Thiết kế bộ điều khiển nhiệt độ bằng phương pháp PID + FUZZY

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM


PHÒNG ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC
PHÒNG ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN: ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG
BỘ MÔN: ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG
TIỂU LUẬN
TIỂU LUẬN
MÔN HỌC: ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU
MÔN HỌC: ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU
Đề tài:
Đề tài:


THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ
BẰNG PHƯƠNG PHÁP PID+FUZZY
BẰNG PHƯƠNG PHÁP PID+FUZZY


GVHD:
GVHD:


TS. NGUYỄN THỊ PHƯƠNG
TS. NGUYỄN THỊ PHƯƠNG

HÀ
HÀ


HVTH:
HVTH:




TRẦN HOÀNG HUY
TRẦN HOÀNG HUY


NGUYỄN THANH PHƯỚC
NGUYỄN THANH PHƯỚC


HOÀNG HỮU PHƯƠNG
HOÀNG HỮU PHƯƠNG


LỚP :
LỚP :




TỰ ĐỘNG HÓA 2005
TỰ ĐỘNG HÓA 2005

PHẦN A:
PHẦN A:
ĐẶT VẤN ĐỀ
ĐẶT VẤN ĐỀ
PHẦN B:
PHẦN B:


CƠ SỞ LÝ THUYẾT
CƠ SỞ LÝ THUYẾT


PHẦN C:
PHẦN C:


ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÒ NHIỆT
ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÒ NHIỆT
P
P
HẦN D:
HẦN D:
NHẬN XÉT, KẾT LUẬN
NHẬN XÉT, KẾT LUẬN

ĐỀ BÀI
ĐỀ BÀI

:
:


Thiết kế bộ điều khiển nhiệt độä của lò
Thiết kế bộ điều khiển nhiệt độä của lò
nhiệt có nhiệt độ đặt 200 độ C, sai số 4.5%, thời
nhiệt có nhiệt độ đặt 200 độ C, sai số 4.5%, thời
gian lấy mẫu 10 giây.
gian lấy mẫu 10 giây.
1. Điều khiển nhiệt độ dùng bộ điều khiển PID
1. Điều khiển nhiệt độ dùng bộ điều khiển PID
theo Zeigle_ Nichols.
theo Zeigle_ Nichols.
2. Điều khiển nhiệt độ dùng bộ điều khiển Fuzzy _
2. Điều khiển nhiệt độ dùng bộ điều khiển Fuzzy _
PID.
PID.

MOÂ HÌNH LOØ NHIEÄT
MOÂ HÌNH LOØ NHIEÄT

PHẦN A:
PHẦN A:


ĐẶT VẤN ĐỀ
ĐẶT VẤN ĐỀ





Trong lónh vực tự động hóa, việc điều
Trong lónh vực tự động hóa, việc điều
khiển các đối tượng như nhiệt độ, áp suất, lưu
khiển các đối tượng như nhiệt độ, áp suất, lưu
lượng, độ ẩm, vận tốc, gia tốc… luôn là một bài
lượng, độ ẩm, vận tốc, gia tốc… luôn là một bài
toán khó vì tính chất phi tuyến của các đối
toán khó vì tính chất phi tuyến của các đối
tượng này. Phương pháp điều khiển mờ, Fuzzy
tượng này. Phương pháp điều khiển mờ, Fuzzy
Logic, đưa ra cách thức điều khiển dựa trên
Logic, đưa ra cách thức điều khiển dựa trên
các luật phát biểu gần với suy nghó của con
các luật phát biểu gần với suy nghó của con
người thay vì dựa trên các phương trình toán
người thay vì dựa trên các phương trình toán
học phức tạp
học phức tạp



Lò nhiệt là mô hình phi tuyến. Đặc trưng
Lò nhiệt là mô hình phi tuyến. Đặc trưng
của lò nhiệt là khâu quán tính nhiệt, khi bắt
của lò nhiệt là khâu quán tính nhiệt, khi bắt
đầu cung cấp năng lượng đầu vào cho lò nhiệt

đầu cung cấp năng lượng đầu vào cho lò nhiệt
thì nhiệt độ của lò tăng từ từ . Để lò đạt tới
thì nhiệt độ của lò tăng từ từ . Để lò đạt tới
nhiệt độ cần cung cấp thì mất khoảng thời gian
nhiệt độ cần cung cấp thì mất khoảng thời gian
khá dài. Đây chính là đặc tính quán tính của lò
khá dài. Đây chính là đặc tính quán tính của lò
nhiệt
nhiệt
.
.

XÁC ĐỊNH HÀM TRUYỀN LÒ NHIỆT
XÁC ĐỊNH HÀM TRUYỀN LÒ NHIỆT


Hàm truyền gần đúng của lò nhiệt dùng đònh nghóa:
Hàm truyền gần đúng của lò nhiệt dùng đònh nghóa:


G(S)=
G(S)=


Tín hiệu vào là hàm nấc đơn vò: R(S)=
Tín hiệu vào là hàm nấc đơn vò: R(S)=


Tín hiệu ra gần đúng :
Tín hiệu ra gần đúng :

c(t)=f(t-T1)
c(t)=f(t-T1)


f(t)= K(1-e-t/T2)
f(t)= K(1-e-t/T2)


Suy ra:
Suy ra:
F(S)=
F(S)=


Áp dụng đònh lý chậm trễ ta được C(S)=
Áp dụng đònh lý chậm trễ ta được C(S)=


Hàm truyền G(S)=
Hàm truyền G(S)=
)(
)(
SR
SC
S
1
)1(
2
STS
K

+
)1(
2
1
+
−
sTs
Ke
sT
1
2
1
+
−
sT
Ke
sT

PHẦN B:
PHẦN B:
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
I.
I.


Cấu trúc bộ điều khiển mờ:
Cấu trúc bộ điều khiển mờ:

+ Khâu mờ hóa
+ Khâu mờ hóa


+ Thực hiện luật hợp thành
+ Thực hiện luật hợp thành


+ Khâu giải mờ
+ Khâu giải mờ

Xét bộ điều khiển mờ MISO sau,
với véctơ đầu vào X = [u1 u2 …un]’

Nguyên lý điều khiển mờ
Nguyên lý điều khiển mờ

Sơ đồ điều khiển sử dụng
Sơ đồ điều khiển sử dụng
PID mờ
PID mờ
:
:

Mô hình toán của bộ PID
Mô hình toán của bộ PID

Luật chỉnh định PID
Luật chỉnh định PID

Chổnh ủũnh mụứ tham soỏ boọ
Chổnh ủũnh mụứ tham soỏ boọ
ủieu khieồn PID theo
ủieu khieồn PID theo
Zhao, Tomizuka, Isaka
Zhao, Tomizuka, Isaka


[ ]
maxmin
,
RRR
KKK
[ ]
maxmin
,
DDD
KKK
minmax
min
RR
RR
R
KK
KK
k


=
minmax

min
DD
DD
D
KK
KK
k


=
1,0
DR
KK



Bộ chỉnh đònh mờ sẽ có:
Bộ chỉnh đònh mờ sẽ có:
* Hai đầu vào là: e(t), de/dt
* Hai đầu vào là: e(t), de/dt
* Ba đầu ra là:
* Ba đầu ra là:
Trong đó:
Trong đó:
α
,,
DR
KK
D
I

T
T
=
α
D
R
I
K
K
K
α
2
=⇒

PHẦN C:
PHẦN C:
ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÒ
ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÒ
NHIỆT
NHIỆT
I.
I.
Phương pháp PID của Zeigler_Nichols:
Phương pháp PID của Zeigler_Nichols:
Hàm truy n lò nhi t theo Zeigler-Nicholsề ệ
Hàm truy n lò nhi t theo Zeigler-Nicholsề ệ


Tuy n tính hốế
Tuy n tính hốế

1
)(
+
=
−
Ls
Ke
sG
Ts
)1)(1(
)(
++
=
LsTs
K
sG

Bộ điều khiển PID có hàm truyền :
Bộ điều khiển PID có hàm truyền :
+ H s t l ệ ố ỷ ệ
+ H s t l ệ ố ỷ ệ
:
:
KP
KP
+ H s tích phânệ ố
+ H s tích phânệ ố
: KI

: KI
+ H s vi phânệ ố
+ H s vi phânệ ố
:
:
KD
KD
+ Độ lợi (giá trò đặt) : K=200
+ Độ lợi (giá trò đặt) : K=200
+ Thời gian trễ
+ Thời gian trễ
:
:
T= 60sec
T= 60sec
+ Thời gian quán tính : L=720sec
+ Thời gian quán tính : L=720sec
+ Thời gian tích phân:
+ Thời gian tích phân:
TI=2T=2x60=120 sec
TI=2T=2x60=120 sec
+ Thời gian vi phân:
+ Thời gian vi phân:
TD =0.5T=0.5x60=30 sec
TD =0.5T=0.5x60=30 sec
SK
S
K
KsG
D

I
p
++=)(

072.0
20060
7202.12.1
===
x
x
TK
L
Kp
000006.0
20060
072.0
===
xTK
K
KI
P
0108.0
200
30072.0
===
x
K
TK
KD
DP

s
s
sGPID 0108.0
000006.0
072.0)( ++=
)1720)(160(
200
)(
++
=
ss
sG




SƠ ĐỒ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG LÒ NHIỆT
SƠ ĐỒ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG LÒ NHIỆT


PHƯƠNG PHÁP PID
PHƯƠNG PHÁP PID

Ñieàu khieån PID, K=200
Ñieàu khieån PID, K=200

Ñieàu khieån PID, K=500
Ñieàu khieån PID, K=500

Nhận xét:

Nhận xét:
Điều khiển nhiệt độ bằng phương
Điều khiển nhiệt độ bằng phương
pháp điều chỉnh các thông số PID
pháp điều chỉnh các thông số PID
theo Zeigler_Nichol có thời gian đáp
theo Zeigler_Nichol có thời gian đáp
ứng 120sec, thời gian xác lập 700sec,
ứng 120sec, thời gian xác lập 700sec,
có vọt lố lớn.
có vọt lố lớn.

II. Phöông phaùp PID+FUZZY
II. Phöông phaùp PID+FUZZY
Xaùc ñònh bieán ngoân ngöõ:
Xaùc ñònh bieán ngoân ngöõ:




SƠ ĐỒ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG LÒ NHIỆT
SƠ ĐỒ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG LÒ NHIỆT


PHƯƠNG PHÁP PID+FUZZY
PHƯƠNG PHÁP PID+FUZZY

PHÖÔNG PHAÙP 1
PHÖÔNG PHAÙP 1


1.
1.
Bieán ngoân ngöõ
Bieán ngoân ngöõ


ET = {âm nhi u, âm v a, âm ít, zero, d ng ít, ề ừ ươ
ET = {âm nhi u, âm v a, âm ít, zero, d ng ít, ề ừ ươ
d ng v a, d ng nhi u}ươ ừ ươ ề
d ng v a, d ng nhi u}ươ ừ ươ ề
ET = { N3, N2, N1, ZE, P1, P2, P3 }
ET = { N3, N2, N1, ZE, P1, P2, P3 }
DET = { âm nhi u, âm v a, âm ít, zero, d ng ít, ề ừ ươ
DET = { âm nhi u, âm v a, âm ít, zero, d ng ít, ề ừ ươ
d ng v a, d ng nhi u}ươ ừ ươ ề
d ng v a, d ng nhi u}ươ ừ ươ ề
DET = { N31, N21, N11, ZE, P11, P21, P31 }
DET = { N31, N21, N11, ZE, P11, P21, P31 }
Kr/KD = { zero, nh , trung bình, l n, r t l n }ỏ ớ ấ ớ
Kr/KD = { zero, nh , trung bình, l n, r t l n }ỏ ớ ấ ớ


= {Z, S, M, L,U}
= {Z, S, M, L,U}
anpha = {m c 1, m c 2,m c 3,m c 4, m c 5} ứ ứ ứ ứ ứ
anpha = {m c 1, m c 2,m c 3,m c 4, m c 5} ứ ứ ứ ứ ứ

= {L1,L2,L3,L4,L5}
= {L1,L2,L3,L4,L5}