RealTEQ Academy

1. i
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN & TRUYỀN THÔNG
MẪN THỊ HOA
ĐIỀU KHIỂN VÀ ỔN ĐỊNH MỨC NƯỚC ỨNG DỤNG BỘ
ĐIỀU CHỈNH PID VÀ LOGIC MỜ
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
THÁI NGUYÊN – 2020

2. ii
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN & TRUYỀN THÔNG
MẪN THỊ HOA
ĐIỀU KHIỂN VÀ ỔN ĐỊNH MỨC NƯỚC ỨNG DỤNG BỘ
ĐIỀU CHỈNH PID VÀ LOGIC MỜ
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số: 8520216
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
Người hướng dẫn khoa học:
TS. DƯƠNG CHÍNH CƯƠNG
THÁI NGUYÊN – 2020

3. iii
LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là: Mẫn Thị Hoa
Sinh ngày 03 tháng 04 năm 1987
Học viên lớp cao học khoá 17- Kỹ thuật điều khiển và tự động hoá -
Trường Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông - Đại học Thái Nguyên.
Hiện đang công tác tại Khoa Điện tử, Tin học Trường Cao đẳng Cơ điện
và Xây dựng Bắc Ninh.
Tôi xin cam đoan: Bản luận văn: “Điều khiển và ổn định mức nước ứng
dụng bộ điều chỉnh PID và logic mờ” do thầy giáo TS. Dương Chính Cương
hướng dẫn là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Tất cả các tài liệu tham khảo
đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng. Các số liệu, kết quả trong luận văn là hoàn
toàn trung thực và chưa từng ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Nếu
sai tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm.
Thái Nguyên, ngày 18 tháng 11 năm 2020
Tác giả luận văn
Mẫn Thị Hoa
LỜI CẢM ƠN

4. iv
Sau một thời gian nghiên cứu, được sự động viên, giúp đỡ và hướng dẫn
tận tình của thầy giáo TS. Dương Chính Cương, luận văn với đề tài “Điều khiển
ổn định mức nước ứng dụng bộ điều chỉnh PID và logic mờ” đã hoàn thành.
Tác giả xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến:
Thầy giáo hướng dẫn TS. Dương Chính Cương đã tận tình chỉ dẫn, giúp
đỡ tác giả hoàn thành luận văn này.
Phòng quản lý đào tạo sau đại học, các thầy giáo, cô giáo Khoa Công nghệ
Tự động hoá Trường Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông - Đại học
Thái Nguyên đã giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập cũng như trong quá
trình nghiên cứu đề tài.
Toàn thể các đồng nghiệp, bạn bè, gia đình và người thân đã quan tâm, động
viên, giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn.
Thái Nguyên, ngày 18 tháng 11 năm 2020
Tác giả luận văn
Mẫn Thị Hoa

5. iii
MỤC LỤC
Lời cam đoan.........…………………………………….………………………i
Lời cảm ơn….………………………………………………………………...ii
Mục lục....................................................................................................... iii
Danh mục các thuật ngữ, ký hiệu viết tắt.....................................................v
Danh mục bảng biểu.................................................................................. vii
Danh mục hình ảnh .................................................................................. viii
MỞ ĐẦU .....................................................................................................1
NỘI DUNG..................................................................................................5
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH
MỨC NƯỚC...............................................................................................5
1.1.Tổng quan hệ thống ổn định mức nước ................................................5
1.1.1.Sự cần thiết ổn định mức nước ...........................................................5
1.1.2.Ứng dụng của hệ thống ổn định mức nước ........................................5
1.2.Điều khiển ổn định mức nước và sự cần thiết phải ứng dụng tự động
hóa....... .......................................................................................................12
1.3. Các phương thức điều khiển ...............................................................13
1.4. Đặt bài toán điều khiển mức nước .....................................................15
1.5. Kết luận chương 1...............................................................................17
CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ......................................18
2.1. Phương pháp điều khiển PID ..............................................................18
2.2. Phương pháp điều khiển sử dụng logic mờ.........................................20
2.2.1. Lịch sử phát triển logic mờ ..............................................................20
2.2.2. Cơ sở lý thuyết mờ...........................................................................21
2.2.3. Mô hình mờ TSK .............................................................................35
2.2.4. Bộ điều khiển mờ cơ bản .................................................................36
2.3. Kết luận chương 2...............................................................................38

6. iv
CHƯƠNG 3 ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH MỨC NƯỚC ỨNG DỤNG BỘ
ĐIỀU CHỈNH PID VÀ LOGIC MỜ ......................................................38
3.1. Mô hình của bồn chứa.........................................................................38
3.2. Khảo sát đối tượng bồn chứa ..............................................................42
3.3. Phương án sử dụng bộ điều khiển PID ...............................................45
3.4. Phương án sử dụng bộ điều khiển mờ.................................................50
3.5. Kết luận chương 3....................................................................................58
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI...........................59
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...........................................................................60

7. v
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
*Các toán tử
Min phép lấy min
Max phép lấy max
Sum phép lấy tổng
PROD phép nhân
*Các ký hiệu
A,B,C tập mờ A, B, C
AC
tập bù của tập mờ A
'
B miền mờ đầu ra
 
A
x
 hàm liên thuộc
 
'
B
y
 hàm liên thuộc tập mờ đầu ra
Ri luật hợp thành
Aik(xk) độ phụ thuộc của xkvào tập mờ Aik
KP , KI , KD các hệ số của bộ điều khiển PID
i
Q Lưu lượng nước chảy vào bình ( 3
/
m s);
max
i
Q Lưu lượng nước chảy vào bình lớn nhất ( 3
/
m s);
o
Q Lưu lượng nước chảy ra khỏi bình ( 3
/
m s);
H Mực nước trong bình (m );
max
H Mực nước cao nhất trong bình (m );
A Tiết diện bình ( 2
m );
a Tiết diện đường ống dẫn nước ra khỏi bình ( 2
m );
V Thể tích nước trong bình ( 3
m );
g Gia tốc trọng trường (9.8 2
/
m s );
p Vị trí góc mở của van lưu lượng, thay đổi từ 0 tới 1.

8. vi
*Các từ viết tắt
Từ viết
tắt
Thuật ngữ tiếng anh Thuật ngữ tiếng việt
PID Proportional Intergral Derivative
Bộ điều khiển vi tích phân tỉ
lệ
HTĐK Hệ thống điều khiển
MIMO Multiple In Multiple Out Nhiều đầu vào, nhiều đầu ra
SISO Single Input Single Output một đầu vào, một đầu ra
TS Takagi – Sugeno Mô hình mờ TS
TSK Takagi – Sugeno – Kang Mô hình mờ tuyến tính TSK
MCFC Control Mamdani Điều khiển Mamdani
SMFC Điều khiển mờ trượt
CMFC Điều khiển tra bảng
TSFC Điều khiển Tagaki/ Sugeno
N Negative Âm
M Medium Trung bình
P Positive Dương
B Big Lớn
S Small Nhỏ
VB Very Big Rất lớn
VN Very Negative Rất âm
VP Very Positive Rất dương
Z Zero Không
MATLAB Matrix Laboratory
Là phần mềm cho phép tính
toán số với ma trận, vẽ đồ thị
hàm số, thuật toán...

9. vii
DANH MỤC BẢNG BIỂU
TT Tên bảng biểu Trang
Bảng 3.1. Các tham số bồn chứa................................................................ 42
Bảng 3.2. Các tham số PID tìm được theo tiêu chuẩn tích phân................. 48
Bảng 3.3. Bảng tổng hợp các mệnh đề hợp thành....................................... 54

10. viii
DANH MỤC HÌNH ẢNH
TT Tên hình Trang
Hình 1.1. Hệ thống làm mát bình ngưng trong một nhà máy nhiệt
điện..............
6
Hình 1.2. Sơ đồ nguyên lý một nhà máy nhiệt điện
than......................................
7
Hình 1.3. Sơ đồ nguyên lý một nhà máy điện hạt
nhân........................................
8
Hình 1.4. Sơ đồ xử lý nước
thải............................................................................
9
Hình 1.5. Sơ đồ quy trình xử lý nước
cấp.............................................................
10
Hình 1.6. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của một dây chuyền sản xuất
nước..........
11
Hình 1.7. Hệ thống công trình máy
bơm..............................................................
12
Hình 1.8. Mô hình hệ thống bồn
nước..................................................................
18
Hình 2.1. Sơ đồ khối của bộ điều khiển
PID……………………………............
18
Hình 2.2. Hàm đặc
trưng………………………………………………………..
21
Hình 2.3. Miền trong logic
mờ………………………………………………….
22
Hình 2.4. Tập mờ tuyến
tính.................................................................................
23
Hình 2.5. Dạng đường cong S, hình
chuông…………………………………....
23

11. ix
Hình 2.6. Dạng hình thang và tam
giác………………………………………....
24
Hình 2.7. Hai tập nhanh chậm có hàm đặc trưng hình
thang................................
24
Hình 2.8. Tập bù mạnh AC của
A……………………………………………....
26
Hình 2.9. Xác định miền G chứa giá trị rõ
y’.......................................................
29
Hình 2.10. Giá trị rõ y’ phụ thuộc vào đáp ứng vào của luật điều khiển
quyết...
30
Hình 2.11. Giá trị rõ y’ phụ thuộc tuyến tính vào độ thỏa
mãn............................
31
Hình 2.12. Giá trị rõ y’ không phụ thuộc vào đáp ứng vào của luật điều
khiển
31
Hình 2.13. Giá trị rõ y’ là hoành độ của điểm trọng
tâm......................................
32
Hình 2.14. Xác định giá trị rõ y’ theo phương pháp điểm trọng tâm
..................
32
Hình 2.15. Tập mờ có hàm thuộc hình
thang........................................................
34
Hình 2.16. Giải mờ theo quy ước
singleton……………………………………..
34
Hình 2.17. Cấu trúc của bộ điều khiển mờ
TSK...................................................
35
Hình 2.18. Bộ điều khiển mờ cơ
bản....................................................................
37
Hình 2.19. Nguyên lý điều khiển
mờ....................................................................
37

12. x
Hình 3.1. Cấu trúc của bồn
chứa...........................................................................
39
Hình 3.2. Cấu trúc hệ điều khiển
kín....................................................................
41
Hình 3.3.Sơ đồ cấu trúc đối
tượng.......................................................................
42
Hình 3.4. Sơ đồ cấu trúc của
PID.........................................................................
43
Hình 3.5. Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều chỉnh mức
nước...............................
43
Hình 3.6. Đáp ứng quá trình quá độ với
Kp=5.....................................................
44
Hình 3.7. Đáp ứng quá trình quá độ với
Kp=10...................................................
45
Hình 3.8. Đồ thị đáp ứng của hệ kín
...................................................................
49
Hình 3.9. Chương trình mô phỏng HT ĐK với
PID.............................................
50
Hình 3.10. Đáp ứng chiều cao mức nước
H.........................................................
50
Hình 3.11. Hàm thuộc của biến
E.......................................................................
52
Hình 3.12. Hàm thuộc của biến
DE......................................................................
52
Hình 3.13. Hàm thuộc của
biếnV.........................................................................
53
Hình 3.14. Chương trình mô phỏng HT ĐK với
Fuzzy........................................
54

13. xi
Hình 3.15. Đáp ứng chiều cao mức nước H với HTĐK
Fuzzy............................
55
Hình 3.16. Cửa sổ Rule
Viewer…………………………………………...........
55
Hình 3.17. Chương trình mô phỏng HT ĐK với Fuzzy và PID đưa qua bộ
mux.
56
Hình 3.18. So sánh đáp ứng chiều cao mức nước H với khi dùng Fuzzy và
PID
57

14. 1
MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề
Hiện nay, trong công nghiệp hóa lọc dầu, công nghiệp hóa chất, công
nghiệp xử lý nước, sản xuất giấy, sản xuất điện năng…Vấn đề điều khiển mức,
lưu lượng dòng chảy cần đáp ứng với độ chính xác cao để phục vụ quá trình
sản xuất đạt hiệu quả tốt hơn. Chính vì vậy, vấn đề đặt ra trong đề tài là điều
khiển lưu lượng dòng chảy để ổn định mức chất lỏng với độ chính xác cao. Với
yêu cầu ứng dụng thực tế như vậy, đề tài nghiên cứu đối tượng chính ở đây là
hệ bồn nước. Hệ bồn nước được hình thành với hệ thống bơm và xả chất lỏng
nhưng luôn giữ ổn định theo giá trị mức đặt trước, cột chất lỏng của bồn được
duy trì ổn định. Để làm được điều này thì đòi hỏi phải điều khiển đóng mở các
van để điều tiết lưu lượng dòng chảy cũng như điều khiển lưu lượng chất lỏng
từ máy bơm bơm vào hệ thống bồn nước, làm mức nước trong bồn luôn luôn
giữ một giá trị đặt trước là không đổi [2,3,4].
Việc điều khiển hệ thống này để giữ được mức chất lỏng trong bồn ổn
định là tương đối khó, cần phải có sự điều khiển phối hợp giữa các van và máy
bơm. Với sự phát triển của kỹ thuật điều khiển tự động hiện nay [2] thì có nhiều
cách để điều khiển mức chất lỏng của hệ thống bồn nước như PID kinh điển,
logic mờ...Bộ điều khiển PID được sử dụng rộng rãi trước đây để điều khiển
giữ mức nước cố định khi các vấn đề về nhiễu chưa đủ mạnh. Khi chúng trở
nên có tác động đáng kể đến chất lượng điều khiển thì phải có phương pháp
điều khiển khác bổ sung cho bộ điều khiển PID để bù lại những khiếm khuyết
của bộ điều khiển này. Một trong những phương pháp điều khiển hiện đại được
áp dụng rộng rãi hiện nay là ứng dụng logic mờ vào điều khiển [1,7,8]. Bộ điều
khiển mờ vừa có thể tích hợp kiến thức của các chuyên gia trong thao tác vào
các bộ điều khiển, quan hệ giữa các đầu vào và đầu ra của hệ điều khiển logic
mờ được thiết lập thông qua việc lựa chọn các luật điều khiển mờ trên các biến

15. 2
ngôn ngữ. Mặt khác khối lượng công việc thiết kế giảm đi nhiều nên chất lượng
điều khiển được nâng cao.
2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
2.1. Đối tượng:
- Hệ thống bồn nước
- Nghiên cứu thiết kế các bộ điều khiển dựa trên cơ sở PID, logic mờ áp
dụng cho bài toán điều khiển mức nước .
2.2. Phạm vi nghiên cứu:
- Nghiên cứu xây dựng khảo sát mô hình toán của hệ thống bồn nước bằng
các phương pháp điều khiển PID, bộ điều khiển dựa trên logic mờ.
- Mô phỏng hệ thống điều khiển trên matlab-Simulink
- Đánh giá kết quả nghiên cứu.
3. Hướng nghiên cứu của đề tài
- Nghiên cứu lý thuyết logic mờ, lý thuyết bộ điều khiển PID.
- Nghiên cứu khả năng ứng dụng bộ điều khiển PID và logic mờ trong
điều khiển nói chung.
- Nghiên cứu điều khiển hệ thống bồn nước.
4. Những nội dung nghiên cứu chính
Luận văn dự kiến được chia làm 03 chương: Đề tài tập trung nghiên
cứu một số nội dung chính sau:
Chương 1: Bài toán điều khiển ổn định mức nước
1.1. Tổng quan hệ thống ổn định mức nước .
1.2. Điều khiển ổn định mức nước và sự cần thiết phải ứng dụng tự động
hóa.
1.3.Các phương thức điều khiển
1.4. Đặt bài toán điều khiển mức nước

16. 3
1.5. Kết luận chương 1
Chương 2: Phương pháp điều khiển
2.1. Phương pháp điều khiển PID
2.2. Phương pháp điều khiển sử dụng logic mờ
2.3. Kết luận chương 2
Chương 3: Điều khiển ổn định mức nước ứng dụng bộ điều chỉnh PID
và logic mờ.
3.1. Mô hình của bồn chứa
3.2. Khảo sát đối tượng bồn chứa
3.3. Phương án sử dụng bộ điều chỉnh PID
3.4. Phương án sử dụng bộ điều khiển mờ
3.5. Kết luận chương 3
5. Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu lý thuyết liên quan đến luận văn: Lý thuyết về logic mờ và
bộ điều chỉnh PID
- Nghiên cứu giải pháp sử dụng bộ điều chỉnh PID và logic mờ
- Phân tích, tính toán lý thuyết kết hợp với thực nghiệm mô phỏng. Sử dụng
công cụ hiện đại như logic mờ và Matlab-Simulink [6].
6. Ý nghĩa khoa học của đề tài
Ứng dụng logic mờđể thiết kế, tính toán bộ điều khiển áp dụng để điều
khiển ổn định mức nước nhằm nâng cao chất lượng của hệ thống như:điều
khiển đóng mở các van để điều tiết lưu lượng dòng chảy cũng như điều
khiển lưu lượng chất lỏng từ máy bơm bơm vào hệ thống bồn nước. Xây
dựng mô hình toán học, thiết kế và cài đặt thuật toán điều khiển, mô phỏng
hệ thống ổn định mức nước trên máy tính bằng phần mềm matlab-Simulink
[6].

17. 4
Là kết quả đạt được trong lĩnh vực điều khiển sử dụng logic mờ. Việc sử
dụng logic mờ trong điều khiển có khả năng cài đặt các tri thức, kinh nghiệm
của chuyên gia. Hệ thống sử dụng nhiều trong công nghiệp hóa lọc dầu,
công nghiệp hóa chất, công nghiệp xử lý nước, sản xuất giấy,sản xuất xi
măng…cũng như trong các lĩnh vực khác của đời sống.

18. 5
NỘI DUNG
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH MỨC NƯỚC
1.1. Tổng quan hệ thống ổn định mức nước
1.1.1. Sự cần thiết ổn định mức nước
Hiện nay, sự nghiệp công nghiệp hóa hiện đại hóa ngày càng phát triển
mạnh mẽ, sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, trong đó kỹ thuật điều khiển tự
động cũng góp phần rất lớn tạo điều kiện để nâng cao hiệu quả trong quá trình
sản xuất.
Trong các ngành công nghiệp sản xuất chất lỏng như hóa chất, nước uống
đóng chai, sữa, nước mắm, dầu ăn…vấn đề cần điều khiển mức, lưu lượng dòng
chảy cần đáp ứng với độ chính xác cao để phục vụ quá trình sản xuất đạt hiệu
quả tốt hơn, đảm bảo quá trình sản xuất các chất lỏng không bị gián đoạn, tăng
tuổi thọ thiết bị. Người vận hành không cần phải trực tiếp kiểm tra trong các
bồn chứa hoặc đóng mở bơm liên tục, vấn đề bị cạn hay tràn trong bồn chứa
chất lỏng hoàn toàn được khắc phục cho dù đầu ra thay đổi. Chính vì vậy chúng
ta cần thiết phải “ Ổn định mức nước ”.
1.1.2. Ứng dụng của hệ thống ổn định mức nước
Hệ thống ổn định mức nước được ứng dụng nhiều trong các lĩnh vực Công
nghiệp, Nông nghiệp, ở nhiều Công ty, Xí nghiệp và các nhà máy như: công
nghiệp hóa lọc dầu, công nghiệp hóa chất, công nghiệp xử lý nước, sản xuất
giấy, sản xuất điện năng, bể chứa nước thải... Ứng dụng kiểm soát mức nước
điều chỉnh mức nước trong bể để giảm lượng nước thừa trong bể. Ngoài ra hệ
thống này còn tăng khả năng điều chỉnh của bể, để đảm bảo đầu ra ổn định tới
hệ thống nước thải và xử lý nước thải.
Có nhiều phương pháp để giám sát và quản lý chất lỏng như: phương pháp
thủ công, phương pháp tự động hóa. Và ngày này phần lớn đều sử dụng phương

19. 6
pháp tự động hóa nhằm giảm bớt sức lao động con người, tăng hiệu quả sản
xuất về kinh phí cũng như độ chính xác.
Hệ thống ổn định mức nước được ứng dụng trong một số lĩnh vực cụ thể
như sau:
1.1.2.1. Lĩnh vực sản xuất điện
+Nhiệt điện
Phần lớn việc giám sát và quản lý chất lỏng trong các nhà máy nhiệt điện
tập trung vào hệ thống làm mát cho các bình ngưng
Hình 1.1. Hệ thống làm mát bình ngưng trong một nhà máy nhiệt điện
Trong nhà máy nhiệt điện đốt than dùng Tuabin ngưng hơi, hệ thống tuần
hoàn bình ngưng làm nhiệm vụ rất quan trọng trong chu trình nhiệt. Nó giúp
thải một lượng nhiệt khá lơn ra bên ngoài (40-45%) lượng nhiệt mà nước nhận
được từ lò hơi. Tuy lượng nhiệt phải thải đi là lớn nhưng lại phải diễn ra ở điều
kiện nhiệt độ thải nhiệt gần với nhiệt độ môi trường. Chính vì thế mà hiệu quả

20. 7
thải nhiệt phụ thuộc vào những yếu tố môi trường và điều kiện truyền nhiệt
trong bình ngưng.
Ngoài ra việc giám sát và quản lý ổn định mức nước cũng được ứng dụng
trong hệ thống làm mát của các nhà máy nhiệt điện.
Hình 1.2. Sơ đồ nguyên lý một nhà máy nhiệt điện than
+ Điện hạt nhân
Cũng giống như nhà máy nhiệt điện nhà máy điện hạt nhân việc giám sát
quản lý ổn định mức nước được ứng dụng trong các hệ thống làm mát.

21. 8
Hình 1.3. Sơ đồ nguyên lý một nhà máy điện hạt nhân
+ Thủy điện
Thủy điện là năng lượng điện có được từ nguồn nước, đa số năng lượng
điện có được từ thế năng của nước tích tại các đập nước làm quay Tuabin nước
và máy phát điện.
Do việc lấy nước là năng lượng chính trong việc sản xuất điện nên việc
điều tiết nước sao cho hợp lý và hiệu quả tùy vào thời điểm, lượng tiêu thụ điện,
cũng như đảm bảo việc xả nước cần đến tự động hóa nhằm đảm bảo độ chính
xác, tính hiệu qủa và hợp lý.
Ở nhà máy thủy điện thường có hệ thống tự động đo và điều chỉnh lưu
lượng nước trong hồ, lưu lượng nước chảy vào hệ thống điều khiển Tuabin làm
quay máy phát điện.
1.1.2.2. Lĩnh vực xử lý nước thải

22. 9
Nước thải có ở mọi nơi như khu dân cư, công ty bệnh viện xí nghiệp. Vấn
đề xử lý nước thải luôn là vấn đề nóng được quan tâm giải quyết và xử lý sao
cho hiệu quả nhằm bảo vệ sức khỏe và môi trường.
Hình 1.4. Sơ đồ xử lý nước thải
Từ sơ đồ trên ta thấy các bể chứa đều được liên kết với nhau và vận hành
theo chu trình khép kín. Chính vì vậy mà cần có sự tự động hóa để điều
chỉnh và ổn định mức nước đảm bảo cho hệ thống hoạt động đạt hiệu quả
tốt nhất. Từ đó giúp làm tăng hiệu suất của hệ thống và giảm chi phí vận
hành.
1.1.2.3. Nhà máy sản xuất nước
Với tình trạng công nghiệp hoá như hiện nay, nguồn nước sạch đang bị
ô nhiễm nặng nề. Chính vì vậy các nhà máy sản xuất nước sạch, nước tinh

23. 10
khiết đóng chai... được xây dựng ở khắp nơi nhằm cung cấp đầy đủ nhu cầu
sử dụng của người dân. Do lượng nước sạch tiêu thu không cố định nên hệ
thống cấp nước phải được điều khiển sao cho áp suất bơm trong đường ống
luôn ổn định.
Hình 1.5. Sơ đồ quy trình xử lý nước cấp
Hầu hết các nhà may sản xuất nước tinh khiết trên thị trường hiện nay
đều sử dụng công nghệ giám sát điều khiển tự động nhằm ổn định mức nước .
Nước được bơm từ nguồn đưa qua hệ thống lọc nước gồm các bể chứa, qua các
giai đoạn xử lý và cuối cùng đưa đến đầu ra.

24. 11
Hình 1.6. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của một dây chuyền sản xuất
nước tinh khiết

25. 12
1.1.2.4. Công nghệ lọc hóa dầu, tháp nước tự động, trạm bơm nước lớn
Lọc hóa dầu, tháp nước và các trạm bơm lớn việc ứng dụng tự động hóa
vào để ổn định mức nước bình chứa cũng được áp dụng. Nó đảm bảo độ chính
xác cao và nâng cao năng suất đồng thời giảm bớt chi phí sản xuất.
Hình 1.7. Hệ thống công trình máy bơm
1.2. Điều khiển ổn định mức nước và sự cần thiết phải ứng dụng tự động hóa
Với yêu cầu ứng dụng thực tế trên, đối tượng đề tài thực hiện chính ở đây
là hệ thống bồn nước. Hệ thống bồn nước được hình thành với hệ thống bơm
và xả chất lỏng nhưng luôn giữ ổn định theo giá trị mức đặt trước, mức chất
lỏng trong bồn được duy trì ổn định. Để làm được điều này, nó đòi hỏi ta phải
điều khiển lưu lượng chất lỏng từ máy bơm vào hệ thống bồn nước, làm mức

26. 13
nước trong bồn luôn giữ một giá trị đặt trước là không đổi. Việc điều khiển hệ
thống để giữ được mức chất lỏng trong bồn ổn định là tương đối khó, cần phải
có sự đáp ứng nhanh để điều khiển máy bơm khi lưu lượng nước xả thay đổi.
Khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển, đặc biệt là ngành Kỹ thuật điều
khiển và tự động hóa, nó được ứng dụng rộng rãi trong đời sống, công nghiệp.
Vì vậy cần phải có những bộ điều khiển hiện đại, chính xác và đáng tin cậy
ứng dụng tự động hóa với độ chính xác, ổn định và độ tin cậy cao.
1.3. Các phương thức điều khiển
1.3.1. Các hệ thống điều khiển hệ tuyến tính
Khi khảo sát đặc tính động học của một đối tượng điều khiển hay một hệ
thống, thông thường các đối tượng khảo sát được xem là tuyến tính, dẫn đến
phép mô tả hệ thống bằng một hệ phương trình vi phân tuyến tính. Sử dụng
nguyên lý xếp chồng của hệ tuyến tính, ta có thể dễ dàng tách riêng các thành
phần đặc trưng cho từng chế độ làm việc để nghiên cứu với những công cụ toán
học chặt chẽ, chính xác nhưng đơn giản và hiệu quả. Sử dụng mô hình tuyến
tính để mô tả hệ thống có nhiều ưu điểm như:
- Mô hình đơn giản, các tham số mô hình tuyến tính dễ dàng xác định được
bằng các phương pháp thực nghiệm mà không cần phải đi từ những phương
trình hoá lý phức tạp mô tả hệ.
- Các phương pháp tổng hợp bộ điều khiển tuyến tính rất phong phú và
không tốn nhiều thời gian để thực hiện.
- Cấu trúc đơn giản của mô hình cho phép theo dõi được kết quả điều
khiển một cách dễ dàng và có thể chỉnh định lại mô hình cho phù hợp với yêu
cầu thực tế.
Chính vì những ưu điểm này của mô hình tuyến tính mà lý thuyết điều
khiển tuyến tính và mô hình tuyến tính đã có được miền ứng dụng rộng lớn.
1.3.2. Các hệ thống điều khiển hệ phi tuyến

27. 14
Trong thực tế phần lớn các đối tượng được điều khiển lại mang tính động
học phi tuyến. Với hệ phi tuyến thì không dùng được nguyên lý xếp chồng và
không phải đối tượng nào, hệ thống nào cũng có thể mô tả được bằng một mô
hình tuyến tính, cũng như không phải lúc nào những giả thiết cho phép xấp xỉ
hệ thống bằng mô hình tuyến tính được thoả mãn. Hơn thế nữa độ tối ưu tác
động nhanh chỉ có thể tổng hợp được nếu ta sử dụng bộ điều khiển phi tuyến.
Các hạn chế này bắt buộc người ta phải trực tiếp nghiên cứu tính toán động học
của đối tượng, tổng hợp hệ thống bằng những công cụ toán học phi tuyến.
1.3.3. Các phương pháp điều khiển ổn định mức nước
Cho đến nay trong thực tế, nhiều phương pháp và hệ thống điều khiển lưu
lượng dòng chảy đã được thiết kế và sử dụng. Trong đó các phương pháp điều
khiển chủ yếu là:
- Sử dụng bộ PID truyền thống, từ đơn giản đến phức tạp, có nghĩa là
thiết kế thêm bộ điều khiển bù dao động bên cạnh bộ điều khiển vị trí. Bộ điều
khiển PID sẽ hiệu chỉnh sai lệch giữa tín hiệu đặt mong muốn và đáp ứng đầu ra
của hệ thống, sau đó đưa ra tín hiệu điều khiển để điều chỉnh cho phù hợp.
- Sử dụng công cụ lý thuyết tiên tiến nhưlogic mờ và mạng nơ ron nhân
tạo. Theo hướng này cũng nghiên cứu từ đơn giản đến phức tạp như:
+ Chỉ sử dụng logic mờ (ưu điểm của bộ điều khiển mờ là không cần biết
chính xác mô hình đối tượng);
+ Chỉ sử dụng mạng nơ ron nhân tạo (mạng nơ ron nhân tạo là sử dụng
kỹ thuật tái tạo lại một vài chức năng tương tự bộ não con người. Trong bài
toán kỹ thuật, mạng nơ ron có thể nhận dạng, điều khiển, nhận mẫu, giải quyết
các bài toán tối ưu và hiệu quả. Có rất nhiều loại mạng và việc phân loại mạng
cũng có nhiều cách. Phương pháp này khá phức tạp.) ;
+ Kết hợp logic mờ với PID kinh điển. Trong phạm vi điều khiển thì bộ
PID là phương pháp điều khiển tối ưu. Sự kết hợp giữa logic mờ với PID kinh

28. 15
điển giúp tăng tính tối ưu và hệ thống làm việc tốt hơn. Ưu điểm của bộ điều
khiển này là khả năng tự chỉnh định lại thông số bộ điều khiển cho phù hợp với
điểm làm việc của đối tượng. Hệ thống điều khiển sử dụng phương pháp kết
hợp này cũng khá phức tạp;
+ Kết hợp mạng nơ ron nhân tạo với PID kinh điển. Với bộ điều khiển
này bộ tham số kd, ki, kp không chỉ được ước lượng từ ngõ ra đối tượng mà
còn là bộ tham số tối ưu thông qua khả năng tự học của mạng nơron. Vì thế bộ
điều khiển đáp ứng được các yêu cầu khắt khe về chất lượng điều khiển của hệ
thống[1]. Nhưng việc thực hiện bộ điều khiển này có độ phức tạp cao.
Mỗi phương pháp đều có những ưu, nhược điểm riêng. Tất cả các phương
pháp nghiên cứu đưa ra đều nhằm mục đích nâng cao chất lượng điều khiển lưu
lượng dòng chảy. Phương pháp cổ điển được áp dụng đối với các đối tượng
điều khiển có mô hình toán học. Nhưng trong thực tế các hệ thống điều khiển
đều có tính phi tuyến, độ phức tạp cao.
Phương pháp sử dụng bộ điều khiển PID được sử dụng khá rộng rãi để
điều khiển đối tượng theo nguyên lý phản hồi. Lý do bộ PID được sử dụng rộng
rãi là vì tính đơn giản cả về cấu trúc lẫn nguyên lý làm việc. Bộ PID có nhiệm
vụ đưa sai lệch tĩnh e của hệ thống về 0 sao cho quá trình quá độ thỏa mãn các
yêu cầu cơ bản về chất lượng.
1.4. Đặt bài toán điều khiển mức nước
Cấu trúc của hệ thống ổn định mức nước nghiên cứu trong luận văn như
hình vẽ sau:

29. 16
Hình 1.8: Mô hình hệ thống bồn nước
Nguyên lý làm việc của mô hình là: Nước từ bồn chứa được động cơ
bơm vào bồn điều khiển, lưu lượng nước được thay đổi qua van điều chỉnh đầu
vào. Mức nước trong bồn được cảm biến mức đo và đưa thông tin tới bộ điều
khiển. Đầu ra của bồn điều khiển là van xả chất lỏng ra bên ngoài có thể điều
chỉnh góc mở thể hiện mức độ tiêu thụ là luôn thay đổi và không cố định. Bộ
điều khiển có nhiệm vụ điều chỉnh góc mở van xả chất lỏng vào sao cho giữ
được mức nước trong bồn điều khiển ổn định theo giá trị đặt sẵn.
Hệ thống phải được lập trình sao cho mức nước trong bồn luôn ổn định
mà không phụ thuộc vào lượng tiêu thụ.

30. 17
Yêu cầu bài toán điều khiển là: thiết kế bộ điều khiển PID, thiết kế bộ
điều khiển dựa trên cơ sở logic mờ để điều khiển sao cho hệ thống bồn đạt được
mức nước đặt sẵn.
Xây dựng chương trình mô phỏng và đánh giá hiệu quả của các bộ điều
khiển bằng phần mềm Matlab-Simulink cho hệ thống bồn nước.
1.5. Kết luận chương 1
Trong chương 1, tác giả đã trình bày tổng quan hệ thống ổn định mức
nước. Từ đó tác giả nêu rõ được các yêu cầu khi thiết kế như: Sự cần thiết ổn
định mức nước, ứng dụng và nhu cầu ngày càng cao đối với hệ thống ổn định
mức nước, phương pháp điều khiển mức nước và sự cần thiết phải nghiên cứu
phát triển các thuật toán cho bài toán điều khiển mức nước nhằm nâng cao chất
lượng và tự động hoá điều khiển mức nước .
Đặt bài toán và phạm vi nghiên cứu cho luận văn, điều khiển và ổn định
mức nước ứng dụng bộ điều chỉnh PID và logic mờ.
Trong chương 2, tác giả dự định sẽ phân tích các phương pháp thiết kế,
cấu trúc của bộ điều khiển PID và bộ điều khiển mờ.

31. 18
CHƯƠNG 2
PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN
2.1. Phương pháp điều khiển PID
Bộ điều khiển PID (A proportional integral derivative controller) là bộ
điều khiển sử dụng kỹ thuật điều khiển theo vòng lặp có hồi tiếp. Bộ điều khiển
PID được sử dụng phổ biến trong các hệ thống điều khiểntự động công nghiệp.
Bộ điều khiển PID sẽ hiệu chỉnh sai lệch giữa tín hiệu đặt mong muốn và đáp
ứng đầu ra của hệ thống, sau đó đưa ra một tín hiệu điều khiển để điều chỉnh
quá trình cho phù hợp. Bộ điều khiển sẽ thực hiện giảm tối đa sai số bằng cách
điều chỉnh giá trị điều khiển. Để đạt được kết quả điều khiển tốt nhất, các tham
số PID phải được tính toán, điều chỉnh theo tính chất của đối tượng điều khiển
trong hệ thống. Điều đó có nghĩa là các tham số PID phải phụ thuộc vào đặc
thù cụ thể của đối tượng điều khiển cũng như cấu trúc của hệ thống điều khiển.
Cấu trúc bộ điều khiển PID như hình 2.1.
Hình 2.1. Sơ đồ khối của bộ điều khiển PID
Quan hệ giữa đầu ra u(t) và đầu vào e(t) của bộ điều khiển PID:
0
( ) ( ) ( ) ( )
t
P I D
d
u t k e t k e t dt k e t
dt
  
 , (2.1)
Trong đó: các thông số điều chỉnh là: kP, kI và kD.
u(t): tín hiệu điều khiển;
kP: hệ số tỉ lệ;
Khâu tích
phân - I
Khâu tỉ lệ
P
Khâu đạo
hàm - D
e(t) u(t)
uP(t)
uI(t)
uD(t)

32. 19
kI: hệ số tích phân;
kD: hệ số đạo hàm;
e(t): tín hiệu sai lệch điều khiển;
t: thời gian hay thời gian tức thời.
Các giá trị thành phần của các khâu P, I và D:
( ) ( )
P P
u t k e t
 ;
0
( ) ( )
t
I I
u t k d t dt
  ;
( )
( )
D D
de t
u t k
dt
 (2.2)
Hệ số tỉ lệ của khâu tỉ lệ càng lớn thì đáp ứng càng nhanh do đó hệ thống
nhanh chóng đạt đến giá trị đặt điều khiển mong muốn. Tuy nhiênnếu hệ số tỉ
lệ của khâu tỉ lệ quá cao, hệ thống sẽ không ổn định và dao động. Ngược lại,
hệ số nhỏ là do đáp ứng đầu ra nhỏ trong khi sai số đầu vào lớn, và làm cho bộ
điều khiển kém nhạy hoặc đáp ứng chậm.
Giá trị hệ số tích phân càng lớn kéo theo sai số ổn định bị khử càng
nhanh. Bất kỳ sai số âm nào được tích phân trong suốt đáp ứng quá độ phải
được triệt tiêu tích phân bằng sai số dương trước khi tiến tới trạng thái ổn định.
Vai trò của khâu tích phân sẽ làm triệt tiêu sai lệch tĩnh, nhưng thời gian quá
độ dài hơn. Khi kết hợp khâu P với khâu I, tạo ra bộ điều khiển PI sẽ tận dụng
được ưu điểm tác động nhanh của khâu P và triệt tiêu sai lệch tĩnh của khâu I.
Khi đó chất lượng của bộ điều khiển PI sẽ tốt hơn khi dùng bộ điều khiển riêng
rẽ P hoặc I.
Khâu vi phân D có tác dụng dự đoán giá trị kế tiếp của sai lệch và thay
đổi tín hiệu điều khiển cho phù hợp. Luật điều khiển PD được dùng trong các
hệ thống có tải thay đổi đột ngột mà luật điều khiển P không thể giữ sai lệch ở
mức chấp nhận được. Khâu D là khâu có tính tác động nhanh nhưng cũng nhạy
cảm với nhiễu.
Sự kết hợp cả 3 khâu sẽ tạo ra bộ điều khiển PID có thể được dùng cho
nhiều bài toán điều khiển, và thường đạt kết quả như ý mà không cần bất kỳ cải

33. 20
tiến hay thậm chí điều chỉnh nào. Khi đối tượng là tuyến tính, tuỳ theo chỉ tiêu
tối ưu mà ta có thể tìm được các tham số kP, kI, và kD phù hợp để đảm bảo chất
lượng yêu cầu đặt ra. Khi đối tượng là phi tuyến, lúc đó để đảm bảo được chất
lượng yêu cầu đặt ra, nếu vẫn giữ cấu trúc bộ điều khiển là PID thì các tham số
của PID phải được điều chỉnh cho phù hợp. Điều này có thể thực hiện bằng
cách hiệu chỉnh thích nghi theo kinh điển hoặc sử dụng lý thuyết mờ, mạng
nơron nhân tạo để xây dựng các thuật toán chỉnh định thích nghi. Ngoài ra quá
trình đo lường các thông số cũng cần phải thay đổi thời gian trích mẫu, phương
pháp xử lý (tốc độ lấy mẫu cao hơn, và chính xác, và lọc thông thấp nếu cần
thiết).
Đối với hệ SISO tìm tham số PID có những phương pháp sau:
- Nếu biết mô hình toán của đối tượng có các phương pháp đại số hurwitz,
phương pháp tần số, Nyquist, Mikhailop. Ngoài ra còn có các phương pháp tối
ưu môđun, tối ưu đối xứng, … .
- Nếu không biết mô hình toán của đối tượng có thể tổng hợp bộ PID bằng
phương pháp thực nghiệm Ziegler-Nichols1 và Ziegler-Nichols2.
2.2. Phương pháp điều khiển sử dụng logic mờ
2.2.1. Lịch sử phát triển logic mờ
Những nền tảng đầu tiên của Logic mờ ra đời ở Mỹ vào năm 1965, bởi
giáo sư L.Zadeh thuộc trường đại học Bekeley, bang California [1]. Sau đó
liên tục phát triển và trở thành ngành kỹ thuật điều khiển mới, được ứng dụng
rộng rãi trong các sản phẩm công nghiệp ở châu Âu và Nhật Bản. Kỹ thuật
điều khiển mới này dựa trên cách xử lý thông tin và điều khiển của bộ não con
người, từ một hệ sinh học sang hệ kỹ thuật. Nhờ đó mà nó mang lại những
bước nhảy vọt trong kỹ thuật điều khiển, ví dụ như điều khiển một xe hơi chạy
trong thành phố là điều quá phức tạp mà con người không giám nghĩ tới khi
kỹ thuật điều khiển mờ chưa ra đời.

34. 21
Đặc điểm cũng là ưu điểm của điều khiển mờ là xử lý những thông tin
không chính xác hoặc không đầy đủ, đó là cách thức xử lý của bộ não con
người được áp dụng đưa vào ngành kỹ thuật điều khiển. Đó cũng là điều không
có trong hệ thống lý thuyết cổ điển.
Những lĩnh vực mà logic mờ được ứng dụng và có nhiều thành tựu.
- Điều khiển.
- Nhận dạng mô hình mẫu (hình ảnh, âm thanh, xử lý dữ liệu).
- Phân tích định lượng (nghiên cứu khoa học, quản lý).
- Suy luận (giao diện thông minh, robot, kỹ thuật phần mềm).
- Phục hồi thông tin (dữ liệu).
2.2.2. Cơ sở lý thuyết mờ
2.2.2.1. Tập mờ
Định nghĩa: Tập mờ F xác định trên tập kinh điển X là một tập mà mỗi
phần tử của nó là một cặp giá trị (x,μF(x)), trong đó x X và μF làm một ánh xạ:
μF : X → [0 1]. Tập kinh điển là X cơ sở của tập mờ F. Ánh xạ μF gọi là hàm
đặc trưng của tập mờ F.
Hình 2.2. Hàm đặc trưng
Tập mờ F ánh xạ mỗi giá trị x của tập kinh điển thành một số nằm trong
đoạn [0,1] để chỉ mức độ phụ thuộc của nó vào tập X. Độ phụ thuộc bằng 0 tức
là x không phụ thuộc tập X, độ phụ thuộc bằng 1 có nghĩa là nó là đại diện cho
tập X. Khi μF (x) tăng dần thì độ phụ thuộc của x tăng dần. Điều này tạo nên
một đường cong qua các phần tử của tập hợp.
x
1
0

35. 22
Một tập mờ gồm 3 thành phần:
- Miền làm việc [x1, x2].
- Đoạn [0, 1] trên trục tung thể hiện độ phụ thuộc của tập mờ.
- Hàm đặc trưng μF (x) xác định độ phụ thuộc tương ứng của các phần
tử đối với tập mờ.
Miền trong logic mờ
Độ cao tập mờ F là giá trị )
(
sup x
F
h
X
x


 trong đó supμF(x) chỉ giá trị
nhỏ nhất trong tất cả các chặn trên của hàm μF(x).
Miền xác định của tập mờ F, kí hiệu là S là tập con thỏa mãn:
S = supμF(x) = { x  X | μF(x) > 0}
Miền tin cậy của tập mờ F, kí hiệu là T là tập con thỏa mãn:
T = { x  X | µF(x) = 1 }
Các dạng hàm liên thuộc trong logic mờ:
Hình 2.3. Miền trong logic mờ
Hình (2.3) là một dạng hàm liên thuộc hình thang, chỉ rõ miền tin cậy và
miền xác định của tập mờ. Có rất nhiều dạng hàm liên thuộc như: Gaussian, PI-
shape, S-shape, Singmoidal, Z-shape…
2.2.2.2. Biến ngôn ngữ
Là thành phần chủ đạo trong hệ thống mờ, ở đây các thành phần ngôn
ngữ của cùng một ngữ cảnh được kết hợp lại với nhau. Về cơ bản biến ngôn
x
1
miền tin cậy
miềnxácđịnh
0

36. 23
ngữ là loại biến mà giá trị của nó là những từ, những câu nói theo ngôn ngữ tự
nhiên hoặc không tự nhiên [1].
2.2.2.3. Hàm đặc trưng
Mức độ thỏa mãn của một giá trị vật lý vào khái niệm ngôn ngữ được gọi
là độ phụ thuộc. Đối với biến liên tục, mức độ này được biểu diễn bởi một hàm
gọi là hàm đặc trưng. Hàm đặc trưng ánh xạ tập các giá trị vật lý thành tập các
giá trị phụ thuộc đối với các giá trị ngôn ngữ.
Dạng tuyến tính
a) b)
Hình 2.4. Tập mờ tuyến tính
(a) - Tập mờ tuyến tính tăng (b) – Tập mờ tuyến tính giảm
Dạng đường cong S
Đặc trưng bởi 3 thông số α, ,  tương ứng với độ phụ thuộc là: 0; 0.5; 1.
Hình 2.5. Dạng đường cong S, hình chuông
Dạng đường cong hình chuông đặc trưng cho các số mờ xấp xỉ một giá
trị trung tâm, là hai đường cong S tăng và S giảm.
Dạng hình tam giác và hình thang
x
1
0 x
1
0
 
F
x

x
1
0
0.5
α   x
1
0
0.5

 
F
x


37. 24
Dạng hình chuông được thay thế bằng các dạng hình tam giác, hình
thang do yêu cầu tiết kiệm bộ nhớ của các bộ vi xử lý (hình 2.6, hình 2.7).
- Dạng hình thang, dạng tam giác
Hình 2.6. Dạng hình thang và tam giác
Hình 2.7. Hai tập nhanh chậm có hàm đặc trưng hình thang
Các phép toán trên tập mờ
Phép hợp của hai tập mờ:
Hợp của hai tập mờ A và B có cùng tập nền X là một tập mờ A B
 cũng
xác định trên nền X có hàm thuộc  
A B
x
  . Có nhiều công thức khác nhau để
tính hợp hai tập mờ, dưới đây là 5 công thức thường sử dụng:
1)      
 
max ,
A B A B
x x x
  

 (luật lấy max) (2.7)
2)  
   
     
 
   
 
max , min , 0
1 min , 0
A B A B
A B
A B
x x khi x x
x
khi x x
   

 

 

 



(2.8)
3)      
 
min 1,
A B A B
x x x
  

  (phép hợp Lukasiewicz) (2.9)
4)  
   
   
1
A B
A B
A B
x x
x
x x
 

 



 
(tổng Eistein) (2.10)
5)          
A B A B A B
x x x x x
    

   (tổng trực tiếp) (2.11)
Phép giao hai tập mờ:
x
1
0
α

x
1
0

38. 25
Giao của hai tập mờ A và B có cùng tập nền X là một tập mờ cũng xác
định trên tập nền X.Các công thức thường dùng để tính hàm thuộc  
A B
x
  :
1)      
 
min ,
A B A B
x x x
  

 . (2.12)
2)  
   
     
 
   
 
min , max , 1
0 max , 1
A B A B
A B
A B
x x khi x x
x
khi x x
   

 

 

 



. (2.13)
3)      
 
max 0, 1
A B A B
x x x
  

   , (phép giao Lukasiewicz). (2.14)
4)  
   
   
     
2
A B
A B
A B A B
x x
x
x x x x
 

   


  
, (tích Einstein). (2.15)
5)      
A B A B
x x x
  

 , (tích đại số). (2.16)
Luật min và luật tích đại số là hai luật xác hàm thuộc của giao hai tập mờ
hay được dùng trong kỹ thuật điều khiển mờ.
Phép bù tập mờ :
Tập bù của tập mờ A định nghĩa trên nền X là một tập mờ AC
cũng xác
định trên nền X với hàm thuộc thoả mãn:
a)  
C
A
x
 chỉ phụ thuộc vào  
A
x
 .
b) C
x A x A
   , hay    
1 0
C
A A
x x
 
   .
c) C
x A x A
   , hay    
0 1
C
A A
x x
 
   .
d) C C
A B A B
   , hay        
C C
A B A B
x x x x
   
   .
Do  
C
A
x
 chỉ phụ thuộc vào  
A
x
 vì vậy có thể xem  
C
A
x
 như là một
hàm của    
0,1
A
x
  . Từ đó ta có thể định nghĩa tổng quát hơn về phép bù mờ
như sau:
Tập bù của tập mờ A định nghĩa trên nền X là một tập mờ AC
cũng xác
định trên tập nền X với hàm thuộc      
: 0,1 0,1
A
   thoả mãn:
a)  
1 0
  và  
0 1
  .

39. 26
b)    
A B A B
     
   , hàm không tăng.
Nếu hàm một biến  
A
  liên tục và    
A B A B
     
   , thì phép
bù mờ trên được gọi là phép bù mờ chặt (strictly).
Một phép bù mờ chặt sẽ là phép bù mờ mạnh (strongly), nếu
 
 
A A
   
 , tức là  
C
C
A A
 . Hàm thuộc  
A
  của một phép bù mờ mạnh
được gọi là hàm phủ định mạnh.
Phép bù mờ của một tập mờ A hay dùng trong điều khiển mờ là phép bù
có tập mờ AC
với hàm thuộc    
1
C
A
A
x x
 
  .
Nếu  
A
x
 là một hàm liên tục thì hàm thuộc    
1
C
A
A
x x
 
  là một
hàm phủ định mạnh. Thật vậy,
+ Do  
A
x
 liên tục nên  
C
A
x
 cũng là một hàm liên tục.
+    
1 2
A A
x x
 
 thì hiển nhiên có    
1 2
C C
A A
x x
 
 .
+  
     
   
1 1 1
C C
C A A
A
A
x x x x
   
      .
Hình 2.8. Tập bù mạnh AC
của A
2.2.2.4. Luật hợp thành mờ
a. Mệnh đề hợp thành
Cho hai biến ngôn ngữ  và  . Nếu biến  nhận giá trị mờ A với hàm
phụ thuộc A(x) và  nhận giá trị mờ B với hàm phụ thuộc A(y) thì biếu thức
:
 = A (ký hiệu là p) gọi là mệnh đề điều kiện
và biếu thức:  = B (ký hiệu là q) gọi là mệnh đề kết luận.
a)
x
0
1
x
0
1
b)

40. 27
Ta có mệnh đề hợp thành:
p  q
Vàhoàn toàn tương đương với luật điều khiển :
Nếu  = A Thì  = B
A B (từ A suy ra B)
Như vậy, mệnh đề hợp thành cho phép từ một giá trị đầu vào x0 hay
chính xác hơn là từ độ phụ thuộc A(x0) đối với tập mờ A của giá trị x0 ta có
thể xác định được hệ số thỏa mãn mệnh đề kết luận q của giá trị đầu ra y. Hệ
số thỏa mãn mệnh đề kết luận này được gọi là giá trị của mệnh đề hợp thành
khi đầu vào bằng A và là một giá trị mờ. Nếu biểu diễn giá trị mờ đó là tập hợp
C thì mệnh đề hợp thành mờ chính là ánh xạ:
A(x0) C(y) (2.17)
Định lý Mamdani: “Độ phụ thuộc của kết luận không được lớn hơn độ
phụ thuộc của điều kiện”
Từ nguyên tắc Mamdani ta thiết lập được các công thức (còn gọi là
các quy tắc) xác định hàm liên thuộc cho mệnh đề hợp thành A B là :
1.  (x,y)= Min{ (x),  (y)} công thức MAX- MIN
2.  (x,y)= { (x). (y)} công thức MAX-PROD
Hai công thức này cho mệnh đề hợp thành A B gọi là 2 quy tắc hợp
thành theo Mamdani.
b. Luật hợp thành mờ

41. 28
Luật hợp thành là tên gọi chung của mô hình biều diễn một hay nhiều
hàm thuộc cho một hay nhiều mệnh đề hợp thành. Nói cách khác đó chính là
tập hợp cuả nhiều mệnh đề hợp thành.
Xét một ví dụ về luật hợp thành R biểu diễn mô hình lái ôtô gồm 3 mệnh
đề hợp thành R1,R2,R3 cho biến tốc độ  và  như sau:
R1: Nếu  = chậm thì  = tăng hoặc
R2: Nếu  = trung bình thì  = giữ nguyên hoặc
R3: Nếu  = nhanh thì  = giảm
c. Các luật hợp thành cơ bản
Luật max-MIN
Luật max-PROD
Luật sum-MIN
Luật sum-PROD
2.2.2.5. Các phương pháp giải mờ
Giải mờ là quá trình xác định một giá trị rõ y’ nào đó có thể chấp nhận
được từ hàm liên thuộc  
'
B
y
 của giá trị mờ B’ (tập mờ). Có hai phương pháp
giải mờ chính là phương pháp cực đại và phương pháp điểm trọng tâm. Tập
nền của tập mờ B’ được ký hiệu thống nhất là Y.
a.Phương pháp cực đại
Phương pháp cực đại cho rằng giá trị rõ y’ đại diện cho tập mờ phải là giá
trị có “xác suất” thuộc tập mờ lớn nhất. Phương pháp cực đại để giải mờ bao
gồm hai bước:
+ Xác định miền chứa giá trị rõ y’. Giá trị rõ y’ là giá trị mà tại đó hàm
thuộc đạt giá trị cực đại (độ cao H của tập mờ B’), tức là miền

42. 29
 
 
'
B
G y Y y H

   .
+ Xác định y’ có thể chấp nhận được từ miền G.
Ví dụ: Hình 2.14, luật mờ như sau:
R1: NẾU x = A1 THÌ y = B1
R2: NẾU x = A2 THÌ y = B2
Khi x = x0 sẽ ảnh hưởng của 2 luật và ta xác định được miền mờ B’ ở
đầu ra. Theo phương pháp cực đại thì miền G là khoảng [y1, y2]. Trong hai luật
R1 và R2 thì luật R2 được gọi là luật quyết định, do H2> H1.
Hình 2.9. Xác định miền G chứa giá trị rõ y’
Vậy luật điều khiển quyết định là luật Rk,  
1,2,...,
k p
 mà giá trị mờ đầu
ra của nó có độ cao lớn nhất, tức là bằng độ cao H của B’.
Để thực hiện bước hai, ta có ba nguyên lý:
Nguyên lý cận trái
Nguyên lý cận phải
Nguyên lý trung bình
Nếu kí hiệu: 𝑦1 = 𝑖𝑛𝑓𝑦∈𝐺(𝑦)𝑣à 𝑦2 = 𝑠𝑢𝑝𝑦∈𝐺(𝑦)
Thì 𝑦1 chính là điểm cận trái và 𝑦2 là điểm cận phải của G.
+ Nguyên lý cận trái:
B1 B2
y
y1 y2
H=H2
0
G
A1 A2
x
x0
1
0
H1

43. 30
Giá trị rõ y’ được lấy bằng cận trái y1 của G. Giá trị rõ lấy theo nguyên lý
cận trái này sẽ phụ thuộc tuyến tính vào độ thoả mãn của luật điều khiển quyết
định. Ký hiệu  
1
inf
y G
y y

 , thì y1 chính là cận trái, giá trị rõ y’ = y1.
Hình 2.10. Giá trị rõ y’ phụ thuộc vào đáp ứng vào của luật điều khiển
quyết định
+ Nguyên lý cận phải
Giá trị rõ y’ được lấy bằng cận phải y2 của G. Giá trị rõ y’ ở đây phụ thuộc
tuyến tính vào đáp ứng của luật điều khiển quyết định. Ký hiệu  
2
sup
y G
y y

 , thì
y2 chính là cận phải, giá trị rõ y’ = y2.

44. 31
Hình 2.11. Giá trị rõ y’ phụ thuộc tuyến tính vào độ thỏa mãn
+ Nguyên lý trung bình
Theo nguyên lý trung bình, giá trị rõ y’ được tính theo công thức
1 2
'
2
y y
y

 . (2.18)
Hình 2.12. Giá trị rõ y’ không phụ thuộc vào đáp ứng vào của luật
điều khiển quyết định

45. 32
b. Phương pháp điểm trọng tâm
Phương pháp điểm trọng tâm sẽ cho ra kết quả y’ là hoành độ của điểm
trọng tâm miên được bao bởi trục hoành và đường 𝜇𝐵′(y). Hình vẽ minh họa
cho ta thấy
Gía trị rõ y’ được tính theo công thức (2.19).
 
 
'
'
'
B
S
B
S
y y dy
y
y dy





(2.19)
Hình 2.13. Giá trị rõ y’ là hoành độ của điểm trọng tâm
S là miền xác định của tập mờ B’. Công thức (2.19) cho phép xác định
y’ với sự tham gia của tất cả các tập mờ đầu ra của mọi luật điều khiển một
cách bình đẳng và chính xác, tuy nhiên lại không để ý đến độ thoả mãn của luật
điều khiển quyết định và thời gian tính (2.14) lâu hơn. Một nhược điểm cơ bản
của phương pháp điểm trọng tâm là có thể giá trị y’ xác định được lại có độ phụ
thuộc nhỏ nhất, thậm chí bằng không. Ví dụ hình 2.14.
Hình 2.14. Xác định giá trị rõ y’ theo phương pháp điểm trọng tâm khi
miền giá trị của tập mờ không liên thông
B1 B2
y
y’
H
0
B3
y
S
B1 B2
y
y’
H1
0
S
H2

46. 33
c. Phương pháp điểm trọng tâm cho luật hợp thành sum-MIN
Giả sử có q luật điều khiển được triển khai. Khi đó, mỗi một giá trị mờ
B’ tại đầu ra của bộ điều khiển sẽ là tổng của q giá trị mờ đầu ra của từng luật
hợp thành. Ký hiệu các giá trị mờ đầu ra của luật điều khiển thứ k là  
'k
B
y
 với
k = 1,2,..,q thì với quy tắc sum-MIN, hàm thuộc  
'
B
y
 sẽ là
   
'
'
1
k
q
B B
k
y y
 

  (2.20)
Thay (2.20) vào (2.19), sau đó đổi chỗ của tổng và tích phân cho nhau
(hoàn toàn có nghĩa, vì tổng và tích phân đều hội tụ) thì công thức tính y’ sẽ
được đơn giản như sau:
 
 
 
 
'
'
1
1 1
' '
1 1
1
'
k
k
k
k
q
q q
B
B k
k
k S
S k
q q
q
B k
B
k k
S k S
y y dy
y y dy M
y
y dy A
y dy


 

 
 

 
 
 
 
   
  
 
 
 

 
 
 
  
, (2.21)
trong đó:
   
' '
;
k B k B
S S
M y y dy A y dy
 
 
  (2.22)
Xét riêng cho các hàm thuộc  
'k
B
y
 dạng hình thang như hình 1.17.
 
2 2 2 2
2 1 2 1
3 3 3 3
6
k
H
M m m b a m b m a
      (2.23)
 
2 1
2 2
2
k
H
A m m a b
    (2.24)
Công thức (2.23), (2.24) rất tiện lợi để tính nhanh y’. Chẳng hạn để tính
giá trị rõ y’ cho tập mờ đầu ra B’ gồm 2 luật điều khiển R1 và R2 với
     
1 2
' ' '
B B B
y y y
  
  . (2.25)

47. 34
Hình 2.15. Tập mờ có hàm thuộc hình thang
d. Phương pháp độ cao
Sử dụng công thức (2.21) cho cả hai luật hợp thành max-MIN và sum-
MIN với thêm một giả thiết là mỗi tập mờ  
'k
B
y
 được xấp xỉ bằng một cặp
giá trị (yk, Hk) duy nhất (singleton), trong đó Hk là độ cao của  
'k
B
y
 và yk là
một điểm mẫu trong miền giá trị của  
'k
B
y
 có  
'k
B k k
y H
  , thì
1
1
'
q
k k
k
q
k
k
y H
y
H





. (2.26)
Công thức (2.26) được gọi là công thức tính xấp xỉ y’ theo phương pháp
độ cao và không chỉ áp dụng cho luật hợp thành max-MIN, sum-MIN mà còn
có thể cho cả những luật hợp thành khác như max-PROD hay sum-PROD.
Áp dụng (2.26) cho ví dụ trên hình vẽ 2.13, ta có:
Hình 2.16. Giải mờ theo quy ước singleton
- B’
1 được xấp xỉ bằng (5 ; 0,6);
y’=8,333
B2
y
B1
1
0 5 10 15
0,2
0,6
y
H
m
0 m
a b

48. 35
- B’2 được xấp xỉ bằng (10 ; 0,2).
Suy ra
5.0,6 10.0,2
' 8,3333
0,6 0.2
y

 

.
2.2.3. Mô hình mờ TSK
Về các mô hình điều khiển mờ có 2 mô hình đó là mô hình điều khiển
mờ Mamdani và mô hình mờ TSK (Takagi – Sugeno – Kang). Khác với mô
hình mờ Mamdani, mờ hoá tín hiệu ra của mô hình TSK là các hàm tuyến tính
hoặc hằng số. Có thể nói mô hình mờ TSK chính là mô hình mờ tuyến tính
[1,8]. Mô hình mờ TSK đơn giản và dễ dàng thiết kế hơn mô hình mờ Mamdani.
Vì vậy TSK cũng là một lựa chọn tốt để thiết kế bộ điều khiển.
2.2.3.1. Cấu trúc của bộ điều khiển mờ TSK
Hình 2.17 là sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển mờ TSK. Cấu trúc của bộ mờ
TSK gồm có bộ mờ hoá đầu vào, luật hợp thành và mô hình tuyến tính đầu ra.
Mờ hoá đầu ra của mô hình mờ TSK là các hàm tuyến tính, đây là 2.2.3.2.
Mô hình mờTakagi-Sugeno
Mô hình mờ do Takagi và Sugeno đề xuất và trình bày [1,8] được gọi tắt
là mô hình TS. Mô hình được xây dựng trên cơ sở luật hợp thành IF...THEN...,
trong đó mệnh đề kết luận được biểu diễn qua một phương trình tuyến tính. Mô
hình TS có dạng như sau:
Luật thứ i:
xn
y
x2
x1
Ri: IF….THEN…. y=f(x)
Mô hình tuyến tính
Hình 2.17. Cấu trúc của bộ điều khiển mờ TSK

49. 36
n
in
i
i
i
in
n
i
i x
c
x
c
c
y
THEN
A
is
x
A
is
x
IF
R 


 ...
,
,
,...
: 1
1
0
1
1
, (2.27)
trong đó i = 1,2,..,l, l là số luật hợp thành của mô hình TS, cik với k = 0,1,…,n
là tham số của mô hình, yi là đầu ra xác định từ luật hợp thành thứivà Aik là tập
mờ.
Xét hệ MISO với n đầu vào ( x1, x2, .., xn) và một đầu ra y, đầu ra của
hệ được xác định từ mô hình TS bằng công thức:
 

 











l
i
i
l
i
n
in
i
i
i
i
l
i
i
l
i
i
i x
c
x
c
x
c
c
y
y
1
1
2
2
1
1
0
1
1
...







 
 l
i
i
n
k
l
i
k
ik
i x
c
1
0 1


, (2.28)
với x0 = 1 và i là trọng số của luật thứ i, i được xác định trên cơ sở quan sát
đầu vào của hệ theo công thức:
 



n
i
k
ik
i x
A
1
 , (2.29)
với Aik(xk ) là độ phụ thuộc của xk vào tập mờ Aik. Các công thức xác định i
sẽ quyết định mô hình mờ thuộc kiểu Sugeno, Takagi-Sugeno (TS) hay Takagi-
Sugeno-Kang (TSK).
Mỗi mô hình mờ thích hợp với một lớp đối tượng [1,8] và với những
phương pháp nhận dạng nhất định, ví dụ như mô hình TS thích hợp cho phương
pháp nhận dạng của Kang-Sugeno.
2.2.4. Bộ điều khiển mờ cơ bản
2.2.4.1. Cấu trúc một bộ điều khiển mờ
Một bộ điều khiển mờ gồm 3 khâu cơ bản đó là khâu mờ hóa, thực hiện
luật hợp thành và khâu giải mờ.

50. 37
Hình 2.18. Bộ điều khiển mờ cơ bản
2.2.4.2. Nguyên lý điều khiển mờ
Hệ thống điều khiển mờ được thiết kế trên:
- Giao diện đầu vào bao gồm khâu mờ hóa và các khâu hiệu chỉnh như
tỷ lệ, tích phân, vi phân...
- Thiết bị hợp thành: triển khai luật hợp thành R được xây dựng trên cơ
sở luận điều khiển (luật quyết định).
- Giao diện đầu ra gồm: khâu giải mờ và các khâu giao diện trực tiếp với
đối tượng.
Hình 2.19. Nguyên lý điều khiển mờ
2.2.4.3. Thiết kế bộ điều khiển mờ
Các bước thiết kế:
Bước1: Định nghĩa tất cả các biến ngôn ngữ vào/ ra.
Bước2: Xác định các tập mờ cho từng biến vào/ ra (mờ hóa)
+ Miền giá trị vật lý của các biến ngôn ngữ.
+ Số lượng tập mờ.
+ Xác định hàm thuộc.
+ Rời rạc hóa tập mờ.
Bước3. Xây dựng luật hợp thành.
Bước4. Chọn thiết bị hợp thành.
Bươc5. Giải mờ và tối ưu hóa.

51. 38
* Những lưu ý khi thiết kế bộ điều khiển mờ
Không dùng điều khiển mờ để giải quyết bài toán mà có thể dễ dàng thực
hiện bằng bộ điều khiển kinh điển. Không nên dùng bộ điều khiển mờ cho các
hệ thống cần độ an toàn cao.
- Thiết kế bộ điều khiển mờ phải được thực hiện qua thực nghiệm.
* Phân loại các bộ điều khiển mờ
Điều khiển Mamdani (MCFC); Điều khiển mờ trượt (SMFC);
Điều khiển tra bảng (CMFC); Điều khiển Tagaki/ Sugeno (TSFC).
2.3. Kết luận chương 2
Trong chương 2, tác giả đã phân tích các phương pháp thiết kế bộ điều
khiển PID, phương pháp thiết kế bộ điều khiển mờ. Phân tích cấu trúc bộ điều
khiển PID, cấu trúc bộ điều khiển mờ.
Logic mờ được phát triển từ lý thuyết tập mờ để thực hiện lập luận một
cách xấp xỉ không cần biết chính xác mô hình đối tượng [5]. Logic mờ có thể
được coi là mặt ứng dụng của lý thuyết tập mờ để xử lý các giá trị trong thế
giới thực cho các bài toán phức tạp. Khả năng xấp xỉ tuyến tính với độ chính
xác mong muốn của bộ điều khiển mờ. Phương pháp điều khiển mờ đặc biệt
hữu ích với những đối tượng có tính phi tuyến cao, các thông tin vào ra nhiều
nhiễu phức tạp [6].
Với những ưu điểm vượt trội hơn so với bộ điều khiển sử dụng PID,bộ
điều khiển mờ được lựa chọn để thiết kế bộ điều khiển sao cho hệ thống đạt
được mức nước như mong muốn. Chi tiết cách xây dựng bộ điều khiển và các
kết quả mô phỏng sẽ được trình bày ở chương 3.
CHƯƠNG 3
ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH MỨC NƯỚC ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU CHỈNH
PID VÀ LOGIC MỜ
3.1. Mô hình của bồn chứa

52. 39
Ta xét đối tượng bồn nước như hình sau:
Hình 3.1. Cấu trúc của bồn chứa
i
Q : Lưu lượng nước chảy vào bình ( 3
/
m s);
max
i
Q : Lưu lượng nước chảy vào bình lớn nhất ( 3
/
m s);
o
Q : Lưu lượng nước chảy ra khỏi bình ( 3
/
m s);
H : Mức nước trong bình (m );
max
H : Mức nước cao nhất trong bình (m );
A: Tiết diện bình ( 2
m );
a : Tiết diện đường ống dẫn nước ra khỏi bình ( 2
m );
V : Thể tích nước trong bình ( 3
m );
g : Gia tốc trọng trường (9.8 2
/
m s );
p: Vị trí góc mở của van lưu lượng, thay đổi từ 0 tới 1.

53. 40
Lưu lượng nước chảy vào bình i
Q , được điều chỉnh bằng một van lưu lượng
V.
Lưu lượng nước chảy ra khỏi bình o
Q phụ thuộc vào mức nước H trong
bình: Khi mức nước cao thì nước chảy ra nhanh hơn và ngược lại. Áp dụng
định luật Bernoulli ta có công thức liên hệ lưu lượng o
Q với mức nước H như
sau:
2
o
Q a gH
 (3.1)
Áp dụng phương trình cân bằng vật chất ta có:
.
i o
dV dH
Q Q A
dt dt
   (3.2)
Từ (1) và (2) suy ra:
2
i
dH
A Q a gH
dt
  (3.3)
Phương trình vi phân (3.3) chính là mô hình toán học của đối tượng bình
chứa. Trong đó biến vào là i
Q và biến trạng thái là H . Ta có nhận xét rằng, mô
hình (3.3) là một mô hình phi tuyến, do sự có mặt của phép tính H .
Bài toán điều khiển được đặt ra là: ổn định mức nước H trong bình chứa.
Nghĩa là cần phải điều chỉnh góc mở của van lưu lượng đầu vào sao cho, khi
hệ thống ổn định, lượng nước chảy vào bình phải bù được lượng nước chảy ra
khỏi bình.
Lưu lượng i
Q phụ thuộc vào vị trí góc mở của van và lưu lượng lớn nhất
max
i
Q . Quá trình thay đổi vị trí góc mở của van từ đóng hoàn toàn sang mở hoàn
toàn là quá trình có đặc tính tích phân. Ta có:
max max
i i i
Q pQ Q u
   , hay max .
i
i
dQ
Q u
dt
 (3.4)

54. 41
Trong đó, u là tín hiệu điều khiển van lưu lượng, cũng là tín hiệu ra của bộ
điều chỉnh lưu lượng.
Kết hợp (3.3) và (3.4) ta có hệ phương trình vi phân mô tả hệ thống gồm
van lưu lượng và bình chứa như sau:
max
2
.
i
i
i
dH
A Q a gH
dt
dQ
Q u
dt

 



 


(3.5)
Mô hình (3.5) sẽ là xuất phát điểm để ta đi thiết kế bộ điều khiển làm ổn
định mức nước H . Cấu trúc của hệ kín (gồm bộ điều khiển và đối tượng) được
mô tả như hình (3.2):
Hình 3.2. Cấu trúc hệ điều khiển kín
Trong luận văn nàytrình bày phương án thiết kế bộ điều khiển ổn định mức
nước bình chứa dựa trên logic mờ. Một ưu điểm của phương pháp thiết kế bộ
điều khiển trên cơ sở logic mờ là không cần mô hình chính xác của đối tượng.
Để có cơ sở đối chiếu và đánh giá hiệu quả của phương án sử dụng bộ điều
khiển mờ, tác giả sẽ trình bày phương án sử dụng bộ điều khiển PID truyền
thống. Các hệ kín thu được trong hai trường hợp sẽ được kiểm chứng và so
sánh thông qua mô phỏng trên phần mềm Matlab & Simulink.
Các thông số cụ thể của hệ thống gồm van lưu lượng và bình chứa được
xem xét trong luận văn này như sau:
Bảng 3.1. Các tham số bồn chứa

55. 42
Tham số Giá trị
A ( 2
m ) 1
a ( 2
m ) 0.05
max
i
Q ( 3
/
m s) 0.5
max
H (m ) 2
3.2.Khảo sát đối tượng bồn chứa
Xây dựng mô hình toán của đối tượng bồn chứa trên Matlab _simulink:
Sơ đồ cấu trúc của đối tượng điều khiển được xây dựng trên cơ sở mô
hình toán học (3.5) được thể hiện trên hình (3.3) sau:
Hình 3.3. Sơ đồ cấu trúc đối tượng
Trong đó: h_int-tốc độ thay đổi của mức nước ;
Khối Fcn -xây dựng thuậttoán (3.2): (Fcn=1/S*(k*u(2)-a*sqrt(2*g*u(1))));
u(t) và h(t) - lối vào điện áp cấp chomáy bơm và mức nước trong bể.
+ Sơ đồ cấu trúc của PID được thể hiện trên hình (3.4) sau:
Bộ điều chỉnh PID đảm bảo sự hiệu chỉnh tích phân và sự điều chỉnh phi
tĩnh.Độ sai lệch e(t) được đưa vào bộ điều chỉnh PID, tín hiệu ra của PID được

56. 43
khuếch đại đủ lớn, đáp ứng yêu cầu cho việc điều khiển hoạt động của máy
bơm.
Hình 3.4. Sơ đồ cấu trúc của PID
+Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều chỉnh mức nước
Hình 3.5. Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều chỉnh mức nước
Trong đó: H_chuan - giá trị đặt ;
PID controller - bộ điều chỉnh PID ;
WaterTank System - đối tượng điều khiển ( sơ đồ cấu trúc trênhình 3.5).
Giá trị mức nước H_chuẩn được so sánh với mức nước H(t). Độ sai lệch
ԑ(t) được đưa vào bộ điều chỉnh PID, tín hiệu ra của PID được khuếch đại đủ
lớn, đáp ứng yêu cầu cho việc điều khiển hoạt động của máy bơm.

57. 44
Với các giá trị ban đầu cho trước của các tham số của bộ điều chỉnh và
giá trị đặt H_chuẩn của mức nước trong bể, thay đổi các giá trị của các tham số
của bộ điều chỉnh, mức nước trong bể, thiết diện ngang a và quan sát các quá
trình quá độ (sự thay đổi H(t) theo thời gian) ta có kết quả sau:
+ Trường hợp 1:
Kp=5; H_chuan=2m; a=0.025m2
; k
k=110
S=3m2
(S=A: là tiết diện bình); g=9.81m2
/s;
Hình 3.6. Đáp ứng quá trình quá độ với Kp=5
+ Trường hợp 2:
Kp=10; H_chuan=2m; a=0.025m2
; k
k=110
S=3m2
(S=A: là tiết diện bình); g=9.81m2
/s;

58. 45
Hình 3.7. Đáp ứng quá trình quá độ với Kp=10
Kết quả mô phỏng cho thấy, khi xácđịnh được các tham số thích hợp của
bộđiều chỉnh PID thì quá trình quá độ kết thúc sớm, chất lượng điều khiển của
hệ thốngđược nâng cao.
Cụ thể khi tăng Kp càng lớn, nhận thấy quá trình quá độ hệ kín càng nhỏ.
Hệ thống tự động điều chỉnh mức nước được thiết kế trên cơ sở ứng dụng
bộ điều chỉnh truyền thống, phù hợp với yêu cầu thực tế các quá trình công
nghệ trong nhiều lĩnh vực công nghiệp. Kết quả mô phỏng cho trên MATLAB
cho thấy hệ thống hoạt động đảm bảo độ tin cậy, độ chính xác, dễ thực hiện kỹ
thuật, đơn giản trong công việc hiệu chỉnh các tham số của bộ điều chỉnh.
3.3. Phương án sử dụng bộ điều khiển PID
Trong mục này sẽ trình bày phương án thiết kế bộ điều khiển PID làm ổn
định mức nước H trong bình chứa. Để thiết kế bộ điều khiển PID ta cần phải
tuyến tính hóa mô hình (3.5) xung quanh điểm làm việc được chọn. Kí hiệu 0
H
là mức nước mong muốn, và h là sai lệch giữa H và 0
H . Tức là:

59. 46
0
H H h
  (3.6)
Để có thể tuyến tính hóa được mô hình ta giả sử rằng h rất nhỏ so với 0
H
. Ta có:
2
i
dH
A Q a gH
dt
 
 
 
0
0
2
i
d H h
A Q a g H h
dt

   
0
0
2 1
i
dh h
A Q a gH
dt H
    (3.7)
Vì h rất nhỏ so với o
H nên ta có thể áp dụng công thức tính xấp xỉ:
0 0
1 1
2
h h
H H
   (3.8)
Thay (3.8) vào (3.7) ta có:
0
0
2 1
2
i
dh h
A Q a gH
dt H
 
  
 
 
 
0
0
2
2
i
g
a h Q a gH
H
 
   
 
 
 
(3.9)
Đặt 0
2
i
Q a gH q
  . Từ (3.4) suy ra:
max
i
i
dQ
dq
Q u
dt dt
  (3.10)
Từ (3.9) và (3.10) suy ra mô hình tuyến tính hóa của hệ van lưu lượng và
bình chứa như sau:
0
max
2
.
i
dh a g q
h
dt A H A
dq
Q u
dt
  
  
  
 
  





(3.11)

60. 47
Từ mô hình trạng thái tuyến tính (3.11), sử dụng phép biến đổi Laplace ta
thu được mô hình hàm truyền đạt sau:
 
 
 
max 0
0
2 1
2
1
i
h s Q H
G s
u s a g H
A
s s
a g
 
 
 

 
 
 
 
 
 
(3.12)
Ta có nhận xét rằng mô hình hàm truyền đạt (3.12) có dạng tích phânquán
tính bậc nhất.
Xét trong trường hợp cụ thể, mức nước 0
H được chọn bằng 1(m ). Kết hợp
với số liệu trong bảng trên, ta rút ra mô hình hàm truyền đạt của hệ thống gồm
van lưu lượng và bình chứa như sau:
 
 
4.5175
1 9.0351
G s
s s


(3.13)
Bộ điều khiển PID là bộ điều khiển có cấu trúc gồm 3 thành phần tỉ lệ, tích
phân, vi phân. Đây là loại bộ điều khiển được sử dụng rất rộng rãi trong công
nghiệp, do tính đơn giản và hiệu quả của nó. Công thức tổng quát của bộ điều
khiển PID trên miền thời gian như sau:
   
 
( )
p i d
de t
u t K e t K e t dt K
dt
  
 (3.14)
Trong đó:  
e t là sai lệch giữa giá trị đặt và giá trị thực.
Hàm truyền đạt của bộ điều khiển PID có dạng như sau:
  i
PID p d
K
G s K K s
s
   (3.15)
Chất lượng của hệ kín được điều khiển theo luật PID phụ thuộc rất nhiều
vào việc lựa chọn các tham số p
K , i
K , d
K . Có nhiều phương pháp chỉnh định
tham số cho bộ điều khiển PID đã được đề xuất. Với đối tượng có hàm truyền
đạt (3.13), tác giả luận văn sử dụng phương pháp tối ưu theo tiêu chuẩn tích

61. 48
phân để tìm ra bộ tham số p
K , i
K , d
K . Một số tiêu chuẩn tích phân thường
được sử dụng để chỉnh định tham số cho bộ điều khiển PID như sau:
 
2
0
T
ISE e t
  ,  
0
T
IAE e t dt
  ,
 
2
0
T
ITSE te t dt
  ,  
0
T
ITAE t e t dt
  .
Chương trình tính các tham số tối ưu theo các tiêu chuẩn tích phân ISE,
IAE, ITSE, ITAE được viết trên phần mềm Matlab. Kết quả tìm được các tham
số PID tối ưu cho đối tượng (3.13) như trong bảng:
Bảng 3.2. Các tham số PID tìm được theo tiêu chuẩn tích phân
Tiêu chuẩn tích phân
ISE ITSE IAE ITAE
p
K 1.1000 1.1000 1.0206 1.0254
i
K 0.5342 0.5403 0.0000 0.0000
d
K 1.6631 1.6601 1.8893 1.8913
Ta có nhận xét rằng, bộ điều khiển tìm được theo các tiêu chuẩn IAE và
ITAE gần giống nhau và là bộ điều khiển PD (thành phần i
K =0). Trong khi
đó, bộ điều khiển tìm được theo các tiêu chuẩn ISE và ITSE gần giống nhau và
là bộ điều khiển PID. Đồ thị đáp ứng của hệ kín với tín hiệu kích thích dạng
bước nhảy như hình:

62. 49
Hình 3.8. Đồ thị đáp ứng của hệ kín
(với các tham số PID tìm được theo tiêu chuẩn tích phân)
Quan sát đáp ứng quá độ ta thấy các tham số PID tìm được theo tiêu chuẩn
IAE và ITAE cho chất lượng tốt hơn so với các tiêu chuẩn ISE và ITSE.
Chương trình mô phỏng hệ thống điều khiển mức nước với tham số PID
như hình:
Hình 3.9. Chương trình mô phỏng HT ĐK với PID
0 5 10 15 20 25 30
0
0.5
1
1.5
ISE
IAE
ITSE
ITAE

63. 50
Kết quả mô phỏng với tham số PID
Hình 3.10. Đáp ứng chiều cao mức nước H
3.4. Phương án điều khiển mờ
Quá trình thiết kế bộ điều khiển mờ bao gồm các bước:
Bước 1: Xác định các biến vào/ra và khoảng giá trị vật lý của các biến.
Bước 2: Mờ hóa.
Bước 3: Xây dựng các mệnh đề hợp thành thể hiện các quy tắc điều khiển.
Bước 4: Chọn thiết bị hợp thành và giải mờ.
Với đối tượng bình chứa, ta áp dụng mô hình mờ Mamdani. Quá trình thiết
kế cụ thể như sau:

64. 51
Bước 1: Xác định các biến vào/ra. Các biến vào gồm có biến sai lệch E và
biến đạo hàm của sai lệch DE. Các biến ra gồm có tín hiệu điều khiển góc mở
của van lưu lượng, kí hiệu là V. Vì chiều cao mức nước tối đa là 2(m ), và điểm
làm việc mong muốn được chọn là 1(m ), nên khoảng giá trị vật lý của biến E
là [- 1(m ), +1(m )]. Biến đạo hàm sai lệch DE được giới hạn giá trị trong
khoảng [-0.1( /
m s ), +0.1( /
m s )]. Vị trí góc mở của van lưu lượng thay đổi từ
0 (khi van đóng hoàn toàn) tới 1 (khi van mở hoàn toàn), do đó biến tín hiệu
điều khiển góc mở của van lưu lượng thay đổi trong khoảng [-1 , 1].
Bước 2: Mờ hóa. Trong kỹ thuật điều khiển thường ưu tiên chọn hàm thuộc
dạng tam giác hoặc hình thang, vì các dạng hàm thuộc này có biểu thức đơn
giản và dễ tính toán, cài đặt.
- Biến E được mờ hóa thành 3 tập mờ: E = {N, Z, P}. Tập mờ N biểu diễn
mức độ ”âm” (Negative) của biến sai lệch E, và có hàm thuộc dạng hình
thang với các tham số được chọn cụ thể là: [-1, -1, -0.5, 0]. Tập mờ P
biểu diễn mức độ ”dương” (Positive) của biến sai lệch E, và cũng có hàm
thuộc dạng hình thang, với các tham số được chọn là: [0, 0.5, 1, 1]. Tập
mờ Z biểu diễn mức độ ”bằng 0” (Zero) của biến sai lệch E, có hàm thuộc
kiểu tam giác với các tham số cụ thể: [-0.47, 0, 0.47]. Các tập mờ mô tả
biến E được biểu diễn trên hình 3.6:
Hình 3.11. Hàm thuộc của biến E

65. 52
-Biến DE cũng được mờ hóa thành 3 tập mờ: DE = {N, Z, P}. Tập mờ N
biểu diễn mức độ ”âm” (Negative) của biến sai lệch DE, có hàm thuộc
dạng hình thang với các tham số: [-0.1, -0.1, -0.06, 0]. Tập mờ P biểu diễn
mức độ ”dương” (Positive) của biến sai lệch DE, có hàm thuộc dạng hình
thang với các tham số là: [0 0.06 0.127 0.1127]. Tập mờ Z biểu diễn mức
độ ”bằng 0” (Zero) của biến sai lệch DE, có hàm thuộc kiểu tam giác với
các tham số: [-0.06,0,0.06]. Các tập mờ mô tả biến DE được biểu diễn trên
hình 3.7:
Hình 3.12. Hàm thuộc của biến DE
-Biến V được mờ hóa thành 5 tập mờ: V = {CF, CS, NC, OS, OF}. Các tập
mờ này biểu diễn các mức độ tác động khác nhau tới van lưu lượng, là:
”đóng nhanh” (CF – Close Fast), ”đóng chậm” (CS – Close Slow), ”không
đổi” (NC - No Change), ”mở chậm” (OS – Open Slow), ”mở nhanh” (OF
– Open Fast). Hàm thuộc của các tập mờ này được chọn có kiểu tam giác,
với các tham số như sau: CF- [-1 -0.66 -0.33] , CS-[-0.66 -0.33 0] , NC- [-
0.33 0 0.33] , OS- [0 0.33 0.66] , OF-[0.33 0.66 1]. Các tập mờ mô tả biến
V được biểu diễn trên hình 3.8:

66. 53
Hình 3.13. Hàm thuộc của biến V
Bước 3: Xây dựng các mệnh đề hợp thành. Các mệnh đề hợp thành là phần
trung tâm của một hệ điều khiển mờ, và được xây dựng từ kiến thức và kinh
nghiệm có được về thiết bị hoặc hệ thống kỹ thuật. Với đối tượng bình chứa, từ
những thử nghiệm tiến hành trên phần mềm Matlab, tác giả xây dựng các mệnh
đề hợp thành như trong bảng sau:
Bảng 3.3. Bảng tổng hợp các mệnh đề hợp thành
E
N Z P
DE
N CF CS OS
Z CF NC OF
P CS OS OF
Bước 4: Ta chọn luật hợp thành max-min và giải mờ theo phương pháp
trọng tâm.
Bộ điều khiển mờ được thiết kế như các bước trên đã được cài đặt và thử
nghiệm trên phần mềm Matlab/Simulink.
Chương trình mô phỏng hệ thống điều khiển bồn chứa dùng điều khiển
Fuzzy với như hình:

67. 54
Hình 3.14. Chương trình mô phỏng HT ĐK với Fuzzy
Kết quả mô phỏng hệ thống điều khiển với Fuzzy
Hình 3.15. Đáp ứng chiều cao mức nước H với HTĐK Fuzzy

68. 55
Các kết quả mô phỏng cho thấy bộ điều khiển mờ cho đáp ứng tốt. Cửa sổ
RuleViewer trong Fuzzy Toolbox của Matlab khi chạy mô phỏng như hình
(3.16)
Hình 3.16. Cửa sổ Rule Viewer
Hình 3.17. Chương trình mô phỏng HT ĐK với Fuzzy và PID đưa qua bộ
Mux2 để so sánh

69. 56
Hình 3.18. So sánh đáp ứng chiều cao mức nước H với HTĐK khi dùng
Fuzzy và khi dùng PID
Như vậy với giả thiết bài toán đặt ra: chiều cao mức nước tối đa là 2(
m ), và điểm làm việc mong muốn được chọn là 1(m ). Nhìn vào kết quả đáp
ứng chiều cao mức nước h thu được khi sử dụng hai phương pháp cho thấy:
+ Với bộ điều khiển sử dụng là PID ( nét đứt ) phải mất gần 6s mức nước
mới đạt giá trị mong muốn 1(m) và bị quá điều chỉnh tăng vọt lên sau đó tới
tầm 10s mới đạt ngưỡng ổn định
+ Khác hẳn với bộ điều khiển sử dụng PID, bộ điều khiển dùng logic mờ
(nét liền màu xanh) có thời gian đáp ứng nhanh hơn. Cụ thể là hơn 3s đã đạt
được mức nước 1(m) mong muốn và không có độ quá điều chỉnh.
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
1.1
Fuzzy
PID

70. 57
Kết luận: Đồ thị trên cho phép so sánh phương án điều khiển mờ và phương
án điều khiển PID. Ta thấy rằng bộ điều khiển mờ cho chất lượng tốt hơn, thể
hiện ở chỗ thời gian đáp ứng nhanh hơn và không có độ quá điều chỉnh.
3.5. Kết luận chương 3
Trong chương 3, tác giả đã đề cập tới mô hình của bồn chứa, khảo sát đối
tượng bồn chứa từ đó đưa ra phương án sử dụng. Ở đây có hai phương án được
lựa chọn đó là phương án sử dụng bộ điều chỉnh PID kinh điển và phương án
điều khiển logic mờ.
Dựa trên kết quả thu được của hai phương án này cho thấy bộ điều khiển
logic mờ cho chất lượng tốt hơn, thể hiện ở chỗ: thời gian đáp ứng nhanh hơn
và không có độ quá điều chỉnh. Kết quả được áp dụng để điều khiển ổn định
mức nước bồn chứa trong bài toán thiết kế cụ thể nêu trên. Chương trình mô
phỏng được thực hiện trên Matlab Simulink.

71. 58
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNGPHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI
1. KẾT LUẬN
Qua thời gian tìm hiểu và thực hiện đề tài: “Điều khiển và ổn định mức
nước dùng bộ điều chỉnh PID và logic mờ”, đã giúp tôi hiểu rõ hơn ứng dụng
của lĩnh vực điều khiển và ổn định mức nước trong thực tế và nguyên lý hoạt
động cũng như ứng dụng của bộ điều chỉnh PID và bộ điều khiển logic mờ.
Qua kết quả thực nghiệm thu được cho thấy để thực hiện giám sát điều
khiển và ổn định mức nước có nhiều phương pháp khác nhau. Mỗi phương
pháp đều có những ưu nhược điểm riêng, tất cả đều nhằm mục đích đảm bảo
tính chính xác, tính hiệu quả, tính hợp lý và giúp giảm bớt chi phí sản xuất.
Ở đây có hai phương án được lựa chọn đó là phương án sử dụng bộ điều
chỉnh PID kinh điển và phương án điều khiển logic mờ. Dựa trên kết quả thu
được của hai phương án này cho thấy bộ điều khiển logic mờ cho chất lượng
tốt hơn, thể hiện ở chỗ: thời gian đáp ứng nhanh hơn và không có độ quá điều
chỉnh.Các kết quả nghiên cứu của đề tài mới chỉ dừng lại ở thực nghiệm mô
phỏng trên matlab.
2. HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI
Hướng nghiên cứu tiếp theo là sẽ nghiên cứu thử nghiệm vào hệ thống
thật khi có điều kiện.
Về mặt lý thuyết, tiếp tục nghiên cứu xây dựng các thuật toán theo hướng
thích nghi , bền vững, mạng nơ ron cho bài toán ổn định mức nước bồn chứa
đơn, và các bồn chứa khác.
Về mặt thực tiễn, tiếp tục xây dựng mô hình để hiểu rõ hơn ứng dụng của
đề tài.

72. 59
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1. Nguyễn Doãn Phước, Phan Xuân Minh (2009), Lý thuyết điều khiển mờ,
Nxb Khoa học và kỹ thuật.
2. Lê Hùng Lân (2004), Lý thuyết điều khiển tự động tập 1, Nxb Giao Thông
Vận Tải.
3. Nguyễn Doãn Phước (2010), Lý thuyết điều khiển tuyến tính, Nxb Khoa học
và kỹ thuật.
4. Nguyễn Doãn Phước, Phan Xuân Minh, Hán Thành Trung (2006), Lý thuyết
điều khiển phi tuyến, Nxb Khoa học và kỹ thuật.
5. Nguyễn Thị Thanh Quỳnh, Phạm Văn Thiêm (2013), Thiết kế bộ điều khiển
PID và bộ điều khiển FLC (Fuzzy Logic Controller) cho hệ thống gia nhiệt,
Tạp chí Khoa Học và Công Nghệ, Đại học Thái nguyên, Tập 112, số 12/2,
trang 39-44.
6. Nguyễn Phùng Quang (2004), Matlab & Simulink – Dành cho kỹ sư điều
khiển tự động, Nxb Khoa học và kỹ thuật.
Tiếng Anh
7. Ross T. J. (2010), Fuzzy logic with Engineering Applications, Third Edition,
John Wiley & Sons.
8. Nguyen Cat Ho and W. Wechler, Extended hedge algebras and their
application to Fuzzy logic, Fuzzy Sets and Systems 52(1992), 259-281.