Báo cáo: "ĐIỀU KHIỂN MỜ PID CHO QUÁ TRÌNH MỨC CHẤT LỎNG" pptx

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 1(42).2011 42 ĐIỀU KHIỂN MỜ PID CHO QUÁ TRÌNH MỨC CHẤT LỎNG PID FUZZY CONTROLLER FOR LEVEL LIQUID PROCESS Nguyễn Hoàng Mai Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng Võ Khánh Thoại Học viên cao học khoá 2008-2011 TÓM TẮT Hiện nay, hầu hết các hệ điều khiển công nghiệp đều sử dụng bộ điều khiển PID để điều khiển quá trình, các bộ điều khiển này chưa tối ưu hoặc ít bền vững đối với sự thay đổi tham số trong quá trình vận hành. Điều khiển mờ là bộ điều khiển thích hợp cho các đối tượng có tham số không chính xác. Bài báo này gi ới thiệu về bộ điều khiển mờ PID cho quá trình mức chất lỏng có tham số van điều khiển và tải thay đổi. Bộ điều khiển mờ PID bao gồm bộ điều khiển PID kinh điển ở vòng trong và một bộ điều khiển mờ ở vòng ngoài để bù tham số bộ điều khiển PID. Đặc tính của bộ điều khiển được minh họa bằng kết quả mô phỏng điều khiển ổn định quá trình mức chất lỏng. ABSTRACT Nowadays, PID controllers have been used to regulate a process in most of the industrial control systems. However, these controllers are not optimal or less robust with a parameters change in operation. A fuzzy controller is suitable for the objects with inaccurate parameters. This paper presents a PID fuzzy controller for liquid level process with varied parameters of the control valve and changed load. The PID fuzzy controller consists of a typical PID controller in the primary loop and a fuzzy controller in the secondary loop in compensation for the parameters of a PID controller. The characteristics of the PID fuzzy controller are illustrated with simulation results of the conditions in stabilising a liquid level. 1. Đặt vấn đề Một hệ thống quá trình mức chất lỏng bao gồm nguồn cấp chất lỏng, đường ống dẫn, van điều khiển, van tay, bình mức. Trong đó van điều khiển, bình mức là các đối tượng phi tuyến, tham số của van điều khiển thay đổi theo thời gian, tải của quá trình (van xả) phụ thuộc vào yêu cầu công nghệ nên không xác định trước. Bộ đi ều khiển PID (tỷ lệ, tích phân, đạo hàm) được dùng phổ biến trong các hệ điều khiển công nghiệp bởi cấu trúc đơn giản. Chất lượng của hệ thống phụ thuộc vào các hệ số K P , T I , T D của bộ điều khiển PID và được thiết kế cho một điểm làm việc đặc trưng. Trong quá trình vận hành, khi điều kiện làm việc hoặc các tham số của đối tượng bị thay đổi thì phải chỉnh định các hệ số này. Việc chỉnh định thường theo kiểu “thăm dò”. Do đó, ta thiết kế bộ điều khiển mờ ở vòng ngoài để bù các tham số bộ PID ở vòng trong một cách tự động. Bộ điều khiển mờ PID vừa phát huy hết các ưu điểm của bộ điều khiển rõ vừa sử dụng các ưu điểm hệ thống mờ giúp tránh khỏi những bài toán nhận dạng, mô hình hoá hay thiết kế phức tạp. Đồng thời, kinh nghiệm điều khiển đối tượng dễ dàng được kết hợp vào luật điều khiển. Việc ứng dụng kỹ thuật mờ xây dựng TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 1(42).2011 43 bộ điều khiển cho các quá trình có tham số thay đổi là hướng nghiên cứu còn mới mẻ và có khả năng đáp ứng được các yêu cầu chất lượng cao. Bài báo này giới thiệu về một bộ điều khiển mờ PID cho một quá trình mức chất lỏng có tham số van điều khiển và tải thay đổi. 2. Kết quả nghiên cứu và khảo sát 2.1 Mô hình hoá hệ thống quá trình mức 2.1.1 Hệ thống bình mức Một hệ thống bình mức gồm bình mức hình trụ với chiều cao 92cm, đường kính đáy 20cm, cảm biến mức đo theo kiểu chênh áp suất, bình chứa và bơm để cung cấp lưu chất vào, van điều khiển, thiết bị chuyển đổi dòng điện thành áp suất, van tay, hệ thống đường ống tròn với đường kính trung bình 2cm, nguồn cấp khí nén có mô hình và sơ đồ PI&D của quá trình mức như hình 1, 2. Hình 1. Mô hình quá trình mức Hình 2. Sơ đồ PI&D của quá trình mức Phương trình biểu diễn hệ bình chất lỏng sẽ dựa trên cơ sở cân bằng khối lượng: dm bình = dm vào - dm ra (1) hay ρρ ρ oi qq dt Ahd −= )( (2) trong đó: V : thể tích của bình chứa [m 3 ]; q i , q o : lưu lượng vào ra bình chứa [m 3 /s]; ρ : mật độ chất lỏng [kg/m 3 ]; A : diện tích cắt ngang bình chứa [m 2 ]; h : chiều cao cột chất lỏng (mức) [m]. Với quan hệ dòng ra và mức chất lỏng là quan hệ phi tuyến: ghKq vo = (3) TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 1(42).2011 44 trong đó K v : hệ số lưu lượng qua van, g : gia tốc trọng trường [m/s 2 ]. Khi đó (2) trở thành: ρρ ρ ghKq d t Ahd vi −= )( (4) Với A không đổi, ρ không đổi, giản ước và chuyển vế ta có phương trình: iv qghK d t dh A =+ (5) và viết lại phương trình như sau: () ghKq A h vi −= 1 . (6) Phương trình (6) là phương trình động học của bình chất lỏng. Cấu trúc mô hình bình mức trên Matlab-Simulink như hình 3. 2.1.2 Van điều khiển Van điều khiển thông thường có độ chính xác không cao (có thể sai số vị trí tới 5%) do: dải chết (deadband), độ trễ (hysteresis), do ma sát thay đổi do bụi bẩn, thiếu bôi trơn và han gỉ, do áp suất lưu chất thay đổi cũng như do đặc tính phi tuyến của cơ chế chấp hành. Do vậy các tham số của van không chính xác [2, 6]. Mô hình van điều khiển thể hiện như hình 4. Hình 3. Mô hình hoá bình mức Hình 4. Mô hình hoá van điều khiển 2.1 Thiết kế bộ điều khiển mờ PID 2.1.1 Cơ sở thiết kế bộ điều khiển mờ PID Bộ điều khiển PID với cấu trúc đơn giản và tin cậy nên được dùng phổ biến trong các hệ điều khiển tự động phục vụ sản xuất. Hàm truyền của bộ điều khiển PID là: ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ++= ∫ t D I P teTde T teKtu 0 . )()( 1 )()( ττ hay sK s K KsG D I PPID ++=)( Với e(t) là tín hiệu vào, u(t) là tín hiệu ra; K P , K I , K D là các hệ số tỷ lệ, tích phân, đạo hàm. T I là hằng số tích phân, T D là hằng số vi phân. Rõ ràng, u(t) phụ thuộc TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 1(42).2011 45 vào các tham số K P , T I , T D của bộ điều khiển PID và do đó chất lượng tín hiệu của hệ thống cũng phụ thuộc theo. Mặt khác, các hệ số của bộ điều khiển PID chỉ được tính toán cho một chế độ làm việc cụ thể của hệ thống, để phù hợp với các chế độ vận hành khác nhau, bộ điều khiển PID cần chỉnh định liên tục. Bộ điều khiển mờ, để giải quyết vấn đề tự chỉnh định thích hợp các tham số của bộ điều khiển PID, nên ta có thể thiết kế bộ điều khiển mờ ở vòng ngoài để chỉnh định tham số bộ PID ở vòng trong. Bộ điều khiển ở vòng trong cho mạch vòng điều chỉnh mức dùng bộ PID kinh điển, bộ điều khiển mờ ở vòng ngoài có nhiệm vụ là phải tự động bù được các tham số K P , K I, K D của bộ PID. Cơ sở để thiết kế bộ điều khiển mờ là dựa vào việc phân tích sai lệch e(t) và đạo hàm của tín hiệu ra dy/dt, các tham số K P , K I, K D của bộ điều khiển PID sẽ được tự động chỉnh định theo phương pháp bù mờ. Như vậy bộ chỉnh định mờ sẽ có hai đầu vào là e(t), đạo hàm của đầu ra dy/dt và một đầu ra [1] 2.1.2 Thiết kế bộ điều khiển mờ PID a) Xác định các biến ngôn ngữ Áp dụng mô hình mờ Mamdani. Đầu vào thứ nhất là sai lệch giữa mức đặt và mức thực ET, đầu vào thứ hai là tốc độ biến thiên theo thời gian của mức thực DH. Đầu ra của bộ điều khiển đưa đến van ký hiệu là VA. Sai lệch ET được chọn trong miền giá trị [-1;+1], Đạo hàm theo mức được chọn trong miền giá trị [-0,1;+0,1], Đầu ra VA có miền giá trị [-1;+1]. b) Xác định số lượng tập mờ Chọn số lượng tập mờ cho mỗi biến đầu vào là 3 và biến đầu ra là 5, cụ thể như sau: + ET = {N, Z, P}; + DH = {N, Z, P}; + VA = {CF, CS, NC, OS, OF}. c) Xác định hàm liên thuộc Trong kỹ thuật điều khiển thường ưu tiên chọn hàm liên thuộc kiểu hình tam giác hoặc hình thang. Các loại này có biểu thức đơn giản, tính toán dễ dàng. Xây dựng trên Matlab-Simulink như các hình 6, 7, 8. Hình 5. Phương pháp mờ PID cascade TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 1(42).2011 46 Hình 6. Hàm liên thuộc đầu vào thứ nhất Hình 7. Hàm liên thuộc đầu vào thứ hai Hình 8. Hàm liên thuộc đầu ra Hình 9. Các luật điều khiển d) Xây dựng các luật điều khiển Nếu ET là không thì VA không đổi. Nếu ET là dương thì VA mở nhanh. Nếu ET là âm thì VA đóng nhanh. Nếu ET là không và DH là dương thì VA đóng chậm. Nếu ET là không và DH là âm thì VA mở chậm. Các luật điều khiển thể hiện như hình 9. e) Chọn luật hợp thành và giải mờ Dùng luật hợp thành max-Prod, giải mờ theo phương pháp trọng tâm. f) Tối ưu hệ thống Sau khi xây dựng mô hình mô phỏng bao gồm bộ điều khiển mờ PID và đối tượng, tiến hành quá trình thử nghiệm với các giá trị đặt khác nhau, thay đổi tham số hệ thống và nhiễu để phát hiện các “lỗ hổng” nếu có thì điều chỉnh bộ bù mờ bằng cách chỉnh lại độ che phủ lên nhau của các giá trị ngôn ngữ, điều chỉnh lại các luật điều khiển. Sau khi biết chắc bộ điều khiển đã ổn định và không có “lỗ hổng”, tiến hành tối ưu hoá các trạng thái làm việc của nó theo các chỉ tiêu chất lượng động và tĩnh. Để chỉnh định bộ điều khiển theo các chỉ tiêu này ta phải hiệu chỉnh hàm liên thuộc, thiết lập các nguyên tắc điều khiển phụ và thay đổi một số nguyên tắc điều khiển và ta được bộ điều khiển mờ PID như đã trình bày. 2.2 Kết quả mô phỏng Sử dụng phần mềm Matlab - Simulink, thực hiện mô phỏng quá trình với bộ TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 1(42).2011 47 điều khiển PID kinh điển và bộ điều khiển mờ PID (hình 10) ứng với các trường hợp khác nhau, so sánh các đáp ứng thu được như ở các hình 11, 12, 13, 14, 15. Hình 10. Mô hình hóa quá trình mức chất lỏng trong Matlab-Simulink Hình 11. Đáp ứng mức khi điểm đặt 50cm Hình 12. Đáp ứng mức khi tải thay đổi và nhiễu Hình 13. Đáp ứng mức khi thay đổi tham số van Hình 14. Đáp ứng mức khi thay đổi điểm đặt TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 1(42).2011 48 Hình 15. Đáp ứng mức khi thay đổi điểm đặt và tham số van Bàn luận Khi thay đổi tải: mở và đóng van (hình 12, 13, 14, 15), nhiễu hệ thống: nhiễu lưu lượng vào (hình 12), thay đổi tham số van (hình 13, 15), thay đổi điểm làm việc: 60cm – 40cm (hình 14, 15); đáp ứng mức chất lỏng của mô hình mờ PID gần như không đổi, mức chất lỏng trong bình bám theo mức đặt tốt, sai lệch nhỏ, hệ thống ổn định. Trong khi đó, đáp ứng mức của mô hình PID bị thay đổi rất nhiều. Đáp ứng mức đối với mô hình PID có số lần dao động nhiều, thời gian quá độ lớn hơn, tồn tại sai lệch tĩnh lớn (hình 13, 15). Khi thay đổi các tham số làm cho điểm làm việc xác lập của quá trình thay đổi, trong khi đó các thông số của bộ điều khiển PID không thay đổi nên dẫn đến dao động nhiều, còn bộ điều khiển mờ PID do có sự tự động bù các tham số nên thích nghi được với sự thay đổi này, làm cho bộ điều khiển ổn định và bền vững hơn bộ PID. 4. Kết luận Kết quả mô phỏng trên Matlab-Simulink đúng với lý thuyết, thuật toán bộ điều khiển mờ PID là hoàn toàn chính xác, bộ điều khiển mờ PID không phải giải bài toán nhận dạng mà vẫn cho được kết quả điều khiển có chất lượng cao kể cả khi gặp nhiễu, đồng thời khắc phục được điểm yếu của bộ điều khiển PID kinh điển đó là thích nghi được với sự thay đổi các tham số của hệ thống. Các thông số về chất lượng điều chỉnh như sai lệch tĩnh, độ quá điều chỉnh, thời gian quá độ, số lần dao động của quá trình đều tốt hơn rất nhiều so với việc dùng bộ điều khiển PID kinh điển, nhất là độ quá điều chỉnh và thời gian quá độ rất nhỏ. Như vậy hệ điều khiển mờ PID hoàn toàn đáp ứng được các yêu cầu về chất lượng cao cho quá trình mức chất lỏng. Đây là hướng nghiên cứu mới đầy triển vọng. Ghi chú: h-dat : mức chất lỏng đặt h-PID : mức chất lỏng khi sử dụng bộ PID kinh điển h-Mo PID : mức chất lỏng khi sử dụng bộ mờ PID TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 1(42).2011 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Doãn Phước – Phan Xuân Minh (1999), Lý thuyết điều khiển mờ, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội. [2] Hoàng Minh Sơn (2006), Cơ sở Hệ thống điều khiển quá trình, Nhà Xuất bản Bách Khoa Hà Nội. [3] Kevin M. Passino, Stephen Yurkovich (1998), Fuzzy control, Addison Weslet Longman, Inc. [4] Donald R.Coughanowr, Process Systems Analysic and Control, Mc Graw-Hill International Editions. [5] http://www.labvolt.com/products/instrumentation-and-process-control/. [6] Control Valve handbook (Emerson) Fourth Edition 2005. . bộ điều khiển mờ PID cho quá trình mức chất lỏng có tham số van điều khiển và tải thay đổi. Bộ điều khiển mờ PID bao gồm bộ điều khiển PID kinh điển ở. được các yêu cầu chất lượng cao. Bài báo này giới thiệu về một bộ điều khiển mờ PID cho một quá trình mức chất lỏng có tham số van điều khiển và tải thay