Nghiên Cứu Thực Nghiệm Về Các Thuật Toán Điều Khiển Hệ Thống Mực Nước Hai Bể

• Tác giả: Soumya Ranjan Mahapatro
• Người hướng dẫn: Prof. Bidyadhar Subudhi
• Trường học: National Institute of Technology, Rourkela
• Chuyên ngành: Electrical Engineering
• Đề tài: Control Algorithms for a Two Tank Liquid Level System: An Experimental Study
• Loại tài liệu: thesis
• Năm xuất bản: 2012-2014
• Địa điểm: Rourkela

• CERTIFICATE
• Dedicated To My Loving Parents
• Acknowledgement
• Abstract
• Contents
• 1. Chapter 1: Introduction
• 1.1. Description of the Coupled Tank System
• 1.2. Description of the Coupled Tank Experimental Setup
• 1.3. Literature Survey on Control Strategies Applied To Coupled Tank System (CTS)
• 1.6. Thesis Organization
• 2. Chapter 2: Dynamics Modeling of a Coupled Tank System
• 2.1. Coupled Two Tank Dynamics
• 2.2. System Identification to Obtain Dynamic Model of Coupled Tank System
• 2.3. Results obtained from System Identification
• 2.4. Chapter Summary
• 3. Chapter 3: A LMI Based PI Controller Design for the Coupled Tank System
• 3.2. Linear Matrix Inequality (LMI): A Brief Introduction
• 3.3. A LQR-LMI framework Based Formulation for PI Controller Design
• 3.4. Results and Discussions
• 3.5. Chapter Summary
• 4. Chapter 4: An Adaptive Fuzzy PI Controller Design for the Coupled Tank System
• 4.1. Design of an Adaptive Fuzzy PI Controller
• 4.2. Design of Fuzzy Logic Control (FLC)
• 4.3. Results and Discussions
• 4.4. Chapter Summary
• 5. Chapter 5: Design and Real Time Implementation of a Sliding Mode Controller for the Coupled Tank System
• 5.1. Control Law for Tank-1
• 5.2. Development of Sliding Mode Control Law
• 5.3. Results and Discussions
• 5.4. Chapter Summary
• 6. Chapter 6: Development of an Adaptive Fuzzy Sliding Mode Controller Design for the Coupled Tank System
• 6.1. Development of Control Law for Tank-1
• 6.2. Development of an Adaptive Fuzzy Sliding Mode Controller
• 6.3. Design of Fuzzy Logic Control
• 6.4. Results and Discussions
• 6.5. Chapter Summary
• 7. Chapter 7: Conclusions and Suggestions for Future Work
• 7.2. Contributions of the Thesis
• 7.3. Suggestions for the Future Work
• References
• List of Figures
• List of Tables
• List of Abbreviations

I. Tổng Quan Nghiên Cứu Thực Nghiệm Hệ Thống Mực Nước Hai Bể

Nghiên cứu hệ thống mực nước hai bể (CTS) là một bài toán điều khiển kinh điển, đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá và so sánh các phương pháp điều khiển khác nhau. Điều khiển mực nước trong các bể chứa là yêu cầu cơ bản trong nhiều ngành công nghiệp như xử lý nước thải, hóa chất, lọc dầu, thực phẩm và đồ uống. Bài toán này trở nên thách thức do tính phi tuyến và đặc tính pha không cực tiểu của hệ thống. Mục tiêu chính là duy trì mực nước mong muốn trong bể, ngay cả khi có sự thay đổi về lưu lượng đầu vào và đầu ra. Nghiên cứu này tập trung vào việc phát triển và thử nghiệm các thuật toán điều khiển khác nhau trên một hệ thống hai bể thực tế. Theo IFAC, hệ thống hai bể là một bài toán 'benchmark' trong lĩnh vực điều khiển phi tuyến và bất ổn định.

1.1. Giới Thiệu Chung Về Hệ Thống Mực Nước Hai Bể

Hệ thống mực nước hai bể (CTS) là một hệ thống đa đầu vào đa đầu ra (MIMO), trong đó điện áp điều khiển là đầu vào và mực nước là đầu ra. Mặc dù cấu trúc đơn giản, CTS đặt ra nhiều thách thức điều khiển do tính phi tuyến và đặc tính pha không cực tiểu. Hệ thống bao gồm bốn bể trong suốt, mỗi bể được trang bị một ống xả để dẫn nước tràn vào bể chứa. Bể chứa đáy (bể thứ năm) được sử dụng để chứa nước. Cảm biến mực nước được gắn ở đáy mỗi bể để đo mực nước, chuyển đổi thành tín hiệu 0-5V DC thông qua mạch điều hòa tín hiệu. Hai máy bơm được lắp đặt trong bể chứa để bơm nước lên các bể trên.

1.2. Ứng Dụng Thực Tế Của Hệ Thống Điều Khiển Mực Nước

Điều khiển mực nước trong bể và dòng chảy giữa các bể là yêu cầu cơ bản trong hầu hết các ngành công nghiệp chế biến. Các ứng dụng bao gồm xử lý nước thải, công nghiệp hóa chất, hóa dầu, dược phẩm, thực phẩm và đồ uống. Hệ thống điều khiển mực nước đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo hoạt động ổn định và hiệu quả của các quy trình công nghiệp này. Việc duy trì mực nước ổn định giúp ngăn ngừa các sự cố như tràn bể, thiếu hụt nguyên liệu và đảm bảo chất lượng sản phẩm cuối cùng.

II. Thách Thức Trong Điều Khiển Hệ Thống Mực Nước Hai Bể

Việc điều khiển hệ thống mực nước hai bể (CTS) gặp nhiều khó khăn do các đặc tính vốn có của nó. Tính phi tuyến của hệ thống đòi hỏi các thuật toán điều khiển phức tạp hơn so với các hệ thống tuyến tính. Đặc tính pha không cực tiểu gây ra hiện tượng under-shoot hoặc inverse response, làm cho việc điều khiển trở nên khó khăn hơn. Ngoài ra, các ràng buộc vật lý của hệ thống, chẳng hạn như giới hạn về lưu lượng bơm và kích thước bể, cũng đặt ra những thách thức trong thiết kế bộ điều khiển. Nghiên cứu này tập trung vào việc giải quyết những thách thức này bằng cách phát triển và so sánh các thuật toán điều khiển khác nhau.

2.1. Tính Phi Tuyến Của Hệ Thống Và Ảnh Hưởng Đến Điều Khiển

Tính phi tuyến của hệ thống mực nước hai bể (CTS) xuất phát từ mối quan hệ giữa lưu lượng đầu vào và mực nước trong bể. Mối quan hệ này không tuyến tính do ảnh hưởng của trọng lực và ma sát. Điều này có nghĩa là các thuật toán điều khiển tuyến tính truyền thống có thể không hoạt động hiệu quả trong toàn bộ phạm vi hoạt động của hệ thống. Các thuật toán điều khiển phi tuyến, chẳng hạn như điều khiển mờ và điều khiển thích nghi, có thể được sử dụng để giải quyết vấn đề này.

2.2. Đặc Tính Pha Không Cực Tiểu Và Khó Khăn Trong Điều Khiển

Đặc tính pha không cực tiểu của hệ thống mực nước hai bể (CTS) gây ra hiện tượng under-shoot hoặc inverse response. Điều này có nghĩa là khi mực nước mục tiêu thay đổi, mực nước thực tế có thể di chuyển theo hướng ngược lại trước khi đạt đến giá trị mong muốn. Hiện tượng này làm cho việc điều khiển trở nên khó khăn hơn vì bộ điều khiển phải bù đắp cho sự thay đổi ban đầu theo hướng ngược lại. Các thuật toán điều khiển mạnh mẽ, chẳng hạn như điều khiển trượt và điều khiển dự đoán, có thể được sử dụng để giải quyết vấn đề này.

2.3. Ràng Buộc Vật Lý Của Hệ Thống Và Giới Hạn Điều Khiển

Các ràng buộc vật lý của hệ thống mực nước hai bể (CTS), chẳng hạn như giới hạn về lưu lượng bơm và kích thước bể, đặt ra những giới hạn trong thiết kế bộ điều khiển. Lưu lượng bơm có giới hạn trên và dưới, và mực nước trong bể không thể vượt quá kích thước của bể. Bộ điều khiển phải được thiết kế để hoạt động trong các giới hạn này để tránh các sự cố như tràn bể hoặc cạn bể. Các thuật toán tối ưu hóa điều khiển có thể được sử dụng để tìm ra các giải pháp điều khiển tối ưu trong các ràng buộc này.

III. Phương Pháp Điều Khiển PID Cải Tiến Cho Hệ Thống Hai Bể

Bộ điều khiển PID là một trong những thuật toán điều khiển được sử dụng rộng rãi nhất trong công nghiệp do tính đơn giản và hiệu quả của nó. Tuy nhiên, việc điều chỉnh các tham số của bộ điều khiển PID có thể khó khăn, đặc biệt là đối với các hệ thống phi tuyến như hệ thống mực nước hai bể. Nghiên cứu này trình bày một phương pháp thiết kế bộ điều khiển PI dựa trên LMI (Linear Matrix Inequality) để điều khiển mực nước trong hệ thống hai bể. Phương pháp này chuyển đổi bài toán thiết kế bộ điều khiển PI thành bài toán thiết kế bộ điều khiển phản hồi trạng thái, sau đó giải quyết bằng cách sử dụng phương pháp tối ưu hóa lồi.

3.1. Thiết Kế Bộ Điều Khiển PI Dựa Trên LMI Cho Hệ Thống Hai Bể

Phương pháp thiết kế bộ điều khiển PI dựa trên LMI (Linear Matrix Inequality) chuyển đổi bài toán thiết kế bộ điều khiển PI thành bài toán thiết kế bộ điều khiển phản hồi trạng thái. Bài toán này sau đó được giải quyết bằng cách sử dụng phương pháp tối ưu hóa lồi. Phương pháp này đảm bảo tính ổn định của hệ thống và cho phép thiết kế bộ điều khiển đáp ứng các yêu cầu hiệu suất cụ thể. Tuy nhiên, phương pháp này có thể cho phản hồi chậm hơn so với các phương pháp khác.

3.2. So Sánh Với Bộ Điều Khiển PI Điều Chỉnh Theo Ziegler Nichols

Để đánh giá hiệu quả của bộ điều khiển PI dựa trên LMI, nghiên cứu này so sánh nó với bộ điều khiển PI được điều chỉnh theo phương pháp Ziegler-Nichols. Phương pháp Ziegler-Nichols là một phương pháp điều chỉnh bộ điều khiển PID kinh điển, dựa trên việc xác định các thông số của hệ thống bằng thực nghiệm. Kết quả cho thấy bộ điều khiển PI dựa trên LMI có hiệu suất tốt hơn so với bộ điều khiển PI được điều chỉnh theo Ziegler-Nichols, đặc biệt là về độ ổn định và khả năng loại bỏ nhiễu.

IV. Điều Khiển Mờ Thích Nghi PI Cho Hệ Thống Mực Nước Hai Bể

Để cải thiện hiệu suất điều khiển, nghiên cứu này phát triển một bộ điều khiển PI mờ thích nghi (AFPI) cho hệ thống mực nước hai bể. Bộ điều khiển AFPI bao gồm hai bộ điều khiển PI kết nối song song: một bộ điều khiển PI chính và một bộ điều khiển PI phụ. Các tham số của bộ điều khiển PI chính được cố định và điều chỉnh bằng phương pháp Ziegler-Nichols. Các tham số của bộ điều khiển PI phụ được thay đổi ngầm định thông qua các luật mờ trong thời gian thực. Bộ điều khiển AFPI cung cấp điều khiển mực nước chính xác trong một phạm vi hoạt động rộng do bộ điều khiển logic mờ (FLC) bao phủ một phạm vi hoạt động rộng.

4.1. Thiết Kế Bộ Điều Khiển PI Mờ Thích Nghi AFPI

Bộ điều khiển PI mờ thích nghi (AFPI) được thiết kế để cải thiện hiệu suất điều khiển của hệ thống mực nước hai bể. Bộ điều khiển AFPI bao gồm hai bộ điều khiển PI kết nối song song: một bộ điều khiển PI chính và một bộ điều khiển PI phụ. Các tham số của bộ điều khiển PI chính được cố định và điều chỉnh bằng phương pháp Ziegler-Nichols. Các tham số của bộ điều khiển PI phụ được thay đổi ngầm định thông qua các luật mờ trong thời gian thực.

4.2. Ưu Điểm Của Điều Khiển Mờ Trong Hệ Thống Phi Tuyến

Điều khiển mờ có nhiều ưu điểm trong việc điều khiển các hệ thống phi tuyến như hệ thống mực nước hai bể. Điều khiển mờ không yêu cầu mô hình toán học chính xác của hệ thống, và nó có thể xử lý các thông tin không chắc chắn và mơ hồ. Bộ điều khiển logic mờ (FLC) có thể bao phủ một phạm vi hoạt động rộng, cho phép điều khiển mực nước chính xác trong nhiều điều kiện hoạt động khác nhau.

4.3. Đánh Giá Hiệu Năng Của Bộ Điều Khiển AFPI Thực Nghiệm

Kết quả thực nghiệm cho thấy bộ điều khiển AFPI cung cấp phản hồi theo dõi tốt, nhưng nó cũng tạo ra overshoot không mong muốn. Để cải thiện hiệu suất, các thuật toán điều khiển khác, chẳng hạn như điều khiển trượt, có thể được sử dụng. Tuy nhiên, điều khiển trượt có thể gặp phải vấn đề chattering, có thể gây hại cho bộ truyền động của hệ thống. Do đó, nghiên cứu này cũng phát triển một bộ điều khiển trượt mờ thích nghi (AFSMC) để giảm thiểu vấn đề chattering.

V. Điều Khiển Trượt Thích Nghi Mờ Cho Hệ Thống Mực Nước

Để đạt được hiệu suất theo dõi tốt và mạnh mẽ, nghiên cứu này thiết kế một bộ điều khiển trượt. Tuy nhiên, kết quả thực nghiệm và mô phỏng cho thấy điều khiển trượt gặp phải vấn đề chattering, có thể gây hại cho bộ truyền động. Để giảm thiểu vấn đề chattering, một bộ điều khiển trượt mờ thích nghi (AFSMC) được phát triển và triển khai trong thời gian thực. Kết quả thực nghiệm cho thấy bộ điều khiển AFSMC cung cấp hiệu suất điều khiển mạnh mẽ để duy trì mực nước mong muốn trong cả hai bể so với các bộ điều khiển khác.

5.1. Phát Triển Luật Điều Khiển Trượt Cho Hệ Thống Hai Bể

Luật điều khiển trượt được phát triển dựa trên việc định nghĩa một bề mặt trượt, đại diện cho trạng thái mong muốn của hệ thống. Bộ điều khiển được thiết kế để đưa hệ thống về bề mặt trượt và duy trì nó trên bề mặt này. Điều này đảm bảo rằng hệ thống sẽ đạt được và duy trì mực nước mong muốn. Tuy nhiên, điều khiển trượt có thể gặp phải vấn đề chattering, do sự chuyển đổi nhanh chóng giữa các trạng thái điều khiển.

5.2. Giảm Thiểu Chattering Bằng Điều Khiển Trượt Mờ Thích Nghi

Bộ điều khiển trượt mờ thích nghi (AFSMC) được phát triển để giảm thiểu vấn đề chattering trong điều khiển trượt. Bộ điều khiển AFSMC sử dụng logic mờ để điều chỉnh các tham số của bộ điều khiển trượt dựa trên trạng thái của hệ thống. Điều này cho phép bộ điều khiển giảm thiểu chattering mà vẫn duy trì hiệu suất điều khiển tốt. Kết quả thực nghiệm cho thấy bộ điều khiển AFSMC có hiệu suất tốt hơn so với điều khiển trượt truyền thống.

5.3. Kết Quả Thực Nghiệm Với Tải Trọng Gây Nhiễu

Để đánh giá khả năng loại bỏ nhiễu của bộ điều khiển AFSMC, các thử nghiệm được thực hiện với tải trọng gây nhiễu. Kết quả cho thấy bộ điều khiển AFSMC có thể duy trì mực nước mong muốn ngay cả khi có nhiễu. Điều này chứng tỏ tính mạnh mẽ của bộ điều khiển AFSMC và khả năng của nó để hoạt động trong các điều kiện thực tế.

VI. Kết Luận Và Hướng Phát Triển Nghiên Cứu Thuật Toán Điều Khiển

Nghiên cứu này đã trình bày một phân tích thực nghiệm về các thuật toán điều khiển khác nhau cho hệ thống mực nước hai bể. Các thuật toán điều khiển được nghiên cứu bao gồm điều khiển PI dựa trên LMI, điều khiển PI mờ thích nghi (AFPI) và điều khiển trượt mờ thích nghi (AFSMC). Kết quả thực nghiệm cho thấy bộ điều khiển AFSMC cung cấp hiệu suất điều khiển tốt nhất, đặc biệt là về khả năng loại bỏ nhiễu và giảm thiểu chattering. Nghiên cứu này cung cấp một nền tảng vững chắc cho việc phát triển các thuật toán điều khiển tiên tiến hơn cho hệ thống mực nước hai bể.

6.1. Đóng Góp Của Nghiên Cứu Về Điều Khiển Hệ Thống Hai Bể

Nghiên cứu này đóng góp vào lĩnh vực điều khiển hệ thống hai bể bằng cách cung cấp một phân tích thực nghiệm chi tiết về các thuật toán điều khiển khác nhau. Nghiên cứu này cũng phát triển một bộ điều khiển trượt mờ thích nghi (AFSMC) mới, có hiệu suất tốt hơn so với các thuật toán điều khiển khác. Kết quả của nghiên cứu này có thể được sử dụng để thiết kế các hệ thống điều khiển mực nước hiệu quả hơn trong các ứng dụng công nghiệp.

6.2. Hướng Nghiên Cứu Tương Lai Về Tối Ưu Hóa Điều Khiển

Các hướng nghiên cứu tương lai có thể tập trung vào việc tối ưu hóa điều khiển cho hệ thống mực nước hai bể. Điều này có thể bao gồm việc sử dụng các thuật toán tối ưu hóa để tìm ra các tham số tối ưu cho bộ điều khiển, hoặc phát triển các thuật toán điều khiển mới dựa trên các phương pháp học máy. Ngoài ra, nghiên cứu có thể tập trung vào việc điều khiển các hệ thống mực nước phức tạp hơn, chẳng hạn như các hệ thống có nhiều bể hoặc các hệ thống có các ràng buộc phi tuyến.