Chỉnh định tham số PID của bộ điều tốc động cơ diesel tàu thủy dựa trên giải thuật di truyền và giải thuật mờ

Bài viết này trình bày những ưu điểm của bộ điều khiển PID truyền thống, khắc phục những nhược điểm bằng cách sử dụng giải thuật di truyền và bộ điều khiển mờ được áp dụng trên hệ thống điều khiển tốc độ của động cơ diesel tàu thủy.

TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ CHỈNH ĐỊNH THAM SỐ PID CỦA BỘ ĐIỀU TỐC ĐỘNG CƠ DIESEL TÀU THỦY DỰA TRÊN GIẢI THUẬT DI TRUYỀN VÀ GIẢI THUẬT MỜ TUNING PID GAINS OF MARINE DIESEL ENGINE GOVERNOR BASED ON GENETIC ALGORITHM AND FUZZY ALGORITHM MAI THẾ TRỌNG, PHẠM VĂN TRIỆU* Khoa Máy tàu biển, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam *Email liên hệ: phamvantrieu@vimaru.edu.vn Tóm tắt Bài báo trình bày ưu điểm điều khiển PID truyền thống, khắc phục nhược điểm cách sử dụng giải thuật di truyền điều khiển mờ áp dụng hệ thống điều khiển tốc độ động diesel tàu thủy Thuật toán thiết kế cho đối tượng trình bày phân tích chi tiết Kết mơ dựa ngơn ngữ lập trình MATLAB®/Simulink® khẳng định hiệu điều khiển đề xuất Từ khóa: Động diesel tàu thủy, hệ thống điều khiển tốc độ, điều khiển PID, giải thuật di truyền, điều khiển mờ Abstract This paper presents the advantages of the traditional PID controller, overcoming the disadvantages by using the genetic algorithm and the fuzzy controller applied on the speed control system of marine diesel engine The design algorithm for the object is presented and analyzed in detail Simulation results on MATLAB®/Simulink® environment have confirmed the efficiency of the proposed controllers Keywords: Marine diesel engine, speed control system, PID controller, genetic algorithm, fuzzy control Đặt vấn đề Động diesel sử dụng rộng rãi làm lượng nguồn thực tế Động diesel dùng để dẫn động sử dụng cho ô tô, tàu thủy máy phát điện [1] Động trang bị tàu thủy động diesel lớn yêu cầu phải kiểm soát tốc độ Việc điều khiển tốc độ động diesel cỡ lớn thực thông qua điều tốc nhiên liệu [2] Hệ thống điều khiển tốc độ động diesel tàu thủy đóng vai trị quan trọng tự động hóa tàu thủy Hiện tại, phương pháp điều khiển PID (Proportional–Integral–Derivative controller) SỐ 67 (8-2021) phổ biến rộng rãi sử dụng điều tốc động diesel tàu thủy, khả điều khiển hiệu quả, tính đơn giản thiết kế phạm vi ứng dụng rộng [3] Tuy nhiên, việc chỉnh định tham số điều khiển PID thường gặp khó khăn khó tìm giá trị tối ưu Phương pháp Ziegler-Nichols (Z-N) áp dụng phổ biến để chỉnh định tham số điều khiển PID, đòi hỏi trình thử nghiệm nhiều thời gian phụ thuộc nhiều vào kết đo đạc đáp ứng hệ thống [4, 5] Vì vậy, việc hiệu chỉnh thơng số điều khiển PID khó đạt giá trị tốt ảnh hưởng nhiễu sai số thiết bị lên tín hiệu đo Để khắc phục nhược điểm trên, việc chỉnh định tham số điều khiển PID phát triển dựa giải thuật Trong đó, giải thuật di truyền (Genetic Algorithm GA) sử dụng rộng rãi để xây dựng hệ thống điều khiển [6] Giải thuật dựa chế tương tự trình di truyền tự nhiên để tìm kiếm giá trị tối ưu tham số thiết kế, thoả mãn hàm mục tiêu đó, miền xác định chúng Bên cạnh đó, thuật tốn điều khiển PID có nhược điểm như: phụ thuộc nhiều vào mơ hình đối tượng điều khiển, thường khơng thể khắc phục ảnh hưởng thay đổi tải, thông số mơ hình yếu tố phi tuyến Các thơng số mơ hình động diesel tàu thủy thay đổi rõ ràng điều kiện làm việc khác Do đó, phương pháp điều khiển PID khó đảm bảo thông số điều khiển thiết lập làm cho động diesel có hiệu suất tốt điều kiện khác Thuật tốn điều khiển mờ khơng u cầu mơ hình xác cho đối tượng điều khiển Nó thích ứng với đối tượng điều khiển có độ trễ, thay đổi thời gian phi tuyến tính [7, 8] Trong viết này, chúng tơi trình bày ba phương pháp điều khiển tốc tốc độ động diesel tàu thủy: Phương pháp 1: Sử dụng giải thuật di truyền để tối ưu hóa thơng số điều khiển PID truyền thống Phương pháp 2: Kết hợp điều khiển mờ điều 33 TẠP CHÍ KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY khiển PID truyền thống Phương pháp 3: Kết hợp điều khiển mờ giải thuật di truyền tối ưu hóa tham số PID Bài viết bao gồm nội dung sau: Phần trình bày mơ hình động diesel tàu thủy hãng MAN B&W; Phần trình bày tối ưu hóa tham số điều khiển PID dựa giải thuật khác nhau; Phần thực mơ phân tích kết mơ phỏng; Phần kết luận Mơ hình động Hệ thống điều khiển tốc độ động diesel tàu thủy bao gồm điều khiển, cấu chấp hành cảm biến tốc độ quay Trong hệ động lực động diesel lai chân vịt định bước, chân vịt tàu thuỷ dẫn động trực tiếp từ động qua đoạn trục Vì tác dụng tải chân vịt động diesel, trục chân vịt nên coi tổng thể đối tượng điều khiển, gọi mơ hình tích hợp cho động diesel Đầu vào đối tượng điều khiển tín hiệu dịch chuyển nhiên liệu, đầu tốc độ động Khi thay đổi vị trí nhiên liệu bơm cao áp làm cho tốc độ quay động thay đổi 2.1 Mơ hình tích hợp tốn học động diesel Rất khó để thiết lập mơ hình xác đối tượng điều khiển phức tạp động diesel tàu thủy, khơng liên quan đến điều kiện bên trình đốt cháy nhiên liệu bên xi lanh động diesel, mà trạng thái tàu điều kiện hành trình Để mơ hệ thống điều khiển tốc độ động diesel, mô hình tốn học đơn giản hóa thiết lập cách phân tích chế phạm vi cho phép [4] Khi động diesel, trục chân vịt coi khối, hàm truyền từ dịch chuyển nhiên liệu sang tốc độ động diesel xác định thơng qua việc rút gọn sau: (1) Go (s)  K1 / (Ta s  1) Xét đặc tính làm việc động diesel tàu thủy, tức có độ trễ thời gian từ thay đổi vị trí nhiên liệu đến mômen xoắn tương ứng động diesel, tạo thành liên kết trễ thời gian túy Do đó, động diesel được coi liên kết quán tính mắc nối tiếp với liên kết trễ thời gian túy hàm truyền là: G1 ( s)  K1e s / (Ta s  1) (2) Động diesel tàu thủy thấp tốc cỡ lớn sử dụng rộng rãi kiểu MAN B&W 6S60MC coi 34 ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI ví dụ Theo tài liệu hãng, số thời gian 12,1 giây, độ khuếch đại kênh hệ số 93,8 độ trễ thời gian 0,037 giây Do đó, hàm truyền mơ hình tích hợp động diesel là: G1 ( s)  e0.037 s *93.8 / (12.1s  1) (3) 2.2 Mơ hình thiết bị truyền động Cơ cấu chấp hành sử dụng hệ thống điều khiển tốc độ động diesel động servo DC với phần ứng hình khun, mơ hình tốn học đơn giản hóa sau: G2 ( s )  Ka Ta s  (4) Theo tài liệu liên quan, Ta chọn 0,3 giây Ka = 1.05 Do đó, phương trình (4) trở thành: G2 ( s )  1.05 0.3s  (5) 2.3 Mơ hình cảm biến tốc độ Cảm biến từ trường sử dụng để đo tốc độ động cơ, chuyển đổi tần số tín hiệu xung tỷ lệ với tốc độ Mơ hình tốn học coi liên kết tỷ lệ Hệ số tỷ lệ rút gọn Từ trên, hàm truyền mơ hình tích hợp động diesel với truyền động viết là: 98.5 (12.1s  1)(0.3s  1) 98.5  e 0.037 s 3.63s 12.4 s  G ( s )  e 0.037 s (6) Tối ưu hóa thơng số điều khiển PID Thuật tốn di truyền phương pháp tìm kiếm ngẫu nhiên sử dụng để giải hệ phương trình phi tuyến tối ưu hóa vấn đề phức tạp Ba thơng số điều khiển PID tìm theo phương pháp Z-N sở để tìm miền giải thuật GA Nhiệm vụ giải thuật GA chọn lọc ba tối ưu cho điều khiển PID, thỏa mãn hàm mục tiêu 3.1 Bộ điều khiển PID Hàm truyền điều khiển PID xác định sau:   GPID ( s )  K p    Td s   Ti s  (7) Các hệ số tích phân Ki vi phân Kd điều khiển xác định: SỐ 67 (8-2021) TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY Ki  Kp Ti K d  K pTd ; (8) Tham số Thay (8) vào (7) ta được: GPID ( s )  K p  Bảng Thông số điều khiển PID theo tiêu chuẩn thiết kế Ki  Kd s s Z-N T1 T2 T3 PID (9) Kp 0.2 3.0165 2.5097 5.5266 Yêu cầu đặt người thiết kế điều khiển PID tìm ba thơng số thỏa mãn yêu cầu chất lượng điều khiển Ki 0.04 0.4144 0.3490 0.8902 Kd 0.03 0.5966 0.4609 0.9103 3.2 Giải thuật di truyền Trong hệ điều khiển vịng kín ta có e(t) sai lệch tín hiệu đặt u(t) tín hiệu đầu đối tượng y(t), ta có phương trình sai lệch sau: e(t )  u(t )  y (t ) (10) Các hàm mục tiêu trình tìm điều khiển tối ưu định nghĩa sau: Trường hợp 1:  T1   e(t ) dt (11) Trường hợp 2: Trường hợp 3:  T2   t e(t ) dt (12) T3  N N  e (t ) i 1 i (13) Ý nghĩa giải thuật di truyền áp dụng tìm thơng số tối ưu điều khiển PID, mà hàm Ti (i=1, 2, 3) đạt giá trị cực tiểu 3.3 Thiết kế điều khiển mờ-PID Bộ điều khiển PID truyền thống điều chỉnh thông số điều khiển trực tuyến khó thích ứng với đối tượng điều khiển có phụ tải thơng số thường xun thay đổi Rất khó để đạt hiệu điều khiển mong muốn Kĩ thuật điều khiển mờ kĩ thuật điều khiển thông minh phát triển năm gần Nó khơng u cầu kiến thức mơ hình tốn học xác cho đối tượng điều khiển Chiến lược điều khiển hình thành quy tắc điều khiển nhân tạo biến điều khiển định chiến lược điều khiển Kết hợp điều khiển mờ với điều khiển PID, hệ thống không linh hoạt lợi thích nghi điều khiển mờ mà cịn có đặc tính xác cao điều khiển PID Các hệ thống phức tạp sử dụng điều khiển mờ-PID tự động điều chỉnh có hiệu điều khiển tốt Cấu trúc hiển thị Hình Q trình tinh chỉnh thơng số điều khiển PID trình bày theo bước sau: Bước 1: Khởi tạo quần thể ngẫu nhiên ban đầu cho ba thơng số điều khiển PID, việc lựa chọn số hệ, kích thước quần thể, tần suất lai ghép xác suất đột biến Bước 2: Tính tốn sai lệch giá trị đặt giá trị đáp ứng để đánh giá hàm mục tiêu (Ti (i=1, 2, 3)) Bước 3: So sánh với điều kiện dừng Nếu thông số đưa thỏa mãn điều kiện dừng đưa thơng số tối ưu kết thúc giải thuật Nếu thông số đưa chưa thỏa mãn điều kiện dừng tiếp tục chọn lọc, lai tạo, đột biến để sinh hệ tiếp tục vòng lặp quay lại bước Bảng tham số điều khiển PID áp dụng giải thuật di truyền với ba hàm mục tiêu đề xuất Hoàn toàn khẳng định sử dụng phương pháp truyền thống khó tìm thông số tối ưu Các đáp ứng hệ thống điều khiển ba trường hợp trình bày phần mơ c 67 (8-2021) SỐ Hình Cấu trúc điều khiển mờ-PID Trong sơ đồ cấu trúc, điều khiển PID thực điều khiển hệ thống Đầu vào điều khiển mờ nhận sai lệch đạo hàm sai lệch, điều khiển mờ điều chỉnh tham số PID trực tuyến thông qua phương pháp giải mờ để đáp ứng yêu cầu điều khiển khác theo sai số đạo hàm sai số để đối tượng điều khiển có hiệu suất động tĩnh tốt 3.3.1 Xác định hàm liên thuộc Đối với động diesel loại MAN B&W 6S60MC, điều khiển mờ-PID sử dụng hai đầu vào ba đầu Hai đầu vào sai số đạo hàm sai số ba đầu số gia điều chỉnh ba tham số PID Tập hợp mờ {AL, AV, AN, K, DN, DV, DL} Các phần tử tập hợp đại diện cho âm lớn, âm trung bình, âm 35 TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CƠNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY nhỏ, khơng, dương nhỏ, dương trung bình dương lớn tương ứng Miền [-6, 6] mức định lượng {-6, -5, -4, -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6} Mỗi hàm liên thuộc có dạng tam giác Phương pháp centroid sử dụng trình giải mờ Vì sai số e đạo hàm sai số ec hệ thống thực tế không nằm khoảng [-6, 6], chúng phải nhân với hệ số mờ Ke Kec Theo đó, ba đầu điều khiển mờ nên nhân với hệ số giải mờ fp, fi , fp tương ứng 3.4 Thiết kế điều khiển mờ-GA Thông qua nội dung từ phần phần 4, ta thấy ý nghĩa hai phương pháp điều khiển đề xuất Việc kết hợp hai phương pháp với kỳ vọng tạo điều khiển mang ưu điểm giải thuật, cụ thể khả thích nghi điều khiển mờ độ xác cao điều khiển PID tối ưu sử dụng giải thuật di truyền Dựa thuật toán PID, thơng qua tính tốn sai số đạo hàm sai số, điều khiển mờ-PID thực giải mờ cách sử dụng quy tắc mờ, dẫn đến ba gia số PID tham số (∆Kp, ∆Ki ∆Kd) Các công thức điều chỉnh là: K p  K p  K p  f p K i  K i  K i  f i (14) K d  K d  K d  f d Trong đó: Kp0, Ki0, Kd0 giá trị điều khiển PID theo phương pháp Z-N 3.3.2 Quy tắc điều khiển mờ Cốt lõi thiết kế điều khiển mờ tổng hợp kiến thức kỹ thuật kinh nghiệm vận hành thực tế nhà thiết kế kỹ thuật thiết lập bảng quy tắc điều khiển mờ hợp lý Để mô động diesel tàu thủy loại MAN B&W 6S60MC, kết hợp với tham số PID điều chỉnh quy tắc theo kinh nghiệm thực tế, bảng quy tắc mờ ∆Kp, ∆Ki ∆Kd thành lập, thể Bảng Bảng Bảng quy tắc mờ ∆Kp, ∆Ki ∆Kd Hình Cấu trúc điều khiển mờ-GA Từ kết điều khiển PID tối ưu công thức điều chỉnh (14), luật điều chỉnh cho điều khiển mờGA xác định sau: K p  K *p  K p  f p Ki  Ki*  Ki  fi (15) K d  K d*  K d  f d Trong đó: K*p, K*i, K*d giá trị điều khiển PID theo phương pháp Mô Trong phần này, điều khiển thiết kế Phần mô kiểm chứng ngơn ngữ lập trình MATLAB®/Simulink® cho đối tượng trình bày Phần Hai kịch mô trình bày với quỹ đạo đặt lần tăng tốc giảm tốc để thấy rõ hiệu phương pháp điều khiển  Khi chưa xuất nhiễu Đầu tiên, điều khiển PID thiết kế theo phương pháp Z-N với thông số Kp=0.2, Ki=0.04, Kd=0.03 Kết mô cho thấy thời gian để điều khiển bám theo quỹ đạo đặt sau: 16s để bám tốc độ khởi động, 10s để tăng tốc, 7s để giảm tốc 36 SỐ 67 (8-2021) TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ Thứ ba, điều khiển mờ-PID với thông số sau: Ke = 1, Kec = 0.1, Kp0 = 0.2, Ki0 = 0.04, Kd0 = 0.03, fp = 0.1, fi = 0.2 fp = 0.015 Hình Sai số tốc độ điều khiển PID (Z-N) Thứ hai, điều khiển PID sử dụng giải thuật di truyền với thơng số trình bày Bảng Kết mô cải thiện thời gian để tốc độ thực bám tốc độ đặt, cụ thể: 4s để bám tốc độ khởi động, 1s tăng tốc, 0,5s để giảm tốc Hình Sai số tốc độ điều khiển mờ -PID Bộ điều khiển mờ-PID với giá trị tham số điều khiển PID thiết kế theo phương pháp ZN có thời gian bám quỹ đạo đặt sau 8s khởi động, 4s tăng tốc 2s giảm tốc Cuối cùng, điều khiển mờ-GA với thông số sau: Ke = 1; Kec = 0,1; K*p= 3,0165; K*i = 0,4144; K*d =0,5966, fp = 0,1; fi = 0,2 fp = 0,015 Bộ điều khiển mờ-GA cho thấy hiệu điều khiển rõ rệt sau: 1s để bám khởi động, 0,5s cho trình tăng tốc giảm tốc Hình Sai số tốc độ điều khiển PID (T1) Hình Sai số tốc độ điều khiển mờ -GA  Khi xuất nhiễu Hình Sai số tốc độ điều khiển PID (T2) Hình Sai số tốc độ điều khiển PID (T3) c 67 (8-2021) SỐ Trong trường hợp 2, với thông số hệ thống trường hợp đưa vào hệ thống nhiễu dạng d = 10sin(t) thời điểm 45s 75s Nhiễu tác động trực tiếp vào đối tượng điều khiển Hình Sai số tốc độ điều khiển PID (Z-N) 37 TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY hướng phát triển tập trung kết hợp nhiều điều khiển để có chất lượng điều khiển ưu việt Lời cảm ơn Nghiên cứu tài trợ Trường Đại học Hàng hải Việt Nam đề tài mã số DT20-21.16 TÀI LIỆU THAM KHẢO Hình 10 Sai số tốc độ điều khiển mờ -PID Ta nhận thấy rằng, đưa nhiễu vào hệ thống điều khiển PID thiết kế theo phương pháp Z-N điều khiển mờ-PID sử dụng thông số Z-N bất định [1] Jiang, J., Optimal Gain Scheduling Controller for a Diesel Engine IEEE Conference on Control Applications, Vancouver, British Columbia, Canada, September 13-16, 1993 [2] Zheng-Ming, G Ching-I Lee, Non-linear Dynamics and control of chaos for a rotational machine with a hexagonal centrifugal governor with a spring J Sound Vib.262, pp.845-864, 2003 [3] Salami, M and G Cain An adaptive PID controller based on genetic algorithm processor IEEE Conf Publ No 414, 12-14 Sep 1995, pp 88-93, 1995 [4] Singh, R and I Sen Tuning of PID Controller Based AGC System Using Genetic Algorithms TENCON 2004 IEEE Region 10th Confer pp 531-534, 2004 Hình 11 Sai số tốc độ điều khiển PID (T1) [5] Johnson M.A and M.H Moradi Chapter 8, in: PID Control - New Identification and Design Methods, pp.297-337 Springer-Verlag London Limited ISBN-10: 1-85233-702-8, 2005 [6] Kwok, D.P and P Wang Fine-tuning of classical PID Controllers based on Genetic Algorithms IEEE Inter Workshop on Emerging Technologies and Factory Automation, pp.37-43, 1992 Hình 12 Sai số tốc độ điều khiển mờ -GA Qua kết mô Hình 11, Hình 12 sử dụng tham số PID theo giải thuật di truyền điều khiển mờ-GA ta thấy hiệu xử lí nhiễu Kết mơ cịn khẳng định điều khiển có khả thích nghi với dạng nhiễu lần sau (giây thứ 75s) dao động nhỏ lần trước (giây thứ 35s) Kết luận [7] Jinkun Liu MATLAB Simulation of Advanced PID control [M] Beijing: Electronic Industry Press, 2004 [8] S.E Mansour, G.C Kember, R Dubay, B Robertson Online Optimization of Fuzzy-PID Control of a Thermal Process [J] ISA Transactions, Vol.44(2): pp.305-314, 2005 Ngày nhận bài: Ngày nhận sửa: Ngày duyệt đăng: 18/5/2021 31/5/2021 04/6/2021 Qua nghiên cứu này, nhóm tác giả trình bày ba phương pháp nhằm khắc phục nhược điểm điều khiển PID truyền thống để cao chất lượng điều khiển mà giữ ưu điểm vốn có Từ lý thuyết đến kết mô cho thấy hiệu rõ rệt Ngoài ra, 38 SỐ 67 (8-2021) ... nghi điều khiển mờ độ xác cao điều khiển PID tối ưu sử dụng giải thuật di truyền Dựa thuật tốn PID, thơng qua tính tốn sai số đạo hàm sai số, điều khiển mờ -PID thực giải mờ cách sử dụng quy tắc mờ, ... trình tăng tốc giảm tốc Hình Sai số tốc độ điều khiển PID (T1) Hình Sai số tốc độ điều khiển mờ -GA  Khi xuất nhiễu Hình Sai số tốc độ điều khiển PID (T2) Hình Sai số tốc độ điều khiển PID (T3)... (8-2021) SỐ Hình Cấu trúc điều khiển mờ -PID Trong sơ đồ cấu trúc, điều khiển PID thực điều khiển hệ thống Đầu vào điều khiển mờ nhận sai lệch đạo hàm sai lệch, điều khiển mờ điều chỉnh tham số PID