Điều khiển trượt dựa vào bộ quan sát nhiễu và chế độ Quasi hệ thống bồn đôi tương tác

Bài viết này trình bày phương pháp thiết kế bộ điều khiển trượt dựa vào bộ quan sát nhiễu và chế độ Quasi hệ thống bồn đôi tương tác. Điều khiển mức chất lỏng trong một hệ thống bồn chứa là sự quan tâm lớn trong các ngành công nghiệp chế biến như dầu khí, nhà máy lọc dầu, hóa chất, công nghiệp giấy, các ngành công nghiệp xử lý nước.

TNU Journal of Science and Technology 227(02): 87 - 95 SLIDING MODE CONTROL BASED ON DISTURBANCE OBSERVER AND QUASI-SLIDING MODE FOR TWO_TANK INTERACTING SYSTEM Pham Thanh Tung1*, Nguyen Chi Ngon2 1Vinh 2Can Long University of Technology Education Tho University ARTICLE INFO ABSTRACT Received: 18/12/2021 This article presents a method to design a sliding mode control based on disturbance observer and Quasi-sliding mode (SMC_DO_Q) for two_tank interacting system In process industries like petroleum refineries, chemical, paper industries, water treatment industries the control of liquid level in a tank system is a major concern The sliding mode control guarantees the actual liquid level follows the desired level in a finite time The disturbance observer will estimate the disturbance and uncertainty, and the compensation will be realized in the feedback control The Quasi-sliding mode is used to overcome the chattering phenomena in the sliding mode control Simulation results in MATLAB/Simulink show the performance of the proposed controller and are compared with Fuzzy Logic Controller, Fuzzy-PID Controller, Fuzzy-Optimized model reference adaptive control based on the Lyapunov rules and Sliding Mode Control using Conditional Integrators without the overshoot, the rising time achieves 0.3183(s), the settling time is 0.5102(s) and the steady-state error is eliminated Revised: 16/02/2022 Published: 23/02/2022 KEYWORDS Sliding mode control Disturbance observer Two_tank interacting QUASI sliding mode MATLAB/Simulink ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT DỰA VÀO BỘ QUAN SÁT NHIỄU VÀ CHẾ ĐỘ QUASI HỆ THỐNG BỒN ĐƠI TƯƠNG TÁC Phạm Thanh Tùng1*, Nguyễn Chí Ngơn2 1Trường 2Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Vĩnh Long Đại học Cần Thơ THÔNG TIN BÀI BÁO Ngày nhận bài: 18/12/2021 Ngày hoàn thiện: 16/02/2022 Ngày đăng: 23/02/2022 TỪ KHÓA Điều khiển trượt Bộ quan sát nhiễu Chế độ Quasi Bồn đơi tương tác MATLAB/Simulink TĨM TẮT Bài báo trình bày phương pháp thiết kế điều khiển trượt dựa vào quan sát nhiễu chế độ Quasi hệ thống bồn đôi tương tác Điều khiển mức chất lỏng hệ thống bồn chứa quan tâm lớn ngành công nghiệp chế biến dầu khí, nhà máy lọc dầu, hóa chất, cơng nghiệp giấy, ngành công nghiệp xử lý nước Bộ điều khiển trượt đảm bảo vị trí mức chất lỏng thực tế bám theo vị trí mong muốn thời gian hữu hạn Bộ quan sát nhiễu ước lượng nhiễu thành phần không chắn phương pháp bù thực điều khiển hồi tiếp Chế độ trượt Quasi sử dụng để khắc phục tượng chattering điều khiển trượt Các kết mô với MATLAB/Simulink cho thấy hiệu điều khiển đề xuất so sánh với điều khiển mờ, PIDmờ, điều khiển thích nghi mơ hình tham chiếu tối ưu mờ dựa vào luật Lyapunov điều khiển trượt sử dụng tích hợp điều kiện với độ vọt lố 0(%), thời gian tăng đạt 0,3183(s), thời gian xác lập 0,5102(s) sai số xác lập bị triệt tiêu DOI: https://doi.org/10.34238/tnu-jst.5360 * Corresponding author Email: tungpt@vlute.edu.vn http://jst.tnu.edu.vn 87 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 227(02): 87 - 95 Giới thiệu Điều khiển mức chất lỏng hệ thống bồn chứa quan tâm lớn ngành công nghiệp chế biến dầu khí, nhà máy lọc dầu, hóa chất, công nghiệp giấy, ngành công nghiệp xử lý nước [1] Q trình ngành cơng nghiệp u cầu chất lỏng bơm lưu trữ bồn chứa, sau bơm sang bồn khác Hạn chế thuộc tính vật lý tức chiều cao bồn để tránh nước tràn để tránh mối nguy hiểm nhà máy [2] Mục tiêu báo quan tâm đến mức chất lỏng giới hạn định Chiều cao mong muốn hiểu điểm đặt Biến ngõ vào dòng chảy vào bồn chứa gọi biến điều khiển Trong điều khiển trình, điều khiển mức chất lỏng hệ thống bồn đôi tương tác khó, hệ thống khơng chắn [2] Do đó, điều khiển mức chất lỏng quan tâm đặc biệt kỹ thuật điều khiển hệ thống Một vài giải thuật điều khiển sử dụng, tiêu biểu điều khiển mức chất lỏng sử dụng điều khiển thông minh [1], điều khiển PID-mờ [2], [3], điều khiển thích nghi mờ [4], điều khiển thích nghi mơ hình tham chiếu tối ưu mờ dựa vào luật Lyapunov [5], [6] sử dụng điều khiển trượt tích hợp điều kiện, điều khiển trượt bậc hai [7] Chất lượng điều khiển mức chất lỏng công bố nêu đạt hiệu tốt, nhiên, nhiễu thành phần không chắn lại chưa quan tâm, xem xét Do đó, nghiên cứu đề xuất sử dụng điều khiển trượt dựa vào quan sát nhiễu chế độ Quasi áp dụng cho hệ thống Bộ điều khiển trượt đảm bảo vị trí mức chất lỏng thực tế bám theo vị trí mong muốn thời gian hữu hạn Bộ quan sát nhiễu ước lượng nhiễu thành phần không chắn phương pháp bù thực điều khiển hồi tiếp Chế độ trượt Quasi sử dụng để khắc phục tượng chattering điều khiển trượt Đây tượng gây hư hỏng thành phần hệ thống cấu chấp hành Bài báo tổ chức gồm phần: mơ hình tốn học hệ thống trình bày phần 2, phần trình bày phương pháp thiết kế điều khiển trượt dựa vào quan sát nhiễu chế độ Quasi, kết mô đánh giá trình bày phần phần kết luận Mơ hình tốn học hệ thống bồn đơi tương tác Mơ hình hệ thống bồn đơi tương tác trình bày Hình [1], [8] Trong Hình 1, cấu trúc liên kết bố trí nối tiếp bồn chứa chất lỏng Đầu tiên, chất lỏng chảy vào bồn 1, sau qua bồn Ngõ bồn có lực cản dịng chảy van chi phối [1] Chiều cao mức chất lỏng h1 (cm) bồn h2 (cm) bồn Lưu lượng thể tích vào bồn qin (cm3/min), tốc độ thể tích dịng chảy từ bồn q1 (cm3/min) tốc độ thể tích dịng chảy từ bồn q0 (cm3/min) Diện tích bồn A1 (cm2) bồn A2 (cm2) R1 R2 lực cản dòng chảy chất lỏng (s/m2) khỏi bồn bồn Hình Mơ hình hệ thống bồn đôi tương tác [1], [8] Hàm truyền đạt hệ thống bồn đôi tương tác (1) [1], [8]: h R2 G= = qin T1T2 s + (T1 + T2 + A1 R2 ) s + http://jst.tnu.edu.vn 88 (1) Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 227(02): 87 - 95 Với số thời gian bồn T1 = A1 R1 số thời gian bồn T2 = A2 R2 Từ (1) ta có (2): (2) h2 = − ah2 − bh2 + cqin − d T + T + A1 R2 R ;b = ;c = Trong đó: a = T1T2 T1T2 T1T2 Với h2 vị trí mức chất lỏng bồn – ngõ ra, d bao hàm nhiễu yếu tố bất định khác Mục tiêu nghiên cứu điều khiển ổn định mức chất lỏng bồn Thiết kế điều khiển trượt dựa vào quan sát nhiễu chế độ Quasi 3.1 Thiết kế phân tích quan sát nhiễu Bộ quan sát nhiễu đề xuất Atsuo cộng (3) (4) [9]: dˆ = k ˆ − h ˆ = −dˆ + cqin ( ) − k (ˆ − h ) − ah 2 2 (3) − bh2 (4) Trong đó: dˆ ước lượng d ˆ ước lượng h2 , k1  0, k2  Hàm Lyapunov định nghĩa (5): 2 V1 = d +  2k1 Với d = d − dˆ ,  = h − ˆ (5) Đạo hàm (5) ta có (6): 1 V1 = dd +  = d d − dˆ +  h2 − ˆ k1 k1 Từ (3) (4), ta có (7): 1 V1 = dd − ddˆ +  h2 − −dˆ + cqin − k2 ˆ − h2 − ah2 − bh2 k1 k1 ( ) ( ( = ( ) ( ) (6) )) ) ( ( ( ( ) 1 dd − dk1 ˆ − h2 +  −ah2 − bh2 + cqin − d − −dˆ + cqin − k ˆ − h2 − ah2 − bh2 k1 k1 ( ) ( ( = dd − d ˆ − h2 +  −d + dˆ + k2 ˆ − h2 k1 ( )) )) (7) ) 1 dd + d  +  −d − k2 = dd − k 2  k1 k1 Giả sử nhiễu d tín hiệu thay đổi chậm d bị giới hạn Khi k1 có giá trị tương đối lớn, ta d  Tại thời gian, k có giá trị tương đối lớn, ta có (8): k1 = dd − k2  (8) k1 Nhiễu d ước lượng quan sát nhiễu thiết kế phương pháp bù thực điều khiển hồi tiếp V1 = 3.2 Thiết kế điều khiển trượt Mặt trượt thiết kế (9) [10]: s = e + ce http://jst.tnu.edu.vn (9) 89 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 227(02): 87 - 95 Với e = h2 d − h2 , c  Đạo hàm mặt trượt (10): s = e + ce = h2 d − h2 + ce = h2 d + ah2 + bh2 − cqin + d + ce Luật tiếp cận tốc độ (11): s = − sign ( s ) (10) (11) Bộ điều khiển trượt dựa vào quan sát nhiễu (12): qin =  h2 d + ah2 + bh2 + dˆ + ce +  sign ( s )  c Hàm Lyapunov định nghĩa (13): V2 = s 2 Đạo hàm (13) (14): V2 = ss = s  h2 d + ah2 + bh2 − cqin + d + ce  = s d − dˆ −  sign ( s ) = ds −  s    ˆ Với d = d − d ,   d Hàm Lyapunov tồn hệ thống mơ tả (15): 2 V = V1 + V2 = d +  + s 2k1 2 (12) (13) (14) (15) Từ (8) (14), ta có: V  3.3 Bộ điều khiển trượt dựa vào quan sát nhiễu chế độ Quasi Trong hệ thống kỹ thuật, tượng chattering gây hư hỏng thành phần hệ thống cấu chấp hành [10] Để hạn chế tượng này, chế độ trượt Quasi đề cập sử dụng Trong chế độ trượt Quasi, hàm bão hòa sat ( s ) hàm relay sử dụng thay hàm sign ( s ) (12) Hàm bão hịa (16) tín hiệu Hình [10]: s 1   sat ( s ) = ks s  , k =   − s  −   Trong đó:  lớp biên (16) Hình Tín hiệu hàm bão hịa Bản chất hàm bão hịa là: ngồi lớp biên, điều khiển chuyển mạch lựa chọn, lớp biên, điều khiển hồi tiếp thơng thường thơng qua Vì vậy, tượng chattering hạn chế cách triệt để http://jst.tnu.edu.vn 90 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 227(02): 87 - 95 Hàm relay (17) [10]:  (s) = s s + (17) Trong đó:  số dương nhỏ Lúc này, điều khiển trượt dựa vào quan sát nhiễu chế độ Quasi hệ thống bồn đôi tương tác sau: Với hàm bão hòa (18): qin = h2 d + ah2 + bh2 + dˆ + ce +  sat ( s ) (18)  c Với hàm relay (19): 1 s  qin =  h2 d + ah2 + bh2 + dˆ + ce +  (19)  c  s +   Bộ điều khiển trượt dựa vào quan sát nhiễu chế độ Quasi (18) (19) đảm bảo mức chất lỏng thực tế hệ thống bồn đôi tương tác hội tụ mức chất lỏng mong muốn thời gian hữu hạn, bền vững với nhiễu thành phần không chắn, hạn chế tượng chattering xảy điều khiển trượt Kết mô đánh giá Sơ đồ cấu trúc điều khiển trượt dựa vào quan sát nhiễu chế độ Quasi trình bày Hình 3: Hình Sơ đồ cấu trúc điều khiển trượt dựa vào quan sát nhiễu chế độ Quasi Các thông số hệ thống trình bày Bảng [8] Bảng trình bày thơng số điều khiển đề xuất Các thông số lựa chọn dựa vào phương pháp thử sai trình mô kết hợp với quan sát đáp ứng hệ thống để lựa chọn giá trị phù hợp Bảng Các thông số hệ thống bồn đôi tương tác [8] Thông số Giá trị Đơn vị Thông số k1 k2 c    A1 A2 R1 0,0145 0,0145 1478,57 m2 m2 sec/m2 Bảng Các thông số điều khiển đề xuất Ý nghĩa Giá trị Hệ số ước lượng d 5000 Hệ số ước lượng h2 Hệ số mặt trượt Hệ số luật tiếp cận tốc độ Hệ số lớp biên Hằng số dương hàm relay R2 642,86 sec/m2 50 50 0,1 0,5 Sơ đồ mô MATLAB/Simulink điều khiển đề xuất cho hệ thống bồn đôi tương tác với d = 100sin ( 0,5t ) trình bày Hình http://jst.tnu.edu.vn 91 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 227(02): 87 - 95 Hình Sơ đồ MATLAB/Simulink điều khiển đề xuất Đáp ứng sine điều khiển trượt dựa vào quan sát nhiễu chế độ Quasi (hàm bão hịa hàm relay) trình bày Hình Qua đáp ứng Hình 5, vị trí mức chất lỏng thực tế h2 bám theo mức chất lỏng mong muốn ( h2 d = 0,6 ( m ) ) thời gian hữu hạn với sai số bám hội tụ Điều cho thấy, hiệu điều khiển đề xuất điều khiển bám hệ thống bồn đôi tương tác Đồng thời, quan sát nhiễu khẳng định vai trò ước lượng ước lượng nhiễu thành phần không chắn d với hiệu xấp xỉ đạt 99,98(%) Kết ước lượng sai số trình bày Hình Hình Đáp ứng sine SMC_DO_Q Hình Kết sai số ước lượng d Hình trình bày tín hiệu điều khiển điều khiển đề xuất Quan sát Hình ta thấy rằng, điều khiển SMC_DO_Q khắc phục tốt tượng chattering quanh mặt trượt tín hiệu điều khiển Điều chứng tỏ hiệu kết hợp điều khiển trượt dựa vào quan sát nhiễu chế độ trượt Quasi thực nghiệm mô hệ thống bồn đơi tương tác Hình Tín hiệu điều khiển SMC_DO_Q Đáp ứng nấc sai số SMC_DO_Q trình bày Hình Mức chất lỏng thực tế hội tụ mức chất lỏng tham chiếu thời gian hữu hạn với thời gian tăng đạt 0,3183(s), thời gian xác lập 0,5102(s), khơng có độ vọt lố sai số xác lập tiến Các tiêu điều khiển đề xuất trình bày Bảng so sánh với điều khiển mờ [1], PIDmờ [2], điều khiển thích nghi mơ hình tham chiếu tối ưu mờ dựa vào luật Lyapunov [5] điều khiển trượt sử dụng tích hợp điều kiện [6] Qua tiêu Bảng 3, ta thấy http://jst.tnu.edu.vn 92 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 227(02): 87 - 95 tiêu đạt SMC_DO_Q tốt tiêu công bố [1], [2], [5] [6] áp dụng cho hệ thống Các tiêu chất lượng Thời gian xác lập (s) Thời gian tăng (s) Sai số xác lập (m) Độ vọt lố (%) Hình Đáp ứng nấc sai số SMC_DO_Q Bảng Các tiêu SMC_DO_Q Điều khiển thích nghi Điều mơ hình tham chiếu PID-mờ SMC_DO_Q khiển tối ưu mờ dựa vào [2] mờ [1] luật Lyapunov [5] 0,5102 5,8708 4,2 30 0,3183 3,0678 1,3 -8,1561e-6 0 20,2 Điều khiển trượt sử dụng tích hợp điều kiện [6] 330 87,184 0,6 Hình trình bày đáp ứng xung vuông điều khiển đề xuất Đáp ứng thực tế hệ thống hội tụ tín hiệu đặt trước thời gian hữu hạn với sai số tiến mức chất lỏng mong muốn thay đổi thời điểm 2,5(s), 5(s) 7,5(s) Điều khẳng định thêm hiệu SMC_DO_Q Hình Đáp ứng xung vng điều khiển đề xuất http://jst.tnu.edu.vn Hình 10 Đáp ứng sine, nấc xung vuông SMC_DO_Q A1 = 0,145 m2 với hàm bão hòa ( ) 93 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology Hình 11 Đáp ứng sine, nấc xung vuông SMC_DO_Q A1 = 0,145 m2 với hàm relay ( ) 227(02): 87 - 95 Hình 12 Đáp ứng quan sát tăng giá trị R2 lên 25% t =  15 ( s ) Các đáp ứng sine, hàm nấc xung vuông SMC_DO_Q A1 tăng từ A1 = 0,0145( m2 ) lên A1 = 0,145( m2 ) với hàm bão hịa Hình 10 hàm relay Hình 11 Với ngõ vào khác nhau, đáp ứng thực tế hệ thống bám theo mức chất lỏng mong muốn Hình 12 trình bày đáp ứng quan sát tăng giá trị lực cản dòng chảy (R2) lên 25% t =  15 ( s ) thời gian mô Lúc này, đáp ứng quan sát thay đổi, nhiên đáp ứng điều khiển đề xuất đảm bảo với sai số hội tụ trình bày Hình 13 Hình 14 trình bày đáp ứng điều khiển đề xuất giả lập nhiễu cảm biến tác động ngõ hệ thống bồn đôi tương tác Hình 13 Đáp ứng SMC_DO_Q tăng giá trị R2 lên 25% t =  15 ( s ) Hình 14 Đáp ứng SMC_DO_Q giả lập nhiễu cảm biến Từ hình 13 14 cho thấy, đáp ứng thực tế hệ thống hội tụ mức chất lỏng mong muốn giá trị lực cản dòng chảy thay đổi có nhiễu ngồi Điều chứng tỏ tính bền vững điều khiển đề xuất với hệ thống Kết luận Bài báo thiết kế điều khiển trượt dựa vào quan sát nhiễu chế độ Quasi áp dụng điều khiển bám mức chất lỏng cho hệ thống bồn đôi tương tác Bộ điều khiển trượt đảm bảo http://jst.tnu.edu.vn 94 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 227(02): 87 - 95 mức chất lỏng thực tế hội tụ mức chất lỏng tham chiếu, quan sát nhiễu xấp xỉ nhiễu thành phần không chắn đạt hiệu 99,98(%), chế độ Quasi với hàm bão hòa hàm relay khắc phục hiệu tượng chattering quanh mặt trượt Các kết mô đạt với MATLAB/Simulink cho thấy hiệu quả, phù hợp tính bền vững điều khiển đề xuất diện tích bồn 1, giá trị lực cản dịng chảy thay đổi nhiễu ngồi tác động Các tiêu chất lượng đạt điều khiển đề xuất tốt điều khiển mờ, PIDmờ, điều khiển thích nghi mơ hình tham chiếu tối ưu mờ dựa vào luật Lyapunov điều khiển trượt sử dụng tích hợp điều kiện Trong thời gian tới, nghiên cứu ứng dụng cơng cụ tính tốn mềm để cải tiến hiệu suất thực nghiệm mô hình thực tế TÀI LIỆU THAM KHẢO/ REFERENCES [1] S Gomathy and M P Maheswari, “Level control for interacting tank system using intelligent controller,” International Journal of Current Engineering and Scientific Research (IJCESR), vol 6, no 6, pp 71-75, 2019 [2] K Pravallika and G V Krishna, “Fuzzy-PID controller for coupled two tank interacting system,” International Journal of Mechanical and Production Engineering Research and Development (IJMPERD), vol 10, no 3, pp 8817-8830, 2020 [3] T L Mien, “Liquid Level Control of Coupled-Tank System Using Fuzzy-PID Controller,” International Journal of Engineering Research & Technology, vol 6, no 11, pp 459-464, 2017 [4] M E Echsony, N Wahyudi, and N A Hidayatullah, “Setting liquid level coupled tank using fuzzy adaptive control,” Journal of Electrical Engineering, Mechatronic and Computer Science, vol 1, no 1, pp 37-41, 2018 [5] D D Dinakin and P O Oluseyi, “Fuzzy-Optimized model reference adaptive control of interacting and noninteracting processes based on MIT and Lyapunov rules,” Turkish Journal of Engineering, vol 5, no 4, pp 141-153, 2021 [6] S B Prusty, S Seshagiri, U C Pati, and K K Mahapatra, “Sliding mode control of coupled tank systems using conditional integrators,” Journal of Automatica Sinica, vol 7, no 1, pp 118-125, 2020 [7] B A Reddy and P V Krishna, “Comparison of Second Order Sliding Mode Control Strategies for Coupled Tank System,” International Journal of Innovative Technology and Exploring Engineering, vol 8, no 6S3, pp 344-349, 2019 [8] M Changela and A Kumar, “Designing a Controller for Two Tank Interacting System,” International Journal of Science and Research (IJSR), vol 4, no 5, pp 589-593, 2015 [9] J Liu and X Wang, Advanced Sliding Mode Control for Mechanical Systems, Springer, 2011 [10] J Liu, Sliding mode control using MATLAB, Published by Elsevier Inc, 2017 http://jst.tnu.edu.vn 95 Email: jst@tnu.edu.vn ... hạn chế tượng chattering xảy điều khiển trượt Kết mô đánh giá Sơ đồ cấu trúc điều khiển trượt dựa vào quan sát nhiễu chế độ Quasi trình bày Hình 3: Hình Sơ đồ cấu trúc điều khiển trượt dựa vào quan. .. khác Mục tiêu nghiên cứu điều khiển ổn định mức chất lỏng bồn Thiết kế điều khiển trượt dựa vào quan sát nhiễu chế độ Quasi 3.1 Thiết kế phân tích quan sát nhiễu Bộ quan sát nhiễu đề xuất Atsuo cộng... ngõ vào dòng chảy vào bồn chứa gọi biến điều khiển Trong điều khiển trình, điều khiển mức chất lỏng hệ thống bồn đơi tương tác khó, hệ thống khơng chắn [2] Do đó, điều khiển mức chất lỏng quan