Cải thiện chất lượng hệ điều khiển quá trình đa biến bằng bộ điều khiển mờ lai

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP  HOÀNG HỒNG NGA CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG HỆ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH ĐA BIẾN BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa THÁI NGUYÊN-2015 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP  HOÀNG HỒNG NGA CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG HỆ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH ĐA BIẾN BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 60.52.02.16 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS. ĐẶNG DANH HOẰNG THÁI NGUYÊN- 2015 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập- Tự do- Hạnh phúc BÁO CÁO VỀ VIỆC TIẾP THU, BỔ SUNG, CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ THEO NGHỊ QUYẾT CỦA HỘI ĐỒNG ĐÁNH GIÁ LUẬN VĂN THẠC SĨ Học viên: Hoàng Hồng Nga Tên đề tài: “ Cải thiện chất lượng hệ điều khiển quá trình đa biến bằng bộ điều khiển mờ lai” Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 60.52.02.16 Người hướng dẫn: TS. Đặng Danh Hoằng Căn cứ nội dung Nghị quyết, Biên bản chi tiết cuộc họp hội đồng chấm luận văn thạc sĩ (HĐ) họp ngày 19 tháng 01 năm 2015, học viên đã nghiên cứu những nội dung quyết nghị và kết luận của HĐ, đối chiếu với nội dung luận văn, tôi xin giải trình chi tiết các nội dung sau: Những nội dung luận văn đề nghị chỉnh sửa: 1. Chỉnh sửa lỗi chế bản, in ấn. 2. Cách tính toán thông số bộ điều khiển PID. 3. Chưa đề cập tới trễ trong điều khiển quá trình. Tiếp thu ý kiến của HĐ, tác giả đã chỉnh sửa nội dung luận văn cụ thể như sau: 1. Đã chỉnh sửa lỗi chế bản, in ấn. 2. Đã đưa ra các căn cứ tính toán thông số bộ điều khiển PID. 3. Đã đề cập tới trễ trong điều khiển quá trình. Trên đây là toàn bộ các giải trình và những vấn đề được bổ sung, sửa chữa trong luận văn của học viên theo Nghị quyết và Biên bản họp HĐ. Xin chân trọng cảm ơn! Thái Nguyên, ngày tháng năm 2015 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN HỌC VIÊN (Ký và ghi rõ họ tên) (Ký và ghi rõ họ tên) XÁC NHẬN CỦA PHÒNG ĐÀO TẠO (Ký và ghi rõ họ tên) i LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Hoàng Hồng Nga. Sinh ngày 14 tháng 07 năm 1989. Học viên lớp cao học khóa 15 - TĐH - Trường đại học kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên. Hiện đang công tác tại: . Ngày giao đề tài: Ngày tháng năm 2014. Ngày hoàn thành đề tài: Ngày 10 tháng 12 năm 2014. Xin cam đoan luận văn “ Cải thiện chất lượng hệ điều khiển quá trình đa biến bằng bộ điều khiển mờ lai” do thầy giáo TS. Đặng Danh Hoằng hướng dẫn là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Tất cả các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng. Tôi xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận văn đúng như nội dung trong đề cương và yêu cầu của thầy giáo hướng dẫn. Nếu có vấn đề gì trong nội dung của luận văn, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm với lời cam đoan của mình. Thái Nguyên, ngày tháng năm 2014 Học viên Hoàng Hồng Nga ii LỜI CẢM ƠN Sau thời gian nghiên cứu, làm việc khẩn trương và được sự hướng dẫn tận tình giúp đỡ của thầy giáo TS. Đặng Danh Hoằng, luận văn với đề tài “ Cải thiện chất lượng hệ điều khiển quá trình đa biến bằng bộ điều khiển mờ lai” đã được hoàn thành. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới: Thầy giáo hướng dẫn TS. Đặng Danh Hoằng đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn. Các thầy cô giáo Trường Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên và một số đồng nghiệp, đã quan tâm động viên, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập để hoàn thành luận văn này. Mặc dù đã cố gắng hết sức, song do điều kiện thời gian và kinh nghiệm thực tế của bản thân còn ít, cho nên đề tài không thể tránh khỏi thiếu sót. Vì vậy, tôi mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy giáo, cô giáo và các bạn bè đồng nghiệp. Tôi xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, ngày tháng năm 2014 Học viên Hoàng Hồng Nga iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ viii MỞ ĐẦU 1 Chương 1. HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH ĐA BIẾN 4 1.1. Các khái niệm cơ bản về quá trình và điều khiển quá trình 4 1.1.1. Các khái niệm cơ bản 4 1.1.2. Mục đích và yêu cầu của điều khiển quá trình 6 1.2. Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển quá trình 9 1.2.1. Cấu trúc cơ bản 10 1.2.2. Các thành phần cơ bản 10 1.2.2.1. Thiết bị đo 11 1.2.2.2. Thiết bị điều khiển 11 1.3. Các hệ điều khiển đa biến trong công nghiệp 13 1.3.1. Giới thiệu chung 13 1.3.2. Một số quá trình đa biến tiêu biểu 16 1.3.2.1. Mô hình tháp chưng cất hai thành phần 16 1.3.2.2. Lò hơi 16 1.3.2.3. Mô hình bể trộn dung dịch 18 1.4. Kết luận chương 1 18 Chương 2. MÔ TẢ TOÁN HỌC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH ĐA BIẾN 19 2.1. Đặt vấn đề 19 2.2. Xây dựng mô hình quá trình 19 2.2.1. Các bước tiến hành 19 iv 2.2.2. Nhận biết các biến quá trình 20 2.3. Xây dựng các phương trình mô hình 22 2.3.1. Lựa chọn mô hình 22 2.3.2. Phương trình cân bằng vật chất: 23 2.3.3. Bậc tự do của hệ thống 26 2.3.4. Mô hình hàm truyền đạt 26 2.4. Mô hình toán của ĐKQT đa biến 29 2.4.1. Xây dựng bộ tách kênh phân ly 30 2.4.2. Xây dựng bộ tách kênh giữ nguyên hàm truyền đối tượng 31 2.5. Kết luận chương 2 34 Chương 3. ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH ĐA BIẾN VỚI BỘ ĐIỀU KHIỂN PID BẰNG MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM 35 3.1. Đặt vấn đề 35 3.2. Tổng quan bộ điều khiển PID 35 3.2.1. Thiết kế bộ điều khiển trên cơ sở hàm quá độ h(t) 36 3.2.1.1. Phương pháp Ziegler – Nichols 36 3.2.1.2. Phương pháp Chien – Hrones – Reswick 37 3.2.1.3. Phương pháp hằng số thời gian tổng của Kuhn. 38 3.2.2. Thiết kế điều khiển ở miền tần số 39 3.2.2.1. Nguyên tắc thiết kế 39 3.2.2.2. Phương pháp tối ưu modul 39 3.3. Sơ đồ cấu trúc điều khiển đa biến 41 3.3.1. Điều khiển mức 41 3.4.2. Điều khiển nhiệt 42 3.4. Đánh giá chất lượng hệ thống bằng mô phỏng trên Matlab – Simulink 43 3.4.1. Cấu trúc mô phỏng 43 3.4.2. Các kết quả mông phỏng 44 3.4.2.1. Kết quả mô phỏng hệ điều khiển mức cho đối tượng đa biến 44 3.4.2.2. Kết quả mô phỏng hệ điều khiển nhiệt độ cho đối tượng đa biến 44 3.5. Đánh giá chất lượng hệ thống bằng thực nghiệm 45 v 3.5.1. Cấu hình thực nghiệm về điều khiển mức tại trung tâm thí nghiệm 45 3.5.2. Giới thiệu về mô hình thực nghiệm 46 3.5.3. Các kết quả thực nghiệm 48 3.6. So sánh kết quả mô phỏng và kết quả thực nghiệm: 49 3.7. Kết luận chương 3 49 Chương 4. CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN MỨC VÀ NHIỆT ĐỘ CHO QUÁ TRÌNH ĐA BIẾN BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI 50 4.1. Tổng quan hệ logic mờ và điều khiển mờ 50 4.1.1. Hệ Logic mờ 50 4.1.1.1. Khái niệm về tập mờ 50 4.1.1.2. Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ 51 4.1.2. Bộ điều khiển mờ 58 4.1.2.1. Bộ điều khiển mờ động 58 4.1.2.2. Điều khiển mờ lai 60 4.2. Thiết kế bộ điều khiển mờ lai 62 4.2.1. Đặt vấn đề 62 4.2.2. Mờ hoá 62 4.3. Mô phỏng các bộ điều khiển đã thiết kế 63 4.4. Kết quả mô phỏng hệ thống 63 4.4.1. Sơ đồ mô phỏng 63 4.4.1.1. Điều khiển mức 64 4.4.1.2. Điều khiển nhiệt độ 65 4.4.2. Kết quả mô phỏng 66 4.4.2.1. Điều khiển mức 66 4.4.2.2. Điều khiển nhiệt độ 67 4.4.3. Đánh giá kết quả 67 4.5. Kết luận chương 4 67 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO 69 vi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT 1. CO : Tín hiệu điều khiển 2. CV : Biến được điều khiển 3. F- PID : Hệ mờ lai 4. FLC : Điều khiển logic mờ 5. K : Hệ số khuếch đại đầu ra 6. MIMO : Tín hiệu có nhiều đầu vào và nhiều đầu ra 7. MISO : Tín hiệu có nhiều đầu vào và một đầu ra 8. MV : Biến điều khiển 9. PID : Bộ điều khiển tỷ lệ vi tích phân 10. PM : Tín hiệu đo 11. SISO : Tín hiệu có một đầu vào và một đầu ra 12. SIMO : Tín hiệu có một đầu vào và nhiều đầu ra 13. WH : Hàm truyền đạt 14. Wdt : Hàm truyền đối tượng vii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 3.1: Danh mục các thiết bị mô hình thực nghiệm 46 [...]... xuất là: Cải thiện chất lượng hệ điều khiển quá trình đa biến bằng bộ điều khiển mờ lai 2 Mục tiêu nghiên cứu - Thiết kế cấu trúc điều khiển đa biến cho hệ thống bình trộn dung dịch, điều khiển mức và nhiệt độ - Thiết kế thuật toán tách kênh thành 2 hệ thống điều khiển riêng biệt đó là: Hệ thống điều khiển mức và Hệ thống điều khiển nhiệt độ - Thiết kế 2 bộ điều khiển PID điều khiển 2 hệ thống độc... Nghiên cứu điều khiển hệ thống bằng mô phỏng - Nghiên cứu bằng thực nghiệm tại trung tâm thí nghiệm của trường 3 5 Nội dung luận văn Chương 1: Hệ thống điều khiển quá trình đa biến Chương 2: Mô tả toán học hệ thống điều khiển quá trình đa biến Chương 3: Đánh giá chất lượng điều khiển quá trình đa biến với bộ điều khiển PID bằng mô phỏng và thực nghiệm Chương 4: Cải thiện chất lượng điều khiển mức và... 2 bộ điều khiển mờ lai điều khiển 2 hệ thống độc lập mức và nhiệt độ - Đánh giá chất lượng bộ điều khiển mờ lai so với bộ điều khiển PID 3 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài nghiên cứu 3.1 Ý nghĩa khoa học của đề tài nghiên cứu Đề xuất được giải pháp cụ thể là sử dụng bộ điều khiển mờ lai cải thiện chất lượng hệ điều khiển quá trình Kết quả nghiên cứu đã mở rộng khả năng ứng dụng của bộ. .. các quá trình đa biến (là quá trình công nghệ có nhiều đầu ra) Do vậy, việc nghiên cứu thiết kế các bộ điều khiển cho quá trình đa biến đang là vấn đề rất được lưu tâm hiện nay Vấn đề quan trọng của việc điều khiển quá trình đa biến là thiết kế bộ điều khiển phù hợp Trong lĩnh vực kỹ thuật điều khiển, bộ điều khiển PID được xem như một giải pháp đa năng cho các ứng dụng trong quá trình công nghệ Các... ra, trong một biến vào có thể ảnh hưởng tới nhiều biến ra và một biến ra có thể chịu ảnh hưởng 14 của nhiều biến vào Một giải pháp tiên tiến là chỉ sử dụng một bộ điều khiển đa biến duy nhất minh họa như Hình 1.7 Các giá trị đặt Bộ điều khiển đa biến Các tín hiệu điều khiển Các tín hiệu đo Quá trình đa biến Hình 1.7: Sơ đồ cấu trúc điều khiển đa biến Bộ điều khiển đa biến là một bộ điều khiển nhiều... lượng điều khiển mức và nhiệt độ cho quá trình đa biến bằng bộ điều khiển mờ lai Kết luận và kiến nghị 4 Chương 1 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH ĐA BIẾN 1.1 Các khái niệm cơ bản về quá trình và điều khiển quá trình 1.1.1 Các khái niệm cơ bản - Quá trình là một trình tự các diễn biến vật lý, hóa học hoặc sinh học, trong đó vật chất, năng lượng hoặc thông tin được biến đổi, vận chuyển hoặc lưu trữ (IEC60050-351[1],... khiển mờ Điều khiển mờ đã giải quyết thành công nhiều bài toán điều khiển phức tạp mà trước đây chưa giải quyết được [6] 2 Từ những điểm mạnh mà điều khiển mờ đem lại thì việc thiết kế bộ điều khiển mờ cho quá trình đa biến là hoàn toàn cần thiết Ở đây, tác giả xin mạnh dạn đề xuất thiết kế bộ điều khiển mờ lai cho quá trình đa biến (điều khiển lưu lượng và nhiệt độ) Ưu điểm của mờ lai đó chính là nó... tượng đa biến 42 Hình 3.7a: Sơ đồ mô phỏng hệ thống điều khiển mức cho đối tượng đa biến 43 Hình 3.7b: Sơ đồ mô phỏng hệ thống điều khiển nhiệt độ cho đối tượng đa biến 43 Hình 3.8: Kết quả mô phỏng hệ điều khiển mức cho đối tượng đa biến 44 Hình 3.9: Kết quả mô phỏng hệ điều khiển nhiệt độ cho đối tượng đa biến 44 Hình 3.10: Cấu trúc thí nghiệm hệ thống điều khiển cho đối tượng đa biến ... và đầu ra của một quá trình có thể là năng lượng hoặc vật chất, nhưng từ quan điểm hệ thống ta chỉ quan tâm tới thông tin thể hiện qua các biến quá trình 1.1.2 Mục đích và yêu cầu của điều khiển quá trình Nhiệm vụ của điều khiển quá trình là đảm bảo điều kiện vận hành an toàn, hiệu quả và kinh tế cho quá trình công nghệ Trước khi tìm hiểu hoặc xây dựng một hệ thống điều khiển quá trình, người kỹ sư... diễn mờ 54 Hình 4.6: Thực hiện phép hợp mờ 55 Hình 4.7: Những nguyên lý giải mờ 57 Hình 4.8: Cấu trúc một hệ logic mờ 57 Hình 4.9: Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển mờ PD 59 Hình 4.10: Sơ đồ khối hệ thống với bộ điều chỉnh mờ PI (1) 59 x Hình 4.11: Sơ đồ khối hệ thống với bộ điều khiển mờ PI (2) 59 Hình 4.12: Bộ điều khiển mờ lai có khâu tiền xử lý mờ . 1: Hệ thống điều khiển quá trình đa biến. Chương 2: Mô tả toán học hệ thống điều khiển quá trình đa biến. Chương 3: Đánh giá chất lượng điều khiển quá trình đa biến với bộ điều khiển PID bằng. là: Cải thiện chất lượng hệ điều khiển quá trình đa biến bằng bộ điều khiển mờ lai . 2. Mục tiêu nghiên cứu - Thiết kế cấu trúc điều khiển đa biến cho hệ thống bình trộn dung dịch, điều khiển. 49 Chương 4. CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN MỨC VÀ NHIỆT ĐỘ CHO QUÁ TRÌNH ĐA BIẾN BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI 50 4.1. Tổng quan hệ logic mờ và điều khiển mờ 50 4.1.1. Hệ Logic mờ 50 4.1.1.1.