Cải thiện chất lượng hệ điều khiển quá trình đa biến bằng bộ điều khiển mờ lai

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

------

HOÀNG HỒNG NGA

CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG HỆ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH

ĐA BIẾN BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

THÁI NGUYÊN-2015

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

------

HOÀNG HỒNG NGA

CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG HỆ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH

ĐA BIẾN BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

Mã số: 60.52.02.16

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS. ĐẶNG DANH HOẰNG

THÁI NGUYÊN- 2015

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập- Tự do- Hạnh phúc

BÁO CÁO VỀ VIỆC TIẾP THU, BỔ SUNG, CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC

SĨ THEO NGHỊ QUYẾT CỦA HỘI ĐỒNG ĐÁNH GIÁ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Học viên: Hoàng Hồng Nga

Tên đề tài: “ Cải thiện chất lượng hệ điều khiển quá trình đa biến bằng bộ điều

khiển mờ lai”

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

Mã số: 60.52.02.16

Người hướng dẫn: TS. Đặng Danh Hoằng

Căn cứ nội dung Nghị quyết, Biên bản chi tiết cuộc họp hội đồng chấm luận văn

thạc sĩ (HĐ) họp ngày 19 tháng 01 năm 2015, học viên đã nghiên cứu những nội dung

quyết nghị và kết luận của HĐ, đối chiếu với nội dung luận văn, tôi xin giải trình chi

tiết các nội dung sau:

Những nội dung luận văn đề nghị chỉnh sửa:

1. Chỉnh sửa lỗi chế bản, in ấn.

2. Cách tính toán thông số bộ điều khiển PID.

3. Chưa đề cập tới trễ trong điều khiển quá trình.

Tiếp thu ý kiến của HĐ, tác giả đã chỉnh sửa nội dung luận văn cụ thể như sau:

1. Đã chỉnh sửa lỗi chế bản, in ấn.

2. Đã đưa ra các căn cứ tính toán thông số bộ điều khiển PID.

3. Đã đề cập tới trễ trong điều khiển quá trình.

Trên đây là toàn bộ các giải trình và những vấn đề được bổ sung, sửa chữa trong

luận văn của học viên theo Nghị quyết và Biên bản họp HĐ.

Xin chân trọng cảm ơn!

Thái Nguyên, ngày tháng năm 2015

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN HỌC VIÊN

(Ký và ghi rõ họ tên) (Ký và ghi rõ họ tên)

XÁC NHẬN CỦA PHÒNG ĐÀO TẠO

(Ký và ghi rõ họ tên)

i

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Hoàng Hồng Nga.

Sinh ngày 14 tháng 07 năm 1989.

Học viên lớp cao học khóa 15 - TĐH - Trường đại học kỹ thuật Công nghiệp Thái

Nguyên.

Hiện đang công tác tại: .

Ngày giao đề tài: Ngày tháng năm 2014.

Ngày hoàn thành đề tài: Ngày 10 tháng 12 năm 2014.

Xin cam đoan luận văn “ Cải thiện chất lượng hệ điều khiển quá trình đa biến

bằng bộ điều khiển mờ lai” do thầy giáo TS. Đặng Danh Hoằng hướng dẫn là công

trình nghiên cứu của riêng tôi. Tất cả các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ

rõ ràng.

Tôi xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận văn đúng như nội dung trong

đề cương và yêu cầu của thầy giáo hướng dẫn. Nếu có vấn đề gì trong nội dung của

luận văn, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm với lời cam đoan của mình.

Thái Nguyên, ngày tháng năm 2014

Học viên

Hoàng Hồng Nga

ii

LỜI CẢM ƠN

Sau thời gian nghiên cứu, làm việc khẩn trương và được sự hướng dẫn tận tình

giúp đỡ của thầy giáo TS. Đặng Danh Hoằng, luận văn với đề tài “ Cải thiện chất

lượng hệ điều khiển quá trình đa biến bằng bộ điều khiển mờ lai” đã được hoàn

thành.

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới:

Thầy giáo hướng dẫn TS. Đặng Danh Hoằng đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ tôi

hoàn thành luận văn.

Các thầy cô giáo Trường Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên và một số

đồng nghiệp, đã quan tâm động viên, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập để hoàn

thành luận văn này.

Mặc dù đã cố gắng hết sức, song do điều kiện thời gian và kinh nghiệm thực tế

của bản thân còn ít, cho nên đề tài không thể tránh khỏi thiếu sót. Vì vậy, tôi mong

nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy giáo, cô giáo và các bạn bè đồng nghiệp.

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Thái Nguyên, ngày tháng năm 2014

Học viên

Hoàng Hồng Nga

iii

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................... i

LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................ii

MỤC LỤC ................................................................................................................. iii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT .......................................................................... vi

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .............................................................................. vii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ..............................................................viii

MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1

Chương 1. HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH ĐA BIẾN ............................ 4

1.1. Các khái niệm cơ bản về quá trình và điều khiển quá trình ............................. 4

1.1.1. Các khái niệm cơ bản ................................................................................ 4

1.1.2. Mục đích và yêu cầu của điều khiển quá trình .......................................... 6

1.2. Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển quá trình .............................. 9

1.2.1. Cấu trúc cơ bản ........................................................................................ 10

1.2.2. Các thành phần cơ bản ............................................................................ 10

1.2.2.1. Thiết bị đo ........................................................................................ 11

1.2.2.2. Thiết bị điều khiển ............................................................................ 11

1.3. Các hệ điều khiển đa biến trong công nghiệp .................................................. 13

1.3.1. Giới thiệu chung ...................................................................................... 13

1.3.2. Một số quá trình đa biến tiêu biểu ........................................................... 16

1.3.2.1. Mô hình tháp chưng cất hai thành phần............................................ 16

1.3.2.2. Lò hơi ............................................................................................... 16

1.3.2.3. Mô hình bể trộn dung dịch ................................................................ 18

1.4. Kết luận chương 1 ............................................................................................. 18

Chương 2. MÔ TẢ TOÁN HỌC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH ĐA

BIẾN ......................................................................................................................... 19

2.1. Đặt vấn đề.......................................................................................................... 19

2.2. Xây dựng mô hình quá trình ............................................................................ 19

2.2.1. Các bước tiến hành .................................................................................. 19

iv

2.2.2. Nhận biết các biến quá trình.................................................................... 20

2.3. Xây dựng các phương trình mô hình ............................................................... 22

2.3.1. Lựa chọn mô hình ................................................................................... 22

2.3.2. Phương trình cân bằng vật chất: ............................................................. 23

2.3.3. Bậc tự do của hệ thống ............................................................................ 26

2.3.4. Mô hình hàm truyền đạt .......................................................................... 26

2.4. Mô hình toán của ĐKQT đa biến ..................................................................... 29

2.4.1. Xây dựng bộ tách kênh phân ly ............................................................... 30

2.4.2. Xây dựng bộ tách kênh giữ nguyên hàm truyền đối tượng ..................... 31

2.5. Kết luận chương 2 ............................................................................................. 34

Chương 3. ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH ĐA BIẾN

VỚI BỘ ĐIỀU KHIỂN PID BẰNG MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM ............. 35

3.1. Đặt vấn đề.......................................................................................................... 35

3.2. Tổng quan bộ điều khiển PID .......................................................................... 35

3.2.1. Thiết kế bộ điều khiển trên cơ sở hàm quá độ h(t) .................................. 36

3.2.1.1. Phương pháp Ziegler – Nichols ........................................................ 36

3.2.1.2. Phương pháp Chien – Hrones – Reswick .......................................... 37

3.2.1.3. Phương pháp hằng số thời gian tổng của Kuhn. ............................... 38

3.2.2. Thiết kế điều khiển ở miền tần số ........................................................... 39

3.2.2.1. Nguyên tắc thiết kế ........................................................................... 39

3.2.2.2. Phương pháp tối ưu modul ............................................................... 39

3.3. Sơ đồ cấu trúc điều khiển đa biến .................................................................... 41

3.3.1. Điều khiển mức ........................................................................................ 41

3.4.2. Điều khiển nhiệt....................................................................................... 42

3.4. Đánh giá chất lượng hệ thống bằng mô phỏng trên Matlab – Simulink ........ 43

3.4.1. Cấu trúc mô phỏng .................................................................................. 43

3.4.2. Các kết quả mông phỏng ......................................................................... 44

3.4.2.1. Kết quả mô phỏng hệ điều khiển mức cho đối tượng đa biến ............ 44

3.4.2.2. Kết quả mô phỏng hệ điều khiển nhiệt độ cho đối tượng đa biến ...... 44

3.5. Đánh giá chất lượng hệ thống bằng thực nghiệm ............................................ 45

v

3.5.1. Cấu hình thực nghiệm về điều khiển mức tại trung tâm thí nghiệm ....... 45

3.5.2. Giới thiệu về mô hình thực nghiệm ......................................................... 46

3.5.3. Các kết quả thực nghiệm ......................................................................... 48

3.6. So sánh kết quả mô phỏng và kết quả thực nghiệm: ....................................... 49

3.7. Kết luận chương 3 ............................................................................................. 49

Chương 4. CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN MỨC VÀ NHIỆT ĐỘ

CHO QUÁ TRÌNH ĐA BIẾN BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI....................... 50

4.1. Tổng quan hệ logic mờ và điều khiển mờ ........................................................ 50

4.1.1. Hệ Logic mờ ............................................................................................. 50

4.1.1.1. Khái niệm về tập mờ ......................................................................... 50

4.1.1.2. Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ ...................................................... 51

4.1.2. Bộ điều khiển mờ ..................................................................................... 58

4.1.2.1. Bộ điều khiển mờ động ..................................................................... 58

4.1.2.2. Điều khiển mờ lai ............................................................................. 60

4.2. Thiết kế bộ điều khiển mờ lai ........................................................................... 62

4.2.1. Đặt vấn đề ................................................................................................ 62

4.2.2. Mờ hoá ..................................................................................................... 62

4.3. Mô phỏng các bộ điều khiển đã thiết kế .......................................................... 63

4.4. Kết quả mô phỏng hệ thống.............................................................................. 63

4.4.1. Sơ đồ mô phỏng ....................................................................................... 63

4.4.1.1. Điều khiển mức ................................................................................. 64

4.4.1.2. Điều khiển nhiệt độ ........................................................................... 65

4.4.2. Kết quả mô phỏng .................................................................................... 66

4.4.2.1. Điều khiển mức ................................................................................. 66

4.4.2.2. Điều khiển nhiệt độ ........................................................................... 67

4.4.3. Đánh giá kết quả ...................................................................................... 67

4.5. Kết luận chương 4 ............................................................................................. 67

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................................... 68

TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................... 69