XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐA NĂNG DÙNG TRONG CÔNG NGHIỆP THE BUILDING OF A MANYFUNCTION COLTROLER USING IN THE INDUSTRY GS. TSKH. THÂN NGỌC HOÀN ThS. NGUYỄN TRỌNG THÁNG

CHàO MừNG NGàY NHà GIáO VIệT NAM 20/11/2010 XY DNG BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐA NĂNG DÙNG TRONG CÔNG NGHIỆP THE BUILDING OF A MANYFUNCTION COLTROLER USING IN THE INDUSTRY GS TSKH THÂN NGỌC HOÀN ThS NGUYỄN TRỌNG THÁNG Đại học Dân lập Hải phịng Tóm tắt Xây dựng điều khiển đại đa năng, thân thiện với người sử dụng, dẽ dàng cài đặt thiết bị điều khiển cần thiết Xuất phát từ thực tế báo trình bày việc nghiên cứu thiết kế điều khiển đại dùng công nghiệp nhằm giúp người dùng tổng hợp hệ thống điều khiển với chất lượng tôt Abstract The article deal with design and biuilding of a manyfunction of coltroler using in the insustry In this articl was presented diferrent algorythms of coltrol, the choice of this algorythm, and using the PISOC to build of the schem coltrol Mở đầu Lý thuyết Điều khiển tự động trải qua kỷ hình thành phát triển, ngày với phát triển khoa học công nghệ cho phép ứng dụng kết lý thuyết Điều khiển tự động đại điều khiển tối ưu [8], điều khiển mờ [6], trí tuệ nhân tạo [1]…để tạo nên điều khiển chất lượng cao sử dụng công nghiệp Trên giới có bán sẵn điều khiển số ứng dụng lý thuyết điều khiển kinh điển PID đáp ứng phần lớn yêu cầu điều khiển thực tế Tuy nhiên sử dụng điều khiển muốn đạt chất lượng điều khiển cao yêu cầu người sử dụng cần phải có kiến thức tốt kỹ thuật điều khiển với đối tượng điều khiển tham số tối ưu điều khiển PID[6] khác nhau, người sử dụng phải có hiểu biết tốt tìm giá trị tham số Đây hạn chế điều khiển PID kinh điển, xây dựng điều khiển đại đa năng, thân thiện với người sử dụng, cài đặt thiết bị điều khiển dễ dàng cần thiết Bài báo trình bày việc nghiên cứu, thiết kế điều khiển đại đa ứng dụng công nghiệp Bộ điều khiển mờ 2.1 Khái niệm Ứng dụng logic mờ người ta xây dựng điều khiển mờ Một điều khiển mờ bao gồm phần (H.1.1): - Khâu mờ hóa: Làm nhiệm vụ chuyển đổi từ giá trị rõ đầu vào xác định sang trạng thái đầu vào mờ Đây giao diện đầu vào điều khiển mờ - Thiết bị hợp thành: Triển khai luật hợp thành sở luật điều khiển IF, THEN - Khâu giải mờ: Chuyển đổi từ giá trị mờ nhận thiết bị hợp thành sang giá trị thực để điều khiển đối tượng Đây giao diện đầu điều khiển mờ Luật điều khiển x µ Mờ hóa B’ Thiết bị hợp thành y Giải mờ Hình 1.1 Cấu trúc điều khiển mờ Trong đó: x: Là tập giá trị thực cần điều khiển đầu vào ,m: Tập mờ giá trị đầu vào, B: Tập giá trị mờ giá trị điều khiển thực, y: Giá trị điều khiển thực Bộ điều khiển mờ điều khiển mờ tĩnh, có khả xử lý giá trị thời Để giải toán điều khiển động, điều khiển mờ phải nối thêm khâu động học thích hợp Ví dụ, khâu tỷ lệ, vi phân tích phân Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 24 11/2010 109 CHàO MừNG NGàY NHà GIáO VIệT NAM 20/11/2010 Hình 1.2 Cấu trúc điều khiển mờ động Hình 1.3 Hệ thống điều khiển với điều khiển mờ Hệ thống điều khiển mờ đảm nhiệm chức hệ thống điều khiển thông thường Sự khác biệt chủ yếu chỗ: hệ thống điều khiển truyền thống dựa vào logic kinh điển {0,1}, hệ thống điều khiển mờ thực chức điều khiển dựa kinh nghiệm kết luận theo tư người, q trình xử lí thơng qua logic mờ Để thực trình điều khiển, đối tượng phải điều khiển tín hiệu rõ Do vậy, tín hiệu điều khiển mờ phải giải mờ trước đưa vào đối tượng Cũng tương tự vậy, tín hiệu đối tượng qua cảm biến đo lường phải mờ hóa trước đưa vào điều khiển mờ Nguyên tắc tổng hợp điều khiển mờ hồn tồn dựa vào phương pháp tốn học sở định nghĩa biến ngôn ngữ vào ra, lựa chọn luật điều khiển điều khiển mờ Thiết bị hợp thành triển khai luật điều khiển theo nguyên tắc định (MAX-MIN, MAX-PROD, ), phần cốt lõi điều khiển mờ Để cho thiết bị thực luật điều khiển làm việc chế độ phải chọn biến ngôn ngữ cho phù hợp Các đại lượng vào chuẩn phù hợp với luật điều khiển Tất vần đề hình thành trình thử nghiệm thiết kế Tuy thiết bị hợp thành phận quan trọng điều khiển mờ, giải tốn động, lại cần thơng tin đạo hàm hay tích phân sai lệch Khi tín hiệu vào phải xử lí sơ qua khâu động học Đối với tốn có độ phức tạp cao, cần đến nhiều điều khiển mờ với khâu mắc nối tiếp song song theo kiểu mạng.Dưới trình bày sở phận điều khiển a) Q trình mờ hố Để thực xây dựng điều khiển mờ, trước hết phải mờ hóa thực một ánh xạ từ giá trị rõ x  U  Rn sang tập mờ A tập U Mờ hóa phải đảm bảo: Độ phụ thuộc lớn nhất, đảm bảo tính khử nhiễu, tính tốn đơn giản Người ta quan tâm đến kiểu mờ hóa sau: - Hàm Singleton, Hàm hình tam giác, Hàm hình thang Trong ba cách trên, mờ hóa theo kiểu Singleton sử dụng nhiều b) Thiết bị hợp thành Thiết bị hợp thành hiểu ghép nối chung thân nội dung luật hợp thành thuật toán xác định giá trị mờ luật hợp thành biết trước giá trị rõ tín hiệu đầu vào Trọng tâm hệ mờ mệnh đề hợp thành IF – THEN Gọi R luật hợp thành chung cho mệnh đề Ri (i =  n) trên: n R= U Ri (phép tích hợp tập mờ Ri) i Thiết bị hợp thành gọi tên quy tắc thực luật hợp thành Trong điều khiển có thiết bị sau : Thiết bị hợp thành Max – Min, Thiết bị hợp thành Max –Prod, Thiết bị hợp thành Sum – Prod Thiết bị hợp thành Sum - Min c) Giải mờ Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 24 – 11/2010 110 CHµO MõNG NGàY NHà GIáO VIệT NAM 20/11/2010 Thụng thng u điều khiển mờ thường tập mờ cho dù với hay nhiều luật điều khiển (mệnh đề hợp thành), nên ta chưa thể áp dụng cho đối tượng điều khiển Một điều khiển mờ hồn chỉnh cần phải có thêm khâu giải mờ (q trình rõ hóa tập mờ đầu B’) Có hai phương pháp giải mờ :Phương pháp cực đại, Phương pháp trung bình trọng tâm Tư tưởng phương pháp tìm tập mờ có hàm thuộc rõ yo với độ phụ thuộc lớn nhất: y   R ( y ) phần tử argm ax  R ( y ) y Việc giải mờ theo phương pháp cực đại bao gồm hai bước: Bước 1: Xác định miền chứa giá trị rõ y0 Giá trị rõ y0 giá trị mà hàm thuộc đạt giá trị cực đại, tức miền G   y  Y  R ( y )  H  ; với H độ thỏa mãn đầu vào Bước 2: Xác định y0 chấp nhận từ G Luật hợp thành Ri chứa miền y0 gọi luật hợp thành định Trong trường hợp có nhiều luật hợp thành có hàm thuộc đạt giá trị phải chọn số luật hợp thành làm luật hợp thành cho toán Chúng ta có phương pháp giải mờ sau: - Phương pháp điểm trọng tâm - Phương pháp điểm trọng tâm với luật hợp thành SUM- MIN 2.2 Các nguyên tắc chung thiết kế điều khiển mờ Khi thu thập đủ kinh nghiệm ý kiến chuyên gia muốn chuyển thành điều khiển phải tiến hành bước sau đây: - Định nghĩa tất biến ngôn ngữ vào - Thực cơng việc mờ hóa - Xây dựng luật hợp thành - Chọn quy tắc thực lệnh hợp thành hay gọi động suy diễn - Chọn phương pháp giải mờ 2.3 Một số phương pháp thiết kế điều khiển mờ tiêu biểu Điều khiển mờ có hai lớp tốn là: - Ước lượng mờ: áp dụng cho tốn điều khiển mà đối tượng điều khiển có mơ hình khơng xác khơng tường minh hay nói cách khác lượng thông tin đối tượng khơng đầy đủ - Mơ hình mờ: tốn xây dựng mơ hình cho đối tượng theo phương pháp mờ Có nhiều thuật tốn mờ áp dụng gặt hái nhiều thành công công nghiệp như: Điều khiển Madani, Điều khiển mờ trượt,Điều khiển Tagai/Sugeno, Điều khiển tra bảng Điều khiển Takagi/Sugeno với phương pháp tuyến tính hóa Lyapunov Bộ điều khiển PID số [6] 3.1 Luật điều khiển PID PID gồm ba thành phần điều khiển: Khuếch đại (P), tích phân (I) vi phân (D) Ba thành phần phối hợp với nhau, tạo thành điều khiển hoàn chỉnh để điều khiển đối tượng Thành phần khuếch đại (P) có tốc độ xử lý tín hiệu nhanh, có tính ổn định cao, thời gian điều khiển ngắn, song có nhược điểm như: hệ thống trạng thái xác lập tồn sai lệch tĩnh Thành phần tích phân (I) triệt tiêu sai lệch tĩnh tốc độ xử lí tín hiệu cịn chậm Thành phần vi phân (D) làm tăng tốc độ tác dụng tín hiệu điều khiển hệ thống có độ điều chỉnh lớn Bộ điều khiển PID có nhiệm vụ đưa sai lệch e(t) hệ thống cho trình độ thỏa mãn yêu cầu chất lượng: Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 24 – 11/2010 111 CHàO MừNG NGàY NHà GIáO VIệT NAM 20/11/2010 + Nếu sai lệch e(t) lớn thơng qua thành phần tỷ lệ, tín hiệu điều chỉnh u(t) lớn (vai trò khuếch đại) + Nếu sai lệch e(t) chưa thơng qua thành phần tích phân, điều khiển PID cịn tín hiệu điều chỉnh (vai trị tích phân) + Nếu có thay đổi sai lệch e(t) lớn thơng qua thành phần vi phân, phản ứng thích hợp tín hiệu điều chỉnh u(t) nhanh (vai trò vi phân) Luật điều khiển PID biểu diễn phương trình sau đây: t u ( t )  k p [ e( t )  de(t ) e( ) d  TD ]  TI dt (1) Trong e(t) tín hiệu đầu vào, u(t)- tín hiệu đầu ra, kp hệ số khuếch đại, TI TD tương ứng số thời gian tích phân vi phân Chất lượng hệ thống phụ thuộc vào tham số kp, TI, TD Để chọn tham số phải phân tích đối tượng chọn cho phù hợp Hàm truyền PID biểu diễn dạng cộng:   w PID+ (s )  k p 1   TD s   TI s  (2) Hàm truyền biểu diễn dạng nhân: kP* (1  TI* s )(1  TD* s ) w PID.MUL ( s )  TI*s (3) Dạng (13) dùng cho việc tính tốn tham số điều khiển, luật cộng (12) luật cài đặt PID số Ở dạng (12) nhà chế tạo dễ dàng cung cấp giải pháp lựa chọn luật điều khiển khác luật P, I, luật PI, luật PD luật PIKD Quan hệ tham số hai luật biểu diễn phương trình đây: kp  kP* (TI*  TD* ) TI* TD* * * (14), (15), T  T  T T  I I D D TI* TI*  TD* (4) Luật PID có khả bù số thời gian lớn đối tượng điều khiển làm cho hệ kín chuyển trạng thái nhanh làm giảm sai số tĩnh hệ chế độ xác lập 3.2 Bộ điều khiển PID số Yêu cầu đặt PID số phải có tính linh hoạt cao, giao diện thân thiện với người sử dụng Thông qua HMI, người sử dụng chọn luật điều khiển dễ dàng, điều khiển đối tượng cơng nghiệp theo luật P, I, PI, PD lựa chọn tham số luật phù hợp với đối tượng thiết kế Luật điều khiển PID số Trên H.1.13 biểu diễn cấu trúc PID số,từ cấu trúc PID số Hình 1.13, ta có: Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 24 – 11/2010 112 CHàO MừNG NGàY NHà GIáO VIệT NAM 20/11/2010 s   T T u ( k )  k P e(k )  e( k )  uI (k  1)  D e(k )  e(k  1)  TI T     T T T u (k )  k P (1  D )e(k )  D e(k  1)  e(k )  u I (k  1)  T T TI   (5)   T T T u (k )  k P (1  D  )e(k )  D e(k  1)  u I (k  1)  T TI T   3.3 Chỉnh định mờ điều khiển PID Trong lý thuyết điều khiển tuyến tính, có nhiều phương pháp hữu hiệu để xác định tham số kR, TI, TD cho điều khiển PID Tuy nhiên, hạn chế chung phương pháp tổng hợp điều khiển (PID) cho đối tượng xác định Với đối tượng khác cần phải tổng hợp điều khiển khác Phương pháp chỉnh định mờ tham số điều khiển PID cho phép điều khiển (PID) làm việc với nhiều đối tượng khác Tư tưởng phương pháp ứng dụng lý thuyết tập mờ vào chỉnh định tham số kR, TI, TD điều khiển PID cho phù hợp với đối tượng Có hai phương pháp chỉnh định mờ tham số điều khiển PID: - Phương pháp chỉnh định mờ Zhao, Tomizuka Isaka - Phương pháp chỉnh định mờ tham số  3.3.1 Phương pháp chỉnh định Zhao, Tomizuka Isaka Các tham số kR, TI, TD hay KR , KI, KD điều khiển PID chỉnh định mờ sở phân tích tín hiệu chủ đạo tín hiệu hệ thống, xác sai lệch e(t) đạo hàm sai lệch de(t ) Sơ đồ hệ thống sử dụng điều khiển PID có tham số chỉnh định theo phương dt pháp mờ hình sau: Hình 1.5 Phương pháp chỉnh định mờ tham số điều khiển PIDcủa Zhao, Tomizuka Isaka Hình 1.6 Cấu trúc bên chỉnh định mờ Bộ chỉnh định mờ sơ đồ có hai đầu vào sai lệch e(t), đạo hàm sai lệch đầu KR , KI  Trong đó:  = de(t ) ba dt TI K2  KI  R TD K D Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 24 11/2010 113 CHàO MừNG NGàY NHà GIáO VIệT NAM 20/11/2010 Có thể xem chỉnh định mờ gồm ba chỉnh định mờ nhỏ, có hai đầu vào đầu Bộ chỉnh định mờ thành phần quan trọng sơ đồ Hình 1.6 Thiết kế chỉnh định sau: 3.3.2 Bộ chỉnh định mờ I (chỉnh định KR) Bộ chỉnh định mờ có đầu vào sai lệch e(t) đạo hàm sai lệch de(t ) Ra chỉnh định KR dt + Đầu vào (sai lệch e(t)): Chọn dải sai lệch tập mờ hình sau (H.1.6): + Đầu vào (tốc độ sai lệch de(t ) ): Chọn dải tốc độ sai lệch tập mờ hình H.1.7 dt + Đầu chỉnh định KR có giá trị từ đến 1000 có hai tập mờ hình sau: (Kỳ sau đăng tiếp) Người phản biện: TS Nguyễn Tiến Ban Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 24 – 11/2010 114