Nghiên cứu áp dụng lý thuyết mờ trong điều khiển quá trình

B GIO DC V O TO TRNG I HC BCH KHOA H NI - LUN VN THC S KHOA HC NGHIấN CU P DNG Lí THUYT M TRONG IU KHIN QU TRèNH NGNH: T NG HểA NGUYN HU V Ngi hng dn khoa hc:TS NGUYN HUY PHNG H Ni - 2009 Mục lục Lời cam đoan Lời cảm ơn Lời nói đầu Chơng 1: Tổng quan 1.1 Mở đầu 1.2 Đặt vấn đề 10 Chơng 2:Cơ sở hệ thống điều khiển trình 13 2.1 Tổng quan hệ thống điều khiển trình 13 2.2 Mô hình hoá trình 19 2.3 Cơ sở thiết kế điều khiển 22 Chơng 3: Bộ điều khiển mờ 26 3.1 Khái niệm 26 3.2 Nguyên lý điều khiển mờ 40 3.3 Những nguyên tắc tổng hợp điều khiển mờ 43 3.4 Các điều khiển mờ 50 Chơng 4: Mô hệ thống 54 4.1 Phân tích đối tợng 54 4.2 Thiết kế sách lợc điều khiển 58 4.3 Bộ điều khiển mờ 72 4.4 Bộ điều khiển PID mờ 75 Lời nói đầu Điều khiển trình lĩnh vực mới, nhng chiếm vị trí quan trọng hàng đầu tự động hoá công nghiệp Công việc nghiên cứu ứng dụng hệ thống điều khiển trình công việc tổng hợp nhiều lĩnh vực khác nh công nghệ sản suất, công nghệ điều khiển đơng nhiên hệ thống tích hợp nhiều khâu, nhiều phần tử nh thiết bị công nghệ, thiết bị điều khiển , thiết bị chấp hành, phần mềm Việc nghiên cứu đối tợng điều khiển để đa sách lợc điều khiển sau thiết kế điều khiển công việc thờng gặp không khó khăn Điều khiển trình lĩnh vực mới, nhng chiếm vị trí quan trọng hàng đầu tự động hoá công nghiệp Công việc nghiên cứu ứng dụng hệ thống điều khiển trình công việc tổng hợp nhiều lĩnh vực khác nh công nghệ sản suất, công nghệ điều khiển đơng nhiên hệ thống tích hợp nhiều khâu, nhiều phần tử nh thiết bị công nghệ , thiết bị điều khiển , thiết bị chấp hành Việc nghiên cứu đối tợng điều khiển để đa sách lợc điều khiển sau thiết kế điều khiển công việc thờng gặp không khó khăn tuỳ thuộc vào điều kiện thực , việc xác định mô hình toán học đối tợng điều khiển áp dụng phơng pháp lý thuyết phơng pháp thực nghiệm hay kết hợp hai phơng pháp nhiên mục đích cuối cần có mô hình toán học có ích cho phát triển hệ thống Để nâng cao lực thực nghiệm thân Tôi đăng ký đề tài mang tính thực nghiệm với mô hình điều khiển mức nớc tự chế tạo Công việc mô tả toán học mô hình sau chọn cấu trúc điều khiển điều khiển phản hồi cấu trúc đợc hầu hết hệ thống điều khiển tự động Bộ điều khiển PID điều khiển thích hợp cho phần lớn trình công nghiệp Bộ PID tơng tự đợc thực linh kiện điện tử đợc thay bộc lộ nhợc điểm quan trọng đứng trớc phát triển mạnh mẽ công nghệ số với vi xử lý Do nhiệm vụ đề tài nghiên cứu ứng dụng điều khiển PID số nhiên việc thực nghiệm xác định mô hình toán học đối tợng điều khiển thiếu thông tin quan trọng cần cho việc thiết lập tham số điều khiển , ảnh hởng nhiễu không đo đợc yếu tố khiến cho viếc xác định tham số điều khiển cha thoả mãn Do vậy, nhiệm vụ cần thiết đề tài nghiên cứu , thiết kế chỉnh định mờ nâng cao chất lợng điều khiển Bản luận văn gồm bốn chơng Chơng : Tổng quan Chơng hai : Cơ sở sở điều khiển trình Chơng ba : Bộ điều khiển mờ Chơng bốn : Mô hệ thống Do khả hạn chế nên thiết kế không tránh khỏi khiếm khuyết, mong đợc góp ý thầy , cô bạn đồng nghiệp Tôi xin trân tọng cảm ơn thầy giáp TS Nguyễn Huy Phơng tận tình hớng dẫn tạo điều kiện sở vật chất để trình thực đề tài đợc thuận lợi Tôi xin trân trọng cảm ơn thầy, cô tận tình giúp đỡ trình đào tạo môn Tự động hoá công nghiệp khoa Điện , trờng ĐHBK Hà Nội Chơng 1: Tổng quan 1.1 Mở đầu Từ nhiều thập kỷ qua , để đánh giá để đánh giá mức độ phát triển kinh tế quốc dân , ngời ta không đánh giá trình độ áp dụng kỹ thuật điều khiển tự động nớc ta , từ vài thâp kỷ gần , mức độ áp dụng kỹ thuật điều khiển cha cao khắp lĩnh vức nhng tốc độ áp dụng to lớn thâm nhập hầu hết vào nên kinh tế quốc dân Đặc biệt điều khiển trình khai thác, chế biến lợng Điều khiển tự động chiếm vai trò ngày quan trọng, đảm trách vai trò ngày quan trọng , đảm trách vai trò điều khiển, giám sát đợc xếp vào phạm trù phạm trù hệ thống điều khiển trình (proccess Controlsystem , PSC ) Một hệ thống điều khiển trình chứa dựng toàn giải pháp đo lờng , điều khiển vận hành giám sát nhằm đảm bảo yêu cầu trình thiết bị công nhgệ nh chất lợng sản phẩm , sản lợng , hiệu sản xuất , an toàn cho ngời , máy móc môi trờng Trong hệ thống điều khiển trình , thiết bị điều khiển đóng vai trò quan trọng hàng đầu Nó có nhiệm vụ tạo tín hiệu điều khiển thíh hợp tác động lên đối tợng điều khiển thông qua phần tử chấp hành nhằm ổn định hệ thống , trì giá trị mong muốn cố định thay đổi theo quy luật cho trớc với tiêu chất lợng cho trớc Để thực nhiệm vụ , cấu trúc điều khiển phản hồi với điều kiện Tỷ lệ Tích phân Vi phân ( proprtional Integral Derivative Controller , PID) đợc sủ dụng phổ biến điều khiển hầu hết trình công nghiệp Bộ điều khiển PID có cẩutúcvà nguyên lý làm việc đơn giản , dễ hiểu đặc tính bền vững dễ sử dụng ngời làm thực tế Tuy nhiên phù thuộc vào đặc tính đối tợng điều khiển mà lựa chọn dùng điều khiển tỷ lệ P trình có đặc tính tích phân mạnh , ví dụ nh toán điều khiển mức chất lỏng bình chứa dùng PI đủ nh trình có tính khâu quán tính bậc thời gian trễ có yêu cầu chất lợng trạng thái xác lập đặc tính bám trình độ không đợc đặt lên hàng đầu phần mềm Ví dụ tiêu biểu toán điều khiển lu lợng Chọn luật PID nh có trình đặc tính khâu quán tính bậc hai có trễ tơng đối nhỏ Tóm lại phạm vi ứng dụng điều khiển PID trình mô tả mô hình bậc thấp , thông thờng bậc bậc hai Bộ điền khiển PID tơng tự thờng thực phần cứng với linh kiện điện tử , chúng có nhợc điểm rõ rệt khả hiệu chỉnh tham số hạn chế , hầu nh đợc thiết kế , chế tạo thực vụ cho một lớp đối tợng điều khiển , cụ thể không đợc chế tạo theo chuẩn đồng loạt hội thích nghi tham số Ngày công nghệ vi xử lý , máy tính số phát triển , nên hầu hết điều khiển PID đợc thực công nghệ số- xây dựng máy tính số chúng hoàn toàn khắc phục đợc điều khiển tơng tự Ngoài điều khiển số có thêm u điểm quan trọng nh thiận tiện việc truyền lu giữ thông tin thời gian dài , không hạn chế , độ xác đạt đợc mong muốn lựa chọn thời gian trích mẫu hợp lý cấu hình phần cứng cho phép Các điều khiển PID đợc nhà khoa học quan tâm nhằm tìm phơng pháp chỉnh định tham số cách hiệu xác nhng giải pháp điều khiển đại , điều khiển PID đợc coi lớp điều khiển truyền thống Tuy nhiên có điều thú vị PID truyền thống sở nghiên cứu phát triển cho điều khiển đại , đặc biệt điều khiển đại có mặt điều khiển PID gọi lai , điều có nghĩa ngời thiết lế yên tâm Qua thực té cho thấy, chất lợng điều chỉnh điều khiển PID phụ thuộc nhiều vào việc lựa chọn luật điều khiển thuật toán PID, vào việc lựa chọn tham số KP,KI hay KD Đã có nhiều phơng pháp tính toán, cho phép lựa chọn tham số để áp đặt cho điều khiển, hầu hết phơng pháp định tham số PID áp dụng đợc cho trình ổn định có khâu tích phân bậc nhất, số phơng pháp đề cập tới trình không ổn định Ngoài ra, việc áp dụng cho trình cụ thể với vô số điều kiện buộc nh giới hạn vật lý cấu chấp hành, giới hạn tốc độ xử lý phần tử tính toán xây dựng phơng pháp có tính mà phụ thuộc nhiều vào kinh nghiệm vận hành trình Một hạn chế quan trọng phạm vi ứng dụng điều khiển PID mô hình toán học qúa trình không đáp ứng đầy đủ thông tin cần thiết trình công nghệ chịu tác động nhiễu loạn ( từ bên bên đối tợng điều khiển ) việc chinh định tham số điều khiển khó khăn Vì vậy, giải pháp thờng đợc ý áp dụng lý thuyết mờ để thiết kế định mở nhằm hỗ trợ thích nghi tham số điều khiển PID cho trờng hợp vừa nêu Đó giải pháp thiết kế thiết bị lai điều khiển mờ điều khiển kinh điền - điều khiển PID đợc quen thuộc sử dụng từ lâu, điều giúp đơn giản hoá công việc thiết kế mà đảm bảo cho hệ thống có đặc tính động học tốt bền vững (robust ) Trong trình thực nghiệm, với chút kinh nghiệm cho thấy áp dụng số công cụ mạnh để xác định mô hình trình, song trìh có tính phí tuyến, nhiễu trễ nên kết thu đợc không thật tin cậy, để có mô hình toán học cụ thể cần áp dụng phơng pháp xấp xỉ mô hình, yếu tố dẫn đến mô hình thiếu thông tin có ích Một mô hình thiếu xác cần thiết không thích hợp với việc chỉnh định tham số cho điều khiển kinh điền Với lý đó, nhiệm vụ đặt cho luận văn cần đa giải pháp dùng điều khiển mở thích nghi chỉnh định tham số cho PID ý tởng phơng pháp theo sát diễn biến trình chỉnh định tham số điều khiển PID theo diễn biến Ngoài ra, việc thực nghiệm với biến tần số giúp khai thác biến tần có hiệu 1.2 Đặt vấn đề Điều khiển trình matt lĩnh vực ứng dụng quan trọng kỹ thuật điều khiển ngành lợng hóa chất Nội dung điều khiển trình kết nối chặt chẽ tảng lý thuyết điều khiển tự đọng với toán trình công nghệ Điều khiển tự động chiếm vai trò ngày quan trọng ngành công nghiệp chế biến, khai thác lợng Trong nhà máy công nghiệp đại hệ thống điều khiển giám sát thành phần thiếu Các hệ thống điều khiển giám sát đợc sử dụng lĩnh vực có số đặc thù chung đợc gọi hệ thống điều khiển trình (Process Control System, PCS) Một hệ thống điều khiển trình chứa đựng toàn giải pháp đo lờng, điều khiển, vận hành giám sát nhằm đảm bảo yêu cầu trình thiết bị công nghệ nh chất lợng sản phẩm, sản lợng, hiệu sản xuất, an toàn cho ngời, máy móc môi trờng Trong sản xuất công nghiệp điều khiển trình đợc hiểu điều khiển thông số công nghệ trình sản xuất nh nhiệt độ, áp xuất, lu lợng, định lợng, mức, nồng độ, phản ứng hóa học Vì điều khiển trình thờng có thiết bị công nghiệp, công đoạn dây truyền sản xuất, đặc trng cho trình sản xuất liên tục nh nhà máy sản xuất hóa chất, nhiệt điện, vật liệu xây dựng, công nghiệp thực phẩm rợu bia Trong nhiều ngành công nghiệp cần sử dụng tới van để đống mở điều khiển mức nớc Có nhiều loại van khác nh van điều khiển nhờ tín hiệu dòng dến 20mA van đống mở ON OFF Van điều khiển thiết bị chấp hành phổ biến lĩnh vực điều khiển trình van điều khiển Van điều khiển điều chỉnh lu lợng chất lỏng nh gas, 10 nớc, nớc, hợp chất hóa học để bù đắp nhiễu tảI giữ biến trình cần điều khiển gần giá trị đặt mong muốn tốt Van điều khiển hình bao gồm thân van, phần chỉnh bên trong, cấu chấp hành cung cấp lực dẫn động để vận hành van, phụ kiện khác bao gồm định vị van, thiết bị chuyển đổi, điều chỉnh áp lực, chống rung công tắc giới hạn Van điều khiển phần thiết yếu mạch vòng điều khiển Không xác nói van điều khiển phần quan trọng mạch vòng, mạch vòng điều khiển nh chuỗi thiết bị, giống nh chuỗi khác, toàn chuỗi tốt nh liên kết yếu Điều quan trọng đảm bảo van điều khiển không phảI liên kết yếu Cấu trúc van điều khiển: Hình 1-7 Cấu trúc tiêu biểu van cầu khí nén 11 Một van điều khiển bao gồm thân van đợc ghép nối với chế chấp hành với phụ kiện liên quan Trên hình 1-7 hình ảnh mặt cắt van cầu khí nén với chế truyền động màng rung lò xo Phần thân van phụ kiện đợc gắn với đờng ống, đóng vai trò phần tử điều khiển Độ mở van lu lợng qua van đợc xác định hình dạng vị trí chốt van Khi sử dụng van có nhợc điểm giá thành cao thờng dùng co đờng ống có kích thớc trung bình nhỏ Với đờng ống có kích thớc lớn ngời ta thờng dung van đóng mở ON OFF Ngời ta thờng dùng động để đóng mở van này.Vì việc thiết kế hệ thống điều khiển van vấn đề quan trọng.Việc điều khiển van điều khiển hệ thống rơle, hệ thống điều khioển PID thông thờng điều khiển PID xung điều khiển mờ Đây vấn đề để tôI nghiên cứu luận văn 12 Bộ điều khiển PID chống bão hòa tích phân có thay đổi giá trị đạt trình mô lu lợng đầu out flow 66 Nhận xét Sau sử dụng PI PID chống bão hòa bão hòa tích phân, tợng dao động mức nớc bình không còn, trình đạt ổn định nhanh chóng - Độ điều chỉnh nhỏ - Thời gian độ ngắn 67 - Sai lệch tĩnh nhỏ nhng tồn 4.1.1 Sách lợc điều khiển tầng - Lu đồ P PI Sơ đồ Simulink Trờng hợp vòng để khâu P vòng để khâu P 68 Trờng hợp vòng khâu PI chống bão hòa tích phân vòng khâu có thay đổi giá trị đặt lu lợng đầu Out Flow 69 Trờng hợp vòng khâu PID vòng khâu P có thay đổi giá trị đặt lu lợng đầu out flow 70 *So sánh chất lợng điều khiển phản hồi điều khiển tầng - Khi thay đổi giá trị đặt trình thí nghiệm thấy hai sách lợc điều khiển đem lại kết tốt thời gian xác lập nhanh ssai lệch tĩnh nh độ điều chỉnh nhỏ - Khi thay đổi giá trị đặt lu lợng trình mô thấy điều khiển tầng có đáp ứng nhanh hơn, với độ điều chỉnh nhỏ Điều giảI thích đợc điều khiển tầng có khâu truyền thẳng tác động nhanh có thay đổi nhiễu đầu vào triêt tiêu nhiễu này, với điều khiển phản hồi, nhiễu thực ảnh hởng tới kết đợc xử lý 71 4.1 Bộ điều khiển mờ * Xác định ngõ vào Các ngõ vào gồm ngõ vào level(mức nớc) rate (chiều biến thiên mức nớc) Các ngõ gồm ngõ valve(điều khiển van) * Xác định biến ngôn ngữ Mức nớc level = ( cao, mức đặt, thấp) level= ( higt, ok, low) Chiều biến thiên rate = ( giảm, không đổi, tăng) Rate =(negative, none, positive) Điều khiển van valve = ( đóng nhanh, đóng chậm, không đổi, mở chậm, mở nhanh) valve=(close_fast, close_slow, no_change, open_slow, open_fast) Chọn đầu vào mức nớc level có giá trị biến ngôn ngữ nh hình vẽ sau: Chọn đầu vào chiều biến thiên rate có giá trị biến ngôn ngữ nh hình vẽ sau: 72 Xây dựng luật hợp thành Nếu level ok valve no_change Nếu level low valve open_fast Nếu level high valve close_fast Nếu level ok rate positive valve close_slow Nếu level ok rate negative valve open_slow * Giá trị biến ngôn ngữ valve nh hình vẽ sau Sơ đồ simulink với điều khiển mờ cho mức nớc Kết mô 73 74 4.3 Bộ điều khiển PID mờ Điều khiển mức nớc bình chứa toán thờng xuyên xuất điều khiển trình Mô hình bình chứa đợc sử dụng tài liệu [11],[12],[13] Bình có vòi chảy vào đỉnh vòi chảy đáy Lu lợng nớc chảy vào u(t) Bình hình trụ có tiết diện ngang A Mức nớc bình h(t) Nhiệm vụ điều khiển cần phải giữ cho mức nớc bình h(t) giá trị u(t) A h(t) Hình 1.28: Bình mức Ta xây dựng mô hình toán học bình: Vận tốc nớc đáy bình v = 2gh 75 Lu lợng nớc chảy khỏi bình ur = C.a diện vòi Ta có phơng trình: A gh với C số =1, a tiết dh = u(t) - C.a gh dt Chọn A= 100 cm ; a= cm g = 980 cm / s Ta có phơng trình: dh u( t ) = - 0.1 19.6h( t ) dt 100 Giới hạn lu lợng chảy vào bình từ cm3 / s đến 400 cm3 / s Đây đối tợng phi tuyến.Ta thiết kế hệ điều khiển mờ PI cho đối tợng Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển : KP r(t) Bộ điều khiển mờ E KD d dt KD I u(t ) Bình h(t ) Hình 1.29 r(t) tín hiệu đặt, mức nớc mong muốn h(t) mức nớc bình, đợc đo cảm biến đo mức u(t) tín hiệu điều khiển, lu lợng nớc chảy vào bình Bộ điều khiển mờ có hai đầu vào sai lệch E tín hiệu chủ đạo r(t) tín hiệu đối tợng h(t), đầu vào thứ hai tốc độ sai lệch DE ( đạo hàm theo thời gian sai lệch E ) Chọn cho đầu vào E 11 giá trị biến ngôn ngữ, tơng ứng với 11 tập mờ dạng tam giác khoảng [-1,1] Để đơn giản ta kí hiệu nh hình vẽ : E E E E E E -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 E1 E2 E3 E4 E5 0.2 0.4 0.6 0.8 76 e Hình 1.30 Với tốc độ sai lệch ta chọn 11 giá trị biến ngôn ngữ, tơng ứng với 11 tập mờ dạng tam giác khoảng [-1,1] , với kí hiệu : C C C C C C -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 C1 C2 C3 C4 C5 0.2 0.4 0.6 0.8 c Hình 1.31 Tập mờ đầu ta chọn dạng tam tam giác, nằm khoảng [-1,1] : -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0.2 0.4 0.6 0.8 u +3 +4 Hình 1.32 Ma trận mệnh đề hợp thành: U Ck j,k -5 -4 -3 -2 -1 +0 +1 +2 E j -5 -4 -1.0 -1.0 -1.0 -1.0 -1.0 -0.8 -0.6 -0.4 -3 -1.0 -1.0 -1.0 -1.0 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 -2 -1.0 -1.0 -1.0 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 -1 -1.0 -1.0 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 -1.0 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 -1.0 -1.0 -1.0 -1.0 -1.0 -1.0 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 -0.2 +5 0.0 0.0 +0.2 0.0 +0.2 +0.4 0.0 +0.2 +0.4 +0.6 0.0 +0.2 +0.4 +0.6 +0.8 0.0 +0.2 +0.4 +0.6 +0.8 +1.0 77 +1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 +2 -0.6 +3 -0.4 -0.4 -0.2 -0.2 +4 -0.2 +5 0.0 0.0 +0.2 +0.4 +0.6 +0.8 +1.0 +1.0 0.0 +0.2 +0.4 +0.6 +0.8 +1.0 +1.0 +1.0 0.0 +0.2 +0.4 +0.6 +0.8 +1.0 +1.0 +1.0 +1.0 0.0 +0.2 +0.4 +0.6 +0.8 +1.0 +1.0 +1.0 +1.0 +1.0 +0.2 +0.4 +0.6 +0.8 +1.0 +1.0 +1.0 +1.0 +1.0 +1.0 Luật hợp thành ta chọn theo dạng MAX- PROD Phơng pháp giải mờ trọng tâm Chọn hệ số khuếch đại : K P = 1/40 , K D =1/3 , K I = 400 Kết với giá trị đặt mức nớc 40 cm ta thu đợc: muc nuoc binh muc nuoc (cm) 40 30 20 10 0 20 40 60 luu luong nuoc chay vao binh 80 100 thoi gian (s) luu luong (cm3/s) 400 300 200 100 0 20 40 60 80 100 thoi gian (s) Hình 1.33 Khi tín hiêụ chủ đạo tín hiệu dạng sin , biên độ 40cm, chu kì 160s: 78 muc nuoc(cm) 60 Tín hiệu chủ 40 20 0 50 100 150 200 250 luu luong nuoc(cm3/s) thoi gian(s) 400 300 200 100 0 50 100 150 200 250 thoi gian(s) Hình 1.34 Khi có nhiều đầu đối tợng ( nhiễu đo) dạng ồn trắng khoảng [-1,1] đáp ứng hệ thống với giá trị đặt 40cm muc nuoc (cm) 60 40 20 0 20 40 60 80 100 thoi gian(s) luu luong (cm3/s) 400 300 200 100 0 20 40 60 79 80 100 thoi gian(s) Hình 1.35 Tài liệu tham khảo Hoàng Minh Sơn (2006) Cơ sở hệ thống điều khiển trình, NXB Bách khoa Hà Nội Nguyễn Doãn Phớc, Phan Xuân Minh (2004) Lý thuyết điều khiển mờ NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội Nguyễn Doãn Phớc (2005) Lý thuyết điều khiển tuyến tính NXB Khoa học kỹ thuật, Hà nội Nguyễn Phùng Quang (2005) Mathlab Simulink NXB Khoa học kỹ thuật, Hà nội Nguyễn Thơng Ngô (2005), Lý thuyết điều khiển tự động thông thờng đại NXB Khoa học kỹ thuật Hà nội 80 ... thống điều khiển trình 2.1- Tổng quan hệ thống điều khiển trình : 2.1.1- Quá trình biến trình : Điều khiển trình đợc hiểu ứng dụng kỹ thuật điều khiển tự động điều khiển, vận hành giám sát trình. .. thống điều khiển trình 13 2.1 Tổng quan hệ thống điều khiển trình 13 2.2 Mô hình hoá trình 19 2.3 Cơ sở thiết kế điều khiển 22 Chơng 3: Bộ điều khiển mờ 26 3.1 Khái niệm 26 3.2 Nguyên lý điều khiển. .. trúc tham sốcủa điều khiển Trong thực tế, hầu hết hệ thống điều khiển trình có cấu trúc điều khiển dựa kết hợp mở rộng hai nguyên lý điều khiển bản, điều khiển phân hồi điều khiển thẳng Hình