Nghiên cứu bộ điều khiển PID - Mờ

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




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




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

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

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

Các phƣơng pháp xác định tham số PID

11

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

1.2

1.3

1.4
1.4.1

1.4.5
1.5

Xác định tham số PID dựa trên quá trình tối ƣu trên máy
tính
Kết luận chƣơng 1

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

31
32




MỤC
CHƢƠNG 2
2.1

TÊN ĐỀ MỤC

TRANG

Bộ điều khiển mờ

34

Lịch sử phát triển của bộ điều khiển mờ

35

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

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

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

Kết luận chƣơng 2

55

2.2

2.3

2.4

2.7

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




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

Hàm quá độ cho phƣơng pháp Chien – Hrones –
H.1.13
H.1.14

Reswick
Quan hệ giữa diện tích và tổng các hằng số thời gian

16
18

Dải tần số mà ở đó có biên độ hàm đặt tính bằng 1,
H.1.15

càng rộng càng tốt

20

H.1.16

Điều khiên khâu quán tính bậc nhất

22

Minh hoạ tƣ tƣởng thiết kế bộ điều khiển PID tối ƣu
H.1.17

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




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




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




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




CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




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

U(t
)

e(t)

x(t)
ĐTĐK

TBĐK

Z(t
)

y(t)

TBĐL
CĐTH

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.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




data error !!! can't not
read....


data error !!! can't not
read....


data error !!! can't not
read....


data error !!! can't not
read....


data error !!! can't not
read....



data error !!! can't not
read....

data error !!! can't not
read....


data error !!! can't not
read....


data error !!! can't not
read....


data error !!! can't not
read....


data error !!! can't not
read....

data error !!! can't not
read....


data error !!! can't not
read....

data error !!! can't not
read....

data error !!! can't not
read....

data error !!! can't not
read....