Ứng dụng bộ điều khiển PIN - Mờ điều khiển thiết bị nâng - hạ.
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (352.06 KB, 27 trang )
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
i
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP
CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
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
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
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
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
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
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
vi
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT, CÁC KÍ HIỆU
STT
Kí hiệu
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
ĐTĐT
TBĐK
TBĐL – CĐTH
exl
δmax
tqd
n
K
TI
Td
L
T
Δh
e(t)
u(t)
Đ
BBĐ
RI
Rω
Tf
Tvo
Tđk
Tu
Ti
Ru
Mc
Tω
Diễn giải
Đối tượng điều khiển
Thiết bị điều khiển
Thiết bị đo lường và chuyển đổi tín hiệu
Sai số xác lập
Lượng quá điều chỉnh
Thời gian quá độ
Số lần dao động
Hệ số khuếch đại
Hằng số thời gian tích phân
Hằng số thời gian vi phân
Hằng số thời gian trễ
Hằng số thời gian quán tính
Độ quá điều chỉnh
Tín hiệu đầu vào
Tín hiệu đầu ra
Động cơ một chiều
Bộ biến đổi xoay chiều - một chiều
Bộ điều chỉnh dòng điện
Bộ điều chỉnh tốc độ
Hằng số thời gian của mạch lọc
Hằng số thời gian sự chuyển mạch chỉnh lưu
Hằng số thời gian mạch điều khiển chỉnh lưu
Hằng số thời gian mạch phần ứng
Hằng số thời gian xenxơ dòng điện
Điện trở mạch phần ứng
Mômen tải
Hằng số thời gian máy phát tốc
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
vii
28
29
30
31
Lư
K
J
CL
Điện cảm mạch phần ứng
Từ thông định mức
Mômen quán tính
Chỉnh lưu
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
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
ix
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
TT
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
Ký hiệu
Hình 1.1
Hình 1.2
Hình 1.3
Hình 1.4
Hình 1.5
Hình 1.6
Hình 1.7
Hình 1.8
Hình 1.9
Hình 1.10
Hình 1.11
Hình 1.12
Hình 1.13
Hình 1.14
Hình 1.15
Hình 1.16
Hình 1.17
Hình 2.1
Hình 2.2
Hình 2.3
Hình 2.4
Hình 2.5
Hình 2.6
Hình 2.7
Hình 2.8
Hình 2.9
Hình 2.10
Hình 2.11
Hình 2.12
Diễn giải
Cấu trúc chung của hệ thống điều khiển
Đặc tính của sai số xác lập
Đặc tính của lượng quá điều chỉnh
Đặc tính của thời gian quá độ
Đặc tính của số lần dao động
Các đặc tính của quy luật điều chỉnh PD
Các đặc tính của quy luật điều chỉnh PI
Các đặc tính của quy luật điều chỉnh PID
Bộ điều khiển PID
Nhiệm vụ của bộ điều khiển PID
Xác định tham số cho mô hình xấp xỉ
Xác định hằng số khuếch đại tới hạn
Hàm quá độ cho phương pháp Chien – Hrones – Reswick
Quan hệ giữa diện tích và tổng các hằng số thời
Dải tần số mà ở đó có biên độ hàm đặt tính bằng 1
Điều khiển khâu quán tính bậc nhất
Bộ điều khiển PID tối ưư đối xứng
Mờ hóa biến tốc độ
Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ
Hàm liên thuộc của luật hợp thành
Giải mờ bằng phương pháp cực đại
Giải mờ theo phương pháp cận trái
Giải mờ theo phương pháp cận phải
Giải mờ theo phương pháp trung bình
Giải mờ theo phương pháp điểm trọng tâm
Đặc tính vào-ra cho trước
Hàm liên thuộc các biến ngôn ngữ vào ra
Hệ điều khiển mờ theo luật PI
Hệ điều khiển mờ theo luật PD
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
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....
