- Bộ điều khiển mờ, bộ điều khiển PID, hệ điều khiển mực chất lỏng công nghiệp, một ngõ vào-một ngõ ra (SISO), van điều khiển điện-khí nén Keywords:. - Bài báo trình bày phương pháp thiết lập và tối ưu hệ điều khiển mực chất lỏng công nghiệp với bộ điều khiển mờ. - Trên cơ sở các đặc tính vận hành thực tế của hệ thống cho thấy hệ thống có tính chất phi tuyến, độ quán tính lớn và độ trễ khi vận hành, bộ điều khiển mờ được thiết kế và tinh chỉnh một cách phù hợp nhằm đảm bảo hiệu quả điều khiển. - Kết quả thực nghiệm trên mô hình hệ điều khiển mực chất lỏng công nghiệp cho thấy hiệu quả của bộ điều khiển mờ, dựa trên việc đánh giá các chỉ tiêu chất lượng về thời gian tăng, thời gian đáp ứng, sai số xác lập và mức năng lượng tiêu hao tối thiểu trong thời gian vận hành liên tục. - Ngoài ra, sự ổn định của hệ thống được kiểm chứng qua khả năng đáp ứng nhanh, chính xác, ổn định theo tín hiệu điều khiển dưới sự thay đổi của nhiễu vào hệ thống.. - Tối ưu hệ điều khiển mực chất lỏng công nghiệp với bộ điều khiển Fuzzy Logic. - Tùy theo lĩnh vực ứng dụng và chỉ tiêu chất lượng điều khiển mà hệ điều khiển mực chất lỏng có cấu tạo từ. - Do tính ứng dụng mạnh, đã có nhiều đề tài nghiên cứu về mô hình toán và phát triển các giải thuật điều khiển cho hệ điều khiển mực chất lỏng.. - Hệ điều khiển mực chất lỏng có đặc tính phức tạp về độ phi tuyến, mức độ quán tính lớn và độ trễ khi vận hành, do đó việc sử dụng bộ điều khiển PID (Proportional Integral controller) với thế mạnh về cấu trúc đơn giản, khả năng điều khiển hiệu quả và đáng tin cậy (Kanagaraj N. - et al., 2008) chưa đáp ứng được mong đợi về hiệu quả điều khiển. - Tuy nhiên, quá trình huấn luyện và tinh chỉnh bộ điều khiển thông qua giải thuật di truyền (gọi tắt là kỹ thuật tinh chỉnh off-line) mất khá nhiều thời gian (Singh R. - Hay phương pháp tìm kiếm giá trị tối ưu của bộ điều khiển PID bằng giải thuật di truyền, thỏa mãn các hàm mục tiêu IAE, ITAE và MSE, dựa trên các giá trị khởi điểm xác định bởi giải thuật Ziegler-Nichols (Nguyễn Chí Ngôn, 2008). - Ưu điểm của phương pháp này là xác định được bộ điều khiển tối ưu mà không cần quan tâm đến mô hình toán của đối tượng, tuy nhiên quá trình xác định các hàm mục tiêu bằng giải thuật di truyền đòi hỏi rất nhiều thời gian.. - Bên cạnh đó, quá trình kiểm chứng chất lượng của bộ điều khiển trên các mô hình thực nghiệm là điều kiện bắt buộc trước khi đưa vào áp dụng thực tế. - Để đáp ứng yêu cầu đó, trong nghiên cứu này sẽ trình bày cấu trúc của mô hình hệ điều khiển mực chất lỏng công nghiệp dạng bồn đơn (SISO). - sử dụng van điều khiển điện - khí nén (Actuator Control Valve) là loại van cấp chất lỏng tiêu biểu được sử dụng phổ biến trong công nghiệp (Fisher, 2005) và kết quả thực nghiệm của việc áp dụng bộ điều khiển mờ với hiệu quả điều khiển thuyết phục về thời gian tăng, thời gian đáp ứng, sai số xác lập và độ ổn định của hệ thống.. - 2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Mô hình thực nghiệm và sơ đồ điều khiển hệ ổn định mực chất lỏng công nghiệp. - Trong hệ điều khiển mực chất lỏng công nghiệp dạng bồn đơn, một ngỏ vào - một ngõ ra (SISO) sử dụng các thiết bị được cho trong Bảng 1, thì đặc tính của van cấp chất lỏng ở ngõ vào giữ vai trò quyết định đặc tính của hệ thống (Hoàng Minh Sơn, 2009). - Loại van cấp tiêu biểu sử dụng trong hệ thống là van điều khiển điện-khí nén (Actuator Control Valve), ngoài những ưu điểm về hiệu suất sử dụng, khả năng vận hành liên tục, độ tin cậy và độ bền thì cũng tồn tại các nhược điểm về tốc độ đáp ứng, độ trễ trong quá trình đóng mở van hay các vấn đề về ma sát (Fisher, 2005). - Hình 1: Mô hình hệ điều khiển mực chất lỏng công nghiệp. - điện áp điều khiển. - Loại Van điện-khí nén được sử dụng trong thí nghiệm là loại Air-to-close có áp suất vận hành P bar , tín hiệu điều khiển. - 2.3 Giải thuật điều khiển vòng kín của hệ ổn định mực chất lỏng công nghiệp. - Sơ đồ điều khiển vòng kín của Hệ thống điều khiển mực chất lỏng, như Hình 4.. - Hình 4: Sơ đồ hệ thống điều khiển vòng kín Stt Tên thiết bị Đặc tính. - Các giải thuật của bộ điều khiển được đề xuất cho mô hình hệ điều khiển mực chất lỏng công nghiệp như sau:. - Bộ điều khiển PI. - Bộ điều khiển PID. - Bộ điều khiển mờ. - Việc xác định giá trị bộ thông số é ê ë K K K p , i , d ù ú û của bộ điều khiển PI và PID, dựa trên việc nhiều phương pháp như: Manual tuning, Ziegler–. - Song song đó, bộ điều khiển mờ nổi lên như một phương pháp điều khiển thông minh, được phát triển dựa trên sự am hiểu về đặc tính vận hành của hệ thống, ngày càng phát huy hiệu quả về thời gian đáp ứng, độ ổn định, tin cậy của hệ thống điều khiển (Heidar and Chukwuma, 2000).. - Hướng tác động của bộ điều khiển (Control Action Direction) là hướng thay đổi tín hiệu ngõ ra trước sự thay đổi của biến quá trình được điều khiển. - Trong mô hình thực nghiệm này, bộ điều khiển (Controller) được thiết kế có hướng tác động nghịch (reverse) với chiều thay đổi của biến quá trình được điều khiển.. - Trong kỹ thuật điều khiển vòng kín thì sai số của tín hiệu đọc về ảnh hưởng lớn đến chất lượng điều khiển của hệ thống. - Việc xác định sai số cũng làm cơ sở cho quá trình xác định độ chính xác và tính tin cậy của hệ thống điều khiển tự động.. - Trong nghiên cứu này, kỹ thuật NRDIFF input Configuration (National Instruments, 2016) được áp dụng để thu thập tín hiệu từ cảm biến (Hình 6), nhằm hạn chế tác động từ các nguồn gây nhiễu, giảm đáng kể sai số của phép đo cho hệ thống điều khiển. - Hình 7: Sai số phép đo 2.5 Bộ điều khiển PI. - Bộ điều khiển PI được thực hiện bởi tác giả (Johnson and Moradi, 2005):. - T i là thời hằng tích phân, K p và K i lần lượt là độ lợi tỉ lệ và độ lợi tích phân của bộ điều khiển PI.. - Nhiệm vụ của người thiết kế là chọn lựa và tinh chỉnh bộ giá trị é ê ë K K p , i ù ú û thỏa mãn các yêu cầu về chất lượng điều khiển. - Bảng 2: Ảnh hưởng của việc tăng các thông số độ lợi của bộ điều khiển PI. - 2.6 Xác định thông số bộ điều khiển PI theo phương pháp Ziegler-Nichols. - ë û của bộ điều khiển PI (Ziegler J.G. - Xây dựng vòng hồi tiếp âm đơn vị, với bộ điều khiển tỉ lệ có độ lợi K p. - Các giá trị é ê ë K K p , i ù ú û của bộ điều khiển PI xác định từ phương pháp Ziegler-Nichols được kiểm nghiệm và tinh chỉnh lại bằng thực nghiệm trên mô hình thực tế để đạt được chất lượng điều khiển về thời gian tăng, độ vọt lố và sai số xác lập (Bảng 3).. - Bảng 3: Thông số bộ điều khiển PI modify. - Với PI modify là bộ điều khiển PI được tinh chỉnh.. - 2.7 Kết quả thực nghiệm với bộ điều khiển PI modify. - Giao diện điều khiển được xây dựng bằng phần mềm Labview, với thời gian lấy mẫu. - Hình 9: Giao diện điều khiển PI modify. - Hình 10: Kết quả thực nghiệm với bộ điều khiển PI modify. - Với biên độ điện áp điều khiển ở giai đoạn xác lập có khoảng dao động hợp lý V control. - V , cho thấy năng lượng khí nén được tiêu hao cho quá trình điều khiển độ đóng mở của Actuator Control Valve ở mức thấp (Hình 10).. - 2.8 Bộ điều khiển PID. - Bộ điều khiển PID như (3) được phát triển từ bộ điều khiển PI, với việc cộng thêm thành phần vi phân T d de t. - ë û vào bộ điều khiển như, có tác dụng làm chậm sự thay đổi của tín hiệu điều khiển, đặc tính này giúp tăng độ ổn định của tín hiệu so với tín hiệu tham chiếu. - Các giá trị é ê ë K K K p , i , d ù ú û của bộ điều khiển PID xác định bằng phương pháp Ziegler-Nichols được kiểm nghiệm và tinh chỉnh lại bằng thực nghiệm trên mô hình thực tế để đạt được yêu cầu điều khiển về thời gian tăng, độ vọt lố và sai số xác lập (Bảng 4).. - Bảng 4: Thông số bộ điều khiển PID modify. - Với PID modify là bộ điều khiển PID được tinh chỉnh.. - 2.9 Kết quả thực nghiệm với bộ điều khiển PID modify. - Giao diện điều khiển được xây dựng bằng phần mềm Labview, với thời gian lấy mẫu T sample = 0,02 s , như Hình 11.. - Hình 11: Giao diện điều khiển PID modify. - Hình 12: Kết quả thực nghiệm với bộ điều khiển PID modify. - biên độ điện áp điều khiển ở giai đoạn xác lập có khoảng dao động hợp. - 2 ] V , cho thấy năng lượng khí nén được tiêu hao cho quá trình điều khiển độ đóng mở của Actuator Control Valve ở mức thấp Hình 12.. - trong bộ điều khiển PID modify chưa mang lại hiệu quả so với việc sử dụng bộ điều khiển PI modify. - Hình 13: Cấu trúc hệ điều khiển mực chất lỏng với bộ điều khiển mờ 2.10 Bộ điều khiển mờ (fuzzy logic. - Bộ điều khiển mờ được thiết kế theo kiểu một ngõ vào và một ngõ ra (SISO), có cấu trúc như Hình 13. - Quá trình mờ hóa giá trị ngõ vào và giải mờ giá trị ngõ ra chủ yếu dựa trên đặc tính điều khiển của hệ thống. - Hàm liên thuộc được đề xuất sử dụng trong bộ điều khiển có dạng tam giác (triangular shape), xác định bởi (4):. - Ngõ vào của bộ điều khiển mờ là sai số e giữa giá trị đặt và giá trị thực của quá trình, được mờ. - Ngõ ra của bộ điều khiển mờ là điện áp, được giải mờ hóa bởi ba tập mờ [ Neg Zero Pos. - Luật điều khiển bộ điều khiển mờ (Hình 14) được thiết kế dựa trên đặc tính vận hành của hệ thống với chiều tác động ngược (reverse) như (6):. - Hình 14: Tập luật của bộ điều khiển mờ. - Hình 15: Đặc tính điều khiển của bộ điều khiển mờ. - Giải mờ bằng phương pháp điểm trọng tâm (Modified center of area) được sử dụng nhằm đảm bảo đặc tính đáp ứng nhanh của bộ điều khiển mờ trong toàn dãi điều khiển:. - 2.11 Kết quả thực nghiệm với bộ điều khiển mờ. - Giao diện điều khiển và kết quả điều khiển mực nước bằng bộ điều khiển mờ (Hình 16, Hình 17).. - Hình 16: Giao diện điều khiển mờ. - Hình 17: Kết quả thực nghiệm với bộ điều khiển mờ Nhận xét:. - với biên độ điện áp điều khiển ở giai đoạn xác lập có khoảng dao động nhỏ V control. - 1;0,5) V cho thấy năng lượng khí nén được tiêu hao cho quá trình điều khiển độ đóng mở của Actuator Control Valve mức rất thấp tương ứng với hiệu suất vận hành của hệ thống điều khiển ở mức tối ưu. - Điều này thể hiện đặc tính ổn định, hiệu quả và đáng tin cậy của bộ điều khiển mờ.. - T = s dễ làm người quan sát hiểu nhằm là hệ điều khiển có đáp ứng chậm.. - 2.12 Chất lượng điều khiển của bộ điều khiển PI modify , PID modify và bộ điều khiển mờ Kết quả điều khiển thực nghiệm trên hệ điều khiển mực chất lỏng công nghiệp tương ứng với các bộ điều khiển PI Modify , PID Modify và bộ điều khiển mờ, được trình bày trong Hình 18 và Bảng 5.. - Bảng 5: Chỉ tiêu chất lượng của bộ điều khiển PI modify , PID modify và bộ điều khiển mờ (Fuzzy logic) Tín hiệu. - tham chiếu Chỉ tiêu chất lượng Bộ điều khiển. - Tín hiệu điện áp điều khiển trong giai. - Hình 18: Kết quả điều khiển với các bộ điều khiển PI modify , PID modify và bộ điều khiển mờ Nhận xét:. - Từ kết quả thực nghiệm cho thấy các bộ điều khiển PI modify , PID modify và bộ điều khiển mờ đã đáp ứng được các yêu cầu điều khiển về thời gian đáp ứng, độ vọt lố và sai số xác lập hợp lý. - Tuy nhiên, bộ điều khiển mờ thể hiện được tính tối ưu về chỉ số thời gian xác lập T settling = 21. - s , sai số xác lập nhỏ E steady = 0,6% và biên độ của điện áp điều khiển trong giai đoạn xác lập thấp nhất. - V so với các bộ điều khiển PI modify , PID modify (được xây dựng bằng phương pháp Zieler-Nichols và tinh chỉnh bằng thực nghiệm).. - Kết quả thực nghiệm trên mô hình hệ điều khiển mực chất lỏng công nghiệp đã chỉ rõ thế mạnh của bộ điều khiển mờ về khả năng cho phép tinh chỉnh bộ điều khiển dựa trên sự am hiểu về đặc tính vận hành thực tế của hệ thống mà không cần xác định mô hình toán của đối tượng điều khiển. - hiệu quả của bộ điều khiển được minh chứng qua các chỉ số về thời gian tăng, thời gian đáp ứng, sai số xác lập và độ ổn định của hệ thống khi có nhiễu tác động. - Kết quả này sẽ là tiền đề để phát triển bộ điều khiển mờ áp dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển, ổn định mức chất lỏng trong sản xuất công nghiệp.. - Cơ Sở Hệ Thống Điều khiển Quá trình. - Tối ưu bộ điều khiển PID bằng giải thuật di truyền. - Bộ điều khiển PI mờ: Từ thiết kế đến ứng dụng. - Nhận dạng hệ điều khiển mực chất lỏng