Cải thiện chất lượng thiết bị điều khiển gia nhiệt bằng bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số PID (Luận văn thạc sĩ)

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

ĐỖ HUY KHÁNH

CẢI THIỆN CHẤT LƢỢNG THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN
GIA NHIỆT BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ CHỈNH
ĐỊNH THAM SỐ PID

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

Thái Nguyên – 2017


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

ĐỖ HUY KHÁNH

CẢI THIỆN CHẤT LƢỢNG THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN GIA
NHIỆT BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ CHỈNH ĐỊNH
THAM SỐ PID

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã ngành: 62520216
KHOA CHUYÊN MÔN

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC

TS. Đỗ Trung Hải

TS. Đỗ Trung Hải
PHÒNG ĐÀO TẠO

TS. Đặng Danh Hoằng

Thái Nguyên - 2017


-i-

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: ĐỖ HUY KHÁNH
Sinh ngày: 18 tháng 11 năm 1983
Học viên lớp cao học khoá 18 – Kỹ thuật điều khiển và Tự động hoá,
Trƣờng Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên – Đại học Thái Nguyên.
Hiện đang công tác tại: Nhà máy Z115-Tổng cục Công nghiệp Quốc Phòng
Tôi cam đoan toàn bộ nội dung trong luận văn do tôi làm theo định
hƣớng của giáo viên hƣớng dẫn, không sao chép của ngƣời khác.
Các phần trích lục các tài liệu tham khảo chính đã đƣợc chỉ ra trong
luận văn.
Nếu có gì sai tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm.
Tác giả luận văn

ĐỖ HUY KHÁNH


- ii -

LỜI CẢM ƠN
Đề tài Luận văn thạc s đƣợc hoàn thành tại Trƣờng Đại học Kỹ thuật
Công nghiệp Thái Nguyên. Có đƣợc bản luận văn tốt nghiệp này, tôi xin bày
tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc tới Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công
nghiệp, Khoa Điện, Phòng Đào tạo và thầy giáo hƣớng dẫn TS. Đỗ Trung Hải
giúp đỡ tôi trong quá trình triển khai, nghiên cứu và hoàn thành đề tài “Cải
thiện chất lƣợng điều khiển thiết bị gia nhiệt bằng bộ điều khiển mờ chỉnh
định tham số PID”.
Xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo, các nhà khoa học đã trực
tiếp giảng dạy truyền đạt những kiến thức khoa học chuyên ngành Kỹ thuật
điều khiển và Tự động hóa cho bản thân tôi trong qúa trình học tập.
Tuy nhiên, do có sự hạn chế về kiến thức nên Luận văn không tránh
khỏi những thiếu sót. Tôi rất mong nhận đƣợc những ý kiến đóng góp của các
thầy giáo, cô giáo và các nhà khoa học để tôi tiến bộ hơn.
Trân trọng cảm ơn./.
Học viên

ĐỖ HUY KHÁNH


- iii -

MỤC LỤC
MỤC LỤC ................................................................................................................. iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT .............................................. v
DANH MỤC HÌNH VẼ ............................................................................................. vi
DANH MỤC BẢNG BIỂU .................................................................................... viii
MỞ ĐẦU .................................................................................................................... ix
1. Tính cấp thiết của đề tài ....................................................................................... ix

2. Mục tiêu nghiên cứu ............................................................................................ ix
3. Dự kiến các kết quả đạt đƣợc ............................................................................... ix
4. Phƣơng pháp nghiên cứu ..................................................................................... ix
5. Cấu trúc của luận văn ........................................................................................... ix
CHƢƠNG 1 ................................................................................................................ 1
XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC CHO ĐỐI TƢỢNG GIA NHIỆT ................. 1
1.1 Tổng quan về thiết bị gia nhiệt ........................................................................... 1
1.1.1 Khái niệm ....................................................................................................... 1
1.1.2 Các phƣơng pháp gia nhiệt ............................................................................ 2
1.1.3 Một số loại cảm biến nhiệt độ........................................................................ 9
1.2 Ý ngh a của việc xây dựng mô hình toán học [2] ............................................. 11
1.3 Xây dựng mô hình toán học bằng phƣơng pháp thực nghiệm .......................... 13
1.3.1 Khái niệm xây dựng mô hình toán học bằng thực nghiệm [2] .................... 13
1.3.2 Dữ liệu để xây dựng mô hình toán học bằng thực nghiệm .......................... 13
1.3.3 Một số phƣơng pháp xây dựng mô hình toán bằng thực nghiệm [2] .......... 16
1.3.4 Sử dụng System Identification Toolbox trong Matlab ................................ 17
1.4. Kết luận chƣơng 1 ............................................................................................ 23
CHƢƠNG 2 .............................................................................................................. 24
TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO ĐỐI TƢỢNG GIA NHIỆT .......................... 24
2.1 Tổng quan về bộ điều khiển PID ...................................................................... 25
2.2 Phƣơng pháp thực nghiệm dựa trên hàm h(t) ................................................... 26
2.2.1 Phƣơng pháp hằng số thời gian tổng nhỏ nhất của Kuhn ............................ 26
2.2.2 Phƣơng pháp Ziegler- Nichols 1 .................................................................. 29
2.3 Thiết kế điều khiển ở miền tần số ..................................................................... 30
2.3.1 Nguyên tắc thiết kế ...................................................................................... 30
2.3.2 Phƣơng pháp modul tối ƣu ......................................................................... 31
Chƣơng 3 ................................................................................................................... 36


- iv CẢI THIỆN CHẤT LƢỢNG ĐIỀU KHIỂN BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ

CHỈNH ĐỊNH THAM SỐ PID ................................................................................. 36
3.1. Tổng quan hệ logic mờ và điều khiển mờ [4, 5] .............................................. 36
3.1.1 Khái quát về lý thuyết điều khiển mờ .......................................................... 36
3.1.2 Các phép toán trên tập mờ ........................................................................... 38
3.1.3 Biến mờ, hàm biến mờ, biến ngôn ngữ ....................................................... 39
3.1.4 Suy luận mờ và luật hợp thành .................................................................... 40
3.1.5 Bộ điều khiển mờ ......................................................................................... 42
3.2. Bộ điều khiển mờ ............................................................................................. 44
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ................................................................................... 51
Kết luận ................................................................................................................... 51
Kiến nghị ................................................................................................................. 51


-v-

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Diễn giải nội dung đầy đủ

TT

Ký hiệu

1

ADC

Analog to Digital Converter, chuyển đổi tƣơng tự - số

2

DAC

Digital to Analog Converter, chuyển đổi số-tƣơng tự

3

TBĐK

Thiết bị điều khiển

4

ĐTĐK

Đối tƣợng điều khiển

5

BĐK

Bộ điều khiển

6

TBĐL

Thiết bị đo lƣờng

7

PLC

Programmable logic controller

8

DCS

Distributed Control System


- vi -

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1. 1 Nguyên lý làm việc của lò cảm ứng.................................................. 2
Hình 1. 2 Nguyên lý làm việc của lò quang điện .............................................. 3
Hình 1. 3 Nguyên lý làm việc của lò điện trở ................................................... 5
Hình 1. 4 Các loại lò điện trở ............................................................................ 8
Hình 1. 5 Cấu tạo của cảm biến nhiệt độ loại nhiệt kế thủy ngân .................... 9
Hình 1. 6 Cấu trúc Điều khiển theo nguyên tắc phản hồi ............................... 11
Hình 1. 7 Sơ đồ nguyên lý thu thập dữ liệu lò gia nhiệt ................................. 13
Hình 1. 8 Sơ đồ thu thập dữ liệu nhận dạng.................................................... 14
Hình 1. 9 Dữ liệu điện áp (volt) ...................................................................... 14
Hình 1. 10 Dữ liệu nhiệt độ (oC) .................................................................... 15
Hình 1. 11 Giao diện công cụ System Identification Tool ............................. 17
Hình 1. 12 Chọn nhập dữ liệu trong miền thời gian ....................................... 18
Hình 1. 13 Nhập dữ liệu nhận dạng mô hình .................................................. 18
Hình 1. 14 Đƣa dữ liệu vào Working data và Validation Data....................... 19
Hình 1. 15 Hình vẽ của bộ dữ liệu theo thời gian ........................................... 20
Hình 1. 16 Giao diện Process Models ............................................................. 21

Hình 1. 17 Lựa chọn mô hình ......................................................................... 22
Hình 1. 18 Kết quả nhận dạng......................................................................... 23
Hình 1. 19 Đánh giá kết quả nhận dạng mô hình............................................ 23
Hình 1. 20 Giao diện kết quả nhận dạng ......................................................... 24
Hình 1. 21 Đặc tính quá độ đối tƣợng ............................................................. 25
Hình 2. 1 Cấu trúc bộ điều khiển PID ............................................................. 28
Hình 2. 2 Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển PID ................................................... 29
Hình 2. 3 Cấu trúc mô phỏng hệ thống ........................................................... 31
Hình 2. 4 Đặc tính quá độ hệ thống với bộ điều khiển tổng hợp bằng phƣơng
pháp Kuhn ....................................................................................................... 32
Hình 2. 5 Đặc tính quá độ hệ thống với bộ điều khiển tổng hợp bằng phƣơng
pháp Ziegler- Nichols 1 ................................................................................... 34
Hình 2. 6 Sơ đồ hệ thống điều khiển ............................................................... 34
Hình 2. 7 Tổng hợp bộ điều khiển bằng phƣơng pháp module tối ƣu ............ 36


- vii -

Hình 2. 8 Cấu trúc mô phỏng hệ với bộ điều khiển PI ................................... 37
Hình 2. 9 Đặc tính quá độ hệ thống điều khiển đối tƣợng gia nhiệt với luật PI
......................................................................................................................... 37
Hình 2. 10 Tín hiệu điều khiển với bộ điều khiển PI ...................................... 38
Hình 2. 11 Cấu trúc mô phỏng hệ với luật PI (có khâu hạn chế).................... 38
Hình 2. 12 Đặc tính quá độ hệ thống với luật PI (có khâu hạn chế và khâu trễ)
......................................................................................................................... 39
Hình 3. 1 Một số dạng hàm liên thuộc ........................................................... 44
Hình 3. 2 Đồ thị mô tả các phép toán hợp, giao và bù của hai tập mờ ........... 45
Hình 3. 3 .......................................................................................................... 45
Hình 3. 4 .......................................................................................................... 45
Hình 3. 5 Sơ đồ khối chức năng của bộ điều khiển mờ .................................. 46

Hình 3. 6 ví dụ về cách xác định miền G ........................................................ 46
Hình 3. 7 .......................................................................................................... 47
Hình 3. 8 .......................................................................................................... 48
Hình 3. 9 Bộ điều khiển mờ PD ...................................................................... 49
Hình 3. 10 bộ điều khiển mờ PI ...................................................................... 49
Hình 3. 11 Cấu trúc bộ chỉnh định mờ tham số PID....................................... 50
Hình 3. 12 Cấu trúc bộ chỉnh định mờ ............................................................ 50
Hình 3. 13 Cấu trúc mô phỏng hệ với bộ điều khiển PID và mờ chỉnh định
tham số PID
......................................................................................................................... 51
Hình 3. 14 Cấu trúc chỉnh định tham số Kp và KI ......................................... 52
Hình 3. 15 các bộ điều khiển mờ trong cấu trúc 3.14 ..................................... 53
Hình 3. 16 Cấu trúc bộ điều khiển mờ chỉnh định kD .................................... 54
Hình 3. 17 Dạng hàm liên thuộc đầu vào........................................................ 55
Hình 3. 18 Dạng hàm liên thuộc đầu ra .......................................................... 55
Hình 3. 19 Kết quả mô phỏng ......................................................................... 55


- viii -

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2. 1 Tổng hợp bộ điều khiển theo Kuhn ...............................................27
Bảng 2. 2 Tổng hợp bộ điều khiển theo Ziegler- Nichols..............................29


Luận văn đầy đủ ở file: Luận văn full