Ứng dụng PID và Logic mờ điều khiển hệ thống tưới tiết kiệm nước cho cây công nghiệp

Chia sẻ: _nguyen Thi _men | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:5

Thêm vào BST

Báo xấu

116
lượt xem 8
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết giới thiệu về bộ điều khiển lai bao gồm một bộ điều khiển PID và một bộ điều khiển mờ. Trong đó bộ điều khiển PID giữ vai trò chính tạo tín hiệu điều khiển đối tượng, còn bộ điều khiển mờ giữ vai trò quan sát và cung cấp thông số cho bộ điều khiển PID theo thời gian thực.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Ứng dụng PID và Logic mờ điều khiển hệ thống tưới tiết kiệm nước cho cây công nghiệp

Tập San – Trường Đại Học Công Nghiệp Quảng Ninh – Số 51 – 2019 Ứng dụng PID và Logic mờ điều khiển hệ thống tưới tiết kiệm nước cho cây công nghiệp Nguyễn Thị Mến 1,* Đỗ Thị Hoa1 1 Khoa Điện, Trường Đại học Công nghiệp Quảng Ninh * Email: menk50tudong@gmail.com Tel: +84385702968 Tóm tắt Từ khóa: Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ đặc biệt là ứng Bộ điều khiển mờ; Hệ thống dụng điều khiển mờ vào thiết kế một hệ thống điều khiển đáp ứng tưới nước thông minh; Mô hình đầy đủ được yêu cầu đặt ra của người sử dụng ngày càng trở lên đơn hóa; PID. giản hơn. Các hệ thống điều khiển không chỉ áp dụng trong sản xuất công nghiệp mà còn được sử dụng nhiều cho sản xuất nông nghiệp hướng tới mục tiêu nông nghiệp công nghệ cao và bền vững. Việc nghiên cứu ứng dụng một phương pháp điều khiển hiện đại để điều khiển hệ thống tưới nước tiết kiệm dựa trên điều kiện về khí tượng thủy văn, địa chất là rất cần thiết. Việc kết hợp giữa điều khiển PID và điều khiển mờ có thể đáp ứng được hầu hết các quy mô sản xuất từ nhỏ đến lớn, đáp ứng được yêu cầu chất lượng cho bài toán trên . Bài báo nhằm giới thiệu về bộ điều khiển lai bao gồm một bộ điều khiển PID và một bộ điều khiển mờ. Trong đó bộ điều khiển PID giữ vai trò chính tạo tín hiệu điều khiển đối tượng, còn bộ điều khiển mờ giữ vai trò quan sát và cung cấp thông số cho bộ điều khiển PID theo thời gian thực. Kết quả dựa trên phương pháp mô hình hóa hệ thống tưới tiết kiệm nước trong canh tác cây công nghiệp, các quy trình được mô phỏng trên phần mềm Matlab. Ngày nhận bài: Ngày nhận bài sửa: Ngày chấp nhận đăng: 1. GIỚI THIỆU Khối lượng công việc cần thực hiện khi Logic mờ (Fuzzy logic) là dựa trên thông thiết kế một bộ điều khiển mờ không phụ thuộc tin không được đầy đủ hoặc không chính xác, con vào đặc tính của đối tượng. Ðiều này có nghĩa là người suy luận đưa ra cách xử lý và điều khiển quá trình xử lý của một bộ điều khiển mờ với chính xác hệ thống phức tạp hoặc đối tượng mà những nguyên tắc điều khiển cho các đối tượng trước đây chưa giải quyết được. Ðiều khiển mờ có đặc tính động học khác nhau là hoàn toàn như sử dụng kinh nghiệm vận hành đối tượng và cách nhau. xử lý điều khiển của các chuyên gia trong thuật Với bài báo này chúng ta có thể tổng hợp toán điều khiển, do vậy hệ điều khiển mờ là một được mô hình tổng quát của đối tượng là hệ bước tiến gần hơn tới tư duy của con người. thống tuới cho cây công nghiệp dựa trên mối quan Ðiều khiển mờ thường được sử dụng hệ giữa các đại lượng như: lượng nước bốc hơi, trong các hệ thống sau đây: lượng mưa, lượng nước tưới và độ ẩm trong đất. Hệ thống điều khiển phi tuyến. Từ đó có thể định ra lượng nước tưới cần thiết Hệ thống điều khiển mà các thông tin đầu tại một thời điểm cụ thể tương ứng với độ ẩm vào hoặc đầu ra là không đầy đủ, không xác định yêu cầu của cây trồng. Thông qua việc nghiên cứu được chính xác. về lý thuyết logic mờ và phương pháp tính toán Hệ thống điều khiển không xác định được tham số bộ điều khiển PID, dựa vào đặc điểm tham số hoặc mô hình đối tượng. của mô hình đối tượng đã tính toán được thông số Ngoài ra, các bộ điều khiển mờ cho phép của bộ điều khiển mờ và bộ điều khiển PID. lặp lại các tính chất của các bộ điều khiển kinh Toàn bộ quá trình được mô phỏng trên phần điển. Việc thiết kế bộ điều khiển mờ cũng rất đa mềm Matlab Simulink, qua đây có thể so sánh dạng, qua việc tổ chức các nguyên tắc điều khiển chất lượng điều khiển của hai bộ điều khiển mờ và chọn tập mờ cho các biến ngôn ngữ cho phép và PID đối với mô hình là hệ thống tưới cho cây người ta thiết kế các bộ điều khiển mờ khác công nghiệp. nhau. 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Nguyễn Thị Mến 1
Tập San – Trường Đại Học Công Nghiệp Quảng Ninh – Số 51 – 2019 2.1. Tổng hợp về Fuzzy logic Chọn thiết bị hợp thành mờ (maxMin hay sum 2.1.1.Cấu trúc bộ điều khiển mờ Min,...) Chọn phương pháp giải mờ Tối ưu hệ thống 2.2. Ứng dụng PID và Fuzzy logic điều khiển hệ thống tưới cho cây công nghiệp 2.2.1. Mô hình tổng quát hệ thống tưới nước tiết kiệm Hình 1. Cấu trúc của bộ điều khiển mờ cơ bản Phương trình cân bằng nước có thể được Thành phần trung tâm của hệ mờ là cơ sở viết thành: luật mờ (fuzzy rule base). Cơ sở luật mờ bao gồm H (θ max θ min) = I + Re ET [mm] các luật mờ ifthen biểu diễn tri thức của chuyên Trong đó: H: độ sâu tầng đất ẩm nuôi cây, [mm]. gia trong linh vực nào đó. Thành phần quan trọng θ max: độ ẩm tối đa [%]. kế tiếp là bộ suy diễn mờ (fuzzy inference θmin : độ ẩm tối thiểu[%]. engine). Nhiệm vụ của bộ phận này là kết hợp Nếu gọi độ ẩm trước khi tưới là θ1 và độ các luật trong cơ sở luật mờ, áp dụng vào tập mờ ẩm sau khi tưới là θ2 thì ta có: đầu vào theo các phương pháp suy diễn mờ để H( θ 2 θ 1) = I + R ETc xác định tập mờ đầu ra. θ 1 : độ ẩm trước khi tưới [%]. Dữ liệu đầu vào của hệ điều khiển mờ là các tín hiệu do các bộ phận cảm biến môi truờng θ 2 : độ ẩm sau khi tưới hay [%]. cung cấp sau khi đã số hoá nên có tính chất rõ (khái niệm rõ ở đây có nghĩa là các tín hiệu đó không phải là các tập mờ, chứ không có nghĩa là Trong đó: các tín hiệu không có nhiễu). Vì vậy cần phải có bộ mờ hoá (fuzzier) để chuyển các dữ liệu số đầu vào thành các tập mờ để bộ suy diễn mờ có thể thao tác được. Dữ liệu đầu ra của bộ suy diễn mờ ở dạng các tập mờ sẽ được bộ giải mờ (defuzzier) chuyển thành tín hiệu số truớc khi truyền đến các cơ quan chấp hành như công tắc, van điều khiển, … Do các dữ liệu đầu vào và đầu ra được số hoá nên ta chỉ cần xem xét các hệ mờ làm việc với Hình 2. Mô hình hệ thống tưới nước tiết kiệm các biến số. Trường hợp tổng quát, hệ mờ nhận Thông qua mối tương quan giữa các đại một vector n chiều ở đầu vào và cho ra một vector lượng có trong sơ đồ nguyên lý hệ thống ở trên có m chiều ở đầu ra. Hệ mờ như thế được gọi là hệ thể thành lập mô hình tổng quát hệ thống t ưới mờ nhiều đầu vào – nhiều đầu ra (MIMO). Nếu như sau: m bằng 1, ta có hệ hệ mờ nhiều đầu vào – một đầu ra (MISO). Một hệ mờ nhiều đầu vào – nhiều đầu ra có thể phân tích thành nhiều hệ nhiều đầu vào – một đầu ra. 2.1.2.Các bước tổng hợp bộ điều khiển mờ Ðối với bộ điều khiển mờ theo mô hình Mamdani: Ðịnh nghia tất cả các biến ngôn ngữ vào/ ra Hình 3. Mô hình tổng quát hệ thống tưới Ðịnh nghia tập mờ (giá trị ngôn ngữ) cho các Các thông số liên quan đến xác định lượng biến vào/ra nước tưới cho cây: + Xác định miền giá trị vật lý cho các biến Ðộ ẩm cây héo, θ ≤25%. ngôn ngữ vào/ra Ðộ ẩm thích hợp, 34%≤ θ ≤ 46%. + Xác định số lượng tập mờ cần thiết Ðộ ẩm tối đa, θmin > 46%. + Xác định kiểu hàm liên thuộc 2.2.2. Mô hình hóa các phần tử trong hệ thống + Rời rạc hoá các tập mờ tưới trên Matlab Simulink Xây dựng các luật điều khiển (các mệnh đề hợp Công thức PenmanMonteith: thành) Nguyễn Thị Mến 2
Tập San – Trường Đại Học Công Nghiệp Quảng Ninh – Số 51 – 2019 Từ các khối chức năng trong thư viện của Matlab Simulink ta xây dựng được mô hình của công thức PenmanMonteith với 4 thông số đầu vào là: Rn: bức xạ mặt trời trung bình theo h. RH: độ ẩm không khí trung bình theo h. T: nhiệt độ trung bình theo h. v2: tốc độ gió trung bình theo h. Hình 6. Mô hình hệ thống điều khiển PID Tính toán các tham số của bộ điều khiển theo phương pháp thứ nhất của ZieglerNichols tìm được thời gian trễ L = 0,1045 [s] và thời gian quá độ T = 0,0545 [s], từ đó tính được tham số các bộ điều khiển P, PI, PID như sau: Bảng 2. Giá trị các hệ số bộ điều khiển P,PI,PID Bộ điều Kp KI KD Hình 4. Công thức PenmanMonteith với 4 ngõ vào. khiển Van lưu lượng: Khối mô hình Van là khối gồm P 0,5215 hai đầu vào và một đầu ra. Hai đầu vào của van PI 0,4693 1,497 là: PID 0,625 2,99 0,0326 Tín hiệu điều khiển đóng mở van: độ mở So sánh đáp ứng của ba bộ điều khiển với van tương ứng, nhận các giá trị thực trong khoảng ngõ vào là tín hiệu Step có giá trị θref= 46 %. Ðáp từ 0.0 đến 1.0. Giá trị 0.0 tương ứng với trường ứng ngõ ra của hệ thống với ba bộ điều khiển P, hợp van đóng hoàn toàn, giá trị 1.0 tương ứng với PI, PID được thể hiện như hình dưới đây: trường hợp van mở hoàn toàn (100%). Lưu lượng vào tối đa của van (q_in). Ðầu ra của van là: Lưu lượng ra của van = tích số của tín hiệu điều khiển van và lưu lượng vào của van. 2.3. Mô hình hóa hệ thống điều khiển tưới tiết kiệm. Dựa vào phương trình tính toán độ ẩm sau tưới và căn cứ vào số liệu đầu vào/ra chúng ta xây dựng được mô hình toán học hệ thống tưới nước như Hình 7. Mô hình toán học hệ thống tưới nước sau: Vậy xét tổng thể đối với đối tượng là hệ thống tuới đang xét thì bộ điều khiển PID có chất lượng điều khiển tốt nhất. 2.5. Thiết kế bộ điều khiển mờ cho hệ thống tưới Hình 5. Mô hình toán học hệ thống tưới nước Hình 8. Mô hình đối tượng của hệ thống điều khiển Bảng 1. Giá trị các thông số trong hệ thống mờ STT Số liệu Giá trị Bộ điều khiển có 2 biến ngõ vào: 1 HChiều sâu rễ cây 300mm Sai lệch e = θref – θ ( sai lệch giữa độ ẩm 2 Kc Hệ số cây trồng 1 đặt và độ ẩm tại thời điểm t). 3 Alpha – Hệ số sử dụng 1 de là đạo hàm của sai lệch e theo thời nước mưa gian. Ngõ ra của bộ điều khiển là tín hiệu điều 4 qin Lưu lượng cực đại 20mm/h/ha khiển uđk dùng để điều khiển đóng mở van. vào van 2.5.1. Định nghĩa tập mờ cho các biến vào/ra 5 θ1 – Độ ẩm trong đất tại 20% Ðối với miền giá trị của sai lệch e ta chọn độ sâu H khi tưới nước như sau: 2.4. Xây dựng bộ điều khiển PID Nguyễn Thị Mến 3
Tập San – Trường Đại Học Công Nghiệp Quảng Ninh – Số 51 – 2019 Tương ứng với 3 hàm cụ thể : µe = [µeN(x), µeZE(x), µeP(x)] Trong đó ba giá trị cho biến ngôn ngữ được sử dụng là: N: sai lệch âm nhiều, ZE: sai lệch cho phép, P: sai lệch dương nhiều. Ðối với de là đạo hàm của sai lệch e ta chọn de = 0,1 ÷0,1(%/s) tương ứng với 3 hàm sau: µe = [µeN(x), µeZE(x), µeP(x)] Trong đó ba giá trị N: đạo hàm sai lệch biến thiên âm (sai lệch e giảm nhanh). Hình 11. Ðáp ứng ngõ ra của hệ thống với bộ điều ZE: đạo hàm sai lệch biến thiên trong giới khiển mờ khi ngõ vào là tín hiệu hàm bước hạn cho phép ( sai lệch e nằm trong khoảng cho 3. KẾT QUẢ phép). Với tín hiệu hàm bước có giá trị θ = 46 [%], P: đạo hàm sai lệch biến thiên dương (sai ta được đáp ứng ngõ ra và sai lệch của hệ thống lệch e tăng nhanh). với hai bộ điều khiển mờ và PID Ðối với ngõ ra uđk là tín hiệu điều khiển van ta chọn: Uđk =1÷1 Tương ứng với 5 hàm cụ thể như sau: µu=[µuNB(x),µuNS(x),µuZE(x), µuPS(x),µuPB(x)] Trong đó năm giá trị cho biến ngôn ngữ được sử dụng là: NB: đóng van hoàn toàn (đóng nhanh), NS: đóng van ít (đóng chậm), ZE: độ mở van không đổi, PS: mở van ít (mở chậm), PB: mở van hoàn toàn (mở hết, nhanh). Hình 12. Ðáp ứng và sai lệch của hệ thống với bộ 2.5.2. Luật điều khiển, quy tắc hợp thành và điều khiển mờ và PID khi tín hiệu ngõ vào là hàm phương pháp giải mờ Step Thay đổi ngõ vào bằng hàm nấc thang để kiểm tra độ bám của bộ điều khiển mờ và bộ điều khiển PID : Hình 9. Mô hình hệ thống với bộ điều khiển mờ Chọn luật hợp thành MaxMin, giải mờ bằng phương pháp trọng tâm, ta quan sát được sự tác động của các luật và quan hệ vào ra của bộ điều Hình 13. Ðáp ứng và sai lệch của hệ thống với bộ khiển như sau: điều khiển mờ và PID khi tín hiệu ngõ vào là hàm nấc thang Các chỉ tiêu để đánh giá chất lượng hai bộ điều khiển mờ và bộ điều khiển PID như bảng dưới đây: Bảng 3. Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng hai bộ Hình 10. Quan hệ vào/ra giữa e, de và uđk điều khiển mờ và PID Ðáp ứng ngõ ra và sai lệch của bộ điều khiển mờ với ngõ vào là tín hiệu Step có giá trị θref = 46 %. 4. THẢO LUẬN Với việc tính toán tham số các bộ điều khiển P, PI, PID và bộ điều khiển mờ cũng như quá trình mô phỏng hệ thống với các bộ điều khiển đã tổng Nguyễn Thị Mến 4
Tập San – Trường Đại Học Công Nghiệp Quảng Ninh – Số 51 – 2019 hợp với các tín hiệu ngõ vào khác nhau để đánh lượng bốc thoát hơi, lượng mưa hữu hiệu, lượng giá chất lượng điều khiển thấy rằng bộ điều nước tưới và độ ẩm trong đất. Từ đó có thể xác khiển mờ với ưu thế của nó rất phù hợp với đối định lượng nước tuới cần thiết tại một thời điểm tượng có tính phi tuyến, có giá trị đầu vào thay đổi cụ thể tương ứng với độ ẩm yêu cầu của cây liên tục theo thời gian như hệ thống tưới đã nói ở trồng. trên. Thông qua việc nghiên cứu về lý thuyết logic mờ Dựa vào các công cụ mô phỏng của phần và phương pháp tính toán tham số bộ điều khiển mềm Matlab Simulink dã tiến hành mô phỏng PID, dựa vào đặc điểm của mô hình đối tượng đã kiểm chứng để so sánh chất luợng điều khiển của tổng hợp được thông số của bộ điều khiển mờ và hai bộ điều khiển mờ và PID đối với mô hình là bộ điều khiển PID. hệ thống tưới tiết kiệm nước, kết quả cho thấy 6. TÀI LIỆU THAM KHẢO với bộ điều khiển mờ đã đạt được các yêu cầu về [1].TS Lê Xuân Vinh, (2019), Giáo trình logic mờ chất lượng điều khiển. và ứng dụng, NXB Xây dựng, Quy Nhơn. Mặc dù đã đạt được kết quả đề ra nhưng [2]. Hồ Thuần , Đặng Thanh Hà,(2017), Logic mờ bài báo vẫn chưa tổng hợp chính xác hết các thông và ứng dụng, NXB ĐH Quốc gia Hà Nội. số đầu vào của hệ thống như: thời tiết, thổ [3]. TS Nguyễn Trọng Thuấn , (2012) Điều khiển nhưỡng, lượng mưa, chưa đề cập đến khâu đo logic và ứng dụng, NXB KHKT. đếm lưu lượng nước, độ ẩm đất và chưa nghiên [4]. Ngô Trí Dương, (2014), Giáo trình điều khiển cứu thử nghiệm trên thiết bị thực tế. Ðó là các logic, Nhà xuất bản Học viện nông nghiệp. vấn đề dự định tiếp tục phát triển nghiên cứu [5]. TS Nguyễn Thương Ngô, Lý thuyết điều trong thời gian tới. khiển tự động thông thường và hiện đại, ( 2016), 5. KẾT LUẬN NXB KHKT, Hà Nội. Trong bài báo “Ứng dụng điều khiển mờ nâng cao [6]. Bộ Nông nghiệp và phát triển nông thôn, chất lượng hệ thống tưới tiết kiệm nước cho cây Giáo trình cây công nghiệp, (2016),NXB NN công nghiệp” đã giải quyết được các vấn đề cơ [7]. Tìm hiểu về cây công nghiệp Tây Nguyên bản như: Tổng hợp được mô hình tổng quát của (2017). đối tượng là hệ thống tưới cho cây công nghiệp www.fuzzylogic.com/answers . dựa trên mối quan hệ giữa các đại lượng như: Vienemark.com Nguyễn Thị Mến 5