Luận văn nghiên cứu thiết kế, khảo sát hệ thống điều khiển sử dụng thuật toán mờ lai

luận văn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI ----------      ---------- NGUYỄN THỊ HẢI NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, KHẢO SÁT HỆ THỐNG ðIỀU KHIỂN SỬ DỤNG THUẬT TOÁN MỜ LAI LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành : ðIỆN NÔNG NGHIỆP Mã số : 60.52.54 Người hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN VĂN HÒA HÀ NỘI - 2011 Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………… i LỜI CAM ðOAN Tôi xin cam ñoan ñây là công trình của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng ñược ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận văn Nguyễn thị Hải Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………… ii LỜI CẢM ƠN Luận văn : “Nghiên cứu thiết kế, khảo sát hệ thống ñiều khiển sử dụng thuật toán mờ lai ” ñược hoàn thành với sự nỗ lực của bản thân, sự giúp ñỡ của thầy giáo hướng dẫn và các bạn ñồng nghiệp. Tôi xin trân trọng cảm ơn thầy giáo TS Nguyễn Văn Hoà ñã hướng dẫn, ñịnh hướng, giúp ñỡ cho tôi trong quá trình thực hiện luận văn. Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới các thầy, cô giáo Bộ môn ðiều khiển tự ñộng - ðại học Bách Khoa, các thầy cô Bộ môn ðiện Trường ðH Nông nghiệp Hà Nội ñiều kiện thuận lợi giúp ñỡ tôi trong công tác nghiên cứu. Với thời gian và kiến thức có hạn chắc chắn luận văn sẽ còn thiếu sót, kính mong thầy, cô và các bạn ñồng nghiệp ñóng góp ý kiến ñể luận văn ñược hoàn thiện hơn ./. Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………… iii MỤC LỤC Lời cam ñoan i Lời cảm ơn ii Mục lục iii Danh mục hình vi LỜI NÓI ðẦU 1 CHƯƠNG I: NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VỀ THUẬT TOÁN PID VÀ THUẬT TOÁN MỜ 3 1.1 Thuật toán PID 3 1.1.1 ðặc ñiểm bộ ñiều khiển PID 3 1.1.2 Các phương pháp xác ñịnh tham số của bộ ñiều khiển PID 10 1.2 Thuật toán mờ 20 1.2.1 Cơ sở lý thuyết mờ 20 1.2.2 Cấu trúc bộ ñiều khiển mờ 24 CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH CẤU TRÚC ðIỀU KHIỂN MỜ LAI 28 2.1. Bộ ñiều khiển mờ cơ bản 29 2.2 Nguyên lý của hệ thống ñiều khiển mờ 29 2.2 Các bước tổng hợp bộ ñiều khiển mờ 33 2.2.1 ðịnh nghĩa các biến vào ra 34 2.2.2 Xác ñịnh tập mờ 34 2.3.3 Xây dựng các luật ñiều khiển 36 2.3.4 Chọn thiết bị hợp thành 37 2.3.5 Chọn nguyên lý giải mờ 37 2.3.6 Tối ưu hệ mờ 37 2.3 Bộ ñiều khiển mờ lai 38 2.3.1 Khái quát 38 Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………… iv 2.3.2 Cấu trúc của bộ ñiều khiển mờ tự chỉnh hệ số khuếch ñại 40 2.3.3 Cấu trúc của bộ ñiều khiển mờ tự chỉnh hằng số tích phân 40 2.3.4 Cấu trúc của bộ ñiều khiển mờ tự chỉnh hằng số tích phân và hệ số khuếch ñại. 41 2.4.5 Bộ ñiều khiển mờ cơ sở 42 2.5 Mô phỏng thuật toán ñiều khiển 48 2.5.1 Mô phỏng thuật toán PID cho ñối tượng lò gia nhiệt 48 2.5.2 Mô phỏng thuật toán mờ lai cho ñối tượng lò gia nhiệt 56 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ, KHẢO SÁT HỆ THỐNG ðIỀU KHIỂN MỜ LAI 71 3.1 Giới thiệu hệ thống lò nhiệt 72 3.1.1 Nguyên lý hoạt ñộng của hệ thống: 73 3.1.2 Buồng ñốt 74 3.1.3 Quạt gió 74 3.1.4 Sợi ñốt 74 3.1.5 Nhiệt kế ñiện trở 75 3.1.6 Bộ chuyển ñổi R/U 75 3.1.7 Máy tính 76 3.1.8 Cáp ghép nối DAS 1601 76 3.1.9 Bộ ñiều khiển công suất 80 3.2 Thiết kế bộ ñiều khiển mờ lai cho lò nhiệt 85 3.2.3 Mô phỏng hệ thống ñiều khiển lò gió nóng 85 3.2.4 Kết quả thực nghiệm ñiều khiển lò gió nóng tại phòng thí nghiệm Viện ñiện – ðHBK khi sử dụng thuật toán PI 87 3.2.5 Sơ ñồ khối hệ thống mờ hiệu chỉnh thông số K: 88 3.2.6 Sơ ñồ khối hệ thống mờ hiệu chỉnh hằng số Ti: 92 3.2.7 Sơ ñồ khối hệ thống mờ hiệu chỉnh hằng số Ti và K 95 Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………… v 3.2.8 Sơ ñồ khối hệ thống mờ 2 ñầu vào hiệu chỉnh hằng số K 97 3.2.9 Sơ ñồ khối hệ thống mờ 2 ñầu vào hiệu chỉnh Ti 100 3.2.10 Sơ ñồ khối hệ thống mờ 2 ñầu vào hiệu chỉnh Ti và K 103 KẾT LUẬN 107 TÀI LIỆU TRÍCH DẪN VÀ THAM KHẢO 109 Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………… vi DANH MỤC HÌNH STT Tên hình Trang 1.1 Sơ ñồ khối bộ ñiều khiển PID 3 1.2 Sai số ñiều khiển và tích phân của sai số ñiểu khiển 5 1.3 ðặc tính tần số biên pha logarit của bộ ñiều khiển tích phân I 6 1.4 Sơ ñồ khối bộ ñiều khiển PI 7 1.5 Sơ ñồ nguyên lý ñiều khiển với bộ ñiều khiển PID 8 1.6 Nhiệm vụ của bộ ñiều khiển PID 11 1.7 Xác ñịnh tham số của bộ PID theo Ziegler – Nichols thứ nhất 11 1.8 Xác ñịnh hằng số tới hạn 12 1.9 ðáp ứng quá ñộ của ñối tượng 13 1.10 Sơ ñồ khối hệ thống ñiều khiển kín 15 1.11 Thiết kế bộ ñiều khiển PID theo phương pháp tối ưu ñối xứng 18 1.13 Hàm phụ thuộc µ A (x) của tập kinh ñiển A 20 1.14 Hàm phụ thuộc µ B (x) của tập "mờ" B 20 1.15 Miền xác ñịnh, miền tin cậy của tập mờ 21 1.17 Hợp của 2 tập mờ 22 1.18 Giao của hai tập mờ có cùng cơ sở 23 1.20 các nguyên lý giải mờ theo phương pháp cực ñại 26 1.21 Hàm liên thuộc B’có miền G không liên thông 27 1.22 Giá trị rõ y' là hoành ñộ của ñiểm trọng tâm 27 2.1 Ví dụ về một bộ ñiều khiển mờ ñộng. 29 2.2 Sơ ñồ cấu trúc bộ ñiều khiển mờ 30 2.3 Bộ ñiều khiển mờ có khâu P, khâu D trong giao diện ñầu vào và khâu I trong giao diện ñầu ra. 32 Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………… vii 2.4 Hệ ñiều khiển mờ với 2 thiết bị hợp thành nối song song 33 2 Luật chỉnh ñịnh PID 37 2.5 Cấu trúc bộ mờ ñiều chỉnh hệ số khuếch ñại mờ 1 ñầu vào 40 2.6 Cấu trúc bộ mờ chỉnh ñịnh hệ số khuếch ñại mờ 2 ñầu vào 40 2.7 Cấu trúc bộ mờ ñiều chỉnh hằng số Ti một ñầu vào 40 2.8 Cấu trúc bộ mờ ñiều chỉnh hằng số Ti 2 ñầu vào 41 2.9 Cấu trúc bộ mờ 1 ñầu vào ñiều chỉnh hệ số khuếch ñại và hằng số Ti 41 2.10 Cấu trúc bộ mờ 2 ñầu vào ñiều chỉnh hệ số khuếch ñại và hằng số Ti 42 2.11 Các biến ngôn ngữ vào ra 43 2.13 Mối quan hệ giữa tín hiệu vào và ra 44 2.14 Các biến ngôn ngữ vào ra 45 2.15 Ma trận luật hợp thành 47 2.16 Suface quan hệ vào ra bộ mờ 2 ñầu vào 48 2.17 Mô tả ñường quá ñộ khâu bậc 1 có trễ 49 2.18 ðáp ứng hệ PI lò sấy sử dụng phương pháp Halman 50 2.19 ðặc tính của lò nhiệt sử dụng PI theo Zieglerv-Nichols 1 51 2.20 ðặc tính của lò nhiệt sử dụng PID theo Zieglerv-Nichols 1 51 2.21 ðặc tính ra sử dụng phương pháp PID 52 2.22 Mô phỏng ñặc tính hệ thống (H- C- R)PI 53 2.23 Mô phỏng ñặc tính hệ thống (H- C- R)PID 53 2.24 Mô phỏng ñặc tính hệ thống (H- C- R 2)PI 54 2.25 Mô phỏng ñặc tính hệ thống theo phương pháp (H- C- R 3) PI 54 2.26 Mô phỏng ñặc tính hệ thống theo phương pháp (HC- R 3)PID 54 2.27 Mô phỏng ñặc tính hệ thống theo phương pháp PI (C – H – R4) 55 Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………… viii 2.28 Mô phỏng ñặc tính hệ thống theo phương pháp PID (C – H – R4) 55 2.30 ðáp ứng ñầu ra khi sử dụng mờ nối tiếp K 56 2.31 Bộ ñiều khiển mờ ñiều khiển hằng số K 56 2.32 ðặc tính ra của bộ ñiều chỉnh hằng số K 57 2.33 Bộ ñiều khiển mờ lai ñiều khiển hằng số k khi thay ñối tượng 57 2.34 ðáp ứng ra khi thay ñối tượng khác trong bộ ñiều khiển dùng bộ mờ cơ sở 57 2.35 So sánh ñiều khiển mờ lai dùng bộ mờ cơ sở cho 2 ñối tượng khác nhau 58 2.36 ðáp ứng thu ñược khi so sánh ñiều khiển mờ lai dùng bộ mờ cơ sở cho 2 ñối tượng khác nhau 58 2.37 Sơ ñồ bộ ñiều khiển mờ hiệu chỉnh thông số Ti 59 2.38 ðáp ứng ra cuả hệ khi hiệu chỉnh hằng số Ti 59 2.39 So sánh sử dụng bộ mờ cơ sở cho 2 ñối tượng khác nhau 59 2.40 ðáp ứng ra khi so sánh dùng 2 ñối tượng khác nhau 60 2.41 ðáp ứng ra khi tăng giá trị ñặt 60 2.42 Sơ ñồ dùng 2 bộ mờ hiệu chỉnh thông số K và Ti 61 2.43 ðáp ứng ra khi sử dụng 2 bộ mờ hiệu chỉnh thông số K và Ti 61 2.44 Sơ ñồ bộ ñiều khiển dùng 2 bộ mờ chỉnh ñịnh 2 thông số K và Ti 61 2.45 ðáp ứng ñầu ra khi sử dụng 2 bộ mờ hiệu chỉnh 2 thông số Ti và K 62 2.46 Bộ ñiều khiển mờ hiệu chỉnh K song song 62 2.47 ðặc tính ra khi nối bộ mờ song song 62 2.48 Sơ ñồ mô phỏng so sánh 63 2.49 ðáp ứng ra khi sử dụng mờ hiệu chỉnh K và PI với giá trị ñặt là 1 63 2.50 ðáp ứng ra khi sử dụng mờ hiệu chỉnh K và PI với giá trị ñặt là 5 63 2.51 Sơ ñồ bộ mờ hiệu chỉnh thông số K nối tiếp Ti 64 Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………… ix 2.52 ðáp ứng ra 64 2.53 Bộ mờ 2 vào hiệu chỉnh thông số K 66 2.54 ðáp ứng ra của bộ ñiều khiển mờ 2 vào hiệu chỉnh thông số K 66 2.55 Sơ ñồ ñiều khiển mờ chỉnh ñịnh thông số K của bộ PI 67 2.56 ðáp ứng ra của ñiều khiển mờ chỉnh ñịnh thông số K của bộ PI 67 2.57 Bộ ñiều khiển mắc song song vi phân với bộ mờ 67 2.58 ðáp ứng ra mờ 2 vào song song với khâu vi phân 68 2.59 Dùng bộ mờ ñể thay ñổi thông số K của bộ PI 68 2.60 ðặc tính ra khi dùng bộ mờ ñiều chỉnh K 69 2.61 Sơ ñồ của hệ thống dùng phương pháp mờ chỉnh ñịnh Ti của bộ PI 69 2.62 ðáp ứng ra của hệ thống dùng phương pháp mờ 2 ñầu vào chỉnh ñịnh Ti của PI 69 2.63 Sơ ñồ của hệ thống dùng phương pháp mờ chỉnh ñịnh Ti và K của hệ thống PI 70 2.64 ðáp ứng ra khi sử dụng bộ mờ ñiều chỉnh thông số Ti và K 70 3.1 Sơ ñồ khối hệ thống lò gió nóng 73 3.2 Sơ ñồ bộ chuyển ñổi R/U 75 3.3 Sơ ñồ bộ ñiều khiển công suất 80 3.4 Sơ ñồ mạch tạo xung 81 3.5 Sơ ñồ mạch vi phân và khuếch ñại xung 82 3.6 Sơ ñồ ñiều khiển bằng biến áp xung 83 3.7 Mô hình nhận dạng ñối tượng 84 3.8 ðường ñặc tính ñộng học của ñối tượng 85 3.9 ðường quá ñộ cho ñối tượng có trễ 86 3.10 Sơ ñồ ñiều khiển PI cho ñối tượng lò gió nóng 86 3.11 ðáp ứng của hệ thống khi ñiều khiển PI 86 . – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………… ii LỜI CẢM ƠN Luận văn : Nghiên cứu thiết kế, khảo sát hệ thống ñiều khiển sử dụng thuật toán mờ lai. ñiều khiển. Vì vậy ñể làm luận văn tốt nghiệp Em chọn ñề tài Nghiên cứu thiết kế, khảo sát hệ thống ñiều khiển sử dụng thuật toán mờ lai . Luận văn tập