Ứng dụng bộ điều khiển PIN - Mờ điều khiển thiết bị nâng - hạ.

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

---------------------------------------

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID - MỜ

ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ NÂNG - HẠ

Ngành: TỰ ĐỘNG HÓA

Mã số: 60.52.6023.04.3898

Học Viên: BÙI TUẤN NGỌC

Ngƣời HD Khoa học: TS. NGUYỄN VĂN VỲ

THÁI NGUYÊN - 2011

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

i

THUYẾT MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

ĐỀ TÀI:

“ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID - MỜ ĐIỀU

KHIỂN THIẾT BỊ NÂNG - HẠ”

Ngành: TỰ ĐỘNG HOÁ

Học viên: BÙI TUẤN NGỌC

Người hướng dẫn Khoa học: TS. NGUYỄN VĂN VỲ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC HỌC VIÊN

TS. Nguyễn Văn Vỳ Bùi Tuấn Ngọc

BAN GIÁM HIỆU KHOA ĐT SAU ĐẠI HỌC

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

ii

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình do tôi nghiên

cứu và thực hiện. Trong lụân văn có sử dụng một số tài liệu

tham khảo như đã nêu trong phần “Tài liệu tham khảo”.

Tác giả luận văn

Bùi Tuấn Ngọc

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

iii

LỜI NÓI ĐẦU

Việc ứng dụng những thành tựu của khoa học kỹ thuật trong lĩnh vực tự

động hoá đã góp phần làm tăng năng suất lao động, cải thiện điều kiện lao

động đồng thời nâng cao chất lượng sản phẩm, đem lại hiệu quả kinh tế cao.

Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết điều khiển hiện đại vào thực tế đang ngày

càng phát triển mạnh mẽ trong đó có lý thuyết điều khiển mờ. Bên cạnh đó,

luật điều khiển trong các bộ điều khiển hầu hết là luật PID. Để bộ điều khiển

PID phát huy tốt hiệu quả của nó thì việc xác định và hiệu chỉnh các tham số

là rất quan trọng tuy nhiên việc hiệu chỉnh các tham số của bộ điều khiển PID

còn thụ động. Vì vậy việc nghiên cứu ứng dụng lý thuyết mờ để xác định và

hiệu chỉnh tham số cho bộ điều khiển PID cho phù hợp với các trạng thái làm

việc là cần thiết và hiện nay đang được nghiên cứu và phát triển mạnh mẽ.

Trong luận văn này tác giả sẽ nghiên cứu vấn đề “Ứng dụng bộ điều

khiển PID - Mờ điều khiển thiết bị nâng - hạ”. Nội dung gồm 3 chương như

sau:

Chƣơng I: Tổng quan về bộ điều khiển PID

Chƣơng II: Bộ điều khiển mờ

Chƣơng III: Thiết kế PID - Mờ điều khiển máy nâng - hạ

Nội dung nghiên cứu là ứng dụng lý thuyết mờ để xác định và hiệu chỉnh

tham số cho bộ điều khiển PID. Đây là một lĩnh vực phức tạp, mặt khác do

trình độ có hạn nên trong luận văn không tránh khỏi những thiếu sót. Em rất

mong được sự đóng góp ý kiến của các thày, cô giáo để bản luận văn của em

được hoàn thiện hơn.

Trong quá trình làm luận văn, em luôn nhận được sự tạo điều kiện giúp

đỡ của Khoa Sau Đại học và đặc biệt là sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo Ts.

Nguyễn Văn Vỳ - người trực tiếp hướng dẫn. Em xin chân trọng cảm ơn!

Em xin gửi lời cám ơn các thầy cô giáo Khoa Sau đại học, khoa Điện,

trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp - Đại học Thái Nguyên đã tạo điều

kiện, trang bị cho em những kiến thức cần thiết trong suốt thời gian học tập.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

iv

MỤC LỤC

Lời cam đoan..................................................................................................................ii

Lời nói đầu.....................................................................................................................iii

Mục lục ...........................................................................................................................iv

Danh mục các chữ viết tắt, các ký hiệu ..................................................................vi

Danh mục các bảng....................................................................................................viii

Danh mục các hình vẽ.................................................................................................ix

Mở đầu.............................................................................................................................1

Chương 1. TỔNG QUAN VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID .......................................2

1.1. Cấu trúc chung của hệ điều khiển ....................................................... 3

1.2. Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng hệ điều khiển............................... 3

1.2.1. Chỉ tiêu chất lượng tĩnh ................................................................ 3

1.2.2. Chỉ tiêu chất lượng động............................................................... 4

1.3. Các luật điều khiển.............................................................................. 6

1.3.1. Quy luật điều chỉnh tỷ lệ (P)......................................................... 6

1.3.2. Quy luật điều chỉnh tích phân (I).................................................. 6

1.3.3. Quy luật điều chỉnh tỷ lệ vi phân (PD)......................................... 7

1.3.4. Quy luật điều chỉnh tỷ lệ tích phân (PI)........................................ 8

1.3.5. Quy luật điều chỉnh tỷ lệ vi tích phân (PID)............................... 10

1.4. Các phương pháp xác định tham số PID........................................... 12

1.4.1. Phương pháp Ziegler - Nichols................................................... 14

1.4.2. Phương pháp Chien – Hrones – Reswick ................................... 17

1.4.3. Phương pháp tổng T của Kuhn ................................................... 19

1.4.4. Phương pháp tối ưu..................................................................... 21

1.4.5. Xác định tham số PID dựa trên quá trình tối ưu trên máy tính .. 33

1.5. Kết luận chương 1 ............................................................................. 34

Chương 2. BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ..........................................................................36

2.1. Lịch sử phát triển của logic mờ......................................................... 37

2.2. Logic mờ ........................................................................................... 38

2.2.1. Khái niệm chung......................................................................... 38

2.2.2. Các hàm liên thuộc thường được sử dụng .................................. 40

2.2.3. Biến ngôn ngữ và giá trị của biến ngôn ngữ............................... 40

2.3. Thiết kế bộ điều khiển mờ................................................................. 41

2.3.1. Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ ............................................... 41

2.3.2. Khâu mờ hóa............................................................................... 42

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

v

2.3.3. Khâu thực hiện luật hợp thành.................................................... 43

2.3.4. Khâu giải mờ............................................................................... 47

2.4. Các bộ điều khiển mờ........................................................................ 51

2.4.1. Bộ điều khiển mờ tĩnh ................................................................ 51

2.4.2. Bộ điều khiển mờ động............................................................... 54

2.4.3. Bộ điều khiển mờ lai................................................................... 57

2.4.4. Bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID.......... 60

2.4.5. Bộ điều khiển mờ tự chỉnh cấu trúc............................................ 60

2.5. Kết luận chương 2 ............................................................................. 60

Chương 3. THIẾT KẾ PID - MỜ ĐIỀU KHIỂN MÁY NÂNG – HẠ..........62

3.1. Khái niệm chung về thiết bị nâng - hạ .............................................. 63

3.2. Cấu trúc hệ điều khiển máy nâng - hạ............................................... 64

3.2.1. Mô tả toán học của động cơ điện................................................ 65

3.2.2. Mô tả toán học bộ biến đổi ......................................................... 71

3.2.3. Mô tả toán học cho máy phát tốc................................................ 73

3.2.4. Mô tả toán học cho thiết bị đo điện ............................................ 73

3.3. Thiết kế điều khiển PID .................................................................... 74

3.3.1. Tổng hợp bộ điều khiển dòng điện ............................................. 74

3.3.2. Tổng hợp bộ điều khiển tốc độ ................................................... 76

3.3.3. Tổng hợp mạch vòng vị trí ......................................................... 79

3.3.4. Tính toán thông số bộ điều khiển vị trí....................................... 84

3.3.5. Mô phỏng hệ thống..................................................................... 87

3.4. Thiết kế bộ điều khiển PID - Mờ ...................................................... 93

3.4.1. Mờ hóa ........................................................................................ 93

3.4.2. Luật điều khiển và luật hợp thành ............................................ 101

3.4.3. Giải mờ ..................................................................................... 103

3.5. Mô phỏng hệ thống ......................................................................... 104

3.5.1. Xây dựng sơ đồ mô phỏng........................................................ 104

3.5.2. Kết quả mô phỏng..................................................................... 106

3.6. Kết luận chương 3 ........................................................................... 111

KẾT LUẬN CHUNG ................................................................................ 111

KIẾN NGHỊ............................................................................................... 113

TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................114

TÓM TẮT...................................................................................................................115

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

vi

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT, CÁC KÍ HIỆU

STT Kí hiệu Diễn giải

1 ĐTĐT Đối tượng điều khiển

2 TBĐK Thiết bị điều khiển

3 TBĐL – CĐTH Thiết bị đo lường và chuyển đổi tín hiệu

4 exl Sai số xác lập

5 δmax Lượng quá điều chỉnh

6 tqd Thời gian quá độ

7 n Số lần dao động

8 K Hệ số khuếch đại

9 TI Hằng số thời gian tích phân

10 Td Hằng số thời gian vi phân

11 L Hằng số thời gian trễ

12 T Hằng số thời gian quán tính

13 Δh Độ quá điều chỉnh

14 e(t) Tín hiệu đầu vào

15 u(t) Tín hiệu đầu ra

16 Đ Động cơ một chiều

17 BBĐ Bộ biến đổi xoay chiều - một chiều

18 RI Bộ điều chỉnh dòng điện

19 Rω Bộ điều chỉnh tốc độ

20 Tf Hằng số thời gian của mạch lọc

21 Tvo Hằng số thời gian sự chuyển mạch chỉnh lưu

22 Tđk Hằng số thời gian mạch điều khiển chỉnh lưu

23 Tu Hằng số thời gian mạch phần ứng

24 Ti Hằng số thời gian xenxơ dòng điện

25 Ru Điện trở mạch phần ứng

26 Mc Mômen tải

27 Tω Hằng số thời gian máy phát tốc

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

vii

28 Lư Điện cảm mạch phần ứng

29 K Từ thông định mức

30 J Mômen quán tính

31 CL Chỉnh lưu

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

viii

DANH MỤC CÁC BẢNG

STT Kí hiệu Diễn giải

1 Bảng 3.1 Hàm liên thuộc của biến đầu vào

2 Bảng 3.2 Hàm liên thuộc của biến đầu ra

3 Bảng 3.3 Luật điều khiển cho HCKP

4 Bảng 3.4 Luật điều khiển cho HCKI

5 Bảng 3.5 Luật điều khiển cho HCKD

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

ix

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

TT Ký hiệu Diễn giải

1 Hình 1.1 Cấu trúc chung của hệ thống điều khiển

2 Hình 1.2 Đặc tính của sai số xác lập

3 Hình 1.3 Đặc tính của lượng quá điều chỉnh

4 Hình 1.4 Đặc tính của thời gian quá độ

5 Hình 1.5 Đặc tính của số lần dao động

6 Hình 1.6 Các đặc tính của quy luật điều chỉnh PD

7 Hình 1.7 Các đặc tính của quy luật điều chỉnh PI

8 Hình 1.8 Các đặc tính của quy luật điều chỉnh PID

9 Hình 1.9 Bộ điều khiển PID

10 Hình 1.10 Nhiệm vụ của bộ điều khiển PID

11 Hình 1.11 Xác định tham số cho mô hình xấp xỉ

12 Hình 1.12 Xác định hằng số khuếch đại tới hạn

13 Hình 1.13 Hàm quá độ cho phương pháp Chien – Hrones – Reswick

14 Hình 1.14 Quan hệ giữa diện tích và tổng các hằng số thời

15 Hình 1.15 Dải tần số mà ở đó có biên độ hàm đặt tính bằng 1

16 Hình 1.16 Điều khiển khâu quán tính bậc nhất

17 Hình 1.17 Bộ điều khiển PID tối ưư đối xứng

18 Hình 2.1 Mờ hóa biến tốc độ

19 Hình 2.2 Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ

20 Hình 2.3 Hàm liên thuộc của luật hợp thành

21 Hình 2.4 Giải mờ bằng phương pháp cực đại

22 Hình 2.5 Giải mờ theo phương pháp cận trái

23 Hình 2.6 Giải mờ theo phương pháp cận phải

24 Hình 2.7 Giải mờ theo phương pháp trung bình

25 Hình 2.8 Giải mờ theo phương pháp điểm trọng tâm

26 Hình 2.9 Đặc tính vào-ra cho trước

27 Hình 2.10 Hàm liên thuộc các biến ngôn ngữ vào ra

28 Hình 2.11 Hệ điều khiển mờ theo luật PI

29 Hình 2.12 Hệ điều khiển mờ theo luật PD

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

x

30 Hình 2.13 Hệ điều khiển mờ PID

31 Hình 2.14 Mô hình bộ điều khiển mờ lai kinh điển

32 Hình 2.15 Cấu trúc hệ mờ lai Cascade

33 Hình 3.1 Cấu trúc cơ khí thiết bị nâng - hạ

34 Hình 3.2 Hệ thống truyền động thiết bị nâng - hạ

35 Hình 3.3 Mạch điện thay thế của động cơ điện một chiều

36 Hình 3.4 Sơ đồ cấu trúc của động cơ một chiều

37 Hình 3.5 Tuyến tính hoá đoạn đặc tính từ hoá và đặc tính tải

38 Hình 3.6 Sơ đồ cấu trúc tuyến tính hoá

39 Hình 3.7 Sơ đồ cấu trúc động cơ khi từ thông không đổi

40 Hình 3.8 Các sơ đồ cấu trúc động cơ thu gọn

41 Hình 3.9 Thời gian phát xung và thời gian mất điều khiển của bộ

chỉnh lưu

42 Hình 3.10 Sơ đồ cấu trúc của bộ chỉnh lưu bán dẫn thyristor

43 Hình 3.11 Sơ đồ khối của mạch vòng dòng điện

44 Hình 3.12 Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng dòng điện

45 Hình 3.13 Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng tốc độ

46 Hình 3.14 Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng vị trí

47 Hình 3.15 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển vị trí

48 Hình 3.16 Quan hệ giữa  và 

49 Hình 3.17 Sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển vị trí bằng bộ điều khiển

PID

50 Hình 3.18 Sơ đồ mô phỏng thu gọn hệ điều khiển vị trí bằng PID

51 Hình 3.19 Vị trí đạt được của hệ thống khi lượng đặt là hằng số

52 Hình 3.20 Góc quay tời đạt được của hệ thống khi lượng đặt là hằng

số

53 Hình 3.21 Tốc độ đạt được của động cơ khi lượng đặt là hằng số

Hình3.22 Vị trí đạt được của hệ thống khi lượng đặt dạng xung

Hình 3.23 Góc quay tời đạt được của hệ thống khi lượng đặt dạng

xung

Hình 3.24 Tốc độ đạt được của động cơ khi lượng đặt là dạng xung

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

xi

54 Hình 3.25 Hệ điều khiển với bộ điều khiển PID - Mờ

55 Hình 3.26 Cấu trúc bộ điều khiển

56 Hình 3.27 Cấu trúc bên trong bộ điều chỉnh mờ

57 Hình 3.28 Mô hình cấu trúc hệ điều khiển mờ chỉnh định tham số PID

58 Hình 3.29 Cấu trúc bộ chỉnh định mờ

59 Hình 3.30 Xác định tập mờ cho biến vào ERROR

60 Hình 3.31 Xác định tập mờ cho biến vào d/dt

61 Hình3.32 Xác định tập mờ cho biến ra HCKP

62 Hình 3.33 Xác định tập mờ cho biến ra HCKI

63 Hình 3.34 Xác định tập mờ cho biến ra HCKD

64 Hình 3.35 Đặc tính quá độ thường gặp của hệ điều khiển dùng PID

65 Hình 3.36 Các luật hợp thành

66 Hình 3.37 Cấu trúc của hệ điều khiển mờ lai chỉnh định tham số PID

67 Hình 3.38 Cấu trúc của khâu mờ

68 Hình 3.39 Cấu trúc của bộ điều khiển PID

69 Hình 3.40 Sơ đồ mô phỏng so sánh hệ điều khiển PID kinh điển và hệ

mờ lai điều chỉnh tham số PID

70 Hình 3.41 Đáp ứng vị trí của hai hệ thống khi lượng đặt là hằng số

71 Hình 3.42 Đáp ứng vị trí của hai hệ thống khi lượng đặt là dạng xung

72 Hình 3.43 Đáp ứng góc quay tời của hai hệ thống khi lượng đặt là

hằng số

73 Hình 3.44 Đáp ứng góc quay tời của hai hệ thống khi lượng đặt là

dạng xung

74 Hình 3.45 Đáp ứng tốc độ của hai hệ thống khi lượng đặt là dạng xung

75 Hình 3.46 Đáp ứng tốc độ của hai hệ thống khi lượng đặt là hằng số

76 Hình 3.47 Đáp ứng tốc độ của hai hệ thống khi lượng đặt là hằng số

77 Hình 3.48 Đáp ứng tốc độ của hai hệ thống khi lượng đặt dạng xung