Đề tài Thiết kế hệ thống điều chỉnh ổn định nhiệt gió nóng bằng thuật toán điều khiển mờ

Trường đại học sư phạm kỹ thuật Hưng Yên Khoa Điện - Điện Tử š&œ› + ĐỒ ÁN MÔN HỌC Đề tài :Thiết kế hệ thống điều chỉnh ổn định nhiệt gió nóng bằng thuật toán điều khiển mờ Giảng viên hướng dẫn: Sinh viên thưc hiện : Lời nói đầu Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật , việc áp dụng các thành tựu khoa học kỹ thuật mới trong lĩnh vực tự động hoá đã mang lại những chuyển biến rõ rệt ,góp phần thúc đẩy sự phát triển của nhiều lĩnh vực công nghệ , trong đó có các thiết bị gia nhiệt như lò sấy , lò nung được ứng dụng nhiều .Việc xây dựng một hệ thống điều khiển tự động các thiết bị như vậy đã và đang đặt ra nhiều yêu cầu trong đó đặc biệt là việc tối ưu hoá đáp ứng các chỉ tiêu về chất lượng ,ổn định nhiệt độ tốt. Từ những năm đầu của thập kỷ 90 cho đến nay hệ mờ (fuzyy system)đã được các nhà khoa học, các kỹ sư và sinh viên nghiên cứu trong mọi lĩnh vực khoa học kỹ thuật đặc biệt quan tâm nghiên cứu và ứng dụng vào sản xuất .Tuy nhiên cả phương pháp luận và tính ứng dụng điều khiển mờ vẫn còn hạn chế đặc biệt ở Việt Nam. Do vậy em mong muốn thuật toán điều khiển mờ cũng như các phương pháp điều khiển nâng cao như điều khiển thích nghi, điều khiển tối ưu….sẽ được nghiên cứu và ứng dụng nhiều hơn nữa ở Việt Nam Trong khuôn khổ đồ án này em nghiên cứu ổn định nhiệt độ gío nóng bằng thuật toán điều khiển mờ Do thời gian và trình độ còn hạn chế , trong khuôn khổ đồ án môn học này em chỉ xin nghiên cứu và đề cập những vấn đề cơ bản nhất về hệ thống ổn định nhiệt gió nóng cũng như thuật toán điều khiển mờ Em xin gửu lời cảm ơn sâu sắc đến các thầy cô trong khoa Điện -Điện tử đặc biệt là cô giáo-thạc sỹ …………….. đã tận tình giúp đỡ tạo điều kiện cho em thực hiện đồ án này Trong đồ án còn nhiều thiếu sót rất mong nhận được ý kiến chỉ bảo,đóng góp của thầy cô và các bạn Hưng Yên ngày 6 - 11 - 2006 Sinhviên NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN ............................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................... NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN ................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................ Mục lục Trang Chương 1 Hệ thống điều chỉnh tự động nhiệt độ gió nóng cho 6 lò điện trở 1.1. Một số đặc điểm của lò điện trở và phương pháp điều 6 chỉnh nhiệt độ 1.2 Khái niệm và các thành phần của hệ thống 8 1.3 Thết kế phần cứng 10 Chương 2 Tổng quan về lý thuyết điều khiển tự động và thuật toán 14 điều khiển mờ 2.1 lý thuyết điều khiển tự động 14 2.2 Thuật toán điều khiển mờ 21 Chửụng 3 : Ứng dụng thuật toán điều khiển mờ điều chỉnh ổn định nhiệt gió nóng 29 3.1. xây dựng thuật toán điều khiển 29 3.2. Mô phỏng hệ thống bằng phần mền MATLAB 33 Tài liệutham khảo 39 Chương 1 Hệ thống điều chỉnh tự động nhiệt độ gió nóng cho lò điện trở 1.1. Một số đặc điểm của lò điện trở và phương pháp điều chỉnh nhiệt độ 1.1.1.. ẹoỏi tửụùng loứ điện trở Trong thửùc teỏ, trong coõng nghieọp caực loứ nhieọt thửụứng coự coõng suaỏt raỏt lụựn, quaựn tớnh lụựn, taàm nhieọt hoaùt ủoọng roọng vaứ coự nhieàu caựch ủoỏt noựng khaực nhau nhử duứng loứ xo, khớ ủoỏt, soựng cao taàn…Khi ủieàu khieồn nhieọt ủoọ, ủaởc tớnh caàn chuự yự laứ ủoọ quaựn tớnh, naờng suaỏt toaỷ nhieọt ra moõi trửụứng. Tớnh chaỏt cuỷa loứ nhieọt phuù thuoọc vaứo theồ tớch, vaọt lieọu caựch nhieọt vaứ nguoàn nhieọt. Quán tính của lò lớn, sự thay đổi nhiệt độ của lò xảy ra chậm . Lò có hệ số dung lượng lớn thì độ trễ lớn Nhiệt độ buồng lò không hoàn toàn đồng đều và cặp nhiệt cũng có quán tính khá lớn nên việc xác định nhiệt độ còn phụ thuộc vào vị trí đặt bộ cảm biến nhiệt độ . ở đây đối tượng điều chỉnh chính là nhiệt độ gió nóng mà được đốt nóng bởi lò điện trở nên vị trí đặt sen so phải nằm tại nơi đo nhiệt độ gió nóng Biến thiên nhiệt độ của lò có tính chất tự cân bằng nên nhiệt độ gió nóng cũng có tính chất cân bằng . Nhờ tính chất như vậy , khi mất cân bằng giữa lượng nhiệt cung cấp và lượng nhiệt tiêu thụ thì nhiệt độ gió nóng có thể tiến tới một giá trị xác lập mới mà không cần sự tham gia của máy điều chỉnh 1.1.2- Các phương pháp điều chỉnh nhiệt độ lò gió nóng đối tượng điều chỉnh chính là nhiệt độ gió nóng , nhưng thực chất vẫn là điều khiển lò điện trở . việc điều chỉnh nhiệt độ của gió nóng cung chính là điều khiển nhiệt độ trong buồng lò hay điều khiển công suất đặt vào lò P=I2.R.t Phương pháp thay đởi điện trở : Phương pháp này ít được sử dụng do kém linh hoạt, thời gian thay đổi chậm và không có nhiều cấp Phương pháp thay đổi điện áp bằng cách dùng biến áp hoặc thyristor. Phương pháp dùng thyristor được áp dụng có thể thay đổi được nhiều cấp điện áp, thời gian tác động nhanh và hoạt động tin cậy.Về cơ bản có 2 phương pháp điều khiển là điều khiển ON-OFF(đóng - ngắt)Và điều khiển tyến tính . ẹieàu khieồn ON_OFF laứ laởp laùi traùng thaựi ủoựng ngaột nguoàn cung caỏp cho heọ thoỏng ủieàu khieồn theo ủieồm ủaởt, khi nhieọt ủoọ trong loứ dửụựi nhieọt ủoọ ủaởt thỡ ngoừ ra rụle ủoựng ngaột nguoàn laứ ON vaứ OFF khi nhieọt ủoọ trong loứ cao hụn nhieọt ủoọ ủaởt Để điều khiển ON-OFF có thể dùng các thiết bị đóng ngắt như rơle ,công tắc tơ hay các thiết bị cho phép lập trình như PLC Phương pháp điều khiển ON-OFF đơn giản song không điều khiển được nhiệt độ ở nhiều cấp độ ,ổn định nhiệt độ kém. Phương pháp điều khiển tuyến tính cho kết quả chính xác hơn với nhiều cấp độ điềukhiển , khả năng ổn định tốt . Phương pháp điều khiển tuyến tính sử dụng ở đây là thuật toán điều khiển mờ 1.2 Khái niệm và các thành phần của hệ thống 1.2.1 khái niệm Hệ thống điều chỉnh nhiệt độ gió nóng cho lò điện trở là một hệ thống có nhiệm vụ điều khiển nhiệt độ của lò điện trở sao cho lò điện trở luôn có nhiệt độ phù hợp với yêu cầu của công nghệ sản xuất. Qúa trình điều chỉnh cần phải được tự động hoá có sự giám sát, thay đổi được dễ dàng khi yêu cầu đầu ra thay đổi 1.2.2Sơ đồ đối tượng điều chỉnh Trên cơ sở yêu cầu công nghệ , sơ đồ đối tượng điều chỉnh được trình bày như sau: Trong đó: 1- bưồng đốt 2- quạt gió 3- nhiệt kế điện trở 4-dây nung R/U -chuyển đổi diện trở sang điện áp A/D -chuyển đổi tương tự số MT- máy tính D/A -chuyển đổi số tương tự TX- mạch tạo xung TH -thyristor 1.2.3 Đặc điểm làm việc và thông số kỹ thuật của các thành phần * buồng đốt : Buồng đốt có lớp chịu nhiệt chế tạo từ bột Samot thấm vảI lát trong buồng lò chụi nhiệt độ cao có độ bền cơ học tốt có tính cách điện và ổn định ở nhiệt độ caokhi nhiệt độ thay đổi lớn và không bị ăn mòn bởi môi trường làm việc Buồng đốt được thiết kế với: - công suất 2 KW - Điện áp cung cấp : 220 V *Quạt gió: Đựoc thiết kế theo kiểu ly tâm tạo cột áp lớn để đưa khí nóng tối đa ra buồng nung + Điện áp cấp: 220V +Tốc độ 2850V/ p +Công suất 2,4 KW - ở đây ta cho quạt gió làm việc với công suát lớn nhất và chưa quan tâm tới tốc độ và lưu lượng của quạt gió * Nhiệt kế điện trở: Nhiệt kế điẹn trở bạch kim loại Pt-100được sử dụng để làm cẩm biến đo nhiệt độ . Mối quan hệ giữa điện trở và nhiệt độ của nó được mô tả bằng biểu thức: Rt=R0.(1+) VớiR0 là điện trở ở 00C Rt là điện trở tại t0C *Dây nung: Dây nung Ni- Cr được đặt trong lòng của buồng đốt và được đốt theo hiệu ứng Jun- Len xơ. Với lượng nhiệt toả ra trên dây khi có dòng điện chạy qua được tính theo công thức : Q=I2Rt Trong đó : Q là nhiệt lượng toả ra trên dây nung (J) I là dòng điện chạy qua dây nung(A) Rlà điện trở dây nung R=20 - t là thời gian dòng điện chạy qua dây nung(s) *máy tính: Máy tính số được ghép nối với các bộ phận khác thông qua bộ chuyển đổi A/D vàD/A.Tín hiệu vào của A/D là điện áp từ 0-5 Vvì vậy phải sử dụng bộ chuyển đổi điện trở sang điện áp R/U .Hai van thyristor được sử dụng làm bộ phận điều khiển điện áp cấp cho lò điện trở và được điều hiển bởi mạch tạo xung 1.3 Thết kế phần cứng 1.3.1 bộ chuyển đổi R/U - Bộ chuyển đổi R/U để chuyển tín hiệu của nhiệt kế điện trở sang điện áp từ 0 V đến 5Vđể đưa vào ADC Sơ đồ bộ chuyển đổi như sau : Trong sơ đồ này ta sử dụng 2 ICLM741 và IC 082 .ICLM741là IC ổn dòngluôn cho dòng ra là 2 mA Khi đó điện áp chỉ còn phụ thuộc vào sự thay đổi của điện trở Rt Thông số kỹ thuật của LM741 +Nguồn cung cấp 15V +Công suất tiêu tán là :50mV +điện áp rò ở đầu vào :2mV +Dòng rò ở đầu vào : 20nA + trở kháng vào : 2M + Trở kháng ra :75 1.3.2Bộ điều khiển công suất Bộ điều khiển công suất được sử dụng ở đây là bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều một pha gồm 2 thyristor mắc song song ngược . . Vì anôtT1 nối với catôt T2 và anôtT2 nối với catôt T1 nên trong mạch điều khiển nhất thiết phải dùng một biến áp xung có 2 cuộn dây thứ cấp cách ly với nhau. Các điôt được dùng để khoá chặn các xung âm Khi có xung điều khiển thì 2 thyristor sẽ lần luợt mở cho dòng đi qua . Ta có thể điều khiển góc mở của thyristor đảm bảo cho công suất lò thay đổi từ 0 đến giá trị lớn nhất Phương pháp này cho phép điều chỉnh trong phạm vi rộng , đáp ứng yêu cầu điều khiển độ chính xác điều khiển tương đối cao, độ nhạy điều chỉnh tương đối lớn, có khả năng điều chỉnh liên tục và đều đặn Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển công suất như sau : Thyristor lựa chọn dùng trong mạch là loại có công suất nhỏ KY-202Hdo Nga chế tạo với thông số kỹ thuật như sau : + Điện áp làm việc là 0,4 KV + Dòng điện cực đại cho phép 10A + Điện áp điều khiển 10V +Dòng điện rò 0,3 đến 0,5 A Hệ thống này được dùng để diều khiển công suất nguồn cung cấp cho sợi đốt của lò tức là làm thay đổi nhiệt độ của lò .Tín hiệu điều khiển được đưa vào đầu vào Y của hệ thống , còn công suất đốt được điều khiển bằng van thyristor . Nguồn cung cấp cho lò là nguồn điện xoay chiều vì vậy thyristor được sử dụng ở chế độ khoá tự nhiên tức là nó tự khoá khi dòng điện đi qua nó bằng không là góc mở của thyristor . , tức là góc lệch từ thời điểm ban đầu của nửa chu kỳ dòng xoay chiều cho đến thời điểm mở thyristor thời điểm này chính là thời điểm phát xung điều khiển , ta có thể thay đổi thời điểm phát xung điều khiển làm thay đổi góc mở tức là thay đổi công suất cung cấp cho dây nung của lò. Việc điều khiển thời điểm phát xung cho thyristor được thực hiện bằng bộ tạo xung răng cưa , bộ so sánh và bộ phát xung mở thyristor + mạch phát xung : Tín hiệu xung răng cưa được so sánh với tín hiệu điều khiển nhờ bộ khéch đại thuật toán A741 .Xung răng cưa được đưa vào đầu đảo còn khéch đại thuật toán được đưa vào đầu không đảo . ở đây sử dung khuếch đai thuật toán ở chế độ khuếch đại không phản hồi vì vậy khi điện áp của xung răng cưa lớn hơn điện áp điều khiển thì điện áp củaA7 sẽ bão hoà Đầu ra củaA741 sẽ là xung vuông với tần số 100Hz Giao diện với máy tính : card A/D –D/A Do yêu cầu của hệ thống ta sử dụng các vi mạch biến đổi A/D Và D/A ghép nối với các slotcủa máy tính Vi mạch biến đổi tương tự số ADC0804 Các thông số của vi mạch : thời gian biến đổi :150ns công suất tiêu thụ :5mW nguồn cung cấp :5V Vi mạch biến đổi số – tương tự DAC 0808 Các thông số của vi mạch : - thời gian biến đổi :150ns - công suất tiêu thụ :33Mw -nguồn cung cấp :4,5Vđến 18V Card A/D-D/Ađược cắm vào slot còn trốn trên mainboard của máy tính , địa chỉ của nó được giải mã bởi IC 74LS138 . khi muốn chọn kênh tương tự cho vi mạch AD ta đưa số thứ tự kênh cần chọn ra bus dữ liệu còn địa chỉ của chốt dữ liệu cho AD được giải mã qua 74LS138 .Số thứ tự kênh tương ứng được chốt ở đầu ra của 74LS373 Để xuất dữ liệu ra D/A phải thông qua vi mạch đệm tín hiệu 74LS245 .Trong bản đồ án dùng card để thu thập tín hiệu từ nhiệt kế điện trở đo nhiệt độ gió nóng và đưa tín hiệu ra để điều khiển điện áp vào lò nên chỉ cần dùng một kênh đầu vào và một địa chỉ để xuất tín hiệu ra. Chương 2 Tổng quan về lý thuyết điều khiển tự động và thuật toán điều khiển mờ 2.1 lý thuyết điều khiển tự động 2.1.1 Đặt vấn đề ẹieàu khieồn tửù ủoọng ủoựng vai troứ quan troùng trong sửù phaựt trieồn cuỷa khoa hoùc vaứ kyừ thuaọt. Lúnh vửùc naứy hửừu hieọu khaộp nụi tửứ heọ thoỏng phi thuyeàn khoõng gian, heọ thoỏng ủieàu khieồn teõn lửỷa, maựy bay khoõng ngửụứi laựi, ngửụứi maựy, tay maựy trong caực quy trỡnh saỷn xuaỏt hieọn ủaùi, vaứ ngay caỷ trong ủụứi soỏng haứng ngaứy: ủieàu khieồn nhieọt ủoọ, ủoọ aồm... Phaựt minh ủaàu tieõn khụỷi ủaàu cho vieọc phaựt trieồn cuỷa lúng vửùc ủieàu khieồn tửù ủoọng laứ boọ ủieàu toỏc ly taõm ủeồ ủieàu chổnh nhieọt ủoọ maựy hụi nửụực cuỷa Jame Watt naờm 1874. Caực coõng trỡnh ủaựng chuự yự trong bửụực ủaàu phaựt trieồn lyự thuyeỏt ủieàu khieồn laứ cuỷa caực nhaứ khoa hoùc Minorsky, Hazen, Nyquist...naờm 1922. Minorky thửùc hieọn heọ thoỏng ủieàu khieồn tửù ủoọng caực con taứu vaứ chửựng minh tớnh oồn ủũnh cuỷa heọ thoỏng coự theồ ủửụùc xaực ủũnh tửứ phửụng trỡnh vi phaõn moõ taỷ heọ thoỏng. Naờm 1932, Nyquist ủaừ ủửa ra moọt nguyeõn taộc tửụng ủoỏi ủụn giaỷn ủeồ xaực ủũnh tớnh oồn ủũnh cuỷa heọ thoỏng voứng kỡn dửùa treõn cụ sụỷ ủaựp ửựng voứng hụỷ ủoỏi vụựi caực tớnh hieọu vaứo hỡnh sin ụỷ traùng thaựi xaực laọp. Naờm 1934, Hazen ủaừ giụựi thieọu thuaọt ngửừ ủieàu chổnh cụ tửù ủoọng (servo mechanism) cho nhửừng heọ thoỏng ủieàu khieồn ủũnh vũ vaõaứ thaỷo luaọn ủeỏn vieọc thieỏt keỏ heọ thoỏng relay ủieàu chổnh ủoọng cụ vụựi ngoừ vaứo tớn hieọu thay ủoồi. Trong suoỏt thaọp nieõn 40 cuỷa theỏ kyỷ 20 phửụng phaựp ủaựp ửựng taàn soỏ ủaừ giuựp cjo caực kyừ sử thieỏt keỏ caực heọ thoỏng voứng kớn tuyeỏn tớnh thoỷa caực yeõu caàu chaỏt lửụùng ủieàu khieồn. Tửứ cuoỏi thaọp nieõn 40 cho ủeỏn ủaàu thaọp nieõn 50 phửụng phaựp quyừ ủaùo nghieọm cuỷa Evan ủửụùc phaựt trieồn khaự toaứn veùn. Phửụng phaựp quyừ ủaùo nghieọm vaứ ủaựp ửựng taàn soỏ ủửụùc xem laứ coỏt loừi cuỷa lyự thuyeỏt ủieàu khieồn coồ ủieồn cho pheựp ta thieỏt keỏ ủửụùc nhửừng heọ thoỏng oồn ủũnh vaứ thoỷa caực chổ tieõu chaỏt lửụùng ủieàu khieồn. Nhửừng heọ thoỏng naứy ủửụùc chaỏp nhaọn nhửng chửa phaỷi laứ toỏi ửu, hoaứn thieọn nhaỏt. Cho tụựi cuoỏi thaọp nieõn 50 cuỷa theỏ kyỷ 20 vieọc thieỏt keỏ moọt hay nhieàu heọ thoỏng daàn daàn ủửụùc chuyeồn qua vieọc thieỏt keỏ moọt heọ thoỏng toỏi ửu vụựi yự nghúa ủaày ủuỷ hụn. Khi caực maựy moực hieọn ủaùi ngaứy caứng phửực taùp hụn vụựi nhioeàu tớn hieọu vaứo vaứ ra thỡ vieọc moõ taỷ heọ thoỏng ủieàu khieồn hieọn ủaùi naứy ủoứi hoỷi moọt lửụùng raỏt lụựn caực phửụng trỡnh. Lyự thuyeỏt ủieàu khieồn coồ ủieồn lieõn quan caực heọ thoỏng moọt ngoừ vaứo vaứ moọt ngoừ ra trụỷ neõn baỏt lửùc ủeồ phaõn tớch caực heọ thoỏng nhieàu ủaàu vaứo, nhieàu ủaàu ra. Keồ tửứ khoaỷng naờm 1960 trụỷ ủi nhụứ maựy tớnh soỏcho pheựp ta phaõn tớch caực heọ thoỏng phửực taùp trong mieàn thụứi gian, lyự thuyeỏt ủieàu khieồn hieọn ủaùi phaựt trieồn ủeồ ủoỏi phoự vụựi sửù phửực taùp cuỷa caực heọ thoỏng hieọn ủaùi. Lyự thuyeỏt ủieàu khieồn hieọn ủaùi dửùa treõn phaõn tớch trong mieàn thụựi gian vaứ toồng hụùp duứng caực bieỏn traùng thaựi, cho pheựp giaỷi caực baứi toaựn ủieàu khieồn coự caực yeõu caàu chaởt cheừ veà ủoọ chớnh xaực, troùng lửụùng vaứ giaự thaứnh cuỷa caực heọ thoỏng trong lúnh vửùc kyừ ngheọ khoõng gian vaứ quaõn sửù. Sửù phaựt trieồn gaàn ủaõy cuỷa lyự thuyeỏt ủieàu khieồn hieọn ủaùi laứ trong nhieàu lúnh vửùc ủieồu khieồn toỏi ửu cuỷa caực heọ thoỏng ngaóu nhieõn vaứ tieàn ủũnh. Hieọn nay maựy vi tớnh ngaứy caứng reừ, goùn nhửng khaỷ naờng xửỷ lyự laùi raỏt maùnh neõn noự ủửụùc duứng nhử laứ moọt phaàn tửỷ trong caực heọ thoỏng ủieàu khieồn. Nhửừng aựp duùng gaàn ủaõy cuỷa lyự thuyeỏt ủieàu khieồn hieọn ủaùi vaứo ngay caỷ nhửừng ngaứnh kyừ thuaọt nhử: sinh hoùc, y hoùc, kinh teỏ, kinh teỏ xaừ hoọi. 2.1.2 những khái niệm cơ bản 2.1.2.1. ẹieàu khieồn hoùc (Cybernctics): Laứ khoa hoùc nghieõn cửựu nhửừng quaự trỡnh ủieàu khieồn vaứ truyeàn thoõng maựy moực, sinh vaọt vaứ kinh teỏ. ẹieàu khieồn hoùc mang ủaởc trửng toồng quaựt vaứ ủửụùc phaõn chia thaứnh nhieàu lúnh vửùc khaực nhau nhử: toaựn ủieàu khieồn, ủieàu khieón hoùc kyừ thuaọt, ủieàu khieồn hoùc sinh vaọt (phoỷng sinh vaọt: bionics), ủieàu khieồn hoùc kinh teỏ. 2.1.2.2. Lyự thuyeỏt ủieàu khieồn tửù ủoọng: Laứ cụ sụỷ lyự thuyeỏt cuỷa ủieàu khieồn hoùc kyừ thuaọt. ẹieàu khieồn tửù ủoọng laứ thuaọt ngửừ chổ quaự trỡnh ủieàu khieồn moọt ủoỏi tửụùng trong kyừ thuaọt maứ khoõng coự sửù tham gia cuỷa con ngửụứi (automatic) noự ngửụùc laùi vụựi quaự trỡnh ủieàu khieồn baống tay (manual). 2.1.2.3. Heọ thoỏng ủieàu khieồn tửù ủoọng: Moọt heọ thoỏng ủieàu khieồn tửù ủoọng bao goàm 3 phaàn chuỷ yeỏu: Thieỏt bũ ủieàu khieồn (TBẹK). ẹoỏi tửụùng ủieàu khieồn (ẹTẹK). N C TBẹK ẹTẹK TBẹL F R Thieỏt bũ ủo lửụứng. Hỡnh 1.1 laứ sụ ủoà khoỏi cuỷa heọ thoỏng ủieàu khieồn tửù ủoọng. Hỡnh 1.1 Trong ủoự: C: tớn hieọu caàn ủieàu khieồn, thửụứng goùi laứ tớn hieọu ra (output). U: tớn hieọu ủieàu khieồn. R: tớn hieọu chuỷ ủaùo, chuaồn, tham chieỏu (reference) thửụứng goùi laứ tớn hieọu vaứo (input). N: tớn hieọu nhieóu taực ủoọng tửứ beõn ngoaứi vaứo heọ thoỏng. F: tớn hieọu hoài tieỏp, phaỷn hoài (feedback). 2.1.2.4. Heọ thoỏng ủieàu khieồn kớn (closed loop control system): Laứ heọ htoỏng ủieàu khieồn coự phaỷn hoài (feeback) nghúa laứ tớn hieọu ra ủửụùc ủo lửụứng vaứ ủửa veà thieỏt bũ ủieàu khieồn. Tớn hieọu hoài tieỏp phoỏi hụùp vụựi tớn hieọu vaứo ủeồ taùo ra tớn hieọu ủieàu khieồn. Hỡnh 1.1 chớnh laứ sụ ủoà cuỷa heọ thoỏng kớn. Cụ sụỷ lyự thuyeỏt ủeồ nghieõn cửựu heọ thoỏng kớn chớnh laứ lyự thuyeỏt ủieàu khieồn tửù ủoọng. 2.1.2.5. Heọ thoỏng ủieàu khieồn hụỷ: ẹoỏi vụựi heọ thoỏng hụỷ, khaõu ủo lửụứng khoõng ủửụùc duứng ủeỏn. Moùi sửù thay ủoồi cuỷa tớn hieọu ra khoõng ủửụùc phaỷn hoài veà thieỏt bũ ủieàu khieồn. Sụ ủoà hỡnh 1.2 laứ heọ thoỏng ủieàu khieồn hụỷ. R TBẹK ẹTẹK U C Hỡnh 1.2: Heọ thoỏng ủieàu khieồn hụỷ Cụ sụỷ lyự thuyeỏt ủeồ nghieõn cửựu heọ thoỏng hụỷ laứ lyự thuyeỏt veà relay vaứ lyự thuyeỏt oõtoõmaựt hửừu haùn. 2.1.3. phân loại hệ thống điều khiển tự động Heọ thoỏng ủieàu khieồn coự theồ phaõn loaùi baống nhieàu caựch khaực nhau. Sau ủaõy laứ moọt soỏ phửụng phaựp phaõn loaùi: 2.1.3.1. Heọ tuyeỏn tớnh vaứ phi tuyeỏn: Coự theồ noựi haàu heỏt caực heọ thoỏng vaọt lyự ủeàu laứ heọ phi tuyeỏn, coự nghúa laứ trong heọ thoỏng coự ớt nhaỏt moọt phaàn tửỷ laứ phaàn tửỷ phi tuyeỏn (quan heọ vaứo ra laứ quan heọ phi tuyeỏn). Tuy nhieõn, neỏu phaùm vi thay ủoồi cuỷa caực bieỏn heọ thoỏng khoõng lụựn, heọ thoỏng coự theồ ủửụùc tuyeỏn tớnh hoựa trong phaùm vi bieỏn thieõn cuỷa caực bieỏn tửụng ủoỏi nhoỷ. ẹoỏi vụựi heọ tuyeỏn tớnh, phửụng phaựp xeỏp choàng coự theồ ủửụùc aựp duùng. 2.13.2. Heọ baỏt bieỏn vaứ bieỏn thieõn theo thụứi gian: Heọ baỏt bieỏn theo thụứi gian (heọ dửứng) laứ heọ thoỏng coự caực tham soỏ khoõng ủoồi (theo thụứi gian). ẹaựp ửựng cuỷa caực heọ naứy khoõng phuù thuoọc vaứo thụứi ủieồm maứ tớn hieọu vaứo ủửụùc ủaởt vaứo heọ thoỏng ủieàu khieồn phi thuyeàn khoõng gian, vụựi khoỏi lửụùng giaỷm theo thụứi gian do tieõu thuù naờng lửụùng trong khi bay. 2.1.3.3. Heọ lieõn tuùc vaứ giaựn ủoaùn theo thụứi gian: Trong heọ lieõn tuùc theo thỡi gian, taỏt caỷ caực bieỏn laứ haứm lieõn tuùc theo thụứi gian. Coõng cuù phaõn tớch heọ thoỏng lieõn tuùc laứ pheựp bieỏn ủoồi Laplace hay Fourier. Tronh khi ủoự, heọ giaựn ủoaùn laứ heọ thoỏng coự ớt nhaỏt moọt tớn hieọu laứ haứm giaựn ủoaùn theo thụứi gian. Ngửụứi ta phaõn bieọt heọ thoỏng giaựn ủoaùn goàm: c(t) H G(p) F(p) e(t) r(t) (-) ẹoỏi tửụùng ủieàu khieồn - Heọ thoỏng xung: laứ heọ thoỏng maứ trong ủoự coự moọt phaàn tửỷ xung (khoựa ủoựng ngaột) hay laứ tớn hieọu ủửụùc laỏy maóu (sample) vaứ giửừ (hold). (Hỡnh 1.3) Hỡnh 1.3: Heọ thoỏng ủieàu khieồn xung. - Heọ thoỏng soỏ: laứ heọ thoỏng giaựn ủoaùn trong ủoự tớn hieọu ủửụùc maừ hoựa thanh logic 1, 0. ẹoự laứ caực heọ thoỏng coự caực khaõu bieỏn ủoồi tửụng tửù / soỏ (A/D), soỏ/ tửụng tửù (D/A) vaứ ủeồ keỏt noỏi keỏt noỏi tớn hieọu vụựi maựy tớnh soỏ. (Hỡnh 1.4) MTS G(p) c(t) G(p) D/A ẹoỏi tửụùng ủieàu khieồn Ngaừ vaứo daùng soỏ Hỡnh 1.4: Heọ thoỏng ủieàu khieồn soỏ Coõng cuù ủeồ phaõn tớch heọ thoỏng giaựn ủoaùn laứ pheựp bieỏn ủoồi Laplace, Fourier giaựn ủoaùn hay pheựp bieỏn ủoồi Z. 2.1.3.4. Heọ ủụn bieỏn vaứ ủa bieỏn: Heọ ủụn bieỏn laứ heọ chổ coự moọt ngoừ vaứo vaứ moọt ngoừ ra. Coõng cuù ủeồ phaõn tớch vaứ toồng hụùp heọ ủụn bieỏn laứ lyự thuyeỏt ủieàu khieồn coồ ủieồn. Vớ duù: heọ ủieàu khieồn ủũnh vũ (vũ trớ). Heọ ủa bieỏn laứ heọ coự nhieàu ngoừ vaứo vaứ nhieàu ngoừ ra. Coõng cuù ủeồ phaõn tớch vaứ toồng hụùp heọ ủa bieỏn laứ lyự thuyeàt ủieàu khieồn hieọn ủaùi dửùa treõn cụ sụỷ bieồu dieón heọ trong khoõng gian traùng thaựi. Vớ duù: heọ ủieàu khieồn quaự trỡnh (Process Control System) coự theồ goàm coự ủieàu khieồn nhieọt ủoọ vaứ aựp suaỏt. 2.1.3.5. Heọ thoỏng thớch nghi vaứ heọ thoỏng khoõng thớch nghi: Heọ thoỏng thớch nghi laứ heọ htoỏng hoaùt ủoọng theo nguyeõn taộc tửù chổnh ủũnh, trong ủoự heọ thoỏng tửù phaựt hieọn nhửừng thay ủoồi cuỷa caực tham soỏ do aỷnh hửụỷng cuỷa moõi trửụứng beõn ngoaứi vaứ thửùc hieọn vieọc ủieàu chổnh tham soỏ ủeồ ủaùt ủửụùc chổ tieõu toỏi ửu ủửụùc ủeà ra. 2.1.3.6. Heọ xaực ủũnh (deterministic) vaứ heọ ngaóu nhieõn (stochastic): Moọt heọ thoỏng ủieàu khieồn laứ xaực ủũnh khi ủaựp ửựng ủoỏi vụựi moọt ngoừ vaứo nhaỏt ủũnh coự theồ ủửụùc bieỏt trửụực (predictable) vaứ coự theồ laởp laùi ủửụùc (repeatable). Neỏu khoõng thoỷa maừn 2 ủieàu kieọn treõn, heọ thoỏng ủieàu khieồn laứ ngaóu nhieõn. 2.1.4 nhiệm vụ của lý thuyết điều khiển tự động ẹeồ khaỷo saựt vaứ thieỏt keỏ moọt heọ thoỏng ủieàu khieồn tửù ủoọng ngửụứi ta thửùc hieọn caực bửụực sau: a) Dửùa treõn caực yeõu caàu thửùc tieón, caực moõ hỡnh vaọt lyự ta xaõy dửùng moõ hỡnh toaựn hoùc dửùa treõn caực quy luaọt, hieọn tửụùng, quan heọ cuỷa caực ủoỏi tửụùng vaọt lyự. Moõ hỡnh toaựn hoùc cuỷa heọ thoỏng ủửụùc xaõy dửùng tửứ caực moõ hỡnh toaựn hoùc cuỷa caực phaàn tửỷ rieõng leỷ. b) Dửùa treõn lyự thuyeỏt oồn ủũnh, ta khaỷo saựt tớnh oồn ủũnh cuỷa heọ thoỏng. Neỏu heọ thoỏng khoõng oồn ủũnh ta thay ủoồi ủaởc tớnh cuỷa heọ thoỏng baống caựch ủửa vaứo moọt khaõu boồ chớnh (compensation) hay thay ủoồi thay ủoồi tham soỏ cuỷa heọ ủeồ heọ thaứnh oồn ủũnh. c) Khaỷo saựt chaỏt lửụùng cuỷa heọ theo caực chổ tieõu ủeà ra ban ủaàu. Neỏu heọ khoõng ủaùt chổ tieõu chaỏt lửụùng ban ủaàu, ta thửùc hieọn boồ chớnh heọ thoỏng. d) Moõ phoỷng heọ thoỏng treõn maựy tớnh ủeồ kieồm tra laùi thieỏt keỏ. e) Thửùc hieọn moõ hỡnh maóu (prototype) vaứ kieồm tra thieỏt keỏ baống thửùc nghieọm. f) Tinh chổnh laùi thieỏt keỏ ủeồ toỏi ửu hoựa chổ tieõu chaỏt lửụùng vaứ haù thaỏp giaự thaứnh neàu coự yeõu caàu. g) Xaõy dửùng heọ thoỏng thửùc teỏ. 2.1.5. Lyự thuyeỏt PID veà ủieàu khieồn heọ thoỏng voứng kớn : Boọ ủieàu khieồn PID ( goàm caực khaõu I (integrative:tớch phaõn), P(proportional: tổ leọ), D(derivative: vi phaõn) thửụứng duứng trong caực heọ thoỏng ủieàu khieồn voứng kớn nhaốm giaỷm voùt loỏ, thụứi gian xaực laọp hoaởc sai soỏ tuứy theo yeõu caàu caàu cuỷa tửứng ủoỏi tửụùng. 2.1.5.1 Chửực naờng cuù theồ cuỷa caực thaứnh phaàn trong PID: 2.1.5.1.1 Khaõu hieọu chổnh khueỏch ủaùi tổ leọ(P): ẹửụùc ủửa vaứo heọ thoỏng nhaốm giaỷm sai soỏ xaực laọp, vụựi ủaàu vaứo thay ủoồi theo haứm naỏc seừ gaõy voùt loỏ cao do ủoự vũ trớ seừ khoõng ủuựng theo yeõu caàu. ẹaõy laứ boọ ủieàu khieồn maứ bieỏn ủaởt tổ leọ vụựi ủoọ leọch tửứ ủieồm ủaởt beõn trong daừy tổ leọ cho phaùm vi vũ trớ ủaởt. Khi vũ trớ hieọn taùi thaỏp hụn mửực giụựi haùn thaỏp nhaỏt cuỷa daừy tổ leọ, bieỏn ủaởt vaứo laứ 100%. Khi vũ trớ beõn trong daừy tổ leọ, bieỏn ủaởt giaỷm daàn tổ leọ vụựi ủoọ leọch vaứ giaỷm 50%. Khi vũ trớ hieọn taùi baống vụựi ủieồm ủaởt vaứ khoõng coự ủoọ leọch thỡ khaõu P cho pheựp ủieàu khieồn vũ trớ phaỳng vụựi nhaỏp nhoõ nhoỷ hụn ủieàu khieồn ON – OFF ( ủieàu khieồn ủoựng ngaột). Hỡnh 6.9 Sụ ủoà hieọu chổnh khaõu P ẹieàu khieồn chia tổ leọ thụứi gian : ủoỏi vụựi caực ngoừ ra dang xung ụỷ traùng thaựi ON – OFF coự theồ duứng thieỏt bũ ngoừ ra cuỷa boọ ủieàu khieồn vũ trớ. Nhửừng ngoừ ra naứy goàm : relay output, SSR output (Solid state relay output ) vaứ voltage output. Neỏu nhử thieỏt bũ naứy duứng ủeồ laởp traùng thaựi ON – OFF trong daừi tổ leọ ụỷ chu kyứ nhử hỡnh 6.10 thỡ thụứi gian Ton ụỷ ngoừ ra tổ leọ vụựi ủoọ leọch. Hỡnh 6.10 : Chu kyứ tổ leọ Tổ soỏ tửứ luực on ủeỏn luực Off laứ 1:ử vaứ bieỏn laứ 50% khi chu kyứ relay ngoừ ra laứ tửứ On ủeỏn Off vụựi vũ trớ ủieàu khieồn baống ủieồm ủaởt. Moọt cho kyứ ngoừ ra tửứ luực On ủeỏn luực Off goùi laứ chu kyứ tổ leọ(proportional period) vaứ hoaùt ủoọng ủieàu khieồn theo chu kyứ tổ leọ ủửụùc goùi laứ hoaùt ủoọng chia tổ leọ thụứi gian . 2.1.5.1.2 Khaõu ủieàu khieồn tớch phaõn I : Khaõu I hay khaõu tớch phaõn giuựp giửừ cho heọ thoỏng sau khi ủaừ xaực laọp ủaù trang thaựi beàn. Sử sai leọch hay sa soỏ giửừa vũ trớ ủaởt vaứ vũ trớ hieọn taùi ủửụùc giaỷm xuoỏng vaứ coự theồ loaùi boỷ hoaứn toaứn vụựi khaõu ủieàu khieồn tớch phaõn. Hỡnh 6.11 : Hoaùt ủoọng cuỷa khaõu I Nhửụùc ủieồm cuỷa khaõu I laứ khi ủửa noự vaứo maùch seừ laứm taờng voùt loỏ cuỷa heọ thoỏng. 2.1.5.1.3 Khaõu ủieàu khieồn vi phaõn (D): Taực duùng cuỷa khaõu D laứ khi ủửa vaứo heọ thoỏng noự seừ laứm giaỷm ủoọ voùt loỏ nhửng ủoàng thụứi keựo daứi thụứi gian xaực laọp. Khaõu naứy ủửụùc ủoứi hoỷi phaỷi buứ ủuựng vụựi bieỏn ủaởt tổ leọ, mửực nghieõng cuỷa ủoọ leọch ủửụùc chổ ra ụỷ hỡnh sau Hỡnh 6.12 : Hoaùt ủoọng cuỷa khaõu D Tổ soỏ thụứi gian( rate time) : Tổ soỏ thụứi gian laứ soỏ bieồu dieón ủoọ daứi cuỷa quaự trỡnh hoaùt ủoọng. ẹaõy laứ thụứi gian ủoứi hoỷi bieỏn ủaởt cuỷa tổ soỏ hoaùt ủoọng ủaùt ủửụùc gioỏng nhử bieỏn ủaởt trong hoaùt ủoọng hieọu chổnh khi xaỷy ra thay ủoồi ủoọ doỏc trong ủoọ leọch nhử hỡnh 2-13. Tuứy theo tổ soỏ thụứi gian daứi hụn, vi phaõn linh hoaùt hụn. Hỡnh 6.13 : Tổ soỏ thụứi gian hieọu chổnh PD 2.1.5.1.4 Khaõu ủieàu khieồn tớch phaõn tổ leọ (PI) : Khieỏn heọ trụỷ thaứnh heọ voõ sai.Muoỏn taờng ủoọ chớnh xaực cuỷa heõ thoỏng ta phaỷi taờng heọ soỏ khueựch ủaùi. Song ủoỏi vụựi heọ thoỏng thửùc bũ haùn cheỏ thỡ khaõu PI laứ baột buoọc. 2.2 Thuật toán điều khiển mờ 2.2.1 Khái niệm Điều khiển mờ là thuật toán điều khiển dựa trên điều khiển logic mờ, hiện đang có vai trò quan trọng trong điều khiển hiện đại, vì nó đảm bảo tính khả thi của hệ thống rất cao, đồng thời lại thực hiện tốt các chỉ tiêu kỹ thuật của hệ như đọ tác động nhanh, tính bề vững và ổn định tốt, dễ dàng thiết kế và thay đổi…Hệ điều khiển mờ sử dụng được “các kinh nghiệm vận hành đối tượng và các xử lý điều khiển của chuyên gia” trong thuật toán điều khiển, do vậy hệ điều khiển mờ tiến gần với tư duy điều khiển của con người. 2.2.2 Sơ đồ khối của hệ điều khiển mờ Về mặt nguyên lý điều khiển mờ cũng gồm các khối chức năng tương tự như các hệ điều khiển truyền thống, điểm sai khác duy nhất ở đây là sử dụng bộ điều khiển mờ Sơ đồ khối của bộ điều khiểm mờ Gồm 4 khối: Khối mờ hoá, khối hợp thành, khối luật mờ và khối giảI mờ -Khối mờ hoá có nhiệm vụ biến đổi các giá trị rõ ở đầu vào thành một miền giá trị mờ với hàm liên thuộc đã chọn ứng với biến ngôn ngữ đầu vào đã được định nghĩa. -Khối hợp thành dùng để biến đổi các giá trị mờ hoá của biến ngôn ngữ đầu vào thành các giá trị mờ của các biến ngôn ngữ đầu ra theo các luật hợp thành nào đó. -Khối luật mờ (suy luận mờ) bao gồm tập các luật “nếu…thì” dựa vào các luật mờ cơ sở được người thiết kế viết ra cho thích hợp với từng biến và giá trị của các biến ngôn ngữ theo quan hệ mờ vào/ra. Khối luật mờ và khối hợp thành là phần cốt lõi của bộ điều khiển mờ vì nó có khả năng mô phỏng những suy đoán của con người. -Khối giải mờ biến đổi các giá trị mờ đầu ra thành các giá trị rõ để điều khiểm đối tượng. Một bộ điều khiểm mờ chỉ gồm các khối như vậy được gọi là bộ điều khiển mờ cơ bản. Để mở rộng ứng dụng cho các bài toán điều khiển người ta thường bổ sung thêm các bộ điều khiển mờ cơ bản như các khâu tích phân, đạo hàm .2.2.3. Nhửừng khaựi nieọm cụ baỷn 2..2.3.1. Taọp mụứ Taọp mụứ A laứ 1 taọp hụùp maứ moói phaàn tửỷ ủửụùc gaựn theõm 1 soỏ thửùc à(x) trong khoaỷng [0,1] ủeồ chổ ủoọ phuù thuoọc cuỷa phaàn tửỷ ủoự vaứo taọp ủaừ cho. Khi à(x)=0, phaàn tửỷ x seừ hoaứn toaứn khoõng phuù thuoọc A (xaực suaỏt phuù thuoọc baống 0). Khi à(x)=1, phaàn tửỷ cụ baỷn seừ thuoọc A vụựi xaực suaỏt 100%. Phaàn tửỷ x ủửụùc goùi laứ phaàn tửỷ cụ baỷn vaứ taọp kinh ủieồn chổ chửựa rieõng x (khoõng coự ủoọ phuù thuoọc à(x) coự teõn laứ taọp neàn cuỷa taọp mụứ A. Nhử vaọy, taọp mụứ laứ taọp hụùp caực caởp (x, à(x)). Khi x chaùy treõn khaộp taọp neàn thỡ à(x) seừ laứ 1 haứm thửùc vaứ ủửụùc goùi laứ haứm thuoọc. Caực daùng haứm thuoọc thửụứng duứng laứ: - Haứm Singleton - Haứm hỡnh tam giaực - Haứm hỡnh thang à(x) à(x) à(x) 1 1 1 m1 x m1 m2 m3 x m1 m2 m3 m4 x Singleton Tam giaực Hỡnh thang Hỡnh5.2 : Nhửừng daùng haứm thuoọc thửụứng duứng .2.2.3.2 Pheựp tớnh treõn taọp mụứ a- Pheựp hụùp hai taọp mụứ Hụùp AB cuỷa 2 taọp mụứ A vaứ B ủửụùc hieồu laứ 1 taọp mụứ goàm caực phaàn tửỷ cuỷa 2 taọp A, B ủaừ cho, trong ủoự haứm thuoọc àAB cuỷa phaàn tửỷ AB khoõng ủửụùc maõu thuaón vụựi pheựp hụùp cuỷa 2 taọp kinh ủieồn. Vớ duù: àAB (x) = max àA(x) , àB(x) Luaọt max (0a) àAB (x) = min 1, àA(x)+ àB(x) Luaọt toồng (0b) A B AB b- Pheựp giao hai taọp mụứ Giao AB cuỷa 2 taọp mụứ A vaứ B ủửụùc hieồu laứ 1 taọp mụứ goàm caực phaàn tửỷ cuỷa 2 taọp A, B ủaừ cho, trong ủoự haứm thuoọc àAB cuỷa phaàn tửỷ AB khoõng ủửụùc maõu thuaón vụựi pheựp giao cuỷa 2 taọp kinh ủieồn. Vớ duù: àAB(x) = min àA(x) , àB(x) Luaọt min àAB(x) = àA(x)àB(x) Luaọt tớch A B AB .2.2.3.3. Meọnh ủeà hụùp thaứnh Meọnh ủeà hụùp thaứnh R: “Neỏu a=A thỡ b=B” laứ pheựp suy dieón mụứ “tửứ A suy ra B”, trong ủoự taọp mụứ A vụựi haứm thuoọc àA(x) laứ 1 giaự trũ cuỷa bieỏn ngoõn ngửừ ủaàu vaứo a vaứ taọp mụứ b vụựi haứm thuoọc àB(y) cuừng laứ 1 giaự trũ cuỷa bieỏn ngoõn ngửừ ủaàu ra b. do meọnh ủeà hụùp thaứnh naứy coự 1 bieỏn ủaàu vaứo a vaứ 1bieỏn ủaàu ra b neõn noự ủửụùc goùi laứ meọnh ủeà SISO hay pheựp suy dieón SISO (single input-single output). Khi cho trửụực 1 giaự trũ roừ cuù theồ xo , tớnh ủuựng ủaộn cuỷa pheựp suy dieón treõn seừ ủửụùc ủaựnh giaự bụỷi 1 taọp mụứ B’ cuứng neàn vụựi B. Noựi caựch khaực keỏt quaỷ cuỷa pheựp suy dieón ửựng vụựi xo taùi ủaàu vaứo laứ 1 taọp mụứ B’. Haứm thuoọc cuỷa B’ ủửụùc kyự hieọu baống àB’(y). Hai coõng thửực thửụứng ủửụùc duứng trong ủieàu khieồn laứ : àB’(y)= min àA(xo) , àB(y) Luaọt min àB’(y)= àA(xo). àB(y) Luaọt tớch Trong ủoự giaự trũ H=àA(xo) ủửụùc goùi laứ ủoọ thoaỷ maừn ủaàu vaứo. ẹeồ ngaộn goùn ta seừ vieỏt pheựp suy dieón”Neỏu a=A thỡ b=B” vụựi giaự trũ roừ xo laứ HàB’(y). 2.1.2.1.4. Luaọt hụùp thaứnh Luaọt hụùp thaứnh laứ taọp hụùp cuỷa nhieàu meọnh ủeà hụùp thaứnh cuứng caỏu truực R1: Neỏu a1=A11 vaứ a2=A12 thỡ b=B1 hoaởc R2: Neỏu a1=A21 vaứ a2=A22 thỡ b=B2 hoaởc (*) Rn: Neỏu a1=An1 vaứ a2=An2 thỡ b=Bn Trong ủoự Aij laứ caực giaự trũ ngoõn ngửừ ( taọp mụứ) cuỷa bieỏn ngoõn ngửừ aj vaứ Bi laứ nhửừng giaự trũ ngoõn ngửừ cuỷa b, i=1,2,…,m; j=1,2,…,n. ễÛ nay coự nhieàu meọnh ủeà hụùp thaứnh daùng Rk , k=1,2,..,n coự nhieàu bieỏn ngoõn ngửừ ủaàu vaứo aj, j=1,2,…,n neõn noự coứn ủửụùc goùi laứ meọnh ủeà hụùp thaứnh SISO (single inputs, single output). Moói 1 thuaọt toaựn nhử vaọy coự teõn laứ ủoọng cụ suy dieón. Coự 4 ủoọng cụ suy dieón thửụứng duứng laứ: 1) ẹoọng cụ suy dieón max-MIN, neỏu (0a) ủửụùc sửỷ duùng cho pheựp hụùp mụứ, (1a) cho pheựp suy dieón mụứ. 2) ẹoọng cụ suy dieón max-PROD, neỏu (0a) ủửụùc sửỷ duùng cho pheựp hụùp mụứ, (1b) cho pheựp suy dieón mụứ. 3) ẹoọng cụ suy dieón sum-MIN, neỏu (0b) ủửụùc sửỷ duùng cho pheựp hụùp mụứ, (1a) cho pheựp suy dieón mụứ. 4) ẹoọng cụ suy dieón sum-PROD, neỏu (0b) ủửụùc sửỷ duùng cho pheựp hụùp mụứ, (1b) cho pheựp suy dieón mụứ. Coõng suaỏt xo Coõng suaỏt Taọp mụứ keỏt quaỷ giaỷm taờng giaỷm taờng thaỏp cao thaỏp cao Nhieọt ủoọ xo Neỏu nhieọt ủoọ= thaỏp thỡ coõng suaỏt= taờng Neỏu nhieọt ủoọ= cao thỡ coõng suaỏt= giaỷm ễÛ treõn laứ vớ duù veà caựch xaực ủũnh giaự trũ mụứ cuỷa luaọt hụùp thaứnh SISO, moõ phoỷng kinh nghieọm giửừ oồn ủũnh nhieọt ủoọ cuỷa loứ nhieọt, goàm 2 meọnh ủeà hụùp thaứnh SISO (1 bieỏn vaứo vaứ 1 bieỏn ra) ửựng vụựi giaự trũ roừ xo taùi ủaàu vaứo khi ủoọng cụ suy dieón ủửụùc aựp duùng laứ max-MIN. .2,2.3.4. Giaỷi mụứ Giaỷi mụứ coự nhieọm vuù chuyeồn ủoồi 1 taọp mụứ B’ vụựi haứm thuoọc àB’(y) thaứnh 1 gớa trũ roừ yo baống caựch laỏy 1 phaàn tửỷ cụ baỷn cuỷa taọp neàn laứm ủaùi dieọn. Coự nhieàu phửụng phaựp laỏy 1 phaàn tửỷ ủaùi dieọn nhử: Phửụng phaựp giaự trũ cửùc ủaùi beõn phaỷi Phửụng phaựp giaự trũ cửùc ủaùi beõn phaỷi Phửụng phaựp giaự trũ trung bỡnh Song, trong thửùc teỏ ủieàu khieồn, phửụng phaựp thửụứng ủửụùc sửỷ duùng laứ phửụng phaựp ủieồm troùng taõm nhử hỡnh veừ : àB’(y) s yo y yo= Giaự trũ roừ yo chớnh laứ hoaứnh ủoọ cuỷa ủieồm troùng taõm cuỷa taọp mụứ B’. 2.2.3.5 Caực bửụực toồng hụùp boọ ủieàu khieồn mụứ -ẹũnh nghúa taỏt caỷ caực bieỏn ngoõn ngửừ vaứo/ra, -ẹũnh nghúa taọp mụứ (giaự trũ ngoõn ngửừ) cho caực bieỏn vaứo/ra, -xaõy dửùng caực luaọt hụùp thaứnh mụứ, -choùn ủoọng cụ suy dieón, -choùn phửụng phaựp giaỷi mụứ 2.2.4 Kết luận -Vieọc toồng hụùp boọ ủieàu khieồn mụứ ủụn giaỷn. Nhửừng boọ ủieàu khieồn phi tuyeỏn phửực taùp cuừng coự theồ ủửụùc toồng hụùp deó daứng baống boọ ủieàu khieồn mụứ. -Khoõng caàn xaực ủũnh moõ hỡnh toaựn hoùc cuỷa ủoỏi tửụùng neõn khoỏi lửụùng coõng vieọc thieỏt keỏ giaỷm ủi raỏt nhieàu -Boọ ủieàu khieồn mụứ deó hieồu, laứm vieọc oồn ủũnh, chaỏt lửụùng cao hụn caực boọ ủieàu khieồn khaực trong nhieàu trửụứng hụùp Chửụng 3 : Ứng dụng thuật toán điều khiển mờ điều chỉnh ổn định nhiệt gió nóng 3.1. xây dựng thuật toán điều khiển Chọn bộ điều khiển mờ theo luật PI + Bộ điều khiển PImờ cho đặc tính động học lý tưởng .ở chế độ tĩnh bộ điều khiển PI mờ có khả năng triệt tiêu sai lệch tĩnh . +Bộ điều khiển PI mờ được thiết kế trên cơ sở bộ điều khiển PD mờ bằng cách mắc nối tiếp ở đầu ra của bộ điều khiển PD mờ một khâu tích phân . các giá trị mờ cho biến vào ra ET,DETvà P như sau: Bước 1 : xác định các biến vào ra: a, xác định biến; - Đại lượng vào của bộ điều khiển mờ là sai lẹch ET giữa nhiệt độ cần dữ ổn định (tín hiêuj chủ đạo x=60oC)và nhiệt độ thực y (nhiệt độ đo được từ bộ cảm biến nhiệt độ của lò điện trở) - Sự biến đổi theo thời gian của sai lẹch (dET/dt) giữa x và tín hiệu ra của đối tượng(DET) - Công suất P là đối tượng điều khiển .Được điều khiển thông qua góc mở của bộ điều áp (T) .Sự thay đổi góc mở là biến ra của bộ điều khiển - Do lò điện trở có quán tính lớn (sự thay đổi nhiệt độ diễn ra chậm hơn sự thay đổi dòng cấp cho dây nung ) nên trong quá trình điều chỉnh phảI xét đến tốc độ biến đổinhiệt độ của lò . Ví dụ: nhiệt độ của lò đo được là 50oCnhưng nhiệt độ của lò đang tăng dần thì nó coá thể tự đạt được 60oC mà không cần giẩm góc mở để tăng dòng cấp cho dây nung Tóm lại: - Biến vào là: +Sai lệch ET giữa nhiệt độ của lò điện trở và nhiệt độ cần dữ ổn định +Tốc độ biến đổi DET của sai lệch - Biến ra là sự thay đổi góc mở b,Miền giá trị vật lý (cơ sở)của biến ngôn ngữ vào ra ET chọn trong khoảng -24oCđến 24oC DET chọntrong khoảng -3oC/s đến 3 Góc mở chọn trong khoảng 20o đến 100o c, Số lượng tập mờ Về nguyên tắc số lượng giá trị ngôn ngữ của biến vào/ ra nên chọ từ 3 đến 10 giá trị -ET chọn 7 giá trị S3 , S2,S1,ZE,B1.B2.B3. -DET chọn -góc mở Bước2, Xác định hàm liên thuộc -Cần chọn hàm liên thuộc có phần chồng lên nhau và phủ kín miền giá trị vật lý để trong quátrình điều khiển không xuất hiện lỗ hổng + hầm liên thuộc dạng hình thang với độ xếp chồng lên nhau rất nhỏ không phù hợp + hàm liên thuộc hình tam giác cân đảm bảo yêu cầu Vậy chọn hàm liên thuộc dạng hình thang cân Biến vào ET: ET Biến vào DET DET Biến ra Bước 3 Xây dựng các luật điều khiển (mệnh đề hợp thành) Sử dụng các luật nếu ….thì như sau: Nếu ET=S3 và DET=ZE thì =S3 Nếu ET=S2 và DET=ZE thì =S2 Nếu ET=S1 và DET=ZE thì =S1 Nếu ET=ZE và DET=ZE thì =ZE Nếu ET=B1 và DET=ZE thì =B1 Nếu ET=B2 và DET=ZE thì =B2 Nếu ET=B3 và DET=ZE thì =B3 Nếu ET=ZE và DET=S3 thì =S3 Nếu ET=ZE và DET=S2 thì =S2 Nếu ET=ZE và DET=S1 thì =S1 Nếu ET=ZE và DET=B1 thì =B1 Nếu ET=ZE và DET=B2 thì =B2 Nếu ET=ZE và DET=B3 thì =B3 Bảng các luật nếu .. thì dưới dạng ma trận DET \ ET S3 S2 S1 ZE B1 B2 B3 S3 S3 S2 S2 S1 S1 ZE S3 S2 S1 ZE B1 B2 B3 B1 B1 B2 B2 B3 B3 Bứơc 4: Quy tắc hợp thành và giải mờ Dựa vào việc lựa chọn các tập mờ đầu vào , đầu ra và các luật nếu .. thì ở trên ta chọn luật hợp thành Max – Min và giải mờ theo phương pháp trọng tâm Sau khi thiết lập được thuật toán của hệ thống điều chỉnh tự động nhiệt gió nóng em tiến hành mô phỏng hệ thống bằng phần mềmMATLAB ở phần sau. 3.2. Mô phỏng hệ thống bằng phần mền MATLAB a.. Giụựi thieọu chửụng trỡnh MATLAB: Chửụng trỡnh MATLAB laứ moọt chửụng trỡnh vieỏt cho maựy tớnh PC nhaốm hoó trụù cho caực tớnh toaựn khoa hoùc vaứ kú thuaọt vụựi caực phaàn tửỷ cụ baỷn laứ ma traọn treõn maựy tớnh caự nhaõn do coõng ty "The MATHWORKS" vieỏt ra. Thuaọt ngửừ MATLAB coự ủửụùc laứ do hai tửứ MATRIX vaứ LABORATORYgheựp laùi. Chửụng trỡnh naứy hieọn ủang ủửụùc sửỷ duùng nhieàu trong nghieõn cửựu caực vaỏn ủeà tớnh toaựn cuỷa caực baứi toaựn kú thuaọt nhử: Lyự thuyeỏt ủieàu khieồn tửù ủoọng, kú thuaọt thoỏng keõ xaực suaỏt, xửỷ lyự soỏ caực tớn hieọu, phaõn tớch dửừ lieọu, dửù baựo chuoồi quan saựt, v.v… MATLAB ủửụùc ủieàu khieồn bụỷi caực taọp leọnh, taực ủoọng qua baứn phớm. Noự cuừng cho pheựp moọt khaỷ naờng laọp trỡnh vụựi cuự phaựp thoõng dũch leọnh – coứn goùi laứ Script file. Caực leọnh hay boọ leọnh cuỷa MATLAB leõn ủeỏn soỏ haứng traờm vaứ ngaứy caứng ủửụùc mụỷ roọng bụỷi caực phaàn TOOLS BOX( thử vieọn trụù giuựp) hay thoõng qua caực haứm ửựng duùng ủửụùc xaõy dửùng tửứ ngửụứi sửỷ duùng. MATLAB coự hụn 25 TOOLS BOX ủeồ trụù giuựp cho vieọc khaỷo saựt nhửừng vaỏn ủeà coự lieõn quan treõn. TOOL BOX SIMULINK laứ phaàn mụỷ roọng cuỷa MATLAB, sửỷ duùng ủeồ moõ phoỷng caực heọ thoỏng ủoọng hoùc moọt caựch nhanh choựng vaứ tieọn lụùi. mô phỏng hệ thống em sử dụng phần mền FUZZY LOGIC TOOLBOX –MATLAB Bô điều khiển mờ được thiết kế trên cơ sở mô hình mờ Mamdani, đó là bộ điều khiển mờ MISO(multi inputs –single output) Sơ đồ mô phỏng hệ thống: Mô phỏng thuật toán điều khiển mờ ổn định nhiệt gió nóng trên phần mền MATLAB Sơ đồ thuật toán: Các biến ngôn ngữ của ET được mô tả Các biến ngôn ngữ của DET được mô tả: Các biến ngôn ngữ của góc mở được miêu tả: Các biến ngôn ngữ ET, DET, được miêu tả Các luật suy diễn mờ được miêu tả: Kết quả mô phỏng xác định góc mở bằng 60o khi ET=0 Và DET=0 Kết luận: Thông qua kết quả mô phỏng chúng ta xác định được góc mở ở từng thời điểm khác nhau. Qua đó cho thấy việc áp dụng lý thuyết điều khiển mờ để xác định công suất phù hợp cho lò nhiệt điện trở là hàm phụ thuộc của nhiều yếu tố song dể đơn giản hoá ở đây em bở qua ảnh hưởng của nhiễu, các yếu tố đều là phi tuyến là yếu tố mà các phương pháp điều khiển khác khó thực hiện . Mặt khác việc ứng dụng lý thuyết điều khiển mờ còn có thể thay đổi tham số dễ dàng , tính năng điều khiển cao. Tuy nhiên. do thời gian và trình độ còn hạn chế và đặc biệt là chưa có cơ hội tìm hiểu thực tế lò nhiệt điện trở mà chỉ tìm hiểu trên tài liệu nên tính sát thực của hệ thống điều khiển chưa cao. để ứng dụng trên thực tế cần phải tiến hành thực nghiệm nhiều lần . Tài liệu tham khảo: 1. Lý thuyết điều khiển mờ : Phan Xuân Minh –Nguyễn Doãn Phước-Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật 2. Điều khiển tối ưu và bền vững: Phan Xuân Minh –Nguyễn Doãn Phước-Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật 3 . Điều khiển lôgic & ứng dụng :Nguyễn Trọng Thuần- Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật 4. MATLAB & SIMULIK :Nguyễn Phùng Khoang -Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật 5. Ưng dụng tin học trong sản xuất nông nghiệp - trường ĐHNNI Hà Nội 6 . Lý thuyết điều khiển tự động : Nguyễn Văn Hoà -Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật 7 . Hệ mờ và ứng dụng : Nguyễn Hoàng Phương - Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật 8. Kỹ thuật số : Nguyễn Thuý Vân- Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật 9.Kỹ thuật điện tử: Đỗ Xuân Thụ- Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật