tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật NGHIÊN cứu THIẾT kế bộ điều KHIỂN PID mờ

LỜI NÓI ĐẦUNgày nay với sự phát triển của khoa học kỹ thuật việc ứng dụng lýthuyết điều khiển hiện đại vào thực tế đang ngày càng phát triển mạnh mẽtrong đó có lý thuyết điều khiển mờ, t

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

-NGUYÊN VĂN THIỆN

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID MỜ

Chuyên ngành : Tự Động Hóa

Mã số :

T ÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

THÁI NGUYÊN - 2010

Luận văn được hoàn thành tại trường Đại học Kỹ tuật Công nghiệp Thái Nguyên.

Vào 8 giờ 30 phút ngày 06 tháng 11 năm 2010.

Có thể tìm hiểu luận văn tại Trung tâm Học liệu tại Đại học Thái Nguyên và Thư viện trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên.

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay với sự phát triển của khoa học kỹ thuật việc ứng dụng lýthuyết điều khiển hiện đại vào thực tế đang ngày càng phát triển mạnh mẽtrong đó có lý thuyết điều khiển mờ, trong công nghiệp hiện nay đến 90% các

bộ điều khiển trong thực tế là dựa trên luật điều khiển PID, để bộ điều khiểnPID phát huy tốt hiệu quả của nó là thì việc xác định và hiệu chỉnh các tham

số của nó là rất quan trọng tuy nhiên việc hiệu chỉnh các tham số của bộ điềukhiển PID còn thụ động Vì vậy việc nghiên cứu ứng dụng lý thuyết mờ đểxác định và hiệu chỉnh tham số cho bộ điều khiển PID cho phù hợp với cáctrạng thái làm việc là cần thiết và hiện nay đang được nghiên cứu và pháttriển mạnh mẽ

Với đề tài “ Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển PID mờ ” được chia làm

3 chương như sau :

Chương I : Tổng quan về bộ điều khiển PID

Chương II : Bộ điều khiển mờ

Chương III : Thiết kế bộ điều khiển PID mờ

Lĩnh vực nghiên cứu ứng dụng lý thuyết mờ để xác định và hiệu chỉnhtham số cho bộ điều khiển PID là một lĩnh vực khá phức tạp mặt khác dotrình độ và thời gian có hạn nên bản than luận văn của em không tránh khỏinhững thiếu sót Em rất mong được sự đóng góp ý kiến của các thầy, cô đểbản than luận văn của em được hoàn thiện hơn tạo tiền đề cho những bướcnghiên cứu tiếp theo

Em xin gửi lời cám ơn chân thành đến thầy Ts Nguyễn Văn Vỵ đã tậntình giúp đỡ cho em hoàn thành luận văn đúng thời hạn Em xin chân thànhcám ơn các thầy cô của khoa Điện, trường đại học Thái Nguyên đã trang bịcho em những kiến thức cần thiết để hoàn thành bản luận văn này cũng nhưquá trình công tác sau này

Tôi xin chân thành cám ơn Khoa sau Đại học, xin chân thành cám ơnBan Giám Hiệu Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp đã tạo những điềukiện thuận lợi nhất về mọi mặt để tôi hoàn thành khóa học

Tôi xin chân thành cám ơn!

Thái Nguyên, ngày 30 tháng 08 năm 2010

Người thực hiện

Nguyễn Văn Thiện

Chương 1

TỔNG QUAN VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID

1.1 CẤU TRÚC CHUNG CỦA HỆ ĐIỀU KHIỂN

Cấu trúc chung của hệ thống điều khiển tự động như Hình1.1

1.2 CÁC CHỈ TIÊU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ ĐIỀU KHIỂN 1.2.1 Chỉ tiêu chất lượng tĩnh

1.2.2 Chỉ tiêu chất lượng động

1.2.2.1 Lượng quá điều chỉnh

1.2.2.2 Thời gian quá độ

1.2.2.3 Số lần dao động

1.3 CÁC LUẬT ĐIỀU KHIỂN

1.3.1 Quy luật điều chỉnh tỷ lệ (P)

Trong quy luật điều chỉnh tỷ lệ tác động điều chỉnh được xác định theocông thức:

Hàm truyền đạt của bộ điều chỉnh tỷ lệ có dạng:

1.3.2 Quy luật điều chỉnh tích phân (I)

Quy luật điều chỉnh tích phân được mô tả bởi phương trình vi phân :

Hàm truyền đạt có dạng: W(p) = T p

I 1

1.3.3 Quy luật điều chỉnh tỷ lệ vi phân (PD)

Là quy luật điều chỉnh được mô tả bởi phương trình vi phân:

Hàm truyền đạt của quy luật PD có dạng : W(p) = Km(1+Td.p)

1.3.4 Quy luật điều chỉnh tỷ lệ tích phân (PI)

Quy luật PI là sự kết hợp của hai quy luật P và I được mô tả bằngphương trình vi phân sau :

1.3.5 Quy luật điều chỉnh tỷ lệ vi tích phân (PID)

Quy luật điều chỉnh tỷ lệ vi tích phân được mô tả bởi phương trình:

1.4 CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH THAM SỐ PID

Hình1.9: Điều khiển với bộ điều khiển PID

PID

Bộ điều khiển PID được sử dụng khá rộng rãi để điều khiển đối tượngSISO theo nguyên lý hồi tiếp Hình1.9b Lý do bộ PID được sử dụng rộng rãi

là tính đơn giản của nó cả về cấu trúc lẫn nguyên lý làm việc Bộ PID cónhiệm vụ đưa sai lệch e(t) của hệ thống về 0 sao cho quá trình quá độ thỏamãn các yêu cầu cơ bản về chất lượng:

- Nếu sai lệch e(t) càng lớn thì thông qua thành phần up(t), tín hiệu điềuchỉnh u(t) càng lớn (vai trò của khuếch đại kp)

- Nếu sai lệch e(t) chưa bằng 0 thì thông qua thành phần uI(t), PID vẫncòn tồn tại tín hiệu điều chỉnh (vai trò của tích phân TI)

- Nếu sự thay đổi của sai lệch e(t) càng lớn thì thông qua thành phần

uD(t), phản ứng thích hợp của u(t) sẽ càng nhanh (vai trò của vi phân)

Bộ điều khiển PID được mô tả bằng mô hình vào ra:

Trong đó e(t) là tín hiệu đầu vào, u(t) là tín hiệu đầu ra, kp được gọi là

hệ số khuếch đại, TI là hằng số tích phân, TD là hằng số vi phân

Từ mô hình vào ra trên ta có được hàm truyền đạt của bộ điều khiển PID:

R(s) = kp(1+T s

I

1

1.4.1 Phương pháp Ziegler - Nichols

1.4.2 Phương pháp Chien – Hrones – Reswick

1.4.3 Phương pháp tổng T của Kuhn

1.4.4 Phương pháp tối ưu

1.4.4.1 Phương pháp tối ưu độ lớn

1.4.4.2 Phương pháp tối ưu đối xứng

1.4.5 Xác định tham số PID dựa trên quá trình tối ưu trên máy tính 1.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1

Chương 2

BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ

2.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA LOGIC MỜ

Lịch sử của điều khiển mờ bắt đầu từ năm 1965, khi đó giáo sư Lofti AZadeh ở trường đại học California - Mỹ đưa ra khái niệm về lý thuyết tập mờ(Fuzzy set theory) Từ đó trở đi các nghiên cứu lý thuyết và ứng dụng tập mờphát triển một cách mạnh mẽ Với những thời điểm đáng chú ý sau:

- Năm 1972, các giáo sư Terano và Asai đã thiết lập ra cơ sở nghiêncứu hệ thống điều khiển mờ ở Nhật

- Năm 1974, Mamdani đã nghiên cứu điều khiển mờ cho lò hơi

- Năm 1980, hãng Smidth Co đã nghiên cứu điều khiển mờ cho lò xi măng

- Năm 1983, hãng Fuji Electric nghiên cứu ứng dụng mờ cho nhà máy

sử lý nước

- Năm 1984, Hiệp hội hệ thống mờ quốc tế (IFSA) được thành lập

- Năm 1989, phòng thí nghiệm quốc tế nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật

mờ đầu tiên được thành lập

2.2 MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ LOGIC MỜ

2.2.1 Định nghĩa tập mờ

2.2.2 Các hàm liên thuộc thường được sử dụng

2.2.3 Biến ngôn ngữ và giá trị của biến ngôn ngữ

2.3 BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ

Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ trên Hình2.2 bao gồm 4 khối:

- Khối mờ hóa (fuzzifiers)

- Khối hợp thành

- Khối luật mờ

- Khối giải mờ (defuzzifiers)

Khối mờ hóa (fuzzifiers)

Khối hợp thành Giải mờ

Giải mờ theo phương pháp cực

Giải mờ theo phương pháp trọng tâm

Giải mờ theo phương pháp trung bình tâm

2.4 BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ TĨNH

2.4.1 Khái niệm

2.4.2 Thuật toán tổng hợp một bộ điều khiển mờ tĩnh

2.4.3 Tổng hợp bộ điều khiển mờ tuyến tính từng đoạn

2.5 BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ ĐỘNG

2.6 BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI PID

2.6.1 Giới thiệu chung

2.6.2 Bộ điều khiển mờ lai kinh điển

2.6.3 Bộ điều khiển mờ lai cascade

2.6.4 Bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID 2.6.5 Bộ điều khiển mờ tự chỉnh cấu trúc

2.7 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2

Chương 3

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID MỜ

3.2.2 Thiết kế bộ điều khiển

Để tiện lợi trong việc tính toán ta biến đổi chúng về đơn vị tương đối

Kp’ =

min max

min

p p

p p

K K

K K





, Kd’ =

min max

min

d d

d d

K K

K K

Giả thiết tín hiệu vào của bộ điều khiển mờ là e(t), e’(t) = de/dt Thì cấutrúc bộ điều khiển mờ như Hình3.3

Hệ mờ

Hệ mờ

Hệ mờ

Hình3.3: Cấu trúc bộ điều khiển PID mờ

Hình3.2: Cấu trúc bộ điều khiển

17.02

.0

25.1

2



 s s

PID

Bộ điều khiển mờ

Hàm liên thuộc của các biến vào ra :

Hàm liên thuộc của các biến vào ra :

Bảng 3.1 Luật điều khiển cho hệ số K p’

Bảng3.2 Luật điều khiển cho hệ số K d’

3.2.3 Kết quả mô phỏng

Hình3.12: Đặc tính điều chỉnh PID tối ưu

với đối tượng bậc hai(Kp= 130;Kd= 10; Ki=

435.6)

Hình3.13: Đặc tính điều chỉnh PID mờ (K’p= 20.1; K’d = 20.1;Ki= 8.6) so với đặc tính PID

tối ưu

Nhận xét : Từ bộ điều khiển mờ đã xây dựng khi áp dụng điều khiển

đối tượng hàm bậc hai ta xác định bộ tham số PID mờ (K’p = 20.1; K’d=20.1;

Ki = 8.6) so sánh với bộ tham số PID tối ưu (Kp = 132, Kd = 10, Ki = 435.6)

Ta thấy so sánh đặc tính điều chỉnh mờ và đặc tính điều chỉnh theo PID tối ưuthì bộ điều khiển PID mờ không có quá điều chỉnh thời gian ổn định nhanh

rc

U K

, 1

10

L T

đm

uđđ u uđđ đm

uđđ

I R U

+ Hệ số KCL: Vì chỉnh lưu là chỉnh lưu cầu 3 pha m = 3

+ Hằng số thời gian mạch chỉnh lưu :

+ Máy phát xung răng cưa có biên độ :

+ Hằng số thời gian mạch điều khiển :

- Đo lường dòng điện:

50 :1

bd

2 1

( ) ( )

i I

2 50

d i bd

R K K

K p

p U p

F f

1 ) (

) ( )

U

K

= 0,0764+ Hằng số thời gian nhỏ: T 0,0005

3.3.4.1 Tính toán tham số mạch vòng dòng điện

Bộ điều chỉnh dòng điện RI thiết kế theo tiêu chuẩn tối ưu môđun

p aT R

K K

p T p

R

si u

i cl

u i

.

1 )

= T p

p T ri u

 1

vo đk i

T    = 0,0005+ 0,0002 + 0,000166 = 0,000866

2 , 1

2 2 , 57 000866 ,

0 2

K K T T

= 0,16512

3.3.4.2 Tính toán tham số bộ điều khiển tốc độ PI

p T

K p

U

p I

si

i

1 ) (

) (





= 1 0 , 001732p

5 , 0

K R

T KF K p R

sw sw

u

c i i

8

1 1 4

1 )

(





p T T K

R

T KF K T

K R

T KF K p R

sw sw u

c i i sw

u

c i i

8

1 4

1 4

1 )

KF

R J

= 0,011207

sw u

c i i

T KF K KP

c i i

T KF K KI

8

1 4

Đối tượng điều khiển

Thiết bị đo lường

x

dw/dt

Thiết bị chỉnh định

Bộ chỉnh định mờ

- Hai đầu ra là tín hiệu điều khiển Hs KP và Hs KI

3.3.5.2 Xác định giá trị cho các biến vào và ra

- Xác định miền giá trị vật lý cho các biến vào và ra:

+ Sai lệch ERROR được chọn trong miền giá trị [-15,+15]

+ Tốc độ biến đổi dw/dt được chọn trong miền giá trị [-5000,+5000]

+ Đầu ra Hs KP có miền giá trị nằm trong khoảng [1,10]

+ Đầu ra Hs KI có miền giá trị nằm trong khoảng [1,10]

+ NB – Âm nhiều ; NM – Âm vừa ; NS – Âm ít ; ZE – Zero

+ PB – Dương nhiều ; PM – Dương vừa ; PS – Dương ít

Thông số của biến ERROR

Hàm liên thuộc của biến dw/dt

Thông số của biến dw/dt

Thông số của biến HsK P

Hàm liên thuộc của biến HsK I

Thông số của biến HsK I

M Trimf 4 , 7 , 10 Trimf 4 , 7 , 10

Đáp ứng đầu ra khi Mômen tải hằng số

Hình3.26: Xác định tập mờ cho biến vào

Hình3.28: Xác định tập mờ cho biến ra HsK P Hình3.29: Xác định tập mờ cho biến ra HsK I

Xây dựng các luật điều khiển

Bảng 3.6 Luật điều khiển cho HsKP

3.3.6 Mô phỏng đánh giá chất lượng

3.3.6.1 Xây dựng sơ đồ mô phỏng

Mô hình mô phỏng được xây dựng trên phần mềm Matlab Simulink

Hình3.32: Cấu trúc của hệ điều khiển mờ lai PI

Hình3.36: Đặc tính của bộ điều khiển PI khi

mômen tải hằng số

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 -200

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

Hình3.37:Đặc tính của bộ điều khiển PI-mờ

khi mômen tải hằng số

Hình3.38: Đặc tính của bộ điều khiển PI-mờ

so với bộ điều khiển PI khi mômen tải hằng số

Đáp ứng đầu ra khi Mômen tải thay đổi

MOMEN TAI THAY DOI

Hình3.36: Đặc tính của bộ điều khiển PI khi

mômen tải hằng số

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 -200

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

MOMEN TAI THAY DOI

Hình3.37:Đặc tính của bộ điều khiển PI-mờ

khi mômen tải hằng số

MOMEN TAI THAY DOI

Hình3.38: Đặc tính của bộ điều khiển PI-mờ so

với bộ điều khiển PI khi mômen tải hằng số

Đáp ứng đầu ra khi tốc độ đặt thay đổi

Hình3.36: Đặc tính của bộ điều khiển PI khi

mômen tải hằng số

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 -200

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

Hình3.37:Đặc tính của bộ điều khiển PI-mờ

khi mômen tải hằng số

Hình3.38: Đặc tính của bộ điều khiển PI-mờ so

với bộ điều khiển PI khi mômen tải hằng số

3.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3

Chương 3 luận văn đã trình bày cơ sở lý thuyết và các bước thiết kế bộ

điều khiển mờ chỉnh định tham số của PID Từ đó ứng dụng PID mờ điềukhiển hệ truyền động T- D

Đưa ra các yêu cầu đối với hệ truyền động T-D, Tổng hợp mạch vòngdòng điện và mạch vòng tốc độ của hệ truyền động T-D

Xây dựng bộ điều khiển PI mờ với tham số đầu vào là sai lệch điềukhiển e(t) và đạo hàm của nó nhằm xác định các tham số cho bộ điều khiển PI

Từ đặc tính mô phỏng ta thấy bộ điều khiển PI mờ ta thiết kế tạo ra sailệch tĩnh, độ quá điều chỉnh, thời gian quá độ, số lần dao động của hệ truyềnđộng đều tốt hơn rất nhiều so với việc dùng bộ điều khiển PI, nhất là độ quáđiều chỉnh và thời gian quá độ rất nhỏ Như vậy, bộ điều khiển PID mờ hoàntoàn đáp ứng được thực tế điều khiển

KẾT LUẬN CHUNG

Qua quá trình thực hiện đề tài “ Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển PID

mờ ” được sự giúp đỡ và chỉ bảo tận tình của thầy giáo T.s Nguyễn Văn Vỵ

đề tài đã được hoàn thành theo đúng tiến độ và đề cương đề ra

Thông qua nghiên cứu, tìm hiểu đề tài ta thu được kết quả như sau: Nghiên cứu về luật điều khiển PID Nghiên cứu các bộ điều khiển dạngPID như tác động của bộ điều khiển PID dạng P, dạng I, dạng PI, dạng PD vàdạng PID quá trình nghiên cứu nhằm so sánh ưu và nhược điểm của các bộđiều khiển Nghiên cứu và tổng hợp các phương pháp xác định tham số cho bộđiều khiển PID Từ đó, lựa chọn các phương pháp xác định tham số bộ điềukhiển PID phù hợp cho các đối tượng cụ thể Để nâng cao tính chất điều khiểnđặc biệt là điều khiển những đối tượng phi tuyến thì em đã thực hiện việc xácđịnh và hiệu chỉnh các tham số của bộ điều khiển PID theo lý thuyết mờ.

Điều khiển PID mờ dựa trên những kinh nghiệm thực tế, mô phỏng tưduy của con người và thể hiện tính mềm dẻo trong phân tích và thiết kế nênđược ứng dụng nhiều trong điều khiển

Kết quả quan trọng nhất là em đã thực hiện tổng hợp xây dựng một bộđiều khiển PI mờ để điều khiển hệ truyền động T-D

Kết quả mô phỏng thu được hoàn toàn phù hợp với các kết quả nghiêncứu lý thuyết Điều này chứng tỏ rằng, thuật toán và cách thức xây dựng bộđiều khiển mờ lai là đúng đắn và chính xác

Sai lệch tĩnh, độ quá điều chỉnh, thời gian quá độ, số lần dao động của

hệ truyền động đều tốt hơn rất nhiều so với việc dùng bộ điều khiển PID, nhất

là độ quá điều chỉnh và thời gian quá độ rất nhỏ

Kết quả mô phỏng một lần nữa đã minh chứng và khẳng định rằng lýthuyết điều khiển mờ lai PID hoàn toàn có thể đảm ứng được yêu cầu chấtlượng điều khiển của hệ truyền động phi tuyến

Do thời gian có hạn, năng lực chuyên môn còn hạn chế bản thân luậnvăn mới dừng lại ở việc tổng hợp và xây dựng bộ điều khiển PI mờ để điềukhiển đối tượng động cơ một chiều Việc ứng dụng lý thuyết điều khiển PID

mờ để điều khiển các đối tượng có chất lượng điều khiển tốt hơn rất nhiều sovới điều khiển PID truyền thống.

KIẾN NGHỊ

Trong khuôn khổ của luận văn này mới chỉ nghiên cứu tác dụng của bộđiều khiển PID mờ Để phát triển hơn nữa có thể thay bộ điều khiển PID bằng

bộ điều khiển thông minh như mờ trượt, mờ - Nơron

Phân tích và tổng hợp hệ thống cho một chuyển động cụ thể nào đó vớinhiều đối tượng phức tạp hơn

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tiếng Việt:

[1] Nguyễn Thị Phương Hà (1996), Điều khiển tự động, NXB KHKT Hà Nội [2] Nguyễn Như Hiển, Lại Khắc Lãi: Hệ mờ và nơ ron trong kỹ thuật điều

khiển, NXB Khoa học tự nhiên và Công nghệ.

[3] Nguyễn Văn Hoà (2007), Cơ sở tự động điều khiển quá trình, NXB giáo dục.

[4] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi

(1996), Điều chỉnh tự động truyền động điện, NXB KHKT Hà Nội

[5] Phạm Công Ngô: Lý thuyết điều khiển tự động

[6] Nguyễn Doãn Phước: Lý thuyết điều khiển tuyến tính

[7] Nguyễn Doãn Phước; Phan Xuân Minh: Lý thuyết điều khiển mờ

[8] Nguyễn Phùng Quang: Matlab & Simulink

[9] Nguyễn Trọng Thuần: Điều khiển lôgic và ứng dụng

[10] Đoàn Quang Vinh: Điều khiển số

Tiếng Anh:

[11] Katsuhiko Ogata ( 2002) : Modern Control Enginering, Fourth Edition,

University of Minnesota