Nội dung của luận văn này đề cập đến những vấn đề sau:Chương 1: Nghiên cứu về đối tượng nhiệt, mô hình hóa đối tượng nhiệt dựa Trang 8 ĐHBK-HÀ NỘI Điều khiển đối tượng nhiệt trên cơ sở
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC ĐIỀU KHIỂN ĐỐI TƯỢNG NHIỆT TRÊN CƠ SỞ HỆ LOGIC MỜ NGÀNH: ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG MÃ SỐ: ĐẶNG XUÂN VINH Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS PHAN XUÂN MINH HÀ NỘI 2008 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17057205233451000000 ĐẶNG XUÂN VINH BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG NGÀNH: ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC ĐIỀU KHIỂN ĐỐI TƯỢNG NHIỆT TRÊN CƠ SỞ HỆ LOGIC MỜ ĐẶNG XUÂN VINH 2006 - 2008 Hà Nội 2008 HÀ NỘI 2008 LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu thực Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khoa học Tác giả luận văn ĐẶNG XUÂN VINH i MỤC LỤC Trang Lời cam đoan i Mục lục ii Lời nói đầu CHƯƠNG 1: ĐỐI TƯỢNG NHIỆT 1.1 Công cụ System Identification Toolbox MATLAB 1.1.1 Mơ hình mơ hình đối tượng SIT 1.1.2 Làm việc với SIT GUI 1.2 Phần mềm thu thập giám sát WinCC (Windows Control Center) 19 1.2.1.Giới thiệu WinCC: 19 1.2.2.Những chức WinCC 20 1.2.3.Hệ thống lưu trữ liệu WinCC 21 1.3 Điều khiển lò điện trở 2,3 KVA phòng thí nghiệm 22 1.3.1 Sơ đồ thí nghiệm 22 1.3.2 Các thành phần sơ đồ thí nghiệm 22 1.3.2.1 Các module PLC S7-300 bàn thí nghiệm 22 1.3.2.2 Cảm biến đo nhiệt độ lò 23 1.3.2.3 Cơ cấu chấp hành: kiểu tỉ lệ 23 1.3.2.4 Lò điện trở: 24 1.3.3 Thu thập liệu thực nghiệm 25 1.4 Mơ hình hóa lị điện trở dựa vào kết thực nghiệm 27 CHƯƠNG 2: HỆ LOGIC MỜ 33 2.1 Sơ lược lý thuyết điều khiển mờ 33 ii 2.1.1 Khái niệm tập mờ 33 2.1.2 Các phép toán tập mờ 34 2.1.3 Biến ngơn ngữ giá trị 34 2.1.4 Luật hợp thành mờ 35 2.1.5 Giải mờ (Rõ hóa tập mờ) 37 2.1.6 Bộ điều khiển mờ 38 2.2 Một số điều khiển mờ 41 2.2.1 Bộ điều khiển mờ tĩnh 41 2.2.2 Bộ điều khiển mờ động 42 CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG CÁC CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN ĐỐI TƯỢNG NHIỆT TRÊN NỀN FUZZY LOGIC SYSTEM 43 3.1 Cấu trúc điều khiển mờ động 43 3.1.1 Bộ điều khiển mờ theo luật PID 43 3.1.2 Bộ điều khiển mờ theo luật PD 44 3.1.3 Bộ điều khiển mờ theo luật PI 46 3.1.4 So sánh chất lượng điều khiển 47 3.2 Cấu trúc điều khiển PID Chỉnh định tham số mờ 48 3.2.1 Phương pháp Zhao, Tomizuka Isaka 48 3.2.2 Thiết kế PID có chỉnh định tham số mờ cho lò điện trở 53 3.3 Đánh giá chất lượng điều khiển mờ sở mô 55 CHƯƠNG : CÀI ĐẶT BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ TRÊN NỀN PLC S7-300 4.1 Hệ PLC S7-300 56 4.1.1 Simatic Simatic PLC S7300 56 4.1.2.Các modul PLC S7-300 57 4.1.2.1.Module CPU 59 iii 4.1.2.2.Module mở rộng 60 4.2 Các module điều khiển trình Step7 62 4.2.1 Phần mềm step7 62 4.2.1.1 Định nghĩa Step7 62 4.2.1.2 Bộ chương chình STEP7 chuẩn: 62 4.2.2 Module PID 69 4.2.2.1 Điều khiển liên tục với FB41 “CONT_C” 70 4.2.2.2.Khối hàm tạo xung FB43 “PULSEGEN” 78 4.2.3 Module FC 90 4.2.3.1 Các tham biến hình thức FB30 90 4.2.3.2 Thanh ghi báo trạng thái làm việc FB30 94 4.3 Phần mềm cấu hình điều khiển mờ FUZZY CONTROL tích hợp module điều khiển mờ Step7 95 4.3.1 Phần mềm cấu hình FUZZY CONTROL++ cài đặt 95 4.3.2 Cấu hình hệ thống điều khiển mờ với phần mềm Fuzzy Control 96 4.3.2.1.Thiết lập Simatic S7-300 101 4.3.2.2 Tạo Project điều khiển mờ S7-300 103 4.4 Chương trình điều khiển theo thuật toán mờ động 104 4.4.1 Bộ điều khiển mờ phần mềm Fuzzy Control ++V5.0 104 4.4.2.Tạo dự án dùng điều khiển mờ Simatic Manager cho đối tượng nhiệt 108 4.5 Chương trình điều khiển thuật toán PID chỉnh định tham số mờ 109 Kết luận: 115 Tài liệu tham khảo: 118 Tóm tắt luận văn: 120 iv ĐHBK-HÀ NỘI Điều khiển đối tượng nhiệt sở hệ logic mờ LỜI NĨI ĐẦU Khoa học kỹ thuật cơng nghệ ngày phát triển đặc biệt thiết bị công nghiệp Các giải pháp dây chuyền sản xuất ngày đại tích hợp giải pháp tự dộng hóa tồn Trong dây chuyền sản xuất PLC thành phần thiểu ưu điểm vượt trội hoạt động tin cậy,dễ vận hành lập trình Các hệ tự động tích hợp trọn gói DCS, SCADA…là giải pháp thiếu giải pháp cơng nghiệp Trong hệ ln sử dụng chương trình lập trình cho PLC Step…và hệ thống giám sát HIM sử dụng WINCC,LapView ngày sử dụng rộng rãi Vì luận văn nghiên cứu PLC đặc biệt hệ Simatic S7-300 Siemens phần mềm ứng dụng Step7 WINCC Trọng tâm điều khiển đối tượng nhiệt sở hệ logic mờ mà triển vọng 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 Luận văn kết hợp lý thuyết điều khiển tự động ứng dụng tốn cơng nghiệp thực tế Tuy đối tượng luận văn nghiên cứu lò điện trở đơn giản sở thực tế để hoc viên tiếp cận nhanh với dây chuyền cơng nghệ đại Nội dung luận văn đề cập đến vấn đề sau: Chương 1: Nghiên cứu đối tượng nhiệt, mơ hình hóa đối tượng nhiệt dựa vào kết thực nghiệm Tìm hiểu phần mềm WinCC dụng để thu thập liệu vẽ biểu đồ thực nghiệm Học Viên : Đặng Xuân Vinh CH Điều Khiển & Tự Động Hóa 06 – 08 ĐHBK-HÀ NỘI Điều khiển đối tượng nhiệt sở hệ logic mờ Chương 2: Cơ sở lý thuyết hệ logic mờ, giới thiệu điều khiển mờ Chương 3: Xây dựng cấu trúc điều khiển đối tượng nhiệt hệ logic mờ : Bộ điều khiển mờ động, điều khiển PID chỉnh định tham số mờ Chương 4: : Nghiên cứu thiết bị điều khiển logic khả trình PLC phần mềm STEP7 Nghiên cứu khối PID controller tích hợp sẵn FB41, FB43, FB30 Simatic S7-300 Thiết kế cài đặt điều khiển mờ SIMATIC PLC S7-300 Trong có so sánh đánh giá điều khiển để rút điều khiển thích hợp cho đối tượng Kết kiểm nghiệm thực với đối tượng lò điện trở điều khiển mờ Tuy nhiên thời gian, trình độ kinh nghiệm bị hạn chế em cố gắng chắn không tránh khỏi thiếu sót việc thực đề tài Em mong góp ý thầy bạn Em chân thành cảm ơn giúp đỡ nhiệt tình lời khuyên quý báu cô giáo hướng dẫn PGS.TS Phan Xuân Minh thầy Nguyễn Dỗn Phước để em hồn thành tốt luận văn Cuối em xin chân thành cảm ơn đến tất thầy cô môn Điều Khiển Tự Động thầy cô khoa Điện, thầy khơng tận tình truyền đạt cho em kiến thức chuyên môn quý báu mà cịn dạy cho em học làm người hành trang vô quan trọng em bước vào đời theo em suốt đời Hà Nội, Ngày 30 tháng 10 năm 2008 Hoc viên thực : ĐẶNG XUÂN VINH Lớp Học Viên : Đặng Xuân Vinh : CAO HOC ĐKTĐ 2006 -2008 CH Điều Khiển & Tự Động Hóa 06 – 08 ĐHBK-HÀ NỘI Điều khiển đối tượng nhiệt sở hệ logic mờ CHƯƠNG ĐỐI TƯỢNG NHIỆT 1.1 Công cụ Toolbox Identification MATLAB 1.1.1 Mô hình mơ hình đối tượng SIT SIT mở rộng tính tốn mơi trường MATLAB cho phép ta ước lượng tham số cho mơ hình tốn học tuyến tính phi tuyến để khớp(fit) với liệu đầu từ hệ thống động Ta ước lượng mơ hình sử dụng lệnh SIT sử dụng công cụ giao diện đồ họa(GUI) SIT a Định nghĩa Mơ hình (Definition of Model) Mơ hình hệ thống cơng cụ ta dùng để trả lời hệ thống mà không cần thực hiện(perform) thí nghiệm Ta dùng mơ hình để mô liệu đầu cho liệu vào phân tích đáp ứng hệ thống, ta quan tâm đến việc dự đốn đầu tương lai hệ thống Mơ hình miêu tả mối quan hệ hay nhiều tín hiệu đầu vào đo u (t ) hay nhiều liệu đầu đo y(t ) Dữ liệu đo miền thời gian (time-domain) hay miền tần số (frequency-domain) có hay nhiều đầu vào hay đầu Trong hệ thống thực có nhiều tín hiệu đầu vào (additional inputs) mà ta khơng thể đo hay điều khiển có ảnh hưởng đến đầu hệ thống Nó gọi nhiễu (disturbance,noise) e(t) Học Viên : Đặng Xuân Vinh CH Điều Khiển & Tự Động Hóa 06 – 08 ĐHBK-HÀ NỘI Điều khiển đối tượng nhiệt sở hệ logic mờ SIT cho phép ta khớp dạng mơ hình khác cho liệu Sự mô tả chung hệ thống động cho : y( t) = g( u, t, θ ) + v(t ) Trong đầu hệ thống y(t ) mô tả g hàm thời gian t , tham số hệ thống θ giá trị đầu vào trước theo thời gian, v(t ) nhiễu đầu Trong mơ hình phi tuyến có nhiều dạng khác Note: Cả v(t ) e(t ) nhiễu Nhưng e (t ) đặc trưng cho nhiễu đầu vào v(t ) đặc trưng cho nhiễu đầu Đối với mơ hình tuyến tính, mơ hình mơ tả bởi: y = Gu + He Trong phương trình thì, G toán tử tác động vào đầu vào nắm bắt hệ thống động Ta cho G hàm truyền u (t ) y(t ) SIT cung cấp nhiều dạng toán học G H tốn tử mơ tả tác động nhiễu mơ hình nhiễu Ước lượng tham số mơ hình tuyến tính ln ln tạo hai: mơ hình động G mơ hình nhiễu H b Tóm tắt mơ hình hỗ trợ(supported) SIT Sự lựa chọn dạng mơ hình phụ thuộc vào trạng thái tự nhiên hệ thống động, dựa kiểu trạng thái mong đợi mục đích sử dụng mơ hình Trong vài trường hợp, dạng riêng biệt ưa thích tham số ước lượng có thể vật lý Nếu ta yêu cầu ước lượng đặc tính khơng có mơ hình tham số chi tiết ta sử dụng mơ hình khơng tham số Nếu ta hiểu rõ trình vật lý hệ thống ta mơ tả hệ thống sử dụng phương trình thơng thường (ODE) Và từ ta tìm đươc mơ hình tốn học hệ thống dễ dàng Học Viên : Đặng Xuân Vinh CH Điều Khiển & Tự Động Hóa 06 – 08