Báo cáo: ĐIỀU KHIỂN MỜ PID CHO QUÁ TRÌNH MỨC CHẤT LỎNG

Hiện nay, hầu hết các hệ điều khiển công nghiệp đều sử dụng bộ điều khiển PID để điều khiển quá trình, các bộ điều khiển này chưa tối ưu hoặc ít bền vững đối với sự thay đổi tham số trong quá trình vận hành. Điều khiển mờ là bộ điều khiển thích hợp cho các đối tượng có tham số không chính xác. Bài báo này giới thiệu về bộ điều khiển mờ PID cho quá trình mức chất lỏng có tham số van điều khiển và tải thay đổi. Bộ điều khiển mờ PID bao gồm bộ...
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Báo cáo: "ĐIỀU KHIỂN MỜ PID CHO QUÁ TRÌNH MỨC CHẤT LỎNG" TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 1(42).2011 ĐIỀU KHIỂN MỜ PID CHO QUÁ TRÌNH MỨC CHẤT LỎNG PID FUZZY CONTROLLER FOR LEVEL LIQUID PROCESS Nguyễn Hoàng Mai Võ Khánh Thoại Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng Học viên cao học khoá 2008-2011 TÓM TẮT Hiện nay, hầu hết các hệ điều khiển công nghiệp đều sử dụng bộ điều khiển PID để điều khiển quá trình, các bộ điều khiển này chưa tối ưu hoặc ít bền vững đối với sự thay đổi tham số trong quá trình vận hành. Điều khiển mờ là bộ điều khiển thích hợp cho các đối tượng có tham số không chính xác. Bài báo này giới thiệu về bộ điều khiển mờ PID cho quá trình mức chất lỏng có tham số van điều khiển và tải thay đổi. Bộ điều khiển mờ PID bao gồm bộ điều khiển PID kinh điển ở vòng trong và một bộ điều khiển mờ ở vòng ngoài để bù tham số bộ điều khiển PID. Đặc tính của bộ điều khiển được minh họa bằng kết quả mô phỏng điều khiển ổn định quá trình mức chất lỏng. ABSTRACT Nowadays, PID controllers have been used to regulate a process in most of the industrial control systems. However, these controllers are not optimal or less robust with a parameters change in operation. A fuzzy controller is suitable for the objects with inaccurate parameters. This paper presents a PID fuzzy controller for liquid level process with varied parameters of the control valve and changed load. The PID fuzzy controller consists of a typical PID controller in the primary loop and a fuzzy controller in the secondary loop in compensation for the parameters of a PID controller. The characteristics of the PID fuzzy controller are illustrated with simulation results of the conditions in stabilising a liquid level. 1. Đặt vấn đề Một hệ thống quá trình mức chất lỏng bao gồm nguồn cấp chất lỏng, đường ống dẫn, van điều khiển, van tay, bình mức. Trong đó van điều khiển, bình mức là các đối tượng phi tuyến, tham số của van điều khiển thay đổi theo thời gian, tải của quá trình (van xả) phụ thuộc vào yêu cầu công nghệ nên không xác định trước. Bộ điều khiển PID (tỷ lệ, tích phân, đạo hàm) được dùng phổ biến trong các hệ điều khiển công nghiệp bởi cấu trúc đơn giản. Chất lượng của hệ thống phụ thuộc vào các hệ số KP, TI, TD của bộ điều khiển PID và được thiết kế cho một điểm làm việc đặc trưng. Trong quá trình vận hành, khi điều kiện làm việc hoặc các tham số của đối tượng bị thay đổi thì phải chỉnh định các hệ số này. Việc chỉnh định thường theo kiểu “thăm dò”. Do đó, ta thiết kế bộ điều khiển mờ ở vòng ngoài để bù các tham số bộ PID ở vòng trong một cách tự động. Bộ điều khiển mờ PID vừa phát huy hết các ưu điểm của bộ điều khiển rõ vừa sử dụng các ưu điểm hệ thống mờ giúp tránh khỏi những bài toán nhận dạng, mô hình hoá hay thiết kế phức tạp. Đồng thời, kinh nghiệm điều khiển đối tượng dễ dàng được kết hợp vào luật điều khiển. Việc ứng dụng kỹ thuật mờ xây dựng 42 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 1(42).2011 bộ điều khiển cho các quá trình có tham số thay đổi là hướng nghiên cứu còn mới mẻ và có khả năng đáp ứng được các yêu cầu chất lượng cao. Bài báo này giới thiệu về một bộ điều khiển mờ PID cho một quá trình mức chất lỏng có tham số van điều khiển và tải thay đổi. 2. Kết quả nghiên cứu và khảo sát 2.1 Mô hình hoá hệ thống quá trình mức 2.1.1 Hệ thống bình mức Một hệ thống bình mức gồm bình mức hình trụ với chiều cao 92cm, đường kính đáy 20cm, cảm biến mức đo theo kiểu chênh áp suất, bình chứa và bơm để cung cấp lưu chất vào, van điều khiển, thiết bị chuyển đổi dòng điện thành áp suất, van tay, hệ thống đường ống tròn với đường kính trung bình 2cm, nguồn cấp khí nén có mô hình và sơ đồ PI&D của quá trình mức như hình 1, 2. Hình 1. Mô hình quá trình mức Hình 2. Sơ đồ PI&D của quá trình mức Phương trình biểu diễn hệ bình chất lỏng sẽ dựa trên cơ sở cân bằng khối lượng: dmbình = dmvào - dmra (1) hay d ( Ah ρ ) (2) = qi ρ − qo ρ dt trong đó: V : thể tích của bình chứa [m3]; qi, qo : lưu lượng vào ra bình chứa [m3/s]; ρ : mật độ chất lỏng [kg/m3]; A : diện tích cắt ngang bình chứa [m2]; h : chiều cao cột chất lỏng (mức) [m]. Với quan hệ dòng ra và mức chất lỏng là quan hệ phi tuyến: qo = K v gh (3) 43 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 1(42).2011 trong đó Kv : hệ số lưu lượng qua van, g : gia tốc trọng trường [m/s2]. Khi đó (2) trở thành: d ( Ah ρ ) = q i ρ − K v gh ρ (4) dt Với A không đổi, ρ không đổi, giản ước và chuyển vế ta có phương trình: dh A + K v gh = q i (5) dt và viết lại phương trình như sau: 1 ( ) . h= qi − K v gh (6) A Phương trình (6) là phương trình động học của bình chất lỏng. Cấu trúc mô hình bình mức trên Matlab-Simulink như hình 3 ...