Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật: Ứng Dụng Bộ Điều Khiển Smith Predictor Mờ Cho Hệ Thống Có Trễ

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật phân tích kỹ thuật điều khiển và tự động hóa điều khiển hệ thống có trễ với bộ điều khiển smith predictor mờ, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề

• Tác giả: Đào Văn Thành
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Trọng Tài
• Trường học: Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia TP. HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
• Đề tài: Điều khiển hệ thống có trễ với bộ điều khiển Smith Predictor Mờ
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về đề tài

Đề tài 'Điều khiển hệ thống có trễ với bộ điều khiển Smith Predictor Mờ' tập trung vào việc giải quyết vấn đề thời gian trễ trong các hệ thống điều khiển. Thời gian trễ là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống, đặc biệt trong các ứng dụng như điều khiển nhiệt độ, lưu lượng và áp suất. Việc sử dụng bộ điều khiển Smith Predictor Mờ giúp cải thiện chất lượng điều khiển bằng cách ước lượng chính xác thời gian trễ và các tham số của hệ thống. Đề tài này không chỉ có ý nghĩa lý thuyết mà còn mang lại giá trị thực tiễn cao trong việc nâng cao hiệu suất điều khiển của các hệ thống phức tạp.

1.1. Tính cấp thiết của đề tài

Hệ thống có trễ thường gặp trong thực tế, gây khó khăn trong việc điều khiển và ổn định hệ thống. Việc nghiên cứu và phát triển bộ điều khiển Smith Predictor Mờ là cần thiết để giải quyết vấn đề này. Đề tài này không chỉ giúp cải thiện chất lượng điều khiển mà còn cung cấp phương pháp tiếp cận mới cho các hệ thống có thời gian trễ, từ đó nâng cao hiệu quả hoạt động của các thiết bị công nghiệp.

1.2. Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính của đề tài là xây dựng bộ điều khiển Smith Predictor Mờ để điều khiển hệ thống có thời gian trễ. Đề tài sẽ nghiên cứu các giải thuật ước lượng tham số và thời gian trễ, kết hợp với bộ điều khiển PI-Mờ. Qua đó, đề tài sẽ mô phỏng và thực nghiệm trên rig thí nghiệm Endress-Hauser, nhằm đánh giá hiệu quả của bộ điều khiển trong việc cải thiện chất lượng điều khiển.

II. Cơ sở lý thuyết

Chương này trình bày các lý thuyết cơ bản liên quan đến bộ điều khiển Smith Predictor và các phương pháp ước lượng tham số. Bộ điều khiển Smith Predictor được thiết kế để bù trừ cho thời gian trễ trong hệ thống, giúp cải thiện độ chính xác và ổn định của quá trình điều khiển. Các giải thuật ước lượng tham số được áp dụng để xác định các thông số của hệ thống, từ đó tối ưu hóa hiệu suất điều khiển. Việc sử dụng bộ điều khiển Mờ trong nghiên cứu này cũng cho thấy tính linh hoạt và khả năng thích ứng của nó trong các tình huống thực tế.

2.1. Bộ điều khiển Smith Predictor

Bộ điều khiển Smith Predictor là một giải pháp hiệu quả để xử lý thời gian trễ trong hệ thống điều khiển. Nó hoạt động bằng cách dự đoán hành vi của hệ thống trong khoảng thời gian trễ, từ đó điều chỉnh tín hiệu điều khiển một cách chính xác. Việc áp dụng bộ điều khiển này giúp giảm thiểu sai số và cải thiện độ ổn định của hệ thống. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng Smith Predictor có thể cải thiện đáng kể hiệu suất điều khiển trong các hệ thống có trễ.

2.2. Giải thuật ước lượng tham số

Giải thuật ước lượng tham số là một phần quan trọng trong việc xây dựng bộ điều khiển hiệu quả. Các phương pháp như hồi quy tuyến tính và thuật toán đệ quy được sử dụng để xác định các tham số của hệ thống. Việc ước lượng chính xác các tham số này là cần thiết để đảm bảo bộ điều khiển hoạt động hiệu quả. Nghiên cứu này sẽ áp dụng các giải thuật này để tối ưu hóa bộ điều khiển Smith Predictor Mờ, từ đó nâng cao chất lượng điều khiển trong các hệ thống có thời gian trễ.

III. Kết quả thực nghiệm

Chương này trình bày kết quả thực nghiệm từ việc áp dụng bộ điều khiển Smith Predictor Mờ trên rig thí nghiệm Endress-Hauser. Các kết quả cho thấy rằng bộ điều khiển này đã cải thiện đáng kể thời gian đáp ứng và độ chính xác của hệ thống. Việc ước lượng thời gian trễ và các tham số của hệ thống đã được thực hiện thành công, cho thấy tính khả thi của phương pháp. Kết quả thực nghiệm không chỉ xác nhận lý thuyết mà còn mở ra hướng đi mới cho các nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực điều khiển hệ thống có trễ.

3.1. Kết quả điều khiển với bộ điều khiển PI

Kết quả điều khiển với bộ điều khiển PI cho thấy hiệu suất điều khiển chưa đạt yêu cầu, đặc biệt trong các hệ thống có thời gian trễ. Thời gian đáp ứng chậm và độ ổn định không cao là những vấn đề chính. Điều này cho thấy sự cần thiết phải áp dụng các phương pháp điều khiển tiên tiến hơn như Smith Predictor Mờ để cải thiện hiệu suất.

3.2. Kết quả điều khiển với bộ điều khiển Smith Predictor Mờ

Kết quả thực nghiệm với bộ điều khiển Smith Predictor Mờ cho thấy sự cải thiện rõ rệt về thời gian đáp ứng và độ chính xác. Bộ điều khiển này đã giúp giảm thiểu sai số và nâng cao độ ổn định của hệ thống. Các số liệu thu được từ thực nghiệm cho thấy rằng việc áp dụng bộ điều khiển Smith Predictor Mờ là một giải pháp hiệu quả cho các hệ thống có thời gian trễ.

IV. Kết luận và hướng phát triển

Đề tài đã đạt được các mục tiêu đề ra, xây dựng thành công bộ điều khiển Smith Predictor Mờ cho hệ thống có thời gian trễ. Kết quả thực nghiệm cho thấy bộ điều khiển này có khả năng cải thiện đáng kể chất lượng điều khiển. Hướng phát triển tiếp theo có thể tập trung vào việc mở rộng ứng dụng của bộ điều khiển này cho các hệ thống phức tạp hơn, cũng như nghiên cứu thêm về các giải thuật điều khiển thông minh khác để nâng cao hiệu suất điều khiển.

4.1. Kết quả đạt được

Đề tài đã hoàn thành việc xây dựng và thử nghiệm bộ điều khiển Smith Predictor Mờ, cho thấy khả năng cải thiện chất lượng điều khiển trong các hệ thống có thời gian trễ. Các kết quả thực nghiệm đã xác nhận tính khả thi và hiệu quả của phương pháp.

4.2. Hướng phát triển đề tài

Hướng phát triển tiếp theo có thể bao gồm việc áp dụng bộ điều khiển Smith Predictor Mờ cho các hệ thống phức tạp hơn, cũng như nghiên cứu các giải thuật điều khiển mới để nâng cao hiệu suất. Việc mở rộng ứng dụng và cải tiến các phương pháp điều khiển sẽ góp phần nâng cao chất lượng điều khiển trong các lĩnh vực khác nhau.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 1. Sơ lược những nghiên cứu liên quan Một số công trình nghiên cứu liên quan đến thời gian trễ như:  Hai phương pháp Smith predictor (Smith,1957) và decoupled predictor (Sung and Lee, 1996) để loại trừ ảnh hưởng thời gian trễ được giới thiệu trong [1]. Hai phương pháp này tính toán và đưa ra sơ đồ khối để điều khiển hệ thống có trễ thông qua những tham số, thời gian trễ của đối tượng đã được ước lượng. Trong đó, phương pháp Smith predictor điều khiển ngõ ra bám theo giá trị đặt và bộ điều khiển PID được thiết kế theo luật chỉnh ITAE-2-setpoint.

Tuy nhiên, bộ điều khiển độ lợi cao theo phương pháp Smith predictor sẽ khuếch đại sai số mô hình và có thể dẫn đến trạng thái không ổn định đối với những sai số nhỏ. Để giải quyết vấn đề này thì phương pháp decoupled predictor được áp dụng. Trong phương pháp decoupled predictor có hai bộ điều khiển PID được thiết kế theo luật chỉnh ITAE-2-setpoint và ITAE-2-disturbance. Kết quả của cả hai phương pháp này đã loại trừ ảnh hưởng của thời gian trễ lên hệ thống và điều khiển ngõ ra bám theo tín hiệu đặt.

Hạn chế của hai phương pháp này là những tham số và thời gian trễ của đối tượng phải được ước lượng tương đối chính xác thì hai phương pháp này mới có thể áp dụng vào hệ thống. Kết quả điều khiển được thể hiện ở hình 1.1: Kết quả điều khiển khi dùng Smith predictor và conventional PID 3 2 y(t)-dat y(t)-Smith predictor y(t)-decoupled predictor 1.2: Kết quả điều khiển của decoupled predictor và Smith predictor  Phương pháp dùng giải thuật di truyền mã hóa số thực để nhận dạng hệ thống có trễ đối với đáp ứng bước [2]. Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả đã đưa ra đưa ra một giải pháp mới cho giải thuật di truyền mã hóa số thực để nhận dạng hệ thống FOPDT (First-Order Plus Dead-Time) và SOPDT (Second-Order Plus Dead-Time) là sử dụng lai ghép sửa đổi (modified crossover) để chọn những tham số tối ưu của hệ thống. Nghiên cứu này còn so sánh đáp ứng ngõ ra của hệ thống FOPDT và SOPDT với một số phương pháp nhận dạng khác như nhận dạng trực tiếp, nhận dạng cơ bản và đều cho kết quả tốt hơn.

 Điều khiển thích nghi bù trễ cho tỉ lệ nguyên liệu máy bay trong động cơ SI (Spark Ignition engine) [3]. Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả đã phát triển bộ điều khiển thích nghi bao gồm một bộ điều khiển PI và bộ dự báo Smith cho hệ thống có trễ với những tham số đối tượng chưa biết. Mô hình động cơ SI là hệ thống FOPDT, với giả sử là thời gian trễ đã biết chính xác, nhóm tác giả ước lượng thời hằng dựa trên giải thuật ước lượng gradient, ngõ vào bộ ước lượng là y và e, giá trị ước lượng này được đưa vào bộ điều khiển PI và bộ dự báo Smith. Kết quả mô phỏng cho thấy ngõ ra của hệ thống đáp ứng tốt với tín hiệu chuẩn và nhiễu.

Sơ đồ điều khiển được thể hiện ở hình 1.3: Cấu trúc điều khiển thích nghi cập nhật thông số cho bộ điều khiển  Điều khiển Glucose với bộ điều khiển Smith predictor trượt cho bệnh nhân tiểu đường [4]. Những bệnh nhân tiểu đường phụ thuộc vào việc cung cấp insulin để giữ lượng đường trong máu nằm trong giới hạn cho phép. Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả thiết kế hai bộ điều khiển vòng lặp kín để chống lại những nguy cơ hạ đường huyết. Bộ điều khiển được thiết kế bởi việc sử dụng điều khiển trượt và bộ dự báo Smith.

Mô hình thể hiện insulin-đường trong máu được nhận dạng và xấp xỉ bằng hệ thống FOPDT và SOPDT, mặt trượt được tính tương ứng với mỗi hệ thống. Bộ dự báo Smith có tác dụng điều khiển dự báo cho hệ thống có trễ, do đó cần mô hình động lực học và ước lượng thời gian trễ của hệ thống. Kết quả mô phỏng cho thấy việc điều khiển lượng đường trong máu cho kết quả tốt kể cả khi có nhiễu, sai số mô hình (30%). Sơ đồ điều khiển được thể hiện ở hình 1.4: Cấu trúc bộ điều khiển Smith predictor trượt 5  Nghiên cứu bộ điều khiển Self-adaptive Smith Mờ cho hệ thống điều khiển mực chất lỏng [5].

Trong đó bộ điều khiển logic Mờ sẽ chỉnh những tham số Kp, Ki, Kd của bộ điều khiển PID. Bộ điều khiển Self- adaptive Smith Mờ sẽ có những ưu điểm của bộ dự báo Smith và bộ điều khiển Mờ-PID, nên có thể khắc phục được những hạn chế khi mô hình ước lượng không chính xác với mô hình thực, do đó sẽ cải thiện được chất lượng điều khiển của hệ thống. Sơ đồ điều khiển được thể hiện ở hình 1.5: Sơ đồ khối của bộ điều khiển Self-adaptive Smith Mờ Như vậy đã có nhiều nghiên cứu về điều khiển hệ thống có trễ cho thấy việc ước lượng các tham số và thời gian trễ của hệ thống rất quan trọng. Sau khi có những tham số và thời gian trễ của hệ thống, kết hợp với những phương pháp điều khiển bù trễ như: bộ dự báo Smith, decoupled predictor, bộ điều khiển Smith predictor trượt, bộ điều khiển Self-adaptive Smith Mờ,.để điều khiển được hệ thống có trễ đạt được chất lượng mong muốn và loại trừ ảnh hưởng của nhiễu.

Ước lượng thời gian trễ của hệ thống với bộ điều khiển Mờ Trong nghiên cứu này, giả sử tham số mô hình được ước lượng tương đối chính xác, sử dụng bộ điều khiển logic Mờ để ước lượng thời gian trễ chưa biết của hệ thống [6]. Sơ đồ khối điều khiển được thể hiện ở hình 1.6: Cấu trúc điều khiển hệ thống Trong cấu trúc này bao gồm đối tượng, bộ dự báo Smith (nằm trong đường nét đứt) và bộ điều khiển logic Mờ để chỉnh thời gian trễ của mô hình. Bộ dự báo Smith dùng để loại bỏ ảnh hưởng thời gian trễ lên hệ thống, bộ điều khiển Mờ dùng để ước lượng thời gian trễ của đối tượng. Từ sơ đồ cấu trúc hệ thống, ta có: y  G* (s)e s u (s) ym  Gm (s)em s u (s) (1.1) Trong đó, θ là thời gian trễ của hệ thống, θm là thời gian trễ mô hình, y là ngõ ra hệ thống, ym là ngõ ra của mô hình, và u là ngõ vào bộ điều khiển.

Nếu    m thì k bộ dự báo Smith sẽ không có tác dụng. Đặt A(k)   y (k)  y m (k) dk và A(k) sẽ tăng 0 nếu đáp ứng của y và ym không trùng nhau, và    m thì đáp ứng ngõ ra y và ym sẽ trùng nhau, và A(k) sẽ không thay đổi. Ta có: yd  ym  Gm* (s) u(s) y fb  y  yd  G* (s).2) Từ đây, tín hiệu hồi tiếp y được thay thế bởi y fb  G* (s).u(s) khi  m   , và bộ dự báo Smith có thể bù trễ cho hệ thống có trễ. Do vậy, bộ điều khiển Mờ dùng để cập nhật giá trị thời gian trễ mô hình θm xấp xỉ thời gian trễ của hệ thống θ.

Xây dựng bộ ước lượng Mờ Đầu tiên, cho giá trị khởi đầu của thời gian trễ mô hình θm=0 ta được đáp ứng ngõ ra y, ym và A(k) như hình 1.7:Đáp ứng ngõ ra y, ym và A(k) khi thời gian trễ mô hình θm =0 Khi chưa chỉnh thời gian trễ của mô hình,  m   , ngõ ra y của hệ thống và ym của mô hình không trùng nhau, dẫn đến A(k) tăng nhanh và đây là kết quả không muốn. Mỗi khi  m   thì A(k) sẽ không tăng nữa (tạo thành một đường thẳng nằm ngang). Vì vậy, A(k) tăng nếu y, ym không trùng nhau, hoặc A(k) nằm ngang khi m  . Từ những trạng thái trên, ta có thể đưa ra luật Mờ.

Cấu trúc cơ bản của điều khiển Mờ được thể hiện trong hình 1. Trong đó cơ bốn thành phần chủ yếu của điều khiển Mờ là: mờ hóa, phương pháp suy diễn, hệ qui tắc và giải mờ [7]. Khối đầu tiên trong hệ mờ cơ bản là khối mờ hóa, khối này có chức năng biến đổi giá trị rõ sang giá trị ngôn ngữ, hay nói cách khác sang tập mờ, vì hệ qui 8 tắc mờ chỉ có thể suy diễn trên các tập mờ. Qui tắc mờ là phát biểu nếu-thì, trong đó mệnh đề điều kiện và mệnh đề kết luận là các mệnh đề mờ.

Luật i: Nếu e là Mj và Δe là Nk thì ΔT là Ol Trong đó: Mj, j=1, 2, 3; Nk, k=1, 2, 3, 4, 5; Ol, l=1, 2, 3, 4, 5 Giải mờ là biến đổi tập mờ (giá trị ngôn ngữ) sang các giá trị rõ. Ngõ ra hệ mờ là biến thiên thời gian trễ mô hình T. Ngõ vào hệ mờ là e và Δe là sai số của A(k) và biến thiên sai số của A(k) tại mỗi lần lấy mẫu.3) e(k  1)  e(k  1)  e(k ) Luật mờ được thể hiện trong bảng 1. Trong đó, các giá trị ngôn ngữ NB, NM, N, Z, P, S, M, B, PM và PB là negative big, negative medium, negative, zero, positive , small, medium, big, positive, positive medium và positive big.8: Cấu trúc hệ thống logic mờ Định nghĩa các giá trị ngôn ngữ của biến e, Δe, ΔT như hình 1.9: Giá trị ngôn ngữ biến vào/ra Các qui tắc mờ: sử dụng hệ mờ Mamdani như bảng 1.1: Hệ qui tắc mờ e ΔT S M B NB PM PM PB NM Z PM PM Δe Z Z Z Z PM Z NM NM PB NM NM NB Phương pháp suy luận mờ MAX-MIN, phương pháp giải mờ trọng tâm.

Kết quả mô phỏng Thực hiện mô phỏng với đối tượng có hàm truyền sau: 21.5 s s  8s  15s 3 2 Bộ điều khiển PID cho đối tượng trên là: Gc (s)  k p  kD s  2.46  s Thời gian lấy mẫu là 0. Dùng bộ điều khiển Mờ ước lượng thời gian trễ, kết hợp với bộ dự báo Smith ta có được những kết quả sau: Sơ đồ khối mô phỏng trong matlab: Hình 1.9: Sơ đồ khối mô phỏng trong Matlab  Trường hợp 1: Ước lượng chính xác đối tượng được áp dụng trong bộ dự 21.10: Đáp ứng hệ thống với bộ điều khiển Smith predictor Mờ 5 Y Ym 0 0 20 40 60 80 100 120 4 A(k) 2 0 0 20 40 60 80 100 120 1.11: Đáp ứng y và ym , A(k), thời gian trễ của mô hình θm  Kết luận: Ngõ ra của hệ thống có trễ bám theo tín hiệu đặt. Khi y và ym lệch nhau thì A(k) tăng nhanh, khi y và ym trùng nhau thì A(k) bão hòa. Bộ điều khiển Mờ đã ước lượng thời gian trễ mô hình m    1.