Thiết kế bộ điều khiển PID và bộ điều khiển FLC (fuzzy logic controller) cho hệ thống gia nhiệt

Nguyễn Thị Thanh Quỳnh và Đtg<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> 112(12)/2: 39 - 44<br /> <br /> THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID VÀ BỘ ĐIỀU KHIỂN FLC<br /> (FUZZY LOGIC CONTROLLER) CHO HỆ THỐNG GIA NHIỆT<br /> Nguyễn Thị Thanh Quỳnh*, Phạm Văn Thiêm<br /> Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp –ĐH Thái Nguyên<br /> <br /> TÓM TẮT<br /> Vấn đề ổn định nhiệt độ cho hệ thống gia nhiệt gặp nhiều khó khăn do các hệ thống này thường có<br /> quán tính nhiệt rất lớn, nhất là khi có nhiễu tác động và có sai lệch về giá trị đo. Về mặt lý thuyết<br /> có nhiều phương pháp điều khiển được áp dụng cho bài toán này [1],[2],[5]. Bài báo này trình bày<br /> tóm tắt về hai phương pháp thiết kế bộ điều khiển nhiệt độ dùng PID và FLC (Fuzzy Logic<br /> Controller) để ổn định nhiệt độ cho hệ thống gia nhiệt CRT 916921 tại trường Đại học Kỹ thuật<br /> Công nghiệp. Đồng thời bài báo này cũng khảo sát chất lượng của hệ thống gia nhiệt khi có nhiễu<br /> tác động. Việc thực thi luật điều khiển trên được xây dựng trên môi trường Visual Basic 6.0 sử<br /> dụng chuẩn giao tiếp RS232 và được đóng gói để thuận tiện cho việc cài đặt.<br /> Từ khóa: Ổn định nhiệt độ, PID,FLC,CRT916921,Visual Basic 6.0<br /> <br /> GCL (s ) = KCLe<br /> <br /> − τCLs<br /> <br /> ĐẶT VẤN ĐỀ*<br /> Hệ thống thí nghiệm điều khiển gia nhiệt CRT<br /> 916921 đã được nhà trường mua từ những năm<br /> 2000, để phục vụ cho công tác thí nghiệm.<br /> <br /> (1)<br /> Bộ giao tiếp (đọc tín hiệu đo và xuất tín hiệu<br /> điều khiển) sử dụng thêm PIC18F778.<br /> <br /> Hình 1. Hệ thống thí nghiệm điều khiển gia nhiệt<br /> CRT 916921<br /> <br /> Hình 2. Mô hình hệ thống thí nghiệm điều khiển<br /> gia nhiệt CRT 916921<br /> <br /> Mô hình của hệ thống gia nhiệt được thể hiện<br /> như Hình 2, trong đó:<br /> Đầu đo nhiệt độ, dùng cảm biến PT<br /> 100(RTD) được cấu tạo từ kim loại Platinum<br /> và quấn tùy theo hình dáng của đầu dò nhiệt<br /> có giá trị điện trở khi ở 00C là 100 Ohm, đây<br /> là một loại cảm biến thụ động nên khi sử<br /> dụng cần một nguồn ngoài ổn định, có dải đo<br /> từ -2000C đến 6000C.<br /> Bộ chỉnh lưu cầu 1 pha điều khiển theo<br /> phương pháp pha đứng có hàm truyền:<br /> *<br /> <br /> Tel: 0912.667.268; Email: quynhruby@gmail.com<br /> <br /> Hình 3. Bộ giao tiếp AD/DA cũ (trái)<br /> và bộ giao tiếp AD/DA sau khi cải tiến<br /> <br /> Hai bơm (pump1 và pump2) dùng để bơm<br /> nước lạnh vào bình gia nhiệt (coi là nhiễu phụ<br /> tải), lượng nước bơm vào phụ thuộc vào độ<br /> mở van tính theo phần trăm (0% đến 100%)<br /> của van Noise.<br /> 39<br /> <br /> Nguyễn Thị Thanh Quỳnh và Đtg<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> Hiện nay mô hình này không sử dụng được vì<br /> những lý do sau đây:<br /> + Phần mềm được tích hợp sẵn, đóng kín, bản<br /> cài đặt được lưu trên đĩa mềm cho nên khi đĩa<br /> mềm hỏng dẫn đến không còn bản để cài đặt,<br /> do vậy hệ thống không có phần mềm điều<br /> khiển và không chạy được.<br /> + Sau khoảng thời gian dài làm việc, các<br /> thông số của đối tượng bị thay đổi, hàm<br /> truyền của đối tượng không còn đúng, do vậy<br /> việc nhận dạng lại hệ thống là cần thiết.<br /> + Hệ thống giao tiếp với cổng COM 25 chân,<br /> mà hiện nay các máy tính phần nhiều đã bỏ đi<br /> cổng giao tiếp này mà máy tính ngày nay đa<br /> số trang bị cổng giao tiếp USB, dẫn đến<br /> không linh hoạt khi sử dụng.<br /> Do vậy, trước hết ta cần phục hồi và thay thế<br /> lại bộ giao tiếp AD/DA cũ bằng vi điều khiển<br /> PIC có chức năng AD/DA, và cải tiến bộ giao<br /> tiếp qua cổng COM 25 chân sang cổng COM<br /> 9 chân (RS232) và giao tiếp USB [3].<br /> Tiếp theo cần nhận dạng lại hệ thống để được<br /> mô hình, sau đó sử dụng mô hình này để thiết<br /> kế bộ điều khiển PID. Nâng cao chất lượng hệ<br /> thống bằng cách thiết kế bộ điều khiển mờ<br /> động FLC. Do vậy nội dung của bài báo gồm<br /> các phần sau: phần 1 là đặt vấn đề, phần 2 là<br /> nhận dạng hệ thống, phần 3 trình bày về cách<br /> thiết kế bộ điều khiển, phần 4 là lập trình luật<br /> điều khiển và thiết kế giao diện, cuối cùng là<br /> kết luận.<br /> NHẬN DẠNG HỆ THỐNG<br /> Lấy bộ mẫu vào/ra bằng cách thu thập 1294<br /> tập dữ liệu vào ra với pump1 và pump 2 mở<br /> mức 50%:<br /> <br /> 112(12)/2: 39 - 44<br /> <br /> Sử dụng phương pháp nhận dạng mô hình có<br /> tham số với phương pháp ARX được lập trình<br /> trong MATLAB với cấu trúc lệnh:<br /> %% Chu ky trich mau<br /> a=size(u);<br /> b=size(y);<br /> %%Chu ky trich mau<br /> T= 0.4<br /> Tm=857.2;<br /> %% thoi gian tien hanh thuc nghiem<br /> t=(0:T:Tm)'; %%thoi gian mo phong<br /> data1<br /> = iddata(y,u,T);<br /> data2<br /> = detrend(data1);<br /> figure(1)<br /> subplot(211)<br /> plot(t(1:a),data1(1:a(:,)),'r',t(1:a(<br /> :,1)),data2(1:a(:,1)),'b')<br /> title('ouput y21','FontSize',11)<br /> xlabel(' t[s]',<br /> 'FontSize',11)<br /> legend('trend','detrend')<br /> grid on<br /> subplot(212);<br /> plot(t(1:a(:,1)),u(1:a(:,)),'r',t(1:a<br /> (:,1)),data2.u(1:a(:,1)),'b')<br /> title('input u1','FontSize',11)<br /> grid on<br /> data1e<br /> = data(1:a(:,)/2);%bo du<br /> lieu uoc luong,doi tuong nhan dang<br /> data1v<br /> =<br /> data((a(:,)/2+1):a(:,));%bo du lieu<br /> kiem chung, doi tuong kiem chung<br /> nk=1:6;<br /> NN =struc(2,2,nk);%NN =<br /> STRUC(NA,NB,NK)<br /> V1<br /> =arxstruc(data1e,data1v,NN);%Compute<br /> and compare loss functions for<br /> single-output ARX models<br /> [nk,Vm1]=selstruc(V1,0)<br /> ARX2u1y1 =arx(data1e,[2 2 1]);<br /> ARX5u1y1 =arx(data1e,[5 5 1]);<br /> ARX10u1y1 =arx(data1e,[10 10 1]);<br /> figure(2)<br /> compare(data1v,ARX2u1y1,ARX5u1y1,ARX1<br /> 0u1y1)<br /> title('ouput<br /> y1','FontSize',11);<br /> <br /> Hình 4. Tập dữ liệu vào ra dùng để nhận dạng<br /> <br /> 40<br /> <br /> ylabel('input<br /> u1','FontSize',11);<br /> <br /> Nguyễn Thị Thanh Quỳnh và Đtg<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> 112(12)/2: 39 - 44<br /> <br /> ta thu được hàm truyền của hệ gia nhiệt với<br /> độ fit: 74,69% có dạng như sau:<br /> G (s ) =<br /> <br /> -0.003604 s + 0.02688<br /> s 2 + 3.247s + 0.01005<br /> <br /> (2)<br /> <br /> THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN<br /> Theo [1],[4] có rất nhiều các phương pháp<br /> điều khiển đối với hàm truyền dạng (3), với<br /> bài báo này tác giả sử dụng phương pháp thiêt<br /> kế bộ điều khiển theo tiêu chuẩn “phẳng”.<br /> Tuy nhiên, khi nhận dạng đối tượng sẽ có sai<br /> số về mô hình và chỉ đúng trong trường hợp<br /> khi mở pump1 và pump 2 là 50%, vậy để<br /> nâng cao chất lượng điều khiển của hệ gia<br /> nhiệt tác giả sử dụng bộ điều khiển mờ (Fuzzy<br /> Controller) [6] vì bộ điều khiển mờ không<br /> cần biết chính xác mô hình đối tượng.<br /> Bộ điều khiển theo tiêu chuẩn “phẳng”<br /> Từ (4), vì 0.003604