1 Bộ giáo dục đào tạo Trờng đại học mỏ - địa chất Hoàng xuân thờng Nghiên cứu ứng dụng nguyên lý điều khiển mờ để nâng cao chất lợng hệ thống điều khiển nhiệt độ lò nung nhà máy gạch granít trung đô thành phố vinh Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Hà nội, 2006 Bộ giáo dục đào tạo Trờng đại học mỏ - địa chất Hoàng xuân thờng Nghiên cứu ứng dụng nguyên lý điều khiển mờ để nâng cao chất lợng hệ thống điều khiển nhiệt độ lò nung nhà máy gạch granít trung đô thành phố vinh Chuyên ngành: Mạng hệ thống điện, cung cấp điện điện khí hoá M số: 2.03.01 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Ngời hớng dẫn khoa học: PGS TS Đào văn tân Hà nội, 2006 Lời cam đoan Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực cha đợc công bố công trình khác H Nội, ngày tháng 12 năm 2006 Hoàng Xuân Thờng Mục lục Trang phụ bìa Lời cam đoân Mục lục Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt Danh mục bảng Danh mục hình vẽ, đồ thị Mở đầu Chơng 1- Giới thiệu tổng quan dây chuyền sản xuất nhà máy gạch granit Trung Đô, thành phố Vinh 1.1 Giới thiệu tổng quan dây chuyền sản xuất 1.1.1 Nguyªn vËt liƯu 1.1.2 Sơ lợc trình công nghệ sản xuÊt g¹ch granit trang 1i 2i 3i 5i 6i 7i 4 1.2 Giíi thiệu thiết bị điều khiển nhiệt độ lò nung Ch−¬ng 2- C¬ së lý thuyÕt ®iỊu khiĨn mê 12 2.1 BiÕn ng«n ng÷ 12 2.1.1 Khái niệm tập hợp 12 2.1.2 Định nghĩa tËp mê 13 2.1.3 Độ cao, miền xác định miền tin cËy cña tËp mê 13 2.1.4 Các phép toán tập mờ 14 2.1.5 Các hàm thuộc thờng gặp 17 2.1.6 BiÕn ngôn ngữ 21 2.2 Luật hợp thành mờ 22 2.2.1 MƯnh ®Ị hợp thành 22 2.2.2 Mô tả mệnh đề hợp thành mờ 23 2.2.3 Lt hỵp thµnh mê 26 2.2.4 Thuật toán thực luật hợp thành đơn max- MIN, maxPROD cấu trúc SISO 28 2.2.5 Thuật toán xác định luật hợp thành đơn có cấu trúc MISO 33 2.2.6 Thuật toán xác định luật hợp thµnh kÐp max- MIN, max – PROD 34 2.2.7 Thuật toán xác định luật hợp thành sum - MIN sum - 35 PROD 2.3 Mờ hoá 36 2.4 Gi¶i mê 2.4.1 Phơng pháp cực đại 37 37 2.4.2 Phơng pháp điểm trọng tâm 2.4.3 Phơng pháp lấy trung bình tâm 39 41 2.5 Bé ®iỊu khiển mờ 41 2.6 Nguyên lý điều khiển mờ 42 2.6.1 CÊu tróc cđa mét hƯ thèng ®iỊu khiĨn mê 42 2.6.2 Nguyên tắc tổng hợp ®iỊu khiĨn mê 43 Ch−¬ng 3- ứng dụng lý thuyết điều khiển mờ để nâng cao chất lợng điều khiển nhiệt độ lò nung nhà máy gạch granit Trung Đô 44 3.1 Định nghĩa biến vào 45 3.2 Xác định tập mê 45 3.2.1 Miền giá trị vật lý biến ngôn ngữ vào 45 3.2.2 Sè l−ỵng tËp mê 46 3.2.3 Xác định hàm thuộc 46 3.3 X©y dựng luật điều khiển 49 3.4 Chọn thiết bị hợp thành 51 3.5 Chän nguyên lý giải mờ 51 3.6 Mô điều khiển mờ trªn MATLAB 53 3.6.1 Giíi thiƯu MATLAB - SIMULINK 53 3.6.2 Sơ đồ cấu trúc điều khiển mờ 56 3.6.3 Kết bµn luËn 70 Kết luận kiến nghị 71 Tài liệu tham khảo 72 Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt DET đạo hàm sai lệch nhiệt độ ET sai lệch nhiệt độ FIS hƯ thèng suy diƠn mê FLC bé ®iỊu khiĨn mê FLT hép c«ng logic mê K bé khch ®¹i, hƯ sè khch ®¹i LO thÊp MH cao võa MISO nhiều vào N âm NM âm vừa NS âm P dơng PD vi phân PI tích phân PM dơng vừa PS dơng PSI pao/in vuông Q độ mở van ScOPE máy sóng SISO vào TC đặc tính nhiệt TD trễ VH rÊt cao VL rÊt nhá Danh mơc c¸c bảng Bảng 1.1 Nhiệt độ vùng làm việc Bảng 2.1 Bảng ma trận R hợp thành max- MIN Bảng 2.2 Bảng ma trận R hợp thành max- PROD Bảng 3.1 Các luật điều khiển ®iỊu khiĨn mê B¶ng 3.2 B¶ng biĨu diƠn quan hƯ luật điều khiển Bảng 3.3 Bảng biểu diễn luật điều khiển dới dạng ma trận Bảng 3.4 Đặc tính nhiệt van tiết lu Bảng 3.5 Bảng giá trị hệ số khuếch đại k1 Bảng 3.6 Bảng giá trị hệ số khuếch đại k2 Bảng 3.7 Bảng giá trị hệ số khuếch đại k1, k2, k3 Danh mục hình vẽ, đồ thị Hình 1.1 Sơ đồ trình công nghệ sản xuất gạch granit Hình 1.2 Sơ đồ bố trí vùng lò nung Hình 1.3 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển nhiệt độ lò nung Hình 2.1 Hàm thuộc A (x) tập kinh điển A Hình 2.2 Sơ đồ Venn biểu diễn tập hợp Hình 2.3 Hàm thuộc Singleton Hình 2.4 Hàm thuộc hình tam giác Hình 2.5 Hàm thuộc hình chữ Hình 2.6 Hàm thuộc hình chữ L Hình 2.7 Hàm thuộc hình thang Hình 2.8 Hàm thuộc Sigmoid Hình 2.9 Hàm thuộc Gauss Hình 2.10 Mô tả giá trị ngôn ngữ biến áp suất Hình 2.11 Rời rạc hoá hàm thuộc Hình 2.12 Giải mờ phơng pháp cực đại Hình 2.13 Giải mờ phơng pháp điểm trọng tâm Hình 2.14 Giải mờ phơngpháp trung bình tâm Hình 2.15 Sơ đồ khối điều khiển mờ Hình 2.16 Sơ đồ khối điều khiển mờ động Hình 2.17 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển mờ Hình 2.18 Lu đồ thuật toán thiết kế điều khiển mờ Hình 3.1 Sơ đồ khối điều khiển nhiệt độ 10 Hình 3.2 Đồ thị hàm thuộc biến vào ET Hình 3.3 Đồ thị hàm thuộc biến vào DET Hình 3.4 Đồ thị hàm thuộc biến Q Hình 3.5 Mặt điều khiển Hình 3.6 Bộ điều khiển mờ PD Hình 3.7 Đáp ứng hệ thèng cã bé ®iỊu khiĨn mê PD víi nhiƯt ®é đặt 820 C Đáp ứng hệ thống có điều khiển mờ Hình 3.8 PD với nhiệt độ đặt 1000 C Hình 3.9 Đáp ứng hệ thèng cã bé ®iỊu khiĨn mê PD víi nhiƯt ®é đặt 1210 C Hình 3.10 Bộ điều khiển mờ PI Hình 3.11 Đáp ứng hệ thống PI với nhiệt độ đặt 820 C Hình 3.12 Đáp ứng cđa hƯ thèng cã bé ®iỊu khiĨn mê PI víi nhiệt độ đặt 1000 C Hình 3.13 Đáp ứng cđa hƯ thèng cã bé ®iỊu khiĨn mê PI víi nhiệt độ đặt 1210 C Hình 3.14 Hình 3.15 Sơ đồ điều khiển mờ có điều khiển mờ PD+PI Đáp ứng hệ thống có điều khiển mờ PD+PI với nhiệt độ đặt 820 C Hình 3.16 Đáp ứng hệ thống có điều khiển mờ PD+PI với nhiệt độ đặt 1000 C Hình 3.17 Đáp ứng hệ thống có điều khiển mờ PD+PI với nhiệt độ đặt 1120 C 78 Hình 16 Đáp ứng hệ thống có điều khiển mờ PD+PI với nhiệt độ đặt 1000 C Hình 17 Đáp ứng hệ thống có điều khiển mờ PD+PI với nhiệt độ đặt 1210 C 79 Bảng 3.7 Bảng giá trị hệ số khuếch đại k1, k2, k3 Ngăn Nhiệt độ K1 K2 K3 Ghi chó (° C) M12 830 1,091 1,102 0,5232 Vïng d−íi M12 900 1,192 1,3085 0,5220 Vïng d−íi M14 870 1,147 1,265 0,5225 Vïng trªn 920 1,217 1,370 0,5185 Vïng d−íi 940 1,245 1,3725 0,5230 Vïng trªn 980 1,301 1,435 0,5239 Vïng d−íi 1000 1,328 1,462 0,5243 Vïng trªn 1030 1,328 1,510 0,5230 Vïng d−íi 1050 1,399 1,5423 0,5230 Vïng trªn 1040 1,385 1,525 0,5230 Vïng d−íi 1090 1,4593 1,605 0,5228 Vïng trªn 1085 1,448 1,595 0,5230 Vïng d−íi 1120 1,500 1,658 0,5234 Vïng trªn 1115 1,4938 1,647 0,5225 Vïng d−íi 1150 1,546 1,700 0,5230 Vïng trªn 1140 1,536 1,685 0,5225 Vïng d−íi 1170 1,575 1,750 0,5226 Vïng trªn 1170 1,575 1,750 0,5226 Vïng d−íi 1190 1,608 1,772 0,5234 Vïng trªn 1190 1,608 1,772 0,5234 Vïng d−íi 1200 1,620 1,785 0,5234 Vïng trªn 1200 1,620 1,785 0,5234 Vïng d−íi 1205 1,632 1,795 0,5233 Vïng trªn 1205 1,632 1,795 0,5233 Vïng d−íi M15 M16 M17 M18 M19 M20 M21 M22 M23 M24 80 M25 M26 M27 M28 1207 1,632 1,795 0,5235 Vïng trªn 1207 1,632 1,795 0,5235 Vïng d−íi 1210 1,637 1,802 0,5243 Vïng trªn 1210 1,637 1,802 0,5243 Vïng d−íi 1170 1,575 1,750 0,5226 Vïng trªn 1170 1,575 1,750 0,5226 Vïng d−íi 1120 1,500 1,658 0,5234 Vïng trªn 1120 1,500 1,658 0,5234 Vùng dới 3.6.3 Kết bàn luận Nh đ giới thiệu chơng 1, bố trí vòi đốt nh sau: - Ngăn 12: vòi đốt dới - Ngăn 13: vòi đốt dới - Từ ngăn 14 đến ngăn 28: vòi đốt trên, vòi đốt dới Trên tác giả đ thực mô điều khiển mờ cho ngăn lò nung nhà máy gạch granít Trung Đô Với thời gian trễ đối tợng 5s sau có tác động đầu vào khoảng 13 s nhiệt độ ổn định Mỗi ngăn bố trí điều khiển mờ khâu khuếch đại có hệ số k1, k2, k3 đợc chọn thích hợp để đảm bảo nhiệt độ đầu mong muốn 81 Kết luận kiến nghị Kết luận Kết mô cho thấy qua tổng hợp điều khiển mờ PD, PI, kết hợp hai điều khiển trên, chỉnh định hệ số khuếch đại k1, k2, k3 đạt đợc độ bám hệ thống theo gía trị đặt Từ kết luận việc ứng dụng nguyên lý điều khiển mờ để nâng cao chất lợng hệ thống điều khiển nhiệt độ lò nung nhà máy gạch granít Trung Đô khả thi Kiến nghị Vấn đề cần nghiên cứu tiếp thực hệ thống điều khiển mờ thông qua cài đặt luật điều khiển, luật hợp thành vào hệ vi xử lý, điều khiển nhiệt độ lò nung thực Hớng nghiên cứu kết hợp hệ thống điều khiển mờ với mạng nơron để có chất lợng hệ thống điều khiển nhiệt độ hoàn hảo 82 Tài liệu tham khảo Bùi Công Cờng, Nguyễn Do n Phớc (2001), Hệ mờ, mạng nơ ron ứng dụng, Nxb Khoa học kỹ thuật Phan Xuân Minh, Ngun Do n Ph−íc (2004), Lý thut ®iỊu khiĨn mê, Nxb Khoa học kỹ thuật Nguyễn Văn Phiêu (2006) Thiết bị công nghệ vật liệu xây dựng Nxb Xây dựng, Hà Nội Nguyễn Phùng Quang (2004), Matlab & Simulink dành cho kỹ s điều khiển tự động, Nxb Khoa học kỹ thuật, Hà Nội Đào Văn Tân, Nguyễn Chí Tình (2001), Tự động hoá trình sản xuất công nghiệp mỏ dầu khí, Nxb Giao thông vận tải, Hà Nội Nguyễn Trọng Thuần (2000), Điều khiển logic ứng dụng, Nxb khoa häc vµ kü thuËt, Hµ Néi Adedeji B Badiru, John Y Cheung (2002), Fuzzy engineering expert systems with neural network applications, John Wiley & Sons Inc, New York Bishop R.H (2002), The mechtronics handbook, CRC PRESS, New York Dorf R.C., Bishop R.H (2001), Modern control systems, Prentice Hall International 10 Driankov D., Hellendoorn H., Reinfrank M (1996), An introduction to fuzzy control, Springer, Berlin 11 Hung T Nguyen , Elbert a Walker (1999), A first course in fuzzy logic, Chaapmn & Hall/CRC, Florida 12 King R E (1999), Computational intelligence in control engineering, Mareeel Pekker, Inc., New York 13 Timothy J R.(1997), Fuzzy logic with engineering application, McGraw - Hill, New York 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92