Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 1 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH: TỰ ĐỘNG HOÁ NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID MỜ NGUYỄN VĂN THIỆN THÁI NGUYÊN - 2010 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 2 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc THUYẾT MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐỀ TÀI: “NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID MỜ” . Ngành: TỰ ĐỘNG HOÁ. Học viên: NGUYỄN VĂN THIỆN Ngƣời hƣớng dẫn Khoa học: TS. NGUYỄN VĂN VỲ NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC TS. Nguyễn Văn Vỳ HỌC VIÊN Nguyễn Văn Thiện BAN GIÁM HIỆU KHOA ĐT SAU ĐẠI HỌC Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 3 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình do tôi tổng hợp và nghiên cứu. Trong lụân văn có sử dụng một số tài liệu tham khảo nhƣ đã nêu trong phần tài liệu tham khảo. Tác giả luận văn NguyễnVăn Thiện Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 4 LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay với sự phát triển của khoa học kỹ thuật việc ứng dụng lý thuyết điều khiển hiện đại vào thực tế đang ngày càng phát triển mạnh mẽ trong 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 khiển PID 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 điều khiển PID còn thụ động. Vì vậy việc nghiên cứu ứng dụng lý thuyết mờ để xác định và hiệu chỉnh tham số cho bộ điều khiển PID cho phù hợp với các trạng thái làm việc là cần thiết và hiện nay đang đƣợc nghiên cứu và phát triển mạnh mẽ . Với đề tài “Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển PID mờ” đƣợc chia làm 3 chƣơng nhƣ sau: Chƣơng I : Tổng quan về bộ điều khiển PID Chƣơng II : Bộ điều khiển mờ Chƣơng III : Thiết kế bộ điều khiển PID mờ Lĩnh vực nghiên cứu ứng dụng lý thuyết mờ để xác định và hiệu chỉnh tham số cho bộ điều khiển PID là một lĩnh vực khá phức tạp mặt khác do trình độ và thời gian có hạn nên bản than luận văn của em không tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong đƣợc sự đóng góp ý kiến của các thầy, cô để bản than luận văn của em đƣợc hoàn thiện hơn tạo tiền đề cho những bƣớc nghiên cứu tiếp theo. Em xin gửi lời cám ơn chân thành đến thầy Ts. Nguyễn Văn Vỵ đã tận tình giúp đỡ cho em hoàn thành luận văn đúng thời hạn . Em xin chân thành cám ơn các thầy cô của khoa Điện, trƣờng đại học Thái Nguyên đã trang bị cho em những kiến thức cần thiết để hoàn thành bản luận văn này cũng nhƣ quá trình công tác sau này. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 5 MỤC LỤC Lời cam đoan Lời nói đầu Danh mục các chữ viết tắt, các kí hiệu Danh mục các bảng Danh mục các hình vẽ, đồ thị MỞ ĐẦU 14 1. Lý do chọn đề tài 144 2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 144 2.1. Ý nghĩa khoa học 144 2.2. Ý nghĩa thực tiễn 144 Chƣơng 1.TỔNG QUAN VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID 15 1.1. CẤU TRÚC CHUNG CỦA HỆ ĐIỀU KHIỂN 15 1.2.CÁC CHỈ TIÊU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG HỆ ĐIỀU KHIỂN 15 1.2.1. Chỉ tiêu chất lƣợng tĩnh 15 1.2.2. Chỉ tiêu chất lƣợng động 16 1.2.2.1. Lƣợng quá điều chỉnh 16 1.2.2.2. Thời gian quá độ 17 1.2.2.3. Số lần dao động 17 1.3. CÁC LUẬT ĐIỀU KHIỂN 17 1.3.1. Quy luật điều chỉnh tỷ lệ (P) 17 1.3.2. Quy luật điều chỉnh tích phân (I) 18 1.3.3. Quy luật điều chỉnh tỷ lệ vi phân (PD) 19 1.3.4. Quy luật điều chỉnh tỷ lệ tích phân (PI) 20 1.3.5. Quy luật điều chỉnh tỷ lệ vi tích phân (PID) 22 1.4. CÁC PHƢƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH THAM SỐ PID 24 1.4.1. Phƣơng pháp Ziegler - Nichols 26 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 6 1.4.2. Phƣơng pháp Chien – Hrones – Reswick 29 1.4.3. Phƣơng pháp tổng T của Kuhn 31 1.4.4. Phƣơng pháp tối ƣu 32 1.4.4.1. Phƣơng pháp tối ƣu độ lớn 32 1.4.4.2. Phƣơng pháp tối ƣu đối xứng 39 1.4.5. Xác định tham số PID dựa trên quá trình tối ƣu trên máy tính 44 1.5. KẾT LUẬN CHƢƠNG 1 45 Chƣơng 2. BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ 47 2.1. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA LOGIC MỜ 47 2.2. MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ LOGIC MỜ 47 2.2.1. Định nghĩa tập mờ 47 2.2.2. Các hàm liên thuộc thƣờng đƣợc sử dụng 49 2.2.3. Biến ngôn ngữ và giá trị của biến ngôn ngữ 49 2.3. BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ 50 2.3.1. Khâu mờ hóa 51 2.3.2. Khâu thực hiện luật hợp thành 52 2.3.3. Khâu giải mờ 55 2.4. BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ TĨNH 59 2.4.1. Khái niệm 59 2.4.2. Thuật toán tổng hợp một bộ điều khiển mờ tĩnh 59 2.4.3. Tổng hợp bộ điều khiển mờ tuyến tính từng đoạn 60 2.5. BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ ĐỘNG 61 2.6. BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI PID 64 2.6.1. Giới thiệu chung 64 2.6.2. Bộ điều khiển mờ lai kinh điển 65 2.6.3. Bộ điều khiển mờ lai cascade 65 2.6.4. Bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID 66 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 7 2.6.5. Bộ điều khiển mờ tự chỉnh cấu trúc 66 2.7. KẾT LUẬN CHƢƠNG 2 67 Chƣơng 3. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID MỜ 68 3.1. ĐẶT VẤN ĐỀ 68 3.2. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ CHỈNH ĐỊNH THAM SỐ PID 70 3.2.1. Cấu trúc bộ điều khiển 70 3.2.2. Thiết kế bộ điều khiển 70 3.2.3. Kết quả mô phỏng 77 3.3. ỨNG DỤNG PID MỜ ĐIỀU KHIỂN HỆ TRUYỆN ĐỘNGT-D 78 3.3.1. Các yêu cầu đối với hệ truyền động T-D 78 3.3.2.Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh dòng điện R I 80 3.3.3.Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh tốc độ 82 3.3.3.1. Điều chỉnh tốc độ dùng bộ điều chỉnh tốc độ tỷ lệ 82 3.3.3.2. Điều chỉnh tốc độ dùng bộ điều chỉnh tốc độ tích phân tỷ lệ PI 85 3.3.4. Bài toán ứng dụng cụ thể 86 3.3.4.1. Tính toán tham số mạch vòng dòng điện 88 3.3.4.2. Tính toán tham số bộ điều khiển tốc độ PI 89 3.3.5. Thiết kế hệ điều khiển mờ lai 90 3.3.5.1. Xác định các biến vào ra 91 3.3.5.2. Xác định giá trị cho các biến vào và ra 92 3.3.6. Mô phỏng đánh giá chất lƣợng 99 3.3.6.1. Xây dựng sơ đồ mô phỏng 99 3.3.6.2. Kết quả mô phỏng 100 3.4. KẾT LUẬN CHƢƠNG 3 106 TÀI LIỆU THAM KHẢO 109 TÓM TẮT 110 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 8 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT, CÁC KÍ HIỆU STT Kí hiệu Diễn giải 1 ĐTĐT Đối tƣợng điều khiển 2 TBĐK Thiết bị điều khiển 3 TBĐL - CĐTH Thiết bị đo lƣờng và chuyển đổi tín hiệu 4 e xl Sai số xác lập 5 δ max Lƣợng quá điều chỉnh 6 t qd Thời gian quá độ 7 n Số lần dao động 8 K Hệ số khuếch đại 9 T I Hằng số thời gian tích phân 10 T d Hằng số thời gian vi phân 11 L Hằng số thời gian trễ 12 T Hằng số thời gian quán tính 13 Δh Độ quá điều chỉnh 14 e(t) Tín hiệu đầu vào 15 u(t) Tín hiệu đầu ra 16 T-D Hệ truyền động máy phát động cơ 17 Đ Động cơ một chiều 18 BĐ Bộ biến đổi xoay chiều - một chiều có điều khiển 19 R I Bộ điều chỉnh dòng điện 20 R ω Bộ điều chỉnh tốc độ 21 S i Xenxơ dòng điện 22 F Mạch lọc tín hiệu 23 T f Hằng số thời gian của mạch lọc 24 T vo Hằng số thời gian sự chuyển mạch chỉnh lƣu Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 9 25 T đk Hằng số thời gian mạch điều khiển chỉnh lƣu 26 T u Hằng số thời gian mạch phần ứng 27 T i Hằng số thời gian xenxơ dòng điện 28 R u Điện trở mạch phần ứng 29 M c Mômen tải 30 T ω Hằng số thời gian mạch lọc 31 L ƣ Điện cảm mạch phần ứng 32 I cp Dòng điện cho phép lớn nhất 33 KFi Từ thông định mức 34 J Mômen quán tính 35 CL Chỉnh lƣu 36 K CL Hệ số chỉnh lƣu 37 Urcm Biên độ máy phát xung răng cƣa 38 Kbd Tỷ số biến đổi dòng 39 FT Máy phát tốc 40 E Sức điện động của động cơ điện một chiều Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 10 DANH MỤC CÁC BẢNG STT Kí hiệu Diễn giải 1 Bảng 3.1 Luật điều khiển cho hệ số K p ’ 2 Bảng 3.2 Luật điều khiển cho hệ số K d ’ 3 Bảng 3.3 Luật điều khiển cho hệ số α 4 Bảng 3.4 Hàm liên thuộc của biến đầu vào 5 Bảng 3.5 Hàm liên thuộc của biến đầu ra 6 Bảng 3.6 Luật điều khiển cho HsK P 7 Bảng 3.7 Luật điều khiển cho HsK I [...]... Đặc tính của bộ điều khiển PI -mờ so với bộ điều khiển PI khi mômen tải hằng số 71 Hình3.39 Đặc tính của bộ điều khiển PI khi mômen tải thay đổi 72 Hình3.40 Đặc tính của bộ điều khiển PI- mờ khi mômen tải thay đổi 73 Hình3.41 Đặc tính của các bộ điều khiển khi mômen tải thay đổi 74 Hình3.42 Đặc tính của bộ điều khiển PI khi tốc độ đặt thay đổi 75 Hình3.43 Đặc tính của bộ điều khiển PI -mờ khi tốc độ... Giải mờ theo phƣơng pháp điểm trọng tâm 26 Hình2.9 Đặc tính vào – ra cho trƣớc 27 Hình2.10 Hàm liên thuộc của các biến ngôn ngữ vào ra 28 Hình2.11 Hệ điều khiển mờ theo luật PI 29 Hình2.12 Hệ điều khiển mờ theo luật PD 30 Hình2.13 Hệ điều khiển mờ theo luật PID 31 Hình2.14 Mô hình bộ điều khiển mờ lai kinh điển 32 Hình2.15 Cấu trúc hệ mờ lai Cascade 33 Hình3.1 Hệ điều khiển với bộ điều khiển PID mờ 34... tham số của bộ điều khiển PID còn thụ động Vì vậy việc nghiên cứu ứng dụng lý thuyết Mờ để xác định và hiệu chỉnh tham số cho bộ điều khiển PID cho phù hợp với các trạng thái làm việc là cần thiết và cần đƣợc tập trung giải quyết Do vậy tôi đã lựa chọn đề tài “ Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển PID mờ ” 2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 2.1 Ý nghĩa khoa học Khắc phục đƣợc nhƣợc điểm của hệ PID khi xác... thực hiện nhiệm vụ (vi phân) up e kp 1 TI s TDs a) u ω uI e _ PID uD u Đối tƣợng điều khiển y b) Hình1.9: Điều khiển với bộ điều khiển PID Bộ điều khiển PID đƣợc sử dụng khá rộng rãi để điều khiển đối tƣợng SISO theo nguyên lý hồi tiếp Hình1.9b Lý do bộ PID đƣợc sử dụng rộng rãi là tính đơn giản của nó cả về cấu trúc lẫn nguyên lý làm việc Bộ PID có nhiệm vụ đƣa sai lệch e(t) của hệ thống về 0 sao cho... định tập mờ cho biến ra HsKI 62 Hình3.30 Đặc tính quá độ thƣờng gặp của hệ điều khiển dùng PID 63 Hình3.31 Các luật hợp thành 64 Hình3.32 Cấu trúc của hệ điều khiển mờ lai PI 65 Hình3.33 Cấu trúc của khâu mờ 66 Hình3.34 Cấu trúc của bộ điều khiển PI 67 Hình3.35 Cấu trúc của đối tƣợng 68 Hình3.36 Đặc tính của bộ điều khiển PI khi mômen tải hăng số 69 Hình3.37 Đặc tính của bộ điều khiển PI -mờ khi mômen...  + Bộ điều khiển P : Chọn kp = + Bộ điều khiển PI : Chọn kp = 7b 10ak 7b 23a và TI = 10ak 10 + Bộ điều khiển PID : Chọn kp = 6b 21a , TI = 2a và TD = 20ak 50 - Yêu cầu tối ƣu theo tín hiệu đặt trƣớc (giảm sai lệch bám) và hệ kín không có độ quá điều chỉnh Δh + Bộ điều khiển P : Chọn kp = + Bộ điều khiển PI : Chọn kp = 3b 10ak 7b 6b và TI = 20ak 5 + Bộ điều khiển PID : Chọn kp = 3b a , TI = b và TD... thực tiễn của lý thuyết Mờ Nâng cao chất lƣợng của hệ điều khiển tự động 2.2 Ý nghĩa thực tiễn Đáp ứng đƣợc yêu cầu của các hệ thực đòi hỏi chất lƣợng điều chỉnh cao Đáp ứng đƣợc yêu cầu của thực tiễn là cần xác định tham số của PID Đề tài góp phần trong việc nghiên cứu nâng cao chất lƣợng hệ thống điều khiển khi kết hợp sử dụng bộ điều khiển mờ lai Nó thích hợp cho hệ thống điều khiển tốc độ thông dụng,... http://www.lrc-tnu.edu.vn 15 Chƣơng 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 nhƣ Hình1.1 Trong đó: ĐTĐT : Đối tƣợng điều khiển TBĐK : Thiết bị điều khiển TBĐL - CĐTH : Thiết bị đo lƣờng và chuyển đổi tín hiệu U(t) e(t) x(t) y(t) ĐTĐK TBĐK Z(t) TBĐL CĐTH Hình1.1: Cấu trúc hệ thống điều khiển U(t) : Là tín hiệu vào của hệ thống - còn... Hình3.44 Đặc tính của các bộ điều khiển khi tốc độ đặt thay đổi Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 14 MỞ ĐẦU 1 Lý do chọn đề tài Hiện nay đến 90% các bộ điều khiển trong thực tế là dựa trên luật điều khiển PID Sự thông dụng của bộ điều khiển PID là ở chỗ: đơn giản trong thiết kế và tính toán tham số cũng nhƣ quan điểm đánh giá tham số Thuật toán PID đƣợc xây dựng... 16 Hình1.16 Điều khiên khâu quán tính bậc nhất 17 Hình1.17 Minh hoạ tƣ tƣởng thiết kế bộ điều khiển PID tối ƣu đối xứng 18 Hình2.1 Mờ hoá biến “Tốc độ” 19 Hình2.2 Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ 20 Hình2.3 Hàm liên thuộc của luật hợp thành 21 Hình2.4 Giải mờ bằng phƣơng pháp cực đại 22 Hình2.5 Giải mờ theo nguyên lý trung bình 23 Hình2.6 Giải mờ theo nguyên lý cận trái 24 Hình2.7 Giải mờ theo nguyên . 3. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID MỜ 68 3.1. ĐẶT VẤN ĐỀ 68 3.2. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ CHỈNH ĐỊNH THAM SỐ PID 70 3.2.1. Cấu trúc bộ điều khiển 70 3.2.2. Thiết kế bộ điều khiển 70 3.2.3. Kết. ĐIỀU KHIỂN MỜ ĐỘNG 61 2.6. BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI PID 64 2.6.1. Giới thiệu chung 64 2.6.2. Bộ điều khiển mờ lai kinh điển 65 2.6.3. Bộ điều khiển mờ lai cascade 65 2.6.4. Bộ điều khiển mờ chỉnh. đƣợc nghiên cứu và phát triển mạnh mẽ . Với đề tài Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển PID mờ đƣợc chia làm 3 chƣơng nhƣ sau: Chƣơng I : Tổng quan về bộ điều khiển PID Chƣơng II : Bộ điều khiển