thiết kế bộ điều khiển pi fuzzy để điều khiển độ cao mức nước trong bể nước

Công nghệ tự động giám sát và điều khiển mực chất lỏng cũng được nhiều công ty, xí nghiệp cũng như các nhà máy ứng dụng nhiều nhằm thay thế việc giám sát và điều khiển mực chất lỏng bằng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THU T TP HCM Ậ

KHOA ĐIỆN – ĐIỆ N T Ử



Môn h ọc: Điề u khi n thông minh ể

TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHI ỂN PI_FUZZY ĐỂ

ĐI ỀU KHI ỂN ĐỘ CAO M ỨC NƯỚ C TRONG B Ể NƯ ỚC

GVHD: PGS.TS Vũ Văn Phong SVTH: Nguyễn Công Minh 20151224 Bạch Công Minh 20151122

Thành phố Hồ Chí Minh, Tháng năm 2026 3

LỜI GIỚI THIỆU

Cùng với sự phát triển của xã hội, đời sống người dân ngày càng được nâng cao, việc thay thế các hoạt động thủ công bằng các thiết bị tự động cũng được người dân ứng dụng nhiều trong công nghiệp cũng như sinh hoạt

Công nghệ tự động giám sát và điều khiển mực chất lỏng cũng được nhiều công

ty, xí nghiệp cũng như các nhà máy ứng dụng nhiều nhằm thay thế việc giám sát và điều khiển mực chất lỏng bằng phương pháp thủ công, công nghệ tự động giám sát mức chất lỏng đảm bảo việc kiểm soát, điều khiển lưu lượng chất lỏng sử dụng, bơm, xả chất lỏng một cách đáng tinh cậy mà không cần sự kiểm tra trực tiếp của con người Công nghệ này được ứng dụng nhiều trong việc xử lý chất thải, lọc hóa dầu, nhà máy nước, nhà mấy nhiệt điện, thủy điện, điện hạt nhân, tháp nước tự động…

Từ những vấn đề trên đặt ra yêu cầu là dùng phương pháp nào để giám sát và điều khiển mức chất lỏng một cách hợp lý nhất về chi phí, độ tin cậy, khả năng linh hoạt,

dễ vận hành và sử dụng nhất Trong thực tế có nhiều phương pháp tự động điều khiển mức chất lỏng, ở phần này em thực hiện đề tài “Thiết Kế Bộ Điều Khiển Pi_Fuzzy Để

Điều Khiển Độ Cao Mức Nước Trong Bể Nước” do thầy giáo PGS.TS Vũ Văn Phong

hướng dẫn

MỤC L C Ụ

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BÀI TOÁN ỔN ĐỊNH MỰC NƯỚC 1

1.1 Mô tả v h ề ệ thố ng ổn định mức nước 1

1.1.1 Vai trò của ổn định mức nước 1

1.1.2 Ứng d ng cụ ủa h ệ thống ổn định m ức nước 1

1.2 Điều khiển ổn định mức nước và sự cần thiết phải ứ ng dụng t động hóa 1ự 1.3 Các phương thức điều khiển 2

1.3.1 Các h ệ thống điều khiể n h tuy n tínhệ ế 2

1.3.2 Các h ệ thống điều khiể n h phi tuyệ ến 2

1.3.3 Các phương pháp điều khiển ổn định mức nước 3

1.4. Cụ thể về bài toán điều khiển mức nước 4

CHƯƠNG 2: ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH MỨC NƯỚC ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PI MỜ 5

2.1 Mô hình bồn nước 5

2.2 Khảo sát đối tượng b ồn nước 7

2.2.1 Xây d ng mô hình toán cự ủa đối tượng b n ch a trên Matlab_simulik:ồ ứ 7 2.2.2 Đáp ứng của hệ thống khi không có bộ điều khiển 8

2.3 Thi t k bế ế ộ điề u khi ển PI mờ 8

2.4 Nhận xét chất lượng bộ điều khiển 14

CHƯƠNG 3: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 15

3.1 Kết luận 15

3.2 Hướng phát triển của đề tài 15

1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BÀI TOÁN ỔN ĐỊNH MỰC NƯỚC 1.1 Mô tả v h ề ệ thố ng ổn định mức nướ c

1.1.1 Vai trò của ổn định mức nước

Hiện nay, s nghi p công nghi p hóa hiự ệ ệ ện đại hóa ngày càng phát tri n m nh mể ạ ẽ,

sự tiến b c a khoa h c kộ ủ ọ ỹ thuật, trong đó kỹ thuật điều khi n tể ự động cũng góp phần rất l n tớ ạo điều kiện để nâng cao hi u qu trong quá trình s n xu t Trong các ngành ệ ả ả ấ công nghi p s n xu t ch t lệ ả ấ ấ ỏng như hóa chất, nước uống đóng chai, sữa, nước mắm, d u ầ ăn…vấn đề cần điều khi n mể ức, lưu lượng dòng chảy cần đáp ứng với độ chính xác cao

để ph c vụ quá trình sản xuụ ất đạt hiệu quả tốt hơn, đảm bảo quá trình sản xuất các chất lỏng không b ị gián đoạn, tăng tuổi th ọ thiế ị Người vận hành không c n ph i tr c ti p t b ầ ả ự ế kiểm tra trong các b n ch a hoồ ứ ặc đóng mở bơm liên tục, vấn đề ị ạ b c n hay tràn trong bồn ch a ch t lứ ấ ỏng hoàn toàn được kh c phắ ục cho dù đầu ra thay đổi Chính vì vậy chúng ta c n thi t phầ ế ải “ Ổn định mức nư c ”.ớ

1.1.2 Ứng dụng của h ệ thống ổn định mức nước

Hệ thống ổn định mức nước được ứng d ng nhiụ ều trong các lĩnh vực Công nghiệp, Nông nghi p, nhi u Công ty, Xí nghiệ ở ề ệp và các nhà máy như: công nghiệp hóa lọc d u, công nghi p hóa ch t, công nghi p xầ ệ ấ ệ ử lý nước, s n xu t gi y, s n xuả ấ ấ ả ất điện năng, bể chứa nước thải Ứng d ng ki m soát mụ ể ức nước điều ch nh mỉ ức nước trong b ể

để giảm lượng nước thừa trong bể Ngoài ra h ệ thống này còn tăng khả năng điều ch nh ỉ của bể, để đảm bảo đầ ra ổn địu nh tới hệ thống nước thải và xử lý nước thải Có nhiều phương pháp để giám sát và qu n lý ch t lả ấ ỏng như: phương pháp thủ công, phương pháp

tự động hóa Và ngày này ph n lầ ớn đều s dử ụng phương pháp tự động hóa nh m giằ ảm bớt sức lao động con người, tăng hiệu qu s n xuả ả ấ ề t v kinh phí cũng như độ chính xác

1.2 Điều khiển ổn định mức nước và s c n thi t phự ầ ế ải ứng d ng t ụ ự động hóa

Với yêu c u ng d ng th c tầ ứ ụ ự ế trên, đối tượng đề tài th c hi n chính ự ệ ở đây là hệ

thống bồn nước Hệ thống bồn nước đư c hình thành v i hệ ống bơm và xả chất lỏng ợ ớ th nhưng luôn giữ ổn định theo giá trị mức đặt trước, mức chất lỏng trong bồn được duy trì ổn định Để làm được điều này, nó đòi hỏi ta phải điều khiển lưu lượng chất lỏng t ừ máy bơm vào hệ thống bồn nước, làm mức nước trong b n luôn gi m t giá tr ồ ữ ộ ị đặt trước

là không đổi Việc điều khiển hệ thống để giữ được mức chất lỏng trong b n ồ ổn định là tương đối khó, c n ph i có s ầ ả ự đáp ứng nhanh để điều khiển máy bơm khi lưu lượng nước

2

xả thay đổi Khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển, đặc bi t là ngành Kệ ỹ thuật điều khiển và tự động hóa, nó được ứng d ng rụ ộng rãi trong đờ ối s ng, công nghi p Vì vệ ậy cần phải có nh ng bữ ộ điều khi n hiể ện đại, chính xác và đáng tin cậ ứy ng d ng tụ ự động hóa với độ chính xác, ổn định và độ tin cậy cao

1.3 Các phương thức điều khiển

1.3.1 Các h ệ thống điều khiể n h tuy n tính ệ ế

Khi khảo sát đặc tính động học c a mủ ột đối tượng điều khi n hay m t hể ộ ệ thống, thông thường các đối tượng khảo sát được xem là tuyến tính, dẫn đến phép mô tả hệ thống bằng một hệ phương trình vi phân tuyến tính Sử dụng nguyên lý xếp chồng của

hệ tuyến tính, ta có th d dàng tách riêng các thành phể ễ ần đặc trưng cho t ng ch ừ ế độ làm việc để nghiên cứu với những công cụ toán học chặt chẽ, chính xác nhưng đơn giản và hiệu qu S d ng mô hình tuyả ử ụ ến tính để mô tả ệ thố h ng có nhiều ưu điểm như:

- Mô hình đơn giản, các tham số mô hình tuy n tính d ế ễ dàng xác định được bằng các phương pháp thực nghiệm mà không c n phầ ải đi từ những phương trình hoá lý phức tạp mô t h ả ệ

- Các phương pháp tổng h p bợ ộ điều khi n tuy n tính r t phong phú và không ể ế ấ tốn nhi u thề ời gian để thực hiện

- Cấu trúc đơn giản c a mô hình cho phép thủ eo dõi được k t quế ả điều khi n mể ột cách d dàng và có thễ ể chỉnh định l i mô hình cho phù hạ ợp với yêu c u th c t Chính ầ ự ế

vì những ưu điểm này của mô hình tuyến tính mà lý thuyết điều khi n tuy n tính và mô ể ế hình tuyến tính đã có được miề ứn ng d ng r ng l n ụ ộ ớ

1.3.2 Các h ệ thống điều khiể n h phi tuy n ệ ế

Trong th c t ph n lự ế ầ ớn các đối tượng được điều khi n lể ại mang tính động h c phi ọ tuyến V i h phi tuyớ ệ ến thì không dùng được nguyên lý x p ch ng và không phế ồ ải đối tượng nào, h ệ thống nào cũng có thể mô t ả được b ng m t mô hình tuyằ ộ ến tính, cũng như không ph i lúc nào nh ng giả ữ ả thiết cho phép x p x hấ ỉ ệ thống b ng mô hình tuy n tính ằ ế được thoả mãn Hơn thế ữa độ ối ưu tác độ n t ng nhanh ch có thể tổng hỉ ợp được nếu ta

sử d ng b ụ ộ điều khi n phi tuy n Các h n ch này b t buể ế ạ ế ắ ộc người ta ph i tr c ti p nghiên ả ự ế cứu tính toán động học của đối tượng, tổng hợp hệ thống b ng nh ng công c toán hằ ữ ụ ọc phi tuy n ế

3

1.3.3 Các phương pháp điều khiển ổn định mức nước

Cho đến nay trong thực tế, nhiều phương pháp và hệ thống điều khiển lưu lượng dòng chảy đã được thiết kế và sử dụng Trong đó các phương pháp điều khiển chủ yếu là:

- Sử dụng bộ PID truyền thống, từ đơn giản đến phức tạp, có nghĩa là thiết kế thêm bộ điều khiển bù dao động bên cạnh bộ điều khiển vị trí Bộ điều khiển PID sẽ hiệu chỉnh sai lệch giữa tín hiệu đặt mong muốn và đáp ứng đầu ra của hệ thống, sau đó đưa ra tín hiệu điều khiển để điều chỉnh cho phù hợp

- Sử dụng công cụ lý thuyết tiên tiến nhưlogic mờ và mạng nơ ron nhân tạo Theo hướng này cũng nghiên cứu từ đơn giản đến phức tạp như:

+ Chỉ sử dụng logic mờ (ưu điểm của bộ điều khiển mờ là không cần biết chính xác mô hình đối tượng)

+ Chỉ sử dụng mạng nơ ron nhân tạo (mạng nơ ron nhân tạo là sử dụng kỹ thuật tái tạo lại một vài chức năng tương tự bộ não con người Trong bài toán kỹ thuật, mạng

nơ ron có thể nhận dạng, điều khiển, nhận mẫu, giải quyết các bài toán tối ưu và hiệu quả Có rất nhiều loại mạng và việc phân loại mạng cũng có nhiều cách Phương pháp này khá phức tạp.)

+ Kết hợp logic mờ với PID kinh điển Trong phạm vi điều khiển thì bộ PID là phương pháp điều khiển tối ưu Sự kết hợp giữa logic mờ với PID kinh điển giúp tăng tính tối ưu và hệ thống làm việc tốt hơn Ưu điểm của bộ điều khiển này là khả năng tự chỉnh định lại thông số bộ điều khiển cho phù hợp với điểm làm việc của đối tượng Hệ thống điều khiển sử dụng phương pháp kết hợp này cũng khá phức tạp

+ Kết hợp mạng nơ ron nhân tạo với PID kinh điển Với bộ điều khiển này bộ tham số kd, ki, kp không chỉ được ước lượng từ ngõ ra đối tượng mà còn là bộ tham số tối ưu thông qua khả năng tự học của mạng nơron Vì thế bộ điều khiển đáp ứng được các yêu cầu khắt khe về chất lượng điều khiển của hệ thống[1] Nhưng việc thực hiện

bộ điều khiển này có độ phức tạp cao

4

1.4 Cụ thể về bài toán điều khiển mức nước

Cấu trúc của hệ thống ổn định mức nước nghiên cứu trong bài như hình vẽ sau:

Nguyên lý làm việc của mô hình là: Nước từ bồn chứa được động cơ bơm vào bồn điều khiển, lưu lượng nước được thay đổi qua bơm nước Mức nước trong bồn được cảm biến mức đo và đưa thông tin tới bộ điều khiển Đầu ra của bồn điều khiển là van

xả chất lỏng ra bên ngoài có thể điều chỉnh góc mở thể hiện mức độ tiêu thụ là luôn thay đổi và không cố định Bộ điều khiển có nhiệm vụ điều chỉnh bơm nước chất lỏng vào sao cho giữ được mức nước trong bồn điều khiển ổn định theo giá trị đặt sẵn Hệ thống phải được lập trình sao cho mức nước trong bồn luôn ổn định mà không phụ thuộc vào lượng tiêu thụ

Yêu cầu bài toán điều khiển là: thiết kế bộ điều khiển Fuzzy, thiết kế bộ điều khiển dựa trên cơ sở logic mờ để điều khiển sao cho hệ thống bồn đạt được mức nước đặt sẵn Xây dựng chương trình mô phỏng và đánh giá hiệu quả của các bộ điều khiển bằng phần mềm Matlab Simulink cho hệ thống bồn nước

-5

CHƯƠNG 2: ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH MỨC NƯỚC ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU

KHIỂN PI MỜ 2.1 Mô hình bồn nước

u(t) – Điện áp điều khiển máy bơm(0 ≤ u(t) ≤ 12V)

h(t) – Độ cao chất lỏng trong bồn (cm)

A(h) – Tiết di n ngang b n ch a (cm ) ệ ồ ứ 2

hmax– Độ cao cực đạ ồi b n chứa

Amax, Amin – Tiết diện ngang cực đại và cực ti u ể

k – H s t l v i công suệ ố ỷ ệ ớ ất máy bơm

a – Tiết diện van x (cm ) ả 2

g – Gia tốc trong trường (981cm/s ) 2

CD H s x – ệ ố ả

Mô hình toán h c c a bọ ủ ồn nước:

Lưu lượng nước đi vào bồn được tính bằng công thức

𝑄𝑖𝑛= 𝑘 𝑢(𝑡)(𝑐𝑚3/𝑠) (1.1) Lưu lượng nước ra của bồn được tính bằng công thức

𝑄𝑜𝑢𝑡= 𝐶𝐷𝑎√2𝑔ℎ(𝑡)(𝑐𝑚3/𝑠) (1.2)

Tốc đ dòng chộ ảy qua bình được tính b ng công th c ằ ứ

𝑄𝑖𝑛− 𝑄𝑜𝑢𝑡= 𝑘 𝑢(𝑡)− 𝐶𝐷𝑎√2𝑔ℎ(𝑡)(𝑐𝑚3/𝑠) (1.3)

Sự thay đổi của chiều cao mực nước trong bồn 1 được tính bằng công thức:

ℎ (𝑡) = 1

𝐴(ℎ)(𝑘𝑢(𝑡) − 𝐶𝐷𝑎√2𝑔ℎ(𝑡)) (1.4) Trong đó: 𝐴(ℎ) = 𝐴𝑚𝑎𝑥 −𝐴𝑚𝑖𝑛

ℎ𝑚𝑎𝑥 ℎ + 𝐴𝑚𝑖𝑛 (1.5)

6

Mô hình (1.4) và (1.5) là xuất phát điểm để xuất phát điểm để thiế ế ộ điều t k b khiển ổn định mức nước h C u trúc c a h kín g m bấ ủ ệ ồ ộ điều khiển và đối tượng điều khiển được mô tả như hình:

Trong bày báo cáo này phương án thiết kế bộ điều khiển ổn định mực nước dựa trên logic m M t trong nhờ ộ ững ưu điểm của phương pháp thiết k b ế ộ điều khiển trên cơ

sở logic mờ là không c n mô hình chính xác cầ ủa đối tư ng ợ

Các thông s c ố ụ thể ủa hệ thố c ng gồm bơm nước và bồn chứa như sao:

Amax (cm2) 200

Amin (cm2) 100

7

2.2 Khảo sát đối tượng bồn nước

2.2.1 Xây d ng mô hình toán cự ủa đối tượng b n ch a trên ồ ứ

Matlab_simulink:

Sơ đồ cấu trúc của đối tượng điều khiển được xây dựng trên cơ sở mô hình toán học (1.4) và (1.5) được th hi n trên hình sau: ể ệ

Trong đó: Khối matlab_function được xây dựng thuật toán như sau:

function h_dot = SingletankFunction(u,h)

k=300;

Cd=0.6;

h_max=50;

A_max=200;

A_min=100;

a=1;

g=981;

if (2*g*h <=0)

Q = 0;

else

Q = sqrt(2*g*h);

end

h_dot=(k*u-Cd*a*Q)/(((A_max-A_min)*h/h_max)+A_min);

8

2.2.2 Đáp ứng của hệ thống khi không có bộ điều khiển

Sơ đồ mô hình bồn nước không có bộ điều khiển:

Đáp ứng c a h ủ ệ thống khi độ cao ban đầu là 10cm và độ cao mong mu n là 30cm: ố

2.3 Thi t k bế ế ộ điề u khi ển PI mờ

Quá trình thiết kế b ộ điều khi n m bao gể ờ ồm các bước:

Bước 1: Xác định các bi n vào/ra và kho ng giá tr vế ả ị ật lý của các biến

Bước 2: M hóa ờ

Bước 3: Xây dựng các mệnh đề ợ h p thành th hi n các quy tể ệ ắc điều khi n ể

Bước 4: Chọn thiêt b h p thành và giị ợ ải mờ

Với đối tượng bồn chứa, ta áp dụng mô hình mờ Madani, đối với bộ điều khiển

PI mờ ta s ẽ thiế ết k 2 b ộ điều khi n m ể ờ để thay đổi thông s Kp và Ki, quá trình thi t k ố ế ế như sau:

➢ Bộ điều khiển mờ kp:

Bước 1: Xác định biến vào/ra:

Biến đầu vào là biến sai lệch E giữa tín hiệu đặt và tín hiệu hồi tiếp từ đối tượng điều khiển Biến đầu ra gồm có thông s Kố p Vì độ cao mực nướ ối đa là 50(cm) nên c t khoảng giá trị v t lý c a bi n E là [0 (cm), 50 (cm)] D a vào kinh nghi m thi t k b ậ ủ ế ự ệ ế ế ộ điều khiển PID cho bồn nước đơn thì giá trị Kp nằm trong khoảng [0.6, 0.9]

9

Bước 2: Mờ hóa:

Trong k ỹ thuật điều khiển thường ưu tiên chọn dạng tam giác hoặc hình thang vì các dạng này có bi u thể ức đơn giản và d ễ tính toán, cài đặt

- Biến E được mờ hóa thành 4 tập mờ: E = {Very Low, Low, Medium, High} T p mậ ờ Very Low bi u di n mể ễ ức độ sai s r t th p c a bi n sai l ch E, và có ố ấ ấ ủ ế ệ hàm thu c d ng hình thang v i các tham sộ ạ ớ ố được ch n cọ ụ thể là: [0 0 10 15] T p m ậ ờ Low bi u di n mể ễ ức độ sai s m c th p c a bi n sai l ch E, và có hàm thu c d ng hình ố ở ứ ấ ủ ế ệ ộ ạ tam giác v i các tham sớ ố được ch n cọ ụ thể là: [10 15 25] T p m Medium bi u di n ậ ờ ể ễ mức độ sai s ố ở mức trung bình c a bi n sai l ch E, và có hàm ủ ế ệ thuộc d ng hình tam giác ạ với các tham số được chọn cụ thể là: [15 25 40] Tập mờ High bi u di n mể ễ ức độ sai số

ở mức cao của biến sai lệch E, và có hàm thuộc dạng hình thang với các tham số được chọn củ thể là: [25 40 50 50] Các tập mờ mô tả biến E được bi u di n trên hình sau: ể ễ

10

- Biến ngõ ra Kp được m hóa thành 4 t p mờ ậ ờ: Kp = {Very_Low, Low, Medium, High}: High – [0.8 0.9 0.9 0.9], Medium [0.7 0.8 0.9],Low [0.6 0.7 0.8], – – Very_Low – [0.6 0.6 0.6 0.7] Các t p m mô t ậ ờ ả kp được biểu diễn như sau:

Bước 3: Xây dựng các mệnh đề h p thành ợ

Các mệnh đề ợ h p thành là ph n trung tâm c a m t hầ ủ ộ ệ điều khi n mể ờ, và được xây d ng t ki n th c và kinh nghiự ừ ế ứ ệm có được về thiế ịt b ho c thông s kặ ố ỹ thuật Với đối tượng bình chứa từ những thử nghiệm tiến hành trên phần mêm Matlab, xây dụng các mệnh đề ợp thành như trong bả h ng sau:

Kp

E

Bước 4: Ta chọn lu t h p thành max-min và gi i m ậ ợ ả ờ theo phương pháp trọng tâm

➢ Bộ điều khiển mờ i: K

Bước 1: Xác định biến vào/ra:

Biến đầu vào là biến sai lệch E giữa tín hiệu đặt và tín hiệu hồi tiếp từ đối tượng điều khiển Biến đầu ra gồm có thông số Ki Vì độ cao mực nướ ối đa là 50(cm) nên c t khoảng giá trị v t lý c a bi n E là [0 (cm), 50 (cm)] D a vào kinh nghiậ ủ ế ự ệm thiế ế ột k b điều khiển PID cho bồn nước đơn thì giá trị Ki nằm trong khoảng [0.02, 0.08] Bước 2: Mờ hóa: