Luận văn thạc sĩ về điều khiển và ổn định mức nước ứng dụng bộ điều chỉnh PID và logic mờ

Khám phá luận văn thạc sĩ về điều khiển và ổn định mức nước với ứng dụng bộ điều chỉnh PID và logic mờ, mang lại giải pháp hiệu quả.

• Tác giả: Mẫn Thị Hoa
• Người hướng dẫn: Ts. Dương Chính Cương
• Trường học: Trường Đại học Công nghệ Thông tin & Truyền thông - Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
• Đề tài: Điều khiển và ổn định mức nước ứng dụng bộ điều chỉnh PID và logic mờ
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Thái Nguyên

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH MỨC NƯỚC
• 1.1. Tổng quan hệ thống ổn định mức nước
• 1.2. Sự cần thiết ổn định mức nước
• 1.3. Ứng dụng của hệ thống ổn định mức nước
• 1.4. Điều khiển ổn định mức nước và sự cần thiết phải ứng dụng tự động hóa. Các phương thức điều khiển
• 1.5. Đặt bài toán điều khiển mức nước
• 1.6. Kết luận chương 1
• 2. CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN
• 2.1. Phương pháp điều khiển PID
• 2.2. Phương pháp điều khiển sử dụng logic mờ
• 2.3. Lịch sử phát triển logic mờ
• 2.4. Cơ sở lý thuyết mờ
• 2.5. Mô hình mờ TSK
• 2.6. Bộ điều khiển mờ cơ bản
• 2.7. Kết luận chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH MỨC NƯỚC ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU CHỈNH PID VÀ LOGIC MỜ
• 3.1. Mô hình của bồn chứa
• 3.2. Khảo sát đối tượng bồn chứa
• 3.3. Phương án sử dụng bộ điều khiển PID
• 3.4. Phương án sử dụng bộ điều khiển mờ
• 3.5. Kết luận chương 3
• KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu điều khiển mức nước bằng PID và logic mờ

Nghiên cứu điều khiển và ổn định mức nước là một lĩnh vực quan trọng trong tự động hóa công nghiệp. Việc duy trì mức nước ổn định không chỉ đảm bảo hiệu quả sản xuất mà còn bảo vệ thiết bị khỏi hư hỏng. Bộ điều chỉnh PID và logic mờ là hai phương pháp phổ biến được áp dụng để giải quyết vấn đề này. Bộ điều chỉnh PID giúp điều chỉnh mức nước một cách chính xác, trong khi logic mờ cho phép xử lý các tình huống không chắc chắn và biến đổi.

1.1. Ứng dụng của bộ điều chỉnh PID trong điều khiển mức nước

Bộ điều chỉnh PID được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển mức nước. Nó giúp duy trì mức nước ổn định bằng cách điều chỉnh lưu lượng nước vào và ra khỏi bồn chứa. Việc áp dụng PID giúp giảm thiểu sai số và tăng cường độ chính xác trong quá trình điều khiển.

1.2. Logic mờ và vai trò trong điều khiển mức nước

Logic mờ cho phép xử lý các biến số không chắc chắn trong hệ thống điều khiển. Nó giúp cải thiện khả năng điều khiển mức nước trong các tình huống phức tạp, nơi mà các phương pháp truyền thống không thể đáp ứng được. Sự kết hợp giữa logic mờ và PID mang lại hiệu quả cao hơn trong việc duy trì mức nước ổn định.

II. Vấn đề và thách thức trong điều khiển mức nước

Điều khiển mức nước gặp nhiều thách thức, đặc biệt là trong các hệ thống công nghiệp lớn. Các yếu tố như thay đổi lưu lượng nước, áp suất và nhiệt độ có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống. Việc duy trì mức nước ổn định trong các điều kiện này là một thách thức lớn. Hệ thống cần có khả năng phản ứng nhanh chóng với các biến đổi để đảm bảo an toàn và hiệu quả.

2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến mức nước

Nhiều yếu tố có thể ảnh hưởng đến mức nước trong bồn chứa, bao gồm lưu lượng nước vào và ra, áp suất và nhiệt độ. Việc theo dõi và điều chỉnh các yếu tố này là rất quan trọng để duy trì mức nước ổn định.

2.2. Thách thức trong việc duy trì mức nước ổn định

Việc duy trì mức nước ổn định trong các hệ thống công nghiệp lớn là một thách thức lớn. Các biến đổi đột ngột trong lưu lượng nước có thể dẫn đến tình trạng tràn hoặc cạn kiệt, gây ảnh hưởng đến quá trình sản xuất.

III. Phương pháp điều khiển PID trong ổn định mức nước

Phương pháp điều khiển PID là một trong những phương pháp phổ biến nhất trong việc duy trì mức nước ổn định. Bộ điều chỉnh PID hoạt động dựa trên ba thành phần chính: tỷ lệ, tích phân và đạo hàm. Sự kết hợp của ba thành phần này giúp điều chỉnh mức nước một cách chính xác và hiệu quả.

3.1. Nguyên lý hoạt động của bộ điều chỉnh PID

Bộ điều chỉnh PID hoạt động bằng cách so sánh mức nước thực tế với mức nước mong muốn. Dựa trên sai số này, bộ điều chỉnh sẽ điều chỉnh lưu lượng nước vào hoặc ra khỏi bồn chứa để duy trì mức nước ổn định.

3.2. Lợi ích của việc sử dụng PID trong điều khiển mức nước

Sử dụng bộ điều chỉnh PID giúp cải thiện độ chính xác và độ tin cậy trong việc duy trì mức nước. Nó cũng giúp giảm thiểu thời gian phản ứng và tăng cường hiệu suất của hệ thống điều khiển.

IV. Ứng dụng logic mờ trong điều khiển mức nước

Logic mờ là một phương pháp điều khiển hiện đại, cho phép xử lý các tình huống không chắc chắn và biến đổi. Việc áp dụng logic mờ trong điều khiển mức nước giúp cải thiện khả năng điều chỉnh và tăng cường hiệu suất của hệ thống.

4.1. Cơ sở lý thuyết của logic mờ

Logic mờ dựa trên lý thuyết tập mờ, cho phép xử lý các biến số không chắc chắn. Nó giúp xây dựng các luật điều khiển dựa trên kinh nghiệm và kiến thức của chuyên gia, từ đó cải thiện khả năng điều khiển.

4.2. Lợi ích của logic mờ trong điều khiển mức nước

Sử dụng logic mờ giúp cải thiện khả năng điều chỉnh mức nước trong các tình huống phức tạp. Nó cho phép hệ thống phản ứng nhanh chóng với các biến đổi, từ đó duy trì mức nước ổn định và hiệu quả.

V. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc kết hợp bộ điều chỉnh PID và logic mờ mang lại hiệu quả cao trong việc duy trì mức nước ổn định. Các ứng dụng thực tiễn cho thấy sự cải thiện đáng kể trong hiệu suất và độ chính xác của hệ thống điều khiển.

5.1. Kết quả mô phỏng hệ thống điều khiển

Mô phỏng hệ thống điều khiển bằng MATLAB cho thấy sự cải thiện rõ rệt trong việc duy trì mức nước ổn định khi áp dụng cả PID và logic mờ. Các kết quả này chứng minh tính khả thi của phương pháp.

5.2. Ứng dụng trong các ngành công nghiệp

Hệ thống điều khiển mức nước đã được áp dụng thành công trong nhiều ngành công nghiệp như hóa chất, xử lý nước và sản xuất điện. Việc sử dụng bộ điều chỉnh PID và logic mờ đã giúp nâng cao hiệu quả sản xuất và giảm thiểu rủi ro.

VI. Kết luận và hướng phát triển tương lai

Nghiên cứu về điều khiển và ổn định mức nước bằng bộ điều chỉnh PID và logic mờ đã mở ra nhiều hướng phát triển mới. Việc kết hợp các phương pháp điều khiển hiện đại sẽ giúp nâng cao hiệu quả và độ chính xác trong các hệ thống điều khiển mức nước.

6.1. Tương lai của nghiên cứu điều khiển mức nước

Nghiên cứu sẽ tiếp tục phát triển các phương pháp điều khiển mới, nhằm cải thiện khả năng điều chỉnh và tăng cường hiệu suất của hệ thống. Sự kết hợp giữa các công nghệ mới và phương pháp truyền thống sẽ mang lại nhiều cơ hội mới.

6.2. Ứng dụng công nghệ mới trong điều khiển

Công nghệ mới như trí tuệ nhân tạo và học máy có thể được áp dụng để cải thiện khả năng điều khiển mức nước. Việc tích hợp các công nghệ này sẽ giúp nâng cao hiệu quả và độ chính xác trong các hệ thống điều khiển.

Trích đoạn nội dung tài liệu

i ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN & TRUYỀN THÔNG MẪN THỊ HOA ĐIỀU KHIỂN VÀ ỔN ĐỊNH MỨC NƯỚC ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU CHỈNH PID VÀ LOGIC MỜ LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA THÁI NGUYÊN – 2020 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] ii ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN & TRUYỀN THÔNG MẪN THỊ HOA ĐIỀU KHIỂN VÀ ỔN ĐỊNH MỨC NƯỚC ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU CHỈNH PID VÀ LOGIC MỜ Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 8520216 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Người hướng dẫn khoa học: TS. DƯƠNG CHÍNH CƯƠNG THÁI NGUYÊN – 2020 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] iii LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Mẫn Thị Hoa Sinh ngày 03 tháng 04 năm 1987 Học viên lớp cao học khoá 17- Kỹ thuật điều khiển và tự động hoá - Trường Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông - Đại học Thái Nguyên. Hiện đang công tác tại Khoa Điện tử, Tin học Trường Cao đẳng Cơ điện và Xây dựng Bắc Ninh. Tôi xin cam đoan: Bản luận văn: “Điều khiển và ổn định mức nước ứng dụng bộ điều chỉnh PID và logic mờ” do thầy giáo TS. Dương Chính Cương hướng dẫn là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Tất cả các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng. Các số liệu, kết quả trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chưa từng ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Nếu sai tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm. Thái Nguyên, ngày 18 tháng 11 năm 2020 Tác giả luận văn Mẫn Thị Hoa LỜI CẢM ƠN LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] iv Sau một thời gian nghiên cứu, được sự động viên, giúp đỡ và hướng dẫn tận tình của thầy giáo TS. Dương Chính Cương, luận văn với đề tài “Điều khiển ổn định mức nước ứng dụng bộ điều chỉnh PID và logic mờ” đã hoàn thành. Tác giả xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến: Thầy giáo hướng dẫn TS. Dương Chính Cương đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ tác giả hoàn thành luận văn này. Phòng quản lý đào tạo sau đại học, các thầy giáo, cô giáo Khoa Công nghệ Tự động hoá Trường Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông - Đại học Thái Nguyên đã giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập cũng như trong quá trình nghiên cứu đề tài. Toàn thể các đồng nghiệp, bạn bè, gia đình và người thân đã quan tâm, động viên, giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn. Thái Nguyên, ngày 18 tháng 11 năm 2020 Tác giả luận văn Mẫn Thị Hoa LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] iii MỤC LỤC Lời cam đoan.ii Mục lục . iii Danh mục các thuật ngữ, ký hiệu viết tắt .v Danh mục bảng biểu. vii Danh mục hình ảnh . viii MỞ ĐẦU .5 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH MỨC NƯỚC .Tổng quan hệ thống ổn định mức nước .Sự cần thiết ổn định mức nước .Ứng dụng của hệ thống ổn định mức nước .Điều khiển ổn định mức nước và sự cần thiết phải ứng dụng tự động hóa. Các phương thức điều khiển . Đặt bài toán điều khiển mức nước . Kết luận chương 1 .17 CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN . Phương pháp điều khiển PID . Phương pháp điều khiển sử dụng logic mờ. Lịch sử phát triển logic mờ . Cơ sở lý thuyết mờ . Mô hình mờ TSK . Bộ điều khiển mờ cơ bản . Kết luận chương 2 .38 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] iv CHƯƠNG 3 ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH MỨC NƯỚC ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU CHỈNH PID VÀ LOGIC MỜ . Mô hình của bồn chứa . Khảo sát đối tượng bồn chứa . Phương án sử dụng bộ điều khiển PID . Phương án sử dụng bộ điều khiển mờ. Kết luận chương 3.58 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI.59 TÀI LIỆU THAM KHẢO .60 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, THUẬT NGỮ VIẾT TẮT *Các toán tử Min phép lấy min Max phép lấy max Sum phép lấy tổng PROD phép nhân *Các ký hiệu A,B,C tập mờ A, B, C AC tập bù của tập mờ A B' miền mờ đầu ra A  x hàm liên thuộc B '  y  hàm liên thuộc tập mờ đầu ra Ri luật hợp thành Aik(xk) độ phụ thuộc của xkvào tập mờ Aik KP , KI , KD các hệ số của bộ điều khiển PID Qi Lưu lượng nước chảy vào bình ( m3 / s ); Qi max Lưu lượng nước chảy vào bình lớn nhất ( m3 / s ); Qo Lưu lượng nước chảy ra khỏi bình ( m3 / s ); H Mực nước trong bình ( m ); H max Mực nước cao nhất trong bình ( m ); A Tiết diện bình ( m2 ); a Tiết diện đường ống dẫn nước ra khỏi bình ( m2 ); V Thể tích nước trong bình ( m3 ); g Gia tốc trọng trường (9.8 m / s 2 ); p Vị trí góc mở của van lưu lượng, thay đổi từ 0 tới 1. LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] vi *Các từ viết tắt Từ viết Thuật ngữ tiếng anh Thuật ngữ tiếng việt tắt Bộ điều khiển vi tích phân tỉ PID Proportional Intergral Derivative lệ HTĐK Hệ thống điều khiển MIMO Multiple In Multiple Out Nhiều đầu vào, nhiều đầu ra SISO Single Input Single Output một đầu vào, một đầu ra TS Takagi – Sugeno Mô hình mờ TS TSK Takagi – Sugeno – Kang Mô hình mờ tuyến tính TSK MCFC Control Mamdani Điều khiển Mamdani SMFC Điều khiển mờ trượt CMFC Điều khiển tra bảng TSFC Điều khiển Tagaki/ Sugeno N Negative Âm M Medium Trung bình P Positive Dương B Big Lớn S Small Nhỏ VB Very Big Rất lớn VN Very Negative Rất âm VP Very Positive Rất dương Z Zero Không Là phần mềm cho phép tính MATLAB Matrix Laboratory toán số với ma trận, vẽ đồ thị hàm số, thuật toán. LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] vii DANH MỤC BẢNG BIỂU TT Tên bảng biểu Trang Bảng 3. Các tham số bồn chứa. Các tham số PID tìm được theo tiêu chuẩn tích phân. Bảng tổng hợp các mệnh đề hợp thành. 54 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] viii DANH MỤC HÌNH ẢNH TT Tên hình Trang Hình 1. Hệ thống làm mát bình ngưng trong một nhà máy nhiệt 6 điện. Sơ đồ nguyên lý một nhà máy nhiệt điện 7 than. Sơ đồ nguyên lý một nhà máy điện hạt 8 nhân. Sơ đồ xử lý nước 9 thải. Sơ đồ quy trình xử lý nước 10 cấp. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của một dây chuyền sản xuất 11 nước. Hệ thống công trình máy 12 bơm. Mô hình hệ thống bồn 18 nước. Sơ đồ khối của bộ điều khiển 18 PID……………………………. Hàm đặc 21 trưng………………………………………………………. Miền trong logic 22 mờ…………………………………………………. Tập mờ tuyến 23 tính. Dạng đường cong S, hình 23 chuông…………………………………. LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] ix Hình 2. Dạng hình thang và tam 24 giác………………………………………. Hai tập nhanh chậm có hàm đặc trưng hình 24 thang. Tập bù mạnh AC của 26 A……………………………………………. Xác định miền G chứa giá trị rõ 29 y’. Giá trị rõ y’ phụ thuộc vào đáp ứng vào của luật điều khiển 30 quyết. Giá trị rõ y’ phụ thuộc tuyến tính vào độ thỏa 31 mãn. Giá trị rõ y’ không phụ thuộc vào đáp ứng vào của luật điều 31 khiển Hình 2. Giá trị rõ y’ là hoành độ của điểm trọng 32 tâm. Xác định giá trị rõ y’ theo phương pháp điểm trọng tâm 32 . Tập mờ có hàm thuộc hình 34 thang. Giải mờ theo quy ước 34 singleton……………………………………. Cấu trúc của bộ điều khiển mờ 35 TSK. Bộ điều khiển mờ cơ 37 bản. Nguyên lý điều khiển 37 mờ. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Cấu trúc của bồn 39 chứa. Cấu trúc hệ điều khiển 41 kín.Sơ đồ cấu trúc đối 42 tượng. Sơ đồ cấu trúc của 43 PID. Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều chỉnh mức 43 nước. Đáp ứng quá trình quá độ với 44 Kp=5. Đáp ứng quá trình quá độ với 45 Kp=10. Đồ thị đáp ứng của hệ kín 49 . Chương trình mô phỏng HT ĐK với 50 PID. Đáp ứng chiều cao mức nước 50 H. Hàm thuộc của biến 52 E. Hàm thuộc của biến 52 DE. Hàm thuộc của 53 biếnV. Chương trình mô phỏng HT ĐK với 54 Fuzzy. LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] xi Hình 3. Đáp ứng chiều cao mức nước H với HTĐK 55 Fuzzy. Cửa sổ Rule 55 Viewer…………………………………………. Chương trình mô phỏng HT ĐK với Fuzzy và PID đưa qua bộ 56 mux. So sánh đáp ứng chiều cao mức nước H với khi dùng Fuzzy và 57 PID LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 1 MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề Hiện nay, trong công nghiệp hóa lọc dầu, công nghiệp hóa chất, công nghiệp xử lý nước, sản xuất giấy, sản xuất điện năng…Vấn đề điều khiển mức, lưu lượng dòng chảy cần đáp ứng với độ chính xác cao để phục vụ quá trình sản xuất đạt hiệu quả tốt hơn. Chính vì vậy, vấn đề đặt ra trong đề tài là điều khiển lưu lượng dòng chảy để ổn định mức chất lỏng với độ chính xác cao. Với yêu cầu ứng dụng thực tế như vậy, đề tài nghiên cứu đối tượng chính ở đây là hệ bồn nước. Hệ bồn nước được hình thành với hệ thống bơm và xả chất lỏng nhưng luôn giữ ổn định theo giá trị mức đặt trước, cột chất lỏng của bồn được duy trì ổn định. Để làm được điều này thì đòi hỏi phải điều khiển đóng mở các van để điều tiết lưu lượng dòng chảy cũng như điều khiển lưu lượng chất lỏng từ máy bơm bơm vào hệ thống bồn nước, làm mức nước trong bồn luôn luôn giữ một giá trị đặt trước là không đổi [2,3,4]. Việc điều khiển hệ thống này để giữ được mức chất lỏng trong bồn ổn định là tương đối khó, cần phải có sự điều khiển phối hợp giữa các van và máy bơm. Với sự phát triển của kỹ thuật điều khiển tự động hiện nay [2] thì có nhiều cách để điều khiển mức chất lỏng của hệ thống bồn nước như PID kinh điển, logic mờ.Bộ điều khiển PID được sử dụng rộng rãi trước đây để điều khiển giữ mức nước cố định khi các vấn đề về nhiễu chưa đủ mạnh. Khi chúng trở nên có tác động đáng kể đến chất lượng điều khiển thì phải có phương pháp điều khiển khác bổ sung cho bộ điều khiển PID để bù lại những khiếm khuyết của bộ điều khiển này. Một trong những phương pháp điều khiển hiện đại được áp dụng rộng rãi hiện nay là ứng dụng logic mờ vào điều khiển [1,7,8].