Thiết kế bộ điều khiển nhiệt độ lò điện trở sử dụng phương pháp PID mờ tự chỉnh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG HUỲNH NGỌC TÙNG THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÒ ĐIỆN TRỞ SỬ DỤNG PHƢƠNG PHÁP PID MỜ TỰ CHỈNH Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động Hóa Mã số: 60 52 02 16 TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng – Năm 2016 Cơng trình hồn thành ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Đoàn Quang Vinh Phản biện 1: TS Phan Văn Hiền Phản biện 2: TS Trần Đình Khơi Quốc Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa họp Đại học Đà Nẵng vào ngày 27 tháng năm 2016 Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Thông tin – Học liệu, Đại học Đà Nẵng MỞ ĐẦU TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI T nh Đ n m hu vực T y Nguyên, nh ng t nh trồng c y công nghiệp nông nghiệp ớn nước, đ ng g p cho Pc t nh 50 thu hoạch c c c y công nghiệp nông nghiệp thường m mư Ph n ớn động h u ph i sấy, số c đ u tư cho s n ph i ại phụ thuộc vào thời ti t Còn loại máy sấy, t sấy dùng rộng rãi t nh m y sấy v ngang, hệ thống lò sấy t nh, sấy dùng ượng mặt trời, loại gi thành tư ng đối c o, chư c tự động điều ch nh nhiệt buồng sấy hông inh động tức thời nên có khả dẫn tới nhiệt àm th y đổi chất ượng sản phẩm ên cạnh đ điều khiển ổn đ nh nhiệt độ vấn đề đặt r nh m nâng cao chất ượng sản phẩm độ ền sản phẩm Với phư ng ph p điều khiển PID, tham số c qu trình điều khiển th y đổi thơng số c a điều khiển PID c n phải t nh to n cài đặt lại Tuy nhiên, thực t nhiều giải pháp tổng hợp, c c ộ điều khiển PI thường b b t c gặp nh ng ài to n c độ phức tạp cao, phi n lớn, thường xuyên th y đổi trạng thái cấu trúc c đối tượng Việc nghiên cứu ứng dụng phư ng ph p điều hiển đại vào thực tiễn hoàn toàn c n thi t ph hợp với yêu c u n y mà c c điện trở đ ng ngày d ng phổ i n việc Thi t k điều khiển nhiệt độ ch nh điện trở s dụng phư ng ph p PI mờ tự nhu c u c n phải nghiên cứu nh m tìm nh ng t nh ưu việt, giải pháp an toàn, kinh t khai thác s dụng cho phù hợp với điều kiện c t nh nhà ột ộ điều hiển nhiệt điện trở tự động d tìm th m số theo uật mờ tự ch nh, với hoảng tinh ch nh đ rộng xung qu nh gi tr đạt t phư ng ph p thực nghiệm Ziegler-Nichols, b ng kỹ thuật logic mờ c n thi t Trong đ , ộ điều khiển PID gi vai trò điều khiển chính, tạo tín hiệu điều khiển đối tượng điều khiển mờ gi vai trò quan sát, cung cấp thơng số phù hợp cho điều khiển PID theo thời gian thực Trong nh ng nghiên cứu g n đ y, ộ điều khiển mờ với nh ng ưu điểm h n so với điều khiển cổ điển So với giải pháp kỹ thuật điều khiển t trước đ n n y, để tổng hợp hệ thống điều khiển phư ng ph p tổng hợp hệ thống điều khiển b ng logic mờ c nh ng ưu điểm Với nh ng đặc điểm c đối tượng c n điều khiển, để đ p ứng yêu c u c a thực tiễn sản suất ĩnh vực ứng dụng điều khiển ổn đ nh nhiệt độ, người thực ựa chọn đề tài Thi t k điều khiển nhiệt độ điện trở s dụng phư ng ph p PI mờ tự ch nh để nghiên cứu CÁC MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI Với điều hiển nhiệt điện trở tự động d tìm th m số theo uật mờ tự ch nh mong muốn cho t quả: Qu trình qu độ hơng c độ qu điều ch nh, àm việc ổn đ nh, ền v ng, điều hiển nhiệt độ ng nhiệt độ đặt, thời gi n đạt tới nhiệt độ đặt hợp , ộ điều hiển c n đ p ứng yêu c u thời gian thực Đ I TƢ NG VÀ PHẠM VI NGHI N CỨU Điều khiển nhiệt độ c a lò nhiệt điện trở có cơng suất nhỏ nhiệt mơ hình phi n Đặc trưng c nhiệt c đặc tính khâu quán tính bậc cao, xấp x khâu qn tính bậc có trễ àm truyền c nhiệt x c đ nh ng phư ng ph p thực nghiệm Cấp nhiệt tối đ cho (công suất vào P = 100%) nhiệt độ tăng d n, sau khoảng thời gian nhiệt độ đạt đ n giá tr ão h Đặc tính theo thời gian biểu diễn hình vẽ: n tn n t T x c đinh hàm truyền g n c a lò nhiệt là: ( ) ( ) PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Nghiên cứu mục đ ch, động h nghĩ gi tr c a việc ứng dụng tự điều khiển nhiệt độ Nghiên cứu giải pháp tự động h , c c phư ng ph p điều khiển ứng dụng điều khiển nhiệt độ, lựa chọn giải pháp thi t k Tìm hiểu áp dụng tự động h điều khiển nhiệt độ số mơ hình, thi t b điều khiển nhiệt độ đ ng áp dụng thực tiễn t nh S dụng ph n mềm MATLAB mô kiểm chứng thuật toán điều khiển c c c phư ng ph p điều khiển Đ nh gi toàn ộ luận văn, đề ngh hướng phát triển đề tài CỤC ĐỀ TÀI Chư ng 1: Tổng quan đo ường c c phư ng ph p đo nhiệt độ Chư ng 2: Tổng qu n điện trở c c phư ng ph p điều hiển nhiệt độ Chư ng 3: thuy t ogic mờ, điều hiển mờ PI mờ tự ch nh Chư ng 4: Thi t ộ điều hiển nhiệt độ PID mờ tự ch nh T NG QUAN TÀI LIỆU NGHI N CỨU Trong uận văn s dụng h i nguồn tài iệu th m hảo ch nh: Nguồn tài iệu th m hảo ti ng việt ch y u c c tài iệu c c ài o c c hội ngh c điện t , Tạp ch ho học vi t Nguồn tài iệu th m hảo nước s dụng c ản tài iệu [9], Li-Xin Wang (1997), A course in Fuzzy systems and control, prentice-Hall Internatinal, Inc ài o, Tạp ch ho học vi t CHƢƠNG LÝ THUYẾT T NG QUAN VỀ ĐO LƢỜNG VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐO NHIỆT ĐỘ 1.1 HỆ TH NG ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ 1.1.1 Khái niệm hệ thống điều khiển nhiệt độ 1.1.2 Sơ đồ tổng quát hệ thống điều khiển nhiệt độ 1.1.3 Hệ thống đo lƣờng 1.2 CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐO NHIỆT ĐỘ 1.2.1 Các phƣơng pháp đo tiếp xúc a Nhiệt kế nhiệt điện trở (Resistance Thermometer) b Nhiệt kế cặp nhiệt ngẫu (Thermocouples) c Đo nhiệt độ cao phương pháp tiếp xúc 1.2.2 Đo nhiệt độ phƣơng pháp không tiếp xúc 1.2.3 Các loại cảm biến a Nhiệt điện trở kim loại (RTD) b Điện trở oxit kim loại (Thermistor) c Thermocouple (Cặp nhiệt điện) 1.2.4 Bù nhiệt môi trƣờng 1.2.5 Các thông ố cảm biến nhiệt độ 1.3 KẾT LUẬN Chư ng nh m mục đ ch nghiên cứu tổng quan về c c phư ng ph p đo ường, c c h i niệm hệ thống đo ường điều khiển nhiệt độ, loại cảm bi n nhiệt độ Qua tìm hiểu ph n t ch c sở thuy t giúp người thực c c sở lựa giải ph p điều khiển, lựa chọn cảm bi n nhiệt độ phù hợp với yêu c u đư r phư ng n thi t k ph n cứng, lập trình ph n mềm điều khiển hệ thống tốt h n CHƢƠNG T NG QUAN VỀ LÒ ĐIỆN TRỞ VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ 2.1 GIỚI THIỆU VỀ LÒ ĐIỆN 2.1.1 Đặc điểm lò điện 2.1.2 Nguyên lý làm việc lò điện trở Khi d ng điện chạy qua vật dẫn c điện trở R, toả nhiệt ượng vật thể theo đ nh luật Joule- ence Năng ượng nhiệt đốt nóng thân vật dẫn gián ti p đốt nóng vật nung x p g nđ Nh ng thi t b nung làm việc theo nguyên t c gọi điện trở 2.2 PHÂN LOẠI LÒ ĐIỆN TRỞ 2.2.1 Theo phƣơng pháp toả nhiệt, ta chia lò điện trở thành hai nhóm a Lò điện trở tác dụng trực tiếp b Lò điện trở tác dụng gián tiếp 2.2.2 Phân loại theo nhiệt độ làm việc 2.2.3 Phân loại theo nơi dùng 2.2.4 Phân loại theo nơi dùng 2.2.5 Phân loại theo đặc tính làm việc 2.2.6 Phân loại theo kết cấu lò 2.2.7 Phân loại theo mục đích dụng 2.3 VẬT LIỆU LÀM DÂY ĐIỆN TRỞ 2.3.1 Yêu cầu vật liệu để chế tạo dây điện trở 2.3.2 Vật liệu làm dây điện trở a Dây điện trở hợp kim b Dây điện trở kim loại 2.3.3 Các loại lò điện trở thơng dụng 2.3.4 Khống chế ổn định nhiệt độ lò điện trở 2.4 HÀM TRUYỀN CỦA LÒ ĐIỆN TRỞ 2.4.1 Đối tƣợng lò nhiệt Lò nhiệt mơ hình phi n Đặc trưng c a lò nhiệt khâu qn tính nhiệt, b t đ u cung cấp ượng đ u vào cho lò nhiệt nhiệt độ c tăng t t Để đạt tới nhiệt độ c n cung cấp khoảng thời gi n h dài Đ y ch nh đặc tính quán tính c a lò nhiệt X c đ nh hàm truyền g n c a lò nhiệt d ng đ nh nghĩ ( ) ( ) ( ) (2.1) Tín hiệu đ u vào hàm nấc đ n v (P = 100%) Dễ dàng chứng minh được: ( ) ( ) (2.2) ( ) (2.3) Suy ( ) Vậy hàm truyền đối tượng lò nhiệt: ( ) ( Khai triển Taylo g n (2.4) ) t hàm truyền hệ thống bậc ( ) ( )( ) (2.5) Với: L: thời gian trễ; T: thời gian quán tính K: hệ số tỷ lệ cho bi t quan hệ vào ch độ xác lập G(s): hàm truyền lò nhiệt 2.4.2 Mơ đặc tính tự nhiên lò nhiệt matlab imulink nhƣ au Mơ hình lò nhiệt với thơng số bi t trước K = 400, T = 450s, L = 60s Trong thực t lò nhiệt chư nung c nhiệt độ xấp x b ng nhiệt độ môi trường gia nhiệt trước đ , đ y t thêm nhiệt độ n đ u b ng 37 tư ng ứng nhiệt độ môi trường Hình 2.1 Mơ hình lò nhi t matlab simulink Dùng simulink ta xây dựng mơ hình hệ thống (hình 2.2), đư tín hiệu dạng hàm ước ngõ vào c đối tượng với 100% công suất, s u đ nhập thơng số cho lò chạy mơ phỏng, đo đ p ứng ngõ c đối tượng có dạng (hình 2.3) Hình 2.2 ố tượng lò nhi t Đường đặc tính tự nhiên c đối tượng lò nhiệt có thơng số: K = 400, T = 450s, L = 60s, với 100% công suất ngõ vào có dạng (hình 2.3) DAC TINH TU NHIEN CUA LO NHIET 400 350 Nhiet (oC) 300 250 200 150 100 50 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 Dap ung thoi gian (giay) Hình 2.3 c tính tự nhiên lò nhi t 2.5 CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ TRUYỀN TH NG 2.5.1 Điều khiển ON/OFF a M ph ng u khiển ON/OFF b Mơ hình hệ thống u n ON/OFF ổn định nhiệt matlab simulink c Thuật toán u khiển Phư ng ph p điều khiển ON/OFF c n gọi phư ng ph p đ ng ng t thường dùng khâu relay có trễ: c cấu chấp hành đ ng nguồn để cung cấp ượng mức tối đ cho thi t b tiêu thụ nhiệt n u nhiệt độ đặt yđặt(t) ớn h n nhiệt độ đo y(t), ngược lại mạch điều khiển ng t mạch cung cấp ượng nhiệt độ đặt nhỏ h n nhiệt độ đo d Kết m ph ng u khiển ON/OFF Điều khiển ON/OFF cho lò nhiệt c độ lợi (giá tr đặt) K = 400; thời gia trễ L = 60s, thời gi n qu n t nh T Dap ung he thong bo 450s; Tđặt 200 0C dieu khien Relay 250 200 Th Th Th Nhiet (C) 150 Dat on/ off s lec h on/ off 100 50 -50 200 400 600 800 1000 Thoi gian 1200 (s ) 1400 1600 1800 2000 n 2.11 n ủ n t n t t 2.5.2 Điều khiển PID theo ZIEGLER NICHOLS a Tổng quan v u khiển P D C 10 2.6 KẾT LUẬN Qua việc tìm hiểu c c phư ng ph p điều khiển nhiệt độ rút r c c ưu điểm, hạn ch c a t ng phư ng ph p điều khiển thông thường (ON /OFF) với phư ng ph p điều hiển PI Nicho s t đ theo ieg er àm c sở ựa chọn phư ng ph p th ch hợp ứng dụng mơ hình điều khiển nhiệt độ n 2.1 B ng so sánh giữ C c phư ng ph p điều khiển ươn Ưu điểm Điều khiển đ n giản, không xảy offset Điều khiển ổn đ nh h n Điều khiển ON – OFF Điều khiển PID theo Ziegler Nichols ều khiển k n ển Khuy t điểm Xảy tải hunting (d o động) C n phải đặt thơng số thích hợp CHƢƠNG LÝ THUYẾT LOGIC MỜ, ĐIỀU KHIỂN MỜ VÀ PID MỜ TỰ CHỈNH 3.1 LOGIC MỜ 3.1.1 Khái niệm logic mờ 3.1.2 Tập mờ 3.1.3 Các phép toán tập mờ a Phép hợp b Phép giao c Phép bù 3.1.4 Biến ngôn ngữ giá trị biến ngôn ngữ 3.1.5 Luật hợp thành mờ a Mệnh đ hợp thành b Mô tả mệnh đ hợp thành c Luật hợp thành mờ d Thuật tốn xây dựng luật hợp thành có nhi u mệnh đ hợp 11 thành e Luật hợp th nh đơn u kiện f Luật hợp thành có hai mệnh đ hợp thành g Giải mờ h Phương pháp suy luận mờ Mamdani 3.2 ĐIỀU KHIỂN MỜ 3.2.1 Bộ điều khiển mờ 3.2.2 Nguyên lý điều khiển mờ 3.3 PID MỜ TỰ CHỈNH 3.3.1 Các bƣớc thực ác định tham ố PID mờ tự chỉnh Bước 1: Đ nh nghĩ tất bi n ngôn ng vào/ra Bước 2: X c đ nh tập mờ cho t ng bi n vào/ra (mờ hoá) Bước 3: Xây dựng luật hợp thành Bước 4: Chọn thi t b h p thành ước 5: Giải mờ tối ưu ho 3.3.2 Phƣơng pháp nghiên cứu ộ điều hiển PI T mờ tự ch nh x y dựng ph n mềm / imu in , phiên ản 2009 công cụ ogic mờ Trong đ đối tượng điều hiển hình tổng qu t c điện trở thực ởi ộ PI mờ hệ thồng điều hiển trình ày (hình 13) àm truyền c Trong đ đối tượng điều hiển x c đ nh t (2.12) ộ điều hiển PI x c đ nh ởi hàm truyền(2 14) Việc x c đ nh th m số ộ điều hiển thực theo phư ng ph p ieg er-Nicho s C h i phư ng ph p thực nghiệm d ng để x c đ nh c c th m số {Kp, Ki, Kd c ộ điều hiển - Phư ng ph p ieg er-Nicho s dự đ p ứng v ng hở 12 - Phư ng ph p ieg er-Nicho s dự đ p ứng v ng n Tuy nhiên với h i phư ng ph p thực nghiệm cho x c đ nh th m số c ộ điều hiển PI [6 , Với phạm vi nghiên cứu c t g n tư ng tự nh u đề tài thực x c đ nh th m số ộ điều hiển PI theo phư ng ph p re y-feedback autotuning n 3.13 3.4 KẾT LUẬN n t n t ủ t ốn ề k ển Qua việc tìm hiểu lý thuy t điều khiển mờ c c phư ng ph p điều khiển mờ giúp người thi t k c sở uận, i n thức c ản phư ng ph p điều khiển mờ Tuy nhiên việc t nh to n, x c đ nh tham số điều khiển PID theo nh ng phư ng ph p trình ày muc 2.5.2.d gặp nhiều h hăn, n đ i hỏi người s dụng phải có ki n thức điều khiển tự động kinh nghiệm điều khiển PI cho t chư tốt thuy t điều hiển mờ t c phư ng ph p PI i n thức c t hợp với c sở mờ tự ch nh T c c ản giúp đư r phư ng n thi t k hiển PID mờ tự ch nh điều khiển nhiệt độ ộ điều điện trở CHƢƠNG THIẾT KẾ Ộ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ PID MỜ TỰ CHỈNH 4.1 ây dựng thuật toán điều khiển PID mờ tự chỉnh điều khiển nhiệt độ lò điện trở 4.1.1 Lựa chọn phƣơng pháp điều khiển 4.1.2 Xây dựng thuật tốn điều khiển T mơ hình tổng qu t hình 3.13, T c đối tượng điều hiển c hàm truyền theo mục 2.4.1 t c : 13 ( ) ( Khai triển Taylo g n bậc 2: ( ) ( )( ) t hàm truyền hệ thống ) Mơ hình tốn c a PID theo (2.13) () () () T c hàm truyền c () ∫ () () () (4.1) ộ điều hiển PI x c đ nh theo (2.14) ( ) (4.2) Các tham số KP, KI, KD ch nh đ nh theo t ng điều khiển mờ riêng biệt dựa sai lệch e(t) đạo hàm de(t) Có nhiều phư ng ph p h c nh u để ch nh đ nh PI dựa phi m hàm mục tiêu, ch nh đ nh trực ti p, ch nh đ nh theo h o, Tomizu Is … Nguyên t c chung b t đ u với tr KP, KI, KD theo ZeiglerNicho s, s u đ dự vào đ p ứng th y đổi d n để tìm r hướng ch nh đ nh thích hợp Việc tìm r phư ng ph p tối ưu c ộ điều hiển cho qu trình đ nh hông đ n giản, c ch điều hiển tinh ch nh ng y qu trình hoạt động c hệ thống (gọi tinh ch nh on ine) dự qui t c mờ 4], [11] Trên hình vẽ cho thấy hệ thống PI tự ch nh mờ đ y để h i th c uật mờ uận để tạo r th m số điều hiển n 4.1 ề k ển k t ợ v 14 Vấn đề đ y điêu ch nh c c th m số, người t cho r ng c c th m số Kp, Kd n m phạm vi qui đ nh Kpmin, Kpmax Kdmin, Kdmax x c đ nh ng thực nghiệm, dự vào phư ng trình Theo [11] (4.3) (4.4) (4.5) (4.6) Để thuận tiên Kp, Kd chuẩn h vào hoảng gi hông ởi c c i n đổi n t nh s u: [9] X t hệ thống điều hiển hình vẽ n 4.2 t ốn ề k ển Thông thường ộ điều hiển PI theo (4 4), tư ng đư ng (4 3) T ệ thống x y dựng t tập hợp c c qui t c mờ IFN mô tả àm th chọn th m số PI điều iện hoạt động đ nh a Phương pháp Ch nh định PID u khiển mờ n 4.3 ỉn ịn PID t n ề k ển - Trong lân cận a1 ta c n luật ĐK mạnh để rút ng n thời gian lên, chọn: KP lớn, Kd nhỏ Ki nhỏ - Lân cận b1 ta tránh vọt lố lớn nên chọn: Kp, Ki nhỏ, Kd lớn 15 - Lân cận c1 d1 giống n cận a1 b1 Hai tham số Kp, Kd xem tham số điều ch nh điều ch nh đường cong, để điều ch nh h i đường k t hợp đường phải có phối hợp gi a Kp Kd b Ch nh định mờ tham số u khiển P D C c th m số KP, Ki, Kd ch nh đ nh theo t ng điều khiển mờ riêng biệt dựa sai lệch e(t) đạo hàm de(t) Cụ thể tham số Kp, Ti, Td hay Kp, Ki, Kd c a điều khiển PI ch nh đ nh c sở phân tích tín hiệu ch đạo tín hiệu c a hệ thống, xác sai lệch e(t) đạo hàm de/dt c a sai lệch Có nhiều phư ng pháp ch nh đ nh tham số cho điều khiển PI ch nh đ nh qua phím hàm mục tiêu, ch nh đ nh trực ti p theo h o, Tomizu Is … 11 ,[12] Nguyên t c chung b t đ u với tr KP, Ki, Kd theo Zeigler-Nicho s, s u đ dự vào đ p ứng th y đổi d n để tìm r hướng ch nh đ nh thích hợp ong phư ng ph p đ n giản dễ áp dụng h n phư ng ph p ch nh đ nh mờ c a Zhao, Tomizuka Isaka với giả thi t tham số KR, KD b chặn: (4.7) (4.8) h o, Tomizu , Is chuẩn hóa tham số đ s u : (4.9) (4.10) Để c : Như vậy, ch nh đ nh mờ c h i đ u vào e(t), đ : đ u 16 (4.11) o đ t c thể xem n h i đ u vào T, T ộ ch nh đ nh mờ nhỏ, ộ c đ u r Kp,Ki,Kd 9] n 4.1 t nt n ỉn ịn ộ điều hiển mờ đư vào cấu trúc điều hiển hình , nh m mục tiêu cung cấp gi tr {Kp, Ki, Kd cho ộ điều hiển PI , dự theo điều iện c {e, u Nghĩ ộ điều hiển mờ thực riêng ẽ hình 18 ỗi ộ điều hiển c ng vào ng r n 4.5 t Ng vào thứ T mờ h ề k ển ởi tập: ET = {âm nhiều, âm v a, âm ít, zero, dư ng t, dư ng v , dư ng nhiều}, ET = { N3, N2, N1, ZE, P1, P2, P3 } n 4.6 nt Ng vào thứ h i T mờ h T n v T ởi tập tư ng ứng : { m nhiều, m v , m t, zero, dư ng t, dư ng v , 17 dư ng nhiều ; DET = { N31, N21, N11, ZE1, P11, P21, P31 } Hình 4.7 hàm liên thu c ngõ vào DET n 4.8 nt n àm iên thuộc c c tập mờ ng vào/r x c đ nh ởi 11] ( ) ( ) (4.12) ự cụ thể i c c gi tr c cho t ng qui t c x c đ nh ng c ch thực c c qui t c uật mờ 10] T c : ∑ (4.13) C c hàm iên thuộc tư ng ứng: Khi ∑ (4.14) ∑ (4.15) ∑ (4.16) 𝛼 x c đ nh, c c th m số c PI t nh to n t c c phư ng trình s u: ộ điều hiển 18 ) (4.17) ) (4.18) (4.19) Như vậy, ch nh đ nh mờ c h i đ u vào e(t), đ u ba c Đi u khiển nhiệt độ lò nhiệt phương pháp P D mờ tự ch nh * X c đ nh bi n ngơn ng Hai tín hiệu đ u vào điều khiển mờ: đ u vào c a điều khiển mờ gồm bi n sai lệch nhiệt độ ET tốc độ tăng - Sai lệch nhiệt độ T, đ T Đặt - Đo (T: nhiệt độ đặt) Sai số - Tốc độ tăng T đ : ( T, với ) () T1 chu kỳ lấy mẫu Đ u vào: bi n + Sai lệch nhiệt độ T Đặt - Đo Sai số (chọn , T=200 0C) (4.20) Suy ra: ET  [-12 12] + Tốc độ tăng ( ) () , với T1 chu ỳ mẫu Chọn độ tăng nhiệt độ tối đ 600C, thời gi n mẫu 10sec ( ) () Suy ra: DET  [-0.6 0.6] (4.21) 19 Đ u ra: bi n, Kp hệ số tỷ lệ; Ki hệ số tích phân, Kd hệ số vi phân * Mơ tả bi n ngôn ng T c năm i n ngôn ng đ s i ệch nhiệt độ ET, tốc độ tăng DET, Kp, KI, KD Hai bi n T T c gi tr ngôn ng bi n ngôn ng Kr, KD, anpha c gi tr ngôn ng mô tả sau ET = {âm nhiều, âm v a, m t, zero, dư ng t, dư ng v , dư ng nhiều}; ET = { N3, N2, N1, ZE, P1, P2, P3 } DET = { âm nhiều, âm v , m t, zero, dư ng t, dư ng v a, dư ng nhiều}; DET={ N31, N21, N11, ZE1, P11, P21, P31 } Kr/KD={ Small, Big } = { S, B} Anpha ={mức 1, mức 2,mức 3,mức 4, mức 5}={S, MS, M, P} * Tập mờ Hàm liên thuộc c a bi n có dạng hình t m gi c chọn hình đ y n 4.9 nt Tv n 4.10 nt n v * Xây dựng c sở luật hợp thành nt nt T c Kd, Kp Xây dựng luật cho hệ thống suy luận mờ ước quan trọng trình thi t k điều khiển mờ Công việc phụ thuộc nhiều vào kinh nghiệm c người thi t k 20 * Mờ hóa, hợp thành giải mờ Phư ng ph p để mờ hóa bi n đ u vào trình ày bảng 2, 4 Chọn luật hợp thành theo quy t c x- in giải mờ theo phư ng ph p trọng tâm d Chương tr nh 4.1.3 Kết mô Để đ nh gi t c a việc s dụng phư ng ph p PI mờ tự ch nh chạy fi e PIDautotuningfuzzy.m lập trình matlab mơ matlab simulink T phư ng trình hàm truyền c hình ộ điều hiển nhiệt độ nhiệt t x y dựng mô điện trở n 4.17 n ỏn k ố ều khiển FUZZY T phư ng trình hàm truyền c nhiệt ta xây dựng mơ hình nhiệt n 4.18 Mơ hình lò nhi t matlab simulink Trên c sở c mơ hình ta xây dựng mơ hình điều khiển nhiệt độ điện trở s dụng phư ng ph p PI mờ tự ch nh K t ngõ c a hệ thống với điều khiển PI mờ tự ch nh thể hình 4.20 Dap ung ngo lo nhiet voi bo dieu khien PID mo không biet thong so 250 200 Th Dat Th thuc PID mo Th Sai lec h mo Nhiet (C) 150 100 50 -50 n 4.20 500 1000 1500 Thoi gian (s ) ng h thống v i b 2000 2500 3000 ều khiển tự chỉnh 21 Ta nhận thấy với điều khiển PI mờ tự ch nh, cho đ p ứng ngõ chất ượng tốt, thời gi n đ p ứng 1100s, kh c phục độ điều ch nh, khơng có sai số xác lập, kh c phục với nhiễu tác động nhanh sau thời gian 80s Để kiểm nghiệm lại điều khiển PI mờ tự ch nh cho nhiều đối tượng lò nhiệt khác Ta cho điều khiển hoạt động mơ hình đối tượng khác nhau, t đ đ nh gi chất ượng cho điều khiển B ng4.4 Thông số ố tượng lò nhi t Thơng số Nhiệt độ đặt ệ số hu ch Thời gi n Thời gi n đại K trễ (s) qu độ T (s) Tđặt ( ) nhiệt nhiệt 200 400 20 340 nhiệt 250 500 60 720 nhiệt 400 800 40 900  Mô với điều khiển PID mờ tự chỉnh cho lò Chạy file tự d PI c tên PI utotuningfuzzy1 m s u đ nhập thông số cho lò nhiệt có thơng số sau: K = 400, L = 20s, T = 340s, Tđặt = 200 K t x c đ nh hệ số khu ch đại tới hạn KU = 1.4776 Chu kỳ d o động tới hạn PU = 30.950s T hai k t ta tính tham số KP, KI, KD c a điều khiển PID K t mơ mơ hình matlab simulink Dap ung ngo lo nhiet voi bo dieu khien PID mo tu chinh 250 200 Th Dat Th thuc PID mo Th Sai lech mo Nhiet (C) 150 100 50 -50 500 n 4.2 1000 1500 Thoi gian (s) n n 2000 2500 thống 3000 22 Dap ung ngo lo nhiet voi bo dieu khien PID mo không biet thong so Th Dat Th thuc PID mo Th Sai lech mo 215 210 205 Nhiet (C) 200 195 190 185 180 175 170 1850 1900 n 4.22 P n t 1950 2000 2050 Thoi gian (s) 2100 2150 2200 2250 ều khiển tự chỉnh k n Ta nhận thấy với điều khiển PID tự ch nh điều khiển lò nhiệt ng b 1, cho đ p ứng ngõ chất ượng tốt, thời gi n đ p ứng nhanh, không xảy r độ qu điều ch nh, khơng có sai số xác lập, kh c phục với nhiễu t c động nhanh sau thời gian 150s Tư ng tự Mô với điều khiển PI lò nhiệt t mơ cho mục c nhiệt mờ tự ch nh cho nhiệt uận văn 4.2 KẾT LUẬN Với với c c gi tr đặt (Tđặt = 200OC, , Tđặt = 400OC; c c thông số c th y đổi hoảng cho ph p) t nhận thấy tìm th m số c t d ộ điều hiển c th y đổi theo gi tr điều ch nh, c c thơng số hi tìm n m hoảng gi tr cho ph p Với ộ điều hiển PI 4 cho đối tượng mờ tự điều ch nh thực nghiệm mô điện trở c thông số h c nh u ảng t hình 21 c hình 25 c nhiệt cho nhiệt 1, hình 23 c nhiệt 2, t đ p ứng yêu c u: Đạt nhiệt độ ng r theo gi tr đặt (s i số x c ập tư ng đư ng 0), hông xảy r tượng qu điều ch nh, thời gi n x c ập đạt yêu c u, thời gi n x c ập n u c nhiễu ộ điều hiển t c động ộ điều hiển t c động o hệ trạng th i ổn đ nh o s nh với ộ điều hiển PI s dụng phư ng ph p truyền thống t nhận thấy h c nh u chất ượng điều hiển 23 * Bộ điều khiển PI truyền thống c c c th m số Kp, Ki, Kd theo c c gi tr th y đổi c T, , K độ vọt lố n tính theo tăng nhiệt độ - Tđặt 200 độ C giá tr nhiệt độ vượt lên 280 0C - Tđặt 400 độ C giá tr nhiệt độ vượt ên h n 550 0C - Thời gi n đạt giá tr đặt < 800sec * Điều khiển nhiệt độ b ng phư ng ph p PI mờ tự ch nh cho chất ượng điều khiển tốt h n ộ PI truyền thồng ộ điều khiển mờ c độ th y đổi theo cách chọn khoảng giá tr hiệu ch nh c a Kp,Ki, Kd, thời gian xác lập txl = 600sec, thời gi n đạt giá tr đặt đ p ứng nh nh hi tăng gi tr hiệu ch nh Kp, hông xảy r tượng qu điều ch nh Các thông số c s dụng đ y hông d ng để tính tốn tham số c a điều khiển PI mờ tự ch nh mà nhập thông số để c mơ hình đối tượng KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Trong luận văn trình ày thuy t điều khiển mờ, phư ng ph p điều khiển nhiệt độ để tìm cấu trúc nguyên lý hoạt động c a hệ thống điều khiển nhiệt độ Trình ày c c phư ng ph p điều hiển nhiệt độ truyền thống Thực mô phỏng, so s nh đ nh gi ưu huy t điểm c ộ điều hiển ON/OFF, PI truyền thống uận văn p dụng thuy t điều khiển mờ c c phư ng ph p điều khiển truyền thống, thực mô phỏng, so s nh đ nh gi ưu huy t điểm c ộ điều hiển để giải quy t yêu c u đặt thi t k , xây dựng ộ điều khiển mờ PI mờ tự ch nh S dụng ph n mềm Matlab mô kiểm chứng đ nh gi c c 24 thuật to n điều khiển Tuy vấp phải số h thành công đ nh đ hăn đề tài đạt số thi t k điều khiển nhiệt độ với ba ch độ điều khiển ON/OFF, PI , PI yêu c u đặt với điều hiển ph p PI mờ tự ch nh cho mờ tự ch nh đ p ứng nhiệt điện trở s dụng phư ng t quả: Qu trình qu độ hông c độ qu điều ch nh, àm việc ổn đ nh, ền v ng, điều hiển nhiệt độ ngỏ r ng nhiệt độ đặt, thời gi n đạt tới nhiệt độ đặt hợp Kiến nghị Mặc d đề tài đạt nhiều k t tốt mục đ ch đề Tuy nhiên thời gian ng n điều kiện nghiên cứu giới hạn nên nh ng hạn ch c n kh c phục phát triển thêm Để sản phẩm hoàn thiện để đ p ứng đ i hỏi c a thực tiễn áp dụng vào thực nghiệm c n nghiên cứu nhiều đối tượng lò nhiệt loại loại cảm bi n khác Vì thời gi n nghiên cứu, tìm hiểu c giới hạn nên đề tài ch d ng lại việc mô matlab simulink Việc đ nh gi chất ượng ch dự đối tượng lò nhiệt khác ướng phát triển đề tài p dụng chư ng trình mơ vào c c oại vi điều khiển để điều khiển đối tượng thực Để hệ thống trở nên hồn thiện áp dụng cho nhiều ứng dụng tiện lợi h n c n k t hợp điều khiển thu phát hồng ngoại truyền d liệu không dây b ng sóng RF ... hiển PID mờ tự ch nh điều khiển nhiệt độ ộ điều điện trở CHƢƠNG THIẾT KẾ Ộ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ PID MỜ TỰ CHỈNH 4.1 ây dựng thuật toán điều khiển PID mờ tự chỉnh điều khiển nhiệt độ lò điện trở. .. thành g Giải mờ h Phương pháp suy luận mờ Mamdani 3.2 ĐIỀU KHIỂN MỜ 3.2.1 Bộ điều khiển mờ 3.2.2 Nguyên lý điều khiển mờ 3.3 PID MỜ TỰ CHỈNH 3.3.1 Các bƣớc thực ác định tham ố PID mờ tự chỉnh Bước... loại lò điện trở thơng dụng 2.3.4 Khống chế ổn định nhiệt độ lò điện trở 2.4 HÀM TRUYỀN CỦA LÒ ĐIỆN TRỞ 2.4.1 Đối tƣợng lò nhiệt Lò nhiệt mơ hình phi n Đặc trưng c a lò nhiệt khâu qn tính nhiệt,