Nghiên cứu mô hình logic mờ cho bài toán mô phỏng thủy triều tại khu vực cửa sông ven biển

Trên thế giới một số nước như Đan Mạch, Mỹ, Trung Quốc đã nghiên cứu chế tạo thành công hệ thống mô phỏng thủy triều cho các phòng thí nghiệm, phục vụ công tác thí nghiệm các công trình

NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH LOGIC MỜ CHO BÀI TOÁN

MÔ PHỎNG THỦY TRIỀU TẠI KHU VỰC CỬA SÔNG VEN BIỂN

Chuyên ngành : Công nghệ thông tin

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

Hà Nội – Năm 2017

b

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

Bùi Hữu Anh Tuấn

NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH LOGIC MỜ CHO BÀI TOÁN

MÔ PHỎNG THỦY TRIỀU TẠI KHU VỰC CỬA SÔNG VEN BIỂN

Chuyên ngành : Công nghệ thông tin

I

LỜI CAM ĐOAN

Những kiến thức trình bày trong luận văn là do tôi tìm hiểu, nghiên cứu và trình bày theo những kiến thức tổng hợp của cá nhân Kết quả nghiên cứu trong luận văn này chưa từng được công bố tại bất kỳ công trình nào khác Trong quá trình làm luận văn, tôi có tham khảo các tài liệu có liên quan và đã ghi rõ nguồn tài liệu tham khảo Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi và không sao chép của bất kỳ ai

Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm, nếu sai, tôi xin chịu mọi hình thức kỷ luật theo quy định

II

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS Phạm Văn Hải và các thầy cô Viện CNTT-TT, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã nhiệt tình hướng dẫn và đào tạo cho tôi để tạo điều kiện thuận lợi cho tôi nghiên cứu khoa học, và giúp tôi có thể hoàn thành luận văn một cách tốt nhất

Cuối cùng tôi xin gửi lời cám ơn đến gia đình, bạn bè, đồng nghiệp những người đã luôn bên tôi, động viên và khuyến khích tôi trong quá trình thực hiện đề tài nghiên cứu của mình

Học viên

III

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN I LỜI CẢM ƠN II MỤC LỤC III DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT VI DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ SƠ ĐỒ VII DANH MỤC BẢNG X

MỞ ĐẦU XI

1 Lý do chọn đề tài XI

2 Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu XI

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu XII

4 Phương pháp nghiên cứu XII

5 Kết quả dự kiến XII

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn XII

7 Bố cục luận văn XIII

CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 1

1 Tổng quan về hệ thống tạo triều trong phòng thí nghiệm 1

1.1 Các nghiên cứu trên thế giới 1

1.1.1 Thiết bị nghiên cứu mô hình cảng biển 1

1.1.2 Máng Triều 2

1.1.3 Bể sóng triều kết hợp viện thủy lực Flander 3

1.2 Các nghiên cứu trong nước 3

2 Cơ sở lý thuyết triều 4

2.1 Khái niệm 4

2.2 Đặc điểm 4

2.3 Nguyên nhân 5

3 Nghiên cứu mô hình 5

3.1 Một số định nghĩa cơ bản 5

3.2 Mô hình hóa hệ thống 5

3.2.1 Vai trò của phương pháp mô hình hóa hệ thống 6

3.2.2 Phân loại mô hình hóa hệ thống 6

3.3 Phương pháp mô phỏng 7

IV

3.3.1 Sơ đồ khối 7

3.3.2 Bản chất của phương pháp mô phỏng 7

3.3.3 Các bước nghiên cứu mô phỏng 8

3.3.4 Một số môi trường mô phỏng 11

3.4 Mathlab/Simulink 11

3.4.1 Khởi động Simulink 11

3.4.2 Thao tác cơ bản với Simulink 12

3.4.3 Tín hiệu và các loại dữ liệu 13

3.4.4 Thư viện Simulink: 13

3.4.4.1 Thư viện Source và sink 13

3.4.4.2 Thư viện Math 14

4 Tổng kết chương 15

CHƯƠNG 2: CÁC MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG 16

1 Mô hình điều khiển 16

1.1 Phân tích bài toán mô phỏng thủy triều 16

1.2 Sơ đồ tổng quát của hệ thống điều khiển 16

1.3 Đối tượng điều khiển (Object) 17

1.3.1 Động cơ bơm 17

1.3.1.1 Mô hình toán động cơ bơm 17

1.3.1.2 Quan hệ tỷ lệ giữa tốc độ và lưu lượng bơm 18

1.3.2 Mô hình vật lý cửa sông ven biển 18

1.3.2.1 Giới thiệu mô hình 18

1.3.2.2 Loại mô hình 19

1.3.2.3 Phạm vi kích thước mô hình 19

1.3.2.4 Các thiết bị đo đạc trên mô hình 19

2 Mô hình điều khiển PID 20

3 Mô hình điều khiển Logic Mờ 23

3.1 Khái niệm cơ bản 23

3.1.1 Định nghĩa tập mờ 24

3.1.2 Biến ngôn ngữ 25

3.1.3 Các phép toán trên tập mờ 25

3.1.4 Luật hợp thành 26

V

3.1.5 Giải mờ 26

3.2 Bộ điều khiển mờ 28

3.2.1 Cấu trúc một bộ điều khiển mờ 28

3.2.2 Nguyên lý điều khiển mờ 28

3.3 Thiết kế bộ điều khiển mờ 29

3.4 Cấu trúc hệ thống điều khiển mờ 30

3.4.1 Bộ điều khiển mờ thuần túy, thay thế bộ điều khiển PID 30

3.4.2 Bộ điều khiển kết hợp giữa logic mờ và bộ PID kinh điển 30

4 Tổng kết chương 31

CHƯƠNG 3: ĐỀ XUẤT MÔ HÌNH HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 32

TẠO TRIỀU CHO PHÒNG THÍ NGHIỆM 32

1 Đề xuất mô hình 32

2 Giải thích mô hình đề xuất 33

2.1 Mô hình động cơ 33

2.2 Bộ điều khiển 34

2.2.1 Thiết kế bộ điều khiển PID 34

2.2.2 Thiết kế bộ điều khiển Logic Mờ 42

3 Tổng kết chương 48

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG THỬ NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ 49

1 Cài đặt chương trình 49

1.1 Chương trình mô phỏng 49

1.2 So sánh hai mô hình điều khiển 50

1.3 Dữ liệu đầu vào 51

1.4 Chạy mô phỏng 54

2 Kết quả mô phỏng 54

3 Tổng kết chương 57

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN 58

1 Kết luận 58

2 Hạn chế và định hướng phát triển 58

2.1 Hạn chế 58

2.2 Định hướng phát triển 59

TÀI LIỆU THAM KHẢO 60

VI

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

 Hàm liên thuộc tập mờ đầu ra

K P , K I , K D Các hệ số của bộ điều khiển PID

PID Bộ điều khiển tỷ lệ vi phân tích phân

PID_S Bộ điều khiển PID_S tốc độ

PID_H Bộ điều khiển PID_H mức nước

FLC Bộ điều khiển logic mờ

FLC_S Bộ điều khiển logic mờ FLC_S tốc độ

FLC_H Bộ điều khiển logic mờ FLC_H mức nước

VII

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ SƠ ĐỒ

Hình 1.1 Thiết bị nghiên cứu cảng biển[1] 2

Hình 1.2 Máng triều[1] 2

Hình 1.3 Bể sóng triều kết hợp viện thủy lực Flander[1] 3

Hình 1.4 Bể sóng triều kết hợp Phòng thí nghiệm Trọng điểm Quốc Gia về 4

Hình 1.5 Sơ đồ phân loại mô hình [2] 6

Hình 1.6 Ví dụ về một hệ thống 3 khối [2] 7

Hình 1.7 Quá trình nghiên cứu bằng phương pháp mô phỏng 8

Hình 1.8 Các bước nghiên cứu mô phỏng 9

Hình 1.9 Cửa sổ Simulink trong Mathlab 11

Hình 2.1 Sơ đồ tổng quát mô hình hệ thống điều khiển tự động 16

Hình 2 5 Sơ đồ mô phỏng động cơ bơm trên Mathlab-simulink 17

Hình 2.6 Ảnh vệ tinh khu vực mô hình nghiên cứu [5] 18

Hình 2.7 Mặt bằng tổng thể mô hình vật lý [5] 19

Hình 2.8 Điều khiển PID 21

Hình 2.12 Biểu đồ thuật ngữ logic mờ 24

Hình 2.13 Dạng hàm liên thuộc trong logic mờ 25

Hình 2.14 Giải mờ theo phương pháp cực đại 26

Hình 2.15 Giải mờ theo phương pháp điểm trọng tâm 27

Hình 2.16 Giải mờ theo phương pháp độ cao 28

Hình 2.17 Bộ điều khiển mờ MISO 28

Hình 2.18 Sơ đồ bộ điều khiển mờ 29

Hình 2.19 Hệ thống điều khiển sử dụng bộ mờ thuần tuý 30

Hình 2.20 Cấu trúc bộ điều khiển mờ 30

Hình 2.21 Cấu trúc bộ điều khiển mờ thêm khâu tích phân đầu ra 30

Hình 2.22 Cấu trúc bộ điều khiển Fuzzy_PD 31

Hình 2.23 Cấu trúc bộ điều khiển Fuzzy_PID 31

Hình 3.1 Sơ đồ khối mô hình mô phỏng thủy triều 32

Hình 3.2 Sơ đồ mô phỏng động cơ bơm trên Mathlab-simulink 33

Hình 3.3 Sơ đồ khối bộ điều khiển động cơ bơm 34

VIII

Hình 3.4 Khảo sát đối tượng động cơ 34

Hình 3.5 Đường đặc tính của động cơ 35

Hình 3.6 Tổng hợp bộ điều khiển tốc độ PID_S theo Ziegler-Nichols 1 35

Hình 3.7 Sơ đồ khối bộ điều khiển tốc độ PID_S theo Ziegler-Nichols 1 36

Hình 3.8 Mô phỏng điều khiển PID_S1 theo Ziegler- Nichols 1 36

Hình 3.9 Sai số bộ điều khiển tốc độ PID_S theo Ziegler-Nichols 1 37

Hình 3.10 Mô phỏng bộ điều khiển tốc độ PID_S2 38

Hình 3.11 Sai số xác lập bộ điều khiển tốc độ PID_S2 38

Hình 3.12 So sánh đáp ứng của bộ điều khiển tốc độ PID_S1 và PID_S2 39

Hình 3.13 Sơ đồ khối thiết kế bộ điều khiển mức nước PID_H 40

Hình 3.14 Đường đặc tính động cơ điều khiển mức nước 40

Hình 3.15 Sơ đồ khối bộ điều khiển mức nước 40

Hình 3.16 Mô phỏng bộ điều khiển mức nước PID_H 41

Hình 3.17 Sai số xác lập bộ điều khiển mức nước PID_H theo phương pháp thực nghiệm 41

Hình 3.18 Hệ thống điều khiển với bộ điều khiển FLC( Fuzzy Logic Controller) 42

Hình 3.19 Sơ đồ khối bộ điều khiển FLC_S 42

Hình 3.20 Bộ tính toán mờ KP,KI,KD 43

Hình 3.21 Mờ hóa sai số đầu vào 44

Hình 3.22 Mờ hóa tốc độ thay đổi sai số đầu vào 44

Hình 3.23 Mờ hóa tham số đầu ra KP,KI,KD 45

Hình 3.24 Cài đặt luật cho bộ mờ trên Mathlab 46

Hình 3.25 Đặc tính vào ra của bộ mờ KP 47

Hình 3.26 Đặc tính vào ra của bộ mờ KI 47

Hình 3.27 Đặc tính vào ra của bộ mờ KD 48

Hình 4.1 Sơ đồ khối mô phỏng thủy triều trên Mathlab-Simulink 49

Hình 4.2 Đáp ứng Step bộ điều khiển PID 50

Hình 4.3 Đáp ứng Step bộ điều khiển Logic Mờ 51

Hình 4.4: Đầu vào trường hợp mô phỏng 1 52

Hình 4.5 Đầu vào trường hợp mô phỏng 2 52

IX

Hình 4.6 Biểu đồ mực nước thủy triều thực đo 52

Hình 4.7 Đầu vào mô phỏng số liệu thực đo thủy triều thiết lập trên Mathlab 54

Hình 4.8 Đáp ứng đầu ra mô hình trường hợp mô phỏng1 55

Hình 4.9 Đáp ứng đầu ra mô hình trường hợp 2 56

Hình 4.10 Kết quả thực nghiệm mô phỏng thủy triều trên mô hình dùng Mathlab/Simulink (trường hợp 3) 57

X

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1 Bảng tham số động cơ 3 pha của bơm [3]: 17

Bảng 2.2 Tác động của việc tăng một thông số KP,KI,KD độc lập [16] 23

Bảng 3.1 Các tham số PID theo phương pháp Ziegler-Nichols thứ nhất 35

Bảng 3.2 Các thông số theo phương pháp Ziegler-Nichols thứ nhất 36

Bảng 3.3 Bảng luật điều khiển KP [13] 45

Trên thế giới một số nước như Đan Mạch, Mỹ, Trung Quốc đã nghiên cứu chế tạo thành công hệ thống mô phỏng thủy triều cho các phòng thí nghiệm, phục

vụ công tác thí nghiệm các công trình cửa sông ven biển chịu tác động của thủy triều Tuy nhiên giá thành cao và tính ưu việt chưa phù hợp với nhu cầu sử dụng trong nước Ở Việt Nam mới chỉ nghiên cứu vận hành một cách đơn thuần Do vậy,

tác giả lựa chọn đề tài “Nghiên cứu mô hình logic mờ ứng dụng vào bài toán mô

phỏng thủy triều tại khu vực cửa sông ven biển” nhằm phục vụ cho công tác nghiên

cứu mô hình vật lý đánh giá các tác động của thủy triều

2 Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

Mục tiêu : đề xuất mô hình logic mờ cho bài toán mô phỏng thủy triều tại khu vực cửa sông ven biển phục vụ cho việc nghiên cứu thí nghiệm mô hình thủy lực Nhiệm vụ nghiên cứu:

- Nghiên cứu các hệ thống tạo triều trong phòng thí nghiệm trên thế giới và trong nước

- Nghiên cứu các vấn đề lý thuyết liên quan tới đề tài (lý thuyết thủy triều, lý thuyết về mô hình hóa, mô hình điều khiển PID, mô hình điều khiển Logic Mờ,…);

- Mô hình hóa bài toán mô phỏng thủy triều, xây dựng và thử nghiệm mô hình logic mờ cho bài toán mô phỏng thủy triều

- Đánh giá mô hình logic mờ với mô hình điều khiển PID kinh điển thông qua kết quả thử nghiệm với các số liệu từ nghiên cứu mô hình vật lý

XII

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu mô hình logic mờ điều khiển hệ thống bơm mô phỏng thủy triều cho phòng thí nghiệm với các đối tượng cần nghiên cứu là: mô hình điều khiển, đối tượng điều khiển là hệ thống bơm, mô hình vật lý khu vực cửa sông ven biển

Phạm vi nghiên cứu: mô phỏng thủy triều trong nghiên cứu thí nghiệm thủy lực khu vực của sông ven biển

4 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu tổng quan về các hệ thống tạo triều trên thế giới và trong nước Nghiên cứu lý thuyết về các hệ thống điều khiển

Xây dựng mô hình điều khiển logic mờ cho bài toán mô phỏng thủy triều Thực nghiệm mô phỏng và thử nghiệm trên mô hình

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Nghiên cứu mô hình logic cho bài toán mô phỏng thủy triều, tiếp cận và nhận thức đầy đủ về mô hình logic mờ ứng dụng vào hệ thống mô phỏng thủy triều, tiến tới làm chủ công nghệ chế tạo luôn có ý nghĩa khoa học

Thiết kế hệ thống điều khiển mô phỏng thủy triều cho bể thí nghiệm tiến tới làm chủ công nghệ thiết kế và lặp đặt cho các phòng thí nghiệm

XIII

7 Bố cục luận văn

MỞ ĐẦU

- Tính cấp thiết của đề tài

- Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Mục tiêu nghiên cứu

- Phương pháp nghiên cứu

- Kết quả dự kiến

- Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN

- Tổng quan về hệ thống tạo triều trong phòng thí nghiệm

- Cơ sở lý thuyết thủy triều

- Nghiên cứu mô hình

- Tổng kết chương

CHƯƠNG 2: CÁC MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG

- Mô hình điều khiển

- Mô hình điều khiển PID

- Mô hình điều khiển logic mờ

1

CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN

1 Tổng quan về hệ thống tạo triều trong phòng thí nghiệm

1.1 Các nghiên cứu trên thế giới

Trong lĩnh vực nghiên cứu cửa sông ven biển và các công trình ngoài khơi bên cạnh những thành tựu trong việc sử dụng các công nghệ phần mềm hiện đại để nghiên cứu chế độ động lực học, vận chuyển bùn cát và diễn biến bờ biển trong các bài toán thiết kế, xây dựng liên quan đến ổn định của công trình biển thì việc sử dụng mô hình vật lý sóng và triều (thủy triều) là luôn cần thiết Về khía cạnh này có thể kể đến những nước tiên tiến có hệ thống nghiên cứu mô hình vật lý như Hà Lan, Đan Mạch, Anh, Mỹ, Bỉ, Pháp, Ấn Độ, Trung Quốc …

Thông thường việc nghiên cứu sóng và triều được tách rời thành từng hệ thống nghiên cứu riêng biệt, chỉ có một vài nước họ có nhu cầu nghiên cứu nên có

hệ thống nghiên cứu bể sóng triều kết hợp như viện Thủy lực Flander Vương quốc

Bỉ, viện Thủy lực Hà Lan, viện thủy lực DHI

Với giới hạn của luận văn, tác giả chỉ đi tìm hiểu tổng quan các dạng bể triều, máng triều được dùng trên thế giới và trong nước chứ không đi sâu tìm hiểu chi tiết các hệ thống của các bể triều, máng triều Do vậy, các giới thiệu chỉ mạng tính chất tổng quan về hệ thống

1.1.1 Thiết bị nghiên cứu mô hình cảng biển

Mô hình cảng biển có L=120m, B=48m, D=0.45m, được sử dụng cho nghiên cứu quy hoạch, phát triển cảng trong thiết kế bố trí đê chắn sóng và công trình hấp thụ sóng Hệ thống đã được sử dụng trong quân đội ở Chicago, Detroit, Los Angeles, Portland, Honolulu, and Alaska District Hệ thống điều khiển và thu thập

số liệu bằng những phần mềm chuyên dụng trên máy tính [1]

Hình 1.2 Máng triều[1]

3

1.1.3 Bể sóng triều kết hợp viện thủy lực Flander

Bể sóng triều kết hợp có kích thước chiều dài L=20m, chiều rộng B=10m, có thể tạo được chiều cao sóng 0.2m, ngoài ra bể còn có hệ thống mô phỏng dòng chảy ven Hệ thống tạo triều thường được hệ thống sử dụng bơm với động cơ điện xoay chiều 3 pha được điều khiển bằng phần mềm chuyên dụng trên máy tính [1]

Hình 1.3 Bể sóng triều kết hợp viện thủy lực Flander[1]

1.2 Các nghiên cứu trong nước

Trước đây, việc nghiên cứu tính toán các công trình thường sử dụng công cụ

mô hình toán học là chủ yếu bằng các phần mềm Mike , còn nghiên cứu thí nghiệm trên mô hình vật lý rất ít, cả nước chỉ có một số đơn vị như viện Khoa học Thủy lợi, trường Đại học Thủy lợi

Hệ thống bể sóng triều kết hợp được Nhà nước trang bị cho Phòng Thí nghiệm Trọng điểm Quốc gia là hệ thống thiết bị hiện đại về cả hệ thống sóng cả hệ thống triều và hệ thống đo diễn biến lòng động

4

Hình 1.4 Bể sóng triều kết hợp Phòng thí nghiệm Trọng điểm Quốc Gia về Động lực học sông biển

Bể sóng triều kết hợp có kích thước chiều rộng B=25m, chiều dài L=34m, cao H=1m, khu bể thí nghiệm có kích thước 12m x 24m là nơi thí nghiệm mô hình vật lý về các công trình cửa sông ven biển

2 Cơ sở lý thuyết triều

Thủy triều tạo ra các dòng chảy có tính dao động gọi là dòng chảy triều Thời điểm mà dòng triều dừng chuyển động được gọi là nước chùng hoặc nước đứng

5

Thủy triều phổ biến nhất là bán nhật triều hoặc nhật triều Hai lần nước cao trong ngày (bán nhật triều) có đỉnh không bằng nhau; bao gồm mực nước lớn cao và mực nước lớn thấp trên đồ thị triều Tương tự đối với 2 lần nước ròng gồm nước ròng cao và nước ròng thấp

2.3 Nguyên nhân

Nguyên nhân của thủy triều là do thủy quyển có hình cầu dẹt nhưng bị kéo cao lên ở hai miền đối diện nhau tạo thành hình ellipsoid Một đỉnh của ellipsoid nằm trực diện với Mặt Trăng - là miền nước lớn thứ nhất, do lực hấp dẫn của Mặt Trăng gây ra Còn miền nước lớn thứ hai nằm đối diện với miền nước lớn thứ nhất qua tâm Trái Đất, do lực li tâm tạo ra Giữa hai nước lớn liên tiếp là nước ròng Thủy triều đạt cực đại khi mà cả Mặt Trăng và Mặt Trời cùng nằm về một phía so với Trái Đất, và mức triều phía đối diện lúc đó sẽ xuống điểm cực tiểu [15]

3 Nghiên cứu mô hình

3.1 Một số định nghĩa cơ bản

Đối tượng (Object) là tất cả những sự vật, sự kiện mà hoạt động của con

người có liên quan tới

Hệ thống (System) là tập hợp các đối tượng (con người, máy móc), sự kiện

mà giữa chúng ta có những mối quan hệ nhất định

Trạng thái của hệ thống (State of System) là tập hợp các tham số, biến số

dùng để mô tả hệ thống tại một thời điểm và trong điều kiện nhất định

Mô hình (Model) là một sơ đồ phản ánh đối tượng, con người dùng sơ đồ để

nghiên cứu, thực nghiệm nhằm tìm ra quy luật hoạt động của đối tượng

Mô hình hóa (Modeling) là thay thế đối tượng gốc bằng một mô hình nhằm

thu nhận thông tin quan trọng về đối tượng bằng cách tiến hành các thực nghiệm trên mô hình

Mô phỏng (Simulation, Imitation) là phương pháp mô hình hóa dựa trên xây dựng mô hình số ( Numerical model) và dung phương pháp số (Numerical method)

để tìm lời giải Sử dụng máy tính số là công cụ hữu ích để thực hiện việc mô phỏng

hệ thống [2]

3.2 Mô hình hóa hệ thống

6

3.2.1 Vai trò của phương pháp mô hình hóa hệ thống

Khi nghiên cứu trên hệ thống thực gặp nhiều khó khăn do nhiều nguyên nhân gây ra:

- Giá thành nghiên cứu trên hệ thống thực quá đắt

- Nghiên cứu trên hệ thống thực đòi hỏi thời gian quá dài

- Nghiên cứu trên hệ thực ảnh hưởng đến sản xuất hoặc gây nguy hiểm cho người và thiết bị

- Trong một số trường hợp không cho phép làm thực nghiệm trên hệ thống thực

Phương pháp mô hình hóa cho phép đánh giá độ nhạy của hệ thống khi thay đổi tham số hoặc cấu trúc của hệ thống cũng như đánh giá phản ứng của hệ thống khi thay đổi tín hiệu điều khiển Phương pháp mô hình hóa cho phép nghiên cứu hệ thống ngay cả khi chưa có hệ thống thực [2]

3.2.2 Phân loại mô hình hóa hệ thống

Mô hình chia thành 2 nhóm: mô hình vật lý và mô hình toán

Mô hình hệ thống

Mô hình toán học

Mô hình toán học

Mô hình mô phỏng

Hình 1.5 Sơ đồ phân loại mô hình [2]

Mô hình vật lý là mô hình được cấu tạo bởi các phần tử vật lý Mô hình toán học thuộc loại mô hình trừu tượng Các thuộc tính được phản ánh bằng các biểu thức, phương trình toán học

Mô hình phải đạt được hai tính chất cơ bản sau:

Tính đồng nhất: Mô hình phải đồng nhất với đối tượng mà nó phản ánh theo

những tiêu chuẩn định trước

Hình 1.6 Ví dụ về một hệ thống 3 khối [2]

3.3.2 Bản chất của phương pháp mô phỏng

Phương pháp mô phỏng có thể định nghĩa như sau:

“ Mô phỏng là quá trình xây dựng mô hình toán của hệ thống thực và sau đó tiến hành tính toán thực nghiệm trên mô hình để mô tả, giải thích và dự đoán hành

vi của hệ thống thực”

Ba điểm cơ bản mà mô phỏng phải đạt được:

Thứ nhất là mô hình toán tốt tức là mô hình có tính đồng nhất cao với hệ thực đồng thời mô hình được mô tả rõ ràng Thứ hai là mô hình có khả năng làm thực nghiệm trên mô hình tức là thực hiện các chương trình máy tính để xác định các thông tin về hệ thực Cuối cùng là khả năng dự đoán hành vi của hệ thực tức là

có thể mô tả sự thay đổi của hệ thực theo thời gian

Quá trình nghiên cứu mô hình hóa được tiến hành như sau:

8

mô phỏng

Kết luận về hệ thực

Hình 1.7 Quá trình nghiên cứu bằng phương pháp mô phỏng

Nhìn vào hình 1.7 ta thấy rằng để nghiên cứu hệ thống thực ta phải tiến hành

mô hình hóa tức là xây dựng mô hình mô phỏng Khi có mô hình mô phỏng sẽ tiến hành làm thực nghiệm trên mô hình để thu được các kết quả mô phỏng Thông thường kết quả mô phỏng có tính trừu tượng của toán học nên phải thông qua xử lý thu được các thông tin kết luận về hệ thống thực Sau đó dùng các thông tin và kết luận trên để hiệu chỉnh hệ thực theo mục đích nghiên cứu đã đề ra [2]

3.3.3 Các bước nghiên cứu mô phỏng

9

1 Mục tiêu

mô phỏng

2 Thu thập dữ liệu Xác định mô hình nguyên lý

Hình 1.8 Các bước nghiên cứu mô phỏng

Khi tiến hành nghiên cứu mô phỏng thông thường phải thực hiện qua 10 bước như được biểu diễn bới lưu đồ như hình 1.8

Bước 1: Xây dựng mục tiêu mô phỏng và kế hoạch nghiên cứu

10

Xác định rõ mục tiêu nghiên cứu mô phỏng Mục tiêu đó được thể hiện bằng các chỉ tiêu đánh giá, bằng hệ thống câu hỏi cần được trả lời

Bước 2: Thu thập dữ liệu và xác định mô hình nguyên lý

Tùy theo mục tiêu mô phỏng mà người ta thu thập các thông tin, các dữ liệu tương ứng của hệ thống S và môi trường E Trên cơ sở đó xây dựng mô hình nguyên lý Mnl, mô hình nguyên lý phản ánh bản chất của hệ thống S

Bước 3: Hợp thức hóa mô hình nguyên lý Mnl

Hợp thức hóa mô hình nguyên lý là kiểm tra tính đúng đắn, hợp lý của mô hình, mô hình nguyên lý phải phản ánh đứng bẳn chất của hệ thống S và môi trường

E đồng thời cũng phải tiện dụng, không qua phức tạp công kềnh Nếu mô hình nguyên lý Mnl không đạt phải thu thập thêm thông tin, dữ liệu để tiến hành xây dựng lại mô hình

Bước 4: Xây dựng mô hình mô phỏng Mmp trên máy tính

Mô hình mô phỏng là những chương trình chạy trên máy tính Các chương trình này được viết bằng các ngôn ngữ thông dụng như Fortran, Pascal, C++, hoặc ngôn ngữ chuyên dụng để mô phỏng như GPSS, Simscript,…

Bước 5: Chạy thử

Sau khi cài đặt chương trình, người ta tiến hành chạy thử xem mô hình mô phỏng có phản ánh đúng các đặc tính của hệ thống S và môi trường E hay không Ở giai đoạn này cũng tiến hành sửa chữa các lỗi về lập trình

Bước 6: Kiểm chứng mô hình

Sau khi chạy thử người ta có thể kiểm chứng và đánh giá mô phỏng có đạt yêu cầu hay không, nếu không phải quay lại từ bước 2

Bước 7: Lập kế hoạch thực nghiệm

Ở bước này người ta phải xác định số lần thử nghiệm, thời gian mô phỏng của từng bộ phận hoặc toàn bộ mô hình Căn cứ vào kết quả mô phỏng ( ở bước 9), người ta tiến hành hiệu chỉnh kế hoạch thử nghiệm để đạt được kết quả với độ chính xác theo yêu cầu

Bước 8: Thử nghiệm mô phỏng

11

Cho chương trình chạy thử theo kế hoạch đã được lập ở bước 7 Đây là bước thực hiện việc mô phỏng, các kết quả lấy ra từ bước này

Bước 9: Xử lý kết quả

Thử nghiệm mô phỏng thường cho nhiều dữ liệu có tính thống kê xác suất

Vì vậy, để có kết quả cuối cùng với độ chính xác theo yêu cầu phải thực hiện việc

xử lý kết quả trung gian Bước xử lý kết quả đóng vai trò quan trọng trong quá trình

mô phỏng

Bước 10: Sử dụng và lưu trữ kết quả [2]

3.3.4 Một số môi trường mô phỏng

Để có thể làm việc với Simulink, trước hết ta phải khởi động Mathlab

Hình 1.9 Cửa sổ Simulink trong Mathlab

Thư viện Source (các khối nguồn tín hiệu), Sinks (các khối xuất tín hiệu),

Math (các khối ghép nối toán học) và Signals & Systems (các khối tín hiệu và hệ

con)

12

Khối chức năng được xây dựng theo mẫu như sau:

Mỗi khối có một hay nhiều đầu vào/ra (trừ trường hợp: khối thuộc hai thư

viện con Source và Sinks), có tên và ở trung tâm hình khối có biểu tượng thể hiện

đặc điểm riêng của khối Có thể tùy ý thay đổi tên của khối, tuy nhiên, mỗi tên chỉ

có thể sử dụng một lần duy nhất trong phạm vi cửa sổ mô hình mô phỏng Khi nháy

kép phím chuột trái trực tiếp vào khối ta sẽ mở cửa sổ tham số Block Parameters ( trừ các khối Scope, Slider Gain, Subsystem) và nhập thủ công các tham số đặc trưng

của khối

Mô hình Simulink

Từ cửa sổ thư viện khối (Library) ta có thể tạo ra các cửa sổ mô phỏng mới

bằng cách chọn menu File/New/Model, hoặc mở các File có sẵn qua menu

File/Open Một File Simulink sẽ có đuôi mdl hoặc slx

3.4.2 Thao tác cơ bản với Simulink

Sao chép: Bằng cách gắp và thả “ Drag & Drop” nhờ phím chuột phải là có

thể sao chép một khối từ thư viện con

Di chuyển: Ta có thể dễ dàng di chuyển một khối trong pham vi cửa sổ của khối đó nhờ phím chuột trái

Đánh dấu: Bằng cách nháy phím chuột trái vào khối ta có thể đánh dấu, lựa chọn từng khối, hoặc kéo chuột trái vào khối ta có thể đánh dấu, lựa chọn từng khối, hoặc kéo chuột đánh dấu nhiều khối một lúc

Xóa: có thể xóa các khối và đường nối đã bị đánh dấu bằng cách gọi lệnh

menu Edit/Clear Bằng menu Edit/Undo hoặc tổ hợp phím Ctrl +Z ta có thể quay lại

tác động xóa vừa thực hiện

Hệ thống con: Bằng cách đánh dấu nhiều khối có quan hệ chức năng, sau đó

gộp chúng lại thông qua menu Edit/Create Subsystem

Nối hai khối: Dùng phím chuột trái nháy vào đầu ra của một khối, sau đó mũi tên của chuột tới đầu vào cần nối

tăng bề dầy của đường nối

Chỉ thị kích cỡ và dạng dữ liệu của tín hiệu: Lệnh chọn qua menu Format/

Signal dimensions sẽ hiện kích cỡ của tín hiệu đi qua đường nối Lệnh menu Format/ Port data types chỉ thị thêm loại dữ liệu của tín hiệu qua đường nối

Định dạng cho một khối: Nháy phím chuột phải vào một khối

Định dạng cho đường nối: Nháy phím chuột phải vào một đường nối

Hộp thoại về đặc tính của khối: chọn menu của cửa sổ mô phỏng Edit/ Block

Properties, hoặc chọn mục Block Properties của cửa sổ định dạng khối

Hộp thoại về đặc tính của tín hiệu: chọn menu Edit/Signal Properties

3.4.3 Tín hiệu và các loại dữ liệu

Tín hiệu: Trong Simulink phân biệt ba loại kích cỡ tín hiệu: tín hiệu đơn,

Vector tín hiệu là tín hiệu 1-D, kích cỡ của tín hiệu được xác định theo một chiều

với độ dài n, ma trận tín hiệu là tín hiệu 2-D, kích cỡ của tín hiệu được xác định theo hai chiều [m×n] và cả vecto hàng [1×n] và vector cột [m×1] cũng thuộc ma

trận tín hiệu

Các loại số liệu: Double; Single; Int8, uint8, int16, uint16, int32, uint32;

Bolean

3.4.4 Thư viện Simulink:

3.4.4.1 Thư viện Source và sink

Thư viện Source:

Constant: khối constant tạo nên một hằng số thực hoặc phức, hoặc có thể là scalar, vector hay ma trận tùy theo cách ta khai báo tham số Constant Value

Step và Ramp: Nhờ hai khối Step và ramp ta có thể tạo nên các tín hiệu dạng

bậc thang hay dạng dốc tuyến tính để kích thích mô hình Simulink

14

Signal Generator và Pulse Generator: Bằng Signal Generator ta tạo ra các

dạng tín hiệu kích thước khác nhau Cung cấp cho 4 dạng sóng khác nhau: Sóng Sin, Sóng vuông, Sóng răng cưa, Sóng ngẫu nhiên

Với Pulse Generator tạo chuỗi xung hình chữ nhật Biên độ và tần số có thể

khai báo tùy ý

Repeating Sequence: Khối này cho phép ta tạo nên một tín hiệu tuần hoàn

tùy ý

Sine Wave: Khối này được sử dụng để tạo tín hiệu hình sin

From Workspace: Khối này lấy số liệu từ cửa sổ Mathlab Workspace để

cung cấp cho mô hình Simulink

From File: Bằng khối này ta lấy số liệu từ một Mat-file có sẵn Mat-file có

thể là kết quả của môt lần mô phỏng trước đó, đã được tạo nên nhờ khối To file trong sơ đồ Simulink

Thư viện Sink:

Scope: Khối này giúp ta có thể hiển thị đồ thị các tín hiệu của quá trình mô

phỏng

XY Graph: Khối này biểu diễn hai tín hiệu đầu vào trên hệ tọa độ XY dưới

dạng đồ họa Mathlab đầu vào thứ nhất bên trên ứng với trục X đầu thứ hai ứng với trục Y

To Workspace: Khối này gửi số liệu ở đầu vào của khối tới môi trường

Mathlab Workspace dưới dạng mảng (Array)

To File: Khối này giúp ta cất tập số liệu (mảng hay ma trận) ở đầu vào của

khối cùng vector thời gian dưới dạng Mat-File

3.4.4.2 Thư viện Math

Thư viện này có một số khối có chức năng ghép toán học các tín hiệu khác nhau, có những khối đơn giản chỉ nhằm cộng hay nhân tín hiệu còn có các hàm phức tạp như lượng giác và logic

Sum: Tín hiệu ra của khối Sum là tổng các tín hiệu vào

15

Product và Dot Product: Khối Product thực hiện phép nhân từng phần tử hay

ma trận cũng như phép chia giữa các tín hiệu vào (dạng 1-D hay 2-D) của khối Khối Dot Product tính tích vô hướng của các vector đầu vào

Math Function và Trigonometric Function: Cả hai khối đều có thể xử lý tín

hiệu 2-D Khối Math Function có các hàm toán học cho phép lựa chọn theo nhu cầu

sử dụng Khối Trigonometric có tất cả các hàm lượng giác quan trọng

Gain và Silder Gain: Khối Gain có tác dụng khuếch đại tín hiệu đầu vào

(định dạng 1-D hay 2-D) bằng biều thức khai báo tại ô Gain Khối Slider Gain cho

phép thay đổi hệ số khuếch đại vô hướng trong quá trình mô phỏng

4 Tổng kết chương

Chương giới thiệu tổng quan tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nước

về hệ thống tạo triều trong phòng thí nghiệm, nghiên cứu về mô hình hóa và ứng dụng mô phỏng Mathlab/ Simulink

Hiện nay, việc nghiên cứu thí nghiệm trên mô hình vật lý ở nước ta đang phát triển mạnh Đơn vị mà có nhiều kinh nghiệm hơn cả là phòng Thí nghiệm Trọng điểm Quốc gia về Động lực học sông biển – Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam Được tài trợ vay vốn từ dự án nước ngoài mà viện được đầu tư mua mới hệ thống mô phỏng sóng triều 3D nhưng khi xét đến kinh phí mua một hệ thống của nước ngoài giá thành rất cao Tác giả nhận thấy các thiết bị điều khiển được dùng trong hệ thống hầu hết có mặt trên thị trường trong nước và một phần có thể nhập từ một số nước có giá thành cạnh tranh hơn Chính vì điều đó, tác giả mạnh dạn đề

xuất nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu mô hình logic mờ cho bài toán mô phỏng thủy

triều tại khu vực cửa sông ven biển” nhằm ưu việt hóa các thiết bị điều khiển cũng

như mở ra một hướng nghiên cứu mới trong lĩnh vực thủy lợi và xây dựng các công trình bảo vệ bờ và tính toán ổn định công trình dưới tác động của thủy triều Phạm

vi nghiên cứu trong luận văn là nghiên cứu mô hình, thiết kế mô hình Logic Mờ,

mô phỏng thử nghiệm trên máy tính bằng phần mềm mô phỏng Mathlab/Simulink

16

CHƯƠNG 2: CÁC MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG

1 Mô hình điều khiển

1.1 Phân tích bài toán mô phỏng thủy triều

Với các kết quả nghiên cứu tổng quan trên thế giới và trong nước luận văn nhận thấy các hệ thống mô phỏng thủy triều gồm nhiều thiết bị hợp thành, đặc biệt quan trọng là hệ thống điều khiển bơm (thiết bị điều khiển thường dùng bộ điều khiển PID và được tích hợp sẵn trong các module điều khiển) Bài toán điều khiển mô phỏng thủy triều trong nghiên cứu này là xây dựng bộ điều khiển hệ thống bơm bơm nước tác động vào mô hình vật lý làm thay đổi mức nước trên mô hình theo mức nước thủy triều đo đạc ngoài thực địa khu vực cửa sông ven biển mà mô hình vật lý nghiên cứu

Hiện nay trong điều khiển hệ thống có nhiều phương pháp điều khiển hệ thống khác nhau như điều khiển kinh điển PID, điều khiển logic mờ, điều khiển tối ưu, điều khiển thông minh, điều khiển bền vững…

Trong giới hạn của luận văn nên tác giả chỉ đề cập đến hai phương pháp điều khiển PID và phương pháp điều khiển logic mờ

1.2 Sơ đồ tổng quát của hệ thống điều khiển

-Hình 2.1 Sơ đồ tổng quát mô hình hệ thống điều khiển tự động

Hệ thống điều khiển tự động bao gồm 3 bộ phận cơ bản :

- Thiết bị điều khiển C (Controller device)

- Đối tượng điều khiển (Object device)

- Thiết bị đo lường (Measuring device)

Trong đó:

x(t) tín hiệu vào ; e(t) Sai lệch điều khiển ;

17

u(t) Tín hiệu điều khiển ; y(t) Tín hiệu ra ;

z(t) Tín hiệu phản hồi (hồi tiếp)

1.3 Đối tượng điều khiển (Object)

Đối tượng điều khiển là đối tượng động cơ bơm, mô hình vật lý luận văn đi tìm hiểu mô hình hóa đối tượng này

1.3.1 Động cơ bơm

1.3.1.1 Mô hình toán động cơ bơm

Mô hình toán và tham số của động cơ bơm tác giả tham khảo từ công trình nghiên cứu [3]:

Hình 2.2 Sơ đồ mô phỏng động cơ bơm trên Mathlab-simulink

Bảng 2.1 Bảng tham số động cơ 3 pha của bơm [3]:

1.3.1.2 Quan hệ tỷ lệ giữa tốc độ và lưu lượng bơm

Quan hệ tỷ lệ giữa lưu lượng và vòng quay của bơm ly tâm như sau [12]:

độ động cơ 𝜔 tại 150 (rad/s)

1.3.2 Mô hình vật lý cửa sông ven biển

Mô hình vật lý khu vực cửa sông ven biển là không gian nền mà bài toán mô phỏng thủy triều áp dụng Việc mô phỏng đúng thủy triều trên khu vực cửa sông ven biển góp phần đánh giá các tác động của thủy triều trong nghiên cứu mô hình vật lý

1.3.2.1 Giới thiệu mô hình

Hình 2.3 Ảnh vệ tinh khu vực mô hình nghiên cứu [5]

19

Tên mô hình: Mô hình thủy lực, hải văn Cửa Sót- Hà Tĩnh Mô hình được thí nghiệm trên cơ sở phương án thiết kế để nhằm chọn giải pháp tối ưu về phương án chỉnh trị: lựa chọn truyến luồng hợp lý, xác định mức nước, quy mô của kè chắn cát

để hạn chế sa bồi luồng tàu vào cảng cá Cửa Sót ảnh hưởng đến giao thông thủy

Hình 2.4 Mặt bằng tổng thể mô hình vật lý [5]

1.3.2.4 Các thiết bị đo đạc trên mô hình

Để xác định các thông số thủy lực dòng chảy trên mô hình, bố trí và sử dụng các loại thiết bị như sau:

Đo lưu lượng trong mô hình: để đo lưu lượng trong mô hình dùng máng lường thành mỏng dạng chữ nhật, được xác định theo công thức Rehbock [6]:

𝑄𝑚 = (1.782 + 0.24ℎ𝑒

𝑝) 𝐵ℎ𝑒3/2 (2-2)

20

Trong đó: P là chiều cao của ngưỡng đập tràn thành mỏng (m)

B là chiều rộng đập tràn (m)

H là cột nước trên đỉnh đập tràn (m) ℎ𝑒3/2 = ℎ + 0.0011𝑚

Sai số đo đạc nhỏ hơn 1%

Đo lưu lượng, mức nước triều lên, triều xuống bằng hệ thống mô phỏng thủy triều

Đo lưu tốc trung bình dòng chảy và mạch động lưu tốc: dùng đầu đo điện từ PEMS E40 do Hà Lan chế tạo, tín hiệu đo được qua bộ thu thập dữ liệu đưa vào máy tính có chương trình xử lý, sai số không quá 1%

Đo mạch động áp suất 𝜎𝑝 (mH2O): dùng đầu đo áp suất do Đức và Hà Lan chế tạo, tín hiệu đo được bộ thu nhận, chuyển vào máy tính có chương trình tự xử lý số liệu

Đo đường mặt nước dọc tuyến công trình: dùng máy thủy chuẩn Ni004 và mia

Quan sát ghi chép mô tả chế độ thủy lực

2 Mô hình điều khiển PID

Bộ điều khiển PID (A proportional integral derivative controller) là bộ điều khiển sử dụng kỹ thuật điều khiển theo vòng lặp có hồi tiếp Bộ điều khiển PID được sử dụng phổ biến trong các hệ thống điều khiển tự động công nghiệp [7],[8]

Bộ điều khiển PID sẽ hiệu chỉnh sai lệch giữa tín hiệu đặt mong muốn và đáp ứng đầu ra của hệ thống, sau đó đưa ra một tín hiệu điều khiển để điều chỉnh quá trình cho phù hợp Bộ điều khiển sẽ thực hiện giảm tối đa sai số bằng cách điều chỉnh giá trị điều khiển Để đạt được kết quả điều khiển tốt nhất, các tham số PID phải được tính toán, điều chỉnh theo tính chất của đối tượng điều khiển trong hệ

+ Giá trị tỉ lệ xác định tác động của sai số hiện tại

+ Giá trị tích phân xác định tác động của tổng các sai số quá khứ

+ Giá trị vi phân xác định tác động của tốc độ biến đổi sai số

Đáp ứng của hệ thống điều khiển (HTĐK) khi sử dụng bộ điều khiển PID có thể được đánh giá thông qua thời gian quá độ, độ quá điều chỉnh, số lần dao động và sai số xác lập

Một bộ điều khiển PID sẽ được gọi là bộ điều khiển PI, PD, P hoặc I nếu vắng mặt các tác động bị khuyết

Bộ điều khiển PI khá phổ biến, do đáp ứng vi phân khá nhạy đối với các nhiễu đo lường, trái lại nếu thiếu giá trị tích phân có thể khiến hệ thống không đạt được giá trị điều khiển mong muốn (có thể có sai lệch tĩnh)

Cấu trúc bộ điều khiển PID như hình 2.2

Khâu tỉ lệ P

Khâu tích phân - I

Khâu đạo hàm - D

u(t) e(t)

uP(t)

uI(t)

uD(t)

Hình 2.5 Điều khiển PID

Giá trị vào ra của bộ điều khiển PID được tính theo công thức (2-11)

𝑈(𝑡) = 𝐾𝑃𝑒(𝑡) + 𝐾𝐼∫ 𝑒(𝑡)𝑑𝑡

𝑡 0

+ 𝐾𝐷𝑑𝑒(𝑡)

22

Trong đó:

- e(t): tín hiệu đầu vào

- u(t): tín hiệu đầu ra

; 𝑢𝐷(𝑡) = 𝐾𝐷𝑑𝑒(𝑡)

𝑑𝑡 ; (2-4)

Hệ số tỉ lệ của khâu tỉ lệ càng lớn thì đáp ứng càng nhanh do đó hệ thống nhanh chóng đạt đến giá trị đặt điều khiển mong muốn Tuy nhiên nếu hệ số tỉ lệ của khâu tỉ lệ quá cao, hệ thống sẽ không ổn định và dao động Ngược lại, hệ số nhỏ

là do đáp ứng đầu ra nhỏ trong khi sai số đầu vào lớn, và làm cho bộ điều khiển kém nhạy hoặc đáp ứng chậm

Giá trị hệ số tích phân càng lớn kéo theo sai số ổn định bị khử càng nhanh Bất kỳ sai số âm nào được tích phân trong suốt đáp ứng quá độ phải được triệt tiêu tích phân bằng sai số dương trước khi tiến tới trạng thái ổn định Vai trò của khâu tích phân sẽ làm triệt tiêu sai lệch tĩnh, nhưng thời gian quá độ dài hơn

Khi kết hợp khâu P với khâu I, tạo ra bộ điều khiển PI sẽ tận dụng được ưu điểm tác động nhanh của khâu P và trượt tiêu sai lệch tĩnh của khâu I Khi đó chất lượng của bộ điều khiển PI sẽ tốt hơn khi dùng bộ điều khiển riêng rẽ P hoặc I

Khâu vi phân D có tác dụng dự đoán giá trị kế tiếp của sai lệch và thay đổi tín hiệu điều khiển cho phù hợp Luật điều khiển PD được dùng trong các hệ thống có tải thay đổi đột ngột mà luật điều khiển P không thể giữ sai lệch ở mức chấp nhận được Khâu D là khâu có tính tác động nhanh nhưng cũng nhạy cảm với nhiễu

Sự kết hợp cả 3 khâu sẽ tạo ra bộ điều khiển PID có thể được dùng cho nhiều bài toán điều khiển, và thường đạt kết quả như ý mà không cần bất kỳ cải tiến hay thậm chí điều chỉnh nào Khi đối tượng là tuyến tính, tuỳ theo chỉ tiêu tối ưu mà ta ó thể tìm được các tham số KP, KI, và KD phù hợp để đảm bảo chất lượng yêu cầu đặt

23

ra Khi đối tượng là phi tuyến, lúc đó để đảm bảo được chất lượng yêu cầu đặt ra, nếu vẫn giữ cấu trúc bộ điều khiển là PID thì các tham số của PID phải được điều chỉnh cho phù hợp

Bảng 2.2 Tác động của việc tăng một thông số KP,KI,KD độc lập [16]

Thông

số khởi động Thời gian Quá độ Thời gian xác lập Sai số ổn định Độ ổn định

K P Giảm Tăng Thay đổi nhỏ Giảm Giảm cấp

K D Giảm ít Giảm ít Giảm ít Về lý thuyết không tác

động

Cải thiện nếu nhỏ

3 Mô hình điều khiển Logic Mờ

Khái niệm về logic mờ được giáo sư LA Zadeh đưa ra lần đầu tiên năm 1965, tại trường Đại học Berkeley, California-Mỹ Từ đó lý thuyết mờ đã được phát triển và ứng dụng rộng rãi [7], [10]

Năm 1970 tại trường Mary Queen, London -Anh, Ebrahim Mamdani đã dùng logic mờ điều khiển một máy hơi nước mà ông không thể điều khiển được bằng kỹ thuật cổ điển Tại Đức, ông HamZimmermam đã dùng logic mờ cho các hệ ra quyết định Tại Nhật đã dùng logic mờ được ứng dụng vào nhà máy xử lý nước của Fuji Electronic vào 1983, hệ thống xe điện ngầm của Hitachi vào 1987 [10]

Lý thuyết mờ ra đời ở Mỹ, ứng dụng đầu tiên ở Anh nhưng phát triển mạnh mẽ nhất là ở Nhật Trong lĩnh vực tự động hóa logic mờ ngày càng được ứng dụng rộng rãi Nó thực sự hữu dụng với các đối tượng phức tạp mà ta chưa biết rõ hàm truyền,

sử dụng logic mờ có thể giải quyết các vấn đề mà điều khiển kinh điển không làm được [10]

3.1 Khái niệm cơ bản