Tài liệu Ứng dụng điều khiển mờ pid cho hệ thống trung hòa độ ph nước mía của nhà máy đường

1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG HÀ NGUYÊN HOÀNG ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN MỜ PID CHO HỆ THỐNG TRUNG HÒA ĐỘ pH NƯỚC MÍA CỦA NHÀ MÁY ĐƯỜNG Chuyên nghành: Tự Động Hóa Mã số: 60.52.60 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2012 2 Công trình ñược hoàn thành tại ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Văn Minh Trí Phản biện 1: PGS.TS. Nguyễn Hồng Anh Phản biện 2: TS. Nguyễn Anh Duy Luận văn ñược bảo vệ trước Hội ñồng chấm luận văn thạc sĩ kỹ thuật họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 9 tháng 6 năm 2012 Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Thông tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng; - Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng. 3 MỞ ĐẦU 1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Điều khiển ñộ pH ñược ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như công nghiệp hóa chất, sinh học… Đặc ñiểm của quá trình ñiều khiển ñộ pH cho các quá trình công nghiệp rất khác nhau, mức ñộ phi tuyến cao. Đối với các hệ thống mà ñầu vào biến ñổi theo thời gian, yêu cầu ñáp ứng ñầu ra có ñộ chính xác cao thì nhiệm vụ ñiều khiển rất phức tạp. Xuất phát từ tình hình thực tế trên, qua tìm hiểu nhiều nguồn thông tin khác nhau, việc áp dụng lý thuyết ñiều khiển hiện ñại vào thực tế còn tương ñối ít ñặc biệt là ñối với các ñối tượng phi tuyến, trên cơ sở ñó việc xây dựng và ứng dụng bộ ñiều khiển mờ PID ñạt các yêu cầu kỹ thuật là hướng nghiên cứu của luận văn. Được sự tạo ñiều kiện giúp ñỡ của nhà trường, bộ môn Tự ñộng hóa và TS Nguyễn Văn Minh Trí, trong khuôn khổ chương trình ñào tạo sau ñại học của Đại học Đà Nẵng, tôi lựa chọn ñề tài tốt nghiệp là “Ứng dụng ñiều khiển Mờ PID cho hệ thống trung hòa ñộ pH nước mía của nhà máy ñường”. 2. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU - Đánh giá ưu ñiểm của bộ ñiều khiển kết hợp Mờ - PID so với bộ ñiều khiển kinh ñiển trong ñiều khiển ñộ pH - Thiết kế bộ ñiều khiển tự ñộng thay ñổi tham số ñể giữ ñộ pH ñầu ra luôn ổn ñịnh theo một giá trị ñặt cho trước, trong ñề tài này, giá trị cần ổn ñịnh nằm trong phạm vi từ 6.8~7.2 pH. 4 - Phát triển hệ thống ñiều khiển mờ - PID dùng vi ñiều khiển Atmega32 ứng dụng cho hệ thống ñiều khiển ñộ pH 3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Đối tượng nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu của ñề tài: Hệ thống ñiều khiển ñộ pH của nhà máy ñường thuộc Nhà máy Mía ñường – Nhiệt ñiện Ayun Pa, Huyện Ayun Pa, Tỉnh Gia Lai Phạm vi nghiên cứu: - Nghiên cứu vấn ñề về ñiều khiển ñộ pH, ñiều khiển mờ, PID và mờ PID - Nghiên cứu áp dụng ñiều khiển mờ PID với ñối tượng có tính phi tuyến - Nghiên cứu thiết kế bộ ñiều khiển mờ PID trên nền tản vi ñiều khiển Atmega32 - Xây dựng phần mềm ứng dụng giải thuật ñiều khiển Mờ - PID cho vi ñiều khiển Atmega32 4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết, mô phỏng và thực nghiệm - Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Nghiên cứu tài liệu, giáo trính, sách, báo viết về các vấn ñề: + Độ pH, ñiều khiển ñộ pH trong các quá trình công nghiệp + Điều khiển mờ, PID, chỉnh ñịnh tham số cho hệ thống ñiều khiển Mờ PID 5 + Lập trình và thiết kế mạch ñiện tử, kỹ thuật lập trình cho hệ thống ñiều khiển số - Phương pháp nghiên cứu mô phỏng: Nghiên cứu mô phỏng hệ thống trên phần mềm Matlab - Simulink - Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: Áp dụng các lý thuyết ñã nghiên cứu ñể xây dựng bộ ñiều ñiều khiển mờ PID cho hệ thống ñiều khiển ñộ pH của Nhà máy ñường – Nhiệt ñiện Ayun Pa, Tỉnh Gia Lai 5. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN ĐỀ TÀI Ý nghĩa khoa học: - Kết quả nghiên cứu của ñề tài ñược áp dụng ñể thiết kế các bộ ñiều khiển cho hệ thống ñiều khiển ñộ pH trong thực tế với ñầu vào biến thiên lớn theo thời gian, tham số quá trình không biết chính xác. - Việc áp dụng ñiều khiển mờ PID vào các bộ ñiều khiển sẽ giải quyết nhiều vấn ñề về nhận dạng hệ thống, hệ thống có tính phi tuyến cao. Thực tiễn ñề tài: - Giải quyết ñược yêu cầu bài toán ñiều khiển ñối tượng phi tuyến, giảm công sức thiết kế trong việc lựa chọn các tham số hệ thống. - Xây dựng bộ ñiều khiển vận hành thực tế tại Nhà máy mía ñường– nhiệt ñiện Gia Lai. 6. BỐ CỤC LUẬN VĂN MỞ ĐẦU 6 CHƯƠNG 1: ĐIỀU KHIỂN ĐỘ pH Giới thiệu và xây dựng mô hình hệ thống ñiều khiển ñộ pH cho Nhà máy ñường. CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT MỜ, PID VÀ MỜ PID Giới thiệu lý thuyết ñiều khiển mờ, ñiều khiển PID và xây dựng bộ ñiều khiển Mờ - PID CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ - PID CHO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘ pH Thiết kế bộ ñiều khiển PID và Mờ - PID dựa trên hệ thống xây dựng ở Chương 1 CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ NHẬN XÉT KẾT QUẢ Mô phỏng kết quả bộ ñiều khiển xây dựng ở Chương 3 trên phần mềm Matlab-Simulink ñể ñánh giá chất lượng hệ thống ñiều khiển. CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ - PID TRÊN NỀN TẢNG VI ĐIỀU KHIỂN ATMEGA 32 Giới thiệu kiến trúc và lập trình cho vi ñiều khiển AVR ATMEGA 32 của hãng Atmel. Xây dựng cấu trúc phần cứng, giải thuật phần mềm cho bộ ñiều khiển Mờ - PID trên nền tảng vi ñiều khiển ATMEGA 32. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ PHỤ LỤC 7 CHƯƠNG 1 ĐIỀU KHIỂN ĐỘ pH 1.1. GIỚI THIỆU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘ pH 1.1.1. Giới thiệu hệ thống ñiều khiển ñộ pH của nhà máy ñường Nước mía ép Khí SO2 1 Ca(OH)2 C 2 pH Hình 1.1: Hệ thống trung hòa ñộ pH nhà máy ñường Nước mía sau khi ñi qua thiết bị gia nhiệt, ñược nâng nhiệt ñộ lên khoảng 50÷60 0C và ñưa vào các kim phun trong thùng pha trộn số 1. Với các lưu lượng khác nhau của nước mía hỗn hợp qua các kim phun sẽ tạo ra các áp suất chân không khác nhau hút khí SO2 từ một ñường ống dẫn theo một tỉ lệ nhất ñịnh. Phản ứng sunhit hóa nước mía hỗn hợp nâng ñộ pH lên khoảng 4÷4.5. Sau khi ñược sunphit hóa, nước mía và dung dịch kiềm Ca(OH)2 dùng ñể trung hòa cùng ñược ñưa vào trong một ống dẫn ñể dẫn ñến thùng pha trộn thứ hai. Dưới tác dụng của dòng chảy xoáy trong thùng, phản ứng trung hòa xảy ra. Điều khiển ñộ pH ñầu ra bằng cách ñiều chỉnh lượng Ca(OH)2. 8 1.1.2. Hàm truyền hệ thống trung hòa ñộ pH Quá trình trung hòa diễn ra giữa axit mạnh H2SO3 và Ca(OH)2 (1.1) Sự thay ñổi ñược mô tả theo như biểu thức sau: (1.2) (1. 3) Nồng ñộ cũng phải tuân theo phản ứng ion sau: (1.4) Hằng số ñiện ly kw của nước: (1.5) Nồng ñộ ion H+ quan hệ tương ứng với ñộ pH, mối quan hệ này còn ñược thể hiện trong thuật ngữ về sai lệch nồng ñộ ion X: (1.6) Kết hợp với biểu thức (1.4) cho ta kết quả: (1.7) Biểu thức mô tả quá trình ñộng học có ñược bằng cách trừ (1.3) cho (1.2) và sử dụng công thức (1.7), kết quả là: (1.9) (1.10) Mối quan hệ giữa ñộ pH và nồng ñộ dung dịch ñược thể hiện qua biểu thức: (1.11) 9 Hằng số thời gian quá trình τ là khoảng thời gian các chất phản ứng với nhau trong thùng pha trộn cho ñến khi ñược ñưa ñến ñầu ra: (1.12) Giả thuyết rằng dòng chảy chất trung hòa nhỏ hơn nhiều so với lượng chất cần trung hòa, ta có dạng tuyến tính quá trình trung hòa [1]: Trong ñó: - V: Thể tích của thùng phản ứng (m3/h) - CA: Nồng ñộ ion hydrogen của dung dịch Ca(OH)2 - CB: Nồng ñộ ion hydrogen của dung dịch nước mía - CO: Nồng ñộ ion hydrogen của dung dịch ñầu ra - qA: Lưu lượng dung dịch Ca(OH)2 - qB: Lưu lượng dung dịch nước mía - Qout: Lưu lượng hỗn hợp dung dịch sau trung hòa Từ ñây ta có thể rút ra hàm truyền dạng tuyến tính của hệ thống trung hòa ñộ pH của nhà máy ñường: (1.13) Xét ñến ảnh hưởng của thời gian trễ do quá trình (1.13) trở thành: (1.14) 1.1.3. Tính phi tuyến 1.1.4. Phương pháp ñiều khiển hệ thống trung hòa ñộ pH 10 Dùng khai triển Macloranh hàm , ta ñược: Từ (1.14) ta có: Trong ñó: uoff – là giá trị ñộ pH ban ñầu của dung dịch nhiễu quá trình bao gồm thay ñổi lưu lượng dung dịch nước mía Thực hiện phép biến ñổi ta ñược phương trình trạng thái của hệ thống: Hàm truyền khâu trung hòa ñộ pH ñược biểu diễn dưới dạng phương trình trạng thái. Vì K, τ, uoff thay ñổi theo thời gian, ta có thể ñặt: (1.17) Trong ñó f, b, d là phi tuyến và không xác ñịnh rõ. 1.2. ĐO LƯỜNG ĐỘ pH 1.2.1. Cấu tạo cảm biến ño ñộ pH 1.2.2. Ảnh hưởng của nhiệt ñộ ñến ñộ pH 11 CHƯƠNG 2 LÝ THUYẾT MỜ, PID VÀ MỜ PID 2.1.LÝ THUYẾT MỜ 2.1.1. Tổng quan ñiều khiển mờ 2.1.2. Bộ ñiều khiển mờ 2.1.2.1. Cấu trúc bộ ñiều khiển mờ 2.1.2.2. Nguyên tắc tổng hợp bộ ñiều khiển mờ 2.1.3. Xây dựng bộ ñiều khiển mờ 2.1.3.1. Mô hình mờ Mamdami 2.1.3.2. Mô hình mờ Sugeno 2.1.4. Các bước thiết kế bộ ñiều khiển mờ 2.1.4.1. Theo mô hình mờ Mamdami 2.1.4.2. Theo mô hình mờ Sugeno 2.2. LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN PID 2.2.1. Cấu trúc bộ ñiều khiển PID kinh ñiển 2.2.2. Cấu trúc bộ ñiều khiển PID số 2.2.3. Chỉnh ñịnh tham số bộ ñiều khiển PID theo Ziegler-Nichols 2.2.3.1. Phương pháp Ziegler-Nichols thứ nhất 2.2.3.2. Phương pháp Ziegler-Nichols thứ hai 2.3. BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜPID 2.3.1 Dẫn nhập 2.3.2. Cấu trúc bộ ñiều khiển Mờ PID 12 Sơ ñồ khối của hệ thống ñiều khiển Mờ PID thiết kế ñược thể hiện như trên hình 2.15: f x1d d(t) KI e Đối tượng K - y K σ Fuzzy control Hình 2.15: Sơ ñồ khối bộ ñiều khiển Mờ PID Cách thức ñể xây dựng bộ ñiều khiển mờ PID bằng cách chọn tham số theo trạng thái của hệ thống: =0 P4: K = 0 P3: K nhỏ P1: K lớn P2: K nhỏ Hình 2.16: Quỹ ñạo pha trạng thái hệ thống và cách chọn K 2.3.3. Luật chỉnh ñịnh tham số R1: Nếu σ = dương lớn thì K = dương lớn R2: Nếu σ = dương nhỏ thì K = dương nhỏ R3: Nếu σ = 0 thì K = 0 R4: Nếu σ = âm lớn thì K = dương lớn R5: Nếu σ = âm nhỏ thì K = dương nhỏ 13 CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ - PID CHO HỆ THỐNG TRUNG HÒA ĐỘ PH 3.1.MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG TRUNG HÒA ĐỘ pH Từ phương trình (1.14) – chương 1, ta chọn các thông số của hệ thống như sau: Bảng 3: Thông số hệ thống trung hòa ñộ pH TT THAM SỐ ĐƠN VỊ GIÁ TRỊ m3 5 1 Thể tích thùng phản ứng 2 Lưu lượng nước mía m3/s 0.0389 3 Nồng ñộ nước mía mol/l 0.002 4 Nồng ñộ sữa vôi mol/l 0.1 5 Thời gian trễ quá trình s 50 6 Lưu lượng sữa vôi lớn nhất m3/h 2 Hàm truyền hệ thống: (3.1) 3.2. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID KINH ĐIỂN Theo phương pháp Ziegler-Nichols, ta xác ñịnh ñược các thông số của bộ ñiều khiển PID như sau: (3.3) (3.4) 14 3.3. TÍNH TOÁN THAM SỐ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID KINH ĐIỂN Từ hàm truyền của hệ thống theo (3.1), ta tính ñược các thông số của bộ ñiều khiển PID theo phương pháp Ziegler-Nichols: (3.5) (3.6) (3.7) 3.4. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ PID 3.4.1. Định nghĩa các biến ngôn ngữ vào ra Các biến ngôn ngữ ñầu vào: Sai lệch ñộ pH giữa giá trị ñặt và giá trị ño ñược: e (pH) Độ biến thiên ñộ pH: de (pH/s) Siêu mặt: σ = e de FUZZY CONTROL K Hình 3.3: Mờ hóa ñầu vào và tính toán giá trị ñầu ra Biến ngôn ngữ ñầu ra: Hệ số khuếch ñại K dùng ñể chỉnh ñịnh bộ ñiều khiển PID 3.4.2. Xây dựng tập mờ cho từng biến vào ra Mờ hóa giá trị ñầu vào: XICHMA = {AL, AN, ZERO, DN, DL} Trong ñó: AL – Sai lệch âm lớn AN – Sai lệch âm nhỏ 15 Zero – Sai lệch bằng 0 DN – Sai lệch dương nhỏ DL – Sai lệch dương lớn Mờ hóa giá trị ñầu ra: K = {ZERO, DN, DL} Trong ñó: - ZERO : Hệ số khuếch ñại không - DN: Hệ số khuếch ñại dương nhỏ - DL: Hệ số khuếch ñại dương lớn 3.4.3. Xây dựng luật hợp thành Theo kết quả từ chương II, ta có luật hợp thành mờ như sau: Hình 3.7: Xây dựng luật hợp thành mờ 3.4.4. Giải mờ Thiết bị hợp thành Max – Min, giải mờ bằng phương pháp trọng tâm (Centroid of gravity - COG), ta có kết quả hệ số khếch ñại K: Hình 3.9: Mặt phẳng các giá trị khuếch ñại K 16 CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG VÀ NHẬN XÉT KẾT QUẢ 4.1.ĐÁP ỨNG CỦA HỆ THỐNG KHI SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID KINH ĐIỂN 4.1.1. Khi không có nhiễu ñầu vào Các thông số mô phỏng của thùng phản ứng trung hòa như sau: a= 0.0328, b= 1.95*10-4(Các tham số này ñược tính toán theo 1.17) Đáp ứng của hệ thống: Dap ung cua he thong khi khong co nhieu dau vao 9 8 7 p H 6 5 4 3 2 1 0 0 200 400 600 800 1000 Time 1200 1400 1600 1800 2000 Hình 4.2: Đáp ứng của hệ thống khi không có nhiễu ñầu vào với bộ ñiều khiển PID Sai lech pH cua he thong khi khong co nhieu dau vao 7 6 5 S a i le chp H 4 3 2 1 0 -1 -2 -3 0 200 400 600 800 1000 Time 1200 1400 1600 1800 Hình 4.3: Sai lệch ñộ pH của hệ thống 2000 17 4.1.2. Khi có nhiễu ñầu vào Các thông số mô phỏng của thùng phản ứng trung hòa khi có nhiễu như sau: Dap ung cua he thong khi co nhieu dau vao 9 8 7 pH 6 5 4 3 2 1 0 0 500 1000 1500 2000 2500 Time Hình 4.5: Đáp ứng của hệ thống khi có nhiễu ñầu vào tại t=1400 4.2.ĐÁP ỨNG CỦA HỆ THỐNG KHI SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ PID 4.2.1. Khi không có nhiễu ñầu vào Dap ung cua he thong khong nhieu khi su dung bo dieu khien mo PID 8 7 6 pH 5 4 3 2 1 0 0 200 400 600 800 1000 Time 1200 1400 1600 1800 2000 Hình 4.8: Đáp ứng của hệ thống không có nhiễu khi sử dụng bộ ñiều khiển mờ PID 18 Sai lech do pH cua he thong khong nhieu khi su dung BDK Mo PID 7 6 5 Sai lech pH 4 3 2 1 0 -1 0 200 400 600 800 1000 Time 1200 1400 1600 1800 2000 Hình 4.9: Sai lệch của hệ thống không nhiễu khi sử dụng bộ ñiều khiển Mờ PID Dap ung cua he thong khong nhieu khi su dung bo dieu khien Mo PID 9 8 7 pH 6 5 4 3 2 1 0 0 200 400 600 800 1000 Time 1200 1400 1600 1800 2000 Hình 4.11: Khi tăng giá trị λ = 1.2 Nhận xét: Khi tăng giá trị λ càng lớn thì ñộ quá ñiều chỉnh của hệ thống càng tăng nhưng thời gian xác lập tương ñối nhanh. 19 4.2.2. Khi có nhiễu ñầu vào Dap ung cua he thong co nhieu khi su dung BDK Mo PID 9 8 7 pH 6 5 4 3 2 1 0 0 500 1000 1500 2000 2500 Time Hình 4.12: Đáp ứng của hệ thống khi có nhiễu sử dụng bộ ñiều khiển Mờ PID 4.3. SO SÁNH KẾT QUẢ 4.3.1. Khi không có nhiễu tác ñộng So sanh dieu khien PID va Mo PID 8 7 Mo PID PID 6 pH 5 4 3 2 1 0 0 200 400 600 800 1000 Time 1200 1400 1600 1800 2000 Hình 4.14: So sánh chất lượng bộ ñiều khiển mờ PID và PID Nhận xét: Khi không có nhiễu tác ñộng, bộ ñiều khiển mờ PID cho chất lượng ñiều khiển tốt hơn ñộ quá ñiều chỉnh thấp, thời gian xác lập tương ñối nhanh. 20 4.3.2. Khi có nhiễu tác ñộng So sanh chat luong bo dieu khien PID va Mo PID 9 PID Mo PID 8 7 pH 6 5 4 3 2 1 0 0 500 1000 1500 2000 2500 Time Hình 4.16: Đáp ứng hệ thống khi sử dụng bộ ñiều khiển PID và Mờ PID So sanh sai lech dau ra bo dieu khien PID va Mo PID 7 6 Sai lech pH 5 4 3 2 1 0 -1 -2 0 500 1000 1500 2000 2500 Time Hình 4.17: Sai lệch pH hệ thống khi sử dụng bộ ñiều khiển PID và Mờ PID 4.4. KẾT LUẬN Bộ ñiều khiển mờ ñưa ra có chất lượng hơn hẳn ở bộ ñiều khiển PID ở tiêu chí ñộ vọt lố, ñáp ứng tiêu chí ban ñầu của ñề tài. Bằng việc thay ñổi tham số I, hệ thống nhanh chóng tiến ñến xác lập. Ngoài ra, việc thiết kế và hiệu chỉnh bộ ñiều khiển Mờ PID cũng tương ñối ñơn giản, khắc phục ñược một số nhược ñiểm như khi thiết kế bộ ñiều khiển PID.