- Bài báo này trình bày một phương pháp tinh chỉnh online thông số của bộ điều khiển PI (Proportional–Integral controller), với khoảng tinh chỉnh đủ rộng xung quanh giá trị đạt được từ phương pháp thực nghiệm Ziegler-Nichols, bằng kỹ thuật logic mờ. - Cấu trúc điều khiển lai bao gồm một bộ điều khiển PI và một bộ điều khiển mờ được thiết lập. - Trong đó, bộ điều khiển PI giữ vai trò là bộ điều khiển chính, tạo tín hiệu điều khiển đối tượng và bộ điều khiển mờ giữ vai trò là bộ quan sát, cung cấp thông số phù hợp cho bộ điều khiển PI theo thời gian thực. - Kết quả thực nghiệm trên các thiết bị RT010, RT020 và RT030 của hãng Gunt-Hamburg cho thấy bộ điều khiển được đề xuất tỏ ra hiệu quả. - Ngoài ra, bộ điều khiển còn đáp ứng được yêu cầu về thời gian thực và sự ổn định trước tác động của nhiễu vào hệ thống.. - Từ khóa: Bộ điều khiển PI, Bộ điều khiển mờ, Ziegler-Nichols, Điều khiển quá trình 1 GIỚI THIỆU. - Ngày nay bộ điều khiển tích phân tỉ lệ, gọi tắt là bộ điều khiển PI (Proportional–. - Integral controller) được ứng dụng rất phổ biến trong điều khiển các quá trình công nghiệp, do khả năng điều khiển hiệu quả, cấu trúc đơn giản và phạm vi ứng dụng rộng (Salami, M. - Trong lý thuyết điều khiển, có rất nhiều phương pháp để hiệu chỉnh thông số của bộ điều khiển PI, phổ biến nhất là phương pháp Ziegler-Nichols (Kwok, D.P. - Tuy nhiên, đối với một số hệ thống, việc hiệu chỉnh bộ điều khiển PI bằng phương pháp này đòi hỏi một quá trình thực nghiệm khá mất thời gian (Jones A.H. - Thông thường, các thông số của bộ điều khiển được xác lập bằng phương pháp Ziegler-Nichols dựa trên kết quả đo đạc được từ đáp ứng của hệ thống. - việc hiệu chỉnh thông số của bộ điều khiển PI khó đạt được giá trị tốt. - Vì vậy, một quá trình tinh chỉnh được thực hiện trước khi áp dụng bộ điều khiển vào hệ thống (Kwok, D.P. - Về nguyên tắc, có hai kiểu tinh chỉnh bộ điều khiển PI đã được nghiên cứu và triển khai ứng dụng. - Trong đó, áp dụng giải thuật di truyền được xem là một phương pháp hiệu quả để tinh chỉnh off-line bộ điều khiển (Singh, R. - Tuy nhiên, việc tìm kiếm trực tiếp các giá trị tối ưu của các thông số bộ điều khiển trong miền xác định của chúng đòi hỏi rất nhiều thời gian, cũng như có thể phải cần đến mô hình toán của đối tượng (Nguyễn Chí Ngôn, 2008. - Trong khuynh hướng phát triển công nghiệp ngày nay, các quá trình thiết bị đòi hỏi việc tự động điều chỉnh một cách hiệu quả, trong phạm vị hoạt động rộng, cùng với việc thiết kế và thi công bộ điều khiển đơn giản. - Tinh chỉnh online bộ điều khiển PI bằng các giải thuật thông minh được xem là một trong nhiều cách thức để đạt được yêu cầu này (Kanagaraj et al., 2008). - Trong số các kỹ thuật điều khiển thông minh, logic mờ nổi lên như là một phương pháp thể hiện khả năng suy diễn của bộ óc con người và nó đã được ứng dụng thành công trong nhiều lĩnh vực với vai trò của một bộ quan sát (Er, M.J. - Cơ chế suy diễn mờ được xem là một phương pháp đơn giản và hữu hiệu để tinh chỉnh các bộ điều khiển kinh điển (Kanagaraj et al., 2008).. - Bài báo mô tả phương pháp tinh chỉnh online thông số của bộ điều khiển PI xung quanh giá trị kinh điển đạt được từ phương pháp Ziegler-Nichols, bằng kỹ thuật logic mờ. - Thông số của bộ điều khiển PI được quyết định bởi bộ điều khiển mờ, dựa trên điều kiện hoạt động hiện tại của đối tượng. - Ở đây, cấu trúc hệ thống bao gồm hai bộ điều khiển, còn được gọi là cấu trúc điều khiển lai. - Bộ điều khiển PI giữ vai trò là bộ điều khiển chính, tạo tín hiệu điều khiển đối tượng và bộ điều khiển mờ giữ vai trò là bộ quan sát, cung cấp thông số phù hợp cho bộ điều khiển PI theo thời gian thực. - Vì thế, để đơn giản hai bộ điều khiển này được gọi là bộ điều khiển PI mờ. - Hiệu quả của bộ điều khiển PI mờ đã được kiểm chứng thông qua các thực nghiệm tại Phòng thí nghiệm Điều khiển Quá trình, thuộc Bộ môn Tự Động Hoá, Khoa Công Nghệ, Trường Đại học Cần Thơ.. - Bộ điều khiển PI mờ trong nghiên cứu này được xây dựng trên phần mềm MATLAB/Simulink, phiên bản sinh viên 2009b và công cụ logic mờ (The Math- Works, Inc., 2009). - Bộ điều khiển được kiểm nghiệm trên các thiết bị RT010, RT020 và RT030 của hãng Gunt-Hamburg, Đức (GUNT Gerätebau GmbH, 2004), sẽ được trình bày trong phần kết quả thực nghiệm, với cấu trúc điều khiển được thiết lập như hình 1. - Trong đó, đối tượng điều khiển được lần lượt thực nghiệm trên các thiết bị RT0x0, với X là đáp ứng thực tế của đối tượng. - e là sai biệt giữa đáp ứng thực tế và tín hiệu tham khảo và Y là tín hiệu điều khiển được xác lập bởi bộ điều khiển PI mờ.. - Hình 1: Mô hình tổng quát của hệ thống điều khiển. - 2.2 Bộ điều khiển PI. - Bộ điều khiển PI được thực hiện bởi (Johnson M. - trong đó, K p và K i lần lượt là độ lợi tỉ lệ và độ lợi tích phân của bộ điều khiển.. - Nhiệm vụ của người thiết kế bộ điều khiển PI, là chọn lựa bộ giá trị {K p , K i } thỏa mãn các yêu cầu về chất lượng điều khiển.. - Các thông tin này được xem là cơ sở tri thức để xác định luật chỉnh định mờ bộ điều khiển PI.. - Bảng 1: Ảnh hưởng của việc tăng các thông số độ lợi của bộ điều khiển PI. - 2.3 Xác định thông số bộ điều khiển PI theo phương pháp Ziegler-Nichols Ziegler và Nichols đã đề xuất hai phương pháp thực nghiệm dùng để xác định các thông số {K p , K i } của bộ điều khiển PI (Åström, K.J. - Thông số bộ điều khiển PI được xác định như (2):. - Một phương pháp khác để xác định bộ điều khiển PI có thủ tục như sau:. - Thiết lập vòng hồi tiếp âm đơn vị, với bộ điều khiển tỉ lệ có độ lợi K p. - Thông số bộ điều khiển PI được xác định như (3):. - 2.4 Tinh chỉnh mờ bộ điều khiển PI. - Bộ điều khiển mờ được đưa vào cấu trúc điều khiển hình 1, nhằm mục tiêu cung cấp cặp giá trị {K p , K i } cho bộ điều khiển PI, dựa theo điều kiện hiện tại của {e, Y}.. - Nghĩa là bộ điều khiển mờ sẽ có 2 ngõ vào và 2 ngõ ra, như hình 3.. - Hình 3: Cấu trúc bộ điều khiển mờ. - Miền xác định của các biến ngõ vào của bộ điều khiển mờ, được xác định tuỳ thuộc vào từng đối tượng cụ thể. - Hai ngõ ra của bộ điều khiển mờ lần lượt là K p và K i , đều được mờ hoá bằng 5 tập {VLOW, LOW, MED, HIG, VHIG} (Hình 4c và 4d). - Hình 4: Hàm liên thuộc ngõ vào và ngõ ra của bộ điều khiển mờ. - Miền xác định của các biến ngõ ra {K p , K i } của bộ điều khiển mờ được xác định xung quanh giá trị {K p_ZN , K i_ZN } đạt được từ phương pháp Ziegler-Nichols, cho bởi (7):. - Từ cơ sở tri thức về bộ điều khiển PI ở bảng 1, luật điều khiển của bộ điều khiển mờ được thiết kế thông qua thực nghiệm và cho trên bảng 2. - Nguyên tắc xây dựng bộ luật điều khiển được mô tả như sau: nếu thời gian tăng của đáp ứng lớn, tức đáp ứng của hệ thống chậm (E=NB), thì K p,i được hiệu chỉnh tăng bởi {HIG, VHIG} và ngược lại bởi {MED, LOW}. - Một luật điều khiển cụ thể được phát biểu như (8), bộ luật điều khiển được áp dụng để tạo ra tín hiệu điều khiển tại mỗi thời điểm lấy mẫu, ở đây sử dụng thời gian lấy mẫu T s =0.5 giây:. - với {K p , K i } là thông số bộ điều khiển PI sẽ đạt được. - Bảng 2: Luật điều khiển. - 3.1 Thực nghiệm 1 - Điều khiển mực chất lỏng. - Hệ điều khiển mực chất lỏng RT010 (RT010 Liquid Control Unit. - Bộ điều khiển PI mờ được áp dụng cho hệ này được bố trí theo sơ đồ điều khiển hình 5c.. - Hình 5: Điều khiển PI mờ hệ ổn định mực chất lỏng RT010. - (a): Hệ điều khiển mực chất lỏng RT010, (b): Tín hiệu vào-ra hệ RT010, (c): Điều khiển PI mờ hệ RT010. - Với công suất valve xả Z (nhiễu tác động) được đặt ở 20%, kết quả điều khiển mực nước bằng bộ điều khiển PI mờ cho trên hình 6. - Vì vậy, nếu chúng ta xả cạn hoàn toàn bồn kiểm soát thì tại thời điểm bộ điều khiển tác động sẽ có một thời gian trễ nhất định cho đến khi nước trong bồn đủ cao thì cảm biến áp lực mới tác động. - Thời gian trễ này dễ làm cho người quan sát hiểu lầm là đáp ứng của bộ điều khiển chậm.. - Hình 6: Kết quả điều khiển PI mờ hệ ổn định mực chất lỏng RT010. - 3.2 Thực nghiệm 2 - Điều khiển lưu lượng. - Hình 7: Điều khiển PI mờ hệ ổn định lưu lượng RT020. - (a): Hệ điều khiển lưu lượng RT020, (b): Tín hiệu vào-ra hệ RT020, (c): Điều khiển PI mờ hệ RT020. - Hệ điều khiển lưu lượng RT020 (RT020 Flow Control Unit. - Bộ điều khiển PI mờ được áp dụng cho hệ này được bố trí theo sơ đồ điều khiển hình 7c. - Với công suất máy bơm Z (nhiễu tác động) được đặt thay đổi trong khoảng 80- 100%, kết quả điều khiển lưu lượng nước bằng bộ điều khiển PI mờ đạt được trên hình 8. - Thực nghiệm cho thấy bộ điều khiển PI mờ hoạt động tốt trên thiết bị RT020. - Hình 8: Kết quả điều khiển PI mờ hệ ổn định lưu lượng RT020. - 3.3 Thực nghiệm 3 - Điều khiển áp suất. - Hệ điều khiển áp suất RT030 (RT030 Pressure Control Unit. - Bộ điều khiển PI mờ được áp dụng cho hệ này được bố trí theo sơ đồ hình 9c. - Với công suất valve xả Z (nhiễu tác động) được điều chỉnh ở khoảng 10-20%, kết quả điều khiển áp suất không khí bằng bộ điều khiển PI mờ cho trên hình 10. - nghiệm cho thấy bộ điều khiển PI mờ hoạt động tốt trên thiết bị RT030. - Hình 9: Điều khiển PI mờ hệ ổn định áp suất RT030. - (a): Hệ điều khiển áp suất RT030, (b): Tín hiệu vào-ra hệ RT030, (c): Điều khiển PI mờ hệ RT030. - Hình 10: Kết quả điều khiển PI mờ hệ ổn định áp suất RT030. - Bài báo mô tả phương pháp tự động tinh chỉnh online thông số của bộ điều khiển PI bằng logic mờ. - Ưu điểm của phương pháp này là thiết kế và thực hiện bộ quan sát mờ rất đơn giản mà không cần quan tâm đến cấu trúc bên trong của đối tượng điều khiển. - Khoảng tinh chỉnh các thông số của bộ điều khiển PI được thiết lập đủ rộng xung quanh giá trị đạt được từ phương pháp thực nghiệm Ziegler-Nichols.. - Kết quả kiểm nghiệm trên các thiết bị RT010, RT020 và RT030 của hãng Gunt- Hamburg, CHLB Đức cho thấy bộ điều khiển được đề xuất trong nghiên cứu này tỏ ra hiệu quả. - Ngoài ra, bộ điều khiển còn đáp ứng được yêu cầu về thời gian thực, cũng như sự ổn định trước tác động của nhiễu vào hệ thống.. - Tối ưu hóa bộ điều khiển PID bằng giải thuật di truyền