Báo cáo: "ĐIỀU KHIỂN MỜ PID CHO QUÁ TRÌNH MỨC CHẤT LỎNG" pptx

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 1(42).2011

42
ĐIỀU KHIỂN MỜ PID CHO QUÁ TRÌNH MỨC CHẤT LỎNG
PID FUZZY CONTROLLER FOR LEVEL LIQUID PROCESS

Nguyễn Hoàng Mai
Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng
Võ Khánh Thoại
Học viên cao học khoá 2008-2011

TÓM TẮT
Hiện nay, hầu hết các hệ điều khiển công nghiệp đều sử dụng bộ điều khiển PID để
điều khiển quá trình, các bộ điều khiển này chưa tối ưu hoặc ít bền vững đối với sự thay đổi
tham số trong quá trình vận hành. Điều khiển mờ là bộ điều khiển thích hợp cho các đối tượng
có tham số không chính xác. Bài báo này gi
ới thiệu về bộ điều khiển mờ PID cho quá trình mức
chất lỏng có tham số van điều khiển và tải thay đổi. Bộ điều khiển mờ PID bao gồm bộ điều
khiển PID kinh điển ở vòng trong và một bộ điều khiển mờ ở vòng ngoài để bù tham số bộ điều
khiển PID. Đặc tính của bộ điều khiển
được minh họa bằng kết quả mô phỏng điều khiển ổn
định quá trình mức chất lỏng.

ABSTRACT
Nowadays, PID controllers have been used to regulate a process in most of the
industrial control systems. However, these controllers are not optimal or less robust with a
parameters change in operation. A fuzzy controller is suitable for the objects with inaccurate
parameters. This paper presents a PID fuzzy controller for liquid level process with varied
parameters of the control valve and changed load. The PID fuzzy controller consists of a typical
PID controller in the primary loop and a fuzzy controller in the secondary loop in compensation
for the parameters of a PID controller. The characteristics of the PID fuzzy controller are

illustrated with simulation results of the conditions in stabilising a liquid level.

1. Đặt vấn đề
Một hệ thống quá trình mức chất lỏng bao gồm nguồn cấp chất lỏng, đường ống
dẫn, van điều khiển, van tay, bình mức. Trong đó van điều khiển, bình mức là các đối
tượng phi tuyến, tham số của van điều khiển thay đổi theo thời gian, tải của quá trình
(van xả) phụ thuộc vào yêu cầu công nghệ nên không xác định trước.
Bộ đi
ều khiển PID (tỷ lệ, tích phân, đạo hàm) được dùng phổ biến trong các hệ
điều khiển công nghiệp bởi cấu trúc đơn giản. Chất lượng của hệ thống phụ thuộc vào
các hệ số K
P
, T
I
, T
D
của bộ điều khiển PID và được thiết kế cho một điểm làm việc đặc
trưng. Trong quá trình vận hành, khi điều kiện làm việc hoặc các tham số của đối tượng
bị thay đổi thì phải chỉnh định các hệ số này. Việc chỉnh định thường theo kiểu “thăm
dò”. Do đó, ta thiết kế bộ điều khiển mờ ở vòng ngoài để bù các tham số bộ PID ở vòng
trong một cách tự động. Bộ điều khiển mờ PID vừa phát huy hết các ưu điểm của bộ
điều khiển rõ vừa sử dụng các ưu điểm hệ thống mờ giúp tránh khỏi những bài toán
nhận dạng, mô hình hoá hay thiết kế phức tạp. Đồng thời, kinh nghiệm điều khiển đối
tượng dễ dàng được kết hợp vào luật điều khiển. Việc ứng dụng kỹ thuật mờ xây dựng
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 1(42).2011

43
bộ điều khiển cho các quá trình có tham số thay đổi là hướng nghiên cứu còn mới mẻ và
có khả năng đáp ứng được các yêu cầu chất lượng cao.
Bài báo này giới thiệu về một bộ điều khiển mờ PID cho một quá trình mức chất

lỏng có tham số van điều khiển và tải thay đổi.
2. Kết quả nghiên cứu và khảo sát
2.1 Mô hình hoá hệ thống quá trình mức
2.1.1 Hệ thống bình mức
Một hệ thống bình mức gồm bình mức hình trụ với chiều cao 92cm, đường kính
đáy 20cm, cảm biến mức đo theo kiểu chênh áp suất, bình chứa và bơm để cung cấp lưu
chất vào, van điều khiển, thiết bị chuyển đổi dòng điện thành áp suất, van tay, hệ thống
đường ống tròn với đường kính trung bình 2cm, nguồn cấp khí nén có mô hình và sơ đồ
PI&D của quá trình mức như hình 1, 2.

Hình 1. Mô hình quá trình mức Hình 2. Sơ đồ PI&D của quá trình mức
Phương trình biểu diễn hệ bình chất lỏng sẽ dựa trên cơ sở cân bằng khối lượng:
dm
bình
= dm
vào
- dm
ra
(1)
hay
ρρ
ρ
oi
qq
dt
Ahd
−=
)(
(2)
trong đó: V : thể tích của bình chứa [m

3
];
q
i
, q
o
: lưu lượng vào ra bình chứa [m
3
/s];

ρ
: mật độ chất lỏng [kg/m
3
];
A : diện tích cắt ngang bình chứa [m
2
];
h : chiều cao cột chất lỏng (mức) [m].
Với quan hệ dòng ra và mức chất lỏng là quan hệ phi tuyến:
ghKq
vo
= (3)
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 1(42).2011

44
trong đó K
v
: hệ số lưu lượng qua van,
g : gia tốc trọng trường [m/s
2

].
Khi đó (2) trở thành:

ρρ
ρ
ghKq
d
t
Ahd
vi
−=
)(
(4)
Với A không đổi,
ρ
không đổi, giản ước và chuyển vế ta có phương trình:

iv
qghK
d
t
dh
A =+
(5)
và viết lại phương trình như sau:

()
ghKq
A
h

vi
−=
1
.
(6)
Phương trình (6) là phương trình động học của bình chất lỏng. Cấu trúc mô hình
bình mức trên Matlab-Simulink như hình 3.
2.1.2 Van điều khiển
Van điều khiển thông thường có độ chính xác không cao (có thể sai số vị trí tới
5%) do: dải chết (deadband), độ trễ (hysteresis), do ma sát thay đổi do bụi bẩn, thiếu bôi
trơn và han gỉ, do áp suất lưu chất thay đổi cũng như do đặc tính phi tuyến của cơ chế
chấp hành. Do vậy các tham số của van không chính xác [2, 6]. Mô hình van điều khiển
thể hiện như hình 4.

Hình 3. Mô hình hoá bình mức Hình 4. Mô hình hoá van điều khiển
2.1 Thiết kế bộ điều khiển mờ PID
2.1.1 Cơ sở thiết kế bộ điều khiển mờ PID
Bộ điều khiển PID với cấu trúc đơn giản và tin cậy nên được dùng phổ biến
trong các hệ điều khiển tự động phục vụ sản xuất. Hàm truyền của bộ điều khiển PID là:
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
++=
∫
t
D
I

P
teTde
T
teKtu
0
.
)()(
1
)()(
ττ
hay sK
s
K
KsG
D
I
PPID
++=)(
Với e(t) là tín hiệu vào, u(t) là tín hiệu ra; K
P
, K
I
, K
D
là các hệ số tỷ lệ, tích
phân, đạo hàm. T
I
là hằng số tích phân, T
D
là hằng số vi phân. Rõ ràng, u(t) phụ thuộc

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 1(42).2011

45
vào các tham số K
P
, T
I
, T
D
của bộ điều khiển PID và do đó chất lượng tín hiệu của hệ
thống cũng phụ thuộc theo.
Mặt khác, các hệ số của bộ điều khiển PID chỉ được tính toán cho một chế độ
làm việc cụ thể của hệ thống, để phù hợp với các chế độ vận hành khác nhau, bộ điều
khiển PID cần chỉnh định liên tục. Bộ điều khiển mờ, để giải quyết vấn đề tự chỉnh định
thích hợp các tham số của bộ điều khiển PID, nên ta có thể thiết kế bộ điều khiển mờ ở
vòng ngoài để chỉnh định tham số bộ PID ở vòng trong. Bộ điều khiển ở vòng trong cho
mạch vòng điều chỉnh mức dùng bộ PID kinh điển, bộ điều khiển mờ ở vòng ngoài có
nhiệm vụ là phải tự động bù được các tham số K
P
, K
I,
K
D
của bộ PID.
Cơ sở để thiết kế bộ điều khiển mờ
là dựa vào việc phân tích sai lệch e(t) và
đạo hàm của tín hiệu ra dy/dt, các tham số
K
P
, K

I,
K
D
của bộ điều khiển PID sẽ được
tự động chỉnh định theo phương pháp bù
mờ. Như vậy bộ chỉnh định mờ sẽ có hai
đầu vào là e(t), đạo hàm của đầu ra dy/dt
và một đầu ra [1]
2.1.2 Thiết kế bộ điều khiển mờ PID
a) Xác định các biến ngôn ngữ
Áp dụng mô hình mờ Mamdani. Đầu vào thứ nhất là sai lệch giữa mức đặt và
mức thực ET, đầu vào thứ hai là tốc độ biến thiên theo thời gian của mức thực DH. Đầu
ra của bộ điều khiển đưa đến van ký hiệu là VA.
Sai lệch ET được chọn trong miền giá trị [-1;+1],
Đạo hàm theo mức được chọn trong miền giá trị [-0,1;+0,1],
Đầu ra VA có miền giá trị [-1;+1].
b) Xác định số lượng tập mờ
Chọn số lượng tập mờ cho mỗi biến
đầu vào là 3 và biến đầu ra là 5, cụ thể như
sau:
+ ET = {N, Z, P};
+ DH = {N, Z, P};
+ VA = {CF, CS, NC, OS, OF}.
c) Xác định hàm liên thuộc
Trong kỹ thuật điều khiển thường ưu tiên chọn hàm liên thuộc kiểu hình tam
giác hoặc hình thang. Các loại này có biểu thức đơn giản, tính toán dễ dàng. Xây dựng
trên Matlab-Simulink như các hình 6, 7, 8.
Hình 5. Phương pháp mờ PID cascade
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 1(42).2011

46

Hình 6. Hàm liên thuộc đầu vào thứ nhất Hình 7. Hàm liên thuộc đầu vào thứ hai

Hình 8. Hàm liên thuộc đầu ra Hình 9. Các luật điều khiển
d) Xây dựng các luật điều khiển
Nếu ET là không thì VA không đổi. Nếu ET là dương thì VA mở nhanh. Nếu
ET là âm thì VA đóng nhanh. Nếu ET là không và DH là dương thì VA đóng chậm.
Nếu ET là không và DH là âm thì VA mở chậm. Các luật điều khiển thể hiện như
hình 9.
e) Chọn luật hợp thành và giải mờ
Dùng luật hợp thành max-Prod, giải mờ theo phương pháp trọng tâm.
f) Tối ưu hệ thống
Sau khi xây dựng mô hình mô phỏng bao gồm bộ điều khiển mờ PID và đối
tượng, tiến hành quá trình thử nghiệm với các giá trị đặt khác nhau, thay đổi tham số hệ
thống và nhiễu để phát hiện các “lỗ hổng” nếu có thì điều chỉnh bộ bù mờ bằng cách
chỉnh lại độ che phủ lên nhau của các giá trị ngôn ngữ, điều chỉnh lại các luật điều
khiển. Sau khi biết chắc bộ điều khiển đã ổn định và không có “lỗ hổng”, tiến hành tối
ưu hoá các trạng thái làm việc của nó theo các chỉ tiêu chất lượng động và tĩnh. Để
chỉnh định bộ điều khiển theo các chỉ tiêu này ta phải hiệu chỉnh hàm liên thuộc, thiết
lập các nguyên tắc điều khiển phụ và thay đổi một số nguyên tắc điều khiển và ta được
bộ điều khiển mờ PID như đã trình bày.
2.2 Kết quả mô phỏng
Sử dụng phần mềm Matlab - Simulink, thực hiện mô phỏng quá trình với bộ
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 1(42).2011

47
điều khiển PID kinh điển và bộ điều khiển mờ PID (hình 10) ứng với các trường hợp
khác nhau, so sánh các đáp ứng thu được như ở các hình 11, 12, 13, 14, 15.

Hình 10. Mô hình hóa quá trình mức chất lỏng trong Matlab-Simulink
Hình 11. Đáp ứng mức khi điểm đặt 50cm Hình 12. Đáp ứng mức khi tải thay đổi và nhiễu
Hình 13. Đáp ứng mức khi thay đổi tham số van Hình 14. Đáp ứng mức khi thay đổi điểm đặt

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 1(42).2011

48

Hình 15. Đáp ứng mức khi thay đổi điểm đặt và tham số van
Bàn luận
Khi thay đổi tải: mở và đóng van (hình 12, 13, 14, 15), nhiễu hệ thống: nhiễu
lưu lượng vào (hình 12), thay đổi tham số van (hình 13, 15), thay đổi điểm làm việc:
60cm – 40cm (hình 14, 15); đáp ứng mức chất lỏng của mô hình mờ PID gần như
không đổi, mức chất lỏng trong bình bám theo mức đặt tốt, sai lệch nhỏ, hệ thống ổn
định. Trong khi đó, đáp ứng mức của mô hình PID bị thay đổi rất nhiều. Đáp ứng
mức đối với mô hình PID có số lần dao động nhiều, thời gian quá độ lớn hơn, tồn tại
sai lệch tĩnh lớn (hình 13, 15). Khi thay đổi các tham số làm cho điểm làm việc xác
lập của quá trình thay đổi, trong khi đó các thông số của bộ điều khiển PID không
thay đổi nên dẫn đến dao động nhiều, còn bộ điều khiển mờ PID do có sự tự động bù
các tham số nên thích nghi được với sự thay đổi này, làm cho bộ điều khiển ổn định và
bền vững hơn bộ PID.
4. Kết luận
Kết quả mô phỏng trên Matlab-Simulink đúng với lý thuyết, thuật toán bộ điều
khiển mờ PID là hoàn toàn chính xác, bộ điều khiển mờ PID không phải giải bài toán
nhận dạng mà vẫn cho được kết quả điều khiển có chất lượng cao kể cả khi gặp nhiễu,
đồng thời khắc phục được điểm yếu của bộ điều khiển PID kinh điển đó là thích nghi
được với sự thay đổi các tham số của hệ thống.
Các thông số về chất lượng điều chỉnh như sai lệch tĩnh, độ quá điều chỉnh, thời

gian quá độ, số lần dao động của quá trình đều tốt hơn rất nhiều so với việc dùng bộ
điều khiển PID kinh điển, nhất là độ quá điều chỉnh và thời gian quá độ rất nhỏ. Như
vậy hệ điều khiển mờ PID hoàn toàn đáp ứng được các yêu cầu về chất lượng cao cho
quá trình mức chất lỏng. Đây là hướng nghiên cứu mới đầy triển vọng.


Ghi chú:
h-dat : mức chất lỏng đặt
h-PID : mức chất lỏng khi sử dụng
bộ PID kinh điển
h-Mo PID : mức chất lỏng khi sử
dụng bộ mờ PID
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 1(42).2011

49

TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Nguyễn Doãn Phước – Phan Xuân Minh (1999), Lý thuyết điều khiển mờ, Nhà xuất
bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội.
[2] Hoàng Minh Sơn (2006), Cơ sở Hệ thống điều khiển quá trình, Nhà Xuất bản Bách
Khoa Hà Nội.
[3] Kevin M. Passino, Stephen Yurkovich (1998), Fuzzy control, Addison Weslet
Longman, Inc.
[4] Donald R.Coughanowr, Process Systems Analysic and Control, Mc Graw-Hill
International Editions.
[5]
[6] Control Valve handbook (Emerson) Fourth Edition 2005.