Đánh giá thuật toán chỉ định mờ tham số PID với ba đầu vào

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP o0o GIÁP THỊ HẢI ĐÁNH GIÁ THUẬT TOÁN CHỈNH ĐỊNH MỜ THAM SỐ PID VỚI BA ĐẦU VÀO LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA THÁI NGUYÊN - 2011 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP o0o LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA ĐÁNH GIÁ THUẬT TOÁN CHỈNH ĐỊNH MỜ THAM SỐ PID VỚI BA ĐẦU VÀO GIÁP THỊ HẢI NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN DOÃN PHƯỚC THÁI NGUYÊN - 2011 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP *** CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc Lập - Tư Do - Hạnh Phúc o0o THUYẾT MINH LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT ĐỀ TÀI: ĐÁNH GIÁ THUẬT TOÁN CHỈNH ĐỊNH MỜ THAM SỐ PID VỚI BA ĐẦU VÀO Học viên : GIÁP THỊ HẢI Lớp : CH-K12 Chuyên ngành : Tự động hoá Người hướng dẫn : PGS.TS Nguyễn Doãn Phước Ngày giao đề tài : 2/2011 Ngày hoàn thành đề tài : 9/2011 KHOA ĐT SAU ĐẠI HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN PGS.TS Nguyễn Doãn Phước BAN GIÁM HIỆU HỌC VIÊN Giáp Thị Hải 1 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Nguyễn Doãn Phƣớc, Ngƣời đã tận tình hƣớng dẫn giúp đỡ và tạo mọi điều kiện để tôi hoàn thành luận văn này Tôi xin trân thành cảm ơn Khoa Sau Đại học - Trƣờng Đại học Kỹ thuật công nghiệp đã tạo điều kiện để tôi hoàn thành khóa học. Tôi xin cảm ơn các thầy, cô giáo, bạn bè và đồng nghiệp luôn động viên ,giúp đỡ để tôi hoàn thành luận văn Tác giả luận văn Giáp Thị Hải 2 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn MỤC LỤC MỞ ĐẦU 7 1.Tính cấp thiết của luận văn 7 2.Mục tiêu của luận văn 8 3.Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của luận văn 8 4. Nội dung của luận văn……………………………………………………… 8 CHƢƠNG I: GIỚI THIỆU BỘ ĐIỀU KHIỂN PID 9 1.1. Tổng quan về bộ điều khiển PID 9 1.2. Cấu trúc của bộ điều khiển PID liên tục 10 1.3. Phân tích các luật điều khiển 11 1.3.1. Luật điều khiển tỷ lệ 11 1.3.2. Luật điều khiển tích phân 12 1.3.3. Luật điều khiển vi phân 12 1 3.4. Luật điều khiển tỉ lệ - tích phân 13 1.3.5. Luật điều khiển tỉ lệ - Vi phân 14 1.3.6. Luật điều khiển tỉ lệ - Tích phân – vi phân 14 1.4. Các phƣơng pháp tổng hợp tham số cho bộ điều khiển PID 15 1.5. Bộ điều khiển PID số 16 1.5. 1. Đặc điểm lấy mẫu 17 1.5.2 Hàm truyền đạt hệ xung số 18 1.5.3 Cấu trúc bộ điều khiển PID số 20 1.6. Cấu trúc của một số bộ điều khiển PID trong công nghiệp 23 1.6.1.Cấu trúc PID lý tƣởng 23 1.6.2.Cấu trúc PID kinh điển 24 1.6.3.Cấu trúc PID không tƣơng tác 25 3 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 1.7. Những hạn chế của bộ điều khiển PID và hƣớng phát triển 28 CHƢƠNG 2: ĐIỀU KHIỂN MỜ 29 2.1.Tập mờ 29 2.1.1. Định nghĩa tập mờ 30 2.1.2. Các phép toán trên tập mờ 33 2.2.Cấu trúc của bộ điều khiển mờ 43 2.2.1. Cấu trúc của bộ điều khiển mờ. 43 2.2.2. Mờ hóa 46 2.2.3 Thiết bị hợp thành 47 2.2.4. Giải mờ 57 CHƢƠNG 3: ÁP DỤNG PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN MỜ CHỈNH ĐỊNH THAM SỐ BỘ PID 62 3.1. Tổng quan 62 3.2. Phƣơng pháp chỉnh định mờ tham số bộ điều khiển PID của Zhao – Tomizuka và Isaka 63 CHƢƠNG 4: THUẬT TOÁN CHỈNH ĐỊNH MỜ THAM SỐ PID VỚI 3 ĐẦU VÀO 71 4.1. Cải tiến Phƣơng pháp chỉnh định mờ của Zhao-Tomizuka-Isaka 71 4.2. Mô phỏng kiểm chứng bộ điều khiển PID-Fuzzy cải tiến 78 4.2.1. Xây dựng hàm truyền lò điện trở 78 4.2.2. Hàm truyền của bộ biến đổi xoay chiều-xoay chiều 79 4.2.3. Hàm truyền của cảm biến nhiệt độ 79 4.2.4. Xây dựng bộ điều khiển PID kinh điển để điều khiển nhiệt độ lò điện trở 79 4 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 4.2.5. Xây dựng bộ điều khiển PID mờ để điều khiển nhiệt độ lò điện trở 81 4.2.5.1. Định nghĩa các biến ngôn ngữ vào ra 81 4.2.5.2. Xây dựng luật hợp thành 82 4.2.5.3. Mô phỏng trên simulink 84 KẾT LUẬN 86 TÀI LIỆU THAM KHẢO 87 5 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Sơ đồ khối bộ điều khiển PID 10 Hình 1.2: Quá trình trích mẫu của hệ không liên tục và hệ rời rạc 17 Hình 1.3: Hệ thống số vòng hở 18 Hình 1.4:Hệ xung số vòng kín cơ bản 19 Hình 1.5: Hệ thống điều khiển PID số 20 Hình 1.6: Cấu trúc bộ điều khiển PID số 22 Hình 1.7 Cấu trúc bộ điều khiển PID không tƣơng tác 1 25 Hình 1.8 Cấu trúc bộ điều khiển PID không tƣơng tác trên cơ sở 2 bậc tự do về cấu trúc 26 Hình 1.9 . Cấu trúc bộ điều khiển PID không tƣơng tác 3 27 Hình 1.10. Cấu trúc bộ điều khiển PID không tƣơng tác 4 27 Hình 1.11.Cấu trúc bộ điều khiển PID không tƣơng tác 5 28 Hình 2.1: Hàm phụ thuộc () A X  Của tập kinh điển A 30 Hình 2.2 miền xác định và miềm tin cậy của tập mờ. 32 Hình 2.3. Các dạng hàm thuộc thƣờng gặp 33 Hình 2.4. Hàm thuộc của hai tập mờ có cùng cơ sở. 34 Hình 2.5. Hàm thuộc của hợp 2 tập hợp có cùng không gian nền 35 Hình 2.6. Phép hợp hai tập hơp mờ không cùng cơ sở. 36 Hình 2.7 Hàm thuộc của giao hai tập mờ cùng cơ sở 40 Hình 2.8. Phép giao hai tập mờ cùng cơ sở 40 Hình 2.9 Tập bù A C của tập mờ A. 43 6 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Hình 2.10: Cấu trúc một bộ điều khiển mờ. 44 Hình 2.11: Cấu trúc bên trong của một bộ điều khiển mờ 44 Hình 2.12: Một bộ điều khiển mờ có thêm những khâu động 45 Hình 2.13. Ví dụ về hàm thuộc 46 Hình 2.14. Mô tả độ thỏa mãn 52 Hình 2.15. Giải mờ bằng phƣơng pháp cực đại. 58 Hình 2.16. Gía trị rõ y’ là hoành độ của điểm trọng tâm. 60 Hình 3.1. Phƣơng pháp chỉnh định mờ tham số PID 65 Hình 3.2. Bên trong của bộ chỉnh định mờ 65 Hình 3.3. Định nghĩa tập mờ vào/ra 66 Hình 3.4. Đáp ứng step tiêu biểu của hệ thống điều khiển dùng PID: 66 Hình 4.1: Cải tiến bộ chỉnh định mờ bằng cách thêm biến ngôn ngữ đầu vào: 73 Hình 4.2. Cải tiến việc mờ hoá các biến ngôn ngữ vào-ra 74 Hình 4.3: Sử dụng bộ PID kinh điển điều khiển nhiệt độ lò 79 Hình 4.4: Đặc tính động của lò khi sử dụng bộ PID kinh điển 80 Hình:4.5 .Sơ đồ simulink mô phỏng thuật toán PID-Fuzzy cải tiến đề xuất ứng dụng điềukhiển nhiệt độ lò điện trở 84 Hình 4.6: Đặc tính động của lò điện trở khi sử dụng bộ PID-Fuzzy cải tiến 84 7 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn MỞ ĐẦU 1.Tính cấp thiết của luận văn Hiện nay,bộ điều khiển PID đƣợc sử dụng rất rộng rãi để điều khiển các đối tƣợng SISO theo nguyên lý hồi tiếp ,vì tính đơn giản về cấu trúc và nguyên lý làm việc. Tuy nhiên ,sự ổn định và chất lƣợng của bộ điều khiển PID phụ thuộc vào việc lựa chọn ba tham số bộ điều khiển là: Hệ số khuếch đại Kp , thời gian tích phân TI , thời gian vi phân TD .Muốn hệ thống có chất lƣợng nhƣ mong muốn thì phải phân tích chính xác đối tƣợng, trên cơ sở đó lựa chọn tham số cho phù hợp. Nhƣng việc lựa chọn tham số cho bộ PID để đạt đƣợc hiệu quả tối ƣu không phải là bài toán đơn giản vì tính đa dang và phức tạp của đối tƣợng điều khiển. Trong thực tế,các tham số PID thƣờng đƣợc hiệu chỉnh bởi các chuyên gia có kinh nghiệm cả về công nghệ lẫn điều khiển. Do vậy dẫn đến nhu cầu về việc hiệu chỉnh tham số PID một cách tự động. Đã có nhiều công trình nghiên cứu để tạo ra bộ điều khiển này, nhƣng cách đơn giản và dễ áp dụng nhất là phƣơng pháp chỉnh định mờ tham số bộ PID của Zhao, Tomizuka và Isaka đƣợc đƣa ra trong tài liệu “Lý thuyết điều khiển mờ” của tác giả Nguyễn Doãn Phƣớc và Phan Xuân Minh . Nhƣng trong tài liệu này chỉ ứng dụng phƣơng pháp với một trƣờng hợp cụ thể. Vấn đề đặt ra là khi cải tiến phƣơng pháp chỉnh định mờ tham số PID của Zhao,Tomizuka,Isaka với ba đầu vào thì khả năng chỉnh định có nhanh hơn không ,và lớp đối tƣợng có đƣợc mở rộng hơn không? Để trả lời hai câu hỏi trên em chọn đề tài :“Đánh giá thuật toán chỉnh định mờ tham số PID với 3 đầu vào”. [...]... một số bộ điều khiển PID đang đƣợc dùng trong công nghiệp,phân tích vai trò ,vị trí của các bộ điều khiển PID + Nghiên cứu phƣơng pháp chỉnh định mờ tham số PID của Zhao,Tomizuka Isaka đã đƣa ra + Đề xuất cải tiến ,xây dựng chƣơng trình và đánh giá thuật toán chỉnh định mờ tham số PID của Zhao,Tomizuka Isaka với 3 đầu vào 3.Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của luận văn +Ý nghĩa khoa học: Đánh giá. .. Đánh giá thuật toán chỉnh định mờ tham số bộ điều khiển PID trên cơ sở cải tiến phƣơng pháp của Zhao, Tomizuka¸ Isaka đã đề xuất + Ý nghĩa thực tiễn: Nâng cao chất lƣợng và mở rộng đối tƣợng điều khiển cho bộ điều khiển + Nghiên cứu phƣơng pháp chỉnh định mờ tham số PID của Zhao,Tomizuka Isaka đã đƣa ra + Đề xuất cải tiến ,xây dựng chƣơng trình và đánh giá thuật toán chỉnh định mờ tham số PID của Zhao,Tomizuka... Zhao,Tomizuka Isaka với 3 đầu vào 4.Nội dung của luận văn Luận văn gồm có 4 chƣơng: Chƣơng 1: Giới thiệu về bộ điều khiển PID Chƣơng 2: Điều khiển mờ Chƣơng 3: Áp dụng phƣơng pháp điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ PID Chƣơng 4: Thuật toán chỉnh định mờ tham số PID với 3 đầu vào Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 9 CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU BỘ ĐIỀU KHIỂN PID 1.1 Tổng... Hướng phát triển: Việc hiệu chỉnh tham số bộ điều khiển PID là khó khăn đối với ngƣời sử dụng Do đó ,đã có nhiều công trình nghiên cứu để tạo ra bộ điều khiển PID có thể hiệu chỉnh các tham số một cách tự động, nhƣng cách đơn giản và dễ áp dụng nhất là phƣơng pháp chỉnh định mờ tham số bộ PID của Zhao, Tomizuka và Isaka đƣợc đƣa ra trong tài liệu “Lý thuyết điều khiển mờ của tác giả Nguyễn Doãn Phƣớc và... Nhƣng việc lựa chọn các tham số cho bộ PID là một vấn đề phức tạp trong nhiều ứng dụng và không phải lúc nào cũng là dễ dàng với ngƣời sử dụng Do đó cần phải nghiên cứu ,đề xất cải tiến việc hiệu chỉnh tham số PID một cách tự động nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng của bộ điều khiển này 1.5 Bộ điều khiển PID số Sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ kỹ thuật điện tử, kỹ thuật vi xử lý và kỹ thuật máy tính làm... điều khiển PID và hƣớng phát triển Hiện nay,bộ điều khiển PID đƣợc sử dụng rất rộng rãi trong công nghiệp Tuy nhiên bộ điều khiển PID cũng có những hạn chế nhất định  Những hạn chế của bộ điều khiển PID: + Việc chỉnh định các tham số cho bộ PID không đơn giản, đòi hỏi nhiều kinh nghiệm + Khi hệ thống bị tác động bởi nhiễu, nhiễu sẽ đƣợc đƣa đến đầu vào thông qua mạch phản hồi và tổng hợp cùng với tín... độ y(t) phải tiến đến một giá trị xác lập tuy nhiên cũng phải khẳng định rằng: Đối với các luật điều khiển khác nhau thì các chỉ tiêu chất lƣợng quá trình quá độ nhƣ Gmax (lƣợng quá điều chỉnh) Tmax (thời gian điều chỉnh) Vv… Cũng sẽ khác nhau 1.4 Các phƣơng pháp tổng hợp tham số cho bộ điều khiển PID Có khá nhiều phƣơng pháp xác định các tham số KP, TI, TD cho bộ điều khiển PID, phổ biến hơn cả trong... tiên nhƣng không đƣa vào sử dụng rộng rãi Năm 1975, hãng Process Systems đƣa ra bộ điều khiển P-200 – bộ PID đầu tiên trên nền vi xử lý Từ năm 1980 đến nay, cùng với sự phát triển của máy tính số, kỹ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 10 thuật vi xử lý, các bộ điều khiển PID đƣợc phát triển rất đa dạng, dựa theo nhiều cách chỉnh định tham số khác nhau 1.2.Cấu... bao gồm nhiễu Đây là một trong những nguyên nhân ảnh hƣởng đến tính ổn định của hệ thống và độ chính xác điều khiển + Đối với các hệ thống phi tuyến,các đôií tƣợng điều khiển có tham số thay đổi thì việc áp dụng bộ điều khiển PID với các các tham số hằng sẽ không đảm bảo chất lƣợng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 29  Hướng phát triển: Việc hiệu chỉnh tham. .. phải chọn đƣợc luật điều khiển, các bộ tham số KP, TI, Td thích hợp cho hệ thống Bằng thực nghiệm hoặc lý thuyết, ta có thể xác định các tham số này để bộ điều khiển đáp ứng yêu cầu chất lƣợng của hệ thống Tuy vậy cho đến nay đã có nhiều lý thuyết về xác định tham số cho bộ điều khiển PID, nhƣng vẫn chƣa một lý thuyết nào hoàn hảo và tiện lợi, việc xác định tham số cho bộ điều khiển là phức tạp đòi hỏi . điều khiển PID. Chƣơng 2: Điều khiển mờ. Chƣơng 3: Áp dụng phƣơng pháp điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ PID. Chƣơng 4: Thuật toán chỉnh định mờ tham số PID với 3 đầu vào. 9 Số hóa bởi. và đánh giá thuật toán chỉnh định mờ tham số PID của Zhao,Tomizuka Isaka với 3 đầu vào. 3.Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của luận văn +Ý nghĩa khoa học: Đánh giá thuật toán chỉnh định. pháp chỉnh định mờ tham số PID của Zhao,Tomizuka Isaka đã đƣa ra. + Đề xuất cải tiến ,xây dựng chƣơng trình và đánh giá thuật toán chỉnh định mờ tham số PID của Zhao,Tomizuka Isaka với 3 đầu vào.