Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển PID mờ

1 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH: TỰ ĐỘNG HOÁ NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID MỜ NGUYỄN VĂN THIỆN THÁI NGUYÊN - 2010 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƢỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP Độc lập - Tự - Hạnh phúc THUYẾT MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐỀ TÀI: “NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID MỜ” Ngành: TỰ ĐỘNG HOÁ Học viên: NGUYỄN VĂN THIỆN Ngƣời hƣớng dẫn Khoa học: TS NGUYỄN VĂN VỲ NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC HỌC VIÊN TS Nguyễn Văn Vỳ Nguyễn Văn Thiện BAN GIÁM HIỆU Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên KHOA ĐT SAU ĐẠI HỌC http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn công trình tổng hợp nghiên cứu Trong lụân văn có sử dụng số tài liệu tham khảo nhƣ nêu phần tài liệu tham khảo Tác giả luận văn NguyễnVăn Thiện Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI NÓI ĐẦU Ngày với phát triển khoa học kỹ thuật việc ứng dụng lý thuyết điều khiển đại vào thực tế ngày phát triển mạnh mẽ có lý thuyết điều khiển mờ Trong công nghiệp đến 90% điều khiển thực tế dựa luật điều khiển PID, để điều khiển PID phát huy tốt hiệu việc xác định hiệu chỉnh tham số quan trọng nhiên việc hiệu chỉnh tham số điều khiển PID thụ động Vì việc nghiên cứu ứng dụng lý thuyết mờ để xác định hiệu chỉnh tham số cho điều khiển PID cho phù hợp với trạng thái làm việc cần thiết đƣợc nghiên cứu phát triển mạnh mẽ Với đề tài “Nghiên cứu thiết kế điều khiển PID mờ” đƣợc chia làm chƣơng nhƣ sau: Chƣơng I : Tổng quan điều khiển PID Chƣơng II : Bộ điều khiển mờ Chƣơng III : Thiết kế điều khiển PID mờ Lĩnh vực nghiên cứu ứng dụng lý thuyết mờ để xác định hiệu chỉnh tham số cho điều khiển PID lĩnh vực phức tạp mặt khác trình độ thời gian có hạn nên than luận văn em không tránh khỏi thiếu sót Em mong đƣợc đóng góp ý kiến thầy, cô để than luận văn em đƣợc hoàn thiện tạo tiền đề cho bƣớc nghiên cứu Em xin gửi lời cám ơn chân thành đến thầy Ts Nguyễn Văn Vỵ tận tình giúp đỡ cho em hoàn thành luận văn thời hạn Em xin chân thành cám ơn thầy cô khoa Điện, trƣờng đại học Thái Nguyên trang bị cho em kiến thức cần thiết để hoàn thành luận văn nhƣ trình công tác sau Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn MỤC LỤC Lời cam đoan Lời nói đầu Danh mục chữ viết tắt, kí hiệu Danh mục bảng Danh mục hình vẽ, đồ thị MỞ ĐẦU 14 Lý chọn đề tài 144 Ý nghĩa khoa học thực tiễn 144 2.1 Ý nghĩa khoa học 144 2.2 Ý nghĩa thực tiễn 144 Chƣơng 1.TỔNG QUAN VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID 15 1.1 CẤU TRÚC CHUNG CỦA HỆ ĐIỀU KHIỂN 15 1.2.CÁC CHỈ TIÊU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG HỆ ĐIỀU KHIỂN 15 1.2.1 Chỉ tiêu chất lƣợng tĩnh 15 1.2.2 Chỉ tiêu chất lƣợng động 16 1.2.2.1 Lƣợng điều chỉnh 16 1.2.2.2 Thời gian độ 17 1.2.2.3 Số lần dao động 17 1.3 CÁC LUẬT ĐIỀU KHIỂN 17 1.3.1 Quy luật điều chỉnh tỷ lệ (P) 17 1.3.2 Quy luật điều chỉnh tích phân (I) 18 1.3.3 Quy luật điều chỉnh tỷ lệ vi phân (PD) 19 1.3.4 Quy luật điều chỉnh tỷ lệ tích phân (PI) 20 1.3.5 Quy luật điều chỉnh tỷ lệ vi tích phân (PID) 22 1.4 CÁC PHƢƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH THAM SỐ PID 24 1.4.1 Phƣơng pháp Ziegler - Nichols 26 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 1.4.2 Phƣơng pháp Chien – Hrones – Reswick 29 1.4.3 Phƣơng pháp tổng T Kuhn 31 1.4.4 Phƣơng pháp tối ƣu 32 1.4.4.1 Phƣơng pháp tối ƣu độ lớn 32 1.4.4.2 Phƣơng pháp tối ƣu đối xứng 39 1.4.5 Xác định tham số PID dựa trình tối ƣu máy tính 44 1.5 KẾT LUẬN CHƢƠNG 45 Chƣơng BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ 47 2.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA LOGIC MỜ 47 2.2 MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ LOGIC MỜ 47 2.2.1 Định nghĩa tập mờ 47 2.2.2 Các hàm liên thuộc thƣờng đƣợc sử dụng 49 2.2.3 Biến ngôn ngữ giá trị biến ngôn ngữ 49 2.3 BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ 50 2.3.1 Khâu mờ hóa 51 2.3.2 Khâu thực luật hợp thành 52 2.3.3 Khâu giải mờ 55 2.4 BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ TĨNH 59 2.4.1 Khái niệm 59 2.4.2 Thuật toán tổng hợp điều khiển mờ tĩnh 59 2.4.3 Tổng hợp điều khiển mờ tuyến tính đoạn 60 2.5 BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ ĐỘNG 61 2.6 BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI PID 64 2.6.1 Giới thiệu chung 64 2.6.2 Bộ điều khiển mờ lai kinh điển 65 2.6.3 Bộ điều khiển mờ lai cascade 65 2.6.4 Bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số điều khiển PID 66 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 2.6.5 Bộ điều khiển mờ tự chỉnh cấu trúc 66 2.7 KẾT LUẬN CHƢƠNG 67 Chƣơng THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID MỜ 68 3.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 68 3.2 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ CHỈNH ĐỊNH THAM SỐ PID 70 3.2.1 Cấu trúc điều khiển 70 3.2.2 Thiết kế điều khiển 70 3.2.3 Kết mô 77 3.3 ỨNG DỤNG PID MỜ ĐIỀU KHIỂN HỆ TRUYỆN ĐỘNGT-D 78 3.3.1 Các yêu cầu hệ truyền động T-D 78 3.3.2.Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh dòng điện RI 80 3.3.3.Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh tốc độ 82 3.3.3.1 Điều chỉnh tốc độ dùng điều chỉnh tốc độ tỷ lệ 82 3.3.3.2 Điều chỉnh tốc độ dùng điều chỉnh tốc độ tích phân tỷ lệ PI 85 3.3.4 Bài toán ứng dụng cụ thể 86 3.3.4.1 Tính toán tham số mạch vòng dòng điện 88 3.3.4.2 Tính toán tham số điều khiển tốc độ PI 89 3.3.5 Thiết kế hệ điều khiển mờ lai 90 3.3.5.1 Xác định biến vào 91 3.3.5.2 Xác định giá trị cho biến vào 92 3.3.6 Mô đánh giá chất lƣợng 99 3.3.6.1 Xây dựng sơ đồ mô 99 3.3.6.2 Kết mô 100 3.4 KẾT LUẬN CHƢƠNG 106 TÀI LIỆU THAM KHẢO 109 TÓM TẮT 110 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT, CÁC KÍ HIỆU Kí hiệu STT Diễn giải ĐTĐT Đối tƣợng điều khiển TBĐK Thiết bị điều khiển TBĐL - CĐTH Thiết bị đo lƣờng chuyển đổi tín hiệu exl Sai số xác lập δmax Lƣợng điều chỉnh tqd Thời gian độ n Số lần dao động K Hệ số khuếch đại TI Hằng số thời gian tích phân 10 Td Hằng số thời gian vi phân 11 L Hằng số thời gian trễ 12 T Hằng số thời gian quán tính 13 Δh Độ điều chỉnh 14 e(t) Tín hiệu đầu vào 15 u(t) Tín hiệu đầu 16 T-D Hệ truyền động máy phát động 17 Đ Động chiều 18 BĐ Bộ biến đổi xoay chiều - chiều có điều khiển 19 RI Bộ điều chỉnh dòng điện 20 Rω Bộ điều chỉnh tốc độ 21 Si Xenxơ dòng điện 22 F Mạch lọc tín hiệu 23 Tf Hằng số thời gian mạch lọc 24 Tvo Hằng số thời gian chuyển mạch chỉnh lƣu Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 25 Tđk Hằng số thời gian mạch điều khiển chỉnh lƣu 26 Tu Hằng số thời gian mạch phần ứng 27 Ti Hằng số thời gian xenxơ dòng điện 28 Ru Điện trở mạch phần ứng 29 Mc Mômen tải 30 Tω Hằng số thời gian mạch lọc 31 Lƣ Điện cảm mạch phần ứng 32 Icp Dòng điện cho phép lớn 33 KFi Từ thông định mức 34 J Mômen quán tính 35 CL Chỉnh lƣu 36 KCL Hệ số chỉnh lƣu 37 Urcm Biên độ máy phát xung cƣa 38 Kbd Tỷ số biến đổi dòng 39 FT Máy phát tốc 40 E Sức điện động động điện chiều Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 10 DANH MỤC CÁC BẢNG STT Kí hiệu Diễn giải Bảng 3.1 Luật điều khiển cho hệ số Kp’ Bảng 3.2 Luật điều khiển cho hệ số Kd’ Bảng 3.3 Luật điều khiển cho hệ số α Bảng 3.4 Hàm liên thuộc biến đầu vào Bảng 3.5 Hàm liên thuộc biến đầu Bảng 3.6 Luật điều khiển cho HsKP Bảng 3.7 Luật điều khiển cho HsKI 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 ... Nghiên cứu thiết kế điều khiển PID mờ đƣợc chia làm chƣơng nhƣ sau: Chƣơng I : Tổng quan điều khiển PID Chƣơng II : Bộ điều khiển mờ Chƣơng III : Thiết kế điều khiển PID mờ Lĩnh vực nghiên cứu. .. Chƣơng THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID MỜ 68 3.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 68 3.2 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ CHỈNH ĐỊNH THAM SỐ PID 70 3.2.1 Cấu trúc điều khiển 70 3.2.2 Thiết kế điều khiển. .. 60 2.5 BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ ĐỘNG 61 2.6 BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI PID 64 2.6.1 Giới thiệu chung 64 2.6.2 Bộ điều khiển mờ lai kinh điển 65 2.6.3 Bộ điều khiển mờ lai cascade