Nghiên Cứu Xây Dựng Hệ Thống Điều Khiển Bồn Nước Tự Động Sử Dụng Logic Mờ

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật nghiên cứu Nghiên cứu xây dựng hệ thống điều khiển bồn nước liên kết trên cơ sở logic mờ luận văn thạc sĩ tự, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân,

• Tác giả: Huỳnh Tấn Đạt
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Văn Tiềm
• Trường học: Đại học Giao thông Vận tải Hà Nội
• Chuyên ngành: Tự động hóa
• Đề tài: Nghiên cứu xây dựng hệ thống điều khiển bồn nước liên kết trên cơ sở logic mờ
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ kỹ thuật
• Năm xuất bản: 2011
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Giới thiệu
• 1.2. Mục đích của đề tài
• 1.3. Phạm vi ứng dụng
• 1.4. Phương pháp nghiên cứu
• 1.5. Ý nghĩa khoa học
• 1.6. Ý nghĩa thực tiễn
• 2. CHƯƠNG 2: BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN BỒN NƯỚC LIÊN KẾT
• 2.1. Khái niệm cơ bản về điều khiển mờ
• 2.2. Định nghĩa tập mờ
• 2.3. Các thuật ngữ trong logic mờ
• 2.4. Biến ngôn ngữ
• 2.5. Các phép toán trên tập mờ
• 2.6. Luật hợp thành
• 2.7. Thuật toán xây dựng mệnh đề hợp thành cho hệ SISO
• 2.8. Thuật toán xây dựng mệnh đề hợp thành cho hệ MISO
• 2.9. Giải mờ
• 2.9.1. Phương pháp cực đại
• 2.9.2. Phương pháp trọng tâm
• 2.9.3. Phương pháp độ cao
• 2.10. Mô hình mờ Tagaki-Sugeno
• 2.11. Cấu trúc một bộ điều khiển mờ
• 2.12. Nguyên lý điều khiển mờ
• 2.13. Điều khiển mờ trực tiếp
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ BỒN NƯỚC LIÊN KẾT
• 3.1. Mô tả đối tượng
• 3.2. Các thông số hệ bồn nước liên kết
• 3.3. Mô hình toán học hệ bồn nước liên kết
• 3.4. Các giải pháp điều khiển và kết quả mô phỏng
• 3.5. Kết luận chương 3
• 4. CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ MÔ HÌNH THỰC TẾ VÀ THỬ NGHIỆM
• 4.1. Các thông số của hệ bồn nước
• 4.2. Sơ đồ khối của bộ điều khiển
• 4.3. Card thu thập các dữ liệu và điều khiển PCI 1710L
• 4.4. Sơ đồ Real – Time điều khiển PI mờ sử dụng Simulink của Matlab và Card PCI 1710L
• 4.5. Kết quả chạy trên mô hình thực
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Hệ thống điều khiển bồn nước tự động

Luận văn tập trung vào việc nghiên cứu và thiết kế hệ thống điều khiển bồn nước tự động dựa trên logic mờ. Hệ thống này nhằm điều khiển mực nước và lưu lượng chất lỏng giữa các bồn chứa, một vấn đề cơ bản trong xử lý công nghiệp. Hệ thống điều khiển tự động được xây dựng để đảm bảo sự ổn định và hiệu quả trong quá trình vận hành. Phương pháp logic mờ được áp dụng để giải quyết các bài toán phức tạp mà điều khiển kinh điển không thể xử lý được.

1.1. Ứng dụng logic mờ trong điều khiển

Logic mờ được sử dụng để thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống bồn nước liên kết. Phương pháp này cho phép xử lý các tình huống không chắc chắn và mơ hồ trong quá trình điều khiển. Luận văn đề cập đến việc xây dựng các luật điều khiển mờ dựa trên kinh nghiệm và kiến thức chuyên gia, giúp hệ thống hoạt động ổn định và hiệu quả hơn.

1.2. Thiết kế phần cứng và phần mềm

Luận văn trình bày chi tiết quá trình thiết kế phần cứng của hệ thống bồn nước tự động, bao gồm việc sử dụng card PCI 1710L để giao tiếp với máy tính và vi điều khiển PIC để điều khiển động cơ bơm nước. Phần mềm mô phỏng Matlab được sử dụng để kiểm tra và đánh giá hiệu quả của hệ thống trước khi triển khai thực tế.

II. Logic mờ và điều khiển tự động

Luận văn đi sâu vào lý thuyết logic mờ và ứng dụng của nó trong điều khiển tự động. Logic mờ được giới thiệu như một công cụ mạnh mẽ để giải quyết các bài toán điều khiển phức tạp, đặc biệt là trong các hệ thống không tuyến tính và không chắc chắn. Luận văn cũng đề cập đến các phương pháp thiết kế bộ điều khiển mờ và cách thức áp dụng chúng vào thực tế.

2.1. Khái niệm cơ bản về logic mờ

Logic mờ dựa trên khái niệm tập hợp mờ, nơi các phần tử có thể thuộc nhiều tập hợp khác nhau với các mức độ khác nhau. Luận văn giải thích các khái niệm cơ bản như hàm liên thuộc, biến ngôn ngữ và các phép toán trên tập mờ. Những khái niệm này là nền tảng để thiết kế các bộ điều khiển mờ hiệu quả.

2.2. Ứng dụng logic mờ trong điều khiển bồn nước

Luận văn trình bày cách logic mờ được áp dụng để điều khiển mực nước trong các bồn chứa liên kết. Các luật điều khiển mờ được xây dựng dựa trên kinh nghiệm và kiến thức chuyên gia, giúp hệ thống hoạt động ổn định và đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật.

III. Thiết kế và thử nghiệm hệ thống

Luận văn mô tả quá trình thiết kế và thử nghiệm hệ thống điều khiển bồn nước tự động dựa trên logic mờ. Hệ thống được thiết kế để điều khiển mực nước và lưu lượng chất lỏng giữa các bồn chứa, đảm bảo sự ổn định và hiệu quả trong quá trình vận hành. Các kết quả thử nghiệm cho thấy hệ thống hoạt động tốt và đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật.

3.1. Mô hình toán học hệ bồn nước liên kết

Luận văn trình bày mô hình toán học của hệ bồn nước liên kết, bao gồm các phương trình vi phân mô tả động học của hệ thống. Mô hình này được sử dụng để thiết kế các bộ điều khiển và kiểm tra hiệu quả của chúng thông qua mô phỏng trên Matlab.

3.2. Kết quả thử nghiệm và đánh giá

Các kết quả thử nghiệm trên mô hình thực tế cho thấy hệ thống điều khiển bồn nước tự động hoạt động ổn định và hiệu quả. Luận văn cũng đưa ra các đánh giá về hiệu suất của hệ thống và đề xuất các cải tiến để nâng cao hiệu quả trong tương lai.

IV. Ý nghĩa và ứng dụng thực tiễn

Luận văn không chỉ có ý nghĩa khoa học mà còn có giá trị thực tiễn cao. Hệ thống điều khiển bồn nước tự động dựa trên logic mờ có thể được áp dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp như xử lý nước thải, chế tạo giấy và hóa dầu. Hệ thống này giúp tăng năng suất lao động, nâng cao chất lượng sản phẩm và đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật trong sản xuất.

4.1. Ứng dụng trong công nghiệp

Luận văn đề cập đến việc áp dụng hệ thống điều khiển bồn nước tự động trong các ngành công nghiệp như xử lý nước thải và chế tạo giấy. Hệ thống này giúp tự động hóa quá trình sản xuất, giảm thiểu sự can thiệp của con người và nâng cao hiệu quả sản xuất.

4.2. Giá trị khoa học và thực tiễn

Luận văn đóng góp vào việc phát triển lý thuyết logic mờ và ứng dụng của nó trong điều khiển tự động. Các kết quả nghiên cứu có thể được sử dụng để cải tiến và phát triển các hệ thống điều khiển tự động trong tương lai.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật và công nghệ tự động hóa, việc ứng dụng các phương pháp điều khiển hiện đại vào các hệ thống công nghiệp ngày càng trở nên cấp thiết. Hệ thống bồn nước liên kết là một đối tượng điển hình trong xử lý công nghiệp chất lỏng, được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như xử lý nước thải, chế tạo giấy, hóa dầu. Việc điều khiển ổn định mực nước và lưu lượng giữa các bồn chứa có ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả sản xuất và chất lượng sản phẩm. Theo ước tính, các hệ thống bồn nước liên kết có tính chất đa biến (MIMO) với nhiều yếu tố phi tuyến và nhiễu loạn, đòi hỏi các giải pháp điều khiển tiên tiến để đảm bảo độ ổn định và chính xác.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là xây dựng và thiết kế hệ thống điều khiển bồn nước liên kết dựa trên lý thuyết logic mờ, nhằm khắc phục những hạn chế của các bộ điều khiển truyền thống như PID trong việc xử lý các hệ thống phi tuyến và đa biến. Nghiên cứu tập trung vào việc thiết kế phần cứng điều khiển, mô phỏng trên phần mềm Matlab, đồng thời thi công mô hình thực nghiệm sử dụng card PCI 1710L và vi điều khiển PIC để điều khiển hai động cơ bơm nước. Phạm vi nghiên cứu bao gồm hệ bồn nước liên kết hai bồn với các thông số kỹ thuật cụ thể, thực hiện tại Việt Nam trong năm 2011.

Ý nghĩa của nghiên cứu được thể hiện qua việc nâng cao hiệu quả điều khiển mực nước trong các hệ thống công nghiệp, góp phần tăng năng suất lao động và giảm thiểu sai số trong quá trình vận hành. Các chỉ số hiệu suất như độ ổn định mực nước, sai số xác lập và độ vọt lố được cải thiện rõ rệt khi áp dụng điều khiển logic mờ so với điều khiển PID truyền thống.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết điều khiển PID truyền thống và lý thuyết điều khiển logic mờ.

• Lý thuyết điều khiển PID: Đây là phương pháp điều khiển phổ biến trong kỹ thuật, sử dụng ba thành phần tỷ lệ (P), tích phân (I) và vi phân (D) để điều chỉnh tín hiệu đầu ra dựa trên sai số đầu vào. Tuy nhiên, bộ điều khiển PID truyền thống thường gặp khó khăn khi áp dụng cho các hệ thống phi tuyến và đa biến như hệ bồn nước liên kết.

• Lý thuyết logic mờ (Fuzzy Logic Control): Được phát triển từ năm 1965 bởi giáo sư L.A. Zadeh, logic mờ cho phép xử lý các hệ thống có tính không chắc chắn và phi tuyến bằng cách sử dụng các tập mờ và các quy tắc điều khiển dạng "If-Then". Các khái niệm chính bao gồm tập mờ, hàm liên thuộc, biến ngôn ngữ, luật hợp thành mờ và phương pháp giải mờ. Bộ điều khiển mờ có thể được thiết kế theo mô hình Mamdani hoặc Tagaki-Sugeno, trong đó mô hình Sugeno thường được sử dụng để mô tả linh hoạt các hệ thống phi tuyến.

Các khái niệm chuyên ngành quan trọng bao gồm:

• Tập mờ và hàm liên thuộc: xác định mức độ thuộc về của một phần tử trong tập mờ.
• Biến ngôn ngữ: các giá trị mô tả đặc tính của biến đầu vào/ra như "rất thấp", "vừa", "cao".
• Luật hợp thành mờ: các quy tắc điều khiển dạng "If...Then..." để mô phỏng hành vi con người.
• Phương pháp giải mờ: chuyển đổi giá trị mờ thành giá trị rõ, phổ biến là phương pháp trọng tâm (centroid).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu nghiên cứu bao gồm mô hình toán học của hệ bồn nước liên kết, dữ liệu thực nghiệm thu thập từ mô hình thực tế sử dụng cảm biến áp suất MPXV 5010G và máy bơm DC 24V, cùng với các thông số kỹ thuật được xác định cụ thể (ví dụ: tiết diện van, hệ số lưu lượng, diện tích bồn chứa).

Phương pháp phân tích chính là mô phỏng trên phần mềm Matlab kết hợp Simulink và Data Acquisition Toolbox để xây dựng mô hình điều khiển và thu thập dữ liệu thực tế. Cỡ mẫu nghiên cứu là mô hình hai bồn nước liên kết (hệ MIMO 2x2). Phương pháp chọn mẫu là lựa chọn mô hình điển hình đại diện cho các hệ thống bồn nước công nghiệp.

Quá trình nghiên cứu gồm các bước:

1. Phân tích bài toán vật lý và xây dựng mô hình toán học hệ bồn nước liên kết.
2. Thiết kế bộ điều khiển PID và mô phỏng trên Matlab.
3. Thiết kế bộ điều khiển logic mờ PI mờ dựa trên hệ quy tắc Mamdani và Sugeno.
4. Thi công mô hình thực nghiệm với phần cứng gồm card PCI 1710L và vi điều khiển PIC.
5. Thử nghiệm và đánh giá kết quả điều khiển trên mô hình thực tế.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong năm 2011, bao gồm giai đoạn thiết kế, mô phỏng và thử nghiệm thực tế.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu quả điều khiển PID truyền thống: Qua mô phỏng, bộ điều khiển PID với hệ số KP = 1.6 cho thấy tín hiệu ngõ ra bám sát tín hiệu đặt, tuy nhiên xuất hiện độ vọt lố lớn và hiện tượng nhảy cấp. Cụ thể, sai số xác lập có thể giảm nhưng độ ổn định chưa cao, gây ảnh hưởng đến chất lượng điều khiển.

2. Ưu điểm của bộ điều khiển PI mờ: Sử dụng bộ điều khiển PI mờ với 9 quy tắc điều khiển và hàm liên thuộc tuyến tính từng đoạn cho các biến vào/ra, kết quả mô phỏng cho thấy tín hiệu ngõ ra bám theo tín hiệu đặt rất tốt, giảm đáng kể độ vọt lố và dao động so với PID. Tín hiệu điều khiển có sự ổn định hơn, sai số xác lập gần bằng 0, phù hợp với đặc tính phi tuyến của hệ bồn nước liên kết.

3. Mô hình mờ Sugeno cho điều khiển PID mờ: Bộ điều khiển PID mờ theo mô hình Sugeno cho phép thay đổi thông số PID theo điểm làm việc, giúp hệ thống thích nghi tốt với các điều kiện vận hành khác nhau, nâng cao độ chính xác và ổn định.

4. Thử nghiệm thực tế trên mô hình: Việc kết nối phần mềm Matlab với phần cứng qua card PCI 1710L và vi điều khiển PIC cho phép điều khiển hai động cơ bơm nước hiệu quả, mô phỏng thành công quá trình điều khiển mực nước trong hai bồn liên kết. Kết quả thực nghiệm tương đồng với mô phỏng, chứng minh tính khả thi của giải pháp.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính giúp bộ điều khiển mờ vượt trội so với PID truyền thống là khả năng xử lý phi tuyến và đa biến của hệ thống bồn nước liên kết. Logic mờ cho phép mô phỏng các quy tắc điều khiển dựa trên kinh nghiệm chuyên gia, từ đó điều chỉnh tín hiệu đầu ra linh hoạt hơn, giảm thiểu hiện tượng quá độ và dao động.

So sánh với các nghiên cứu khác trong lĩnh vực điều khiển hệ MIMO và phi tuyến, kết quả của luận văn phù hợp với xu hướng ứng dụng logic mờ trong công nghiệp hiện đại. Việc sử dụng mô hình Sugeno giúp cải thiện khả năng thích nghi của bộ điều khiển PID mờ, đồng thời giảm thiểu thời gian thiết kế và hiệu chỉnh.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ mô phỏng tín hiệu mực nước và tín hiệu điều khiển theo thời gian, bảng so sánh sai số và độ ổn định giữa các phương pháp điều khiển PID và PI mờ, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của giải pháp.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai áp dụng bộ điều khiển PI mờ trong các hệ thống bồn nước công nghiệp nhằm nâng cao độ ổn định mực nước và giảm sai số xác lập, với mục tiêu giảm độ vọt lố dưới 10% trong vòng 6 tháng, do các đơn vị vận hành hệ thống thực hiện.

2. Phát triển phần mềm điều khiển tích hợp trên nền tảng Matlab kết hợp phần cứng vi điều khiển PIC và card PCI 1710L để dễ dàng mở rộng và tùy chỉnh cho các hệ thống bồn nước đa biến, hoàn thành trong 1 năm.

3. Đào tạo kỹ thuật viên và kỹ sư vận hành về thiết kế và hiệu chỉnh bộ điều khiển logic mờ, nhằm nâng cao năng lực vận hành và bảo trì hệ thống, với các khóa đào tạo định kỳ hàng năm.

4. Nghiên cứu mở rộng ứng dụng mô hình điều khiển PID mờ Sugeno cho các hệ thống công nghiệp phi tuyến phức tạp hơn, như hệ thống xử lý nước thải quy mô lớn hoặc hệ thống bồn chứa đa tầng, với mục tiêu cải thiện hiệu suất điều khiển trên 15% trong 2 năm tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư tự động hóa và điều khiển: Nắm bắt kiến thức về thiết kế bộ điều khiển logic mờ và ứng dụng thực tế trong hệ thống bồn nước liên kết, hỗ trợ phát triển các giải pháp điều khiển tiên tiến.

2. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật điều khiển: Tham khảo mô hình toán học, phương pháp thiết kế và mô phỏng điều khiển mờ, phục vụ cho các đề tài nghiên cứu và luận văn.

3. Doanh nghiệp sản xuất và xử lý nước thải: Áp dụng giải pháp điều khiển mực nước ổn định, nâng cao hiệu quả vận hành và giảm chi phí bảo trì hệ thống.

4. Các đơn vị đào tạo kỹ thuật và công nghệ: Sử dụng luận văn làm tài liệu giảng dạy về điều khiển mờ, mô phỏng Matlab và thiết kế hệ thống điều khiển thực tế.

Câu hỏi thường gặp

1. Logic mờ là gì và tại sao lại được sử dụng trong điều khiển bồn nước liên kết?
   Logic mờ là phương pháp điều khiển dựa trên các tập mờ và quy tắc "If-Then", giúp xử lý các hệ thống phi tuyến và không chắc chắn. Trong bồn nước liên kết, logic mờ giúp điều chỉnh mực nước ổn định hơn so với điều khiển PID truyền thống.

2. Bộ điều khiển PI mờ khác gì so với bộ điều khiển PID truyền thống?
   PI mờ kết hợp tính năng tích phân và logic mờ để xử lý phi tuyến, giảm sai số xác lập và độ vọt lố, trong khi PID truyền thống chỉ hiệu quả với hệ tuyến tính và có thể gây dao động lớn.

3. Phương pháp mô phỏng nào được sử dụng trong nghiên cứu?
   Nghiên cứu sử dụng phần mềm Matlab với công cụ Simulink và Data Acquisition Toolbox để mô phỏng hệ thống điều khiển và thu thập dữ liệu thực nghiệm.

4. Làm thế nào để thiết kế hệ quy tắc điều khiển mờ?
   Hệ quy tắc được xây dựng dựa trên kinh nghiệm chuyên gia và phương pháp thử sai, với các biến ngôn ngữ mô tả sai số và biến thiên sai số, tạo thành các quy tắc điều khiển dạng "If-Then".

5. Giá trị thực tế của nghiên cứu này trong công nghiệp là gì?
   Nghiên cứu cung cấp giải pháp điều khiển ổn định mực nước trong các hệ thống bồn nước liên kết, giúp tăng hiệu quả sản xuất, giảm chi phí vận hành và nâng cao chất lượng sản phẩm trong các ngành công nghiệp xử lý nước và hóa chất.

Kết luận

• Luận văn đã xây dựng thành công mô hình toán học và hệ thống điều khiển bồn nước liên kết dựa trên logic mờ, kết hợp mô phỏng Matlab và thi công mô hình thực nghiệm.
• Bộ điều khiển PI mờ cho hiệu quả điều khiển vượt trội so với bộ PID truyền thống, giảm sai số xác lập và độ vọt lố.
• Mô hình điều khiển PID mờ theo Sugeno giúp thích nghi tốt với các điều kiện vận hành đa dạng của hệ thống phi tuyến.
• Phần cứng điều khiển sử dụng card PCI 1710L và vi điều khiển PIC đã được tích hợp thành công, chứng minh tính khả thi của giải pháp trong thực tế.
• Đề xuất các bước tiếp theo bao gồm triển khai ứng dụng thực tế, đào tạo nhân lực và nghiên cứu mở rộng cho các hệ thống công nghiệp phức tạp hơn.

Hãy bắt đầu áp dụng các giải pháp điều khiển logic mờ để nâng cao hiệu quả vận hành hệ thống bồn nước liên kết trong doanh nghiệp của bạn ngay hôm nay!

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. Giới thiệu Để điều khiển mức nước và lưu lượng chất lỏng giữa các bồn là vấn đề cơ bản trong xử lý công nghiệp. Trong xử lý công nghiệp chất lỏng phải đòi hỏi được bơm vào bồn rồi sau đó bơm sang một bồn khác. Sau khi bơm nhiều lần như vậy chất lỏng sẽ được xử lý bằng hóa chất hoặc xử lý các hỗn hợp trong bồn, nhưng mức chất lỏng trong bồn luôn luôn được điều khiển và lưu lượng giữa các bồn phải được ổn định.

Điều khiển mức và lưu lượng chất lỏng trong bồn là vấn đề quan trọng trong các quá trình công nghệ hóa học như hóa dầu, xử lý nước thải, chế tạo giấy,…trong khi công nghệ hóa học thì rất quan trọng trong kinh tế và trong cuộc sống của chúng ta. Chính vì sự phổ biến và ứng dụng rộng rãi mà có rất nhiều luận văn về hệ bồn nước được thực hiện, các phương pháp đã được áp dụng như: mạng nơ ron (Neural network), điều khiển mờ (fuzzy logic control), điều khiển thích nghi (adaptive control)…. tuy nhiên các đề tài chủ yếu nghiên cứu trên đối tượng bồn nước nối tiếp (hệ SISO) và vấn đề thi công chưa được các luận văn trước thực hiện, vì vậy người thực hiện chọn đề tài về bồn nước liên kết (hệ MIMO) kết hợp cả mô phỏng lý thuyết và thi công mô hình thực trên thực tế. Mục đích của đề tài  Nghiên cứu , thiết kế phần cứng của hệ thống bồn nước liên kết.

 Tên đề tài: “ Nghiên cứu xây dựng hệ thống điều khiển bồn nước liên kết trên cở sở Logic mờ ”.  Sử dụng lý thuyết điều khiển mờ để áp dụng cho bài toán điều khiển ổn định của hệ bồn nước liên kết.  Thi công trên mô hình thử nghiệm đã được thông qua phần mô phỏng Matlab và kết nối phần điều khiển sử dụng card PCI 1710L giao tiếp máy tính kết hợp với vi điều khiển PIC để điều chế độ rộng xung thay đổi điện áp điều khiển hai động cơ bơm nước và kết quả trên mô hình hiện thực. HVTH: HUỲNH TẤN ĐẠT LUẬN VĂN CAO HỌC -6- GVHD: TS NGUYỄN VĂN TIỀM 1.

Phạm vi ứng dụng - Kết quả của đề tài sẽ được áp dụng cho việc xử lý nước thải, chế tạo giấy,…trong khi công nghệ hóa học thì rất quan trọng trong kinh tế và trong cuộc sống của chúng ta. Phương pháp nghiên cứu  Phân tích bài toán vật lý của hệ bồn nước liên kết, xây dựng.  Khảo sát trong trường hợp áp dụng bộ điều khiển PID.  Thiết kế được bộ điều khiển mờ và sử dụng Matlab mô phỏng.

 Chạy thử nghiệm và đánh giá kết quả đạt được. Ý nghĩa khoa học. Về việc sử dụng lý thuyết điều khiển hiện đại và logic mờ cho bài toán học hệ bồn nước liên kết. Ý nghĩa thực tiễn.

Các phương trình toán học cho hệ điều khiển bồn nước liên kết có một ý nghĩa trong xử lý công nghiệp chất lỏng phải đòi hỏi được bơm vào bồn rồi sau đó bơm sang một bồn khác. HVTH: HUỲNH TẤN ĐẠT LUẬN VĂN CAO HỌC -7- GVHD: TS NGUYỄN VĂN TIỀM Chương 2 : Bài toán điều khiển bồn nước liên kết 2. Khái niệm về logic mờ được giáo sư L.A Zadeh đưa ra lần đầu tiên vào năm 1965, tại trường Đại học Berkeley, tiểu bang California - Mỹ. Từ đó lý thuyết mờ đã được phát triển và ứng dụng rộng rãi.

Năm 1970 tại trường Mary Queen, London – Anh, Ebrahim Mamdani đã dùng logic mờ để điều khiển một máy hơi nước mà ông không thể điều khiển được bằng kỹ thuật cổ điển. Tại Đức Hann Zimmermann đã dùng logic mờ cho các hệ ra quyết định. Tại Nhật logic mờ đã được ứng dụng vào nhà máy xử lý nước của Fuji Electronic vào năm1983, hệ thống xe điện ngầm của hãng Hitachi vào năm 1987. Lý thuyết mờ ra đời ở Mỹ, ứng dụng đầu tiên ở Anh nhưng phát triển mạnh mẽ nhất là ở Nhật.

Trong lĩnh vực tự động hoá logic mờ ngày càng được ứng dụng rộng rãi. Nó thực sự hữu dụng với các đối tượng phức tạp mà ta chưa biết rõ hàm truyền, logic mờ có thể giải quyết các vấn đề mà điều khiển kinh điển không làm được.1 Khái niệm cơ bản về điều khiển mờ. Logic mờ dựa trên khái niệm tập hợp mờ phân biệt với tập hợp kinh điển. Tập kinh điển là một tập hợp các vật có cùng đặc tính, gọi là các phần tử của tập hợp, một vật bất kỳ có thể coi là thuộc hay là không thuộc tập hợp.

Còn tập mờ thì phần tử có thể thuộc tập này nhưng cũng có thể thuộc tập khác, tóm lại là tập mờ không có biên rõ ràng. Ví dụ:Tập A là các ngày trong tuần gồm 7 phần tử từ Thứ 2 đến Chủ nhật là tập kinh điển; còn thịt, cá tất nhiên không thuộc tập A. Gọi tập B là tập các ngày cuối tuần thì tập B được gọi là tập mờ, vì Thứ 7, Chủ Nhật là ngày cuối tuần và thuộc tập B, nhưng Thứ 6 có thể được coi là thuộc B hay không thuộc B và Thứ 5 là không thuộc B. Một cách tổng quát, một hệ thống mờ là một tập hợp các qui tắc dưới dạng If … Then … để tái tạo hành vi của con người được tích hợp vào cấu trúc điều khiển của hệ thống.

HVTH: HUỲNH TẤN ĐẠT LUẬN VĂN CAO HỌC -8- GVHD: TS NGUYỄN VĂN TIỀM Việc thiết kế một hệ thống mờ mang rất nhiều tính chất chủ quan, nó tùy thuộc vào kinh nghiệm và kiến thức của người thiết kế. Ngày nay, tuy kỹ thuật mờ đã phát triển vượt bậc nhưng vẫn chưa có một cách thức chính quy và hiệu quả để thiết kế một hệ thống mờ. Việc thiết kế vẫn phải dựa trên một kỹ thuật rất cổ điển là thử - sai và đòi hỏi phải đầu tư nhiều thời gian để có thể đi tới một kết quả chấp nhận được.2 Định nghĩa tập mờ Tập mờ F xác định trên tập kinh điển X là một tập mà mỗi phần tử của nó là một cặp giá trị (x,F(x)), với x X và F(x) là một ánh xạ : F(x) : X  [0 1] trong đó : F (x)gọi là hàm liên thuộc của tập mờ F. Hàm liên thuộc đặc trưng cho độ phụ thuộc của một phần bất kì thuộc tập cơ sở X vào tập mờ F.

Nói cách khác, tập mờ xác định bởi hàm liên thuộc của nó.3 Các thuật ngữ trong logic mờ  Miền tin cậy 1 MXÑ Hình 2.1: Biểu đồ hàm liên thuộc  Độ cao tập mờ F là giá trị h = SupF(x), trong đó supF(x) chỉ giá trị nhỏ nhất trong tất cả các chặn trên của hàm F(x).  Miền xác định hay là miền nền của hàm liên thuộc của tập mờ F là vùng gồm các phần tử có độ phụ thuộc khác 0. Nghĩa là miền nền gồm các phần tử x của tập cơ sở X sao cho F(x) > 0, nói cách khác gọi là S là tập con thoả mãn : S = SuppF(x) = { xB | F(x) > 0 } HVTH: HUỲNH TẤN ĐẠT LUẬN VĂN CAO HỌC -9- GVHD: TS NGUYỄN VĂN TIỀM  Miền tin cậy hay là lõi của hàm liên thuộc của tập mờ F là vùng gồm các phần tử có độ phụ thuộc bằng 1,nghĩa là lõi gồm các phần tử x của tập cơ sở X sao cho F(x) =1 ký hiệu là T là tập con thoả mãn : T = { xB | F(x) = 1 }  Biên của hàm liên thuộc của tập mờ F là vùng gồm các phần tử có độ phụ thuộc khác 0 và nhỏ hơn 1, nghĩa là biên của tập mờ gồm các phần tử x của tập cơ sở X sao cho 0<F(x) < 1.  Các dạng hàm thuộc (membership function) trong logic mờ:Đa số các dạng thường gặp của hàm liên thuộc là chính tắc và lồi.

Tuy nhiên, nhiều phép toán trên tập mờ, cũng là phép toán trên hàm liên thuộc, tạo ra kết quả là các tập mờ không chính tắc. Hàm liên thuộc có thể đối xứng hoặc không đối xứng. Các hàm này thường được định nghĩa trên các tập cơ sở một chiều, nhưng tất nhiên các hàm này cũng có thể được định nghĩa trên các tập cơ sở nhiều chiều. Có rất nhiều dạng hàm thuộc như : Gaussian, PI-shape, S-shape, Sigmoidal, Z-shape … HVTH: HUỲNH TẤN ĐẠT LUẬN VĂN CAO HỌC -10- GVHD: TS NGUYỄN VĂN TIỀM Hình 2.2: Biểu đồ các dạng hàm liên thuộc HVTH: HUỲNH TẤN ĐẠT LUẬN VĂN CAO HỌC -11- GVHD: TS NGUYỄN VĂN TIỀM 2.4 Biến ngôn ngữ.

Biến ngôn ngữ là phần tử chủ đạo trong các hệ thống dùng logic mờ. Ở đây các thành phần ngôn ngữ của cùng một ngữ cảnh được kết hợp lại với nhau. Để minh họa về hàm thuộc và biến ngôn ngữ ta xét ví dụ sau : Xét tốc độ của một chiếc xe môtô, ta có thể phát biểu xe đang chạy: - Rất chậm (VS) - Chậm (S) - Trung bình (M) - Nhanh (F) - Rất nhanh (VF) Những phát biểu như vậy gọi là biến ngôn ngữ của tập mờ. Gọi x là giá trị của biến tốc độ, ví dụ x =10km/h, x = 60km/h … Hàm thuộc tương ứng của các biến ngôn ngữ trên được ký hiệu là : VS(x), S(x), M(x), F(x), VF(x)  VS S M F VF 1 0.3: Hàm liên thuộc vận tốc Như vậy biến tốc độ có hai miền giá trị : - Miền các giá trị ngôn ngữ : N = { rất chậm, chậm, trung bình, nhanh, rất nhanh } - Miền các giá trị vật lý : V = { xB | x  0 } HVTH: HUỲNH TẤN ĐẠT LUẬN VĂN CAO HỌC -12- GVHD: TS NGUYỄN VĂN TIỀM Biến tốc độ được xác định trên miền ngôn ngữ N được gọi là biến ngôn ngữ.

Với mỗi xB ta có hàm thuộc : x  X = { VS(x), S(x), M(x), F(x), VF(x) } Ví dụ hàm thuộc tại giá trị rõ x = 65km/h là : X(65) = { 0;0;0.5 Các phép toán trên tập mờ Cho X,Y là hai tập mờ trên không gian nền B, có các hàm thuộc tương ứng là X, Y , khi đó : - Phép hợp hai tập mờ : XY + Theo luật Max XY(b) = Max{ X(b) , Y(b) } + Theo luật Sum XY(b) = Min{ 1, X(b) + Y(b) } + Tổng trực tiếp XY(b) = X(b) + Y(b) - X(b).6 Luật hợp thành 2.