BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-----------------------------------

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG LÝ THUYẾT MỜ TRONG
ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH

NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA

NGUYỄN HỮU VỤ

Người hướng dẫn khoa học:TS NGUYỄN HUY PHƯƠNG

Hà Nội - 2009


Mục lục
Lời cam đoan
Lời cảm ơn
Lời nói đầu
Chơng 1: Tổng quan

7

1.1 . Mở đầu

7


40

3.3. Những nguyên tắc tổng hợp bộ điều khiển mờ

43

3.4. Các bộ điều khiển mờ

50

Chơng 4: Mô phỏng hệ thống

54

4.1. Phân tích đối tợng

54

4.2. Thiết kế sách lợc điều khiển

58

4.3 Bộ điều khiển mờ cơ bản

72

4.4 Bộ điều khiển PID mờ

75


5


lộ những nhợc điểm quan trọng khi đứng trớc sự phát triển mạnh mẽ của công
nghệ số với vi xử lý .Do vậy nhiệm vụ tiếp theo của đề tài là nghiên cứu và ứng dụng
bộ điều khiển PID số . tuy nhiên việc thực nghiệm xác định mô hình toán học của
đối tợng điều khiển có thể còn thiếu những thông tin quan trọng cần cho việc thiết
lập các tham số bộ điều khiển , hơn nữa ảnh hởng về nhiễu không đo đợc cũng là
những yếu tố khiến cho viếc xác định các tham số của bộ điều khiển cha thoả mãn.
Do vậy, nhiệm vụ tiếp theo và cần thiết của đề tài là nghiên cứu , thiết kế bộ chỉnh
định mờ nâng cao chất lợng điều khiển
Bản luận văn gồm bốn chơng
Chơng một : Tổng quan
Chơng hai : Cơ sở sở của điều khiển quá trình
Chơng ba : Bộ điều khiển mờ
Chơng bốn : Mô phỏng hệ thống
Do khả năng còn hạn chế nên bản thiết kế không tránh khỏi khiếm khuyết, tôi
rất mong đợc sự góp ý của các thầy , cô và các bạn đồng nghiệp .
Tôi xin trân tọng cảm ơn thầy giáp TS .Nguyễn Huy Phơng đã tận tình
hớng dẫn và tạo mọi điều kiện về cơ sở vật chất để quá trình thực hiện đề tài đợc
thuận lợi .
Tôi xin trân trọng cảm ơn các thầy, cô đã tận tình giúp đỡ trong quá trình đào
tạo tại bộ môn Tự động hoá công nghiệp khoa Điện , trờng ĐHBK Hà Nội .

6


Chơng 1: Tổng quan
1.1 . Mở đầu
Từ nhiều thập kỷ qua , để đánh giá để đánh giá mức độ phát triển của nền

phần mềm.
Ví dụ tiêu biểu là bài toán điều khiển lu lợng .Chọn luật PID nếu nh có
quá trình đặc tính của một khâu quán tính bậc hai và có trễ tơng đối nhỏ .Tóm lại
phạm vi ứng dụng của các bộ điều khiển PID là quá trình có thể mô tả bằng các mô
hình bậc thấp , thông thờng là bậc nhất à bậc hai .
Bộ điền khiển PID tơng tự thờng thực hiện bằng phần cứng với các linh
kiện điện tử , chúng có những nhợc điểm khá rõ rệt là khả năng hiệu chỉnh tham số
hạn chế , hầu nh đợc thiết kế , chế tạo chỉ thực vụ cho một hoặc một lớp đối tợng
điều khiển , cụ thể không đợc chế tạo theo chuẩn đồng loạt không có cơ hội thích
nghi tham số .
Ngày nay do công nghệ vi xử lý , máy tính số phát triển , nên hầu hết các bộ
điều khiển PID đợc thực hiện bằng công nghệ số- xây dựng trên nền máy tính số
.chúng hoàn toàn khắc phục đợc bộ điều khiển tơng tự .Ngoài ra bộ điều khiển số
còn có thêm những u điểm quan trọng nh thiận tiện trong việc truyền và lu giữ
thông tin trong thời gian dài , không hạn chế , độ chính xác có thể đạt đợc mong
muốn khi lựa chọn thời gian trích mẫu hợp lý và cấu hình phần cứng cho phép .
Các bộ điều khiển PID luôn đợc các nhà khoa học quan tâm nhằm tìm các
phơng pháp chỉnh định tham số một cách hiệu quả và chính xác hơn nhng đối với
những giải pháp điều khiển hiện đại , bộ điều khiển PID đợc coi là lớp các bộ điều
khiển truyền thống .Tuy nhiên cũng có điều rất thú vị là PID truyền thống vẫn là cơ
sở nghiên cứu phát triển cho các bộ điều khiển hiện đại , đặc biệt hơn là trong những
bộ điều khiển hiện đại vẫn có mặt của bộ điều khiển PID gọi là sự lai , điều đó
cũng có nghĩa là ngời thiết lế sẽ yên tâm hơn.
Qua thực té cho thấy, chất lợng điều chỉnh của bộ điều khiển PID phụ thuộc
rất nhiều vào việc lựa chọn luật điều khiển trong thuật toán PID, vào việc lựa chọn
8


các tham số KP,KI hay KD. Đã có rất nhiều phơng pháp tính toán, cho phép lựa
chọn một bộ tham số để áp đặt cho bộ điều khiển, hầu hết phơng pháp chính định

biến tần số có thể giúp khai thác các bộ biến tần có hiệu quả hơn.
1.2. Đặt vấn đề
Điều khiển quá trình là matt lĩnh vực ứng dụng quan trọng của kỹ thuật điều
khiển trong các ngành năng lợng và hóa chất. Nội dung của điều khiển quá trình
kết nối chặt chẽ nền tảng của lý thuyết điều khiển tự đọng với các bài toán của quá
trình công nghệ.
Điều khiển tự động chiếm vai trò ngày càng quan trọng trong các ngành công
nghiệp chế biến, khai thác và năng lợng. Trong mỗi nhà máy công nghiệp hiện đại
hệ thống điều khiển giám sát là thành phần không thể thiếu. Các hệ thống điều khiển
và giám sát đợc sử dụng trong những lĩnh vực đó có một số đặc thù chung đợc gọi
là các hệ thống điều khiển quá trình (Process Control System, PCS). Một hệ thống
điều khiển quá trình chứa đựng trong đó toàn bộ các giải pháp đo lờng, điều khiển,
vận hành và giám sát nhằm đảm bảo các yêu cầu của quá trình và thiết bị công nghệ
nh chất lợng sản phẩm, sản lợng, hiệu quả sản xuất, an toàn cho con ngời, máy
móc và môi trờng.
Trong sản xuất công nghiệp điều khiển quá trình đợc hiểu là điều khiển các thông
số công nghệ trong quá trình sản xuất nh nhiệt độ, áp xuất, lu lợng, định lợng,
mức, nồng độ, phản ứng hóa học. Vì vậy điều khiển quá trình thờng có trong một
thiết bị công nghiệp, công đoạn hoặc dây truyền sản xuất, đặc trng cho quá trình
sản xuất liên tục nh trong các nhà máy sản xuất hóa chất, nhiệt điện, vật liệu xây
dựng, công nghiệp thực phẩm rợu bia.
Trong nhiều ngành công nghiệp cần sử dụng tới van để đống mở điều khiển mức
nớc. Có nhiều loại van khác nhau nh van điều khiển nhờ tín hiệu dòng 4 dến
20mA và van chỉ đống mở ON hoặc OFF
Van điều khiển là thiết bị chấp hành phổ biến nhất trong lĩnh vực điều khiển quá
trình là van điều khiển. Van điều khiển điều chỉnh lu lợng chất lỏng nh gas, hơi

10



là vấn đề chính để tôI nghiên cứu luận văn này

12


Chơng 2
Cơ sở hệ thống điều khiển quá trình

2.1- Tổng quan về hệ thống điều khiển quá trình :
2.1.1- Quá trình và các biến quá trình :
Điều khiển quá trình đợc hiểu là ứng dụng kỹ thuật điều khiển tự động trong
điều khiển, vận hành và giám sát các quá trình công nghệ, nhằm đảm bảo chất lợng
sản phẩm, hiệu quả sản xuất và an toàn cho con ngời, máy móc và môi trờng.
Việc xây dựng một hệ thống điều khiển quá trình bao bồm nhiều bớc nh
phân tích, thiết kế, lập trình, chỉnh định và đa vào vận hành, ta gọichung là các
nhiệm vụ phát triển hệ thống.
- Biến vào là một đại lợng hoặc một điều kiện phản ánh tác động từ bên
ngoài vào quá trình, ví dụ nh lu lợng dòng nguyên liêu, dòng chất lu, nhiệt độ
hơi nớc cấp nhiệt...
- Biến ra là một đại lợng hoặc một điều kiện thể hiện tác động của quá trình
ra bên ngoài, ví dụ lu lợng sản phẩm ra, áp suất khí nén trong bình khí hay áp suất
cần duy trì của hệ thống cấp nớc công nghiệp....
13


- Biến trạng thái mang thông tin về trạng thái bên trong quá tình, ví dụ mức
chất lỏng, nhiệt độ lò, áp suất hơi....
Tuy nhiên, trong một quá trình công nghệ thì không phải biến vào nào cũng
có thể can thiệp đợc và không phải biến ra, biến trạng thái nào cũng đợc điều
khiển (hình 1.1). Do đó các biến vào cũng cần phân biệt : Biến đièu khiển là một

biến tơng tự và biến rời rạc. Đặc biệt, yếu tố thời gian và yếu tố sự kiện đóng một
vai trò quan trọng trong một quá trình mẻ.
Nhìn từ quan điểm của lý thuyết điều khiển, ta có thể phân biệt bài toán điều
chỉnh, bài toán bám. Nhiệm vụ điều chỉnh là thiết lập hoạc duy trì biến đầu ra tại
một giá trị đặt cho trớc trong khi có tác động của nhiễu, trong khi yêu cầu của điều
khiển bám là biến đầu ra bám theo một tín hiệu chủ đạo liên tục thay đổi ( biết trớc
hoặc không biết trớc ). Bài toàn bám đợc quan tâm nhiều hơn trong lĩnh vực điều
khiển máy móc, điều khiển chuyển động.
Trong điều khiển quá trình, bìa toán điều chỉnh chiếm vai trò chủ yếu, bởi các
giá trị đặt thờng cổ định hoặc ít thay đổi trong chế độ vận hành bình thờng. Các ví
dụ tiêu biểu cho bài toán điều chỉnh bao bồm điều chỉnh nhiệt độ, áp suất, mức, lu
15


lợng .... các biến cần điều khiển đợc quan tâm trong các quá trình này đều là các
biến tơng tự, vì vậy cần đặt ra các yêu cầu đặc trng cho khả năng chuyển đổi và xử
lý tín hiệu của các thiết bị đo, điều khiển và chấp hành.
Xét về khả năng vận hành và điều khiển của quá trình, ta thờng phải quan
tâm đến giới hạn vật lý của các trang thiết bị cũng nh những quan hệ phụ thuộc
giữa các đại lợng là những trở ngại không nhỏ trong việc thực hiện các giải pháp
điều khiển. Đặc biệt, các quá trình công nghệ hiện đại thờng đợc thiết kế tối u về
mặt an toàn, tiết kiệm năng lợng và chi phí đầu t, nhng lại gây nhiều khó khăn
cho việc thiết kế điều khiển, đây là bìa toán tối u cần đợc nỗ lực giải quyết.
Thực tế cho thấy, ngay cả khi quá trình công nghệ là một đối tợng dễ điều
khiển về mặt toán học, tức là ta hoàn toàn có thể đa ra các luật điều khiển để đạt
các chỉ tiêu chất lợng một cách lý tởng, song các luật điều khiển đó không thể
thực hiện đợc do các điều kiện ràng buộc. Mỗi thiết bị chấp hành chỉ có hiệu lực
trong một phạm vi làm việc bởi sự ràng buộc về mặt vật lý. Đặc tính động học của
mỗi van điều khiển, mỗi động cơ hoặc máy bơm cũng chỉ có giới hạn, chúng không
thể tác động nhanh tuỳ ý theo yêu cầu của thuật toán điều khiển. Cũng là những yếu

phản ánh chính xác diễn biến của quá trình. Trong nhiều trờng hợp, vai trò của thiết
17


bị đo có quyết định to lớn đến độ chính xác của quá trình điều khiển. Ngời ta
thờng phải xử lý tín hiệu đo nh lọc nhiễu, hạn chế biến độ trớc khi thực hiện các
luật điều khiển.
Ngày nay, để phù hợp với công nghệ điều khiển cũng nh khả năng truyền
thông, đầu ra của các bộ chuyển đổi đợc chuẩn hoá có thể là điện áp 0-10V, dòng
điện 4-20mA .... và ứng dụng công nghệ bus trờng.
* Thiết bị điều khiển : (controller ) là một thiết bị tự động thực hiện chức
năng điều khiển theo luật điều khiển đã thiết lập, là thành phần cốt lõi của một hệ
thống điều khiển công nghiệp. Một bộ điều khiển có thể hiểu là một thiết bị điều
khiển cứng, đơn lẻ ( ví dụ bộ điều khiển nhiệt độ ), một khối phần mềm cài đặt trong
thiết bị điều khiển chia sẻ (PLC, máy tính ...)
Trên cơ sở các tin hiệu vào ( tín hiệu đo, tín hiệu đặt ) và một cấu trúc điều
khiển/sách lợc điều khiển đợc lựa chọn, bộ điều khiển thực hiện thuật toán điều
khiển và đa ra tín hiệu điều khiển để can thiệp trở lại quá trình kỹ thuật thông qua
các thiết bị chấp hành. Tuỳ theo dạng tín hiệu vào ra và phơng pháp thể hiện luật
điều khiển, một thiết bị điều khiển có thể đợc xếp loại là điều khiển tơng tự
(analog controller ), thiết bị điều khiển logic (logic controller ) hay thiết bị điều
khiển số ( digital controller ). Một thiết bị điều khiển số đợc xây dựng trên nền tảng
máy tính số, có thể thay thế chức năng của một thiết bị điều khiển tơng tự hoặc một
thiết bị điều khiển logíc.
Thiết bị điều khiển số có thể chấp nhận các đầu vào/ra là tín hịêu số hoạc tin
hiệu tơng tự với sự tích hợp các thành phần chuyển đổi tơng tự - số nh cần thiết,
tuy nhiên thuật toán điều khiển bao giờ cũng đợc thực hiện bằng máy tính số. Một
thiết bị điều khiển số không những cho chất lợng và tin cậy cao hơn, mà còn có thể
đảm nhiệm nhiều chức năng điều khiển, tính toán và hiến thị.
* Thiết bị chấp hành : ( actuator system, jinal control elêmnt ) nhận tín hiệu

xác định các tham số của bộ điều khiển.
* Mô hình hoá bằng thực nghiệm hay còn gọi là phơng pháp hộp đen hay
nhận dạng quá trình, dựa trên thông tin ban đầu về quá trình, quan sát tín hiệu vào 19


ra thực nghiệm và phân tích các số liệu thu đợc để xác định cấu trúc và các tham số
mô hình từ một lớp các mô hình thích hợp. Hiện nay, các phơng pháp thực nghiệm
đợc áp dụng khá phổ biến vì có thể sử dụng các công cụ phần mềm hiện đại hỗ trợ
rất mạnh chức năng nhận dạng trực tuyến cũng nh ngoại tuyến.
Tuy vậy, phơng pháp thực nghiệm thuần tuý, chẳng hạn đối với quá trình
đợc coi là hộp đen với các số liệu vào - ra lấy từ thực nghiệm cũng còn những hạn
chế nh độ chính xác của mô hình còn phụ thuộc vào độ tin cậy của các phép đo.
Ngoài ra, sau đó còn phải dựa vào việc giả thiết một lớp mô hình thích hợp và phải
thực hiện theo một quá trình lặp với những công cụ mô phỏng. Trong thực tế, nếu sử
dụng kết hợp cả hai phơng pháp lý thuyết và thực nghiệm sẽ cho một mô hình có
giá trị hơn cho mục đích sử dụng.
2.2.2. Phân loại phơng pháp nhận dạng :
Các phơng pháp thực nghiệm hiện nay vô cùng phong phú, có thể phân loại
các phơng pháp nhận dạng từ nhiều góc nhìn khác nhau, ví dụ về vài cachs phân
loại.
* Theo dạng mô hình sử dụng trực tiếp, mô hình tuyến tính bậc nhất và bậc
hai ( có hoặc không có trễ, có hoặc không dao động, có hoặc không có thành phần
tích phân ) là những dạng thực dụng nhất trong điều khiển quá trình với các phơng
pháp kinh điển. Với các phơng pháp điều khiển hiện đại khác cho phép sử dụng các
mô hình phức tạp hơn.
* Nhận dạng chủ động và nhận dạng bị động : nhận dạng chủ động khi tín
hiệu vào đợc chủ động lựa chọn và kích thích ( thực tế hay sử dụng tin hiệu dạng
bậc thang, xung vuông và dao động điều hoà ) đây là phơng pháp tốt nhất khi điều
kiện thực tế cho phép. Trong thực tế, khi hệ thống đang vận hành, việc nhận dạng
chủ động có thể không đợc thực hiện vi những lý do công nghệ, khi ấy phải chấp

có trễ (F0PDT - First - 0rder - phus - Dead Time, S0pdt - Second- 0rder - Plus - Dead
- Time).
* Đặc tính dao động tắt dần có thể xấp xỉ về mô hình dao động bậc hai
21


* Đặc tính tích phân có thể xấp xỉ về mô hình quân tính bậc nhất hoặc bậc hai có trễ
cộng thêm thành phần tích phân.
Nhóm các phơng pháp này là : i) phơng pháp kê tiếp tuyến, ii) phơng pháp
hai hay ba điểm quy chiều, iii) phơng pháp diện tích ....
* Các phơng pháp dựa trên đáp ứng tần số :
Nhận dạng dựa trên số liệu đặc tính đáp ứng tần số trớc hết có thể phục vụ
các phơng pháp thiết kế điều khiển trực tiếp trên miền tần số. Với phơng pháp
này, quá trình đợc kích thích chủ động bằng tín hiệu hình sin hoặc kích thích bằng
tín hiệu dạng xung, tuy nhiên, phơng pháp này thờng khó khả thi đối với nhiều
quá trình công nghiệp.
* Các phơng pháp bình phơng tối thiểu :
Đối với những quá trình phức tạp hoặc những quá trình đòi hỏi cao về chất
lợng điều khiển, có thể áp dụng phơng pháp nhận dạng chính xác hơn những
phơng pháp trên. Một phơng pháp đợc coi là đa năng dựa trên nguyên lý đơn
giản và quen thuộc - nguyên lý bình phơng tối thiểu ( Least Squares, LS) thực chất
bài toán nhận dạng đợc đa về bài toán tối u ví hàm mục tiêu cần cực tiểu hoá là
tổng bình phơng sai lệch ( có thể với hệ số trọng lợng ) giữa các số liệu quan sát
thực và các giá trị tính toán ớc lợng.
Việc áp dụng các phơng pháp nhận dạng đợc thực hiện cho một quá trình
cụ thể ở mục (.......) chơng bốn.
2.3. Cơ sở thiết kế điều khiển :
Sau khi xác định đợc bài toán điều khiển, bớc tiếp theo là thiết kế điều
khiển. Công việc thiết kế điều khiển đợc tiến hành theo hai bớc cơ bản là thiết kế
cấu trúc điều khiển và thiết kế bộ điều khiển.

23


Có thể nói " điều khiển phản hồi là cách duy nhất để ổn định một quá trình
không ổn định " {1}.
Cấu trúc tổng quát của một hệ thống điều khiển phản hồi đợc minh hoạ trên
hình (1.9).

Điều khiển phản hồi có hai cấu hình hay dùng là :
* Cấu hình điều khiển một bậc tự do : bộ điều khiển thực hiện luật điều khiển
dựa trên sai lệch giữa giá trị quan sát dợc của biến đợc điều khiển với giá trị đặt.
Ví dụ, luật tỷ lệ, tích phân, vi phân trong bộ điều khiển PID. Bộ điều khiển chỉ tính
toán đầu ra của nó dựa theo sai lệch, không phân biệt sai lệch đó là do nhiễu quá
trình hay do thay đổi giá trị đặt gây ra. Nói cách khác, trong hầu hết trờng hợp ta sẽ
gặp khó khăn trong việc chỉnh định bộ điều khiển để thoả mãn yêu cầu đáp ứng bám
giá trị đặt và đáp ứng loại bỏ nhiễu.
* Một cấu hình điều khiển khác, bộ điều khiển chứa hai khâu trong ứng với
hai đầu vào, có thể chỉnh định một cách độc lập để đa ra đáp ứng các yêu cầu riêng
về bám giá trị đặt cũng nh loại bỏ nhiễu - gọi là bộ điều khiển phân hồi có cấu hình
điều khiển hai bậc tự do. Về bản chất, cấu hình điều khiển hai bậc tự do là sự kết hợp
của điều khiển phản hồi và điều khiển thẳng, nó cũng chiếm u thế khi lựa chọn ứng
dụng trong công nghiệp.
2.3.2. Lựa chọn bộ điều khiển :
Các bộ điều khiển phản hồi là những thành phần cốt lõi của mỗi hệ thống điều
khiển tự động. Bộ điều khiển phản hồi có chức năng nhận tín hiệu, do sánh với tín
hiệu đặt, thực hiện thuật toán điều khiển và đa ra tín hiệu điều khiển để can thiệp
vào biếu điều khiển thông qua thiết bị chấp hành. Trong một hệ thống điều khiển
quá trình, các bộ điều khiển phản hồi có thể đựơc thực hiện dới dạng một thiết bị

24

25


Ngoài ra, bộ điều khiển số còn có thêm u điểm quan trọng nh điều khiển số thuận
tiện trong việc truyền và lu giữ thông tin trong thời gian dài, không hạn chế, độ
chính xác có thể đạt đợc mong muốn khi lựa chọn thời gian trích mẫu hợp lý và cấu
hình phần cứng cho phép.

Chơng 3

bộ điều khiển mờ
3.1. Khái niệm cơ bản
3.1.1. Bộ điều khiển mờ lý tởng
Trên góc độ điều khiển thì con ngời có khả năng tuyệt vời của bộ điều khiển
mờ hoàn chỉnh. Để hiểu rõ ta xét hoạt động lái xe của một ngời lái xe trên đờng
xem ông ta xử lý những thông tin gì và xử lý chúng nh thế nào:
+ Đại lợng điều khiển thứ nhất là con đờng trớc mặt. Ngời lái xe có
nhiệm vụ điều khiển chiếc xe đi đúng phần đờng quy định, tức là phải luôn giữ cho
xe nằm trong phần đờng bên phải kể từ vạch phân cách, trừ trờng hợp vợt xe
khác, tránh các phơng tiện lu thông khác trên đờng... Để làm đợc việc đó ngời
lái xe phải biết xe của mình đang ở đâu bằng các quan sát vạch phân cách trên
đờng, quan sát các vật cố định khác có trên đờng, quan sát các chớng ngại vật
nhờ đó mà ngời lái xe phải quyết định đánh lái sang trái hay sang phải, đánh lái
mạnh hay yếu.
+ Đại lợng điều khiển thứ hai là tốc độ của xe. Với nguyên tắc để xe chạy
êm và an toàn cũng nh tiết kiệm xăng ngời lái xe có nhiệm vụ giữ ổn định tốc
độ cho xe, tránh phanh gấp hoặc gia tốc đột ngột không cần thiết. Giá trị tốc độ xe
phải giữ cũng phụ thuộc nhiều vào môi trờng xung quanh nh thời tiết, cảnh quan,
mật độ xe trên đờng và cũng còn phụ thuộc việc ông ngời lái xe có quen đờng
hay không. Tuy nhiên, quy luật điều khiển này hoàn toàn không cố định. Giả sử phía