Luận văn thạc sĩ ứng dụng PID mờ để giải quyết tính phi tuyến của vòng loop điều khiển nhiệt độ nước thải xuống sông

Luận văn thạc sĩ ứng dụng PID mờ để giải quyết tính phi tuyến của vòng loop điều khiển nhiệt độ nước thải xuống sông Những năm đầu của thập kỷ 90, một ngành điều khiển kỹ thuật mới được phát triển rất mạnh mẽ và đã đem lại nhiều thành tựu bất ngờ trong lĩnh vực điều khiển, đó là điều khiển mờ. Ưu điểm cơ bản của điều khiển mờ so với các phương pháp điều khiển kinh điển là có thể tổng hợp được bộ điều khiển mà không cần biết trước đặc tính của đối tượng một cách chính xác. Trong thực tế để phát huy hết ưu điểm của mỗi loại bộ điều khiển mờ và bộ điều khiển rõ (kinh điển), người ta thường dùng các hệ kết hợp giữa hai loại bộ điều khiển truyền thống và điều khiển mờ với nhau, ta gọi đó là bộ điều khiển PID mờ. Từ đó, việc kết hợp giữa bộ điều khiển kinh điển và bộ điều khiển mờ chính là cơ sở lý thuyết cho đề tài này. Để đưa ứng dụng lý thuyết này vào thực tế tôi chọn đề tài có tên “ứng dụng PID mờ để giải quyết tính phi tuyến của vòng Loop điều khiển nhiệt độ nước thải xuống sông”. Với việc sử dụng những thiết bị tự động hóa phổ biến như PLC S7300 và phần mềm giám sát Wincc và thực hiên lập trình trên SCL của phần mềm Simatic manager. Đề tài này thể hiện tính ứng dụng cao có thể đưa vào ứng dụng trong các nhà máy dầu khí hóa chất hoặc nó cũng là một tài liệu tham khảo rất bổ ích cho những sinh viên hoặc cách kỹ sư nghiên cứu về phương pháp điều khiển kinh điển và hiện đại.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS HOÀNG MINH TRÍ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 10 năm 2011

LỜI CAM ĐOAN

Một lần nữa, tôi xin khẳng định về sự trung thực của lời cam kết trên

TP HCM, ngày 10 tháng 2 năm 2012

Tác giả luận văn Trần Hoàng Nhất Linh

LỜI CÁM ƠN

Đề tài này được thực hiện theo chương trình đào tạo thạc sĩ tại Trường Đại học Giao Thông Vận Tải Tp.HCM, phòng Khoa học công nghệ và Đào tạo SĐH, chuyên ngành tự động hóa Xin cám ơn quý thầy cô đã tạo điều kiện thuận lợi để em thực hiện luận văn này

Xin chân thành cám ơn thầy trực tiếp hướng dẫn, TS Hoàng Minh Trí đã tận

tình giúp đỡ, đóng góp những ý kiến quí báu và hướng dẫn em hoàn thiện đề tài này Em cũng xin gởi lời cám ơn đến thầy Chủ nhiệm phụ trách lớp TĐH08, TS Hoàng Minh Trí đã khích lệ, đôn đốc và giám sát tiến độ trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Rất cảm kích trước sự cộng tác nhiệt tình của các anh chị và các bạn học viên lớp TĐH08, cám ơn vì sự đóng góp ý kiến hữu ích cùng những thảo luận thú vị

Lời tri ân đến gia đình và những người thân vì đã luôn ủng hộ và động viên trong suốt quá trình học, đặc biệt trong thời gian thực hiện đề tài này

Kính chúc sức khỏe quí thầy cô và các bạn

1.1 Giới thiệu tổng quan

1.2 Phạm vi nghiên cứu của đề tài

1.2.1 Đối tượng nghiên cứu

1.2.2 Phạm vi nghiên cứu

1.3 Phác thảo nội dung luận văn

Chương 2: Các hệ thống và phương pháp điều khiển trong công nghiệp

2.1 Nguyên tắc cơ bản của quá trình điều khiển

2.2 Một số mô Hình điều khiển Giám Sát

2.2.1 Mô hình tổng quát

2.2.2 Điều khiển tập trung

2.2.3 Điều khiển tập trung với vào/ra phân tán

2.2.4 Điều khiển phân tán

2.3 Điều khiển PID

2.3.1 Điều khiển PID liên tục

2.3.2 Dạng rời rạc của bộ điều khiển PID

2.3.3 Chức năng cụ thể của các thành phần trong PID

2.4 Điều khiển logic mờ

2.4.1 Khái niệm về điều khiển mờ

2.4.2 Bộ điều khiển mờ cơ bản

2.4.3 Những nguyên tắc tổng hợp bộ điều khiển mờ

2.5 Điều khiển PID mờ

Chương 3: Các bước triển khai thiết kế hệ thống pha trộn nhiệt cơ bản

3.1 Yêu cầu công nghệ

3.1.1 Sơ đồ công nghệ

3.1.2 Mô tả công nghệ

3.2 Hệ thống điều khiển

3.2.1 Danh sách thiết bị

3.2.2 Yêu cầu kỹ thuật cho hệ thống điều khiển

3.2.3 Cấu hình điều khiển

3.2.4 Địa chỉ hoá các đầu vào ra

3.3 Yêu cầu kỹ thuật cho thiết bị đo lường

3.3.1 Các thông số đặc trưng của cảm biến

3.3.2 Yêu cầu của các thiết bị do

3.4 Yêu cầu kỹ thuật cho thiết bị chấp hành

3.4.1 Các thông số đặc trưng của thiết bị chấp hành

3.4.2 Yêu cầu của các thiết bị chấp hành

Chương 4: Giới thiệu về PLC S7-300 và phần mềm Wincc

4.1 Tổng quan về PLC và PLC S7-300

4.1.1 Các thành phần cơ bản của một PLC

4.1.2 Đánh giá ưu nhược điểm của PLC

4.1.3 PLC S7-300

4.2 Giới thiệu về phương pháp lập trình SCL trong simatic manager

4.2.1 Giới thiệu ngôn ngữ SCL

4.2.2 Thiết kế một chương trình SCL

4.2.3 Các kiểu dữ liệu trong SCL

4.3 Tổng Quan về điều khiển giám sát trên WINCC

4.3.1 Giới thiệu phầm mềm điều khiển giám sát WinCC

4.3.2 Các chức năng chính của WinCC

Chương 5: Giải thuật và lập trình trên plc và Wincc

5.1 Thuật toán điều khiển hệ thống

5.1.1 Xây dựng giao diện hệ thống

5.1.2 Giải thuật phần logic

5.1.3 Giải thuật phần cho PID mờ

5.2 Lập trình trên PLC S7-314

5.2.1 Cấu trúc chương trình chính

5.2.2 Một số hàm đặc biệt trong chương trình

5.2.3 Lập trình SCL trong Simatic Manager

Chương 6: Kết quả thi công mô hình và đánh giá đề tài

6.1 Kết quả thi công

6.2 Đánh giá kết quả

1 Các vấn đề đã giải quyết trong luận văn

2 Các kết luận về giải thuật điều khiển

3 Đề xuất những nghiên cứu tiếp theo

Liệt kê từ viết tắt trong luận văn

PID-Proportional, Integral, Derivative (phương pháp điều khiển tỷ lệ tích phân vi phân)

CPU-Central Processing Unit (bộ xử lý trung tâm)

PLC-Programmable Logic Controler (thiết bị điều khiển ligic khả trình) RAM-Random Access Memory ( bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên)

ROM-Read Only Menory ( bộ nhớ chỉ đọc)

CNC- Computer Numerical Control (bộ điều khiển số)

DI- Digital Input ( ngõ vào số)

DO- Digital Out (ngõ ra số)

AI- Analog Input ( Ngõ vào tương tự)

AO- Analog Output ( Ngõ ra tương tự)

AC- Alternating current (Điện xoay chiều)

DC- Direct Current (Điện một chiều)

KP- Proportional Constant ( Hệ số tỷ lệ)

TI- Integral Constant (Hệ số tích phân)

TD- Derivative Constant (Hệ số vi phân)

DCS- Distributed Control System ( hệ thống điều khiển phân tán)

SP- Set Point (điểm đặt, giá trị đặt)

I/O- Input/ Output (ngõ vào và ngõ ra của thiết bị điều khiển)

MTĐK- Máy Tính Điều Khiển

DDC-Direct Digital controller (bộ điều khiển số trực tiếp)

MTGS- Máy tính giám sát

HĐKPT- Hệ điều khiển phân tán

PB- Proportional Band (Giải tỷ lệ)

e(t)-ET(Sai lệch nhiệt độ)

DET- Tốc biến đổi theo thời gian của sai lệch nhiệt độ

Cp-Nhiệt dung riêng

TTL- Transistor-Transistor Logic

CMOS- Complementary Metal-Oxide-Silicon

SQL- Structured Query Language

LAN-Local Area Network

HMI- Human Machine Interface

DLL- Dynamic Link Library

SCADA- Supervisory Control and Data Acquisition

LIỆT KÊ CÁC HÌNH

Hình 2.1: Hệ thống điều khiển và giám sát quá trình

Hình 2.2 Hệ điều khiển tập trung

Hình 2.3 Điều khiển tập trung với vào/ra phân tá

Hình 2.4: Cấu trúc điều khiển phân tán với vào/ra tập trung

Hình 2.5 Thuật toán điều khiển PID

Hình 2.6: Điều khiển tỉ lệ

Hình 2.7: Hiệu chỉnh P

Hình 2.8: Điều khiển tỉ lệ D

Hình 2.9: Tỉ số thời gian hiệu chỉnh PD

Hình 2.10: Hàm liên thuộc có mức chuyển đổi tuyến tính

Hình 2.11: Minh họa về miền xác định và miền tin cậy của một tập mờ

Hình 2.12: Bộ điều khiển mờ cơ bản

Hình 2.13: Ví dụ về một bộ điều khiển mờ động

Hình 2.14: Bộ điều khiển nhiệt độ

Hình 2.15: Định nghĩa tập mờ cho các biến ngôn ngữ

Hình 2.16: Biểu diễn luật điều khiển dưới dạng ma trận

Hình 2.17: Phương pháp chỉnh định mờ tham số bộ điều khiển PID

Hình 2.18: Bên trong bộ chỉnh định mờ

Hình 2.19: Định nghĩa tập mờ vào/ra

Hình 3.1 Sơ đồ cộng nghệ của hệ thống pha trộn nhiệt

Hình: 3.2 Cấu hình điều khiển

Hình 3.3: Yêu cầu của thiết bị cảm biến nhiệt độ (Temperature transmitter)

Hình 3.4: Yêu cầu của thiết bị công tắc mức (level switch)

Hình 3.5: Yêu cầu kỹ thuật của thiết bị đo lưu lượng (Flow totalizer indicator) Hình 3.6: Yêu cầu kỹ thuật của thiết bị van điều khiển tuyến tính (control valve) Hình 3.7: Yêu cầu kỹ thuật của thiết bị ON/OFF Van

Hình 4.1 Các thành phần cơ bản của một bộ điều khiển PLC

Hình4.2 Chu kỳ làm việc của PLC

Hình 4.3: Các phương pháp ghép nối giữa PLC với thiết bị ngoại vi

Hình 4.4 Sơ đồ chức năng (FDB)

Hình 4.5 Bố cục của các khối trong tập tin nguồn SCL

Hình 4.4 Sơ đồ chức năng (FDB)

Hình 4.5 Bố cục của các khối trong tập tin nguồn SCL

Hình 4.6 cú pháp của loại dữ liệu ngày tháng

Hình 4.7 Cú pháp của loại dữ liệu chuỗi

Hình 4.8 Cú pháp của loại dữ liệu mảng trong SCL

Hình 4.9 Khai báo loại dữ liệu có cấu trúc

Hình 4.10 Khai báo loại dữ liệu người dùng

Hình 4.11 Khả năng kết nối ở Wincc

Hình 5.1: Bản vẽ bố trí mô hình thiết bị và đường ống

Hình 5.2: Giao diện điều khiển chính

Hình 5.3: giao diện đồ thị của hệ thống

Hình 5.4: Sơ đồ giải thuật chọn chế độ Auto/ Manual

Hình 5.5: Sơ đồ giải thuật cho chế độ Auto

Hình 5.6: Sơ đồ điều khiển PID mờ

Hình 5.7: Đặc tính của hệ thống điều khiển PID

Hình 5.8: Mô hình điều khiển Fuzzy cho các hệ số PI

Hình 5.9: Biến ngôn ngữ cho sự sai lệch nhiệt độ

Hình 5.10: Biến ngôn ngữ cho tốc độ sai lệch nhiệt độ

Hình 5.11: Biến ngôn ngữ cho hệ số Kp

Hình 5.12: Biến ngôn ngữ cho hệ số KI

Hình 5.13: Luật hợp thành mờ cho hệ số tỷ lệ

Hình 5.14: Luật hợp thành mờ cho hệ số vi phân

Hình 5.15: Các Block trên Simatic Manager

Hình 5.16 Khối OB1

Hình 5.17 Khối OB35

Hình 5.18: Đồ thị mô tả hàm scale AI

Hình 5.19: Cú pháp hàm FC105 dạng LAD

Hình 5.20: Cú pháp hàm FC106 dạng LAD

Hình 5.21: Sơ đồ cấu trúc module PID

Hình 5.22: Khai báo tham số cho module PID

Hình 5.23: Sơ đồ khối cho chương trình Fuzzy

Hình 5.24: Chương trình SCL

Hình 5.25: Mô hình mô phỏng của hệ thống:

-o0o -

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

ĐỀ TÀI:

ỨNG DỤNG PID MỜ ĐỂ GIẢI QUYẾT TÍNH PHI

TUYẾN CỦA VÒNG LOOP ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ

NƯỚC THẢI XUỐNG SÔNG

CBHD:TS HOÀNG MINH TRÍ HVTH: TRẦN HOÀNG NHẤT LINH

TP HỒ CHÍ MINH – tháng 10 năm 2011

dụng lý thuyết này vào thực tế tôi chọn đề tài có tên “ứng dụng PID mờ để giải quyết tính phi tuyến của vòng Loop điều khiển nhiệt độ nước thải xuống sông”

Với việc sử dụng những thiết bị tự động hóa phổ biến như PLC S7-300 và phần mềm giám sát Wincc và thực hiên lập trình trên SCL của phần mềm Simatic manager Đề tài này thể hiện tính ứng dụng cao có thể đưa vào ứng dụng trong các nhà máy dầu khí hóa chất hoặc nó cũng là một tài liệu tham khảo rất bổ ích cho những sinh viên hoặc cách kỹ sư nghiên cứu về phương pháp điều khiển kinh điển

và hiện đại

Chương 1:

TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu tổng quan

Đề tài nghiên cứu về ứng dụng của phương pháp điều khiển PID mờ trong bộ điều khiển công nghiệp Với hệ thống ổn định nhiệt độ nước thải ra sông Bộ điều khiển này bao gồm bộ điều khiển PI kinh điển ở vòng trong và một bộ điều khiển

mờ ở vòng ngoài để chỉnh định tham số bộ điều khiển PI

Do cấu trúc đơn giản và bền vững nên các bộ điều khiển PID (tỷ lệ, tích phân, đạo hàm) được dùng phổ biến trong các hệ điều khiển công nghiệp Chất lượng của

hệ thống phụ thuộc vào các tham số KP, TI, TD của bộ điều khiển PID Nhưng vì các

hệ số của bộ điều khiển PID chỉ được tính toán cho một chế độ làm việc cụ thể của

hệ thống, do vậy trong quá trình vận hành luôn phải chỉnh định các hệ số này cho phù hợp với thực tế để phát hay tốt hiệu quả của bộ điều khiển Dựa theo nguyên lý chỉnh định đó, ta thiết kế bộ điều khiển mờ ở vòng ngoài để chỉnh định tham số bộ PID ở vòng trong Một bộ điều khiển chất lượng cao cần phải luôn đảm bảo chất lượng điều khiển tốt khi thông số của đối tượng thường xuyên biến đổi Bộ điều khiển mờ lai PID vừa phát huy hết các ưu điểm của bộ điều khiển rõ vừa sử dụng các ưu điểm hệ thống mờ giúp tránh khỏi những bài toán nhận dạng, mô hình hoá hay thiết kế phức tạp Ngoài ra, những kinh nghiệm về đặc tính của đối tượng, kinh nghiệm điều khiển đối tượng dễ dàng được kết hợp vào luật điều khiển Đây là hai

ưu điểm vượt trội của các bộ điều khiển PID mờ so với các bộ điều khiển khác Trong các nhà máy sản suất điều khiển dạng quá trình thì việc ổn định các thông

số công nghệ như nhiệt độ, áp xuất, mức chất lỏng và lưu lượng là cức kỳ quan trọng nó ảnh hưởng đến năng suất và chất lượng sản phẩm, giảm giá thành sản xuất trong sản xuất công nghiệp Vậy nên việc kết hợp hai phương pháp điều khiển này trên bộ lập trình PLC để điều khiển các thông số công nghệ là vấn đề cần thiết cho hầu hết các nhà máy xí nghiệp hiện nay

1.2 Phạm vi nghiên cứu của đề tài

1.2.1 Đối tượng nghiên cứu

- Nội dung đề tài bao gồm nghiên cứu giới thiệu các hệ thống điều khiển quá trình trong công nghiệp Các vấn đề liên quan đến việc thiết kế, lựa chọn thiết bị điều khiển, cảm biến đo lường và các thiêt bị chấp hành thông qua việc ứng dụng tiêu chuẩn tính toán, phương pháp mô hình hóa hệ thống

- Mặt khác đề tài triển khai đề điều khiển hệ thống ứng dụng việc kết hợp phương pháp điều khiển kinh điển như PID và phương pháp điều khiển hiện đại fuzzy vào hệ thống điều khiển quá trình trên PLC đó là phương pháp điều khiển

PID mờ

1.2.2 Phạm vi nghiên cứu

Luận văn trình bày cụ thể các vấn dề chính sau đây:

- Nghiên cứu các mô hình điêu khiển hiên đại trong hệ thống điều khiển quá trình PCS

- Lựa chọn thiết bị đo lường và điều khiển theo tiêu chuẩn quốc tế

- Nghiên cứu và tổng hợp các phương pháp lựa chọn các thiết bị điều khiển trong hệ thống PCS tuân theo các tiêu chuẩn quốc tế

- Đưa ra giải thuật, thiết kế và thi công mô hình hệ thống pha trộn nhiệt dựa trên phương pháp điều khiển PID mờ trên PLC S7300 và ứng dụng trên ngôn ngữ cấp cao của simatic manager

- Nhận xét kết quả và kết luận tính ứng dụng của đề tài trong thực tế ở các nhà máy hóa chất, dầu khí hiện nay

1.3 Phác thảo nội dung luân văn

Chương 1: Mở đầu

Chương 2: Giới thiệu một số kỹ thuật điều khiển trong công nghiệp như hệ thống

điều khiển phân tán (DCS), phương pháp điều khiển kinh điển PID, điều khiển cascade, điều khiển hiện đại Fuzzy

Chương 3: Giới thiệu phương pháp và thực hiện lựa chọn các thiết bị điều khiển,

cảm biến và thiết bị chấp hành trong hệ thống pha trộn nhiệt đổ nước thải ra sông

Chương 4: Tìm hiểu chức năng và một số hàm quan trọng trong PLC S7-300 và

phần mềm giám sát Wincc trong ứng dụng cho hệ thống điều khiển trong công nghiệp

Chương 5: Trình bày giải thuật điều khiển, lập trình với việc sử dụng hàm PID trên

simatic manager và lập trình Fuzzy bằng ngôn ngữ cấp cao SCL

Chương 6: Đánh giá kết quả thi công mô hình điều khiển và kiến nghị các phương

pháp nghiên cứu tiếp theo

Chương 2:

CÁC HỆ THỐNG VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TRONG CÔNG

NGHIỆP 2.1 Nguyên tắc cơ bản của quá trình điều khiển

Nguyên tắc cơ bản của điều khiển là làm sao cho hệ thống sẽ đạt đến sự ổn định

ở mức độ chấp nhận được khi thay đổi tác động hoặc giá trị cài đặt SP ở các trạng thái khác nhau của hệ Hệ thống phải có thể loại trừ các biến động của trở ngại và bám theo giá trị cài đặt SP Còn khi tinh chỉnh hệ thống điều khiển thì ngoài nguyên tắc cơ bản như trên, ta phải bám mục tiêu thiết yếu của công nghệ để lựa chọn cách tính tinh chỉnh cho phù hợp

Mục tiêu điều khiển bao gồm:

• Đạt được hoạt động cơ bản mà vẫn bám đuổi được tòan dãi công suất thiết bị

• Đảm bảo về mặt an toàn và ngăn ngừa được các tính huống xấu xảy ra

• Đảm bảo được điều kiện chuyển tiếp của hệ như lúc khởi động, dừng máy hay thay đổi SP

• Duy trì được chất lượng sản phẩm khi loại trừ các tác động bên ngoài lên quy trình công nghệ

• Thực hiện các chiến lược tối ưu hóa được đưa ra bởi các hệ thống máy tính quản lý và giám sát khác

Nói theo sơ đồ điều khiển nói trên thì cơ bản ta đối diện với mục tiêu chính: giảm thiểu ảnh hưởng của tác động và bám theo giá trị cài đặt tốt Ngoài ra còn có mục tiêu phụ là giảm thiểu ‘chi phí’ và sự biến động của các biến cần điều khiển

Ví dụ, một hệ thống chiên dầu khoai tây chiên gồm có bột nhào với gia vị được thái và ‘chuyển’ thành lát chiên với dầu trong một ‘bể’ chiên Có hai đường cấp vào cho bể, đường cấp liệu được cân đo bằng lưu lượng khối lượng, đường dầu chiên

được đo bằng lưu lượng khối lượng Nếu tỉ lệ pha trộn không đúng thì chất lượng khoai sản phẩm về độ béo sẽ không đạt Sử dụng hệ thống điều khiển tỉ lệ kết hợp quy tắc hiệu chỉnh bộ điều khiển thích hợp có thể đạt được mục tiêu trên

Một bình tách khí Hydrocarbon được điều khiển áp suất ổn định kết hợp với một van xả áp Nếu hệ điều khiển áp suất được cân chỉnh tốt thì khi lưu lượng vào thay đổi vẫn không làm cho áp suất dao động có thể gây tác động đến van xả áp

Một bể trộn liệu làm giấy, quy trình công nghệ buộc phải thay đổi SP liên tục theo nguồn cấp vào, đồng thời phải giữ cho mực liệu pha trộn trong bể ổn định, một giải thuật thích hợp cho bộ điều khiển sẽ thỏa mãn được hai mục tiêu nói trên

Các tác động trong thực tế không bao giờ có thể loại bỏ hoàn toàn, nhưng môt hệ thống tốt vẫn có thể làm giảm ảnh hưởng hậu quả của tác động và duy trì được thông số làm việc của quy trình ở mức độ cho phép Nếu sự biến động các thông số được giảm thiểu, thì có nghĩa chúng ta có thể vận hành hệ thống tiệm cận với điều kiện tối ưu và giảm được tổn hao và tiết kiệm được kinh phí

Ở đây xác dịnh thêm khái niệm về ổn định, nếu hệ thống khi bị tương tác (từ các tác động hoặc SP thay đổi) mà vẫn quay về được tình trạng làm việc trong tầm kiểm soát, tức là đầu ra nằm trong phạm vi nhất định ứng với đầu vào ở phạm vi nhất định, thì xem hệ thống là ổn định

Trong thực tế, sự ổn định nói trên chỉ xét ở tình trạng dài hạn sau khi hệ thồng vượt qua quảng thời gian chuyển tiếp qúa độ thành công đối với các tương tác dạng xung và dạng bậc thang

Các tương tác tăng hay giảm đều đều liên tục không giới hạn sẽ đưa hệ thống đến điểm giới hạn bất ổn Các tương tác thuộc loại sóng sin, hệ thống thường sẽ không xác lập vì thường dao động Hai loại này sẽ không xét đến

Sự ổn định hệ thống rõ ràng phụ thuộc vào thuộc tính bản thân nó, loại tương tác như kể trên và độ lớn của tương tác Độ lớn tương tác nếu quá lớn sẽ đưa hệ thống

đi vào chế độ mà tính tuyến tính của hệ không còn đầy đủ nữa, vì ở đây ta đang giải

quyết bài toán bằng việc làm gần đúng, tức là ‘làm tròn’ tuyến tính cho hệ trong một vùng nào đó

Cân chỉnh bộ điều khiển là một công việc dĩ hòa Bởi lẽ các mục tiêu điều khiển nói trên luôn luôn mâu thuẫn lẫn nhau Hiếm khi đạt được sự đồng thuận giữa các mục tiêu, vì vậy cần cân nhắc chọn lựa đâu là mục tiêu chính yếu đâu là thứ yếu để

Hình 2.1: Hệ thống điều khiển và giám sát quá trình Tùy theo loại cảm biến, tín hiệu của chúng đưa ra có thể là tín hiệu nhị phân, tín hiệu số hay tín hiệu tương tự theo các chuẩn điện học thông dụng khác nhau (1 10V, 0 5V, 4 20mA, 0 20mA, v.v ) Trước khi có thể xử lý trong máy tính số, các tín hiệu đo cần được chuyển đổi, thích ứng với chuẩn giao diện vào/ra của máy tính Bên cạnh đó, ta cũng cần các biện pháp cách ly điện học để tránh sự ảnh hưởng xấu lẫn nhau giữa các thiết bị Đó chính là các chức năng của các module vào/ra (I/O)

Tóm lại, một hệ thống điều khiển và giám sát bao gồm các thành phần chức năng chính sau đây: Giao diện quá trình: Các cảm biến và cơ cấu chấp hành, ghép nối vào/ra, chuyển đổi tín hiệu

• Thiết bị điều khiển tự động: Các thiết bị điều khiển như các bộ điều khiển

chuyên dụng, bộ điều khiển khả trình PLC (programmable logic controller), thiết bị điều chỉnh số đơn lẻ (compact digital controller) và máy tính cá nhân cùng với các

phần mềm điều khiển tương ứng

• Hệ thống điều khiển giám sát: Các thiết bị và phần mềm giao diện người máy, các trạm kỹ thuật, các trạm vận hành, giám sát và điều khiển cao cấp

• Hệ thống truyền thông: Ghép nối điểm-điểm, bus cảm biến/chấp hành, bus trường, bus hệ thống

• Hệ thống bảo vệ, cơ chế thực hiện chức năng an toàn

2.2.2 Điều khiển tập trung

Cấu trúc tiêu biểu của một hệ điều khiển tập trung (centralized control system) được minh họa trên Hình 2.2 Một máy tính duy nhất được dùng để điều khiển toàn

bộ quá trình kỹ thuật Máy tính điều khiển ở đây (MTĐK) có thể là các bộ điều khiển số trực tiếp (DDC), máy tính lớn, máy tính cá nhân hoặc các thiết bị điều khiển khả trình Trong điều khiển công nghiệp, máy tính điều khiển tập trung thông

thường được đặt tại phòng điều khiển trung tâm, cách xa hiện trường Các thiết bị cảm biến và cơ cấu chấp hành được nối trực tiếp, điểm-điểm với máy tính điều khiển trung tâm qua các cổng vào/ra của nó Cách bố trí vào/ra tại máy tính điều khiển như vậy cũng được gọi là vào/ra tập trung (central I/O)

và nhỏ, điều khiển các loại máy móc và thiết bị bởi sự đơn giản, dễ thực hiện và giá thành một lần cho máy tính điều khiển Điểm đáng chú ý ở đây là sự tập trung toàn

bộ “trí tuệ”, tức chức năng xử lý thông tin trong một thiết bị điều khiển duy nhất Tuy nhiên, cấu trúc này bộc lộ những hạn chế sau:

• Công việc nối dây phức tạp, giá thành cao

• Việc mở rộng hệ thống gặp khó khăn

• Độ tin cậy kém

2.2.3 Điều khiển tập trung với vào/ra phân tán

Cấu trúc vào/ra tập trung với cách ghép nối điểm-điểm thể hiện một nhược điểm

cơ bản là số lượng lớn các cáp nối, dẫn đến giá thành cao cho dây dẫn và công thiết

kế, lắp đặt Một hạn chế khác nữa là phương pháp truyền dẫn tín hiệu thông thường giữa các thiết bị trường và thiết bị điều khiển dễ chịu ảnh hưởng của nhiễu, gây ra sai số lớn Vấn đề này được khắc phục bằng phương pháp dùng bus trường như đã nêu trong phần trước Hình 2.3 minh họa một cấu hình mạng đơn giản Ở đây các module vào/ra được đẩy xuống cấp trường gần kề với các cảm biến và cơ cấu chấp

hành, vì vậy được gọi là các vào/ra phân tán (Distributed I/O) hoặc vào/ra từ xa (Remote I/O) Một cách ghép nối khác là sử dụng các cảm biến và cơ cấu chấp hành

thông minh (màu xám trên hình vẽ), có khả năng nối mạng trực tiếp không cần thông qua các module vào/ra Bên cạnh khả năng xử lý giao thức truyền thông, các thiết bị này còn đảm nhiệm một số chức năng xử lý tại chỗ như lọc nhiễu, chỉnh định thang đo, tự đặt chế độ, điểm làm việc, chẩn đoán trạng thái,v.v Trong nhiều trường hợp, các thiết bị có thể đảm nhiệm cả nhiệm vụ điều khiển đơn giản

BUS TRƯỜNG

CẢM BIẾN VÀ THIẾT BỊ CHẤP HÀNH

I/O Module

MÁY TÍNH ĐIỀU KHIỂN

MÁY TÍNH GIÁM SÁT

PHÒNG ĐIỀU KHIỂN

HIỆN TRƯỜNG

Hình 2.3 Điều khiển tập trung với vào/ra phân tán

Sử dụng bus trường và cấu trúc vào/ra phân tán mang lại các ưu điểm sau:

• Tiết kiệm dây dẫn và công đi dây, nối dây

• Giảm kích thước hộp điều khiển

• Tăng độ linh hoạt hệ thống nhờ sử dụng các thiết bị có giao diện chuẩn và khả năng ghép nối đơn giản

• Thiết kế và bảo trì dễ dàng nhờ cấu trúc đơn giản

• Khả năng chẩn đoán tốt hơn (các thiết bị hỏng được phát hiện dễ dàng)

• Tăng độ tin cậy của toàn hệ thống

2.2.4 Điều khiển phân tán

Trong đa số các ứng dụng có qui mô vừa và lớn, phân tán là tính chất cố hữa của

hệ thống Một dây chuyền sản xuất thường được phân chia thành nhiều phân đoạn,

có thể được phân bố tại nhiều vị trí cách xa nhau Để khắc phục sự phụ thuộc vào

một máy tính trung tâm trong cấu trúc tập trung và tăng tính linh hoạt của hệ thống,

ta có thể điều khiển mỗi phân đoạn bằng một hoặc một số máy tính cục bộ, như

Hình 2.4 minh họa

BUS TRƯỜNG

CẢM BIẾN VÀ THIẾT BỊ CHẤP HÀNH

I/O Module

I/O Module

I/O Module

MÁY TÍNH ĐIỀU KHIỂN

I/O Module

PHÒNG ĐIỀU

KHIỂN CỤC BỘ

PHÒNG ĐIỀU KHIỂN CỤC BỘ

PHÒNG ĐIỀU KHIỂN CỤC BỘ

PHÒNG ĐIỀU KHIỂN

CẢM BIẾN VÀ THIẾT BỊ CHẤP HÀNH

CẢM BIẾN VÀ THIẾT BỊ

CHẤP HÀNH

BUS TRƯỜNG

BUS HỆ THỐNG

Hình 2.4: Cấu trúc điều khiển phân tán với vào/ra tập trung

Các máy tính điều khiển cục bộ thường được đặt rải rác tại các phòng điều

khiển/phòng điện của từng phân đoạn, phân xưởng, ở vị trí không xa với quá trình

kỹ thuật Các phân đoạn có liên hệ tương tác với nhau, vì vậy để điều khiển quá

trình tổng hợp cần có sự điều khiển phối hợp giữa các máy tính điều khiển Trong

phần lớn các trường hợp, các máy tính điều khiển được nối mạng với nhau và với

một hoặc nhiều máy tính giám sát (MTGS) trung tâm qua bus hệ thống Giải pháp này dẫn đến các hệ thống có cấu trúc điều khiển phân tán, hay được gọi là các hệ điều khiển phân tán (HĐKPT) Ưu thế của cấu trúc điều khiển phân tán không chỉ

dừng lại ở độ linh hoạt cao hơn so với cấu trúc tập trung Hiệu năng cũng như độ tin cậy tổng thể của hệ thống được nâng cao nhờ sự phân tán chức năng xuống các cấp dưới Việc phân tán chức năng xử lý thông tin và phối hợp điều khiển có sự giám sát từ các trạm vận hành trung tâm mở ra các khả năng ứng dụng mới, tích hợp trọn vẹn trong hệ thống như lập trình cao cấp, điều khiển trình tự, điều khiển theo công thức và ghép nối với cấp điều hành sản xuất

2.3 Điều khiển PID

Bộ hiệu chỉnh PID (vi tích phân tỉ lệ) rất hay dùng trong các hệ thống điều khiển Vì nó tăng chất lượng đáp ứng của hệ thống với các ưu điểm sau: PID là sự kết hợp ưu điểm của 2 khâu PD và PI, nó làm giảm thời gian xác lập, tăng tốc độ đáp ứng của hệ thống, giảm sai số xác lập, giảm độ vọt lố, …

2.3.1 Điều khiển PID liên tục

Điều khiển PID là cấu trúc điểu khiển thông dụng nhất trong các quy trình điều khiển Đầu ra của điều khiển là tổng của ba thành phần Thành phần thứ nhất uP(t)

là tỷ lệ giữa sai số đầu ra của hệ thống thực với giá trị tham chiếu (giá trị đặt) Thành phần thứ hai uI(t) là tích phân theo thời gian của sai số và thành phần thứ ba

uD(t) là đạo hàm của sai số theo thời gian

Phương trình vi tích phân mô tả mối tương quan giữa tín hiệu ra u(t) với tín hiệu vào e(t) của bộ điều khiển PID là:

Hình 2.5 Thuật toán điều khiển PID

Một vài quy trình điều khiển, đặc biệt là các quy trình cũ, có khoảng tỉ lệ (proportional band) được đặt thay vì là độ lợi điều khiển Proportional Band PB (theo phần trăm) được xác định là PB = 100/K Định nghĩa này chỉ áp dụng khi K là không thứ nguyên

Công thức của hàm điều khiển không chỉ ra giới hạn thực tế ở đầu ra Điều khiển

sẽ đạt trạng thái bão hòa khi ngõ ra đạt tới giới hạn vật lý umax hoặc umin Trong thực

tế, ngõ ra của điều khiển tỷ lệ như sau:

Hình 2.6: Điều khiển tỉ lệ Phần tích phân của hàm điều khiển được dùng để khử sai số của trạng thái ổn định Chức năng của nó có thể được giải thích bằng trực giác như sau : Giả sử hệ thống ở trạng thái ổn định vì vậy tất cả các tín hiệu đều là hằng số, đặc biệt là e(t) Trạng thái ổn định chỉ được duy trì nếu phần tích phân ui(t) là hằng số, mặt khác u(t) có thể thay đổi Điều này chỉ xảy ra nếu e(t) bằng không

Hàm điều khiển cũng có thể được biểu điễn theo phép biến đổi Laplace như sau:

U(s) – U0(s) = U(s) = UP(s) + UI(s) + UD(S) =

= K [1 + 1

𝑇𝑖𝑠 + 𝑇𝑑𝑠] 𝐸(𝑠) = K(1+ Tis + TiTds2)𝐸(𝑠)

𝑇𝑖𝑆 (2.2) Lưu ý trong hàm điều khiển này bậc của tử số lớn hơn bậc của mẫu số do đó độ lợi của hàm điều khiển tiến về vô cùng ở tần số cao Đây là hệ quả của giới hạn đạo hàm Trong thực tế đạo hàm khó có thể đạt được chính xác, nhưng có thể coi một cách gần đúng đối với hệ thống bậc nhất với hằng số thời gian Tf

Ta có:

U(s) = UP(s) + UI(s) + UD(S) = K[1 + 1

𝑇𝑖𝑠 + 𝑇𝑑 𝑠 1+𝑇𝑓𝑠 ] 𝐸(𝑠) (2.3)

Trong đó :Tf = Td/N với N khoảng từ 5 đến 10 Độ lợi phần đạo hàm của hàm điều khiển có giới hạn là KN ở tần số cao Hàm PID từ công thức (2.3) được viết lại như sau:

bị mất ý nghĩa Thời trễ giới hạn đặc tính của hệ thống điều khiển và có thể dẫn đến

sự mất ổn định của hệ thống Bất cứ hệ thống nào có thời trễ khi điều khiển bởi PID thường hoạt động chậm hơn

Bị giới hạn bởi số các thông số, điều khiển PID không thể tùy tiện tác động mọi tiến trình với yêu cầu chất lượng của hệ thống sau điều khiển như mong muốn

2.3.2 Dạng rời rạc của bộ điều khiển PID

Bộ điều khiển trong hệ thống số cần được rời rạc ở một vài mức để nhập vào máy tính Bộ điều khiển liên tục sẽ được rời rạc ở dạng số thích hợp với máy tính Trong việc thiết kế bộ điều khiển liên tục, thì chính nó cũng được rời rạc Cho hệ số lấy mẫu ngắn bên trong, thời gian vi phân có thể được xấp xĩ bởi một sai phân có giới hạn và tích phân qua việc lấy tổng Chúng ta sẽ quan tâm mỗi dạng ở một thời điểm Sai số được tính toán ở mỗi khoảng lấy mẫu: e(kh) = uc(kh) – y(kh)

+ Sự hiệu chỉnh thực tế của bộ điều khiển

Một chu kỳ lấy mẫu quá dài có thể ảnh hưởng đến việc điều khiển hồi tiếp như

là bị nhiễu Một trường hợp đặc biệt là nếu chu kỳ lấy mẫu lâu hơn thời gian đáp ứng của quá trình thì nhiễu có thể ảnh hưởng đến quá trình xử lí và sẽ mất trước khi

bộ điều khiển có thể nhận được một họat động chính xác Vì vậy một điều rất quan trọng là quan tâm đến động học và đặc tính nhiễu của quá trình trong việc lựa chọn chu kỳ lấy mẫu Tỉ số tín hiệu trên nhiễu cũng ảnh huởng đến sự lựa chọn chu kỳ lấy mẫu

Trong việc xử lý tín hiệu mục đích là lấy mẫu tín hiệu với máy tính và phục hồi

nó từ dạng thời gian rời rạc Lý thuyết lấy mẫu không có xem thời gian tính toán là mối quan tâm để mà cấu trúc lại thời gian, tín hiệu được lấy mẫu có thể mất thời gian khá lâu Nói thêm nữa là ta giả sử tín hiệu được chu kỳ hóa Trong những ứng dụng điều khiển các tín hiệu thường không có theo chu kỳ và thời gian tính toán cho việc cấu trúc lại tín hiệu bị giới hạn

2.3.3 Chức năng cụ thể của các thành phần trong PID

2.3.3.1 Khâu hiệu chỉnh khuếch đại tỉ lệ (P)

Được đưa vào hệ thống nhằm làm giảm sai số xác lập, với đầu vào thay đổi theo hàm nấc sẽ gây vọt lố cao do đó vị trí sẽ không đúng theo yêu cầu

Đây là bộ điều khiển mà biến đặt tỉ lệ với độ lệch từ điểm đặt bên trong dãy tỉ lệ cho phạm vi vị trí đặt

Khi vị trí hiện tại thấp hơn mức giới hạn thấp nhất của dãy tỉ lệ, biến đặt vào là 100% Khi vị trí bên trong dãy tỉ lệ, biến đặt giảm dần tỉ lệ với độ lệch và giảm 50% Khi vị trí hiện tại bằng với điểm đặt và không có lệch Khi đó khâu P cho phép điều khiển vị t rí phẳng với nhấp nhô nhỏ hơn điều khiển ON-OFF (điều khiển đóng ngắt)

Hình 2.7: Hiệu chỉnh P

2.3.3.2 Khâu điều khiển vi phân D (Hoạt động đạo hàm)

Được đòi hỏi phải bù, được thực hiện đúng với biến đặt tỉ lệ,mức nghiêng của độ lệch được chỉ ra ở hình 2.8 dưới đây:

Bước đáp ứng

Hình 2.8: Điều khiển tỉ lệ D

Tỉ số thời gian (rate time)

Tỉ số thời gian là số biểu diễn độ dài của của quá trình hoạt động Đây là thời gian đòi hỏi biến đặt của tỉ số hoạt động đạt được giống như biến đặt trong hoạt động hiệu chỉnh khi xảy ra thay đổi độ dốc trong độ lệch như hình 2.9 Tuỳ theo tỉ

số thời gian dài hơn, vi phân linh hoạt hơn

Hình 2.9: Tỉ số thời gian hiệu chỉnh PD Hiệu ứng vi phân (Differetial Effect )

Trường hợp độ lệch xảy ra đột ngột trong bộ chia tỉ lệ được trình bày trong hình 2.9 Trước tiên ON hoặc OFF thời gian của output relay được kéo dài bằng việc chỉnh đến điểm đặt sớm hơn Vì hiệu ứng của điều khiển này tương tự như tỉ số hoạt động, được xem như là “hiệu ứng vi phân“

2.3.3.3 Khâu tích phân I

Điều khiển hoạt động I

Độ lệch tăng bởi sự tương quan giữa vị trí đặt của hệ điều khiển và vị trí hiện tại,

và giữ sau khi hệ thống điều khiển đạt trạng thái bền Sự lệch này gọi là sai số Nếu như sai số xảy ra trong bộ điều khiển mà chỉ thực hiện điều khiển tỉ lệ, thì nó sẽ thiếu chính xác Giảm và loại sai số để vị trí điều khiển hợp với điểm đặt Khâu P thường được dùng để kết hợp với bộ điều khiển tích phân I

2.3.3.4 Cách tính Kp, Ti, Td

Phương pháp xác định thông số PID (Phương pháp khử sai): Chọn một giá trị nào

đó của các thông số và cho hệ thống chạy thử, thay đổi các thông số này theo chiều hướng hệ ổn định và đạt chất lượng như mong muốn, đến khi nào ta chọn được các thông số tối ưu thì việc chọn các thông số PID chấm dứt Tuy nhiên, để quá trình chọn thông số PID trở nên đơn giản ta dùng phương pháp Ziegler-Nichol để tính

thông số PID từ hàm truyền của động cơ, và lấy các thông số này để thử hệ thống, thay đổi vài lần các giá trị gần với thông số này ta sẽ được hệ thống tối ưu

Lý do các giá trị tìm được từ phương pháp Ziegler-Nichol không phải là các giá trị tối ưu là do phương pháp Ziegler-Nichol chỉ áp dụng cho hệ thống có quán tính lớn

2.4 Điều khiển logic mờ

Điều khiển mờ chiếm một vị trí rất quan trọng trong điều khiển học kỹ thuật hiện đại Ngay từ buổi đầu tiên, điều khiển mờ đã đem lại sự ngạc nhiên đáng kể hoàn toàn trái với tên gọi của nó, kỹ thuật điều khiển này đồng nghĩa với độ chính xác và khả năng thực hiện Tuy là ngành kỹ thuật điều khiển non trẻ nhưng những ứng dụng trong công nghiệp của điều khiển mờ thật rộng rãi như: điều khiển nhiệt độ, điều khiển giao thông vận tải, điều khiển trong các lĩnh vực hàng hóa dân dụng

• So với các giải pháp kỹ thuật từ trước đến nay được áp dụng để tổng hợp bộ điều khiển, phương pháp tổng hợp hệ thống bằng bộ điều khiển mờ chỉ ra những ưu điểm rõ rệt sau đây:

• Khối lượng công việc thiết kế giảm đi nhiều do không cần sử dụng mô hình đối tượng trong việc tổng hợp hệ thống

• Bộ điều khiển mờ dễ hiểu hơn so với các bộ điều khiển khác (cả về kỹ thuật)

cách biểu diễn như vậy sẽ không phù hợp với những tập mô tả “mờ” như tập B gồm các số thực dương nhỏ hơn nhiều so với 6: B ={x ∈ R | x << 6}

Hoặc tập C gồm các số thực gần bằng 3: C ={x ∈ R | x » 3 }

Lý do với những định nghĩa mờ như vậy chưa đủ để xác định được một số x=3,5

có thuộc B hay không hoặc x=2,5 có thuộc C hay không Nếu đã không khẳng định được x=3,5 có thuộc B hay không thì cũng không thể khẳng định được x=3,5 không thuộc B Vậy thì x=3,5 thuộc B bao nhiêu phần trăm? Giả sử rằng câu trả lời đó có thì hàm phụ thuộc µB(x) tại điểm x=3,5 phải có một giá trị trong khoảng [0,1], tức là: 0<𝜇𝐵 <1

Hàm số cho biết độ phụ thuộc của các phần tử vào tập mờ gọi là hàm liên thuộc Như đã trình bày ở phần trước, từ phát biểu mô tả tập hợp kinh điển ta hoàn toàn có thể suy ra hàm đặc trưng của tập hợp Trái lại từ phát biểu mô tả tập hợp mờ ta không thể suy ra hàm liên thuộc Do đó hàm liên thuộc phải được nêu lên như là một điều kiện trong định nghĩa tập mờ

Định nghĩa 1: Tập mờ F xác định trên tập kinh điển M là một tập mà mỗi phần tử của nó là một cặp các giá trị (x, F(x)) trong đó x ∈ M và F là ánh xạ: F: M → [0,1]

Ánh xạ F(x) được gọi là hàm liên thuộc (hoặc hàm phụ thuộc) của tập mờ F Tập kinh điển mờ được gọi là cơ sở của tập mờ F Sử dụng các hàm liên thuộc để tính độ phụ thuộc của một phần tử x nào đó có hai cách: tính trực tiếp (F(x) cho trước dưới dạng công thức tường minh) hoặc tra bảng (nếu F(x) cho dưới dạng bảng)

Các hàm liên thuộc thường có dạng trơn được gọi là hàm liên thuộc kiểu S Đối với hàm liên thuộc kiểu S do các công thức biểu diễn F(x)có độ phức tạp lớn nên thời gian tính độ phụ thuộc cho một phần tử lâu Bởi vậy trong kỹ thuật điều khiển

mờ thông thường các hàm liên thuộc kiểu S hay được thay gần đúng bằng một hàm tuyến tính từng đoạn và được gọi là hàm liên thuộc có mức chuyển đổi tuyến tính

Hình 2.10: Hàm liên thuộc có mức chuyển đổi tuyến tính

Hàm liên thuộc F(x) như trên với m1= m2 và m3= m4 chính là một hàm phụ thuộc của một tập kinh điển

Định nghĩa 2: Độ cao, miền xác định và miền tin cậy của tập mờ

Thông thường các hàm liên thuộc đều có độ cao bằng 1 Điều đó nói rằng các tập

mờ đều có ít nhất một phần tử có độ phụ thuộc bằng 1 Trong thực tế không phải tập

mờ nào cũng có phần tử có độ phụ thuộc bằng 1, tương ứng với điều đó thì không phải mọi hàm liên thuộc đều có độ cao là 1 Định nghĩa (a) Độ cao của tập mờ F (trên cơ sở M) là giá trị: H = sup F(x)

Với x ∈ M

Một tập mờ với ít nhất một phần tử có độ phụ thuộc bằng 1 được gọi là tập mờ chính tắc tức là H =1, ngược lại một tập mờ F với H<1 được gọi là tập mờ không chính tắc

Định nghĩa 3: Miền xác định của tập mờ F (trên cơ sở M), được ký hiệu bởi S là tập con của M thỏa mãn

S = {x ∈ M F(x) > 0}

Định nghĩa 4: Miền tin cậy của tập mờ F (trên cơ sở M), được ký hiệu bởi T là tập con của M thỏa mãn

T = {x∈ M | F(x) = 1}

Hình 2.11: Minh họa về miền xác định và miền tin cậy của một tập mờ

2.4.2 Bộ điều khiển mờ cơ bản

Một bộ điều khiển mờ cơ bản gồm ba thành phần cơ bản:

• Khâu Fuzzy hóa

• Thiết bị thực hiện luật hợp thành

• Khâu giải mờ

Hình 2.12: Bộ điều khiển mờ cơ bản

Do bộ điều khiển mờ cơ bản chỉ có khả năng xử lý các giá trị tín hiệu hiện thời nên nó thuộc nhóm các bộ điều khiển tĩnh Tuy vậy để mở rộng miền ứng dụng của

chúng vào các bài toán điều khiển động, các khâu động học cần thiết sẽ được nối thêm vào bộ điều khiển mờ cơ bản Các khâu động đó chỉ có nhiệm vụ cung cấp thêm cho bộ điều khiển mờ cơ bản các giá trị đạo hàm hay tích phân của tín hiệu Cùng với những khâu động bổ sung này, bộ điều khiển cơ bản sẽ được gọi là bộ điều khiển mờ

Hình 2.13: Ví dụ về một bộ điều khiển mờ động

2.4.3 Những nguyên tặc ttoongr hợp bộ điều khiển mờ

2.4.3.1 Định nghĩa các biến vào ra

Trong ví dụ này, việc định nghĩa các biến vào ra cho bộ hợp thành mờ tương đối đơn giản Đại lượng vào của bộ điều khiển mờ chình là sai lệch ( được ký hiệu bằng ET) giữa nhiệt độ cần giữ ổn định (tín hiệu chủ đạo x) và nhiệt độ thực y (nhiệt độ

đo được từ bộ cảm biến tín hiệu ra của đối tượng) Ngoài ra trong bộ điều khiển mờ còn sử dụng đến sự biến đổi theo thời gian của sai lệch (đạo hàm 𝑑

𝑑𝑡𝐸(𝑡) )giữa tín hiệu chủ đạo và tín hiệu ra của đối tượng (ký hiệu bằng DET)

Hình 2.14: Bộ điều khiển nhiệt độ

Công suất sưởi nóng hay làm mát P là biến ra của bộ điều khiển P là một giá trị

rõ Bên trong, thuộc phần giao diện đầu ra, bên cạnh khâu giải mờ bộ điều khiển còn phải sử dụng khâu tích phân để biến đổi giá trị 𝑑

𝑑𝑡𝑃 , được ký hiệu là DP, tại đầu ra của bộ điều khiển mờ cơ bản, tức là đầu ra rõ của thiết bị hợp thành, tín hiệu

P của điều khiển mờ Thiết bị hợp thành có hai biến vào là ET, DET và một biến ra

DP (Hình 2.14)

2.4.3.2 Xác định tập mờ

Bước tiếp theo là định nghĩa các biến vào/ra bao gồm số các tập mờ và dạng các hàm liên thuộc của chúng Để làm được điều đó cần xác định:

a Miền giá trị vật lý (cơ sở) của các biến ngôn ngữ vào/ra

Sai lệch nhiệt độ ET được chọn trong miền giá trị từ –12oC đến +12oC, tốc độ biến đổi DET của sai lệch có giá trị biến đổi từ –6oC/s dến +6oC/s và tốc độ biến đổi công suất ra DP nằm trong khoảng –120W/s dến +120W/s

b Số lượng tập mờ (giá trị ngôn ngữ)

Về nguyên tắc, số lượng các giá trị ngôn ngữ cho mỗi biến ngôn ngữ nên nằm trong khoảng từ 3 đến 10 giá trị Nếu số lượng giá trị ít hơn 3 thì có ít ý nghĩa, vì không thực hiện được việc lấy vi phân Nếu lớn hơn 10, con người khó có khả năng

bao quát, vì con người phải nghiên cứu đầy đủ để đồng thời phân biệt khoảng 5 đến

9 phương án khác nhau có khả năng lưu trữ trong một thời gian ngắn Đối với quá trình điều khiển nhiệt độ, có thể xác định các giá trị sau:

ET  {âm, không, dương} hoặc

ET  {âm, âm ít, không, dương ít, dương} hoặc

ET  {âm nhiều, âm, âm ít, không, dương ít, dương, dương nhiều}

Sau đây, những tên gọi giá trị ngôn ngữ trên sẽ được dùng một ký hiệu ngắn gọn suy ra từ tiếng Anh như sau:

Âm nhiều – NB (Negativ Big),

Âm – NM (Negativ Medium),

Âm ít – NS (Negativ Small),

Không – ZE (Zero),

Dương ít – PS (Positiv Small),

Dương– PM (Positiv Medium),

Dương nhiều – PB (Positiv Big)

Với những ý hiệu như vậy thì miền xác định (ngôn ngữ) của các biến vào ra sẽ là:

hàm đã biết trước và mô hình hóa nó cho đến khi nhận được bộ điều khiển mờ làm việc như mong muốn

Cần chọn hàm liên thuộc có dạng chồng lên nhau và phủ kín miền giá trị vật lý

để trong quá trình điều khiển không xuất hiện “lỗ hổng” Trong trường hợp với một giá trị vật lý rõ x0 của biến đầu vào mà tập mờ B’ đầu ra có độ cao bằng 0 (miền xác định là một tập rỗng) và bộ điều khiển không thể đưa ra một quyết định điều khiển nào được gọi là hiện tượng “cháy nguyên tắc”, lý do là hoặc không định nghĩa được nguyên tắc điều khiển phù hợp hoặc là do các tập mờ của biến ngôn ngữ có những

“lỗ hổng”

Cũng như vậy đối với biến ra, các hàm liên thuộc dạng hình thang với độ cao xếp chồng lên nhau rất nhỏ, nhìn chung không phù hợp đối với bộ điều khiển mờ vì những lý do đã trình bày ở trên Nó tạo ra một “vùng chết” (dead zone) trong trạng thái làm việc của bộ điều khiển

Trong một vài trường hợp đặc biệt, chọn hàm liên thuộc dạng hình thang hoàn toàn hợp lý, vì đó là trường hợp mà sự thay đổi các miền giá trị của tín hiệu vào không kéo theo sự thay đổi bắt buộc tương ứng cho miền giá trị của tín hiệu ra Nói chung, hàm liên thuộc được chọn sao cho miền tin cậy của nó chỉ có một phần tử, hay nói cách khác chỉ tồn tại một điểm vật lý có độ phụ thuộc bằng độ cao của tập

mờ Trong ví dụ này, tập mờ được chọn có dạng hình tam giác cân với (Hình 2.14)

 =  = 1

Hình 2.15: Định nghĩa tập mờ cho các biến ngôn ngữ

d Rời rạc hóa các tập

Độ phân giải các giá trị phụ thuộc được chọn trước hoặc là cho các nhóm điều khiển mờ loại dấu phẩy động (các số biểu diễn dưới dạng dấu phẩy động chính xác hơn ) hoặc nguyên ngắn (giá trị phụ thuộc là các số nguyên có độ dài 2 byte) hoặc theo byte (các giá trị phụ thuộc là các số không dấu có độ dài 1 byte) Những khả năng để tổng hợp các hệ thống rất khác nhau tùy theo loại linh kiện của mỗi hãng Phương pháp rời rạc hóa sẽ là yếu tố quyết định giữa độ chính xác và tốc độ điều khiển

2.4.3.3 Xây dựng các luật điều khiển

Trong việc xây dựng các luật điều khiển (mệnh đề hợp thành) cần lưu ý là ở vùng lân cận điểm không (ví dụ như trong trường hợp DT=ZE) không được tạo ra các “lỗ hổng”, bởi vì khi gặp phải các “lỗ hổng” xung quanh diểm làm việc bộ điều khiển sẽ không làm việc đúng như theo trình tự đã định Ngoài ra cần để ý rằng, trong phần lớn các bộ điều khiển, tín hiệu ra sẽ bằng không nếu như tất cả các tín hiệu vào bằng không