Sử dụng thuật toán logic mờ để điều khiển cửa mở đập chắn đập

giáo dục đào tạo trường đại học bách khoa hà nội - Đinh Quang Hiệp SỬ DỤNG THUẬT TOÁN LOGIC MỜ ĐỂ ĐIỀU KHIỂN CỬA MỞ ĐẬP, CHẮN ĐẬP LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Chuyên nghành: Đo lường HTĐK Người hướng dẫn khoa học: PGS TS PHẠM THƯỢNG HÀN Hà Nội - 2012 LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu chưa công bố cơng trình chưa đăng tài liệu, tạp chí, hội nghị khác Những kết nghiên cứu luận văn trung thực Hà Nội, tháng năm 2012 Tác giả luận văn Đinh Quang Hiệp I MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN I MỤC LỤC II BẢNG KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT IV DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ V LỜI CẢM ƠN VII MỞ ĐẦU VIIVIII CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG I.1 CÁC HỆ ĐIỀU KHIỂN KINH ĐIỂN I.1.1 Tổng hợp điều khiển tuyến tính I.2.2 Tổng hợp hệ điều khiển phi tuyến I.2 LOGIC MỜ VÀ ĐIỀU KHIỂN MỜ I.2.1 Giới thiệu I.2.2 Bộ điều khiển mờ tĩnh I.2.3 Bộ điều khiển mờ động I.2.4 Hệ điều khiển mờ lai F-PID 10 I.2.5 Hệ điều khiển mờ trượt 13 I.2.6 Nhận xét 16 CHƯƠNG II: TÌM HIỂU HỆ THỐNG MỞ ĐẬP, CHẮN ĐẬP 17 II.1 TÌM HIỂU HỆ THỐNG CỬA MỞ ĐẬP, CHẮN ĐẬP Ở MỘT SỐ NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN 17 II.2 VAN SERVO 20 II.2.1 Nguyên lý làm việc 20 II.2.2 Kết cấu van servo 22 II.2.3 Đồ thị quan hệ lưu lượng Q dòng điện điều khiển I 27 II.2.4 Hệ số khuếch đại lưu lượng hệ số khuếch đại áp suất 29 II.2.5 Hiện tượng từ trễ trượt tín hiệu van 32 II.2.6 Lưu lượng tỷ lệ công suất truyền động 32 II.3 CẢM BIẾN ĐO MỨC 34 II.3.1 Cấu tạo nguyên lý hoạt động cảm biến điện dung………………….35 II.3.2 Mạch đo…………………………………………………………………….38 II.3.3 Một số cảm biến điện dung thực tế thị trường……………………… 41 II.4 NHẬN XÉT……………………………………………………………………….43 II CHƯƠNG III : THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ MÔ PHỎNG CHƯƠNG TRÌNH 44 III.1 Mô hình hệ thống thủy điện hịa bình………………………… ……………….44 III.2 Mơ hình hệ thống cửa xả………………………………………….….………….49 III.3 Thiết kế hệ thống điều khiển…………………………………… …………… 52 III.3.1 Mơ hình bể chứa……………………………………………… ……….52 III.3.2 Kết mô phỏng………………………………………………….….…….59 III.4 NHẬN XÉT……………………………………………………………… …….60 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 61 TÀI LIỆU THAM KHẢO 62 III BẢNG KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT KÝ HIỆU Ý NGHĨA FLC Điều khiển logic mờ BFC Bộ điều khiển mờ If … then … Luật điều khiển F-PID Bộ điều khiển mờ lai I Quy luật điều khiển tích phân P Quy luật điều khiển tỉ lệ D Quy luật điều khiển vi phân PID Quy luật điều khiển tỉ lệ, vi phân, tích phân IV DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1: Sơ đồ khối điều khiển mờ Hình 1.2: hệ điều khiển mờ theo luật PI Hình 1.3: hệ điều khiển mờ theo luật PD Hình 1.4 : hệ điều khiển mờ PID 10 Hình 1.5 : Các vùng tác động FLC PID 11 Hình 1.6: Vùng tác động điều chỉnh PID 12 Hình 1.7: Hệ đối tượng tích phân kép 13 Hình 1.8: Bộ điều khiển mờ trượt hai đầu vào 15 Hình 1.9: Bộ điều khiển mờ trượt ba đầu vào 15 Hình 2.1: Mơ hình hệ thống cửa xả mở đập, chắn đập 18 Hình 2.2: Sơ đồ nguyên lý phận điều khiển trượt van servo 20 Hình 2.3: Sơ đồ nguyên lý hoạt động van servo 22 Hình 2.4: Bản vẽ thể kết cấu ký hiệu van servo 23 Hình 2.5: Kết cấu van servo cấp điều khiển 24 Hình 2.6: Kết cấu van servo cấp điều khiển 24 Hình 2.7: Kết cấu van servo cấp điều khiển có cảm biến 25 Hình 2.8: Kết cấu van servo cấp điều khiển có cảm biến………………………… 26 Hình 2.9: Đặc tính thể quan hệ hành trình áp suất hai cửa ống phun 27 Hình 2.10: Đặc tính Q - I van trượt điều khiển 28 Hình 2.11: Tuyến tính hóa quan hệ Q-I 29 Hình 2.12: Sơ đồ nghiên cứu hệ số khuếch đại lưu lượng van 30 Hình 2.13: Sơ đồ nghiên cứu hệ số khuếch đại áp suất 31 Hình 2.14: Đồ thị Q - I tượng từ trễ trượt tín hiệu van 32 Hình 2.15: Đồ thị đặc tính Q - PV 34 Hình 2.16: Một số loại cảm biến điện dung thường gặp 35 Hình 2.17: Tụ điện mắc vi sai 37 Hình 2.18: Các mạch điện đo thường dùng với cảm biến điện dung 39 Hình 2.19: Mạch đo dịch chuyển cảm biến 40 V Hình 2.20 : Mạch tạo xung dao động ……………………………………… ……40 Hình 2.21 : Mạch tạo tần số qua IC555 ………………………………………… 40 Hình 2.22 : Mạch tạo tín hiệu điện áp …………………………………………… 41 Hình 2.23 : Hình ảnh cảm biến điện dung LV4000……………………………… 42 Hình 3.1 : Mơ hình hệ thống cửa xả nước thủy điện hịa bình………… …………44 Hình 3.2 : Mơ hình tính lưu lượng qua lỗ nhỏ ……………………….…….…… 45 Hình 3.3 : Mơ hình tính lưu lượng qua lỗ lớn …………………………… ……47 Hình 3.4 : Mơ hình nghiên cứu hệ thống tự động thủy lực mở cửa đập, chắn đập………………………………………… …………………………………… 49 Hình 3.5 : Mơ hình hệ thống cửa xả………………………………………… 52 Hình 3.6 : Sơ đồ khối hệ kín có tỉ lệ P…………………… ……………….53 Hình 3.7 : Đáp ứng hệ kín…………………………………….……………….53 Hình 3.8 : Cách tính thơng số PID theo Z-N 2………………… …………….54 Hình 3.9 : Mơ hình tìm thơng số PID đối tượng……………… ………….54 Hình 3.10 : Đáp ứng đầu vào đầu mơ hình 3.9 ……………… ……….54 Hình 3.11 : Hàm liên thuộc đầu vào thứ ………… ……….………… … 56 Hình 3.12 : Hàm liên thuộc đầu vào thứ ……….……………………… …….56 Hình 3.13 : hàm liên thuộc đầu ………… …………………………… …… 57 Hình 3.14 : Biểu diễn tập luật điều khiển dạng ma trận……… ……… 57 Hình 3.15 : Các luật điều khiển matlab…………… ………… ………… 58 Hình 3.16 : Đồ hình quan sát ảnh hưởng luật điều khiển ……… ……………58 Hình 3.17 : Đồ hình quan sát dạng bề mặt hàm liên thuộc …………………… 59 Hình 3.18 : Mơ hình hệ thống Matlab-Simulink …………………… …… 59 Hình 3.19 : Kết mô mức nước thực 120 mét ………….……… 60 VI LỜI CẢM ƠN Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc PGS.TS Phạm Thượng Hàn, người tận tình giúp đỡ em nhiều trình học tập, kinh nghiệm thực tế trình thực luận văn Em xin cảm ơn thầy cô giáo trường Đại Học Bách Khoa, môn Kỹ thuật đo – Tin học công nghiệp cho em kiến thức, kinh nghiệm học giúp em trưởng thành trình học tập trường Cuối cho gửi lời biết ơn kính trọng sâu sắc tới bố mẹ, bạn bè, người luôn bên cạnh lúc khó khăn nhất, ln chỗ dựa tinh thần vững Hà Nội, ngày 29 tháng 03 năm 2012 Học viên thực Đinh Quang Hiệp VII MỞ ĐẦU Tính cần thiết đề tài Hiện nay, đập chắn nước đem lại lợi ích đáng kể cho xã hội: Giúp đảm bảo nguồn cung cấp nước tin cậy cho thành phố trang trại, quản lý lũ lụt sản xuất điện Tuy nhiên, xây dựng vận hành đập gây số tác động không mong muốn kinh tế xã hội Một số tác động biết đến hồ chứa làm ngập thung lũng sông, người dân hoạt động kinh tế khu vực phải di dời chỗ khác Đập gây hậu nghiêm trọng lành mạnh sinh thái dịng sơng đời sống kinh tế, xã hội người dân sống nhờ vào hàng hóa dịch vụ sông đem lại Xưa nay, việc đánh giá tác động đập môi trường xã hội chủ yếu tập trung vào khu vực liền kề với đập hồ chứa Mặt khác, đập kiểm soát lũ, kể đập đa dụng bao gồm chức quản lý lũ, thường thiết kế vận hành để kiểm soát sửa đổi tất lũ Lũ gây đe dọa lớn tới sống người gây thiệt hại cho cơng trình hạ lưu Những lũ nhỏ xả an tồn đem lại lợi ích sinh thái to lớn cho hệ sinh thái sơng phía hạ lưu Tính linh hoạt cao để dung nạp việc xả lũ nhỏ đạt cách khôi phục khu vực bãi sơng để chúng lại có khả tích trữ nước lũ Bằng cách tích trữ phần khả trữ lũ tự nhiên bãi sơng thay hồ chứa, giảm tổng dung tích cắt lũ cần thiết hồ chứa Hệ thống đóng mở cửa xả nước, đập nhà máy thủy điện, đập chắn nước, nói chung đóng mở tay Khi mực nước cao mực nước giới hạn sử dụng cấu mở tay để mở cửa đập Khi mực nước thấp mực nước giới hạn lại đóng cửa đập lại Trong trường hợp không quan sát, mực nước lên q cao mà khơng mở cửa đập gây tượng tràn đập, vỡ đập VIII Như ta thấy việc mở nước chắn nước có ý nghĩa vơ quan trọng Việc điều khiển cửa mở đập, chắn đập có ý nghĩa vơ quan trọng Trên sở đó, luận văn tơi nghiên cứu “sử dụng thuật tốn logic mờ để điều khiển cửa mở đập, chắn đập”nhằm thay trình mở cửa tay, cách sử dụng trình tự động để điều khiển cửa mở đập, chắn đập Chúng ta sử dụng số thuật toán để điều khiển dùng PID Logic mờ Về phương diện kỹ thuật, hệ thống điều khiển thiết kế yêu cầu thỏa mãn chất lượng đặt ra, tiêu chất lượng phải tốt theo nghĩa Việc nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển tự động tiêu quan tâm nhà thiết kế Xuất phát từ tiêu nhiều lý thuyết điều khiển đại đời thay cho lý thuyết cũ nghiên cứu tương đối hồn chỉnh khơng đủ khả áp dụng cho đối tượng phức tạp, khó mơ hình hóa đối tượng phi tuyến có thơng số thay đổi Những năm đầu thập kỷ 90, ngành điều khiển kỹ thuật phát triển mạnh mẽ đem lại nhiều thành tựu bất ngờ lĩnh vực điều khiển, điều khiển mờ Ngành kỹ thuật mẻ giáo sư Zazech đặt móng từ năm 1965 Ưu điểm điều khiển mờ so với hệ điều khiển kinh điển tổng hợp điều khiển mà khơng cần biết trước đặc tính đối tượng cách xác, nói điều khiển mờ chuyển giao nguyên tắc xử lý thông tin, điều khiển hệ sinh học sang hệ kỹ thuật Chính vậy, điều khiển mờ giải thành cơng nhiều tốn điều khiển phức tạp mà trước chưa giải Tuy nhiên với ngành điều khiển mẻ việc triển khai ứng dụng chúng khơng phải lúc mà hồn thiện được, tổng hợp điều khiển mờ Nói rằng, điều khiển mờ khơng cần biết xác mơ hình đối tượng thiết kế lại cần kiến thức kinh nghiệm vận hành chuyên gia Phải “một dạng đặc tính đối tượng” Hiện có nhiều nghiên cứu theo hướng khác nhằm chuẩn hóa việc thiết kế tối ưu hóa điều khiển mờ IX Vì lượng e ( ) nhỏ so với nên bỏ Vậy cơng thức lưu lượng qua 96 H chảy tự qua lỗ to hình chữ nhật là: Q   2gH (3-4) III.1.3 Mơ hình dịng chảy qua cửa xả Khi dòng chảy qua cửa mà mặt chất lỏng thảy đổi sinh dịng chảy khơng ổn định Dịng chảy khơng ổn định vấn đề phức tạp thủy lực Ta xét trường hợp dịng chảy khơng ổn định độ cao mặt chất lỏng thay đổi từ từ thời gian ngắn, coi mặt nước khơng thay đổi Như thời gian ngắn ứng dụng công thức chảy ổn định qua lỗ nhỏ Ta gọi Q= f1(t) lưu lượng chảy qua cửa xả., q=f2(t) lưu lượng chảy vào h=f3(t) cột nước trọng tâm cửa A=f4(h) diện tích mặt tự hồ chứa Lưu lượng chảy qua cửa tính theo cơng thức : Q   2gh0 Ta chia khoảng thời gian lớn T nhiều thời đoạn vô nhỏ dt, ứng với thời đoạn, cột nước tác dụng h0 coi không đổi, thời gian dt, thể tích chất lỏng chảy hồ chứa Qdt, thể tích chảy vào hồ chứa qdt thể tích tăng lên giảm bình chứa Adh Ta quy ước lưu lượng chảy vào hồ chứa số dương (q>0) chảy khỏi hồ số âm (Q