Nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển tự động lò điện trở

Nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển tự động lò điện trở

Lời nói đầu Trong thời đại ngày nay với sự phát triển như vũ b•o về khoa học kỹ thuật, bộ mặt thế giới đ• có những thay đổi vô cùng to lớn. Có thể nói khoa học kỹ thuật hiện đại đ• đang và sẽ gây ảnh hưởng mạnh mẽ đến toàn nhân loại. Một trong những ngành kỹ thuật hiện đại đó là điều khiển mờ. Điều khiển mờ hiện đang có vai trò quan trọng trong các hệ điều khiển hiện đại, vì nó đảm bảo tính khả thi của hệ thống rất cao, đồng thời lại thực hiện tốt các chỉ tiêu kỹ thuật của hệ như độ tác động nhanh. Điều khiển mờ có thế mạnh trong các hệ thống sau: - Hệ thống điều khiển phi tuyến - Hệ thống điều khiển mà các thông tin đầu vào hoặc đầu ra không đủ hoặc không chính xác. - Hệ thống điều khiển khó xác định được mô hình hoặc không xác định được mô hình đối tượng. Lò điện trở là một đối tượng có tính phi tuyến cao và có quán tính lớn vì vậy việc sử dụng điều khiển mờ để điều khiển cho đối tượng này là hoàn toàn phù hợp. Trong đồ án này chúng em được giao đề tài là : “ Nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển tự động lò điển trở”. Đồ án đề cập đến những vấn đề sau: - Tổng quan lý thuyết điều khiển mờ. - Đặc điểm công nghệ của lò điện trở. - Xây dựng thuật toán điều khiển mờ cho hệ thống điều khiển tự động lò điện trở. - Khảo sát và mô phỏng. - Kết luận. Tuy nhiên do thời gian và trình độ có hạn nên có nhiều thiếu sót, rất mong được sự chỉ bảo tận tình của các thầy cô giáo cũng như bạn bè để bản đồ án này được hoàn thiện hơn. Chúng em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến các thầy cô trong khoa Điện- Điện Tử đặc biệt là cô giáo- Th.s Lê Thị Minh Tâm và Thầy giáo- Th.s Nguyễn Viết Ngư đ• tận tình giúp đỡ tạo điều kiện cho em thực hiện đồ án này. Mục lục Lời nói đầu 3 Mục lục 5 Danh mục các hình vẽ 9 Phần mở đầu 12 Chương I:Tổng quan về lý thuyết điều khiển mờ 15 1.1. Lịch sử phát triển lý thuyết mờ 15 1.2. Bộ điều khiển mờ và ưu điểm của nó 15 1.3. Những khái niệm cơ bản 16 1.3.1 Khái niệm về tập mờ16 1.3.1.1. Định nghĩa tập mờ 16 1.3.1.2. Độ cao, miền xác định và miền tin cậy của tập mờ 18 1.3.1.3 Các phép toán trên tập mờ 19 1.3.1.4 . Biến ngôn ngữ và giá trị của nó 19 1.4. Luật hợp thành 20 1.4.1. Mệnh đề hợp thành 20 1.4.2 Mô tả mệnh đề hợp thành 20 1.4.3 Luật hợp thành 21 1.4.4. Thuật toán thực hiện luật hợp thành 23 1.4.4.1. Luật hợp thành MAX - MIN 23 1.4.4.2. Luật hợp thành MAX-PROD. 23 1.4.4.3. Thuật toán xây dựng R23 1.4.4.4 Thuật toán xác định luật hợp thành đơn có cấu trúc MISO (Multi inputs- Single output) 24 1.4.4.5 Thuật toán xác định luật hợp thành kép max- Min, max- PROD 24 1.4.4.6 Thuật toán xác định luật hợp thành sum - MIN và sum-PROD. 26 1.4.5.các phương pháp giải mờ (rõ hoá) 27 1.4.5.1. Phương pháp cực đại 27 1.4.5.2. Phương pháp điểm trọng tâm 29 1.5. Các khâu điều khiển mờ 31 1.5.1 . Bộ điều khiển mờ cơ bản 31 1.6. nguyên lý điều khiển và phương pháp tổng hợp bộ điều khiển mờ 32 1.6.1 Nguyên lý và cấu trúc của một hệ thống điều khiển mờ 32 1.6.2. Những nguyên tắc tổng hợp bộ điều khiển mờ 33 1.6.2.1. Định nghĩa các biến vào/ra 34 1.6.2.2. Xác định tập mờ 34 1.6.2.3. Xây dựng các luật điều khiển 35 1.6.2.4. Chọn thiết bị hợp thành. 35 1.6.2.5. Chọn nguyên lý giải mờ 35 1.7.Các bộ điều khiển mờ . 36 1.7.1. Bộ điều khiển mờ tĩnh 36 1.7.1.1 .Thuật toán tổng hợp một bộ điều khiển mờ tĩnh 36 1.7.1.2. Tổng hợp bộ điều khiển mờ tuyến tính từng đoạn 37 1.7.2 .Bộ điều khiển mờ động 39 1.7.2.1.Bộ điều khiển mờ theo luật PID 39 1.7.2.2. Bộ điều khiển mờ theo luật I 40 1.7.2.3. Bộ điều khiển mờ theo luật PD 40 1.7.2.4 Bộ điều khiển mờ theo luật PI 41 Chương 2: Đặc điểm công nghệ của lò điện trở 43 2.1 Mô tả mô hình lò điện trở 43 2.1.1. Cấu tạo của lò điện trở 43 2.1.2. Phân loại lò điện trở 45 2.1.3.Cấu tạo lò điện trở 46 2.1.3.1Vỏ lò 46 2.3.1.2 Lớp lót 46 2.1.3.3 Dây nung 47 2.1.4 Các phương pháp điều chỉnh lò điện trở 48 2.1.4.1 Phương pháp dùng máy biến áp. 48 2.1.4.2 Phương pháp dùng rơle 48 2.1.4.3 Phương pháp dùng rơle kết hợp với Thysistor. 48 2.1.4.4 Phương pháp dùng hai Thysistor mắc đối xứng. 49 2.1.4.5 Phương pháp dùng Triac. 49 2.1.5 Ưu điểm của lò điện trở 50 2.1.6 Một ứng dụng điển hình của lò điện trở50 2.2. Nhận dạng đối tượng 50 Chương 3 : Thiết kế bộ điều khiển mờ điều khiển tự động lò điện trở 54 3.1 Dùng bộ mờ điều khiển trực tiếp đối tượng lò điện trở 54 3.1.1 Định nghĩa các biến vào/ ra 54 3.1.2 Xác định tập mờ 54 3.1.2.1 Miền giá trị vật lý của các biến ngôn ngữ vào/ ra 54 3.1.2.2 Số lượng tập mờ 55 3.1.2.3 Xác định hàm thuộc 55 3.1.2.4 Xây dựng các luật điều khiển 56 3.1.2.5 Chọn thiết bị hợp thành và giải mờ 57 3.2 Dùng bộ mờ chỉnh định thông số của bộ PI điều khiển cho đối tượng lò điện trở. 58 3.2.1 Chỉnh định tham số bộ điều khiển PID 58 3.2.2 Chỉnh định mờ cho bộ tham số PI 59 Chương 4: Mô phỏng hệ thống điều khiển mờ cho lò điện trở trên phần mềm MatLab và WinFact 63 4.1. Khai thác và ứng dụng phần mềm Winfact để mô phỏng hệ thống điều khiển mờ cho lò điện trở. 63 4.1.1 Giới thiệu chung về phần mềm winfact 63 4.1.1.1 Modul fuzzy- Shell, có tên là FLOP, sử dụng để thiết kế và phân tích một bộ điều khiển mờ. 63 4.1.1.2 Modul mô phỏng BORIS 69 4.1.2 Các bước thực hiện mô phỏng hệ điều khiển mờ. 71 4.2. Mô phỏng trên MatLab 78 4.2.1 Giới thiệu chung về phần mềm MATLAB 78 4.2.2 Xác định thông số của bộ điều khiển bằng phương pháp tối ưu độ lớn 80 4.2.3 Chỉnh định mờ bộ PI với Kr 80 4.2.4.Thiết kế bộ điều khiển mờ dùng bộ điều khiển PI giữ nguyên Ti=500 thay đổi Kr88 4.3. Đánh giá chất lượng của hệ thống điều khiển tự động 96 4.3.1 Lý thuyết chung đánh giá chất lượng quá trình điều khiển. 96 4.3.1.1. Đánh giá chất lượng hệ thống ở trạng thái xác lập. 96 4.3.1.2. Chỉ tiêu chất lượng của hệ thống ở trạng thái quá độ 97 4.3.2. Đánh giá chất lượng hệ thống điều khiển lò điện trở. 98 4.3.2.1. Đánh giá chất lượng hệ thống điều khiển lò điện trở trực tiếp bằng bộ điều khiển mờ. 98 [...]... trúc của một hệ điều khiển mờ và các luật điều khiển Chương 2: Có tiêu đề “ Đặc điểm công nghệ của lò điện trở Chương này chúng em đ• thực hiện việc mô tả mô hình lò sấy, phân loại lò điện trở Đồng thời chúng em đ• nêu được các phương pháp điều khiển nhiệt độ cho lò điện trở và nhận dạng đối tượng Chương 3 : Có tiêu đề Thiết kế bộ điều khiển mờ cho hệ thống điều khiển tự động lò điện trở Trong chương... em đi xây dựng luật điều khiển mờ cho lò điện trở bằng hai phương pháp đó là điều khiển gián tiếp và điều khiển trực tiếp Chuong 4 : Mô phỏng hệ thống điều khiển mờ cho lò điện trở trên phần mềm Matlab và winfact Trong chương này chúng em nghiên cứu được phần mềm Winfact 7.0, thiết kế hệ thống lò điện trở bằng phần mềm Winfact và nghiên cứu cách sử dụng phần mềm Matlab Chương 5: Kết luận và kiến nghị... chính : - Tổng quan lý thuyết điều khiển mờ - Đặc điểm công nghệ của lò điện trở - Xây dựng thuật toán điều khiển mờ cho hệ thống điều khiển tự động cho lò điện trở - Khảo sát và mô phỏng - Kết luận Toàn bộ nội dung của đồ án được chia thành 5 chương: Chương 1: Có tiêu đề “Tổng quan về lý thuyết điều khiển mờ” Chương này trình bày một số vấn đề cơ bản về hệ điều khiển mờ, và khả năng ứng dụng của chúng... tổng hợp được bộ điều khiển mà không cần biết trước đặc tính của đối tượng một cách chính xác, có thể nói điều khiển mờ đ• chuyển giao nguyên tắc xử lý thông tin, điều khiển của hệ sinh học sang hệ kỹ thuật Chính vì vậy, điều khiển mờ đ• đ• giải quyết thành công nhiều bài toán điều khiển phức tạp mà trước đây chưa giải quyết đựơc Hệ mờ kết hợp với hệ nơron đang và sẽ trở thành hệ điều khiển “thông minh”... chuyên gia trong việc thiết kế các bộ điều khiển So với các giải pháp kỹ thuật từ trước đến nay được áp dụng để tổng hợp các hệ điều khiển, phương pháp tổng hợp bộ điều khiển bằng điều khiển mờ có những ưu điểm rõ rệt sau: - Khối lượng công việc thiết kế giảm đi nhiều do không cần sử dụng mô hình đối tượng trong việc tổng hợp hệ thống - Bộ điều khiển mờ dễ hiểu hơn các bộ điều khiển khác và dễ dàng... tổng kết lại toàn bộ những phần đ• nghiên cứu ở các chương và đưa ra kết luận 4 Nhiệm vụ nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết liên quan đến điều khiển mờ - Nghiên cứu về đối tượng cần điều khiển - Xây dựng được thuật toán điều khiển - Mô phỏng trên phần mềm Matlab và Simulink 5 Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết để xây dựng thuật toán điều khiển - Dùng mô phỏng để kiểm nghiệm kết quả nghiên. .. của nó Điều khiển mờ chiếm một vị trí quan trọng trong điều khiển học kỹ thuật hiện đại, đến nay điều khiển mờ đ• là một phương pháp điều khiển nổi bật bởi tính linh hoạt và đ• thu được những kết quả khả quan trong nghiên cứu, ứng dụng lý thuyết tập mờ, logic mờ và suy luận mờ Những ý tưởng cơ bản trong hệ điều khiển logic mờ là tích hợp kiến thức của các chuyên gia trong thao tác vào các bộ điều khiển, ... ưu của một hệ điều khiển thường được gọi tiêu chuẩn tối ưu, các tiêu chuẩn tối ưu đó là: - Thời gian quá độ ngắn nhất - Độ quá điều chỉnh nhỏ nhất - Sai lệch tĩnh nhỏ nhất - Cấu trúc nhỏ nhất - Năng lượng tiêu thụ trong hệ thống ít nhất Việc nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển tự động luôn là chỉ tiêu quan tâm đầu tiên của các nhà thiết kế Xuất phát từ chỉ tiêu đó nhiều lý thuyết điều khiển hiện... 1.12 Bộ điều khiển mờ tĩnh 36 Hình 1.13 Hàm liên thuộc của các tập mờ đầu vào với i = 1;2 và 37 Hình 1.14 Đường đặc tính y(x) cho trước 38 Hình 1.15 Bộ điều khiển mờ động với 4 đầu vào và 2 đầu ra 39 Hình1.16 Mô hình điều khiển mờ theo luật I 40 Hình 1.17 Hệ thống điều khiển mờ theo luật PD 41 Hình 1.18 Mô hình điều khiển mờ theo luật PI Hình 2.1: Sơ đồ đối tượng điều chỉnh 41 43 Hình 2.2 Đặc tính động. .. lý thuyết - Dùng thực nghiệm để khẳng định kết quả nghiên cứu 6 ý nghĩa lý luận và thực tiễn của đề tài Về khoa học: đồ án đ• góp phần hoàn thiện và chuẩn hoá việc thiết kế hệ thống điều khiển mờ Về thực tiễn: Với các kết quả thu được đề tài góp phần : - Giải quyết các một phần những khó khăn trong việc tổng hợp hệ điều khiển mờ Đó là việc xây dựng hệ điều khiển mờ đảm bảo chất lượng mà không cần nhiều