thiết kế bộ điều khiển cho đối tượng bình mức

Luận văn
Thiết kế bộ điều khiển cho
đối tượng bình mức
1
Mục lục
Lời nói đầu 3
Phần I : Giới thiệu về đối tượng điều khiển , bộ
điều khiển mờ và bộ điều khiển kinh điển PID 4
1. Đối tượng điều khiển: 4
2. Bộ điều khiển mờ 10
3. Bộ điều khiển PID 11
Phần II : Thiết kế bộ điều khiển mờ 12
1. Các biến vào ra: 12
2. Xây dựng luật điều khiển: 12
Phần III : Bộ điều khiển kinh điển PID 13
1. Nhận dạng đối tượng 13
2. Xác định thông số cho đối tượng: 14
Phần IV : Kết luận 15
2
Lời nói đầu
Chuyên đề nghiên cứu : Thiết kế bộ điều khiển cho đối tượng bình
mức ( Xây dựng hệ thống điều khiển hai bình mức thông nhau ) .
Chuyên đề được xây dựng dưới dạng một bài tập tổng hợp . Giúp ta
biết cách vận dụng một cách tổng hợp các kiến thức đã học vào một bài
toán cụ thể hoàn chỉnh
Do thời gian có hạn nên không thể tránh khỏi thiếu sót .Rất mong có
được đóng góp của thầy cô để chuyên đề được thêm đầy đủ hơn.
Chúng em rất chân thành cảm ơn thầy : Lê Minh Kiên , đã giúp đỡ
chúng em hoàn thành đề tài này.
Nhóm sinh viên thực hiện:

Đỗ Trọng Mến
Ngô Viết Thành
Vũ Văn Thuyết
Nguyễn Bảo Thanh
Đặng Văn Hiếu

3
Phần I : Giới thiệu về đối tượng điều khiển , bộ điều
khiển mờ và bộ điều khiển kinh điển PID
1. Đối tượng điều khiển:
Bài toán : Đối tượng điều khiển là hai bình mức thông nhau ( hình
vẽ trên) chiều cao của cả hai bình chính là giá trị tối đa của mức chất lỏng
trong bình, là 1000 . Lưu lượng chất lỏng chảy qua các van được tính là
tích của độ mở van ( số thực nhận giá trị từ 0.0 đến 1.0 ứng với độ mở
van từ 0% đến 100% ) với lưu lượng tối đa qua van. Giá trị lưu lượng tối
đa qua mỗi van không nhất thiết phải là hằng số . Tất cả các giá trị lưu
lượng nước qua ống đều đo được.
Yêu cầu đặt ra của bài toán là xây dựng bộ điều khiển cho hệ
thống này để điều chỉnh mức chất lỏng trong cả hai bình ổn định ở giá trị
đặt ( do người sử dụng đặt ) .Còn van 3 do người sử dụng tùy ý điều
khiển.
Mô hình :


- Tank 1 và tank 2 là hai bình nước
- Valve 1 , valve 2 và valve 3 lần lượt là lưu lượng điều khiển lưu
lượng vào bình 1, lưu lượng giữa hai bình và lưu lượng ra từ hai
bình
- Flow 1, Flow 2 và Flow 3 lần lượt là lưu lượng qua các valve
tương ứng

- Level 1 , Level 2 là các mức( chiều cao) chất lỏng trong bình 1
và bình 2.Mức chất lỏng tối đa trong 2 bình là 1000.

Valve 1
Valve 2 Valve 3
Flow 1
Flow 2
Flow 3
Level 1
Level 2
Tank 1 Tank 2
4
Đối tượng điều khiển là bình mức như hình vẽ: ( mô phỏng
Matlap).

Đối tượng điều khiển gồm hai khối:
- Khối single-Tank chính là đối tượng ta đang xét
- Khối single-Tank Gui trợ giúp cho việc mô phỏng
- Các ký hiệu:
In Valve : Độ mở van vào
Out Valve : Độ mở van ra
Level: Mức nước trong bình
In Flow:Tốc độ lưu lượng vào
Out Flow: Tốc độ lưu lượng ra
SP : Giá trị đặt cho mức nước trong bình
Các đầu vào – ta của khối tow-tank được qui định như sau:
- Các đầu vào valve 1, valve 2 và valve 3 là độ mở van tương
ứng, nhận các giá trị thực trong khoảng từ 0.0 đến 1.0 . Giá
trị 0.0 tương ứng với trường hợp van đóng hoàn toàn, giá trị
1.0 tương ứng với trường hợp van mở hoàn toàn(100%). Các

van không đáp ứng tức thời với giá trị đặt vào của độ mở van
mà phải thay đổi dần dần đến giá trị mong muốn đó. Ví dụ
như nếu độ mở van hiện thời là 0.2 (20% ),khi đặt giá trị độ
mở van mới là 0.6(60%) thì độ mở van sẽ tăng dần từ 0.2
đến 0.6 và quá trình này phải tốn một khoảng thời gian nhất
định
- Các đầu vào Flow1,Flow2,Flow3 là các giá trị lưu lượng qua
các van tương ứng .Trong hệ thống này lưu lượng được tính
bằng tích của độ mở van với giá trị lưu lượng tối đa.
5
- Lưu lượng tối đa cho ba van phụ thuộc vào mức chất lỏng
trong bình 2 . Lưu lương tối đa cho van 2 phụ thuộc vào độ
chênh lệch mức chất lỏng giữa bình 1 và bình 2. Còn lưu
lượng tối đa cho van 1 ( van vào ) phụ thuộc vào nguồn cung
cấp chất lỏng. Khối Tow - tank có hai chế độ lưu lượng vào
tối đa : chế độ tự động và chế độ tự đặt từ bên ngoài . Trong
bài toán nghiên cứu của ta van 1 và van 2 ổn định ở giá trị
đặt, còn van 3 do người sử dụng tùy ý điều khiển .
Các tham số của khối:
Cửa sổ cài đặt tham số cho khối Tow-tank như trên gồm:
- Tham số Course Number, Class number và Name List
Number: nhập các thông số về khóa ( Course), lớp (class), và
số thứ tự trong danh sách (name list number) của từng sinh
viên. Dựa vào các thông số này hệ thống sẽ tự động tính toán
các thông số cụ thể của hệ thống hai bình mức cho từng sinh
viên.
- Tham số Mannual Input Flow Rate: nếu hộp này không được
chọn thì lưu lượng vào tối đa sẽ là chế độ tự động, còn nếu
6
hộp này được chọn thì chế độ lưu lượng vào tối đa sẽ là chế

độ đặt từ bên ngoài . Mặc định là hộp này không được chọn.
Giao diện đồ họa tương tác:

Khối tank gui:
- Số đầu vào :3
- Số đầu ra : 5
- Chức năng: cung cấp giao diện đồ hạ tương tác cho hệ thống
một bình mức.(khi hoạt động ,khối tank gui sẽ tạo giao diện
đồ họa như hình vẽ dưới: )
7
Các đầu vào:
Các đầu vào : Level 1 và level 2 tương ứng là mức chất
lỏng hiện thời trong bình 1 và bình 2. Trong quá trình mô
phỏng , giá trị đặt của các đầu vào này được thể hiện tức thời
trên hình ảnh của bình mức tương ứng của giao diện đồ họa .
Các giá trị này bị chặn trong khoảng từ 0.0 đến chiều cao
của bình mức tương ứng
Đầu vào valve là một vector tương ứng với các giá trị độ
mở van được điều khiển từ bên ngoài khối thay vì từ các
thanh trượt trên giao diện đồ họa . số phần tử của vector này
phải đúng bằng số van được điều khiển từ bên ngoài khối ,
theo thứ tự từ van 1 đến van 3.

Các đầu ra :
Các đầu ra SP1 và SP2 tương ứng là các giá trị điểm đặt
cho bình 1 và bình 2 , được xác định bằng giá trị của thanh
trượt tương ứng trên giao diện đồ họa . khi người dùng thay
đổi giá trị điểm đặt trên giao diện đồ họa thì lập tức giá trị
của các đầu ra này thay đổi theo tương ứng.
Các đầu ra valve 1, valve 2 và valve 3 tương ứng là các

giá trị độ mở van 1, van2 và van 3, là số thực từ 0.0 đến 1.0
tương ứng với độ mở van từ 0% đến 100%. Các giá trị đầu ra
này được xác định như sau:
- Nếu van không được điều khiển từ bên ngoài khối ,hay nói
cách khác là van được điều khiển bởi người sử dụng thông
qua giao diện đồ họa tương tác thì đầu ra được xác định theo
thanh trượt tương ứng trên giao diện đồ họa
- Nếu van được điều khiển từ bên ngoài khối thì giá trị đầu ra
chính là giá trị tương ứng trong vector đầu vào valve
Các tham số của khối:
Khi nhấn đúp chuột vào khối Two – Tank
GUI thì cửa sổ đặt tham số cho khối sẽ hiện lên như hình
sau:
8
Khối Two – Tank gui có các tham số sau:
- Tham số Maximum Heigh of Tank 1: chiều cao trong bình 1
, chính là mức chất lỏng tối đa trong bình 1 . Giá trị đầu vào
Level 1 của khối bị chặn bời giá trị này.
- Tham số Maximum Height of Tank 2: chiều cao của bình
2 ,chính là mức chất lỏng tối đa trong bình 2 . Giá trị đầu vào
2 của khối bị chặn bời giá trị này.
- Tham số Valve Mask : là một vector gồm ba phần tử . Nếu
phần tử thứ k của vector này có giá trị khác 0 thì valve thứ k
được điều khiển bởi người sử dụng thông qua thanh trượt
tương ứng trên giao diện đồ họa . Ngược lại , nếu phần tử
thứ k của vector này có giá trị khác 0 thì valve thứ k được
điều khiển từ bên ngoài khối thông qua giá trị tương ứng
trong vector đầu vao valve
- Tham số Sample Time: thời gian trích mẫu gắn với khối
này , hay chính là chu kỳ cập nhật của khối ( bao gồm cả cập

nhật hình ảnh và cập nhật thanh trượt) .Giá trị chu kỳ này
được tính theo giây (s) .Nếu giá trị này là -1 thì khối Two –
Tank GUI sẽ được cập nhật theo sự thay đổi của các đầu vào
của nó, nghĩa là chịu sự điều khiển của các khối đưa ra giá
trị tới các đầu vào của nó.
9
Ví dụ về sử dụng khối :
Trong bài toán của ta : hệ thống 2 bình mức , trong đó van 1 và
van 2 do người sử dụng đặt van 3 là thay đổi ( thay đổi từ bên ngoài khối
) .
2. Bộ điều khiển mờ
Trong thực tế nhiều giải pháp tổng hợp và thiết kế bộ điều khiển
kinh điển thường gặp khó khăn khi gặp những bài toán có độ phức
tạp của hệ thống cao, độ phi tuyến lớn…

Khái niệm về logic mờ được giáo sư L.A Zadeh đưa ra lần đầu
tiên năm 1965, tại trường đại học Berkeley, bang California – Mỹ
từ đó lý thuyết mờ được phát triển và ứng dụng rộng rãi.

Năm 1970 tại trường Mary Queen, London – Anh , Ebrahim
Mamdani đã dùng logic mờ để điều khiển một máy hơi nước mà
ông không thể điều khiển được bằng kỹ thuật cổ điển. Tại Đức
Hann Zimmermann đã dùng logic mờ cho hệ ra quyết định. Tại
Nhật logic mờ được ứng dụng vào nhà máy xử lý nước của Fuji
Electronic vào 1983, Hệ thống xe điện ngầm của Hitachi vào 1987
Lý thuyết mờ được ra đời ở Mỹ , ứng dụng đầu tiên ở Anh và
phát triển mạnh mẽ ở Nhật .Trong lĩnh vực tự động hóa logic mờ
ngày càng được ứng dụng rộng rãi.Nó thực sự hữu dụng với các
đối tượng phức tạp mà ta chưa biết rõ hàm truyền .
Những khó khăn trong bộ điều khiển kinh điển có thể được khắc

phục khi bộ điều khiển được thiết kế trên cơ sở bộ logic mờ

Các bước tiến hành xây dựng bộ điều khiển mờ:
- Định nghĩa tất cả các biến vào ra
- Đinh nghĩa tập mờ cho các biến vào ra
- Xây dựng các luật điều khiển
- Chọn thiết bị hợp thành
- Tối ưu hệ thống
10
3. Bộ điều khiển PID
Trước đây bộ điều khiển PID được coi là bộ điều khiển lý
tưởng của các đối tượng có mô hình liên tục
Bộ PID thực sự là bộ điều khiển động mà việc thay đổi các
tham số của bộ điều khiển có thể làm thay đổi đặc tính động và tĩnh
của hệ thống điều khiển tự động
Bộ điều khiển PID được mô tả bởi phương trình:

11
1
0
1 ( )
( ) ( ) ( )
t
p D
de t
u t k e t e d T
T dt
τ τ
= + +
∫

Phần II : Thiết kế bộ điều khiển mờ
1. Các biến vào ra:
Bộ điều khiển có hai đầu vào :
- Sai lệch giữa giá trị SP và mức level ký hiệu là y
- Độ mở van ra ký hiệu là x
Đầu ra là độ mở van vào In Valve ký hiệu là z
Ta có:
0 ≤ x ≤ 1
0 ≤ z ≤ 1
-100 ≤ y ≤ 100
Việc định nghĩa các tập mờ các biến vào ra ta theo dõi trên FIS
EDITOR
2. Xây dựng luật điều khiển:
Ta xây dựng trên quy tắc sau:
- Nếu y ≤ 0 thì z = 0 tức là khi level lớn hơn SP thì van vào
khóa an toàn
- Nếu y > 0 thì x khác 0 . Tuy nhiên giá trị của x thì phải phụ
thuộc vào độ mở van vào z . Ta không thể cho x = z được
bởi vì In Flow Rate và Out Flow Rate tùy thuộc vào đối
tượng
Chú ý:
+ Việc chỉnh định x theo z là theo kinh nghiệm chứ không có
công thức .
12
+ Số lượng các tập mờ cho mỗi biến thì sẽ tỷ lệ thuận với chất
lượng của bộ điều khiển

Phần III : Bộ điều khiển kinh điển PID
1. Nhận dạng đối tượng
Ta xác định mô hình đối tượng thông qua phương pháp thực

nghiệm sau:
Ta thu được dạng đồ thì như trong Scope
Từ đồ thị ta suy ra hàm truyền có dạng như sau:
13

( )
(1 )
n
k
W s
s T s
=
+
Tuy nhiên để đơn giản ta chọn n = 1 tức là


( )
(1 )
k
W s
s T s
=
+
2. Xác định thông số cho đối tượng:
Việc xác định thông số k , T cho đối tượng ta tiến hành theo các
bước sau:
- Kẻ đường tiệm cận y
ct
(t) với y(t) tại t = ∞
- Giao điểm của đường tiệm cận y

ct
(t) với trục thời gian
chính là tham số T
- Lấy một đoạn bất kỳ của đường tiệm cận y
ct
(t) , chiếu nó lên
hai trục tọa độ để có ∆
y
và ∆
t
rồi tính k = ∆
y
/ (u
0.
∆
t
)
Ta thu được kết quả:
K = 2,33
T = 4.2
14
Phần IV : Kết luận
Qua việc xây dựng hai bộ điều khiển PID và mờ cho một đối tượng
cụ thể ta có thể rút ra các nhận xét sau:
Đối với bộ mờ:
- Do không cần quan tâm đến mô hình cửa của đối tượng nên
khối lượng thiết kế giảm nhiều
- Điều khó khăn khi xây dựng bộ điều khiển mờ đó là phải
xây dựng đúng luật điều khiển. Nó có ý nghĩa quyết định tới
chất lượng của bộ điều khiển. Muốn vậy người thiết kế phải

hiểu biết rõ đối tượng , biết được quy luật biến động của các
đại lượng vào và ra , mặc dù có thể không giải thích được
những biến đổi đó
- Nhược điểm của bộ điều khiển mờ là chưa khắc phục được
sự biến động của van vào khi mức nước đã ổn định. Điều
này có thể do nguyên nhân chủ quan là luật điều khiển chưa
phù hợp

Đối với bộ PID :
Tốc độ đáp ứng có thể không nhanh bằng bộ mờ nhưng đã khắc
phục được nhược điểm của bộ mờ đó là van vào ổn định khi nước đã ổn
định
Tuy nhiên chất lượng của bộ điều khiển lại phụ thuộc rất nhiều vào
bược nhận dạng của đối tượng
15
16