Bài viết giới thiệu về bộ điều khiển lai bao gồm một bộ điều khiển PID và một bộ điều khiển mờ. Trong đó bộ điều khiển PID giữ vai trò chính tạo tín hiệu điều khiển đối tượng, còn bộ điều khiển mờ giữ vai trò quan sát và cung cấp thông số cho bộ điều khiển PID theo thời gian thực.
Tập San – Trường Đại Học Cơng Nghiệp Quảng Ninh – Số 51 – 2019 Ứng dụng PID và Logic mờ điều khiển hệ thống tưới tiết kiệm nước cho cây cơng nghiệp Nguyễn Thị Mến 1,* Đỗ Thị Hoa1 Khoa Điện, Trường Đại học Cơng nghiệp Quảng Ninh * Email: menk50tudong@gmail.com Tel: +84385702968 Từ khóa: Bộ điều khiển mờ; Hệ thống tưới nước thơng minh; Mơ hình hóa; PID Tóm tắt Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ của cơng nghệ đặc biệt là ứng dụng điều khiển mờ vào thiết kế một hệ thống điều khiển đáp ứng đầy đủ được yêu cầu đặt ra của người sử dụng ngày càng trở lên đơn giản hơn. Các hệ thống điều khiển không chỉ áp dụng trong sản xuất cơng nghiệp mà cịn được sử dụng nhiều cho sản xuất nơng nghiệp hướng tới mục tiêu nơng nghiệp cơng nghệ cao và bền vững. Việc nghiên cứu ứng dụng một phương pháp điều khiển hiện đại để điều khiển hệ thống tưới nước tiết kiệm dựa trên điều kiện về khí tượng thủy văn, địa chất là rất cần thiết. Việc kết hợp giữa điều khiển PID và điều khiển mờ có thể đáp ứng được hầu hết các quy mơ sản xuất từ nhỏ đến lớn, đáp ứng được u cầu chất lượng cho bài tốn trên Bài báo nhằm giới thiệu về bộ điều khiển lai bao gồm một bộ điều khiển PID và một bộ điều khiển mờ. Trong đó bộ điều khiển PID giữ vai trị chính tạo tín hiệu điều khiển đối tượng, cịn bộ điều khiển mờ giữ vai trị quan sát và cung cấp thơng số cho bộ điều khiển PID theo thời gian thực. Kết quả dựa trên phương pháp mơ hình hóa hệ thống tưới tiết kiệm nước canh tác công nghiệp, quy trình mô phỏng trên phần mềm Matlab Ngày nhận bài: Ngày nhận bài sửa: Ngày chấp nhận đăng: 1. GIỚI THIỆU Logic mờ (Fuzzy logic) là dựa trên thông tin khơng được đầy đủ hoặc khơng chính xác, con người suy luận đưa ra cách xử lý và điều khiển chính xác hệ thống phức tạp hoặc đối tượng mà trước đây chưa giải quyết được. Ðiều khiển mờ sử dụng kinh nghiệm vận hành đối tượng và cách xử lý điều khiển của các chun gia trong thuật toán điều khiển, do vậy hệ điều khiển mờ là một bước tiến gần hơn tới tư duy của con người. Ðiều khiển mờ thường sử dụng trong các hệ thống sau đây: Hệ thống điều khiển phi tuyến. Hệ thống điều khiển mà các thông tin đầu vào hoặc đầu ra là khơng đầy đủ, khơng xác định được chính xác. Hệ thống điều khiển khơng xác định được tham số hoặc mơ hình đối tượng. Ngồi ra, các bộ điều khiển mờ cho phép lặp lại các tính chất của các bộ điều khiển kinh điển. Việc thiết kế bộ điều khiển mờ cũng rất đa dạng, qua việc tổ chức các nguyên tắc điều khiển và chọn tập mờ cho các biến ngôn ngữ cho phép người ta thiết kế điều khiển mờ khác nhau. Nguyễn Thị Mến Khối lượng công việc cần thực hiện khi thiết kế một bộ điều khiển mờ khơng phụ thuộc vào đặc tính của đối tượng. Ðiều này có nghĩa là q trình xử lý của một bộ điều khiển mờ với những ngun tắc điều khiển cho các đối tượng có đặc tính động học khác nhau là hồn tồn như nhau. Với bài báo này chúng ta có thể tổng hợp mơ hình tổng quát đối tượng hệ thống tuới cho cây cơng nghiệp dựa trên mối quan hệ giữa các đại lượng như: lượng nước bốc hơi, lượng mưa, lượng nước tưới và độ ẩm trong đất. Từ đó có thể định ra lượng nước tưới cần thiết tại một thời điểm cụ thể tương ứng với độ ẩm yêu cầu của cây trồng. Thông qua việc nghiên cứu lý thuyết logic mờ và phương pháp tính tốn tham số bộ điều khiển PID, dựa vào đặc điểm của mơ hình đối tượng đã tính tốn được thơng số của bộ điều khiển mờ và bộ điều khiển PID. Tồn bộ q trình được mơ phỏng trên phần mềm Matlab Simulink, qua có thể so sánh chất lượng điều khiển của hai bộ điều khiển mờ và PID đối với mơ hình là hệ thống tưới cho cây cơng nghiệp. 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Tập San – Trường Đại Học Cơng Nghiệp Quảng Ninh – Số 51 – 2019 2.1. Tổng hợp về Fuzzy logic 2.1.1.Cấu trúc bộ điều khiển mờ Hình 1. Cấu trúc của bộ điều khiển mờ cơ bản Thành phần trung tâm của hệ mờ là cơ sở luật mờ (fuzzy rule base). Cơ sở luật mờ bao gồm các luật mờ ifthen biểu diễn tri thức của chuyên gia trong linh vực nào đó. Thành phần quan trọng kế tiếp suy diễn mờ (fuzzy inference engine). Nhiệm vụ của bộ phận này là kết hợp các luật trong cơ sở luật mờ, áp dụng vào tập mờ đầu vào theo các phương pháp suy diễn mờ để xác định tập mờ đầu ra. Dữ liệu đầu vào của hệ điều khiển mờ là các tín hiệu do các bộ phận cảm biến mơi truờng cung cấp sau khi đã số hố nên có tính chất rõ (khái niệm rõ đây có nghĩa là các tín hiệu đó khơng phải là các tập mờ, chứ khơng có nghĩa là các tín hiệu khơng có nhiễu). Vì vậy cần phải có bộ mờ hố (fuzzier) để chuyển các dữ liệu số đầu vào thành các tập mờ để bộ suy diễn mờ có thể thao tác được. Dữ liệu đầu ra của bộ suy diễn mờ dạng tập mờ giải mờ (defuzzier) chuyển thành tín hiệu số truớc khi truyền đến các cơ quan chấp hành như cơng tắc, van điều khiển, … Do các dữ liệu đầu vào và đầu ra được số hoá nên ta chỉ cần xem xét các hệ mờ làm việc với các biến số. Trường hợp tổng quát, hệ mờ nhận một vector n chiều ở đầu vào và cho ra một vector m chiều ở đầu ra. Hệ mờ như thế được gọi là hệ mờ nhiều đầu vào – nhiều đầu ra (MIMO). Nếu m bằng 1, ta có hệ hệ mờ nhiều đầu vào – một đầu ra (MISO). Một hệ mờ nhiều đầu vào – nhiều đầu ra có thể phân tích thành nhiều hệ nhiều đầu vào – một đầu ra. 2.1.2.Các bước tổng hợp bộ điều khiển mờ Ðối với bộ điều khiển mờ theo mơ hình Mamdani: Ðịnh nghia tất cả các biến ngơn ngữ vào/ ra Ðịnh nghia tập mờ (giá trị ngơn ngữ) cho các biến vào/ra + Xác định miền giá trị vật lý cho các biến ngơn ngữ vào/ra + Xác định số lượng tập mờ cần thiết + Xác định kiểu hàm liên thuộc + Rời rạc hố các tập mờ Xây dựng các luật điều khiển (các mệnh đề hợp thành) Nguyễn Thị Mến Chọn thiết bị hợp thành mờ (maxMin hay sum Min, ) Chọn phương pháp giải mờ Tối ưu hệ thống 2.2. Ứng dụng PID và Fuzzy logic điều khiển hệ thống tưới cho cây cơng nghiệp 2.2.1. Mơ hình tổng qt hệ thống tưới nước tiết kiệm Phương trình cân bằng nước có thể được viết thành: H (θ max θ min) = I + Re ET [mm] Trong đó: H: độ sâu tầng đất ẩm ni cây, [mm]. θ max: độ ẩm tối đa [%]. θmin : độ ẩm tối thiểu[%]. Nếu gọi độ ẩm trước khi tưới là θ1 và độ ẩm sau khi tưới là θ2 thì ta có: H( θ 2 θ 1) = I + R ETc θ 1 : độ ẩm trước khi tưới [%]. θ 2 : độ ẩm sau khi tưới hay [%]. Trong đó: Hình 2. Mơ hình hệ thống tưới nước tiết kiệm Thơng qua mối tương quan đại lượng có trong sơ đồ ngun lý hệ thống ở trên có thể thành lập mơ hình tổng qt hệ thống t ưới như sau: Hình 3. Mơ hình tổng qt hệ thống tưới Các thơng số liên quan đến xác định lượng nước tưới cho cây: Ðộ ẩm cây héo, θ ≤25% Ðộ ẩm thích hợp, 34%≤ θ ≤ 46%. Ðộ ẩm tối đa, θmin > 46%. 2.2.2. Mơ hình hóa phần tử trong hệ thống tưới trên Matlab Simulink Công thức PenmanMonteith: Tập San – Trường Đại Học Công Nghiệp Quảng Ninh – Số 51 – 2019 Từ các khối chức năng trong thư viện của Matlab Simulink ta xây dựng được mơ hình của cơng thức PenmanMonteith với 4 thơng số đầu vào là: Rn: bức xạ mặt trời trung bình theo h. RH: độ ẩm khơng khí trung bình theo h. T: nhiệt độ trung bình theo h. v2: tốc độ gió trung bình theo h Hình 4. Cơng thức PenmanMonteith với 4 ngõ vào. Van lưu lượng: Khối mơ hình Van là khối gồm hai đầu vào và một đầu ra. Hai đầu vào của van là: Tín hiệu điều khiển đóng mở van: độ mở van tương ứng, nhận các giá trị thực trong khoảng từ 0.0 đến 1.0. Giá trị 0.0 tương ứng với trường hợp van đóng hồn tồn, giá trị 1.0 tương ứng với trường hợp van mở hồn tồn (100%). Lưu lượng vào tối đa của van (q_in). Ðầu ra của van là: Lưu lượng ra của van = tích số của tín hiệu điều khiển van và lưu lượng vào của van 2.3. Mơ hình hóa hệ thống điều khiển tưới tiết kiệm Dựa vào phương trình tính tốn độ ẩm sau tưới và căn cứ vào số liệu đầu vào/ra chúng ta xây dựng được mơ hình tốn học hệ thống tưới nước như sau: Hình 5. Mơ hình tốn học hệ thống tưới nước Bảng 1. Giá trị các thơng số trong hệ thống STT Số liệu Giá trị HChiều sâu rễ cây 300mm Kc Hệ số cây trồng Alpha – Hệ số sử dụng nước mưa qin Lưu lượng cực đại 20mm/h/ha vào van θ1 – Độ ẩm trong đất tại 20% độ sâu H khi tưới nước 2.4. Xây dựng bộ điều khiển PID Nguyễn Thị Mến Hình 6. Mơ hình hệ thống điều khiển PID Tính toán tham số điều khiển theo phương pháp thứ ZieglerNichols tìm được thời gian trễ L = 0,1045 [s] và thời gian q độ T = 0,0545 [s], từ đó tính được tham số các bộ điều khiển P, PI, PID như sau: Bảng 2. Giá trị các hệ số bộ điều khiển P,PI,PID Bộ điều Kp KI KD khiển P 0,5215 PI 0,4693 1,497 PID 0,625 2,99 0,0326 So sánh đáp ứng của ba bộ điều khiển với ngõ vào là tín hiệu Step có giá trị θref= 46 %. Ðáp ứng ngõ ra của hệ thống với ba bộ điều khiển P, PI, PID được thể hiện như hình dưới đây: Hình 7. Mơ hình tốn học hệ thống tưới nước Vậy xét tổng thể đối với đối tượng là hệ thống tuới đang xét thì bộ điều khiển PID có chất lượng điều khiển tốt nhất 2.5. Thiết kế bộ điều khiển mờ cho hệ thống tưới Hình 8. Mơ hình đối tượng của hệ thống điều khiển mờ Bộ điều khiển có 2 biến ngõ vào: Sai lệch e = θref – θ ( sai lệch giữa độ ẩm đặt và độ ẩm tại thời điểm t) de là đạo hàm của sai lệch e theo thời gian. Ngõ ra của bộ điều khiển là tín hiệu điều khiển uđk dùng để điều khiển đóng mở van 2.5.1. Định nghĩa tập mờ cho các biến vào/ra Ðối với miền giá trị của sai lệch e ta chọn như sau: Tập San – Trường Đại Học Cơng Nghiệp Quảng Ninh – Số 51 – 2019 Tương ứng với 3 hàm cụ thể : µe = [µeN(x), µeZE(x), µeP(x)] Trong ba giá trị cho biến ngôn ngữ được sử dụng là: N: sai lệch âm nhiều, ZE: sai lchchophộp,P:sailchdngnhiu éivi delohmcasailchetachn de = ư0,1 ữ0,1(%/s)tngngvi3hmsau: àe=[àeN(x),àeZE(x),àeP(x)] Trong đó ba giá trị N: đạo hàm sai lệch biến thiên âm (sai lệch e giảm nhanh). ZE: đạo hàm sai lệch biến thiên trong giới hạn cho phép ( sai lệch e nằm trong khoảng cho phép) P:ohmsailchbinthiờndng(sai lchetngnhanh). éivingừraukltớnhiuiukhinvan tachn: Uk=ư1ữ1Tng ngvi5hmc th nhsau: àu=[àuNB(x),àuNS(x),àuZE(x),àuPS(x),àuPB(x)] Trongúnmgiỏtrchobinngụnngc sử dụng là: NB: đóng van hồn tồn (đóng nhanh), NS: đóng van (đóng chậm), ZE: độ mở van khơng đổi, PS: mở van ít (mở chậm), PB: mở van hồn tồn (mở hết, nhanh). 2.5.2 Luật điều khiển, quy tắc hợp thành phương pháp giải mờ Hình 11. Ðáp ứng ngõ ra của hệ thống với bộ điều khiển mờ khi ngõ vào là tín hiệu hàm bước 3. KẾT QUẢ Với tín hiệu hàm bước có giá trị θ = 46 [%], ta được đáp ứng ngõ ra và sai lệch của hệ thống với hai bộ điều khiển mờ và PID Hình 12. Ðáp ứng và sai lệch của hệ thống với bộ điều khiển mờ và PID khi tín hiệu ngõ vào là hàm Step Thay đổi ngõ vào bằng hàm nấc thang để kiểm tra độ bám điều khiển mờ bộ điều khiển PID : Hình 9. Mơ hình hệ thống với bộ điều khiển mờ Chọn luật hợp thành MaxMin, giải mờ bằng phương pháp trọng tâm, ta quan sát được sự tác động của các luật và quan hệ vào ra của bộ điều khiển như sau: Hình 10. Quan hệ vào/ra giữa e, de và uđk Ðáp ứng ngõ sai lệch điều khiển mờ với ngõ vào là tín hiệu Step có giá trị θref = 46 %. Hình 13. Ðáp ứng và sai lệch của hệ thống với bộ điều khiển mờ và PID khi tín hiệu ngõ vào là hàm nấc thang Các chỉ tiêu để đánh giá chất lượng hai bộ điều khiển mờ và bộ điều khiển PID như bảng dưới đây: Bảng 3. Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng hai bộ điều khiển mờ và PID 4. THẢO LUẬN Với việc tính tốn tham số các bộ điều khiển P, PI, PID và bộ điều khiển mờ cũng như q trình mơ phỏng hệ thống với các bộ điều khiển đã tổng Nguyễn Thị Mến Tập San – Trường Đại Học Cơng Nghiệp Quảng Ninh – Số 51 – 2019 hợp với các tín hiệu ngõ vào khác nhau để đánh giá chất lượng điều khiển thấy điều khiển mờ với ưu thế của nó rất phù hợp với đối tượng có tính phi tuyến, có giá trị đầu vào thay đổi liên tục theo thời gian như hệ thống tưới đã nói ở trên. Dựa vào các công cụ mô phỏng của phần mềm Matlab Simulink dã tiến hành mô phỏng kiểm chứng để so sánh chất luợng điều khiển của hai bộ điều khiển mờ và PID đối với mơ hình là hệ thống tưới tiết kiệm nước, kết quả cho thấy với bộ điều khiển mờ đã đạt được các u cầu về chất lượng điều khiển. Mặc dù đã đạt được kết quả đề ra nhưng bài báo vẫn chưa tổng hợp chính xác hết các thơng số đầu vào hệ thống như: thời tiết, thổ nhưỡng, lượng mưa, chưa đề cập đến khâu đo đếm lưu lượng nước, độ ẩm đất và chưa nghiên cứu thử nghiệm trên thiết bị thực tế. Ðó là các vấn đề dự định tiếp tục phát triển nghiên cứu trong thời gian tới 5. KẾT LUẬN Trong bài báo “Ứng dụng điều khiển mờ nâng cao chất lượng hệ thống tưới tiết kiệm nước cho cây cơng nghiệp” đã giải quyết được các vấn đề cơ bản như: Tổng hợp được mơ hình tổng qt của đối tượng là hệ thống tưới cho cây công nghiệp dựa trên mối quan hệ giữa các đại lượng như: Nguyễn Thị Mến lượng bốc thốt hơi, lượng mưa hữu hiệu, lượng nước tưới và độ ẩm trong đất. Từ đó có thể xác định lượng nước tuới cần thiết tại một thời điểm cụ thể tương ứng với độ ẩm yêu cầu của cây trồng. Thơng qua việc nghiên cứu về lý thuyết logic mờ và phương pháp tính tốn tham số bộ điều khiển PID, dựa vào đặc điểm của mơ hình đối tượng đã tổng hợp được thơng số của bộ điều khiển mờ và bộ điều khiển PID. 6. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1].TS Lê Xn Vinh, (2019), Giáo trình logic mờ và ứng dụng, NXB Xây dựng, Quy Nhơn [2]. Hồ Thuần , Đặng Thanh Hà,(2017), Logic mờ và ứng dụng, NXB ĐH Quốc gia Hà Nội [3]. TS Nguyễn Trọng Thuấn , (2012) Điều khiển logic và ứng dụng, NXB KHKT [4]. Ngơ Trí Dương, (2014), Giáo trình điều khiển logic, Nhà xuất bản Học viện nông nghiệp. [5] TS Nguyễn Thương Ngô, Lý thuyết điều khiển tự động thông thường và hiện đại, ( 2016), NXB KHKT, Hà Nội [6] Bộ Nông nghiệp phát triển nơng thơn, Giáo trình cây cơng nghiệp, (2016),NXB NN [7] Tìm hiểu cây công nghiệp Tây Nguyên (2017) www.fuzzylogic.com/answers . Vienemark.com ... ta được đáp ứng? ?ngõ ra? ?và? ?sai lệch của? ?hệ ? ?thống? ? với hai bộ? ?điều? ?khiển? ?mờ? ?và? ?PID Hình 12. Ðáp? ?ứng? ?và? ?sai lệch của? ?hệ? ?thống? ?với bộ điều? ?khiển? ?mờ? ?và? ?PID? ?khi tín hiệu ngõ vào là hàm Step Thay đổi ngõ vào bằng hàm nấc thang để ... Chọn thiết bị hợp thành? ?mờ (maxMin hay sum Min, ) Chọn phương pháp giải? ?mờ Tối ưu? ?hệ? ?thống? ? 2.2.? ?Ứng? ?dụng ? ?PID? ? ? ?và? ?Fuzzy? ?logic? ?điều? ?khiển? ? hệ? ?thống? ?tưới? ?cho? ?cây? ?cơng? ?nghiệp 2.2.1. Mơ hình tổng qt? ?hệ ? ?thống? ?tưới? ?nước? ?tiết. .. kiểm chứng để so sánh chất luợng? ?điều? ?khiển? ?của hai bộ ? ?điều? ?khiển? ?mờ ? ?và? ?PID? ?đối với mơ hình là hệ ? ?thống? ?tưới? ?tiết? ?kiệm? ?nước, kết quả ? ?cho? ?thấy với bộ? ?điều? ?khiển? ?mờ? ?đã đạt được các u cầu về chất lượng? ?điều? ?khiển.