1. Trang chủ
  2. » Kỹ Thuật - Công Nghệ

Ứng dụng PID và Logic mờ điều khiển hệ thống tưới tiết kiệm nước cho cây công nghiệp

5 72 0

Đang tải... (xem toàn văn)

THÔNG TIN TÀI LIỆU

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.  

Ngày đăng: 17/10/2020, 00:21

Xem thêm:

TỪ KHÓA LIÊN QUAN

TÀI LIỆU CÙNG NGƯỜI DÙNG

TÀI LIỆU LIÊN QUAN

w