Điều khiển và ổn định mức nước ứng dụng bộ điều chỉnh PID và logic mờ

i ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN & TRUYỀN THÔNG MẪN THỊ HOA ĐIỀU KHIỂN VÀ ỔN ĐỊNH MỨC NƯỚC ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU CHỈNH PID VÀ LOGIC MỜ LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA THÁI NGUYÊN – 2020 ii ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN & TRUYỀN THÔNG MẪN THỊ HOA ĐIỀU KHIỂN VÀ ỔN ĐỊNH MỨC NƯỚC ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU CHỈNH PID VÀ LOGIC MỜ Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: 8520216 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Người hướng dẫn khoa học: TS DƯƠNG CHÍNH CƯƠNG THÁI NGUYÊN – 2020 LỜI CAM ĐOAN Tên là: Mẫn Thị Hoa Sinh ngày 03 tháng 04 năm 1987 Học viên lớp cao học khoá 17- Kỹ thuật điều khiển tự động hoá Trường Đại học Công nghệ thông tin Truyền thông - Đại học Thái Nguyên Hiện công tác Khoa Điện tử, Tin học Trường Cao đẳng Cơ điện Xây dựng Bắc Ninh Tôi xin cam đoan: Bản luận văn: “Điều khiển ổn định mức nước ứng dụng điều chỉnh PID logic mờ” thầy giáo TS Dương Chính Cương hướng dẫn cơng trình nghiên cứu riêng Tất tài liệu tham khảo có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng Các số liệu, kết luận văn hoàn tồn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Nếu sai tơi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm Thái Nguyên, ngày 18 tháng 11 năm 2020 Tác giả luận văn Mẫn Thị Hoa LỜI CẢM ƠN Sau thời gian nghiên cứu, động viên, giúp đỡ hướng dẫn tận tình thầy giáo TS Dương Chính Cương, luận văn với đề tài “Điều khiển ổn định mức nước ứng dụng điều chỉnh PID logic mờ” hoàn thành Tác giả xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến: Thầy giáo hướng dẫn TS Dương Chính Cương tận tình dẫn, giúp đỡ tác giả hồn thành luận văn Phòng quản lý đào tạo sau đại học, thầy giáo, cô giáo Khoa Công nghệ Tự động hố Trường Đại học Cơng nghệ thơng tin Truyền thông Đại học Thái Nguyên giúp đỡ tác giả suốt trình học tập q trình nghiên cứu đề tài Tồn thể đồng nghiệp, bạn bè, gia đình người thân quan tâm, động viên, giúp đỡ tác giả suốt q trình học tập hồn thành luận văn Thái Nguyên, ngày 18 tháng 11 năm 2020 Tác giả luận văn Mẫn Thị Hoa MỤC LỤC Lời cam đoan .…………………………………….………………………i Lời cảm ơn….……………………………………………………………… ii Mục lục iii Danh mục thuật ngữ, ký hiệu viết tắt v Danh mục bảng biểu vii Danh mục hình ảnh viii MỞ ĐẦU .1 NỘI DUNG CHƯƠNG TỔNG QUAN BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH MỨC NƯỚC .5 1.1.Tổng quan hệ thống ổn định mức nước 1.1.1.Sự cần thiết ổn định mức nước 1.1.2.Ứng dụng hệ thống ổn định mức nước 1.2.Điều khiển ổn định mức nước cần thiết phải ứng dụng tự động hóa 12 1.3 Các phương thức điều khiển .13 1.4 Đặt toán điều khiển mức nước .15 1.5 Kết luận chương .17 CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN 18 2.1 Phương pháp điều khiển PID 18 2.2 Phương pháp điều khiển sử dụng logic mờ .20 2.2.1 Lịch sử phát triển logic mờ 20 2.2.2 Cơ sở lý thuyết mờ 21 2.2.3 Mơ hình mờ TSK .35 2.2.4 Bộ điều khiển mờ 36 2.3 Kết luận chương .38 CHƯƠNG ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH MỨC NƯỚC ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU CHỈNH PID VÀ LOGIC MỜ 38 3.1 Mơ hình bồn chứa .38 3.2 Khảo sát đối tượng bồn chứa 42 3.3 Phương án sử dụng điều khiển PID .45 3.4 Phương án sử dụng điều khiển mờ .50 3.5 Kết luận chương 58 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO 60 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, THUẬT NGỮ VIẾT TẮT *Các toán tử Min phép lấy Max phép lấy max Sum phép lấy tổng PROD phép nhân *Các ký hiệu A,B,C tập mờ A, B, C AC tập bù tập mờ A B' miền mờ đầu  A x hàm liên thuộc  B ' y  hàm liên thuộc tập mờ đầu Ri luật hợp thành Aik(xk) độ phụ thuộc xkvào tập mờ Aik KP , KI , KD hệ số điều khiển PID Qi Lưu lượng nước chảy vào bình ( m / s ); Qi max Lưu lượng nước chảy vào bình lớn ( m / s ); Qo Lưu lượng nước chảy khỏi bình ( m / s ); H Mực nước bình ( m ); H max Mực nước cao bình ( m ); A Tiết diện bình ( m ); a Tiết diện đường ống dẫn nước khỏi bình ( m ); V Thể tích nước bình ( m ); g Gia tốc trọng trường (9.8 m / s ); p Vị trí góc mở van lưu lượng, thay đổi từ tới 3 2 *Các từ viết tắt Từ viết tắt PID Thuật ngữ tiếng anh Proportional Intergral Derivative HTĐK MIMO SISO Thuật ngữ tiếng việt Bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ Hệ thống điều khiển Multiple In Multiple Out Single Input Single Output Nhiều đầu vào, nhiều đầu đầu vào, đầu TS Takagi – Sugeno Mơ hình mờ TS TSK Takagi – Sugeno – Kang Mơ hình mờ tuyến tính TSK MCFC Control Mamdani Điều khiển Mamdani SMFC Điều khiển mờ trượt CMFC Điều khiển tra bảng TSFC Điều khiển Tagaki/ Sugeno N Negative Âm M Medium Trung bình P Positive Dương B Big Lớn S Small Nhỏ VB Very Big Rất lớn VN Very Negative Rất âm VP Very Positive Rất dương Z Zero Không Là phần mềm cho phép tính MATLAB Matrix Laboratory tốn số với ma trận, vẽ đồ thị hàm số, thuật toán vi DANH MỤC BẢNG BIỂU TT Tên bảng biểu Trang Bảng 3.1 Các tham số bồn chứa 42 Bảng 3.2 Các tham số PID tìm theo tiêu ch̉n tích phân 48 Bảng 3.3 Bảng tổng hợp mệnh đề hợp thành 54 DANH MỤC HÌNH ẢNH TT Tên hình Hình 1.1 Hệ thống làm mát bình ngưng nhà máy nhiệt điện Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý nhà máy nhiệt điện than Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý nhà máy điện hạt nhân Hình 1.4 Sơ đồ xử lý nước thải Hình 1.5 Sơ đồ quy trình xử lý nước cấp Hình 1.6 Sơ đồ nguyên lý hoạt động dây chuyền sản xuất nước Hình 1.7 Hệ thống cơng trình máy bơm Hình 1.8 Mơ hình hệ thống bồn nước Hình 2.1 Sơ đồ khối điều khiển PID…………………………… Hình 2.2 Hàm đặc trưng……………………………………………………… Hình 2.3 Miền logic mờ………………………………………………… Hình 2.4 Tập mờ tuyến tính Hình 2.5 Dạng đường cong S, hình chng………………………………… Trang 10 11 12 18 18 21 22 23 23 H  H0  h (3.6) Để tuyến tính hóa mơ hình ta giả sử h nhỏ so với H Ta có: A dH  Qi  2gH a dt d H0  h Q dt A A dt dh  Qi  a Ha  i  h g 2gH  h H0 (3.7) Vì h nhỏ so với H o nên ta áp dụng cơng thức tính xấp xỉ: h 1 h 1  H0 (3.8) 2H Thay (3.8) vào (3.7) ta có:  1  h  A dh  Qi  2gH  0 dt a   a g  h Q a gH  Đặt Qi  i   2H   2gH0  q Từ (3.4) suy ra: (3.9)  a dq  u dt dQi dt Q (3.10) i max Từ (3.9) (3.10) suy mơ hình tuyến tính hóa hệ van lưu lượng bình chứa sau:  dh    dt  a g  h   q A 2H  A (3.11)  dq  Q i max u dt Từ mơ hình trạng thái tuyến tính (3.11), sử dụng phép biến đổi Laplace ta thu mơ hình hàm truyền đạt sau: Gs  max h s  u s  Qi H a  (3.12)  A 2H   g s 1   a   s g   Ta có nhận xét mơ hình hàm truyền đạt (3.12) có dạng tích phânqn tính bậc Xét trường hợp cụ thể, mức nước H chọn 1( m ) Kết hợp với số liệu bảng trên, ta rút mơ hình hàm truyền đạt hệ thống gồm van lưu lượng bình chứa sau: G s  4.5175 (3.13) s 1  9.0351s  Bộ điều khiển PID điều khiển có cấu trúc gồm thành phần tỉ lệ, tích phân, vi phân Đây loại điều khiển sử dụng rộng rãi công nghiệp, tính đơn giản hiệu Công thức tổng quát điều khiển PID miền thời gian sau: u  t   K p e(t)  Ki  e  t  dt  Kd de  t  (3.14) dt Trong đó: e  t  sai lệch giá trị đặt giá trị thực Hàm truyền đạt điều khiển PID có dạng sau: K G s   i  K s (3.15) K PID p d s Chất lượng hệ kín điều khiển theo luật PID phụ thuộc nhiều vào việc lựa chọn tham số K p , K i , K d Có nhiều phương pháp chỉnh định tham số cho điều khiển PID đề xuất Với đối tượng có hàm truyền đạt (3.13), tác giả luận văn sử dụng phương pháp tối ưu theo tiêu ch̉n tích phân để tìm tham số K p , K i , K d Một số tiêu chuẩn tích phân thường sử dụng để chỉnh định tham số cho điều khiển PID sau: T ISE   T  e2  t IAE   e t  dt , , T ITSE   te2  t  dt , T ITAE   t e t  dt 0 Chương trình tính tham số tối ưu theo tiêu chuẩn tích phân ISE, IAE, ITSE, ITAE viết phần mềm Matlab Kết tìm tham số PID tối ưu cho đối tượng (3.13) bảng: Bảng 3.2 Các tham số PID tìm theo tiêu ch̉n tích phân Tiêu ch̉n tích phân ISE ITSE IAE ITAE Kp 1.1000 1.1000 1.0206 1.0254 Ki 0.5342 0.5403 0.0000 0.0000 Kd 1.6631 1.6601 1.8893 1.8913 Ta có nhận xét rằng, điều khiển tìm theo tiêu chuẩn IAE ITAE gần giống điều khiển PD (thành phần K i =0) Trong đó, điều khiển tìm theo tiêu chuẩn ISE ITSE gần giống điều khiển PID Đồ thị đáp ứng hệ kín với tín hiệu kích thích dạng bước nhảy hình: 1.5 ISE IAE ITSE ITAE 0.5 0 10 15 20 25 30 Hình 3.8 Đồ thị đáp ứng hệ kín (với tham số PID tìm theo tiêu ch̉n tích phân) Quan sát đáp ứng độ ta thấy tham số PID tìm theo tiêu chuẩn IAE ITAE cho chất lượng tốt so với tiêu chuẩn ISE ITSE Chương trình mơ hệ thống điều khiển mức nước với tham số PID hình: Hình 3.9 Chương trình mơ HT ĐK với PID Kết mơ với tham số PID Hình 3.10 Đáp ứng chiều cao mức nước H 3.4 Phương án điều khiển mờ Quá trình thiết kế điều khiển mờ bao gồm bước: Bước 1: Xác định biến vào/ra khoảng giá trị vật lý biến Bước 2: Mờ hóa Bước 3: Xây dựng mệnh đề hợp thành thể quy tắc điều khiển Bước 4: Chọn thiết bị hợp thành giải mờ Với đối tượng bình chứa, ta áp dụng mơ hình mờ Mamdani Quá trình thiết kế cụ thể sau: Bước 1: Xác định biến vào/ra Các biến vào gồm có biến sai lệch E biến đạo hàm sai lệch DE Các biến gồm có tín hiệu điều khiển góc mở van lưu lượng, kí hiệu V Vì chiều cao mức nước tối đa 2( m ), điểm làm việc mong muốn chọn 1( m ), nên khoảng giá trị vật lý biến E [- 1( m ), +1( m )] Biến đạo hàm sai lệch DE giới hạn giá trị khoảng [-0.1( m / s ), +0.1( m / s )] Vị trí góc mở van lưu lượng thay đổi từ (khi van đóng hồn tồn) tới (khi van mở hồn tồn), biến tín hiệu điều khiển góc mở van lưu lượng thay đổi khoảng [-1 , 1] Bước 2: Mờ hóa Trong kỹ thuật điều khiển thường ưu tiên chọn hàm thuộc dạng tam giác hình thang, dạng hàm thuộc có biểu thức đơn giản dễ tính tốn, cài đặt - Biến E mờ hóa thành tập mờ: E = {N, Z, P} Tập mờ N biểu diễn mức độ ”âm” (Negative) biến sai lệch E, có hàm thuộc dạng hình thang với tham số chọn cụ thể là: [-1, -1, -0.5, 0] Tập mờ P biểu diễn mức độ ”dương” (Positive) biến sai lệch E, có hàm thuộc dạng hình thang, với tham số chọn là: [0, 0.5, 1, 1] Tập mờ Z biểu diễn mức độ ”bằng 0” (Zero) biến sai lệch E, có hàm thuộc kiểu tam giác với tham số cụ thể: [-0.47, 0, 0.47] Các tập mờ mơ tả biến E biểu diễn hình 3.6: Hình 3.11 Hàm thuộc biến E -Biến DE mờ hóa thành tập mờ: DE = {N, Z, P} Tập mờ N biểu diễn mức độ ”âm” (Negative) biến sai lệch DE, có hàm thuộc dạng hình thang với tham số: [-0.1, -0.1, -0.06, 0] Tập mờ P biểu diễn mức độ ”dương” (Positive) biến sai lệch DE, có hàm thuộc dạng hình thang với tham số là: [0 0.06 0.127 0.1127] Tập mờ Z biểu diễn mức độ ”bằng 0” (Zero) biến sai lệch DE, có hàm thuộc kiểu tam giác với tham số: [-0.06,0,0.06] Các tập mờ mô tả biến DE biểu diễn hình 3.7: Hình 3.12 Hàm thuộc biến DE -Biến V mờ hóa thành tập mờ: V = {CF, CS, NC, OS, OF} Các tập mờ biểu diễn mức độ tác động khác tới van lưu lượng, là: ”đóng nhanh” (CF – Close Fast), ”đóng chậm” (CS – Close Slow), ”không đổi” (NC - No Change), ”mở chậm” (OS – Open Slow), ”mở nhanh” (OF – Open Fast) Hàm thuộc tập mờ chọn có kiểu tam giác, với tham số sau: CF- [-1 -0.66 -0.33] , CS-[-0.66 -0.33 0] , NC- [0.33 0.33] , OS- [0 0.33 0.66] , OF-[0.33 0.66 1] Các tập mờ mô tả biến V biểu diễn hình 3.8: Hình 3.13 Hàm thuộc biến V Bước 3: Xây dựng mệnh đề hợp thành Các mệnh đề hợp thành phần trung tâm hệ điều khiển mờ, xây dựng từ kiến thức kinh nghiệm có thiết bị hệ thống kỹ thuật Với đối tượng bình chứa, từ thử nghiệm tiến hành phần mềm Matlab, tác giả xây dựng mệnh đề hợp thành bảng sau: Bảng 3.3 Bảng tổng hợp mệnh đề hợp thành E DE N Z P N CF CS OS Z CF NC OF P CS OS OF Bước 4: Ta chọn luật hợp thành max-min giải mờ theo phương pháp trọng tâm Bộ điều khiển mờ thiết kế bước cài đặt thử nghiệm phần mềm Matlab/Simulink Chương trình mô hệ thống điều khiển bồn chứa dùng điều khiển Fuzzy với hình: Hình 3.14 Chương trình mơ HT ĐK với Fuzzy Kết mô hệ thống điều khiển với Fuzzy Hình 3.15 Đáp ứng chiều cao mức nước H với HTĐK Fuzzy Các kết mô cho thấy điều khiển mờ cho đáp ứng tốt Cửa sổ RuleViewer Fuzzy Toolbox Matlab chạy mơ hình (3.16) Hình 3.16 Cửa sổ Rule Viewer Hình 3.17 Chương trình mơ HT ĐK với Fuzzy PID đưa qua Mux2 để so sánh Fuzzy PID 1.1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 10 12 14 16 18 20 Hình 3.18 So sánh đáp ứng chiều cao mức nước H với HTĐK dùng Fuzzy dùng PID Như với giả thiết toán đặt ra: chiều cao mức nước tối đa 2( m ), điểm làm việc mong muốn chọn 1( m ) Nhìn vào kết đáp ứng chiều cao mức nước h thu sử dụng hai phương pháp cho thấy: + Với điều khiển sử dụng PID ( nét đứt ) phải gần 6s mức nước đạt giá trị mong muốn 1(m) bị điều chỉnh tăng vọt lên sau tới tầm 10s đạt ngưỡng ổn định + Khác hẳn với điều khiển sử dụng PID, điều khiển dùng logic mờ (nét liền màu xanh) có thời gian đáp ứng nhanh Cụ thể 3s đạt mức nước 1(m) mong muốn khơng có độ q điều chỉnh Kết luận: Đồ thị cho phép so sánh phương án điều khiển mờ phương án điều khiển PID Ta thấy điều khiển mờ cho chất lượng tốt hơn, thể chỗ thời gian đáp ứng nhanh khơng có độ q điều chỉnh 3.5 Kết luận chương Trong chương 3, tác giả đề cập tới mơ hình bồn chứa, khảo sát đối tượng bồn chứa từ đưa phương án sử dụng Ở có hai phương án lựa chọn phương án sử dụng điều chỉnh PID kinh điển phương án điều khiển logic mờ Dựa kết thu hai phương án cho thấy điều khiển logic mờ cho chất lượng tốt hơn, thể chỗ: thời gian đáp ứng nhanh khơng có độ q điều chỉnh Kết áp dụng để điều khiển ổn định mức nước bồn chứa toán thiết kế cụ thể nêu Chương trình mơ thực Matlab Simulink KẾT LUẬN VÀ HƯỚNGPHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI KẾT LUẬN Qua thời gian tìm hiểu thực đề tài: “Điều khiển ổn định mức nước dùng điều chỉnh PID logic mờ”, giúp hiểu rõ ứng dụng lĩnh vực điều khiển ổn định mức nước thực tế nguyên lý hoạt động ứng dụng điều chỉnh PID điều khiển logic mờ Qua kết thực nghiệm thu cho thấy để thực giám sát điều khiển ổn định mức nước có nhiều phương pháp khác Mỗi phương pháp có ưu nhược điểm riêng, tất nhằm mục đích đảm bảo tính xác, tính hiệu quả, tính hợp lý giúp giảm bớt chi phí sản xuất Ở có hai phương án lựa chọn phương án sử dụng điều chỉnh PID kinh điển phương án điều khiển logic mờ Dựa kết thu hai phương án cho thấy điều khiển logic mờ cho chất lượng tốt hơn, thể chỗ: thời gian đáp ứng nhanh khơng có độ q điều chỉnh.Các kết nghiên cứu đề tài dừng lại thực nghiệm mô matlab HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI Hướng nghiên cứu nghiên cứu thử nghiệm vào hệ thống thật có điều kiện Về mặt lý thuyết, tiếp tục nghiên cứu xây dựng thuật tốn theo hướng thích nghi , bền vững, mạng nơ ron cho toán ổn định mức nước bồn chứa đơn, bồn chứa khác Về mặt thực tiễn, tiếp tục xây dựng mơ hình để hiểu rõ ứng dụng đề tài TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Nguyễn Doãn Phước, Phan Xuân Minh (2009), Lý thuyết điều khiển mờ, Nxb Khoa học kỹ thuật Lê Hùng Lân (2004), Lý thuyết điều khiển tự động tập 1, Nxb Giao Thơng Vận Tải Nguyễn Dỗn Phước (2010), Lý thuyết điều khiển tuyến tính, Nxb Khoa học kỹ thuật Nguyễn Doãn Phước, Phan Xuân Minh, Hán Thành Trung (2006), Lý thuyết điều khiển phi tuyến, Nxb Khoa học kỹ thuật Nguyễn Thị Thanh Quỳnh, Phạm Văn Thiêm (2013), Thiết kế điều khiển PID điều khiển FLC (Fuzzy Logic Controller) cho hệ thống gia nhiệt, Tạp chí Khoa Học Cơng Nghệ, Đại học Thái nguyên, Tập 112, số 12/2, trang 39-44 Nguyễn Phùng Quang (2004), Matlab & Simulink – Dành cho kỹ sư điều khiển tự động, Nxb Khoa học kỹ thuật Tiếng Anh Ross T J (2010), Fuzzy logic with Engineering Applications, Third Edition, John Wiley & Sons Nguyen Cat Ho and W Wechler, Extended hedge algebras and their application to Fuzzy logic, Fuzzy Sets and Systems 52(1992), 259-281 ... tốn điều khiển ổn định mức nước 1.1 Tổng quan hệ thống ổn định mức nước 1.2 Điều khiển ổn định mức nước cần thiết phải ứng dụng tự động hóa 1.3.Các phương thức điều khiển 1.4 Đặt tốn điều khiển. .. CHƯƠNG TỔNG QUAN BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH MỨC NƯỚC .5 1.1.Tổng quan hệ thống ổn định mức nước 1.1.1.Sự cần thiết ổn định mức nước 1.1.2 .Ứng dụng hệ thống ổn định mức nước. .. văn, điều khiển ổn định mức nước ứng dụng điều chỉnh PID logic mờ Trong chương 2, tác giả dự định phân tích phương pháp thiết kế, cấu trúc điều khiển PID điều khiển mờ CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN