Luận văn Thiết kế bộ điều khiển cho đối tượng bình mức

Luận văn Thiết kế bộ điều khiển cho đối tượng bình mứcMục lục Lời nói đầu Chuyên đề nghiên cứu : Thiết kế bộ điều khiển cho đối tượng bình mức ( Xây dựng hệ thống điều khiển hai bình mức thông nhau ) . Chuyên đề được xây dựng dưới dạng một bài tập tổng hợp . Giúp ta biết cách vận dụng một cách tổng hợp các kiến thức đã học vào một bài toán cụ thể hoàn chỉnh Do thời gian có hạn nên không thể tránh khỏi thiếu sót .Rất mong có được đóng góp của thầy cô để chuyên đề được thêm đầy đủ hơn. Chúng em rất chân thành cảm ơn thầy : Lê Minh Kiên , đã giúp đỡ chúng em hoàn thành đề tài này. Nhóm sinh viên thực hiện: Đỗ Trọng Mến Ngô Viết Thành Vũ Văn Thuyết Nguyễn Bảo Thanh Đặng Văn Hiếu Phần I : Giới thiệu về đối tượng điều khiển , bộ điều khiển mờ và bộ điều khiển kinh điển PID 1. Đối tượng điều khiển: Bài toán : Đối tượng điều khiển là hai bình mức thông nhau ( hình vẽ trên) chiều cao của cả hai bình chính là giá trị tối đa của mức chất lỏng trong bình, là 1000 . Lưu lượng chất lỏng chảy qua các van được tính là tích của độ mở van ( số thực nhận giá trị từ 0.0 đến 1.0 ứng với độ mở van từ 0% đến 100% ) với lưu lượng tối đa qua van. Giá trị lưu lượng tối đa qua mỗi van không nhất thiết phải là hằng số . Tất cả các giá trị lưu lượng nước qua ống đều đo được. Yêu cầu đặt ra của bài toán là xây dựng bộ điều khiển cho hệ thống này để điều chỉnh mức chất lỏng trong cả hai bình ổn định ở giá trị đặt ( do người sử dụng đặt ) .Còn van 3 do người sử dụng tùy ý điều khiển. Mô hình : Valve 1 Valve 2 Valve 3 Flow 1 Flow 2 Flow 3 Level 1 Level 2 Tank 1 Tank 2 Tank 1 và tank 2 là hai bình nước Valve 1 , valve 2 và valve 3 lần lượt là lưu lượng điều khiển lưu lượng vào bình 1, lưu lượng giữa hai bình và lưu lượng ra từ hai bình Flow 1, Flow 2 và Flow 3 lần lượt là lưu lượng qua các valve tương ứng Level 1 , Level 2 là các mức( chiều cao) chất lỏng trong bình 1 và bình 2.Mức chất lỏng tối đa trong 2 bình là 1000. Đối tượng điều khiển là bình mức như hình vẽ: ( mô phỏng Matlap). Đối tượng điều khiển gồm hai khối: Khối single-Tank chính là đối tượng ta đang xét Khối single-Tank Gui trợ giúp cho việc mô phỏng Các ký hiệu: In Valve : Độ mở van vào Out Valve : Độ mở van ra Level: Mức nước trong bình In Flow:Tốc độ lưu lượng vào Out Flow: Tốc độ lưu lượng ra SP : Giá trị đặt cho mức nước trong bình Các đầu vào – ta của khối tow-tank được qui định như sau: Các đầu vào valve 1, valve 2 và valve 3 là độ mở van tương ứng, nhận các giá trị thực trong khoảng từ 0.0 đến 1.0 . Giá trị 0.0 tương ứng với trường hợp van đóng hoàn toàn, giá trị 1.0 tương ứng với trường hợp van mở hoàn toàn(100%). Các van không đáp ứng tức thời với giá trị đặt vào của độ mở van mà phải thay đổi dần dần đến giá trị mong muốn đó. Ví dụ như nếu độ mở van hiện thời là 0.2 (20% ),khi đặt giá trị độ mở van mới là 0.6(60%) thì độ mở van sẽ tăng dần từ 0.2 đến 0.6 và quá trình này phải tốn một khoảng thời gian nhất định Các đầu vào Flow1,Flow2,Flow3 là các giá trị lưu lượng qua các van tương ứng .Trong hệ thống này lưu lượng được tính bằng tích của độ mở van với giá trị lưu lượng tối đa. Lưu lượng tối đa cho ba van phụ thuộc vào mức chất lỏng trong bình 2 . Lưu lương tối đa cho van 2 phụ thuộc vào độ chênh lệch mức chất lỏng giữa bình 1 và bình 2. Còn lưu lượng tối đa cho van 1 ( van vào ) phụ thuộc vào nguồn cung cấp chất lỏng. Khối Tow - tank có hai chế độ lưu lượng vào tối đa : chế độ tự động và chế độ tự đặt từ bên ngoài . Trong bài toán nghiên cứu của ta van 1 và van 2 ổn định ở giá trị đặt, còn van 3 do người sử dụng tùy ý điều khiển . Các tham số của khối: Cửa sổ cài đặt tham số cho khối Tow-tank như trên gồm: Tham số Course Number, Class number và Name List Number: nhập các thông số về khóa ( Course), lớp (class), và số thứ tự trong danh sách (name list number) của từng sinh viên. Dựa vào các thông số này hệ thống sẽ tự động tính toán các thông số cụ thể của hệ thống hai bình mức cho từng sinh viên. Tham số Mannual Input Flow Rate: nếu hộp này không được chọn thì lưu lượng vào tối đa sẽ là chế độ tự động, còn nếu hộp này được chọn thì chế độ lưu lượng vào tối đa sẽ là chế độ đặt từ bên ngoài . Mặc định là hộp này không được chọn. Giao diện đồ họa tương tác: Khối tank gui: Số đầu vào :3 Số đầu ra : 5 Chức năng: cung cấp giao diện đồ hạ tương tác cho hệ thống một bình mức.(khi hoạt động ,khối tank gui sẽ tạo giao diện đồ họa như hình vẽ dưới: ) Các đầu vào: Các đầu vào : Level 1 và level 2 tương ứng là mức chất lỏng hiện thời trong bình 1 và bình 2. Trong quá trình mô phỏng , giá trị đặt của các đầu vào này được thể hiện tức thời trên hình ảnh của bình mức tương ứng của giao diện đồ họa . Các giá trị này bị chặn trong khoảng từ 0.0 đến chiều cao của bình mức tương ứng Đầu vào valve là một vector tương ứng với các giá trị độ mở van được điều khiển từ bên ngoài khối thay vì từ các thanh trượt trên giao diện đồ họa . số phần tử của vector này phải đúng bằng số van được điều khiển từ bên ngoài khối , theo thứ tự từ van 1 đến van 3. Các đầu ra : Các đầu ra SP1 và SP2 tương ứng là các giá trị điểm đặt cho bình 1 và bình 2 , được xác định bằng giá trị của thanh trượt tương ứng trên giao diện đồ họa . khi người dùng thay đổi giá trị điểm đặt trên giao diện đồ họa thì lập tức giá trị của các đầu ra này thay đổi theo tương ứng. Các đầu ra valve 1, valve 2 và valve 3 tương ứng là các giá trị độ mở van 1, van2 và van 3, là số thực từ 0.0 đến 1.0 tương ứng với độ mở van từ 0% đến 100%. Các giá trị đầu ra này được xác định như sau: Nếu van không được điều khiển từ bên ngoài khối ,hay nói cách khác là van được điều khiển bởi người sử dụng thông qua giao diện đồ họa tương tác thì đầu ra được xác định theo thanh trượt tương ứng trên giao diện đồ họa Nếu van được điều khiển từ bên ngoài khối thì giá trị đầu ra chính là giá trị tương ứng trong vector đầu vào valve Các tham số của khối: Khi nhấn đúp chuột vào khối Two – Tank GUI thì cửa sổ đặt tham số cho khối sẽ hiện lên như hình sau: Khối Two – Tank gui có các tham số sau: Tham số Maximum Heigh of Tank 1: chiều cao trong bình 1 , chính là mức chất lỏng tối đa trong bình 1 . Giá trị đầu vào Level 1 của khối bị chặn bời giá trị này. Tham số Maximum Height of Tank 2: chiều cao của bình 2 ,chính là mức chất lỏng tối đa trong bình 2 . Giá trị đầu vào 2 của khối bị chặn bời giá trị này. Tham số Valve Mask : là một vector gồm ba phần tử . Nếu phần tử thứ k của vector này có giá trị khác 0 thì valve thứ k được điều khiển bởi người sử dụng thông qua thanh trượt tương ứng trên giao diện đồ họa . Ngược lại , nếu phần tử thứ k của vector này có giá trị khác 0 thì valve thứ k được điều khiển từ bên ngoài khối thông qua giá trị tương ứng trong vector đầu vao valve Tham số Sample Time: thời gian trích mẫu gắn với khối này , hay chính là chu kỳ cập nhật của khối ( bao gồm cả cập nhật hình ảnh và cập nhật thanh trượt) .Giá trị chu kỳ này được tính theo giây (s) .Nếu giá trị này là -1 thì khối Two – Tank GUI sẽ được cập nhật theo sự thay đổi của các đầu vào của nó, nghĩa là chịu sự điều khiển của các khối đưa ra giá trị tới các đầu vào của nó. Ví dụ về sử dụng khối : Trong bài toán của ta : hệ thống 2 bình mức , trong đó van 1 và van 2 do người sử dụng đặt van 3 là thay đổi ( thay đổi từ bên ngoài khối ) . 2. Bộ điều khiển mờ Trong thực tế nhiều giải pháp tổng hợp và thiết kế bộ điều khiển kinh điển thường gặp khó khăn khi gặp những bài toán có độ phức tạp của hệ thống cao, độ phi tuyến lớn… Khái niệm về logic mờ được giáo sư L.A Zadeh đưa ra lần đầu tiên năm 1965, tại trường đại học Berkeley, bang California – Mỹ từ đó lý thuyết mờ được phát triển và ứng dụng rộng rãi. Năm 1970 tại trường Mary Queen, London – Anh , Ebrahim Mamdani đã dùng logic mờ để điều khiển một máy hơi nước mà ông không thể điều khiển được bằng kỹ thuật cổ điển. Tại Đức Hann Zimmermann đã dùng logic mờ cho hệ ra quyết định. Tại Nhật logic mờ được ứng dụng vào nhà máy xử lý nước của Fuji Electronic vào 1983, Hệ thống xe điện ngầm của Hitachi vào 1987 Lý thuyết mờ được ra đời ở Mỹ , ứng dụng đầu tiên ở Anh và phát triển mạnh mẽ ở Nhật .Trong lĩnh vực tự động hóa logic mờ ngày càng được ứng dụng rộng rãi.Nó thực sự hữu dụng với các đối tượng phức tạp mà ta chưa biết rõ hàm truyền . Những khó khăn trong bộ điều khiển kinh điển có thể được khắc phục khi bộ điều khiển được thiết kế trên cơ sở bộ logic mờ Các bước tiến hành xây dựng bộ điều khiển mờ: Định nghĩa tất cả các biến vào ra Đinh nghĩa tập mờ cho các biến vào ra Xây dựng các luật điều khiển Chọn thiết bị hợp thành Tối ưu hệ thống 3. Bộ điều khiển PID Trước đây bộ điều khiển PID được coi là bộ điều khiển lý tưởng của các đối tượng có mô hình liên tục Bộ PID thực sự là bộ điều khiển động mà việc thay đổi các tham số của bộ điều khiển có thể làm thay đổi đặc tính động và tĩnh của hệ thống điều khiển tự động Bộ điều khiển PID được mô tả bởi phương trình: Phần II : Thiết kế bộ điều khiển mờ 1. Các biến vào ra: Bộ điều khiển có hai đầu vào : Sai lệch giữa giá trị SP và mức level ký hiệu là y Độ mở van ra ký hiệu là x Đầu ra là độ mở van vào In Valve ký hiệu là z Ta có: 0 ≤ x ≤ 1 0 ≤ z ≤ 1 -100 ≤ y ≤ 100 Việc định nghĩa các tập mờ các biến vào ra ta theo dõi trên FIS EDITOR 2. Xây dựng luật điều khiển: Ta xây dựng trên quy tắc sau: Nếu y ≤ 0 thì z = 0 tức là khi level lớn hơn SP thì van vào khóa an toàn Nếu y > 0 thì x khác 0 . Tuy nhiên giá trị của x thì phải phụ thuộc vào độ mở van vào z . Ta không thể cho x = z được bởi vì In Flow Rate và Out Flow Rate tùy thuộc vào đối tượng Chú ý: + Việc chỉnh định x theo z là theo kinh nghiệm chứ không có công thức . + Số lượng các tập mờ cho mỗi biến thì sẽ tỷ lệ thuận với chất lượng của bộ điều khiển Phần III : Bộ điều khiển kinh điển PID 1. Nhận dạng đối tượng Ta xác định mô hình đối tượng thông qua phương pháp thực nghiệm sau: Ta thu được dạng đồ thì như trong Scope Từ đồ thị ta suy ra hàm truyền có dạng như sau: Tuy nhiên để đơn giản ta chọn n = 1 tức là 2. Xác định thông số cho đối tượng: Việc xác định thông số k , T cho đối tượng ta tiến hành theo các bước sau: Kẻ đường tiệm cận yct(t) với y(t) tại t = ∞ Giao điểm của đường tiệm cận yct(t) với trục thời gian chính là tham số T Lấy một đoạn bất kỳ của đường tiệm cận yct(t) , chiếu nó lên hai trục tọa độ để có ∆y và ∆t rồi tính k = ∆y/ (u0. ∆t) Ta thu được kết quả: K = 2,33 T = 4.2 Phần IV : Kết luận Qua việc xây dựng hai bộ điều khiển PID và mờ cho một đối tượng cụ thể ta có thể rút ra các nhận xét sau: Đối với bộ mờ: Do không cần quan tâm đến mô hình cửa của đối tượng nên khối lượng thiết kế giảm nhiều Điều khó khăn khi xây dựng bộ điều khiển mờ đó là phải xây dựng đúng luật điều khiển. Nó có ý nghĩa quyết định tới chất lượng của bộ điều khiển. Muốn vậy người thiết kế phải hiểu biết rõ đối tượng , biết được quy luật biến động của các đại lượng vào và ra , mặc dù có thể không giải thích được những biến đổi đó Nhược điểm của bộ điều khiển mờ là chưa khắc phục được sự biến động của van vào khi mức nước đã ổn định. Điều này có thể do nguyên nhân chủ quan là luật điều khiển chưa phù hợp Đối với bộ PID : Tốc độ đáp ứng có thể không nhanh bằng bộ mờ nhưng đã khắc phục được nhược điểm của bộ mờ đó là van vào ổn định khi nước đã ổn định Tuy nhiên chất lượng của bộ điều khiển lại phụ thuộc rất nhiều vào bược nhận dạng của đối tượng