c sở ựa chọn phư ng ph p th ch hợp ứng dụng trong mô hình điều khiển nhiệt độ.
n 2.1. B ng so sánh giữ ươn ều khiển k n ển C c phư ng ph p điều
khiển Ưu điểm Khuy t điểm
Điều khiển ON – OFF
Điều khiển đ n giản, không xảy ra
offset
Xảy ra quá tải và hunting (d o động) Điều khiển PID theo
Ziegler Nichols
Điều khiển ổn đ nh h n
C n phải đặt các thông số thích hợp CHƢƠNG 3. LÝ THUYẾT LOGIC MỜ, ĐIỀU KHIỂN MỜ VÀ
PID MỜ TỰ CHỈNH 3.1. LOGIC MỜ
Khái niệm về logic mờ 3.1.1.
Tập mờ 3.1.2.
Các phép toán trên tập mờ 3.1.3.
Phép hợp a.
Phép giao b.
Phép bù c.
Biến ngôn ngữ và giá trị biến ngôn ngữ 3.1.4.
Luật hợp thành mờ 3.1.5.
Mệnh đ hợp thành a.
Mô tả mệnh đ hợp thành b.
Luật hợp thành mờ c.
Thuật toán xây dựng luật hợp thành có nhi u mệnh đ hợp d.
thành
Luật hợp th nh đơn một đi u kiện e.
Luật hợp thành có hai mệnh đ hợp thành f.
Giải mờ g.
Phương pháp suy luận mờ Mamdani h.
3.2. ĐIỀU KHIỂN MỜ
Bộ điều khiển mờ căn bản 3.2.1.
Nguyên lý điều khiển mờ 3.2.2.
3.3. PID MỜ TỰ CHỈNH
Các bƣớc thực hiện ác định tham ố bộ PID mờ tự 3.3.1.
chỉnh
Bước 1: Đ nh nghĩ tất cả các bi n ngôn ng vào/ra.
Bước 2: X c đ nh các tập mờ cho t ng bi n vào/ra (mờ hoá).
Bước 3: Xây dựng luật hợp thành.
Bước 4: Chọn thi t b h p thành.
ước 5: Giải mờ và tối ưu ho Phƣơng pháp nghiên cứu 3.3.2.
ộ điều hiển PI mờ tự ch nh được x y dựng trên ph n mềm T / imu in , phiên ản 2009 và công cụ ogic mờ Trong đ đối tượng điều hiển à điện trở được thực hiện ởi ộ PI mờ
ô hình tổng qu t c hệ thồng điều hiển được trình ày trên (hình 3 13)
àm truyền c đối tượng điều hiển được x c đ nh t (2.12) Trong đ ộ điều hiển PI được x c đ nh ởi hàm truyền(2 14).
Việc x c đ nh th m số ộ điều hiển được thực hiện theo phư ng ph p ieg er-Nicho s C h i phư ng ph p thực nghiệm d ng để x c đ nh c c th m số {Kp, Ki, Kd c ộ điều hiển.
- Phư ng ph p ieg er-Nicho s dự trên đ p ứng v ng hở
- Phư ng ph p ieg er-Nicho s dự trên đ p ứng v ng n
Tuy nhiên với h i phư ng ph p thực nghiệm này đều cho t quả x c đ nh được th m số c ộ điều hiển PI g n tư ng tự nh u [6 , 7 Với phạm vi nghiên cứu c đề tài thì thực hiện x c đ nh th m số ộ điều hiển PI theo phư ng ph p re y-feedback autotuning
n 3.13 n t n t ủ t ốn ề k ển 3.4. KẾT LUẬN
Qua việc tìm hiểu lý thuy t điều khiển mờ và c c phư ng ph p điều khiển mờ đã giúp người thi t k c sở uận, i n thức c ản về phư ng ph p điều khiển mờ.
Tuy nhiên việc t nh to n, x c đ nh tham số bộ điều khiển PID theo nh ng phư ng ph p trình ày ở muc 2.5.2.d gặp nhiều h hăn, n đ i hỏi người s dụng phải có ki n thức về điều khiển tự động và kinh nghiệm về điều khiển PI cho t quả chư tốt t hợp với c sở thuy t điều hiển mờ t c phư ng ph p PI mờ tự ch nh T c c i n thức c ản này giúp đư r được phư ng n thi t k ộ điều hiển PID mờ tự ch nh trong điều khiển nhiệt độ điện trở.
CHƢƠNG 4. THIẾT KẾ Ộ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ PID MỜ TỰ CHỈNH
4.1. ây dựng thuật toán điều khiển PID mờ tự chỉnh trong điều khiển nhiệt độ lò điện trở
Lựa chọn phƣơng pháp điều khiển 4.1.1.
Xây dựng thuật toán điều khiển 4.1.2.
T mô hình tổng qu t hình 3.13, T c đối tượng điều hiển c hàm truyền theo mục 2.4.1 t c :
( ) ( )
Khai triển Taylo g n đúng t được hàm truyền hệ thống bậc 2: ( ) ( )( )
Mô hình toán c a bộ PID theo (2.13)
( ) ( ) ∫ ( ) ( )
( ) ( ) ( ) (4.1) T c hàm truyền c ộ điều hiển PI x c đ nh theo (2.14)
( ) (4.2)
Các tham số KP, KI, KD được ch nh đ nh theo t ng bộ điều khiển mờ riêng biệt dựa trên sai lệch e(t) và đạo hàm de(t). Có nhiều phư ng ph p h c nh u để ch nh đ nh bộ PI như à dựa trên phi m hàm mục tiêu, ch nh đ nh trực ti p, ch nh đ nh theo h o, Tomizu và Is … Nguyên t c chung là b t đ u với các tr KP, KI, KD theo Zeigler- Nicho s, s u đ dự vào đ p ứng và th y đổi d n để tìm r hướng ch nh đ nh thích hợp.
Việc tìm r một phư ng ph p tối ưu c một ộ điều hiển cho một qu trình nhất đ nh à hông đ n giản, một trong c ch à điều hiển tinh ch nh ng y trong qu trình hoạt động c hệ thống (gọi à tinh ch nh on ine) dự trên qui t c mờ 4], [11]. Trên hình vẽ 4 6 cho thấy hệ thống PI tự ch nh mờ đ y à để h i th c uật mờ và uận để tạo r th m số điều hiển
n 4.1 ề k ển k t ợ v
Vấn đề ở đ y à điêu ch nh c c th m số, người t cho r ng c c th m số Kp, Kd n m trong phạm vi qui đ nh Kpmin, Kpmax và Kdmin, Kdmax được x c đ nh ng thực nghiệm, dự vào phư ng trình Theo [11]
(4.3)
(4.4)
(4.5)
(4.6) Để thuận tiên Kp, Kd được chuẩn h vào hoảng gi hông và một ởi c c i n đổi tuy n t nh s u: [9]
X t hệ thống điều hiển như hình vẽ
n 4.2 t ốn ề k ển
Thông thường à ộ điều hiển PI theo (4 4), hoặc tư ng đư ng (4 3) ệ thống được x y dựng t một tập hợp c c qui t c mờ IF- T N mô tả àm th nào chọn được th m số PI trong điều iện hoạt động nhất đ nh
Phương pháp Ch nh định PID trong đi u khiển mờ a.
n 4.3. ỉn ịn PID t n ề k ển
- Trong lân cận a1 ta c n luật ĐK mạnh để rút ng n thời gian lên, do vậy chọn: KP lớn, Kd nhỏ và Ki nhỏ.
- Lân cận b1 ta tránh vọt lố lớn nên chọn: Kp, Ki nhỏ, Kd lớn
- Lân cận c1 và d1 giống như n cận a1 và b1. Hai tham số Kp, Kd xem như mỗi tham số điều ch nh điều ch nh một đường cong, để điều ch nh h i đường k t hợp như một đường thì phải có sự phối hợp gi a Kp và Kd
Ch nh định mờ tham số bộ đi u khiển P D b.
C c th m số KP, Ki, Kd được ch nh đ nh theo t ng bộ điều khiển mờ riêng biệt dựa trên sai lệch e(t) và đạo hàm de(t). Cụ thể các tham số Kp, Ti, Td hay Kp, Ki, Kd c a bộ điều khiển PI được ch nh đ nh trên c sở phân tích tín hiệu ch đạo và tín hiệu ra c a hệ thống, chính xác là sai lệch e(t) và đạo hàm de/dt c a sai lệch . Có nhiều phư ng pháp ch nh đ nh các tham số cho bộ điều khiển PI như ch nh đ nh qua phím hàm mục tiêu, ch nh đ nh trực ti p theo h o, Tomizu và Is … 11 ,[12]. Nguyên t c chung là b t đ u với các tr KP, Ki, Kd
theo Zeigler-Nicho s, s u đ dự vào đ p ứng và th y đổi d n để tìm r hướng ch nh đ nh thích hợp ong phư ng ph p đ n giản nhưng dễ áp dụng h n cả à phư ng ph p ch nh đ nh mờ c a Zhao, Tomizuka và Isaka với giả thi t các tham số KR, KD b chặn:
(4.7) (4.8) h o, Tomizu , Is đã chuẩn hóa các tham số đ như s u :
(4.9)
(4.10)
Để c :
Như vậy, bộ ch nh đ nh mờ sẽ c h i đ u vào là e(t),
và đ u ra là
trong đ :
(4.11)
o đ t c thể xem n như ộ ch nh đ nh mờ nhỏ, mỗi ộ c h i đ u vào T, T và đ u r à Kp,Ki,Kd 9]
n 4.1 t n t n ỉn ịn
ộ điều hiển mờ được đư vào cấu trúc điều hiển như hình 4 5 , nh m mục tiêu cung cấp gi tr {Kp, Ki, Kd cho ộ điều hiển PI , dự theo điều iện hiện tại c {e, u
Nghĩ à ộ điều hiển mờ được thực hiện riêng ẽ như hình 3 18 ỗi ộ điều hiển sẽ c 2 ng vào và 1 ng r
n 4.5. t ề k ển Ng vào thứ nhất T được mờ h ởi 7 tập:
ET = {âm nhiều, âm v a, âm ít, zero, dư ng t, dư ng v , dư ng nhiều}, ET = { N3, N2, N1, ZE, P1, P2, P3 }
n 4.6. n t n v T Ng vào thứ h i T được mờ h ởi 7 tập tư ng ứng :
T { m nhiều, m v , m t, zero, dư ng t, dư ng v ,
dư ng nhiều ; DET = { N31, N21, N11, ZE1, P11, P21, P31 }
Hình 4.7. hàm liên thu c ngõ vào DET
n 4.8. n t n
àm iên thuộc c c tập mờ ng vào/r được x c đ nh ởi 11].
( ) ( ) (4.12) ự trên i c c gi tr c cho t ng qui t c được x c đ nh cụ thể ng c ch thực hiện c c qui t c trong uật mờ 10].
T c :
∑
(4.13) C c hàm iên thuộc tư ng ứng:
∑
(4.14)
∑
(4.15)
∑
(4.16) Khi và 𝛼 được x c đ nh, c c th m số c ộ điều hiển PI sẽ t nh to n t c c phư ng trình s u:
) (4.17) ) (4.18)
(4.19)
Như vậy, bộ ch nh đ nh mờ sẽ c h i đ u vào là e(t), và ba đ u ra là .
Đi u khiển nhiệt độ lò nhiệt bằng phương pháp P D mờ tự c.
ch nh
* X c đ nh bi n ngôn ng
Hai tín hiệu đ u vào bộ điều khiển mờ: đ u vào c a bộ điều khiển mờ gồm 2 bi n là sai lệch nhiệt độ ET và tốc độ tăng T trong đ :
- Sai lệch nhiệt độ T, trong đ T Đặt - Đo
Sai số (T: nhiệt độ đặt) - Tốc độ tăng T, với ( ) ( )
T1 là chu kỳ lấy mẫu.
Đ u vào: 2 bi n
+ Sai lệch nhiệt độ T Đặt - Đo
Sai số (chọn , T=200 0C) (4.20) Suy ra: ET [-12 12]
+ Tốc độ tăng ( ) ( )
, với T1 à chu ỳ ấy mẫu Chọn độ tăng nhiệt độ tối đ 600C, thời gi n ấy mẫu 10sec
( ) ( )
(4.21) Suy ra: DET [-0.6 0.6]
Đ u ra: 3 bi n, Kp hệ số tỷ lệ; Ki hệ số tích phân, Kd hệ số vi phân
* Mô tả bi n ngôn ng
T c năm i n ngôn ng đ à s i ệch nhiệt độ ET, tốc độ tăng DET, Kp, KI, KD. Hai bi n T và T c 7 gi tr ngôn ng và bi n ngôn ng Kr, KD, anpha c 5 gi tr ngôn ng được mô tả như sau
ET = {âm nhiều, âm v a, m t, zero, dư ng t, dư ng v , dư ng nhiều}; ET = { N3, N2, N1, ZE, P1, P2, P3 }
DET = { âm nhiều, âm v , m t, zero, dư ng t, dư ng v a, dư ng nhiều}; DET={ N31, N21, N11, ZE1, P11, P21, P31 }
Kr/KD={ Small, Big } = { S, B}
Anpha={mức 1, mức 2,mức 3,mức 4, mức 5}={S, MS, M, P}
* Tập mờ
Hàm liên thuộc c a các bi n có dạng hình t m gi c được chọn như hình dưới đ y
n 4.9. n t T v n t T
n 4.10. n t n v n t c Kd, Kp * Xây dựng c sở luật hợp thành
Xây dựng luật cho hệ thống suy luận mờ à ước quan trọng nhất trong quá trình thi t k bộ điều khiển mờ. Công việc phụ thuộc nhiều vào kinh nghiệm c người thi t k .
* Mờ hóa, hợp thành và giải mờ
Phư ng ph p để mờ hóa các bi n đ u vào được trình ày ở bảng 4 2, 4 3 và 4 4 Chọn luật hợp thành theo quy t c x- in và giải mờ theo phư ng ph p trọng tâm.
Chương tr nh d.
Kết quả mô phỏng 4.1.3.
Để đ nh gi t quả c a việc s dụng phư ng ph p PI mờ tự ch nh chạy fi e PIDautotuningfuzzy.m được lập trình trong matlab và mô phỏng trong matlab simulink.
T phư ng trình hàm truyền c nhiệt t x y dựng được mô hình ộ điều hiển nhiệt độ điện trở
n 4.17. n ỏn k ố ều khiển FUZZY T phư ng trình hàm truyền c nhiệt ta xây dựng được mô hình nhiệt
n 4.18. Mô hình lò nhi t trong matlab simulink
Trên c sở c 2 mô hình trên ta xây dựng mô hình điều khiển nhiệt độ điện trở s dụng phư ng ph p PI mờ tự ch nh
K t quả ngõ ra c a hệ thống với bộ điều khiển PI mờ tự ch nh được thể hiện như hình 4.20.
n 4.20. ng h thống v i b ều khiển tự chỉnh
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
-50 0 50 100 150 200 250
Dap ung ngo ra lo nhiet voi bo dieu khien PID mo 2 không biet thong so
Thoi gian (s )
Nhiet do (C)
Th Dat Th thuc PID mo 2 Th Sai lec h mo
Ta nhận thấy với bộ điều khiển PI mờ tự ch nh, cho đ p ứng ngõ ra chất ượng tốt, thời gi n đ p ứng 1100s, kh c phục được độ quá điều ch nh, không có sai số xác lập, kh c phục được với nhiễu tác động nhanh sau thời gian 80s.
Để kiểm nghiệm lại bộ điều khiển PI mờ tự ch nh cho nhiều đối tượng lò nhiệt khác nhau. Ta cho bộ điều khiển hoạt động trên 3 mô hình đối tượng khác nhau, t đ đ nh gi chất ượng cho bộ điều khiển
.
B ng4.4. Thông số ố tượng lò nhi t Thông số
nhiệt
Nhiệt độ đặt
Tđặt ( ) ệ số hu ch đại K
Thời gi n trễ (s)
Thời gi n qu độ T (s)
nhiệt 1 200 400 20 340
nhiệt 2 250 500 60 720
nhiệt 3 400 800 40 900
Mô phỏng với bộ điều khiển PID mờ tự chỉnh cho lò 1 Chạy file tự d PI c tên PI utotuningfuzzy1 m s u đ nhập thông số cho lò nhiệt 1 có thông số sau: K = 400, L = 20s, T = 340s, Tđặt = 200
K t quả x c đ nh được hệ số khu ch đại tới hạn KU = 1.4776 Chu kỳ d o động tới hạn PU = 30.950s. T hai k t quả này ta có thể tính được tham số KP, KI, KD c a bộ điều khiển PID. K t quả mô phỏng trên mô hình matlab simulink
n 4.2 n n thống
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
-50 0 50 100 150 200 250
Dap ung ngo ra lo nhiet voi bo dieu khien PID mo 1 tu chinh
Thoi gian (s)
Nhiet do (C)
Th Dat Th thuc PID mo 1 Th Sai lech mo
n 4.22. P n t ng b ều khiển tự chỉnh 2 k n
Ta nhận thấy với bộ điều khiển PID tự ch nh điều khiển lò nhiệt 1, cho đ p ứng ngõ ra chất ượng tốt, thời gi n đ p ứng nhanh, không xảy r độ qu điều ch nh, không có sai số xác lập, kh c phục được với nhiễu t c động nhanh sau thời gian 150s.
Tư ng tự như Mô phỏng với bộ điều khiển PI mờ tự ch nh cho lò nhiệt 1 t cũng mô phỏng cho nhiệt 2 và nhiệt 3 trong mục 4 1 3 c uận văn
4.2. KẾT LUẬN
Với với c c gi tr đặt (Tđặt = 200OC, , Tđặt = 400OC; c c thông số c sự th y đổi trong hoảng cho ph p) t nhận thấy t quả d tìm th m số c ộ điều hiển c sự th y đổi theo gi tr điều ch nh, c c thông số này hi tìm được vẫn n m trong hoảng gi tr cho ph p
Với ộ điều hiển PI mờ tự điều ch nh đã thực nghiệm mô phỏng trên đối tượng điện trở c thông số h c nh u như ảng 4 4 cho t quả như hình 4 21 c nhiệt 1, hình 4 23 c nhiệt 2, như hình 4 25 c nhiệt 3 cho t quả đ p ứng được yêu c u: Đạt được nhiệt độ ng r đúng theo gi tr đặt (s i số x c ập tư ng đư ng 0), hông xảy r hiện tượng qu điều ch nh, thời gi n x c ập đạt yêu c u, trong thời gi n x c ập n u c nhiễu ộ điều hiển t c động ộ điều hiển t c động o hệ về trạng th i ổn đ nh
o s nh với ộ điều hiển PI s dụng phư ng ph p truyền thống t nhận thấy sự h c nh u ở chất ượng điều hiển
1850 1900 1950 2000 2050 2100 2150 2200 2250 170
175 180 185 190 195 200 205 210 215
Dap ung ngo ra lo nhiet voi bo dieu khien PID mo 2 không biet thong so
Thoi gian (s)
Nhiet do (C)
Th Dat Th thuc PID mo 2 Th Sai lech mo
* Bộ điều khiển PI truyền thống c c c th m số Kp, Ki, Kd theo c c gi tr th y đổi c T, , K thì độ vọt lố tuy n tính theo sự tăng nhiệt độ
- Tđặt 200 độ C thì giá tr nhiệt độ vượt lên 280 0C - Tđặt 400 độ C thì giá tr nhiệt độ vượt ên h n 550 0C - Thời gi n đạt giá tr đặt < 800sec
* Điều khiển nhiệt độ b ng phư ng ph p PI mờ tự ch nh cho chất ượng điều khiển tốt h n ộ PI truyền thồng ộ điều khiển mờ c độ th y đổi theo cách chọn khoảng giá tr hiệu ch nh c a Kp,Ki, Kd, thời gian xác lập txl = 600sec, thời gi n đạt giá tr đặt sẽ đ p ứng nh nh hi tăng gi tr hiệu ch nh Kp, hông xảy r hiện tượng qu điều ch nh
Các thông số c được s dụng ở đ y hông được d ng để tính toán các tham số c a bộ điều khiển PI mờ tự ch nh mà nhập thông số à để c mô hình đối tượng
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận
Trong luận văn đã trình ày thuy t về điều khiển mờ, các phư ng ph p điều khiển nhiệt độ để tìm cấu trúc và nguyên lý hoạt động c a hệ thống điều khiển nhiệt độ.
Trình ày c c phư ng ph p điều hiển nhiệt độ truyền thống Thực hiện mô phỏng, so s nh đ nh gi ưu huy t điểm c ộ điều hiển ON/OFF, PI truyền thống
uận văn p dụng được thuy t điều khiển mờ và c c phư ng ph p điều khiển truyền thống, thực hiện mô phỏng, so s nh đ nh gi ưu huy t điểm c ộ điều hiển để giải quy t yêu c u đặt ra khi thi t k , xây dựng ộ điều khiển mờ PI mờ tự ch nh
S dụng ph n mềm Matlab mô phỏng kiểm chứng đ nh gi c c
thuật to n điều khiển.
Tuy vấp phải một số h hăn nhưng đề tài đã đạt được một số thành công nhất đ nh đ à đã thi t k được điều khiển nhiệt độ với ba ch độ điều khiển à ON/OFF, PI , PI mờ tự ch nh đ p ứng được yêu c u đặt ra với bộ điều hiển nhiệt điện trở s dụng phư ng ph p PI mờ tự ch nh cho t quả: Qu trình qu độ hông c độ qu điều ch nh, àm việc ổn đ nh, ền v ng, điều hiển nhiệt độ ngỏ r ng nhiệt độ đặt, thời gi n đạt tới nhiệt độ đặt hợp .
Kiến nghị
Mặc d đề tài đã đạt được nhiều k t quả tốt như mục đ ch đề ra.
Tuy nhiên trong một thời gian ng n và điều kiện nghiên cứu còn giới hạn nên do vậy vẫn còn nh ng hạn ch c n được kh c phục và phát triển thêm.
Để sản phẩm hoàn thiện để đ p ứng đ i hỏi c a thực tiễn và khi áp dụng vào thực nghiệm c n nghiên cứu nhiều đối tượng lò nhiệt và các loại loại cảm bi n khác nhau.
Vì thời gi n nghiên cứu, tìm hiểu c giới hạn nên đề tài ch d ng lại ở việc mô phỏng trong matlab simulink. Việc đ nh gi chất ượng mới ch dự trên 3 đối tượng lò nhiệt khác nhau.
ướng phát triển đề tài à p dụng chư ng trình mô phỏng vào c c oại vi điều khiển để điều khiển trên đối tượng thực.
Để hệ thống trở nên hoàn thiện có thể áp dụng cho nhiều ứng dụng và tiện lợi h n thì c n k t hợp điều khiển thu phát hồng ngoại và truyền d liệu không dây b ng sóng RF...