Luận văn Nghiên cứu điều khiển quá trình nhằm khống chế nồng độ khí thải (CO) trong môi trường

Nhưng để xử lý 
thêm các tín hiệu đo và tăng thêm khả năng chuẩn đoán cho hệ thống, cần thay thế 
ở bước đầu tiên bộ điều khiển kinh điển bằng bộ điều khiển mờ và phát triển thêm 
 Luận văn Cao học 80 
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên  
hệ điều khiển dựa trên cơ sở của bộ điều khiển mờ này để có được các tính chất 
điều khiển mong muốn. 
Cùng với kỹ thuật mờ, các bộ điều khiển chung cho phép tạo ra một khả năng 
điều khiển đối tượng phong phú và đa dạng. 
 - Chính vì lý do trên nên bản đồ án đã chọn bộ điều khiển mờ để điều khiển 
hệ truyền động điện một chiều nhằm nâng cao hơn nữa chất lượng của hệ truyền 
động và tăng phạm vi ứng dụng trong thực tế. 
4.4. Xây dựng bộ điều khiển mờ cho quá trình khống chế nồng độ khí CO 
4.4.1.Đặt vấn đề 
 Trong thực tế để phát huy hết ưu điểm của mỗi loại bộ điều khiển mờ và bộ 
điều khiển rõ, người ta thường dùng các hệ kết hợp giữa hai loại bộ điều khiển 
truyền thống và điều khiển mờ với nhau, do vậy ta có các hệ điều khiển mờ lai. Ta 
xét hệ điều khiển có cấu trúc 2 vòng, với mạch vòng thứ nhất là bộ điều khiển PID 
và vòng hai là bộ điều khiển mờ 
 Ưu điểm chính của hệ điều khiển nối nhiều vòng là có thể thiết kế bộ điều 
khiển cho mỗi vòng theo yêu cầu chất lượng riêng của vòng đó, vì vậy bộ điều 
khiển sẽ đơn giản hơn và chất lượng cao hơn. Ta sẽ đi thiết kế hệ thống điều khiển 
nồng độ khí CO khi cấp thứ nhất dùng bộ điều khiển PID truyền thống, cấp thứ hai 
dùng bộ điều khiển mờ để chỉnh định tham số bộ điều khiển PID. 
4.4.2 Bộ điều khiển PID truyền thống 
 Do cấu trúc đơn giản và bền vững nên các bộ điều khiển PID được dùng phổ 
biến trong các hệ điều khiển công nghiệp. Hàm truyền đạt của bộ điều khiển PID là: 
G(s) =Kp +Ki/s +Kds 
 Trong đó Kp, Ki, Kd là các hệ số tỉ lệ, tích phân và đạo hàm. 
 Nếu viết theo hàm thời gian thì tín hiệu ra của bộ điều khiển PID là: 
 Luận văn Cao học 81 
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên  
0
1 ( )
( ) ( ) ( )
t
p d
i
de t
u t K e t e d T
T dt
 
 
   
 
 
Trong đó: Ti = Kp/Ki, Td = Kd/Kp là hằng số thời gian tích phân và đạo hàm. 
 Vì các hệ số của bộ điều khiển PID chỉ được tính toán cho một chế độ làm 
việc cụ thể của hệ thống, do vậy trong quá trình vận hành luôn phải chỉnh định các 
hệ số này cho phù hợp với thực tế để phát huy tốt hiệu quả của bộ điều chỉnh và 
công việc này thường được các nhân viên vận hành tiến hành theo kiểu “thăm dò”. 
Dựa theo nguyên lý chỉnh định đó, ta thiết kế bộ điều chỉnh mờ ở vòng ngoài để 
chỉnh định tham số bộ PID ở vòng trong. 
4.4.4. Thiết kế bộ điều khiển mờ để chỉnh định tham số bộ điều khiển PID 
 Xét hệ điều khiển nồng độ khí CO có cấu trúc như hình ( 3.2 ) với bộ điều 
khiển bên trong dùng PID truyền thống, còn bên ngoài dùng bộ điều khiển mờ để tự 
động chỉnh định tham số Kp của bộ PID, 
 Giả thiết hệ số tỉ lệ cho phép thay đổi trong khoảng [Kpmin, Kpmax]. Để tiện lợi 
trong tính toán ta biến đổi chúng về đơn vị tương đối: 
min'
max min
p p
p
p p
K K
K
K K



 Như vậy nhiệm vụ cụ thể của ta là thiết kế bộ điều khiển mờ để chỉnh định tự 
động tham số Kp’. 
4.4.4.1 Định nghĩa các biến vào ra 
 - Đại lượng vào của bộ điều khiển mờ (ĐKM) là sai lệch giữa nồng độ khí 
CO cần giữ ổn định (tín hiệu chủ đạo) và nồng độ khí CO thực trong nhà xưởng (SL 
là giá trị rõ). 
 - Đại lượng ra của bộ ĐKM là điện áp ra để điều khiển độ mở của van cấp 
khí Oxi 
 Luận văn Cao học 82 
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên  
4.4.4.2. Xác định tập mờ 
 - Miền giá trị vật lý (cơ sở) của các biến vào - ra: 
 *) INPUT được chọn trong miền giá trị từ -20 đến +20. 
 *) OUTPUT được chọn trong miền giá trị từ 0 đến 1 
 - Số lượng các tập mờ (giá trị ngôn ngữ): 
 INPUT  {RN, N, TB, L}(Rất nhỏ, nhỏ, trung bình, lớn). 
 OUTPUT(MRN, MN, MTB, ML}(Mở rất nhỏ, mở nhỏ, mở trung bình, mở 
lớn). 
 - Xác định hàm liên thuộc: 
 Hàm liên thuộc của INPUT gồm 1 biến ngôn ngữ và OUTPUT gồm 1 biến 
ngôn ngữ. 
4.4.3.3. Mô phỏng bộ điều khiển mờ trong MATLAB 
 a. Xây dựng các khối của bộ điều khiển mờ 
 Ta có bộ điều khiển mờ, các hàm liên thuộc tín hiệu vào, hàm liên thuộc đầu 
ra, luật điều khiển và kết quả mô phỏng được chỉ ra trên hình sau: 
 Luận văn Cao học 83 
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên  
 Hình 4.8 Bộ đ ều khiển mờ 
Hình 4.9. Các hàm liên thuộc đầu vào 
 Luận văn Cao học 84 
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên  
- Tập các luật của bộ điều khiển mờ và thể hiện luật dạng mặt được biểu diễn trên 
hình 4.11; 4.12 
Hình 4.10: Các hàm liên thuộc đầu ra 
Hình 4.11: Các luật điều khiển 
 Luận văn Cao học 85 
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên  
Hình 4.13: sơ đồ cấu trúc hệ thống khi có bộ điều khiển mờ 
Hình 4.12: Luật dạng mặt 
 Luận văn Cao học 86 
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên  
b. Kết quả mô phỏng 
Nhận xét: 
Hình 4.14 là kết quả mô phỏng khi chọn tham số của bộ PID là [KD=TD =200; KI 
=1/TI = 30, KP = 3.10
3] khi chưa đưa thêm bộ điều khiển mờ vào và khi đưa thêm 
bộ điều khiển mờ vừa thiết kế vào để chỉnh định tham số của bộ điều khiển PID 
Theo kết quả mô phỏng như hình 4.14 ta thấy sau khi hiệu chỉnh tham số KP các 
thông số của đặc tính của hệ là: 
- Độ quá điều chỉnh  = 3% 
- Thời gian quá độ tqd = 7s 
Hình 4.14: Kết quả mô phỏng 
Khi chưa có bộ điều khiển mờ 
Khi có bộ điều khiển mờ 
 Luận văn Cao học 87 
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên  
- Thời gian đáp ứng tm = 7s 
 Như vậy Khi chọn các tập mờ và luật điều khiển thích hợp thì luật điều khiển 
mờ giúp cho hệ đạt được độ chính xác cao hơn. Bộ điều khiển mờ giúp cho độ quá 
điều chỉnh giảm xuống, chất lượng điều khiển của hệ thống tăng lên hơn so với khi 
chỉ sử dụng bộ điều chỉnh PID. 
 Luận văn Cao học 88 
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên  
KẾT LUẬN 
 Trong bản luận văn đã nghiên cứu ứng điều khiển quá trình nhằm khống chế 
nồng độ khí thải (CO) trong môi trường và đã đạt được các kết quả cụ thể như sau: 
 - Nghiên cứu tổng quan về điều khiển quá trình, khái niệm điều khiển quá 
trình, cấu trúc và khái niệm cơ bản của hệ điều khiển quá trình PCS, một số nghiên 
cứu và ứng dụng của các hệ thống điều khiển quá trình, các phương trình động học 
của quá trình, một số thiết bị cơ bản trong điều khiển quá trình 
 - Các thuật toán điều khiển quá trình. Các bộ điều khiển, tổng hợp mạch 
vòng điều khiển quá trình: tương quan chỉnh định bộ điều khiển PID, tương quan 
chỉnh định bộ điều khiển PI, cấu trúc điều khiển theo mô hình nội IMC, điều khiển 
tầng, điều khiển feedforward. 
 - Thiết kế và mô phỏng hệ thống tự động khống chế nồng độ khí CO cho một 
phân xưởng: Tổng quan về hệ thống tự động khống chế nồng độ khí, Sơ đồ cấu trúc 
hệ thống tự dộng khống chế nồng độ khí CO và hàm truyền đạt của các phần tử 
trong hệ thống. Mô phỏng đặc tính của hệ thống bằng phần mềm matlab – simulink 
 - Ứng dụng điều khiển mờ để nâng cao chất lượng điều khiển quá trình và 
cho kết quả tốt. 
- Với kết quả ban đầu thu được luận văn được sử dụng làm tài liệu trong 
công tác giảng dạy của bản thân tôi và tôi mong muốn nếu như có điều kiện hơn 
nữa về thời gian và kiến thức, kết quả nghiên cứu của luận văn sẽ được ứng dụng 
thực tế và đem lại hiệu quả cao. 
 Luận văn Cao học 89 
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên  
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
1.Nguyễn Doãn Phước – Phan Xuân Minh – Hán Thành Trung (2008) Lý thuyết 
Điều khiển phi tuyến nhà xuất bản Khoa học kỹ thuật 
2.Nguyễn Thương Ngô (1999) Lý thuyết điều khiển tự động hiện đại nhà xuất bản 
Khoa học kỹ thuật. 
3.Phan Xuân Minh, Nguyễn Doãn Phước (2006) Lý thuyết điều khiển mờ nhà xuất 
bản Khoa học kỹ thuật. 
4.Nguyễn Doãn phước (2005) Lý thuyết điều khiển hiện đại nhà xuất bản khoa học 
kỹ thuật 
5.TS Nguyễn Như Hiển, TS Lại khắc Lãi (2007) Hệ mờ và Nơron trong kỹ thuật 
điều khiển nhà xuất bản khoa học tự nhiên và công nghệ 
6.Phạm Thượng Hàn, Nguyễn Trọng Quế, Nguyễn Văn Hoà, Nguyễn Thị Vấn 
(1997), Kỹ thuật đo lường các đại lượng vật lý tập 1 và 2, Nhà xuất bản giáo dục , 
Hà nội 
7. NIOSH – Preventing Carbon Monoxide poisoning from Small Gasoline – Powered 
Engines and Tools Alert – DHHS (NIOSH) Publication, HTML Document 
 Luận văn Cao học 90 
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên  
TÓM TẮT LUẬN VĂN 
Nội dung nghiên cứu của bản luận văn “Nghiên cứu điều khiển quá trình nhằm 
khống chế nồng độ khí thải CO trong môi trường”bao gồm các phần chính sau: 
 - Trình bầy lý do lựa chọn đề tài: Tác hại của ô nhiễm môi trường, tác hại 
của khí CO đến sức khoả của con người đặc biệt là với những người thường xuyên 
phải lao động trong môi trường có nồng độ khí CO cao hơn mức cho phép. 
 - Nghiên cứu tổng quan về điều khiển quá trình, khái niệm cơ bản, cấu trúc, 
ứng dụng của điều khiển quá trình vào một số hệ thống cụ thể như hệ thống pha chế 
nước ngọt, tháp chưng trong nhà máy lọc dầu…. Tìm hiểu một số thiết bị đo sử 
dụng trong điều khiển quá trình như các loại van, động cơ điện và cơ cấu điện từ, 
các loại cảm biến đo nhiệt đọ, đo lưu lượng, đo áp lực, đo nồng độ…. 
 - Nghiên cứu các thuật toán của điều khiển quá trình, các bộ điều khiển P, I, 
D, PI, PD, PID và các phương pháp điều khiển sử dụng trong điều khiển quá trình 
như phương pháp điều khiển theo mô hình dự báo PMC, phương pháp dự báo 
Smith. Cấu trúc điều khiển theo mô hình nội suy. Tổng hợp các mạch vòng điều 
khiển quá trình. 
 - Tiến hành thiết kế và mô phỏng cho một hệ thống cụ thể là hệ thống tự 
động khống chế nồng độ khí CO, giới thiệu tổng quan về hệ thống, đưa ra sơ đồ cấu 
trúc hệ thống, hàm truyền đạt của các thiết bị trong hệ thống, tiến hành mô phỏng 
bằng phần mềm matlap – simulink, lựa chọn bộ thông số của bộ PID cho hệ thống. 
 - Nghiên cứu lý thuyết điều khiển mờ, mờ lai và ứng dụng điều khiển mờ lai 
để hiệu chỉnh thông số của bộ PID và nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển.