Điều khiển hệ phi tuyến có trễ sử dụng bộ dự báo smith và bộ điều khiển pi mờ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN THANH HÀ ĐIỀU KHIỂN HỆ PHI TUYẾN CÓ TRỄ SỬ DỤNG BỘ DỰ BÁO SMITH VÀ BỘ ĐIỀU KHIỂN PI MỜ Chuyên ngành Mã số : Kỹ thuật điều khiển tự động hóa : 60520216 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 12 NĂM 2019 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA-ĐHQG-TPHCM Cán hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN TRỌNG TÀI Cán chấm nhận xét 1: PGS TS NGUYỄN QUỐC CHÍ Cán chấm nhận xét 2: TS NGUYỄN ĐỨC THÀNH Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM Ngày 26 tháng 12 năm 2019 Thành phần hội đồng đánh giá Luận văn thạc sĩ gồm: Chủ tịch: PGS TS HUỲNH THÁI HOÀNG Thư ký: TS PHẠM VIỆT CƯỜNG Phản biện 1: PGS TS NGUYỄN QUỐC CHÍ Phản biện 2: TS NGUYỄN ĐỨC THÀNH Ủy viên: PGS TS NGUYỄN THANH PHƯƠNG Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA i ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: NGUYỄN THANH HÀ MSHV: 1770556 Ngày, tháng, năm sinh: 24-8-1988 Nơi sinh: TP.HCM Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số : 60520216 I TÊN ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN HỆ PHI TUYẾN CÓ TRỄ SỬ DỤNG BỘ DỰ BÁO SMITH VÀ BỘ ĐIỀU KHIỂN PI MỜ II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:  Tìm hiểu hệ phi tuyến có trễ  Xây dựng điều khiển để điều khiển hệ thống có thời gian trễ III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 13/8/2018 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 02/12/2018 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS NGUYỄN TRỌNG TÀI Tp HCM, ngày 02 tháng 12 năm 2019 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên chữ ký) (Họ tên chữ ký) TRƯỞNG KHOA….……… (Họ tên chữ ký) ii LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, xin chân thành cảm ơn Thầy hướng dẫn luận văn TS Nguyễn Trọng Tài nhiệt tình hướng dẫn giúp đỡ tơi hồn thành luận văn Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy Cô môn Tự động hóa giảng dạy tạo điều kiện cho tơi thực nghiệm trang thiết bị phòng thí nghiệm mơn Tơi xin chân thành cảm ơn Thầy Cô Khoa ĐiệnĐiện Tử tích cực tạo điều kiện, giúp đỡ hướng dẫn cho tơi học tập nghiên cứu suốt khóa học Cuối cho gửi lời cảm ơn đến gia đình, đồng nghiệp bạn bè động viên, giúp đỡ khuyến khích tơi suốt q trình học tập nghiên cứu Ngày 02 tháng 12 năm 2019 NGUYỄN THANH HÀ iii TÓM TẮT Luận văn nghiên cứu giải thuật nhận dạng ước lượng thời gian trễ hệ thống phi tuyến Bộ điều khiển PI Mờ kết hợp với dự báo Smith xây dựng để điều khiển hệ thống Các giải thuật điều khiển mô Matlab trước thực nghiệm hệ thống thực Kết thực nghiệm cho thấy thời gian trễ hệ thống ước lượng chất lượng điều khiển cải thiện iv ABSTRACT This thesis studies about the algorithm to indentify and estimate time delay of the nonlinear system The PI Fuzzy controller is combined with the Smith Predictor controller to control system The algorithms and controller are simulated on Matlab before applying on real system The result on real system show that the estimated system delay time and control quality are improved v LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan rằng, nội dung luận văn kết làm việc hướng dẫn thầy TS Nguyễn Trọng Tài, ngoại trừ phần tham khảo từ tài liệu khác, ghi rõ luận văn Tp.HCM, Ngày 02 tháng 12 năm 2019 NGUYỄN THANH HÀ vi MỤC LỤC CƠNG TRÌNH i NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ ii LỜI CẢM ƠN iii TÓM TẮT iv ABSTRACT v LỜI CAM ĐOAN vi MỤC LỤC vii DANH MỤC HÌNH ẢNH SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN ix MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài Mục tiêu đề tài Đối tượng phạm vi nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Chương 1: TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 1.1 Sơ lược nghiên cứu liên quan 1.2 Ước lượng thời gian trễ hệ thống với điều khiển Mờ 1.2.1 Xây dựng ước lượng Mờ 1.2.2 Kết mô 11 1.3 Giải pháp thực 14 1.4 Kết luận chương 15 Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 16 2.1 Bộ dự báo Smith 16 2.2 Ước lượng tham số hệ thống 18 2.2.1 Giải thuật ước lượng tham số đối tượng 18 2.2.2 Giải thuật ước lượng thời gian trễ hệ thống 23 2.3 Bộ điều khiển PI – Mờ 25 2.3.1 Cấu trúc điều khiển Mờ 25 2.3.2 Thiết kế điều khiển Mờ dựa vào kinh nghiệm 28 2.3.3 Thiết kế điều khiển PI-Mờ 28 2.4 Kết mô 33 2.4.1 Nhận dạng tham số đối tượng dùng thuật toán đệ qui 33 2.4.2 Điều khiển đối tượng dùng điều khiển PI-Mờ 34 2.4.3 Điều khiển hệ thống có trễ sử dụng điều khiển Smith predictor Mờ 35 2.5 Kết luận chương 38 Chương 3: MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM 39 3.1 Sơ lược mơ hình thực nghiệm 39 3.2 Thiết bị sử dụng mơ hình thực nghiệm 41 vii 3.2.1 PLC S7-1200 41 3.2.2 Biến tần Shihlin SS2-021-0.75K 42 3.2.3 Radar measurement Time-of-Flight Micropilot FMR51 45 3.2.4 Máy bơm Panasonic GP-129JXK 46 3.3 Kết nối PLC S7-1200 với Matlab thông qua KEPServerEx 47 3.3.1 Kết nối S7-1200 với KEPServerEx 47 3.3.2 Kết nối Matlab với KEPServerEx 50 3.4 Kết luận chương 53 Chương 4: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 54 4.1 Tín hiệu đặt cố định 54 4.1.1 Bộ điều khiển PI Mờ 54 4.1.2 Bộ điều khiển Smith Predictor Mờ 55 4.1.3 So sánh kết luận 57 4.2 Tín hiệu đặt thay đổi 57 4.2.1 Bộ điều khiển PI Mờ 57 4.2.2 Bộ điều khiển Smith Predictor Mờ 58 4.3 Thay đổi chiều dài đường ống 60 4.3.1 Bộ điều khiển PI Mờ 60 4.3.2 Bộ điều khiển Smith Predictor Mờ 61 4.4 Kết luận chương 62 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 64 Kết luận 64 1.1 Kết đạt 64 1.2 Kết chưa đạt 64 Hướng phát triển đề tài 64 TÀI LIỆU THAM KHẢO 65 PHỤ LỤC 66 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 68 viii DANH MỤC HÌNH ẢNH SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN Hình 1.1: Kết điều khiển dùng Smith predictor conventional PID Hình 1.2: Kết điều khiển decoupled predictor Smith predictor Hình 1.3: Cấu trúc điều khiển thích nghi cập nhật thơng số cho điều khiển Hình 1.4: Cấu trúc điều khiển Smith predictor trượt Hình 1.5: Sơ đồ khối điều khiển Self-adaptive Smith Mờ Hình 1.6: Cấu trúc điều khiển hệ thống Hình 1.7:Đáp ứng ngõ y, ym A(k) thời gian trễ mơ hình θm =0 Hình 1.8: Cấu trúc hệ thống logic mờ 10 Hình 1.9: Giá trị ngơn ngữ biến vào/ra 11 Hình 1.10: Sơ đồ khối mô Matlab 12 Hình 1.11: Đáp ứng ngõ với đối tượng ước lượng xác 12 Hình 1.12: Đáp ứng y ym , A(k), thời gian trễ mô hình θm 13 Hình 1.13: Đáp ứng ngõ mơ hình có sai số 13 Hình 1.14: Đáp ứng y ym , A(k) thời gian trễ mơ hình θm 14 Hình 2.1: Sơ đồ điều khiển dùng mơ hình đối tượng 16 Hình 2.2: Sơ đồ điều khiển hệ thống tương đương với hình 2.1 16 Hình 2.3: Sơ đồ điều khiển với Smith predictor 17 Hình 2.4: Tín hiệu vào, đối tượng 18 Hình 2.5:Mơ hình Hammerstein 19 Hình 2.6:Mơ hình Wiener 19 Hình 2.7: Sơ đồ khối điều khiển thích nghi 20 Hình 2.8: Sơ đồ ước lượng bình phương tối thiểu 20 Hình 2.9: Sơ đồ khối điều khiển Smith predictor Mờ 25 Hình 2.10: Sơ đồ khối điều khiển Mờ 25 Hình 2.11: Phương pháp trọng tâm 27 Hình 2.12: Phương pháp trung bình có trọng số 27 Hình 2.13: Bộ điều khiển PD – Mờ 29 Hình 2.14: Bộ điều khiển PI – Mờ 30 Hình 2.15: Bộ điều khiển PID – Mờ gồm điều khiển PD – Mờ PI-Mờ ghép song song 30 Hình 2.16 : Bồn chứa đơn 31 Hình 2.17: Các tập mờ tương ứng với giá trị ngôn ngữ biến vào/ra 32 Hình 2.18: Sơ đồ khối nhận dạng đối tượng 33 Hình 2.19: Ngõ ước lượng đối tượng 34 Hình 2.20: Kết nhận dạng dùng thuật tốn đệ qui 34 Hình 2.21: Sơ đồ Simulink điều khiển PI-Mờ cho bồn chứa đơn 35 Hình 2.22: Tín hiệu điều khiển đáp ứng hệ thống bỏ qua thời gian trễ 35 ix Chương 4: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM Tất kết thực nghiệm triển khai mơ hình thực nghiệm phịng 109B3 trường Đại Học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh Khai triển thuật tốn điều khiển trình bày chương PLC S7-1200 để điều khiển mực chất lỏng bồn bám theo tín hiệu đặt Chu kỳ lấy mẫu tất thực nghiệm 0.1 giây Các kết điều khiển ứng với điều khiển khác trình bày phần 4.1 Tín hiệu đặt cố định Thực nghiệm điều khiển hệ thống có trễ với điều khiển PI-Mờ Smith Predictor Mờ tín hiệu đặt cố định Kết điều khiển thể hình 4.1 – 4.4 4.1.1 Bộ điều khiển PI Mờ Hình 4.1: Tín hiệu điều khiển u 54 Hình 4.2: Đáp ứng ngõ hệ thống tín hiệu đặt  Kết luận: Ngõ hệ thống bám theo tín hiệu đặt dao động, thời gian lên độ vọt lố lớn 4.1.2 Bộ điều khiển Smith Predictor Mờ 55 Hình 4.3: Tín hiệu điều khiển u Hình 4.4: Đáp ứng ngõ hệ thống tín hiệu đặt 56  Kết luận: Ngõ hệ thống bám theo tín hiệu đặt dao động, thời gian độ tốt PI Mờ 4.1.3 So sánh kết luận Bộ điều khiển Thời gian lên Thời gian độ Độ vọt lố PI Mờ 18,4 giây 81,1 giây 25% Smith Predictor Mờ 25,3 giây 70,9 giây 5,8% Vậy ta thấy đáp ứng hệ thống sử dụng điều khiển Smith Predictor Mờ tốt sử dụng điều khiển PI Mờ 4.2 Tín hiệu đặt thay đổi Thực nghiệm điều khiển hệ thống có trễ với điều khiển PI Mờ Smith Predictor Mờ tín hiệu đặt thay đổi Sơ đồ điều khiển kết điều khiển trình bày hình 4.5 – 4.9 4.2.1 Bộ điều khiển PI Mờ Hình 4.5: Tín hiệu điều khiển u 57 Hình 4.6: Đáp ứng ngõ hệ thống tín hiệu đặt Kết luận: Ngõ hệ thống bám theo tín hiệu đặt dao động, thời gian lên độ vọt lố lớn 4.2.2 Bộ điều khiển Smith Predictor Mờ Hình 4.7: Tín hiệu điều khiển u 58 Hình 4.8: Đáp ứng ngõ tín hiệu đặt Hình 4.9: Thời gian trễ ước lượng hệ thống Vì thời gian trễ ước lượng hệ thống chuyển đổi thành số nguyên chu kỳ lấy mẫu 0,1(s) nên thời gian trễ ước lượng hệ thống 0,8(s) Kết luận: Với điều khiển Smith Predictor Mờ, thời gian trễ hệ thống ước lượng giúp cho đáp ứng ngõ hệ thống bám theo tín hiệu đặt khơng cịn dao động (dao động ta thấy đồ thị đáp ứng ngõ vị trí đặt ống dẫn ko tốt, dẫn đến mặt nước nhấp nhô bơm nước vào) 59 4.3 Thay đổi chiều dài đường ống Thực nghiệm điều khiển hệ thống có trễ với điều khiển PI Mờ Smith Predictor Mờ tín hiệu đặt thay đổi tăng chiều dài đường ống Sơ đồ điều khiển kết điều khiển trình bày hình 4.10 – 4.14 4.3.1 Bộ điều khiển PI Mờ Hình 4.10: Tín hiệu điều khiển u Hình 4.11: Đáp ứng ngõ hệ thống tín hiệu đặt 60  Kết luận: Ta thấy ngõ hệ thống bám theo tín hiệu đặt đáp ứng hệ thống dao động nhiều, thời gian lên độ vọt lố lớn 4.3.2 Bộ điều khiển Smith Predictor Mờ Hình 4.12: Tín hiệu điều khiển u Hình 4.13: Đáp ứng ngõ hệ thống tín hiệu đặt 61 Hình 4.14: Thời gian trễ ước lượng hệ thống Vì thời gian trễ ước lượng hệ thống chuyển đổi thành số nguyên chu kỳ lấy mẫu 0,1(s) nên thời gian trễ ước lượng hệ thống 2,9(s)  Kết luận: Với điều khiển Smith predictor Mờ, thời gian trễ hệ thống ước lượng giúp cho đáp ứng ngõ hệ thống bám theo tín hiệu đặt khơng cịn dao động (dao động ta thấy đồ thị đáp ứng ngõ vị trí đặt ống dẫn ko tốt, dẫn đến mặt nước nhấp nhô bơm nước vào) 4.4 Kết luận chương Sau thực nghiệm mơ hình, kết luận rút sau: Trong hệ thống tồn thời gian trễ từ transmitter phản hồi về, không xử lý thời gian trễ chất lượng điều khiển chưa đáp ứng yêu cầu Đã áp dụng giải thuật nhận dạng tham số đối tượng, giải thuật ước lượng thời gian trễ hệ thống, kết hợp với điều khiển PI-Mờ để đưa điều khiển đối tượng thật 62 Đã ước lượng tham số đối tượng, thời gian trễ hệ thống giúp cho đáp ứng hệ thống bám theo tín hiệu đặt, chất lượng điều khiển cải thiện 63 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI Kết luận 1.1 Kết đạt - Ước lượng tham số đối tượng giải thuật đệ quy khơng tính ma trận nghịch đảo - Xây dựng giải thuật ước lượng thời gian trễ hệ thống - Xây dựng điều khiển PI-Mờ kết hợp với dự báo Smith đưa điều khiển Smith predictor Mờ để điều khiển hệ thống có trễ - Tiến hành mơ thuật tốn Matlab để kiểm tra tính khả thi giải thuật điều khiển - Triển khai thuật toán điều khiển mơ hình thực, có kết điều khiển kết luận tương ứng với kết điều khiển 1.2 Kết chưa đạt - Đặc tính động học việc điều khiển mực chất lỏng bồn chứa đơn thấp nên chưa bật lên ưu điểm điều khiển Smith predictor Mờ - Chưa có phương pháp chỉnh hệ số học điều khiển Những hệ số học điều khiển chỉnh thơng qua q trình “thử sai” Hướng phát triển đề tài - Sử dụng giải thuật di truyền GA tối ưu hóa hệ số học hệ thống - Sử dụng level transmitter khác feedback để điều khiển hệ thống - Thay đổi thuật toán điều khiển khác kết hợp với dự báo Smith như: Bộ điều khiển Smith predictor Sliding mode, Smith predictor PI auto-tuning 64 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] S W Sung, J Lee, and I B Lee, Process Identification and PID Control 2009 [2] Z Yang and G T Seested, “Time-delay system identification using genetic algorithm - Part one: Precise FOPDT model estimation,” IFAC Proc Vol., vol 3, no PART 1, pp 561–567, 2013 [3] Z Yang and G T Seested, “Time-delay system identification using genetic algorithm - Part two: FOPDT/SOPDT model approximation,” IFAC Proc Vol., vol 3, no PART 1, pp 568–573, 2013 [4] C Khajorntraidet, K Ito, and T Shen, “Adaptive time delay compensation for air-fuel ratio control of a port injection SI engine,” in 2015 54th Annual Conference of the Society of Instrument and Control Engineers of Japan, SICE 2015, 2015, pp 1341–1346 [5] A Abu-Rmileh and W Garcia-Gabin, “Wiener sliding-mode control for artificial pancreas: A new nonlinear approach to glucose regulation,” Comput Methods Programs Biomed., vol 107, no 2, pp 327–340, 2012 [6] H Zhang, J Hu, and W Bu, “Research on fuzzy immune self-adaptive PID algorithm based on new smith predictor for networked control system,” Math Probl Eng., vol 2015, pp 1–6, 2015 [7] Y J Huang, T C Kuo, and H Y Tseng, “Fuzzy estimator design for the control systems with unknown time-delay,” World Congr Eng 2007, Vols 2, vol I, pp 417–420, 2007 [8] H T Hoàng, “ Hệ Thống Điều Khiển Thơng Minh” Tp Hồ Chí Minh: NXB Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh, 2006 [9] L Ljung, “System identification: Theory for the User”, Prentice Hall, 1987, pp 303-305 [10] D V Thanh and N T Tai, “Study of Adaptive Fuzzy Smith Control for Time-delay Systems”, in Journal of Science & Technology Development (VNU-HCM Publishing House), 2015, pp 143-149 65 PHỤ LỤC Giải thuật đệ qui ước lượng tham số đối tượng persistent P theta yy uu dem yhat; lamda=0.99; if isempty(P) P = 125*eye(2,2); theta=zeros(2,1); yy=zeros(3,1); uu=zeros(2,1); dem=0; yhat=0; end %if if y=2; py=[-yy(2)]; pu=uu(2); phi=[py pu]'; L=(P*phi)/(lamda+phi'*P*phi); theta=theta+L*(y-phi'*theta); P=(P-(P*phi*phi'*P)/(lamda+phi'*P*phi))/lamda; yhat=phi'*theta; end %if thamso=theta; yh=yhat; 66 Giải thuật ước lượng thời gian trễ hệ thống alpha=1.005; persistent d d1 yhh TS MS; if isempty(d) d=2;TS=0;MS=0;d1=2; yhh=zeros(2,1); end if (yh~=0)&&(abs(y-yh)>=0.7) yhh(1)=yh; TS=TS+(y-yh)*(yhh(1)-yhh(2)); MS=MS+(yhh(1)-yhh(2))^2; delta_d=((1-alpha)*TS/MS); d1=d1-delta_d; d=round(d1); yhh(2)=yhh(1); else end delay=d; out=d1; 67 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ tên: NGUYỄN THANH HÀ Ngày, tháng, năm sinh: 24-8-1988 Nơi sinh: TP HCM Địa liên lạc: 449/90, Sư Vạn Hạnh, P12, Q10, TP HCM QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO Từ năm 2007-2012 học đại học trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM Từ năm 2017-2019 học cao học trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM Q TRÌNH CƠNG TÁC Từ năm 2012 đến công tác Trường Sĩ quan kỹ thuật quân - Tổng cục kỹ thuật – Bộ quốc phòng 68 ... thuật điều khiển tự động hóa Mã số : 60520216 I TÊN ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN HỆ PHI TUYẾN CÓ TRỄ SỬ DỤNG BỘ DỰ BÁO SMITH VÀ BỘ ĐIỀU KHIỂN PI MỜ II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:  Tìm hiểu hệ phi tuyến có trễ. .. hai điều khiển vòng lặp kín để chống lại nguy hạ đường huyết Bộ điều khiển thiết kế việc sử dụng điều khiển trượt dự báo Smith Bộ dự báo Smith có tác dụng điều khiển dự báo cho hệ thống có trễ, ... gian trễ hệ thống thực tế, đề tài ? ?Điều khiển hệ phi tuyến có trễ sử dụng dự báo Smith điều khiển PI Mờ? ?? góp phần cải thiện chất lượng điều khiển hệ thống có trễ Mục tiêu đề tài Tìm hiểu hệ thống