CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Ý nghĩa, tầm quan trọng của luận văn Sự phát triển không ngừng của xã hội mà động lực chính là cuộc cách mạng về khoa học công nghệ đã tạo ra nhiều máy móc, thiết bị phục vụ cho con người. Nhu cầu của chúng ta là vô hạn nên máy móc cũng không ngừng phát triển để đáp ứng kịp nhu cầu đó. Trong ngành công nghiệp tự động hóa, điều khiển thiết bị theo yêu cầu có sẵn, thiết bị được lập trình sẵn, thiết bị hoạt động dựa vào các tín hiệu phản hồi.ngày càng được áp dụng rộng rãi. Điều đó giúp giảm bớt sức lao động và tăng năng suất, chất lượng cho sản phẩm và bảo vệ sức khỏe của người lao động.
Hiện nay có rất nhiều cách điều khiển thiết bị như dùng vi mạch số, vi xử lí, vi điều khiển, PLC, điều khiển bằng máy tính, điều khiển thông minh…. Với nhiều phương pháp điều khiển khác nhau. Phương pháp điều khiển mờ thích nghi là phương pháp được sử dụng phổ biến và phương pháp điều khiển mờ thỏa mãn khá tốt các yêu cầu thực tế đặt ra. Trong bài nghiên cứu này, tác giả quyết định tìm hiểu về phương pháp điều khiển ứng dụng giải thuật mờ cho hệ thống bồn nước với mong muốn có thêm những kiến thức về điều khiển tự động nhằm phục vụ tốt hơn cho yêu cầu công việc sau này.
Tầm quan trọng của đề tài Như đã trình bày ở trên, vấn đề điều khiển đối tượng chính xác là rất cần thiết trong sản xuất công nghiệp. Các thiết bị càng ngày càng hiện đại và kích thước cũng nhỏ hơn nên các thao tác trong quá trình sản xuất đòi hỏi độ chính xác cao. Một sai sót nhỏ có thể ảnh hưởng xấu đến toàn bộ sản phẩm. Do đó, ngày càng nhiều phương pháp điều khiển chính xác được nghiên cứu phát triển, và phương pháp điều khiển dùng giải thuật mờ là một trong những sự lựa chọn đó.
Trong thực tế, vấn đề điều khiển mức chiếm một tỷ lệ rất lớn trong các lĩnh vực về dầu mỏ, hóa chất, công nghiệp thực phẩm,… khi thực hiện pha chế theo một tỷ lệ nhất định nào đó. Để điều khiển mức, có rất nhiều cách như đã chỉ ra ở trên. Trong đề tài này, em chủ yếu tập trung nghiên cứu điều khiển mức theo giải thuật mờ. Với đề tài trên, tác giả thực hiện mong muốn nâng cao kiến thức trong lĩnh vực điều khiển tự động còn khá mới và nhiều thách thức.
Đồng thời qua đó giúp bổ sung, hoàn thiện và vận dụng các kiến thức đã học trong nhà trường.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 1.1 Trong nước Tháng 5 năm 2010 sinh viên Mai Văn Văn, khoa Điện Trường đại học bách khoa Đà Nẵng, đã nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển PID để điều khiển bình mức đôi và mô phỏng trên matlab simulink dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Quốc Định.1: Mô hình mô phỏng Simulink của hệ kín Các thông số của bộ điều khiển PID được chọn theo phương pháp Z-N-1 như trên đảm bảo hệ thống đã cho làm việc ổn định. Nhưng thời gian quá độ quá lớn (147s), độ vọt lố lớn (47.5%), thời gian tăng lớn (16s ) và sai số xác lập lớn, không thỏa mãn yêu cầu đặt ra của một hệ thống điều khiển nên chất lượng của hệ thống không tốt. Tạp chí khoa học công nghệ Đà Nẵng số 1 – 42 – 2011, các tác giả Nguyễn Hoàng Mai đại học quốc gia Đà Nẵng và học viên cao học Võ Khánh Thoại đã trình bày phương pháp điều khiển mờ PID cho quá trình mức chất lỏng.2: Mô hình quá trình mức 5 Hình 1.3: Sơ đồ PID của quá trình mức Tạp chí khoa học 8/2007 Trường đại học Cần Thơ tác giả Nguyễn Hoàng Dũng đã trình bày áp dụng giải thuật mờ điều khiển hệ phi tuyến hệ bồn nước hệ bồn QUADRUPLE.4: Hệ bồn liên thông QUADRUPLE Tạp chí khoa học 2011: 18a 82-92 Trường đại học Cần Thơ tác giả Nguyễn Chí Ngôn đã trình bày phương pháp Bộ điều khiển PI mờ từ thiết kế đến ứng dụng.5 Mô hình được sử dụng RT010 Hình 1.6: Điều khiển PI mờ ổn định mức chất lỏng RT010 Tạp chí đại học và công nghệ đâị học Đà Nẵng – Số 4(39).2010 tác giả Phạm Quốc Định đã trình bày kết quả nghiên cứu việc sử dụng hệ mờ-nơron điều khiển mức chất lỏng cho hệ bồn nước đôi.
Nội dung bài báo giới thiệu mô hình của hệ mờ-nơron, là sự kết hợp mạng nơron và điều khiển mờ để tạo ra bộ điều khiển nhiều ngõ vào – nhiều ngõ ra, điều khiển cho đối tượng phi tuyến nhiều ngõ vào – nhiều ngõ ra (MIMO). Đối tượng được điều khiển trong đề tài là hệ bồn nước đôi với cấu hình 2 ngõ vào - 2 ngõ ra và đối tượng nghiên cứu là bộ điều khiển sử dụng hệ mờ-nơron để xây dựng bộ điều khiển cho đối tượng phi tuyến 2 ngõ vào - 2 ngõ ra. Thông qua việc mô phỏng hoạt động của bộ điều khiển mờ nơron này dựa trên phần mềm MATLAB – SIMULINK đã chứng minh được rằng bộ điều khiển được thiết kế đã hoạt động tốt và đáp ứng được yêu cầu đề ra.7: Mô hình bồn nước đôi 1.2 Ngoài nước Bộ điều khiển Mờ-Nơron để dẫn huớng Robot Di động và hộ tống đội robot được giáo sư M.Trivedi Khoa Kỹ thuật Điện và Máy tính, Đại học California San Diego,USA nghiên cứu,1998. Giáo sư, Viện sĩ, Vámos Tibor, nguyên Viện trưởng Viện Tin học và Tự động hoá- Hungary, - nguyên chủ tịch Hội Máy tính Neyman János (Von Neyman), nguyên chủ tịch Hội Điều khiển Tự động Quốc tế IFAC đã nghiên cứu kỹ thuật Nhận dạng – Trí tuệ Nhân tạo cho robot.
Giáo sư,Viện sĩ Hyungsưck Cho, Khoa Chế tạo máy,Viện Khoa học &Công nghệ Cao cấp Hàn quốc- KAIST, Hãng Thép và Kim loại Pohang-POSCO, Viện trưởng Viện Điều khiển,Tự động hoá và Kỹ thuật Hệ thống, đã nghiên cứu điều khiển và cảm biến nano cho robot,2001.Fukuda, Khoa Kỹ thuật Vi Hệ thống,Trung tâm Hợp tác Khoa học &Công nghệ Cấp cao, Đại học Nagoya- Nhật bản, nguyên Chủ tịch Hội Robot và Tự động hóa Quốc tế, Chủ tịch Hội đồng Công nghệ Nano Quốc tế, đã nghiên cứu Mạng Mờ-Nơron -Thuật giải AND để điều khiển robot, 2000. Công nghệ Nano đang mở ra những triển vọng to lớn. Việc chế tạo ra những robot nhỏ cỡ Nano 10-9mm đòi hỏi những nghiên cứu mới về cơ sở lý thuyết cũng như công nghệ. Giáo sư Toshio Fukuda, đặc biệt nhấn mạnh tầm quan trọng của Robot Micro-Nano trong Kỹ thuật Robot và Tự động hoá tương lai.Edelman,giải thưởng Nobel, Viện trưởng Viện Khoa học Nơron - USA,Chủ tịch Hội nghiên cứu Khoa học Nơron Quốc tế, đã mô phỏng Nơron 8 hệ thống Nghe-Nhìn của loài chim để điều khiển robot,1999.
Giáo sư đã khẳng định, việc nghiên cứu này đặc biệt quan trọng dưới ánh sáng của lý thuyết Não Hiện đại, nhấn mạnh tầm quan trọng của môi trường và thực nghiệm Motor-Cảm biến Nơron. Sự hiểu biết những nguyên tắc cơ bản của não sẽ có ảnh hưởng mạnh mẽ đến thiết kế Hệ thống Nhân tạo hoạt động trong thế giới thực.Chúng ta tin tưởng rằng những nghiên cứu mô hình Nơron tổng hợp sẽ tham gia một cách có ý nghĩa bởi sự thiết lập mối liên hệ trực tiếp giữa khoa học Tự nhiên và Khoa học Kỹ thuật, đưa ra tư tưởng mới trong lĩnh vực Robot và Trí tuệ Nhân tạo.3 Một số bài báo liên quan Fuzzy PID Temperature Control System of Reaction Kettle Based on PLC - Qi Chen, Linzhi Liao, Hongrong Chen, Niyan Wu Bài báo trình bày ứng dụng bộ điều khiển Fuzy, PID trong trong PLC s7 – 200 để giải quyết những khó khăn gây ra khi đun sôi nước nhiệt độ trong ấm đun nước. Kết quả cho thấy rằng hệ thống đáp ứng được yêu cầu đặt ra. Designing Inverse Fuzzy Model for a Single Tank Liquid Level Control System - V.
Bài báo trình bày thiết kế bộ điều khiển Fuzy ngược để điều khiển mức chất lỏng trong hệ thống bồn đơn và so sánh với các bộ điều khiển PID, fuzy thông thường. kết quả cho thấy bộ fuzy ngược tốt hơn bộ điều khiển PID thông thường và mờ. Fuzzy Based Model Predictive Control for a Quadruple Tank System - Harihara Subramaniam S C*, Harish C Bài báo này trình bày một sự kết hợp bộ điều khiển tiên đoán và logic mờ. Một mô hình mờ điều khiển dự phòng đã được sử dụng để điều khiển với các hệ thống đa biến.
Các bộ điều khiển mờ sẽ dự báo làm cho các Model điều khiển dự phòng( MPC) làm việc với dữ liệu đã được cảnh báo. Kết quả đã chứng minh sự kết hợp mờ vào điều khiển dự phòng tốt hơn MPC và PID điều khiển .4 Hướng nghiên cứu chính của luận văn 1.1 Mục tiêu - Ứng dụng giải thuật mờ và PID vào điều khiển tự động. - Mô phỏng, thực nghiệm đánh giá hệ thống.2 Hướng giải quyết - Xây dựng lại phương trình toán theo bồn nước hình phễu tiết diện A chiều cao H. - Thiết kế bộ điều khiển mờ và PID.
- So sánh kết quả với bộ điều khiển PID. 10 Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Khái niệm về logic mờ a. Định nghĩa Tập mờ F xác định trên tập kinh điển M là một tập mà mỗi phần tử của nó là một cặp các giá trị (x, µf(x)) trong đó x ∈ M, và µf là ánh xạ.
Ánh xạ µf được gọi là hàm thuộc (hoặc hàm phụ thuộc) của tập mờ F. Tập kinh điển M được gọi là tập nền ( hay tập cơ sở) của tập mờ F. Sử dụng các hàm liên thuộc để tính độ phụ thuộc của một phần tử x nào đó có hai cách: tính trực tiếp nếu( f(x) có dạng “trơn” được gọi là hàm liên thuộc kiểu S. Đối với hàm liên thuộc kiểu S, do các công thức biểu diễn F(x) có độ phức tạp lớn nên thời gian tính độ phụ thuộc cho một phần tử lâu.
Trong kỹ thuật điều khiển mờ thông thường, các hàm liên thuộc kiểu S thường được thay gần đúng bằng một hàm tuyến tính từng đoạn. Một hàm liên tục có dạng tuyến tính từng đoạn được gọi là hàm liên thuộc có mức chuyển đổi tuyến tính.1: Hàm thuộc f(x) có mức chuyển đổi tuyến tính Hàm liên thuộc F(x) như trên với m1 = m2 và m3 = m4 chính là hàm phụ thuộc của một tập kinh điển. Độ cao, miền xác định và miền tin cậy của tập mờ Độ cao của một tập mờ F ( trên cơ sở M) là giá trị: H = sup µf(x) x∈ M 11 Một tập mờ có ít nhất một phần tử có độ phụ thuộc bằng 1 được gọi là tập mờ chính tắc tức H = 1, ngược lại tập mờ F với H < 1 được gọi là tập mờ không chính tắc.