1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG VŨ ĐỨC THĂNG SỬ DỤNG HỆ NƠ RON MỜ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÒ NUNG TUYNEL Chuyên ngành: Tự động hóa Mã số: 60.52.60 TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng, Năm 2012 Cơng trình ñược hoàn thành ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: TS PHAN VĂN HIỀN Phản biện 1: TS LÊ TẤN DUY Phản biện 2: PTS.TS LÊ HỒNG ANH Luận văn ñược bảo vệ Hội ñồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật họp Đại học Đà Nẵng vào ngày tháng năm 2012 Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Thông tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng - Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng MỞ ĐẦU Lý chọn ñề tài Khoa học kỹ thuật không ngừng phát triển theo thời gian Nước ta thời kỳ cơng nghiệp hóa-hiện đại hóa, mục tiêu mà việc ứng dụng phương pháp ñiều khiển mới, linh hoạt vào q trình điều khiển tự động cần thiết Những phương pháp ñiều khiển cổ ñiển dựa tốn học xác Tuy nhiên có kỹ thuật điều khiển mờ mà bắt nguồn từ sách lược kinh nghiệm chuyên gia ñã ràng buộc từ phương pháp tốn học xác Cũng mà ñiều khiển mờ ñược ứng dụng rộng rãi ñiều khiển q trình cơng nghiệp Bên cạnh điều khiển mờ ta cịn có phương pháp điều khiển sử dụng mạng nơron tái tạo lại chức giống người ñã mở hướng việc giải toán kỹ thuật kinh tế Điều khiển nhiệt ñộ lò nung Tuynel thường phức tạp Ngày với ñời nhiều phương pháp ñiều khiển khác nhau, phương pháp có điểm mạnh riêng Nếu kết hợp tốt phương pháp với mang đến hiệu cao điều khiển Cũng yếu tố mà việc kết hợp hệ mờ nơron ñược sử dụng nghiên cứu để điều khiển nhiệt độ lị nung Tuynel mục đích đề tài Mục đích nghiên cứu Xây dựng lý thuyết sử dụng hệ nơron mờ ñiều khiển nhiệt ñộ lò nung Tuynel Cơ sở cho nghiên cứu sâu lò nung Tuynel tảng để chế tạo mơ hình điều khiển nhiệt độ lị nung Tuynel Đối tượng phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu: - Quá trình thay đổi nhiệt độ lị nung Tuynel - Lý thuyết ñiều khiển mờ, nơron - Phần mềm Matlab & Simulink mơ q trình điều khiển nhiệt độ lị nung Tuynel
Phạm vi nghiên cứu: - Điều khiển nhiệt độ lị nung Tuynel sử dụng hệ nơron mờ - Mơ q trình điều khiển nhiệt độ lị nung Tuynel Phương pháp nghiên cứu -Nghiên cứu lý thuyết ñiều khiển PID, ñiều khiển Mờ mạng Nơron -Đề tài thực phạm vi mô mô hình cơng cụ Matlab – Simulink, sở ñể tiếp tục nghiên cứu thực tế Ý nghĩa ñề tài
Ý nghĩa khoa học Đề tài mang lại hướng ñi việc thiết kế điều khiển nhiệt độ lị nung Tuynel, ngồi việc dùng điều khiển PID ñiều khiển mờ Bộ ñiều khiển nơron mờ cho khả ñiều khiển tốt ñối với ñối tượng ñiều khiển nhiệt ñộ
Ý nghĩa thực tiễn Đề tài thực làm sở ñể thực ñiều khiển sử dụng hệ nơron mờ với chất lượng ñạt yêu cầu Cấu trúc luận văn Luận văn gồm chương: CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LÒ NUNG TUYNEL Nội dung chương thứ nêu tổng quan lò nung Tuynel CHƯƠNG 2: ĐIỀU KHIỂN PID, MỜ VÀ MẠNG NƠRON Nội dung chương ba tổng hợp tham số ñiều khiển PID, tổng quan điều khiển mờ, tìm hiểu mạng nơron thuật tốn lan truyền ngược, kết hợp điều khiển mờ mạng nơron CHƯƠNG 3: ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÒ NUNG TUYNEL Nội dung chương ba thiết kế ba ñiều khiển PID, mờ nơron mờ để điều khiển nhiệt độ lị nung Tuynel, tiến hành mô lấy kết matlab – simulink Sau tổng hợp kết ba ñiều khiển ñể so sánh kết CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LÒ NUNG TUYNEL 1.1 Cấu tạo lò nung Tuynel Lò nung Tuynel "con tim" nhà máy phận nung chính, nơi hồn thành cho sản phẩm sứ vệ sinh Đây khâu quan trọng việc ñịnh chất lượng sản phẩm trước ñem tiêu thụ thị trường Đây lò nung liên tục, sử dụng nhiên liệu đốt khí gas Tại phận mộc (tên gọi chun mơn sản phẩm sứ trước nung) ñược chất lên xe phà đưa qua hầm sấy, sau đưa vào lị sau khoảng thời gian định (theo u cầu cơng nghệ) sản phẩm cuối sứ vệ sinh Tại phận xe goòng chứa khoảng 20 sản phẩm tùy theo nhu cầu thị trường mà ta xếp sản phẩm sứ khác Hình 1.2: Mơ hình đồ họa lị nung Tuynel 1.2 Sơ đồ ngun tắc lị nung Tuynel 1.3 Vịng an tồn lị nung u cầu cơng nghệ Lị nung Tuynel phải hoạt động cho đường nhiệt độ lị bám theo đường cong cơng nghệ cho Nhiệt độ, áp suất lị phải điều khiển ổn định theo giá trị đặt thơng qua việc điều chỉnh lượng gas, lượng khơng khí cung cấp lượng khí thải cách hợp lý Có vậy, sản phẩm sứ vệ sinh đạt độ bóng, độ bền men, không bị nứt lạnh, sần men, sứt men Bên cạnh lị cịn phải xử lý trường hợp nguy hiểm phát sinh trình hoạt ñộng ñể bảo vệ lò, thiết bị sản phẩm như: nhiệt ñộ, áp suất… 1.4 Đối tượng điều khiển lị nung Tuynel Nhiệt độ lị điều khiển phụ thuộc vào u cầu phối liệu xương men Với phối liệu đó, sản phẩm sứ lị lại ñòi hỏi ñường cong nhiệt ñộ ñịnh lị Tùy theo u cầu mà nhiệt độ vùng ñược ñiều chỉnh cho hợp lý Sự ñiều chỉnh thực thơng qua việc đặt thơng số nhiệt độ u cầu, độ mở van điều khiển khí gas đồng hồ điều khiển phịng điều khiển Các thơng số ln giữ khơng đổi suốt q trình hoạt ñộng lò Đồng thời nhiệt ñộ thực tế ñược theo dõi thường xuyên 02 tiếng 01 lần, liên tục để có điều chỉnh kịp thời Vùng nung thu thập nhiệt độ thực tế lị để đưa điều khiển khí gas tới đồng hồ hiển thị phịng điều khiển ñể theo dõi Các ñiều khiển khí gas so sánh nhiệt ñộ thực với nhiệt ñộ ñặt Nếu nhiệt độ thực nhỏ nhiệt độ đặt điều khiển khí gas tự động đưa tín hiệu điều khiển để mở van khí cho khí ñến van giảm áp lắp ñường ống dẫn gas ñóng bớt lại làm cho lượng gas cung cấp cho lị tăng lên, làm cho nhiệt độ thực tế tăng dần ñến nhiệt ñộ ñặt Khi nhiệt ñộ tăng nhiệt độ đặt điều khiển khí gas chế ñộ chờ Nếu nhiệt ñộ thực cao nhiệt ñộ ñặt trình lại diễn ngược lại Cảm biến nhiệt thuộc vùng làm nguội nhanh ño nhiệt ñộ thực ñưa ñến ñiều khiển nhiệt ñộ cho riêng vùng Nó so sánh với nhiệt ñộ ñặt Nếu nhiệt ñộ thực nhỏ nhiệt ñộ ñặt ñiều khiển ñiều khiển van khí quạt cung cấp gió làm mát cho 18 họng gió (mỗi bên 09 họng) đóng bớt lại Nếu nhiệt độ thực lớn nhiệt độ đặt q trình lại diễn ngược lại 1.5 Hệ thống điều khiển nhà máy sứ Thanh Trì 1.6 Phương pháp ñiều chỉnh tốc ñộ ñộng không ñồng 1.7 Bộ ñiều áp xoay chiều ba pha Mạch ñiều khiển điện áp ba pha tải nối Y khơng có dây trung tính coi mạch điều khiển chỉnh lưu cầu ba pha ñiều khiển ñối xứng Mạch ñiều khiển ñiều áp ba pha giống mạch ñiều khiển điều áp pha tải đấu có trung tính Vì lúc dịng điện tải chạy pha với trung tính Giả sử có van hay pha khơng có dịng điện khơng làm ảnh hưởng tới hoạt ñộng van bán dẫn cịn lại Ở mạch ba pha khơng trung tính dịng ñiện chạy qua tải dòng ñiện chạy pha với Tại thời điểm phải có hai pha ba pha có van bán dẫn, khơng pha có van bán dẫn dẫn CHƯƠNG 2: ĐIỀU KHIỂN PID, MỜ VÀ MẠNG NƠRON 2.1 Tổng hợp tham số ñiều khiển PID 2.2 Điều khiển mờ 2.3 Mạng nơron 2.4 Kết hợp ñiều khiển mờ mạng nơron Lý thuyết mờ mạng nơron ñã tạo nhiều phương pháp ñiều khiển với đặc tính linh hoạt thơng minh Cơng nghệ mờ công nghệ mạng nơron hai trụ cột để tạo nên cơng nghệ tích hợp mới, cơng nghệ tính tốn mềm Khi khảo sát mạng nơron lơgic mờ, ta thấy loại có điểm mạnh, ñiểm yếu riêng Đối với logic mờ, ta dễ dàng thiết kế hệ thống mong muốn luật Nếu - (If-Then) gần với việc xử lý người Với ña số ứng dụng điều cho phép tạo lời giải đơn giản hơn, khoảng thời gian ngắn Thêm nữa, ta dễ dàng sử dụng hiểu biết đối tượng để tối ưu hệ thống cách trực tiếp Tuy nhiên, đơi với ưu ñiểm hệ ñiều khiển mờ tồn số khuyết việc thiết kế tối ưu hóa hệ logic mờ địi hỏi phải có số kinh nghiệm ñiều khiển ñối tượng, ñối với người thiết kế lần đầu điều hồn tồn khơng đơn giản Đối với mạng nơron, chúng có số ưu ñiểm xử lý song song nên tốc ñộ xử lý nhanh Mạng nơron có khả học hỏi, ta huấn luyện mạng để xấp xỉ hàm phi tuyến bất kỳ, ñặc biệt ñã biết tập liệu vào/ra Song nhược ñiểm mạng nơron khó giải thích rõ ràng hoạt động mạng Do việc chỉnh sửa mạng nơron khó khăn Bảng 2.7 Những ưu nhược điểm mạng nơron điều khiển mờ Tính chất Thể tri thức Nguồn tri thức Mạng nơron Thông qua trọng số ñược thể ẩn mạng Từ mẫu học Bộ ñiều khiển mờ Được thể luật hợp thành Từ kinh nghiệm chuyên gia Định lượng định tính Trong luật hợp thành hàm thuộc Xử lý thông tin không Định lượng chắn Lưu giữ tri thức Trong nơron trọng số ñường ghép nối nơron Khả cập nhật Thơng qua q trình Khơng có nâng cao kiến thức học Tính nhạy cảm với Thấp Cao thay đổi mơ hình Từ người ta ñến việc kết hợp mạng nơron ñiều khiển mờ để hình thành điều khiển nơron mờ có ưu ñiểm vượt trội 10 Bảng 2.8 Hai tiêu chí thiết kế logic mờ mạng nơron Tiêu chí Mạng nơron Thể tri thức Khơng tường minh, khó giải thích khó sửa đổi Khả học Có khả học thơng qua liệu Logic mờ Tường minh, dễ kiểm chứng hoạt ñộng dễ sửa đổi Khơng có khả học: bạn phải tự kiểm tra tất Từ phân tích trên, ta thấy kết hợp logic mờ mạng nơron, ta có hệ lai với ưu điểm hai: logic mờ cho phép thiết kế hệ dễ dàng, tường minh mạng nơron cho phép học mà ta u cầu điều khiển Nó sửa đổi hàm phụ thuộc hình dạng, vị trí kết hợp, hồn tồn tự động Điều làm giảm bớt thời gian giảm bớt chi phí phát triển hệ Hình 2.14: Mơ hình hệ mờ-nơron 2.5 Sử dụng cơng cụ ANFIS matlab ñể thiết kế hệ nơron mờ 2.6 Sử dụng soạn thảo ANFIS GUI 12 bo dieu khien PID 1800 PID 1600 1400 N h ie t d o 1200 1000 800 600 400 200 0 200 400 600 Thoi gian 800 1000 1200 Hình 3.2: Kết mơ điều khiển PID cho lịTuynel Bảng 3.1: Thơng số đạt điều khiển PID Q trình điều khiển Số liệu Tỷ lệ (%) Độ q ñiều chỉnh 190(0C) 12,67 Thời gian ñộ (tqñ) 410(s) 13 3.2 Điều khiển nhiệt độ lị nung Tuynel sử dụng điều khiển mờ Hình 3.3: Điều khiển mờ cho lị nung Tuynel
Bước 1: Tìm hiểu hệ thống -Việc điều khiển nhiệt độ lị thực thơng qua điều khiển điện áp thay đổi tốc ñộ ñộng dẫn tới thay ñổi khí thay ñổi nhiệt ñộ -Khâu so sánh làm nhiệm vụ so sánh ñiện áp ñặt ñiện áp phản hồi lấy từ ñầu cảm biến, ñầu khâu so sánh sai lệch e = U – ucb Lị nung Tuynel nói riêng, đối tượng nhiệt nói chung thường cho phép có độ q điều chỉnh thấp, e biến thiên khoảng từ 10 ñến
Bước 2: Chọn biến ngôn ngữ vào, Giả thiết ta điều khiển lị nung Tuynel theo quy luật PI Khi biến ngơn ngữ đầu vào ñiều khiển mờ sai lệch (ký hiệu E) tích phân sai lệch (ký hiệu TE) Đầu Điều khiển mờ ñiện áp (ký hiệu U) Miền giá trị biến ngơn ngữ chọn sau: E = [0÷10] TE = [0÷1500] U = [0÷20] Hàm liên thuộc biến ngơn ngữ chọn sau: µE = [µE0(x), µEDI(x), µEDV(x), µEDL(x), µEDR(x)] 14 µTE = [µTE0(x), µTEDI(x), µTEDV(x), µTEDL(x), µTEDR(x)] µU = [µU0(x), µUDI(x), µUDV(x), µUDL(x), µUDR(x)]
Bước 3: Xây dựng luật hợp thành: Với tập mờ ñầu vào, ta xây dựng ñược x = 25 luật ñiều khiển Các luật ñiều khiển ñược xây dựng theo nguyên tắc sau: - Sai lệch lớn tác động điều khiển lớn - Tích phân sai lệch lớn tác ñộng ñiều khiển lớn Bảng 3.2: Bảng luật ñiều khiển R1: R2: R3: R4: R5: R6: R7: R8: R9: R10: R11: R12: R13: R14: R15: R16: R17: R18: R19: R20: R21: R22: R23: R24: R25: Nếu Nếu Nếu Nếu Nếu Nếu Nếu Nếu Nếu Nếu Nếu Nếu Nếu Nếu Nếu Nếu Nếu Nếu Nếu Nếu Nếu Nếu Nếu Nếu Nếu E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = DI DV DL DR DI DV DL DR DI DV DL DR DI DV DL DR DI DV DL DR Và Và Và Và Và Và Và Và Và Và Và Và Và Và Và Và Và Và Và Và Và Và Và Và Và TE TE TE TE TE TE TE TE TE TE TE TE TE TE TE TE TE TE TE TE TE TE TE TE TE = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 0 0 DI DI DI DI DI DV DV DV DV DV DL DL DL DL DL DR DR DR DR DR Thì Thì Thì Thì Thì Thì Thì Thì Thì Thì Thì Thì Thì Thì Thì Thì Thì Thì Thì Thì Thì Thì Thì Thì Thì U U U U U U U U U U U U U U U U U U U U U U U U U = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = DI DV DL DR DI DV DL DR DR DV DL DR DR DR DL DR DR DR DR DR DR DR DR DR Hoặc Hoặc Hoặc Hoặc Hoặc Hoặc Hoặc Hoặc Hoặc Hoặc Hoặc Hoặc Hoặc Hoặc Hoặc Hoặc Hoặc Hoặc Hoặc Hoặc Hoặc Hoặc Hoặc Hoặc Hoặc 15
Bước 4: Chọn luật hợp thành Max-Min, giải mờ phương pháp trọng tâm, ta quan sát ñược tác ñộng luật quan hệ vào - ñiều khiển
Bước 5: Mơ hệ thống: Sơ đồ mơ hệ thống hình 3.11 Kết mơ hình 3.12 Tại cửa sổ lệnh Matlab ta nhập lệnh fuzzy, xuất cửa sổ FIS EDITOR Ta tiến hành chon số ñầu vào cho ñiều khiển, chọn phương pháp ñiều khiển, xây dựng luật hợp thành, thiết lập hàm liên thuộc hình sau: Hình 3.4: Giao diện FIS EDITOR Chọn vùng giá trị sai lệch E ñoạn từ đến 10 hình bên dưới, sau ta tiến hành thay ñổi hàm liên thuộc ñến giá trị thích hợp Ở ta sử dụng hàm hình tam giác cho biến ngơn ngữ 0, DI, DV, DL hàm hình thang cho biến ngơn ngữ DR 16 Hình 3.5: Mờ hóa sai lệch Tiếp theo ta kích vào TE, chọn vùng giá trị tích phân sai lệch TE đoạn từ đến 1500 hình 3.6, sau ta tiến hành thay ñổi hàm liên thuộc ñến giá trị thích hợp Ở ta sử dụng hàm hình tam giác cho tất biến ngơn ngữ Hình 3.6: Mờ hóa tích phân sai lệch Đầu U ñiều khiển ta chọn vùng giá trị sai lệch E ñoạn từ ñến 20 hình 3.7, sau ta tiến hành thay đổi hàm liên thuộc đến giá trị thích hợp Ở ñây ta sử dụng hàm hình tam giác cho biến ngôn ngữ 0, DI, DV, DL hàm hình thang cho biến ngơn ngữ DR 17 Hình 3.7: Mờ hóa điện áp điều khiển Sau thực xong khâu mờ hóa biến ngơn ngữ, ta xây dựng luật hợp thành hình 3.8: Hình 3.8: Xây dựng luật hợp thành Trên cửa sổ FIS EDITOR, ta chọn view để xem quan hệ vào ñiều khiển quan sát ñược hoạt động luật hình 3.9 hình 3.10 Hình 3.9: Quan hệ vào điều khiển 18 Hình 3.10: Quan sát hoạt động luật Thực việc mô Matlab – Simulink hình 3.11 Hình 3.11: Mơ điều khiển mờ cho lị nung Tuynel Ta nhận kết mơ hình 3.12 bo dieu khien mo 1600 Mo 1400 1200 Nhiet 1000 800 600 400 200 0 200 400 600 Thoi gian 800 1000 1200 Hình 3.12: Kết mơ điều khiển mờ cho lị nung Tuynel 19 Bảng 3.3 Thơng số đạt ñược ñiều khiển mờ Quá trình ñiều khiển Số liệu Tỷ lệ (%) Độ ñiều chỉnh 25(0C) 1.67 Thời gian ñộ (tqñ) 720(s) 3.3 Điều khiển nhiệt độ lị nung Tuynel sử dụng hệ nơron mờ Đầu tiên ta đo lấy thơng số đầu vào đầu q trình điều khiển nhiệt độ lị nung Tuynel, từ thơng số đo ta xây dựng hai tập liệu học kiểm tra Sau ta tiến hành q trình huấn luyện liệu Gõ vào cửa sổ lệnh anfisedit thi hành lệnh, Matlab xuất cửa sổ anfis Tiến hành tải liệu học liệu kiểm tra lên cửa sổ ANFIS, sau ta chọn số luật hợp thành, chọn phương pháp luyện sử dụng thuật toán lan truyền ngược, chọn khoảng sai số số lần lan truyền ngược thực trình học (a) (b) Hình 3.13: (a) Tải liệu huấn luyện lên ANFIS;(b) Tải liệu kiểm tra lên ANFIS 20 (a) (b) Hình 3.14: (a) Chu kỳ huấn luyện; (b) Cửa sổ khai báo số lượng luật điều khiển Trên hình 3.15, ñọc ñược số liệu lỗi sau 10000 lần thực lan truyền ngược 0.37903 Ta tiến hành lưu lại file để điều khiển Hình 3.15: Huấn luyện mạng Quay cửa sổ lệnh Matlab thấy thơng số đạt q trình huấn luyện với luật học BP ... mờ -nơron 2.5 Sử dụng công cụ ANFIS matlab ñể thiết kế hệ nơron mờ 2.6 Sử dụng soạn thảo ANFIS GUI 11 CHƯƠNG 3: ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LỊ NUNG TUYNEL 3.1 Điều khiển nhiệt độ lị nung Tuynel sử dụng. .. kết hợp hệ mờ nơron ñược sử dụng nghiên cứu để điều khiển nhiệt độ lị nung Tuynel mục đích đề tài Mục ñích nghiên cứu Xây dựng lý thuyết sử dụng hệ nơron mờ điều khiển nhiệt độ lị nung Tuynel. .. (%) Độ ñiều chỉnh 25(0C) 1.67 Thời gian ñộ (tqñ) 720(s) 3.3 Điều khiển nhiệt độ lị nung Tuynel sử dụng hệ nơron mờ Đầu tiên ta đo lấy thơng số ñầu vào ñầu trình ñiều khiển nhiệt độ lị nung Tuynel,