Ứng dụng hệ mờ và mạng nơron điều chỉnh nhiệt độ lò nung tuynel

TRƢỜNG ĐẠI HỌC VINH VIỆN KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ ***** ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: ỨNG DỤNG HỆ MỜ VÀ MẠNG NƠRON ĐIỀU CHỈNH NHIỆT ĐỘ LÕ NUNG TUYNEL Sinh viên thực : CAO XUÂN HẬU Lớp 53K1 - KTĐK&TĐH Giảng viên hƣớng dẫn : KS PHAN VĂN DƢ Nghệ An, 05-2017 TRƢỜNG ĐẠI HỌC VINH VIỆN KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ ***** ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: ỨNG DỤNG HỆ MỜ VÀ MẠNG NƠRON ĐIỀU CHỈNH NHIỆT ĐỘ LÕ NUNG TUYNEL Sinh viên thực : CAO XUÂN HẬU Lớp 53K1 - KTĐK&TĐH Giảng viên hƣớng dẫn : KS PHAN VĂN DƢ Cán phản biện : PGS.TS NGUYỄN HOA LƢ Nghệ An, 5-2017 MỤC LỤC MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN .4 LỜI NÓI ĐẦU TÓM TẮT ĐỒ ÁN ABSTRACT DANH MỤC BẢNG BIỂU DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT .10 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LÒ NUNG TUYNEL 11 1.1 Lò nung Tuynel .11 1.1.1 Zone nung sơ .15 1.1.2 Zone nung .16 1.1.3 Vùng làm lạnh nhanh .17 1.1.4 Vùng làm nguội chậm 18 1.1.5 Can nhiệt: 19 1.2 Sơ đồ nguyên tắc lò nung Tuynel 20 1.3 Vịng an tồn lị nung u cầu cơng nghệ 23 1.4 Thong số cần điều chỉnh lò nung Tuynel 24 1.5 Phƣơng pháp điều chỉnh tốc độ động khơng đồng .25 CHƢƠNG 2: TÌM HIỂU HỆ MỜ VÀ MẠNG NƠRON 27 2.1 Điều khiển mờ 27 2.1.1 Cấu trúc điều khiển mờ .27 2.1.2 Bộ điều khiển mờ tĩnh 30 2.1.3 Bộ điều khiển mờ động 33 2.1.4 Thiết kế hệ điều khiển mờ phần mềm Matlab 35 2.2 Mạng nơron .37 2.2.1 Sơ lƣợc neural sinh học .38 2.2.2 Mạng Neural Nhân Tạo 39 2.2.3 Kiến Trúc Mạng .41 2.2.4 Huấn luyện mạng neural 43 2.3 Kết hợp điều khiển mờ mạng nơron 47 2.3.1 Khái niệm .47 2.3.2 Kết hợp điều khiển mờ mạng nơron 48 CHƢƠNG 3: ỨNG DỤNG HỆ NƠRON-MỜ ĐIỀU CHỈNH NHIỆT ĐỘ LÒ NUNG TUYNEL .51 3.1 Điều khiển nhiệt độ lò nung Tuynel sử dụng điều khiển PID 51 3.1.1 Mơ hình tốn học đối tƣợng .51 3.2 Điều khiển nhiệt độ lò nung Tuynel sử dụng điều khiển mờ 55 3.3 Điều khiển nhiệt độ lò nung Tuynel sử dụng hệ nơron mờ 62 3.3.1 Sử dụng công cụ ANFIS MATLAB để thiết kế hệ mờ - nơron (ANFIS and the ANFIS Editor GUI) .62 3.3.2 Sử dụng soạn thảo ANFIS GUI 62 3.3.3 Huấn luyện mạng mô 63 3.4 Tổng hợp, đánh giá điều khiển 67 KẾT LUẬN .70 TÀI LIỆU TAM KHẢO 70 LỜI CẢM ƠN Trong thời gian học tập nghiên cứu trƣờng, đƣợc quan tâm giúp đỡ viện Kỹ thuật - Công nghệ, trƣờng Đại học Vinh dƣới giúp đỡ KS Phan Văn Dƣ cho tiến hành nghiên cứu đề tài “Ứng dụng hệ mờ mạng nơron điều chỉnh nhiệt độ lị nung tuynel” Đến tơi hồn thành đề tài Để hoàn thành đồ án này, nỗ lực thân, nhận đƣợc nhiều giúp đỡ, đóng góp ý kiến nhiều cá nhân tập thể Tôi xin bày tỏ long biết ơn sâu sắc đến: Quý thầy cô giáo viện Kỹ thuật – Cơng nghệ tận tình giảng dạy, trang bị kiến thức cho em trình học tập vừa qua Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Ks Phan Văn Dƣ ngƣời trực tiếp hƣớng dẫn, giúp đỡ tạo điều kiện để em hoàn thành đồ án Mặc dù nỗ lực cố gắng, nhƣng kiến thức kinh nghiệm cịn hạn hẹp nên đề tài khơng tránh khỏi sai sót Rất mong đƣợc đạo đóng góp ý kiến từ thầy giáo để đề tài đƣợc hoàn thiện Nghệ An, ngày 26 tháng năm 2017 Sinh viên thực Cao Xn Hậu LỜI NĨI ĐẦU Tự động hố góp phần đẩy mạnh phát triển kinh tế khơng cịn khái niệm mẻ mà thực đem lại chuyển biến rõ rệt Sự cạnh tranh chất lƣợng nhƣ giá sản phẩm thúc đẩy nhà sản xuất coi việc nâng cao chất lƣợng sản phẩm, suất lao động nhƣ nhiệm vụ định sống công ty, tổ chức Muốn làm đƣợc điều có cách bền vững áp dụng điều khiển tự động trình sản xuất nhằm đáp ứng đƣợc yêu cầu tiêu chuẩn chất lƣợng sản phẩm nhƣ hạ giá thành sản phẩm Ở nƣớc ta nay, u cầu cơng nghiệp hố đại hố kinh tế, nên ngày xuất nhiều dây truyền sản xuất có mức độ tự động hố cao Vì việc tự động hố dây truyền sản xuất nhà máy cần thiết, giúp khơng giảm nhân lực mà nâng cao chất lƣợng, hạ giá thành sản phẩm tăng khả cạnh tranh thị trƣờng Hiện nhà máy xí nghiệp Tuynel Việt Nam tiến hành lắp đặt cải tạo mới, mạnh dạn đƣa vào thiết bị, công nghệ tiên tiến, bên cạnh cịn nhiều nhà máy xí nghiệp có ứng dụng cơng nghệ nhƣng chƣa đồng cịn thủ cơng Do để điều khiển nhiệt độ lị nung (là khâu quan trọng nhất) hạn chế nên sản phẩm làm chƣa đạt đƣợc chất lƣợng cao nhƣ mong muốn Bên cạnh vấn đề tiết kiệm điện q trình sử dụng cơng nghệ vấn đề cần quan tâm nƣớc ta phát triển nhà máy xí nghiệp cần áp dụng thiết bị, cơng nghệ vào q trình điều khiển để giảm lƣợng tiêu thụ điện giảm đƣợc chi phí Hiểu đƣợc tầm quan trọng việc điều điều khiển nhiệt độ lị nung Tuynel, nên tơi chọn đề tài “Ứng dụng hệ mờ mạng nơron điều chỉnh nhiệt độ lò nung tuynel” để làm đề tài nghiên cứu Đồ án đƣợc chia làm chƣơng: Chƣơng 1: Tổng quan lò nung Tuynel Chƣơng 2: Tìm hiểu hệ mờ mạng nơron Chƣơng 3: Ứng dụng hệ nơron - mờ điều chỉnh nhiệt độ lò nung tuynel TÓM TẮT ĐỒ ÁN Đồ án tìm hiểu tổng quan cơng nghệ lị nung tuynel, đặc tính nhiệt độ Tìm hiểu hệ mờ mạng nơron, kết hợp nơron-mờ Sử dụng phƣơng pháp để điều khiển đối tƣợng lị nung tuynel, từ so sánh đánh giá kết mô phần mềm matlab Sử dụng cơng cụ ANFIS GUI để hỗ trợ q trình huấn luyện mạng nơron-mờ Đồ án mức mô phần mềm, nên tƣơng lai hƣớng tới áp dụng vào nhà máy thực tế ABSTRACT This project explores the overview of the tuynel kiln technology, and its temperature characteristics Researching about fuzzy systems and noron networks, noron-fuzzy combinations.Using methods to control the tunnel furnace object, then comparing and evaluating simulation results with matlab software.Using the ANFIS GUI tool to support the training.The project is just at the simulationlevel on the software so in the future it is going to apply to the actual plant DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Những ƣu nhƣợc điểm mạng nơron điều khiển mờ 47 Bảng 2.2 Hai tiêu chí thiết kế logic mờ mạng nơron .48 Bảng 3.1 Bảng luật điều khiển 56 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Nhìn tổng quan lị nung tuynel 11 Hình 1.2 Sơ đồ cơng nghệ lị nung tuynel 12 Hình 1.3 Mộ số loại cặp nhiệt điện 20 Hình 1.4 Sơ đồ đơn giản 20 Hình 1.5 Sơ đồ có cải tiến 22 Hình 1.6 Sơ đồ có tuần hồn khí .22 Hình 1.7 Sơ đồ hồn chỉnh 23 Hình 2.1 Các khối chức đièu khiển mờ 27 Hình 2.2a,b,c Các điều khiển mờ 28 Hình 2.3 Cấu trúc tổng quát hệ mờ 29 Hình 2.4 Đặc tính vào cho trƣớc 32 Hình 2.5a,b Hàm liên thuộc biến ngôn ngữ vào, .32 Hình 2.6a,b Hệ điều khiển mờ theo luật PI .33 Hình 2.7 Hệ điều khiển mờ theo luật PD 33 Hình 2.8 Hệ điều khiển mờ theo luật PID 35 Hình 2.9 Giao diện FIS Editor 36 Hình 2.10 Thay đổi số lƣợng input, output .36 Hình 2.11 Giao diện membership Function 37 Hình 2.12 Mơ hình neuron sinh học 38 Hình 2.13 Mơ hình neuron nhân tạo mức đơn giản .40 Hình 2.14 Mơ hình mạng lớp 42 Hình 2.15 Ví dụ mơ hình mạng đa tầng 43 Hình 2.16 Nơron phân biệt A B 45 Hình 2.17 Mơ hình hệ mờ-nơron 48 Hình 3.1 Đặc tính đối tƣợng .51 Hình 3.2 Mơ điều khiển PID cho lịTuynel .54 Hình 3.3 Kết mơ điều khiển PID cho lòTuynel 55 Hình 3.4 Điều khiển mờ cho lị nung Tuynel 55 Hình 3.5 Giao diện FIS EDITOR 57 Hình 3.6 Mờ hóa sai lệch 58 Hình 3.7 Mờ hóa tích phân sai lệch 58 Hình 3.8 Mờ hóa điện áp điều khiển 59 Hình 3.9 Xây dựng luật hợp thành 59 Hình 3.10 Quan hệ vào điều khiển 60 Hình 3.11 Quan sát hoạt động luật .60 Hình 3.12 Mơ điều khiển mờ cho lị nung Tuynel 61 Hình 3.13 Kết mơ điều khiển mờ cho lị nung Tuynel .61 Hình 3.15 Lấy liệu từ workspace 63 Hình 3.16 Gán liệu vào a .64 Hình 3.17 Tải liệu huấn luyện lên ANFIS 64 Hình 3.18 (a) Chu kỳ huấn luyện; (b) Cửa sổ khai báo số lƣợng luật điều khiển 65 Hình 3.19 Huấn luyện mạng 65 Hình 3.20 Cấu trúc điều khiển mờ nơron 66 Hình 3.21 Mơ điều khiển mờ nơron cho lị nung Tuynel 66 Hình 3.22 Kết mơ điều khiển nơron mờ cho lị nung Tuynel 67 Hình 3.23 Tổng hợp mơ điều khiển PID mờ 68 Hình 3.24 Kết so sánh điều khiển PID, mờ, mờ-noron cho lò nung Tuynel68 Đánh giá kết mô Căn kết mô ta nhận thấy điều khiển có ƣu nhƣợc điểm riêng Với điều khiển PID thời gian đạt giá trị điều khiển sớm nhất, nhiên độ điều chỉnh cao làm ảnh hƣởng đến hệ thống nhƣ tuổi thọ thiết bị Bộ điều khiển mờ đạt giá trị ổn định muộn nhƣng thời gian đáp ứng chậm Ta nhận thấy với điều khiển mờ nơron độ điều chỉnh thấp nhƣng độ điều chỉnh, song thời gian đáp ứng lại nhanh mờ Tuy nhiên điều khiẻn nhiệt độ độ q điều chỉnh khơng mong muốn, điều khiển nơron-mờ đáp ứng đuợc yêu cầu đối tƣợng lò tuynel 69 KẾT LUẬN Lị nung Tuynel nói riêng nhƣ đối tƣợng nhiệt nói chung thƣờng cho phép có độ điều chỉnh thấp Ở điều khiển mờ nơron-mờ đảm bảo tốt đƣợc điều đó, tùy thuộc vào yêu cầu cơng nghệ q trình sử dụng lị mà ta chọn điều khiển thích hợp Với kết thu đƣợc từ mơ nhìn nhận điều khiển mờ mờ-nơron thích hợp dùng để điều khiển nhiệt độ lò nung Tuynel, đặc biệt điều khiển nơron mờ thích hợp cho đối tƣợng nhiệt độ, đặc biệt ứng dụng công nghiệp nghiên cứu cần độ chuẩn xác cao Từ kết thu đƣợc qua việc thực đề tài, nhìn nhận việc sử dụng lý thuyết điều khiển phải đƣợc sử dụng cách linh hoạt tùy thuộc vào đối tƣợng cần điều khiển Việc sử dụng lai ghép đƣợc kỹ thuật điều khiển cổ điển với đại kỹ thuật điều khiển đại với mở hƣớng đa dạng kỹ thuật điều khiển vào ứng dụng thực tế Kiến nghị Đề tài đồ án dừng lại mức độ xây dựng điều khiển mờ, nơron mờ dựa công cụ matlab Nên hƣớng phát triển đề tài là: Sử dụng luật học khác để tối ƣu kết điều khiển nhiệt độ lò Tuynel với điều khiển nơron mờ, tiến đến thiết kế mơ hình thực tế ứng dụng điều khiển nơron mờ điều khiển nhiệt độ lò nung Tuynel 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Hoa Lƣ, Lê Văn Chƣơng, Lý thuyết điều khiển tự động hệ tuyến tính, Nhà xuất Đại học Vinh, 2016 [2] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Phạm Quốc Hải, Dƣơng Văn Nghi, Điều chỉnh tự động truyền động điện, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 2004 [3] Nguyễn Phùng Quang, Matlab simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 2006 [4] TS Nguyễn Bê, Giáo trình Trang bị điện II, Đại học Bách khoa Đà Nẵng, 2007 [5] Bùi Cơng Cƣờng, Nguyễn Dỗn Phƣớc, Hệ mờ mạng Nơ ron & Ứng dụng, NXB Khoa hoc kỹ thuật, 2006 [6] Phạm Hữu Đức Dục, Mạng nơ ron ứng dụng điều khiển tự động, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội, 2009 [7] TS Nguyễn Nhƣ Hiền, TS Lại Khắc Lãi, Hệ Mờ & Nơ ron kỹ thuật điều khiển, NXB Khoa học tự nhiên công nghệ, Hà Nội, 2007 71 ... Ứng dụng hệ nơron - mờ điều chỉnh nhiệt độ lò nung tuynel TÓM TẮT ĐỒ ÁN Đồ án tìm hiểu tổng quan cơng nghệ lị nung tuynel, đặc tính nhiệt độ Tìm hiểu hệ mờ mạng nơron, kết hợp nơron -mờ Sử dụng. .. Điều khiển nhiệt độ lò nung Tuynel sử dụng điều khiển mờ 55 3.3 Điều khiển nhiệt độ lò nung Tuynel sử dụng hệ nơron mờ 62 3.3.1 Sử dụng công cụ ANFIS MATLAB để thiết kế hệ mờ - nơron (ANFIS... CHƢƠNG 3: ỨNG DỤNG HỆ NƠRON-MỜ ĐIỀU CHỈNH NHIỆT ĐỘ LÒ NUNG TUYNEL .51 3.1 Điều khiển nhiệt độ lò nung Tuynel sử dụng điều khiển PID 51 3.1.1 Mơ hình tốn học đối tƣợng .51 3.2 Điều