LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 10 năm 2014 (Ký tên và ghi rõ họ tên) Võ Quốc Nam GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm Trang ii LỜI CẢM TẠ Trong thời gian thực hiện đề tài,người thực hiện đã học hỏi được rất nhiều điều bổ ích từ Giáo Viên hướng dẫn và các anh chị trong lớp.
Nhân đây, người thực hiện xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy Nguyễn Minh Tâm trên cương vị là người hướng dẫn đề tài, đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho học viên hoàn thành tốt đề tài. Người thực hiện cũng xin chân thành cảm ơn các thầy, các cô trong khoa Điện - Điện Tử, cùng bạn bè đã đóng góp ý kiến và kinh ngiệm qúy báu trong quá trình thực hiện đề tài này.HỒ CHÍ MINH, Ngày 15 tháng 10 năm 2014 Người thực hiện Võ Quốc Nam GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm Trang iii TÓM TẮT LUẬN VĂN Các bộ điều khiển vi- tích phân- tỉ lệ (PID) đƣợc sử dụng rộng rãi trong điều khiển quá trình nhằm điều khiển hoạt động của nhiều loại hệ thống động khác nhau theo thời gian. Các bộ điều khiển này đƣợc sử dụng rất phổ biến vì có cấu trúc đơn giản và có thể tạo ra các đặc tính đáp ứng vòng kín tốt.
Mặc dù có cấu trúc đơn giản nhƣng rất khó để tìm đƣợc bộ điều khiển PID riêng cho từng hệ thống cụ thể. Phƣơng pháp Ziegler-Nichols là một phƣơng pháp cơ bản nhất nhƣng rất khó để tìm đƣợc bộ thông số PID tối ƣu. Ngày nay, có rất nhiều phƣơng pháp đƣợc áp dụng để tìm bộ thông số điều khiển PID tối ƣu nhƣ Logic mờ, Mạng nơ ron nhân tạo, Thuật toán di truyền, v.v… Trong bài viết này, chúng tôi áp dụng Thuật Toán Đàn Kiến để tìm bộ thông số tối ƣu đa mục tiêu của bộ điều khiển PID ứng dụng thuật toán để tìm bộ thông số PID tối ƣu cho động cơ điện PMDC có phần cảm là nam châm vĩnh cửu, phần ứng là các cuộn dây đƣợc cung cấp dòng điện thông qua chổi than và cổ góp điện. Nguyễn Minh Tâm Trang iv MASTER ESSAY SUMMARRY Proportional-Integral-Derivative (PID) controllers are frequently used in the control process to generate the time domain behavior of many different types of dynamic plants.
These controllers are extremely polular because of their simple structure and they can usually provide a good closed loop response characteristic. Despite its simple structure it seems so hard to find a proper PID controller. Ziegler-Nichols tuning method is the most standard one but it is often difficult to find optimal PID parameters with this method. At present, there are many optimization methods to tune the PID controllers such as fuzzy logic, neural network, genetic algorithm, etc.
In this paper, we developed the Ant Colony Algorithm to find the multiobjective optimization parameters of a PID controller and applied it to control the speed of small, permanent magnet brushed DC motors. Nguyễn Minh Tâm Trang v MỤC LỤC TRANG TRANG TỰA QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI XÁC NHẬN CỦA CÁN BỘ HƢỚNG DẪN LÝ LỊCH KHOA HỌC i LỜI CAM ĐOAN ii LỜI CẢM TẠ iii TÓM TẮT LUẬN VĂN iv MASTER ESSAY SUMMERY v MỤC LỤC vi DANH SÁCH CÁC CHỬ VIẾT TẮT x DANH SÁCH CÁC HÌNH xi DANH SÁCH CÁC BẢNG xiii Chƣơng 1: TỔNG QUAN 1 1. Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu: 1 1. Tổng quan về điều khiển PID: 1 1.
Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nƣớc: 2 1. Mục tiêu, khách thể và đối tƣợng nghiên cứu: 7 1. Đối tƣợng nghiên cứu: 7 1. Nhiệm vụ đề tài và phạm vi nghiên cứu: 7 1.
Phạm vi nghiên cứu: 8 GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm Trang vi 1. Phƣơng pháp nghiên cứu: 8 1. Nội dung của đề tài: 8 1.
Ý nghĩa thực tiển của đề tài: 9 Chƣơng 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 10 2. Điều khiển PID: 10 2. Tổng quan về điều khiển PID: 10 2. Các khâu của bộ điều khiển PID: 11 2.
Khâu tỷ lệ: 11 2. Khâu tích phân: 11 2. Khâu vi phân: 12 2. Tổng quan về động cơ điện một chiều: 12 2.
Cấu tạo của động cơ điện một chiều: 13 2. Hàm truyền của động cơ PMDC: 14 2. Xác định các thông số kỹ thuật của động cơ PMDC: 19 2. Xác định điện trở phần ứng: 19 2.
Xác định điện cảm phần ứng: 19 2. Thuật toán đàn kiến: 21 2. Ý tƣởng mô phỏng hành vi của đàn kiến trong tự nhiên: 21 2. Ứng dụng thuật toán đàn kiến giải bài toán TSP: 22 2.
Mô tả bài toán TSP: 22 GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm Trang vii 2. Ứng dụng thuật toán đàn kiến giải bài toán TSP: 22 Chƣơng 3: XÁC ĐỊNH BỘ THÔNG SỐ PID TỐI ƢU BẰNG THUẬT 25 TOÁN ĐÀN KIẾN 3. Phƣơng pháp Ziegler-Nichols: 25 3.
Xác định bộ thông số tối ƣu PID bằng thuật toán đàn kiến: 26 3. Tạo nút và đƣờng: 26 3. Hàm mục tiêu của thuật toán: 28 3. Chọn đƣờng đi theo xác suất: 28 3.
Cập nhật lƣợng mùi: 29 3. Xác định bộ thông số tối ƣu PID bằng thuật toán đàn kiến: 29 3. Lƣu đồ thuật toán đàn kiến: 30 3. Các bƣớc thực hiện thuật toán: 31 3.
Các kết quả của ứng dụng thuật toán đàn kiến tìm bộ thông số tối ƣu 32 PID: 3. Mô hình hàm truyền bậc nhất có trể: 32 3. Phƣơng pháp Ziegler-Nichols: 32 3. Thuật toán đàn kiến: 32 3.
So sánh hai phƣơng pháp: 32 3. Mô hình hàm truyền bậc hai có trể: 34 3. Phƣơng pháp Ziegler-Nichols: 34 3. Thuật toán đàn kiến: 34 3.
So sánh hai phƣơng pháp: 34 3. Mô hình hàm truyền bậc bốn: 35 3. Mô hình hàm truyền bậc bốn có trể: 36 GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm Trang viii 3.
Mô hình hàm truyền bậc bốn: 37 3. Các yếu tố ảnh hƣởng đến kết quả của thuật toán đàn kiến: 38 3. Thuật toán đàn kiến là thuật toán tìm kiếm tối ƣu ngẫu nhiên: 38 3. Ảnh hƣởng của α và β: 38 3.
Ảnh hƣởng của α: 38 3. Ảnh hƣởng của β: 39 3. Trọng số hàm mục tiêu của thuật toán có thể điều chỉnh để 42 phù hợp với các mục đích điều khiển khác nhau: Chƣơng 4: XÁC ĐỊNH BỘ THÔNG SỐ TỐI ƢU PID CHO ĐỘNG CƠ 45 PMDC BẰNG THUẬT TOÁN ĐÀN KIẾN: 4. Hàm truyền của động cơ PMDC: 45 4.
Xác định bộ thông số điều khiển PID: 45 4. Phƣơng pháp Ziegler-Nichols: 46 4. Thuật toán đàn kiến: 46 4. So sánh kết quả của thuật toán đàn kiến (ACO) và thuật toán 48 “Modified Ant Colony System Algorithm“ (ACS): Chƣơng 5: KẾT LUẬN 50 5.
Những mục tiêu đạt đƣợc: 50 5. Hạn chế của đề tài: 50 5. Hƣớng phát triển của đề tài: 51 TÀI LIỆU THAM KHẢO 52 PHỤ LỤC 53 GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm Trang ix DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT ACO Ant Colony Algorithm ITAE Integral of Time and Absolute Error IAE Integral Absolute Error PID Proportional Integral Derivative PMDC Permanent Magnet Direct Current PV Panel Value ST Set Point TSP Travelling Salesman Problem ZN Ziegler-Nichols GVHD: TS.
Nguyễn Minh Tâm Trang x DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH TRANG 2 Hình 1. Tạo nút và đƣờng đi cho các con kiến trong thuật toán tối ƣu sai số ITAE. Đáp ứng của phƣơng pháp tối ƣu sai số ITAE. Tạo nút và đƣờng trong thuật toán tối ƣu sai số IAE.
Đáp ứng của phƣơng pháp tối ƣu sai số IAE. Phƣơng pháp dùng hàm đa mục tiêu. Đáp ứng của phƣơng pháp tối ƣu hàm đa mục tiêu. Mô hình hệ thống điều khiển PID vòng kín.
Mô hình hàm truyền của hệ thống điều khiển PID. Cấu tạo của động cơ PMDC. Mô hình chiếc cầu đôi.Biểu diễn các thông số của bộ điều khiển PID trong mặt phẳng 27 tọa độ Oxy. Lƣu đồ thuật toán đàn kiến.
Đồ thị đáp ứng bƣớc của hai phƣơng pháp ZN va ACO đối với 33 2𝑒 −𝑠 hệ thống có hàm truyền là 𝑃 𝑠 =. Đồ thị đáp ứng bƣớc của hai phƣơng pháp ZN va ACO đối với 34 𝑒 −0.5𝑠 hệ thống có hàm truyền là 𝑃 𝑠 =. Đồ thị đáp ứng bƣớc của hai phƣơng pháp ZN va ACO đối với 35 GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm Trang xi 27 hệ thống có hàm truyền là 𝑃 𝑠 =.
Đồ thị đáp ứng bƣớc của hai phƣơng pháp ZN va ACO đối với 36 𝑒 −0.1𝑠 hệ thống có hàm truyền là 𝑃 𝑠 =. Đồ thị đáp ứng bƣớc của hai phƣơng pháp ZN va ACO đối với 37 1 hệ thống có hàm truyền là 𝑃 𝑠 =. Thuật toán đàn kiến là thuật toán tìm kiếm tối ƣu ngẫu nhiên 38 dƣa vào xác suất. Đáp ứng của hệ thống khi β rất lớn so với α.
Đáp ứng bƣớc của hệ thống khi trọng số của độ vọt lố bằng 43 không. Đáp ứng bƣớc của hệ thống khi tăng trọng số của độ vọt lố. Hệ thống mất cân bằng và bắt đầu dao động (xác định bộ 46 thông số PID theo phƣơng pháp ZN). Đồ thị đáp ứng bƣớc hệ thống điều khiển PID của động cơ DC 48 với bộ thông số điều khiển đƣợc tìm bằng phƣơng pháp Ziegler-Nichols và thuật toán đàn kiến.
Đáp ứng bƣớc điều khiển tốc độ động cơ PMDC với bộ thông 49 số PID đƣợc tìm từ hai thuật toán ACS và ACO. Nguyễn Minh Tâm Trang xii DANH SÁCH CÁC BẢNG BẢNG TRANG Bảng 3. Bảng tra các công thức tính các thông số cho bộ điều khiển 25 PID. Kết quả thuật toán đàn kiến với α=β=1.
Kết quả thuật toán đàn kiến vơi β rất lớn so với α. Kết quả của thuật toán đàn kiến sau 15 vòng lặp. Nguyễn Minh Tâm Trang xiii Chƣơng 1: TỔNG QUAN Chƣơng 1 TỔNG QUAN 1. TỔNG QUAN CHUNG VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU: 1.
Tổng quan về điều khiển PID: Một bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ (bộ điều khiển PID) là một bộ điều khiển phản hồi vòng kín đƣợc sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển công nghiệp- bộ điều khiển PID đƣợc sử dụng phổ biến nhất trong số các bộ điều khiển phản hồi. Bộ điều khiển PID tính toán giá trị sai số giữa giá trị thông số biến đổi (giá trị đo) và giá trị mong muốn (giá trị đặt). Bộ điều khiển sẽ thực hiện giảm thiểu sai số này. Trong trƣờng hợp không có kiến thức cơ bản về quá trình, bộ điều khiển PID là bộ điều khiển tốt nhất.
Giải thuật điều khiển PID bao gồm ba thông số riêng biệt, do đó đôi khi còn đƣợc gọi là điều khiển ba khâu: khâu tỉ lệ (khâu P), khâu tích phân (khâu I) và khâu vi phân (khâu D).