Dựa vào bản chất vật lý, các số liệu vào ra có được, kinh nghiệm, và dựa vào đặc tính quá độ thường gặp của hệ thống điều khiển dùng PID như ở
Hình3.31, ta xác định các luật điều khiển tương ứng. Chẳng hạn:
Khi bắt đầu khởi động, ở khoảng thời gian al, lúc này cần tín hiệu điều khiển lớn để tín hiệu ra tăng nhanh, suy ra lúc này KP lớn, KD nhỏ và KI lớn ta có luật: Nếu e(t) lớn và d/dt là Zero Thì KP lớn, KD nhỏ và KI lớn. Xung quanh khoảng thời gian b1 ta muốn tín hiệu điều khiển nhỏ để không quá điều chỉnh, nghĩa là KP nhỏ, KD lớn và KI nhỏ vậy ta có luật: Nếu e(t) là Zero và
d/dt là âm lớn Thì Kp nhỏ, KD lớn, KI nhỏ. Các tác động điều khiển xung quanh khoảng thời gian c1 và d1 tương tự như xung quanh a1 và b1.
Với suy luận tương tự, mỗi một biến ra ta có tổ hợp của 5 × 5 = 25 luật như ở các bảng 3.3, bảng 3.4 và bảng 3.5.
Bảng 3.3: Luật điều khiển cho HCKP
HCKP d/dt A AV ZE DV D ERROR A L L V L L AV V N NV V V ZE N NV N N L DV L V L V N D V V NV N N
Bảng 3.4: Luật điều khiển cho HCKI
HCKI d/dt A AV ZE DV D ERROR A N NV N V L AV NV N NV V L ZE N NV S V V DV NV V S N V D NV V N NV V
Bảng 3.5: Luật điều khiển cho HCKD HCKD d/dt A AV ZE DV D ERROR A NV V N V N AV V NV NV NV N ZE V NV N N N DV NV NV N NV N D NV V N V L Hình 3.36: Các luật hợp thành 3.4.3. Giải mờ
Dùng luật hợp thành Max-Prod, giải mờ theo phương pháp trọng tâm, Khi đó các hệ số HCKP, HCKI, HCKD được tính toán lúc điều khiển là:
25 1 25 1 ( ( )) ( / ) ( ) ( ) ( / ) l l l l l P A B l A B l y e t d dt HCKP t e t d dt (3.53) 25 1 25 1 ( ( )) ( / ) ( ) ( ) ( / ) l l l l l I A B l A B l y e t d dt HCKI t e t d dt (3.54) 25 D 1 25 1 ( ( )) ( / ) ( ) ( ) ( / ) l l l l l A B l A B l y e t d dt HCKD t e t d dt (3.55)
Trong đó yp-l, yI-l, yD-l là tâm của các tập mờ tương ứng.
3.5. MÔ PHỎNG HỆ THỐNG 3.5.1. Xây dựng sơ đồ mô phỏng 3.5.1. Xây dựng sơ đồ mô phỏng
Mô hình mô phỏng được xây dựng trên phần mềm Matlab Simulink.
Hình 3.38: Cấu trúc của khâu mờ
Hình 3.40: Sơ đồ mô phỏng so sánh hệ điều khiển PID kinh điển và hệ mờ lai điều chỉnh tham số PID
3.5.2. Kết quả mô phỏng
Thực hiện so sánh chất lượng của hai hệ thống PID kinh điển và hệ PID - Mờ lai điều chỉnh tham số bằng cách cho cùng một lượng đặt đầu vào (lần lượt là: lượng đặt là hằng số và lượng đặt có dạng xung chữ nhật) sau đó quan sát đáp ứng trên đầu ra.
3.5.2.1. Đáp ứng của hai hệ thống khi Mômen tải là hằng số - Đáp ứng vị trí:
Vị trí đặt Vị trí PID Vị trí PID - Mờ
Hình 3.41: Đáp ứng vị trí của hai hệ thống khi lượng đặt là hằng số
Hình 3.42: Đáp ứng vị trí của hai hệ thống khi lượng đặt là dạng xung
Nhận xét: Qua mô phỏng đáp ứng vị trí của hệ thống mờ lai và hệ kinh điển, ta thấy: Hệ điều khiển mờ lai có lượng quá điều chỉnh nhỏ, không dao động, sai lệch tĩnh nhỏ, nhanh đạt tới trạng thái ổn định hơn so với hệ điểu khiển kinh điển.
Vị trí đặt Vị trí PID Vị trí PID - Mờ
- Đáp ứng góc quay:
Góc quay đặt Góc quay PID Góc quay PID - Mờ
Hình 3.43: Đáp ứng góc quay tời của hai hệ thống khi lượng đặt là hằng số
Hình 3.44: Đáp ứng góc quay tời của hai hệ thống khi lượng đặt là dạng xung
Nhận xét: Qua mô phỏng đáp ứng góc quay tời của hệ thống mờ lai và hệ kinh điển, ta thấy: Hệ điều khiển mờ lai có lượng quá điều chỉnh nhỏ, không dao động, sai lệch tĩnh nhỏ, thời gian quá độ ngắn hơn so với hệ điểu khiển kinh điển.
Góc quay đặt Góc quay PID Góc quay PID - Mờ
- Đáp ứng tốc độ:
Tốc độ PID Tốc độ PID - Mờ
Hình 3.45: Đáp ứng tốc độ của hai hệ thống khi lượng đặt là hằng số
Hình 3.46: Đáp ứng tốc độ của hai hệ thống khi lượng đặt là dạng xung
Nhận xét: Dựa vào đường đặc tính tốc độ của hệ điều khiển PID với hệ điều khiển PID - Mờ lai, ta thấy bộ điều khiển mờ lai chỉnh định tham số PID vừa thiết kế có lượng quá điều chỉnh nhỏ, thời gian quá độ ngắn.
Tốc độ PID Tốc độ PID - Mờ
Như vậy, qua so sánh ta có thể thấy rằng khi mômen tải không đổi, hệ điều khiển vị trí sử dụng bộ điều khiển PID - Mờ lai chỉnh định tham số có các chỉ tiêu chất lượng đều đáp ứng tốt hơn khi sử dụng bộ điều khiển PID kinh điển.
3.5.2.2. Đáp ứng tốc độ của hai hệ thống khi Mômen tải thay đổi
Tốc độ PID Tốc độ PID - Mờ Mômen tải
Hình 3.47: Đáp ứng tốc độ của hai hệ thống khi lượng đặt là hằng số
Hình 3.48: Đáp ứng tốc độ của hai hệ thống khi lượng đặt dạng xung
Nhận xét: Khi cho mômen tải thay đổi thì đáp ứng đầu ra của cả hai bộ điều khiển đều thay đổi. Tuy nhiên, từ đồ thị trên Hình 3.47 và Hình 3.48 có
Mômen tải Tốc độ PID Tốc độ PID - Mờ
thể thấy rằng mức độ phụ thuộc vào mômen tải của hệ PI kinh điển là lớn hơn so với hệ PID - Mờ.
Như vậy, bộ điều khiển mờ lai chỉnh định tham số PID vừa thiết kế có đáp ứng ra tốt hơn so với bộ điều khiển PID kinh điển trong điều kiện tải thay đổi.
3.6. KẾT LUẬN CHƢƠNG 3
Chương 3 của luận văn đã trình bày cơ sở lý thuyết và các bước thiết kế bộ điều khiển mờ lai chỉnh định tham số của PID. Từ đó ứng dụng PID - Mờ điều khiển vị trí cho thiết bị nâng hạ.
Đưa ra các yêu cầu đối với hệ điều khiển vị trí, tổng hợp mạch vòng dòng điện, mạch vòng tốc độ và mạch vòng vị trí của hệ.
Xây dựng bộ điều khiển PID - Mờ với tham số đầu vào là sai lệch điều khiển e(t) và đạo hàm của nó nhằm xác định hiệu chỉnh các tham số cho bộ điều khiển PID.
Từ đặc tính mô phỏng cho thấy bộ điều khiển PID - Mờ lai vừa thiết kế tốt hơn so với bộ điều khiển PID kinh điển, nhất là độ quá điều chỉnh và khả năng chịu tải, thời gian quá độ nhỏ. Như vậy, bộ điều khiển PID - Mờ hoàn toàn đáp ứng được thực tế điều khiển.
KẾT LUẬN CHUNG
Qua quá trình thực hiện đề tài “Ứng dụng bộ điều khiển PID - Mờ điều khiển thiết bị nâng - hạ” được sự giúp đỡ và chỉ bảo tận tình của thầy giáo Ts. Nguyễn Văn Vỳ, đến nay đề tài đã được hoàn thành theo đúng tiến độ và đề cương đề ra.
Thông qua nghiên cứu, tìm hiểu đề tài, tác giả thu được kết quả như sau: - Tìm hiểu về luật điều khiển PID, nghiên cứu các bộ điều khiển dạng PID như tác động của bộ điều khiển PID dạng P, dạng I, dạng PI, dạng PD và
dạng PID quá trình nghiên cứu nhằm so sánh ưu và nhược điểm của các bộ điều khiển.
- Khảo sát tổng quan về hệ thống tuỳ động vị trí, quá trình tính toán đề cập
đến các thông số: Điện cơ, điện từ, mômen quán tính, mômen cản. Từ đó mô phỏng cho kết quả: Vị trí, góc quay, tốc độ. Với kết quả này giúp cho việc đánh giá, khảo sát và nâng cao chất lượng.
- Tìm hiểu, phân tích và tổng hợp các phương pháp xác định tham số cho bộ điều khiển PID. Từ đó, lựa chọn các phương pháp xác định tham số bộ điều khiển PID phù hợp cho các đối tượng cụ thể. Để nâng cao tính chất điều khiển đặc biệt là điều khiển những đối tượng phi tuyến, trong luận văn đã thực hiện việc nghiên cứu xác định và hiệu chỉnh các tham số của bộ điều khiển PID theo lý thuyết mờ.
- Điều khiển PID mờ dựa trên những kinh nghiệm thực tế, mô phỏng tư duy của con người và thể hiện tính mềm dẻo trong phân tích và thiết kế nên được ứng dụng nhiều trong điều khiển.
- Kết quả quan trọng nhất trong luận văn là đã đã nghiên cứu nâng cao chất lượng hệ truyền động điện sử dụng động cơ một chiều nhờ luật điều khiển PID mờ với đối tượng ứng dụng cụ thể là hệ thống truyền động cho thiết bị nâng hạ.
- Kết quả ban đầu thu được là chất lượng hệ truyền động đã được nâng lên,
điều đó được thể hiện ở phần mô phỏng.
- Kết quả mô phỏng thu được hoàn toàn phù hợp với các kết quả nghiên cứu lý thuyết. Điều này chứng tỏ rằng, thuật toán và cách thức xây dựng bộ điều khiển mờ lai là đúng đắn và chính xác.
- Độ quá điều chỉnh, thời gian quá độ, số lần dao động của hệ truyền động đều tốt hơn so với việc dùng bộ điều khiển PID.
- Kết quả mô phỏng một lần nữa đã minh chứng và khẳng định rằng lý thuyết điều khiển mờ lai PID hoàn toàn có thể đảm ứng được yêu cầu chất lượng điều khiển của hệ truyền động phi tuyến.
Do thời gian có hạn, năng lực chuyên môn còn hạn chế bản luận văn mới dừng lại ở việc tổng hợp và xây dựng bộ điều khiển PID mờ để điều khiển đối tượng động cơ một chiều. Việc ứng dụng lý thuyết điều khiển PID mờ để điều khiển các đối tượng có chất lượng điều khiển tốt hơn rất nhiều so với điều khiển PID truyền thống.
KIẾN NGHỊ
Trong luận văn này mới chỉ nghiên cứu tác dụng của bộ điều khiển PID mờ.
Nếu có điều kiện, tiến hành thí nghiệm Phân tích và tổng hợp hệ thống cho một chuyển động cụ thể nào đó với nhiều đối tượng phức tạp hơn hoặc nghiên cứu các điều khiển lai khác.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Nguyễn Thị Phương Hà (1996), Điều khiển tự động, NXB KHKT
2. Nguyễn Như Hiển, Lại Khắc Lãi, Hệ mờ và nơ ron trong kỹ thuật điều khiển, NXB Khoa học tự nhiên và Công nghệ.
3. Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi (2006), Điều chỉnh tự động truyền động điện, NXB KHKT
4. Phạm Công Ngô: Lý thuyết điều khiển tự động (2005), NXB KHKT 5. Nguyễn Doãn Phước; Phan Xuân Minh: Lý thuyết điều khiển mờ 6. Nguyễn Phùng Quang: Matlab & Simulink
TÓM TẮT
Bản thuyết minh luận văn bao gồm 3 chương, mỗi chương nghiên cứu và giải quyết một số vấn đề sau:
Chƣơng 1: Tổng quan về bộ điều khiển PID
Giới thiệu tổng quan về bộ điều khiển PID: Cấu trúc chung của bộ điều khiển, các chỉ tiêu chất lượng của hệ thống điều khiển, các quy luật điều khiển. Giới thiệu các phương pháp xác định tham số cho bộ điều khiển PID như Phương pháp Ziegler – Nichols, Phương pháp Chien – Hrones – Reswick, Phương pháp tổng T của Kuhn, phương pháp tối ưu, phương pháp Xác định tham số bộ điều khiển PID dựa trên quá trình tối ưu trên máy.
Chƣơng 2 : Bộ điều khiển mờ
Giới thiệu tổng quan về điều khiển mờ: Lịch sử phát triển của logic mờ, một số khái niệm cơ bản về logic mờ, cấu trúc của bộ điều khiển mờ. Phân tích các bộ điều khiển mờ: Mờ tĩnh, bộ điều khiển mờ động, bộ điều khiển mờ lai PID.
Chƣơng 3: Thiết kế bộ điều khiển PID mờ cho máy nâng - hạ
Đưa ra lý thuyết và các bước thiết kế bộ điều khiển mờ để chỉnh định tham số bộ điều khiển PID.
Tổng hợp hệ điều khiển vị trí: Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh dòng
điện, tổng hợp mạch vòng điều chỉnh tốc độ, tổng hợp mạch vòng vị trí, sơ đồ cấu trúc, tính toán các tham số, tổng hợp hàm truyền của bộ điều khiển.
Đưa ra cấu trúc bên trong của bộ điều khiển PID mờ. Thiết kế bộ điều khiển PID mờ: xác định các biến vào ra và giá trị của nó, xây dựng các luật điều khiển.
Nghiên cứu, ứng dụng phần mềm mô phỏng Matlab – Simulink, thiết kế và mô phỏng toàn hệ thống. Quan sát và nhận xét kết quả.
Tóm tắt các kết quả chính của đề tài, đưa ra những hạn chế và kiến nghị hướng phát triển tiếp theo.
Từ khóa: Hệ tùy động, Hệ điều khiển vị trí, Hệ điều khiển thiết bị nâng hạ, Bộ điều khiển PID, Bộ điều khiển mờ, Bộ điều khiển mờ lai.