Luận văn Nghiên cứu và thiết kế bộ điều khiển PID theo thuật toán PSO dùng cho các hệ thống công nghiệp (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Nghiên cứu và thiết kế bộ điều khiển PID theo thuật toán PSO dùng cho các hệ thống công nghiệp (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN NGỌC TUẤN NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID THEO THUẬT TOÁN PSO DÙNG CHO CÁC HỆ THỐNG CÔNG NGHIỆP NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ - 60520114 S K C0 0 5 2 2 3 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 4/2017
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN NGỌC TUẤN NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID THEO THUẬT TOÁN PSO DÙNG CHO CÁC HỆ THỐNG CÔNG NGHIỆP NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ - 60520114 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04 / 2017
3. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN NGỌC TUẤN NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID THEO THUẬT TOÁN PSO DÙNG CHO CÁC HỆ THỐNG CÔNG NGHIỆP NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ - 60520114 Hƣớng dẫn khoa học: PSG.TS TRƢƠNG NGUYỄN LUÂN VŨ Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04/2017
4. LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC: Họ & tên: Nguyễn Ngọc Tuấn Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 05/02/1987 Nơi sinh: Đồng Nai Quê quán: Quảng Ngãi Dân tộc: Kinh Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: Nghĩa Thành - Châu Đức - Bà Rịa Vũng Tàu. Điện thoại cơ quan: (84-8)38 294 274 Điện thoại nhà riêng: 0907050287 Fax: (84-8)38 293 012 E-mail: nt.tuan5287@gmail.com II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: 1. Trung học chuyên nghiệp: Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ / đến / Nơi học (trƣờng, thành phố): Ngành học: 2. Đại học: Hệ đào tạo: Chính Quy Thời gian đào tạo từ: 2006 đến 2011 Nơi học (trƣờng, thành phố): Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh Ngành học: Kỹ Thuật Cơ Điện Tử Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Thiết Kế Và Thi Công Một Số Module Điều Khiển Nhà Thông Minh Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: Tháng 6 năm 2011, Trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh Ngƣời hƣớng dẫn: ThS. Lê Tấn Cƣờng III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm Năm 2011 đến Trung Tâm Kỹ Thuật Tiêu Chuẩn Đo Kỹ Thuật Viên nay Lƣờng Chất Lƣợng 3 i
5. LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác Tp. Hồ Chí Minh, ngày 22 tháng 04 năm 2017 (Ký tên và ghi rõ họ tên) Nguyễn Ngọc Tuấn ii
6. CẢM TẠ  Trong suốt quá trình thực hiện đề tài, mặc dù gặp phải nhiều khó khăn nhƣng đƣợc sự giúp đỡ, hƣớng dẫn từ quý Thầy,Cô và các bạn nên Luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ đã hoàn thành đúng tiến độ. Em xin chân thành cảm ơn thầy PSG.TS Trƣơng Nguyễn Luân Vũ đã tận tình hƣớng dẫn, chỉ bảo kinh nghiệm quý báu cũng nhƣ tạo mọi điều kiện thuận lợi trong suốt quá trình tìm hiểu, nghiên cứu đề tài. Đồng thời, Em cũng xin chân thành cảm ơn các Thầy, Cô trong Khoa Cơ Khí Chế Tạo Máy đã tạo điều kiện, cung cấp cho Em những kiến thức cơ bản, cần thiết để Em có điều kiện và đủ kiến thức để thực hiện quá trình nghiên cứu. Bên cạnh đó, Em cũng xin cảm ơn các bạn trong lớp cao học đã có những ý kiến đóng góp, bổ sung, động viên giúp đỡ Em hoàn thành tốt đề tài. Mặc dù Em đã cố gắng thực hiện hoàn thiện đƣợc quyển luận văn của đề tài, nhƣng trong quá trình soạn thảo, cũng nhƣ kiến thức còn hạn chế nên có thể còn nhiều thiếu sót. Kính mong nhận đƣợc sự đóng góp ý kiến của quý Thầy, Cô cùng các bạn học viên. Sau cùng Em xin chúc quý Thầy, Cô sức khoẻ, thành công và tiếp tục đào tạo những sinh viên giỏi đóng góp cho đất nƣớc. Em xin chân thành cảm ơn. Trân trọng! Nguyễn Ngọc Tuấn iii
7. TÓM TẮT Bộ điều khiển PID là một bộ điều khiển rất phổ biến trong công nghiệp. Phƣơng pháp thông dụng để chỉnh định bộ điều khiển này là giải thuật Ziegler- Nichols. Tuy nhiên, do ảnh hƣởng của nhiễu và sai số của thiết bị đo mà phƣơng pháp này khó có thể đạt đƣợc giá trị tối ƣu cho các hệ số Kp, Kd và Ki của bộ điều khiển PID. Nhằm hổ trợ cho quá trình này, đề tài trình bày một kỹ thuật ứng dụng thuật toán tối ƣu bầy đàn (PSO) để tìm kiếm hệ số tối ƣu của bộ điều khiển PID cho các hệ thống trong công nghiệp. Kết quả mô phỏng trên các quá trình FOPDT, SOPDT, SOIPDT, FODUP, và ứng dụng trên điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha cho thấy rằng, chất lƣợng bộ điều khiển đƣợc cải thiện rõ rệt. Kết quả mô phỏng cho thấy phƣơng pháp PSO hoạt động tốt. Từ Khóa: Bộ điều khiển PID, Phƣơng pháp Ziegler-Nichols, Giải thuật bầy đàn, Động cơ ba pha. ABSTRACT PID controller is a very popular controller in industry, that is commonly designed by the Ziegler-Nichols tuning method. However, due to the effect of noise and the errors of measuring devices, it is difficult to obtain the optimal values of Kp, Kd and Ki of the PID controller. In order to improve the fine tuning process, This thesis presents a solution of using Particle Swarm Optimization (PSO) to achieve the optimum PID controller in industry. The results getting from simulations on processes FOPDT, SOPDT, SOIPDT, FODUP and tuning of PID controller of induction motor indicates that using Particle Swarm Optimization can improve the quality of the PID controller. The simmulation results show that the proposed method has good performance. Keywords: PID controller, Ziegler-Nichols tuning method, Particle Swarm Optimization, Induction Motor iv
8. MỤC LỤC Trang tựa TRANG Quyết định giao đề tài LÝ LỊCH KHOA HỌC i LỜI CAM ĐOAN ii CẢM TẠ iii TÓM TẮT iv MỤC LỤC v DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT xi DANH SÁCH CÁC HÌNH xii DANH SÁCH CÁC BẢNG xv CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN 1 1.1. Tổng quan lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nƣớc 1 1.1.1. Kết quả nghiên cứu trong và ngoài nƣớc 1 1.1.1.1. Bài báo nghiên cứu “ Dùng PID điều khiển động cơ không chổi than dựa trên thuật toán PSO” 1 1.1.1.2. Bài báo nghiên cứu “Tối ƣu hóa thông số bộ điều khiển PID dựa trên PSO cho bộ Multi-leaf Collimator( MLC) ” 2 1.1.1.3. Bài báo nghiên cứu “Chỉnh thông số của bộ điều khiển PID dựa theo PSO cho một bộ điều khiển tải tần số trong khu vục hai hệ thống điện” 2 1.1.1.4. Bài báo nghiên cứu “Tự chỉnh thông số bộ điều khiển PID dựa theo PSO cho động cơ siêu âm” 2 1.1.1.5. Bài báo nghiên cứu “Thiết kế bộ điều khiển PSO-PID cho hệ phi tuyến cho bể hình nón trong ngành công nghiệp hóa” 3 1.1.1.6. Bài báo nghiên cứu “Chỉnh các thông số bộ điều khiển PID dựa theo thuật toán PSO để tăng hiệu suất của máy khoan” 3 1.2. Tính cấp thiết của đề tài 3 1.3. Mục đích nghiên cứu, khách thể và đối tƣợng nghiên cứu 4 1.4. Nhiệm vụ nghiên cứu và giới hạn đề tài 4 v
9. 1.5. Phƣơng pháp nghiên cứu 5 1.6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 5 1.7. Kế hoạch thực hiện 5 CHƢƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 7 2.1. Tổng quan về điều khiển PID 7 2.2 Tác động điều khiển của các khâu tỉ lệ, tích phân và đạo hàm 7 2.2.1. Khâu tỉ lệ 7 2.2.2. Khâu tích phân 10 2.2.3. Khâu vi phân 11 2.3. Thuật toán PID 13 2.3.1. Khái quát về bộ điều khiển PID (Proportional Integral Derivative) 13 2.3.2. Phƣơng pháp xác định tham số bộ điều khiển PID 14 2.3.3. Kết luận và nhận xét 18 2.4. Tiêu chí đánh giá hiệu suất của bộ điều khiển 18 2.5. Những mô hình điều khiển quá trình điển hình trong công nghiệp 18 2.6. Động cơ không đồng bộ 3 pha 20 2.6.1. Mạch điện tƣơng đƣơng của động cơ không đồng bộ 20 2.6.2. Vector không gian và các đại lƣợng ba pha 21 2.6.2.1. Hệ tọa độ cố định stator (  ) 21 2.6.2.2. Hệ tọa độ từ thông rotor ( d-q ) 22 2.6.3. Các phƣơng pháp điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha 23 2.6.3.1. Các phƣơng pháp điều khiển định hƣớng từ thông rotor 24 2.6.3.2. Biểu diễn vector không gian trong hệ tọa độ từ thông rotor 25 2.6.4. Mô hình động cơ không đồng bộ ba pha 27 2.6.4.1. Thông số của động cơ không đồng bộ 27 2.6.4.2. Các phƣơng trình cơ bản của động cơ không đồng bộ ba pha 27 2.6.4.4. Mô hình động cơ không đồng bộ trên hệ tọa độ (d – q) 30 CHƢƠNG 3 TÍNH TOÁN TIẾN HÓA VÀ TRÍ TUỆ BẦY ĐÀN 32 3.1 Giới thiệu 32 vi
10. 3.2. Tính toán tiến hóa 32 3.2.1. Lập trình di truyền (GP: Genetic Programming) 32 3.2.2. Quy hoạch tiến hóa (EP: Evolutionary Programming) 32 3.2.3. Chiến lƣợc tiến hóa (ES: Evolutionary Strategies ) 33 3.2.4. Giải thuật di truyền (GA: Genetic Algorithms) 33 3.3. Tổng quan về thuật toán di truyền 33 3.3.1. Giải thuật di truyền 33 3.3.2. Các tính chất của giải thuật di truyền 34 3.3.3. Các bƣớc cơ bản của giải thuật di truyền 35 3.3.4. Áp dụng giải thuật di truyền để tìm kiếm tham số tối ƣu cho bộ điều khiển PID 36 3.4. Trí tuệ bầy đàn (SI: Swarm Intelligence) 37 3.4.1. Giải thuật tối ƣu hóa bầy kiến (ACO: Ant Colony Optimization) 38 3.4.2. Thuật toán tối ƣu bầy đàn (PSO: Particle Swarm Optimization) 38 3.5. So sánh giữa GA và PSO 39 3.6. Tóm tắt và kết luận 39 CHƢƠNG 4 THUẬT TOÁN TỐI ƢU BẦY ĐÀN 41 4.1. Giới thiệu 41 4.2. Các khái niệm cơ bản trong giải thuật bầy đàn 42 4.3. Mô tả thuật toán PSO [6] 43 4.4. Những vấn đề cần quan tâm khi xây dựng thuật toán PSO 45 4.4.1. Mã hóa cá thể 45 4.4.1.1. Mã hóa nhị phân 46 4.4.1.2. Mã hóa hoán vị 46 4.4.1.3. Mã hóa theo giá trị 47 4.4.1.4. Mã hóa theo cấu trúc cây 47 4.4.2. Khởi tạo quần thể ban đầu 47 4.4.3. Hàm thích nghi 48 4.4.4. Hàm vận tốc V 48 vii
11. 4.4.5. Cập nhật ví trí tốt nhất cho cả quần thể 49 4.5. Đặc điểm và ứng dụng của giải thuật PSO 51 4.5.1. Đặc điểm 51 4.5.2. Ứng dụng 52 4.6. Hiệu chỉnh bộ điều khiển PID bằng PSO 52 Chƣơng 5 NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG ĐỂ SO SÁNH HIỆU SUẤT CỦA PSO VỚI CÁC PHƢƠNG PHÁP CHỈNH ĐỊNH KHÁC 54 5.1. Quá Trình bậc nhất có thời gian trễ (First Order Plus Dead Time - FOPDT) 54 5.1.1. Sơ đồ tổng quan các khối mô phỏng trên simulink Matlab 54 5.1.2. Mô phỏng Simulink điều khiển PID – PSO 55 5.1.3. So sánh phƣơng pháp PID – ZN, PID – GA và PID – PSO 56 5.1.4 Nhận xét 57 5.2. Quá trình bậc hai có thời gian trễ (Second Order Plus Dead Time - SOPDT) 57 5.2.1. Sơ đồ tổng quan các khối mô phỏng trên simulink Matlab 58 5.2.2. Mô phỏng Simulink điều khiển PID – PSO 58 5.2.3. So sánh phƣơng pháp PID – ZN, PID – GA và PID – PSO 59 5.2.4. Nhận xét 61 5.3. Quá trình tích phân bậc hai có thời gian trễ (Second Order Integrating Plus Dead Time - SOIPDT) 61 5.3.1. Sơ đồ tổng quan các khối mô phỏng trên simulink Matlab 61 5.3.2. Mô phỏng Simulink điều khiển PID – PSO 62 5.3.3. So sánh phƣơng pháp PID – ZN, PID – GA và PID – PSO 63 5.3.4. Nhận xét 64 5.4. Quá trình bậc nhất không ổn định có trễ (First Order Delayed Unstable Process - FODUP) 64 5.4.1. Sơ đồ tổng quan các khối mô phỏng trên simulink Matlab 65 5.4.2. Mô phỏng Simulink điều khiển PID – PSO 65 5.4.3. So sánh phƣơng pháp PID – ZN, PID – GA và PID – PSO 66 5.4.4. Nhận xét 68 viii
12. 5.5. Tóm tắt và Kết luận 68 Chƣơng 6 ỨNG DỤNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM CHỈNH ĐỊNH THÔNG SỐ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID TRONG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA BẰNG THUẬT TOÁN PSO 70 6.1. Xây dựng mô hình động cơ không đồng bộ bằng Matlab – Simulink 70 6.1.1. Mô hình động cơ trong hệ tọa độ ()  70 6.1.2. Mô hình động cơ trong hệ tọa độ d q 72 6.2. Điều khiển định hƣớng từ thông FOC – Field Orientated Control 73 6.3. Cấu trúc hiện đại của FOC [9] 76 6.3.1. Các khối trong cấu trúc FOC 78 6.3.1.1. Khối mô hình động cơ (Induction motor) 78 6.3.1.2. Khối chuyển tọa độ voltage d q sang  81 6.3.1.3. Khối mô hình từ thông 82 6.4. Kết quả mô phỏng 83 6.4.1. Thông số của động cơ đƣợc sử dụng trong quá trình mô phỏng 83 6.4.2. Sơ đồ tổng quan các khối mô phỏng trên Matlab – Simulink 84 6.4.3. Động cơ khởi động khi không tải 84 6.4.3.1. Kết quả mô phỏng khi sử dụng phƣơng pháp Ziegler-Nichols 84 6.4.3.2. Kết quả mô phỏng khi sử dụng giải thuật GA 85 6.4.3.3. Kết quả mô phỏng khi sử dụng giải thuật PSO 86 6.4.3.4. So sánh phƣơng pháp PID – ZN, PID – GA và PID – PSO 89 6.4.4. Động cơ khởi động không tải, sau đó đóng tải 90 6.4.4.1. Kết quả mô phỏng khi sử dụng phƣơng pháp Ziegler-Nichols 90 6.4.4.2. Kết quả mô phỏng khi sử dụng giải thuật GA 91 6.4.4.3. Kết quả mô phỏng khi sử dụng giải thuật PSO 92 6.4.4.4. So sánh phƣơng pháp PID – ZN, PID – GA và PID – PSO 95 Chƣơng 7 KẾT LUẬN 97 7.1. Kết luận 97 7.2. Hạn chế 97 ix
13. 7.3. Hƣớng phát triển của đề tài 97 TÀI LIỆU THAM KHẢO 98 PHỤ LỤC 99 x
14. DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT ACO Ant Colony Optimization ANN Artificial Neural Network FODUP First order delayed unstable process FOPDT First order plus dead time DTC Direct Torque Control FOC Field Orientated Control GA Genetic Algorithms IAE Integral absolute-error criterion ISE Integral square-error criterion ITSE Integral-of-time multiplied square-error criterion ITAE Integral-of-time-multiplied absolute-error criterion ISE Integral square-error criterion MIMO Multiple-Input-Multiple-Output MISO Multiple-Input-Single-Output P Proportional controller PI Proportional-integral controller PID Proportional-integral-derivative controller PSO Particle Swarm Optimization SOIPDT Second order integrating plus dead time SOPDT Second order plus dead time SI Swarm Intelligence SISO Single-Input-Single-Output SIMO Single-Input-Multiple-Output ZN Ziegler- Nichols xi
15. DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH TRANG Hình 2.1: Điều khiển tỉ lệ trong một hệ thống điều khiển phản hồi vòng kín. 8 Hình 2.2: Đồ thị đáp ứng ngõ ra theo thời gian, ba giá trị Kp (Ki và Kd là không đổi). 9 Hình 2.3: Đồ thị đáp ứng ngõ ra theo thời gian, ba giá trị Ki (Kp và Kd là không đổi). 11 Hình 2.4: Đồ thị đáp ứng ngõ ra theo thời gian, ba giá trị Kd (Kp và Ki là không đổi). 12 Hình 2.5: Cấu trúc bộ điều khiển PID. 13 Hình 2.6: Điều khiển hồi tiếp với bộ điều khiển PID. 14 Hình 2.7: Sơ đồ khối của một hệ hở. 15 Hình 2.8: Đáp ứng nấc của hệ hở có dạng S. 16 Hình 2.9: Sơ đồ khối của hệ kín có bộ tỉ lệ P. 17 Hình 2.10: Đáp ứng của hệ kín. 17 Hình 2.11: Hệ thống hồi tiếp SISO. 19 Hình 2.12: Sơ đồ tƣơng đƣơng một pha của động cơ không đồng bộ. 20 Hình 2.13: Hệ tọa độ stator (  ) 21 Hình 2.14: Mối liên hệ giữa hai hệ tọa độ ( ) và (d – q) 22 Hình 2.15: Biểu diễn vector không gian trên hệ tọa độ (d – q). 23 Hình 2.16: Vector is trong không gian với các thành phần a, b, c. 25 Hình 2.17: Dòng điện stator is trong hệ (a, b, c) và ( ,  ). 26 Hình 2.18 : Dòng điện stator is trong hệ ( ) và (d, q). 26 Hình 2.19: Sơ đồ mạch điện tƣơng đƣơng động cơ không đồng bộ. 28 Hình 3.1: Sơ đồ thực hiện giải thuật di truyền đơn giản 35 Hình 3.2: Mô tả kiến tìm đƣờng. 38 Hình 4.1: Lƣu đồ giải thuật của thuật toán PSO. 44 xii
16. Hình 4.2: Cá thể biểu diễn một biểu thức toán học. 47 Hình 4.3: Chuyển động của cá thể. 49 Hình 4.4: Sơ đồ khối điều khiển PID sử dụng PSO chỉnh định thông số 52 Hình 4.5: Lƣu đồ giải thuật của hệ thống điều khiển PSO-PID. 53 Hình 5.1: Sơ đồ tổng quan các khối. 54 Hình 5.2: Kết quả quá trình tiến hóa quần thể bầy đàn 55 Hình 5.3: So sánh đáp ứng ngỏ ra PID – ZN, PID – GA và PID – PSO . 56 Hình 5.4: Sơ đồ tổng quan các khối. 58 Hình 5.5: Kết quả quá trình tiến hóa quần thể bầy đàn 59 Hình 5.6: So sánh đáp ứng ngỏ ra PID – ZN, PID – GA và PID – PSO . 60 Hình 5.7: Sơ đồ tổng quan các khối. 61 Hình 5.8: Kết quả quá trình tiến hóa quần thể bầy đàn. 62 Hình 5.9: So sánh đáp ứng ngỏ ra PID – ZN, PID – GA và PID – PSO . 63 Hình 5.10: Sơ đồ tổng quan các khối. 65 Hình 5.11: Kết quả quá trình tiến hóa quần thể bầy đàn 66 Hình 5.12: So sánh đáp ứng ngỏ ra PID – ZN, PID – GA và PID – PSO . 67 Hình 6.1: Sơ đồ tổng quan các khối trên hệ tọa độ ( α – β ). 70 Hình 6.2: Sơ đồ động cơ trong hệ tọa độ ( α – β ) 70 Hình 6.3: Sơ đồ tổng quan các khối trên hệ tọa độ (d – q). 72 Hình 6.4: Sơ đồ động cơ trong hệ tọa độ d q . 72 Hình 6.5: Cấu trúc cơ bản của phƣơng pháp FOC 74 Hình 6.6: Dòng điện, điện áp và từ thông rotor trên hệ tọa độ (d –q). 76 Hình 6.7: Cấu trúc hiện đại của FOC đƣợc xây dựng bằng Matlab. 77 Hình 6.8: Sơ đồ khối mô hình động cơ. 78 Hình 6.9: Sơ đồ khối voltage chuyển tọa độ từ d q sang  và cài đặc thông số của khối. 81 Hình 6.10: Sơ đồ khối mô hình từ thông. 82 Hình 6.11: Sơ đồ tổng quan các khối. 84 Hình 6.12: Đáp ứng tốc độ, moment, dòng ba pha và từ thông rotor của động cơ. . 85 xiii
17. Hình 6.13: Đáp ứng tốc độ, moment, dòng ba pha và từ thông rotor của động cơ. . 86 Hình 6.14: Hàm mục tiêu, KP và KI trong quá trình tối ƣu. 87 Hình 6.15: Đáp ứng tốc độ, moment, dòng ba pha và từ thông rotor của động cơ. . 88 Hình 6.16: So sánh đáp ứng ngỏ ra PID – ZN, PID – GA và PID – PSO . 89 Hình 6.17: Đáp ứng tốc độ, moment, dòng ba pha và từ thông rotor của động cơ. . 91 Hình 6.18: Đáp ứng tốc độ, moment, dòng ba pha và từ thông rotor của động cơ. . 92 Hình 6.19: Hàm mục tiêu, KP và KI trong quá trình tối ƣu. 93 Hình 6.20: Đáp ứng tốc độ, moment, dòng ba pha và từ thông rotor của động cơ. . 94 Hình 6.21: So sánh đáp ứng ngỏ ra PID – ZN, PID – GA và PID – PSO . 95 xiv
18. DANH SÁCH CÁC BẢNG BẢNG TRANG Bảng 2.1: Các tham số PID theo phƣơng pháp Ziegler-Nichols thứ nhất. 16 Bảng 2.2: Các tham số PID theo phƣơng pháp Ziegler-Nichols thứ hai. 17 Bảng 5.1: Các thông số khởi tạo quần thể. 55 Bảng 5.2: Bảng so sánh các kết quả giữa PID – ZN, PID – GA và PID – PSO. 57 Bảng 5.3: Các thông số khởi tạo quần thể. 58 Bảng 5.4: Bảng so sánh các kết quả giữa PID – ZN, PID – GA và PID – PSO. 60 Bảng 5.5: Các thông số khởi tạo quần thể. 62 Bảng 5.6: Bảng so sánh các kết quả giữa PID – ZN, PID – GA và PID – PSO. 64 Bảng 5.7: Các thông số khởi tạo quần thể. 65 Bảng 5.8: Bảng so sánh các kết quả giữa PID – ZN, PID – GA và PID – PSO. 67 Bảng 6.1: Các thông số khởi tạo quần thể. 87 Bảng 6.2: Bảng so sánh các kết quả giữa PID – ZN, PID – GA và PID – PSO. 89 Bảng 6.3: Các thông số khởi tạo quần thể. 93 Bảng 6.4: Bảng so sánh các kết quả giữa PID – ZN, PID – GA và PID – PSO. 96 xv
19. Chƣơng 1 Tổng Quan CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nƣớc Ngày nay bộ điều khiển PID (Proportional–Integral–Derivative controller) đƣợc ứng dụng rất phổ biến trong các hệ thống công nghiệp, do khả năng điều khiển hiệu quả, tính đơn giản trong thiết kế và phạm vi ứng dụng rộng. Trong lý thuyết điều khiển, có rất nhiều phƣơng pháp để hiệu chỉnh thông số của bộ điều khiển PID, phổ biến nhất là phƣơng pháp Ziegler-Nichols. Tuy nhiên, đối với một số hệ thống, việc hiệu chỉnh bộ điều khiển PID bằng phƣơng pháp này đòi hỏi một quá trình thực nghiệm khá mất thời gian. Thông thƣờng, các thông số của bộ điều khiển đƣợc xác lập bằng phƣơng pháp Ziegler-Nichols (Z-N) dựa trên kết quả đo đạc đƣợc từ đáp ứng của hệ thống. Tuy nhiên, do ảnh hƣởng của nhiễu và sai số của các thiết bị lên tín hiệu đo, dẫn đến việc hiệu chỉnh thông số của bộ điều khiển PID khó đạt đƣợc giá trị tốt. Vì vậy, một quá trình tinh chỉnh đƣợc thực hiện trƣớc khi áp dụng bộ điều khiển vào hệ thống công nghiệp. Vấn đề đặt ra là làm thế nào để có thể tinh chỉnh thông số của bộ điều khiển đạt đƣợc giá trị tối ƣu. Nhiều giải thuật máy tính đã đƣợc nghiên cứu và triển khai ứng dụng. Trong đó, Một số công nghệ mới đặc biệt “Tối ƣu bầy đàn” Particle Swarm Optimization (PSO) đã đƣợc sử dụng. 1.1.1. Kết quả nghiên cứu trong và ngoài nƣớc 1.1.1.1. Bài báo nghiên cứu “ Dùng PID điều khiển động cơ không chổi than dựa trên thuật toán PSO” Đây là nghiên cứu của tác giả S.Rathika, Dr.C.S.Ravichandran ngƣời Ấn Độ, đƣợc đăng trên Tạp chí Quốc tế Nghiên Cứu Sáng Tạo Trong Khoa Học, Kỹ thuật và Công Nghệ Vol.3, số 12, tháng 12 năm 2014. Mục đích nghiên cứu của bài báo sử dụng thuật toán PSO để tối ƣu hóa các thông số của bộ điều khiển PID của động cơ không chổi than để kiểm soát hiệu suất và đƣợc mô phỏng trên Matlab GVHD: PGS.TS Trƣơng Nguyễn Luân Vũ HVTH: Nguyễn Ngọc Tuấn 1
20. Chƣơng 1 Tổng Quan Kết luận bài nghiên cứu cho thấy phƣơng pháp PSO có thể cải thiện hiệu suất của bộ điều khiển PID một cách hiệu quả. 1.1.1.2. Bài báo nghiên cứu “Tối ƣu hóa thông số bộ điều khiển PID dựa trên PSO cho bộ Multi-leaf Collimator( MLC) ” Đây là nghiên cứu của tác giả Zhang Xin, Dang Jianwu, Liu Min ngƣời Trung Quốc. Mục đích nghiên cứu kiểm soát các vị trí chính xác của các lá trong bộ Multi-leaf Collimator. Các động cơ mà các ổ đĩa lá của Multi-leaf Collimator đƣợc lấy làm đối tƣợng điều khiển. Sau đó, dùng thuật toán PSO để tối ƣu hóa tham số PID cho bộ điều khiển động cơ để đảm bảo tính chính xác vị trí của các lá trong bộ Multi-leaf Collimator. Kết quả thực nghiệm nghiên cứu cho thấy rằng thuật toán PSO có thể đáp ứng nhu cầu của sự kiểm soát độ chính xác của vị trí các lá trong bộ Multi-leaf Collimator, và rõ ràng là kiểm soát tốt hơn các phƣơng pháp truyền thống để điều khiển PID. 1.1.1.3. Bài báo nghiên cứu “Chỉnh thông số của bộ điều khiển PID dựa theo PSO cho một bộ điều khiển tải tần số trong khu vục hai hệ thống điện” Đây là nghiên cứu của tác giả Ranuva Nageswara Rao và P.Rama Krishna Reddy ngƣời Ấn Độ. Trong nghiên cứu này sử dụng thuật toán PSO để tối ƣu hóa bộ điều khiển tải tần số đã đƣợc nghiên cứu để kiểm soát tự động tải tần số của khu vục hai hệ thống điện. Kết quả nghiên cứu đã chứng minh đƣợc rằng bộ điều khiển PID sử dụng thuật toán PSO đƣợc chứng minh là tốt hơn so với bộ điều khiển chỉnh bằng phƣơng pháp Ziegler Nichols. 1.1.1.4. Bài báo nghiên cứu “Tự chỉnh thông số bộ điều khiển PID dựa theo PSO cho động cơ siêu âm” Đây là nghiên cứu của tác giả Alrijadjis Djoewahir ngƣời Indonesia, Kanya Tanaka and Shota Nakashima ngƣời Nhật Bản. Động cơ siêu âm (USM) là một động cơ loại đặc biệt, đƣợc điều khiển bởi các lực rung động siêu âm của các phần tử áp điện. Mục đích sử dụng thuật toán PSO để điều chỉnh các thông số của bộ điều khiển PID cho động cơ siêu âm để đạt đƣợc hiệu suất cao. GVHD: PGS.TS Trƣơng Nguyễn Luân Vũ HVTH: Nguyễn Ngọc Tuấn 2
21. Chƣơng 1 Tổng Quan 1.1.1.5. Bài báo nghiên cứu “Thiết kế bộ điều khiển PSO-PID cho hệ phi tuyến cho bể hình nón trong ngành công nghiệp hóa” Đây là nghiên cứu của các tác giả D. Mercy and S. M. Girirajkumar ngƣời Ấn Độ. Quy trình bể hình nón ngày càng trở nên phổ biến trong ngành công nghiệp nhƣ là công nghiệp hóa chất, công nghiệp lên mem, công nghiệp sản xuất thuốc. Bể hình nón có vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp hóa chất để pha trộn hóa chất, lƣu trữ hóa chất. Nhung rất khó khăn để kiểm soát mức của bể nón. Trong bài báo này tác giả đã đề xuất một một bộ điều khiển PID đƣợc điều chỉnh thông thƣờng và đƣợc tối ƣu hóa phƣơng pháp điều chỉnh bằng thuật toán PSO và đã cho ra đƣợc nhiều kết quả. 1.1.1.6. Bài báo nghiên cứu “Chỉnh các thông số bộ điều khiển PID dựa theo thuật toán PSO để tăng hiệu suất của máy khoan” Mục tiêu nghiên cứu này là tối ƣu bộ điều khiển PID bằng thuật toán PSO để tăng hiệu suất hoạt động của máy khoan trong hệ thống, tăng sản lƣợng, giảm sản phẩm bị lỗi. 1.2. Tính cấp thiết của đề tài Một bộ điều khiển PID thông thƣờng hay một bộ điều khiển hồi tiếp thƣờng đƣợc sử dụng để làm cho hệ thống ổn định. Những bộ điều khiển nêu trên có thể đạt đƣợc sự ổn định tốt nhất nếu thông số bộ điều khiển là tối ƣu, nhƣng trên thực tế việc xác định các thông số này khá là tốn kém thời gian và còn phụ thuộc nhiều vào kinh nghiệm điều này làm chúng ta không đạt đƣợc kết quả tốt. Hơn thế nữa khi mà việc bám theo tín hiệu đặt, loại bỏ nhiễu và ổn định bền vững liên quan đến tất cả các thông số hiệu chỉnh, thì khó có thể điều chỉnh cùng lúc đƣợc. Vấn đề đặt ra là làm thế nào để có thể tinh chỉnh thông số của bộ điều khiển đạt đƣợc giá trị tối ƣu đây chính là tính cấp thiết của đề tài. GVHD: PGS.TS Trƣơng Nguyễn Luân Vũ HVTH: Nguyễn Ngọc Tuấn 3
22. S K L 0 0 2 1 5 4