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

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 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. Hình 1. 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 ( ) CLsCL CLG s K e τ− = (1) Bộ giao tiếp (đọc tín hiệu đo và xuất tín hiệu điều khiển) sử dụng thêm PIC18F778. Hình 2. Mô hình hệ thống thí nghiệm điều khiển gia nhiệt CRT 916921 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. Nguyễn Thị Thanh Quỳnh và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 112(12)/2: 39 - 44 40 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%: Hình 4. Tập dữ liệu vào ra dùng để nhận dạng 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); ylabel('input u1','FontSize',11); Nguyễn Thị Thanh Quỳnh và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 112(12)/2: 39 - 44 41 ta thu được hàm truyền của hệ gia nhiệt với độ fit: 74,69% có dạng như sau: ( ) -0.003604 s + 0.02688 G s s s2 3.247 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 << 0.02688 cho nên ta xấp xỉ hàm truyền có dạng: ( ) ( ) ( )( ) G s G s s s s s2 0.02688 2.6748 322.8051 1 0.308 3.247 0 3 1 .01005 = ⇔ = + + + + (3) Do vây, bK= T T12.6748, 322.8051, 0.3083= = Theo [4], bộ điều khiển ở đây được chọn là PI: ( )m s G s s s 322.8051 1 1 195.7223 1.6493 1.6493 + = = + (4) Bộ điều khiển mờ (Fuzzy Logic Controller) Với dải sai lệch đầu vào ( )e t và tín hiệu điều khiển ( )u t được xác định: ( )e t 0 70= ÷ được quy đổi sang 0C ( ) ( ) ( )u t V V0 100= ÷ Ta tiến hành chọn bộ điều khiển mờ động dạng PD với dạng tập mờ đầu vào và đầu ra được chọn dạng hình tam giác như sau [6]: Tập mờ đầu vào: Hình 5 Tập mờ đầu vào sai lệch ( )e t Hình 6. Tập mờ đầu vào đạo hàm sai lệch ( )de t Tập mờ đầu ra: Hình 7. Tập mờ đầu ra ( )u t Luật điều khiển được cho như sau: Quy tắc hợp thành được xác định theo MAX- MIN. THỰC THI BỘ ĐIỀU KHIỂN Việc thực thi bộ điều khiển được thực hiện dựa trên môi trưởng Visual Basic 6.0 [7] có giao diện như sau: Hình 8. Giao diện của chương trình điều khiển Lưu đồ thuật toán điều khiển theo PID và FLC Nguyễn Thị Thanh Quỳnh và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 112(12)/2: 39 - 44 42 FLC Hình 9. Lưu đồ thuật toán của bộ điều khiển PID Hình 10. Lưu đồ thuật toán của bộ điều khiển mờ cho trường hợp e de5 17;500 1000≤ < ≤ < Kết quả thu được từ thực nghiệm như sau: Hình 11. Đặc tính đầu ra của hệ gia nhiệt với bộ điều khiển PID Hình 12. Đặc tính đầu ra của hệ gia nhiệt với bộ điều khiển FLC Khi có nhiễu tác động: Trường hợp 1: Cho pump1 mở với 20% với thời gian 140 giây Hình 13. Đặc tính đầu ra khi có nhiễu tác động của hệ gia nhiệt với bộ điều khiển PID Hình 14. Đặc tính đầu ra khi có nhiễu tác động của hệ gia nhiệt với bộ điều khiển FLC Thời điểm pump1 mở 20% Thời điểm pump1 mở 20% Nguyễn Thị Thanh Quỳnh và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 112(12)/2: 39 - 44 43 Trường hợp 2: Cho pump1 và pump2 mở với 20% Hình 15. Đặc tính đầu ra khi có nhiễu tác động của hệ gia nhiệt với bộ điều khiển PID Hình 16. Đặc tính đầu ra khi có nhiễu tác động của hệ gia nhiệt với bộ điều khiển FLC KẾT LUẬN Với kết quả thực nghiệm (Hình 11 đến Hình 16) trên ta thấy rằng bộ điều khiển gia nhiệt sử dụng điều khiển mờ (FuzzyController) cho đáp ứng tốt hơn bộ điều khiển PID khi đặt nhiệt độ khoảng từ 600C đến 1000C, và khi cho nhiễu tác động cụ thể là độ quá điều chỉnh, tuy nhiên thời gian đáp ứng của bộ PID tốt hơn so với Fuzzy Controller. Hệ điều khiển thiết kế dựa trên phần mền Visual Basic có thể thay đổi linh hoạt các tham số điều khiển đối với bộ điều khiển PID và với bộ điều khiển mờ, có thể thay đổi đỉnh cũng như miền xác định của các tập mờ đồng thời có nhiều tùy chọn các phương pháp giải mờ khác nhau. Từ đó, sẽ đưa ra các bài thí nghiệm phù hợp với từng môn học cụ thể của bộ môn. Hơn nữa hệ thống cũng có thể điều khiển linh hoạt thông qua phần mềm MATLAB/ SIMULINK. Cuối cùng, hệ điều khiển gia nhiệt này cũng có thể áp dụng các phương pháp hiện đại như điều khiển dự báo, điều khiển thích nghi, điều khiển tối ưu mà tác giả đang thực hiện. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Otaga (2007), Modern Control Enginerring, Edition 3th, Prace Hill. 2. Nguyễn Doãn Phước (2010), Lý thuyết điều khiển tuyến tính, Nxb Khoa học Kỹ thuật. 3. Vũ Thị Nguyệt (2011), Đồ án tốt nghiệp, Phục hồi và thiết kế hệ thống gia nhiệt CRT916920. 4. Nguyễn Thương Ngô (2008), Lý thuyết điều khiển thông thường và hiện đại, Quyển 1: Hệ điều khiển tuyến tính, Nxb Khoa học Kỹ thuật. 5. Camacho E. F. & Bordons C. (2007), Model predictive control, Springer, London. 6. Nguyễn Doãn Phước, Phan Xuân Minh (2009), Lý thuyết điều khiển mờ, Nxb Khoa học Kỹ thuật. 7. Nguyễn Thị Ngọc Mai (2005), Microsoft Visual Basic 6.0 lập trình cơ sỡ dữ liệu, Nxb Lao động xã hội. Thời điểm pump2 mở 20% Thời điểm pump1,2 mở 20% Nguyễn Thị Thanh Quỳnh và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 112(12)/2: 39 - 44 44 SUMMARY PID CONTROLLER DESIGN AND FUZZY LOGIC CONTROLLER FOR HEATING SYSTEM Nguyen Thi Thanh Quynh*, Pham Van Thiem College of Technology - TNU Temperature stability problem for the heating system were difficult because these systems often have very high heat inertia , especially when there is noise and bias effects on measured values . Theoretically there are many control methods are applied to this problem [1],[2],[5]. However, the purposes of scientific research and experimental work , this report presents a summary of the two design approaches PID controllers and controllers FLC ( Fuzzy Logic Controller ) for the temperature to stabilize CRT 916 921 heating system and quality survey of the heating system when the noise impact. The implementation of the controller is built on Visual Basic 6.0 environment using standard RS232 interface and is packaged for easy installation. Key words: Temperature stability, PID,FLC,CRT916921, Visual Basic 6.0 Phản biện khoa học: TS. Nguyễn Văn Chí – Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – ĐH Thái Nguyên * Tel: 0912.667.268; Email: quynhruby@gmail.com