Thiết kế bộ điều khiển giám sát hệ thống mức két dựa trên giải thuật fuzzy PID

BỘ CÔNG THƯƠNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG Tên đề tài: Thiết kế điều khiển giám sát hệ thống mức két dựa giải thuật Fuzzy-PID Mã số đề tài: 182.Đ010 Chủ nhiệm đề tài: Nguyễn Minh Hiếu Đơn vị thực hiện: Khoa Công nghệ Điện TP Hồ Chí Minh, Ngày 01 tháng 06 năm 2018 LỜI CÁM 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 vô quan trọng em, niềm tin to lớn để em kiên trì thực để góp phần hồn thiện Em xin chân thành cảm ơn thầy 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! i PHẦN I THÔNG TIN CHUNG I Thông tin tổng quát 1.1 Tên đề tài: Thiết kế điều khiển giám sát hệ thống mức két dựa giải thuật Fuzzy-PID 1.2 Mã số: 182.Đ010 1.3 Danh sách chủ trì, thành viên tham gia thực đề tài TT Họ tên (học hàm, học vị) Đơn vị công tác Sinh viên Nguyễn Minh Hiếu Khoa công nghệ Điện Tiến sĩ Ngô Thanh Quyền Vai trị thực đề tài Lập trình Labview Khoa công nghệ Điện Hướng dẫn 1.4 Đơn vị chủ trì: 1.5 Thời gian thực hiện: 1.5.1 Theo hợp đồng: từ tháng 01 năm 2018 đến tháng 06 năm 2018 1.5.2 Gia hạn (nếu có): đến tháng … năm … 1.5.3 Thực thực tế: từ tháng 01 năm 2018 đến tháng 06 năm 2018 1.6 Những thay đổi so với thuyết minh ban đầu (nếu có): 1.7 Tổng kinh phí phê duyệt đề tài: Năm triệu đồng II Kết nghiên cứu Đặt vấn đề: a Những nghiên cứu nước Giải thuật điều khiển Fuzzy – CMAC ứng dụng rộng rãi nước, đa số dừng lại mức mô b Những nghiên cứu nước Kể từ đời năm 1986, LabVIEW trở thành công cụ phần mềm hàng đầu công nghiệp việc phát triển hệ thống thiết kế, điều khiển giám sát đem lại chất lượng ngày cao, hiệu sản xuất lớn c Đề xuất nghiên cứu - Nhằm nâng cấp mơ hình hệ thống điều khiển mức két phục vụ học tập ứng dụng giải thuật Fuzzy – CMAC mơ hình thực Vì đề tài: “Thiết kế điều khiển giám sát hệ thống mức két dựa giải thuật Fuzzy – CMAC ” cần thiết Kết phương pháp điều khiển Fuzzy-CMAC kiểm chứng thông qua thực nghiệm - Giúp sinh viên hiểu rõ ràng lí thuyết học trường va chạm với mơ hình thực tế phịng thí nghiệm - Giúp cho sinh viên khóa sau đam mê lĩnh vực tham khảo chuẩn bị cho việc làm đồ án khóa luận tốt nghiệp Mục tiêu a Mục tiêu tổng quát Ứng dụng giải thuật Fuzzy – CMAC b Mục tiêu cụ thể Thiết kế điều khiển giám sát cho hệ thống mức két dựa giải thuật Fuzzy – CMAC Phương pháp nghiên cứu 3.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Dựa vào kiến thức học, tài liệu 3.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: Dựa vào mơ hình thực tế 3.3 Phương pháp chuyên gia: Dựa vào giám sát, hướng dẩn giảng viên hướng dẩn Tổng kết kết nghiên cứu Cả hai điều khiển Fuzzy CMAC cho kết đáp ứng hệ thống tốt, vọt lố thấp, thời gian xác lập nhanh, không vượt sai số 5% Mặc dù thời gian đáp ứng điều khiển hạn chế Đánh giá kết đạt kết luận a Bộ điều khiển Fuzzy: - Bồ điều khiển cho đáp ứng tốt, vọt lố thấp, thời gian lên thời gian xác lập nhanh - Phụ thuộc vào kinh nghiệm xây dựng thông tin điều khiển mờ b Bộ điều khiển CMAC - Bộ điều khiển cho đáp ứng tốt, vọt lố thấp, thời gian xác lập nhanh - Không thể thiết lập cách tự động, số lượng không gian nhớ khó để chọn, ảnh hưởng việc học khâu điều khiển Tóm tắt kết (tiếng Việt tiếng Anh) Bộ điều khiển Fuzzy Cerebella Model Articulation Controller (CMAC) 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 The Fuzzy Controller and Cerebella Model Articulation Controller (CMAC) provide good system response Although the response time of the two controllers is limited To overcome this limitation, the CMAC controller needs time to adjust the learning rate of the weighted space, for the Fuzzy controller it takes time to build dependency and fuzzy rules for the controller III Sản phẩm đề tài, công bố kết đào tạo 3.1 Kết nghiên cứu ( sản phẩm dạng 1,2,3) TT Tên sản phẩm Yêu cầu khoa học hoặc/và tiêu kinh tế - kỹ thuật Đăng ký Đạt Phần mềm hệ thống điều khiển mức két Phần mềm có khả điều khiển mức két sử dụng phương pháp điều khiển Fuzzy, CMAC Phần mềm có khả điều khiển mức két sử dụng phương pháp điều khiển Fuzzy, CMAC Mạch cách ly I/O với card NI my DAQ Mạch in lớp, với I/O Mạch in lớp, với I/O Thiết kế Bộ điều khiển hệ • Phần mềm điều • Phần mềm điều khiển bám mức nước khiển bám mức nước thống mức nước dựa với sai số 5% với sai số 5% giải thuật Fuzzy ,CMAC • So sánh phương pháp điều khiển Fuzzy, CMAC • So sánh phương pháp điều khiển Fuzzy,CMAC • Đáp ứng sai số • Đáp ứng sai số Ghi chú: Các ấn phẩm khoa học (bài báo, báo cáo KH, sách chuyên khảo…) chấp nhận có ghi nhận địa cảm ơn trường ĐH Công Nghiệp Tp HCM cấp kính phí thực nghiên cứu theo quy định Các ấn phẩm ( photo) đính kèm phần phụ lục minh chứng cuối báo cáo (đối với ấn phẩm sách, giáo trình cần có photo trang bìa, trang trang cuối kèm thông tin định số hiệu xuất bản) 3.2 Kết đào tạo TT Họ tên Thời gian thực đề tài Tên đề tài Tên chuyên đề NCS Tên luận văn Cao học tháng Điều khiển bám đuổi mức két dựa giải thuật điều khiển thông minh (Fuzzy, Neural network) Đã bảo vệ Nghiên cứu sinh Học viên cao học Sinh viên Đại học Nguyễn Minh Hiếu Ghi chú: - Kèm photo trang bìa chuyên đề nghiên cứu sinh/ luận văn/ khóa luận bằng/giấy chứng nhận nghiên cứu sinh/thạc sỹ học viên bảo vệ thành công luận án/ luận văn;( thể phần cuối báo cáo khoa học) IV Tình hình sử dụng kinh phí T T A B Nội dung chi Chi phí trực tiếp Th khốn chun mơn Ngun, nhiên vật liệu, Thiết bị, dụng cụ Cơng tác phí Dịch vụ thuê Hội nghị, hội thảo,thù lao nghiệm thu kỳ In ấn, Văn phịng phẩm Chi phí khác Chi phí gián tiếp Quản lý phí Chi phí điện, nước Tổng số Kinh phí duyệt (triệu đồng) Kinh phí thực (triệu đồng) 5 5 Ghi V Kiến nghị ( phát triển kết nghiên cứu đề tài) Sử dụng giải thuật điều khiển để điều khiển hệ thống kiểm soát tốc độ dịng chảy, hệ thống kiểm sốt áp suất, hệ thống kiểm sốt nhiệt độ mơ hình MPS PA compact worktation VI Phụ lục ( liệt kê minh chứng sản phẩm nêu Phần III) Mạch cách ly Giao diện SCADA hệ thống điều khiển mức nước Chương trình điều khiển Fuzzy Chương trình điều khiển CMAC (Cerebella Model Articulation Controller) Tp HCM, ngày tháng năm Chủ nhiệm đề tài Phòng QLKH&HTQT (ĐƠN VỊ) Trưởng (đơn vị) (Họ tên, chữ ký) Hình 20 subVI WARNING sơ đồ kết nối WARNING 2.4.5 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 2.4.5.1 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 vịng lặp 43 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 2.4.5.2 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 44 Hình 22 Manual Setpoint Ta thiết lập Slide nằm khoảng từ đến 300 cách Right Click » Properties » Scale để thiết lập 2.4.6 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[7]: 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 45 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 46 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 cơng cụ Hình 26 Giao diện Customize Mode 47 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 vàovào Slide Hình 28 Import Picture from Clipboar Tank2 Slide 48 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 49 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 50 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… 51 Hình 34 Giao diện SCADA hệ thống điều khiển mức nước 2.4.7 Hướng dẫn điều khiển Bước 1: Chọn giải thuật điều khiển phần CONTROLLER Bước 2: Chọn chế độ điều khiển nút lệnh OPPTION , gồm chế độ Auto Setpoint Manual Setpoint Bước 3: Chọn chế độ Auto Setpoint: phần auto setpoint, thiết lập time setpoint theo tùy chỉnh mức theo thời gian Chọn chế độ Manual Setpoint: phần manual setpoint, điều chỉnh tang giảm để thiết lập setpoint cố định Bước 4: Nhấn nút lệnh Start để chạy hệ thống 52 CHƯƠNG 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 3 Error CMAC 53 Setpoint & Process Variable Fuzzy Hình Setpoint & Process Variable Fuzzy Volt Fuzzy Hình Volt Fuzzy Error Fuzzy Hình Error Fuzzy 54 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 Nhược điểm Bộ điều khiển cho đáp ứng Phụ thuộc vào kinh nghiệm Fuzzy Control tốt, vọt lố thấp, thời gian xây dựng thông tin điều lên thời gian xác lập khiển mờ nhanh Bộ điều khiển cho đáp ứng Không thể thiết lập tốt, vọt lố thấp, thời gian cách tự động, số lượng CMAC Control 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 55 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 56 PHẦN III PHỤ LỤC ĐÍNH KÈM (tất văn sử dụng photo, sử dụng lý hợp đồng) Hợp đồng thực đề tài nghiên cứu khoa học Thuyết minh đề tài phê duyệt Quyết định nghiệm thu Hồ sơ nghiệm thu (biên họp, phiếu đánh giá, bảng tổng hợp điểm, giải trình, phiếu phản biện) Sản phẩm nghiên cứu (bài báo, vẽ, mơ hình .) 57 ... ứng dụng giải thuật Fuzzy – CMAC mơ hình thực Vì đề tài: ? ?Thiết kế điều khiển giám sát hệ thống mức két dựa giải thuật Fuzzy – CMAC ” cần thiết Kết phương pháp điều khiển Fuzzy- CMAC kiểm chứng... kỹ thuật Đăng ký Đạt Phần mềm hệ thống điều khiển mức két Phần mềm có khả điều khiển mức két sử dụng phương pháp điều khiển Fuzzy, CMAC Phần mềm có khả điều khiển mức két sử dụng phương pháp điều. .. 1.2 Mô tả hệ thống hệ thống điều khiển 1.2.1 Bộ điều khiển mờ (Fuzzy) 1.2.1.1 Giới thiệu điều khiển mờ Xét hệ thống bồn chứa chất lỏng hình 1, ta cần thiết kế điều khiển để giữ cho mức chất lỏng