Hiểu biết các điều khiển PID tự thích nghi mờ

Học được rằngBộ điều khiển PIDCó thể tăng cường hệ thống kiểm soát nhiệt độ của bạn. Phát hiện ra

Kể từ nhiều thập kỷ, thuật toán PID đã trở thành nền tảng trong việc điều chỉnh nhiệt độ. Thuật toán điều khiển PID dựa trên một nguyên lý mạnh nhưng đơn giản. Nó so sánh nhiệt độ điểm đặt với nhiệt độ đo được. Tính toán lỗi và sau đó điều chỉnh thiết bị truyền động, chẳng hạn như máy làm mát hoặc máy sưởi, sẽ giảm thiểu lỗi. PID kết hợp ba số hạng, tích phân tỷ lệ và đạo hàm. Thuật ngữ phái sinh giúp làm giảm dao động bằng cách dự đoán các lỗi trong tương lai, dựa trên tốc độ thay đổi. Các bộ điều khiển PID truyền thống có hiệu quả cao đối với các hệ thống tuyến tính, xử lý tốt, nhưng chúng có những hạn chế khi được sử dụng trong các môi trường động và phức tạp.

Sự nhạy cảm của PID đối với các biến đổi trong quá trình là một thử thách lớn. Điều quan trọng là phải điều chỉnh 3 thông số độ lợi của các bộ điều khiển PID (Kp. Em à. Kd) Chính xác.

 Phương pháp này có thể nắm bắt tốt hơn các quá trình trong thế giới thực so với các mô hình toán học.

Điều khiển thích nghi là một khái niệm bổ sung logic mờ. Các bộ điều khiển thích nghi tự động thay đổi các thông số của họ để đáp ứng với bất kỳ thay đổi nào đối với môi trường của quá trình hoặc động lực của nó. Bộ điều khiển có thể duy trì hiệu suất tối ưu của nó khi đặc điểm quá trình thay đổi. Bộ điều khiển PID tự thích ứng mờ là giải pháp cho các vấn đề kiểm soát nhiệt độ. Nó kết hợp logic mờ và cấu trúc PID mạnh mẽ với một cơ chế thích nghi. Bộ điều khiển cung cấp một sự kết hợp của độ chính xác của PID, trí thông minh và tính linh hoạt của logic mờ với sự mạnh mẽ và hiệu suất của PID. Bài viết cung cấp một cái nhìn tổng quan chi tiết về những lợi thế, thiết kế và vận hành của một hệ thống kiểm soát nhiệt độ.

1. Các thành phần cốt lõi

Bất kể phương pháp điều khiển nào được sử dụng, bất kỳ hệ thống điều khiển nhiệt độ nào cũng có một số thành phần làm việc cùng nhau. Điều quan trọng là phải hiểu các thành phần này để có thể đánh giá đầy đủ về cách thức mà bộ điều khiển PID tự thích ứng mờ hoạt động và tương tác với nhau.

Một hệ thống phản hồi vòng kín là cấu trúc cơ bản của một hệ thống để điều khiển nhiệt độ. Bộ cảm biến nhiệt độ là trung tâm của vòng phản hồi này. Nó đo nhiệt độ của môi trường hoặc hệ thống cần được điều chỉnh. Độ chính xác của cảm biến, thời gian đáp ứng và phạm vi đều rất quan trọng, bởi vì chúng ảnh hưởng đến mức độ chính xác của bộ điều chỉnh. Các loại cảm biến nhiệt độ phổ biến nhất bao gồm thermocouple (thermocouple), máy dò nhiệt độ kháng (RTDs), thermistors. Mỗi cái có các tính năng riêng của nó và phù hợp với các mức nhiệt độ khác nhau cũng như các yêu cầu độ chính xác.

Quá trình là tên của hệ thống, hoặc môi trường sẽ được kiểm soát. Nó có thể là lò trong một nhà máy công nghiệp, một phản ứng hóa học, một không gian bên trong một tòa nhà hoặc nơi khác cần kiểm soát nhiệt độ. Điều này bao gồm các loại thiết bị chấp hành và độ phức tạp cần thiết.

Thiết bị chấp hành thực hiện các hành động điều khiển vật lý điều khiển bởi các bộ điều khiển. Thiết bị truyền động chuyển đầu ra từ bộ điều khiển thành hiệu ứng lên nhiệt độ của quá trình. Các thiết bị truyền động phổ biến trong các ứng dụng sưởi ấm bao gồm máy sưởi điện hoặc lò đốt nhiên liệu. Thiết bị chấp hành làm mát có thể là quạt, thiết bị làm lạnh hoặc bộ làm mát bay hơi. Điều quan trọng là phải phù hợp với thiết bị chấp hành với các yêu cầu của quy trình, chẳng hạn như tiêu thụ điện, tốc độ và giới hạn vật lý.

Bộ điều khiển là đơn vị đưa ra quyết định cho hệ thống. Bộ điều khiển nhận được đoạn đọc nhiệt độ từ cảm biến và so sánh nó với nhiệt độ điểm đặt. Nó tính toán bất kỳ lỗi nào, sau đó xác định tín hiệu điều khiển nào nên được gửi đến bộ truyền động. Điều này được thực hiện bằng cách thực hiện một suy luận logic mờ để xác định độ lợi PID dựa trên lỗi hiện tại, tỷ lệ lỗi và nhiệt độ cảm biến. Sau đó, dùng lợi nhuận, nó tính toán đầu ra.

2. Vòng phản hồi là thành phần cuối cùng của hệ thống điều khiển.

PID tự thích nghi mờ dựa trên thuật toán truyền thống PID. Sự đơn giản và hiệu quả của điều khiển PID làm cho nó trở thành một kỹ thuật phổ biến cho các hệ thống điều khiển quá trình. Thuật toán này dựa trên 3 yếu tố sau:

Một số hạng tỷ lệ (P) : đầu ra tỷ lệ thuận với sai số. Sự khác biệt giữa nhiệt độ điểm đặt và nhiệt độ đo được gọi là đầu ra dòng điện. Đầu ra lớn hơn khi sai số lớn hơn, và ngược lại.

Khâu tích phân (I) : đầu ra tỷ lệ thuận với sai số tích phân theo thời gian. Thuật ngữ này được sử dụng để giảm lỗi trạng thái ổn định bằng cách đảm bảo nhiệt độ của quá trình đạt đến điểm đặt ngay cả khi tỷ lệ tỷ lệ không thể làm như vậy.

Số hạng có nguồn gốc (D) : đầu ra tỷ lệ thuận với tỷ lệ thay đổi sai số. Thuật ngữ này giúp dự đoán các lỗi trong tương lai, và làm giảm dao động để cải thiện sự ổn định của hệ thống.

Đây là biểu diễn toán học cho một điều khiển PID chuẩn:

U (t) = Kp * e (t) + Ki * e (t) DT + Kd * de (t)/dt

Ở đâu:

Đầu ra điều khiển là U (t).

Lỗi được tính bằng cách chia nhiệt độ đo được (điểm đặt) theo thời gian T.

Các độ lợi Kp, Kd, và Ki tương ứng là tích phân, đạo hàm và độ lợi tỷ lệ. Các độ lợi xác định cách mà bộ điều khiển phản ứng và do đó là các thông số quan trọng. Chúng phải được điều chỉnh cẩn thận để đảm bảo hiệu suất tối ưu.

Hiệu quả của PID phụ thuộc vào độ chính xác trong điều chỉnh các thông số độ lợi này. Điều chỉnh thủ công có thể yêu cầu phép thử và sửa lỗi rộng rãi và kinh nghiệm. Mặc dù vậy, rất khó để đạt được hiệu suất tối ưu trong tất cả các điều kiện. Bộ điều khiển PID tự thích ứng mờ mang lại một sự cải tiến lớn trong lĩnh vực này.

3. Bộ điều khiển PID tự thích nghi mờ: cơ chế và thiết kế

PID tự thích nghi mờ là một sự tăng cường hiện đại cho thuật toán PID. Bộ điều khiển kết hợp điều khiển PID có cấu trúc với fuzzy Logic' s linh hoạt và trí thông minh, cũng như một cơ chế thích nghi liên tục tối ưu hóa hiệu suất của bộ điều khiển. Để hiểu cách bộ điều khiển hoạt động, bạn cần xem xét kỹ các thành phần và sự tương tác của nó.

A. Fuzzy Logic trong điều khiển PID

Bộ điều khiển PID tự thích ứng mờ vẫn giữ lại, tại cốt lõi của nó, tất cả các tính năng cơ bản của PID, bao gồm các biến đầu vào, đưa ra các biến và cơ chế tính toán. Nó thay thế các tính toán toán học thông thường bằng suy luận logic mờ.

Bộ điều khiển lôgic mờ: đầu vào và đầu ra thường được định nghĩa bằng thuật ngữ ngôn ngữ, ví dụ: lạnh, " nóng, " nóng, "; nóng, "; lớn, ", trung, " nhỏ." Những giá trị ngôn ngữ này được dịch thành các giá trị số bởi hàm thành viên. Điều này mô tả mức độ mà một giá trị đầu vào là một phần của một tập mờ. FLC sử dụng một loạt các quy tắc dựa trên các nguyên liệu. Các quy tắc, thường được biểu thị là " iF-THEN", kết nối các đầu vào với các đầu ra. Đầu ra từ logic mờ sau đó được chuyển thành giá trị số bằng cách sử dụng một phương pháp gọi là Defuzzification.

Quá trình: Đây là tóm tắt về cách mà bộ điều khiển PID tự thích ứng mờ hoạt động. Khi đầu vào, bộ điều khiển sử dụng sai số nhiệt độ hiện tại là E (t), và tốc độ thay đổi trong lỗi de (t/dt. Fuzzification là quá trình chuyển đổi những đầu vào này từ giá trị số sang các thuật ngữ ngôn ngữ bằng cách sử dụng các hàm thành viên định nghĩa trước. Lôgic mờ áp dụng các quy tắc mờ cho các đầu vào để tính các giá trị của độ lợi PID là Kp, Kd và Ki. Các kết quả logic mờ được defuzzified thành các giá trị tăng PID số chính xác. Các độ lợi điều chỉnh được sử dụng để xác định đầu ra điều khiển được gửi đến Actuator U (T).

Lợi ích: Trong bối cảnh này, lợi thế chính của logic mờ là nó có thể xử lý các phi tuyến hiệu quả hơn các điều khiển PID truyền thống. Logic mờ cho phép điều khiển được thực hiện dựa trên mô tả ngôn ngữ của quá trình, chính xác hơn mô hình toán học. Kết quả là cải thiện hiệu suất đặc biệt cho các hệ thống có mối quan hệ phi tuyến giữa đầu vào điều khiển, đầu ra quá trình hoặc những thứ khó khăn để mô hình toán học.

4. Cơ chế tự thích ứng cho phép bộ điều khiển liên tục tối ưu hóa chính nó. Cơ chế điều chỉnh PID đạt được trực tuyến để đảm bảo hiệu suất tối ưu, bất kể thay đổi trong động lực quy trình và điều kiện môi trường.

Hiệu suất giám sát: để đánh giá các hệ thống tự thích ứng#Hiệu năng 39; s phải có khả năng theo dõi tiến độ của nó. Các chỉ số hiệu suất chính được giám sát, chẳng hạn như tích phân các lỗi bình phương (ISE), thời gian giải quyết (thời gian cần thiết cho nhiệt độ của quá trình để ở trong phạm vi dung sai quy định xung quanh điểm đặt) và overshoots (mức độ mà điểm đặt đã được vượt quá trước khi giải quyết). Những số liệu này được tính toán liên tục bởi bộ điều khiển dựa trên cả tín hiệu lỗi cũng như phản hồi của quá trình.

Nhu cầu điều chỉnh: Hệ thống tự thích ứng xác định liệu lợi ích PID hiện đang đạt được là đủ hay liệu điều chỉnh là cần thiết. Cơ chế này sẽ kích hoạt quá trình thích ứng nếu hiệu suất giảm xuống dưới một ngưỡng chỉ ra system' s kém hiệu quả. Các tiêu chí cụ thể để kích hoạt sự thích ứng có thể được thiết kế theo nhu cầu của một ứng dụng.

Điều chỉnh trực tuyến: sau đó, hệ thống tự thích nghi tính toán các giá trị mới của độ lợi PID. Điều này thường được thực hiện lại bằng logic mờ, nhưng lần này các giá trị điều chỉnh dựa trên lỗi, tỷ lệ lỗi và độ lệch trong hiệu suất. Các quy tắc mờ này được thiết kế để cải thiện hiệu suất của hệ thống bằng cách tăng hoặc giảm độ lợi. Những lợi nhuận mới sẽ được thực hiện trong các tính toán PID, điều này tiếp tục theo dõi hiệu suất của hệ thống và điều chỉnh khi cần thiết. Điều chỉnh trực tuyến đảm bảo bộ điều khiển luôn hoạt động với những lợi ích tốt nhất có sẵn cho các điều kiện.

5. Synergy của Fuzzy Logic + Self-adaptation (bằng tiếng Anh)

Logic mờ cung cấp trí thông minh để đưa ra các quyết định thích ứng. Nó cho phép các bộ điều khiển đối phó với quá trình phi tuyến phức tạp và đưa ra quyết định sử dụng quy tắc ngôn ngữ. Các cơ chế tự thích ứng đảm bảo rằng bộ điều khiển liên tục tối ưu hóa, và điều chỉnh PID đạt được trực tuyến để duy trì hiệu suất tối ưu bất kể thay đổi trong động lực quá trình hoặc điều kiện môi trường. Logic mờ cung cấp trí thông minh để đưa ra các quyết định thích ứng. Nó cho phép các bộ điều khiển đối phó với quá trình phi tuyến phức tạp và đưa ra quyết định sử dụng quy tắc ngôn ngữ. Các cơ chế tự thích ứng đảm bảo rằng bộ điều khiển liên tục tối ưu hóa hiệu suất của nó và điều chỉnh PID đạt được trực tuyến để duy trì hiệu suất tối ưu bất kể thay đổi trong động lực học quá trình hoặc điều kiện môi trường. Bộ điều khiển có thể thực hiện tốt hơn và mạnh mẽ hơn các điều khiển PID thông thường.

Nhận dạng hệ thống: Hiểu các đặc tính của quá trình nhiệt độ cần được điều khiển là bước đầu tiên. Cần thu thập dữ liệu về quá trình nhiệt độ phản ứng như thế nào với các thay đổi môi trường và kiểm soát đầu vào. Quá trình nhận dạng hệ thống cung cấp thông tin cần thiết để tạo ra một bộ điều khiển hiệu quả, và xác định các thông số của các cơ chế logic thích ứng và mờ.

Thiết kế điều khiển Logic mờ: Trong bước này, bạn sẽ thiết kế chính điều khiển Logic mờ. Các quy tắc mờ sau đó được xây dựng. Điều này bao gồm việc xác định các tham số đầu vào và đầu ra, chọn các hàm thành viên thích hợp và xây dựng nên logic mờ. Đối với những người không có kiến thức sâu rộng về lôgic mờ, có nhiều công cụ phần mềm sẽ giúp họ thiết kế và bổ sung các bộ điều khiển logic mờ.

Thiết kế Logic tự thích nghi trong bước này, Logic được thiết kế để theo dõi và điều chỉnh lợi ích PID trong thời gian thực. Có thể cần thiết phải thiết kế các quy tắc mờ xác định cách lợi được xác định dựa trên các số liệu hiệu suất, tỷ lệ lỗi và các lỗi hiện tại.

Tích hợp: Tiếp theo, tích hợp bộ điều khiển PID tự thích ứng vào phần còn lại của hệ thống điều khiển nhiệt độ. Kết nối bộ điều khiển, cảm biến và thiết bị truyền động là cần thiết. Kết nối bộ điều khiển với cả cảm biến và bộ truyền động để truyền tín hiệu.

Điều chỉnh và kiểm thử: Ở giai đoạn cuối cùng, bạn sẽ kiểm tra và điều chỉnh hệ thống. Có thể cần phải tiến hành mô phỏng hoặc thử nghiệm để đánh giá hiệu quả của hệ thống. Có thể cần điều chỉnh các quy tắc mờ hoặc tham số thích ứng để đạt được kết quả mong muốn.

6. Ví dụ về ứng dụng: lò nướng công nghiệp

Một bộ điều khiển PID tự thích ứng mờ nhạt là một giải pháp hiệu quả cao cho lò công nghiệp. Trong nhiều ngành công nghiệp, các lò nướng là thiết yếu cho làm khô, nướng và đông cứng các quy trình. Kiểm soát nhiệt độ chính xác đảm bảo chất lượng và hiệu quả sản phẩm. Bộ điều khiển PID tự thích ứng mờ có thể xử lý các cấu hình sưởi ấm phức tạp và duy trì sự ổn định mặc dù có những thay đổi về tải. Nó cũng đáp ứng với sự xáo trộn và cải thiện tính nhất quán của sản phẩm.

Mô tả quy trình và kiểm soát lò:

Lò công nghiệp hoạt động bằng cách làm nóng các vật liệu bên trong một nhiệt độ nhất định trong một thời gian xác định. Tùy thuộc vào sản phẩm, hồ sơ của OVEN' nhiệt độ s có thể khác nhau. Cũng có thể cần thiết để giữ nhiệt độ ở một mức độ nhất định để đạt được chất lượng mong muốn. Các yêu cầu kiểm soát để kiểm soát bao gồm duy trì độ chính xác của nhiệt độ, giảm thiểu biến động nhiệt độ và đảm bảo thậm chí làm nóng toàn bộ lò. Điều khiển PID tự thích ứng mờ có thể quản lý các yếu tố làm nóng hiệu quả để đáp ứng các yêu cầu này. Bộ điều khiển có thể thay đổi công suất đầu ra dựa trên lỗi hiện tại về nhiệt độ và tốc độ lỗi thay đổi. Các cơ chế tự thích ứng đảm bảo rằng bộ điều khiển điều chỉnh độ lợi PID trong quá trình bay, tối ưu hóa hành động điều khiển dựa trên các điều kiện hoạt động. Kết quả là chất lượng sản phẩm được cải thiện, tiêu thụ năng lượng thấp hơn và hiệu suất tốt hơn.

7. Lợi ích trong thế giới thực:

Thực hiện bộ điều khiển tự thích nghi PID mờ nhạt mang lại những lợi ích vượt ra ngoài lý thuyết. Nó có thể cung cấp những cải tiến hữu hình cho ứng dụng trong thế giới thực. Những cải tiến về hiệu suất làm thành nhiều ưu điểm:

Hiệu suất cao trong việc từ chối nhiễu: Bộ điều khiển PID tự thích ứng mờ có khả năng loại bỏ nhiễu. Bộ điều khiển có thể điều chỉnh nhiệt độ của nó nhanh chóng tính đến các yếu tố bên ngoài, chẳng hạn như thay đổi nhiệt độ môi trường xung quanh hoặc biến đổi tải. Điều quan trọng là phải giữ cho nhiệt độ ổn định mặc dù có sự xáo trộn bên ngoài, đặc biệt là đối với các quá trình bị ảnh hưởng bởi sự dao động nhiệt độ. Giảm chất thải, tăng sản lượng và tính nhất quán trong chất lượng sản phẩm là kết quả.

Cải thiện việc xử lý các phi tuyến trong cuộc sống thực, nhiều quá trình hiển thị hành vi phi tuyến. Điều này là do mối quan hệ giữa đầu vào điều khiển với quá trình đầu ra là phi tuyến. Điều khiển PID tự thích nghi mờ đặc biệt rất phù hợp để xử lý không tuyến tính. Lôgic mờ cho phép bộ điều khiển mô hình hóa tốt hơn mối quan hệ phi tuyến giữa đầu vào điều khiển, đầu ra xử lý và các mối quan hệ của chúng.

Ít nhạy cảm hơn với việc xử lý thay đổi tham số: Nhờ các cơ chế tự thích nghi, bộ điều khiển sẽ không quá nhạy với bất kỳ biến thể nào. Bộ điều khiển sẽ duy trì hiệu suất tối ưu của nó, ngay cả khi các đặc điểm của sự thay đổi quy trình, chẳng hạn như thay đổi điều kiện tải hoặc các thành phần cũ. Sự linh hoạt này là một lợi thế quan trọng vì nó loại bỏ sự cần thiết phải can thiệp thủ công và cung cấp hiệu suất nhất quán.

Thời gian đáp ứng nhanh hơn và độ ổn định lớn hơn: PID tự thích nghi mờ có thể cung cấp tốc độ đáp ứng nhanh hơn và ổn định hơn SO với PID thông thường. Thành phần logic mờ có thể mô hình hóa các quá trình phức tạp, và cơ chế tự điều chỉnh liên tục tối ưu hóa các hoạt động điều khiển. Kết quả là chất lượng sản phẩm được cải thiện, tiêu thụ năng lượng thấp hơn và hiệu suất tốt hơn.