Đang tải... (xem toàn văn)
ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HCM KHOA ĐIỆN KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN BÁM ĐUỔI MỨC KÉT DỰA TRÊN GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN THÔNG MINH (FUZZY, NEURAL NETWORK) GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN SINH VIÊN THỰC HIỆN LỚP TS NGÔ THANH QUYỀN NGUYỄN MINH HIẾU – 14032661 DHDKTD10A TP Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2018 I PHIẾU GIAO ĐỀ TÀI KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP 1 Họ và tên sinh viên nhóm sinh viên đƣợc giao đề tài NGUYỄN MINH HIẾU MSSV 14032661 2 Tên đề tài ĐIỀU KHIỂN BÁM ĐUỔI MỨC KÉT DỰA TRÊN GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN THÔNG MINH (FU.
ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP TP.HCM KHOA ĐIỆN KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN BÁM ĐUỔI MỨC KÉT DỰA TRÊN GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN THÔNG MINH (FUZZY, NEURAL NETWORK) GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN : TS.NGÔ THANH QUYỀN SINH VIÊN THỰC HIỆN : NGUYỄN MINH HIẾU – 14032661 LỚP : DHDKTD10A TP Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2018 PHIẾU GIAO ĐỀ TÀI KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên/ nhóm sinh viên đƣợc giao đề tài NGUYỄN MINH HIẾU MSSV: 14032661 Tên đề tài ĐIỀU KHIỂN BÁM ĐUỔI MỨC KÉT DỰA TRÊN GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN THÔNG MINH (FUZZY, NEURAL NETWORK) Nội dung - Xây dựng mơ hình tốn học hệ thống - Nghiên cứu phương pháp điều khiển Fuzzy CMAC - Thiết kế điều khiển Fuzzy CMAC cho hệ thống điều khiển két nước - Nhúng điều khiển vào Card NI MyDAQ chạy thực nghiệm để kiểm tra phương pháp điều khiển đề xuất Kết Thiết kế điều khiển Fuzzy CMAC cho đáp ứng tương đối tốt với sai số không vượt 2% Giảng viên hướng dẫn Tp HCM, ngày tháng năm 2018 Sinh viên I NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƢỚNG DẪN Tp Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2018 Giảng viên hướng dẫn II NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN Tp Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2018 Giảng viên phản biện III Mục lục LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG MỞ ĐẦU 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Mục tiêu nghiên cứu 1.3 Bƣớc thực CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ MƠ HÌNH 2.1 Giới thiệu mơ hình hệ thống 2.2 Phần cứng hệ thống 2.2.1 Máy bơm 2.2.2 Cảm biến siêu âm 2.2.3 Bộ giới hạn dòng 2.2.4 Bồn chứa 2.2.5 Mạch Relay 10 2.3 Mơ hình hóa hệ bồn đơn 11 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ LABVIEW VÀ CARD NI MyDAQ 13 3.1 Phần mềm LabView 13 3.1.1 Tổng quan LabVIEW 13 3.1.2 Các ứng dụng LabVIEW 14 3.1.3 Các thành phần LabVIEW 14 3.1.5 Công cụ lập trình LabVIEW 18 3.1.6 Cấu trúc LabVIEW 21 3.1.7 Một số Module Toolkit LabVIEW 24 3.2 Card giao tiếp NI myDAQ 30 3.2.1 Giới thiệu Card giao tiếp NI myDAQ 30 3.2.2 Đặc điểm kỹ thuật 31 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 34 IV 4.1 Lý thuyết điều khiển hệ thống điều khiển tự động 34 4.1.1 Cấu trúc hệ thống, điều khiển tự động hóa 34 4.1.2 Các tiêu đánh giá chất lượng hệ thống điều khiển 34 4.2 Mô tả hệ thống hệ thống điều khiển 36 4.2.1 Bộ điều khiển mờ (Fuzzy) 36 4.2.2 Bộ điều khiển liên kết mơ hình tiểu não (CMAC) 48 CHƯƠNG THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN 52 5.1 Kết nối Card NI myDAQ với mơ hình 52 5.2 Sơ đồ kết nối 54 5.3 Lƣu đồ giải thuật 55 5.4 Thiết kế điều khiển LabVIEW 56 5.4.1 Yêu cầu thiết kế 56 5.4.2 Thiết kế điều khiển mờ (Fuzzy) 56 5.4.3 Thiết kế điều khiển mơ hình tiểu não (CMAC) 59 5.4.4 Xây dựng Scale Warning 64 5.4.5 Chế độ AutoSetPoint/Manual 65 5.4.6 Xây dựng SCADA 67 CHƯƠNG KẾT LUẬN, ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 75 TÀI LIỆU THAM KHẢO 78 LỜI CẢM ƠN 79 V DANH MỤC BẢNG Bảng Thông số card NI MyDAQ …………………………………………… 31 Bảng Các trạng thái điều khiển card NI MyDAQ ……………………… 32 Bảng 3 Các trạng thái điều khiển trình điều khiển mức nước ………….33 Bảng Các trạng thái điều khiển mạch rơ le.……………………………….54 Bảng Luật hợp thành điều khiển Fuzzy ……………………………………58 Bảng Bảng so sánh điều khiển Fuzzy CMAC với setpoint 100mm…….77 Bảng Ưu, nhược điểm điều khiển Fuzzy CMAC ………………… 77 VI DANH MỤC HÌNH Hình Mơ hình MPS® PA Compact Workstation Hình 2 Sơ đồ khối mơ hình MPSPA dùng hệ thống điều khiển mức Hình Bơm DC P101 Hình Cấu tạo bơm DC P101 Hình Cảm biến siêu âm Hình Sơ đồ kích thước cảm biến B101 Hình Bộ giới hạn dòng Hình Sơ đồ kết nối động với giới hạn dịng Hình Tank 101 Hình 10 Mạch nguồn mạch relay 10 Hình 11 Sơ đồ điều khiển mạch rơ le 11 Hình 12 Hệ thống két đơn 12 Hình 1Mơ hình tính tốn mơ hình lập trình LabVIEW 13 Hình Giao diện Front Panel 15 Hình 3 Control Front Panel 15 Hình Indicator Front Panel 16 Hình Cấu trúc Block Diagram 17 Hình Bảng Control Palette 18 Hình Bảng Function Palellte 19 Hình Xây dựng sơ đồ khối VI 20 Hình Cửa sổ Icon Editor 20 Hình 10 Menu Pattern 21 Hình 11 Kết nối terminal 21 Hình 12 While Loop LabVIEW 22 Hình 13 For Loop LabVIEW 23 Hình 14 Case Structures LabVIEW 23 Hình 15 LabVIEW MathScript Interactive Window 25 Hình 16 LabVIEW MathScript node 25 Hình 17 Giao diện công cụ Fuzzy System Designer 26 VII Hình 18 Thẻ Variables giao diện Fuzzy System Designer 26 Hình 19 Các dạng hàm liên thuộc 27 Hình 20 Rule trong giao diện Fuzzy System Designer 28 Hình 21 Thẻ Test System giao diện Fuzzy System Designer 28 Hình 22 Các hàm Fuzzy LabView 29 Hình 23 I/O hàm Fuzzy 29 Hình 24 Card NI MyDAQ 30 Hình Cấu trúc hệ thống điều khiển tự động 34 Hình Sai số xác lập 35 Hình Độ vọt lố 35 Hình 4 Thời gian độ thời gian lên 36 Hình Sơ đồ khối điều khiển mờ 37 Hình Đặc điểm hàm liên thuộc 38 Hình Hàm liên thuộc dạng tam giác 39 Hình Hàm liên thuộc dạng hình thang 39 Hình Hàm liên thuộc dạng gauss 40 Hình 10 Mô tả giá trị ngôn ngữ tập mờ 40 Hình 11 Phép hợp tập mờ 41 Hình 12 phép giao tập mờ 43 Hình 13 Phép bù tập mờ 44 Hình 14 Phương pháp cực đại 46 Hình 15 Nguyên lý trung bình 47 Hình 16 Nguyên lý cận trái 47 Hình 17 Nguyên lý cận phải 47 Hình 18 Phương pháp điểm trọng tâm 48 Hình 19 Cấu trúc điều khiển liên kết mơ hình tiểu não 49 Hình 20 Sơ đồ khối CMAC 49 Hình DAQ Assistant LabVIEW……………………………………… 52 Hình Thiết lập giới hạn điện áp cho DAQ Assistant…………………………53 Hình Sơ đồ kết nối Push Button với DAQ Assistant…………………… 53 VIII Hình Sơ đồ kết nối hệ thống điều khiển mức………………………………….54 Hình 5 Lưu đồ giải thuật……………………………………………………… 55 Hình Hàm liên thuộc Error……………………………………………… 56 Hình Hàm liên thuộc Derror………………………………………………… 57 Hình Hàm liên thuộc Udk……………………………………………… 57 Hình Xây dựng luật hợp thành điều khiển mờ……………………… 58 Hình 10 Chương trình điều khiển Fuzzy…………………………………… 59 Hình 11 Vùng Liên kết khơng gian nhớ LabVIEW…………………………… 59 Hình 12 Vùng tiếp nhận khơng gian LabVIEW………………………… 60 Hình 13 Vùng khơng gian trọng số LabVIEW…………………………… 61 Hình 14 Vùng không gian ngõ LabVIEW…………………………… 62 Hình 15 Giới hạn điện áp ……………………………………………………… 62 Hình 16 subVI CMAC ………………………………………………………… 63 Hình 17 Sơ đồ kết nối với CMAC ………………………………………………63 Hình 18 subVI sơ đồ kết nối SCALE ……………………………………64 Hình 19 Sơ đồ kết nối SCALE với DAQ Assistant …………………………….64 Hình 20 subVI WARNING sơ đồ kết nối WARNING ………………65 Hình 21 Chế độ AutoSetpoints ………………………………………………….66 Hình 22 Manual Setpoint ……………………………………………………….67 Hình 23 Tạo Project LabVIEW ………………………………………… 68 Hình 24 Scale Slide …………………………………………………………….68 Hình 25 Tank2 Image Navigator ………………………………………….69 Hình 26 Giao diện Customize Mode ……………………………………………69 Hình 27 Copy to Clipboard Tank2 vào Slide ……………………………………70 Hình 28 Import Picture from Clipboar Tank2 vào Slide ……………………….70 Hình 29 Chế độ Edit Mode …………………………………………………… 71 Hình 30 Centrifugal pump Image Navigator ………………………… 72 Hình 31 Copy to Clipboard pump vào Boolean off ………………………… 72 Hình 32 Import Picture from Clipboard pump vào Boolean off …………… 73 Hình 33 Import Picture from Clipboard pump red vào Bloolean On …………73 Hình 34 Giao diện SCADA hệ thống điều khiển mức nước……………………74 IX KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP NGUYỄN MINH HIẾU Hình 20 subVI WARNING sơ đồ kết nối WARNING 5.4.5 Chế độ AutoSetPoint/Manual Để tạo chuyển đổi hai chế độ AutoSetPoint Manual ta dùng mootjCasa Structure để tạo hai trường hợp Tường hợp True hệ thống chạy chế độ AutoSetPoint, trường hợp False hệ thống chạy chế độ Manual 5.4.5.1 Chế độ AutoSetPoint Tạo chế độ AutoSetpoints để hệ thống tự động vận hành với mức setpoint ta qua định trước theo thời gian Ta dùng khối PID Setpoint Profile Feedback Node để thực lại vòng lặp 65 KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP NGUYỄN MINH HIẾU Hình 21 Chế độ AutoSetpoints Để thời gian setpoint setpoint profile ta thực hiện: Ở mức số 1, ta nhập thời gian bắt đầu giá trị setpoint vào ô thứ nhập giá trị setpoint vào ô thứ hai Ở mức số 2, ta nhập thời gian kết thúc giá trị setpoint nhập giá trị setpoint tương ứng Tiếp tục nhập giá trị setpoint mong muốn hình sau: + Từ 0s đến 150s: ta đặt setpoint 130 + Từ 150s đến 300s: ta đặt setpoint 170 5.4.5.2 Chế độ Manual Tạo chế độ manual để người điều khiển thiết lập setpoint cách theo ý muốn, ta dùng vertical pointer slide để thiết lập chế độ tay 66 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP NGUYỄN MINH HIẾU Hình 22 Manual Setpoint Ta thiết lập Slide nằm khoảng từ đến 300 cách Right Click » Properties » Scale để thiết lập 5.4.6 Xây dựng SCADA Để xây dựng giao diện SCADA cho LabView ta cần cài đặt thêm module DSC NI Sau cài đặt, ta tiến hành tạo giao diện sau: Từ giao diện LabView, ta tạo Project cách chọn File » Create Project » Blank Project Để tạo giao diện bồn chứa, ta phải tạo control ta right - click vào My Computer » New » Control 67 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP NGUYỄN MINH HIẾU Hình 23 Tạo Project LabVIEW Trên hình Control, ta tạo Slide chọn Modern » Numeric » Vertical Fill Slide để định thuộc tính Vertical cho bồn chứa nước Sau tiến hành định dạng lại Slide, Tab Scale ta thiết lập Scale Range thiết lập Minimun 0, Maximum 300 Hình 24 Scale Slide 68 KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP NGUYỄN MINH HIẾU Để tạo hình bồn nước, ta vào Tools » DSC Module » Image Navigator Ta đến thư viện Tank » Tank2, sau đặt giao diện Tank2 vào màng hình Control Hình 25 Tank2 Image Navigator Ta tiến hành gán Tank2 vào Slide để trở thành bồn nước Trước tiên chuyển chế độ Edit Mode thành Customize Mode công cụ Hình 26 Giao diện Customize Mode 69 KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP NGUYỄN MINH HIẾU Sau để tiến hành gán Tank2 vào Slide, ta RightClick vào Tank2 » Copy to Clipboard Hình 27 Copy to Clipboard Tank2 vào Slide Trên giao diện Slide ta Rightclick chuột vào Slide >> Import Picture from Clipboar Hình 28 Import Picture from Clipboar Tank2 vào Slide 70 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP NGUYỄN MINH HIẾU Sau Import Picture from Clipboar, Tank2 gán vào Slide, ta tiến hành chuyển sang chế độ Edit Mode xóa Tank2 Hình 29 Chế độ Edit Mode Sau tiến hành lưu lại đặt tên Tank Để lấy mô ta cần kéo thả vào Front Panel để mơ phỏng, trở thành control indicator LabVIEW Tương tự làm bồn nước ta tiến hành làm ống nước, bơm, van tương tự: Tạo thêm control từ giao diện Project Trên hình control ta chọn thuộc tính cho bơm cách chọn Modern >> Boolean >> Round Led Vào Tools >> DSC Module >> Image Navigator >> Pumps >> Centrifugal pump sau kéo thả vào màng hình control, triếp ta chọn Centrifugal pump >> Option để tiến hành thay đổi màu sắc cho máy bơm 71 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP NGUYỄN MINH HIẾU Hình 30 Centrifugal pump Image Navigator Kéo thả vào màng hình Control, sau tiến hành chọn chế độ Customize Mode, right click vào động chọn Copy to Clipboard Hình 31 Copy to Clipboard pump vào Boolean off Sau gán Centrifugal pump vào Boolean Off cách rightclick Boolean >> Import Picture from Clipboard 72 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP NGUYỄN MINH HIẾU Hình 32 Import Picture from Clipboard pump vào Boolean off Tiến hành chuyển sang chế độ Edit Mode để đổi sang thuộc tính On Boolean Tiếp theo chuyển sang chế độ Customize Mode để tiến hành gán thuộc tính Centrifugal pump red vào Bloolean On Hình 33 Import Picture from Clipboard pump red vào Bloolean On Sau Import Picture from Clipboar, Centrifugal pump red gán vào Boolean On, ta tiến hành chuyển sang chế độ Edit Mode xóa hai Centrifugal pump Centrifugal pump red Sau tiến hành lưu lại đặt tên Pump Để lấy mô ta cần kéo thả vào Front Panel để mơ phỏng, trở thành control indicator LabVIEW Tương tự, ta làm giao diện đường ống, van… 73 KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP NGUYỄN MINH HIẾU Hình 34 Giao diện SCADA hệ thống điều khiển mức nước 74 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP NGUYỄN MINH HIẾU CHƢƠNG KẾT LUẬN, ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ So sánh kết điều khiển Fuzzy CMAC với mức autosetpoint 100mm 150mm để so sánh điện áp, mức độ đáp ứng, sai số trung bình Setpoint & Process Variable CMAC Hình Setpoint & Process Variable CMAC Volt CMAC Hình Volt CMAC Error CMAC Hình Error CMAC 75 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP NGUYỄN MINH HIẾU Setpoint & Process Variable Fuzzy Hình Setpoint & Process Variable Fuzzy Volt Fuzzy Hình Volt Fuzzy Error Fuzzy Hình 6 Error Fuzzy 76 KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP NGUYỄN MINH HIẾU Bảng Bảng so sánh điều khiển Fuzzy CMAC với setpoint 100mm Fuzzy Control CMAC Control Thời gian đáp ứng (s) 60.50 67.91 Thời gian lên (s) 42.87 41.16 Độ vọt lố (%) 2 Sai số trung bình (mm) 2 Bảng Ưu nhược điểm điều khiển Fuzzy CMAC Ưu điểm Fuzzy Control Nhược điểm Bộ điều khiển cho đáp ứng Phụ thuộc vào kinh nghiệm tốt, vọt lố thấp, thời gian xây dựng thông tin điều lên thời gian xác lập khiển mờ nhanh CMAC Control Bộ điều khiển cho đáp ứng Không thể thiết lập tốt, vọt lố thấp, thời gian cách tự động, số lượng xác lập nhanh không gian nhớ khó để chọn, ảnh hưởng việc học khâu điều khiển Kết luận Cả hai điều khiển cho kết đáp ứng hệ thống tốt Mặc dù thời gian đáp ứng điều khiển hạn chế Để khắc phục hạn chế, điều khiển CMAC cần có thời gian điều chỉnh tốc độ học vùng không gian trọng số, điều khiển Fuzzy cần có thời gian xây dựng hàm liên thuộc luật mờ để điều khiển tốt 77 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP NGUYỄN MINH HIẾU TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] LabVIEW MathScript, University College of Southeast Norway [2] Fuzzy CMAC Control for MIMO Nonlinear Systems, C M Lin, Senior Member, IEEE, T Y Chen, C H Chen, and F S Ding [3] Adaptive Dynamic Sliding-Mode Fuzzy CMAC for Voice Coil Motor Using Asymmetric Gaussian Membership Function, Chih-Min Lin, Hsin-Yi Li [4] Điều khiển WCMAC tự tổ chức cho cánh tay Robot làm bình ngưng, Dr Ngơ Thanh Quyền, Châu Minh Quang [5] Lý thuyết điều khiển mờ, Phân Xuân Minh, Nguyễn Doãn Phước [6] Lý Thuyết Điều khiển Tự Động - Ths.Huỳnh Thái Hoàng NXB ĐH Quốc Gia [7] LabVIEW Basics I Course Manual [8] The Tracking Control Design of Adaptive Fuzzy CMAC for an OmniDirectional Mobile Robot, Ter-Feng Wu, Hsu-Chih Huang, Pu-Sheng Tsai, Nien-Tsu Hu, and Zhi-Qiang Yang 78 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP NGUYỄN MINH HIẾU LỜI CẢM ƠN Với lòng biết ơn chân thành nhất, em xin gửi đến quý thầy cô khoa công nghệ Điện trường Đại học Công Nghiệp TPHCM dùng nguồn tri thức tâm huyết để truyền đạt vốn kiến thức quý báo kinh nghiệm thực tế cho em thời gian qua Trong trình thực đề tài, em xin gửi lời cảm ơn đặc biệt đến thầy Ngô Thanh Quyền người trực tiếp hướng dẫn em thực đề tài Chính bảo tận tình thầy giúp em kịp thời khắc phục sai lầm phát triển đề tài theo hướng đắn, hiểu rõ việc nên làm để hồn thiện đề tài, điều vơ quan trọng em, niềm tin to lớn để em kiên trì thực để góp phần hồn thiện Em xin chân thành cảm ơn thầy cô Bên cạnh em chân thành cảm ơn ban lãnh đạo khoa ưu em thực đề tài mơ hình nhà trường, hội để em ứng dụng kiến thức học vào lập trình ứng dụng Xin chân thành cảm ơn! 79 ... LUẬN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên/ nhóm sinh viên đƣợc giao đề tài NGUYỄN MINH HIẾU MSSV: 14032661 Tên đề tài ĐIỀU KHIỂN BÁM ĐUỔI MỨC KÉT DỰA TRÊN GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN THÔNG MINH (FUZZY, NEURAL NETWORK). .. chuyển đổi kênh điều khiển: Điều khiển mức nước Điều khiển áp suất Điều khiển lưu lượng Điều khiển nhiệt độ 10 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP NGUYỄN MINH HIẾU Hình 11 Sơ đồ điều khiển mạch rơ le... thuật điều khiển tự động có nhiều cách để điều khiển mức chất lỏng hệ thống bồn nước đơn, ta sử dụng điều KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP NGUYỄN MINH HIẾU khiển Fuzzy CMAC để điều khiển Công việc điều khiển
