Thiết kế bộ điều khiển PID và bộ điều khiển FLC (fuzzy logic controller) cho hệ thống gia nhiệt

Bài báo này trình bày tóm tắt về hai phương pháp thiết kế bộ điều khiển nhiệt độ dùng PID và FLC (Fuzzy Logic Controller) để ổn định nhiệt độ cho hệ thống gia nhiệt CRT 916921 tại trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp. Đồng thời bài báo này cũng khảo sát chất lượng của hệ thống gia nhiệt khi có nhiễu tác động. Việc thực thi luật điều khiển trên được xây dựng trên môi trường Visual Basic 6.0 sử dụng chuẩn giao tiếp RS232 và được đóng gói để thuận tiện cho việc cài đặt.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Thiết kế bộ điều khiển PID và bộ điều khiển FLC (fuzzy logic controller) cho hệ thống gia nhiệt Nguyễn Thị Thanh Quỳnh và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 112(12)/2: 39 - 44 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID VÀ BỘ ĐIỀU KHIỂN FLC (FUZZY LOGIC CONTROLLER) CHO HỆ THỐNG GIA NHIỆT Nguyễn Thị Thanh Quỳnh*, Phạm Văn Thiêm Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp –ĐH Thái Nguyên TÓM TẮT Vấn đề ổn định nhiệt độ cho hệ thống gia nhiệt gặp nhiều khó khăn do các hệ thống này thường có quán tính nhiệt rất lớn, nhất là khi có nhiễu tác động và có sai lệch về giá trị đo. Về mặt lý thuyết có nhiều phương pháp điều khiển được áp dụng cho bài toán này [1],[2],[5]. Bài báo này trình bày tóm tắt về hai phương pháp thiết kế bộ điều khiển nhiệt độ dùng PID và FLC (Fuzzy Logic Controller) để ổn định nhiệt độ cho hệ thống gia nhiệt CRT 916921 tại trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp. Đồng thời bài báo này cũng khảo sát chất lượng của hệ thống gia nhiệt khi có nhiễu tác động. Việc thực thi luật điều khiển trên được xây dựng trên môi trường Visual Basic 6.0 sử dụng chuẩn giao tiếp RS232 và được đóng gói để thuận tiện cho việc cài đặt. Từ khóa: Ổn định nhiệt độ, PID,FLC,CRT916921,Visual Basic 6.0 GCL (s ) = KCLe − τCLs ĐẶT VẤN ĐỀ* Hệ thống thí nghiệm điều khiển gia nhiệt CRT 916921 đã được nhà trường mua từ những năm 2000, để phục vụ cho công tác thí nghiệm. (1) Bộ giao tiếp (đọc tín hiệu đo và xuất tín hiệu điều khiển) sử dụng thêm PIC18F778. Hình 1. Hệ thống thí nghiệm điều khiển gia nhiệt CRT 916921 Hình 2. Mô hình hệ thống thí nghiệm điều khiển gia nhiệt CRT 916921 Mô hình của hệ thống gia nhiệt được thể hiện như Hình 2, trong đó: Đầu đo nhiệt độ, dùng cảm biến PT 100(RTD) được cấu tạo từ kim loại Platinum và quấn tùy theo hình dáng của đầu dò nhiệt có giá trị điện trở khi ở 00C là 100 Ohm, đây là một loại cảm biến thụ động nên khi sử dụng cần một nguồn ngoài ổn định, có dải đo từ -2000C đến 6000C. Bộ chỉnh lưu cầu 1 pha điều khiển theo phương pháp pha đứng có hàm truyền: * Tel: 0912.667.268; Email: quynhruby@gmail.com Hình 3. Bộ giao tiếp AD/DA cũ (trái) và bộ giao tiếp AD/DA sau khi cải tiến Hai bơm (pump1 và pump2) dùng để bơm nước lạnh vào bình gia nhiệt (coi là nhiễu phụ tải), lượng nước bơm vào phụ thuộc vào độ mở van tính theo phần trăm (0% đến 100%) của van Noise. 39 Nguyễn Thị Thanh Quỳnh và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ Hiện nay mô hình này không sử dụng được vì những lý do sau đây: + Phần mềm được tích hợp sẵn, đóng kín, bản cài đặt được lưu trên đĩa mềm cho nên khi đĩa mềm hỏng dẫn đến không còn bản để cài đặt, do vậy hệ thống không có phần mềm điều khiển và không chạy được. + Sau khoảng thời gian dài làm việc, các thông số của đối tượng bị thay đổi, hàm truyền của đối tượng không còn đúng, do vậy việc nhận dạng lại hệ thống là cần thiết. + Hệ thống giao tiếp với cổng COM 25 chân, mà hiện nay các máy tính phần nhiều đã bỏ đi cổng giao tiếp này mà máy tính ngày nay đa số trang bị cổng giao tiếp USB, dẫn đến không linh hoạt khi sử dụng. Do vậy, trước hết ta cần phục hồi và thay thế lại bộ giao tiếp AD/DA cũ bằng vi điều khiển PIC có chức năng AD/DA, và cải tiến bộ giao tiếp qua cổng COM 25 chân sang cổng COM 9 chân (RS232) và giao tiếp USB [3]. Tiếp theo cần nhận dạng lại hệ thống để được mô hình, sau đó sử dụng mô hình này để thiết kế bộ điều khiển PID. Nâng cao chất lượng hệ thống bằng cách thiết kế bộ điều khiển mờ động FLC. Do vậy nội dung của bài báo gồm các phần sau: phần 1 là đặt vấn đề, phần 2 là nhận dạng hệ thống, phần 3 trình bày về cách thiết kế bộ điều khiển, phần 4 là lập trình luật điều khiển và thiết kế giao diện, cuối cùng là kết luận. NHẬN DẠNG HỆ THỐNG Lấy bộ mẫu vào/ra bằng cách thu thập 1294 tập dữ liệu vào ra với pump1 và pump 2 mở mức 50%: 112(12)/2: 39 - 44 Sử dụng phương pháp nhận dạng mô hình có tham số với phương pháp ARX được lập trình trong MATLAB với cấu trúc lệnh: %% Chu ky trich mau a=size(u); b=size(y); %%Chu ky trich mau T= 0.4 Tm=857.2; %% thoi gian tien hanh thuc nghiem t=(0:T:Tm)'; %%thoi gian mo phong data1 = iddata(y,u,T); data2 = detrend(data1); figure(1) subplot(211) plot(t(1:a),data1(1:a(:,)),'r',t(1:a( :,1)),data2(1:a(:,1)),'b') title('ouput y21','FontSize',11) xlabel(' t[s]', 'FontSize',11) legend('trend','detrend') grid on subplot(212); plot(t(1:a(:,1)),u(1:a(:,)),'r',t(1:a (:,1)),data2.u(1:a(:,1)),'b') title('input u1','FontSize',11) grid on data1e = data(1:a(:,)/2);%bo du lieu uoc luong,doi tuong nhan dang data1v = data((a(:,)/2+1):a(:,));%bo du lieu kiem chung, doi tuong kiem chung nk=1:6; NN =struc(2,2,nk);%NN = STRUC(NA,NB,NK) V1 =arxstruc(data1e,data1v,NN);%Compute and compare loss functions for single-output ARX models [nk,Vm1]=selstruc(V1,0) ARX2u1y1 =arx(data1e,[2 2 1]); ARX5u1y1 =arx(data1e,[5 5 1]); ARX10u1y1 =arx(data1e,[10 10 1]); figure(2) compare(data1v,ARX2u1y1,ARX5u1y1,ARX1 0u1y1) title('ouput y1','FontSize',11); Hình 4. Tập dữ liệu vào ra dùng để nhận dạng 40 ylabel('input u1','FontSize',11); Nguyễn Thị Thanh Quỳnh và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 112(12)/2: 39 - 44 ta thu được hàm truyền của hệ gia nhiệt với độ fit: 74,69% có dạng như sau: G (s ) = -0.003604 s + 0.02688 s 2 + 3.247s + 0.01005 (2) THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN Theo [1],[4] có rất nhiều các phương pháp điều khiển đối với hàm truyền dạng (3), với bài báo này tác giả sử dụng phương pháp thiêt kế bộ điều khiển theo tiêu chuẩn “phẳng”. Tuy nhiên, khi nhận dạng đối tượng sẽ có sai số về mô hình và chỉ đúng trong trường hợp khi mở pump1 và pump 2 là 50%, vậy để nâng cao chất lượng điều khiển của hệ gia nhiệt tác giả sử dụng bộ điều khiển mờ (Fuzzy Controller) [6] vì bộ điều khiển mờ không cần biết chính xác mô hình đối tượng. Bộ điều khiển theo tiêu chuẩn “phẳng” Từ (4), vì 0.003604 ...