Ứng dụng logic mờ điều khiển lò sấy

Hồ hoàng Châu Sđt 0934765246 MỞ ĐẦU 1 Lý do chọn đề tài Hơn sáu thập kỹ qua, bộ điều khiển PID là bộ điều khiển thông dụng trong các hệ thống điều khiển với nhiều báo cáo đưa ra các con số thống kê rằng hơn 90% bài toán điều khiển quá trình công nghiệp được giải quyết với bộ điều khiển PID, trong số đó khoảng trên 90% thực hiện bằng luật PI, 5% thực hiện bằng luật P thuần túy, và 3% thực hiện luật PID đầy đủ, còn lại là những dạng dẫn xuất khác Tuy nhiên, trong thực tế nhiều giải pháp tổng hợp.

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Hơn sáu thập kỹ qua, bộ điều khiển PID là bộ điều khiển thông dụng trong các hệthống điều khiển với nhiều báo cáo đưa ra các con số thống kê rằng hơn 90% bài toánđiều khiển quá trình công nghiệp được giải quyết với bộ điều khiển PID, trong số đókhoảng trên 90% thực hiện bằng luật PI, 5% thực hiện bằng luật P thuần túy, và 3%thực hiện luật PID đầy đủ, còn lại là những dạng dẫn xuất khác

Tuy nhiên, trong thực tế nhiều giải pháp tổng hợp, thiết kế bộ điều khiển PIDthường bị bế tắc khi gặp những bài toán có độ phức tạp cao, phi tuyến lớn, thườngxuyên thay đổi trạng thái và cấu trúc của đối tượng…Với những khó khăn đó sẽ khôngcòn là vấn đề nan giải khi được thay thế bằng bộ điều khiển mờ So với các giải pháptrong kỹ thuật điều khiển từ trước đến nay, để tổng hợp các hệ thống điều khiển thìphương pháp tổng hợp hệ thống điều khiển bằng logic mờ chỉ ra những ưu điểm rõ rệtsau:

- Khối lượng công việc thiết kế được giảm đi nhiều do không cần sử dụng mô hìnhđối tượng, với các bài toán thiết kế có độ phức tạp cao, giải pháp dùng bộ điềukhiển mờ cho phép giảm khối lượng tính toán và giá thành sản phẩm

- Bộ điều khiển mờ dễ hiểu hơn so vơi bộ điều khiển khác (cả kỹ thuật) và dễ dàngthay đổi

- Trong nhiều trường hợp bộ điều khiển mờ làm việc ổn định hơn và chất lượngđiều khiển cao hơn

- Bộ điều khiển mờ được xây dựng trên kinh nghiệp của các chuyên gia

- Có thể kết hợp bộ điều khiển mờ với các bộ điều khiển khác

Lò sấy là một đối tượng tương đối phức tạp gồm các quá trình: Quá trình cháy,trao đổi nhiệt - ẩm, tốc độ quạt, đối lưu, bức xạ v.v là những quá trình có quán tínhlớn, thời gian chết, nhiễu, trễ đối tượng cao, các thông số thu thập đôi khi không đầy

đủ chính xác, đối tượng phi tuyến, mô hình đối lò sấy khá phức tạp v.v……

Với những đặc điểm của đối tượng cần điều khiển, đặc tính nổi bật của bộ điều

khiển mờ, tôi chọn đề tài “Ứng dụng logic mờ điều khiển quá trình nhiệt lò sấy” để

nghiên cứu khảo sát bộ điều khiển mờ, bước đầu khảo sát mô phỏng bộ điểu khiểntrên phần mềm Matlab & Simulink Các thông số nhiệt được khảo sát thực tế tại lòsấy xí nghiệp lâm sản Hoà Nhơn – Hòa Vang, Thành phố Đà Nẵng

2 Mục đích nghiên cứu

- Nghiên cứu, ứng dụng mô hình toán học của lò sấy [13] vào quá trình điềukhiển

- Nghiên cứu logic mờ

- Khảo sát, thu thập thông số nhiệt lò sấy tại xí nghiệp chế biến lâm sản Hòa Nhơn

- Hòa Vang, Thành Phố Đà Nẵng

- Xây dựng mô hình điều khiển nhiệt độ lò sấy trên phần mềm Matlab & Simulink

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: Nghiên cứu về kỹ thuật sấy và lò sấy, điều khiển quátrình, điều khiển nhiệt độ, điều khiển PID, điều khiển mờ, mô phỏng bộ điềukhiển trên phần mềm Matlab simulink

- Phạm vi nghiên cứu:

 Nghiên cứu và xây dựng mô hình toán học lò sấy

 Xây dựng và mô phỏng trên phần mềm Matlab & Simulink

4 Phương pháp nghiên cứu

Với các mục tiêu trên tôi chọn phương pháp nghiên cứu lý thuyết và phươngpháp nghiên cứu thực nghiệp, để thực hiện đề tài theo các bước sau:

- Nghiên cứu các mô hình:

 Nghiên cứu hệ tuyến tính

 Nghiên cứu về hệ phi tuyến

 Nghiên cứu về điều khiển mờ

- Tìm hiểu về lò sấy công nghiệp

 Đọc tài liệu liên quan về kỹ thuật sấy

 Thu thập các dữ liệu điều khiển nhiệt độ thật tế tại lò sấy gỗ ở xí nghiệp chếbiến lâm sản Hoà Nhơn – TP Đà Nẵng

 Xây dựng mô hình và mô phỏng mô hình trên phần mềm Matlab & Simulink

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài luận văn

Nhằm nâng cao chất lượng của vật liệu cần sấy thì quá trình điều khiển nhiệt độ

lò sấy có tính chất quyết định đến chất lượng và độ bền của sản phẩm Nên đề tài

“Ứng dụng logic mờ điều khiển quá trình nhiệt lò sấy” phát huy được ưu điểm của

bộ điều khiển mờ, giải quyết những khó khăn mà bộ điều khiển kinh điển gặp phải vàđưa ra các giải pháp điều khiển hợp lý, ổn định

Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ đóng góp thêm trong cáchtiếp cận và điều khiển đối tượng phi tuyến, khảo sát một số giải pháp về điều khiểnqua đó so sánh và đánh giá kết luận để lựa chọn bộ điều khiển thích hợp cho từng đốitượng cụ thể.

6 Bố cục luận văn

Mở đầu

Chương 1: Tổng quan về lò sấy

Chương 2: Lý thuyết điều khiển mờ

Chương 3: Ứng dụng logic mờ điều khiển quá trình nhiệt lò sấy

Chương 4: Kết quả và bàn luận

Kết luận và kiến nghị

Tài liệu tham khảo

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LÒ SẤY

1.1 Giới thiệu tổng quan

Sấy là một trong những khâu quan trọng trong dây chuyền công nghệ, được sửdụng ở nhiều ngành chế biến nông – lâm – hải sản là phương pháp bảo quản sản phẩmđơn giản, an toàn và dễ dàng Sấy không đơn thuần là tách nước ra khỏi vật liệu ẩm mà

là quá trình công nghệ phức tạp, đòi hỏi vật liệu sau khi sấy phải đảm bảo chất lượngtheo chỉ tiêu nào đó với mức chi phí năng lượng (điện năng, nhiệt năng) tối thiểu Quá trình sấy là quá trình làm khô các vật thể, các vật liệu, các sản phẩm bằngphương pháp làm bay hơi nước ra khỏi VLS Do vậy, quá trình sấy khô một vật thểdiễn biến như sau: Vật thể được gia nhiệt để đưa nhiệt độ lên đến nhiệt độ bão hòa ứngvới phân áp suất của hơi nước trên bề mặt vật thể, vật thể được cấp nhiệt để làm bayhơi ẩm

1.2 Phân loại các thệ thống sấy (HTS)

1.2.1 Hệ thống sấy tự nhiên

1.2.2 Hệ thống sấy nhân tạo

1.2.3 Các dạng lò sấy

1.2.3.1 Lò sấy gia nhiệt bằng khói lò

1.2.3.2 Lò sấy gia nhiệt bằng hơi nước

1.2.3.3 Lò sấy gia nhiệt bằng nhiệt điện trở

1.3 Điều khiển quá trình

1.3.1 Quá trình và các biến quá trình

1.3.2 Đặc điểm của điều khiển quá trình

1.3.3 Các thành phần cơ bản của một hệ thống

1.4 Mô hình hóa đối tượng lò sấy

1.4.1 Phương trình trạng thái của hệ thống

1.4.2 Mô hình toán học của lò sấy

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1

Chương một đã trình bày tổng quan các định nghĩa trong hệ thống sấy Các dạng

lò sấy và cách thiết kế tính toán chọn thiết bị sấy thích hợp Định nghĩa về quá trình vàđiều khiển quá trình, đưa ra mô hình toán học của lò sấy, tính phi tuyến của mô hìnhđối tượng Đây là phần chính và quan trọng để ứng dụng bộ điều khiển mờ trong điềukhiển đối tượng phi tuyến và thỏa mãn bài toán điều khiển cần nghiên cứu trong luận

văn này Bên cạnh đó, bộ điều khiển mờ sẽ được trình bày một cách tổng quan sẽ đượctrình bày trong chương tiếp theo.

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN

LOGIC MỜ 2.1 Tổng quan về lý thuyết logic mờ [2]

2.1.1 Tập hợp kinh điển

2.1.2 Định nghĩa tập mờ

2.1.3 Các dạng hàm thuộc trong logic mờ

2.1.4 Độ cao, miền xác định và miền tin cậy của tập mờ

2.4.1 Cấu trúc của bộ điều khiển mờ

2.4.2 Nguyên lý của bộ điều khiển mờ

2.4.3 Những nguyên tắc tổng hợp bộ điều khiển mờ

2.4.4 Các bước thực hiện khi xây dựng bộ điều khiển mờ

KẾT LUẬN CHƯƠNG 2

Chương hai đã trình bày tổng quan nhất về lý thuyết điều khiển mờ Sự ra đời vàphát triển của bộ điều khiển mờ và những tính chất hoàn hảo những khả năng mớitrong quá trình lựa chọn của bộ điều khiển mờ so với các bộ điều khiển kinh điển

Các bộ điều khiển mờ cho phép người thiết kể tận dụng kinh nghiệm của mình đểxây dựng luật điều khiển một cách đúng đắng và tối ưu Bên cạnh đó làm cho con việcthiết kế được giảm đi đáng kể và quá trình điều khiển cũng dễ dàng hơn nhiều

CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG LOGIC MỜ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH NHIỆT LÒ

SẤY3.1. Mô hình toán học lò sấy [13]

1 p 0

Vc

Q ) 3 k ( u Vc

G )) k ( T T ( Vc

U )) k ( T T ( V

) 4 k ( kv t ) k

- Chiều dài lò sấy : Lls = 6,1 (m)

- Khối lượng riêng không khí : = 1.2 (g/l)

- Thời gian lấy mẫu : t = 0,5 (s)

- Nhiệt dung riêng : Cp = 1,025 (J/g 0C)

- Thể tích của lò sấy : V = Rls.Hls.Lls.1000 (l)

- Mật độ truyền nhiệt : U = 9000 (J/K s)

- Điện áp : Up = 220/380 (V)

- Nhiệt lượng yêu cầu : Q = 50000 (kJ/h)

- Hiệu suất của thiệt bị cấp nhiệt : k = 0.95

- Công suất của thiết bị đố nóng: 14, kW

95,0.3600

50000

3600

QP

6,14

Ppt  

- Dòng điện qua mỗi phần tử đốt nóng: 11,1A

220

43,2phaUpt

Ppt

Giả sử chọn dây crôm-niken với nhiệt độ đốt nóng 6000C, tra bảng (1.2) ta có:đường kính dây điện trở d = 1,0 mm (tiết diện 0,7854 mm2) Chọn tốc độ gió 5 m/s,tính gần đúng hệ số truyền nhiệt đối lưu:

Co.2kJ/h.m7990

,1

50003

505,0600πdα

.P3600





(m)

- Chiều dài toàn bộ dây điện trở: L = 3.n.6,457 = 3.2.6,457 = 38,74 (m)

h

l 1000 w

2 2

2 tb 2

- Nhiệt trở suất của hợp kim Crom và Niken :r0 =1,1.10-6 (.m)

- Tiết diện dây: S = 2,0106.10-6 (m2)

- Điện trở dây : Rd=(ro.Lpt)/S ()

- Mật độ truyền nhiệt: U = 9000 (J/0C s)

) 3 (k u ρVCp

G ).y(k) 4 v(k V

k Δt.

) 4 v(k T V

k Δt.

) ρVCp

U 1 y(k).(

4 b.v(k a.y(k)

) 1

Phương trình (3.3) là một phương trình phi tuyến Cho v là một hằng số mở van

550 Mô hình lò sấy được mô tả là một hàm phi tuyến với mối quan hệ :

3)) u(k f(y(k), 1)

Thay các tham số a, b, c, d, e tình từ m.file ta có mô hình toán học hoàn chỉnh

3915 ,

5 ) 3 (k 2 u 5 10 3325 , 1 y(k) v 0099

,

0

v 4955 ,

0 y(k) 9286 ,

0 ) 1 y(k

Hình 3.1: Mô hình đối tượng của lò sấy

3.2. Điều khiển quá trình nhiệt lò sấy bằng bộ điều khiển PID

Bộ điều khiển PID là bộ điều khiển kinh điển được sử dụng rộng rãi trong các hệthống điều khiển công nghiệp Việc lựa chọn các thông số Kp,Ki,Kd tùy thuộc vàotừng đối tượng Nếu khâu tỉ lệ làm thay đổi giá trị đầu ra, tỉ lệ với giá trị sai số hiện tại.Đáp ứng tỉ lệ có thể được điều chỉnh bằng cách nhân sai số đó với một hằng số Kp thìkhâu tích phân Ki tỉ lệ thuận với cả biên độ sai số lẫn quảng thời gian xảy ra sai số.Tổng sai số tức thời theo thời gian (tích phân sai số) cho ta tích lũy bù đã được hiệuchỉnh trước đó Khâu tích phân (khi cộng thêm khâu tỉ lệ) sẽ tăng tốc chuyển động củaquá trình tới điểm đặt và khử số dư sai số ổn định với một tỉ lệ chỉ phụ thuộc vào bộđiều khiển v.v…

Để tổng hợp các thông số điều khiển PI thường sử dụng các phương pháp sau:

- Sử dụng mô hình xấp xỉ bậc nhất có trễ của đối tượng – Phương pháp thứ nhấtcủa Ziegler – Nichols

- Xác định thông số PID bằng thực nghiệp

- Phương pháp Chien – Hrones – Reswich

- Phương pháp tối ưu modul

- Phương pháp tối ưu đối xứng

Trong bài luận văn này, với các phương pháp trên tôi chọn phương pháp thựcnghiệp dùng bộ điều khiển PI Với ưu điểm là không cần tín toán phức tạp, nhưng cầnphải có kinh nghiệp chọn các tham số cho phù hợp để tối ưu trong điều khiển Trongluận văn chính là ứng dụng bộ điều khiển mờ nên phần PID sẽ trình trình bày cácphương pháp cơ bản và tóm tắt Các thống số chọn được lấy như sau:

- Thay bộ điều PID trong hệ kín bằng bộ khuyếch đại, sau đó tăng dần hệ sốkhuyếch đại tới giá trị tới hạn Kth để hệ kín ở chế độ biên giới ổn định Xác địnhchu kỳ Tth của hệ thống

- Sau khi thay thế vào hệ số khuyếch đại, tôi chọn được Kth =0,0000001 thì đạtbiên giới ổn định

- Xác định được chu kỳ chu kỳ tới hạn của hệ thống Tth = 2 giây

- Xác định thông số KP = 0,45 Kth, TI = 0,85 Tth

- Xác định thông số KI = KP/TI

- Cuối cùng ta có các thông số của bộ điều khiển PI thích hợp

Hình 3.2: Mô hình mô phỏng sử dụng bộ điều khiển PID

3.3. Điều khiển quá trình nhiệt lò sấy băng bộ điều khiển mờ

Mô hình mờ là mô hình mờ Mamdani

Tên gọi cho bộ chỉnh định mờ là: BO_DIEU_KHIEN_MO

Bộ điều khiển mờ được dùng để điều khiển đối tượng của lò sấy, theo kinhnghiệp thì bộ điều khiển mờ gồm có hai khâu vào và một khâu ra.

- Đầu vào thứ 1 là sai lệch nhiệt độ giữa nhiệt độ vào và nhiệt độ ra của lò sấy, đạilượng này được ký hiệu ET

- Đầu vào thứ hai là tốc độ biến thiên theo thời gian của nhiệt độ thực tế

dt

dET

đạilượng này ký hiệu là DET

- Đầu ra là tín hiệu điều khiển đưa vào đối tượng điều khiển, đại lượng này ký hiệu

là U(t)

Hình 3.3: Cấu trúc của bộ điều khiển mờ

3.4. Xác định tập mờ

Dựa vào kinh nghiệp vận hành của lò, đặc tính sai lệch nhiệt độ của bộ điềukhiển PI, đặc tính vật lý và các số liệu thu thập tại lò sấy thực nghiệp ta xây dựng bộđiều khiển theo luật sau:

Căn cứ vào nhiệt độ sai lệch của lò sấy, ta quy đổi giá trị vật lý tương ứng, xácđịnh các miền giá trị rõ tới hạn cho các biến vào/ ra như sau:

- Sai lệch nhiệt độ đầu vào được chọn trong miền giá trị: ET = [-20 20 ]

- Đạo hàm biến thiên nhiệt độ đầu vào được chọn trong miền giá trị:

DET = [- 30 30]

- Đầu ra tín hiệu điều khiển được chọn trong miền giá trị: U(t) = [ -1.2 1.2]

Xác định số lượng tập mờ ( giá trị ngôn ngữ) cần thiết cho các biến

Về nguyên tắc, số lượng các giá trị ngôn ngữ cho mỗi biến ngôn ngữ nên nằmtrong khoảng 3 đến 10 giá trị Nếu số lượng giá trị ít hơn 3 thì ít có ý nghĩa, vì khôngthực hiện được lấy vi phân Nếu lớn hơn 10, con người khó có khả năng bao quát, đểthông tin đầy đủ đồng thời dễ phân biệt ta chọn khoảng 5 đến 9 biến ngôn ngữ khácnhau Đối với quá trình điều khiển nhiệt độ lò sấy, ta có thể chọn số lượng tập mờ chomỗi biến đầu vào, đầu ra như sau:

Hình 3.4: Xác định tập mờ cho biến vào ET

Hình 3.5: Xác định tập mờ cho biến vào DET

Hình 3.6: Xác định tập mờ cho biến ra của U(t)

Dựa vào tính chất vật lý, các số liệu vào ra có được, kinh nghiệp và dựa vào đặttính quá độ ta xây dựng luật điều khiển như sau:

Nếu ET dương nhiều và DET Zero Thì điện áp U(t) dương nhiều

Nếu ET Zero và DET là dương nhiều thì U(t) Zero

Với mỗi suy luận tương tự, mỗi một biến ra ta có tổ hợp của 5 x 5 = 25 luật cụthnhư sau:

Bảng luật điều khiển

1 ( ( )) ( / )

)/())((

251

1)

(

l A l e t B l dn dt

dt dn l B t e

l y A l t

y là tâm của các tập mờ tương ứng

3.5. Mô hình mô phỏng dùng bộ điều khiển mờ

Hình 3.7: Mô hình mô phỏng dùng bộ điều khiển mờ không có tín hiệu nhiễu

Hình 3.9: Mô hình mô phỏng dùng bộ điều khiển mờ có tín hiệu nhiễu

KẾT LUẬN CHƯƠNG 3

Qua quá trình xây dựng mô hình đối tượng của lò sấy, bộ điều khiển mờ để điềukhiển nhiệt độ lò sấy Với nhiệt độ được khảo sát ở lò sấy gỗ thực nghiệp lấy cơ sở đểkhảo sát trên mô hình mô phỏng Ta thử nghiệp với giá trị đặt khác nhau trong bộ điềukhiển mờ để phát hiện lỗ hổng, nếu lỗ hỗng xuất hiện ta phải quay về điều chỉnh lại bộ

mờ bằng cách điều chỉnh lại độ che phủ, trong đề tài chọn hàm đầu là hàm tam giác(Trimf) bằng hàm (Zmf), thay hàm cuối hàm tam giác bằng hàm (Smf) để độ che phủđược bao quát và nằm trong giới hạn của giá trị Nếu quá trình làm việc của bộ điềukhiển mờ không ổn định nữa thì ta phải kiểm tra lại luật nếu… thì… Cơ sở Sau khithử tất cả các giá trị mà thấy tín hiệu ổn định và không xuất hiện lỗ hổng thì ta tiếnhành tối ưu hệ thống theo chất lượng động và tĩnh Để chỉnh định bộ điều khiển mờtheo các chỉ tiêu trên ta phải chỉnh lại hàm liên thuộc, thiết lập nguyên tắt điều khiểnphụ và thay đổi một số nguyên tắc cho phù hợp vơi luật điều khiển Cuối cùng ta được

bộ điều khiển mờ tối ưu

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 4.1 Kết quả điều khiển nhiệt độ lò sấy ở 53 o C dùng bộ điều khiển PI

Hình 4.1: Tín hiệu điều khiển nhiệt độ dùng bộ PI, bên trái là giá trị điều khiển và bên

phải là giá trị sai lệch nhiệt độ

4.2 Kết quả điều khiển nhiệt độ lò sấy ở 53 o C dùng bộ điều khiển mờ không

có tín hiệu nhiễu

Hình 4.2: Tín hiệu điều khiển nhiệt độ dùng bộ mờ không có nhiễu, bên trái là giá trị

điều khiển và bên phải là giá trị sai lệch nhiệt độ

4.3 Kết quả điều khiển nhiệt độ lò sấy ở 53 o C bộ điều khiển mờ khi có tín

hiệu nhiễu

Hình 4.3: Tín hiệu điều khiển nhiệt độ khi dùng bộ mờ có tín hiệu nhiễu, bên trái là giá

trị điều khiển và bên phải là giá trị sai lệch nhiệt độ

KẾT LUẬN CHƯƠNG 4

Bộ điều khiển mờ và bộ điều khiển PI dùng để khiển nhiệt độ lò sấy điều bámkhá tốt theo giá trị đặt ở nhiệt độ 530C khi không có tín hiệu nhiễu Tuy nhiên khi thêmtín hiệu nhiễu vào bộ điều khiển thì bộ điều khiển mờ vẫn đáp ứng được yêu cầu đặt

ra Đối tượng lò sấy là một hàm phi tuyến mạnh, trễ bậc 3 khi dùng bộ điều khiển mờ

để điều khiển với kết quả mô phỏng thu được, cho chúng ta nhận thấy rằng tín đáp ứngđược yêu cầu bài toán điều khiển đưa ra Bộ điều khiển tốt trong gian từ trong khoảng(0  50 ) giây

Bên cạnh đó, để bộ điều khiển mờ hoạt tốt hơn thì không thể dùng đơn lẽ màphải kết biết hợp thêm nhiều bộ điều khiển khác như: bộ điều khiển PID, bộ điều khiểnthích nghi (adaptive), hệ nơ ron (neural)…để thay đổi tham số điều khiển một cáchlinh hoạt và mềm dẽo thì sẽ có kết quả tốt hoàn thiện, tối ưu và chất lượng