Nâng Cao Chất Lượng Hệ Thống Điều Khiển Ổn Định Mức Nước Cấp Bằng Bộ Điều Khiển Mờ Thích Nghi

Header Page of 126 ĐẠI HỌC THÁI NGUN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CƠNG NGHIỆP CHU THỊ HẰNG NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH MỨC NƯỚC CẤP BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ THÍCH NGHI Chun ngành: Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa Mã số: 605202.16 TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT THÁI NGUN – 2014 Footer Page of 126 Số hóa Trung tâm Học liệu –ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/ Header Page of 126 Cơng trình hồn thành tại: ĐẠI HỌC THÁI NGUN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CƠNG NGHIỆP Người hướng dẫn khoa học: TS : Đặng Danh Hoằng Phản biện 1: PGS.TS Nguyễn Văn Liễn Phản biện 2: TS Đỗ Trung Hải Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn họp tại: Hội trường 201A8 Trường Đại học Kỹ thuật Cơng nghiệp Thái Ngun Vào hồi 10 30 phút ngày 19 tháng 04 năm 2014 Footer Page of 126 Số hóa Trung tâm Học liệu –ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/ i Header Page of 126 LỜI CAM ĐOAN Tên tơi là: Chu Thị Hằng Sinh ngày: 24 tháng năm 1970 Học viên lớp cao học khố 14 - Tự động hố - Trường Đại học Kỹ Thuật Cơng Nghiệp Thái Ngun – Đại học Thái Ngun Hiện cơng tác tại: Trường Trung học Cơ sở Võ Thị Sáu Thành Phố n Bái - Tỉnh n Bái Tơi cam đoan tồn nội dung luận văn tơi làm theo định hướng giáo viên hướng dẫn, khơng chép người khác Các phần trích lục tài liệu tham khảo luận văn Nếu có sai tơi hồn tồn chịu trách nhiệm Tác giả luận văn Chu Thị Hằng Footer Page of 126 Số hóa Trung tâm Học liệu –ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/ Header Page of 126 ii LỜI CẢM ƠN Lời tác giả xin chân thành cảm ơn tới thầy giáo, giáo Khoa sau đại học, Khoa Điện trường đại học Kỹ thuật Cơng nghiệp thầy giáo, giáo, anh chị Trung tâm thí nghiệm động viên, giúp đỡ đóng góp nhiều ý kiến quan trọng cho tác giả để tác giả hồn thành luận văn Trong q trình thực đề tài tơi nhận giúp đỡ nhiệt tình thầy, giáo khoa Điện, mơn Điều khiển tự động hóa trường ĐH Kỹ thuật Cơng nghiệp thuộc ĐH Thái Ngun bạn đồng nghiệp Đặc biệt hướng dẫn góp ý thầy TS Đặng Danh Hoằng, người ln ân cần hướng dẫn, bảo tơi suốt thời gian làm luận văn giúp cho đề tài hồn thành mang tính khoa học cao Tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Đặng Doanh Hồng, thầy, giáo khoa Điện, mơn Điều khiển tự động – Trường Đại học giúp đỡ, tạo điều kiện suốt q trình học tập trường Do thời gian, kiến thức, kinh nghiệm tài liệu tham khảo hạn chế nên luận văn chắn khơng tránh khỏi tài thiếu sót Rất mong nhận đóng góp ý kiến thầy, giáo bạn đồng nghiệp để tơi tiếp tục nghiên cứu, hồn thiện q trình cơng tác sau Học viên Chu Thị Hằng Footer Page of 126 Số hóa Trung tâm Học liệu –ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/ iii Header Page of 126 MỤC LỤC Trang Lời cam đoan i Lời cảm ơn ii Mục lục iii Danh mục ký hiệu chữ viết tắt vii Danh mục bảng biểu ix Danh mục hình vẽ đồ thị x MỞ ĐẦU NỘI DUNG Chương TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC CẤP BÌNH BAO HƠI NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN 1.1 Tổng quan chung nhà máy nhiệt điện 1.1.1 Ngun lý hoạt động nhà máy nhiệt điện 1.1.2 Chu trình nhiệt nhà máy nhiệt điện Lò nhà máy nhiệt điện 1.2.1 Nhiệm vụ lò 1.2.2 Các loại lò 1.2.3 Các hệ thống điều chỉnh lò nhà máy nhiệt điện 1.2.3.1 Hệ thống điều chỉnh nhiệt độ q nhiệt 10 1.2.3.2 Hệ thống điều chỉnh q trình cháy 11 1.2.3.3 Hệ thống điều chỉnh sản lượng 12 1.2.3.4 Hệ thống điều chỉnh mức nước bao 13 1.3 Nghiên cứu hệ thống điều chỉnh mức nước bao nhà máy nhiệt điện 14 1.3.1 Đặt vấn đề 14 1.3.2 Mục tiêu nghiên cứu 15 1.3.3 Dự kiến kết đạt 15 Footer Page of 126 Số hóa Trung tâm Học liệu –ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/ iv Header Page of 126 1.4 Kết luận chương 16 Chương MƠ TẢ TỐN HỌC CỦA ĐỐI TƯỢNG ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC CẤP BÌNH BAO HƠI NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN 17 2.1 Đặt vấn đề 17 2.2 Mơ tả tốn học cho thành phần hệ thống điều khiển mức nước cấp bình bao nhà máy nhiệt điện 19 2.2.1 Cấu trúc mơ hình nhà máy nhiệt điện 19 2.2.2 Cấu trúc điều khiển hệ thống mức nước cấp bình bao 19 2.2.3 Xây dựng hàm truyền thành phần hệ thống 20 2.2.3.1 Thiết bị đo 20 2.2.3.2 Thiết bị chấp hành 23 2.2.3.3 Bình bao 28 2.3 Hàm truyền hệ thống 32 2.4 Kết luận: 33 Chương KHẢO SÁT CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC CẤP BÌNH BAO HƠI SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID BẰNG MƠ PHỎNG VÀTHỰC NGHIỆM 34 3.1 Đặt vấn đề 34 3.2 Tổng quan điều khiển PID 34 3.2.1 Thiết kế điều khiển sở hàm q độ h(t) 35 3.2.1.1 Phương pháp Ziegler – Nichols 35 3.2.1.2 Phương pháp Chien – Hrones – Reswick 36 3.2.1.3 Phương pháp số thời gian tổng Kuhn 37 3.2.2 Thiết kế điều khiển miền tần số 38 3.2.2.1 Ngun tắc thiết kế 38 3.2.2.2 Phương pháp tối ưu modul dùng cho đói tượng hữu sai tĩnh 39 3.2.2.3 Phương pháp tối ưu đối xứng 40 3.3 Thiết kế điều khiển mức nước cấp bình bao 41 3.4 Đánh giá chất lượng hệ thống mơ Matlab – Simulink 43 Footer Page of 126 Số hóa Trung tâm Học liệu –ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/ v Header Page of 126 3.4.1 Sơ đồ mơ matlab – Simulink 43 3.4.2 Các kết mơ 43 3.5 Đánh giá chất lượng hệ thống thực nghiệm 44 3.5.1 Cấu hình thực nghiệm điều khiển mức trung tâm thí nghiệm 44 3.5.2 Giới thiệu mơ hình thực nghiệm 46 3.5.3 Các kết thực nghiệm 50 3.5.4 So sánh với kết mơ 51 3.6 Kết luận chương 51 Chương NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC CẤP BÌNH BAO HƠI BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ THÍCH NGHI 52 4.1 Tổng quan hệ logic mờ điều khiển mờ 52 4.1.1 Hệ Logic mờ 52 4.1.1.1 Khái niệm tập mờ 52 4.1.1.2 Sơ đồ khối điều khiển mờ 53 4.1.2 Bộ điều khiển mờ 60 4.1.2.1 Bộ điều khiển mờ động 60 4.1.2.2 Điều khiển mờ thích nghi 61 4.2 Thiết kế điều khiển mờ thích nghi theo mơ hình mẫu 62 4.2.1 Đặt vấn đề 62 4.2.2 Mơ hình tốn học điều khiển mờ 63 4.2.3 Xây dựng điều khiển mờ thích nghi theo mơ hình mẫu truyền thẳng 68 4.2.3.1 Hệ điều khiển thích nghi theo mơ hình mẫu dùng lý thuyết thích nghi kinh điển 68 4.2.3.2 Bộ điều khiển mờ thích nghi theo mơ hình mẫu truyền thẳng 69 4.3 Kết mơ hệ thống 70 4.3.1 Sơ đồ mơ 70 4.3.2 Kết mơ 71 Footer Page of 126 Số hóa Trung tâm Học liệu –ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/ vi Header Page of 126 4.3.3 Đánh giá kết 72 4.4 Kết luận chương 72 Kết luận kiến nghị 73 Tài liệu tham khảo 74 Footer Page of 126 Số hóa Trung tâm Học liệu –ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/ vii Header Page of 126 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Các ký hiệu: STT Ký hiệu Diễn giải nội dung đầy đủ CO Tín hiệu điều khiển MV Biến điều khiển CV Biến điều khiển PM Tín hiệu đo WH Hàm truyền đạt K kI,  Các hệ số khuếch đại đầu vào SISO Tín hiệu có đầu vào đầu MIMO Tín hiệu có nhiều đầu vào nhiều đầu 10 SIMO Tín hiệu có đầu vào nhiều đầu 11 MISO Tín hiệu có nhiều đầu vào đầu Hệ số khuếch đại đầu Các chữ viết tắt STT Ký hiệu 12 QTCN 13 FC fail-closed - van đóng an tồn 14 AO air-to-open - van đóng an tồn 15 FO fail-open - van mở an tồn 16 AC air-to-close - van mở an tồn 17 PID Bộ điều khiển tỷ lệ vi tích phân 18 FLC Điều khiển logic mờ 19 FMRAFC Footer Page of 126 Diễn giải nội dung đầy đủ Mức nước cấp bình bao Bộ điều khiển mờ thích nghi theo mơ hình mẫu truyền thẳng Số hóa Trung tâm Học liệu –ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/ viii Header Page 10 of 126 20 Measurementdevice Thiết bị đo 21 Sensor 22 Sensor element 23 Cảm biến Phần tử cảm biến, đầu đo Signal conditioning Điều hồ tín hiệu 24 Transmitter Bộ chuyển đổi đo chuẩn 25 Transducer Bộ chuyển đổi theo nghĩa rộng Footer Page 10 of 126 Số hóa Trung tâm Học liệu –ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/ Header Page 73 of 126 59 Điểm trọng tâm: Phương pháp cho kết y0 hồnh độ điểm trọng tâm miền bao trục hồnh đường B’(y) Đây ngun lý dùng nhiều Hình 4.6: Những ngun lý giải mờ * Cấu trúc hệ logic mờ H Ư L o g ic M ê R 1: n Õ u  t h ×   xi R q: n Õ u  t h ×  Fu zzy h ã a y B' i G i¶ i m ê Hình 4.7: Cấu trúc hệ logic mờ Footer Page 73 of 126 Số hóa Trung tâm Học liệu –ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/ Header Page 74 of 126 60 Giống điều khiển kinh điển, hệ logic mờ có nhiều tín hiệu vào nhiều tín hiệu Ta phân chia chúng thành nhóm + Nhóm SISO có đầu vào đầu + Nhóm MIMO có nhiều đầu vào nhiều đầu + Nhóm SIMO có đầu vào nhiều đầu + Nhóm MISO có nhiều đầu vào đầu Do chất hệ thực luật hợp thành (kinh nghiệm điều khiển người) kinh nghiệm lại thể dạng ngơn ngữ có giá trị ngơn ngữ tập mờ nên hệ logic mờ phải có khâu hình 4.7: + Khâu Fuzzy hóa có nhiệm vụ chuyển đổi giá trị rõ đầu vào x0 thành vector gồm độ phụ thuộc giá trị rõ theo giá trị mờ (tập mờ) định nghĩa cho biến ngơn ngữ đầu vào + Khâu thực luật hợp thành, có tên gọi thiết bị hợp thành, xử lý vector cho giá trị mờ B' biến ngơn ngữ đầu + Khâu giải mờ, có nhiệm vụ chuyển đổi tập mờ B' thành giá trị rõ y' chấp nhận cho đối tượng (tín hiệu điều chỉnh) 4.1.2 Bộ điều khiển mờ 4.1.2.1 Bộ điều khiển mờ động Bộ điều khiển mờ động điều khiển mờ có xét tới trạng thái động đối tượng Ví dụ hệ điều khiển theo sai lệch đầu vào điều khiển mờ ngồi tính hiệu sai lệch e theo thời gian có đạo hàm, tích phân sai lệch giúp cho điều khiển phản ứng kịp thời với thay đổi đột xuất đối tượng Các điều khiển mờ hay dùng điều khiển mờ theo luật tỷ lệ tích phân, tỷ lệ vi phân tỷ lệ vi tích phân(I, PI, PD PID) * Bộ điều khiển PD Bộ điều khiển mờ PD mơ tả sơ đồ sau: Footer Page 74 of 126 Số hóa Trung tâm Học liệu –ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/ Header Page 75 of 126 61 P et - d det Bộ điều khiển mờ Đối tượng dt Hình 4.8: Sơ đồ cấu trúc điều khiển mờ PD * Bộ điều khiển PI Bộ điều khiển mờ PI mơ tả sơ đồ sau: et d - det Bộ điều khiển mờ P I Đối tượng dt Hình 4.9: Sơ đồ khối hệ thống với điều chỉnh mờ PI(1) Ta sử dụng mơ hình sau: et - I Đối tượng Bộ điều khiển mờ Hình 4.10: Sơ đồ khối hệ thống với điều khiển mờ PI(2) 4.1.2.2 Điều khiển mờ thích nghi Bộ điều khiển mờ thích nghi có phương pháp cấu trúc bản: + Bộ điều khiển mờ thích nghi theo phương pháp thích nghi trực tiếp tổng qt sơ đồ hình 4.11 Footer Page 75 of 126 Số hóa Trung tâm Học liệu –ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/ Header Page 76 of 126 62 + Bộ điều khiển mờ thích nghi theo phương pháp thích nghi gián tiếp tổng qt sơ đồ hình 4.12 x - Bộ chỉnh định mờ Nhận dạng tham số Bộ điều khiển Đối tƣợng y Hình 4.11: Phương pháp điều khiển thích nghi trực tiếp Nhận dạng tham số Bộ chỉnh định mờ x - Bộ điều khiển y Đối tƣợng Hình 4.12: Phương pháp điều khiển thích nghi gián tiếp 4.2 Thiết kế điều khiển mờ thích nghi theo mơ hình mẫu 4.2.1 Đặt vấn đề Một cấu trúc thơng dụng hệ logic mờ (FLC –Fuzzy Logic Control) cấu trúc kiểu phản hồi sai lệch Sơ đồ hình 4.13: E e e Luật kI I U K hợp thành Hình 4.13: Cấu trúc hệ điều khiển mờ hai đầu vào Footer Page 76 of 126 Số hóa Trung tâm Học liệu –ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/ u Header Page 77 of 126 63 Trong kI, hệ số khuếch đại đầu vào, K hệ số khuếch đại đầu Thực tiễn cho thấy việc chỉnh định FLC khó khăn nhiều so với chỉnh định điều khiển kinh điển, lý tính mềm dẻo vùng nhận biết điều khiển mờ móc nối thơng số chúng Tuy nhiên khơng có cách hệ thống hố để đưa tất thơng số Trong phần tác giả đưa phương pháp thiết kế: Đầu tiên ta xây dựng mơ hình điều khiển mờ bao gồm hàm liên thuộc, luật hợp thành Chúng tạo đáp ứng hợp lý mức độ Luật hợp thành chọn luật hợp thành tuyến tính, hàm liên thuộc xác định theo hình tam giác, hình thang hàm Gauss Sau xác định hàm liên thuộc luật hợp thành bản, ta sử dụng chúng để tìm hệ số khuếch đại tỷ lệ Có thể sử dụng nhiều phương pháp định lượng khác nhau, việc xác định hệ số khuếch đại tỷ lệ quan trọng hoạt động FLC Trong điều khiển kinh điển, ta biết Algorithm điều khiển thích nghi theo mơ hình mẫu sử dụng phương pháp Gradient hay phương pháp Lyapunov thích hợp cho việc điều khiển q trình khơng nhận biết được, đặc biệt hệ phi tuyến Một điều khiển mờ với luật hợp thành tuyến tính hàm liên thuộc tam giác xấp xỉ tuyến tính xung quanh trạng thái cân Do ta sử dụng ý tưởng điều khiển thích nghi kinh điển để áp dụng cho hệ điều khiển mờ, thích nghi với vài xấp xỉ Cấu trúc điều khiển mờ thích nghi dựa sở lý thuyết Lyapunov phương pháp Gradient kinh điển 4.2.2 Mơ hình tốn học điều khiển mờ Xét điều khiển mờ hai đầu vào hình 4.13 Để xây dựng mơ hình tốn học ta thực theo bước sau: * Chọn hàm liên thuộc Để đơn giản cho việc xây dựng luật hợp thành, thay sử dụng ngơn ngữ “âm nhiều”, “dương nhiều” v.v… ta sử dụng số số, ví dụ Footer Page 77 of 126 Số hóa Trung tâm Học liệu –ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/ Header Page 78 of 126 64 -1(x), -2(x), - 1.0 (x), 1(x) … 0(x) -j(x) j(x) … 0.5 … x -A A Hình 4.14: Định nghĩa hàm liên thuộc cho biến vào/ * Chọn luật điều khiển Với điều khiển mờ hai đầu vào, đầu vào có N tập mờ ta có N2 luật điều khiển miêu tả tất khả kết hợp Ei Ri Dạng tổng qt luật hợp thành là: Nếu E = Ei R = Ri U = uk Với k = f(i,j) I Với f(i,j) khác cho R -3 -2 -1 3 3 3 phụ thuộc nhiều vào kiến thức -1 3 kinh nghiệm chun gia Ta đề -2 -1 3 -3 -2 -1 luật điều khiển khác Việc chọn luật điều khiển coi việc khó khăn cập đến việc chuẩn hố đơn giản hố việc chọn luật điều khiển nhằm tạo điều khiển thuận lợi cho người thiết kế điều khiển mờ E -1 -3 -3 -2 -1 -2 -3 -3 -3 -2 -1 -3 -3 -3 -3 -3 -2 -1 Hình 4.15: Luật hợp thành tuyến tính Bảng 4.1 Luật điều khiển mờ i+j Uk-1 Footer Page 78 of 126 -3 -3 -2 -1 -2 -1 Số hóa Trung tâm Học liệu –ĐHTN 3 http://www.lrc.tnu.edu.vn/ Header Page 79 of 126 65 * Phân tích luật sở hình thành suy luận Các luật sở chia vùng làm việc điều khiển mờ thành nhiều vng, với đầu luật hình 4.16 Vì tất thao tác mờ tính tốn nên chúng gọi suy Ra luận [3], [6], [12] -3 Vào Hình 4.16: Quan hệ vào luật hợp thành tuyến tính Một cách tổng qt ta chọn suy luận IC(i,j) để phân tích Ơ tạo hàm liên thuộc i(E), i+1(E), i(R), đường chéo chia chúng thành vùng (IC1…IC4) i-1 i R i+1 … … Ei Ei+1 uk+1 uk+2 Ei-1 Ri+1 i+1 uk Ri (i -1, j) IC(i,j) uk uk+1 uk-1 Ri-1 (i -1, j-1) (i, j-1) uk-1 uk-2 uk i i-1 i-1 i B … uk-1 Ơ suy luận i+1 B uk E … u uk+1 Hình 4.17: Sự hình thành suy luận từ luật hợp thành Footer Page 79 of 126 Số hóa Trung tâm Học liệu –ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/ i+1(R) Header Page 80 of 126 66 Các liệu vào (E, R) luật ln ln ánh xạ đến liệu vào tương đối (e*, r*) IC(i, j) theo cơng thức: E iA e* (i = …, -1, 0, 1, …) (4.14) R jA e* (j = …, -1, 0, 1, …) (4.15) Tất thao tác mờ bao gồm “Mờ hố”, “Suy diễn mờ” “Giải mờ” thực suy luận IC Bảng 4.2 Kết phép lấy Max - Min suy luận IC1 i j i+1 IC2 j j j+1 IC3 j j+1 j+1 IC4 i i+1 r* i+1 (i, j+1) ( 21, Uk+1) (i+1, j+1) ( 3, Uk+2) j IC2 i+1 e*,r* IC1 IC3 IC4 (i, j) ( 1, Uk) i+1 A i (i+1, j) ( 22, Uk+1) e* Hình 4.18: Các vùng suy luận * Các thao tác mờ suy luận Trong suy luận ta thực thao tác mờ như: Mờ hố, suy diễn mờ giải mờ Sử dụng phương pháp suy luận Max-Min Mamdani, thao tác trình bày sau: + Mờ hố Từ biểu thức W n T tr ( B i H i B i ) [2, 6] i W: động tồn hệ Footer Page 80 of 126 Số hóa Trung tâm Học liệu –ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/ Header Page 81 of 126 67 Ta thấy IC(i, j), đầu vào (E, R) xác định (e*, r*) với giá trị hàm liên thuộc e* i i+1, giá trị hàm liên thuộc r* j j+1 Vì ln tồn quạn hệ i + i+1 = j + j+1 = giá trị hàm liên thuộc đầu vào suy luận là: i j e* e* ; i A r* A (4.16) r* ; j A A + Suy diễn mờ Từ luật hợp thành sở: Nếu E = Ei R = Rj U = uk Với k = f(i, j) = i + j (4.17) Hàm liên thuộc tập mờ đầu biểu diễn hình 4.18 với giá trị đầu là: uk = k B (4.18) Tại vùng suy luận ta thu giá trị 1, 2, (bảng 4.2) thơng qua phép lấy Max-Min với: 1= Min( i, 21 = Min( i, 22 = Min( 3= Min( 2= Max ( j) i+1, cho đầu uk j+1) cho đầu uk+1 j) cho đầu uk+1 i+1, j+1) 21, 22) cho đầu uk+2 + Giải mờ Dùng phương pháp điểm trọng tâm khai triển Max-Min ta được: Footer Page 81 of 126 Số hóa Trung tâm Học liệu –ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/ (4.19) Header Page 82 of 126 68 k uk l k u (4.20) k k Trong l = 1, 2, 3, vùng tương ứng suy luận 4.2.3 Xây dựng điều khiển mờ thích nghi theo mơ hình mẫu truyền thẳng 4.2.3.1 Hệ điều khiển thích nghi theo mơ hình mẫu dùng lý thuyết thích nghi kinh điển Xét đối tượng kinh điển mơ tả phương trình: dy ay (4.21) bu dt Mơ hình mẫu có phương trình: dy m dt amym Tín hiệu điều khiển : Biểu thức (4.22) bmuc u = K1uc - K2y với sai số = ym - y chứa tham số điều chỉnh Ta cần tìm cấu thích nghi để điều chỉnh tham số K1 K2 tới giá trị mong muốn cho sai số tiến tới Để tìm cấu thích nghi ta dùng lý thuyết ổn định Liapunov phương pháp Gradient sau: + Luật thích nghi theo Lyapunov Giả thiết b > chọn hàm Lyapunov có dạng: V ,K 1,K 2 bK b a am theo luật điều chỉnh tham số K1, K2 dK dt Footer Page 82 of 126 uc ; dK 2 b bm là: (4.23) y dt Số hóa Trung tâm Học liệu –ĐHTN bK http://www.lrc.tnu.edu.vn/ Header Page 83 of 126 69 Nếu có tham số biến thiên, luật điều chỉnh thích nghi tham số (4.23) trở thành: dK dt (4.24) uc + Luật thích nghi theo Gradient Giả thiết K véc tơ tham số cần xác định, phụ thuộc sai lệch đầu đối tượng (y) đầu mơ hình (ym) Tiêu chuẩn sai lệch đáp ứng hệ chọn: J K (4.25) quy luật điều chỉnh K theo hướng Gradient J là: dK J dt K y K (4.26) K Trong điều khiển thích nghi kinh điển nói chung khơng cần mơ hình mẫu hồn hảo Tuy nhiên sai khác mơ hình mẫu đối tượng tính phi tuyến nằm giới hạn đó, q giới hạn điều chỉnh khơng làm việc hiệu Để khắc phục nhược điểm đó, đề tài sử dụng hệ điều khiển mờ thích nghi theo mơ hình mẫu 4.2.3.2 Bộ điều khiển mờ thích nghi theo mơ hình mẫu truyền thẳng Bộ điều khiển mờ đầu vào với hệ số khuếch đại đầu K, biểu diễn F.e cộng thêm giới hạn trễ T biểu thức (4.27) (hình 4.19) giới hạn trễ T tiến tới hệ thống tiến đến điểm cân [3] u K (T (4.27) Fe ) Ta áp dụng phương pháp Lyapunov phương pháp Gradient để chỉnh định thích nghi hệ số khuếch đại đầu K điều khiển mờ Footer Page 83 of 126 Số hóa Trung tâm Học liệu –ĐHTN T e F u K Hình 4.19: Bộ điều khiển mờ với hệ số khuếch đại đầu K http://www.lrc.tnu.edu.vn/ Header Page 84 of 126 70 Thích nghi mờ theo mơ hình mẫu kiểu truyền thẳng (FMRAFC – Feedforward Model Reference Adaptive Fuzzy Controller) Xét cấu trúc điều khiển mờ thích nghi theo mơ hình mẫu kiểu truyền thẳng biểu diễn hình 4.20 Trong đối tượng điều khiển có hàm truyền G, mơ hình mẫu có hàm truyền Gm, điều khiển mờ bao gồm điều khiển mờ kết hợp với khuếch đại K Cần phải tìm quy luật điều chỉnh hệ số K cho sai lệch mơ hình đối tượng tiến đến ( ) Cơ cấu thích nghi uc Mơ hình mẫu Gm T ym K F - y Đối tƣợng G FLC Hình 4.20: FMRAFC điều chỉnh hệ số khuếch đại đầu Với luật điều chỉnh thích nghi cho hệ số khuếch đại đầu FLC theo Liapunov xác định từ (4.24): Vì uc (4.24) ym nên ta luật điều chỉnh: K ym (4.28) Với hệ số (4.28) nói lên tốc độ hội tụ thuật tốn thích nghi 4.3 Kết mơ hệ thống 4.3.1 Sơ đồ mơ Sơ đồ mơ điều khiển mờ thích nghi Hình 4.21: Sơ đồ mơ theo phương pháp mờ thích nghi kiểu truyền thẳng Footer Page 84 of 126 Số hóa Trung tâm Học liệu –ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/ Header Page 85 of 126 71 Sơ đồ mơ so sánh điều mờ thích nghi PID Hình 4.22: Sơ đồ mơ theo phương pháp mờ thích nghi kiểu truyền thẳng phương pháp PID 4.3.2 Kết mơ Hình 4.23: Đáp ứng mức nước với điều khiển mờ thích nghi kiểu truyền thẳng có nhảy cấp từ 80% lên 90% Hình 4.24: Đáp ứng mức nước với điều khiển mờ thích nghi kiểu truyền thẳng PID (có nhiễu tác động 200s) Footer Page 85 of 126 Số hóa Trung tâm Học liệu –ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/ Header Page 86 of 126 72 Dap ung muc nuoc cap binh bao hoi 100 90 80 70 L(%) 60 50 40 30 20 10 0 20 40 60 80 100 t(s) 120 140 160 180 200 Hình 4.25: Đáp ứng mức nước với điều khiển mờ thích nghi kiểu truyền thẳng PID tham số đối tượng thay đổi 4.3.3 Đánh giá kết Từ kết hình 4.23; hình 4.24 hình 4.25 cho thấy với điều khiển mờ thích nghi chất lượng điều khiển cải thiện cách đáng kể thời gian xác lập độ q điều chỉnh (kể có nhiễu tác động) Hơn tham số đối tượng thay đổi điều mờ thích nghi trì chất lượng điều khiển PID có độ q điều chỉnh thời gian xác lập tăng Điều cho thấy với phương pháp điều khiển mờ thích nghi đem lại khả quan cho việc phát triển ứng dụng phương pháp điều khiển đại cho hệ điều khiển q trình mức nước cấp bao nhà máy nhiệt điện 4.4 Kết luận chƣơng Chương giải số vấn đề sau: - Tổng quan vấn đề hệ logic mờ điều khiển mờ - Đưa phương pháp thiết kế điều khiển mờ thích nghi theo mơ hình mẫu kiểu truyền thẳng để thiết kế điều khiển cho đối tượng - Mơ để khảo sát chất lượng hệ thống Matlab/ Simulik - Chất lượng điều khiển mức nước cấp bình bao điều khiển mờ thích nghi theo mơ hình mẫu kiểu truyền thẳng so với điều khiển PID cải thiện đáng kể Footer Page 86 of 126 Số hóa Trung tâm Học liệu –ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/ Header Page 87 of 126 73 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận: Nội dung luận văn tập trung vào nghiên cứu ứng dụng điều khiển q trình cho đối tượng cụ thể điều khiển mức nước cấp bình bao nhà máy nhiệt điện Nhiệm vụ cụ thể Nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển ổn định mức nước cấp điều khiển mờ thích nghi Với mục tiêu đặt ra, nội dung luận văn hồn thành chương sau: Chương 1: Tổng quan điều khiển mức nước cấp bình bao nhà máy nhiệt điện Chương 2: Mơ tả tốn học đối tượng điều khiển mức nước cấp bình bao nhà máy nhiệt điện Chương 3: Khảo sát chất lượng điều khiển mức nước cấp bình bao sử dụng điều khiển pid mơ thực nghiệm Chương 4: Nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển mức nước cấp bình bao điều khiển mờ thích nghi Kết luận văn đạt là: - Thiết kế điều khiển mức nước cấp bình bao nhà máy nhiệt điện điều khiển PID, tiến hành đánh giá kết nghiên cứu lý thuyết mơ thực nghiệm Với kết cho thấy tính đắn thuật tốn điều khiển phương diện mơ thực nghiệm - Đề xuất thiết kế điều khiển là: Bộ điều khiển mờ thích nghi theo mơ hình mẫu kiểu truyền thẳng Với kết mơ cho thấy chất lượng điều khiển tốt so với điều khiển PID (kể tham số đối tượng bị thay đổi giới hạn cho phép) Kiến nghị: Với thời gian nghiên cứu ít, kiến thức kinh nghiệm thực tiễn có hạn, nội dung luận văn số hạn chế Tác giả tiếp tục nghiên cứu hồn thiện để áp dụng tốt kết nghiên cứu vào cơng tác chun mơn sau này, áp dụng điều khiển đại vào đối tượng thực tế sản xuất Footer Page 87 of 126 Số hóa Trung tâm Học liệu –ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn/ ... Chương NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC CẤP BÌNH BAO HƠI BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ THÍCH NGHI 52 4.1 Tổng quan hệ logic mờ điều khiển mờ 52 4.1.1 Hệ Logic mờ 52 4.1.1.1 Khái niệm tập mờ. .. triển nghi n cứu Vì nghi n cứu thiết kế điều khiển mờ thích nghi nhằm nâng cao chất lượng cho hệ thống ổn định mức nước cấp bao cấp thiết Mục tiêu luận văn là: - Mơ tả tốn học cho hệ thống điều khiển. .. lượng điều khiển mức nước cấp bình bao sử dụng điều khiển PID mơ thực nghi m Chương 4: Nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển mức nước cấp bình bao điều khiển mờ thích nghi Kết luận kiến nghị