Nghiên cứu bộ điều khiển PID - Mờ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸTHUẬT CÔNG NGHIỆP

HOÀNG BÍCH THUỶ

NGHIÊN CỨU BỘ ĐIỀU KHIỂN PID - MỜ

Ngành: TỰ ĐỘNG HOÁ

Mã số:

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

THÁI NGUYÊN - 2010

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình do tôi tự làm và nghiên cứu, trong

luận văn có sử dụng một số tài liệu tham khảo nhƣ đã nêu trong phần tài liệu tham

khảo.

Tác giả luận văn

Hoàng Bích Thuỷ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

MỤC LỤC

MỤC TÊN ĐỀ MỤC TRANG

CHƢƠNG 1 Tổng quan về Bộ điều khiển PID 2

1.1 Cấu trúc chung của bộ điều khiển 2

1.2 Các chỉ tiêu đánh giá chất lƣợng của hệ thống điều khiển 2

1.2.1 Chỉ tiêu chất lƣợng tĩnh 2

1.2.2 Chỉ tiêu chất lƣợng động 3

1.3 Các luật điều khiển 4

1.3.1 Quy luật điều chỉnh tỷ lệ (P). 4

1.3.2 Quy luật điều chỉnh tích phân (I) 5

1.3.3 Quy luật điều chỉnh tỷ lệ vi phân (PD) 6

1.3.4 Quy luật điều chỉnh tỷ lệ tích phân (PI) 7

1.3.5 Quy luật điều chỉnh tỷ lệ vi tích phân (PID) 9

1.4 Các phƣơng pháp xác định tham số PID 11

1.4.1 Phƣơng pháp Ziegler – Nichols 13

1.4.1.1 Phƣơng pháp Ziegler – Nichols thứ nhất 13

1.4.1.2 Phƣơng pháp Ziegler – Nichols thứ hai 15

1.4.2 Phƣơng pháp Chien – Hrones – Reswick 16

1.4.3 Phƣơng pháp tổng T của Kuhn 18

1.4.4 Phƣơng pháp tối ƣu 19

1.4.4.1 Phƣơng pháp tối ƣu độ lớn 19

1.4.4.2 Phƣơng pháp tối ƣu đối xứng 25

1.4.5

Xác định tham số PID dựa trên quá trình tối ƣu trên máy

tính

31

1.5 Kết luận chƣơng 1 32

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

MỤC TÊN ĐỀ MỤC TRANG

CHƢƠNG 2 Bộ điều khiển mờ 34

2.1 Lịch sử phát triển của bộ điều khiển mờ 35

2.2 Một số khái niệm cơ bản về logic mờ 35

2.2.1 Định nghĩa tập mờ 35

2.2.2 Các hàm liên thuộc thƣờng đƣợc sử dụng 37

2.2.3 Biến ngôn ngữ và giá trị của biến ngôn ngữ 37

2.3 Bộ điều khiển mờ 38

2.3.1 Khâu mờ hóa 38

2.3.2 Khâu thực hiện luật hợp thành 39

2.3.3 Khâu giải mờ 43

2.4 Bộ điều khiển mờ tĩnh 47

2.4.1 Khái niệm 47

2.4.2 Thuật toán tổng hợp một bộ điều khiển mờ tĩnh 47

2.4.3 Tổng hợp bộ điều khiển mờ tuyến tính từng đoạn 48

2.5 Bộ điều khiển mờ động 49

2.6 Bộ điều khiển mờ động lai PID 52

2.6.1 Giới thiệu chung 52

2.6.2 Bộ điều khiển mờ lai kinh điển 53

2.6.3 Bộ điều khiển mờ lai cascade 53

2.6.4 Bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID 54

2.6.5 Bộ điều khiển mờ tự chỉnh cấu trúc 54

2.7 Kết luận chƣơng 2 55

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

DANH MỤC CÁC BẢNG

SỐ HIỆU TÊN HÌNH VẼ TRANG

H.1.1 Cấu trúc hệ thống điều khiển 2

H.1.2 Thể hiện đặc tính của sai số xác lập 3

H.1.3 Thể hiện đặc tính của lƣợng quá điều chỉnh 3

H.1.4 Thể hiện đặc tính của thời gian quá độ 4

H.1.5 Thể hiện đặc tính của số lần dao động 4

H.1.6 Các đặc tính của quy luật điều chỉnh tỷ lệ vi phân 7

H.1.7 Các đặc tính của quy luật điều chỉnh tỷ lệ tích phân 8

H.1.8 Các đặc tính của quy luật điều chỉnh tỷ lệ tích phân 9

H.1.9 Điều khiển với bộ điều khiển PID 11

H.1.10 Nhiệm vụ của bộ điều khiển PID 13

H.1.11 Xác định tham số cho mô hình xấp xỉ 14

H.1.12 Xác định hằng số khuếch đại tới hạn 15

H.1.13

Hàm quá độ cho phƣơng pháp Chien – Hrones –

Reswick

16

H.1.14 Quan hệ giữa diện tích và tổng các hằng số thời gian 18

H.1.15

Dải tần số mà ở đó có biên độ hàm đặt tính bằng 1,

càng rộng càng tốt 20

H.1.16 Điều khiên khâu quán tính bậc nhất 22

H.1.17

Minh hoạ tƣ tƣởng thiết kế bộ điều khiển PID tối ƣu

đối xứng 27

H2.1 Mờ hoá biến “Tốc độ” 38

H2.2 Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ 38

H2.3 Hàm liên thuộc của luật hợp thành 42

H2.4 Giải mờ bằng phƣơng pháp cực đại 44

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

H2.5 Giải mờ theo nguyên lý trung bình 44

H2.6 Giải mờ theo nguyên lý cận trái 45

H2.7 Giải mờ theo nguyên lý cận phải 45

H2.8 Giải mờ theo phƣơng pháp điểm trọng tâm 46

H2.9 Đặc tính vào – ra cho trƣớc 48

H2.10 Hàm liên thuộc của các biến ngôn ngữ vào ra 49

H2.11 Hệ điều khiển mờ theo luật PI 50

H2.12 Hệ điều khiển mờ theo luật PD 50

H2.13 Hệ điều khiển mờ theo luật PID 51

H2.14 Mô hình bộ điều khiển mờ lai kinh điển 53

H2.15 Cấu trúc hệ mờ lai Cascade 54

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay đến 90% các bộ điều khiển trong thực tế là dựa trên luật điều khiển

PID. Sự thông dụng của bộ điều khiển PID là ở chỗ: Đơn giản trong thiết kế và tính

toàn tham số. Thuật toán PID đƣợc xây dựng từ nhiều hƣớng nhƣ theo kinh nghiệm

hoặc phân tích.

Bộ điều khiển PID hiện nay đƣợc sử dụng khá rộng rãi để điều khiển đối

tƣợng SISO theo nguyên lý hồi tiếp. Bộ PID đƣợc sử dụng rộng rãi vì là tính đơn

giản của nó cả về cấu trúc lẫn nguyên lý làm việc, tin cậy trong điều khiển và đáp

ứng đƣợc yêu cầu chất lƣợng điều khiển trong giới hạn nhất định. Tuy nhiên bộ điều

khiển PID cũng còn tồn tại nhƣợc điểm là trong quá trình làm việc khi tham số của

hệ thống thay đổi hoặc hệ chịu nhiễu tác động thì tính bền vững của hệ không đƣợc

đảm bảo, chất lƣợng ra bị thay đổi.

Các hệ cần điều khiển trong thực tế chủ yếu là các hệ phi tuyến có chƣa các

tham số (có thể có tham số không biết trƣớc) thay đổi khi làm việc. Ngoài ra trong

quá trình làm việc hệ còn chịu nhiễu tác động từ môi trƣờng. Điều khiển các hệ

thống nói trên với các chỉ tiêu chất lƣơng cao các bộ điều khiển PID thông thƣờng

nói chung không đáp ứng đƣợc.

Để điều khiển các hệ phi tuyến mạnh, hoặc các hệ có phần tử không mô hình

hoá đƣợc, các tham số không biết trƣớc và chịu ảnh hƣởng của nhiẽu từ môi trƣờng,

thƣờng đƣợc thiết kế theo hai hƣớng: hƣớng thứ nhất Sử dụng các bộ điều khiển

hiện đại nhƣ: Điều khiển tối ƣu, điều khiển bền vững, điều khiển mờ, điều khiển

thích nghi……Hƣớng thứ 2 là sử dụng các bộ điều khiển lai để tận dụng ƣu điểm của

các bộ điều khiển nhƣ điều khiển thích nghi bền vững, PID mờ

Trong luận văn tác giả sẽ lự chon phƣơng pháp điều khiển PID mờ để xử lý

các tồn tại của bộ điều khiển PID.

Đƣợc sự hƣớng dẫn của Thày giáo TS Nguyễn Văn Vỵ ,giám đốc Sở Khoa

học và Công nghệ Thái Nguyên, tôi đã tiến hành nghiên cứu để tài: "Nghiên cứu

thiết kế bộ điều khiển PID - Mờ"

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Để giải quyết lần lƣợt các vấn đề trên, luận văn bao gồm các chƣơng sau:

Chƣơng I. TỔNG QUAN VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID

Chƣơng II. TỔNG QUAN VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ

Chƣơng III: BỘ ĐIỀU KHIỂN PID MỜ

Trong thời gian làm luận văn, với những kiến thức đƣợc học trong nhà trƣờng cùng

với tài liệu tham khảo, sách, tạp chí ở ngoài chƣơng trình học tập và đặc biệt nhờ có sự

hƣớng dẫn, giúp đỡ tận tình của thầy giáo TS Nguyễn Văn Vỵ các thầy cô trƣờng Đại học

Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên cùng các bạn đồng nghiệp mà tôi đã hoàn thành bản

luận văn này.

Tôi xin chân thành cảm ơn TS Nguyễn Văn Vỵ đã tận tình hƣớng dẫn,

cung cấp tài liệu trong quá trình nghiên cứu và làm luận văn, thày đã giành nhiều

thời gian, công sức giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp tôi hoàn thành bản

luận văn này.

Tôi xin chân thành cảm ơn các thày cô giáo trực tiếp giảng dạy và tập thể các

thày cô trong Khoa sau Đại học - Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái

Nguyên đã tạo những điều kiện thuận lợi giúp đỡ tôi hoàn thành khoá học.

Tuy nhiên do kiến thức, khả năng còn hạn chế nên không thể tránh khỏi

những thiếu sót, vì vậy tôi rất mong nhận đƣợc những ý kiến đóng góp cho bản luận

văn này.

Xin trân trọng cảm ơn !

Thái Nguyên, tháng 9 năm 2010

Học viên

Hoàng Bích Thủy

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

CHƢƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

CHƢƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID

1.1 . CẤU TRÚC CHUNG CỦA HỆ ĐIỀU KHIỂN.

Cấu trúc chung của hệ thống điều khiển tự động nhƣ hình H1.1. Trong đó:

ĐTĐT : Đối tƣợng điều khiển

TBĐK : Thiết bị điều khiển

TBĐL – CĐTH : Thiết bị đo lƣờng và chuyển đổi tín hiệu

H1.1. Cấu trúc hệ thống điều khiển

U(t) : Là tín hiệu vào của hệ thống - còn gọi là tín hiệu đặt hay lƣợng chủ

đạo để xác định điểm làm việc của hệ thống

y(t) : Tín hiệu đầu ra của hệ thống. Đây chính là đại lƣợng đƣợc điều chỉnh

x(t) : Là tín hiệu điều khiển tác động lên đối tƣợng

e(t) : Là sai lệch điều khiển

Z(t) : Là tín hiệu phản hồi

Thiết bị điều khiển là thành phần quan trọng nhất duy trì chế độ làm việc cho

cả hệ thống điều khiển.

1.2 . CÁC CHỈ TIÊU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG HỆ ĐIỀU KHIỂN.

1.2.1. Chỉ tiêu chất lƣợng tĩnh.

TBĐK ĐTĐK

TBĐL

CĐTH

U(t

)

y(t)

Z(t

)

e(t) x(t)