Nghiên cứu xây dựng hệ thống điều khiển bồn nước liên kết trên cơ sở logic mờ,luận văn thạc sĩ tự động hóa

HUỲNH TẤN ĐẠT BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI HÀ NỘI HUỲNH TẤN ĐẠT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BỒN NƯỚC LIÊN KẾT TRÊN CƠ SỞ LOGIC MỜ Chuyên ngành: TỰ ĐỘNG HÓA LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT 2011 Tp Hồ Chí Minh 2011 LUẬN VĂN CAO HỌC -1- GVHD: TS NGUYỄN VĂN TIỀM BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI HÀ NỘI HUỲNH TẤN ĐẠT NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BỒN NƯỚC LIÊN KẾT TRÊN CƠ SỞ LOGIC MỜ Chuyên ngành: Tự Động Hóa Mã số: 60.52.60 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS NGUYỄN VĂN TIỀM Tp Hồ Chí Minh 2011 HVTH: HUỲNH TẤN ĐẠT LUẬN VĂN CAO HỌC -2- GVHD: TS NGUYỄN VĂN TIỀM TRÍCH YẾU LUẬN VĂN CAO HỌC Họ tên học viên: HUỲNH TẤN ĐẠT Năm sinh: 1976 Cơ quan công tác: Trường Trung Cấp Kỹ Thuật Và Nghiệp Vụ Nam Sài Gòn Khố: K17 Chun ngành: Tự Động Hóa Mã số: 60.52.60 Cán hướng dẫn: TS NGUYỄN VĂN TIỀM Bộ môn: Điều Khiển Học Tên đề tài luận văn: Nghiên Cứu Xây Dựng Hệ Thống Điều Khiển Bồn Nước Liên Kết Trên Cơ Sở Logic Mờ Mục đích nghiên cứu đề tài:  Nghiên cứu, thiết kế phần cứng hệ thống bồn nước liên kết Sử dụng lý thuyết điều khiển mờ để áp dụng cho toán điều khiển ổn định hệ bồn nước liên kết  Thi cơng mơ hình thử nghiệm thông qua phần mô Matlab kết nối phần điều khiển sử dụng card PCI 1710L giao tiếp máy tính kết hợp với vi điều khiển PIC để điều chế độ rộng xung thay đổi điện áp điều khiển hai động bơm nước kết mơ hình thực Phương pháp nghiên cứu kết đạt được:  Phân tích tốn vật lý, xây dựng điều khiển PID cho hệ bồn nước liên kết.Thiết kế điều khiển mờ, sử dụng Matlab mô phỏng.Chạy thử nghiệm đánh giá kết đạt Điểm bình qn mơn học: Điểm bảo vệ luận văn: Ngày tháng Học viên Xác nhận cán hướng dẫn: Xác nhận Bộ môn: HVTH: HUỲNH TẤN ĐẠT năm LUẬN VĂN CAO HỌC -3- GVHD: TS NGUYỄN VĂN TIỀM Phần Mở Đầu Với tiến vượt bậc khoa học kỹ thuật phát triển mạnh mẽ kỹ thuật máy tính cho đời thiết bị điều khiển tự động… thiết bị cho phép khắc phục nhiều nhược điểm hệ thống điều khiển trước đáp ứng yêu cầu kinh tế kỹ thuật đời sống sản xuất Với phát triển khoa học cơng nghệ việc ứng dụng thiết bị cảm biến kết hợp với phần mềm mơ điều khiển để tự động hố q trình sản xuất, nhằm mục tiêu tăng xuất lao động, nâng cao chất lượng sản phẩm, đáp ứng nhu cầu đặt vấn đề cấp thiết có tính thời cao Luận văn với đề tài: ‘‘ Nghiên cứu xây dựng hệ thống điều khiển bồn nước liên kết cở sở Logic mờ ’’ nhằm mục đích tìm hiểu, nghiên cứu ứng dụng phần mềm Matlab vào sản xuất Đề tài thực điều khiển chỉnh định mực nước bồn chứa liên kết, kết hợp mô lý thuyết thi cơng mơ hình thực thực tế HVTH: HUỲNH TẤN ĐẠT LUẬN VĂN CAO HỌC -4- GVHD: TS NGUYỄN VĂN TIỀM MỤC LỤC Trang Tờ bìa Trích yếu luận văn cao học Lời nói đầu Mục lục Chương – Tổng Quan Chương - Bài toán điều khiển bồn nước liên kết 2.1 Lý thuyết mờ 2.2 Điều khiển mờ trực tiếp 20 2.3 Điều khiển PID mờ 23 2.4 Kết luận chương 28 Chương – Thiết kế điều khiển cho hệ bồn nước liên kết 29 3.1 Giới thiệu 29 3.2 Mô tả đối tượng 29 3.3 Các thông số hệ bồn nước liên kết 31 3.4 Mơ hình tốn học hệ bồn nước liên kết 31 3.5 Các giải pháp điều khiển kết mô 35 3.6 Kết luận chương 60 Chương - Thiết kế mơ hình thực tế thử nghiệm 66 4.1 Các thông số hệ bồn nước 66 4.2 Sơ đồ khối điều khiển 68 4.3 Card thu thập liệu điều khiển PCI 1710L 70 4.4.Sơ đồ Real – Time điều khiển PI mờ sử dụng Simulink Matlab Card PCI 1710L 76 4.5 Kết chạy mơ hình thực 78 Kết luận 84 Lời cảm ơn 86 Tài liệu tham khảo 87 HVTH: HUỲNH TẤN ĐẠT -5- LUẬN VĂN CAO HỌC GVHD: TS NGUYỄN VĂN TIỀM Chương Tổng Quan 1.1 Giới thiệu Để điều khiển mức nước lưu lượng chất lỏng bồn vấn đề xử lý công nghiệp Trong xử lý công nghiệp chất lỏng phải đòi hỏi bơm vào bồn sau bơm sang bồn khác Sau bơm nhiều lần chất lỏng xử lý hóa chất xử lý hỗn hợp bồn, mức chất lỏng bồn luôn điều khiển lưu lượng bồn phải ổn định Điều khiển mức lưu lượng chất lỏng bồn vấn đề quan trọng trình cơng nghệ hóa học hóa dầu, xử lý nước thải, chế tạo giấy,…trong cơng nghệ hóa học quan trọng kinh tế sống Chính phổ biến ứng dụng rộng rãi mà có nhiều luận văn hệ bồn nước thực hiện, phương pháp áp dụng như: mạng nơ ron (Neural network), điều khiển mờ (fuzzy logic control), điều khiển thích nghi (adaptive control)… nhiên đề tài chủ yếu nghiên cứu đối tượng bồn nước nối tiếp (hệ SISO) vấn đề thi công chưa luận văn trước thực hiện, người thực chọn đề tài bồn nước liên kết (hệ MIMO) kết hợp mơ lý thuyết thi cơng mơ hình thực thực tế 1.2 Mục đích đề tài  Nghiên cứu , thiết kế phần cứng hệ thống bồn nước liên kết  Tên đề tài: “ Nghiên cứu xây dựng hệ thống điều khiển bồn nước liên kết cở sở Logic mờ ”  Sử dụng lý thuyết điều khiển mờ để áp dụng cho toán điều khiển ổn định hệ bồn nước liên kết  Thi cơng mơ hình thử nghiệm thông qua phần mô Matlab kết nối phần điều khiển sử dụng card PCI 1710L giao tiếp máy tính kết hợp với vi điều khiển PIC để điều chế độ rộng xung thay đổi điện áp điều khiển hai động bơm nước kết mơ hình thực HVTH: HUỲNH TẤN ĐẠT LUẬN VĂN CAO HỌC -6- GVHD: TS NGUYỄN VĂN TIỀM 1.3 Phạm vi ứng dụng - Kết đề tài áp dụng cho việc xử lý nước thải, chế tạo giấy,…trong cơng nghệ hóa học quan trọng kinh tế sống 1.4 Phương pháp nghiên cứu  Phân tích toán vật lý hệ bồn nước liên kết, xây dựng  Khảo sát trường hợp áp dụng điều khiển PID  Thiết kế điều khiển mờ sử dụng Matlab mô  Chạy thử nghiệm đánh giá kết đạt 1.5 Ý nghĩa khoa học Về việc sử dụng lý thuyết điều khiển đại logic mờ cho toán học hệ bồn nước liên kết 1.6 Ý nghĩa thực tiễn Các phương trình tốn học cho hệ điều khiển bồn nước liên kết có ý nghĩa xử lý cơng nghiệp chất lỏng phải địi hỏi bơm vào bồn sau bơm sang bồn khác HVTH: HUỲNH TẤN ĐẠT LUẬN VĂN CAO HỌC -7- GVHD: TS NGUYỄN VĂN TIỀM Chương : Bài toán điều khiển bồn nước liên kết 2.1 Lý thuyết mờ Khái niệm logic mờ giáo sư L.A Zadeh đưa lần vào năm 1965, trường Đại học Berkeley, tiểu bang California - Mỹ Từ lý thuyết mờ phát triển ứng dụng rộng rãi Năm 1970 trường Mary Queen, London – Anh, Ebrahim Mamdani dùng logic mờ để điều khiển máy nước mà ông điều khiển kỹ thuật cổ điển Tại Đức Hann Zimmermann dùng logic mờ cho hệ định Tại Nhật logic mờ ứng dụng vào nhà máy xử lý nước Fuji Electronic vào năm1983, hệ thống xe điện ngầm hãng Hitachi vào năm 1987 Lý thuyết mờ đời Mỹ, ứng dụng Anh phát triển mạnh mẽ Nhật Trong lĩnh vực tự động hoá logic mờ ngày ứng dụng rộng rãi Nó thực hữu dụng với đối tượng phức tạp mà ta chưa biết rõ hàm truyền, logic mờ giải vấn đề mà điều khiển kinh điển không làm 2.1.1 Khái niệm điều khiển mờ Logic mờ dựa khái niệm tập hợp mờ phân biệt với tập hợp kinh điển Tập kinh điển tập hợp vật có đặc tính, gọi phần tử tập hợp, vật coi thuộc khơng thuộc tập hợp Cịn tập mờ phần tử thuộc tập thuộc tập khác, tóm lại tập mờ khơng có biên rõ ràng Ví dụ:Tập A ngày tuần gồm phần tử từ Thứ đến Chủ nhật tập kinh điển; cịn thịt, cá tất nhiên khơng thuộc tập A Gọi tập B tập ngày cuối tuần tập B gọi tập mờ, Thứ 7, Chủ Nhật ngày cuối tuần thuộc tập B, Thứ coi thuộc B hay không thuộc B Thứ không thuộc B Một cách tổng quát, hệ thống mờ tập hợp qui tắc dạng If … Then … để tái tạo hành vi người tích hợp vào cấu trúc điều khiển hệ thống HVTH: HUỲNH TẤN ĐẠT -8- LUẬN VĂN CAO HỌC GVHD: TS NGUYỄN VĂN TIỀM Việc thiết kế hệ thống mờ mang nhiều tính chất chủ quan, tùy thuộc vào kinh nghiệm kiến thức người thiết kế Ngày nay, kỹ thuật mờ phát triển vượt bậc chưa có cách thức quy hiệu để thiết kế hệ thống mờ Việc thiết kế phải dựa kỹ thuật cổ điển thử - sai đòi hỏi phải đầu tư nhiều thời gian để tới kết chấp nhận 2.1.2 Định nghĩa tập mờ Tập mờ F xác định tập kinh điển X tập mà phần tử cặp giá trị (x,F(x)), với x X F(x) ánh xạ : F(x) : X  [0 1] : F (x)gọi hàm liên thuộc tập mờ F Hàm liên thuộc đặc trưng cho độ phụ thuộc phần thuộc tập sở X vào tập mờ F Nói cách khác, tập mờ xác định hàm liên thuộc 2.1.3 Các thuật ngữ logic mờ  Miền tin cậy MXĐ Hình 2.1: Biểu đồ hàm liên thuộc  Độ cao tập mờ F giá trị h = SupF(x), supF(x) giá trị nhỏ tất chặn hàm F(x)  Miền xác định miền hàm liên thuộc tập mờ F vùng gồm phần tử có độ phụ thuộc khác Nghĩa miền gồm phần tử x tập sở X cho F(x) > 0, nói cách khác gọi S tập thoả mãn : S = SuppF(x) = { xB | F(x) > } HVTH: HUỲNH TẤN ĐẠT LUẬN VĂN CAO HỌC -9- GVHD: TS NGUYỄN VĂN TIỀM  Miền tin cậy lõi hàm liên thuộc tập mờ F vùng gồm phần tử có độ phụ thuộc 1,nghĩa lõi gồm phần tử x tập sở X cho F(x) =1 ký hiệu T tập thoả mãn : T = { xB | F(x) = }  Biên hàm liên thuộc tập mờ F vùng gồm phần tử có độ phụ thuộc khác nhỏ 1, nghĩa biên tập mờ gồm phần tử x tập sở X cho 0