Nghiên cứu bộ điều khiển PID - Mờ

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸTHUẬT CÔNG NGHIỆP HOÀNG BÍCH THUỶ NGHIÊN CỨU BỘ ĐIỀU KHIỂN PID - MỜ Ngành: TỰ ĐỘNG HOÁ Mã số: TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT THÁI NGUYÊN - 2010 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn công trình tự làm nghiên cứu, luận văn có sử dụng số tài liệu tham khảo nhƣ nêu phần tài liệu tham khảo Tác giả luận văn Hoàng Bích Thuỷ Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn MỤC LỤC MỤC TÊN ĐỀ MỤC TRANG CHƢƠNG Tổng quan Bộ điều khiển PID 1.1 Cấu trúc chung điều khiển Các tiêu đánh giá chất lƣợng hệ thống điều khiển 1.2.1 Chỉ tiêu chất lƣợng tĩnh 1.2.2 Chỉ tiêu chất lƣợng động Các luật điều khiển 1.3.1 Quy luật điều chỉnh tỷ lệ (P) 1.3.2 Quy luật điều chỉnh tích phân (I) 1.3.3 Quy luật điều chỉnh tỷ lệ vi phân (PD) 1.3.4 Quy luật điều chỉnh tỷ lệ tích phân (PI) 1.3.5 Quy luật điều chỉnh tỷ lệ vi tích phân (PID) Các phƣơng pháp xác định tham số PID 11 Phƣơng pháp Ziegler – Nichols 13 1.4.1.1 Phƣơng pháp Ziegler – Nichols thứ 13 1.4.1.2 Phƣơng pháp Ziegler – Nichols thứ hai 15 1.4.2 Phƣơng pháp Chien – Hrones – Reswick 16 1.4.3 Phƣơng pháp tổng T Kuhn 18 1.4.4 Phƣơng pháp tối ƣu 19 1.4.4.1 Phƣơng pháp tối ƣu độ lớn 19 1.4.4.2 Phƣơng pháp tối ƣu đối xứng 25 1.2 1.3 1.4 1.4.1 1.4.5 1.5 Xác định tham số PID dựa trình tối ƣu máy tính Kết luận chƣơng Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 31 32 http://www.lrc-tnu.edu.vn MỤC CHƢƠNG 2.1 TÊN ĐỀ MỤC TRANG Bộ điều khiển mờ 34 Lịch sử phát triển điều khiển mờ 35 Một số khái niệm logic mờ 35 2.2.1 Định nghĩa tập mờ 35 2.2.2 Các hàm liên thuộc thƣờng đƣợc sử dụng 37 2.2.3 Biến ngôn ngữ giá trị biến ngôn ngữ 37 Bộ điều khiển mờ 38 2.3.1 Khâu mờ hóa 38 2.3.2 Khâu thực luật hợp thành 39 2.3.3 Khâu giải mờ 43 Bộ điều khiển mờ tĩnh 47 2.4.1 Khái niệm 47 2.4.2 Thuật toán tổng hợp điều khiển mờ tĩnh 47 2.4.3 Tổng hợp điều khiển mờ tuyến tính đoạn 48 2.5 Bộ điều khiển mờ động 49 2.6 Bộ điều khiển mờ động lai PID 52 2.6.1 Giới thiệu chung 52 2.6.2 Bộ điều khiển mờ lai kinh điển 53 2.6.3 Bộ điều khiển mờ lai cascade 53 2.6.4 Bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số điều khiển PID 54 2.6.5 Bộ điều khiển mờ tự chỉnh cấu trúc 54 Kết luận chƣơng 55 2.2 2.3 2.4 2.7 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn DANH MỤC CÁC BẢNG SỐ HIỆU TÊN HÌNH VẼ TRANG H.1.1 Cấu trúc hệ thống điều khiển H.1.2 Thể đặc tính sai số xác lập H.1.3 Thể đặc tính lƣợng điều chỉnh H.1.4 Thể đặc tính thời gian độ H.1.5 Thể đặc tính số lần dao động H.1.6 Các đặc tính quy luật điều chỉnh tỷ lệ vi phân H.1.7 Các đặc tính quy luật điều chỉnh tỷ lệ tích phân H.1.8 Các đặc tính quy luật điều chỉnh tỷ lệ tích phân H.1.9 Điều khiển với điều khiển PID 11 H.1.10 Nhiệm vụ điều khiển PID 13 H.1.11 Xác định tham số cho mô hình xấp xỉ 14 H.1.12 Xác định số khuếch đại tới hạn 15 Hàm độ cho phƣơng pháp Chien – Hrones – H.1.13 H.1.14 Reswick Quan hệ diện tích tổng số thời gian 16 18 Dải tần số mà có biên độ hàm đặt tính 1, H.1.15 rộng tốt 20 H.1.16 Điều khiên khâu quán tính bậc 22 Minh hoạ tƣ tƣởng thiết kế điều khiển PID tối ƣu H.1.17 đối xứng 27 H2.1 Mờ hoá biến “Tốc độ” 38 H2.2 Sơ đồ khối điều khiển mờ 38 H2.3 Hàm liên thuộc luật hợp thành 42 H2.4 Giải mờ phƣơng pháp cực đại 44 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn H2.5 Giải mờ theo nguyên lý trung bình 44 H2.6 Giải mờ theo nguyên lý cận trái 45 H2.7 Giải mờ theo nguyên lý cận phải 45 H2.8 Giải mờ theo phƣơng pháp điểm trọng tâm 46 H2.9 Đặc tính vào – cho trƣớc 48 H2.10 Hàm liên thuộc biến ngôn ngữ vào 49 H2.11 Hệ điều khiển mờ theo luật PI 50 H2.12 Hệ điều khiển mờ theo luật PD 50 H2.13 Hệ điều khiển mờ theo luật PID 51 H2.14 Mô hình điều khiển mờ lai kinh điển 53 H2.15 Cấu trúc hệ mờ lai Cascade 54 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI NÓI ĐẦU Hiện đến 90% điều khiển thực tế dựa luật điều khiển PID Sự thông dụng điều khiển PID chỗ: Đơn giản thiết kế tính toàn tham số Thuật toán PID đƣợc xây dựng từ nhiều hƣớng nhƣ theo kinh nghiệm phân tích Bộ điều khiển PID đƣợc sử dụng rộng rãi để điều khiển đối tƣợng SISO theo nguyên lý hồi tiếp Bộ PID đƣợc sử dụng rộng rãi tính đơn giản cấu trúc lẫn nguyên lý làm việc, tin cậy điều khiển đáp ứng đƣợc yêu cầu chất lƣợng điều khiển giới hạn định Tuy nhiên điều khiển PID tồn nhƣợc điểm trình làm việc tham số hệ thống thay đổi hệ chịu nhiễu tác động tính bền vững hệ không đƣợc đảm bảo, chất lƣợng bị thay đổi Các hệ cần điều khiển thực tế chủ yếu hệ phi tuyến có chƣa tham số (có thể có tham số trƣớc) thay đổi làm việc Ngoài trình làm việc hệ chịu nhiễu tác động từ môi trƣờng Điều khiển hệ thống nói với tiêu chất lƣơng cao điều khiển PID thông thƣờng nói chung không đáp ứng đƣợc Để điều khiển hệ phi tuyến mạnh, hệ có phần tử không mô hình hoá đƣợc, tham số trƣớc chịu ảnh hƣởng nhiẽu từ môi trƣờng, thƣờng đƣợc thiết kế theo hai hƣớng: hƣớng thứ Sử dụng điều khiển đại nhƣ: Điều khiển tối ƣu, điều khiển bền vững, điều khiển mờ, điều khiển thích nghi……Hƣớng thứ sử dụng điều khiển lai để tận dụng ƣu điểm điều khiển nhƣ điều khiển thích nghi bền vững, PID mờ Trong luận văn tác giả lự chon phƣơng pháp điều khiển PID mờ để xử lý tồn điều khiển PID Đƣợc hƣớng dẫn Thày giáo TS Nguyễn Văn Vỵ ,giám đốc Sở Khoa học Công nghệ Thái Nguyên, tiến hành nghiên cứu để tài: "Nghiên cứu thiết kế điều khiển PID - Mờ" Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Để giải lần lƣợt vấn đề trên, luận văn bao gồm chƣơng sau: Chƣơng I TỔNG QUAN VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID Chƣơng II TỔNG QUAN VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ Chƣơng III: BỘ ĐIỀU KHIỂN PID MỜ Trong thời gian làm luận văn, với kiến thức đƣợc học nhà trƣờng với tài liệu tham khảo, sách, tạp chí chƣơng trình học tập đặc biệt nhờ có hƣớng dẫn, giúp đỡ tận tình thầy giáo TS Nguyễn Văn Vỵ thầy cô trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên bạn đồng nghiệp mà hoàn thành luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn TS Nguyễn Văn Vỵ tận tình hƣớng dẫn, cung cấp tài liệu trình nghiên cứu làm luận văn, thày giành nhiều thời gian, công sức giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi giúp hoàn thành luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn thày cô giáo trực tiếp giảng dạy tập thể thày cô Khoa sau Đại học - Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ hoàn thành khoá học Tuy nhiên kiến thức, khả hạn chế nên tránh khỏi thiếu sót, mong nhận đƣợc ý kiến đóng góp cho luận văn Xin trân trọng cảm ơn ! Thái Nguyên, tháng năm 2010 Học viên Hoàng Bích Thủy Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID 1.1 CẤU TRÚC CHUNG CỦA HỆ ĐIỀU KHIỂN Cấu trúc chung hệ thống điều khiển tự động nhƣ hình H1.1 Trong đó: ĐTĐT : Đối tƣợng điều khiển TBĐK : Thiết bị điều khiển TBĐL – CĐTH : Thiết bị đo lƣờng chuyển đổi tín hiệu U(t ) e(t) x(t) ĐTĐK TBĐK Z(t ) y(t) TBĐL CĐTH H1.1 Cấu trúc hệ thống điều khiển U(t) : Là tín hiệu vào hệ thống - gọi tín hiệu đặt hay lƣợng chủ đạo để xác định điểm làm việc hệ thống y(t) : Tín hiệu đầu hệ thống Đây đại lƣợng đƣợc điều chỉnh x(t) : Là tín hiệu điều khiển tác động lên đối tƣợng e(t) : Là sai lệch điều khiển Z(t) : Là tín hiệu phản hồi Thiết bị điều khiển thành phần quan trọng trì chế độ làm việc cho hệ thống điều khiển 1.2 CÁC CHỈ TIÊU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG HỆ ĐIỀU KHIỂN 1.2.1 Chỉ tiêu chất lƣợng tĩnh Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read ... 2.5 Bộ điều khiển mờ động 49 2.6 Bộ điều khiển mờ động lai PID 52 2.6.1 Giới thiệu chung 52 2.6.2 Bộ điều khiển mờ lai kinh điển 53 2.6.3 Bộ điều khiển mờ lai cascade 53 2.6.4 Bộ điều khiển mờ. .. thứ Sử dụng điều khiển đại nhƣ: Điều khiển tối ƣu, điều khiển bền vững, điều khiển mờ, điều khiển thích nghi……Hƣớng thứ sử dụng điều khiển lai để tận dụng ƣu điểm điều khiển nhƣ điều khiển thích... luận văn bao gồm chƣơng sau: Chƣơng I TỔNG QUAN VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID Chƣơng II TỔNG QUAN VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ Chƣơng III: BỘ ĐIỀU KHIỂN PID MỜ Trong thời gian làm luận văn, với kiến thức đƣợc