4.2.1. Sử dụng bộ điều khiển PID
Ta cú hàm truyền của đối tƣợng cú dạng:
Thiết kế bộ điều khiển PID kinh điển bằng phƣơng phỏp tối ƣu đối xứng
Đối tƣợng điều khiển: G s( )0.1s 1 0.49940.099 s 1s
Vỡ đối tƣợng cú một khõu tớch phõn và cú một hằng số thời gian lớn. Do vậy ta thiết kế bộ điều khiển PID cú dạng:
1 (1 )( ) d n ( ) d n c i T s T s G s T s Cỏc hệ số b3 3 1 2 128kT 128*0.099*0.1 0.0254 T T 1*0.4994 i T Hằng số thời gian tớch phõn. Td =8Tb = 8*0.1 = 0.8 Hằng số thời gian vi phõn. Tn = T1 = 1
Bằng tớnh toỏn ta xỏc định đƣợc cỏc hệ số của bộ điều khiển PID nhƣ
sau: 1 1 0.8 ( ) 0.0254 c s s G s s
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hỡnh 4.4: Sơ đồ mụ phỏng của bộ điều khiển PID
* Kết quả mụ phỏng:
Hỡnh 4.5: Kết quả mụ phỏng của bộ điều khiển PID
4.2.2. Sử dụng bộ điều khiển mờ động
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hỡnh 4.6: Sơ đồ cấu trỳc của bộ điều khiển mờ động * Định nghĩa cỏc biến vào ra:
Bộ điều khiển mờ gồm cú hai đầu vào và một đầu ra.
- Đầu vào thứ 1 là điện ỏp đặt vào bộ điều khiển, đại lƣợng này đƣợc ký hiệu là CH.
- Đầu vào thứ 2 là đạo hàm của đầu và thứ nhất, đại lƣợng này đƣợc ký hiệu là dCH.
- Đầu ra của bộ điều khiển mờ là giỏ trị điện ỏp một chiều, đại lƣợng này đƣợc ký hiệu là U.
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hỡnh 4.7: Định nghĩa cỏc biến vào ra của bộ điều khiển mờ * Định nghĩa tập mờ (giỏ trị ngụn ngữ) cho cỏc biến vào ra:
- Xỏc định miền giỏ trị vật lý cho cỏc biến vào ra:
Điện ỏp vào CH đƣợc chọn trong miền giỏ trị [-1,+1] volt; Đạo hàm dCH cú miền giỏ trị nằm trong khoảng [-1,+1] volt; Điện ỏp một chiều U nằm trong khoảng [-1,+1]volt.
- Xỏc định số lƣợng tập mờ cần thiết: về nguyờn tắc, số lƣợng tập mờ cho mỗi biến ngụn ngữ nờn nằm trong khoảng từ 3 đến 10. Nếu số lƣợng ớt hơn 3 thỡ ớt cú ý nghĩa vỡ khụng thực hiện đƣợc việc lấy vi phõn; Nếu lớn hơn 10 thỡ con ngƣời khú cú khả năng bao quỏt hết cỏc trƣờng hợp xảy ra.
Vỡ vậy, chọn số lƣợng tập mờ cho mỗi biến ngụn ngữ là 7. Ta ký hiệu 7 biến ngụn ngữ nhƣ sau:
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn Âm vừa NM Âm ớt NS Khụng ZE Dƣơng ớt PS Dƣơng vừa PM Dƣơng nhiều PB
Với những ký hiệu nhƣ trờn thỡ miền xỏc định ngụn ngữ của cỏc biến vào là:
CH {NB, NM, NS, ZE, PS, PM, PB}
dCH {NB, NM, NS, ZE, PS, PM, PB}
Vỡ bộ điều khiển mờ đƣợc thiết kế theo mụ hỡnh mờ của Sugeno bậc "0" nờn biến ra của nú cú dạng cỏc hằng số nhƣ sau:
U{-0.8572, -0.5715, -0.2858, 0, 0.2858, 0.5715, 0.8572}
Tƣơng ứng là: U {NB, NM, NS, ZE, PS, PM, PB}
- Xỏc định kiểu hàm liờn thuộc: tất cả cỏc hàm liờn thuộc của hai biến vào cú dạng gauss.
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hỡnh 4.8: Định nghĩa cỏc tập mờ cho biến CH của bộ điều khiển mờ
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hỡnh 4.10: Định nghĩa cỏc tập mờ cho biến U của bộ điều khiển mờ
- Rời rạc hoỏ tập mờ.
Độ phõn giải của cỏc dải trị phụ thuộc đƣợc chọn trƣớc hoặc là cho cỏc nhúm điều khiển mờ loại dấu phẩy động (cỏc số dj biểu diễn dƣới dạng dấu phẩy động cú độ chớnh xỏc đơn) hoặc nguyờn ngắn (giỏ trị phụ thuộc là cỏc số nguyờn cú độ phụ thuộc là cỏc số cú độ dài 2 byte hoặc theo byte). Phƣơng phỏp rời rạc húa sẽ là yếu tố quyết định độ chớnh xỏc và tốc độ bộ điều khiển.
* Xõy dựng cỏc luật điều khiển:
Theo kinh nghiệm thiết kế, cỏc luật điều khiển đƣợc xõy dựng theo bảng sau, tổng cộng cú 49 luật điều khiển:
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn Uđk CH NB NM NS ZE PS PM PB d C H NB NB NB NB NB NS PS PB NM NB NB NM NM ZE PS PB NS NB NB NS NS ZE PM PB ZE NB NB NS ZE PS PB PB PS NB NM ZE PS PS PB PB PM NB NS ZE PM PM PB PB PB NB NS PS PB PB PB PB
Bảng 4.2: Cỏc luật điều khiển hợp thành
Hỡnh 4.11: Xõy dựng cỏc luật điều khiển cho bộ điều khiển mờ * Chọn thiết bị hợp thành và nguyờn lý giải mờ
Triển khai luật hợp thành và tổng hợp cỏc giỏ trị mờ. Thiết bị hợp thành ta chọn theo nguyờn tắc Prod – Probor.
Cỏc tập mờ sau khi triển khai qua nhiều thiết bị hợp thành sẽ đƣa về cỏc giỏ trị thực theo cỏch thức giải mờ, cỏch thức này cú ảnh hƣởng khụng nhỏ
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
đến trạng thỏi làm việc cỳng nhƣ độ phức tạp của hệ thống. Chọn giải mờ theo phƣơng phỏp Wtaver.
Hỡnh 4.12: Quan sỏt tớn hiệu vào ra của bộ mờ
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
Sử dụng cụng cụ Toolbox Fuzzy Logic và Simulink của phần mềm Matlab để xõy dựng bộ điều khiển mờ theo những thiết kế trờn. Cụng cụ Toolbox Fuzzy Logic cho phộp ngƣời sử dụng thiết kế bộ điều khiển mờ nhanh chúng, chớnh xỏc và cho phộp kết xuất kết quả ra vựng Workspace để tiến hành mụ phỏng bằng cụng cụ Simulink của Matlab.
* Kết quả mụ phỏng
Hỡnh 4.14: Kết quả mụ phỏng của bộ điều khiển mờ động
4.3. So sỏnh chất lƣợng khi dựng bộ điều khiển PID và Mờ
4.3.1. Kết quả mụ phỏng của bộ điều khiển Mờ và PID sau khi thiết kế * Sơ đồ mụ phỏng của bộ điều khiển PID và Mờ * Sơ đồ mụ phỏng của bộ điều khiển PID và Mờ
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hỡnh 4.15: Sơ đồ mụ phỏng bộ điều khiển mờ và PID thiết kế
* Kết quả mụ phỏng
Hỡnh 4.16: Kết quả mụ phỏng của bộ điều khiển Mờ và PID khi tớn hiệu vào là hàm 1(t)
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
Nhận xột:
- Ta thấy cả hai bộ điều khiển đều cú ƣu điểm là triệt tiờu đƣợc sai lệch tĩnh - Đặc tớnh quỏ độ của hệ thống của bộ điều khiển PID tốt hơn bộ điều khiển mờ động. Ở trạng thỏi xỏc lập khụng cú sai lệch tĩnh, khụng cú độ quỏ điều chỉnh, thời gian hệ khắc phục đƣợc phụ tải là tm =7s.
4.3.2. So sỏnh chất lƣợng của cỏc bộ điều khiển khi thay đổi giỏ trị đặt
* Kết quả mụ phỏng
Hỡnh 4.17: Kết quả mụ phỏng của khi tớn hiệu đặt vào là xung vuụng Nhận xột:
- Khi thay đổi giỏ trị đặt thỡ chất lƣợng của cỏc bộ điều khiển là khỏc nhau. - Với bộ điều khiển PID luụn bỏm theo giỏ trị đặt, khụng tồn tại sai lệch tĩnh, thời gian tỏc để hệ thống bỏm theo tớn hiệu đặt khoảng 5s.
-Với bộ điều khiển mờ động thỡ vẫn bỏm theo đƣợc tớn hiệu đặt, nhƣng thời gian để hệ xỏc lập chậm hơn (sau 10s mới xỏc lập)
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
Vậy trong điều kiện làm việc yờu cầu thay đổi chế độ làm việc của hệ thống ta nờn dựng bộ điều khiển PID.
4.3.3. So sỏnh chất lƣợng của bộ điều khiển PID và Mờ khi cú nhiễu phụ tải
* Sơ đồ mụ phỏng của bộ điều khiển PID và Mờ khi cú nhiễu phụ tải
Hỡnh 4.18: Sơ đồ mụ phỏng bộ điều khiển mờ và PID khi cú nhiễu phụ tải
* Kết quả mụ phỏng
Hỡnh 4.19: Kết quả mụ phỏng của bộ điều khiển Mờ và PID khi cú nhiễu phụ tải
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
Nhận xột: Trong trƣờng hợp xảy ra nhiễu phụ tải bởi vỡ một nguyờn nhõn nào đú đƣợc mụ phỏng trờn hỡnh vẽ, ta nhận thấy rằng:
- Cả 2 bộ điều khiển đều cú đƣờng đặc tớnh mịn, xỏc lập nhanh khi cú nhiễu phụ tải tỏc động.
- Khi cú nhiễu phụ tải tỏc động 20% trong thời gian 5(s) thỡ bộ điều khiển PID đỏp ứng tốt nhất với thời gian đỏp ứng khoảng 10(s).
- Bộ điều khiển mờ đỏp ứng khụng tốt và thời gian triệt tiờu nhiễu chậm (khoảng 15s).
* Kết quả mụ phỏng
Hỡnh 4.20: Kết quả mụ phỏng của bộ điều khiển mờ và PID khi cú nhiễu phụ tải
Nhận xột: Trong trƣờng hợp xảy ra nhiễu phụ tải bởi vỡ một nguyờn nhõn nào đú đƣợc mụ phỏng trờn hỡnh vẽ, ta nhận thấy rằng:
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
- Cả 2 bộ điều khiển đều cú đƣờng đặc tớnh mịn, xỏc lập nhanh khi cú nhiễu phụ tải tỏc động.
- Khi cú nhiễu phụ tải tỏc động 20% trong thời gian 4(s) thỡ bộ điều khiển PID đỏp ứng tốt nhất với thời gian đỏp ứng khoảng 20(s).
- Bộ điều khiển mờ đỏp ứng khụng tốt và thời gian triệt tiờu nhiễu chậm (khoảng 30s).
4.3.4. Khi thay đổi cỏc thụng số động cơ. 4.3.4.1. Khi thay đổi giỏ trị điện cảm L 4.3.4.1. Khi thay đổi giỏ trị điện cảm L * Kết quả mụ phỏng khi L = 1 (henri)
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
Kết quả mụ phỏng khi L = 2 (henri)
Hỡnh 4.22: Kết quả mụ phỏng của bộ điều khiển mờ và PID khi L =2(henri)
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hỡnh 4.23: Kết quả mụ phỏng của bộ điều khiển mờ và PID khi L =3(henri)
Nhận xột:
- Khi thay đổi giỏ trị điện cảm của động cơ thỡ bộ điều khiển mờ tốt hơn bộ điều khiển PID.
- Giỏ trị điện cảm của động cơ càng lớn thỡ tớn hiệu điều khiển bộ mờ càng tốt.
4.3.4.2. Khi thay đổi trị số của mụ men quỏn tớnh J
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
* Kết quả mụ phỏng khi J = 0,1 (Kgm2/s2)
Hỡnh 4.25: Kết quả mụ phỏng khi J = 0,1 (Kgm2/s2)
* Kết quả mụ phỏng J = 0,2 (Kgm2/s2)
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
Nhận xột: Trong trƣờng hợp thay đổi giỏ trị J của phụ tải ta nhận thấy rằng, ta nhận thấy rằng:
- Cả 2 bộ điều khiển đều cú đƣờng đặc tớnh mịn, khụng cú sai lệch tĩnh và xỏc lập nhanh.
- Bộ điều khiển PID xỏc lập sau khoảng thời gian là 7(s), bộ điều khiển mờ động xỏc lập sau 15 (s).
- Khi J = 0,2 (Kgm2/s2) thỡ cả 2 bộ điều khiển đều cú độ quỏ điều chỉnh khoảng 10%.
4.3.5. Kết luận chƣơng 4
Từ cỏc kết quả trờn đem so sỏnh chất lƣợng quỏ độ mà cỏc bộ điều khiển mang lại ta cú:
Nhận xột:
Khi thụng số đối tƣợng thay đổi trong giới hạn nhỏ ta thấy chất lƣợng của cỏc bộ điều khiển PID, và mờ động là gần nhƣ nhau. Khi thụng số đối tƣợng thay đổi trong phạm vi lớn thỡ bộ điều khiển mờ sẽ cho chất lƣợng tốt hơn. Nhƣ vậy bộ điều khiển mờ sẽ rất thớch hợp cho những đối tƣợng mà ta chƣa biết rừ thụng số đối tƣợng
Khi thay đổi tớn hiệu đặt thỡ bộ điều khiển PID cho chất lƣợng tốt, triệt tiờu sai lệch tĩnh cũn bộ điều khiển mờ cú sai lệch tĩnh rất lớn. Để khắc phục nhƣợc điểm này ta cú thể thiết kế cỏc bộ điều khiển mờ lai.
Đặc tớnh quỏ độ của hệ thống khi cú bộ điều khiển PID là tƣơng đối tốt. Tuy nhiờn cả hai bộ điều khiển mờ đều khụng triệt tiờu đƣợc sai lệch tĩnh khi cú nhiễu phụ tải và nhiễu đầu vào. Cỏc bộ điều khiển mờ cú ƣu điểm trong những trƣờng hợp thay đổi thụng số đối tƣợng điều khiển.
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
Túm lại:
Xột một cỏch tổng quỏt bộ điều khiển PID vẫn là tốt nhất, cú thời gian tỏc động nhanh nhất triệt tiờu đựơc sai lệch tĩnh và nhiễu phụ tải
Vỡ vậy đối với những hệ thống đũi hỏi chất lƣợng điều khiển cao ngƣời ta thiết kế PID. Trỏi lại với những hệ thống đũi hỏi chất lƣợng trung bỡnh trong khi ngƣời vận hành lại hiểu rừ về đối tƣợng thỡ ta dựng bộ điều khiển mờ một mặt vẫn đảm bảo đƣợc yờu cầu kỹ thuật vừa thuận tiện cho quỏ trỡnh thiết kế. Một đặc điểm của điều khiển mờ là tỏc động chậm do khối lƣợng tớnh toỏn lớn, nờn với đối tƣợng biến đổi nhanh ta khụng dựng đƣợc bộ điều khiển mờ.
Trờn thực tế điều khiển mờ vẫn chƣa đƣợc ứng dụng rộng rãi vỡ nú là bộ điều khiển mới, cũn rất nhiều vấn đề về điều khiển mờ cần đƣợc nghiờn cứu kỹ hơn, nhƣ tớnh ổn định, tớnh phi tuyến … của hệ mờ trƣớc khi đƣa vào ứng dụng rộng rãi trong cụng nghiệp.
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ VÀ HƢƠNG NGHIấN CỨU TIẾP THEO 1. Kết luận
Luận văn này đã giải quyết đƣợc một số nội dung sau:
1. Đã thiết kế bộ điều khiển gƣơng mặt trời trờn cơ sở lý thuyết mờ và PID kinh điển.
2. Đã khảo sỏt chất lƣợng của cỏc bộ điều khiển khi thay đổi tớn hiệu đặt, khi cú nhiễu phụ tải và khi thay đổi thụng số động cơ.
3. Cỏc phƣơng phỏp thiết kế đều đƣợc kiểm chứng bằng mụ phỏng và
mở ra khả năng ứng dụng một lý thuyết mới trong việc thiết kế cỏc hệ thống tự động trong cụng nghiệp.
2. Kiến nghị và hƣớng nghiờn cứu tiếp theo
1. Tiến hành thớ nghiệm thực để kiểm tra chất lƣợng của bộ điều khiển. 2. Thiết kế giao diện của bộ điều khiển.
3. Nghiờn cứu phƣơng ỏn dựng 2 động cơ điều khiển gƣơng mặt trời theo hai hƣớng: Bắc-Nam, Đụng-Tõy để tăng hiệu suất nhận nhiệt từ mặt trời.
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Bựi Cụng Cƣờng & Nguyễn Doãn Phƣớc; Hệ mờ, mạng nơron & ứng dụng, NXB KH & KT 2001.
2. Nguyễn Hoàng Cƣơng, Bựi Cụng Cƣờng, Nguyễn Doãn Phƣớc, Phan Xuõn Minh & Chu Văn Hỷ: Hệ mờ và ứng dụng, NXB KH & KT 1998. 3. Phan Xuõn Minh & Nguyễn Doãn Phƣớc: Lý thuyết điều khiển mờ, NXB
KH & KT 2004.
4. Vũ Nhƣ Lõn: Điều khiển sử dụng logic mờ, mạng nơron và đại số gia tử, NXB KH & KT 2006.
5. Nguyễn Xuõn Quỏnh: Lý thuyết mạch logic và kỹ thuật số, NXB đại học và giỏo dục chuyờn nghiệp, 1991.
6. V.N.Lõn, V.C. Hƣng, Đ.T.Phụ: Điều khiển trong điều khiển bất định trờn cơ sở logic mờ và kkả năng sử dụng đại số gia tử trong cỏc luật điều khiển, Tạp chớ “ Tin học và điều khiển học”, T.18, S3 (2002), 211-221.