3.3.1. Điều khiển mờ kinh điển
Với điều khiển mờ thông thƣờng, ta tiến hành theo các bƣớc sau đây:
Bước 1: Xác định biến vào, biến trạng thái và biến điều khiển (biến ra) và xác định tập nền của các biến.
Bước 2: Phân hoạch tập nền (của biến ngôn ngữ) và gán nhãn ngôn ngữ (giá trị ngôn ngữ) cho mỗi tập mờ (mờ hoá).
Bước 3: Xác định dạng hàm thuộc cho mỗi tập mờ.
Bước 4: Xây dựng quan hệ mờ giữa các tập mờ đầu vào, tập mờ trạng thái và tập mờ điều khiển tạo thành hệ luật điều khiển (bảng điều khiển trên cơ sở tri thức chuyên gia).
Bước 5: Giải bài toán lập luận xấp xỉ, xác định tập mờ đầu ra điều khiển theo từng luật (phép hợp thành).
Bước 6: Kết nhập (aggregate) các đầu ra điều khiển mờ.
Bước 7: Giải mờ, tìm giá trị điều khiển rõ.
3.3.2. Điều khiển sử dụng đại số gia tử
Để sử dụng đại số gia tử cần phải thực hiện chuyển lần lƣợt các bƣớc trên đây sang dạng đại số gia tử nhƣ sau:
Bước 1: Xác định biến vào, biến trạng thái và biến điều khiển (biến ra) và xác định khoảng làm việc của các biến. Xác định các điều kiện tính toán (chọn các bộ tham số tính toán của đại số gia tử).
Bước 2: Tính toán các giá trị định lƣợng ngữ nghĩa của biến vào, biến trạng thái và biến điều khiển (áp các gia tử lên các khoảng làm việc của các biến).
Bước 3: Chuyển bảng điều khiển mờ sang bảng điều khiển với tham số nghĩa định lƣợng của đại số gia tử (tƣơng đƣơng với bƣớc 3 và 4 ở trên).
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Bước 4: Giải bài toán lập luận xấp xỉ trên cơ sở đại số gia tử để xác định ngữ nghĩa định lƣợng của điều khiển, trạng thái (tƣơng đƣơng với bƣớc 5 ở trên).
Bước 5: Kết nhập các giá trị ngữ nghĩa định lƣợng của điều khiển và xây dựng đƣờng cong ngữ nghĩa định lƣợng (tƣơng đƣơng với bƣớc 6 ở trên).
Bước 6: Trên cơ sở điều kiện ban đầu của bài toán điều khiển, giải bài toán nội suy đƣờng cong ngữ nghĩa định lƣợng, xác định giá trị điều khiển thực.
3.4. TỔNG KẾT
Chƣơng này đã cho ta định ngh ĩa quan trọng về một cấu trúc đại số bao gồm các thành phần quan trọng là biến ngôn ngữ và các gia tử tác động lên các biến ngôn ngƣ̃ này. Đại số gia tƣ̉ cho phép ta có thể định lƣợng đƣợc giá trị của biến ngôn ngƣ̃ thông qua các hàm đo . Điều quan trọng là trong đại số gia tƣ̉ đã có thể xác định đƣợc độ mờ của một giá trị ngôn ngƣ̃ . Tƣ̀ đó, có thể giải quyết đƣợc bài toán suy luận xấp xỉ (suy luận mờ ) tƣơng ƣ́ng với việc nội suy đƣờng c ong mờ mà đƣờng cong mờ này đƣợc xây dƣ̣ng dƣ̣a trên tập các luật điều khiển ban đầu .
Chƣơng này cũng chỉ ra cách chuyển điều khiển mờ thông thƣờng sang điều khiển bằng đại số gia tƣ̉ . Đó cũng chính là nền tảng , cơ sở lý thuyết để áp dụng cho một bài toán điều khiển cụ thể sẽ đƣợc trình bày trong chƣơng tiếp theo .
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
CHƢƠNG 4
ĐIỀU KHIỂN LÕ ĐIỆN TRỞ SỬ DỤNG LOGIC MỜ VÀ ĐẠI SỐ GIA TỬ
4.1 CÔNG NGHỆ VÀ MÔ TẢ TOÁN HỌC CỦA LÕ ĐIỆN TRỞ 4.1.1. Khái niệm chung 4.1.1. Khái niệm chung
Lò điện trở là một thiết bị biến đổi điện năng thành nhiệt năng. Thông qua phần tử phát nhiệt là dây đốt (chảy điện trở). Khi có dòng điện chạy qua dây đốt, dây đốt sẽ phát nóng và phát nhiệt theo hiệu ứng Jun.
Q = I2 R*t (4.1) Q - nhiệt lƣợng trở ra.
I - cƣờng độ dòng điện chạy qua dây nung (A). R - điện trở dây nung ( ).
t - thời gian nung (s).
Từ dây đốt, qua bức xạ đối lƣu và truyền nhiệt, dẫn nhiệt, năng lƣợng đƣợc dẫn tới vật cần gia nhiệt. Lò điện trở thƣờng đƣợc sử dụng trong cả công nghiệp và dân dụng. Trong công nghiệp thƣờng để nung nhiệt luyện, nấu chảy kim loại màu và hợp kim loại màu và hợp kim màu.
Có nhiều cách để phân loại lò điện trở: 1- Theo nhiệt độ làm việc của lò phân ra: - Lò nhiệt độ thấp ( to < 650oC ).
- Lò nhiệt độ trung bình ( to = 650 - 1200oC). - Lò nhiệt độ cao ( to > 1200oC).
2- Theo nơi dùng có:
- Lò dùng trong công nghiệp. - Lò dùng trong thí nghiệm. - Lò dùng trong dân dụng. 3- Theo đặc tính làm việc có: - Lò làm việc liên tục. - Lò làm việc gián đoạn. 4- Theo mục đích sử dụng.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
- Lò tôi, lò ram, lò ủ, lò nung.
4.1.2. Sơ đồ về kết cấu lò điện trở
Lò điện trở ở nƣớc ta hiện nay có rất nhiều loại khác nhau, do nhiều hãng của các nƣớc khác nhau sản xuất. Nhƣng nói chung các lò đều có kết cấu tƣơng tự nhau với giải công suất từ vài KW đến hàng trăm KW và giải nhiệt độ dƣới 2000oC.
Lò điện trở thông thƣờng gồm ba phần chính : vỏ lò, lớp lót và dây nung. 1 - Vỏ lò
Vỏ lò điện trở là một khung cứng vững, chủ yếu để chịu tải trọng trong quá trình làm việc của lò. Mặt khác vỏ lò cũng dùng để giữ lớp cách nhiệt rời và đảm bảo sự kín hoàn toàn hoặc tƣơng đối của lò.
Đối với các lò làm việc với khí bảo vệ, cần thiết vỏ lò phải hoàn toàn kín, còn đối với các lò điện trở bình thƣờng, sự kín của vỏ lò chỉ cần giảm tổn thất nhiệt và tránh sự lùa của không khí lạnh vào lò, đặc biệt theo chiều cao lò.
Trong những trƣờng hợp riêng, lò điện trở có thể làm vỏ lò không bọc kín. Khung vỏ lò cần cứng vững đủ để chịu đƣợc tải trọng của lớp lót, phụ tải lò (vật nung) và các cơ cấu cơ khí gắn trên vỏ lò.
- Vỏ lò chữ nhật thƣờnng dùng ở lò buồng, lò liên tục, lò đáy rung … - Vỏ lò tròn dùng ở các lò giếng và một vài lò chụp...
- Vỏ lò tròn chịu lực tác dụng bên trong tốt hơn vỏ lò chữ nhật khi cùng một lƣợng kim loại để chế tạo vỏ lò. Khi kết cấu vỏ lò tròn, ngƣời ta thƣờng dùng thép tấm dày 3 - 6 mm khi đƣờng kính vỏ lò là 1000 – 2000 mm và 8 – 12 mm khi đƣờng kính vỏ lò là 2500 – 4000 mm và 14 – 20 mm khi đƣờng kính vỏ lò khoảng 4500 – 6500 mm.
Khi cần thiết tăng độ cứng vững cho vỏ lò tròn, ngƣời ta dùng các vòng đệm tăng cƣờng bằng các loại thép hình.
Vỏ lò chữ nhật đƣợc dựng lên nhờ các thép hình U, L và thép tấm cắt theo hình dáng thích hợp. Vỏ lò có thể đƣợc bọc kín, có thể không tuỳ theo yêu cầu kín của lò. Phƣơng pháp gia công vỏ lò loại này chủ yếu là hàn và tán.
2 - Lớp lót
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Phần vật liệu chịu lửa có thể xây bằng gạch tiêu chuẩn, gạch hình và gạch hình đặc biệt tuỳ theo hình dáng và kích thƣớc đã cho của buồng lò. Cũng có khi ngƣời ta đầm bằng các loại bột chịu lửa và các chất dính kết gọi là các khối đầm. Khối đầm có thể tiến hành ngay trong lò và cũng có thể tiến hành ở ngoài nhờ các khuôn.
Phần vật liệu chịu lửa cần đảm bảo các yêu cầu sau : + Chịu đƣợc nhiệt độ làm việc cực đại của lò.
+ Có độ bền nhiệt đủ lớn khi làm việc.
+ Có đủ độ bền cơ học khi xếp vật nung và đặt thiết bị vận chuyển trong điều kiện làm việc.
+ Đảm bảo khả năng gắn dây nung bền và chắc chắn.
+ Có đủ độ bền hoá học khi làm việc, chịu đƣợc tác dụng của khí quyển lò và ảnh hƣởng của vật nung.
+ Đảm bảo khả năng tích nhiệt cực tiểu. Điều này đặc biệt quan trọng đối với lò làm việc chu kỳ.
Phần cách nhiệt thƣờng nằm giữa vỏ lò và phần vật liệu chịu lửa. Mục đích chủ yếu của phần này là để giảm tổn thất nhiệt. Riêng đối với đáy, phần cách nhiệt đòi hỏi phải có độ bền cơ học nhất định còn các phần khác nói chung không yêu cầu.
Yêu cầu cơ bản của phần cách nhiệt là : + Hệ số dẫn nhiệt cực tiểu
+ Khả năng tích nhiệt cực tiểu
+ ổn định về tính chất lý, nhiệt trong điều kiện làm việc xác định. Phần cách nhiệt có thể xây bằng gạch cách nhiệt, có thể điền đầy bằng bột cách nhiệt.
3 - Dây nung
Theo đặc tính của vật liệu dùng làm dây nung, ngƣời ta chia dây nung làm hai loại: dây nung kim loại và dây nung phi kim loại.
Trong công nghiệp, các lò điện trở dùng phổ biến là dây nung kim loại. Sơ đồ cấu tạo lò buồng:
Là loại lò vạn năng nhất, lò gồm buồng nung hình trụ tròn với kích thƣớc tuỳ công suất lò. Buồng lò đƣợc lót cách nhiệt bằng áo lò, áo lò đƣợc xây bằng gạch chịu lửa có nhiều lớp, lớp ngoài cùng bằng gạch Samôt có độ cách điện cao, bọc
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
ngoài là vỏ tôn dày 5 10mm. Đáy lò bằng thép chịu nhiệt, đúc liền hoặc ghép lại bằng nhiều miếng nhỏ, hoặc đáy lò có thể xây bằng gạch chịu lửa. Thành trong của buồng lò có đặt dây đốt 3. Dây đốt có thể bố trí đều quanh buồng lò. Cửa lò tuỳ theo kiểu công suất lò, có thể mở bằng tay (kiểu đòn bẩy hay có đối trọng) hoặc bằng cơ cấu cơ khí truyền động bằng động cơ điện.
Cấu tạo lò điện trở dạng buồng.
Hình 4.1 : Cấu tạo lò điện trở dạng buồng
Ngoài ra còn có các bộ phận khác nhƣ đầu ra của dây đốt 2, cửa khí để dẫn khí bảo vệ vào lò (do không khí dễ thâm nhập vào buồng lò qua cửa lò, gây ra hiện tƣợng ôxy hoá, thoát cacbon của vật gia nhiệt), đầu đo nhiệt ở đỉnh lò hay bên hông. Lỗ thăm để quan sát lò.
* Đứng về mặt lý thuyết điều khiển tự động ta thấy lò điện trở có những đặc điểm nhƣ sau:
1) Quán tính nhiệt của lò lớn, sự thay đổi nhiệt trong lò xẩy ra chậm, lò có hệ số dung lƣợng càng lớn thì độ trễ càng lớn.
2) Nhiệt độ buồng lò không hoàn toàn đồng đều nên việc xác định nhiệt độ lò còn phụ thuộc vào vị trí đặt bị cảm biến nhiệt.
3) Biến thiên nhiệt độ lò có tính chất tự cân bằng. Nhờ tính chất này khi mất cân bằng giữa lƣợng cung cấp và lƣợng tiêu thụ nhiệt thì nhiệt độ là có thể tiến tới một giá trị xác lập mới mà không cần có sự tham gia của máy điều chỉnh.
1 2 3 4 5 6 7 7 1 2 3 4 5 6 1 - buồng lò; 2 - ống sứ; 3 - dây nung; 4 - gạch chịu lửa; 5 - lớp cách nhiệt; 6 - vỏ lò; 7 - Dây lò;
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
4) Do các dây nung bị thay đổi điện trở theo nhiệt độ nên đặc tính của nó là phi tuyến. Các điện trở già hoá theo thời gian sử dụng nên khả năng hoá nhiệt cũng thay đổi nhƣ vậy sẽ làm thay đổi tham số hàm truyền của đối tƣợng.
4.1.3. Lựa chọn các phƣơng án cho mạch lực của lò
Lò điện trở là một thiết bị gia nhiệt mà đại lƣợng cần điều chỉnh, chủ yếu là nhiệt độ trong buồng lò, việc điều khiển hay khống chế nhiệt độ lò thƣờng đƣợc thực hiện qua khống chế công suất lò bằng cách đóng cắt nguồn cung cấp hoặc hạn chế nguồn cung cấp, thông qua các phƣơng án sau:
1- Phƣơng án 1:
Dùng sơ đồ khống chế nhiệt độ trong buồng lò có tiếp điểm. Phƣơng pháp này sử dụng rơle để khống chế nhiệt độ trong buồng lò ở các nhiệt độ khác nhau. Phƣơng pháp này có đặc điểm là khoảng của rơle tác động không liên tục, chỉ thích ứng với một phạm vi công suất nhất định, quá trình điều chỉnh luôn bị dao động.
2- Phƣơng án 2:
Dùng máy biến áp để đặt các mức điện áp khác nhau vào lò, phƣơng pháp này đòi hỏi máy biến áp phải có công suất lớn và phải điều chỉnh theo từng cấp nhất định.
3- Phƣơng án 3:
Dùng rơle kết hợp với Thyristor theo sơ đồ sau:
Sơ đồ này khi rơle đóng ta luôn có một nửa chu kỳ cung cấp cho tải hoàn toàn phụ thuộc đối tƣợng Thyristor và nhƣ vậy công suất đƣa vào lò chỉ điều chỉnh đƣợc một nửa chu kỳ.
Hình 4.2 sơ đồ rơle kết hợp với Thyristor
4- Phƣơng án 4: Dùng hai Thyristor mắc ngƣợc cực tính nhƣ sơ đồ sau: R D T Rf
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Phƣơng pháp này ta có thể điều chỉnh công suất lò ở cả hai mức chu kỳ. Phƣơng pháp cho phép thực hiện điều chỉnh trong phạm vi rộng, điều chỉnh đƣợc liên tục và trơn.
Qua việc phân tích trên về các phƣơng án điều chỉnh trong buồng lò điện trở, ta sử dụng phƣơng án bốn trong bản thiết kế này.
Hình 4.3 :Dùng hai Thyristor mắc ngược cực
4.1.4. Mô hình đối tƣợng điều khiển
Về mặt lý thuyết điều khiển tự động, lò diện trở có những đặc điểm sau: - Quán tính nhiệt của lò lớn, sự thay đổi nhiệt trong lò xẩy ra chậm; lò có dung lƣợng lớn thì độ trễ càng lớn.
- Biến thiên nhiệt trong lò có tính chất tự cân bằng. Nhờ tính chất này, khi mất cân bằng giữa lƣợng cung cấp và lƣợng tiêu thụ thì nhiệt độ lò có thể tiến tới một giá trị xác lập mới mà không cần tham gia của điều chỉnh.
Các dây đốt trong lò phải thoả mãn các điều kiện sau: - Chịu đƣợc nhiệt độ cao.
- Độ bền cơ khí lớn.
- Có điện trở suất lớn vì nếu điện trở xuất nhỏ sẽ dẫn đến dây dài khó bố trí trong lò hoặc tiết diện phải nhỏ, không bền.
- Hệ số nhiệt điện trở nhỏ dễ ít thay đổi theo nhiệt độ, dảm bảo công suất lò. - Chậm già hoá dễ tăng tuổi thọ.
- Tuy nhiên thực tế các day đốt vẫn bị thay đổi theo nhiệt độ nên dặc tính của lò là phi tuyến. Mặt khác các dây đốt vẫn bị già hoá theo thời gian nên khả năng toả nhiệt cũng bị thay đổi. Nhƣ vậy sẽ làm thay đổi hàm truyền của đối tƣợng.
Sau khi nhận dạng đối tƣợng điều khiển. Ta có thể coi lò gần đúng là một khâu quán tính bậc nhất có trễ. Wđt(P) = k. 1 TP ) p exp( T1 T2 Rf
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Với k là hệ số khuếch đại của đối tƣợng; k = 10oC/số T hằng số thời gian; t = 1300 s thời gian trễ; = 30s (các số liệu trên đây lấy theo tài liệu tham khảo).
4.2. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ. 4.2.1. Bộ điều khiển mờ tĩnh 4.2.1. Bộ điều khiển mờ tĩnh
Các bộ điều khiển mờ tĩnh là những bộ điều khiển có quan hệ vào/ra y(x) trong đó x là đầu vào và y là đầu ra , theo dạng một phƣơng trình đại số (tuyến tính hay phi tuyến). Các bộ điều khiển tĩnh điển hình là những bộ khuếch đại P, bộ điều chỉnh Relay hai vị trí . . .
- Thiết kế một bộ điều khiển mờ chỉ có thể thực hiện đƣợc nếu nhƣ chuyển đƣợc những kinh nghiệm và hiểu biết về hệ thống thành các luật điều khiển . Trong trƣờng hợp việc chuyển đổi đó không thực hiện đƣợc ngay , việc thiết kế vẫn có thể đƣợc tiến hành theo phƣơng pháp học nhƣ Neuro-Fuzzy-Logic hoặc mạng Neuron,nhƣng những phƣơng pháp phƣơng trình tự học này đều đòi hỏi hoặc là bộ điều khiển đã biết trƣớc hoặc là nó sẽ tự đi tìm và xây dựng mô hình nghịch đảo