Điều khiển mờ trượt cho hệ điều khiển áp suất khí nén

1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG NGUYỄN THỊ MINH THI ĐIỀU KHIỂN MỜ TRƯỢT CHO HỆ ĐIỀU KHIỂN ÁP SUẤT KHÍ NÉN Chuyên ngành : Tự động hố. Mã số : 60.52.60 TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2011 Cơng trình được hồn thành tại ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Hồng Mai Phản Biện 1: PGS.TS. Nguyễn Dỗn Phước Phản Biện 2: TS. Phan Văn Hiền Luận văn được bảo vệ tại hội đồng chấm luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 07 tháng 5 năm 2011 * Cĩ thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Thơng tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng - Trung tâm Học liệu - Đại học Đà Nẵng. 2 MỞ ĐẦU 1. LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI Để điều khiển quá trình áp suất của lị hơi, điều khiển áp suất buồng đốt, điều khiển mức nước trong bình hơi, điều khiển điều hịa khơng khí trong xe hơi, điều khiển quạt giĩ và các thiết bị y tế, … thì việc điều khiển áp suất tại điểm đặt bằng sự thay đổi nhiên liệu và tỷ lệ với lưu lượng hiện tại để đáp ứng sự thay thổi của hệ thống là một vệc hết sức cần thiết và quan trọng. Với sự xuất hiện các phương pháp và lý thuyết điều khiển hiện đại như: điều khiển thích nghi, điều khiển bền vững, điều khiển mạng neural, điều khiển mờ, điều khiển trượt, … thì việc xây dựng các bộ điều khiển để điều khiển các hệ thống phức tạp là khơng cịn khĩ khăn nữa. Vấn đề áp dụng phương pháp mờ trượt cho hệ điều khiển áp suất khí nén khơng phải là vấn đề mới và tối ưu Tuy nhiên điều khiển mờ trượt cho đặc tính động học rất tốt và đặc biệt khơng quá nhạy đối với các biến đổi của đối tượng và với các thiết kế với một mơ hình đối tượng khơng chính xác . 2. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU Đối tượng nghiên cứu là bình áp suất.Bình áp suất là một hệ cĩ tính phi tuyến cao, trạng thái bất định và bị nhiễu tác động vào làm hệ rất khơng ổn định. Nếu áp dụng lý thuyết điều khiển cổ điển để điều khiển thì sẽ khơng đạt được tính ổn định cũng như tính bền vững cho hệ. Chính vì thế, trong luận văn này ta chọn đối tượng nghiên cứu là bàn áp suất được điều khiển bằng cách áp dụng một trong những lý thuyết điều khiển hiện đại để điều khiển là lý thuyết mờ trượt. 3. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU Nội dung trọng tâm cần nghiên cứu như sau: - Xây dựng mơ hình động học cho một đối tượng điều khiển là hệ điều khiển áp suất - Nghiên cứu bài tốn điều khiển cho hệ áp suất bằng bộ điều khiển trượt. - Nghiên cứu bài tốn điều khiển cho hệ áp suất bộ điều khiển mờ trượt. Với sự trình bày và phân tích các vấn đề nêu trên, tên của đề tài luận văn là: “Điều khiển mờ trượt cho hệ điều khiển áp suất khí nén ”. 4. PHẠM VI VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Đề tài chỉ dừng lại trên cơ sở lý thuyết và khảo sát. Đánh giá kết quả tính tốn được thực hiện bằng phần mềm mơ phỏng MATLAB/Simulink. 5. Ý NGH ĨA THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI Tất cả các vấn đề được đề cập trong cuốn luận văn này ít nhiều gĩp phần vào định hướng cho việc nghiên cứu, xây dựng và phát triển cho hệ áp suất khí nén. Tạo tiền đề cho việc chế tạo hệ áp suất ổn định, đáp ứng được yêu cầu các phịng thí nghiệm cĩ các mơ hình thực để phục vụ cho việc nghiên cứu và học tập trong các trường học ở nước ta. 6. CẤU TRÚC LUẬN VĂN Ngồi chương mở đầu trong luận văn cịn cĩ 4 chương: Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH 3 Chưong 2: LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN MỜ TRƯỢT Chương 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN Chương 4: MƠ PHỎNG VÀ NHẬN XÉT KẾT QUẢ MƠ PHỎNG Chi tiết xem ở phần Mục lục Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH 1.1. KHÁI NIỆM CHUNG VỀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH 1.1.1. Quá trình và điều khiển quá trình: Hình 1.1: Hệ thống quá trình cơng nghệ - Điều khiển quá trình là ứng dụng kỹ thuật điều khiển tự động trong điều khiển, vận hành và giám sát các quá trình cơng nghệ, nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất và đảm bảo các yêu cầu về bảo vệ con người, máy mĩc và mơi trường. Phạm vi ứng dụng của điều khiển quá trình là cơng nghiệp chế biến, khai thác & năng lượng, trong đĩ bài tốn đặc thù và quan trọng nhất là bài tốn điều chỉnh. Các đại lượng cần điều khiển: mức, lưu lượng, áp suất, nhiệt độ, nồng độ, thành phần, ... 1.1.2. Mục đích của điều khiển quá trình: 1.2. ĐẶC TÍNH CƠ BẢN CỦA THIẾT BỊ DO TRONG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH: 1.2.1. Cấu trúc cơ bản của thiết bị đo các đại lượng quá trình: 1.3. ĐẶC TÍNH CƠ BẢN CỦA THIẾT BỊ CHẤP HÀNH TRONG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH : 1.3.1. Cấu trúc cở bản của van điều khiển: 1.3.2. Phân loại van điều khiển: 1.3.3. Đặc tính của van điều khiển: 1.3.4. Đặc tính động học của van điều khiển 1.4. MỘT SỐ ỨNG DỤNG VỀ ĐIỀU KHIỂN ÁP SUẤT KHÍ NÉN 1.4.1.Ứng dụng trong hệ thống phanh khí nén 1.4.2. Cơng nghệ điều khiển bơm nước với áp suất khơng đổi. Chương 2: ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT VÀ ĐIỀU KHIỂN MỜ 2.1. KHÁI NIỆM VỀ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT 2.1.1. Giới thiệu sơ lược về hệ phi tuyến 2.1.2. Điều khiển trượt. 2.1.2.1.Khái niệm. 2.1.2.2.Điều khiển trượt. 4 2.1.3. Nghiên cứu một bộ điều khiển trượt (SMC) 2.2. LOGIC MỜ 2.2.1. Lý thuyết mờ 2.2.1.1. Định nghĩa tập mờ 2.2.1.2. Các dạng hàm liên thuộc 2.2.2. Mơ hình mờ 2.2.2.1. Mơ hình mờ Mamdani 2.2.2.2. Mơ hình mờ Sugeno 2.2.2.3. So sánh hai loại mơ hình 2.3. TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ 2.3.1. Cấu trúc của bộ điều khiển mờ Bộ điều khiển mờ Đối tượng điều khiển Thiết bị đo lường x e u y Giao diện đầu vào Thiết bị hợp thành e µ B' Giao diện đầu ra Luật điều khiển u - Hình 2.11: Cấu trúc hệ sử dụng bộ điều khiển mờ - Giao diện đầu vào bao gồm khâu mờ hố và các khâu phụ trợ khác (như khâu tích phân, khâu vi phân,...) để thực hiện các bài tốn điều khiển động. - Thiết bị hợp thành là sự triển khai các luật hợp thành R được xây dựng trên cơ sở luật điều khiển thích hợp. - Giao diện đầu ra gồm khâu giải mờ và các khâu tác động trực tiếp tới đối tượng (như khâu khuếch đại, khâu hạn chế,...). 2.3.2. Nguyên tắc tổng hợp bộ điều khiển mờ 2.3.3. Các bước thực hiện khi xây dựng bộ điều khiển mờ - Định nghĩa tất cả các biến ngơn ngữ vào ra - Định nghĩa tập mờ (giá trị ngơn ngữ) cho các biến vào/ra + Xác định miền giá trị vật lý cho các biến ngơn ngữ vào/ra + Xác định số lượng tập mờ cần thiết + Xác định kiểu hàm liên thuộc + Rời rạc hố các tập mờ - Xây dựng các luật điều khiển, cĩ nghĩa là chọn các hệ số ci (i=1,2,3,...,n) cho từng luật “NẾU … THÌ … “ của bộ điều khiển. - Xây dựng các luật điều khiển, cĩ nghĩa là chọn các hệ số ci (i=1,2,3,...,n) cho từng luật “NẾU … THÌ … “ của bộ điều khiển. 2.4. HỆ ĐIỀU KHIỂN PID. 2.4.1. Giới thiệu chung. 2.4.2. Hiệu chỉnh tham số bộ điều khiển PID Chương 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ TRƯỢT CHO HỆ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH ÁP SUẤT KHÍ NÉN 3.1. GIỚI THIỆU CHUNG 5 Hình 3.1. Sơ đồ của bình khí nén 3.2. MƠ HÌNH TỐN HỌC CỦA BÌNH ÁP SUẤT KHÍ NÉN: Giả sử khí trong bình cĩ mật độ ρ (kg/m3) khơng đổi, phương trình biểu diễn hệ bình chất lỏng sẽ dựa trên cơ sở cân bằng khối lượng: dmbình = dmvào - dmra (3.1) Do vậy ta cĩ phương trình: ρρρ oi CCdt qd −= )( (3.2) Hay ρρρ oi CCdt pVd −= )..( (3.3) Trong đĩ: Ci, Co: lưu lượng khí vào ra bình chứa V: thể tích của bình [m3] P: Áp suất của bình ρ : mật độ chất lỏng [kg/m3] Với quan hệ lưu lượng khí ra là quan hệ phi tuyến: gpKC vo 2= (3.4) Kv: hệ số lưu lượng khí qua van. Khi đĩ : ρρρ ..2.)..( pgKC dt pVd vi −= (3.5) A khơng đổi, và ρ khơng đổi, giản ước và chuyển vế ta cĩ phương trình: iv CgpKdt dpV =+ 2 (3.6) Viết lại phương trình đối tượng như sau: ( )pgKC V p vi .2 1 −=& (3.7) Hình 3.2. Sơ đồ mơ phỏng bình áp suất trên Simulink 3.3. VAN ĐIỀU KHIỂN 6 Hình 3.4. Sơ đồ Simulink mơ phỏng van điều khiển 3.4 XÂY DƯNG BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT CHO BÌNH ÁP SUẤT KHÍ NÉN Tín hiệu điều khiển cĩ dạng như sau: Vssigne p pg V KvpCi ).(.. .2 .2 .0 ηλ +++= & & && (3.20) Sơ đồ của bộ điều khiển trượt: Hình 3.6: Sơ đồ bộ điều khiển trượt Sơ đồ khối của tồn bộ hệ thống với bộ điều khiển trượt: H ình 3.7: Sơ đồ khối của hệ thống Hình 3.8: Sơ đồ khối bộ điều khiển trượt của hệ thống 3.5.XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ TRƯỢT CHO BÌNH ÁP SUẤT KHÍ NÉN: 3.5.1.Xây dựng các khối điều khiển: 3.5.1.1. Biến vào ra của bộ điều khiển mờ: - Đầu vào thứ nhất là sai lệch giữa áp suất đặt và áp suất thực của bình - Đầu vào thứ hai là đạo hàm theo thời gian của sai lệch. - Đầu ra là hệ số của tín hiệu điều khiển sai lệch λ (landa) 3.5.1.2. Xác định tập mờ - Sai lệch e chọn miền giá trị từ [-10,10] - Đạo hàm sai lệch de chọn miền từ [-5,5] 7 - Đầu ra lamda cĩ giá trị từ [0,20] Hình 3.9: Biến vào /ra khối mờ 3.5.1.3. Luật điều khiển Hình 3.13: Các luật điều khiển Luật hợp thành là max-min, giải mờ theo phương pháp trọng tâm Ta cĩ kết quả sau: Hình 3.14: Minh hoạ các luật điều khiển và giả mờ Hình 3.15: Biến thiên landa của bộ điều khiển mờ theo e và de/dt. 8 3.5.2. Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ trượt: Hình 3.16: Sơ đồ khối của bàn áp suất được điều khiển mờ trượt 3.5.3. Mơ phỏng mờ trượt cho tồn bộ hệ thống: Hình 3.17: Sơ đồ khối của tồn bộ hệ thống 3.6. XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID CHO HỆ ÁP SUẤT KHÍ NÉN 3.6.1. Mục đích xây dựng bộ điều khiên PID 3.6.2. Sơ đồ khối của hệ thống khi sử dụng bộ điều khiển PID. 3.6.3. Mơ phỏng hệ áp suất với bộ điều khiển PID.. Sau đây là các hệ số KP, KI, KD ta đã chọn để chất lượng đạt tối ưu Hình 3.19: Các tham số điều khiển của bộ PID Sơ đồ mơ phỏng của hệ thống trên Simulink: Hình 3.20: Sơ đồ mơ phỏng của bơ điều khiển PID 9 Chương 4: KẾT QUẢ MƠ PHỎNG VÀ NHẬN XÉT 4.1. KẾT QUẢ MƠ PHỎNG CỦA HỆ ĐIỀU KHIỂN KHI SỬ DỤNG CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN KHÁC NHAU. 4.1.1. Kết quả mơ phỏng của hệ thống khi tham số đối tương khơng thay đổi 4.1.1.1. Kết quả mơ phỏng của hệ thống khi sử dung bộ PID Hình 4.1: Sơ đồ mơ phỏng của bộ điều khiển PID Khi dùng bộ điều khiển PID cho đối tương thì ta cĩ kết quả Hình 4.2: Đáp ứng áp suất đầu ra. Hình 4.3: Sai lệch áp suất đầu vào và đầu ra Nhận xét: Khi các tham số của đối tượng khơng thay đổi thì dùng bộ PID để điều khiển hệ áp suất rất tốt, đáp ứng đầu ra ổn định, sai lệch nhanh tiến về khơng và thới gian quá độ ngắn. 4.1.1.2. Kết quả mơ phỏng khi dùng bộ điều khiển trượt Hình 4.5: Đáp ứng áp suất đầu ra 10 Hình 4.6: Sai lệch áp suất đầu ra so với đầu vào Nhận xét: Áp suất đầu ra vẫn bám theo áp suất đặt nhưng chưa chính xác và ổn định, cịn dao động. 4.1.1.3. Kết quả mơ phỏng khi sử dụng bộ điều khiển mờ trượt Hình 4.8: Đáp ứng đầu ra so với đầu vào Hình 4.9: Sai lệch đầu ra so với đầu vào Nhận xét: Ta thấy áp suất ra bám theo áp suất đặt và ổn định. Sai lệch ít dao động. Nhưng thời gian để đáp ứng vẫn lớn và khơng bằng bộ điều khiển PID. Từ đĩ cho thấy với những đối tương xác đinh thì việc điều khiển bằng bộ PID trở nên tối ưu và tốt hơn. 4.1.2. Kết quả mơ phỏng của hệ thống khi đối rượng cĩ nhiễu Hình 4.10: Hệ thống khi cĩ nhiễu 4.1.2.1. Hệ thống cĩ nhiễu khi sử dụng bộ điều khiển PID Hình 4.11: Đáp ứng đầu ra so với đầu vào khi cĩ nhiễu 11 Hình 4.12:Sai lệch của đầu ra so với đầu vào khi cĩ nhiễu Nhận xét: Ta thấy khi tham số của hệ thống thay đổi thì dùng bộ PID sẽ điều khiển khơng cịn tốt và tối ưu nữa. 4.1.2.2.Hệ thống cĩ nhiễu khi sử dụng bộ điều khiển trượt Hình 4.13: Đáp ứng áp suất đầu ra khi hệ thống cĩ nhiễu Hình 4.14: Sai lệch của đầu ra và đầu vào khi cĩ nhiễu 4.1.2.3.Hệ thống cĩ nhiễu khi sử dụng bộ điều khiển mờ trượt Hình 4.15 : Đáp ứng áp suất đầu ra khi cĩ nhiễu Hình 4.16: Sai lệch của đầu ra và đầu vào khi cĩ nhiễu Nhận xét: Khi tham số của hệ thống thay đổi thì việc sử dụng bộ điều khiển mờ trượt trở nên tốt hơn. 4.2. SO SÁNH HỆ ĐIỀU KHIỂN KHI SỬ DỤNG CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN KHÁC NHAU. 4.2.1.So sánh bộ điều khiển PID và bộ điều khiển trượt. 4.2.1.1.Khi tham số của hệ thống khơng thay đổi ta cĩ kết quả: 4.2.1.2.Khi tham số hệ thống thay đổi (khi cĩ nhiễu) 4.2.2.So sanh bộ điều khiển PID và điều khiển mờ trượt 4.2.2.1. Khi tham số của hệ thống khơng thay đổi Đáp ứng đầu ra của 2 bộ điều khiển 12 Bộ PID Bộ FSMC Hình 4.21: Đáp ứng đầu ra của 2 bộ điều khiển khi khơng cĩ nhiễu Sai lệch của 2 bộ điều khiển Bộ PID Bộ FSMC Hình 4.22: Sai lệch đầu ra của 2 bộ điều khiển khi khơng cĩ nhiễu Nhận xét: Đối với hệ thống xác định thì điều khiển PID tốt và tối ưu hơn bộ điều khiển mờ trượt, thời gian xác lập ngắn. 4.2.2.2.Khi tham số của hệ thống thay đổi (khi cĩ nhiễu) Đáp ứng đầu ra Bộ PID Bộ FSMC Hình 4.23: Đáp ững đầu ra của 2 bộ điều khiển khi cĩ nhiễu tác động Sai lệch đầu ra và đầu vào của 2 bộ điều khiển Bộ PID Bộ FSMC Hình 2.24: Sai lệch của 2 bộ điều khiển khi cĩ nhiễu tác động Nhận xét: Nhưng khi đối tượng cĩ nhiễu thì việc sử dung bộ điều khiển PID khơng tốt bằng điều khiển mờ trượt. 4.2.3. So sánh hệ thống khi sử dụng bộ điều khiển trượt và mờ trượt 13 Đáp ứng đầu ra Bộ SMC Bộ FSMC Hình 4.25: Đáp ứng đầu ra của 2 bộ điều khiển Bộ SMC Bộ FSMC Hình 2.26: Sai lệch của 2 bộ điều khiển Nhận xét: Ta thấy ở bộ điều khiển trượt cĩ hiện tượng rung hay cịn gọi là hiện tượng chattering. Cịn ở bộ điều khiển mờ trượt đã hạn chế được hiện tượng rung, đáp ứng trở nên trơn tru và ổn định hơn. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Hệ điều khiển áp suất khí nén đã được điều khiển bằng nhiều phương pháp với nhiều bộ điều khiển khác nhau . Trong luận văn này, tác giả đã chọn thiết kế bộ điều khiển mờ trượt để điều khiển cho hệ áp suất khí nén. Ưu điểm dễ thấy của phương pháp điều khiển mờ trượt trong luận văn này là làm giảm thiểu hiện tượng chattering xảy ra trong hệ và cịn cải thiện tốt hơn một số tính chất khác nếu biết chọn một bộ mờ hợp lý. Nhược điểm của bộ điều khiển mờ trượt là vẫn khơng làm cho hiện tượng chattering triệt tiêu hồn tồn, độ quá điều chỉnh vẫn cịn xuất hiện. Bộ điều khiển mờ trượt giảm được vấn đề chattering. Các kết quả mơ phỏng cho thấy hệ cĩ thời gian đáp ứng nhanh, luơn ổn định và bền vững trước sự thay đổi trạng thái của mơ hình. Đồng thời, tín hiệu điều khiển cũng trở nên mềm dẻo hơn, hạn chế được tối đa hiện tượng rung khi trạng thái hệ thống đang ở trên mặt trượt. Hướng phát triển của đề tài Trong đề tài tác giả chỉ dựa trên cơ sở lý thuyết và khảo sát, kiểm chứng thơng qua mơ phỏng với kết quả là chấp nhận được. Do điều kiện thời gian cĩ giới hạn, kinh phí cịn hạn chế nên luận văn mới chỉ dừng lại ở việc xây dựng cấu trúc, khảo sát động học và kiểm tra trên mơ hình vật lý, mơ hình hĩa mơ phỏng bằng phần mềm MATLAB/Simulink chứ chưa thử nghiệm được kết quả nghiên cứu bằng mơ hình thực. Đây cũng là hướng tác giả dự định tiếp tục nghiên cứu, phát triển trong thời gian tới.