Luận văn Thạc sĩ Kĩ thuật: Điều khiển và ổn định mức nước ứng dụng bộ điều chỉnh PID và logic mờ

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:72

Thêm vào BST

Báo xấu

44
lượt xem 8
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn nghiên cứu bộ điều khiển mờ vừa có thể tích hợp kiến thức của các chuyên gia trong thao tác vào các bộ điều khiển, quan hệ giữa các đầu vào và đầu ra của hệ điều khiển logic mờ được thiết lập thông qua việc lựa chọn các luật điều khiển mờ trên các biến ngôn ngữ. Mặt khác khối lượng công việc thiết kế giảm đi nhiều nên chất lượng điều khiển được nâng cao. Mời các bạn tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Kĩ thuật: Điều khiển và ổn định mức nước ứng dụng bộ điều chỉnh PID và logic mờ

i ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN & TRUYỀN THÔNG MẪN THỊ HOA ĐIỀU KHIỂN VÀ ỔN ĐỊNH MỨC NƯỚC ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU CHỈNH PID VÀ LOGIC MỜ LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA THÁI NGUYÊN – 2020
ii ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN & TRUYỀN THÔNG MẪN THỊ HOA ĐIỀU KHIỂN VÀ ỔN ĐỊNH MỨC NƯỚC ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU CHỈNH PID VÀ LOGIC MỜ Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 8520216 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Người hướng dẫn khoa học: TS. DƯƠNG CHÍNH CƯƠNG THÁI NGUYÊN – 2020
iii LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Mẫn Thị Hoa Sinh ngày 03 tháng 04 năm 1987 Học viên lớp cao học khoá 17- Kỹ thuật điều khiển và tự động hoá - Trường Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông - Đại học Thái Nguyên. Hiện đang công tác tại Khoa Điện tử, Tin học Trường Cao đẳng Cơ điện và Xây dựng Bắc Ninh. Tôi xin cam đoan: Bản luận văn: “Điều khiển và ổn định mức nước ứng dụng bộ điều chỉnh PID và logic mờ” do thầy giáo TS. Dương Chính Cương hướng dẫn là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Tất cả các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng. Các số liệu, kết quả trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chưa từng ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Nếu sai tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm. Thái Nguyên, ngày 18 tháng 11 năm 2020 Tác giả luận văn Mẫn Thị Hoa LỜI CẢM ƠN
iv Sau một thời gian nghiên cứu, được sự động viên, giúp đỡ và hướng dẫn tận tình của thầy giáo TS. Dương Chính Cương, luận văn với đề tài “Điều khiển ổn định mức nước ứng dụng bộ điều chỉnh PID và logic mờ” đã hoàn thành. Tác giả xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến: Thầy giáo hướng dẫn TS. Dương Chính Cương đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ tác giả hoàn thành luận văn này. Phòng quản lý đào tạo sau đại học, các thầy giáo, cô giáo Khoa Công nghệ Tự động hoá Trường Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông - Đại học Thái Nguyên đã giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập cũng như trong quá trình nghiên cứu đề tài. Toàn thể các đồng nghiệp, bạn bè, gia đình và người thân đã quan tâm, động viên, giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn. Thái Nguyên, ngày 18 tháng 11 năm 2020 Tác giả luận văn Mẫn Thị Hoa
iii MỤC LỤC Lời cam đoan.........…………………………………….………………………i Lời cảm ơn….………………………………………………………………...ii Mục lục ....................................................................................................... iii Danh mục các thuật ngữ, ký hiệu viết tắt .....................................................v Danh mục bảng biểu.................................................................................. vii Danh mục hình ảnh .................................................................................. viii MỞ ĐẦU .....................................................................................................1 NỘI DUNG..................................................................................................5 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH MỨC NƯỚC ...............................................................................................5 1.1.Tổng quan hệ thống ổn định mức nước ................................................5 1.1.1.Sự cần thiết ổn định mức nước ...........................................................5 1.1.2.Ứng dụng của hệ thống ổn định mức nước ........................................5 1.2.Điều khiển ổn định mức nước và sự cần thiết phải ứng dụng tự động hóa....... .......................................................................................................12 1.3. Các phương thức điều khiển ...............................................................13 1.4. Đặt bài toán điều khiển mức nước .....................................................15 1.5. Kết luận chương 1 ...............................................................................17 CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ......................................18 2.1. Phương pháp điều khiển PID ..............................................................18 2.2. Phương pháp điều khiển sử dụng logic mờ.........................................20 2.2.1. Lịch sử phát triển logic mờ ..............................................................20 2.2.2. Cơ sở lý thuyết mờ ...........................................................................21 2.2.3. Mô hình mờ TSK .............................................................................35 2.2.4. Bộ điều khiển mờ cơ bản .................................................................36 2.3. Kết luận chương 2 ...............................................................................38
iv CHƯƠNG 3 ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH MỨC NƯỚC ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU CHỈNH PID VÀ LOGIC MỜ ......................................................38 3.1. Mô hình của bồn chứa .........................................................................38 3.2. Khảo sát đối tượng bồn chứa ..............................................................42 3.3. Phương án sử dụng bộ điều khiển PID ...............................................45 3.4. Phương án sử dụng bộ điều khiển mờ.................................................50 3.5. Kết luận chương 3....................................................................................58 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI...........................59 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...........................................................................60
v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, THUẬT NGỮ VIẾT TẮT *Các toán tử Min phép lấy min Max phép lấy max Sum phép lấy tổng PROD phép nhân *Các ký hiệu A,B,C tập mờ A, B, C AC tập bù của tập mờ A B' miền mờ đầu ra A  x hàm liên thuộc B '  y  hàm liên thuộc tập mờ đầu ra Ri luật hợp thành Aik(xk) độ phụ thuộc của xkvào tập mờ Aik KP , KI , KD các hệ số của bộ điều khiển PID Qi Lưu lượng nước chảy vào bình ( m3 / s ); Qi max Lưu lượng nước chảy vào bình lớn nhất ( m3 / s ); Qo Lưu lượng nước chảy ra khỏi bình ( m3 / s ); H Mực nước trong bình ( m ); H max Mực nước cao nhất trong bình ( m ); A Tiết diện bình ( m2 ); a Tiết diện đường ống dẫn nước ra khỏi bình ( m2 ); V Thể tích nước trong bình ( m3 ); g Gia tốc trọng trường (9.8 m / s 2 ); p Vị trí góc mở của van lưu lượng, thay đổi từ 0 tới 1.
vi *Các từ viết tắt Từ viết Thuật ngữ tiếng anh Thuật ngữ tiếng việt tắt Bộ điều khiển vi tích phân tỉ PID Proportional Intergral Derivative lệ HTĐK Hệ thống điều khiển MIMO Multiple In Multiple Out Nhiều đầu vào, nhiều đầu ra SISO Single Input Single Output một đầu vào, một đầu ra TS Takagi – Sugeno Mô hình mờ TS TSK Takagi – Sugeno – Kang Mô hình mờ tuyến tính TSK MCFC Control Mamdani Điều khiển Mamdani SMFC Điều khiển mờ trượt CMFC Điều khiển tra bảng TSFC Điều khiển Tagaki/ Sugeno N Negative Âm M Medium Trung bình P Positive Dương B Big Lớn S Small Nhỏ VB Very Big Rất lớn VN Very Negative Rất âm VP Very Positive Rất dương Z Zero Không Là phần mềm cho phép tính MATLAB Matrix Laboratory toán số với ma trận, vẽ đồ thị hàm số, thuật toán...
vii DANH MỤC BẢNG BIỂU TT Tên bảng biểu Trang Bảng 3.1. Các tham số bồn chứa................................................................ 42 Bảng 3.2. Các tham số PID tìm được theo tiêu chuẩn tích phân................. 48 Bảng 3.3. Bảng tổng hợp các mệnh đề hợp thành....................................... 54
viii DANH MỤC HÌNH ẢNH TT Tên hình Trang Hình 1.1. Hệ thống làm mát bình ngưng trong một nhà máy nhiệt 6 điện.............. Hình 1.2. Sơ đồ nguyên lý một nhà máy nhiệt điện 7 than...................................... Hình 1.3. Sơ đồ nguyên lý một nhà máy điện hạt 8 nhân........................................ Hình 1.4. Sơ đồ xử lý nước 9 thải............................................................................ Hình 1.5. Sơ đồ quy trình xử lý nước 10 cấp............................................................. Hình 1.6. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của một dây chuyền sản xuất 11 nước.......... Hình 1.7. Hệ thống công trình máy 12 bơm.............................................................. Hình 1.8. Mô hình hệ thống bồn 18 nước.................................................................. Hình 2.1. Sơ đồ khối của bộ điều khiển 18 PID……………………………............ Hình 2.2. Hàm đặc 21 trưng……………………………………………………….. Hình 2.3. Miền trong logic 22 mờ…………………………………………………. Hình 2.4. Tập mờ tuyến 23 tính................................................................................. Hình 2.5. Dạng đường cong S, hình 23 chuông…………………………………....
ix Hình 2.6. Dạng hình thang và tam 24 giác……………………………………….... Hình 2.7. Hai tập nhanh chậm có hàm đặc trưng hình 24 thang................................ Hình 2.8. Tập bù mạnh AC của 26 A…………………………………………….... Hình 2.9. Xác định miền G chứa giá trị rõ 29 y’....................................................... Hình 2.10. Giá trị rõ y’ phụ thuộc vào đáp ứng vào của luật điều khiển 30 quyết... Hình 2.11. Giá trị rõ y’ phụ thuộc tuyến tính vào độ thỏa 31 mãn............................ Hình 2.12. Giá trị rõ y’ không phụ thuộc vào đáp ứng vào của luật điều 31 khiển Hình 2.13. Giá trị rõ y’ là hoành độ của điểm trọng 32 tâm...................................... Hình 2.14. Xác định giá trị rõ y’ theo phương pháp điểm trọng tâm 32 .................. Hình 2.15. Tập mờ có hàm thuộc hình 34 thang........................................................ Hình 2.16. Giải mờ theo quy ước 34 singleton…………………………………….. Hình 2.17. Cấu trúc của bộ điều khiển mờ 35 TSK................................................... Hình 2.18. Bộ điều khiển mờ cơ 37 bản.................................................................... Hình 2.19. Nguyên lý điều khiển 37 mờ....................................................................
x Hình 3.1. Cấu trúc của bồn 39 chứa........................................................................... Hình 3.2. Cấu trúc hệ điều khiển 41 kín.................................................................... Hình 3.3.Sơ đồ cấu trúc đối 42 tượng....................................................................... Hình 3.4. Sơ đồ cấu trúc của 43 PID......................................................................... Hình 3.5. Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều chỉnh mức 43 nước............................... Hình 3.6. Đáp ứng quá trình quá độ với 44 Kp=5..................................................... Hình 3.7. Đáp ứng quá trình quá độ với 45 Kp=10................................................... Hình 3.8. Đồ thị đáp ứng của hệ kín 49 ................................................................... Hình 3.9. Chương trình mô phỏng HT ĐK với 50 PID............................................. Hình 3.10. Đáp ứng chiều cao mức nước 50 H......................................................... Hình 3.11. Hàm thuộc của biến 52 E....................................................................... Hình 3.12. Hàm thuộc của biến 52 DE...................................................................... Hình 3.13. Hàm thuộc của 53 biếnV......................................................................... Hình 3.14. Chương trình mô phỏng HT ĐK với 54 Fuzzy........................................
xi Hình 3.15. Đáp ứng chiều cao mức nước H với HTĐK 55 Fuzzy............................ Hình 3.16. Cửa sổ Rule 55 Viewer…………………………………………........... Hình 3.17. Chương trình mô phỏng HT ĐK với Fuzzy và PID đưa qua bộ 56 mux. Hình 3.18. So sánh đáp ứng chiều cao mức nước H với khi dùng Fuzzy và 57 PID
1 MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề Hiện nay, trong công nghiệp hóa lọc dầu, công nghiệp hóa chất, công nghiệp xử lý nước, sản xuất giấy, sản xuất điện năng…Vấn đề điều khiển mức, lưu lượng dòng chảy cần đáp ứng với độ chính xác cao để phục vụ quá trình sản xuất đạt hiệu quả tốt hơn. Chính vì vậy, vấn đề đặt ra trong đề tài là điều khiển lưu lượng dòng chảy để ổn định mức chất lỏng với độ chính xác cao. Với yêu cầu ứng dụng thực tế như vậy, đề tài nghiên cứu đối tượng chính ở đây là hệ bồn nước. Hệ bồn nước được hình thành với hệ thống bơm và xả chất lỏng nhưng luôn giữ ổn định theo giá trị mức đặt trước, cột chất lỏng của bồn được duy trì ổn định. Để làm được điều này thì đòi hỏi phải điều khiển đóng mở các van để điều tiết lưu lượng dòng chảy cũng như điều khiển lưu lượng chất lỏng từ máy bơm bơm vào hệ thống bồn nước, làm mức nước trong bồn luôn luôn giữ một giá trị đặt trước là không đổi [2,3,4]. Việc điều khiển hệ thống này để giữ được mức chất lỏng trong bồn ổn định là tương đối khó, cần phải có sự điều khiển phối hợp giữa các van và máy bơm. Với sự phát triển của kỹ thuật điều khiển tự động hiện nay [2] thì có nhiều cách để điều khiển mức chất lỏng của hệ thống bồn nước như PID kinh điển, logic mờ...Bộ điều khiển PID được sử dụng rộng rãi trước đây để điều khiển giữ mức nước cố định khi các vấn đề về nhiễu chưa đủ mạnh. Khi chúng trở nên có tác động đáng kể đến chất lượng điều khiển thì phải có phương pháp điều khiển khác bổ sung cho bộ điều khiển PID để bù lại những khiếm khuyết của bộ điều khiển này. Một trong những phương pháp điều khiển hiện đại được áp dụng rộng rãi hiện nay là ứng dụng logic mờ vào điều khiển [1,7,8]. Bộ điều khiển mờ vừa có thể tích hợp kiến thức của các chuyên gia trong thao tác vào các bộ điều khiển, quan hệ giữa các đầu vào và đầu ra của hệ điều khiển logic mờ được thiết lập thông qua việc lựa chọn các luật điều khiển mờ trên các biến
2 ngôn ngữ. Mặt khác khối lượng công việc thiết kế giảm đi nhiều nên chất lượng điều khiển được nâng cao. 2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2.1. Đối tượng: - Hệ thống bồn nước - Nghiên cứu thiết kế các bộ điều khiển dựa trên cơ sở PID, logic mờ áp dụng cho bài toán điều khiển mức nước . 2.2. Phạm vi nghiên cứu: - Nghiên cứu xây dựng khảo sát mô hình toán của hệ thống bồn nước bằng các phương pháp điều khiển PID, bộ điều khiển dựa trên logic mờ. - Mô phỏng hệ thống điều khiển trên matlab-Simulink - Đánh giá kết quả nghiên cứu. 3. Hướng nghiên cứu của đề tài - Nghiên cứu lý thuyết logic mờ, lý thuyết bộ điều khiển PID. - Nghiên cứu khả năng ứng dụng bộ điều khiển PID và logic mờ trong điều khiển nói chung. - Nghiên cứu điều khiển hệ thống bồn nước. 4. Những nội dung nghiên cứu chính Luận văn dự kiến được chia làm 03 chương: Đề tài tập trung nghiên cứu một số nội dung chính sau: Chương 1: Bài toán điều khiển ổn định mức nước 1.1. Tổng quan hệ thống ổn định mức nước . 1.2. Điều khiển ổn định mức nước và sự cần thiết phải ứng dụng tự động hóa. 1.3.Các phương thức điều khiển 1.4. Đặt bài toán điều khiển mức nước
3 1.5. Kết luận chương 1 Chương 2: Phương pháp điều khiển 2.1. Phương pháp điều khiển PID 2.2. Phương pháp điều khiển sử dụng logic mờ 2.3. Kết luận chương 2 Chương 3: Điều khiển ổn định mức nước ứng dụng bộ điều chỉnh PID và logic mờ. 3.1. Mô hình của bồn chứa 3.2. Khảo sát đối tượng bồn chứa 3.3. Phương án sử dụng bộ điều chỉnh PID 3.4. Phương án sử dụng bộ điều khiển mờ 3.5. Kết luận chương 3 5. Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết liên quan đến luận văn: Lý thuyết về logic mờ và bộ điều chỉnh PID - Nghiên cứu giải pháp sử dụng bộ điều chỉnh PID và logic mờ - Phân tích, tính toán lý thuyết kết hợp với thực nghiệm mô phỏng. Sử dụng công cụ hiện đại như logic mờ và Matlab-Simulink [6]. 6. Ý nghĩa khoa học của đề tài Ứng dụng logic mờđể thiết kế, tính toán bộ điều khiển áp dụng để điều khiển ổn định mức nước nhằm nâng cao chất lượng của hệ thống như:điều khiển đóng mở các van để điều tiết lưu lượng dòng chảy cũng như điều khiển lưu lượng chất lỏng từ máy bơm bơm vào hệ thống bồn nước. Xây dựng mô hình toán học, thiết kế và cài đặt thuật toán điều khiển, mô phỏng hệ thống ổn định mức nước trên máy tính bằng phần mềm matlab-Simulink [6].
4 Là kết quả đạt được trong lĩnh vực điều khiển sử dụng logic mờ. Việc sử dụng logic mờ trong điều khiển có khả năng cài đặt các tri thức, kinh nghiệm của chuyên gia. Hệ thống sử dụng nhiều trong công nghiệp hóa lọc dầu, công nghiệp hóa chất, công nghiệp xử lý nước, sản xuất giấy,sản xuất xi măng…cũng như trong các lĩnh vực khác của đời sống.
5 NỘI DUNG CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH MỨC NƯỚC 1.1. Tổng quan hệ thống ổn định mức nước 1.1.1. Sự cần thiết ổn định mức nước Hiện nay, sự nghiệp công nghiệp hóa hiện đại hóa ngày càng phát triển mạnh mẽ, sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, trong đó kỹ thuật điều khiển tự động cũng góp phần rất lớn tạo điều kiện để nâng cao hiệu quả trong quá trình sản xuất. Trong các ngành công nghiệp sản xuất chất lỏng như hóa chất, nước uống đóng chai, sữa, nước mắm, dầu ăn…vấn đề cần điều khiển mức, lưu lượng dòng chảy cần đáp ứng với độ chính xác cao để phục vụ quá trình sản xuất đạt hiệu quả tốt hơn, đảm bảo quá trình sản xuất các chất lỏng không bị gián đoạn, tăng tuổi thọ thiết bị. Người vận hành không cần phải trực tiếp kiểm tra trong các bồn chứa hoặc đóng mở bơm liên tục, vấn đề bị cạn hay tràn trong bồn chứa chất lỏng hoàn toàn được khắc phục cho dù đầu ra thay đổi. Chính vì vậy chúng ta cần thiết phải “ Ổn định mức nước ”. 1.1.2. Ứng dụng của hệ thống ổn định mức nước Hệ thống ổn định mức nước được ứng dụng nhiều trong các lĩnh vực Công nghiệp, Nông nghiệp, ở nhiều Công ty, Xí nghiệp và các nhà máy như: công nghiệp hóa lọc dầu, công nghiệp hóa chất, công nghiệp xử lý nước, sản xuất giấy, sản xuất điện năng, bể chứa nước thải... Ứng dụng kiểm soát mức nước điều chỉnh mức nước trong bể để giảm lượng nước thừa trong bể. Ngoài ra hệ thống này còn tăng khả năng điều chỉnh của bể, để đảm bảo đầu ra ổn định tới hệ thống nước thải và xử lý nước thải. Có nhiều phương pháp để giám sát và quản lý chất lỏng như: phương pháp thủ công, phương pháp tự động hóa. Và ngày này phần lớn đều sử dụng phương
6 pháp tự động hóa nhằm giảm bớt sức lao động con người, tăng hiệu quả sản xuất về kinh phí cũng như độ chính xác. Hệ thống ổn định mức nước được ứng dụng trong một số lĩnh vực cụ thể như sau: 1.1.2.1. Lĩnh vực sản xuất điện +Nhiệt điện Phần lớn việc giám sát và quản lý chất lỏng trong các nhà máy nhiệt điện tập trung vào hệ thống làm mát cho các bình ngưng Hình 1.1. Hệ thống làm mát bình ngưng trong một nhà máy nhiệt điện Trong nhà máy nhiệt điện đốt than dùng Tuabin ngưng hơi, hệ thống tuần hoàn bình ngưng làm nhiệm vụ rất quan trọng trong chu trình nhiệt. Nó giúp thải một lượng nhiệt khá lơn ra bên ngoài (40-45%) lượng nhiệt mà nước nhận được từ lò hơi. Tuy lượng nhiệt phải thải đi là lớn nhưng lại phải diễn ra ở điều kiện nhiệt độ thải nhiệt gần với nhiệt độ môi trường. Chính vì thế mà hiệu quả
7 thải nhiệt phụ thuộc vào những yếu tố môi trường và điều kiện truyền nhiệt trong bình ngưng. Ngoài ra việc giám sát và quản lý ổn định mức nước cũng được ứng dụng trong hệ thống làm mát của các nhà máy nhiệt điện. Hình 1.2. Sơ đồ nguyên lý một nhà máy nhiệt điện than + Điện hạt nhân Cũng giống như nhà máy nhiệt điện nhà máy điện hạt nhân việc giám sát quản lý ổn định mức nước được ứng dụng trong các hệ thống làm mát.