Nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển tự động lò điển trở

. , AN11 trên khoảng [?1,?1] của x1có hàm liên thuộc ?Aj1(x1), j = 1,2, . . . , N1 dạng hình thang cho trong (hình 1.13) sau, với a11 = b11 = ?1 và cN11 = dN11 = ?1 ?Aji(x) aji bji cji dji xi Hình 1.13 Hàm liên thuộc của các tập mờ đầu vào với i = 1;2 và j = 1;2, . . . , Ni N2 tập mờ đầu vào A12, A22, . . . , AN21 trên khoảng [?2,?2] của x2có hàm liên thuộc ? Aj2(x2), j = 1,2, . . . , N2 dạng hình thang cho trong (hình1.13) sau, với a12 = b12 = ?2 và cN22 = dN22 = ?2 Ký hiệu các giá trị e1i = ?i , eNii = ?i và cho i = 1;2và j = 2;3, . . . , Ni-1 b. Chọn thiết bị hợp thành. Chọn nguyên tắc triển khai SUM- PROD cho mệnh đề hợp thành, tích đại số cho phép giao và công thức Lukasiewicz cho phép hợp thì tập mờ đầu vào là một giá trị rõ . c. Chọn phương pháp giải mờ Chọn phương pháp độ cao để giải mờ và để ý rằng các liên thuộc là hình thang cân nên phép lấy tích MIN có thể bỏ qua mà không ảnh hưởng tới kết quả. 1.7.1.2. Tổng hợp bộ điều khiển mờ tuyến tính từng đoạn Xét đường y(x) có 6 cặp điểm nút (xk,yk) khuyếch đại = 1?6. Để đường đặc tính của bộ điều khiển sẽ tổng hợp cũng liên tục được tại những điểm nút này thì : + Mỗi một giá trị rõ đầu vào phải tích cực được hai luật điều khiển + Mỗi hàm liên thuộc đầu vào có dạng hình tam giác với đỉnh là một nút thứ khuếch đại và miền xác định là khoảng [xk-1.xk+1] nằm hai phía điểm nút yk. + Sử dụng nguyên tắc độ cao để giải mờ . + Cài đặt luật hợp thành theo nguyên lý MAX-MIN y y6 y4,y5 x1 x2 x3 x4 x5 x5 x y3 y1,y2 Hình 1.14 Đường đặc tính y(x) cho trước. Tổng quát lên thì thuật toán tổng hợp bộ điều khiển mờ có đường đặc tính y(x) tuyến tính từng khúc cho trước sẽ như sau: + Xác định các nút (xk,yk) , k = 1,2, . . . , n của y(x). + Định nghĩa n tập mờ đầu vào Ak, k = 1,2, . . . , n có hàm liên thuộc ?Ak(x) dạng hình tam giác với đỉnh là điểm xk và miền xác định là khoảng [xk-1,xk+1] , trong đó cho B1 và Bn thì các điểm x0, xn+1 là những điểm bất kỳ thoả m•n x0xn. + Xác định n tập điểm đầu ra Bk, k = 1,2 , . . . , n có ?Bk(y) là các hàm Kroecker định nghĩa tại yk. + Định nghĩa tập n luật điều khiển dạng Rk: nếu ? = Ak thì ? = Bk , k = 1,2, . . . , n + Sử dụng nguyên tắc độ cao để giải mờ. 1.7.2 .Bộ điều khiển mờ động. Bộ điều khiển mờ động là những bộ điều khiển phối hợp giữa hệ kinh điển (các khâu P,I,D) với hệ mờ. Mô hình điều khiển mờ động sử dụng phối hợp các khâuPID. x1 ET1 u1 DET1 y ET2 U2 x2 y2 DET2 Hình 1.15 Bộ điều khiển mờ động với 4 đầu vào và 2 đầu ra. Sự biến đổi tín hiệu sai lệch đầu vào ET theo thời gian có thể xác định bằng đạo hàm của sai lệch. Đạo hàm DET đươc lấy từ đầu của khâu D kinh điển giúp cho bộ điều khiển phản ứng kịp thời với các biến động đột suất cả các đối tượng 1.7.2.1.Bộ điều khiển mờ theo luật PID Bộ điều khiển mờ được thiết kế theo thuật toán chỉnh định PID có 3 đầu vào gồm sai lệch ET giữa tín hiệu chủ đạo và tín hiệu ra, đạo hàm DET của sai lệch và tích phân ET của sai lệch. Đầu ra của bộ điều khiển mờ chính là tín hiệu điều khiển u(t). Mô hình toán học của bộ PID theo thuật toán chỉnh định có dạng : Thường người ta thiết kế bộ điều khiển mờ theo luật PID có mô hình hoặc 1.7.2.2. Bộ điều khiển mờ theo luật I Một bộ điều khiển mờ theo luật I có thể thiết kế từ một bộ điều khiển mờ theo luật P (bộ điều khiển mờ tuyến tính ) bằng cách nối tiếp một khâu tích phân kinh điển vào trước hoặc sau khối mờ đó. Do tính phi tuyến của hệ mờ, nên việc mắc khâu tích phân trước hay sau hệ mờ hoàn toàn khác nhau . Mô hình điều khiển theo luật I được mắc ở đầu ra như sau: Nhiễu x ET P y _ Hình1.16 Mô hình điều khiển mờ theo luật I 1.7.2.3. Bộ điều khiển mờ theo luật PD Theo (1.25) thì khi mắc nối tiếp ở đầu vào của một bộ điều khiển mờ theo luật tỷ kệ một khâu vi phân sẽ có được một bộ điều khiển mờ theo luật PD. - Mô hình điều khiển mờ theo luật PD như sau: Hình 1.17 Hệ thống điều khiển mờ theo luật PD 1.7.2.4 Bộ điều khiển mờ theo luật PI Bộ điều khiển mờ theo luật PI thường được sử dụng để triệt tiêu sai lệch tĩnh của hệ thống. Bộ điều khiển PI sẽ được thiết kế trên cơ sở của bộ điều khiển PD mờ, bằng cách nối tiếp ở đầu ra của bộ điều khiển PD mờ một khâu tích phân . Mô hình điều khiển theo luật PI như sau: Nhiễu DET x P y _ Hình 1.18 Mô hình điều khiển mờ theo luật PI. * Kết luận chương 1 Trong chương này chúng em đ• đề cập đến những vấn đề sau: - Lịch sử phát triển lý thuyết mờ. - Bộ điều khiển mờ và ưu điểm của nó. - Một số khái niệm cơ bản: khái niệm về tập mờ, độ cao, miền xác định và miền tin cậy của tập mờ. - Các phép toán trên tập mờ: hợp hai tập mờ, biến ngôn ngữ. - Luật hợp thành. - Các phương pháp giải mờ: phương pháp cực đại, phương pháp trọng tâm. - Các khâu điều khiển mờ. Đồng thời trong chương này chúng em đ• trình bày các phương pháp toán học để tổng hợp và phân tích một hệ thống tổng hợp mờ cung cấp cho bạn đọc những kiến thức cơ bản nhất để có khả năng tự tổng hợp bộ điều khiển mờ đơn giản. Chương 2 Đặc điểm công nghệ của lò điện trở Đặt vấn đề Đối tượng nghiên cứu là lò điện trở là một đối tượng phi tuyến. Trong thực tế có rất nhiều phương pháp tổng hợp thiết kế bộ điều khiển kinh điển cho đối tượng này. Nhưng do đối tượng thường xuyên thay đổi trạng thái nên hệ điều khiển kinh điển có độ tin cậy không cao và người thiết kế gặp rất nhiều khó khăn trong quá trình xác định các thông số của bộ điều khiển, khó khăn đó sẽ không còn là vấn đề nan giải khi bộ điều khiển được thiết kế dựa trên cơ sở logic mờ và càng đơn giản hơn trong việc thực hiện giải pháp này. Trên đây chúng ta đ• nghiên cứu về tổng quan lý thuyết điều khiển mờ: các luật hợp thành, các phương pháp giải mờ….Để có thể điều khiển được đối tượng một cách chính xác chúng ta h•y đi nghiên cứu về đặc điểm công nghệ của đối tượng cụ thể đó là lò điện trở. Trên yêu cầu công nghệ, sơ đồ đối tượng điều chỉnh được trình bày như sau: 2.1 Mô tả mô hình lò điện trở 2.1.1. Cấu tạo của lò điện trở Hình 2.1: Sơ đồ đối tượng điều chỉnh Trong đó: 1. Buồng đốt 2. Quạt gió 3. Nhiệt kế điện trở 4. Dây nung R/U- chuyển đổi điện trở sang điện áp A/D - chuyển đổi tương tự sang số MT - máy tính D/A- chuyển đổi số sang tương tự TX - mạch tạo xung TH - thyristor - Buồng đốt được chế tạo kín và được cách nhiệt với bên ngoài - Dây đốt là dây điện trở được đặt trong buồng đốt. Cấp điện cho dây đốt là nguồn điện xoay chiều điều chỉnh được thông qua việc điều chỉnh góc mở của hai thyristor mắc song song ngược T1, T2 - Quạt đặt ở phía đầu buồng đốt dùng để lưu thông luồng không khí được sấy nóng A/D, D/A nằm trong CARD ghép nối m• hiệu.…dùng để biến đổi tín hiệu tương tự sang số và tín hiệu số thành tín hiệu tương tự đưa vào máy tính (MT) để thực hiện quá trình điều khiển bằng máy tính. MT được sử dụng làm thiết bị điều chỉnh, sử dụng các phần mềm MATLAB điều khiển thực. Trong hệ thống, đối tượng là một loại lò điện trở sử dụng loại dây nung Cr- Al( ký hiệu là XA) có nhiệt độ làm việc dưới 12000C. Tín hiệu ra của lò được lấy ra bởi nhiệt kế điện trở số 3. Nhiệt độ của lò được khống chế từ 00C đến 10000C tương ứng tín hiệu ra của cặp nhiệt điện từ 0V 10V. Tín hiệu này sẽ được đưa tới bộ chuyển đổi R/U sau đó cũng được đưa tới máy tính thông qua bộ chuyển đổi A/D. Sau khi được xử lý điều chỉnh ở máy tính rồi qua bộ chuyển đổi D/A ta thu được U . Tín hiệu U được đưa vào bộ điều chỉnh công suất (tức là thay đổi góc mở của Thyristor). Nhờ tín hiệu điều khiển mà ta có thể thu được tín hiệu đặt vào lò theo yêu cầu. 2.1.2. Phân loại lò điện trở Lò điện trở là thiết bị biến đổi điện năng thành nhiệt năng thông qua hệ thống dây đốt( dây điện trở). Từ dây đốt qua bức xạ, đối lưu truyền nhiệt và dẫn nhiệt, nhiệt năng được truyền tới vật cần gia nhiệt. Lò nhiệt điện trở thường dùng để nung, nhiệt luyện nấu chảy kim loại màu và hợp kim màu. Phân loại lò điện trở có nhiều cách • Theo nhiệt độ làm việc của lò. Lò nhiệt độ thấp( t0<6500C) Lò nhiệt độ trung bình (6500C <t0<12000C) Lò nhiệt độ cao trên 12000C • Theo nơi dùng Lò dùng trong công nghiệp Lò dùng trong phòng thí nghiệm Lò dùng trong gia đình… • Theo kết cấu của lò Lò buồng Lò giếng, lò chụp, lò bể… • Theo mục đích sử dụng Lò tôi Lò ram Lò ủ Lò nấu chảy ở nước ta thường dùng kiểu lò buồng để nhiệt luyện(tôi, ủ, nung , thấm than), kiểu lò giếng để nung 2.1.3. Cấu tạo lò điện trở Lò điện trở thông thường gồm ba phần chính : vỏ lò, lớp lót và dây nung. 2.1.3.1 Vỏ lò Vỏ lò điện trở là một khung cứng vững, chủ yếu để chịu tải trọng trong quá trình làm việc của lò. Mặt khác vỏ lò cũng dùng để giữ lớp cách nhiệt rời và đảm bảo sự kín hoàn toàn hoặc tương đối của lò. Đối với các lò làm việc với khí bảo vệ, cấn thiết vỏ lò phải hoàn toàn kín, còn đối với các lò điện trở bình thường, sự kín của vỏ lò chỉ cần giảm tổn thất nhiệt và tránh sự lùa của không khí lạnh vào lò, đặc biệt theo chiều cao lò. Trong những trường hợp riêng, lò điện trở có thể làm vỏ lò không bọc kín. Khung vỏ lò cần cứng vững đủ để chịu được tải trọng của lớp lót, phụ tải lò ( vật nung ) và các cơ cấu cơ khí gắn trên vỏ lò. - Vỏ lò chữ nhật thường dùng ở lò buồng, lò liên tục, lò đáy rung v.v... - Vỏ lò tròn dùng ở các lò giếng và một vài lò chụp v.v... - Vỏ lò tròn chịu lực tác dụng bên trong tốt hơn vỏ lò chữ nhật khi cùng một lượng kim loại để chế tạo vỏ lò. Khi kết cấu vỏ lò tròn, người ta thường dùng thép tấm dày 3 ? 6 mm khi đường kính vỏ lò là 1000?2000 mm và 8 ? 12 mm khi đường kính vỏ lò là 2500 ? 4000 mm và 14? 20 mm khi đường kính vỏ lò khoảng 4500? 6500 mm. Khi cần thiết tăng độ cứng vững cho vỏ lò tròn, người ta dùng các vòng đệm tăng cường bằng các loại thép hình. Vỏ lò chữ nhật được dựng lên nhờ các thép hình U, L và thép tấm cắt theo hình dáng thích hợp. Vỏ lò có thể được bọc kín, có thể không tuỳ theo yêu cầu kín của lò. Phương pháp gia công vỏ lò loại này chủ yếu là hàn và tán. 2.3.1.2 Lớp lót Lớp lót lò điện trở thường gồm hai phần : vật liệu chịu lửa và cách nhiệt. Phần vật liệu chịu lửa có thể xây bằng gạch tiêu chuẩn, gạch hình và gạch hình đặc biệt tuỳ theo hình dáng và kích thước đ• cho của buồng lò. Cũng có khi người ta đầm bằng các loại bột chịu lửa và các chất dính dết gọi là các khối đầm. Khối đầm có thể tiến hành ngay trong lò và cũng có thể tiến hành ở ngoài nhờ các khuôn. Phần vật liệu chịu lửa cần đảm bảo các yêu cầu sau : + Chịu được nhiệt độ làm việc cực đại của lò. + Có độ bền nhiệt đủ lớn khi làm việc. + Có đủ độ bền cơ học khi xếp vật nung và đặt thiết bị vận chuyển trong điều kiện làm việc. + Đảm bảo khả năng gắn dây nung bền và chắc chắn. + Có đủ độ bền hoá học khi làm việc, chịu được tác dụng của khí quyển lò và ảnh hưởng của vật nung. + Đảm bảo khả năng tích nhiệt cực tiểu. Điều này đặc biệt quan trọng đối với lò làm việc chu kỳ. Phần cách nhiệt thường nằm giữa vỏ lò và phần vật liệu chịu lửa. Mục đích chủ yếu của phần này là để giảm tổn thất nhiệt. Riêng đối với đáy, phần cách nhiệt đòi hỏi phải có độ bền cơ học nhất định còn các phần khác nói chung không yêu cầu. Yêu cầu cơ bản của phần cách nhiệt là : + Hệ số dẫn nhiệt cực tiểu + Khả năng tích nhiệt cực tiểu + ổn định về tính chất lý, nhiệt trong điều kiện làm việc xác định. Phần cách nhiệt có thể xây bằng gạch cách nhiệt, có thể điền đầy bằng bột cách nhiệt. 2.1.3.3 Dây nung Theo đặc tính của vật liệu dùng làm dây nung, người ta chia dây nung làm hai loại : dây nung kim loại và dây nung phi kim loại. Trong công nghiệp, các lò điện trở dùng phổ biến là dây nung kim loại. 2.1.4 Các phương pháp điều chỉnh lò điện trở Nhiệt độ cần điều chỉnh là nhiệt độ buồng lò.Việc điều khiển buồng lò chính là điều khiển công suất đặt vào lò Đại lượng cần điều chỉnh là nhiệt độ buồng lò. Việc điều khiển nhiệt độ buồng lò chính là điều khiển công suất đặt vào lò P=I2 R T Có hai phương án để xây dựng công thức này: Phương án thứ nhất là điều chỉnh về phía tiêu thụ tức là thay đổi điển trở của lò. Phương pháp này ít được áp dụng bởi tính không liên tục về phạm vi điều khiển. Phương án thứ hai là điều chỉnh về phía cung cấp tức là thay đổi cường độ dòng điện chạy qua thanh nung. Điều này có thể thực hiện bằng biến áp, role hoặc các linh kiện điện tử… 2.1.4.1 Phương pháp dùng máy biến áp. Đây là phương pháp điều chỉnh điện áp theo cấp, nó đòi hỏi biến áp phải có công suất lớn. Phương pháp dùng biến áp để thay đổi mức điện áp cung cấp cho lò là phương pháp thô sơ ít dùng trong hệ thống điều khiển tự động. 2.1.4.2 Phương pháp dùng rơle Phương pháp này có đặc điểm là khống chế mức nhiệt độ, mức điện áp khác nhau nhưng do rơle chỉ có tác dụng điều chỉnh ở một số thời điểm ở ngưỡng nhất định nên việc điều chỉnh mạng tính chất không liên tục. Mặt khác quá trình điều khiển luôn bị dao động phụ thuộc vào các thời điểm đặt khác nhau, vì thế độ chính xác điều chỉnh không cao, rơ le phải đóng cắt nhiều lần nên độ tin cậy kém. Tuy nhiên phương pháp này có ưu điểm: đơn giản, dễ nối phù hợp với các yêu cầu về công nghệ đòi hỏi độ chính xác không cao. 2.1.4.3 Phương pháp dùng rơle kết hợp với Thysistor. Khi sử dụng phương pháp này thì khả năng điều chỉnh với các phạm vi khác nhau là tương đối tốt. Tuy nhiên phương pháp này không thực hiện được bởi vì khi tiếp điểm của rơle đóng ta luôn có cả chu kỳ cung cấp cho tải, khi mở nguồn thì cung cấp phía Thysistor bị ngắt, do đó việc cung cấp cho lò chỉ hoàn toàn là do Thysistor và như vậy công suất đưa vào lò chỉ điều khiển được 1/2 chu kỳ. 2.1.4.4 Phương pháp dùng hai Thysistor mắc đối xứng. Khi có xung điều khiển thì hai Thysistor sẽ lần lượt mở cho dòng đi qua. Ta có thể điều khiển cho Thysistor liên tục chuyển từ đóng sang mở tương ứng với công suất lò thay đổi từ giá trị 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 tương đối liên tục và đều đặn. Phương pháp điều chỉnh Thysistor có thể điều biên hoặc điều khiển độ rộng xung. +) Mở theo biên: Đây là phương pháp đơn giản hơn. Khi sai lệch đưa vào bộ điều khiển, đầu ra của nó sẽ điều khiển để mở Thysistor, khi đó (sau khi đ• chia 255-ADC 8 bit) này sẽ đóng vai trò điện áp điều khiển, tức là trong toàn bộ chu kỳ, điện áp đưa vào đầu dây nung là cố định. Tuy nhiên điện áp đưa vào lò nung phụ thuộc vào góc mở của Thysistor. Khi đ• có điện áp vào lò thì công suất đưa vào lò tỷ lệ với diện tích phần Sin còn lại. Chính vì thế mà phương pháp này luôn bị phi tuyến. +) Mở theo độ rộng xung: Phương pháp này khắc phục được nhược điểm của phương pháp trên đó là sự phi tuyến, trong thực tế sự tuyến tính của phương pháp này làm cho chất lượng đường điều chỉnh nhiệt độ tốt hơn. Với phương pháp này, trong một chu kỳ, thời gian đưa vào dây nung thay đổi theo sự điều khiển của độ rộng xung. Còn điện áp đưa vào khi Thysistor đóng hoặc mở là cố định. 2.1.4.5 Phương pháp dùng Triac Triac có chức năng giống hai Thysistor mắc song song ngược chiều vì vậy để đơn giản mạch điều khiển công suất ta có thể dùng Triac thay cho hai Thysistor mắc xung đối. 2.1.5 Ưu điểm của lò điện trở - Đảm bảo tốc độ nung lớn và năng suất cao - Đảm bảo nung đều và chính xác do dễ điều chỉnh chế độ điện và nhiệt độ - Kín - Có khả năng cơ khí hoá và tự động hoá quá trình chất dỡ nguyên liệu và vận chuyễn vật phẩm - Đảm bảo điều khiện lao động hợp vệ sinh, điều kiện thao tác tốt, thiết bị gọn nhẹ 2.1.6 Một ứng dụng điển hình của lò điện trở Lò điện trở làm việc trong dải nhiệt độ 800?10000C được ứng dụng rất đa dạng trong nhiều công nghệ khác nhau như: + ủ kim loại để giảm độ cứng + Tôi hợp kim đen, hợp kim màu để nâng cao độ cứng. + Nung vật phẩm hợp kim trước khi gia công nóng: rèn , dập, cán, kéo... + Thường hóa các vật phẩm cơ khí để tăng độ cứng , độ bền, chống mài mòn + Hóa nhiệt luyện : thấm các bon cho các sản phẩm để làm tăng lượng các bon ở lớp bề mặt kim loại, cải thiện đặc tính của kim loại 2.2. Nhận dạng đối tượng Trong thực tế người thiết kế thường nhận dạng đối tượng bằng phương pháp thực nghiệm. Đối với đối tượng lò điện trở thì ta có thể dùng hai phương pháp để nhận dạng đối tượng này đó là phương pháp thực nghiệm và phương pháp lý thuyết. Nhưng khi sử dụng phương pháp lý thuyết để xác định hàm truyền của đối tượng thì chúng ta gặp rất nhiều khó khăn trong việc tổng hợp các khâu động học, và hàm truyền của đối tượng thường không chính xác do trong hệ thống sử dụng rất nhiều các cầu nối mà mỗi cầu nối cũng có một hàm truyền nhất định. Vì vậy ta sử dụng phương pháp thực nghiệm sẽ khắc phục được những khó khăn này. Do không có modul kết nối phần cứng và phần mềm chuyên dụng nên chúng em chỉ tiến hành thiết kế và mô phỏng hệ điều khiển mờ cho lò điện trở trên phần mềm. Với đặc tính động học của đối tượng do cô giáo hướng dẫn cho sẵn có dạng như sau: Hình 2.2. Đặc tính động học của đối tượng Từ đường đặc tính động học của đối tượng cho sẵn chúng ta nhận thấy đây là hàm quán tính bậc nhất có trễ có dạng: e-LP Để xác định được hàm truyền của đối tượng khi biết đường đặc tính trên ta sử dụng phương pháp Ziegler - Nichols thứ nhất. Hình 2.3. Cách xác định các thông số của đối tượng Ta có L là khoảng thời gian đầu ra h(t) chưa có phản ứng ngay với kích thích 1(t) tại đầu vào và có giá trị = 30. K là giá trị giới hạn h = h(t)= 0.5 T là khoảng thời gian cần thiết sau L để tiếp tuyến của h(t) tại điểm L=30 đạt được giá trị K. Khi đó T= 500 Qua kết quả tính toán ở trên ta có hàm truyền của đối tượng là: * Kết luận chương 2 Trong chương 2 chúng em đ• thực hiện được một số công việc sau: - Mô tả được mô hình lò sấy. - Phân loại lò điện trở. - Nêu được ưu điểm của lò điện trở. - Nhận dạng đối tượng. Qua đó ta nhận thấy lò điện trở có tính phi tuyến cao và có quán tính lớn vì vậy để điều khiển được nhiệt độ của lò một cách chính xác thì việc nghiên cứu đặc điểm của lò là một việc làm hết sức quan trọng nó giúp ích rất nhiều trong việc thiết lập luật mờ cho bộ điều khiển. Từ đường đặc tuyến động học cho sẵn chúng em đ• tính toán các thông số của đối tượng, từ đó xác định được hàm truyền của đối tượng lò điện trở giúp ích cho việc mô phỏng hệ thống điều khiển mờ cho lò điện trở ở chương sau. Chương 3 Thiết kế bộ điều khiển mờ điều khiển tự động lò điện trở Đặt vấn đề Trên cơ sở mô hình mờ Mamdani được trình bày ở trên, dựa vào đặc điểm công nghệ của lò điện trở, trong chương này chúng em tiến hành xây dựng thuật toán điều khiển nhiệt độ như sau: Trước hết tín hiệu đưa vào điều khiển được nhận từ bộ cảm biến nhiệt độ từ đó xác định được sai lệch giữa tín hiệu chủ đạo và tín hiệu ra của đối tượng. Sau đó chúng em sử dụng mô hình Mamdani với hệ MISO. Đầu ra là góc mở của Thyristor. Đối với đối tượng này chúng em sử dụng hai phương pháp điều khiển đó là: - Dùng bộ mờ điều khiển trực tiếp đối tượng lò điện trở. - Dùng bộ mờ chỉnh định thông số của bộ PI điều khiển cho đối tượng lò điện trở. 3.1 Dùng bộ mờ điều khiển trực tiếp đối tượng lò điện trở 3.1.1 Định nghĩa các biến vào/ ra - Đại lượng vào của bộ điều khiển chính là sai lệch (ký hiệu là ET) Giữa nhiệt độ cần giữ ổn định (tín hiệu chủ đạo x) và nhiệt độ thực y (nhiệt độ đo được từ cảm biến của lò điện trở) - Sự biến đổi theo thời gian của sai lệch (đạo hàm ) giữa tín hiệu chủ đạo và tín hiệu ra của đối tượng(được biểu diễn bằng 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. 3.1.2 Xác định tập mờ 3.1.2.1 Miền giá trị vật lý của các biến ngôn ngữ vào/ ra Sai lệch nhiệt độ ET được chọn trong miền giá trị từ -240C đến 240C Tốc độ biến đổi DET của sai lệch có giá trị biến đổi từ -30C đến 3 Góc mở chọn trong khoảng 200 đến 1000 3.1.2.2 Số lượng tập mờ Về nguyên tắc số lượng tập mờ nằm trong khoảng từ 3 đến 10. Trong đồ án này chúng ta sử dụng 7 biến giá trị ngôn ngữ được ký hiệu ngắn gọn suy ra từ tiếng Anh như sau: Âm nhiều - NB (Negative Big) Âm - NM (Negative Medium) Âm ít - NS (Negative Small) Không - ZE ( Zero) Dương nhiều - PB (Positive Big) Dương - PM(Positive Medium) Dương ít - PS ( Positive Small) Với những ký hiệu như vậy thì miền xác định của các biến ngôn ngữ vào/ ra sẽ là: ET {NB, NM, ZE, PS, PM, PB} DET { NB, NM, ZE, PS, PM, PB} { NB, NM, ZE, PS, PM, PB} 3.1.2.3 Xác định hàm thuộc Cần chọn những hàm liên thuộc có độ xếp chồng lên nhau và phủ kín miền giá trị vật lý để trong quá trình điều khiển không xuất hiện “lỗ hổng ”. Như đ• trình bày ở trên thì hàm thuộc hình thang có độ xếp chồng lên nhau rất nhỏ nhìn chung không phù hợp với bộ điều khiển mờ, nó tạo ra một vùng “chết” trong trong trạng thái làm việc của bộ điều khiển. Vì vậy trong đồ án này tập mờ được chọn dạng hình tam giác cân đảm bảo được các yêu cầu. Biến vào ET: Biến vào DET: Biến ra : 3.1.2.4 Xây dựng các luật điều khiển Trong việc xây dựng các luật điều khiển thì vùng lân cận điểm không không được tạo ra các “lỗ hổng”, bởi vì khi gặp phải các “lỗ hổng” xung quanh điểm làm việc bộ điều khiển sẽ không thể làm việc đúng theo trình tự đ• định. Những nguyên tắc điều khiển: 1. Nếu ET=NB và DET = ZE thì = NB hoặc 2. Nếu ET=NM và DET = ZE thì = NM hoặc 3. Nếu ET=NS và DET = ZE thì = NS hoặc 4. Nếu ET=ZE và DET = ZE thì = ZE hoặc 5. Nếu ET=PS và DET = ZE thì = PS hoặc 6. Nếu ET=PM và DET = ZE thì = PM hoặc 7. Nếu ET=PB và DET = ZE thì = PB hoặc 8. Nếu ET=ZE và DET = NB thì = NB hoặc 9. Nếu ET=ZE và DET = NM thì = NM hoặc 10.Nếu ET=ZE và DET = NS thì = NS hoặc 11.Nếu ET=ZE và DET = PS thì = PS hoặc 12.Nếu ET=ZE và DET = PM thì = PM hoặc 13.Nếu ET=ZE và DET = PB thì = PB Hình 3.1 Biểu diễn các luật điều khiển dưới dạng ma trận. Cách biểu diễn này rất thuận tiện và bao quát. Từ ma trận trong hình 3.1 có thể thấy rõ chỉ có 13 luật trong tổng số 49 khả năng phối hợp là thích ứng với nguyên tắc điều khiển nhiệt độ cho lò điện trở. Các luật điều khiển được thiết lập dựa trên mệnh đề hợp thành với hai điều kịên và một kết luận. ET/DET NB NM NS ZE PS PM PB NB NB NM NM NS NS ZE NB NM NS ZE PS PM PB PS PS PM PM PB PB Hình 3.1 Biểu diễn các luật điều khiển dưới dạng ma trận 3.1.2.5 Chọn thiết bị hợp thành và giải mờ Cách tính toán cho một ví dụ cụ thể. Vấn đề đặt ra là giả thiết khi đ• biết được các giá trị rõ cụ thể của các biến đầu vào, bộ điều khiển mờ cần xác định được một giá trị cụ thể đầu ra là bao nhiêu để điều khiển đối tượng, cụ thể ở đây là nhiệt độ cần thiết là bao nhiêu. Dựa vào việc chọn các tập mờ đầu vào, đầu ra và các luật “ Nếu…Thì” ở trên, chọn luật hợp thành “ Max…Min” và giải mờ theo phương pháp trọng tâm. Vì phương pháp trọng tâm có ưu điểm đó là có tính đến ảnh hưởng của tất cả các luật điều khiển đến giá trị đầu ra. Phương pháp dùng bộ mờ trực tiếp điều khiển đối tượng sẽ được mô phỏng bằng phần mềm WinFact ở chương 4. 3.2 Dùng bộ mờ chỉnh định thông số của bộ PI điều khiển cho đối tượng lò điện trở. 3.2.1 Chỉnh định tham số bộ điều khiển PID Một bộ điều chỉnh PID đầu vào e(t), đầu ra u(t) có mô hình toán học như sau : U(t) =Kr Hoặc Trong đó : và Hình 3.1a. Phương pháp chỉnh định mờ tham số bộ điều khiển PID Hình 3.1b. Bên trong bộ chỉnh định mờ Các tham số Kr, TI, TD hay Kr, KI, KD của bộ điều khiển PID được chỉnh định trên cơ sở phân tích tín hiệu chủ đạo và tín hiệu ra của hệ thống, chính xác hơn là sai lệch e(t) và đạo hàm de/dt của sai lệch. Có nhiều phương pháp chỉnh định các tham số của bộ PID như chỉnh định qua phiếm hàm mục tiêu, chỉnh định trực tiếp, nhưng phương pháp đơn giản nhưng dễ áp dụng hơn là phương pháp chỉnh định mờ Zhao, Tomizki và Isaca. Với giả thiết Kr, KD bị chặn tức là : và Zhao, Tomizki và Isaca đ• chuẩn hoá các tham số đó như sau : ; Như vậy bộ chỉnh định mờ sẽ có hai đầu vào la e(t), de(t)/dt và 3 đầu ra kr,kD,a trong đó: Như vậy có thể coi như 3 bộ chỉnh định mờ nhỏ, mỗi bộ có hai đầu vào và 1 đầu ra. 3.2.2 Chỉnh định mờ cho bộ tham số PI Như vậy ta sẽ có hai cách điều chỉnh tham số của bộ PI + Giữ nguyên kr và điều khiển TI. + Giữ nguyên TI và điều khiển kr. Hàm thuộc : Biến vào E: Biến vào ET: Biến ra kr và TI : Biến ngôn ngữ đầu ra kr, TI gồm có 2 giá trị mờ: Lớn - B : big Nhỏ - S : small Với hàm thuộc tương ứng cho 7 giá trị mờ : Âm nhiều - NB (Negative Big) Âm - NM (Negative Medium) Âm ít - NS (Negative Small) Không - ZE ( Zero) Dương nhiều - PB (Positive Big) Dương - PM (Positive Medium) Dương ít - PS ( Positive Small) Luật điều khiển để chỉnh định được xây dung theo các ma trận sau: *) Luật chỉnh định TI : NB NM NS ZE PS PM PB NB S S S S S S S NM B B S S S B B NS B B B S B B B ZE B B B B B B B PS B B B S B B B PM B B S S S B B PB S S S S S S S *) Luật hợp thành kr : NB NM NS ZE PS PM PB NB B B B B B B B NM S B B B B B S NS S S B B B S S ZE S S S B S S S PS S S B B B S S PM S B B B B B S PB B B B B B B B * Kết luận chương 3 Trong chương 3 chúng em đi thiết kế bộ điều khiển mờ nhằm mục đích xác định các thông số cho bộ điều khiển để mô phỏng hệ thống ở chương sau. Trong chương này chúng em đ• đưa ra 2 phương pháp để điều khiển lò điện trở đó là điều khiển gián tiếp và điều khiển trực tiếp. Đối với phương pháp điều khiển trực tiếp : xây dựng luật hợp thành , từ đó xác định được 13 luật điều khiển mờ. Với phương pháp gián tiếp: Nghiên cứu phương pháp đúng bộ mờ để chỉnh định các thông số của bộ PID cổ điển. Lựa chọn phương pháp dùng bộ mờ để chỉnh định thông số của bộ PI với hai giải pháp. Thứ nhất giữ nguyên Ti dùng bộ mờ điều khiển thông số Kr, thứ hai giữ nguyên Kr dùng bộ mờ chỉnh định Ti. Cả hai phương pháp này đều dùng 49 luật điều khiẻn. Chương 4 Mô phỏng hệ thống điều khiển mờ cho lò điện trở trên phần mềm MatLab và WinFact Đặt vấn đề Đối với người thiết kế hệ điều khiển tự động thì việc mô phỏng trước hệ thống trên một phần mềm chuyên dụng nào đó là rất quan trọng. Bởi khi mô phỏng trên phần mềm ta có thể đánh giá được chất lượng của hệ thống điều khiển tự động mà ta thiết kế có tốt hay không thông qua việc quan sát và đánh giá đặc tuyến đầu ra của hệ thống. Và từ đó ta sẽ ứng dụng hệ điều khiển này vào thực tế. Do đó chúng em đ• lựa chọn hai phần mềm chuyên dụng dùng để mô phỏng hệ điều khiển mờ đó là MatLab và WinFact. 4.1. Khai thác và ứng dụng phần mềm Winfact để mô phỏng hệ thống điều khiển mờ cho lò điện trở. 4.1.1 Giới thiệu chung về phần mềm winfact Phần mềm Winfact là sản phẩm của văn phòng kỹ sư “Dr. J. Kahler” hiện có ở Bộ môn Điều khiển tự động khoa điện, ĐHBK Hà Nội, là một bộ các chương trình trợ giúp việc tổng hợp và phân tích các hệ thống mờ. Phần mềm bao gồm hai modul chính: 4.1.1.1 Modul fuzzy- Shell, có tên là FLOP, sử dụng để thiết kế và phân tích một bộ điều khiển mờ. Trong cửa sổ chính của chương trình Flop, người sử dụng sẽ nhìn được tổng quan về các lệnh khai báo, sửa đổi các biến ngôn ngữ, những giá trị mờ của biến ngôn ngữ và các luật điều khiển. Cửa sổ chính của Flop có dạng như sau: Trong đó : - Variablen dùng để khai báo biến mới và sửa đổi biến, xoá biến, thay đổi khoảng, dải giá trị của biến. Mỗi một biến ngôn ngữ được khai báo và biểu diễn trong một cửa sổ riêng và khi khai báo biến trong mục này chúng ta sẽ khai báo: + Tên biến ( nhiều nhất là 15 ký tự) +Kiểu biến( biến vào hoặc biến ra tương ứng với các mệnh đề điều kiện hay kết luận trong luật điều khiển ) + Miền giá trị vật lý của biến Khi khai báo xong được các biến vào ra thì cửa sổ Flop có dạng như sau: phía bên trái của cửa sổ thể hiện được tên của các biến vào, ra và các giá trị tương ứng của chúng. - Sau khi đ• khai báo được tên biến, kiểu biến và miền giá trị của biến trong menu Variablen sẽ xuất hiện menu con Edit Linguistic Variablen có dạng như sau: Trong phần này chúng ta định nghĩa kiểu tập mờ: + chọn tên biến ngôn ngữ + chọn kiểu hàm liên thuộc - Sau khi đ• khai báo xong các biến vào ra ta xây dựng thiết bị hợp thành bằng cách vào View Rule Base khi đó sẽ xuất hiện cửa sổ sau: Trong cửa sổ này chúng ta có thể soạn thảo luật điều khiển, sửa đổi luật, xoá một luật điều khiển, chèn một luật điều khiển, xoá một trường. Mỗi luật điều khiển đều phải có đầy đủ tất cả biến ngôn ngữ đầu vào trong mệnh đề điều kiện và tất cả biến ngôn ngữ đầu ra trong mệnh đề kết luận, Weighting/% chỉ hệ số an toàn của luật đó, tức là độ tin cậy mà luật sẽ được tính để tham gia trong thiết bị hợp thành. - Nguyên tắc để cài đặt luật hợp thành và giải mờ Phần mềm Flop chỉ giới thiệu hai nguyên tắc cơ bản để cài đặt luật hợp thành là max-MIN và max- PROD. Chọn nguyên tắc cài đặt bằng cách vào Inference và chọn Inference mechanism and defuzzification sẽ xuất hiện cửa sổ sau: Chọn nguyên tắc cài đặt nào thì đánh dấu vào nguyên tắc đó, cũng như vậy cho nguyên tắc giải mờ. Flop cung cấp 7 nguyên tắc giải mờ khác nhau. Kết thúc việc chọn nguyên lý cài đặt luật hợp thành bằng cách ấn phím OK. - Ngoài ra trong menu Inference còn có simulation để xem đường đặc tính quan hệ truyền đạt có dạng như sau: - Sau khi đ• hoàn tất các thủ tục như định nghĩa biến ngôn ngữ vào ra, định nghĩa các giá trị mờ cho từng biến, chọn nguyên tắc cài đặt thiết bị hợp thành và phương pháp giải mờ, về nguyên tắc công việc xây dựng bộ điều khiển mờ bằng Modul Flop đ• hoàn tất. Quay về cửa sổ chính của Flop, lúc này trên cửa sổ chính của flop là cấu trúc của một bộ điều khiển mờ với tất cả các biến ngôn ngữ vào ra đ• được định nghĩa cửa sổ này màn hình Flop sẽ như sau: 4.1.1.2 Modul mô phỏng BORIS Có cấu trúc khối đặc trưng cho một khâu động học trong hệ thống điều khiển tự động. Bằng phần mềm BORIS có thể mô phỏng hệ thống điều khiển tự động liên tục tuyến tính, hệ gián đoạn hệ phi tuyến và hệ mờ. Cửa sổ chính của modul BORIS có dạng như sau, trong đó theo chiều ngang là các khối chức năng có thể gọi trực tiếp vào hệ đang Thiết kế *) Thư viện hệ thống phong phú + Máy phát tín hiệu (xung tam giác, xung chữ nhật, hình sin, nhiễu, các hàm kiểm tra) + Các khâu tuyến tính tiêu chuẩn (P, I, D, PT1….) + Các bộ điều khiển tuyến tính và phi tuyến tiêu chuẩn, bộ điều khiển thích nghi + Thiết bị hiển thị + Các hàm thống kê + Các mạch tổ hợp logic Sau khi chúng ta đ• thực hiện xong các thao tác trong của sổ Flop ta vào cửa sổ BORIS và tiến hành xây dựng hệ thống cần mô phỏng đồng thời thiết lập các thông số của đối tượng cũng như bộ điều khiển dùng trong hệ thống. Tiến hành chạy thử hệ thống quan sát đặc tuyến đầu ra và hiệu chỉnh các thông số để thu được đặc tuyến phù hợp nhất. Cả hai modul này cài đặt được trên các loại máy PC có bộ vi xử lý từ Intel 80386 trở lên và chạy với hệ điều hành Windows. 4.1.2 Các bước thực hiện mô phỏng hệ điều khiển mờ. Mô phỏng hệ thống điều khiển mờ cho lò điện trở bằng phần mềm Winfact sử dụng thuật toán điều khiển đ• được trình bày ở chương 3. Vì vậy trong phần này chúng em chỉ trình bày các thao tác thực hiện trên phần mềm Winfact. Bước 1: Định nghĩa biến ngôn ngữ và các giá trị mờ Như đ• trình bày ở phần trước, miền xác định giá trị biến ngôn ngữ ET biến đổi từ -240C đến 240C, giá trị biến đổi của DET từ -3 C/s đến 3 C/s và tín hiệu ra điều khiển góc mở của Thyristor chọn trong khoảng 200C đến 1000C Cửa sổ khai báo các biến ngôn ngữ ET, DET, (góc mở) và các giá trị vật lý cho nó có dạng sau: Hình 4.1a : Khai báo bộ điều khiển Hình 4.1b: Khai báo bộ điều khiển Hình 4.1c: Khai báo bộ điều khiển Bước 2: Định nghĩa tập mờ Trong bước này chúng ta cần thực hiện các công việc sau: - Chọn tên biến ngôn ngữ - Chọn kiểu hàm liên thuộc cho tập mờ. Hàm liên thuộc mặc định là một tam giác cân có hai đáy tương ứng với điểm đầu và điểm cuối của tập mờ là giá trị nhỏ nhất và lớn nhất trong miền xác định của biến ngôn ngữ. Có ba loại hàm liên thuộc có thể chọn là hình thang, hình tam giác và singleton. Hình 4.2a: Giao diện chọn số biến và đặt dải cho biến đầu vào ET Hình 4.2b: Giao diện chọn số biến và đặt dải cho biến đầu vào DET Hình 4.2c: Giao diện chọn số biến và đặt dải cho biến đầu vào GOCMO Hình 4.2: Giao diện chọn số biến và đặt dải cho các biến đầu vào và ra. Bước 3: Xây dựng luật hợp thành Hình 4.3. Xây dựng luật điều khiển mờ Nguyên tắc cài đặt luật hợp thành và giải mờ: Phần mềm FLOP chỉ giới thiệu 2 nguyên tắc cơ bản để cài đặt luật hợp thành là Max- Min và Max- Prod. Phần mềm này còn cung cấp 7 phương pháp giải mờ khác nhau. Chúng em chọn giải mờ theo phương pháp trung bình được mô phỏng bởi cửa sổ sau: Hình 4.4: lựa chọn luật hợp thành Nhìn vào hình dưới đây chúng ta có thể thấy được đường đặc tính quan hệ truyền đạt Hình 4.5: Mối quan hệ giữa các biến đầu vào và ra Bước4 : Hoàn thiện bộ điều khiển mờ đ• xây dựng. Sau khi đ• hoàn thành tất cả các thủ tục như định nghĩa biến ngôn ngữ vào ra, định nghĩa các giá trị mờ cho từng biến, chọn nguyên tắc cài đặt thiết bị hợp thành và phương pháp giải mờ, về nguyên tắc việc xây dựng bộ điều khiển mờ bằng modul Flop đ• hoàn tất. Quay về cửa sổ chính của Flop, lúc này trên cửa sổ chính của Flop là cấu trúc của bộ điều khiển mờ với tất cả các biến ngôn ngữ vào ET, DET và biến ngôn ngữ ra cùng với tất cả các giá trị mờ của chúng cho một bộ điều khiển mờ được cài đặt theo nguyên lý MAX- MIN với giải mờ bằng phương pháp trung bình. Cửa sổ Flop lúc đó như sau: Hình 4.6: Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ Bước 5: Kết quả mô phỏng hệ thống điều khiển mờ đ• thiết kế, bằng Modul Boris Các kết quả thiết kế trên được kiểm chứng lại bằng Modul Boris. Sơ đồ mô phỏng hệ thống được mô tả trong hình dưới đây: Hình 4.7: Sơ đồ mô phỏng hệ thống Kết quả mô phỏng cho trường hợp chọn luật hợp thành Max-Min và giải mờ theo phương pháp trung bình. Nhận xét: Nhìn vào đặc tuyến trên ta thấy: - Thời gian quá độ t = 200s < 400s - Độ quá điều chỉnh %= .100% = .100% =16.67% < 20% - Số lần đập mạch để hệ thống trở về ổn định là 1 - Không có sai lệch tĩnh Vậy hệ thống có chất lượng tốt đảm bảo các yêu cầu của bài toán đặt ra. 4.2. Mô phỏng trên MatLab 4.2.1 Giới thiệu chung về phần mềm MATLAB Chương trình MATLAB là một chương trình viết cho máy PC nhằm hỗ trợ cho các tính toán khoa học và kỹ thuật với các phầm tử cơ bản là ma trận trên máy tính cá nhân do công ty “the MATHWORKS” viết ra. Thuật toán MATLAB có được là do hai từ MATRIX và LABORTORY ghép lại.Chương trình này hiện đang được sử dụng nhiều trong nghiên cứu các vấn đề tính toán của các bài toán kỹ thuật như: lý thuyết điều khiển tự động, kỹ thuật thống kê xác suất, xử lý số các tín hiệu… Hình 4.8: Giao diện để thiết kế hệ mờ MATLAB được điều khiển bởi các tập lệnh, tác động qua bàn phím. Nó cũng cho phép một khả năng lập trình với cú pháp thông dịch lệnh- còn gọi là Script file. Các lệnh hay bộ lệnh của MATLAB lên đến số hàng trăm và ngày càng được mở rộng bởi các phần TOOLS BOX hay thông qua các hàm ứng dụng được xây dựng từ người sử dụng. MATLAB có hơn 25 TOOLS BOX để trợ giúp cho việc khảo sát những vấn đề có liên quan trên.TOOLS BOX SIMULINK là phần mở rộng của MATLAB, sử dụng để mô phỏng các hệ thống động học một cách nhanh chóng và tiện lợi. Trong đồ án này để mô phỏng hệ thống chúng em sử dụng phần mềm FUZZY LOGIC TOOLBOX- MATLAB Bộ điều khiển mờ được thiết kế trên cơ sở mô hình mờ Mamdani, đó là bộ điều khiển mờ MISO. Mô phỏng thuật toán điều khiển mờ ổn định nhiệt gío nóng trên phần mềm MATLAB 4.2.2 Xác định thông số của bộ điều khiển bằng phương pháp tối ưu độ lớn + Xác định thông số của bộ điều khiển PI. Xấp xỉ khâu giữ trễ theo công thức : trong đó . Chọn n =1 ta có G(s) = . Hàm truyền của đối tượng sau khi xấp xỉ : Ta sử dụng bộ PI với thông số : TI = T1 = 500 Kp = 4.2.3 Chỉnh định mờ bộ PI với Kr Các biến vào ra: Hình 4.9: Sơ đồ khối bộ mờ chỉnh định Kr Gồm 2 biến đầu vào và 1 biến đầu ra. + Biến đầu vào E có dải như sau : + Biến đầu vào DE có dải như sau: + Biến đầu ra TI có dải như sau : + Luật hợp thành Ti : NB NM NS ZE PS PM PB NB S S S S S S S NM B B S S S B B NS B B B S B B B ZE B B B B B B B PS B B B S B B B PM B B S S S B B PB S S S S S S S + Luật mờ được thiết lập trên phần mền MatLab: Hình 4.10: Bốn chín luật mờ chỉnh định Kr + Đường đặc tính quan hệ giữa luật hợp thành và các biến đầu vào và ra trong không gian. + Đặc tính của bộ mờ sau khi đặt luật trên MatLab. Hình 4.11: Đặc tuyến đầu ra của bộ mờ chỉnh định Kr + Sơ đồ của hệ thống : Chọn k =6 không đổi, dùng bộ mờ điều khiển thay đổi thông số Ti của bộ điều khiển PI . Ti biến đổi trong khoảng [503 507]. Hình 4.12: Sơ đồ hệ thống dùng phương pháp mờ chỉnh định K của bộ PI + Tín hiệu đặt là hàm Step : Hình 4.13: Tín hiệu ra của hệ thống dùng phương pháp mờ chỉnh định K của bộ PI khi tín hiệu đặt là Step + Tín hiệu đặt là hàm Constant = 0.6 : Hình 4.14: Tín hiệu ra của hệ thống dùng phương pháp mờ chỉnh định K của bộ PI khi tín hiệu đặt là hàm constants = 0.6 Nhận xét : Khi thay đổi tín hiệu đặt thì tín hiệu ra của hệ thống luôn bám vào tín hiệu đặt, như vậy ta đ• đặt được nhiệt độ cần đặt. Thời gian quá độ tqd =260(s) < 400(s) Độ quá điều chỉnh % = 100% = 0 Không có sai lệch tĩnh. Vậy hệ thống thiết kế đảm bảo yêu cầu của bài toán đặt ra tqd nhỏ hơn 400(s) và độ quá điều chỉnh nhỏ hơn 20%. 4.2.4.Thiết kế bộ điều khiển mờ dùng bộ điều khiển PI giữ nguyên Ti=500 thay đổi Kr Thiết kế luật điều khiển mờ trên phần mền MatLab: - Các biến vào ra: Hình 4.15: Sơ đồ khối bộ mờ chỉnh định Ti Gồm 2 biến đầu vào và 1 biến đầu ra. + Biến đầu vào E có dải như sau : + Biến đầu vào DE có dải như sau : + Biến đầu ra Kr có dải như sau : + Luật hợp thành Kr : NB NM NS ZE PS PM PB NB B B B B B B B NM S B B B B B S NS S S B B B S S ZE S S S B S S S PS S S B B B S S PM S B B B B B S PB B B B B B B B + Luật mờ được thiết lập trên phần mềm MatLab: Hình 4.16: Bốn chín luật mờ chỉnh định Ti + Đường đặc tính quan hệ giữa luật hợp thành và các biến đầu vào và ra trong không gian. + Đặc tính của bộ mờ sau khi đặt luật trên MatLab Hình 4.17: Đặc tuyến đầu ra của bộ mờ chỉnh định Ti + Sơ đồ của hệ thống : Chọn Ti = 500 không đổi, dùng bộ mờ điều khiển thay đổi thông số Kr của bộ điều khiển PI. Kr biến đổi trong khoảng [5 6 ]. Hình 4.18: Sơ đồ hệ thống dùng phương pháp mờ chỉnh định Ti của bộ PI + Tín hiệu đặt là hàm Step : Hình 4.19: Tín hiệu ra của hệ thống dùng phương pháp mờ chỉnh định Ti của bộ PI khi tín hiệu đặt là Step + Tín hiệu đặt là hàm Constans = 0.6 : Hình 4.20: Tín hiệu ra của hệ thống dùng phương pháp mờ chỉnh định Ti của bộ PI khi tín hiệu đặt là hàm constants = 0.6 Nhận xét: Thời gian quá độ tqd =300(s) < 400(s). Độ quá điều chỉnh % = 100% = 0. Không có sai lệch tĩnh. Vậy hệ thống thiết kế đảm bảo yêu cầu của bài toán đặt ra tqd nhỏ hơn 400(s) và độ quá điều chỉnh nhỏ hơn 20%. 4.3. Đánh giá chất lượng của hệ thống điều khiển tự động 4.3.1 Lý thuyết chung đánh giá chất lượng quá trình điều khiển Chất lượng của hệ thống điều khiển tự động được đánh giá qua chỉ tiêu ổn định chất lượng khác của quá trình quá độ và quá trình xác lập. Các chỉ tiêu này bao gồm: chỉ tiêu ở trạng thái xác lập và chỉ tiêu ở trạng thái quá độ. 4.3.1.1. Đánh giá chất lượng hệ thống ở trạng thái xác lập. Chỉ tiêu chất lượng của hệ thống ở trạng thái xác lập được đánh giá bằng sai lệch tĩnh là giá trị sai lệch còn tồn tại khi quá trình điều chỉnh đ• kết thúc. Giá trị này được tính bằng công thức: S = e(t) Trong đó: e(t) là sai lệch động còn tồn tại trong quá trình điều khiển. Chất lượng của hệ thống càng tốt nếu S càng bé và ngược lại Xét hệ thống như hình: e (-) Trong đó: Wh(p) là hàm truyền của hệ thống hở Hàm truyền Wh(p) có dạng tổng quát: Wh(p)= = Với i là số lượng khâu tích phân có trong hệ thống. Hàm truyền của hệ kín có mạch phản hồi: Wk(p)= = Ta tính sai lệch E(p) của hệ kín khi biết X(p): E(p) = Sai số ở trạng thái xác lập: St = lim pE(p) = lim p Từ đây ta thấy sai lệch tĩnh St phụ thuộc vào tín hiệu vào X(p) và cấu trúc của hệ thống (biểu thị qua hàm truyền đạt Wh(p)). 4.3.1.2. Chỉ tiêu chất lượng của hệ thống ở trạng thái quá độ Chỉ tiêu chất lượng của hệ thống ở trạng thái quá độ được đánh giá bằng hai chỉ tiêu chất lượng cơ bản sau: Chỉ tiêu trực tiếp: Quá trình quá độ của điều chỉnh được đánh giá trực tiếp bằng hao chỉ tiêu chất lượng cơ bản là thời gian kéo dài điều chỉnh và tính dao động của điều chỉnh, các chỉ tiêu cơ bản này do yêu cầu chất lượng của quy trình công nghệ đặt ra. + Thời gian quá độ tquá độlà khoảng thời gian kể từ thời điểm bắt đầu có tác động nhiễu cho tới khi sai lệch quá trình điều khiển nằm trong giới hạn sai số cho phép được gọi là thời gian quá độ. Thời gian quá độ phụ thuộc độ chính xác của quá trình điều khiển. + Độ quá điều chỉnh %: Đặc trưng cho tính chất dao động của quá trình điều chỉnh, nó là sai lệch cực đại trong quá trình quá độ so với trị số xác lập tính theo phần trăm. Nếu tính theo nhiễu đặt trước: % = 100% Nếu tính theo nhiễu phụ tải: %= 100% + số lần dao động n: xung quanh giá trị cân bằng Các chỉ tiêu do yêu cầu công nghệ đặt ra. Hai chỉ tiêu ở trên ngược nhau, nhỏ thì t lớn và ngược lại. Giá trị của n thông thường đòi hỏi <3 và để đảm bảo bảo tối ưu tác động nhanh và hạn chế giá trị tăng vọt của thông số điều khiển nên độ quá điều chỉnh từ 20%- 30% chỉ tiêu gián tiếp: dùng các phương pháp như tích phân, phương pháp phân bổ nghiệm số của phương trình đặc tính. 4.3.2. Đánh giá chất lượng hệ thống điều khiển lò điện trở 4.3.2.1. Đánh giá chất lượng hệ thống điều khiển lò điện trở trực tiếp bằng bộ điều khiển mờ. Từ đặc tuyến đầu ra của hệ thống ta thấy: - Thời gian quá độ t = 200s - Độ quá điều chỉnh 100% = 100%= 16.67% - Số lần đập mạch để hệ thống trở về ổn định là 1 - Không có sai lệch tĩnh Vậy hệ thống có chất lượng tốt đảm bảo các yêu cầu của một hệ thống điêù khiển tự động. Tuy nhiên phương pháp này có nhược điểm là chỉ mô phỏng được trên phần mềm Winfact. 4.3.2.2. Đánh giá chất lượng hệ thống điều khiển lò điện trở gián tiếp dùng bộ điều khiển mờ để chỉnh định các thông số của bộ PI. a) Giữ nguyên KR thay đổi Ti Từ đường đặc tuyến đầu ra ta thấy khi thay đổi tín hiệu đặt thì tín hiệu ra của hệ thống luôn bám vào tín hiệu đặt. Do vậy ta có thể đặt bất kỳ một giá trị đầu vào nào thì đầu ra luôn bám theo tín hiệu đặt. Thời gian quá độ tqd=260(s). Độ quá điều chỉnh % = 0. Không có sai lệch tĩnh. Vậy sử dụng phương pháp thiết kế này không những cho chất lượng của hệ thống tốt, mà còn có thể thay đổi được khoảng đầu ra cho bộ điều khiển mờ (thay đổi khoảng giá trị của Ti). Do đó khi không xác định được một cách chính xác hàm truyền của đối tượng ta cũng có thể điều khiển nó trong một phạm vi cho phép. Vì vậy hệ thống có thể điều khiển với rất nhiều đối tượng. Đây là ưu điểm lớn nhất của bộ điều khiển hiện đại so với bộ điều khiển kinh điển. b) Giữ nguyên Ti thay đổi KR Thời gian quá độ tqd=300(s). Độ quá điều chỉnh % = 0. Không có sai lệch tĩnh. Vậy sử dụng phương pháp thiết kế này không những cho chất lượng của hệ thống tốt, mà còn có thể thay đổi được khoảng đầu ra cho bộ điều khiển mờ (thay đổi khoảng giá trị của KR). Do đó khi không xác định được một cách chính xác hàm truyền của đối tượng ta cũng có thể điều khiển nó trong một phạm vi cho phép. Vì vậy hệ thống có thể điều khiển với rất nhiều đối tượng. Đây là ưu điểm lớn nhất của bộ điều khiển hiện đại so với bộ điều khiển kinh điển. * Kết luận chương 4 Chương 4 chúng em đ• thực hiện được những công việc sau; - Nghiên cứu phần mềm WinFact 7.0 + Các khối hàm chức năng, công cụ của phần mềm + Giao diện để thiết kế bộ điều khiển mờ + Giao diện để thiết kế một hệ thống tự động - Thiết kế hệ thông điều khiển lò điện trở bằng phương pháp trực tiếp trên phần mền WinFact. - Nghiên cứu cách sử dụng phần mền MatLab 7.5 để thiết kế hệ thống điều khiển mờ. + Giao diện thiết kế bộ điều khiển mờ + Giao diện thiết kế hệ thống điều khiển tự động dùng bộ điều khiển mờ. - Thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ của lò điện trở dùng bộ điều khiển mờ chỉnh định Kr, Ti của bộ PI trên phần mềm MatLab 7.5. - Đánh giá chất lượng của 3 hệ thống đ• thiết kế theo các chỉ tiêu chất lượng của một hệ thống tự động cần phải đảm bảo và theo yêu cầu hệ thống mà giáo viên hướng dẫn cho trước. - Kết quả trên đ• khẳng định tính đúng đắn của thuật toán tổng hợp bộ điều khiển mờ đ• trình bày ở chương 1, đồng thời cho thấy tính ưu việt của hệ điều khiển mờ trong việc điều khiển các đối tượng. Chương 5 Kết luận và khuyến nghị 5.1 Kết luận Sau gần 5 tháng làm việc nghiêm túc với sự nỗ lực của bản thân dưới sự giúp đỡ tận tình của các thầy cô giáo trong bộ môn Điện- Trường ĐHSPKT Hưng Yên và các thầy cô giáo trong bộ môn điều khiển tự động trường ĐHBK Hà Nội. Đặc biệt là cô giáo hướng dẫn Th.s Lê Thị Minh Tâm và thầy giáo Th.s Nguyễn Viết Ngư người đ• hướng dẫn chúng em hoàn thành đồ án này. Đồ án tốt nghiệp này đ• thực hiện được những nhiệm vụ đặt ra, đó là: 1. Tổng quan lý thuyết điều khiển mờ Trong chương này chúng em đ• đề cập đến những vấn đề sau: - Lịch sử phát triển lý thuyết mờ. - Bộ điều khiển mờ và ưu điểm của nó. - Một số khái niệm cơ bản: khái niệm về tập mờ, độ cao, miền xác định và miền tin cậy của tập mờ. - Các phép toán trên tập mờ: hợp hai tập mờ, biến ngôn ngữ. - Luật hợp thành. - Các phương pháp giải mờ: phương pháp cực đại, phương pháp trọng tâm. - Các khâu điều khiển mờ. Đồng thời trong chương này chúng em đ• trình bày các phương pháp toán học để tổng hợp và phân tích một hệ thống tổng hợp mờ cung cấp cho bạn đọc những kiến thức cơ bản nhất để có khả năng tự tổng hợp bộ điều khiển mờ đơn giản. 2. Đặc điểm công nghệ của lò điện trở Trong chương 2 chúng em đ• thực hiện được một số công việc sau: - Mô tả được mô hình lò sấy. - Phân loại lò điện trở. - Nêu được ưu điểm của lò điện trở. - Nhận dạng đối tượng. Qua đó ta nhận thấy lò điện trở có tính phi tuyến cao và có quán tính lớn vì vậy để điều khiển được nhiệt độ của lò một cách chính xác thì việc nghiên cứu đặc điểm của lò là một việc làm hết sức quan trọng nó giúp ích rất nhiều trong việc thiết lập luật mờ cho bộ điều khiển. Từ đường đặc tuyến động học cho sẵn chúng em đ• tính toán các thông số của đối tượng, từ đó xác định được hàm truyền của đối tượng lò điện trở giúp ích cho việc mô phỏng hệ thống điều khiển mờ cho lò điện trở ở chương sau. 3. Thiết kế bộ điều khiển mờ Trong chương 3 chúng em đi thiết kế bộ điều khiển mờ nhằm mục đích xác định các thông số cho bộ điều khiển để mô phỏng hệ thống ở chương sau. Trong chương này chúng em đ• đưa ra 2 phương pháp để điều khiển lò điện trở đó là điều khiển gián tiếp và điều khiển trực tiếp. Đối với phương pháp điều khiển trực tiếp được mô phỏng trên phần mềm Winfact còn phương pháp điều khiển gián tiếp được mô phỏng trên phần mềm Matlab 4. Mô phỏng hệ thống điều khiển mờ cho lò điện trở trên phần mềm MatLab và WinFact - Nghiên cứu phần mềm WinFact 7.0 + Các khối hàm chức năng, công cụ của phần mền + Giao diện để thiết kế bộ điều khiển mờ + Giao diên để thiết kế một hệ thống tự đông - Thiết kế hệ thông điều khiển lò điện trở bằng phương pháp trực tiếp trên phần mền WinFact. - Nghiên cứu cách sử dụng phần mền MatLab 7.5 để thiết kế hệ thống điều khiển mờ. + Giao diện thiết kế bộ điều khiển mờ + Giao diện thiết kế hệ thống điều khiển tự động dùng bộ điều khiển mờ. - Thiết kế hệ thông điều khiển nhiệt độ của lò điện trở dùng bộ điều khiển mờ chỉnh định Kr, Ti của bộ PI trên phần mềm MatLab 7.5. - Đánh giá chất lượng của 3 hệ thông đ• thiết kế theo các chỉ tiêu chât lưọng của một hệ thống tự động cần phải đảm bảo và theo yêu cầu hệ thông mà giáo viên hướng dẫn cho trước. - Kết quả trên đ• khẳng định tính đúng đắn của thuật toán tổng hợp bộ điều khiển mờ đ• trình bày ở chương 1, đồng thời cho thấy tính ưu việt của hệ điều khiển mờ trong việc điều khiển các đối tượng. Tuy nhiên do kiến thức, kinh nghiệm còn hạn chế và thời gian có hạn nên bản đồ án này không tránh khỏi những thiếu sót và hạn chế. Vì vậy chúng em rất mong đựơc sự đóng và chỉ bảo của các thầy cô giáo để bản đồ án này được hoàn thiện hơn. Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc chúng em xin cảm ơn các thầy cô giáo trong bộ môn Điện- Trường ĐHSPKT Hưng Yên và các thầy cô trong bộ môn ĐKTĐ Trường ĐHBK Hà Nội. Đặc biệt là cô giáo Th.s Lê Thị Minh Tâm và thầy giáo Th.s Nguyễn Viết Ngư, người đ• hướng dẫn em hoàn thành bản đồ án này. 5.2 Khuyến nghị Với việc nghiên cứu cách sử dụng phần mềm Winfact chúng em hy vọng phần mềm này sẽ được đưa vào ứng dụng mô phỏng thiết kế và mô phỏng một số hệ điều khiển tự động và hỗ trợ cho việc giảng dạy môn điều khiển tự động ở Trường ĐHSPKT Hưng Yên. Cuốn đồ án này sẽ là tài liệu tham khảo cho các sinh viên nghiên cứu lý thuyết điều khiển mờ và xây dựng một hệ thống điều khiển mờ trong thực tế cũng như việc ứng dụng kết quả nghiên cứu này để lập trình cho bộ khẳ lập trình PLC để tạo ra những hệ thống điều khiển mờ theo yêu cầu thị trường. Ngoài ra nó cũng là tài liệu dùng để tham khảo sử dụng để giảng dạy môn lý thuyết điều khiển nâng cao trong các trường cao đẳng và đại học. Tài liệu tham khảo [1] Lý thuyết điều khiển mờ - Phan Xuân Minh, Nguyễn Do•n Phước - NXB KHKT – 1997 [2] Lý thuyết điều khiển - Phạm Công Ngô - NXB KHKT – 1994 [3] Hệ mờ và ứng dụng – Nguyễn Hoàng Phương, Bùi Công Cường, Nguyễn Do•n Phước, Phan Xuân Minh, Chu Văn Hỷ – NXB Khoa học và Kỹ thuật – 1998 [4] Kỹ thuật biến đổi – Võ Quang Lạp, Trần Xuân Minh - Đại Học KTCN Thái Nguyên – 1998 [5] Vấn đề ứng dụng điều khiển mờ trong điều khiển truyền động điện – Nguyễn Trọng Thuần, Vũ Vân Hà - Thông báo khoa học các trường đại học – Chuyên san Điện- Điện tử- Tự động hoá - 1995 [6] Fuzzy Logic - A Practical Approach – F. Marti, Meneill and Ellen Thro – Acdemic Press – 1994 [7] Fuzzy Control – An Overview – Vieweg Verlag – 1994 [8] Fuzzy Logic Technology & Applications – R.J.Marks II – IEEE – 1994 [9] An Application of Fuzzy Logic to Posotion Regulator of D.C Servo Systems – Nguyen Trong Thuan, Nguyen Van Thang – Industrial Automation Fac. Hanoi University of Technology – Vietnam – Japan Bilateral Symposium on Fuzzy Systems And Application- VJFuzzy’98 – 1998.