Nghiên cứu ứng dụng thuật toán di truyền trong thiết kế bộ điều khiển pid cho hệ thống điều chỉnh tự động điện áp,luận văn thạc sỹ chuyên ngành tự động hóa

Bộ giáo dục đào tạo Trường đại học giao thông vận tải Trn Th Hoa * TRầN THị HOA LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Nghiªn cøu øNG dơng thuật toán di truyền Trong thiết kế điều khiển pid cho hệ thống điều chỉnh tự động điện áp * Ngnh: T ng Húa Luận văn thạc sỹ kỹ thuËt * năm 2013 Hà Nội - 2013 Bé gi¸o dục đào tạo Trường đại học giao thông vận tải TRầN THị HOA Nghiên cứu ứNG dụng thuật toán di trun Trong thiÕt kÕ bé ®iỊu khiĨn pid cho hệ thống điều chỉnh tự động điện áp Chuyên ngành: Tự động hóa MÃ số : 60.52.02.16 Luận văn thạc sü kü thuËt CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS LÊ HÙNG LÂN Hà Nội - 2013 Luận văn tốt nghiệp Cao học Tự động hóa TRÍCH YẾU LUẬN VĂN CAO HỌC Họ tên học viên: Trần Thị Hoa Ngày sinh: 26/04/1964 Cơ quan công tác: Trường Cao đẳng nghề Cần Thơ, số 57 Cách Mạng Tháng Tám, Phường An Thới, Quận Bình Thủy, Thành phố Cần Thơ Chuyên nghành: TỰ ĐỘNG HĨA, Khóa: 19 Mã số: 60.52.02.16 Cán hướng dẫn: PGS.TS LÊ HÙNG LÂN Bộ môn: ĐIỀU KHIỂN HỌC Tên đề tài luận văn NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG THUẬT TOÁN DI TRUYỀN TRONG THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID CHO HỆ THỐNG ĐIỀU CHỈNH TỰ ĐỘNG ĐIỆN ÁP Mục đích nghiên cứu đề tài Tìm hiểu thuật toán di truyền ứng dụng thuật toán vào thiết kế điều khiển PID tối ưu cho hệ thống điều chỉnh tự động điện áp Phương pháp nghiên cứu kết đạt - Phương pháp nghiên cứu: Kết hợp lý thuyết mô máy tính nghiên cứu thuật tốn di truyền ứng dụng tổng hợp hệ thống điều khiển PID tối ưu giúp cho người nghiên cứu tiếp tục giải số toán phức tạp khác thực tế - Kết quả: + Xây dựng thuật toán hiệu chỉnh PID tối ưu dựa phương pháp tối ưu di truyền + Mô đánh giá kết máy tính Điểm bình qn mơn học: ……………… Xác nhận Bộ môn Điểm bảo vệ luận văn: ……………… Ngày … tháng … năm 2013 Xác nhận Cán Học viên hướng dẫn PGS.TS Lê Hùng Lân PGS.TS Lê Hùng Lân GVHD: PGS.TS Lê Hùng Lân Trần Thị Hoa HVTH Trần Thị Hoa Luận văn tốt nghiệp Cao học Tự động hóa LỜI CẢM ƠN Trước hết, xin chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu trường Đại học Giao thông vận tải Hà Nội, Ban Giám Đốc Phòng quản lý đào tạo Sau đại học trường Đại học Giao thông vận tải - Cơ sở II tạo điều kiện thuận lợi cho tham gia lớp học Cảm ơn q thầy tận tình giảng dạy trang bị cho kiến thức chuyên ngành Tự động hóa mơn học khác nói chung Đặc biệt, trình làm luận văn tốt nghiệp, tơi nhận nhiều ý kiến đóng góp từ quý thầy giáo, cô giáo, anh chị bạn đồng nghiệp Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Lê Hùng Lân TS Nguyễn Văn Tiềm dành tâm huyết hướng dẫn, giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi cho suốt thời gian qua Tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo, cô giáo môn Điều khiển học, Khoa điện – Điện tử, Trường Đại học Giao thông vận tải, đồng nghiệp Khoa điện – Trường Cao đẳng nghề Cần Thơ gia đình có ý kiến đóng góp quý báu tạo điều kiện thuận lợi cho tơi q trình làm luận văn Tôi xin hứa, kiến thức nhà trường trang bị, tơi vận dụng cách đắn vào công tác thân Cuối cùng, xin kính chúc Ban Giám Hiệu, q thầy cơ, cán công nhân viên nhà trường dồi sức khỏe, đạt nhiều thành tích đào tạo Xin chân thành cảm ơn Tác giả luận văn Trần Thị Hoa GVHD: PGS.TS Lê Hùng Lân HVTH Trần Thị Hoa Luận văn tốt nghiệp Cao học Tự động hóa MỤC LỤC TRÍCH YẾU LUẬN VĂN CAO HỌC LỜI CẢM ƠN Mục lục Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt Danh mục bảng Danh mục hình vẽ, đồ thị MỞ ĐẦU Chương 1: TỔNG QUAN VỀ BÀI TOÁN ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP 10 1.1 Bộ điều chỉnh điện áp 10 1.1.1 Tính năng, tác dụng AVR 10 1.1.1.1 Điều chỉnh điện áp máy phát điện 10 1.1.1.2 Giới hạn tỷ số điện áp/tần số 11 1.1.1.3 Điều chỉnh công suất vô công máy phát điện 11 1.1.1.4 Bù trừ điện áp suy giảm đường dây 12 1.1.2 Nguyên lý hoạt động AVR 13 1.1.2.1 Sơ đồ 13 1.1.2.2 Nguyên lý làm việc 14 1.1.3 Các phương pháp tự động điều chỉnh điện áp 14 1.1.3.1 Phương pháp điều chỉnh điện áp tay 16 1.1.3.2 Phương pháp điều khiển tự động bán dẫn kỹ thuật số 17 1.2 Các nghiên cứu toán điều khiển điện áp 18 1.3 Mơ hình hệ tthống điều khiển 19 1.4 Đặt toán nghiên cứu cho luận văn 21 1.5 Kết luận chương 21 GVHD: PGS.TS Lê Hùng Lân HVTH Trần Thị Hoa Luận văn tốt nghiệp Cao học Tự động hóa Chương 2: PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN PID CƠ BẢN 22 2.1 Mơ hình điều khiển PID 22 2.2 Một số phương pháp hiệu chỉnh PID 25 2.2.1 Hai phương pháp xác định tham số PID Ziegier-Nichols 25 2.2.1.1 Phương pháp Ziegier-Nichols thứ 25 2.2.1.2 Phương pháp Ziegier-Nichols thứ hai 27 2.2.2 Phương pháp Chien-Hrones-Reswick 29 2.2.3 Phương pháp tối ưu độ lớn 31 2.2.3.1 Điều khiển đối tượng quán tính bậc 33 2.2.3.2 Điều khiển đối tượng quán tính bậc hai 36 2.2.3.3 Điều khiển đối tượng quán tính bậc ba 38 2.3 Thuật toán di truyền ứng dụng điều khiển 40 2.3.1 Lịch sử đời 40 2.3.2 Ứng dụng trí tuệ di truyền 41 2.3.2.1 Ứng dụng giải thuật di truyền cho việc học thông số mạng 41 neural 2.3.2.2 Ứng dụng giải thuật di truyền lĩnh vực giao thông 41 2.3.2.3 Ứng dụng giải thuật di truyền phân bố công suất tối ưu 42 hệ thống điện 2.3.3 Thuật toán di truyền 42 2.3.3.1 Thuật toán 42 2.3.3.2 Lưu đồ thuật toán 47 2.3.3.3 Xác định hàm mục tiêu theo tiêu chuẩn MSE 50 2.4 Kết luận chương GVHD: PGS.TS Lê Hùng Lân 52 HVTH Trần Thị Hoa Luận văn tốt nghiệp Cao học Tự động hóa Chương 3: XÂY DỰNG BỘ TỰ ĐỘNG ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP 53 TRÊN CƠ SỞ GIẢI THUẬT DI TRUYỀN 3.1 Cấu trúc hệ thống điều khiển điện áp sử dụng PID 53 3.2 Bộ điều khiển PID tổng hợp theo Ziegler-Nichols 54 3.3 Bộ điều khiển PID tổng hợp thuật toán di truyền 57 3.4 Kết luận chương 60 KẾT LUẬN 62 Các kết luận văn 62 Hạn chế hướng nghiên cứu 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO 63 PHỤ LỤC 65 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT AVR tự động điều chỉnh điện áp, tần số tự động (Automatic Voltage Regulator – AVR) AC xoay chiều DC chiều PID từ viết tắt Proportional-Integral-Derivative, nghĩa điều khiển vi tích phân tỷ lệ P khâu tỉ lệ I khâu tích phân D khâu đạo hàm GA từ viết tắt genetic algorithms, nghĩa Thuật giải di truyền GVHD: PGS.TS Lê Hùng Lân HVTH Trần Thị Hoa Luận văn tốt nghiệp Cao học Tự động hóa DANH MỤC BẢNG Bảng 3.1: Quy tắc chỉnh định Ziegler – Nichol 54 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1: Sơ đồ nnguyên lý AVR 13 Hình 1.2: Mơ hình hệ tthống AVR 19 Hình 2.1: Sơ đồ khối điều khiển PID 23 Hình 2.2: Nhiệm vụ điều khiển PID 25 Hình 2.3: Xác định tham số cho mơ hình xấp xỉ (2.6) đối tượng 26 Hình 2.4: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển xác định số khuếch đại 27 tới hạn Hình 2.5: Xác định số khuếch đại tới hạn 28 Hình 2.6: Hàm độ đối tượng thích hợp cho phương pháp Chien- 29 Hrones-Reswick Hình 2.7: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển theo phương pháp tối ưu độ 32 lớn Hình 2.8: Dải tần số mà có biên độ hàm đặc tính tần 1, 32 rộng tốt Hình 2.9: Điều khiển khâu qn tính bậc 34 Hình 2.10: Minh họa cho ví dụ 2.1 36 Hình 2.11: Minh họa cho ví dụ 2.2 38 Hình 2.12: Minh họa cho ví dụ 2.3 40 Hình 2.13: Lưu đồ thuật tốn tổng qt giải thuật di truyền 45 Hình 2.14: Lưu đồ thuật tốn di truyền 47 Hình 2.15: Các bước tính tốn thuật tốn di truyền 48 GVHD: PGS.TS Lê Hùng Lân HVTH Trần Thị Hoa Luận văn tốt nghiệp Cao học Tự động hóa Hình 3.1: Mơ hình hệ thống tự động điều chỉnh điện áp máy phát 53 Hình 3.2: Đáp ứng hệ thống ngõ vào hàm bậc thang đơn vị 53 Hình 3.3: Mơ hình hệ thống tự động điều chỉnh điện áp máy phát 57 Hình 3.4: Đáp ứng hệ thống ngõ vào hàm bậc thang đơn vị 58 Hình 3.5: Đáp ứng hệ thống ngõ vào hàm bậc thang đơn vị 59 Hình 3.6: Đáp ứng hệ thống ngõ vào hàm bậc thang đơn vị 60 GVHD: PGS.TS Lê Hùng Lân HVTH Trần Thị Hoa Luận văn tốt nghiệp Cao học Tự động hóa MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Máy phát điện nguồn cung cấp điện chủ yếu hệ thống điện, yêu cầu điện cung cấp cho công nghiệp dân dụng phải đảm bảo chất lượng điện điện áp, tần số Trong trình vận hành máy phát điện, yêu cầu phải điều khiển xác điện áp độ dao động nhỏ để đảm bảo an toàn vận hành chất lượng điện Hệ thống tự động điều chỉnh điện áp phức tạp, yêu cầu xác điện áp đầu cực máy phát, giảm dao động điện áp trình làm việc tốn khó Vấn đề thiết kế điều khiển nâng cao độ xác, đảm bảo hoạt động ổn định đáp ứng tiêu điều khiển thu hút quan tâm nhà khoa học nước Trong suốt thời gian qua có nhiều nghiên cứu từ việc sử dụng điều khiển kinh điển PID, đến sử dụng lý thuyết điều khiển tiên tiến logic mờ, mạng nơ ron,… hệ thống tự động điều chỉnh điện áp nhằm đạt điều khiển tối ưu Tuy nhiên, vấn đề tồn tự động điều chỉnh điện áp thiết kế chưa đảm bảo điện áp cực máy phát tối ưu dao động, độ điều chỉnh, sai số xác lập (tổng bình phương sai số nhỏ nhất) Do vậy, ứng dụng giải thuật di truyền thiết kế điều khiển PID khơng thể ln ln tìm điều khiển tối ưu, chắn cung cấp giải pháp tương đối tốt tảng vững thời gian nhanh Mục đích nghiên cứu Đề tài nghiên cứu giải thuật di truyền để thiết kế tính tốn điều khiển PID áp dụng cho hệ thống tự động điều chỉnh điệp áp máy phát điện nhằm nâng cao chất lượng điện hệ thống điện Xây dựng mơ hình tốn hệ thống tự động điều chỉnh điện áp, thiết kế cài đặt thuật tốn điều khiển Mơ hệ thống tự động điều chỉnh điện áp máy tính phần mềm Matlab GVHD: PGS.TS Lê Hùng Lân HVTH Trần Thị Hoa 60 Luận văn tốt nghiệp Cao học Tự động hóa 1.8 1.6  Ziegler - Nichol 1.4  Genetic algorithm 1.2 0.8 0.6 0.4 0.2 0 10 15 20 25 30 Hình 3.6: Đáp ứng hệ thống ngõ vào hàm bậc thang đơn vị Nhìn vào đáp ứng độ hệ thống hình 3.6 ta thấy lúc độ điều khoảng 25%, thời gian độ 10s Như chất lượng điều khiển tính tốn theo giải thuật di truyền tốt PID tính tốn theo Ziegler – Nichol độ điều chỉnh khoảng 25%, thời gian độ 10s 3.4 Kết luận chương Chương tổng hợp PID theo phương pháp truyền thống, xây dựng thuật toán xác định tham số PID giải thuật di truyền áp dụng cho tốn điều chỉnh điện áp Mơ hệ thống điều khiển điện áp sử dụng PID So sánh đánh giá hiệu việc áp dụng giải thuật di truyền với phương pháp sử dụng PID truyền thống Kết mô cho thấy điều khiển PID với thông số xác định theo giải thuật di truyền nâng cao chất lượng điều khiển hệ thống so với trường hợp có GVHD: PGS.TS Lê Hùng Lân HVTH Trần Thị Hoa Luận văn tốt nghiệp Cao học 61 Tự động hóa thông số xác định theo phương pháp Ziegler-Nichols kinh điển: biên độ dao động giảm, thời gian điều khiển giảm Ngồi ra, phương pháp tính tốn tham số PID tối ưu theo giải thuật di truyền cịn có ưu điểm tính mềm dẻo chỗ tiêu chuẩn tối ưu mơ hình đối tượng thay đổi tùy người nghiên cứu GVHD: PGS.TS Lê Hùng Lân HVTH Trần Thị Hoa Luận văn tốt nghiệp Cao học 62 Tự động hóa KẾT LUẬN Các kết luận văn  Nghiên cứu hệ thống điều khiển điện áp sử dụng điều khiển PID  Nghiên cứu giải thuật di truyền áp dụng tính toán tham số điều khiển PID  Cài đặt chương trình mơ hệ thống điều khiển điện áp máy tính phần mềm matlab-simulink  Kết mô khẳng định, điều khiển PID với tham số tính tốn theo giải thuật di truyền cho chất lượng điều khiển điện áp tốt so với điều khiển PID tính tốn theo phương pháp thông thường Hạn chế hướng nghiên cứu  Kết nghiên cứu luận văn dừng lại mơ máy tính  Hướng nghiên cứu luận văn triển khai thử nghiệm vào thực tế có điều kiện  Hạn chế phương pháp mà luận văn đưa tham số PID tính tốn offline, nên máy phát bị thay đổi tham số dẫn đến hệ thống ổn định Vì mặt lý thuyết, tác giả nghiên cứu theo hướng điều khiển thích nghi dựa lý thuyết tiên tiến logic mờ, mạng nơ ron nhân tạo kết hợp với giải thuật di truyền GVHD: PGS.TS Lê Hùng Lân HVTH Trần Thị Hoa Luận văn tốt nghiệp Cao học 63 Tự động hóa TÀİ LIỆU THAM KHẢO [1] Phạm Việt Cường (2003), Ứng dụng thuật toán di truyền phân bố công suất tối ưu hệ thống điện, Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật, Đại học Bách khoa [2] Hồng Kiếm (2001), Giải tốn máy tính nào, NXB Giáo dục [3] Hoàng Kiếm, Lê Hoàng Thái (2001), Thuật giải di truyền – Cách giải tự nhiên toán máy tính, NXB Giáo dục [4] Lê Hùng Lân (2004), Lý thuyết điều khiển tự động tập 1, NXB Giao thông vận tải, Hà Nội [5] Nguyễn Minh Luân (2003), Tự chỉnh điều khiển mờ dùng giải thuật di truyền, Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật, Đại học Bách khoa [6] Nguyễn Đức Nghĩa (2004), Tối ưu hóa-Quy hoạch tuyến tính rời rạc, NXB Giáo dục [7] Nguyễn Dỗn Phước (2005), Lý thuyết điều khiển tuyến tính, NXB Khoa học Kỹ thuật [8] Nguyễn Phùng Quang (2006), Matlab & Simulink dành cho Kỹ sư Điều khiển tự động, NXB Khoa học Kỹ thuật [9] Nguyễn Đình Thúc (2008), Trí tuệ nhân tạo – Lập trình tiến hóa – Cấu trúc liệu + Thuật giải di truyền = Chương trình tiến hóa, NXB Giáo dục [10] Nguyễn Xuân Vinh (2004), Nghiên cứu giải thuật di truyền - Ứng dụng quy hoạch mạng truyền tải, Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật, Đại học Bách khoa [11] Lance Chambers (1995), Practical Handbook of Genetic Algorithms, CRC Press, Boca Raton, New York GVHD: PGS.TS Lê Hùng Lân HVTH Trần Thị Hoa Luận văn tốt nghiệp Cao học 64 Tự động hóa [12] Ahmed Karim Abdullah Albakri, Ali Abdul Abbas Abdullah Albakri (2007), A proposed approach to control of automatic voltage regulator system using intelligent control technique, Baghdad, Iraq [13] Ashwani Kumar and Mukesh Kumar (2012), PID Control of Automatic Voltage Regulator for Two Area System, VSRD IJEECE, Vol (8), pp 659-662 [14] Aye Aye Mon (2009), Fuzzy Logic PID Control of Automatic Voltage Regulator System, World Academy of Science, Engineering and Technology 26 [15] Ching-Chang Wong, Shih-An Li and Hou-Yi Wang (2009), Optimal PID Controller Design for AVR System, Tamkang Journal of Science and Engineering, Vol 12, No 3, pp 259-270 [16] Leandro dos Santos Coelho (2009), Tuning of PID controller for an automatic regulator voltage system using chaotic optimization approach, Chaos, Solutions and Fractals 39, pp 1504–1514 [17] Math World (2011), User’s Guide, Version 2, The Math Works Inc [18] Stephen G.Nash, Ariela Sofer (1996), Linear and Nonlinear Programming, McGraw Hill GVHD: PGS.TS Lê Hùng Lân HVTH Trần Thị Hoa 65 Luận văn tốt nghiệp Cao học Tự động hóa PHỤ LỤC Chương trình tính tốn tham số điều khiển PID giải thuật di truyền Luanvan.m format short %định dạng hiển thị warning off %tắt cảnh báo clear all %xóa tất biến clear %xóa hình clc pcross = 0.95; %hệ số lai tạo pmut = 0.2; %hệ số đột biến popsize = 550; %số lượng dân số evalfn = 'fx'; %hàm mục tiêu for ij =1:1 [K_PID bestji]= Khoitao(pcross, pmut, popsize, evalfn); %340 %gọi hàm khởi tạo dân số tái tạo dân số plot(1:size(bestji),bestji,'LineWidth',2); grid on; xlabel('The he'); ylabel('Gia tri ham muc tieu'); %Simulink cac thong so GA dua KA=10; TA=0.1; %mô hệ thống với thông số giải thuật di truyền đưa KE= 1; TE=0.4; GVHD: PGS.TS Lê Hùng Lân HVTH Trần Thị Hoa Luận văn tốt nghiệp Cao học 66 Tự động hóa KG= 1; TG=1; KR= 1; TR=0.01; Kp=K_PID(1); Ki=K_PID(2); Kd=K_PID(3); sim('PIDGA'); end Khoitao.m function [K_PID best11] = Khoitao(pcross11, pmu11, popsize11, evalfn) %Ham so 11 Gen = 0; %thế hệ = quit11 = 0; %biến thoát total_lchrom11 = 24; %chiều dài cá thể best11 = 0; %cá thể tốt ty11 = 1.0e37; [startpop fx_val] = initpop(popsize11, %gọi hàm khởi tạo dân số total_lchrom11, evalfn); while (quit11 == 0) Gen = Gen + GVHD: PGS.TS Lê Hùng Lân HVTH Trần Thị Hoa Luận văn tốt nghiệp Cao học [tem11 pos11] = max(fx_val); 67 Tự động hóa %tìm cá thể có độ thích nghi tốt best = startpop(pos11,:); savebest(Gen,1) = tem11 if (mod(Gen,25) == 0) %cứ sau 25 hệ kiểm tra lại độ thích nghi if (abs(savebest(Gen) savebest(Gen-1))