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

Khi được tích hợp với khả năng học hỏi củamạng thần kinh nhân tạo và giải thuật di truyền, năng lực suy luận của một hệ thống fuzzyđảm nhận vai trò điều khiển cho các sản phẩm thương mại

Lời mở đầu

Fuzzy logic đã trải qua một thời gian dài từ khi lần đầu được quan tâm trong lĩnh vực

kỹ thuật khi được tiến sĩ Lotfi Zadeh định hướng vào năm 1965 Từ đó, đề tài đã là sự tậptrung của nhiều nghiên cứu của các nhà toán học, khoa học và các kỹ sư ở khắp nơi trên thếgiới Nhưng có lẽ là do ý nghĩa (fuzzy-mờ) cho nên fuzzy logic đã không được chú ý nhiều

ở tại đất nước đã khai sinh ra nó cho mãi đến thập kỷ cuối (90) Hiện tại sự chú ý đến fuzzylogic được thể hiện ở những sản phẩm gia dụng gần đây có sử dụng kỹ thuật fuzzy logic.Trong những năm gần đây, Nhật Bản đã có hơn 1000 bằng sáng chế về kỹ thuật fuzzy logic,

và họ đã thu được hàng tỉ USD trong việc bán các sản phẩm có sử dụng kỹ thuật fuzzy logic

ở khắp nơi trên thế giới

Sự kết hợp giữa fuzzy logic với mạng thần kinh và giải thuật di truyền làm cho việctạo nên hệ thống tự động nhận dạng là khả thi Khi được tích hợp với khả năng học hỏi củamạng thần kinh nhân tạo và giải thuật di truyền, năng lực suy luận của một hệ thống fuzzyđảm nhận vai trò điều khiển cho các sản phẩm thương mại và các quá trình cho các hệ thốngnhận dạng (hệ thống có thể học hỏi và suy luận)

Trong sự phát triển của khoa học và kỹ thuật, điều khiển tự động đóng một vai tròquan trọng Lĩnh vực này có mặt ở khắp mọi nơi, nó có trong các qui trình công nghệ sảnxuất hiện đại và ngay cả trong đời sống hàng ngày Điều khiển mờ ra đời với cơ sở lý thuyết

là lý thuyết tập mờ (fuzzy set) và logic mờ (fuzzy logic) Ưu điểm cơ bản của kỹ thuật điềukhiển mờ là không cần biết trước đặc tính của đối tượng một cách chính xác, khác với kỹthuật điều khiển kinh điển là hoàn toàn dựa vào thông tin chính xác tuyệt đối mà trong nhiềuứng dụng là không cần thiết hoặc không thể có được

Với những ham muốn tìm hiểu một ngành kỹ thuật điều khiển mới mẻ, chúng em thựchiện việc nghiên cứu điều khiển mực nhiệt độ và lưu lượng nước dựa trên phương pháp điềukhiển mờ Vì thời gian và trình độ còn bị hạn chế, cũng do giới hạn đề tài nên chắc chắnkhông tránh khỏi những hạn chế và thiếu sót Chúng em mong nhận được sự chỉ dẫn góp ýquý báu của các Thầy Cô để đề tài được hoàn thiện hơn

TP HCM, tháng 4 năm 2009

Học viên thực hiện

Nguyễn Phú Công

II Mơ hình vật lý:

Dùng Vi xử lý 8 bit ứng dụng giải thuật logic mờ để điều khiển nhiệt độ của lưu chất

ra Cần có các khâu cảm biến để hồi tiếp về, các khâu biến đổi A/D, D/A để chuyển đổi tínhiệu tương tự về dạng số để VXL xử lý dữ liệu và chuyển đổi tín hiệu từ dạng số sang tương

tự để điều khiển khối công suất

BỘ

dịng nước lạnh dịng nước lạnh

bồn nước

l l n n o

v v

T v T v

v  

Vậy mô hình toán học của hệ là:

Chọn thời gian lấy mẫu T = 1s, các hệ số khuếch đại K1 , K 2 bằng 1.

Biểu diễn mô hình với các biến dưới dạng vector

Đặt X = (x1 , x 2 ), Y = (y 1 , y 2 )

Mô hình trở thành:

Với g(u) là quan hệ vào ra của khâu KĐCS.

f(u) là quan hệ vào ra của khâu đối tượng.

2 Xây dựng mô hình trên Matlab:

BỘ ĐIỀU KHIỂN

- Thiết kế van nước lạnh:

Van nước gồm một biến ngõ vào là tốc độ đóng/mở van, hai biến ngã ra là nhiệt độ vàtốc độ của dòng nước

Nhiệt độ của dòng nước lạnh là 10oC

Ngõ vào tốc độ đóng/mở van sau khi qua khâu tích phân rồi được qua khâu khuếch đạibão hoà

Hàm f(u) của khâu bão hoà được xác định theo công thức:

k.u(1).(k.u(1)u(2)) + u(2).(k.u(1)>u(2))

Với k.u(1) là tín hiệu ra sau khâu tích phân,

u(2) tốc độ cực đại của van.

+ Khi k.u(1)  u(2) thì ngã ra là k.u(1),

+ Khi k.u(1) > u(2) thì ngã ra là u(2).

 Thiết kế van nước nóng:

Tương tự như đối với van nước lạnh Nhiệt độ của dòng nước nóng là 30oC

Khâu bao gồm tốc độ đặt trước và máy phát tín hiệu thử.

 Thiết kế khâu nhiệt độ đặt trước:

Khâu bao gồm nhiệt độ đặt trước và máy phát tín hiệu thử

 Thiết kế hàm đối tượng:

Hàm lưu tốc:

u(1)+u(3)

Với u(1) là tốc độ của dòng nước nóng.

u(3) là tốc độ của dòng nước lạnh.

Hàm nhiệt độ:

)3()1(

)4()

3()2()

1

(

u u

u u u

u





Với u(1) là tốc độ của dòng nước nóng.

u(2) là nhiệt độ của dòng nước nóng.

u(3) là tốc độ của dòng nước lạnh.

u(4) là nhiệt độ của dòng nước lạnh.

Hệ thống sau khi thiết kế có mô hình như sau:

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID THEO PHƯƠNG

PHÁP NICHOLS – ZIGLER

Hệ thống điều khiển bằng phương pháp PID có mô hình như sau:

BỘ ĐIỀU KHIỂN PID được thiết kế bằng 2 khâu PID:

Việc chỉnh định thông số K K K p; ;i d được thực hiện theo ngyên tắc bắt đầu chỉnhthông số choK p sau đó đến chỉnh thông số cho K d tiếp đó chỉnh thông số cho K i Bằngphương pháp thử sai này chúng ta chọn ra được bộ thông số K K K p; ;i d cho bộ điều khiểnPID sao cho đáp ứng của nó có thể “chấp nhận được”

Qua qu trình thử sai em chọn được bộ thông sốK K K p; ;i d cho bộ điều khiển như sau:

Bộ điều khiển PID thứ nhất Kp = 0.0008, Ki = Kd = 0

Bộ điều khiển PID thứ hai Kp = 50, Ki = 0.001, Kd = 0.000001

* Kết quả mô phỏng:

Mô phỏng với nhiệt độ đặt trước là 23 o C Lưu tốc đặt trước là 0.7m 3 /h.

+ Đối với tín hiệu thử có sự biến thiên là hàm xung vuông có tần số là

f s1 = 0.01Hz, biên độ là 0.3m 3 /h đối với tốc độ dòng nước ra và f s2 = 0.01Hz, biên độ là 2.9 o C đối với nhiệt độ của dòng nước ra Ta có các đáp ứng sau:

Đáp ứng của lưu tốc (hai tín hiệu trùng nhau)

Đáp ứng của nhiệt độ

+ Đối với tín hiệu thử có sự biến thiên là hàm sin có tần số là

f s1 = 0.01Hz, biên độ là 0.3m 3 /h đối với tốc độ dòng nước ra và f s2 = 0.01Hz, biên độ là 2.9 o C đối với nhiệt độ của dòng nước ra Ta có các đáp ứng sau:

Đáp ứng của lưu tốc ( hai tín hiệu trùng nhau)

Đáp ứng của nhiệt độ

Đáp ứng ra của hệ thống bám theo tín hiệu thử

Đáp ứng về lưu lượng đạt kết quả tốt: không tồn tại sai số xác lập, độ vọt lố bằng 0, thời gian đáp ứng tốt

Đáp ứng về nhiệt độ chấp nhận được

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ

Thiết kế bộ điều khiển Fuzzy:

Bước 1 Định nghĩa các biến vào ra:

Ta gọi nhiệt độ cần ổn định là to Giả sử nhiệt độ môi trường cần điều khiển thay đổi trong khoảng (to - k, t o + k).

Sai lệch giữa nhiệt độ cần điều khiển y1 và tín hiệu chủ đạo x1.(Ký hiệu là et):

Ta chọn 3 giá trị cho các biến ngõ vào

Đối với et: Cold, Good, Hot

Đối với ev: Soft, Good, Hard

Chọn 5 giá trị cho các biến ngõ ra: CloseFast, CloseSlow, Steady, OpenSlow,OpenFast

Bước 3 Xác định hàm liên thuộc:

Ta chọn tập mờ có hình thang và hình tam giác cân:

Bước 4 Xây dựng các luật điều khiển:

Rời rạc hóa hàm liên thuộc:

Đối với biến vào sai lệch nhiệt độ et (temp):

012flow

tempColdGoodHot0 SoftOpenSlowOpenSlowOpenFast1GoodCloseSlowSteadyOpenSlow2H

012flow

tempColdGoodHot0 SoftOpenFastOpenSlowOpenSlow1GoodOpenSlowSteadyCloseSlow2H

r l k (i, j) = MIN( k (x i ),  k (y j ),  k (z l ))

Mô hình luật điều khiển chung

Đối với biến ra thứ hai

Tương tự như biến thứ nhất

dz z y z

)(

)('

l l n n o

v v

T v T v

l1

l n

v  

Vậy mô hình toán học của hệ là:

Chọn thời gian lấy mẫu T = 1s, các hệ số khuếch đại K1 , K 2 bằng 1.

Biểu diễn mô hình với các biến dưới dạng vector

Đặt X = (x1 , x 2 ), Y = (y 1 , y 2 )

Mô hình trở thành:

Với g(u) là quan hệ vào ra của khâu KĐCS.

f(u) là quan hệ vào ra của khâu đối tượng.

Mô phỏng trên MatLab:

1 Các công cụ về Fuzzy trong MatLab:

FIS Editor là một chương trình tạo lập bộ điều khiển mờ cơ bản, trong đó có cảchương trình tạo lập hàm liên thuộc, chương trình soạn thảo hàm liên thuộc, …

a FIS Editor:

FIS Editor cho phép xác định số đầu vào, số đầu ra, đặt tên các biến vào, các biến ra.FIS Editor được gọi khi đánh dòng lệnh “Fuzzy” từ dấu nhắc của MatLab Màn hìnhsau sẽ được hiển thị:

-b Thiết kế khâu Fuzzy:

Theo yêu cầu của mô hình, ta thiết kế bộ điều khiển mờ có hai ngõ vào và hai ngõ ra

Các biến ngõ vào là Flow và Temp, các biến ngõ ra là Cold và Hot.

Từ menu Edit, chọn Add Input rồi chọn Add Output Nhắp vào hình input1, input2, output1, output2 để sửa tên trong ô Name tương ứng.

Nhắp kép vào hình temp để tạo lập các hàm liên thuộc cho biến vào temp.

Trong ô Range nhập vào miền xác định của biến Vào menu Edit để thêm các hàm

liên thuộc Có các loại hàm liên thuộc như sau:

Trong ô Type, chọn hàm liên thuộc hình thang (trapmf) cho hàm cold và hot, và chọn hàm liên thuộc hình tam giác cân (trimf) cho hàm good.

Ô Param dùng để nhập thông số cho từng hàm khi nhắp vào hàm Ô Name dùng để

đặt tên cho hàm

Đối với hai biến ra là cold và hot, chọn các hàm liên thuộc là hình tam giác.

Trở lại trong FIS Editor, trong phần Defuzzification chọn phương pháp giải mờ Có

các phương pháp giải mờ như:

Sử dụng Rule Editor để tạo bảng luật điều khiển cho bộ điều khiển mờ Từ menu View, chọn Edit Rules để kích hoạt Rule Editor.

Để kiểm tra lại hoạt động của bộ điều khiển mờ, ta vào menu View, chọn View Rules.

Tại ô Input, ta có thể nhập các giá trị của biến ngã vào để quan sát các giá trị của biến

ngã ra

Để xem luật điều khiển trong không gian, chọn View Surface trong menu View Tại Listbox Z(output) có thể chọn cold hay hot để quan sát.

Sơ đồ hệ thống điều khiển

Kết quả mô phỏng:

Mô phỏng với nhiệt độ đặt trước là 23 o C Lưu tốc đặt trước là 0.7m 3 /h.

+ Đối với tín hiệu thử có sự biến thiên là hàm xung vuông có tần số là

f s1 = 0.3rad/s, biên độ là 0.2m 3 /h đối với tốc độ dòng nước ra và f s2 = 0.2rad/s, biên độ là

4 o C đối với nhiệt độ của dòng nước ra Ta có các đáp ứng sau:

Đáp ứng của lưu tốc

Đáp ứng của nhiệt độ

CHƯƠNG 4 : KHẢO SÁT ĐỐI TƯỢNG KHI CÓ TÁC ĐỘNG

Mô phỏng với nhiệt độ đặt trước là 23 o C Lưu tốc đặt trước là 0.7m 3 /h.

+ Đối với tín hiệu thử có sự biến thiên là hàm xung vuông có tần số là

f s1 = 0.3rad/s, biên độ là 0.2m 3 /h đối với tốc độ dòng nước ra và f s2 = 0.2rad/s, biên độ là

CHƯƠNG 5 : KHẢO SÁT KHI ĐỐI TƯỢNG CÓ KHÂU PHI

TUYẾN VÀ CÓ NHIỄU

Hệ thống điều khiển như sau:

* Kết quả mô phỏng:

Mô phỏng với nhiệt độ đặt trước là 23 o C Lưu tốc đặt trước là 0.7m 3 /h.

+ Đối với tín hiệu thử có sự biến thiên là hàm xung vuông có tần số là

f s1 = 0.3rad/s, biên độ là 0.2m 3 /h đối với tốc độ dòng nước ra và f s2 = 0.2rad/s, biên độ là

4 o C đối với nhiệt độ của dòng nước ra Ta có các đáp ứng sau:

Tuy nhin, trong qu trình thiết kế cịn nhiều vấn đề:

- Đáp ứng của hệ thống sẽ bị thay đổi nhiều nếu tín hiệu nhiễu có biên độ lớn

- Điểm xuất phát của đáp ứng sẽ thay đổi khi đối tượng cĩ khu phi tuyến

Hướng khắc phục:

- Thiết kế bộ lọc nhiễu nhằm làm giảm ảnh hưởng của nhiễu khi nhiễu có biên độ lớn

- Thiết kế mạch cắt biên độ khâu phi tuyến

Do đây là lần đầu làm đồ án môn lý thuyết điều khiển mờ v do kiến thức cịn hạn chế nn khôngtránh khỏi sai sót Mong nhận được sự thông cảm và đóng góp ý kiến của quí Thầy v cc bạn

Trn trọng kính cho!

TÀI LỊÊU THAM KHẢO

1 PGS.TS Trần Hồi An - Fuzzy Control Theory

2 S.N Sivanandam, S Sumathi and S.N Deepa - Fuzzy Logic with Matlab

3 Heikki N Koivo - Basic using Matlab Fuzzy Toolbox

Website:

http://www.dieukhien.net

http://www.matlabvn.com

http://www.dientuvietnam.net