بخشی از مقاله
چکیده
این مقاله کاربرد کنترلر PI کلاسیک و کنترلر فازی را در سیستم کنترل سطح مایع مورد بررسی قرار میدهد. سیستمهای واقعی از خود خاصیت غیرخطی نشان میدهند، که کنترلرهای کلاسیک همیشه قادر به تامین نتایج رضایتبخش نیستند. بنابراین میتوان برای دستیابی به نتایج دقیقتر از کنترل منطق فازی - FLC - استفاده کرد .بدین منظور ابتدا یک سخت افزار در سیستم شبیه سازی بر اساس جعبه ابزار MATLAB/RTW ساخته می شود، سپس یک کنترلرکلاسیک PI و یک کنترلر فازی با استفاده از این فضای شبیه سازی طراحی میشود. شبیهسازیها نشان خواهد داد که مشکل عدم قطعیت توسط کنترلر فازی تقریبا حل خواهد شد و پاسخها بهطور چشمگیری بهبود خواهد یافت.
.1 مقدمه
سیستم کنترل سطح مایع یک بخش مهم در کنترل صنعتی میباشد. کنترل سطح مایع در گذشته اساساَ توسط کنترلر PI انجام پذیر بوده است.[1] در سالهای گذشته الگوریتم کنترلرPI جهت کنترل سطح مایع به علت سادگی وکاربرد آسان بهطور گسترده مورد استفاده قرار گرفته است. تطبیقپذیری آن زیاد است و پایداری بالایی دارد [2] و .[3] با پیشرفت صنعت، از یکسو، پیچیدگی سیستمهای کنترل سطح، مسئله غیرخطی بودن سطح، تغییرپذیری با زمان و عدم قطعیت بیش از بیش چشمگیر شدهاست، از سوی دیگر، پیشرفت صنعت فرآیند کنترل سیستمها را پیچیدهتر و انتخاب پارامترها را مشکلتر میسازد
بنابراین تضمین این موضوع که کنترلر PI در همهی عملکردهای کنترلی شرایط بهینه داشته باشد، مشکل است. در سالهای اخیر، ظهور تئوری کنترل فازی که به مدل دقیق ریاضی سیستم بستگی ندارد[5] و می تواند بهطور بهینه پارامترهای PI راتنظیم کند، کاربرد گستردهای پیدا کردهاست. در این مقاله تئوری کنترل فازی با الگوریتم PI را با یکدیگر ترکیب کردهایم و آنها را به منظور کنترل سطح مایع بهکار گرفتهایم.
کنترلر فازی نوع یک مقاومت خوبی دارد و میتواند در حضور نامعینی سیستم را بهخوبی کنترل کند[6]و..[7] که در این مقاله از مجموعه کنترلر فازی برای کنترل سطح مایع استفاده کردهایم. ساختار مقاله به صورت زیر سازماندهی شده است: در بخش دوم شبیه-سازی سیستم کنترل سطح مایع در RTW معرفی شده است. در بخش سوم طراحی کنترلر PI کلاسیک برای سیستم کنترل سطح مایع آورده شده است. در بخش چهارم طراحی کنترلر PI فازی نوع- یک توضیح داده شده است، در بخش پنجم نتایج شبیهسازیها آورده شده است و در بخش ششم نتایج به دست آمده را مورد بحث و بررسی قرار خواهد داد.
.2 شبیهسازی سیستم کنترل سطح مایع
در این مقاله از - Real Time Workshop - RTW برای برنامه شبیهسازی سخت افزار در حلقه استفاده شده است. RTW یک مدول تابع تکمیلکننده MATLAB و سیمولینک میباشد.[RTW ] میتواند کد C، ANSI بهینهسازی و قابل حمل را مستقیما برای سیمولینک MATLAB تولید کند. برنامه مورد نظر می تواند در سیستم فضای حقیقی و غیر حقیقی و بسیاری از فضاهای دیگر اجرا شود.
در برنامه شبیهسازی شده بوسیله RTW میتوان پارامترهای سیستم کنترل را بهصورت آنلاین تنظیم کرد و عملکرد کنترلی در هر لحظه میتواند مشاهده شود. بنابراین میتوان الگوریتم کنترلی را سریعا بهینه کرد. در این شرایط طراحی کنترلر و انتخاب بهترین شیوه در تنظیم پارامترهای کنترلر بسیار آسانتر از قبل میباشد. قسمت سخت افزاری برنامه شبیهسازی بوسیله کامپیوتر کنترل صنعتی ساخته میشود. کارت 1711C ساخته شرکت Advantech، بهعنوان مدار رابط، مبدل برای سطح مایع، شیر الکترونیکیPSL201 و دو تانک نگهدارنده میباشد . در شکل 1 دیاگرام آن نشان داده شده است.
شکل :1دیاگرام کلی برنامه
در شکل 2 ساختار سیستم نشان داده شده است. با استفاده از تغییر میزان باز شدن شیرالکتریکی میتوان سطح مایع را کنترل کنیم.
شکل:2 ساختار فیزیکی سیستم
این یک نمونه مرسوم SISO سیستم کنترل با تاخیر بزرگ است. برای سادهسازی طراحی کنترلر و فیلتر دیجیتالی، فرآیند خطی-سازی بر روی ورودی و خروجی اعمال میشود. سیگنال ورودی کامپیوتر، سیگنال خروجی مبدل است که نویز فراوانی دارد. در اینجا برای فیلترکردن نویز از فیلتر میانگین استفاده میکنیم. در نهایت با استفاده از انتقال مقیاسی خطی، سیگنال ولتاژ را بهصورت سیگنال سطح مایع تفسیر میکنیم.
سیگنال خروجی کامپیوتر، همان سیگنال ورودی به شیر است. با اندازهگیری مشخص می شود که شیر ویژگیهای دقیق جریان لگاریتمی را ندارد. بنابراین بین کنترلر و شیر یک مدول تبدیل قرار دارد. مقدار جریان خروجی کنترلر بهصورت سیگنال ورودی شیر الکتریکی با استفاده از جدول جستجو و خطیسازی محلی ماژول تبدیل تفسیر میشود. پس از اقدامات انجام شده در بالا، ورودی کنترلکننده، بازه مقدار سطح مایع در بازه 0-50cm است. و خروجی کنترلکننده که تخلیه نسبی است در بازه 0-100% قرار دارد. از آنجایی که تانک آب نگهدارنده جفتی تاخیر بسیار بزرگی دارد، زمان بسیاری طول میکشد که پایدار شود.
هر زمانی که ما پارامترهای کنترلر را تغییر دهیم برای تست های شبه فیزیکی زمان زیادی تلف میشود. در نتیجه مدل شبیه سازی شده با سیمولینک پس از شناسایی مدل مخزن زمان زیادی را برای ما کاهش می دهد. با استفاده از قوانین تعادل مواد، ساختار مدل ریاضی مخزن [8] بهصورت زیر خواهد بود. - - 2
بر اساس منحنی پاسخ پله فرآیند، مقادیر پارامترهای ویژه با استفاده از روش شناسایی حداقل مربعات بهدست میآید:
.3طراحی کنترلکننده
به منظور دستیابی به بهترین روش کنترلی، کنترلکنندههای سنتی PI و کنترلکننده فازی با استفاده از برنامه شبیهسازی شده که در بالا توضیح داده شد، طراحی میشوند
-1-3 طراحی کنترلکننده PI
مطابق با شکل 3 پارامترهای کنترلکننده با شبیهسازی ریاضی طراحی میشوند. برای اینکه سیستم عملکرد کنترلی مناسبی داشته باشد با ضرایب تناسبی و انتگرالی P و Ki تنظیم میشوند.
شکل :3 مدل شبیهسازی کنترلر PI دیجیتال
.4طراحی کنترلر فازی نوع- یک
دو مشکل اساسی در طراحی کنترلر فازی لازم است مورد توجه قرار گیرد: اولین مورد استخراج تجربه کنترلی انسانی و دومین مورد چگونگی تبدیل ورودی- خروجی دقیق و مفهوم فازی به یکدیگر است
-1-4 طراحی سیگنال ورودی- خروجی
سیگنال ورودی تفاوت سطح موجود و مطلوب - خطا - و نرخ تغییرات این مقدار - مشتق خطا - است. بر اساس آزمایشات شبیه سازی، طراحی کنترلکننده تنها براساس ورودی خطا نتایج مطلوبی به ما نمیدهد. بعد از اضافهکردن نرخ تغییر خطا عملکرد کنترلی مناسبتر میشود. بنابراین خطا و مشتق خطا به عنوان ورودی کنترلکننده فازی در نظر گرفته میشوند. خروجی کنترلکننده فازی سیگنال کنترلی شیر الکتریکی است. ساختار کنترلکننده در شکل 4 نشان داده شده است.
