ĐIỀU KHIỂN HỆ HAI BỒN NƯỚC DÙNG THUẬT TOÁN TỐI ƯU BẦY ĐÀN

Việc hiệu chỉnh bộ điều khiển PID cần phải dựa vào kinh nghiệm chuyên gia và mang tính “thử sai” và tốn nhiều công sức thời gian cho việc điều chỉnh ba tham số: Kp (tỷ lệ), Ki (tích phân) và Kd (vi phân) để phù hợp cho từng đối tượng điều khiển., do đó người thiết kế muốn đạt được giá trị như mong đợt đối với đối tượng phức tạp mà kết quả có được sẽ không tối ưu. Vấn đề tự chỉnh các thông số cho bộ điều khiển PID đã được đề xướng bằng nhiều phương pháp khác nhau như dùng giải thuật di truyền (Genetic Algorithm) hoặc mô phỏng tôi luyện (Simulated Annealing),..…Tuy nhiên mỗi phương pháp đều có những hạn chế riêng của nó. Những năm gần đây một phương pháp mới ra đời để tự chỉnh các tham số cho bộ điều khiển PID sử dụng thuật toán tối ưu hóa Bầy đàn (Particles Swarm Optimization PSO) được xem là có hiệu quả. PSO là một kỹ thuật ngẫu nhiên dựa vào quần thể được phát triển bởi Kennedy và Eberhart vào năm 1995, là phần thuộc lĩnh vực nghiên cứu quần thể thông minh (Swarm Intelligence SI), nằm trong tính toán tiến hóa – Evolution computation. Với ý tưởng nghiên cứu trong quần thể thông minh dựa trên quan hệ của cá thể trong quần thể, là cách ứng xử của các cá thể trong quần thể, cách thức tự tổ chức và hoạt động của quần thể. Từ những ý tưởng này đều xuất phát từ việc quan sát các quần thể sinh vật trong tự nhiên. Như cách thức tìm kiếm thức ăn của bầy chim hay đàn kiến, với cách thức mà đàn kiến tìm thức ăn từ tổ của chúng xuất phát trên nhiều đường đi…

MỤC LỤC Trang phụ bìa………………………………………………………………… Lời cam đoan, lời cảm ơn …………………………………………………… i Mục lục……………………………………………………………………… Danh mục hàm, ký hiệu, từ viết tắt ………………………………………5 Danh mục bảng biểu………………………………………………………… Danh mục hình vẽ…………………………………………………… …7 MỞ ĐẦU ………………………………………………………………… …9 Chƣơng 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN ĐỀ TÀI………………………… 11 1.1 Đặt vấn đề…………………………………………………………….11 1.2 Tổng quan chung lãnh vực nghiên cứu……………………… … 12 1.3 Mục tiêu phạm vi nghiên cứu……………………………… …….13 1.3.1 Mục tiêu nghiên cứu………………………………………………….13 1.3.2 Phạm vi nghiên cứu……………………………………………… …13 1.4 Tóm lƣợc nội dung luận văn……………………………………… ….13 Chƣơng 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT …………… ……………………………15 2.1 Bộ điều khiển PID…………………………………………………….15 2.2 Ảnh hƣởng hiệu chỉnh thông số điều khiển PID… …18 2.3 Hiệu chỉnh điều khiển PID theo phƣơng pháp Zieghler-Nichols 19 2.3.1 Phƣơng pháp Zieghler-Nichols thứ nhất…………………………… 19 2.3.2 Phƣơng pháp Zieghler-Nichols thứ hai………………………….… 20 Luận án thạc sĩ kỹ thuật 2.4 Thuật toán PSO tối ƣu hóa tham số điều khiển PID………… ….22 2.4.1 Giới thiệu thuật toán tối ƣu bầy đàn (PSO)………………….… … 22 2.4.2 Giải thuật cho thuật toán PSO…………………………….…… … 25 2.4.3 Những vấn đề cần quan tâm xây dựng giải thuật PSO…… … 26 2.4.3.1 Hàm thích nghi…………………………………………… …… 26 2.4.3.2 Hàm vận tốc……………………………………………… … …26 2.4.3.3 Số lƣợng cá thể……………………………………………….… 27 2.4.3.4 Trọng số quán tính  …………………………………………… 27 2.4.3.5 Các hệ số gia tốc C1 C2 .28 2.4.3.6 Điều khiện dừng……………………………………… …………28 2.4.4 Đặc điểm ứng dụng giải thuật PSO………………………… 28 2.5 Bộ điều khiển PSO-PID…………………… …………………………30 Chƣơng 3: GIỚI THIỆU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN HAI BỒN NƢỚC MÔ HÌNH TOÁN HỌC VÀ PHẦN MỀM LABVIEW ỨNG DỤNG TRONG ĐIỀU KHIỂN……………………………………………………………… 35 3.1 Giới thiệu mô hình hệ hai bồn nƣớc lien kết………………………….35 3.2 Mô hình toán học hệ bồn chứa chất lỏng…………………………36 3.3 Giới thiệu phần mềm LabView ứng dụng điều khiển…… … 40 Chƣơng 4: XÂY DỰNG MÔ HÌNH MATLAB/SIMULINK ĐIỀU KHIỂN HỆ HAI BỒN NƢỚC DÙNG GIẢI THUẬT TỐI ƢU THÔNG SỐ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID………………………………………………………………….43 4.1 Xây dựng hệ thống hai bồn nƣớc lien kết Matlab/Simulink……43 4.2 Điều khiển hệ hai bồn nƣớc………………………………………… 45 Luận án thạc sĩ kỹ thuật 4.3 Điều khiển PSO-PID hệ hai bồn nƣớc liên kết……………………….47 4.4 Mô hình mô điều khiển PID hệ hai bồn nƣớc liên kết theo phƣơng pháp chỉnh định thông số……………………………………54 4.4.1 Sơ đồ simulink điều khiển PID hệ hai bốn nƣớc…………………… 55 4.4.2 Kết mô điều khiển PID……………………………… 55 Chƣơng 5: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH THỰC ĐIỀU KHIỂN HỆ 02 BỒN NƢỚC DÙNG GIẢI THUẬT TỐI ƢU BẦY ĐÀN ỨNG DỤNG PHẦN MỀM LABVIEW…………………………………………… …….56 5.1 Sơ đồ khối cho hệ thống điều khiển hệ 02 bồn nƣớc lien kết… …….56 5.2 Thiết kế cấu trúc phần cứng ………………………………………….56 5.3 Mô tả phần tử cấu trúc phần cứng………………………….57 5.3.1 Phần cứng mô hình thực hệ hai bồn nƣớc……………….……….57 5.3.2 Thông số kỹ thuật card NI-USB 6008………………………….…… 58 5.3.3 PWM ( bo mạch điều khiển độ rộng xung)…………… ………….…60 5.3.4 Bộ nguồn cung cấp……………………………………………………61 5.4 Mô hình thực hệ hai bồn nƣớc liên kết………… ………………62 5.5 Mô hình điều khiển máy tính…………………………………….63 5.6 Kết điều khiển mô hình thực…………………………………… 64 Chƣơng 6: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI……………65 6.1 Kết luận……………………………………………………………….65 6.1.1 Kết đạt đƣợc………………………………… …………………65 6.1.2 Hạn chế đề tài……………………………………………… … 66 Luận án thạc sĩ kỹ thuật 6.2 Hƣớng phát triển đề tài…………………………………………66 Tài liệu tham khảo…………………………………………………… … 67 Luận án thạc sĩ kỹ thuật DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT TT Từ viết tắt Diễn giải PID PWM Pulse-width modulation PSO Particle Swarm Optimization GA Genetic algorithm ITAE Integrated off Time multiplied Absolute Error MIMO Multi Input Multi Output LABVIEW Proportional-Integral-Drivative Laboratory Virtual Instrumentation Workbench NI-USB 6008 Card National Instruments Luận án thạc sĩ kỹ thuật Engineering DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Ảnh hƣởng việc tăng thông số Kp, Ki, Kd lên đáp ứng hệ thống………………………………………………… ………………….19 Bảng 2.2 Thông số điều khiển P, PI, PID theo phƣơng pháp ZeighlerNichols thứ nhất…………………………………………………………… 20 Bảng 2.3 Thông số điều khiển P, PI, PID theo phƣơng pháp ZeighlerNichols thứ hai………………………………………………………………21 Bảng 2.4 Thông số giải thuật tối ƣu bầy đàn………………………… 23 Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật hệ hai bồn nƣớc …………………………… 36 Bảng 4.1 Các giá trị thông số mô hình hệ hai bồn nƣớc …………… 44 Luận án thạc sĩ kỹ thuật DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 2.1 Sơ đồ khối điều khiển PID…………………………………… 16 Hình 2.2 Đáp ứng nấc hệ thống hở có dạng chữ S………………… …20 Hình 2.3 Đáp ứng nấc hệ thống kín K=Kgh ……… ……………….21 Hình 2.4 Sơ đồ cập nhật vị trí cá thể thuật toán tối ƣu bầy đàn………………………………………………………………………… 23 Hình 2.5 Lƣu đồ thuật toán PSO…………………………………………….25 Hình 2.6 Bộ điều khiển PID giải thuật bầy đàn……………….……….30 Hình 2.7 Lƣu đồ giải thuật cho thuật toán điều khiển PSO-PID…………….31 Hình 3.1 Mô hình hệ bồn nƣớc liên kết…………………… ……………….35 Hình 3.2 Block diagram Labview……………….…….………………41 Hình 4.1 Mô hình simulink đối tƣợng hệ hai bồn nƣớc liên kết…………….43 Hình 4.2 Mô hình simulink bên khối hệ hai bồn nƣớc liên kết……….44 Hình 4.3 Mô hình simulink tổng quát điều khiển hệ hai bồn nƣớc liên kết 46 Hình 4.4 Giao diện mô tổng quát điều khiển hệ hai bồn nƣớc…… 46 Hình 4.5 Kết mô phỏng…………………………………………………47 Hình 4.6 Kết hàm thích nghi qua 10 hệ…………………………… 48 Hình 4.7 kết mô qua 10 hệ, kích thƣớc bầy đàn n=10……….49 Hình 4.8 Kết hàm thích nghi qua 15 hệ…………………………… 50 Hình 4.9 kết mô qua 15 hệ, kích thƣớc bầy đàn n=20……….50 Hình 4.10 Kết hàm thích nghi qua 40 hệ……………………………51 Hình 4.11 kết mô qua 40 hệ, kích thƣớc bầy đàn n=50… …51 Hình 4.12 kết mô qua 10 hệ, kích thƣớc bầy đàn n=10, 20,30…………………………………………………………………………52 Luận án thạc sĩ kỹ thuật Hình 4.13 kết mô qua kích thƣớc bầy đàn 20, hệ 10, 15, 20 53 Hình 4.14 Mô hình simulink điều khiển PID cho hệ hai bồn nƣớc…… 54 Hình 4.15 Sơ đồ simulink điều khiển hệ hai bồn nƣớc…………………… 55 Hình 4.16 Kết mô điều khiển PID……………………………55 Hình 5.1 Sơ đồ khối điều khiển mô hình thực………………………………56 Hình 5.2 Cấu trúc phần cứng……………………………………………… 56 Hình 5.3 Cảm biến áp suất EW-68075-10………………………………… 57 Hình 5.4 Sơ đồ khối card NI-USB 6008 chân đấu Input, Output……… 58 Hình 5.5 Mạch điều khiển độ rộng xung………………………………… 60 Hình 5.6 Mạch nguồn cung cấp…………………………………………… 61 Hình 5.7 Mô hình thực chế tạo hệ hai bồn nƣớc liên kết……………………62 Hình 5.8 Mô hình thực card mạch điều khiển xung………………….… 63 Hình 5.9 Mô hình điều khiển máy tính………………… ………….…64 Hình 5.10 Kết điều khiển mô hình thực……………………… ….64 Luận án thạc sĩ kỹ thuật MỞ ĐẦU Ngày nay, việc ứng dụng công nghệ tự động hoá mang lại lợi ích to lớn nhiều mặt nhƣ đảm bảo nâng cao chất lƣợng sản phẩm, nâng cao suất hiệu sản xuất, cải thiện điều kiện làm việc đóng vai tr tích cực việc tiết kiệm lƣợng, tiết kiệm nguyên vật liệu giữ gìn bảo vệ môi sinh Mỗi ngày kỹ thuật tự động hoá tiếp tục đƣợc phát triển theo hƣớng tối ƣu hóa, với việc dần chuyển sang ứng dụng lý thuyết điều khiển thông minh vào công nghiệp củng nhƣ đời sống Song song với giải thuật điều khiển kinh điển lâu đời, giải thuật thông minh ngày phát triển đóng vai trò quan trọng hệ thống điều khiển Ban đầu kết hợp giải thuật kinh điển Giải thuật thông minh nhƣ Bộ điều khiển mờ PID điều khiển động cơ, l nhiệt, mực chất lỏng, cánh tay Robot… Bộ điều khiển PID điều khiển phổ biến công nghiệp, với thiết kế đơn giản nhƣng giải pháp hiệu cho nhiều vấn đề điều khiển khác Việc điều chỉnh ba tham số Kp, Ki, Kd điều khiển PID cho phù hợp với đối tƣợng điều khiển vấn đề đặt ngƣời thiết kế Phần lớn tham số đƣợc xác định dựa vào kinh nghiệm (chuyên gia) mang tính “thử sai” nên nhiều thời gian để điều chỉnh gặp đối tƣợng phức tạp mà kết có đƣợc không đƣợc khả quan Gần phƣơng pháp tự chỉnh tham số điều khiển PID sử dụng thuật toán tối ƣu hóa Bầy đàn (Particles Swarm Optimization - PSO) đƣợc xem có hiệu PSO kỹ thuật ngẫu nhiên dựa vào quần thể, phần lớn thuộc lĩnh vực nghiên cứu quần thể thông minh Thuật toán đƣợc ứng dụng tất lĩnh vực đ i hỏi phải giải toán tối ƣu hóa Luận án thạc sĩ kỹ thuật Trong luận văn này, tác giả sử dụng thuật toán tối ƣu bầy đàn đƣợc ứng dụng để tối ƣu hóa tham số cho điều khiển PID đƣợc áp dụng để điều khiển hệ hai bồn nƣớc Đây đối tƣợng điều khiển phi tuyến Hệ thống điều khiển hai bồn nƣớc vấn đề kiểm soát cổ điển đƣợc áp dụng nhiều thực tế đặc tính động học Nhờ tính động học mà hệ hai bồn nƣớc đƣợc nhà nghiên cứu sử dụng nhƣ mô hình chuẩn để thử nghiệm thuật toán điều khiển Các kết thu đƣợc từ việc mô điều khiển mô hình thực có hiệu Luận án thạc sĩ kỹ thuật