Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

1
THÁI NGUYÊN - 2010 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

2
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP
CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

THUYẾT MINH
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐỀ TÀI:
“NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID MỜ” .

Ngành: TỰ ĐỘNG HOÁ.
Học viên: NGUYỄN VĂN THIỆN
Ngƣời hƣớng dẫn Khoa học: TS. NGUYỄN VĂN VỲ
LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình do tôi
tổng hợp và nghiên cứu. Trong lụân văn có sử dụng một số
tài liệu tham khảo nhƣ đã nêu trong phần tài liệu tham khảo.

Tác giả luận văn NguyễnVăn Thiện Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

5
MỤC LỤC
Lời cam đoan
Lời nói đầu
Danh mục các chữ viết tắt, các kí hiệu
Danh mục các bảng
Danh mục các hình vẽ, đồ thị
MỞ ĐẦU 14
1. Lý do chọn đề tài 144
2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 144
2.1. Ý nghĩa khoa học 144
2.2. Ý nghĩa thực tiễn 144
Chƣơng 1.TỔNG QUAN VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID 15
1.1. CẤU TRÚC CHUNG CỦA HỆ ĐIỀU KHIỂN 15
1.2.CÁC CHỈ TIÊU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG HỆ ĐIỀU KHIỂN 15
1.2.1. Chỉ tiêu chất lƣợng tĩnh 15
1.2.2. Chỉ tiêu chất lƣợng động 16
1.2.2.1. Lƣợng quá điều chỉnh 16
1.2.2.2. Thời gian quá độ 17
1.2.2.3. Số lần dao động 17
1.3. CÁC LUẬT ĐIỀU KHIỂN 17
1.3.1. Quy luật điều chỉnh tỷ lệ (P) 17
1.3.2. Quy luật điều chỉnh tích phân (I) 18
1.3.3. Quy luật điều chỉnh tỷ lệ vi phân (PD) 19
1.3.4. Quy luật điều chỉnh tỷ lệ tích phân (PI) 20
1.3.5. Quy luật điều chỉnh tỷ lệ vi tích phân (PID) 22

2.6.1. Giới thiệu chung 64
2.6.2. Bộ điều khiển mờ lai kinh điển 65
2.6.3. Bộ điều khiển mờ lai cascade 65
2.6.4. Bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID 66 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

7
2.6.5. Bộ điều khiển mờ tự chỉnh cấu trúc 66
2.7. KẾT LUẬN CHƢƠNG 2 67
Chƣơng 3. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID MỜ 68
3.1. ĐẶT VẤN ĐỀ 68
3.2. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ CHỈNH ĐỊNH THAM SỐ PID 70
3.2.1. Cấu trúc bộ điều khiển 70
3.2.2. Thiết kế bộ điều khiển 70
3.2.3. Kết quả mô phỏng 77
3.3. ỨNG DỤNG PID MỜ ĐIỀU KHIỂN HỆ TRUYỆN ĐỘNGT-D 78
3.3.1. Các yêu cầu đối với hệ truyền động T-D 78
3.3.2.Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh dòng điện R
I
80
3.3.3.Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh tốc độ 82
3.3.3.1. Điều chỉnh tốc độ dùng bộ điều chỉnh tốc độ tỷ lệ 82
3.3.3.2. Điều chỉnh tốc độ dùng bộ điều chỉnh tốc độ tích phân tỷ lệ PI 85
3.3.4. Bài toán ứng dụng cụ thể 86
3.3.4.1. Tính toán tham số mạch vòng dòng điện 88
3.3.4.2. Tính toán tham số bộ điều khiển tốc độ PI 89
3.3.5. Thiết kế hệ điều khiển mờ lai 90
3.3.5.1. Xác định các biến vào ra 91

Sai số xác lập
5
δ
max

Lƣợng quá điều chỉnh
6
t
qd

Thời gian quá độ
7
n
Số lần dao động
8
K
Hệ số khuếch đại
9
T
I

Hằng số thời gian tích phân
10
T
d

Hằng số thời gian vi phân
11
L
Hằng số thời gian trễ

Bộ điều chỉnh tốc độ
21
S
i

Xenxơ dòng điện
22
F
Mạch lọc tín hiệu
23
T
f

Hằng số thời gian của mạch lọc
24
T
vo

Hằng số thời gian sự chuyển mạch chỉnh lƣu Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

9
25
T
đk

Hằng số thời gian mạch điều khiển chỉnh lƣu
26

I
cp

Dòng điện cho phép lớn nhất
33
KFi
Từ thông định mức
34
J
Mômen quán tính
35
CL
Chỉnh lƣu
36
K
CL

Hệ số chỉnh lƣu
37
Urcm
Biên độ máy phát xung răng cƣa
38
Kbd
Tỷ số biến đổi dòng
39
FT
Máy phát tốc
40
E
Sức điện động của động cơ điện một chiều

’
3
Bảng 3.3
Luật điều khiển cho hệ số α
4
Bảng 3.4
Hàm liên thuộc của biến đầu vào
5
Bảng 3.5
Hàm liên thuộc của biến đầu ra
6
Bảng 3.6
Luật điều khiển cho HsK
P

7
Bảng 3.7
Luật điều khiển cho HsK
I
Thể hiện đặc tính của số lần dao động
6
Hình1.6
Các đặc tính của quy luật điều chỉnh tỷ lệ vi phân
7
Hình1.7
Các đặc tính của quy luật điều chỉnh tỷ lệ tích phân
8
Hình1.8
Các đặc tính của quy luật điều chỉnh tỷ lệ tích phân
9
Hình1.9
Điều khiển với bộ điều khiển PID
10
Hình1.10
Nhiệm vụ của bộ điều khiển PID
11
Hình1.11
Xác định tham số cho mô hình xấp xỉ
12
Hình1.12
Xác định hằng số khuếch đại tới hạn
13
Hình1.13
Hàm quá độ đối tƣợng thích hợp cho phƣơng pháp Chien -
Hrones - Reswick
14
Hình1.14
Quan hệ giữa diện tích và tổng các hằng số thời gian
15
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

12
25
Hình2.8
Giải mờ theo phƣơng pháp điểm trọng tâm
26
Hình2.9
Đặc tính vào – ra cho trƣớc
27
Hình2.10
Hàm liên thuộc của các biến ngôn ngữ vào ra
28
Hình2.11
Hệ điều khiển mờ theo luật PI
29
Hình2.12
Hệ điều khiển mờ theo luật PD
30
Hình2.13
Hệ điều khiển mờ theo luật PID
31
Hình2.14
Mô hình bộ điều khiển mờ lai kinh điển
32
Hình2.15
Cấu trúc hệ mờ lai Cascade
33

42
Hình3.10
Hàm liên thuộc của biến Kp’, Kd’
43
Hình3.11
Hàm liên thuộc của biến α
44
Hình3.12
Đặc tính điều chỉnh PID tối ƣu với đối tƣợng bậc hai
45
Hình3.13
Đặc tính điều chỉnh PID mờ (K’p= 20.1; K’d = 20.1; Ki=8.6)
so với đặc tính PID tối ƣu
46
Hình3.14
Sơ đồ khối của hệ truyền động T-D
47
Hình3.15
Cấu trúc mạch vòng điều chỉnh dòng điện.
48
Hình3.16
Sơ đồ khối của mạch vòng dòng điện.
49
Hình3.17
Sơ đồ khối hệ điều chỉnh tốc độ
50
Hình3.18
Sơ đồ khối của hệ điều chỉnh tốc độ
51
Hình3.19

Xác định tập mờ cho biến vào dw/dt
60
Hình3.28
Xác định tập mờ cho biến ra HsK
P

61
Hình3.29
Xác định tập mờ cho biến ra HsK
I

62
Hình3.30
Đặc tính quá độ thƣờng gặp của hệ điều khiển dùng PID
63
Hình3.31
Các luật hợp thành.
64
Hình3.32
Cấu trúc của hệ điều khiển mờ lai PI
65
Hình3.33
Cấu trúc của khâu mờ
66
Hình3.34
Cấu trúc của bộ điều khiển PI
67
Hình3.35
Cấu trúc của đối tƣợng
68


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

14
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Hiện nay đến 90% các bộ điều khiển trong thực tế là dựa trên luật điều
khiển PID. Sự thông dụng của bộ điều khiển PID là ở chỗ: đơn giản trong
thiết kế và tính toán tham số cũng nhƣ quan điểm đánh giá tham số. Thuật
toán PID đƣợc xây dựng từ nhiều hƣớng nhƣ theo kinh nghiệm hoặc phân
tích. Tuy nhiên việc hiệu chỉnh các tham số của bộ điều khiển PID còn thụ
động. Vì vậy việc nghiên cứu ứng
dụng lý thuyết Mờ để xác định và hiệu
chỉnh tham số cho bộ điều khiển PID
cho phù hợp với các trạng thái làm việc
là cần thiết và cần đƣợc tập trung giải quyết. Do vậy tôi đã lựa chọn đề tài “
Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển PID mờ ”.
2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
2.1. Ý nghĩa khoa học
Khắc phục đƣợc nhƣợc điểm của hệ PID khi xác định các tham số.
Làm tăng khả năng ứng dụng vào thực tiễn của
lý thuyết Mờ.
Nâng cao chất lƣợng của hệ điều khiển tự động.
2.2. Ý nghĩa thực tiễn
Đáp ứng đƣợc yêu cầu của các hệ thực đòi hỏi chất lƣợng điều chỉnh cao.
Đáp ứng đƣợc yêu cầu của thực tiễn là cần xác định tham số của PID.
Đề tài góp phần trong việc nghiên cứu nâng cao chất lƣợng hệ thống
điều khiển khi kết hợp sử dụng bộ điều khiển mờ lai. Nó thích hợp cho hệ
thống điều khiển tốc độ thông dụng, hệ thống tuỳ động và cả những hệ thống
phản hồi tƣơng tự.

1.2. CÁC CHỈ TIÊU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG HỆ ĐIỀU KHIỂN
1.2.1. Chỉ tiêu chất lƣợng tĩnh
Chỉ tiêu chất lƣợng tĩnh đƣợc đánh giá bằng sai số xác lập (sai lệch tĩnh):
là sai lệch của lƣợng ra so với yêu cầu khi quá trình điều khiển đã kết thúc.
TBĐK
ĐTĐK
TBĐL
CĐTH
U(t)
y(t)
Z(t)
e(t)
x(t)
Hình1.1: Cấu trúc hệ thống điều khiển
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

16
Sai số xác lập : Là sai số của hệ thống khi thời gian tiến đến vô cùng
e
xl
=
)(lim te
t 
↔ e
xl
=
)(lim ssE

xl
xlma
c
cc 
x
x100% (1.2)
G(s)
H(s)
R(s)
E(s)
C(s)
r(t)
c
ht
(t)
e(t)
e
xl

e
xl

t
0
Hình1.2: Thể hiện đặc tính của sai số xác lập
t
0
c
xl


n là số lần dao động của y(t) xung quanh giá trị y
xl Giá trị n càng nhỏ càng tốt. Giá trị n do yêu cầu thiết kế đặt ra, thƣờng n ≤ 3
1.3. CÁC LUẬT ĐIỀU KHIỂN
1.3.1. Quy luật điều chỉnh tỷ lệ (P)
Trong quy luật điều chỉnh tỷ lệ tác động điều chỉnh đƣợc xác định theo
công thức:
U = K.e (1.3)
Trong đó, K là tham số điều chỉnh gọi là hệ số khuếch đại. Hàm truyền
đạt của bộ điều chỉnh tỷ lệ có dạng:
y(t)
Hình1.4: Thể hiện đặc tính của thời gian quá độ
y
xl

0
t
qd

t
Hình1.5: Thể hiện đặc tính của số lần dao động
0

edt
hoặc
dt
du
= K.e (1.5)
Trong đó, T
I
=
K
1
là hằng số thời gian tích phân
- Hàm truyền đạt có dạng: W(p) =
pT
I
.
1

- Hàm truyền tần số: W(jω) =

Tj
1
= -j

T
1
=

T
1
e

1.3.3. Quy luật điều chỉnh tỷ lệ vi phân (PD)
Là quy luật điều chỉnh đƣợc mô tả bởi phƣơng trình vi phân:
U = K
1
.e + K
2
dt
de
= K
m







dt
de
Te
d
(1.6)
Trong đó, K
m
= K
1
là hệ số khuếch đại
T
d
=


d
T
và φ(ω) = arctgT
d
ω nhƣ vậy 0 <φ(ω) <
2


Các đặc tính của quy luật điều chỉnh tỷ lệ vi phân đƣợc mô tả trên Hình1.6. A(ω)
BT
ω
φ(ω
)
PT
ω
2/


I(ω)
TB

quy luật PD tác động nhanh hơn quy luật tỷ lệ nhƣng quá trình điều chỉnh vẫn
không có khả năng triệt tiêu sai lệch dƣ giống nhƣ quy luật tỷ lệ. Phần tử vi
phân tăng tốc độ tác động nhƣng đồng thời cũng rất nhạy cảm với nhiễu ở tần
số cao. Vì vậy, trong công nghiệp, quy luật tỷ lệ vi phân chỉ sử dụng khi quy
trình công nghệ cho phép có sai lệch dƣ và đòi hỏi tốc độ tác động rất nhanh.
1.3.4. Quy luật điều chỉnh tỷ lệ tích phân (PI)
Quy luật PI là sự kết hợp của hai quy luật P và I đƣợc mô tả bằng
phƣơng trình vi phân sau :
U = K
1
.e + K
2
∫edt = K
m










edt
T
e
I
1
(1.7)

dtt
T
t
I
)(1
1
)(1
= K
m








 t
T
I
1
1

- Hàm truyền đạt: W(p) = K
m









I
I
m
T
T
K
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

21
- Đặc tính pha tần số: φ(ω) = - arctg

I
T
1

Nhƣ vậy, 0 > φ(ω) > -
2/


Từ các đặc tính trên ta thấy: Khi tần số tín hiệu thấp, tác động của phần
tích phân là lớn nên biên độ lớn. Tần số càng tăng tác động của tích phân càng
giảm xuống, còn tác động của tỷ lệ tăng lên, góc lệch pha giữa tín hiệu ra và
tín hiệu vào giảm xuống.
Quy luật PI có hai tham số hiệu chỉnh là K

phần tỷ lệ và có khả năng triệt tiêu sai lệch tĩnh do có thành phần tích phân.
Hình1.7: Các đặc tính của quy luật điều chỉnh tỷ lệ tích phân
BT
A(ω)
K
m

ω
PT
ω
2/



φ(ω)
R(ω)
TBP
ω
ω → ∞
ω = 0
K
h(t)
t
K
I(ω)
T
I





dt
de
Tedt
T
e
D
I
1
(1.8)
Trong đó, K
m
= K
1
là hệ số khuếch đại của PI.
T
I
=
2
1
K
K
là hằng số thời gian tích phân
T
D
=
1


 pT
pT
D
I
1
1

- Hàm truyền tần số: W(jω) = K
m






 )
1
(1


I
D
T
Tj

- Đặc tính biên độ tần số: A(ω) =
222
)1()( 


0 < φ(ω) <
2/

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

23
Các đặc tính của quy luật điều chỉnh PID đƣợc mô tả trên Hình1.8. Ta nhận thấy ở dải tần số thấp đặc tính của quy luật PID gần giống với
quy luật PI, ở dải tần số cao PID gần giống với quy luật PD, tại ω
0
=
DI
TT
1

PID mang đặc tính của P.

Hình1.8: Các đặc tính của quy luật điều chỉnh tỷ lệ tích phân
BT
A(ω)
K
m

ω
PT
ω
2/



R(ω)
TBP
ω → ∞
ω = 0
K
m

h(t)
t
K
m

φ(ω)
I(ω)
ω
0
=
Bộ điều khiển PID đƣợc sử dụng khá rộng rãi để điều khiển đối tƣợng
SISO theo nguyên lý hồi tiếp Hình1.9b. Lý do bộ PID đƣợc sử dụng rộng rãi
là tính đơn giản của nó cả về cấu trúc lẫn nguyên lý làm việc. Bộ PID có
nhiệm vụ đƣa sai lệch e(t) của hệ thống về 0 sao cho quá trình quá độ thỏa
mãn các yêu cầu cơ bản về chất lƣợng:
- Nếu sai lệch e(t) càng lớn thì thông qua thành phần u
p
(t), tín hiệu điều
chỉnh u(t) càng lớn (vai trò của khuếch đại k
p
).
- Nếu sai lệch e(t) chƣa bằng 0 thì thông qua thành phần u
I
(t), PID vẫn
còn tồn tại tín hiệu điều chỉnh (vai trò của tích phân T
I
).
Hình1.9: Điều khiển với bộ điều khiển PID
a)
b)
k
p

sT
I

u
D
(t), phản ứng thích hợp của u(t) sẽ càng nhanh (vai trò của vi phân)
Bộ điều khiển PID đƣợc mô tả bằng mô hình vào ra:
u(t) = k
p
[ e(t) +
I
T
1

t
dte
0
)(

+ T
D
dt
tde )(
] (1.9)
Trong đó e(t) là tín hiệu đầu vào, u(t) là tín hiệu đầu ra, k
p
đƣợc gọi là
hệ số khuếch đại, T
I
là hằng số tích phân, T
D
là hằng số vi phân.
Từ mô hình vào ra trên ta có đƣợc hàm truyền đạt của bộ điều khiển PID:

Một điều cần nói thêm là không phải mọi trƣờng hợp ứng dụng đều
phải xác định cả ba tham số k
p
, T
I
, T
D
. Chẳng hạn, khi bản thân đối tƣợng đã
có thành phần tích phân thì trong bộ điều khiển ta không cần có thêm khâu
tích phân mới làm cho sai lệch tĩnh bằng 0, hay nói cách khác, khi đó ta chỉ
cần sử dụng bộ điều khiển PD.
R(s) = k
p
(1 + T
D
s ) (1.11)
là đủ (T
I
= ∞) hoặc khi tín hiệu trong hệ thống thay đổi tƣơng đối chậm và bản
thân bộ điều khiển không cần phải có phản ứng thật nhanh với sự thay đổi của
sai lệch e(t) thì ta chỉ cần sử dụng bộ điều khiển PI (T
D
= 0) có hàm truyền đạt: