Ứng dụng PID mờ điều khiển nhiệt độ cho lò nướng bánh Chocovina

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA VÕ TẤN DUY ỨNG DỤNG PID MỜ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ CHO LÒ NƢỚNG BÁNH CHOCOVINA Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: 8.52.02.16 TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2018 Cơng trình đƣợc hồn thành TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS NGUYỄN HOÀNG MAI Phản biện 1: TS NGUYỄN BÊ Phản biện 2: TS NGƠ ĐÌNH THANH Luận văn đƣợc bảo vệ trƣớc Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật điều khiển tự động hóa họp Trƣờng Đại học Bách khoa Đà Nẵng vào ngày 29 tháng 12 năm 2018 * Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng Trƣờng Đại học Bách khoa -Thƣ viện Khoa điện, Trƣờng Đại học Bách MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Hiện nhà máy Bánh Kẹo Biscafun có 02 dây chuyền sản xuất bánh Chocovina Cơng suất dây chuyền 650Kg/giờ Để cấu thành bánh gồm phần : bánh nền, kem mashmallow lớp phủ chocolate lên bánh Trong công nghệ sản xuất bánh Chocovina, lò nƣớng khâu quang trọng ảnh hƣởng trực tiếp đến chất lƣợng bánh bánh thành phẩm, việc điều khiển nhiệt độ vùng lò nƣớng ln u cầu phải xác, sai lệch so với điểm cài đặt phải đáp ứng yêu cầu công nghệ để tạo cấu trúc bánh ổn định, mềm xốp, màu sắc đƣờng kính bánh đồng đều,… Những nghiên cứu có cho thấy, điều khiển phi tuyến cho đối tƣợng thực thƣờng có độ xác cao so với điều khiển tuyến tính Các điều khiển phi tuyến nhƣ mờ, trƣợt, PID phi tuyến đƣợc ứng dụng nhiều nơi phát huy hiệu tốt Điều khiển nhiệt độ thông dụng thiết bị công nghiệp nhƣng để điều khiển xác đối tƣợng có qn tính lớn mục tiêu khó khăn điều khiển Đối tƣợng điều khiển mà đề tài muốn nghiên cứu điều khiển nhiệt độ để nƣớng bánh bốn vùng lò Đ y q trình đối lƣu dòng khơng khí thơng qua gia nhiệt điện trở đến nhiệt độ cài đặt theo yêu cầu cơng nghệ sản xuất Hiện nhiệt độ lò nƣớng Chocovina Nhà máy Bánh kẹo Biscafun dao động so với điểm cài đặt từ -0.5 đến +1.40C (theo Bảng 1) chƣa đáp ứng đƣợc yêu cầu công nghệ sản xuất dòng sản phẩm theo cơng nghệ chuẩn Hàn Quốc chuyển giao với dao động nhiệt độ so với điểm cài đặt ≤ 0.50C Tác giả thu thập liệu nhiệt độ lò nƣớng bánh Chocovina, nhà máy Bánh kẹo Biscafun Kết cho thấy nhiệt độ dao động nhƣ Bảng Bảng 1: Sai lệch nhiệt độ thực tế lò nướng TT Lò nƣớng Nhiệt độ dao động Dao động trung ( C) bình Lò nƣớng -0.5 –1.4 (1.90C) ±0.95 Lò nƣớng -0.6 – 1.1 (1.70C) ±0.85 Lò nƣớng -0.7 – 0.9 (1.60C) ±0.8 Lò nƣớng -0.8 – (1.8 C) ±0.6 Từ vấn đề trên, tác giả đề xuất “Ứng dụng PID mờ điều khiển nhiệt độ cho lò nướng bánh Chocovina” nhằm khắc phục việc dao động nhiệt độ phạm vi cho phép nhƣ Mục tiêu nghiên cứu uá trình điều khiển nhiệt độ lò nƣớng q trình I bao gồm hai ng vào nhiệt lƣợng đƣợc cung cấp gia nhiệt điện trở góc mở van lƣu lƣợng khí tuần hồn vùng Ngõ nhiệt độ vùng lò nƣớng Đ y hệ thống có qn tính lớn, mơ hình tốn phức tạp có tƣơng tác chéo ngõ vào ra, việc áp dụng phƣơng pháp điều khiển kinh điển nhƣ PID để điều khiển đối tƣợng trở nên khơng xác Trong khn khổ đề tài tác giả đề xuất sử dụng điều khiển PID-Mờ mà thơng số p, i, d tự chỉnh định theo giai đoạn có khả đáp ứng tốt có thay đổi điểm làm việc, tính phi tuyến hệ thống, c ng nhƣ thay đổi ngõ nhằm mục tiêu đảm bảo cho hệ thống hoạt động ổn định đồng thời dao động nhiệt độ lò nằm phạm vi cho phép 0.50C (so với điểm cài đặt) theo yêu cầu công nghệ chuẩn Hàn Quốc khuyến cáo Đối tƣợng nghiên cứu Đối tƣợng nghiên cứu điều khiển nhiệt độ lò nƣớng bánh Chocovina thuộc Nhà máy Bánh kẹo BiscaFun – Cơng ty Cổ phần Đƣờng uảng Ngãi Lò có nhiệm vụ gia nhiệt làm nóng khơng khí đối lƣu vùng lò đến nhiệt độ cài đặt khoảng 1200C (lò 1), 1850C (lò 2) 1700C (lò 3) 1650C (lò 4) Phạm vi nghiên cứu - Thiết kế điều khiển hai ng vào nhiệt lƣợng đƣợc cung cấp gia nhiệt điện trở góc mở van điều khiển lƣu lƣợng khí tuần hồn vùng lò Ng nhiệt độ vùng lò nƣớng sử dụng thiết bị công nghiệp nhƣ cảm biến nhiệt độ Pt100, van gạt thiết bị thyristor điều khiển điện trở gia nhiệt - hảo sát dao động nhiệt độ thực tế so với nhiệt độ cài đặt vùng lò nƣớng Phƣơng pháp nghiên cứu Dựa vào lý thuyết thực tế, thiết lập mô hình tốn học cho đối tƣợng, nghiên cứu l thuyết điều khiển PID, lý thuyết điều khiển mờ, lập trình mô Matlab/ Simulink để khẳng định kết nghiên cứu Sau có điều kiện thời gian Nhà máy cho phép thực kiểm chứng mơ hình thực nghiệm Nội dung đề tài MỞ ĐẦU Chƣơng 1: GIỚI THIỆU VÀ MƠ HÌNH HĨA HỆ THỐNG LÒ NƢỚNG Chƣơng 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN PID VÀ MỜ Chƣơng 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID-MỜ CHO HỆ THỐNG LÒ NƢỚNG Chƣơng 4: MƠ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ HỆ THỐNG LỊ NƢỚNG BẰNG MATLAB SIMULINK TÀI LIỆU THAM KHẢO Chƣơng 1: GIỚI THIỆU VÀ MƠ HÌNH HĨA HỆ THỐNG LỊ NƢỚNG 1.1 Giới thiệu lò nƣớng 1.1.1 Tổng quan lò nướng Cơng suất 650 g/h, đƣợc thiết kế với dạng trao đổi nhiệt gián tiếp, nhiệt lƣợng đƣợc cung cấp thơng qua quạt đối lƣu dòng khơng khí qua điện trở gia nhiệt Dòng khơng khí đối lƣu đƣợc chia thành phần dùng để nƣớng mặt dƣới bánh Tỉ lệ phân chia tùy thuộc vào cơng nghệ, Với dòng bánh Chocovina, tỉ lệ 6/4 tƣơng ứng với mặt mặt dƣới Hình 1.1b: Kích thước lò nướng Chiều dài lò nƣớng 36 mét chia thành vùng lò Lò nƣớng có nhiệm vụ gia nhiệt dòng khơng khí đối lƣu lò đến nhiệt độ theo yêu cầu công nghệ khoảng : 1200C (lò 1), 1850C (lò 2) 1700C (lò 3) 1650C (lò 4) cung cấp nhiệt lƣợng để nƣớng bánh 1.2 Xây dựng mơ hình tốn học cho hệ thống lò nƣớng Trong q trình tìm hiểu thực tế hệ thống lò nƣớng, Tác giả nhận thấy có nhiều vòng điều khiển ảnh hƣởng chéo thông số Trong khuôn khổ nội dung luận văn này, tác giả đề xuất mơ hình rút gọn với thông số đầu vào điện áp điều khiển, lƣu lƣợng khơng khí đối lƣu tuần hồn lò đầu nhiệt độ vùng lò nƣớng hi điều khiển tốt đƣợc mơ hình thơng số này, sau kế thừa phát triển cho mơ hình đầy đủ lò nƣớng Hình 1.11 : Mơ hình hóa tín hiệu điều khiển đối tượng lò nướng 1.2.1 Vấn đề điều khiển đặt cho đề tài Vấn đề điều khiển đặt cho đề tài sử dụng điều khiển PID-Mờ điều khiển ng vào nhiệt lƣợng đƣợc cung cấp gia nhiệt điện trở lƣu lƣợng khí tuần hồn vùng Ng nhiệt độ vùng lò nƣớng nhằm mục tiêu giảm dao động nhiệt độ từ ±10C xuống ≤ 0.50C đáp ứng u cầu cơng nghệ chuẩn bánh Chocovina mà nhà chuyển giao công nghệ Hàn Quốc khuyến cáo 1.2.2 Phương trình tốn học mơ tả đối tượng lò nướng Dựa vào tài liệu [6], [7], [8] Tác giả có sơ đồ khối diễn giải hoạt động trao đổi nhiệt đối tƣợng lò nƣớng nhƣ Hình 1.12 Hình 1.12: Mơ tả sơ đồ khối đối tượng lò nướng Và mơ hình tốn học phƣơng trình sai ph n liên tục nhƣ phƣơng trình (1.2) ρ Vcp d T(t) = ρcpq(ʋ (t- τʋ ))(T0-T(t))+U(T1-T(t))+Gu2(t- τu) - Q dt (1.2) Với Q = Qt+ Q Trong đó: - Q: Nhiệt lƣợng cần cung cấp (KJ) - Q1, 2, 3, 4: Nhiệt lƣợng yêu cầu tải vùng lò - Q: đại lƣợng nhiễu bao gồm: thất nhiệt mơi trƣờng, tràn nhiệt vùng; hàm không mô tả đƣợc nên biểu diễn dƣới dạng ngẫu nhiên có hạn chế - ʋ : khoảng mở van -  : Khối lƣợng riêng khơng khí (g/l) V: Thể tích lò nƣớng (l) Cp : Nhiệt dung riêng (J/g C) q: Lƣu lƣợng khơng khí (l/s) k : hệ số quạt (l/s) 1 G: Điện dẫn ( ) U: Độ truyền nhiệt gia nhiệt (J/0C s) Q: Nhiệt lƣợng ( J) T: Nhiệt độ khơng khí lò 0C T0: Nhiệt độ đầu (trƣớc gia nhiệt) 0C T1: Nhiệt độ cuối (sau gia nhiệt) 0C τʋ : Thời gian trễ đóng mở van (s) τu: Thời gian trễ điện áp điều khiển (s) Ta đặt: = ρ.V.cp = ρ.cp.q.v A= B= C= Suy mơ hình tốn học vùng lò nƣớng nhƣ phƣơng trình(1.3) +C – BQ)).dt (1.3) ∫ u 1.2.3 Những nghiên cứu nước 1.2.4 Những nghiên cứu nước 1.3 Kết luận chương Trong chƣơng 1, tác giả trình bày tổng quan đối tƣợng lò nƣớng Các thành phần lò, định nghĩa q trình điều khiển q trình, đƣa mơ hình tốn học lò nƣớng ua nghiên cứu ục 1.2.3; 1.2.4 cho thấy áp dụng kết vào lò nƣớng nhà máy Biscafun chƣa đạt đƣợc nhƣ cơng nghệ u cầu tính thực tế chƣa cao, sai số xác lập không đạt nhƣ mong muốn Vì tác giả chọn hƣớng nghiên cứu điều khiển PID- kết hợp để giải trình độ xác lập bám theo giá trị đặt, khắc phục nhƣợc điểm đƣợc biểu diễn theo đồ thị Hình 1a, 1b, 1c, 1d Từ nghiên cứu này, kết hợp với mơ hình tốn học lò nƣớng (1.3) Đ y phần quan trọng để ứng dụng điều khiển PID- q trình điều khiển nhiệt độ đối tƣợng lò nƣớng mà tác giả nêu ra, đáp ứng tốn điều khiển cần nghiên cứu khn khổ đề tài luận văn ua điều khiển PID- đƣợc trình bày cách chi tiết chƣơng Chƣơng 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN PID VÀ MỜ Trong chƣơng tác giả trình bày lý thuyết điều khiển PID điều khiển mờ lý thuyết điều khiển tự động 2.1 Lý thuyết điều khiển PID [1] 2.1.1 Bộ điều khiển PID 2.1.2 Mô tả hiệu chỉnh PID 2.1.3 Một số phương pháp hiệu chỉnh thực tế 2.1.4 Chọn thông số PID phương pháp Ziegler– Nichols 2.2 Lý thuyết điều khiển mờ [2] 2.2.1 Giới thiệu điều khiển mờ 2.2.2 Cơ sở toán học Logic mờ 2.2.3 Logic mờ 2.2.4 Bộ điều khiển mờ 2.3 Kết luận chƣơng Trong nội dung Chƣơng 2, tác giả trình bày cách tổng quát l thuyết điều khiển PID, l thuyết điều khiển mờ Sự đời phát triển điều khiển PID mờ Những tính chất ƣu việt với khả trình lựa chọn kết hợp điều khiển PID mờ so với điều khiển kinh điển khác Với điều khiển PID- cho phép tác giả tận dụng kinh nghiệm để x y dựng luật điều khiển cho đối tƣợng lò nƣớng cách đắng tối ƣu Bên cạnh làm cho công việc thiết kế đƣợc giảm đáng kể trình điều khiển c ng đƣợc dễ dàng Áp dụng l thuyết điều khiển PID, l thuyết điều khiển mờ kinh ngiệm th n làm sở để tác giả thiết kế điều khiển PID- Chƣơng 10 Nhiệt độ vùng lò: T T0: Nhiệt độ đầu C T1: Nhiệt độ cuối 0C Thời gian trễ đóng mở van: τʋ = 0,55 (s) Thời gian trễ điện áp điều khiển:τu = 0,02 (s) Điện áp: U = 380 (V) Q: Nhiệt lƣợng cần cung cấp (KJ), Q = Qn+ Q, đó: + Qn: Nhiệt lƣợng yêu cầu tải lò  : đại lƣợng nhiễu hàm không mô tả đƣợc nên biểu diễn dƣới dạng ngẫu nhiên có hạn chế Đại lƣợng nhiễu bao gồm: thất nhiệt mơi trƣờng, tràn nhiệt vùng theo thực tế đƣợc diễn giải nhƣ Hình (3.2) - Hình 3.2: Diễn giải đại lượng nhiễu nhiệt hệ thống lò nướng 3.2 Thiết kế điều khiển PID cho lò nướng Trong khn khổ luận văn này, với phƣơng pháp tác giả chọn phƣơng pháp dò tìm để chọn thơng số cho điều khiển PID Với ƣu điểm không cần tín tốn phức tạp, nhƣng cần phải có kinh nghiệm chọn tham số cho phù hợp để tối ƣu điều khiển Do luận văn tác giả chuyên sâu vào ứng dụng điều khiển PID-Mờ nên phần PID trình trình bày phƣơng pháp tóm tắt Các thống số PID đƣợc xác định nhƣ Hình 3.3, 3.4 Trong thyristor theo Mục 4.1.2 Hình 3.3 Mơ hình điều khiển lò nướng PID Bằng thuật tốn dò Ziegler – Nichols xác định tham số nhƣ Hình 3.4 Với thơng số Kp = 6.5, Ki = 0.003, Kd = 112 cho 11 điều khiển nhiệt độ Hệ thống điều khiển lò nƣớng sử dụng điều khiển PID đƣợc chạy mô cho kết đƣợc trình bày Mục 4.2 3.3 Thiết kế điều khiển PID-Mờ cho lò nƣớng 3.3.1 Bộ điều khiển PID-Mờ Phƣơng pháp điều khiển PID-Mờ đƣợc tác giả chọn mơ tả tổng qt nhƣ Hình 3.5 Hình 3.5 Sơ đồ điều khiển PID-Mờ Với giả thiết tham số p, Kd, Ki bị giới hạn, ta có: Kp Kp Kp max], Ki Ki Ki max], Kd Kd Kd max] Từ thông sô PID phù hợp có đƣợc Mục 3.2 Bộ điều khiển PID với [Kp, Ki, Kd] = [6.5, 0.003, 112] Bằng phƣơng pháp dò thủ cơng, xác định đƣợc vùng thơng số Kp, Ki, Kd ổn định điều khiển Do bốn lò nƣớng có thơng số, nên tác giả chọn lò để thực việc xác định vùng thơng số Kp, Ki, Kd sau suy cho vùng lò lại 3.1.1.1 Xác định khoảng [Kpmin Kpmax] - Cài đặt nhiệt độ cho lò nƣớng 1200C hi p = 160 độ điều chỉnh nhỏ 1370C Độ sai lệch tĩnh lớn, dao động khoảng 119.9 – 120.60C, thời gian xác lập 12 phút theo Hình 3.6a, 3.6b hi p = 65 độ điều chỉnh vừa 153.50C Độ sai lệch tĩnh vừa, dao động khoảng 119.7 – 120.70C thời gian xác lập phút theo Hình 3.7a, 3.7b hi p = 6.5 độ điều chỉnh cao 1850C Độ sai lệch tĩnh nhỏ, dao động khoảng 119.6 – 120.50C thời gian xác lập 16 phút theo Hình 3.8a, 3.8b 12 Tƣơng tự xác định cho Ki, Kd 3.1.1.2 Xác định khoảng [Kimin Kimax] 3.1.1.3 Xác định khoảng [Kdmin Kdmax] Từ ục 3.3.1.1, 3.3.1.2, 3.3.1.3 ta có tham số giới hạn cho điều khiển PID nhƣ (3.1), (3.2), (3.3): (3.1)  Kp min, Kp max ] = [6.5, 160] (3.2)  Ki min, Ki max ] = [0.001, 0.009] ] = [32, 112] (3.3)  Kd Kd max Thế hệ số tƣơng ứng từ (3.1), (3.2), (3.3) vào điều khiển PIDMờ Matlab/ Simulink ta có mơ hình điều khiển PID-Mờ nhƣ Hình 3.15 Hình 3.15 Mơ hình điều khiển PID-Mờ lò nướng Trong thống số điều khiển PID-Mờ đƣợc thiết theo (3.1), (3.2), (3.3) Hình 3.16a Mơ hình điều hiển -Mờ Hình 3.16b Giới hạn thông số Kp điều khiển PID-Mờ 13 Hình 3.16c Giới hạn thơng số Ki điều khiển PID-Mờ Hình 3.16d Giới hạn thơng số Kd điều khiển PID-Mờ 3.3.2 Cơ sở lý thuyết chỉnh định PID-Mờ Xem xét đáp ứng điều khiển chuẩn tắc q trình cơng nghệ theo thời gian nhƣ Hình 3.18 sau: Hình 3.18 Đáp ứng chuẩn tắc trình theo thời gian - Lân cận a1 (e(t) âm lớn, de(t)=dƣơng ) ta cần xuất giá trị điều khiển lớn để rút ngắn thời gian lên, cần chọn độ lợi Kp lớn, Kd nhỏ Ki lớn - Lân cận b1 (e(t)=0, de(t) âm lớn) ta cần xuất giá trị điều khiển nhỏ để tránh điều chỉnh lớn, nên chọn: Kp nhỏ, Kd lớn, Ki nhỏ - Lân cận c1 (e(t) dƣơng lớn, de(t)=dƣơng ) ta cần xuất giá trị điều khiển lớn để rút ngắn thời gian lên, cần chọn độ lợi Kp lớn, Kd lớn Ki lớn 14 - Với lân cậnd1 (e(t)=0, de(t) dƣơng lớn) ta cần xuất giá trị điều khiển nhỏ để tránh điều chỉnh lớn, nên chọn: Kp nhỏ, Kd lớn, Ki lớn Tƣơng tự quy luật nhƣ trên, 49 luật đƣợc xây dựng cho thông số độ lợi Kp, Kd, Ki 3.3.3 Thiết kế điều khiển PID-Mờ 3.3.3.1 Định n h iến n ôn n - Sai lệch nhiệt độ ET: Đƣợc định nghĩa độ chênh lệch nhiệt độ đặt nhiệt độ đo đƣợc, k hiệu ET, đó: ET = nhiệt độ đặt – nhiệt độ đo [0C] Hình 3.19 Đồ thị sai lệch ET củ lò nướng Theo kết Bảng Nhiệt độ lò nƣớng dao động vƣợt so với điểm cài đặt 1.40C theo Bảng Do tác giả chọn giới hạn dao động 20C, nhiệt độ môi trƣờng 320C Theo diễn giải sai lệch nhiệt độ ET nhƣ Hình 3.19, định nghĩa ET iền xác định biến ET đƣợc chuẩn hóa khoảng: lò ϵ [-20C, 880C], lò ϵ [-20C, 1530C], lò ϵ [-20C, 1380C], lò ϵ [-20C, 1330C Trong miền xác định này, sai số đƣợc định nghĩa tập mờ 15 Hình 3.19a Tập mờ biến ET lò nướng Hình 3.19b Tập mờ biến ET lò nướng Hình 3.19c Tập mờ biến ET lò nướng Hình 3.19d Tập mờ biến ET lò nướng iền xác định biến ET đƣợc phân chia thành khoảng: ET={ âm vừa, m ít, khơng, dƣơng ít, dƣơng vừa, dƣơng nhiều, dƣơng nhiều hay k hiệu ET={NM,NS,ZE,PS,PM,PB,PBB đƣợc biểu diễn Hình 3.19.a, 3.19b, 3.19c, 3.19d - Độ biến thiên sai số nhiệt độ DET: Là độ biến đổi sai số nhiệt độ so với sai số trƣớc sau chu kỳ lấy mẫu, k hiệu DET DET = (ET –ET trƣớc)/thời gian lấy mẫu [oC/s] iền xác định biến DET đƣợc chuẩn hóa đƣợc chọn khoảng [-1oC/s, +1oC/s , miền xác định ta định nghĩa tập mờ iền xác định biến DET đƣợc phân chia thành 16 khoảng: DET = { m nhiều, m vừa, m ít, khơng, dƣơng ít, dƣơng vừa, dƣơng nhiều hay k hiệu DET = { NM,NS,ZE,PS,PM,PB,PBB biểu diễn Hình 3.20 Hình 3.20 Tập mờ biến DET hệ thốn lò nướng Khâu tỷ lệ Kp Biến ngơn ngữ kp theo (3.1) có miền xác định [6.5 160 , miền xác định đó, ta định nghĩa tập mờ, Kp= {bằng không, nhỏ, vừa, lớn, cực lớn hay k hiệu p= { , S, , L, U đƣợc biểu diễn Hình 3.21 - Hình 3.21 Các tập mờ biến Kp - Khâu tích phân Ki Biến ngơn ngữ ki theo (3.2) có miền xác định [0.001 0.009 , miền xác định đó, ta định nghĩa tập mờ, Ki = {bằng không, nhỏ, vừa, lớn, cực lớn hay k hiệu i= { , S, , L, U đƣợc biểu diễn Hình 3.22 Hình 3.22 Các tập mờ biến Ki - Độ lợi khâu vi phân Kd Biến ngơn ngữ kd theo (3.3) có miền xác định [33 112 , miền xác định đó, ta định nghĩa tập mờ, Kd = {bằng không, nhỏ, 17 vừa, lớn, cực lớn hay k hiệu Hình 3.23 d= { , S, , L, U đƣợc biểu diễn Hình 3.23 Các tập mờ biến Kd 3.3.3.2 Thiết kế hệ luật mờ Hệ thống gồm biến ngôn ngữ đầu vào ET biến ngôn ngữ cho biến DET nên hệ luật cho Kp, Kd, Ki gồm 7x7=49 luật If then DET = { m nhiều, m vừa, m ít, không, dƣơng ít, dƣơng vừa, dƣơng nhiều đƣợc k hiệu DET = { NM,NS,ZE,PS,PM,PB,PBB }; ET = {bằng không, nhỏ, vừa, lớn, cực lớn đƣợc k hiệu ET= { , S, , L, U - Hệ luật cho p điều khiển nhiệt độ lò nƣớng đƣợc thiết kế nhƣ Bảng 3.2 Bảng 3.2 Bản hệ luật cho Kp nhiệt độ DET Kp NM NS ZE PS PM PB PBB ET Hệ luật cho Bảng3.3 NM U U U U U L L NS L L L L L M M ZE M M M M M L L PS L L Z Z Z Z M PM M M M M M L L PB L L L L L U U PBB U U U U U L L i điều khiển nhiệt độ lò nƣớng đƣợc thiết kế nhƣ 18 Bảng 3.3 Bản hệ luật cho Ki nhiệt độ DET Ki NM NS ZE PS PM PB PBB NM Z Z Z Z Z S S NS Z S M M M M L ZE Z S M M M U U PS S S S U U U U ET PM S M M U U U U PB S M M M U U U PBB M L L L U U U - Hệ luật cho d điều khiển nhiệt độ lò nƣớng đƣợc thiết kế nhƣ Bảng 3.4 Bảng 3.4 Bản hệ luật cho K nhiệt độ DET NM NS ZE PS PM PB PBB NM Z Z Z Z Z S S NS S S S S M M L ZE Z S S S M M L PS L L U U U U U ET PM L L L U U U U PB L L U U U U U PBB L L U U U U U 3.3.3.3 Chọn luật hợp thành phươn pháp giải mờ Chọn luật hợp thành theo quy tắc Sum - Min Giải mờ theo phƣơng pháp điểm trọng tâm (centroid) Xây dựng điều khiển mờ công cụ Fuzzy Logic atlab/ Simulink Kết đƣợc mô tả theo Hình 3.24; 3.25a, 3.25b, 3.25c, 3.25d, 3.25e; 3.26a, 3.26b, 3.26c, 3.26d Kd 19 3.4 Kết luận chƣơng Qua q trình xây dựng mơ hình đối tƣợng thiết kế điều khiển PID-Mờ để điều khiển nhiệt độ cho lò nƣớng Với nhiệt độ đƣợc khảo sát từ thực nghiệm, lấy sở để khảo sát kiểm nghiệm mơ hình mơ simulink Tác giả thử nghiệm với giá trị đặt khác điều khiển mờ để phát điểm khơng phù hợp thiết kế Nếu có phải quay điều chỉnh lại mờ cách điều chỉnh lại độ che phủ nhƣng đảm bảo đƣợc bao quát nằm giới hạn vùng giá trị đƣợc chọn Nếu trình làm việc điều khiển mờ khơng ổn định ta phải kiểm tra lại luật nếu… thì… Sau thử nghiệm tất giá trị, thu đƣợc tín hiệu ổn định không xuất điểm không phù hợp ta tiến hành tối ƣu hệ thống theo chất lƣợng động tĩnh Để chỉnh định điều khiển mờ theo tiêu ta phải chỉnh lại hàm liên thuộc, thiết lập nguyên tắt điều khiển phụ thay đổi số nguyên tắc cho phù hợp với luật điều khiển Cuối ta đƣợc điều khiển mờ tối ƣu để thực mô Chƣơng 20 Chƣơng 4: MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ HỆ THỐNG LÒ NƢỚNG BẰNG MATLAB SIMULINK 4.1 Xây dựng mơ hình hệ thống lò matlab simulink 4.1.1 Mơ hình lò nướng Từ Phƣơng trình (1-3), Bảng 3.1, Hình 3.2 Tác giả xây dựng mơ hình hóa phần mềm matlab Simulink, mơ hình đối tƣợng lò nƣớng nhƣ Hình 4.1a, 4.1b, 4.1c, 4.1d Hình 4.1 : Mơ hình simulin đối tượn lò nướng Hình 4.1 : Mơ hình simulin đối tượn lò nướng Hình 4.1c: Mơ hình simulin đối tượn lò nướng 21 Hình 4.1 : Mơ hình simulin đối tượn lò nướng 4.1.2 Mơ hình Thyristor [5] 4.1.3 Mơ simulink hệ thống lò nướng Từ kết thiết kế chƣơng Mục 4.1.1, 4.1.2, tác giả xây dựng mơ hình điều khiển PID-Mờ cho đối tƣợng lò nƣớng atlab Simulink nhƣ Hình 4.3 Hình 4.3 Mơ hình simulink điều khiển PID mờ lò nướng 4.2 Kết mô matlab simulink - Thực kiểm nghiệm đáp ứng nhiệt, sai số xác lập nhiệt độ - Cài đặt hệ số góc mở van cấp khí tuần hồn v = 100 % - Cài đặt nhiệt độ lò 1: 120ºC, lò 2: 185ºC, lò 3: 170ºC, lò 4: 165ºC - Kết điều khiển nhiệt độ lò nƣớng theo Hình 4.6a, 4.6b, 4.6c, 4.6d, 4.6e 4.7a, 4.7b, 4.7c, 4.7d, 4.7e Hình 4.6c o động nhiệt độ lò nướn hi điều khiển PID 22 Hình 4.7c o động nhiệt độ lò nướn hi điều khiển PID-Mờ Nhận xét: So sánh kết đáp ứng hình 4.6a, 4.6b, 4.6c, 4.6d, 4.6e 4.7a, 4.7b, 4.7c, 4.7d, 4.7e cho thấy: - Sai số xác lập điều khiển PID có dao động nhiệt độ là: 1.130C - Sai số xác lập điều khiển PID-Mờ có dao động nhiệt độ là: 0.270C nhỏ 0.50C nhƣ yêu cầu đƣa 4.3 Nhận xét chung 4.3.1 Bộ điều khiển PID - Chất lƣợng điều khiển nhiệt độ thƣờng giảm, g y sai số thơng số hệ thống qua q trình hoạt động bị trôi Nhƣợc điểm điều khiển PID: - Tham số hệ thống thay đổi giá trị p, i, d phụ thuộc vào tham số mơ hình hệ thống Do ta chỉnh định ban đầu giá trị tham số p, i, d thích hợp với mơ hình ban đầu Nếu q trình hoạt động, tham số hệ thống thay đổi giá trị tham số p, i, kd khơng tƣơng thích tiêu chất lƣợng điều khiển giảm xuống - hi bị nhiễu mạnh, giá trị điều khiển vƣợt khỏi vùng giới hạn, hệ thống khơng lại trạng thái xác lập g y dao động lớn 4.3.2 Bộ điều khiển PID-Mờ - uá trình điều khiển nhiệt độ đƣợc bám nhanh tới giá trị đặt - hi thay đổi thông số hệ thống (góc mở valve cấp khí tuần hồn, thay đổi giá trị cài đặt nhiệt độ), chất lƣợng điều khiển bị ảnh hƣởng, ổn định bám sát giá trị cài đặt - Độ điều chỉnh nhiệt độ nhỏ thay đổi góc mở van 23 - Sai số xác lập nhiệt độ nhỏ, đáp ứng yêu cầu đề ≤ 0.50C - Thời gian tiến tới xác lập nhanh điều khiển PID 10 phút - Tốc độ xử l q trình mơ chậm, để mơ cần có cấu hình phần cứng đại tốc độ đủ mạnh để thực 4.4 Kết luận - Hiểu thiết kế đƣợc điều khiển PID- cơng nghiệp dùng kiến thức để áp dụng, cải tiến trình điều khiển Nhà máy Bánh kẹo Biscafun nhằm đem lại an toàn, ổn định, n ng cao hiệu sản xuất kinh doanh nhà máy - Sử dụng atlab Simulink phục vụ cho việc thiết kế, mô phỏng, tinh chỉnh mơ hình điều khiển, điều khiển cơng nghiệp mà khơng ảnh hƣởng đến q trình vận hành nhà máy nhằm tối ƣu sản xuất - N ng cao kiến thức tinh chỉnh điều khiển PID, phục vụ tốt công tác tối ƣu 200 điều khiển PID đơn vị Từ kết chạy mô nhận xét trên, điều khiển PID-Mờ hoạt động có chất lƣợng điều khiển tốt hơn, ổn định điều khiển PID tiêu chí độ điều chỉnh, sai số xác lập, thời gian xác lập, thích nghi với trình thay đổi thơng số hệ thống Tác giả tổng kết kết điều khiển nhiệt độ lò nƣớng theo bảng 4.2 Bảng 4.2 Bảng so sánh kết mơ nhiệt độ lò nướng gi a điều hiển v PID-Mờ Điều khiển PID PIDMờ Đối Sai số xác lập Sai số nhiệt độ Kết tƣợng (0C) dao động (0C) Lò (-0.3 – 0.83) 1.13 hơng đạt Lò (-0.05 – 0.85) 0.9 hơng đạt Lò (-0.15 – 0.78) 0.93 hơng đạt Lò (-0.12 – 0.78) 0.9 hơng đạt Lò (-0.06 – 0.14) 0.2 Đạt Lò (-0.03 – 0.24) 0.27 Đạt Lò (-0.05 – 0.15) 0.2 Đạt Lò (-0.03 – 0.25) 0.28 Đạt ết mô đạt mục tiêu điều khiển đề đề tài, 24 giảm sai số dao động nhiệt độ xác lập ≤ 0.5°C Việc thiết kế điều khiển PID- cho đối tƣợng lò nƣớng Chocovina đáp ứng đƣợc yêu cầu điều khiển đầu đặt 4.5 Hƣớng phát triển đề tài 4.5.1 Các điểm hạn chế đề tài - hình điều khiển chƣa xét đến hàm truyền đạt cảm biến nhiệt độ, thiết bị gia nhiệt cấu van gạt điều khiển lƣu lƣợng khơng khí đối lƣu - hình điều khiển xem xét đến nhiệt độ lò nƣớng, khơng xét đến yếu tố khác nhƣ: thất nhiệt độ qua th n vỏ, đƣờng thoát ẩm, cửa trƣớc sau lò nƣớng, áp suất khơng khí đối lƣu khí động học lò - hình chƣa tính đến điều khiển tự động cho van điều khiển lƣu lƣợng khơng khí đối lƣu tuần hồn 4.5.2 Hướng phát triển đề tài - Có thể kết hợp l thuyết điều khiển Neuron, thích nghi để cải thiện chất lƣợng điều khiển - Xem xét cải tiến, ứng dụng điều khiển PID- vào nhà máy để tăng chất lƣợng điều khiển, tối ƣu chi phí vận hành bảo dƣỡng thiết bị hệ thống điều khiển, n ng cao hiệu sản xuất kinh doanh cho nhà máy - Phát triển điều khiển cho mơ hình với điều khiển lƣu lƣợng khí đối lƣu lò nƣớng - Bổ sung thêm card DSP để thực thuật toán điều khiển mờ mà tác giả thiết kế để thực viêc điều khiển nhiệt độ lò nƣớng đối tƣợng thực tế ... giả đề xuất Ứng dụng PID mờ điều khiển nhiệt độ cho lò nướng bánh Chocovina nhằm khắc phục việc dao động nhiệt độ phạm vi cho phép nhƣ Mục tiêu nghiên cứu trình điều khiển nhiệt độ lò nƣớng trình... kết điều khiển nhiệt độ lò nƣớng theo bảng 4.2 Bảng 4.2 Bảng so sánh kết mô nhiệt độ lò nướng gi a điều hiển v PID- Mờ Điều khiển PID PIDMờ Đối Sai số xác lập Sai số nhiệt độ Kết tƣợng (0C) dao động... LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN PID VÀ MỜ Trong chƣơng tác giả trình bày lý thuyết điều khiển PID điều khiển mờ lý thuyết điều khiển tự động 2.1 Lý thuyết điều khiển PID [1] 2.1.1 Bộ điều khiển PID 2.1.2