Ứng dụng bộ điều khiển PIN - Mờ điều khiển thiết bị nâng - hạ.

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP - LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID - MỜ ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ NÂNG - HẠ Ngành: TỰ ĐỘNG HÓA Mã số: 60.52.6023.04.3898 Học Viên: BÙI TUẤN NGỌC Ngƣời HD Khoa học: TS NGUYỄN VĂN VỲ THÁI NGUYÊN - 2011 i ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc THUYẾT MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐỀ TÀI: “ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID - MỜ ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ NÂNG - HẠ” Ngành: TỰ ĐỘNG HOÁ Học viên: BÙI TUẤN NGỌC Người hướng dẫn Khoa học: TS NGUYỄN VĂN VỲ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC HỌC VIÊN TS Nguyễn Văn Vỳ Bùi Tuấn Ngọc BAN GIÁM HIỆU KHOA ĐT SAU ĐẠI HỌC Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn công trình nghiên cứu thực Trong lụân văn có sử dụng số tài liệu tham khảo nêu phần “Tài liệu tham khảo” Tác giả luận văn Bùi Tuấn Ngọc Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn iii LỜI NÓI ĐẦU Việc ứng dụng thành tựu khoa học kỹ thuật lĩnh vực tự động hoá góp phần làm tăng suất lao động, cải thiện điều kiện lao động đồng thời nâng cao chất lượng sản phẩm, đem lại hiệu kinh tế cao Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết điều khiển đại vào thực tế ngày phát triển mạnh mẽ có lý thuyết điều khiển mờ Bên cạnh đó, luật điều khiển điều khiển hầu hết luật 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 nghiên cứu phát triển mạnh mẽ Trong luận văn tác giả nghiên cứu vấn đề “Ứng dụng điều khiển PID - Mờ điều khiển thiết bị nâng - hạ” Nội dung gồm chương sau: Chƣơng I: Tổng quan điều khiển PID Chƣơng II: Bộ điều khiển mờ Chƣơng III: Thiết kế PID - Mờ điều khiển máy nâng - hạ Nội dung nghiên cứu ứng dụng lý thuyết mờ để xác định hiệu chỉnh tham số cho điều khiển PID Đây lĩnh vực phức tạp, mặt khác trình độ có hạn nên luận văn không tránh khỏi thiếu sót Em mong đóng góp ý kiến thày, cô giáo để luận văn em hoàn thiện Trong trình làm luận văn, em nhận tạo điều kiện giúp đỡ Khoa Sau Đại học đặc biệt giúp đỡ tận tình thầy giáo Ts Nguyễn Văn Vỳ - người trực tiếp hướng dẫn Em xin chân trọng cảm ơn! Em xin gửi lời cám ơn thầy cô giáo Khoa Sau đại học, khoa Điện, trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp - Đại học Thái Nguyên tạo điều kiện, trang bị cho em kiến thức cần thiết suốt thời gian học tập Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn iv MỤC LỤC Lời cam đoan ii Lời nói đầu .iii Mục lục iv Danh mục chữ viết tắt, ký hiệu vi Danh mục bảng viii Danh mục hình vẽ ix Mở đầu Chương TỔNG QUAN VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID 1.1 Cấu trúc chung hệ điều khiển 1.2 Các tiêu đánh giá chất lượng hệ điều khiển 1.2.1 Chỉ tiêu chất lượng tĩnh 1.2.2 Chỉ tiêu chất lượng động 1.3 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) 10 1.4 Các phương pháp xác định tham số PID 12 1.4.1 Phương pháp Ziegler - Nichols 14 1.4.2 Phương pháp Chien – Hrones – Reswick 17 1.4.3 Phương pháp tổng T Kuhn 19 1.4.4 Phương pháp tối ưu 21 1.4.5 Xác định tham số PID dựa trình tối ưu máy tính 33 1.5 Kết luận chương 34 Chương BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ 36 2.1 Lịch sử phát triển logic mờ 37 2.2 Logic mờ 38 2.2.1 Khái niệm chung 38 2.2.2 Các hàm liên thuộc thường sử dụng 40 2.2.3 Biến ngôn ngữ giá trị biến ngôn ngữ 40 2.3 Thiết kế điều khiển mờ 41 2.3.1 Sơ đồ khối điều khiển mờ 41 2.3.2 Khâu mờ hóa 42 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn v 2.3.3 Khâu thực luật hợp thành 43 2.3.4 Khâu giải mờ 47 2.4 Các điều khiển mờ 51 2.4.1 Bộ điều khiển mờ tĩnh 51 2.4.2 Bộ điều khiển mờ động 54 2.4.3 Bộ điều khiển mờ lai 57 2.4.4 Bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số điều khiển PID 60 2.4.5 Bộ điều khiển mờ tự chỉnh cấu trúc 60 2.5 Kết luận chương 60 Chương THIẾT KẾ PID - MỜ ĐIỀU KHIỂN MÁY NÂNG – HẠ 62 3.1 Khái niệm chung thiết bị nâng - hạ 63 3.2 Cấu trúc hệ điều khiển máy nâng - hạ 64 3.2.1 Mô tả toán học động điện 65 3.2.2 Mô tả toán học biến đổi 71 3.2.3 Mô tả toán học cho máy phát tốc 73 3.2.4 Mô tả toán học cho thiết bị đo điện 73 3.3 Thiết kế điều khiển PID 74 3.3.1 Tổng hợp điều khiển dòng điện 74 3.3.2 Tổng hợp điều khiển tốc độ 76 3.3.3 Tổng hợp mạch vòng vị trí 79 3.3.4 Tính toán thông số điều khiển vị trí 84 3.3.5 Mô hệ thống 87 3.4 Thiết kế điều khiển PID - Mờ 93 3.4.1 Mờ hóa 93 3.4.2 Luật điều khiển luật hợp thành 101 3.4.3 Giải mờ 103 3.5 Mô hệ thống 104 3.5.1 Xây dựng sơ đồ mô 104 3.5.2 Kết mô 106 3.6 Kết luận chương 111 KẾT LUẬN CHUNG 111 KIẾN NGHỊ 113 TÀI LIỆU THAM KHẢO 114 TÓM TẮT 115 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn vi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT, CÁC KÍ HIỆU STT Kí hiệu 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 ĐTĐT TBĐK TBĐL – CĐTH exl δmax tqd n K TI Td L T Δh e(t) u(t) Đ BBĐ RI Rω Tf Tvo Tđk Tu Ti Ru Mc Tω Diễn giải Đối tượng điều khiển Thiết bị điều khiển Thiết bị đo lường chuyển đổi tín hiệu Sai số xác lập Lượng điều chỉnh Thời gian độ Số lần dao động Hệ số khuếch đại Hằng số thời gian tích phân Hằng số thời gian vi phân Hằng số thời gian trễ Hằng số thời gian quán tính Độ điều chỉnh Tín hiệu đầu vào Tín hiệu đầu Động chiều Bộ biến đổi xoay chiều - chiều Bộ điều chỉnh dòng điện Bộ điều chỉnh tốc độ Hằng số thời gian mạch lọc Hằng số thời gian chuyển mạch chỉnh lưu Hằng số thời gian mạch điều khiển chỉnh lưu Hằng số thời gian mạch phần ứng Hằng số thời gian xenxơ dòng điện Điện trở mạch phần ứng Mômen tải Hằng số thời gian máy phát tốc Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn vii 28 29 30 31 Lư K J CL Điện cảm mạch phần ứng Từ thông định mức Mômen quán tính Chỉnh lưu Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn viii DANH MỤC CÁC BẢNG STT Kí hiệu Diễn giải Bảng 3.1 Hàm liên thuộc biến đầu vào Bảng 3.2 Hàm liên thuộc biến đầu Bảng 3.3 Luật điều khiển cho HCKP Bảng 3.4 Luật điều khiển cho HCKI Bảng 3.5 Luật điều khiển cho HCKD Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ TT 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 Ký hiệu Hình 1.1 Hình 1.2 Hình 1.3 Hình 1.4 Hình 1.5 Hình 1.6 Hình 1.7 Hình 1.8 Hình 1.9 Hình 1.10 Hình 1.11 Hình 1.12 Hình 1.13 Hình 1.14 Hình 1.15 Hình 1.16 Hình 1.17 Hình 2.1 Hình 2.2 Hình 2.3 Hình 2.4 Hình 2.5 Hình 2.6 Hình 2.7 Hình 2.8 Hình 2.9 Hình 2.10 Hình 2.11 Hình 2.12 Diễn giải Cấu trúc chung hệ thống điều khiển Đặc tính sai số xác lập Đặc tính lượng điều chỉnh Đặc tính thời gian độ Đặc tính số lần dao động Các đặc tính quy luật điều chỉnh PD Các đặc tính quy luật điều chỉnh PI Các đặc tính quy luật điều chỉnh PID Bộ điều khiển PID Nhiệm vụ điều khiển PID Xác định tham số cho mô hình xấp xỉ Xác định số khuếch đại tới hạn Hàm độ cho phương pháp Chien – Hrones – Reswick Quan hệ diện tích tổng số thời Dải tần số mà có biên độ hàm đặt tính Điều khiển khâu quán tính bậc Bộ điều khiển PID tối ưư đối xứng Mờ hóa biến tốc độ Sơ đồ khối điều khiển mờ Hàm liên thuộc luật hợp thành Giải mờ phương pháp cực đại Giải mờ theo phương pháp cận trái Giải mờ theo phương pháp cận phải Giải mờ theo phương pháp trung bình Giải mờ theo phương pháp điểm trọng tâm Đặc tính vào-ra cho trước Hàm liên thuộc biến ngôn ngữ vào Hệ điều khiển mờ theo luật PI Hệ điều khiển mờ theo luật PD Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN 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 ... đề Ứng dụng điều khiển PID - Mờ điều khiển thiết bị nâng - hạ” Nội dung gồm chương sau: Chƣơng I: Tổng quan điều khiển PID Chƣơng II: Bộ điều khiển mờ Chƣơng III: Thiết kế PID - Mờ điều khiển. .. giải mờ 47 2.4 Các điều khiển mờ 51 2.4.1 Bộ điều khiển mờ tĩnh 51 2.4.2 Bộ điều khiển mờ động 54 2.4.3 Bộ điều khiển mờ lai 57 2.4.4 Bộ điều khiển mờ. .. số điều khiển PID 60 2.4.5 Bộ điều khiển mờ tự chỉnh cấu trúc 60 2.5 Kết luận chương 60 Chương THIẾT KẾ PID - MỜ ĐIỀU KHIỂN MÁY NÂNG – HẠ 62 3.1 Khái niệm chung thiết bị nâng -