Cải thiện chất lượng thiết bị điều khiển gia nhiệt bằng bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số PID

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ĐỖ HUY KHÁNH CẢI THIỆN CHẤT LƢỢNG THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN GIA NHIỆT BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ CHỈNH ĐỊNH THAM SỐ PID LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Thái Nguyên – 2017 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ĐỖ HUY KHÁNH CẢI THIỆN CHẤT LƢỢNG THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN GIA NHIỆT BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ CHỈNH ĐỊNH THAM SỐ PID LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã ngành: 62520216 KHOA CHUN MƠN NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC TS Đỗ Trung Hải TS Đỗ Trung Hải PHÒNG ĐÀO TẠO TS Đặng Danh Hoằng Thái Nguyên - 2017 -i- LỜI CAM ĐOAN Tên là: ĐỖ HUY KHÁNH Sinh ngày: 18 tháng 11 năm 1983 Học viên lớp cao học khoá 18 – Kỹ thuật điều khiển Tự động hoá, Trƣờng Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên – Đại học Thái Nguyên Hiện công tác tại: Nhà máy Z115-Tổng cục Cơng nghiệp Quốc Phịng Tơi cam đoan tồn nội dung luận văn làm theo định hƣớng giáo viên hƣớng dẫn, không chép ngƣời khác Các phần trích lục tài liệu tham khảo đƣợc luận văn Nếu có sai tơi hồn tồn chịu trách nhiệm Tác giả luận văn ĐỖ HUY KHÁNH - ii - LỜI CẢM ƠN Đề tài Luận văn thạc s đƣợc hoàn thành Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Có đƣợc luận văn tốt nghiệp này, tơi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành sâu sắc tới Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Khoa Điện, Phòng Đào tạo thầy giáo hƣớng dẫn TS Đỗ Trung Hải giúp đỡ tơi q trình triển khai, nghiên cứu hoàn thành đề tài “Cải thiện chất lƣợng điều khiển thiết bị gia nhiệt điều khiển mờ chỉnh định tham số PID” Xin chân thành cảm ơn thầy giáo, cô giáo, nhà khoa học trực tiếp giảng dạy truyền đạt kiến thức khoa học chuyên ngành Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa cho thân tơi qúa trình học tập Tuy nhiên, có hạn chế kiến thức nên Luận văn không tránh khỏi thiếu sót Tơi mong nhận đƣợc ý kiến đóng góp thầy giáo, giáo nhà khoa học để tiến Trân trọng cảm ơn./ Học viên ĐỖ HUY KHÁNH - iii - MỤC LỤC MỤC LỤC .iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT v DANH MỤC HÌNH VẼ vi DANH MỤC BẢNG BIỂU viii MỞ ĐẦU ix Tính cấp thiết đề tài ix Mục tiêu nghiên cứu ix Dự kiến kết đạt đƣợc ix Phƣơng pháp nghiên cứu ix Cấu trúc luận văn ix CHƢƠNG XÂY DỰNG MÔ HÌNH TỐN HỌC CHO ĐỐI TƢỢNG GIA NHIỆT .1 1.1 Tổng quan thiết bị gia nhiệt 1.1.1 Khái niệm 1.1.2 Các phƣơng pháp gia nhiệt 1.1.3 Một số loại cảm biến nhiệt độ 1.2 Ý ngh a việc xây dựng mơ hình tốn học [2] 11 1.3 Xây dựng mô hình tốn học phƣơng pháp thực nghiệm .13 1.3.1 Khái niệm xây dựng mơ hình tốn học thực nghiệm [2] 13 1.3.2 Dữ liệu để xây dựng mơ hình tốn học thực nghiệm .13 1.3.3 Một số phƣơng pháp xây dựng mơ hình tốn thực nghiệm [2] 16 1.3.4 Sử dụng System Identification Toolbox Matlab 17 1.4 Kết luận chƣơng 23 CHƢƠNG 24 TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO ĐỐI TƢỢNG GIA NHIỆT .24 2.1 Tổng quan điều khiển PID 25 2.2 Phƣơng pháp thực nghiệm dựa hàm h(t) 26 2.2.1 Phƣơng pháp số thời gian tổng nhỏ Kuhn 26 2.2.2 Phƣơng pháp Ziegler- Nichols 29 2.3 Thiết kế điều khiển miền tần số 30 2.3.1 Nguyên tắc thiết kế 30 2.3.2 Phƣơng pháp modul tối ƣu 31 Chƣơng 36 - iv CẢI THIỆN CHẤT LƢỢNG ĐIỀU KHIỂN BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ CHỈNH ĐỊNH THAM SỐ PID 36 3.1 Tổng quan hệ logic mờ điều khiển mờ [4, 5] 36 3.1.1 Khái quát lý thuyết điều khiển mờ 36 3.1.2 Các phép toán tập mờ 38 3.1.3 Biến mờ, hàm biến mờ, biến ngôn ngữ 39 3.1.4 Suy luận mờ luật hợp thành 40 3.1.5 Bộ điều khiển mờ 42 3.2 Bộ điều khiển mờ 44 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 51 Kết luận 51 Kiến nghị 51 -v- DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT TT TBĐKThiết bị điều khiển BĐKBộ điều khiển TBĐLThiết bị đo lƣờng PLC DCS ĐTĐKĐối tƣợng đ - vi - DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1 Ngun lý làm việc lò cảm ứng Hình Nguyên lý làm việc lò quang điện Hình Nguyên lý làm việc lò điện trở Hình Các loại lò điện trở Hình Cấu tạo cảm biến nhiệt độ loại nhiệt kế thủy ngân Hình Cấu trúc Điều khiển theo nguyên tắc phản hồi 11 Hình Sơ đồ nguyên lý thu thập liệu lò gia nhiệt 13 Hình Sơ đồ thu thập liệu nhận dạng 14 Hình Dữ liệu điện áp (volt) 14 Hình 10 Dữ liệu nhiệt độ (oC) 15 Hình 11 Giao diện công cụ System Identification Tool 17 Hình 12 Chọn nhập liệu miền thời gian 18 Hình 13 Nhập liệu nhận dạng mơ hình 18 Hình 14 Đƣa liệu vào Working data Validation Data .19 Hình 15 Hình vẽ liệu theo thời gian 20 Hình 16 Giao diện Process Models 21 Hình 17 Lựa chọn mơ hình 22 Hình 18 Kết nhận dạng 23 Hình 19 Đánh giá kết nhận dạng mơ hình 23 Hình 20 Giao diện kết nhận dạng 24 Hình 21 Đặc tính q độ đối tƣợng 25 Hình Cấu trúc điều khiển PID 28 Hình 2 Sơ đồ cấu trúc điều khiển PID 29 Hình Cấu trúc mô hệ thống 31 Hình Đặc tính độ hệ thống với điều khiển tổng hợp phƣơng pháp Kuhn 32 Hình Đặc tính q độ hệ thống với điều khiển tổng hợp phƣơng pháp Ziegler- Nichols 34 Hình Sơ đồ hệ thống điều khiển 34 Hình Tổng hợp điều khiển phƣơng pháp module tối ƣu .36 - vii - Hình Cấu trúc mô hệ với điều khiển PI 37 Hình Đặc tính độ hệ thống điều khiển đối tƣợng gia nhiệt với luật PI 37 Hình 10 Tín hiệu điều khiển với điều khiển PI 38 Hình 11 Cấu trúc mơ hệ với luật PI (có khâu hạn chế) 38 Hình 12 Đặc tính q độ hệ thống với luật PI (có khâu hạn chế khâu trễ) 39 Hình Một số dạng hàm liên thuộc 44 Hình Đồ thị mơ tả phép tốn hợp, giao bù hai tập mờ .45 Hình 3 45 Hình 45 Hình Sơ đồ khối chức điều khiển mờ 46 Hình ví dụ cách xác định miền G 46 Hình 47 Hình 48 Hình Bộ điều khiển mờ PD 49 Hình 10 điều khiển mờ PI 49 Hình 11 Cấu trúc chỉnh định mờ tham số PID 50 Hình 12 Cấu trúc chỉnh định mờ 50 Hình 13 Cấu trúc mơ hệ với điều khiển PID mờ chỉnh định tham số PID 51 Hình 14 Cấu trúc chỉnh định tham số Kp KI 52 Hình 15 điều khiển mờ cấu trúc 3.14 53 Hình 16 Cấu trúc điều khiển mờ chỉnh định kD 54 Hình 17 Dạng hàm liên thuộc đầu vào 55 Hình 18 Dạng hàm liên thuộc đầu 55 Hình 19 Kết mơ 55 - viii - DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng Tổng hợp điều khiển theo Kuhn 27 Bảng 2 Tổng hợp điều khiển theo Ziegler- Nichols 29  C / A R =Min{  C/A (x,y), Hình chiếu tập c /AR lên trục Y là:  B (y) = MaxMin{  A (x), R (x,y)} Hay:  B (y) =  [  A (x) R (x,y)] (3.10) biểu hợp thành Max-Min Nếu ta chọn phép (Và) lấy tích phép (Hoặc) phép Max Error! Reference source not found là:  B (y) [ A (x).R (x,y)] (3.13) biểu luật hợp thành Max –Prod Ứng với luật hợp thành khác ta có phƣơng pháp suy luận mờ khác nhƣ suy luận mờ dựa luật hợp thành MAX -MIN, suy luận mờ dựa luật hợp thành MAX -PROD v.v… Ví dụ ta xây dựng công thức tổng quát cho suy luận mờ sử dụng luật hợp thành Max -Min nhƣ sau: Cho B tập mờ tập sở X.X Y Giả thiết luật kéo theo mờ A  B đƣợc thể nhƣ quan hệ mờ R X  Y nhƣ tập mờ ’ B' cảm sinh từ “x A ” luật mờ “ x A y B” đƣợc xác định bởi:  B' (y) = MaxMin{  A' (x), R (x,y)} Hoặc:  B' (y) = Hay: 42 (3.16) công thức tổng quát cho suy luận mờ sử dụng luật hợp thành MaxMin 3.1.5 Bộ điều khiển mờ Sơ đồ chức điều khiển mờ nhƣ hình 3.5, gồm khối khối mờ hoá (1), khối hợp thành (2), khối luật mờ (3) khối giải mờ (4) Hình 3.5 Sơ đồ khối chức điều khiển mờ Khối mờ hố có nhiệm vụ biến đổi giá trị rõ đầu vào thành miền giá trị mờ với hàm liên thuộc chọn ứng với biến ngôn ngữ đầu vào đƣợc định ngh a Khối hợp thành dùng để biến đổi giá trị mờ hố biến ngơn ngữ đầu vào thành giá trị mờ biến ngôn ngữ đầu theo luật hợp thành Khối luật mờ (suy luận mờ) bao gồm tập luật "Nếu Thì" dựa vào luật mờ sở, đƣợc ngƣời thiết kế viết cho thích hợp với biến giá trị biến ngôn ngữ theo quan hệ mờ Vào /Ra Khối luật mờ khối hợp thành phần cốt lõi điều khiển mờ, có khả mơ suy đốn ngƣời để đạt đƣợc mục tiêu điều khiển mong muốn Khối giải mờ biến đổi giá trị mờ đầu thành giá trị rõ để điều khiển đối tƣợng Một điều khiển mờ gồm khối thành phần nhƣ 43 đƣợc gọi điều khiển mờ Trong điều khiển ngƣời ta thƣờng sử dụng ba phƣơng pháp giải mờ chính, : - Phƣơng pháp điểm cực đại : đƣợc thực theo hai bƣớc: Bƣớc 1: Xác định miền chứa giá trị rõ đầu y Đó miền mà giá trị rõ đầu y có hàm liên thuộc đạt giá trị cực đại ( miền G nhƣ hình 3.6) G y Y |  B ( y) Max  Bƣớc 2: Xác định y từ miền G theo ba nguyên lý (ví dụ theo hình 3.6)  Nguyên lý trung bình: y  y y 2  Nguyên lý cận phải: y  y2  Nguyên lý cận trái: y  y1  Bmax y1 Hình 3.6 ví dụ cách xác định miền G Phƣơng pháp trọng tâm : giá trị rõ đầu đƣợc lấy theo điểm trọng tâm hình bao hàm liên thuộc hợp thành trục hồnh (hình 3.7) Lúc giá trị rõ đầu đƣợc xác định :  y y.B (y)dy S B (y S 44 Phƣơng pháp điểm trung bình tâm : Giá trị rõ y giá trị trung bình giá trị có độ thỏa mãn cực đại B(y) ví dụ theo hình 3.8 ta có giá trị rõ đầu y đƣợc xác định : y y y y1 y2 y S Hình 3.7 Hình 3.8 3.2 Bộ điều khiển mờ Để mở rộng ứng dụng cho toán điều khiển, ngƣời ta thƣờng bổ sung thêm vào điều khiển mờ khâu tích phân, đạo hàm, điều khiển có dạng nhƣ đƣợc gọi điều khiển mờ động Một số cấu trúc điều khiển mờ động nhƣ sau : Bộ điều khiển mờ PD Hình 3.9 Bộ điều khiển mờ PD 45 Bộ điều khiển PI Hình 3.10 điều khiển mờ PI 3.3 Thiết kế điều khiển mờ chỉnh định tham số PID cho thiết bị gia nhiệt 3.3.1 Phƣơng pháp thiết kế Bộ điều khiển PID kinh điển đƣợc thiết kế dựa phƣơng pháp biết nhƣ phƣơng pháp tổng hợp hệ thống Ziegler Nichols, phƣơng pháp Offerein, phƣơng pháp Reinisch … Bộ điều khiển sở cho việc tổng hợp hệ thích nghi sau Khác với phƣơng pháp dùng công tắc chọn điều khiển phù hợp hệ lai, thông số điều khiển thích nghi đƣợc hiệu chỉnh trơn Một điều khiển PID với đầu vào e(t), đầu u(t) có mơ hình tốn học nhƣ sau:  ut  KP et   Hoặc G P IDs K P đó: T  I 46 Bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số PID có cấu trúc nhƣ hình 3.11 Bộ chỉnh định mờ e, de dt Thiết bị chỉnh định x Hình 3.11 Cấu trúc chỉnh định mờ tham số PID e e Bộ chỉnh định mờ  Hình 3.12 Cấu trúc chỉnh định mờ 47 Các tham số điều khiển PID đƣợc chỉnh định sở phân tích tín hiệu sai lệch e(t) đạo hàm sai lệch Có nhiều phƣơng pháp chỉnh định tham số cho điều khiển PID nhƣ chỉnh định qua phiếm hàm mục tiêu, chỉnh định trực tiếp Ở phƣơng pháp chỉnh định mờ đƣợc thực theo [5] Với giả thiết tham số KP, KD bị chặn, tức là:  KP  KminP , KmaxP  KD KminD , KmaxD  kP  K để có  kP, kD  Nhƣ chỉnh định mờ có hai đầu vào e(t),  T  I T D 3.2.2 Mô điều khiển mờ chỉnh định tham số PID dùng Matlab – Simulink Cấu trúc mô hệ thống với bội điều khiển PID điều khiển mờ chỉnh định tham số Kp Ki nhƣ hình 3.13 Hình 3.13 Cấu trúc mơ hệ với điều khiển PID mờ chỉnh định tham số PID P 48 Cấu trúc chỉnh định tham số nhƣ hình 3.14 Hình 3.14 Cấu trúc chỉnh định tham số Kp KI Các điều khiển mờ nhƣ hình 3.15 In2 Hình 3.15 điều khiển mờ cấu trúc 3.14 Các điều khiển có cấu trúc vào ra, luận văn trình bầy điều khiển mờ lấy thơng số kD nhƣ sau: 49 Hình 3.16 Cấu trúc điều khiển mờ chỉnh định kD Hình 3.17 Dạng hàm liên thuộc đầu vào Hình 3.18 Dạng hàm liên thuộc đầu 50 Kết mơ nhƣ hình 3.18 (1) (3) (2) Hình 3.19 Kết mơ Qua mơ nhận thấy điều khiển mờ chỉnh định tham số PID cải thiện đƣợc chất lƣợng điều khiển thiết bị gia nhiệt, hệ khơng có q điều chỉnh, thời gian độ khoảng 430 giây 51 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Về nội dung luận văn đáp ứng đƣợc mục tiêu đề là: Điều khiển đối tƣợng gia nhiệt điều khiển mờ chỉnh định tham số PID Để thực mục tiêu đề luận văn lần lƣợt giải vấn đề sau: -Xây dựng mơ hình toán học cho đối tƣợng gia nhiệt -Tổng hợp điều khiển cho đối tƣợng gia nhiệt -Thiết kế điều khiển mờ chỉnh định tham số PID nhằm nâng cao chất lƣợng điều khiển đối tƣợng lò gia nhiệt Qua mô cho thấy điều khiển tổng hợp theo phƣơng pháp Modul tối ƣu khơng có khâu hạn chế tín hiệu điều khiển cho chất lƣợng tốt, thời gian độ ngắn đối tƣợng có qn tính lớn Tuy nhiên tín hiệu điều khiển lớn không phù hợp với thực tế, cấu trúc mơ cần có khâu hạn chế tín hiệu điều khiển cho phù hợp với thực tế Với cấu trúc có khâu hạn chế khâu trễ chất lƣợng điều khiển không đáp ứng đƣợc yêu cầu đề ra, để hiệu chỉnh luận văn sử dụng điều khiển mờ chỉnh định tham số Kp KI điều khiển PID, lúc chất lƣợng điều khiển đƣợc cải thiện so với điều khiển PID ban đầu Kiến nghị Tiếp tục nghiên cứu áp dụng thuật toán điều khiển vào điều khiển mơ hình vật lý thiết bị gia nhiệt 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Kỹ Nguyễn Doãn Phƣớc, Lý thuyết điều khiển tuyến tính, NXB Khoa học thuật, 2010 [2] Nguyễn Doãn Phƣớc - Phan Xuân Minh, Nhận dạng hệ thống điều khiển, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 2005 [3] Nguyễn Phùng Quang, MATLAB SIMULINK dành cho kỹ sư điều khiển tự động, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà Nội, 2006 [4] Nguyễn Trọng Thuần (2000), “ Điều khiển logic ứng dụng”, nhà xuất Khoa học kỹ thuật, Hà Nội [5] Phan Xuân Minh, Nguyễn Doãn Phƣớc, Lý thuyết điều khiển mờ, NXB khoa học kỹ thuật, Hà Nội, 2002 53 BÁO CÁO VỀ VIỆC TIẾP THU, BỔ SUNG, CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ THEO NGHỊ QUYẾT CỦA HỘI ĐỒNG ĐÁNH GIÁ LUẬN VĂN THẠC SĨ (Dùng sau bảo vệ) Học viên: ĐỖ HUY KHÁNH Tên đề tài: Tên đề tài Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: 62520216 Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS Đỗ Trung Hải Căn nội dung Nghị quyết, Biên chi tiết họp Hội đồng chấm luận văn thạc s (HĐ) họp ngày tháng 08 năm 2017, học viên nghiên cứu nội dung nghị kết luận HĐ, đối chiếu với nội dung luận văn, xin giải trình chi tiết nội dung sau: Chỉnh sửa, bổ sung hình thức luận văn, lỗi tả, lỗi kỹ thuật gồm: - Chỉnh sửa lỗi tả: trang … Chỉnh sửa … …… Thái Nguyên, ngày tháng 09 năm 2017 CÁN BỘ HƢỚNG DẪN HỌC VIÊN TS Đỗ Trung Hải ĐỖ HUY KHÁNH CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG/ HOẶC NGƢỜI XÁC NHẬN CỦA PHÒNG ĐÀO TẠO ĐƢỢC GIAO NHIỆM VỤ TS Đặng Danh Hoằng 54 ... cứu Thiết kế điều khiển mờ chỉnh định tham số PID nhằm cải thiện chất lƣợng điều khiển so với điều khiển PID Dự kiến kết đạt đƣợc Mơ hình tốn học thiết bị gia nhiệt - Cấu trúc thuật toán điều khiển. .. hệ với điều khiển PID mờ chỉnh định tham số PID 51 Hình 14 Cấu trúc chỉnh định tham số Kp KI 52 Hình 15 điều khiển mờ cấu trúc 3.14 53 Hình 16 Cấu trúc điều khiển mờ chỉnh định kD... hợp điều khiển không đáp ứng đƣợc yêu cầu điều khiển Để cải thiện chất lƣợng điều khiển tác giả lựa chọn đề tài “Nghiên cứu, ứng dụng điều khiển mờ để chỉnh định tham số PID cho thiết bị gia nhiệt? ??