Ứng dụng bộ điều khiển kinh điển và bộ điều khiển mờ cho đối tượng công nghiệp

Đồ án môn học  Thiết bị tự động NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… … ……………………………………………… Thái nguyên ngày …tháng…năm 2007 GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN (Ký ghi rõ họ tên) NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN CHẤM ……………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ……………………………………………… Thái nguyên ngày …tháng…năm 2007 GIÁO VIÊN CHẤM (Ký ghi rõ họ tên) GVHD: PGS.TS Nguyên Hữu Công SVTH: Đặng Tiến Dũng Đồ án môn học  Thiết bị tự động Mục Lục Mục lục Lời nói đầu CHƯƠNG I : TỔNG QUÁT CHUNG VỀ THIẾT BỊ TỰ ĐỘNG 1.1 Chất lượng hệ thống điều khiển tự động 1.2.Các quy luật điều chỉnh lý tưởng 1.2.1.Quy luật điều khiển vị trí 1.2.2.Quy luật điều chỉnh liên tục CHƯƠN II: Bộ Điều Khiển PID A.Thiết Bị Điều Khiển PID 2.1 Cấu trúc PID (cấu trúc chung cấu trúc máy điều chỉnh điện) 2.2:Tác động thành phần P,D,I B.Chọn thông số tối ưu cho điều khiển tuyến tính 2.1:Phương pháp đa thức đặc trưng có hệ số suy giảm thay đổi 2.2 Phương pháp bù số thời gian trội CHƯƠNG III: BỘ ĐIỀU KHIỂN PID SỐ 3.1 Các cấu trúc điều khiển số 3.2 thiết kế miền thời gian liên tục CHƯƠNG IV : BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ 4.1.Khái niệm chung 4.2 Mờ hoá 4.3 Luật hợp thành mờ 4.4 Giải mờ 4.5.1 Bộ điều khiển mờ tĩnh 4.5.2 Bộ điều khiển mờ động CHƯƠNG V :ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN KINH ĐIỂN ,ĐIỀU KHIỂN SỐ VÀ ĐIỀU KHIỂN MỜ CHO ĐỐI TƯỢNG CÔNG NGHIỆP 4 8 11 19 19 19 34 35 35 37 39 39 40 43 43 44 45 54 58 62 5.1 Mơ hình tốn học đối tượng cơng nghệ 5.2 Thiết kế điều khiển PID kinh điển 5.3:Thiết Kế Bộ Điều Khiển Mờ Tĩnh 5.3.2:Thiết Kế Bộ Điều Khiển Mờ Động 5.4: Thiết kế điều khiển số 5.5 : Mô nhân xét Tai liệu tham khảo 66 66 68 70 74 78 80 66 Lời nói đầu GVHD: PGS.TS Nguyên Hữu Công SVTH: Đặng Tiến Dũng Đồ án môn học  Thiết bị tự động Trong công kiến thiết xây dựng đất nước nhà nước đạng bước vào thời kỳ cơng nghiệp hóa ,hiện đại hóa đất nước với hội thuận lợi khó khăn thách thức lớn.Điều đặt cho hệ trẻ chủ nhân tương lai đất nước nhiệm vụ nặng nề Sự phát triển nhanh chóng cách mạng khoa học kĩ thuật nói chung lĩnh vực điện – điện tử nói riêng làm cho mặt xã hội đất nước biến đổi ngày Để đáp ứng yêu cầu ,chúng em chủ nhân tương lai đất nước cần có ý thức học tập nghiên cứu chun mơn trường đại học KTCN cách đắn sâu rộng Điều khiển – Đo lường ngành ,đang có đà phát triển cách tích cực CN nước nhà ,chính chúng em kỹ sư tương lai đất nước nghiên cứu ghế nhà trường ý thức cách rõ ràng Điều Khiển Tự Động Đồ án “Thiết Bị Tự Động ” đề tài mà chúng em nghiên cứu nói lên phần vấn đề thiết kế mô hệ thống điều khiển Rất quan trọng hệ thống thiết bị cơng nghiệp Trong q trình thiết kế đồ án em có giúp đỡ dẫn tận tình thầy mơn đặc biệt PGS TS: Nguyễn Hữu Công ,Ths Nguyễn Văn Chí,KS.Phạm Phú Thiêm.Qua em gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy trực tiếp hướng dẫn đồ án thầy môn giúp đỡ em đồ án Tuy đồ án em khơng tránh khỏi thiếu sót ,em mong thầy thông cảm Em xin chân thành cảm ơn! Ngày 21 tháng10 năm 2010 Sinh viên : Đặng Tiến Dũng Chương I:TỔNG QUAN CHUNG VỀ THIẾT BỊ TỰ ĐỘNG GVHD: PGS.TS Nguyên Hữu Công SVTH: Đặng Tiến Dũng Đồ án môn học  Thiết bị tự động 1.1-Cấu chúc chung hệ thống điều khiển tự động Khoa học kỹ thuật ngày phát triển mạnh mẽ, hệ thống điều khiển tự động có vai trị vị trí quan trọng việc phát triển khoa học kỹ thuật công nghệ Thực tế lĩnh vực sống hàng ngày điều vị chi phối vài hệ thống điều khiển tự động như: Hệ thống điều chỉnh máy điều hồ nhiệt độ, máy giặt….Trong cơng nghiệp : HTTĐ điều khiển máy công cụ, Tổ hợp điều khiển máy tính hệ thống kiểm sốt chất lượng sản phẩm, hệ thống điều khiển giao thông, lượng, robot… Một hệ thống điều khiển tự động cơng nghiệp có cấu trúc chung hình vẽ: Hệ thống điều khiển tự động bao gồm: C (controller): Thiết bị điều khiển O (object): Đối tượng điều khiển M (measuaring device): Thiết bị đo lường r(t): Tín hiệu vào y(t): Tín hiệu u(t): Tín hiệu điều khiển tác động lên đối tượng O e(t): Tín hiệu sai lệnh điều khiển z(t): Tín hiệu phản hồi f(t): Tín hiệu nhiễn tác động lên đối tượng Thiết bị điều khiển phận quan trọng, tạo tín hiệu điều khiển u(t) để tác động vào đối tượng nhằm bảo tín hiệu y(t) hệ thống thoả mãn tiêu chất lượng định trước Ở hình 1.1 ta thấy đầu vào điều khiển sai lệnh e(t) = r(t) – z(t) đầu điều khiển tín hiệu điều khiển u(t) GVHD: PGS.TS Nguyên Hữu Công SVTH: Đặng Tiến Dũng Đồ án môn học  Thiết bị tự động Đối với điều khiển đơn giản có đầu vào đầu (SISO), điều khiển phức tạp điều khiển có nhiều đầu vào nhiều đầu (MIMO) Bộ điều khiển có nhiệm vụ trì ổn định hệ thống nghĩa điều khiển trình hệ thống tiến tới giá trị xác lập 1.2- Nguyên tắc điều khiển phân loại hệ thống điều khiển 1.2.1- Các nguyên tắc điều khiển Các hệ thống điều khiển tự động có nguyên tắc điều khiển : - Nguyên tắc điều khiển theo sai lệch - Nguyên tắc điều khiển theo phương pháp bù nhiễu - Nguyên tắc điều khiển hỗn hợp theo sai lệch bù nhiều 1.2.2- Phân loại hệ thống điều khiển tự động Hệ thống điều khiển tự động phân loại theo nhiều phương pháp khác là: - Hệ thống điều khiển tuyến tính, hệ thống điều khiển theo phi tuyến - Hệ thống liên tục, hệ thống rời rạc ( hệ xung - số) - Hệ tiền định, hệ thống ngẫu nhiên Hệ thống tối ưu : hệ thống điều khiển phức tạp, thiết bị điều khiển có chức tổng hợp tín hiệu u(t) tác động lên đối tượng nhằm chuyển trạng thái điều khiển tự động từ trạng thái đầu đến trạng thái cuối với khoảng thời gian ngắn làm cho hệ đạt độ xác điều khiển cao Hệ thống điều khiển thích nghi (hay cịn gọi hệ thống tự chỉnh) hệ thống có khả thích ứng tự động biến đổi điều kiện môi trường đặc tính đối tượng Hiện hệ thống thích nghi sử dụng rộng rãi : thiết bị tĩnh, kỹ thuật số, hệ thống có ghép nối với vi xử lý máy tính 1.3-Chất lượng hệ thống điều khiển tự động Chất lượng HTĐKTĐ đánh giá qua đặc tính độ chi tiêu chất lượng HTĐKTĐ,đánh giá thông qua điểm cực 1.3.1 - Đặc tính độ hệ thống ĐKTĐ Một hệ thống ĐKTĐ gọi ổn định tín hiệu hệ thống tắt dần theo thời gian, để mơ tả q trình động hay trình tắt dần hệ thống GVHD: PGS.TS Nguyên Hữu Công SVTH: Đặng Tiến Dũng Đồ án mơn học  Thiết bị tự động theo thời gian người ta dùng đặc tính độ Như đặc tính q độ để mơ tả q trình q độ hệ thống 1.3.2 Các tiêu chất lượng hệ thống ĐKTĐ a, Chất lượng động Chất lượng động đánh giá phương pháp tính tốn hay phương pháp dùng đồ thị gần tính tốn nhiều thời gian Nếu biết trước cấu trúc thông số hệ, phương pháp mơ hình hố máy tính vừa nhanh, vừa đảm bảo độ xác tin cậy Với hình 1.3 hàm độ y(t) với đáp ứng hệ tín hiệu vào nấc bậc thang đơn vị x(t) = 1(t) có tiêu chất lượng động sau: GVHD: PGS.TS Nguyên Hữu Công SVTH: Đặng Tiến Dũng Đồ án môn học Thiết bị tự động   Lượng điều chỉnh y max  y   y   % = % : lượng điều chỉnh Y() : giá trị xác lập đại lượng Y(max): giá trị cực đại  Thời gian độ (tqd ) thời gian tính từ lúc hàm độ xem không lớn miền sai số  5% y()  Độ tác động nhanh : Độ tác động nhanh hệ thống đánh giá thời gian tm thời điểm mà hàm độ có giá trị cực đại ymax  Số lần dao động (n) : Là số lần dao động quanh trị số xác lập y() trước kết thúc trình độ b, Chất lượng tĩnh Ở hệ điều chỉnh, chất lượng đánh giá theo sai lệch tĩnh: lim e t  e  t  e= trường hợp chung, cấu điều khiển đối tượng điều khiển có hàm truyền tương ứng với: W  s  Wdk  t .W dt  s  Wdk(s) : hàm truyền điều khiển Wdt(s) : hàm truyền đối tượng Theo định nghĩa giới hạn, sai lệch tĩnh xác định bởi: e lim e t  lim sE  s  t  s Như ta thấy sai lệch tĩnh phụ thuộc vào cấu trúc thông số hệ thống tín hiệu vào Ở hệ điều khiển tín hiệu vào có dạng bậc thang đơn vị (đại lượng tương đối) x(t) = 1(t), X(s) = 1/s : s  W  s  e lim Khi hệ thống khâu qn tính đơn giản : e lim s 1 k Ts  GVHD: PGS.TS Nguyên Hữu Công Ts  1  s  Ts  k  1 k lim SVTH: Đặng Tiến Dũng Đồ án môn học Thiết bị tự động  Sai lệch tĩnh tỉ lệ nghịch với hệ số khuếch đại k., muốn giảm sai lệch tĩnh cần tăng kệ số khuếch đại k hệ thống c, Chất lượng trình độ Chất lượng trình độ đánh giá qua tiêu lượng điều chỉnh %, thời gian độ tqd, thời gian đáp ứng tm , thời gian có điều chỉnh t Có hai phương pháp đánh giá chất lượng phương pháp trực tiếp phương pháp gián tiếp Phương pháp trực tiếp sở việc đo xác nhận chất lượng hệ theo tín hiệu đầu hàm độ phương pháp gián tiếp xác định ảnh hưởng điều chỉnh … trình độ  Phương pháp trực tiếp: Nội dung phương pháp xây dựng đặc tính độ q trình nên phương pháp giải phương trình vi phân tuyến tính, phương pháp tốn tử đơn giản hố phần việc tính tốn, thời gian dài, phương pháp tần số sở mối liên hệ hàm độ đặc tính tần biên pha cho phép xây dựng đồ thị hàm độ h(t) hệ thống theo đặc tính tần số mẫu Với phát triển máy tính, máy chuyên dùng tương tự cho phép mơ hình hố hệ tự động theo thương trình vi phân hay theo hàm truyền đạt để nghiên cứu, khảo sát đánh giá chất lượng hệ Ngày máy tính số phát triển mạnh mẽ nhanh chóng với dung lượng nhớ lớn khơng ngừng thay máy tính tương tự mà cịn cho phép khảo sát đánh giá hệ tự động với tốc độ độ xác ngày cao Trong lĩnh vực nghiên cứu hệ tự động phần mền chuyên dùng TUTSIN, MATLAB… dùng để mô nghiên cứu, khảo sát mà cịn điều khiển trực tiếp hệ tự động, khơng phải lập trình phức tạp, thao tác đơn giản dễ sử dụng  Phương pháp gián tiếp Với hệ bậc hai, mối quan hệ số dao động Mp W p  Mp  k Wk o  p tần số biên độ cực đại với % tqd, tm , c , o GVHD: PGS.TS Nguyên Hữu Công SVTH: Đặng Tiến Dũng Đồ án môn học  Thiết bị tự động Cũng mối liên hệ k, T với số chất lượng nói đánh giá xác theo định lượng Những mối quan hệ áp dụng cho đặc tính tần Trong kỹ thuật tự động thơng dụng tốn đồ Nichols (hình 5.4 trang 143, sách Lý thuyết điều khiển tự động thông thường đại PGS-TS: Nguyễn Thương Ngô)   Trục tung có trị số L() hay W j hệ hở Trục hoành độ dịch pha hệ hở  Những đường đồng mức biên tần hệ kín theo đặc tính hệ hở Thơng thường q trình q độ chất lượng chấp nhận với :  % =(1030)% c =(3050)%, Mp =1,11,5, Với hệ pha cực tiểu, đặc tính tần số logarit L() có độ nghiêng -20 db/dec phía tần số cắt c (như hình 1.2) đoạn thẳng dài, độ dự trữ ổn định pha lớn số dao động Mp bé hình 1.4 có đặc tính L() mẫu sử dụng tốn đồ để thể mối liên hệ thông số đặc tính tần hệ hở với số đặc tính tần hệ kín hàm độ d, Chất lượng hỗn hợp mức độ đó, chất lượng động chất lượng tĩnh đánh giá theo tiêu chuẩn hỗn hợp, phương pháp đánh giá thuận tiện công việc tính tốn & thưc nghiệm để phân tích tổng hợp hệ tối ưu GVHD: PGS.TS Nguyên Hữu Công SVTH: Đặng Tiến Dũng Đồ án môn học Thiết bị tự động  Nếu tín hiệu y(t) với sai lệch e(t) khơng dao động quanh trị số xác lập y() dùng tiêu chuẩn phân dạng  J o 0 e t  dt Khi dao động, tiêu chuẩn khơng dùng tiêu chuẩn dạng   J o e t  dt J 0 e  t  dt Trong số trường hợp người ta dùng tiêu khác  J 0 t e t  dt hay  de  J 0  e  t     dt dt    : Trong số để đánh giá mức độ quan trọng tốc độ biến đổi sai lệch (cũng đầu ra) so với bình phương sai lệch Kết luận Đối với hệ thống điều khiển tự động tiêu vể ổn định chất lượng hệ thống nội dung để đánh giá hệ thống điều khiển Tuy nhiên điều kiện ổn định phải thoả mãn sau xét mặt chất lượng, việc đánh giá chất lượng hệ thống gồm có: - Chất lượng tĩnh - Chất lượng động - Chất lượng quá trình độ - Chất lượng hỗn hợp Chất lượng hệ phụ thuộc vào thơng số, cấu trúc, tính chất khâu động học Do hệ thống phân tích xét ổn định thảo mãn, phải khảo sát chất lượng phương pháp hiệu chỉnh khác nhằm nâng cao chất lượng hệ thống 1.3.3 –Đánh giá chất lượng thông qua điểm cực Đánh giá chất lượng thông qua điểm cực Hệ quán tính bậc GVHD: PGS.TS Ngun Hữu Cơng SVTH: Đặng Tiến Dũng