Nghiên cứu bộ điều khiển PID mờ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸTHUẬT CÔNG NGHIỆP HOÀNG BÍCH THUỶ NGHIÊN CỨU BỘ ĐIỀU KHIỂN PID - MỜ Ngành: TỰ ĐỘNG HOÁ Mã số: TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT THÁI NGUYÊN - 2010 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình do tôi tự làm và nghiên cứu, trong luận văn có sử dụng một số tài liệu tham khảo nhƣ đã nêu trong phần tài liệu tham khảo. Tác giả luận văn Hoàng Bích Thuỷ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn MỤC LỤC MỤC TÊN ĐỀ MỤC TRANG CHƢƠNG 1 Tổng quan về Bộ điều khiển PID 2 1.1 Cấu trúc chung của bộ điều khiển 2 1.2 Các chỉ tiêu đánh giá chất lƣợng của hệ thống điều khiển 2 1.2.1 Chỉ tiêu chất lƣợng tĩnh 2 1.2.2 Chỉ tiêu chất lƣợng động 3 1.3 Các luật điều khiển 4 1.3.1 Quy luật điều chỉnh tỷ lệ (P). 4 1.3.2 Quy luật điều chỉnh tích phân (I) 5 1.3.3 Quy luật điều chỉnh tỷ lệ vi phân (PD) 6 1.3.4 Quy luật điều chỉnh tỷ lệ tích phân (PI) 7 1.3.5 Quy luật điều chỉnh tỷ lệ vi tích phân (PID) 9 1.4 Các phƣơng pháp xác định tham số PID 11 1.4.1 Phƣơng pháp Ziegler – Nichols 13 1.4.1.1 Phƣơng pháp Ziegler – Nichols thứ nhất 13 1.4.1.2 Phƣơng pháp Ziegler – Nichols thứ hai 15 1.4.2 Phƣơng pháp Chien – Hrones – Reswick 16 1.4.3 Phƣơng pháp tổng T của Kuhn 18 1.4.4 Phƣơng pháp tối ƣu 19 1.4.4.1 Phƣơng pháp tối ƣu độ lớn 19 1.4.4.2 Phƣơng pháp tối ƣu đối xứng 25 1.4.5 Xác định tham số PID dựa trên quá trình tối ƣu trên máy tính 31 1.5 Kết luận chƣơng 1 32 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn MỤC TÊN ĐỀ MỤC TRANG CHƢƠNG 2 Bộ điều khiển mờ 34 2.1 Lịch sử phát triển của bộ điều khiển mờ 35 2.2 Một số khái niệm cơ bản về logic mờ 35 2.2.1 Định nghĩa tập mờ 35 2.2.2 Các hàm liên thuộc thƣờng đƣợc sử dụng 37 2.2.3 Biến ngôn ngữ và giá trị của biến ngôn ngữ 37 2.3 Bộ điều khiển mờ 38 2.3.1 Khâu mờ hóa 38 2.3.2 Khâu thực hiện luật hợp thành 39 2.3.3 Khâu giải mờ 43 2.4 Bộ điều khiển mờ tĩnh 47 2.4.1 Khái niệm 47 2.4.2 Thuật toán tổng hợp một bộ điều khiển mờ tĩnh 47 2.4.3 Tổng hợp bộ điều khiển mờ tuyến tính từng đoạn 48 2.5 Bộ điều khiển mờ động 49 2.6 Bộ điều khiển mờ động lai PID 52 2.6.1 Giới thiệu chung 52 2.6.2 Bộ điều khiển mờ lai kinh điển 53 2.6.3 Bộ điều khiển mờ lai cascade 53 2.6.4 Bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID 54 2.6.5 Bộ điều khiển mờ tự chỉnh cấu trúc 54 2.7 Kết luận chƣơng 2 55 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn DANH MỤC CÁC BẢNG SỐ HIỆU TÊN HÌNH VẼ TRANG H.1.1 Cấu trúc hệ thống điều khiển 2 H.1.2 Thể hiện đặc tính của sai số xác lập 3 H.1.3 Thể hiện đặc tính của lƣợng quá điều chỉnh 3 H.1.4 Thể hiện đặc tính của thời gian quá độ 4 H.1.5 Thể hiện đặc tính của số lần dao động 4 H.1.6 Các đặc tính của quy luật điều chỉnh tỷ lệ vi phân 7 H.1.7 Các đặc tính của quy luật điều chỉnh tỷ lệ tích phân 8 H.1.8 Các đặc tính của quy luật điều chỉnh tỷ lệ tích phân 9 H.1.9 Điều khiển với bộ điều khiển PID 11 H.1.10 Nhiệm vụ của bộ điều khiển PID 13 H.1.11 Xác định tham số cho mô hình xấp xỉ 14 H.1.12 Xác định hằng số khuếch đại tới hạn 15 H.1.13 Hàm quá độ cho phƣơng pháp Chien – Hrones – Reswick 16 H.1.14 Quan hệ giữa diện tích và tổng các hằng số thời gian 18 H.1.15 Dải tần số mà ở đó có biên độ hàm đặt tính bằng 1, càng rộng càng tốt 20 H.1.16 Điều khiên khâu quán tính bậc nhất 22 H.1.17 Minh hoạ tƣ tƣởng thiết kế bộ điều khiển PID tối ƣu đối xứng 27 H2.1 Mờ hoá biến “Tốc độ” 38 H2.2 Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ 38 H2.3 Hàm liên thuộc của luật hợp thành 42 H2.4 Giải mờ bằng phƣơng pháp cực đại 44 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn H2.5 Giải mờ theo nguyên lý trung bình 44 H2.6 Giải mờ theo nguyên lý cận trái 45 H2.7 Giải mờ theo nguyên lý cận phải 45 H2.8 Giải mờ theo phƣơng pháp điểm trọng tâm 46 H2.9 Đặc tính vào – ra cho trƣớc 48 H2.10 Hàm liên thuộc của các biến ngôn ngữ vào ra 49 H2.11 Hệ điều khiển mờ theo luật PI 50 H2.12 Hệ điều khiển mờ theo luật PD 50 H2.13 Hệ điều khiển mờ theo luật PID 51 H2.14 Mô hình bộ điều khiển mờ lai kinh điển 53 H2.15 Cấu trúc hệ mờ lai Cascade 54 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI NÓI ĐẦU Hiện nay đến 90% các bộ điều khiển trong thực tế là dựa trên luật điều khiển PID. Sự thông dụng của bộ điều khiển PID là ở chỗ: Đơn giản trong thiết kế và tính toàn tham số. Thuật toán PID đƣợc xây dựng từ nhiều hƣớng nhƣ theo kinh nghiệm hoặc phân tích. Bộ điều khiển PID hiện nay đƣợc sử dụng khá rộng rãi để điều khiển đối tƣợng SISO theo nguyên lý hồi tiếp. Bộ PID đƣợc sử dụng rộng rãi vì là tính đơn giản của nó cả về cấu trúc lẫn nguyên lý làm việc, tin cậy trong điều khiển và đáp ứng đƣợc yêu cầu chất lƣợng điều khiển trong giới hạn nhất định. Tuy nhiên bộ điều khiển PID cũng còn tồn tại nhƣợc điểm là trong quá trình làm việc khi tham số của hệ thống thay đổi hoặc hệ chịu nhiễu tác động thì tính bền vững của hệ không đƣợc đảm bảo, chất lƣợng ra bị thay đổi. Các hệ cần điều khiển trong thực tế chủ yếu là các hệ phi tuyến có chƣa các tham số (có thể có tham số không biết trƣớc) thay đổi khi làm việc. Ngoài ra trong quá trình làm việc hệ còn chịu nhiễu tác động từ môi trƣờng. Điều khiển các hệ thống nói trên với các chỉ tiêu chất lƣơng cao các bộ điều khiển PID thông thƣờng nói chung không đáp ứng đƣợc. Để điều khiển các hệ phi tuyến mạnh, hoặc các hệ có phần tử không mô hình hoá đƣợc, các tham số không biết trƣớc và chịu ảnh hƣởng của nhiẽu từ môi trƣờng, thƣờng đƣợc thiết kế theo hai hƣớng: hƣớng thứ nhất Sử dụng các bộ điều khiển hiện đại nhƣ: Điều khiển tối ƣu, điều khiển bền vững, điều khiển mờ, điều khiển thích nghi……Hƣớng thứ 2 là sử dụng các bộ điều khiển lai để tận dụng ƣu điểm của các bộ điều khiển nhƣ điều khiển thích nghi bền vững, PID mờ Trong luận văn tác giả sẽ lự chon phƣơng pháp điều khiển PID mờ để xử lý các tồn tại của bộ điều khiển PID. Đƣợc sự hƣớng dẫn của Thày giáo TS Nguyễn Văn Vỵ ,giám đốc Sở Khoa học và Công nghệ Thái Nguyên, tôi đã tiến hành nghiên cứu để tài: "Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển PID - Mờ" Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Để giải quyết lần lƣợt các vấn đề trên, luận văn bao gồm các chƣơng sau: Chƣơng I. TỔNG QUAN VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID Chƣơng II. TỔNG QUAN VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ Chƣơng III: BỘ ĐIỀU KHIỂN PID MỜ Trong thời gian làm luận văn, với những kiến thức đƣợc học trong nhà trƣờng cùng với tài liệu tham khảo, sách, tạp chí ở ngoài chƣơng trình học tập và đặc biệt nhờ có sự hƣớng dẫn, giúp đỡ tận tình của thầy giáo TS Nguyễn Văn Vỵ các thầy cô trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên cùng các bạn đồng nghiệp mà tôi đã hoàn thành bản luận văn này. Tôi xin chân thành cảm ơn TS Nguyễn Văn Vỵ đã tận tình hƣớng dẫn, cung cấp tài liệu trong quá trình nghiên cứu và làm luận văn, thày đã giành nhiều thời gian, công sức giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp tôi hoàn thành bản luận văn này. Tôi xin chân thành cảm ơn các thày cô giáo trực tiếp giảng dạy và tập thể các thày cô trong Khoa sau Đại học - Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên đã tạo những điều kiện thuận lợi giúp đỡ tôi hoàn thành khoá học. Tuy nhiên do kiến thức, khả năng còn hạn chế nên không thể tránh khỏi những thiếu sót, vì vậy tôi rất mong nhận đƣợc những ý kiến đóng góp cho bản luận văn này. Xin trân trọng cảm ơn ! Thái Nguyên, tháng 9 năm 2010 Học viên Hoàng Bích Thủy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID 1.1 . CẤU TRÚC CHUNG CỦA HỆ ĐIỀU KHIỂN. Cấu trúc chung của hệ thống điều khiển tự động nhƣ hình H1.1. Trong đó: ĐTĐT : Đối tƣợng điều khiển TBĐK : Thiết bị điều khiển TBĐL – CĐTH : Thiết bị đo lƣờng và chuyển đổi tín hiệu H1.1. Cấu trúc hệ thống điều khiển U(t) : Là tín hiệu vào của hệ thống - còn gọi là tín hiệu đặt hay lƣợng chủ đạo để xác định điểm làm việc của hệ thống y(t) : Tín hiệu đầu ra của hệ thống. Đây chính là đại lƣợng đƣợc điều chỉnh x(t) : Là tín hiệu điều khiển tác động lên đối tƣợng e(t) : Là sai lệch điều khiển Z(t) : Là tín hiệu phản hồi Thiết bị điều khiển là thành phần quan trọng nhất duy trì chế độ làm việc cho cả hệ thống điều khiển. 1.2 . CÁC CHỈ TIÊU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG HỆ ĐIỀU KHIỂN. 1.2.1. Chỉ tiêu chất lƣợng tĩnh. TBĐK ĐTĐK TBĐL CĐTH U(t ) y(t) Z(t ) e(t) x(t) [...]... = lim h(t) t  + Bộ điều khiển P : Chọn kp = + Bộ điều khiển PI : Chọn kp = 7b 10ak 7b 23a và TI = 10ak 10 + Bộ điều khiển PID : Chọn kp = - 6b 21a , TI = 2a và TD = 20ak 50 Yêu cầu tối ƣu theo tín hiệu đặt trƣớc ( giảm sai lệch bám ) và hệ kín không có độ quá điều chỉnh Δh + Bộ điều khiển P : Chọn kp = + Bộ điều khiển PI : Chọn kp = 3b 10ak 7b 6b và TI = 20ak 5 + Bộ điều khiển PID : Chọn kp = - 3b... hiện nhiệm vụ (vi phân) up e kp 1 TI s TDs u ω uI e _ u Đối tƣợng điều khiển y PID uD a) b) H1.9 Điều khiển với bộ điều khiển PID Bộ điều khiển PID đƣợc sử dụng khá rộng rãi để điều khiển đối tƣợng SISO theo nguyên lý hồi tiếp hình H1.9b Lý do bộ PID đƣợc sử dụng rộng rãi là tính đơn giản của nó cả về cấu trúc lẫn nguyên lý làm việc Bộ PID có nhiệm vụ đƣa sai lệch Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại... xác định tham số bộ điều khiển cho bốn yêu cầu chất lƣợng nhƣ sau: - Yêu cầu tối ƣu theo nhiễu (giảm ảnh hƣởng nhiễu) và hệ kín không có độ quá điều chỉnh + Bộ điều khiển P : Chọn kp = + Bộ điều khiển PI : Chọn kp = 3b 10ak 6b và TI = 4a 10ak + Bộ điều khiển PID : Chọn kp = - 19b 12a 21a , TI = và TD = 20ak 5 50 Yêu cầu tối ƣu theo nhiễu ( giảm ảnh hƣởng nhiễu ) và hệ kín có độ quá điều chỉnh Δh không... (1.20) với tham số n TI = 2k  Ti sẽ là bộ điều khiển tối kp i 1 ƣu độ lớn Điều khiển đối tượng quán tính bậc hai Xét bài toán chọn tham số bộ điều khiển PID cho đối tƣọng quán tính bậc hai S(s) = k (1  T1 s)(1  T2 s) ( 1.24) Khi đó để hàm truyền đạt hệ hở Gh(s) lại có dạng (1.22), và do đó sẽ sử dụng đƣợc kết luận 1 ta chọn bộ điều khiển PI thay vì bộ điều khiển I nhƣ đã làm với đối tƣợng bậc nhất:... số lớn, nên ngƣời ta thƣờng đã thoả mãn với bộ điều khiển R(s) khi nó mang lại đƣợc cho hệ thống tính chất (1.18) trong một dải tần số rộng lân cận thuộc 0 Bộ điều khiển R(s) thoả mãn: G ( j ) ≈ 1 (1.19) trong dải tần số tần số có độ rộng lớn đƣợc gọi là bộ điều khiển tối ƣu độ lớn Hình H1.15 là ví dụ minh hoạ cho nguyên tắc điều khiển tối ƣu độ lớn Bộ điều khiển R(s) cần phải đƣợc chọn sao cho miền... Yêu cầu tối ƣu theo tín hiệu đặt trƣớc ( giảm sai lệch bám ) và hệ kín có độ quá điều chỉnh Δh không vƣợt quá 20% so với h∞ = lim h(t): t  + Bộ điều khiển P : Chọn kp = 7b 10ak Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn + Bộ điều khiển PI : Chọn kp = 6b và TI = b 5ak + Bộ điều khiển PID : Chọn kp = 19b 27b 47a , TI = và TD = 20ak 20 100 1.4.3 Phƣơng pháp tổng T của... Phƣơng pháp Ziegler – Nichols thứ hai có nội dung nhƣ sau: - Thay bộ điều khiển PID trong hệ kín hình H1.12a bằng bộ khuếch đại Sau đó tăng hệ số khuếch đại tới giá trị tới hạn kth để hệ kín ở biên giới ổn định, tức là h(t) có dạng dao động điều hoà hình H1.12b xác định chu kỳ Tth của dao động - Xác định tham số cho bộ điều khiển P, PI hay PID nhƣ sau: + Nếu sử dụng R(s) = kp thì chọn kp = + Nếu sử dụng... hệ thống thay đổi tƣơng đối chậm và bản thân bộ điều khiển không cần phải có phản ứng thật nhanh với sự thay đổi của sai lệch e(t) thì ta chỉ cần sử dụng bộ điều khiển PI (T D = 0) có hàm truyền đạt: R(s) = kp( 1 + 1 ) TI s (1.12) 1.4.1 Phƣơng pháp Ziegler – Nichols Ziegler và Nichols đã đƣa ra hai phƣơng pháp thực nghiệm để xác định tham số bộ điều khiển PID Trong khi phƣơng pháp thứ nhất sử dụng dạng... gian nhỏ ta còn có: Kết luận 5 : Nếu đối tƣợng điều khiển (1.23) có một hằng số thời gian T1 lớn vƣợt trội và các hằng số thời gian còn lại T2, T3,….Tn rất nhỏ, thì bộ điều khiển PI (1.25) có các tham số TI = T1 , kp = T1 n 2k  Ti sẽ là bộ điều khiển tối ƣu độ lớn i 2 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Điều khiển đối tượng quán tính bậc ba Đối tƣợng là khâu... đối tƣợng điều khiển là khâu quán tính bậc nhất (1.21), thì bộ điều khiển tích phân (1.20) với tham số TI = 2kT sẽ là bộ điều khiển tối ƣu độ lớn kp Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Nếu đối tƣợng S(s) có dạng: S(s) = k (1  T1 s)(1  T2 s) (1  Tn s) (1.23) để áp dụng đƣợc kết luận trên với bộ điều khiển tối ƣu độ lớn là khâu tích phân (1.20) thì ta phải tìm . chung 52 2.6.2 Bộ điều khiển mờ lai kinh điển 53 2.6.3 Bộ điều khiển mờ lai cascade 53 2.6.4 Bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID 54 2.6.5 Bộ điều khiển mờ tự chỉnh cấu. bộ điều khiển hiện đại nhƣ: Điều khiển tối ƣu, điều khiển bền vững, điều khiển mờ, điều khiển thích nghi……Hƣớng thứ 2 là sử dụng các bộ điều khiển lai để tận dụng ƣu điểm của các bộ điều khiển. Thuật toán tổng hợp một bộ điều khiển mờ tĩnh 47 2.4.3 Tổng hợp bộ điều khiển mờ tuyến tính từng đoạn 48 2.5 Bộ điều khiển mờ động 49 2.6 Bộ điều khiển mờ động lai PID 52 2.6.1 Giới