ĐẶT VẤN ĐỀ Điều khiển mức 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 đòi hỏi được bơm vào bồn sau đó bơm sang một bồn khác. Sau 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 – Single Input Single Output) 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 - Multi Input Multi Output) kết hợp cả mô phỏng lý thuyết và thiết kế mô hình thực.2 NHIỆM VỤ CỦA LUẬN VĂN Tên đề tài: “MÔ PHỎNG VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ HỆ BỒN CHỨA” Lý thuyết: Điều khiển ổn định mức chất lỏng trong hai bồn nước bằng phương pháp mờ. Thiết kế: Mô hình thực cho hệ bồn nước liên kết. Phần cứng điều khiển sử dụng card PCI 1711L 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. HVTH: HUỲNH NGỌC KIM MAI LUẬN VĂN CAO HỌC -11- GVHD: PGS.TS LÊ HÙNG LÂN 1.3 NỘI DUNG THỰC HIỆN 1.1 Chƣơng I: Tổng quan Giới thiệu đề tài và một số công trình nghiên cứu trước đây liên quan đến hệ bồn nước và ý nghĩa thực tiễn của nó, nhiệm vụ và giới hạn của đề tài, nội dung thực hiện.2 Chƣơng II: Cơ sở lý thuyết Trình bày lý thuyết áp dụng mô phỏng fuzzy logic trong đề tài.3 Chƣơng III: Khảo sát đối tƣợng bồn nƣớc Giới thiệu và xây dựng mô hình toán học cho hệ bồn nước liên kết gồm hai ngõ vào và hai ngõ ra.4 Chƣơng IV: Giải pháp điều khiển và mô phỏng Đưa ra một số kết quả mô phỏng để so sánh khi thay đổi phương pháp và thông số.5 Chƣơng V: Thiết kế và thi công Trình bày quá trình thiết kế thi công: Thông số đối tượng, card PCI 1711L, mạch vi điều khiển PIC, mạch nguồn… 1.6 Chƣơng VI: Kết luận Tóm tắt kết quả thực hiện, đưa ra những ưu khuyết điểm, cái gì đã thực hiện được và chưa thực hiện được, trình bày những yếu tố khách quan trong quá trình thực hiện.
Hướng phát triển đề tài sau này. HVTH: HUỲNH NGỌC KIM MAI LUẬN VĂN CAO HỌC -12- GVHD: PGS.TS LÊ HÙNG LÂN CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT HVTH: HUỲNH NGỌC KIM MAI LUẬN VĂN CAO HỌC -13- GVHD: PGS.TS LÊ HÙNG LÂN 2.1 LÝ THUYẾT MỜ Giới thiệu chung các dạng điều kiển: - Điều khiển thông thƣờng (conventional control): o Điều khiển kinh điển (classical control) o Điều khiển hiện đại (modern control) Điều khiển tối ưu (optimal control) Điều khiển thích nghi (adaptive control) Điều khiển bền vững (robust control) - Điều khiển thông minh: o Điều khiển mờ (fuzzy control) o Mạng neural (neural network) o Giải thuật di truyền (gene algorithm) Khái niệm về logic mờ được giáo sư L.A Zadeh đưa ra lần đầu tiên năm 1965, tại trường Đại học Berkeley, 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 được ứng dụng vào nhà máy xử lý nước của Fuji Electronic vào 1983, hệ thống xe điện ngầm của Hitachi vào 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 HVTH: HUỲNH NGỌC KIM MAI LUẬN VĂN CAO HỌC -14- GVHD: PGS.TS LÊ HÙNG LÂN 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. 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] HVTH: HUỲNH NGỌC KIM MAI LUẬN VĂN CAO HỌC -15- GVHD: PGS.TS LÊ HÙNG LÂN 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 = SupF(x), trong đó supF(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 = SuppF(x) = { xB | F(x) > 0 } 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 = { xB | 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. HVTH: HUỲNH NGỌC KIM MAI LUẬN VĂN CAO HỌC -16- GVHD: PGS.TS LÊ HÙNG LÂN 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 NGỌC KIM MAI LUẬN VĂN CAO HỌC -17- GVHD: PGS.TS LÊ HÙNG LÂN Hình 2.2: Biểu đồ các dạng hàm liên thuộc HVTH: HUỲNH NGỌC KIM MAI LUẬN VĂN CAO HỌC -18- GVHD: PGS.TS LÊ HÙNG LÂN 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 hoạ 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 } HVTH: HUỲNH NGỌC KIM MAI LUẬN VĂN CAO HỌC -19- GVHD: PGS.TS LÊ HÙNG LÂN - Miền các giá trị vật lý : V = { xB | x 0 } Biến tốc độ được xác định trên miền ngôn ngữ N được gọi là biến ngôn ngữ. Với mỗi xB 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.