3. Nội dung của luận văn
2.2.3. Đỏnh giỏ chất lượng hệ thống bằng mụ phỏng trờn Matlab Simulin k
Simulink
2.2.3.1. Sơ đồ mụ phỏng bằng matlab – Simulink
Hỡnh 2.20: Cấu trỳc mụ phỏng điều khiển mức nước cấp bao hơi
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
Dap ung muc nuoc binh bao hoi
t(s) L ( % ) Ld Lthuc 0 50 100 150 200 250 300 350 400 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
Dap ung muc nuoc binh bao hoi
t(s) L ( % ) Ld Lthuc 2.2.3.2. Cỏc kết quả mụ phỏng - Trƣờng hợp mụ phỏng với mức nƣớc 80%
- Trƣờng hợp mụ phỏng với mức nƣớc thay đổi từ 80% xuống 60%
Hỡnh 2.21: Đỏp ứng của hệ thống với mức nước 80%
Hỡnh 2.23: Cấu trỳc mụ hỡnh nhà mỏy nhiệt điện.
Hỡnh 2.24: Bỡnh cấp nước trong thớ nghiệm điều khiển mức nước bao hơi
2.2.4. Đỏnh giỏ chất lượng hệ thống bằng thực nghiệm
Hỡnh 2.25: Giao diện trong thớ nghiệm điều khiển mức nước cấp bao hơi
2.2.4.2. Giới thiệu về mụ hỡnh thực nghiệm:
Hệ thống gồm cỏc thiết bị sau:
Bảng 2.1
TT Tờn mỏy múc, thiết bị Hóng Xuất xứ Số
lƣợng
1
Mỏy tớnh của hóng HP
Kiểu CPU: Intel Pentium IV 3.0 GHZ/Bus 800MHz/Ram 1 GB/ HDD 80 GB/ CD-RW 48X/ Lan 10/100M /Nguồn cấp 220VAC/50HZ Monitor: LCD 19” HP Trung Quốc 2 2
Bộ điều khiển cho DCS, model PM851 bao gồm cỏc phụ kiện đi kốm nhƣ sau: - PM851, CPU, 1 units - TP830, Baseplate, width=115mm, 1 units - TK850, CEX-bus espansion cable - TB807, Modulebus terminator, 1 units
- Battery for memory backup (4943013-6), 1 units
ABB
3
SB821 Battery Unit
External DIN-rail mounted battery unit for long backup times
including battery and connection cable TK821V020
Width=85mm
Amount of Lithium=5,6g (0,18oz) use one SB821 for CPU
ABB Thụy Điển 1
4 TK212 Tool cable
RJ45 to Dsub-9 (female), length 3 m ABB Thụy Điển 1
5
CI854AK01 Profibus-DP/V1 interface Package including: - CI854A, Communication Interface
- TP854, Baseplate, width = 60mm
Thụy Điển Thụy Điển 1
6
Powwer Supply Device input 115/230V a.c. swtich selectable, output 24V d.c, 5A
COSEL Nhật 1
7
CI801 ProfiBus FCI S800 communication
interfaceincluding:
1 pcs Power Supply Connector 1 pcs TB807 Modulebus
Terminator
The basic systern software loaded in CI801 dose not support the following I/O modules DI830, DI831, DI885, DI880 and DO880.
ABB
8
AI810 Analog input 1x8 ch
0(4)..20mA, 0..10V, 12Bit, single ended 0,1%, Rated isol 50V Use Module Termination Unit TU810, TU812, TU814, TU830, TU835, TU838.
ABB Thụy Điển 2
9
AO810 Analog output 1x8 ch, 0(4)... 200mA, 14bit, RLmax 500/950 Ohms, Rated isol 50V Use Module Termination Unit TU810, TU812, TU814, TU830.
ABB Thụy Điển 2
10
DI810 Digital input 24V d.c 2x8ch
Rated insolation 50V use module Termination Unit TU810, TU812, TU814, TU830
ABB Thụy Điển 6
11
DO820 Digital Output, Relay. Normal open 8x1 ch, 24-230 V a.c. 3A, cos phi>0.4, d.c. 42W, Rated isol 250V
Use Module Termination Unit TU811, TU831, TU836, TU837.
ABB Thụy Điển 6
12
TU830V1 Extended Module Termination Unit, MTU, 50V 2x16 signal terminals, rated isol 50V
13
TU837V1 Extended Module Termination Unit, MTU, 250V 8x1 fused isol signals, 8x1 L terminals, 2x6 N terminals, rated isol 250V
ABB Thụy Điển 6
14
Inverter, single phase for phum, ghộp nối với bộ điều khiển sử dụng giao thức Profibus
Telemecani
que 2
15
Cỏc phụ kiện cần thiết phục vụ cho lắp đặt bao gồm cầu đấu, cỏc cỏp điện, thanh ghỏ lắp
1
16
Thiết bị đo mức loại chờnh ỏp dải đo 0 - 1000mmH2O
Mụi chất: Nƣớc 220 DEGC
Endress &
Hauser Đức 2
17 Thiết bị đo mức loại siờu õm Endress &
Hauser Đức 2
18 Thiết bị đo ỏp suất Endress &
Hauser Đức 2
19 Thiết bị đo nhiệt độ Endress &
Hauser Đức 1
20 Thiết bị đo lƣu lƣợng kiểu từ tớnh. Endress &
Hauser Đức 1
21
01 bộ gia nhiệt nƣớc cấp sử dụng hơi 01 bộ gia nhiệt sinh hơi dung điện 02 bơm ly tõm
01 Bỡnh nƣớc cấp
01 Bao hơi ỏp lực max 10Bar
Việt Nam 1
22 Van điều khiển tuyến tớnh phục vụ
2.2.4.3. Cỏc kết quả thực nghiệm
- Trƣờng hợp mức nƣớc 80%
- Trƣờng hợp mức nƣớc thay đổi từ 80% xuống 60%
Hỡnh 2.27: Kết quả thớ nghiệm điều khiển mức nước cấp bao hơi 80%
Hỡnh 2.28: Kết quả thớ nghiệm điều khiển mức nước cấp bao hơi nhảy cấp từ 80% xuống 60%
2.2.4.4. So sỏnh với kết quả mụ phỏng
Kết quả mụ phỏng về điều khiển mức nhƣ trờn hỡnh 2.21, hỡnh 2.22 và kết quả thực nghiệm nhƣ trờn hỡnh 2.27, hỡnh 2.28 cho thấy kết quả tƣơng tự về chất lƣợng điều khiển. Nhƣ vậy, thụng qua thực nghiệm trờn mụ hỡnh điều khiển mức của trƣờng đại học Kỹ thuật Cụng nghiệp đó chứng tỏ mối liờn hệ giữa thực tiễn và lý thuyết. Qua đú, nõng cao đƣợc nội dung và kết quả cho luận văn về tớnh ứng dụng vào thực tế.
2.2.5. Kết luận chương 2
Trong chƣơng hai của luận văn đó thực hiện đƣợc cỏc nội dung rất quan trọng đú là: Mụ tả toỏn học, Thiết kế điều khiển mức cho đối tƣợng mức nƣớc cấp bỡnh bao hơi. Đỏnh giỏ kết quả tớnh toỏn bằng lý thuyết thụng qua mụ phỏng trờn Matlab – Simulink và thực nghiệm tren mụ hỡnh nhà mỏy nhiệt điện. Qua cỏc kết quả đó nờu ở trờn cú thể thấy rằng: giữa lý thuyết, mụ phỏng và thực nghiệm thỡ bộ điều khiển vẫn cần tiếp tục đƣợc hiệu chỉnh để phự hợp với thiết bị thực trong cụng nghiệp.
Chƣơng 3
ĐỀ XUẤT CẢI THIỆN CHẤT LƢỢNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MỨC NƢỚC CẤP BèNH BAO HƠI Mễ HèNH NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN BẰNG
BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI
3.1. Tổng quan hệ logic mờ và điều khiển mờ
Khi gặp cỏc bài toỏn điều khiển mà đối tƣợng khú mụ tả bởi một mụ hỡnh toỏn học hoặc cú thể mụ tả đƣợc song mụ hỡnh của nú lại phức tạp và phi tuyến, hay cú cỏc tham số thay đổi, đối tƣợng biến đổi chậm cú trễ . . ., thỡ logic mờ tỏ ra chiếm ƣu thế rừ rệt. Ngay cả ở những bài toỏn điều khiển đó thành cụng khi sử dụng nguyờn tắc điều khiển kinh điển thỡ việc ỏp dụng điều khiển logic mờ vẫn mang lại cho hệ thống sự cải tiến về tớnh đơn giản, gọn nhẹ và nhất là khụng phải thay bằng bộ điều khiển khỏc khi tham số của đối tƣợng bị thay đổi trong một phạm vi khỏ rộng, điều này bộ điều khiển kinh điển khụng đỏp ứng đƣợc. Chớnh vỡ vậy trong đề tài này tụi sử dụng thuật toỏn điều khiển mờ lai để phỏt huy những ƣu điểm của bộ điều khiển kể trờn.
3.1.1. Hệ Logic mờ
3.1.1.1 Khỏi niệm về tập mờ
Tập mờ là một tập hợp mà mỗi phần tử cơ bản của nú cũn đƣợc gỏn thờm một giỏ trị thực trong khoảng [0,1] để chỉ thị “độ phụ thuộc” của phần tử đú vào tập mờ đó cho. Khi độ phụ thuộc bằng 0 thỡ phần tử cơ bản đú sẽ hoàn toàn khụng thuộc tập đó cho (xỏc suất phụ thuộc bằng 0), ngƣợc lại với độ phụ thuộc bằng 1, phần tử cơ bản sẽ thuộc tập hợp với xỏc suất 100 .
Nhƣ vậy, bờn cạnh phần tử x, để xỏc định xem x cú thuộc tập mờ hay khụng cũn cần phải cú thờm độ phụ thuộc (x). Nếu ký hiệu x là phần tử cơ bản và (x) là độ phụ thuộc của nú thỡ cặp [x, (x)] sẽ là một phần tử của tập mờ. Cho x chạy khắp trong tập hợp, ta sẽ cú hàm (x) và hàm này đƣợc gọi là "hàm thuộc".
Một tập mờ đƣợc định nghĩa trờn tập kinh điển A là tập cỏc hàm liờn thuộc A(x) đƣợc biểu diễn bởi hai giỏ trị là 1 khi x A và 0 khi x A, vớ dụ A={x R / 4<x<10} nhƣ hỡnh 3.1:
Ngoài ra tập mờ cũn đƣợc biểu diễn bởi cỏc hàm liờn thuộc: - Hàm hỡnh thang
- Hàm Gauss
- Hàm hỡnh chuụng
- Hàm Singleton (hay Kronecker)
3.1.1.2. Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ
Cấu trỳc chung của một bộ điều khiển mờ gồm 4 khối: Khối mờ hoỏ, khối hợp thành, khối luật mờ và khối giải mờ (hỡnh 3.2).
4 10 x A(x) 0 1 Hỡnh 3.1: Hàm thuộc biến ngụn ngữ Khối mờ hoỏ Khối hợp thành Khối giải mờ Khối luật mờ
* Luật hợp thành mờ
Bộ thụng số vào/ra mờ đƣợc định nghĩa trờn cơ sở là cỏc biến ngụn ngữ, vào ra là cỏc hàm liờn thuộc coi nhƣ là cỏc neural (hệ thần kinh). Vỡ vậy hệ logic mờ đƣợc coi nhƣ hệ làm việc cú tƣ duy “bộ nóo dƣới dạng trớ tuệ nhõn tạo”. Nếu khẳng định khi sử dụng hệ logic mờ trong điều khiển, cú thể giải quyết đƣợc mọi bài toỏn mà hệ điều khiển kinh điển PID chƣa giải quyết đƣợc thỡ chƣa chớnh xỏc, vỡ hoạt động của bộ điều khiển mờ phụ thuộc rất nhiều vào kinh nghiệm hiểu biết đối tƣợng và tổng kết những kết quả theo tƣ duy của ngƣời làm điều khiển, từ đú mới xỏc định đƣợc tham số tối ƣu cho bộ điều khiển mờ. Với cỏc đặc điểm trờn cú thể núi bộ điều khiển mờ cú hai tớnh chất cơ bản:
- Một hệ thống trớ tuệ nhõn tạo (điều khiển thụng minh)
- Một hệ thống điều khiển đƣợc thiết kế mà khụng cần biết trƣớc mụ hỡnh của đối tƣợng.
Bộ nóo của hệ logic mờ là luật hợp thành và luật hợp thành là tờn chung gọi mụ hỡnh R biểu diễn một hay nhiều hàm thuộc cho một hay nhiều mệnh đề hợp thành, núi cỏch khỏc luật hợp thành đƣợc hiểu là một tập hợp của nhiều mệnh đề hợp thành cú chung một dạng cấu trỳc:
Nếu A1 = Ak1 và ..và An = Akn Thỡ B1 = Bk1 và...và Bm = Bkm với k = 1,2..
Hình 2.4: Luật hợp thành là bộ não của bộ điều khiển mờ.
Một luật hợp thành cú thể cú cỏc dạng:
- Luật hợp thành đơn cho hai loại: cấu trỳc SISO; cấu trỳc MISO - Luật hợp thành cú nhiều mệnh đề hợp thành
Ta cú thể mụ tả cỏc dạng luật hợp thành nhƣ hỡnh 3.3
* Luật hợp thành đơn.
Luật hợp thành với một tớn hiệu điều khiển và một đỏp ứng ra của hệ logic mờ đƣợc gọi là Luật hợp thành đơn. Mệnh đề của luật hợp thành đơn cú dạng:
Nếu A = A Thỡ B = B.
Về bản chất, mệnh đề hợp thành đơn chớnh là một phộp toỏn “phộp suy diễn” (Từ A suy ra B). Những “tớn hiệu” vào/ra Ak/Bk của luật hợp thành đƣợc gọi là biến ngụn ngữ . Những giỏ trị Ak1 và Bk1 của biến ngụn ngữ trong hệ logic mờ đƣợc gọi là cỏc giỏ trị ngụn ngữ.
* Luật hợp thành cú nhiều mệnh đề hợp thành
Nhƣ ở hỡnh 3.3 đó minh họa thỡ một hệ logic mờ MIMO đều cú thể đƣa đƣợc về thành mạng nối song song của nhiều hệ logic mờ MISO. Bởi vậy để cài đặt mệnh đề hợp thành với cấu trỳc:
Nếu A1=Ak1 và và An=Akn thỡ B1=Bk1 và và Bm=Bkm (3.1) Cho hệ logic mờ MIMO ta chỉ cần cài đặt nhiều lần song song mệnh đề cú một đầu ra ứng với hệ MISO là đủ:
Nếu A1=Ak1 và và An=Akn thỡ B=Bk 3.2)
+ Mờ húa.
. Để cài đặt luật hợp thành cú cỏc mệnh đề dạng (4.2) ta thực hiện cỏc bƣớc sau: Thực hiện việc kết hợp (mờ húa) tất cả cỏc giỏ trị đầu vào cỏc biến ngụn ngữ
Ak(đầu vào) để cú đƣợc một giỏ trị Hq duy nhất làm đại diện hỡnh 3.4. Giả sử rằng tại đầu vào cú cỏc giỏ trị rừ xj(của đầu vào Aj). Vậy để tớnh giỏ trị đại diện Hq
tƣơng ứng của mệnh đề hợp thành đú ta tiến hành hai bƣớc sau:
- Xỏc định Hqlà giỏ trị nhỏ nhất trong số cỏc giỏ trị Hqj đó tớnh đƣợc.
Giỏ trị Hq đƣợc gọi là độ thỏa món đầu vào của mệnh đề hợp thành kộp đó cho và lỳc này mệnh đề đú đƣợc xem nhƣ tƣơng đƣơng với mệnh đề đơn.
Nếu A=Aq thỡ B= Bq, (3.3)
Trong đú là tập mờ nhận Hq làm độ thỏa món. Núi cỏch khỏc từ cỏc giỏ trị rừ xj của cỏc đầu vào Ak ta đó thụng qua những tập mờ Akj chuyển thành một giỏ trị rừ x làm đại diện để với nú cú đƣợc:
Hỡnh 3.5a: Thực hiện phộp suy diễn mờ
Nếu A1 = A11 và . . . và Am = A1m th ỡ B = B1 Nếu VAớ1i q = 1, 2, . . ., k = Ak1 và . . . và Am = Akm th ỡ B = Bk Hq = min A (xj) m j 1 qj Nếu A1 = Aq1 và . . . và Am = Aqm th ỡ B = Bq Nếu A = Aq th ỡ B = Bq A cú giỏ trị rừ đầu vào là xj = 1, 2, ..., m Hỡnh 3.4: Mờ hoỏ
Hq = (x). (3.4)
+ Suy diễn mờ
Thực hiện phộp suy diễn mờ để xỏc định giỏ trị mờ Bq cho mệnh đề hợp thành (3.3).
Kết quả phộp suy diễn mờ A B sẽ là một tập mờ B' cựng nền với B và cú hàm thuộc A B(y) thỏa món:
A(x) A B(y) với mọi A(x), B(y) 0,1 . (3.5) Khi B(y) = 0 sẽ cú A B(y) =0. (3.6) Nếu cú A1(x) < A2(x) thỡ cũng cú A1 B(y) < A2 B(y) (3.7) Nếu cú B1(y) < B2(x) thỡ cũng cú A B1(y) < A B2(y) (3.8) Hai cụng thức xỏc định A B(y) thƣờng đƣợc dựng trong điều khiển là:
A B(y) = min A(x0), B(y) Luật min. (3.9)
A B(y) = A(x0) B(y) Luật prod. (3.10)
+ Hợp mờ
Thực hiện phộp hợp mờ để cú đƣợc giỏ trị mờ cho luật hợp thành từ tất cả cỏc giỏ trị mờ của từng mệnh đề hợp thành trong luật hợp thành đú.
Hợp A B của hai tập mờ A và B đƣợc hiểu là một tập mờ gồm tất cỏc phần tử của hai tập A, B đó cho, trong đú hàm thuộc A B (x) của phần tử của
A B khụng đƣợc mõu thuẫn với phộp hợp của hai tập kinh điển. Hai cụng thức thƣờng dựng trong điều khiển là:
A B(x) = max A(x) , B(x) Luật MAX. (3.11)
A B(x) = min 1, A(x)+ B(x) Luật SUM. (3.12) Túm lại, nếu:
Mệnh đề “Nếu A=A1 thỡ B =B1 “ cú giỏ trị là C1 (3.13) Mệnh đề “Nếu A =Ak thỡ B =Bk“ cú giỏ trị là Ck
thỡ toàn bộ luật hợp thành sẽ cú giỏ trị là C = C1 Ck .
* Giải mờ:
Sau khi đó cú kết quả của luật hợp thành là một tập mờ, trƣớc khi đƣa ra giỏ trị điều khiển ta phải giải mờ tập mờ đú. Điều đú cũng dễ hiểu vỡ đối tƣợng chỉ làm việc với những giỏ trị cụ thể (giỏ trị rừ) chứ khụng làm việc với những giỏ trị mờ (tập mờ).
Giải mờ là quỏ trỡnh xỏc định một giỏ trị rừ y0 nào đú từ tập nền của tập mờ B' để làm đại diện cho B' (là tập mờ kết quả của luật hợp thành).
Trong điều khiển thƣờng sử dụng ba phƣơng phỏp giải mờ chớnh:
+ Điểm trung bỡnh: Giỏ trị rừ y0 là giỏ trị trung bỡnh của cỏc giỏ trị cú độ thỏa món cực đại của B’(y). Nguyờn lý này thƣờng đƣợc dựng khi miền dƣới hàm B’(y) là một miền lồi và nhƣ vậy y0 cũng sẽ là giỏ trị cú độ phụ thuộc lớn nhất. Trong trƣờng hợp B' gồm cỏc hàm liờn thuộc dạng đối xứng thỡ giỏ trị rừ y0 khụng phụ thuộc vào độ thỏa món đầu vào của luật điều khiển.
+ Điểm cực đại: Giỏ trị rừ y0 đƣợc lấy bằng cận trỏi/phải cực đại của
B’(y). Giỏ trị rừ lấy theo nguyờn lý cận trỏi/phải này sẽ phụ thuộc tuyến tớnh vào độ thỏa món đầu vào của luật điều khiển hỡnh (3.6).
+ Điểm trọng tõm: Phƣơng phỏp này sẽ cho ra kết quả y0 là hoành độ của điểm trọng tõm miền đƣợc bao bởi trục hoành và đƣờng B’(y). Đõy là nguyờn lý đƣợc dựng nhiều nhất.
* Cấu trỳc hệ logic mờ
Hệ Logic Mờ y B' R1:nếuthì Rq:nếuthì Fuzzy hóa xi Giải mờ i
Giống nhƣ một bộ điều khiển kinh điển, một hệ logic mờ cũng cú thể cú nhiều tớn hiệu vào và nhiều tớn hiệu ra. Ta phõn chia chỳng thành cỏc nhúm
+ Nhúm SISO cú một đầu vào và một đầu ra. + Nhúm MIMO cú nhiều đầu vào và nhiều đầu ra. + Nhúm SIMO cú một đầu vào và nhiều đầu ra. + Nhúm MISO cú nhiều đầu vào và một đầu ra.
Do bản chất là một hệ thực hiện cỏc luật hợp thành (kinh nghiệm điều