Thiết kế bộ điều khiển nhiệt độ lò điện trở sử dụng phương pháp PID mờ tự chỉnh

Còn các loại máy sấy, t sấy được dùng rộng rãi nhất hiện nay ở trong t nh à m y sấy v ngang, các hệ thống lò sấy t nh, sấy dùng năng ượng mặt trời, loại này gi thành tư ng đối c o, chư c

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Đoàn Quang Vinh

Phản biện 1: TS Phan Văn Hiền

Phản biện 2: TS Trần Đình Khôi Quốc

Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 27 tháng 8 năm 2016

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm Thông tin – Học liệu, Đại học Đà Nẵng

MỞ ĐẦU

1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

T nh Đ n m trong hu vực T y Nguyên, à một trong

nh ng t nh trồng c y công nghiệp và nông nghiệp ớn nhất trong nước,

đ ng g p cho P c t nh 50

thu hoạch c c c y công nghiệp và nông nghiệp thường à

m mư Ph n ớn đều động tại h u ph i sấy, một số c đ u tư cho s n ph i nhưng ại phụ thuộc vào thời ti t

Còn các loại máy sấy, t sấy được dùng rộng rãi nhất hiện nay ở trong t nh à m y sấy v ngang, các hệ thống lò sấy t nh, sấy dùng năng ượng mặt trời, loại này gi thành tư ng đối c o, chư c hả năng tự động điều ch nh nhiệt trong buồng sấy hông inh động tức thời nên có khả năng dẫn tới quá nhiệt àm th y đổi chất ượng sản phẩm

ên cạnh đ điều khiển ổn đ nh nhiệt độ à vấn đề đặt r nh m nâng cao chất ượng sản phẩm và độ ền sản phẩm Với phư ng ph p điều khiển PID, khi tham số c qu trình điều khiển th y đổi thì các thông số c a bộ điều khiển PID c n phải được t nh to n cài đặt lại Tuy nhiên, trong thực t nhiều giải pháp tổng hợp, c c ộ điều khiển PI thường b b t c khi gặp nh ng ài to n c độ phức tạp cao, phi tuy n lớn, thường xuyên th y đổi trạng thái và cấu trúc c đối tượng

Việc nghiên cứu ứng dụng một phư ng ph p điều hiển hiện đại vào thực tiễn à hoàn toàn c n thi t và ph hợp với yêu c u hiện n y

mà c c điện trở đ ng ngày càng được d ng phổ i n và việc Thi t

k bộ điều khiển nhiệt độ điện trở s dụng phư ng ph p PI mờ tự

ch nh à nhu c u c n phải nghiên cứu nh m tìm ra nh ng t nh năng

ưu việt, giải pháp an toàn, kinh t trong khai thác s dụng cho phù hợp với điều kiện c t nh nhà

ột ộ điều hiển nhiệt điện trở tự động d tìm th m số theo uật mờ tự ch nh, với hoảng tinh ch nh đ rộng xung qu nh gi tr đạt được t phư ng ph p thực nghiệm Ziegler-Nichols, b ng kỹ thuật logic mờ à c n thi t Trong đ , ộ điều khiển PID gi vai trò là bộ điều khiển chính, tạo tín hiệu điều khiển đối tượng và bộ điều khiển

mờ gi vai trò là bộ quan sát, cung cấp thông số phù hợp cho bộ điều khiển PID theo thời gian thực

Trong nh ng nghiên cứu g n đ y, ộ điều khiển mờ với nh ng ưu điểm h n so với các bộ điều khiển cổ điển So với các giải pháp trong

kỹ thuật điều khiển t trước đ n n y, để tổng hợp các hệ thống điều khiển thì phư ng ph p tổng hợp hệ thống điều khiển b ng logic mờ c

nh ng ưu điểm

Với nh ng đặc điểm c đối tượng c n điều khiển, do vậy để đ p ứng được yêu c u c a thực tiễn sản suất cũng như trong ĩnh vực về các ứng dụng điều khiển ổn đ nh nhiệt độ, người thực hiện đã ựa chọn

đề tài Thi t k bộ điều khiển nhiệt độ điện trở s dụng phư ng

ph p PI mờ tự ch nh để nghiên cứu

2 CÁC MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI

Với bộ điều hiển nhiệt điện trở tự động d tìm th m số theo uật mờ tự ch nh mong muốn cho t quả: Qu trình qu độ hông c

độ qu điều ch nh, àm việc ổn đ nh, ền v ng, điều hiển nhiệt độ

ng nhiệt độ đặt, thời gi n đạt tới nhiệt độ đặt hợp , ộ điều hiển

c n đ p ứng được yêu c u về thời gian thực

3 Đ I TƢ NG VÀ PHẠM VI NGHI N CỨU

Điều khiển nhiệt độ c a lò nhiệt điện trở có công suất nhỏ

nhiệt à mô hình phi tuy n Đặc trưng c nhiệt c đặc tính

là khâu quán tính bậc cao, được xấp x về khâu quán tính bậc nhất có trễ àm truyền c nhiệt được x c đ nh ng phư ng ph p thực nghiệm

Cấp nhiệt tối đ cho (công suất vào P = 100%) nhiệt độ tăng

d n, sau một khoảng thời gian nhiệt độ đạt đ n giá tr ão h Đặc tính theo thời gian có thể biểu diễn như hình vẽ:

4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Nghiên cứu mục đ ch, nghĩ và gi tr c a việc ứng dụng tự động h trong điều khiển nhiệt độ

Nghiên cứu các giải pháp tự động h , c c phư ng ph p điều khiển ứng dụng trong điều khiển nhiệt độ, lựa chọn các giải pháp thi t

k

Tìm hiểu sự áp dụng tự động h trong điều khiển nhiệt độ ở một

số mô hình, thi t b điều khiển nhiệt độ đ ng được áp dụng trong thực tiễn ở trong t nh

S dụng ph n mềm MATLAB mô phỏng kiểm chứng thuật toán điều khiển c c c phư ng ph p điều khiển

Đ nh gi toàn ộ bản luận văn, đề ngh hướng phát triển đề tài

5 CỤC ĐỀ TÀI

Chư ng 1: Tổng quan về đo ường và c c phư ng ph p đo nhiệt

Chư ng 4: Thi t ộ điều hiển nhiệt độ PID mờ tự ch nh

6 T NG QUAN TÀI LIỆU NGHI N CỨU

Trong uận văn được s dụng h i nguồn tài iệu th m hảo ch nh: Nguồn tài iệu th m hảo ti ng việt ch y u à c c tài iệu c c ài

o tại c c hội ngh c điện t , Tạp ch ho học vi t

Nguồn tài iệu th m hảo nước ngoài s dụng c ản à tài iệu

[9], Li-Xin Wang (1997), A course in Fuzzy systems and control,

prentice-Hall Internatinal, Inc và ài o, Tạp ch ho học vi t

CHƯƠNG 1 LÝ THUYẾT T NG QUAN VỀ ĐO LƯỜNG VÀ

CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO NHIỆT ĐỘ

1.1 HỆ TH NG ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ

Khái niệm về hệ thống điều khiển nhiệt độ

1.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO NHIỆT ĐỘ

Các phương pháp đo tiếp xúc

Thermocouple (Cặp nhiệt điện)

sở thuy t sẽ giúp người thực hiện c c sở lựa giải ph p điều khiển, lựa chọn cảm bi n nhiệt độ phù hợp với yêu c u và đư r phư ng n thi t k ph n cứng, lập trình ph n mềm điều khiển hệ thống tốt h n

CHƯƠNG 2 T NG QUAN VỀ LÒ ĐIỆN TRỞ VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ

2.1 GIỚI THIỆU VỀ LÒ ĐIỆN

Đặc điểm của lò điện

sẽ đốt nóng bản thân vật dẫn hoặc gián ti p đốt nóng các vật nung x p

g n đ Nh ng thi t b nung làm việc theo nguyên t c này được gọi là điện trở

2.2 PHÂN LOẠI LÒ ĐIỆN TRỞ

Theo phương pháp toả nhiệt, ta chia lò điện trở thành

Phân loại theo đặc tính làm việc

2.3 VẬT LIỆU LÀM DÂY ĐIỆN TRỞ

Yêu cầu của vật liệu để chế tạo dây điện trở

Với: L: thời gian trễ; T: thời gian quán tính

K: hệ số tỷ lệ cho bi t quan hệ vào và ra ở ch độ xác lập

Hình 2.1 Mô hình lò nhi t trong matlab simulink

Dùng simulink ta xây dựng mô hình hệ thống như (hình 2.2), đư tín hiệu dạng hàm ước ở ngõ vào c đối tượng với 100% công suất,

s u đ nhập thông số cho lò và chạy mô phỏng, đo đ p ứng ở ngõ ra

c đối tượng có dạng như (hình 2.3)

Hình 2.2 ố tượng lò nhi t

Đường đặc tính tự nhiên c đối tượng lò nhiệt có thông số:

K = 400, T = 450s, L = 60s, với 100% công suất ở ngõ vào có dạng như (hình 2.3)

Hình 2.3 c tính tự nhiên của lò nhi t

2.5 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ TRUYỀN

Phư ng ph p điều khiển ON/OFF c n được gọi à phư ng ph p

đ ng ng t thường dùng khâu relay có trễ: c cấu chấp hành sẽ đ ng nguồn để cung cấp năng ượng ở mức tối đ cho thi t b tiêu thụ nhiệt

n u nhiệt độ đặt yđặt(t) ớn h n nhiệt độ đo y(t), ngược lại mạch điều khiển sẽ ng t mạch cung cấp năng ượng khi nhiệt độ đặt nhỏ h n nhiệt độ đo

Kết quả m ph ng đi u khiển ON/OFF

d

Điều khiển ON/OFF cho lò nhiệt c độ lợi (giá tr đặt) K = 400;

50 100 200 300 400

Dap ung thoi gian (giay)

DAC TINH TU NHIEN CUA LO NHIET

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 -50

0 50 100 200

Dap ung he thong bo dieu khien Relay

ơ đ Đi u khiển PID

* K t quả mô phỏng hệ thống nhiệt 1 với bộ điều khiển PI

i t thông số hông c h u ão h

n 2.3 ng T t T 0

* K t quả mô phỏng hệ thống nhiệt 1 với bộ điều khiển PI

i t thông số hông c h u ão h

nh 2.4 ng T t T

-100 -50 0 50 100 200 300 Dap ung he thong bo dieu khien PID1 co thong so

0 50 100 200

Dap ung he thong bo dieu khien PID1 co thong so

2.6 KẾT LUẬN

Qua việc tìm hiểu c c phư ng ph p điều khiển nhiệt độ đã rút r được c c ưu điểm, hạn ch c a t ng phư ng ph p điều khiển thông thường (ON /OFF) với phư ng ph p điều hiển PI theo ieg er Nicho s và t đ àm c sở ựa chọn phư ng ph p th ch hợp ứng dụng trong mô hình điều khiển nhiệt độ

n 2.1 B ng so sánh giữ ươn ều khiển k n ển

C c phư ng ph p điều

Điều khiển ON – OFF

Điều khiển đ n giản, không xảy ra offset

Xảy ra quá tải và hunting (d o động) Điều khiển PID theo

Ziegler Nichols

Điều khiển ổn đ nh

h n

C n phải đặt các thông số thích hợp

CHƯƠNG 3 LÝ THUYẾT LOGIC MỜ, ĐIỀU KHIỂN MỜ VÀ

PID MỜ TỰ CHỈNH 3.1 LOGIC MỜ

Khái niệm về logic mờ

Bước 1: Đ nh nghĩ tất cả các bi n ngôn ng vào/ra

Bước 2: X c đ nh các tập mờ cho t ng bi n vào/ra (mờ hoá) Bước 3: Xây dựng luật hợp thành

Bước 4: Chọn thi t b h p thành

ước 5: Giải mờ và tối ưu ho

Phương pháp nghiên cứu

3.3.2

ộ điều hiển PI mờ tự ch nh được x y dựng trên ph n mềm

T / imu in , phiên ản 2009 và công cụ ogic mờ Trong đ đối tượng điều hiển à điện trở được thực hiện ởi ộ PI mờ

ô hình tổng qu t c hệ thồng điều hiển được trình ày trên (hình 3 13)

àm truyền c đối tượng điều hiển được x c đ nh t (2.12) Trong đ ộ điều hiển PI được x c đ nh ởi hàm truyền(2 14) Việc x c đ nh th m số ộ điều hiển được thực hiện theo phư ng

ph p ieg er-Nicho s C h i phư ng ph p thực nghiệm d ng để x c

đ nh c c th m số {Kp, Ki, Kd c ộ điều hiển

- Phư ng ph p ieg er-Nicho s dự trên đ p ứng v ng hở

- Phư ng ph p ieg er-Nicho s dự trên đ p ứng v ng n

Tuy nhiên với h i phư ng ph p thực nghiệm này đều cho t quả

x c đ nh được th m số c ộ điều hiển PI g n tư ng tự nh u [6 , 7 Với phạm vi nghiên cứu c đề tài thì thực hiện x c đ nh th m

số ộ điều hiển PI theo phư ng ph p re y-feedback autotuning

n 3.13 n t n t ủ t ốn ề k ển

3.4 KẾT LUẬN

Qua việc tìm hiểu lý thuy t điều khiển mờ và c c phư ng ph p điều khiển mờ đã giúp người thi t k c sở uận, i n thức c ản

về phư ng ph p điều khiển mờ

Tuy nhiên việc t nh to n, x c đ nh tham số bộ điều khiển PID

theo nh ng phư ng ph p trình ày ở muc 2.5.2.d gặp nhiều h hăn,

n đ i hỏi người s dụng phải có ki n thức về điều khiển tự động và kinh nghiệm về điều khiển PI cho t quả chư tốt t hợp với c sở thuy t điều hiển mờ t c phư ng ph p PI mờ tự ch nh T c c

i n thức c ản này giúp đư r được phư ng n thi t k ộ điều hiển PID mờ tự ch nh trong điều khiển nhiệt độ điện trở

CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ Ộ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ PID MỜ

TỰ CHỈNH 4.1 ây dựng thuật toán điều khiển PID mờ tự chỉnh trong điều khiển nhiệt độ lò điện trở

Lựa chọn phương pháp điều khiển

mờ riêng biệt dựa trên sai lệch e(t) và đạo hàm de(t) Có nhiều phư ng

ph p h c nh u để ch nh đ nh bộ PI như à dựa trên phi m hàm mục tiêu, ch nh đ nh trực ti p, ch nh đ nh theo h o, Tomizu và Is …

Zeigler-Nicho s, s u đ dự vào đ p ứng và th y đổi d n để tìm r hướng

ch nh đ nh thích hợp

Việc tìm r một phư ng ph p tối ưu c một ộ điều hiển cho một qu trình nhất đ nh à hông đ n giản, một trong c ch à điều hiển tinh ch nh ng y trong qu trình hoạt động c hệ thống (gọi à tinh ch nh on ine) dự trên qui t c mờ 4], [11] Trên hình vẽ 4 6 cho thấy hệ thống PI tự ch nh mờ đ y à để h i th c uật mờ và uận để tạo r th m số điều hiển

n 4.1 ề k ển k t ợ v

Vấn đề ở đ y à điêu ch nh c c th m số, người t cho r ng c c

một ởi c c i n đổi tuy n t nh s u: [9]

X t hệ thống điều hiển như hình vẽ

- Lân cận c1 và d1 giống như n cận a1 và b1 Hai tham số Kp, Kd xem như mỗi tham số điều ch nh điều ch nh một đường cong, để điều

ch nh h i đường k t hợp như một đường thì phải có sự phối hợp gi a

Kp và Kd

Ch nh định mờ tham số bộ đi u khiển P D

b

mờ riêng biệt dựa trên sai lệch e(t) và đạo hàm de(t) Cụ thể các tham

trên c sở phân tích tín hiệu ch đạo và tín hiệu ra c a hệ thống, chính xác là sai lệch e(t) và đạo hàm de/dt c a sai lệch Có nhiều phư ng pháp ch nh đ nh các tham số cho bộ điều khiển PI như ch nh đ nh qua phím hàm mục tiêu, ch nh đ nh trực ti p theo h o, Tomizu và

theo Zeigler-Nicho s, s u đ dự vào đ p ứng và th y đổi d n để tìm

r hướng ch nh đ nh thích hợp ong phư ng ph p đ n giản nhưng dễ

áp dụng h n cả à phư ng ph p ch nh đ nh mờ c a Zhao, Tomizuka và

dự theo điều iện hiện tại c {e, u

Nghĩ à ộ điều hiển mờ được thực hiện riêng ẽ như hình 3 18

ỗi ộ điều hiển sẽ c 2 ng vào và 1 ng r

n 4.5 t ề k ển

Ng vào thứ nhất T được mờ h ởi 7 tập:

ET = {âm nhiều, âm v a, âm ít, zero, dư ng t, dư ng v , dư ng nhiều}, ET = { N3, N2, N1, ZE, P1, P2, P3 }

n 4.6 n t n v T

Ng vào thứ h i T được mờ h ởi 7 tập tư ng ứng :

T { m nhiều, m v , m t, zero, dư ng t, dư ng v ,

dư ng nhiều ; DET = { N31, N21, N11, ZE1, P11, P21, P31 }

Hình 4.7 hàm liên thu c ngõ vào DET

n 4.8 n t n

àm iên thuộc c c tập mờ ng vào/r được x c đ nh ởi 11]

cụ thể ng c ch thực hiện c c qui t c trong uật mờ 10]

Hai tín hiệu đ u vào bộ điều khiển mờ: đ u vào c a bộ điều khiển

mờ gồm 2 bi n là sai lệch nhiệt độ ET và tốc độ tăng T trong đ :

- Sai lệch nhiệt độ T, trong đ T Đặt - Đo

C, thời gi n ấy mẫu 10sec

Đ u ra: 3 bi n, Kp hệ số tỷ lệ; Ki hệ số tích phân, Kd hệ số vi phân

* Mô tả bi n ngôn ng

T c năm i n ngôn ng đ à s i ệch nhiệt độ ET, tốc độ tăng

sau

ET = {âm nhiều, âm v a, m t, zero, dư ng t, dư ng v , dư ng nhiều}; ET = { N3, N2, N1, ZE, P1, P2, P3 }

DET = { âm nhiều, âm v , m t, zero, dư ng t, dư ng v a,

dư ng nhiều}; DET={ N31, N21, N11, ZE1, P11, P21, P31 }

* Mờ hóa, hợp thành và giải mờ

Phư ng ph p để mờ hóa các bi n đ u vào được trình ày ở bảng

4 2, 4 3 và 4 4 Chọn luật hợp thành theo quy t c x- in và giải mờ theo phư ng ph p trọng tâm

Chương tr nh

d

Kết quả mô phỏng

4.1.3

Để đ nh gi t quả c a việc s dụng phư ng ph p PI mờ tự

ch nh chạy fi e PIDautotuningfuzzy.m được lập trình trong matlab

và mô phỏng trong matlab simulink

T phư ng trình hàm truyền c nhiệt t x y dựng được mô hình ộ điều hiển nhiệt độ điện trở

n 4.17 n ỏn k ố ều khiển FUZZY

T phư ng trình hàm truyền c nhiệt ta xây dựng được mô hình nhiệt

n 4.18 Mô hình lò nhi t trong matlab simulink

Trên c sở c 2 mô hình trên ta xây dựng mô hình điều khiển nhiệt độ điện trở s dụng phư ng ph p PI mờ tự ch nh

K t quả ngõ ra c a hệ thống với bộ điều khiển PI mờ tự ch nh được thể hiện như hình 4.20

n 4.20 ng h thống v i b ều khiển tự chỉnh

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 -50

0 50 100 200

Dap ung ngo ra lo nhiet voi bo dieu khien PID mo 2 không biet thong so