HV: Nguyễn Văn Thiện K11- TĐH ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYÊN VĂN THIỆN NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID MỜ Chuyên ngành : Tự Động Hóa Mã số : TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT THÁI NGUYÊN - 2010 LUẬN VĂN CAO HỌC Luận văn được hoàn thành tại trường Đại học Kỹ tuật Công nghiệp Thái Nguyên. Cán bộ HDKH : TS Nguyễn Văn Vỵ Phản biện 1 : PGS.TS. Nguyễn Như Hiển Phản biện 2 : TS. Phạm Hữu Đức Dục Luận văn đã được bảo vệ trước hội đồng chấm luận văn, họp tại: Phòng cao học số 02, trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên. Vào 8 giờ 30 phút ngày 06 tháng 11 năm 2010. Có thể tìm hiểu luận văn tại Trung tâm Học liệu tại Đại học Thái Nguyên và Thư viện trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên. HV: Nguyễn Văn Thiện K11- TĐH 1 LUẬN VĂN CAO HỌC 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 được nghiên cứu và phát triển mạnh mẽ Với đề tài “ Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển PID mờ ” được chia làm 3 chương như sau : Chương I : Tổng quan về bộ điều khiển PID Chương II : Bộ điều khiển mờ Chương 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 được sự đóng góp ý kiến của các thầy, cô để bản than luận văn của em được hoàn thiện hơn tạo tiền đề cho những bước 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, trường đại học Thái Nguyên đã trang bị cho em những kiến thức cần thiết để hoàn thành bản luận văn này cũng như quá trình công tác sau này HV: Nguyễn Văn Thiện K11- TĐH 2 LUẬN VĂN CAO HỌC Tôi xin chân thành cám ơn Khoa sau Đại học, xin chân thành cám ơn Ban Giám Hiệu Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp đã tạo những điều kiện thuận lợi nhất về mọi mặt để tôi hoàn thành khóa học. Tôi xin chân thành cám ơn! Thái Nguyên, ngày 30 tháng 08 năm 2010 Người thực hiện Nguyễn Văn Thiện HV: Nguyễn Văn Thiện K11- TĐH 3 LUẬN VĂN CAO HỌC Chương 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 như Hình1.1. 1.2. CÁC CHỈ TIÊU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ ĐIỀU KHIỂN 1.2.1. Chỉ tiêu chất lượng tĩnh 1.2.2. Chỉ tiêu chất lượng động 1.2.2.1. Lượng quá điều chỉnh 1.2.2.2. Thời gian quá độ 1.2.2.3. Số lần dao động 1.3. CÁC LUẬT ĐIỀU KHIỂN 1.3.1. Quy luật điều chỉnh tỷ lệ (P) Trong quy luật điều chỉnh tỷ lệ tác động điều chỉnh được xác định theo công thức: U = K.e (1.3) Hàm truyền đạt của bộ điều chỉnh tỷ lệ có dạng: W(p) = K (1.4) 1.3.2. Quy luật điều chỉnh tích phân (I) Quy luật điều chỉnh tích phân được mô tả bởi phương trình vi phân : U = I T 1 ∫ edt hoặc dt du = K.e (1.5) HV: Nguyễn Văn Thiện K11- TĐH 4 TBĐK ĐTĐK TBĐL CĐTH U(t) y(t) Z(t) e(t) x(t) Hình1.1: Cấu trúc hệ thống điều khiển LUẬN VĂN CAO HỌC Hàm truyền đạt có dạng: W(p) = pT I . 1 1.3.3. Quy luật điều chỉnh tỷ lệ vi phân (PD) Là quy luật điều chỉnh được mô tả bởi phương trình vi phân: U = K 1 .e + K 2 dt de = K m       + dt de Te d (1.6) Hàm truyền đạt của quy luật PD có dạng : W(p) = K m (1+T d .p) 1.3.4. Quy luật điều chỉnh tỷ lệ tích phân (PI) Quy luật PI là sự kết hợp của hai quy luật P và I được mô tả bằng phương trình vi phân sau : U = K 1 .e + K 2 ∫edt = K m         + ∫ edt T e I 1 (1.7) Hàm truyền đạt: W(p) = K m         + pT I 1 1 1.3.5. Quy luật điều chỉnh tỷ lệ vi tích phân (PID) Quy luật điều chỉnh tỷ lệ vi tích phân được mô tả bởi phương trình: U = K 1 .e + K 2 ∫edt +K 3 dt de = K m         ++ ∫ dt de Tedt T e D I 1 (1.8) Hàm truyền đạt: W(p) = K m         ++ pT pT D I 1 1 1.4. CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH THAM SỐ PID HV: Nguyễn Văn Thiện K11- TĐH 5 Hình1.9: Điều khiển với bộ điều khiển PID a) b) k p sT I 1 T D s e u p u I u D u Đối tượng điều khiển ω e _ y u PID LUẬN VĂN CAO HỌC Bộ điều khiển PID được sử dụng khá rộng rãi để điều khiển đối tượng SISO theo nguyên lý hồi tiếp Hình1.9b. Lý do bộ PID được sử dụng rộng rãi là tính đơn giản của nó cả về cấu trúc lẫn nguyên lý làm việc. Bộ PID có nhiệm vụ đưa sai lệch e(t) của hệ thống về 0 sao cho quá trình quá độ thỏa mãn các yêu cầu cơ bản về chất lượng: - Nếu sai lệch e(t) càng lớn thì thông qua thành phần u p (t), tín hiệu điều chỉnh u(t) càng lớn (vai trò của khuếch đại k p ). - Nếu sai lệch e(t) chưa bằng 0 thì thông qua thành phần u I (t), PID vẫn còn tồn tại tín hiệu điều chỉnh (vai trò của tích phân T I ). - Nếu sự thay đổi của sai lệch e(t) càng lớn thì thông qua thành phần u D (t), phản ứng thích hợp của u(t) sẽ càng nhanh (vai trò của vi phân) Bộ điều khiển PID được mô tả bằng mô hình vào ra: u(t) = k p [ e(t) + I T 1 ∫ t dte 0 )( τ + T D dt tde )( ] (1.9) Trong đó e(t) là tín hiệu đầu vào, u(t) là tín hiệu đầu ra, k p được gọi là hệ số khuếch đại, T I là hằng số tích phân, T D là hằng số vi phân. Từ mô hình vào ra trên ta có được hàm truyền đạt của bộ điều khiển PID: R(s) = k p (1+ sT I 1 + T D s ) (1.10) 1.4.1. Phương pháp Ziegler - Nichols 1.4.2. Phương pháp Chien – Hrones – Reswick 1.4.3. Phương pháp tổng T của Kuhn 1.4.4. Phương pháp tối ưu 1.4.4.1. Phương pháp tối ưu độ lớn 1.4.4.2. Phương pháp tối ưu đối xứng 1.4.5. Xác định tham số PID dựa trên quá trình tối ưu trên máy tính 1.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 Chương 2 HV: Nguyễn Văn Thiện K11- TĐH 6 LUẬN VĂN CAO HỌC BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ 2.1. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA LOGIC MỜ Lịch sử của điều khiển mờ bắt đầu từ năm 1965, khi đó giáo sư Lofti A Zadeh ở trường đại học California - Mỹ đưa ra khái niệm về lý thuyết tập mờ (Fuzzy set theory). Từ đó trở đi các nghiên cứu lý thuyết và ứng dụng tập mờ phát triển một cách mạnh mẽ. Với những thời điểm đáng chú ý sau: - Năm 1972, các giáo sư Terano và Asai đã thiết lập ra cơ sở nghiên cứu hệ thống điều khiển mờ ở Nhật. - Năm 1974, Mamdani đã nghiên cứu điều khiển mờ cho lò hơi. - Năm 1980, hãng Smidth Co. đã nghiên cứu điều khiển mờ cho lò xi măng. - Năm 1983, hãng Fuji Electric nghiên cứu ứng dụng mờ cho nhà máy sử lý nước. - Năm 1984, Hiệp hội hệ thống mờ quốc tế (IFSA) được thành lập. - Năm 1989, phòng thí nghiệm quốc tế nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật mờ đầu tiên được thành lập. 2.2. MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ LOGIC MỜ 2.2.1. Định nghĩa tập mờ 2.2.2. Các hàm liên thuộc thường được sử dụng 2.2.3. Biến ngôn ngữ và giá trị của biến ngôn ngữ 2.3. BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ trên Hình2.2. bao gồm 4 khối: - Khối mờ hóa (fuzzifiers). - Khối hợp thành. - Khối luật mờ. - Khối giải mờ (defuzzifiers). HV: Nguyễn Văn Thiện K11- TĐH 7 LUẬN VĂN CAO HỌC Hình2.2: Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ. 2.3.1. Khâu mờ hóa 2.3.2. Khâu thực hiện luật hợp thành 2.3.3. Khâu giải mờ Giải mờ theo phương pháp cực Giải mờ theo phương pháp trọng tâm Giải mờ theo phương pháp trung bình tâm. 2.4. BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ TĨNH 2.4.1. Khái niệm 2.4.2. Thuật toán tổng hợp một bộ điều khiển mờ tĩnh 2.4.3. Tổng hợp bộ điều khiển mờ tuyến tính từng đoạn 2.5. BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ ĐỘNG 2.6. BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI PID 2.6.1. Giới thiệu chung 2.6.2. Bộ điều khiển mờ lai kinh điển 2.6.3. Bộ điều khiển mờ lai cascade 2.6.4. Bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID 2.6.5. Bộ điều khiển mờ tự chỉnh cấu trúc 2.7. KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 Chương 3 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID MỜ HV: Nguyễn Văn Thiện K11- TĐH 8 LUẬN VĂN CAO HỌC 3.1. ĐẶT VẤN ĐỀ 3.2. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ CHỈNH ĐỊNH THAM SỐ PID 3.2.1. Cấu trúc bộ điều khiển Cấu trúc bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số PID áp dụng cho đối tượng là khâu dao động bậc hai như sau: 3.2.2. Thiết kế bộ điều khiển Để tiện lợi trong việc tính toán ta biến đổi chúng về đơn vị tương đối. K p ’ = minmax min pp pp KK KK − − , K d ’ = minmax min dd dd KK KK − − Hằng số thời gian tích phân: T I = T d .α Tương tự ta có : K I = α . d p T K = α . 2 d p K K Giả thiết tín hiệu vào của bộ điều khiển mờ là e(t), e’(t) = de/dt. Thì cấu trúc bộ điều khiển mờ như Hình3.3. HV: Nguyễn Văn Thiện K11- TĐH 9 Hệ mờ Hệ mờ Hệ mờ PID K p ’ K d ’ K I e(t) e’(t) Hình3.3: Cấu trúc bộ điều khiển PID mờ Hình3.2: Cấu trúc bộ điều khiển 17.02.0 25.1 2 ++ ss PID Bộ điều khiển mờ [...]... Nguyễn Văn Thiện K11- TĐH LUẬN VĂN CAO HỌC 23 Thông qua nghiên cứu, tìm hiểu đề tài ta thu được kết quả như sau: Nghiên cứu về luật điều khiển PID Nghiên cứu các bộ điều khiển dạng PID như tác động của bộ điều khiển PID dạng P, dạng I, dạng PI, dạng PD và dạng PID quá trình nghiên cứu nhằm so sánh ưu và nhược điểm của các bộ điều khiển Nghiên cứu và tổng hợp các phương pháp xác định tham số cho bộ điều khiển. .. ứng dụng lý thuyết điều khiển PID HV: Nguyễn Văn Thiện K11- TĐH LUẬN VĂN CAO HỌC 24 mờ để điều khiển các đối tượng có chất lượng điều khiển tốt hơn rất nhiều so với điều khiển PID truyền thống KIẾN NGHỊ Trong khuôn khổ của luận văn này mới chỉ nghiên cứu tác dụng của bộ điều khiển PID mờ Để phát triển hơn nữa có thể thay bộ điều khiển PID bằng bộ điều khiển thông minh như mờ trượt, mờ - Nơron Phân tích... điều chỉnh, thời gian quá độ, số lần dao động của hệ truyền động đều tốt hơn rất nhiều so với việc dùng bộ điều khiển PI, nhất là độ quá điều chỉnh và thời gian quá độ rất nhỏ Như vậy, bộ điều khiển PID mờ hoàn toàn đáp ứng được thực tế điều khiển KẾT LUẬN CHUNG Qua quá trình thực hiện đề tài “ Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển PID mờ ” được sự giúp đỡ và chỉ bảo tận tình của thầy giáo T.s Nguyễn Văn. .. của bộ điều khiển PI -mờ khi mômen tải hằng số 22 LUẬN VĂN CAO HỌC 1600 n-dat n-PI n-PI-M o 1400 1200 Toc do n ( vong/phut ) 1000 800 600 400 200 0 -200 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Thoi Gian t ( s ) 1.2 1.4 1.6 1.8 2 Hình3.38: Đặc tính của bộ điều khiển PI -mờ so với bộ điều khiển PI khi mômen tải hằng số 3.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 Chương 3 luận văn đã trình bày cơ sở lý thuyết và các bước thiết kế bộ điều khiển mờ. .. phân tích và thiết kế nên được ứng dụng nhiều trong điều khiển Kết quả quan trọng nhất là em đã thực hiện tổng hợp xây dựng một bộ điều khiển PI mờ để điều khiển hệ truyền động T-D Kết quả mô phỏng thu được hoàn toàn phù hợp với các kết quả nghiên cứu lý thuyết Điều này chứng tỏ rằng, thuật toán và cách thức xây dựng bộ điều khiển mờ lai là đúng đắn và chính xác Sai lệch tĩnh, độ quá điều chỉnh, thời... Nguyễn Văn Thiện K11- TĐH LUẬN VĂN CAO HỌC 12 3.2.3 Kết quả mô phỏng Đặc tính PID Đặc tính PID mờ Hình3.12: Đặc tính điều chỉnh PID tối ưu với đối tượng bậc hai(Kp= 130;Kd= 10; Ki= 435.6) Hình3.13: Đặc tính điều chỉnh PID mờ (K’p= 20.1; K’d = 20.1;Ki= 8.6) so với đặc tính PID tối ưu Nhận xét : Từ bộ điều khiển mờ đã xây dựng khi áp dụng điều khiển đối tượng hàm bậc hai ta xác định bộ tham số PID mờ (K’p... dùng bộ điều khiển PID, nhất là độ quá điều chỉnh và thời gian quá độ rất nhỏ Kết quả mô phỏng một lần nữa đã minh chứng và khẳng định rằng lý thuyết điều khiển mờ lai PID hoàn toàn có thể đảm ứng được yêu cầu chất lượng điều khiển của hệ truyền động phi tuyến Do thời gian có hạn, năng lực chuyên môn còn hạn chế bản thân luận văn mới dừng lại ở việc tổng hợp và xây dựng bộ điều khiển PI mờ để điều khiển. .. tham số của PID Từ đó ứng dụng PID mờ điều khiển hệ truyền động T- D Đưa ra các yêu cầu đối với hệ truyền động T-D, Tổng hợp mạch vòng dòng điện và mạch vòng tốc độ của hệ truyền động T-D Xây dựng bộ điều khiển PI mờ với tham số đầu vào là sai lệch điều khiển e(t) và đạo hàm của nó nhằm xác định các tham số cho bộ điều khiển PI Từ đặc tính mô phỏng ta thấy bộ điều khiển PI mờ ta thiết kế tạo ra sai... các phương pháp xác định tham số cho bộ điều khiển PID Từ đó, lựa chọn các phương pháp xác định tham số bộ điều khiển PID phù hợp cho các đối tượng cụ thể Để nâng cao tính chất điều khiển đặc biệt là điều khiển những đối tượng phi tuyến thì em đã thực hiện việc xác định và hiệu chỉnh các tham số của bộ điều khiển PID theo lý thuyết mờ Điều khiển PID mờ dựa trên những kinh nghiệm thực tế, mô phỏng tư... với bộ tham số PID tối ưu (Kp = 132, Kd = 10, Ki = 435.6) Ta thấy so sánh đặc tính điều chỉnh mờ và đặc tính điều chỉnh theo PID tối ưu thì bộ điều khiển PID mờ không có quá điều chỉnh thời gian ổn định nhanh hơn, sai số tĩnh nhỏ 3.3 ỨNG DỤNG PID MỜ ĐIỀU KHIỂN HỆ TRUYỆN ĐỘNGT-D 3.3.1 Các yêu cầu đối với hệ truyền động T-D 3.3.2.Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh dòng điện RI 3.3.3.Tổng hợp mạch vòng điều . chung 2.6.2. Bộ điều khiển mờ lai kinh điển 2.6.3. Bộ điều khiển mờ lai cascade 2.6.4. Bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID 2.6.5. Bộ điều khiển mờ tự chỉnh cấu trúc 2.7. KẾT LUẬN CHƯƠNG. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID MỜ HV: Nguyễn Văn Thiện K11- TĐH 8 LUẬN VĂN CAO HỌC 3.1. ĐẶT VẤN ĐỀ 3.2. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ CHỈNH ĐỊNH THAM SỐ PID 3.2.1. Cấu trúc bộ điều khiển Cấu trúc bộ. KHIỂN MỜ TĨNH 2.4.1. Khái niệm 2.4.2. Thuật toán tổng hợp một bộ điều khiển mờ tĩnh 2.4.3. Tổng hợp bộ điều khiển mờ tuyến tính từng đoạn 2.5. BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ ĐỘNG 2.6. BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI PID 2.6.1.