đồ án điều khiển động cơ sử dụng biến tần. hệ thống dây truyền dài có 2 động cơ 2 đầu×

ĐỒ ÁN MÔN LT ĐIỀU KHIỂN MỜ GVHD: PGS.TS TRẦN HOÀI AN PHẦN : GIỚI THIỆU Lời mở đầu Fuzzy logic trải qua thời gian dài từ lần đầu quan tâm lĩnh vực kỹ thuật tiến sĩ Lotfi Zadeh định hướng vào năm 1965 Từ đó, đề tài tập trung nhiều nghiên cứu nhà toán học, khoa học kỹ sư khắp nơi giới Nhưng có lẽ ý nghĩa (fuzzy-mờ) fuzzy logic không ý nhiều đất nước khai sinh cho đến thập kỷ cuối (90) Hiện ý đến fuzzy logic thể sản phẩm gia dụng gần có sử dụng kỹ thuật fuzzy logic Trong năm gần đây, Nhật Bản có 1000 sáng chế kỹ thuật fuzzy logic, họ thu hàng tỉ USD việc bán sản phẩm có sử dụng kỹ thuật fuzzy logic khắp nơi giới Sự kết hợp fuzzy logic với mạng thần kinh giải thuật di truyền làm cho việc tạo nên hệ thống tự động nhận dạng khả thi Khi tích hợp với khả học hỏi mạng thần kinh nhân tạo giải thuật di truyền, lực suy luận hệ thống fuzzy đảm nhận vai trò điều khiển cho sản phẩm thương mại trình cho hệ thống nhận dạng (hệ thống học hỏi suy luận) Trong phát triển khoa học kỹ thuật, điều khiển tự động đóng vai trò quan trọng Lĩnh vực có mặt khắp nơi, có qui trình cơng nghệ sản xuất đại đời sống hàng ngày Điều khiển mờ đời với sở lý thuyết lý thuyết tập mờ (fuzzy set) logic mờ (fuzzy logic) Ưu điểm kỹ thuật điều khiển mờ không cần biết trước đặc tính đối tượng cách xác, khác với kỹ thuật điều khiển kinh điển hồn tồn dựa vào thơng tin xác tuyệt đối mà nhiều ứng dụng không cần thiết khơng thể có Với ham muốn tìm hiểu ngành kỹ thuật điều khiển mẻ, chúng em thực việc nghiên cứu điều khiển mực nhiệt độ lưu lượng nước dựa phương pháp điều khiển mờ Vì thời gian trình độ bị hạn chế, giới hạn đề tài nên chắn khơng tránh khỏi hạn chế thiếu sót Chúng em mong nhận dẫn góp ý quý báu Thầy Cô để đề tài hoàn thiện TP HCM, tháng năm 2009 Học viên thực Nguyễn Phú Cơng HVTH: NGUYỄN PHÚ CÔNG Trang ĐỒ ÁN MÔN LT ĐIỀU KHIỂN MỜ GVHD: PGS.TS TRẦN HOÀI AN PHẦN : NỘI DUNG CHƯƠNG 1: MƠ HÌNH HỆ THỐNG I Yu cầu: Ta cần điều khiển dòng nước từ bồn nước Bồn nước gồm đầu vào dòng nước lạnh, đầu vào dòng nước nóng Đầu hỗn hợp hai dòng nước nóng lạnh u cầu đặt phải giữ nhiệt độ tốc độ dòng nước khơng đổi giá trị xác định trước dịng nước lạnh BỘ ĐIỀU KHIỂN dịng nước lạnh bồn nước dịng nước II Mơ hình vật lý: Dùng Vi xử lý bit ứng dụng giải thuật logic mờ để điều khiển nhiệt độ lưu chất Cần có khâu cảm biến để hồi tiếp về, khâu biến đổi A/D, D/A để chuyển đổi tín hiệu tương tự dạng số để VXL xử lý liệu chuyển đổi tín hiệu từ dạng số sang tương tự để điều khiển khối công suất Đối tượng cần điều khiển: HVTH: NGUYỄN PHÚ CÔNG Trang ĐỒ ÁN MƠN LT ĐIỀU KHIỂN MỜ GVHD: PGS.TS TRẦN HOÀI AN Gọi to nhiệt độ ngã vo vận tốc dòng chảy ngã Tn nhiệt độ dòng nước nóng Tl nhiệt độ dòng nước lạnh vận tốc dòng nước nóng vl vận tốc dòng nước lạnh Ta có mối quan hệ sau: to  Tn  vl Tl  vl vo vn  vl Vậy mơ hình tốn học hệ là: x1 + BỘ ĐIỀU KHIỂN x2 + T T T y1 KĐCS T KĐCS ĐỐI TƯỢNG y2 - T = 1s K1 T = 1s K2 Chọn thời gian lấy mẫu T = 1s, hệ số khuếch đại K1, K2 Biểu diễn mơ hình với biến dạng vector Đặt X = (x1, x2), Y = (y1, y2) Mơ hình trở thành: X + BỘ ĐIỀU KHI ỂN - S g(u) f(u) Y Với g(u) quan hệ vào khâu KĐCS f(u) quan hệ vào khâu đối tượng Xây dựng mô hình Matlab: HVTH: NGUYỄN PHÚ CÔNG Trang ĐỒ ÁN MƠN LT ĐIỀU KHIỂN MỜ GVHD: PGS.TS TRẦN HỒI AN  Thiết kế van nước lạnh: Van nước gồm biến ngõ vào tốc độ đóng/mở van, hai biến ngã nhiệt độ tốc độ dòng nước Nhiệt độ dòng nước lạnh 10oC Ngõ vào tốc độ đóng/mở van sau qua khâu tích phân qua khâu khuếch đại bão hồ Hàm f(u) khâu bão hoà xác định theo cơng thức: k.u(1).(k.u(1)u(2)) + u(2).(k.u(1)>u(2)) Với k.u(1) tín hiệu sau khâu tích phân, u(2) tốc độ cực đại van + Khi k.u(1)  u(2) ngã k.u(1), + Khi k.u(1) > u(2) ngã u(2)  Thiết kế van nước nóng: Tương tự van nước lạnh Nhiệt độ dòng nước nóng 30oC  Thiết kế khâu lưu tốc đặt trước: HVTH: NGUYỄN PHÚ CÔNG Trang ĐỒ ÁN MƠN LT ĐIỀU KHIỂN MỜ GVHD: PGS.TS TRẦN HỒI AN Khâu bao gồm tốc độ đặt trước máy phát tín hiệu thử  Thiết kế khâu nhiệt độ đặt trước: Khâu bao gồm nhiệt độ đặt trước máy phát tín hiệu thử  Thiết kế hàm đối tượng: Hàm lưu tốc: u(1)+u(3) Với u(1) tốc độ dòng nước nóng u(3) tốc độ dòng nước lạnh Hàm nhiệt độ: u (1).u (2)  u (3).u (4) u (1)  u (3) Với u(1) tốc độ dòng nước nóng u(2) nhiệt độ dòng nước nóng u(3) tốc độ dòng nước lạnh u(4) nhiệt độ dòng nước lạnh Hệ thống sau thiết kế có mơ sau: HVTH: NGUYỄN PHÚ CÔNG Trang ĐỒ ÁN MƠN LT ĐIỀU KHIỂN MỜ HVTH: NGUYỄN PHÚ CÔNG GVHD: PGS.TS TRẦN HỒI AN Trang ĐỒ ÁN MƠN LT ĐIỀU KHIỂN MỜ GVHD: PGS.TS TRẦN HOÀI AN CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID THEO PHƯƠNG PHÁP NICHOLS – ZIGLER Hệ thống điều khiển phương pháp PID có mơ sau: BỘ ĐIỀU KHIỂN PID thiết kế khâu PID: Việc chỉnh định thông số K p ; K i ; K d thực theo ngyên tắc bắt đầu chỉnh thông số cho K p sau đến chỉnh thơng số cho K d tiếp chỉnh thơng số cho K i Bằng phương pháp thử sai chọn thông số K p ; K i ; K d cho điều khiển PID cho đáp ứng “chấp nhận được” Qua qu trình thử sai em chọn thông số K p ; K i ; K d cho điều khiển sau: Bộ điều khiển PID thứ Kp = 0.0008, Ki = Kd = Bộ điều khiển PID thứ hai Kp = 50, Ki = 0.001, Kd = 0.000001 * Kết mô phỏng: Mô với nhiệt độ đặt trước 23oC Lưu tốc đặt trước 0.7m3/h + Đối với tín hiệu thử có biến thiên hàm xung vng có tần số fs1 = 0.01Hz, biên độ 0.3m3/h tốc độ dòng nước fs2 = 0.01Hz, biên độ 2.9oC nhiệt độ dòng nước Ta có đáp ứng sau: HVTH: NGUYỄN PHÚ CÔNG Trang ĐỒ ÁN MÔN LT ĐIỀU KHIỂN MỜ GVHD: PGS.TS TRẦN HỒI AN Đáp ứng lưu tốc (hai tín hiệu trùng nhau) Đáp ứng nhiệt độ + Đối với tín hiệu thử có biến thiên hàm sin có tần số fs1 = 0.01Hz, biên độ 0.3m3/h tốc độ dòng nước fs2 = 0.01Hz, biên độ 2.9oC nhiệt độ dòng nước Ta có đáp ứng sau: HVTH: NGUYỄN PHÚ CÔNG Trang ĐỒ ÁN MƠN LT ĐIỀU KHIỂN MỜ GVHD: PGS.TS TRẦN HOÀI AN Đáp ứng lưu tốc ( hai tín hiệu trùng nhau) Đáp ứng nhiệt độ  NHẬN XÉT: Đáp ứng hệ thống bám theo tín hiệu thử Đáp ứng lưu lượng đạt kết tốt: không tồn sai số xác lập, độ vọt lố 0, thời gian đáp ứng tốt Đáp ứng nhiệt độ chấp nhận HVTH: NGUYỄN PHÚ CÔNG Trang ĐỒ ÁN MƠN LT ĐIỀU KHIỂN MỜ GVHD: PGS.TS TRẦN HỒI AN CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ Thiết kế điều khiển Fuzzy: Bước Định nghĩa biến vào ra: Ta gọi nhiệt độ cần ổn định to Giả sử nhiệt độ môi trường cần điều khiển thay đổi khoảng (to - k, to + k) Sai lệch nhiệt độ cần điều khiển y1 tín hiệu chủ đạo x1.(Ký hiệu et):  et  (-k, k) oC Chọn k=20  et  (-20, 20) oC Gọi vo lưu tốc dòng nước cần giữ ổn định Giả sử lưu tốc cần điều khiển thay đổi khoảng (vo - V, vo + V) (kg/s) Sai lệch lưu tốc cần điều khiển y2 tín hiệu chủ đạo x2.(Ký hiệu ev):  ev  (-V, V) kg/s Chọn V=1  ev  (-1, 1) kg/s Đại lượng ngã vào điều khiển mờ tín hiệu sai lệch vận tốc ev tín hiệu sai lệch nhiệt độ et Để hệ thống đạt độ xác cao (sai lệch tĩnh 0) ta thêm vào khâu tích phân phía sau khối mờ Và tín hiệu ngõ điều khiển mờ tốc độ biến đổi công suất dp1 tương ứng với tốc độ đóng mở van nước nóng dp tương ứng tốc độ đóng mở van nước lạnh Giả sử dp1 (-p, p) kW/s dp2  (-p, p) kW/s Chọn p =  dp1, dp2  (-1, 1) kw/s Bước Chọn số lượng tập mờ: Ta chọn giá trị cho biến ngõ vào Đối với et: Cold, Good, Hot Đối với ev: Soft, Good, Hard Chọn giá trị cho biến ngõ ra: CloseFast, CloseSlow, Steady, OpenSlow, OpenFast Bước Xác định hàm liên thuộc: Ta chọn tập mờ có hình thang hình tam giác cân: HVTH: NGUYỄN PHÚ CÔNG Trang 10 ĐỒ ÁN MƠN LT ĐIỀU KHIỂN MỜ GVHD: PGS.TS TRẦN HOÀI AN Đối với hai biến cold hot, chọn hàm liên thuộc hình tam giác HVTH: NGUYỄN PHÚ CÔNG Trang 17 ĐỒ ÁN MƠN LT ĐIỀU KHIỂN MỜ GVHD: PGS.TS TRẦN HOÀI AN Trở lại FIS Editor, phần Defuzzification chọn phương pháp giải mờ Có phương pháp giải mờ như: Sử dụng Rule Editor để tạo bảng luật điều khiển cho điều khiển mờ Từ menu View, chọn Edit Rules để kích hoạt Rule Editor HVTH: NGUYỄN PHÚ CÔNG Trang 18 ĐỒ ÁN MƠN LT ĐIỀU KHIỂN MỜ GVHD: PGS.TS TRẦN HOÀI AN Để kiểm tra lại hoạt động điều khiển mờ, ta vào menu View, chọn View Rules Tại ô Input, ta nhập giá trị biến ngã vào để quan sát giá trị biến ngã Để xem luật điều khiển không gian, chọn View Surface menu View Tại Listbox Z(output) chọn cold hay hot để quan sát HVTH: NGUYỄN PHÚ CÔNG Trang 19 ĐỒ ÁN MƠN LT ĐIỀU KHIỂN MỜ GVHD: PGS.TS TRẦN HOÀI AN Sơ đồ hệ thống điều khiển HVTH: NGUYỄN PHÚ CÔNG Trang 20 ĐỒ ÁN MƠN LT ĐIỀU KHIỂN MỜ GVHD: PGS.TS TRẦN HOÀI AN Kết mô phỏng: Mô với nhiệt độ đặt trước 23oC Lưu tốc đặt trước 0.7m3/h + Đối với tín hiệu thử có biến thiên hàm xung vng có tần số fs1 = 0.3rad/s, biên độ 0.2m3/h tốc độ dòng nước fs2 = 0.2rad/s, biên độ 4oC nhiệt độ dòng nước Ta có đáp ứng sau: Đáp ứng lưu tốc HVTH: NGUYỄN PHÚ CÔNG Trang 21 ĐỒ ÁN MƠN LT ĐIỀU KHIỂN MỜ GVHD: PGS.TS TRẦN HOÀI AN Đáp ứng nhiệt độ + Đối với tín hiệu thử có biến thiên hàm sin có tần số fs1 = 0.3rad/s, biên độ 0.2m /h tốc độ dòng nước fs2 = 0.2rad/s, biên độ 4oC nhiệt độ dòng nước Ta có đáp ứng sau: Đáp ứng lưu tốc HVTH: NGUYỄN PHÚ CÔNG Trang 22 ĐỒ ÁN MƠN LT ĐIỀU KHIỂN MỜ GVHD: PGS.TS TRẦN HOÀI AN Đáp ứng nhiệt độ HVTH: NGUYỄN PHÚ CÔNG Trang 23 ĐỒ ÁN MƠN LT ĐIỀU KHIỂN MỜ GVHD: PGS.TS TRẦN HỒI AN CHƯƠNG : KHẢO SÁT ĐỐI TƯỢNG KHI CÓ TÁC ĐỘNG NHIỄU Hệ thống có tác động nhiễu: Với tín hiệu nhiễu sau: * Kết mơ phỏng: Mô với nhiệt độ đặt trước 23oC Lưu tốc đặt trước 0.7m3/h + Đối với tín hiệu thử có biến thiên hàm xung vng có tần số fs1 = 0.3rad/s, biên độ 0.2m3/h tốc độ dòng nước fs2 = 0.2rad/s, biên độ 4oC nhiệt độ dòng nước Ta có đáp ứng sau: HVTH: NGUYỄN PHÚ CÔNG Trang 24 ĐỒ ÁN MƠN LT ĐIỀU KHIỂN MỜ GVHD: PGS.TS TRẦN HOÀI AN Đáp ứng lưu tốc Đáp ứng nhiệt độ + Đối với tín hiệu thử có biến thiên hàm sin có tần số fs1 = 0.3rad/s, biên độ 0.2m /h tốc độ dòng nước fs2 = 0.2rad/s, biên độ 4oC nhiệt độ dòng nước Ta có đáp ứng sau: HVTH: NGUYỄN PHÚ CÔNG Trang 25 ĐỒ ÁN MƠN LT ĐIỀU KHIỂN MỜ GVHD: PGS.TS TRẦN HỒI AN Đáp ứng lưu tốc Đáp ứng nhiệt độ * Nhận xt: Ta thấy có nhiễu tác động lên đối tượng thh́ tín hiệu khơng mịn, dao động theo biên độ tín hiệu nhiễu, độ vọt lố, thời gian tăng trưởng thời gian xác lập tín hiệu khơng thay đổi chưa có nhiễu HVTH: NGUYỄN PHÚ CÔNG Trang 26 ĐỒ ÁN MÔN LT ĐIỀU KHIỂN MỜ GVHD: PGS.TS TRẦN HOÀI AN CHƯƠNG : KHẢO SÁT KHI ĐỐI TƯỢNG CÓ KHÂU PHI TUYẾN VÀ CÓ NHIỄU Hệ thống điều khiển sau: * Kết mô phỏng: Mô với nhiệt độ đặt trước 23oC Lưu tốc đặt trước 0.7m3/h + Đối với tín hiệu thử có biến thiên hàm xung vng có tần số fs1 = 0.3rad/s, biên độ 0.2m3/h tốc độ dòng nước fs2 = 0.2rad/s, biên độ 4oC nhiệt độ dòng nước Ta có đáp ứng sau: HVTH: NGUYỄN PHÚ CÔNG Trang 27 ĐỒ ÁN MƠN LT ĐIỀU KHIỂN MỜ GVHD: PGS.TS TRẦN HOÀI AN Đáp ứng lưu tốc Đáp ứng nhiệt độ + Đối với tín hiệu thử có biến thiên hàm sin có tần số fs1 = 0.3rad/s, biên độ 0.2m /h tốc độ dòng nước fs2 = 0.2rad/s, biên độ 4oC nhiệt độ dòng nước Ta có đáp ứng sau: HVTH: NGUYỄN PHÚ CÔNG Trang 28 ĐỒ ÁN MƠN LT ĐIỀU KHIỂN MỜ GVHD: PGS.TS TRẦN HOÀI AN Đáp ứng lưu tốc Đáp ứng nhiệt độ * Kết luận: Từ kết mơ trn ta thấy cĩ khu phi tuyến vo đáp ứng ng thay đổi không đáng kể so với hệ thống điều khiển khơng có khâu phi tuyến khâu phi tuyến ảnh hưởng khơng đáng kể qu trình điều khiển FUZZY HVTH: NGUYỄN PHÚ CÔNG Trang 29 ĐỒ ÁN MƠN LT ĐIỀU KHIỂN MỜ GVHD: PGS.TS TRẦN HỒI AN Kết luận đề nghị Sau thời gian thiết kế điều khiển lưu lượng v nhiệt độ nước phương pháp PID cổ điển v phương php mờ đạt kết khả quan Cụ thể: - Đáp ứng hệ thống cải thiện đáng kể so với đáp ứng nguyên thủy tín hiệu điều khiển ng đ bm theo tín hiệu đặt ng vo - Đáp ứng hệ thống bị ảnh hưởng cho nhiễu tác động lên đối tượng đối tượng có khâu phi tuyến Đây ưu điểm lớn điều khiển mờ Tuy nhin, qu trình thiết kế cịn nhiều vấn đề: - Đáp ứng hệ thống bị thay đổi nhiều tín hiệu nhiễu có biên độ lớn - Điểm xuất phát đáp ứng thay đổi đối tượng cĩ khu phi tuyến Hướng khắc phục: - Thiết kế lọc nhiễu nhằm làm giảm ảnh hưởng nhiễu nhiễu có biên độ lớn - Thiết kế mạch cắt biên độ khâu phi tuyến Do lần đầu làm đồ án môn lý thuyết điều khiển mờ v kiến thức cịn hạn chế nn khơng tránh khỏi sai sót Mong nhận thơng cảm đóng góp ý kiến q Thầy v cc bạn Trn trọng kính cho! HVTH: NGUYỄN PHÚ CÔNG Trang 30 ĐỒ ÁN MƠN LT ĐIỀU KHIỂN MỜ GVHD: PGS.TS TRẦN HOÀI AN TÀI LỊÊU THAM KHẢO PGS.TS Trần Hồi An - Fuzzy Control Theory S.N Sivanandam, S Sumathi and S.N Deepa - Fuzzy Logic with Matlab Heikki N Koivo - Basic using Matlab Fuzzy Toolbox Website: http://www.dieukhien.net http://www.matlabvn.com http://www.dientuvietnam.net HVTH: NGUYỄN PHÚ CÔNG Trang 31 ... đổi không đáng kể so với hệ thống điều khiển khơng có khâu phi tuyến khâu phi tuyến ảnh hưởng không đáng kể qu trình điều khiển FUZZY HVTH: NGUYỄN PHÚ CÔNG Trang 29 ĐỒ ÁN MÔN LT ĐIỀU KHIỂN MỜ GVHD:... HVTH: NGUYỄN PHÚ CÔNG Trang 19 ĐỒ ÁN MƠN LT ĐIỀU KHIỂN MỜ GVHD: PGS.TS TRẦN HOÀI AN Sơ đồ hệ thống điều khiển HVTH: NGUYỄN PHÚ CÔNG Trang 20 ĐỒ ÁN MÔN LT ĐIỀU KHIỂN MỜ GVHD: PGS.TS TRẦN HỒI AN... thay đổi chưa có nhiễu HVTH: NGUYỄN PHÚ CÔNG Trang 26 ĐỒ ÁN MƠN LT ĐIỀU KHIỂN MỜ GVHD: PGS.TS TRẦN HOÀI AN CHƯƠNG : KHẢO SÁT KHI ĐỐI TƯỢNG CÓ KHÂU PHI TUYẾN VÀ CÓ NHIỄU Hệ thống điều khiển sau: