Việc sử dụng bộ điều khiển Fuzzy kết hợp với bộ điều khiển PID như thiết kế đặt ra một bài tốn lớn, đó là: Việc sử dụng đồng thời cả 2 bộ điều khiển cho một nhiệm vụ là: Bộ điều khiển Fuzzy có tác động đến bộ điều khiển PID và làm cho sai số tăng lên không? điều khiển cơng suất đầu ra có hợp lý khơng? tác động của phương pháp đến kết quả thực tế? và liệu có sự dư thừa trong thiết kế?
Trên phương diện lý thuyết nếu bộ fuzzy hạn chế công suất đầu ra làm cho lượng nhiệt cấp không đủ bị sự mất mát nhiệt thì sẽ sinh ra sai số lớn cho hệ thống. Đây là câu hỏi mà nhiều người đưa ra khi đọc về phương pháp điều khiển này. Tuy nhiên về mặt thực tế các tính tốn thiết kế bộ Fuzzy đã được tính kỹ, kết hợp với việc hệ thống được
cách nhiệt tốt giúp cho sự mất mát nhiệt thấp, kết hợp với việc sử dụng bộ điều khiển PID thì cơng suất cấp lúc ổn định là rất thấp và hầu như dưới múc hạn chế của bộ điều khiển Fuzzy. Từ đó kết quả điều khiển khơng bị bộ điều khiển Fuzzy làm tăng lên. Theo dõi kết quả phân tích tại mục 4.1, thì kết quả ổn định của bộ điều khiển PID được cải thiện phần vọt lố khi áp dụng bộ điều khiển Fuzzy nhứ thiết kế.
Từ việc phân tích những yếu tố trên thì Việc áp dụng 2 bộ điều khiển để cùng điều khiển cơng suất đầu ra là phù hợp, có tác động tốt đến kết quả của bộ điều khiển, giúp cho bộ điều khiển tránh được sự vọt lố trong giai đoạn quá độ.
2.3 KẾT QUẢ DỰ KIẾN ĐẠT ĐƯỢC
Sau khi phần tích lựa chọn thiết kế vùng gia nhiệt và phương pháp ổn định nhiệt độ như trên thì lị nung sẽ được thiết kế với 5 cuộn trở gia nhiệt độc lập và được ổn định bởi thuật toán Fuzzy – PID. Sau khi hồn thiện phần thiết kế thì kết quả nhóm mong bao gồm các mục tiêu như:
- Sai số của mỗi cuộn dây đạt 0 2.5 C
cho nhiệt độ thay đổi từ 0 0 250 800 C.
- Linh hoạt thay đổi đường Gradient nhiệt phục vụ cho việc nuôi nhiều loại tinh thể khác nhau.
Bên cạnh những kết quả trên nhóm cịn mong muốn chất lượng nhiệt độ của lò nung đảm bảo để ni ra được những tinh thể có chất lượng cao. Và lị nung có thể hoạt động ổn định trong thời gian dài, các chi tiết có thuổi thọ hoạt động cao.
Và mục tiêu xa hơn là phá bỏ định kiến trong trong công nghệ nuôi tinh thể. Hầu hết những nhà khoa học nghiên cứu về tinh thể và những nhà khoa học trong vật lý hoạt nhân tại Việt Nam đều có một định kiến cho rằng việc phát triển tinh thể là cuộc chơi của những quốc gia lớn. Và nhóm mong muốn phá vỡ định kiến này và mở ra định hướng nghiên cứu thiết bị cho công nghệ tinh thể của Việt Nam, từ đo giúp cho nghành tinh thể Việt Nam có thể chủ động cải tiến công nghệ phương thức cũng như tiến đến những nghiên cứu mới để có thẻ bắt kịp với sự phát triển trên thế giới.
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN FUZZY PID CHO LỊ NI TINH THỂ KIỂU BRIDGMAN
3.1 THIẾT KẾ BỘ FUZZY CÔNG SUẤT TRÊN PHẦN MỀM MATLAB 3.1.1 Thiết Thiết kế bộ Fuzzy công suất trên phần mềm MATLAB
Mạch công suất được điều khiển theo phương án băm xung PWM, được điều khiển từ Board mạch arduino nên độ rộng xung PWM có giá trị 0-255 tương ứng với độ rộng xung điều khiển và có tần số xấp xỉ 1kHz. Hình 3.1 cho thấy sự thay đổi độ rộng xung làm việc với 2 trường hợp 90% thời gian xung ở mức cao và 10% thời gian xung ở mức cao và cũng như mối liên hệ giữa thời gian xung ở mức cao và thời gian của mỗi chu kỳ xung trong điều khiển.
Hình 3.1. Điều chế chiều rộng xung [34]
Đối với độ rộng xung từ 0-255 tương đương với độ rộng xung từ 0-100% công suất. Từ việc điều chế độ rộng xung ta điều khiển được khoảng thời gian đóng mở của IGBT từ đó giúp thay đổi cơng suất trên cuộn dây. Theo các số liệu thực nghiệm thực tế, để đảm bảo cho dây trở cũng như hạn chế công suất tối đa trên máy thì độ rộng xung được hạn chế ở các mốc khác nhau dựa trên nhiệt độ thực tế, việc khống chế này được điều khiển bởi bộ Fuzzy công suất. Và để thực hiện được nhiệm vụ trên fuzzy công suất được thiết kế gồm 9 luật giúp thay đổi đầu ra của cơng suất theo nhiệt độ thực tế trong lị, công suất
sẽ được tăng khi và chỉ khi nhiệt độ trong lò đạt đến một giới hạn nhất định. Trong thiết kế này đầu vào của hệ fuzzy là nhiệt độ thực tế của các cuộn dây đo được và đầu ra của hệ fuzzy là độ rộng xung PWM điều khiển cho mạch cơng suất. Đầu ra cơng suất này chính là giới hạn công suất tối đa cho bộ PID về sau.
Bộ quy luật này được thiết kế dựa trên việc thực nghiệm nhiều lần nhằm tạo ra được một bộ quy luật tối ưu, vừa đảm bảo tốc độ gia nhiệt không quá dài vừa đảm bảo các thiết bị không bị hư hại do sự thay đổi đột ngột của nhiệt, những cũng đảm bảo quá trình gia nhiệt không bị gián đoạn. Bộ quy luật được thể hiện như sau:
- Nếu nhiệt độ là Temperature_1 thì cơng suất đầu ra là pulseWidth_1 - Nếu nhiệt độ là Temperature_2 thì cơng suất đầu ra là pulseWidth_2 - Nếu nhiệt độ là Temperature_3 thì cơng suất đầu ra là pulseWidth_3 - Nếu nhiệt độ là Temperature_4 thì cơng suất đầu ra là pulseWidth_4 - Nếu nhiệt độ là Temperature_5 thì cơng suất đầu ra là pulseWidth_5 - Nếu nhiệt độ là Temperature_6 thì cơng suất đầu ra là pulseWidth_6 - Nếu nhiệt độ là Temperature_7 thì cơng suất đầu ra là pulseWidth_7 - Nếu nhiệt độ là Temperature_8 thì cơng suất đầu ra là pulseWidth_8 - Nếu nhiệt độ là Temperature_9 thì cơng suất đầu ra là pulseWidth_9 Trong đó:
- Temperature_1 là nhiệt độ đo trong khoảng 0-100. - Temperature_2 là nhiệt độ đo trong khoảng 100-200. - Temperature_3 là nhiệt độ đo trong khoảng 200-300. - Temperature_4 là nhiệt độ đo trong khoảng 300-400. - Temperature_5 là nhiệt độ đo trong khoảng 400-500. - Temperature_6 là nhiệt độ đo trong khoảng 500-600. - Temperature_7 là nhiệt độ đo trong khoảng 600-700. - Temperature_8 là nhiệt độ đo trong khoảng 700-800. - Temperature_9 là nhiệt độ đo trong khoảng 800-900. - pulseWidth_1 là độ rộng xung điều khiển trong khoảng 5-9. - pulseWidth_2 là độ rộng xung điều khiển trong khoảng 9-13.
- pulseWidth_3 là độ rộng xung điều khiển trong khoảng 13-17. - pulseWidth_4 là độ rộng xung điều khiển trong khoảng 17-21. - pulseWidth_5 là độ rộng xung điều khiển trong khoảng 21-25. - pulseWidth_6 là độ rộng xung điều khiển trong khoảng 25-29. - pulseWidth_7 là độ rộng xung điều khiển trong khoảng 29-33. - pulseWidth_8 là độ rộng xung điều khiển trong khoảng 33-37. - pulseWidth_9 là độ rộng xung điều khiển trong khoảng 37-41.
Sau khi xây dựng hệ 9 quy luật cho hệ fuzzy, sử dụng fuzzy logic toolbox của phần mềm Matlab để hoàn thiện bộ quy luật và xây dựng hàm cho tín hiêụ đầu vào và tín hiệu đầu ra. Hàm đầu vào và đầu ra sau khi hồn được thể hiện trong hình sau: