Nghiên cứu nâng cao chất lượng bộ điều khiển mờ ứng dụng cho đối tượng công nghiệp

i i ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN THỊ HẢI ANH NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ ỨNG DỤNG CHO ĐỐI TƢỢNG CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hoá Thái Nguyên - 2014 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ii LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Nguyễn Thị Hải Anh Sinh ngày 02 tháng 06 năm 1981 Học viên lớp Cao học khóa 14 - Tự động hoá - Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên - Đại học Thái Nguyên Hiện đang công tác tại Trƣờng Cao đẳng nghề Yên Bái Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu và kết quả trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chƣa từng đƣợc công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tôi xin cam đoan rằng mọi thông tin trích dẫn trong luận văn đều chỉ rõ nguồn gốc./. Tác giả Nguyễn Thị Hải Anh Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN: i MỤC LỤC iii MỞ ĐẦU 1 CHƢƠNG I: TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG 3 1.1. Các hệ thống điều khiển tự động 3 1.1.1. Điều khiển truyền thẳng 3 1.1.1.1. Cấu trúc cơ bản của điều khiển truyền thẳng 3 1.1.1.2. Các tính chất của điều khiển truyền thẳng 4 1.1.1.3. Ứng dụng của điều khiển truyền thẳng 5 1.1.2. Điều khiển phản hồi 5 1.1.2.1. Cấu trúc cơ bản của điều khiển phản hồi 5 1.1.2.2. Vai trò của điều khiển phản hồi 7 1.1.3. Điều khiển phản hồi kết hợp điều khiển truyền thẳng 8 1.2. Giới thiệu một số bộ điều khiển phản hồi trong công nghiệp 8 1.2.1. Bộ điều khiển PID 9 1.2.1.1. Cấu trúc bộ điều khiển PID 9 1.2.1.2. Ƣu nhƣợc điểm 10 1.2.2. Bộ điều khiển PID số 10 1.2.2.1. Cấu trúc bộ điều khiển PID số 11 1.2.2.2. Ƣu nhƣợc điểm 12 1.2.3. Bộ điều khiển sử dụng logic mờ 13 1.2.3.1. Giới thiệu 13 1.2.3.2. Điều khiển mờ 14 1.2.3.3. Ƣu nhƣợc điểm 16 1.3. Chất lƣợng của hệ thống điều khiển tự động và yêu cầu khi thiết kế 16 1.3.1. Các chỉ tiêu chất lƣợng của quá trình điều chỉnh 17 1.3.1.1. Chỉ tiêu chất lƣợng ở trạng thái tĩnh 17 1.3.1.2. Chỉ tiêu chất lƣợng ở trạng thái quá độ 18 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ iv 1.3.1.3. Các chỉ tiêu tích phân 18 1.3.2. Đánh giá chất lƣợng hệ thống ở trạng thái xác lập 19 1.3.3. Đánh giá trực tiếp chất lƣợng hệ thống ở trạng thái quá độ 20 1.3.4. Đánh giá chất lƣợng hệ thống qua tiêu chuẩn tích phân 20 1.4. Kết luận chƣơng 1 22 CHƢƠNG II: LOGIC MỜ VÀ PHƢƠNG PHÁP THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN 24 2.1. Khái niệm chung 24 2.1.1. Lịch sử phát triển và khái niệm mở đầu 24 2.1.2. Logic rõ và sự xuất hiện Logic mờ 25 2.2. Một số vấn đề về cơ sở toán học của logic mờ 25 2.2.1. Nhắc lại về tập kinh điển (G.Cantor) 25 2.2.1.1. Khái niệm về tập hợp 25 2.2.1.2. Các phép tính của tập hợp 27 2.2.2. Định nghĩa tập mờ 28 2.2.3. Các phép toán trên tập mờ có cùng tập nền 31 2.2.3.1. Phép hợp hai tập mờ 31 2.2.3.2. Phép giao hai tập mờ 32 2.2.3.3. Phép bù hai tập mờ 32 2.2.4. Các phép toán trên tập mờ không cùng tập nền 33 2.2.4.1. Phép giao hai tập mờ 33 2.2.4.2. Phép hợp hai tập mờ 34 2.3. Biến ngôn ngữ và giá trị của biến ngôn ngữ 34 2.4. Luật hợp thành 35 2.4.1.Mệnh đề hợp thành 36 2.4.2. Quy tắc hợp thành 36 2.5. Giải mờ 41 2.5.1. Phƣơng pháp cực đại 41 2.5.2. Phƣơng pháp điểm trọng tâm 42 2.5.2.1. Phƣơng pháp điểm trọng tâm cho luật hợp thành Sum – Min 43 2.5.2.2. Phƣơng pháp độ cao 44 2.6. Cấu trúc chung của bộ điều khiển mờ 45 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ v 2.6.1. Sơ đồ cấu trúc chung 45 2.6.2. Phân loại bộ điều khiển mờ 46 2.6.3. Các bƣớc tổng hợp bộ điều khiển mờ 46 2.7. Điều khiển mờ tĩnh 49 2.8. Điều khiển mờ động 51 2.9. Điều khiển mờ lai 52 2.10. Kết luận chƣơng 54 CHƢƠNG III: NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG 55 BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ CHO ĐỐI TƢỢNG CÔNG NGHIỆP 55 3.1. Xây dựng mô hình toán học đối tƣợng 55 3.1.1. Lựa chọn đối tƣợng 55 3.1.2. Xây dựng mô hình toán học đối tƣợng 56 3.2. Nghiên cứu thiết kế và nâng cao chất lƣợng bộ điều khiển 57 3.3. Thí nghiệm trên mô hình hệ thống truyền động bám chính xác 66 3.3.1. Giới thiệu mô hình hệ thống thí nghiệm 66 3.3.2. Cấu trúc điều khiển và bộ điều khiển HAC 68 3.3.3. Kết quả thí nghiệm 72 3.4. Kết luận chƣơng 3 73 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 74 TÀI LIỆU THAM KHẢO 76 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Các ký hiệu: Ký hiệu 9 biến ngôn ngữ Âm nhiều NB (Negative Big) Âm vừa NM (Negative Medium) Âm ít NS (Negative Slow) Âm rất ít NVS (Negative Very Slow) Không ZE (Zero) Dƣơng rất ít PVS (Positive Very Slow) Dƣơng ít PS (Positive Slow) Dƣơng vừa PM (Positive Medium) Dƣơng nhiều PB ((Positive Big) Các chữ viết tắt: ĐTĐK : Đối tƣợng điều khiển ĐKTĐ: Điều khiển tự động BĐK: Bộ điều khiển TBĐK : Thiết bị điều khiển QTQĐ : Quá trình quá độ FLC (Fuzzy Logic Control): Điều khiển logic mờ DCS (Distributed control system ): Hệ thống điều khiển phân tán PLC (Programmable logic controller): Thiết bị điều khiển lập trình PID (Proportional-Integral-Derivative): Bộ điều khiển tỷ lệ - tích - vi phân SISO (Single Input – Single Output): Đầu vào đơn - đầu ra đơn Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ vii DAC (Digital-to-analog converter): Analog chuyển đổi ADC (Analog-to-digital converter): Kỹ thuật số chuyển đổi µP (microprocessor ): Vi xử lý µC (microcontroller) : Vi điều khiển µ A : hàm thuộc của tập hợp A DSP (digital signal processor ): Vi xử lý tín hiệu F-PID: Bộ điều khiển mờ lai LQR (Linear-quadratic regulator): Phƣơng pháp điều chỉnh tuyến tính bậc hai CNC (Computer(ized) Numerical(ly) Control(led): Điều khiển bằng máy tính MRAS (Middle River Aircraft Systems): Phƣơng pháp điều khiển thích nghi tham chiếu theo mô hình MRAS HAC (home access center): Bộ điều khiển truy cập trung tâm Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ viii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3.1. Luật điều khiển mờ 60 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ix DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1. Cấu trúc cơ bản điều khiển truyền thẳng 4 Hình 1.2. Cấu trúc điều khiển phản hồi 6 Hình 1.3. Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển PID 9 Hình 1.4. Bộ điều khiển PID số 11 Hình 1.5. Sơ đồ khối chức năng FLC 14 Hình 1.6. Bộ điều khiển mờ động 15 Hình 1.7. a) Nguyên lý điều khiển mờ lai Error! Bookmark not defined. b) Vùng tác động của các bộ điều khiển Error! Bookmark not defined. Hình 1.8. Hàm quá độ của một hệ thống điều khiển 18 Hình 1.9. Sai lệch của hệ thống điều khiển 21 Hình 2.1. Mô tả cho mệnh đề 27 Hình 2.2. Hiệu hai tập hợp 27 Hình 2.3. Giao hai tập hợp 27 Hình 2.4. Hợp hai tập hợp 27 Hình 2.5. Tích hai tập hợp 28 Hình 2.6. Hàm liên thuộc của tập mờ. 28 Hình 2.7. Hàm liên thuộc tập mờ 29 số tự nhiên nhỏ hơn 6 nhiều 29 Hình 2.8.Dạng hàm liên thuộc 30 Hình 2.9. Phép hợp của hai tập mờ 31 Hình 2.10. Giao của hai tập mờ 32 Hình 2.11. Phép bù của tập mờ 33 Hình 2.12. Đƣa hai tập về cùng tập nền 33 Hình 2.13. Giao hai tập mờ 34 Hình 2.14. Hợp hai tập mờ 34 Hình 2.15. Hàm thuộc của biến tốc độ 35 Hình 2.16. Mệnh đề điều kiện 37 Hình 2.17. Miền khôn liên thông có thể y’ = 0 43 Hình 2.18. Tập mờ có hàm liên thuộc hình thang 44 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ x Hình 2.19. Mô hình của một bộ điều khiển mờ 45 Hình 3.1. MEDE 5 56 Hình 3.2. Định nghĩa các biến vào ra của bộ điều khiển mờ 57 Hình 3.3. Định nghĩa các tập mờ cho biến E của bộ điều khiển mờ 59 Hình 3.4. Định nghĩa các tập mờ cho biến DE của bộ điều khiển mờ 60 Hình 3.5. Định nghĩa các tập mờ cho biến U của bộ điều khiển mờ 60 Hình 3.6. Mô phỏng bộ điều khiển mờ theo tiêu chuẩn tích phƣơng bình phƣơng sai lệch 62 Hình 3.7. Các luật điều khiển đã đƣợc giản lƣợc cho bộ điều khiển mờ 62 Hình 3.8. Quan sát tín hiệu vào ra của bộ mờ 63 Hình 3.9. Bề mặt đặc trƣng cho quan hệ vào ra của bộ điều khiển mờ 64 Hình 3.10. Sơ đồ cấu trúc của bộ điều khiển PI mờ 64 Hình 3.11. Đáp ứng đầu ra của bộ PI mờ với kích thích 1(t) 65 Hình 3.12. Đáp ứng đầu ra của bộ PI mờ với kích thích xung pulse 65 Hình 3.13. Mô hình hệ thống truyền động bám chính xác 66 Hình 3.14. Arduino Board 67 Hình 3.15. Động cơ servo và cơ cấu bánh răng 68 Hình 3.16. Cấu trúc điều khiển hệ thống truyền động bám chính xác 68 Hình 3.17. Bộ điều khiển HAC 69 Hình 3.18. State Variable Function 69 Hình 3.19. Cổng kết nối vào ra 70 Hình 3.20. Cổng thiết lập cấu hình thời gian thực 70 Hình 3.21. Cổng đọc tín hiệu từ encoder 70 Hình 3.22. Cổng tín hiệu vào ra PWM tƣơng tự 71 Hình 3.23. Cổng tín hiệu vào ra số 71 Hình 3.24. Điều khiển tốc độ và chiều quay 71 Hình 3.25. Đáp ứng hệ thống với bộ HAC 2 đầu vào 72 Hình 3.26. Sai lệch e(t) 72 [...]... gọi là bộ điều khiển mờ cơ bản * Bộ điều khiển mờ động: để mở rộng ứng dụng cho các bài toán điều khiển, ngƣời ta thƣờng bổ sung thêm vào bộ điều khiển mờ cơ bản các khâu tích phân, đạo hàm, bộ điều khiển có dạng nhƣ hình 1.6 đƣợc gọi là bộ điều khiển mờ động I e P Bộ điều khiển mờ cơ bản y D Hình 1.6 Bộ điều khiển mờ động * Bộ điều khiển mờ lai (F-PID): là bộ điều khiển trong đó thiết bị điều khiển. .. 3 Mục tiêu của luận văn - Nghiên cứu nâng cao chất lƣợng bộ điều khiển mờ áp dụng cho một số lớp đối tƣợng trong công nghiệp - Kiểm chứng bằng mô phỏng và thực nghiệm trên mô hình vật lý cụ thể 4 Ý nghĩa lí luận và thực tiễn 4.1 Ý nghĩa lí luận: - Nghiên cứu ứng dụng một công cụ tính toán mềm trong lĩnh vực điều khiển và tự động hoá - Nâng cao chất lƣợng cho bộ điều khiển mờ giúp đơn giản hóa đƣợc... thống điều khiển mờ ở Nhật Năm 1974, Mamdani đã nghiên cứu điều khiển mờ cho lò hơi Năm 1980, hãng Smidth Co đã bắt đầu nghiên cứu điều khiển mờ cho lò xi măng Năm 1983, hãng Fuji Electric đã nghiên cứu ứng dụng điều khiển mờ cho nhà máy xử lý nƣớc Năm 1984, hiệp hội Hệ thống Mờ quốc tế (IFSA) đƣợc thành lập Năm 1989, phòng thí nghiệm quốc tế nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật mờ đầu tiên đƣợc thành lập Cho. .. mờ và áp dụng trên thiết bị thực là hệ thống điều khiển truyền động bám chính xác 2 Phạm vi nghiên cứu, đối tƣợng và phƣơng pháp luận Luận văn nghiên cứu về logic mờ và phát triển phƣơng pháp thiết kế bộ điều khiển sử dụng logic mờ cho một số lớp đối tƣợng trong công nghiệp Phƣơng pháp luận của việc nghiên cứu là xuất phát từ lý thuyết về logic mờ, thiết kế bộ điều khiển, mô phỏng để kiểm chứng kết... sử dụng kinh nghiệm chuyên gia trong việc thiết kế các bộ điều khiển Ngày nay với sự phát triển của khoa học kỹ thuật cùng việc áp dụng các phƣơng pháp điều khiển đã chắp cánh cho sự phát triển đa dạng của các hệ điều khiển mờ trong đó vấn đề tổng hợp đƣợc một bộ điều khiển mờ một cách chặt chẽ và ứng dụng cho đối tƣợng cụ thể nhằm nâng cao chất lƣợng điều khiển đang là sự quan tâm của nhiều nhà nghiên. .. sử dụng logic mờ do L Zadeh đƣa ra với nhiều ƣu điểm mà logic kinh điển không làm đƣợc Điều khiển mờ chính là bắt chƣớc cách xử lý thông tin và điều khiển của con ngƣời đối với các đối tƣợng Vấn đề nâng cao chất lƣợng cho các hệ thống công nghiệp, đặc biệt trong các quá trình sản xuất đang là vấn đề dành đƣợc nhiều sự quan tâm nghiên cứu Vì vậy luận văn nghiên cứu phát triển phƣơng pháp điều khiển mờ. .. phi tuyến Bên cạnh các hệ điều khiển kinh điển thì những năm gần đây, các bộ điều khiển thông minh nhƣ điều khiển mờ, neural đã đƣợc áp dụng rất mạnh mẽ vào kỹ thuật điều khiển và đã tỏ rõ đƣợc ƣu việt của mình Các phƣơng pháp này đã tạo điều kiện thuận lợi để các nhà kỹ thuật nghiên cứu ứng dụng nhằm ngày càng nâng cao chất lƣợng của hệ thống điều khiển tự động, nhất là đối với các hệ thống lớn, hệ... Bộ điều khiển PID 1.2.1.1 Cấu trúc bộ điều khiển PID Bộ điều khiển kinh điển PID đã và đang đƣợc sử dụng rộng rãi để điều khiển các đối tƣợng SISO bởi vì tính đơn giản của nó cả về cấu trúc lẫn nguyên lý làm việc Bộ điều chỉnh này làm việc rất tốt trong các hệ thống có quán tính lớn nhƣ điều khiển nhiệt độ, điều khiển mức, và trong các hệ điều khiển tuyến tính hay có mức độ phi tuyến thấp PID là bộ. .. hiểu biết về các đối tƣợng không đủ hoặc không chính xác và cho phép phân loại các lớp quan niệm chèn lấp lên nhau 1.2.3.2 Điều khiển mờ Điều khiển mờ chính là bắt chƣớc cách xử lý thông tin và điều khiển của con ngƣời đối với các đối tƣợng, do vậy điều khiển mờ đã giải quyết thành công các vấn đề điều khiển phức tạp trƣớc đây chƣa giải quyết đƣợc Những ý tƣởng cơ bản trong hệ điều khiển mờ là tích hợp... vào đối sánh để điều khiển quá trình Bộ điều khiển có chức năng nhận tín hiệu đo, so sánh với tín hiệu đặt, thực hiện thuật toán điều khiển và đƣa ra tín hiệu điều khiển để can thiệp vào biến điều khiển thông qua thiết bị chấp hành Trong một hệ thống điều khiển phản hồi, các bộ điều khiển có thể đƣợc thực hiện dƣới dạng một thiết bị điều khiển vòng đơn, hoặc một khối phần mềm cài đặt trong thiết bị điều . loại bộ điều khiển mờ 46 2.6.3. Các bƣớc tổng hợp bộ điều khiển mờ 46 2.7. Điều khiển mờ tĩnh 49 2.8. Điều khiển mờ động 51 2.9. Điều khiển mờ lai 52 2.10. Kết luận chƣơng 54 CHƢƠNG III: NGHIÊN. bộ điều khiển mờ 57 Hình 3.3. Định nghĩa các tập mờ cho biến E của bộ điều khiển mờ 59 Hình 3.4. Định nghĩa các tập mờ cho biến DE của bộ điều khiển mờ 60 Hình 3.5. Định nghĩa các tập mờ cho. THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN THỊ HẢI ANH NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ ỨNG DỤNG CHO ĐỐI TƢỢNG CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ