TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 1(42).2011

42
ĐIỀU KHIỂN MỜ PID CHO QUÁ TRÌNH MỨC CHẤT LỎNG
PID FUZZY CONTROLLER FOR LEVEL LIQUID PROCESS

Nguyễn Hoàng Mai
Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng
Võ Khánh Thoại
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 gi
ới 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

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:
dm
bình
= dm
vào
- dm
ra
(1)
hay
ρρ
ρ
oi
qq
dt
Ahd
−=
)(
(2)
trong đó: V : thể tích của bình chứa [m

].
Khi đó (2) trở thành:

ρρ
ρ
ghKq
d
t
Ahd
vi
−=
)(
(4)
Với A không đổi,
ρ
không đổi, giản ước và chuyển vế ta có phương trình:

iv
qghK
d
t
dh
A =+
(5)
và viết lại phương trình như sau:

()
ghKq
A
h

P
teTde
T
teKtu
0
.
)()(
1
)()(
ττ
hay sK
s
K
KsG
D
I
PPID
++=)(
Với e(t) là tín hiệu vào, u(t) là tín hiệu ra; K
P
, K
I
, K
D
là các hệ số tỷ lệ, tích
phân, đạo hàm. T
I
là hằng số tích phân, T
D
là hằng số vi phân. Rõ ràng, u(t) phụ thuộc

I,
K
D
của bộ điều khiển PID sẽ được
tự động chỉnh định theo phương pháp bù
mờ. Như vậy bộ chỉnh định mờ sẽ có hai
đầu vào là e(t), đạo hàm của đầu ra dy/dt
và một đầu ra [1]
2.1.2 Thiết kế bộ điều khiển mờ PID
a) Xác định các biến ngôn ngữ
Áp dụng mô hình mờ Mamdani. Đầu vào thứ nhất là sai lệch giữa mức đặt và
mức thực ET, đầu vào thứ hai là tốc độ biến thiên theo thời gian của mức thực DH. Đầu
ra của bộ điều khiển đưa đến van ký hiệu là VA.
Sai lệch ET được chọn trong miền giá trị [-1;+1],
Đạo hàm theo mức được chọn trong miền giá trị [-0,1;+0,1],
Đầu ra VA có miền giá trị [-1;+1].
b) Xác định số lượng tập mờ
Chọn số lượng tập mờ cho mỗi biến
đầu vào là 3 và biến đầu ra là 5, cụ thể như
sau:
+ ET = {N, Z, P};
+ DH = {N, Z, P};
+ VA = {CF, CS, NC, OS, OF}.
c) Xác định hàm liên thuộc
Trong kỹ thuật điều khiển thường ưu tiên chọn hàm liên thuộc kiểu hình tam
giác hoặc hình thang. Các loại này có biểu thức đơn giản, tính toán dễ dàng. Xây dựng
trên Matlab-Simulink như các hình 6, 7, 8.
Hình 5. Phương pháp mờ PID cascade
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 1(42).2011

Hình 10. Mô hình hóa quá trình mức chất lỏng trong Matlab-Simulink
Hình 11. Đáp ứng mức khi điểm đặt 50cm Hình 12. Đáp ứng mức khi tải thay đổi và nhiễu
Hình 13. Đáp ứng mức khi thay đổi tham số van Hình 14. Đáp ứng mức khi thay đổi điểm đặt

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 1(42).2011

48

Hình 15. Đáp ứng mức khi thay đổi điểm đặt và tham số van
Bàn luận
Khi thay đổi tải: mở và đóng van (hình 12, 13, 14, 15), nhiễu hệ thống: nhiễu
lưu lượng vào (hình 12), thay đổi tham số van (hình 13, 15), thay đổi điểm làm việc:
60cm – 40cm (hình 14, 15); đáp ứng mức chất lỏng của mô hình mờ PID gần như
không đổi, mức chất lỏng trong bình bám theo mức đặt tốt, sai lệch nhỏ, hệ thống ổn
định. Trong khi đó, đáp ứng mức của mô hình PID bị thay đổi rất nhiều. Đáp ứng
mức đối với mô hình PID có số lần dao động nhiều, thời gian quá độ lớn hơn, tồn tại
sai lệch tĩnh lớn (hình 13, 15). Khi thay đổi các tham số làm cho điểm làm việc xác
lập của quá trình thay đổi, trong khi đó các thông số của bộ điều khiển PID không
thay đổi nên dẫn đến dao động nhiều, còn bộ điều khiển mờ PID do có sự tự động bù
các tham số nên thích nghi được với sự thay đổi này, làm cho bộ điều khiển ổn định và
bền vững hơn bộ PID.
4. Kết luận
Kết quả mô phỏng trên Matlab-Simulink đúng với lý thuyết, thuật toán bộ điều
khiển mờ PID là hoàn toàn chính xác, bộ điều khiển mờ PID không phải giải bài toán
nhận dạng mà vẫn cho được kết quả điều khiển có chất lượng cao kể cả khi gặp nhiễu,
đồng thời khắc phục được điểm yếu của bộ điều khiển PID kinh điển đó là thích nghi
được với sự thay đổi các tham số của hệ thống.
Các thông số về chất lượng điều chỉnh như sai lệch tĩnh, độ quá điều chỉnh, thời