Luận văn thạc sĩ ứng dụng PID mờ để giải quyết tính phi tuyến của vòng loop điều khiển nhiệt độ nước thải xuống sông Những năm đầu của thập kỷ 90, một ngành điều khiển kỹ thuật mới được phát triển rất mạnh mẽ và đã đem lại nhiều thành tựu bất ngờ trong lĩnh vực điều khiển, đó là điều khiển mờ. Ưu điểm cơ bản của điều khiển mờ so với các phương pháp điều khiển kinh điển là có thể tổng hợp được bộ điều khiển mà không cần biết trước đặc tính của đối tượng một cách chính xác. Trong thực tế để phát huy hết ưu điểm của mỗi loại bộ điều khiển mờ và bộ điều khiển rõ (kinh điển), người ta thường dùng các hệ kết hợp giữa hai loại bộ điều khiển truyền thống và điều khiển mờ với nhau, ta gọi đó là bộ điều khiển PID mờ. Từ đó, việc kết hợp giữa bộ điều khiển kinh điển và bộ điều khiển mờ chính là cơ sở lý thuyết cho đề tài này. Để đưa ứng dụng lý thuyết này vào thực tế tôi chọn đề tài có tên “ứng dụng PID mờ để giải quyết tính phi tuyến của vòng Loop điều khiển nhiệt độ nước thải xuống sông”. Với việc sử dụng những thiết bị tự động hóa phổ biến như PLC S7300 và phần mềm giám sát Wincc và thực hiên lập trình trên SCL của phần mềm Simatic manager. Đề tài này thể hiện tính ứng dụng cao có thể đưa vào ứng dụng trong các nhà máy dầu khí hóa chất hoặc nó cũng là một tài liệu tham khảo rất bổ ích cho những sinh viên hoặc cách kỹ sư nghiên cứu về phương pháp điều khiển kinh điển và hiện đại.
Luận văn cao học BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO Mở đầu BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THƠNG VẬN TẢI TP HỒ CHÍ MINH o0o TRẦN HOÀNG NHẤT LINH ỨNG DỤNG PID MỜ ĐỂ GIẢI QUYẾT TÍNH PHI TUYẾN CỦA VÒNG LOOP ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ NƯỚC THẢI XUỐNG SƠNG CHUN NGÀNH: TỰ ĐỘNG HĨA MÃ SỐ : LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS HỒNG MINH TRÍ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 10 năm 2011 CBHD:TS Hồng Minh Trí HVTH: Trần Hoàng Nhất Linh Luận văn cao học Mở đầu LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: Bản luận văn tốt nghiệp cơng trình nghiên cứu thực cá nhân, thực sở nghiên cứu lý thuyết, kiến thức thực tiến, thực mô hình hệ thống hướng dẫn khoa học TS Hồng Minh Trí Các số liệu có nguồn gốc rõ ràng tuân thủ nguyên tắc kết trình bày luận văn thu thập trình nghiên cứu trung thực chưa công bố trước Một lần nữa, xin khẳng định trung thực lời cam kết TP HCM, ngày 10 tháng năm 2012 Tác giả luận văn Trần Hoàng Nhất Linh CBHD:TS Hoàng Minh Trí HVTH: Trần Hồng Nhất Linh Luận văn cao học Mở đầu LỜI CÁM ƠN Đề tài thực theo chương trình đào tạo thạc sĩ Trường Đại học Giao Thơng Vận Tải Tp.HCM, phịng Khoa học công nghệ Đào tạo SĐH, chuyên ngành tự động hóa Xin cám ơn q thầy tạo điều kiện thuận lợi để em thực luận văn Xin chân thành cám ơn thầy trực tiếp hướng dẫn, TS Hồng Minh Trí tận tình giúp đỡ, đóng góp ý kiến q báu hướng dẫn em hoàn thiện đề tài Em xin gởi lời cám ơn đến thầy Chủ nhiệm phụ trách lớp TĐH08, TS Hồng Minh Trí khích lệ, đơn đốc giám sát tiến độ suốt trình thực luận văn Rất cảm kích trước cộng tác nhiệt tình anh chị bạn học viên lớp TĐH08, cám ơn đóng góp ý kiến hữu ích thảo luận thú vị Lời tri ân đến gia đình người thân ủng hộ động viên suốt trình học, đặc biệt thời gian thực đề tài Kính chúc sức khỏe q thầy bạn CBHD:TS Hồng Minh Trí HVTH: Trần Hồng Nhất Linh Luận văn cao học Mở đầu MỤC LỤC A – PHẦN MỞ ĐẦU Trang phụ bìa Lời cam đoan Mục lục Thuật ngữ viết tắt Liệt kê hình B – PHẦN NỘI DUNG Mở đầu Chương 1: Tổng Quan 1.1 Giới thiệu tổng quan 1.2 Phạm vi nghiên cứu đề tài 1.2.1 Đối tượng nghiên cứu 1.2.2 Phạm vi nghiên cứu 1.3 Phác thảo nội dung luận văn Chương 2: Các hệ thống phương pháp điều khiển công nghiệp 2.1 Nguyên tắc q trình điều khiển 2.2 Một số mơ Hình điều khiển Giám Sát 2.2.1 Mơ hình tổng qt 2.2.2 Điều khiển tập trung 2.2.3 Điều khiển tập trung với vào/ra phân tán 2.2.4 Điều khiển phân tán 2.3 Điều khiển PID 2.3.1 Điều khiển PID liên tục 2.3.2 Dạng rời rạc điều khiển PID 2.3.3 Chức cụ thể thành phần PID 2.4 Điều khiển logic mờ 2.4.1 Khái niệm điều khiển mờ 2.4.2 Bộ điều khiển mờ CBHD:TS Hoàng Minh Trí HVTH: Trần Hồng Nhất Linh Luận văn cao học Mở đầu 2.4.3 Những nguyên tắc tổng hợp điều khiển mờ 2.5 Điều khiển PID mờ Chương 3: Các bước triển khai thiết kế hệ thống pha trộn nhiệt 3.1 Yêu cầu công nghệ 3.1.1 Sơ đồ công nghệ 3.1.2 Mô tả công nghệ 3.2 Hệ thống điều khiển 3.2.1 Danh sách thiết bị 3.2.2 Yêu cầu kỹ thuật cho hệ thống điều khiển 3.2.3 Cấu hình điều khiển 3.2.4 Địa hố đầu vào 3.3 Yêu cầu kỹ thuật cho thiết bị đo lường 3.3.1 Các thông số đặc trưng cảm biến 3.3.2 Yêu cầu thiết bị 3.4 Yêu cầu kỹ thuật cho thiết bị chấp hành 3.4.1 Các thông số đặc trưng thiết bị chấp hành 3.4.2 Yêu cầu thiết bị chấp hành Chương 4: Giới thiệu PLC S7-300 phần mềm Wincc 4.1 Tổng quan PLC PLC S7-300 4.1.1 Các thành phần PLC 4.1.2 Đánh giá ưu nhược điểm PLC 4.1.3 PLC S7-300 4.2 Giới thiệu phương pháp lập trình SCL simatic manager 4.2.1 Giới thiệu ngôn ngữ SCL 4.2.2 Thiết kế chương trình SCL 4.2.3 Các kiểu liệu SCL 4.3 Tổng Quan điều khiển giám sát WINCC 4.3.1 Giới thiệu phầm mềm điều khiển giám sát WinCC 4.3.2 Các chức WinCC Chương 5: Giải thuật lập trình plc Wincc CBHD:TS Hồng Minh Trí HVTH: Trần Hồng Nhất Linh Luận văn cao học Mở đầu 5.1 Thuật toán điều khiển hệ thống 5.1.1 Xây dựng giao diện hệ thống 5.1.2 Giải thuật phần logic 5.1.3 Giải thuật phần cho PID mờ 5.2 Lập trình PLC S7-314 5.2.1 Cấu trúc chương trình 5.2.2 Một số hàm đặc biệt chương trình 5.2.3 Lập trình SCL Simatic Manager Chương 6: Kết thi cơng mơ hình đánh giá đề tài 6.1 Kết thi công 6.2 Đánh giá kết Các vấn đề giải luận văn Các kết luận giải thuật điều khiển Đề xuất nghiên cứu CBHD:TS Hoàng Minh Trí HVTH: Trần Hồng Nhất Linh Luận văn cao học Mở đầu Liệt kê từ viết tắt luận văn PID-Proportional, Integral, Derivative (phương pháp điều khiển tỷ lệ tích phân vi phân) CPU-Central Processing Unit (bộ xử lý trung tâm) PLC-Programmable Logic Controler (thiết bị điều khiển ligic khả trình) RAM-Random Access Memory ( nhớ truy xuất ngẫu nhiên) ROM-Read Only Menory ( nhớ đọc) CNC- Computer Numerical Control (bộ điều khiển số) DI- Digital Input ( ngõ vào số) DO- Digital Out (ngõ số) AI- Analog Input ( Ngõ vào tương tự) AO- Analog Output ( Ngõ tương tự) AC- Alternating current (Điện xoay chiều) DC- Direct Current (Điện chiều) KP- Proportional Constant ( Hệ số tỷ lệ) TI- Integral Constant (Hệ số tích phân) TD- Derivative Constant (Hệ số vi phân) DCS- Distributed Control System ( hệ thống điều khiển phân tán) SP- Set Point (điểm đặt, giá trị đặt) I/O- Input/ Output (ngõ vào ngõ thiết bị điều khiển) MTĐK- Máy Tính Điều Khiển DDC-Direct Digital controller (bộ điều khiển số trực tiếp) MTGS- Máy tính giám sát HĐKPT- Hệ điều khiển phân tán CBHD:TS Hoàng Minh Trí HVTH: Trần Hồng Nhất Linh Luận văn cao học Mở đầu PB- Proportional Band (Giải tỷ lệ) e(t)-ET(Sai lệch nhiệt độ) DET- Tốc biến đổi theo thời gian sai lệch nhiệt độ Cp-Nhiệt dung riêng TTL- Transistor-Transistor Logic CMOS- Complementary Metal-Oxide-Silicon SQL- Structured Query Language LAN-Local Area Network HMI- Human Machine Interface DLL- Dynamic Link Library SCADA- Supervisory Control and Data Acquisition CBHD:TS Hồng Minh Trí HVTH: Trần Hoàng Nhất Linh Luận văn cao học Mở đầu LIỆT KÊ CÁC HÌNH Hình 2.1: Hệ thống điều khiển giám sát trình Hình 2.2 Hệ điều khiển tập trung Hình 2.3 Điều khiển tập trung với vào/ra phân tá Hình 2.4: Cấu trúc điều khiển phân tán với vào/ra tập trung Hình 2.5 Thuật tốn điều khiển PID Hình 2.6: Điều khiển tỉ lệ Hình 2.7: Hiệu chỉnh P Hình 2.8: Điều khiển tỉ lệ D Hình 2.9: Tỉ số thời gian hiệu chỉnh PD Hình 2.10: Hàm liên thuộc có mức chuyển đổi tuyến tính Hình 2.11: Minh họa miền xác định miền tin cậy tập mờ Hình 2.12: Bộ điều khiển mờ Hình 2.13: Ví dụ điều khiển mờ động Hình 2.14: Bộ điều khiển nhiệt độ Hình 2.15: Định nghĩa tập mờ cho biến ngơn ngữ Hình 2.16: Biểu diễn luật điều khiển dạng ma trận Hình 2.17: Phương pháp chỉnh định mờ tham số điều khiển PID Hình 2.18: Bên chỉnh định mờ Hình 2.19: Định nghĩa tập mờ vào/ra Hình 3.1 Sơ đồ cộng nghệ hệ thống pha trộn nhiệt Hình: 3.2 Cấu hình điều khiển Hình 3.3: Yêu cầu thiết bị cảm biến nhiệt độ (Temperature transmitter) Hình 3.4: Yêu cầu thiết bị cơng tắc mức (level switch) Hình 3.5: u cầu kỹ thuật thiết bị đo lưu lượng (Flow totalizer indicator) Hình 3.6: Yêu cầu kỹ thuật thiết bị van điều khiển tuyến tính (control valve) Hình 3.7: u cầu kỹ thuật thiết bị ON/OFF Van Hình 4.1 Các thành phần điều khiển PLC Hình4.2 Chu kỳ làm việc PLC CBHD:TS Hồng Minh Trí HVTH: Trần Hồng Nhất Linh Luận văn cao học 10 Mở đầu Hình 4.3: Các phương pháp ghép nối PLC với thiết bị ngoại vi Hình 4.4 Sơ đồ chức (FDB) Hình 4.5 Bố cục khối tập tin nguồn SCL Hình 4.4 Sơ đồ chức (FDB) Hình 4.5 Bố cục khối tập tin nguồn SCL Hình 4.6 cú pháp loại liệu ngày tháng Hình 4.7 Cú pháp loại liệu chuỗi Hình 4.8 Cú pháp loại liệu mảng SCL Hình 4.9 Khai báo loại liệu có cấu trúc Hình 4.10 Khai báo loại liệu người dùng Hình 4.11 Khả kết nối Wincc Hình 5.1: Bản vẽ bố trí mơ hình thiết bị đường ống Hình 5.2: Giao diện điều khiển Hình 5.3: giao diện đồ thị hệ thống Hình 5.4: Sơ đồ giải thuật chọn chế độ Auto/ Manual Hình 5.5: Sơ đồ giải thuật cho chế độ Auto Hình 5.6: Sơ đồ điều khiển PID mờ Hình 5.7: Đặc tính hệ thống điều khiển PID Hình 5.8: Mơ hình điều khiển Fuzzy cho hệ số PI Hình 5.9: Biến ngơn ngữ cho sai lệch nhiệt độ Hình 5.10: Biến ngơn ngữ cho tốc độ sai lệch nhiệt độ Hình 5.11: Biến ngơn ngữ cho hệ số Kp Hình 5.12: Biến ngơn ngữ cho hệ số KI Hình 5.13: Luật hợp thành mờ cho hệ số tỷ lệ Hình 5.14: Luật hợp thành mờ cho hệ số vi phân Hình 5.15: Các Block Simatic Manager Hình 5.16 Khối OB1 Hình 5.17 Khối OB35 Hình 5.18: Đồ thị mơ tả hàm scale AI Hình 5.19: Cú pháp hàm FC105 dạng LAD CBHD:TS Hồng Minh Trí HVTH: Trần Hồng Nhất Linh ... THƠNG VẬN TẢI TP HỒ CHÍ MINH -o0o - LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG PID MỜ ĐỂ GIẢI QUYẾT TÍNH PHI TUYẾN CỦA VỊNG LOOP ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ NƯỚC THẢI XUỐNG SƠNG CBHD:TS HỒNG MINH TRÍ HVTH:... vào thực tế tơi chọn đề tài có tên ? ?ứng dụng PID mờ để giải tính phi tuyến vịng Loop điều khiển nhiệt độ nước thải xuống sông? ?? Với việc sử dụng thiết bị tự động hóa phổ biến PLC S7-300 phần mềm... kết hợp hai loại điều khiển truyền thống điều khiển mờ với nhau, ta gọi điều khiển PID mờ Từ đó, việc kết hợp điều khiển kinh điển điều khiển mờ sở lý thuyết cho đề tài Để đưa ứng dụng lý thuyết