Ứng dụng điều khiển PI mờ cho hệ bồn nước

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ LÊ HỮU TOÀN ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN PI MỜ CHO HỆ BỒN NƯỚC NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ SKC007486 Tp Hồ Chí Minh, tháng 09/2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ LÊ HỮU TOÀN “ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN PI MỜ CHO HỆ BỒN NƯỚC” NGÀNH: “KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ” MÃ SỐ: 60 52 01 14 HỌ VÀ TÊN GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: PGS.TS NGUYỄN NGỌC PHƯƠNG Thành phố Hồ Chí Minh, Tháng 9/ 2017 i ii iii LÝ LỊCH KHOA HỌC I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC: Họ & tên: Lê Hữu Tồn Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 12/ 12/ 1989 Nơi sinh: Vĩnh Long Quê quán: Song Phú, Tam Bình, Vĩnh Long Dân tộc: Kinh Chỗ riêng địa liên lạc: Ấp phú An, Xã Phú Thịnh, Huyện Tam Bình, Vĩnh Long Điện thoại quan: Điện thoại: 0942 228 692 E-mail: toanlh@vlute.edu.vn II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: Đại học: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ ……/2017 đến ……/ 2011 Nơi học (trường, thành phố): Đại học Cần Thơ Ngành học: Cơ điện tử III Q TRÌNH CƠNG TÁC CHUN MƠN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Từ 2012 đến Nơi công tác Công việc đảm nhiệm Trường đại học sư phạm kỹ thuật Vĩnh Long iv Giảng viên LỜI CAM ĐOAN Tôi học viên Lê Hữu Toàn, MSHV: 1580910, tác giả luận văn “Ứng dụng điều khiển PI Mờ cho hệ bồn nước” Tôi xin cam đoan thực trình bày luận văn hoàn toàn thật, tơi hồn tồn chịu trách nhiệm tính xác thực luận văn Tác giả Lê Hữu Toàn iv LỜI CÁM ƠN Trong trình thực luận văn tác giả gặp nhiều khó khăn, nhận nhiều giúp đỡ mặt tin thần vật chất từ: Cán hướng dẫn, Thầy Cô, Gia đình, Bạn bè Đầu tiên xin cám ơn gia đình động viên giúp đỡ tác giả thực luận văn Tác giả xin cám ơn PGS TS Nguyễn Ngọc Phương, PGS.TS Nguyễn Trường Thịnh định hướng vạch hướng nghiên cứu cho tác giả, tư vấn giúp đỡ giải khó khăn mặt chun mơn q trình thực đề tài Xin cám ơn đến tồn thể Thầy Cơ thuộc Bộ mơn Cơ Điện Tử, trường ĐH SPKT TP.HCM giúp đỡ, giảng dạy truyền đạt kiến thức chuyên môn, giúp tác giả hoàn thành luận văn Cuối xin cám ơn đến Thầy Cơ phịng thí nghiệm Điện – điện tử, phịng thí nghiệm Truyền động điện, Bộ mơn Cơ Điện Tử trường ĐH SPKT TP.HCM hỗ trợ thiết bị, xin cám ơn TS Vũ Quang Huy xếp cơng việc hợp lý cho tác giả có thời gian hồn thành luận văn v TĨM TẮT LUẬN VĂN Luận văn “Ứng dụng điều khiển PI Mờ cho hệ bồn nước” mô tả việc thiết kế phần cứng phần mềm cho điều khiển tốc độ động cơ, phần cứng bao gồm động DC 24v, chuyển đổi sử dụng cảm biến siêu âm tín hiệu điều khiển truyền từ máy tính xuống vi điều khiển STM 32F4 Discovery Phần mềm thiết kế dựa công cụ xPC target simulink Matlab cho phép thay đổi nhanh chóng thuật tốn điều khiển điều khiển thời gian thực Điều khiển tốc độ dựa điều khiển PID, Fuzzy, Fuzzy PD, Fuzzy PI Để hiểu rõ luận văn cơng trình nghiên cứu liên quan, tình hình nghiên cứu nước thực chương I, sở lý thuyết điều khiển PID, Fuzzy trình bày chương II, chương III mơ hình hệ bồn nước xây dựng simulink matlab, xpcTarget điều khiển phần cứng thực tế, trình bày việc thiết kế điều khiển phục vụ cho việc điều khiển có hồi tiếp, kết mô thực nghiệm hệ thống trình bày chương IV, chương V kết luận hướng phát triển đề tài ABSTRACT Thesis "Application of Fuzzy PI Control for Faucet System" describes the hardware and software design for the engine speed controller, including 24v DC motor, transducer using super sensor Sound and control signals are transferred from the computer to the STM 32F4 Discovery microcontroller The software is designed based on the xPC target engine in Matlab simulink, allowing for quick change of real-time control and control algorithms Speed control based on PID controllers, Fuzzy, Fuzzy PD, Fuzzy PI To understand the thesis and related research, the research situation in and outside the country will be implemented in Chapter I, theoretical background of PID controller, Fuzzy is presented in chapter II, chapter III is the water tank model built on matlab's simulink, and xpcTarget controls the actual hardware, demonstrates the design of controllers for feedback control, simulation and experiment results of the system is presented in Chapter IV, Chapter V is the conclusion and direction of development of the topic vi MỤC LỤC QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI i GIÁY XÁC NHẬN CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN iii LÝ LỊCH KHOA HỌC iv LỜI CAM ĐOAN iv LỜI CÁM ƠN v TÓM TẮT LUẬN VĂN vi DANH MỤC BẢNG HÌNH VẼ ĐỒ THỊ CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Ý nghĩa, tầm quan trọng luận văn 1.2 Tình hình nghiên cứu ngồi nước 1.2.1 Trong nước 1.2.2 Ngoài nước 1.3 Một số báo liên quan 1.4 Hướng nghiên cứu luận văn 1.4.1 Mục tiêu 1.4.2 Hướng giải 10 Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 11 2.1 Khái niệm logic mờ 11 2.2 Các phép toán tập mờ 12 2.3 Luật hợp thành mờ 16 2.4 Bộ điều khiển mờ 19 2.4.1 Cấu trúc điều khiển mờ 19 2.4.2 Nguyên lý điều khiển mờ 19 2.4.3 Thiết kế điều khiển mờ 20 2.5 Bộ điều khiển PID 21 2.5.1 Lý thuyết điều khiển PID 21 2.5.2 Chỉnh định tham số điều khiển PID 22 2.5.3 Bộ điều khiển PID số 24 2.6 Bộ điều khiển PD mờ, PI mờ 24 2.6.1 Cấu trúc điều khiển mờ túy 24 2.6.2 Cấu trúc điều khiển PD- mờ 25 2.6.3 Cấu trúc điều khiển PI- mờ 25 vii Kết mô ta thấy hệ thống với điều khiển Fuzzy-PI có đáp ứng với thời gian ngắn (0.05) , sai số xác lập nhỏ, tín hiệu điều khiển ổn định, thời gian đạt xác lập thời điểm tăng hay thời điểm giảm tốt, tuyến tính, nên xảy dao động đạt xác lập Kết luận: Khi kết hợp điều khiển Fuzzy PD Fuzzy PI hệ thống điều khiển cho đáp ứng tốt, khắc phục hai nhược điểm hai điều khiển Fuzzy, PID điều khiển riêng lẻ 42 Chương 4: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 4.1 Phần cứng hệ thống 4.1.1 Mạch nguồn Mạch nguồn có nhiệm vụ tạo nguồn DC cung cấp cho mạch điều khiển mạch cơng suất, có điện áp đầu vào là: 220VAC/50Hz, 15VAC/50Hz, điện áp là: 380VDC – 20A, ±15VDC – 1A , ±5VDC – 1A Hình 4.1: Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn Hình 4.2: Mạch nguồn thực tế 43 4.1.2 Mạch công suất Mạch cơng suất DC motor L298 Hình 4.3: Mạch thực tế L298 Sơ đồ nguyên lý Hình 4.4: Sơ đồ nguyên lý mạch L298 Nguyên lý hoạt động: Board công suất DC motor gồm khối:  Khối ổn áp nguồn: Gồm nguồn 5V cấp cho mạch logic, 6V cấp cho RC Servo Motor  Khối mạch logic: Gồm cổng NOT NAND kết hợp nhằm tạo ngõ vào gồm tín hiệu PWM ( tốc độ), DIR (đảo chiều quay) ngõ IN1, IN2 tương thích với logic điều khiển L298 Bảng trạng thái tín hiệu điều khiển kênh DC Motor hình sau: Hình 4.5: Bảng trạng thái điều khiển kênh DC motor 44 Trong bảng ta thấy: Để Motor quay thuận, quay ngược thay đổi tốc độ ta cần kênh điều chế xung PWM, điều lại hạn chế vi điều khiển hỗ trợ kênh PWM Để giải điều khối logic đảm nhiệm, với ngõ vào PWM DIR ta dễ dàng điều khiển DC Motor, lúc ta cần kênh PWM để thay đổi tốc độ chân tín hiệu số để đảo chiều quay 4.1.3 Mạch điều khiển Boar vi điều khiển STM 32 F4 Discovery Hình 4.6: Sơ đồ Kit STM32F407VG Discovery Bộ kit STM32F4-DISCOVERY với vi điều khiển hiệu suất cao STM32F407VGT6, cho phép người dùng dễ dàng phát triển ứng dụng xử lý tín hiệu số (hình ảnh, video…) Nó bao gồm cơng cụ ST-LINK tích hợp sẵn bảng mạch giúp nạp chương trình, gỡ lỗi nhanh chóng Các tính - Vi điều khiển 32-bit ARM Cortex®-M4 STM32F407VGT6 với lõi FPU hỗ trợ xử lý tính tốn dấu phẩy động, 1-MB nhớ Flash, 192 Kbyte RAM - On-board ST-LINK/V2 STM32F4-DISCOVERY giúp nạp chương trình, gỡ lỗi - Nguồn điện cung cấp cho bảng mạch: thông qua cổng USB từ nguồn cung cấp điện áp 5V bên 45 - Từ bảng mạch, cấp nguồn 3,3 V V cho ứng dụng - Cảm biến chuyển động LIS302DL, ST MEMS trục gia tốc - Cảm biến âm MP45DT02 ST-MEMS, mic cảm biến âm vô hướng kỹ thuật số - Bộ chuyển đổi DAC âm CS43L22 - Tám đèn LED: + LD1 (đỏ / xanh cây) để giao tiếp USB + LD2 (màu đỏ) báo hiệu nguồn 3,3 V on + Bốn đèn LED màu: LD3 (màu cam), LD4 (màu xanh cây), LD5 (màu đỏ) LD6 (màu xanh dương) + Hai USB OTG LED LD7 (màu xanh cây) VBUS LD8 (màu đỏ) - Hai nút bấm (nút bấm User màu xanh, nút bấm Reset màu đen) - OTG FS USB với cổng nối micro-AB - Header mở rộng cho tất LQFP100 I/O - Phần mềm miễn phí bao gồm loạt ví dụ, sử dụng thư viện chuẩn ST Hình 4.7: Ảnh mơ hình bồn nước thực tế 46 Mơ hình gồm có hai bồn đặc dạng đứng Bồn nước bên có nhiệm vụ chứa nước chất lỏng để cung cấp cho bồn bên thông qua động bơm DC 24v Bồn nước bên xả ngược lại bồn nước bên thông qua hai cách Thứ thông qua van điện từ 24v qua van xả tay hiệu chỉnh Cảm biến siêu âm UTRASONIC SENSO PEPPERL + FUCHS 3RG6232 3JS00- PF Cảm biến siêu âm thiết bị dung để xác định vị trí vật thơng qua phát sóng siêu âm Cảm biến siêu âm phát tất vật kim loại kim loại, chất lỏng chất rắn, vật mờ đục( vật có hệ số phản xạ sóng âm đủ lớn) Hình 4.8: Cảm biến siêu âm Cảm biến siêu âm mô hình sử dụng để đo khoảng cách mặt nước qua xác định mức nước để điều khiển Hình 4.9: Sơ đồ chân cảm biến 47 Hình 4.10: Sơ đồ cấu tạo cảm biến Bảng 4.1: Bảng thông số kỹ thuật: Phạm vi cảm biến 50 – 300 mm Điện áp ngõ – 10 v Tính xác +/- 2.5% Điện áp hoạt động 24 v Phạm vi điện áp hoạt động 20 – 30v 4.2 Thực nghiệm 4.2.1 Thực nghiệm hệ thống với điều khiển PID Hình 4.11: Sơ đồ thực nghiệm điều khiển PID 48 % xung Hình 4.12: Đáp ứng điều khiển PID Hình 4.13: Tín hiệu điều khiển PID Kết thực nghiệm ta thấy hệ thống với điều khiển PID có đáp ứng chậm với thời gian dài (7,2s), sai số xác lập nhỏ, tín hiệu điều khiển ổn định khơng có độ vọt lố 4.2.2 Thực nghiệm với điều khiển Fuzzy Hình 4.14: Sơ đồ thực nghiệm điều khiển Fuzzy 49 200 real sp 150 100 50 0 0.5 1.5 2.5 3.5 4.5 4.5 time(s) Hình 4.15: Đáp ứng điều khiển Fuzzy 100 80 PWM 60 40 20 0 0.5 1.5 2.5 3.5 time(s) Hình 4.16: Tín hiệu điều khiển Fuzzy Kết thực nghiệm ta thấy hệ thống với điều khiển Fuzzy có đáp ứng với thời gian nhanh(3.1s), sai số xác lập nhỏ, tín hiệu điều khiển với biên độ lớn có vọt lố 4.2.3 Thực nghiệm với điều khiển Fuzzy – PD Hình 4.17: Sơ đồ thực nghiệm điều khiển Fuzzy PD 50 level( mm) Hình 4.18: Đáp ứng điều khiển Fuzzy PD Hình 4.19: Tín hiệu điều khiển Fuzzy PD Kết thực nghiệm ta thấy hệ thống với điều khiển Fuzzy-PD có đáp ứng nhanh với thời gian ngắn (1,85s) , sai số xác lập nhỏ, tín hiệu điều khiển ổn định 4.2.4 Thực nghiệm với điều khiển Fuzzy – PI Hình 4.20: Sơ đồ thực nghiệm điều khiển Fuzzy PI 51 level(mm) Hình 4.21: Đáp ứng điều khiển Fuzzy PI Hình 4.22: Tín hiệu điều khiển Fuzzy PI Kết thực nghiệm ta thấy hệ thống với điều khiển Fuzzy-PI có đáp ứng nhanh với thời gian ngắn (1,8s) , sai số xác lập nhỏ, tín hiệu điều khiển ổn định Kết luận: Chỉ tiêu PID Fuzzy Fuzzy PD Fuzzy PI Độ vọt lố Nhỏ Lớn Vừa Vừa Rất nhỏ Nhỏ Nhỏ Nhỏ Chậm Vừa Nhanh Nhanh Sai số xác lập Thời gian đáp ứng 52 Chương 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 5.1 Kết luận Căn vào kết đạt được, luận văn đạt mục tiêu đề Qua thời gian làm luận văn, em có dịp sâu vào nghiên cứu tìm hiểu chi tiết trình điều khiển mức chất lỏng Từ thiết kế điều khiển phù hợp cho hệ thống thực dựa Kit Vi điều khiển STM32 thành cơng Các vấn đề sau giải luận văn: -Mơ hình hóa thành cơng mơ hình bồn nước, xây dựng luật điều khiển tiến hành mô thành công -Ứng dụng điều khiển thiết kế vào mơ hình thực cho kết tốt -Truyền liệu máy tính qua USART -Thiết kế lắp ráp hệ thống với Kit vi điều khiển STM32F4 Discovery Những kết hy vọng tiền đề cho ứng dụng hữu ích tương lai với nhiệm vụ giảng dạy nghiên cứu quan mà em công tác 5.2 Hướng phát triển - Xây dựng thêm menu chương trình điều khiển - Ứng dụng vào điều khiển tốc độ loại động khác, có thơng số kỹ thuật khác nhau, công suất lớn - Kết hợp giao thức truyền thông nhằm đồng tốc độ động cơ, xây dựng phần mềm vận hành, giám sát - Ứng dụng Logic mờ thuật toán PID số vào tốn khác điều khiển đường rơbốt, điều khiển vị trí, điều khiển góc quay sử dụng vi điều khiển - Ứng dụng logic mờ tinh chỉnh tự động thông số PID để điều khiển trình 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Tiến sĩ Trần Đình Kiến Quốc, Lý thuyết điều khiển tự động [2] Trần Thái Hoàng, Cơ sở điều khiển tự động, Đại Học Bách Khoa TP.HCM [3] Huỳnh Thái Hoàng, 2006 Hệ thống điều khiển thông minh, Đại Học Bách Khoa TPHCM, Đại Học Quốc Gia, p190-275 [4] Nguyễn Thúc Loan, Nguyễn Thị Phương Hà, Huỳnh Thái Hoàng, 2002 Điều khiển dự báo hệ phi tuyến dựa vào mơ hình mờ, Đại Học Bách Khoa TPHCM, p1-2 [5].Trần Thị Vân Anh (2008) Nghiên cứu ứng dụng hệ mờ - nơron để điều khiển mức nước bao nhà máy nhiệt điện Phả Lại Luận văn cao học, Trường đại học Kỹ thuật Công nghiệp [6] Trần Huy Điệp (2006), Nâng cao chất lượng điều khiển trình, Luận văn cao học, Trường đại học Kỹ thuật Công nghiệp [7] Nguyễn Như Hiển, Lại Khắc Lãi (2007), Hệ mờ nơron kỹ thuật điều khiển, Nxb Khoa học tự nhiên công nghệ, Hà Nội [8] Bùi Quốc Khánh (2006), Hệ điều khiển DCS cho nhà máy sản xuất điện tập 1, Nxb Khoa học Kỹ thuật, HàNội [9] Nguyễn Phùng Quang (2006), Matlab&Simulink, Nxb Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội [10] Nguyễn Doãn Phước – Phan Xuân Minh (1999), Lý thuyết điều khiển mờ, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội [11] Hoàng Minh Sơn (2006), Cơ sở Hệ thống điều khiển trình, Nhà Xuất Bách Khoa Hà Nội [12] Kevin M Passino, Stephen Yurkovich (1998), Fuzzy control, Addison Weslet Longman, Inc [13] Donald R.Coughanowr, Process Systems Analysic and Control, Mc GrawHill International Editions [14] http://www.labvolt.com/products/instrumentation-and-process-control/ [15] Control Valve handbook (Emerson) Fourth Edition 2005 [16] Kosko, 1991, Neural networks and fuzzy control, Prentice Hall 54 [17] Kazuo Kiguchi, Takakazu Tanaka , August (2004), Neuro-fuzzy control of a robotic exoskeleton with EMG signals, IEEE Transactions on fuzzy systems, Volume 12, Number 4, pp [18].Control – systems – principles.co.uk , coupled-tanks-systems [19] Effendi Rusli, Siong Ang, Richard D Braatz, 2002 A quadruple tank process experiment Department of Chemiscal and Biomolecular Engineering, University of Illinois at UrbanChampaign, p6-2 [20] Karl Henrik Johansson, Alexander Horch, Olle Wijk, Anders Hansson, 2000 Teaching multivariable control using the quadruple-tank process Department of Electrical Engineering and Computer Sciences, University of California, Berkeley, p16 [21] J Felder, C.Hersberger, D.Ambühl, M Benz, 2006 Praktikum mess und regeltechnik anleitung zum versuch quadruple tank Institut für mess und regeltechnik, Eidgenössische Techische Hochschule Zürich, p2-16 [22] Arjin Numsomran, Kritchai Witheephanich, Thanit Trisuwannawat, Kitti Tirasesth, 2000 IP controller design for quadruple tank system Department of Electrical Engineering, Faculty of Engineering, Srinakharinwirot University, Nakhonnayok, Thailand, p1-6 [23] Amit Pandey, 2004 Fault detectio of multivariable system using its directional properties Msc thesis, B.Tech, Indian Institute of Technology Guwahati, India, p25-32 55 S K L 0 ... ứng cạnh lên hệ thống sử dụng điều khiển PID 34 Hình 3.14: Đáp ứng cạnh xuống hệ thống sử dụng điều khiển PID 34 Hình 3.15: Tín hiệu điều khiển hệ thống sử dụng điều khiển PID 34 Hình 3.16: Ứng. .. Bộ điều khiển Fuzzy 32 Hình 3.9: Bộ điều khiển Fuzzy PD 32 Hình 3.10: Bộ điều khiển Fuzzy PI 33 Hình 3.11: Ứng dụng PID điều khiển mực nước 33 Hình 3.12: Đáp ứng hệ thống sử dụng điều khiển PID... sử dụng điều khiển Fuzzy 36 Hình 3.20: Tín hiệu điều khiển hệ thống sử dụng điều khiển Fuzzy 36 Hình 3.21: Ứng dụng Fuzzy-PD điều khiển mực nước 37 Hình 3.22: Đáp ứng hệ thống sử dụng điều khiển